電壓轉換裝置及其電子系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有自參考特性的電壓轉換裝置，用于一電子系統中，包含有一差動電流產生模組，實現于一互補式金屬氧化物半導體制程，用來根據一轉換電壓產生一差動電流對；以及一電壓轉換模組，耦接于該差動電流產生模組及該電子系統的一第一供應電壓以及一第二供應電壓，用來根據該差動電流對、該第一供應電壓及該第二供應電壓，產生該轉換電壓。
【專利說明】電壓轉換裝置及其電子系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電壓轉換裝置，尤其涉及一種具有自參考特性且以互補式金屬氧 化物半導體（CMOS)實現的電壓轉換裝置。

【背景技術】
[0002] 在集成電路中，電壓調整器（VoltageRegulator)，如直流對直流轉換器（DC-DC converter)，是常用于產生準確且穩定電壓的電路。電壓調整器所輸出的電壓通常會作為 集成電路中其他電路的參考電壓或是供應電壓。依據不同的電壓需求及集成電路中元件的 特性，集成電路通常需要多個電壓調整器，以產生不同的供應電壓。
[0003] 請參考圖1，圖1為現有一電子系統10的示意圖。電子系統10可為一集成電路， 其包括一供應電壓產生單元100、一正電壓電路102、一電壓范圍轉換單元104以及一負電 壓電路106。電子系統10主要利用工作在正供應電壓VDDPl?地端電壓GND之間的正電壓 電路102與工作在地端電壓GND?負供應電壓VDDNl的負電壓電路106,分別產生相互對 應的正輸出信號VOUTP與負輸出信號V0UTN。由于當集成電路中電子元件的跨壓過大時， 會造成電子元件損壞，因此電子系統10需要利用電壓范圍轉換單元104作為緩沖，以進行 電壓與信號的轉換。電壓范圍轉換單元104工作于正供應電壓VDDP2與負供應電壓VDDN2 之間，其中正供應電壓VDDPl大于正供應電壓VDDP2且負供應電壓VDDNl小于負供應電壓 VDDN2。換言之，電壓范圍轉換單元104的工作電壓范圍橫跨正負電壓范圍，且分別與正電 壓電路102及負電壓電路106的工作電壓范圍重疊。
[0004] 在實際應用中，電子系統10通常僅擁有一外部系統電壓VDDE作為電源來源。電 子系統10需要通過供應電壓產生單元100,來產生正電壓電路102、電壓范圍轉換單元104 以及負電壓電路106所需要的供應電壓。因此，供應電壓產生單元100需要至少四個電壓 調整器，以分別產生正供應電壓VDDP1、正供應電壓VDDP2、負供應電壓VDDNl以及負供應電 壓VDDN2。隨著電子系統10所需達成的功能增加，電子系統10內部電路所需的供應電壓的 數目也隨之上升。電子系統10需要使用更多的電壓調整器，來提供足夠數量的供應電壓。 然而，電壓調整器通常需要使用外部電感或是外部電容，以提供穩定且準確的供應電壓。電 子系統10的制造成本將會隨著電壓調整器的數量上升而大幅增加。更甚者，當外部系統電 壓VDDE開啟電子系統10的瞬間，各供應電壓（如正供應電壓VDDP1、正供應電壓VDDP2、負 供應電壓VDDNl以及負供應電壓VDDN2)的產生時間之間將會產生時間差，這些時間差可能 會使得電子系統10中產生閂鎖（latch-up)現象。
[0005] 另一方面，由于電子系統10內供應電壓通常會與外部系統電壓VDDE間呈現倍數 關系（如正供應電壓VDDPl可為外部系統電壓VDDE的1. 5倍，而正供應電壓VDDP2可為外 部系統電壓VDDE的一半)，電子系統10內供應電壓將會隨著外部系統電壓VDDE而變動，從 而可能造成供應電壓偏離原始設計值的狀況。舉例來說，當外部系統電壓VDDE由電池所提 供時，外部系統電壓VDDE將會隨著電池的電荷存儲程度而變動。因此，電子系統10需要加 入一參考電路，以提供不隨外部系統電壓VDDE變動的參考電壓，并通過回授機制將各供應 電壓控制在原始設計值。
[0006] -般而言，用來提供穩定參考電壓的參考電路是通過帶隙（bandgap)電路所實現， 其可由實現于互補式金屬氧化物半導體（CMOS)制程的雙極性晶體管（BJT)或是互補式金 屬氧化物半導體所組成。由雙極性晶體管實現的帶隙電路雖有不易隨制程飄移影響的優 點，然而實現于互補式金屬氧化物半導體的雙極性晶體管容易在電源啟動時產生閂鎖現 象。并且，實現于互補式金屬氧化物半導體制程的雙極性晶體管的元件特性也會造成設計 上的限制。另一方面，帶隙電路雖可利用工作在次臨界（sub-threshold)區的金氧半場效 晶體管（MOSFET)替代雙極性晶體管，然而，工作在次臨界區的金氧半場效晶體管的溫度系 數容易受到制程飄移的影響，造成參考電壓與設計產生偏差。
[0007] 此外，帶隙電路僅能產生一固定的參考電壓，且其輸出的參考電壓不具備推動負 載的能力。在此狀況下，帶隙電路產生的參考電壓必須通過額外的電壓調節器，才可產生具 有不同電壓值且具備推動負載能力的參考電壓，從而增加了電子系統10的制造成本且使 電子系統10的設計更為復雜。因此，如何簡化電子系統中用來產生供應電壓的電路，便成 為目前產業中一重要的課題。


【發明內容】

[0008] 因此，本發明提出一種具有自參考特性的電壓轉換裝置，其可產生不隨溫度變化 且具有推動能力的供應電壓。
[0009] 本發明公開一種具有自參考特性的電壓轉換裝置，用于一電子系統中，包括一差 動電流產生模組，實現于互補式金屬氧化物半導體制程，用來根據一轉換電壓產生一差動 電流對；以及一電壓轉換模組，耦接于該差動電流產生模組及該電子系統的一第一供應電 壓以及一第二供應電壓，用來根據該差動電流對、該第一供應電壓及該第二供應電壓，產生 該轉換電壓。
[0010] 本發明還公開一種電子系統，包括一供應電壓轉換模組，用來產生一第一供應電 壓及一第二供應電壓；至少一具有自參考特性的電壓轉換裝置，用來產生至少一轉換電壓， 每一電壓轉換裝置包括：一差動電流產生模組，實現于互補式金屬氧化物半導體制程，用來 根據該至少一轉換電壓中一第一轉換電壓，產生一對差動電流；以及一電壓轉換模組，耦接 于該差動電流產生模組、該第一供應電壓及該第二供應電壓，用來根據該對差動電流、該第 一供應電壓及該第二供應電壓，產生該至少一轉換電壓其中之一以及該第一轉換電壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為一現有電子系統的示意圖。
[0012] 圖2為本發明實施例一電壓轉換裝置的示意圖。
[0013] 圖3為本發明實施例另一電壓轉換裝置的示意圖。
[0014] 圖4為圖2所示的電壓轉換裝置另一實現方式的示意圖。
[0015] 圖5為圖3所示的電壓轉換裝置另一實現方式的示意圖。
[0016] 第6圖為本發明實施例一電子系統的不意圖。
[0017] 其中，附圖標記說明如下：
[0018] 10,60 電子系統
[0019] 100,600 供應電壓產生單元
[0020] 102、602 正電壓電路
[0021] 104,604 電壓范圍轉換電路
[0022] 106、606 負電壓電路
[0023] 20、30、40、50、608、610 電壓轉換裝置
[0024] 200、300、400、500 差動電流產生模組
[0025] 202、302、402、502 電壓轉換模組
[0026] 204、304、404、504 回授電壓產生單元
[0027]GND 地端
[0028]Idi?Id4 差動電流
[0029] Iregi、Ireg2 電流
[0030]MNl?MNl2、MP1 ?MP12 晶體管
[0031]Rl?R8 電阻
[0032]Vkeci ?Vkec4 轉換電壓
[0033]Vfbi、Vfb2 回授電壓

【具體實施方式】
[0034] 請參考圖2,圖2為本發明實施例一電壓轉換裝置20的示意圖。電壓轉換裝置20 用于一電子系統中，其具有自參考特性，且可根據電子系統提供的供應電壓產生電子系統 中其余電路的供應電壓。如圖2所示，電壓轉換裝置20是由一差動電流產生模組200以及 一電壓轉換模組202所組成。差動電流產生模組200用來根據一轉換電壓VKEei，產生相對 應的差動電流ID1、Id2。電壓轉換模組202耦接于差動電流產生模組200及供應電壓VDDH、 VDDL，用來根據差動電流ID1、Id2及供應電壓VDDH、VDDL，產生轉換電壓VKEei。值得注意的是， 由于電壓轉換模組202具有推動能力，因此轉換電壓VKEei不需利用額外的電壓轉換器即可 作為電子系統中其余電路的供應電壓。通過電壓轉換裝置20,電子系統所需的電壓調整器 的數量可大幅降低，從而減低電子系統的制造成本。
[0035] 詳細來說，差動電流產生模組200包括回授電壓產生單元204、晶體管麗1、麗2以 及電阻Rl、R2。回授電壓產生單元204包括電阻R3、R4,用來根據轉換電壓Vmn及電阻R3、 R4間的比例，產生回授電壓Vfbi。晶體管麗1、麗2為N型金氧半場效晶體管（NM0S)，其形 成一差動對，以分別產生差動電流ID1、ID2。其中，晶體管麗1的長寬比為晶體管麗2的長寬 比的K1倍，且晶體管麗1與晶體管麗2都操作于次臨界（sub-threshold)區。晶體管麗1、 麗2以及電阻Rl、R2的耦接關系如下所述，晶體管麗1、麗2的柵極都耦接于回授電壓VFB1， 電阻Rl的兩端分別耦接于晶體管麗1、麗2的源極，電阻R2的兩端則分別耦接于晶體管麗2 的源極與地端GND。需注意的是，電阻R2、R4耦接于地端GND的端點可改為耦接于其他位 于供應電壓VDDH與供應電壓VDDL之間的電壓準位，而不限于耦接于地端GND。通過差動電 流產生模組200與電壓轉換模組202組成的負回授路徑，當電壓轉換裝置20進入穩態時， 差動電流Idi會等同于差動電流ID2。因此，回授電壓Vfbi可表不為：
[0036]VFB1=VGS2+2XIdiXR2 (1)
[0037] 其中，Ves2為晶體管麗2柵極與源極間的電壓差。接下來，通過計算流經電阻Rl的 電流(即電流ID1)，可將公式（1)修改為：

【權利要求】
1. 一種具有自參考特性的電壓轉換裝置，用于一電子系統中，包括： 一差動電流產生模組，實現于一互補式金屬氧化物半導體制程，用來根據一轉換電壓 產生一差動電流對；以及 一電壓轉換模組，耦接于該差動電流產生模組及該電子系統的一第一供應電壓以及一 第二供應電壓，用來根據該差動電流對、該第一供應電壓及該第二供應電壓，產生該轉換電 壓。
2. 如權利要求1所述的電壓轉換裝置，其特征在于該第一供應電壓為該電子系統的一 最商電壓。
3. 如權利要求1所述的電壓轉換裝置，其特征在于該第一供應電壓為該電子系統的一 最低電壓。
4. 如權利要求1所述的電壓轉換裝置，其特征在于該差動電流產生模組包括： 一回授電壓產生單元，用來根據該轉換電壓，產生一回授電壓； 一第一晶體管，包括一柵極稱接于該回授電壓，一源極稱接于一第一節點，以及一漏極 奉禹接于一第一輸出端，用來根據該回授電壓，產生該差動電流對的一第一差動電流； 一第二晶體管，包括一柵極稱接于該回授電壓，一源極耦接于一第二節點，以及一漏極 耦接于一第二輸出端，用來根據該回授電壓，產生該差動電流對的一第二差動電流； 一第一電阻，耦接于該第一節點與該第二節點之間；以及 一第二電阻，耦接于該第二節點與該電子系統中一第三供應電壓之間。
5. 如權利要求4所述的電壓轉換裝置，其特征在于該第三供應電壓為地端電壓。
6. 如權利要求4所述的電壓轉換裝置，其特征在于該第一晶體管與該第二晶體管為金 屬氧化物半導體場效晶體管，且運作于次臨界區。
7. -種電子系統，包括： 一供應電壓轉換模組，用來產生一第一供應電壓及一第二供應電壓；以及 至少一具有自參考特性的電壓轉換裝置，用來產生至少一轉換電壓，每一電壓轉換裝 置包括： 一差動電流產生模組，實現于一互補式金屬氧化物半導體制程，用來根據該至少一轉 換電壓中一第一轉換電壓，產生一對差動電流；以及 一電壓轉換模組，耦接于該差動電流產生模組、該第一供應電壓及該第二供應電壓，用 來根據該對差動電流、該第一供應電壓及該第二供應電壓，產生該至少一轉換電壓其中之 一以及該第一轉換電壓。
8. 如權利要求7所述的電子系統，其特征在于該第一供應電壓為該電子系統的一最高 電壓。
9. 如權利要求7所述的電子系統，其特征在于該第一供應電壓為該電子系統的一最低 電壓。
10. 如權利要求7所述的電子系統，其特征在于該差動電流產生模組包括：一回授電壓 產生單元，用來根據該轉換電壓，產生一回授電壓； 一第一晶體管，包括一柵極稱接于該回授電壓，一源極稱接于一第一節點，以及一漏極 奉禹接于一第一輸出端，用來根據該回授電壓，產生該差動電流對的一第一差動電流； 一第二晶體管，包括一柵極耦接于該回授電壓，一源極耦接于一第二節點，以及一漏極 耦接于一第二輸出端，用來根據該回授電壓，產生該差動電流對的一第二差動電流； 一第一電阻，耦接于該第一節點與該第二節點之間；以及 一第二電阻，耦接于該第二節點與該電子系統中一第三供應電壓之間。
11. 如權利要求10所述的電子系統，其特征在于該第三供應電壓為地端電壓。
12. 如權利要求10所述的電子系統，其特征在于該第一晶體管及該第二晶體管為金屬 氧化物半導體場效晶體管且工作于次臨界區。
【文檔編號】H02M5/42GK104426384SQ201310362099
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】胡敏弘, 蘇品翰, 吳振聰, 黃秋皇, 黃俊為 申請人:聯詠科技股份有限公司