电压转换装置及其电子系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有自参考特性的电压转换装置，用于一电子系统中，包含有一差动电流产生模组，实现于一互补式金属氧化物半导体制程，用来根据一转换电压产生一差动电流对；以及一电压转换模组，耦接于该差动电流产生模组及该电子系统的一第一供应电压以及一第二供应电压，用来根据该差动电流对、该第一供应电压及该第二供应电压，产生该转换电压。
【专利说明】电压转换装置及其电子系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电压转换装置，尤其涉及一种具有自参考特性且以互补式金属氧 化物半导体（CMOS)实现的电压转换装置。
【背景技术】
[0002] 在集成电路中，电压调整器（VoltageRegulator)，如直流对直流转换器（DC-DC converter)，是常用于产生准确且稳定电压的电路。电压调整器所输出的电压通常会作为 集成电路中其他电路的参考电压或是供应电压。依据不同的电压需求及集成电路中元件的 特性，集成电路通常需要多个电压调整器，以产生不同的供应电压。
[0003] 请参考图1，图1为现有一电子系统10的示意图。电子系统10可为一集成电路， 其包括一供应电压产生单元100、一正电压电路102、一电压范围转换单元104以及一负电 压电路106。电子系统10主要利用工作在正供应电压VDDPl?地端电压GND之间的正电压 电路102与工作在地端电压GND?负供应电压VDDNl的负电压电路106,分别产生相互对 应的正输出信号VOUTP与负输出信号V0UTN。由于当集成电路中电子元件的跨压过大时， 会造成电子元件损坏，因此电子系统10需要利用电压范围转换单元104作为缓冲，以进行 电压与信号的转换。电压范围转换单元104工作于正供应电压VDDP2与负供应电压VDDN2 之间，其中正供应电压VDDPl大于正供应电压VDDP2且负供应电压VDDNl小于负供应电压 VDDN2。换言之，电压范围转换单元104的工作电压范围横跨正负电压范围，且分别与正电 压电路102及负电压电路106的工作电压范围重叠。
[0004] 在实际应用中，电子系统10通常仅拥有一外部系统电压VDDE作为电源来源。电 子系统10需要通过供应电压产生单元100,来产生正电压电路102、电压范围转换单元104 以及负电压电路106所需要的供应电压。因此，供应电压产生单元100需要至少四个电压 调整器，以分别产生正供应电压VDDP1、正供应电压VDDP2、负供应电压VDDNl以及负供应电 压VDDN2。随着电子系统10所需达成的功能增加，电子系统10内部电路所需的供应电压的 数目也随之上升。电子系统10需要使用更多的电压调整器，来提供足够数量的供应电压。 然而，电压调整器通常需要使用外部电感或是外部电容，以提供稳定且准确的供应电压。电 子系统10的制造成本将会随着电压调整器的数量上升而大幅增加。更甚者，当外部系统电 压VDDE开启电子系统10的瞬间，各供应电压（如正供应电压VDDP1、正供应电压VDDP2、负 供应电压VDDNl以及负供应电压VDDN2)的产生时间之间将会产生时间差，这些时间差可能 会使得电子系统10中产生闩锁（latch-up)现象。
[0005] 另一方面，由于电子系统10内供应电压通常会与外部系统电压VDDE间呈现倍数 关系（如正供应电压VDDPl可为外部系统电压VDDE的1. 5倍，而正供应电压VDDP2可为外 部系统电压VDDE的一半)，电子系统10内供应电压将会随着外部系统电压VDDE而变动，从 而可能造成供应电压偏离原始设计值的状况。举例来说，当外部系统电压VDDE由电池所提 供时，外部系统电压VDDE将会随着电池的电荷存储程度而变动。因此，电子系统10需要加 入一参考电路，以提供不随外部系统电压VDDE变动的参考电压，并通过回授机制将各供应 电压控制在原始设计值。
[0006] -般而言，用来提供稳定参考电压的参考电路是通过带隙（bandgap)电路所实现， 其可由实现于互补式金属氧化物半导体（CMOS)制程的双极性晶体管（BJT)或是互补式金 属氧化物半导体所组成。由双极性晶体管实现的带隙电路虽有不易随制程飘移影响的优 点，然而实现于互补式金属氧化物半导体的双极性晶体管容易在电源启动时产生闩锁现 象。并且，实现于互补式金属氧化物半导体制程的双极性晶体管的元件特性也会造成设计 上的限制。另一方面，带隙电路虽可利用工作在次临界（sub-threshold)区的金氧半场效 晶体管（MOSFET)替代双极性晶体管，然而，工作在次临界区的金氧半场效晶体管的温度系 数容易受到制程飘移的影响，造成参考电压与设计产生偏差。
[0007] 此外，带隙电路仅能产生一固定的参考电压，且其输出的参考电压不具备推动负 载的能力。在此状况下，带隙电路产生的参考电压必须通过额外的电压调节器，才可产生具 有不同电压值且具备推动负载能力的参考电压，从而增加了电子系统10的制造成本且使 电子系统10的设计更为复杂。因此，如何简化电子系统中用来产生供应电压的电路，便成 为目前产业中一重要的课题。
【发明内容】
[0008] 因此，本发明提出一种具有自参考特性的电压转换装置，其可产生不随温度变化 且具有推动能力的供应电压。
[0009] 本发明公开一种具有自参考特性的电压转换装置，用于一电子系统中，包括一差 动电流产生模组，实现于互补式金属氧化物半导体制程，用来根据一转换电压产生一差动 电流对；以及一电压转换模组，耦接于该差动电流产生模组及该电子系统的一第一供应电 压以及一第二供应电压，用来根据该差动电流对、该第一供应电压及该第二供应电压，产生 该转换电压。
[0010] 本发明还公开一种电子系统，包括一供应电压转换模组，用来产生一第一供应电 压及一第二供应电压；至少一具有自参考特性的电压转换装置，用来产生至少一转换电压， 每一电压转换装置包括：一差动电流产生模组，实现于互补式金属氧化物半导体制程，用来 根据该至少一转换电压中一第一转换电压，产生一对差动电流；以及一电压转换模组，耦接 于该差动电流产生模组、该第一供应电压及该第二供应电压，用来根据该对差动电流、该第 一供应电压及该第二供应电压，产生该至少一转换电压其中之一以及该第一转换电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1为一现有电子系统的示意图。
[0012] 图2为本发明实施例一电压转换装置的示意图。
[0013] 图3为本发明实施例另一电压转换装置的示意图。
[0014] 图4为图2所示的电压转换装置另一实现方式的示意图。
[0015] 图5为图3所示的电压转换装置另一实现方式的示意图。
[0016] 第6图为本发明实施例一电子系统的不意图。
[0017] 其中，附图标记说明如下：
[0018] 10,60 电子系统
[0019] 100,600 供应电压产生单元
[0020] 102、602 正电压电路
[0021] 104,604 电压范围转换电路
[0022] 106、606 负电压电路
[0023] 20、30、40、50、608、610 电压转换装置
[0024] 200、300、400、500 差动电流产生模组
[0025] 202、302、402、502 电压转换模组
[0026] 204、304、404、504 回授电压产生单元
[0027]GND 地端
[0028]Idi?Id4 差动电流
[0029] Iregi、Ireg2 电流
[0030]MNl?MNl2、MP1 ?MP12 晶体管
[0031]Rl?R8 电阻
[0032]Vkeci ?Vkec4 转换电压
[0033]Vfbi、Vfb2 回授电压
【具体实施方式】
[0034] 请参考图2,图2为本发明实施例一电压转换装置20的示意图。电压转换装置20 用于一电子系统中，其具有自参考特性，且可根据电子系统提供的供应电压产生电子系统 中其余电路的供应电压。如图2所示，电压转换装置20是由一差动电流产生模组200以及 一电压转换模组202所组成。差动电流产生模组200用来根据一转换电压VKEei，产生相对 应的差动电流ID1、Id2。电压转换模组202耦接于差动电流产生模组200及供应电压VDDH、 VDDL，用来根据差动电流ID1、Id2及供应电压VDDH、VDDL，产生转换电压VKEei。值得注意的是， 由于电压转换模组202具有推动能力，因此转换电压VKEei不需利用额外的电压转换器即可 作为电子系统中其余电路的供应电压。通过电压转换装置20,电子系统所需的电压调整器 的数量可大幅降低，从而减低电子系统的制造成本。
[0035] 详细来说，差动电流产生模组200包括回授电压产生单元204、晶体管丽1、丽2以 及电阻Rl、R2。回授电压产生单元204包括电阻R3、R4,用来根据转换电压Vmn及电阻R3、 R4间的比例，产生回授电压Vfbi。晶体管丽1、丽2为N型金氧半场效晶体管（NM0S)，其形 成一差动对，以分别产生差动电流ID1、ID2。其中，晶体管丽1的长宽比为晶体管丽2的长宽 比的K1倍，且晶体管丽1与晶体管丽2都操作于次临界（sub-threshold)区。晶体管丽1、 丽2以及电阻Rl、R2的耦接关系如下所述，晶体管丽1、丽2的栅极都耦接于回授电压VFB1， 电阻Rl的两端分别耦接于晶体管丽1、丽2的源极，电阻R2的两端则分别耦接于晶体管丽2 的源极与地端GND。需注意的是，电阻R2、R4耦接于地端GND的端点可改为耦接于其他位 于供应电压VDDH与供应电压VDDL之间的电压准位，而不限于耦接于地端GND。通过差动电 流产生模组200与电压转换模组202组成的负回授路径，当电压转换装置20进入稳态时， 差动电流Idi会等同于差动电流ID2。因此，回授电压Vfbi可表不为：
[0036]VFB1=VGS2+2XIdiXR2 (1)
[0037] 其中，Ves2为晶体管丽2栅极与源极间的电压差。接下来，通过计算流经电阻Rl的 电流(即电流ID1)，可将公式（1)修改为：
【权利要求】
1. 一种具有自参考特性的电压转换装置，用于一电子系统中，包括： 一差动电流产生模组，实现于一互补式金属氧化物半导体制程，用来根据一转换电压 产生一差动电流对；以及 一电压转换模组，耦接于该差动电流产生模组及该电子系统的一第一供应电压以及一 第二供应电压，用来根据该差动电流对、该第一供应电压及该第二供应电压，产生该转换电 压。
2. 如权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于该第一供应电压为该电子系统的一 最商电压。
3. 如权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于该第一供应电压为该电子系统的一 最低电压。
4. 如权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于该差动电流产生模组包括： 一回授电压产生单元，用来根据该转换电压，产生一回授电压； 一第一晶体管，包括一栅极稱接于该回授电压，一源极稱接于一第一节点，以及一漏极 奉禹接于一第一输出端，用来根据该回授电压，产生该差动电流对的一第一差动电流； 一第二晶体管，包括一栅极稱接于该回授电压，一源极耦接于一第二节点，以及一漏极 耦接于一第二输出端，用来根据该回授电压，产生该差动电流对的一第二差动电流； 一第一电阻，耦接于该第一节点与该第二节点之间；以及 一第二电阻，耦接于该第二节点与该电子系统中一第三供应电压之间。
5. 如权利要求4所述的电压转换装置，其特征在于该第三供应电压为地端电压。
6. 如权利要求4所述的电压转换装置，其特征在于该第一晶体管与该第二晶体管为金 属氧化物半导体场效晶体管，且运作于次临界区。
7. -种电子系统，包括： 一供应电压转换模组，用来产生一第一供应电压及一第二供应电压；以及 至少一具有自参考特性的电压转换装置，用来产生至少一转换电压，每一电压转换装 置包括： 一差动电流产生模组，实现于一互补式金属氧化物半导体制程，用来根据该至少一转 换电压中一第一转换电压，产生一对差动电流；以及 一电压转换模组，耦接于该差动电流产生模组、该第一供应电压及该第二供应电压，用 来根据该对差动电流、该第一供应电压及该第二供应电压，产生该至少一转换电压其中之 一以及该第一转换电压。
8. 如权利要求7所述的电子系统，其特征在于该第一供应电压为该电子系统的一最高 电压。
9. 如权利要求7所述的电子系统，其特征在于该第一供应电压为该电子系统的一最低 电压。
10. 如权利要求7所述的电子系统，其特征在于该差动电流产生模组包括：一回授电压 产生单元，用来根据该转换电压，产生一回授电压； 一第一晶体管，包括一栅极稱接于该回授电压，一源极稱接于一第一节点，以及一漏极 奉禹接于一第一输出端，用来根据该回授电压，产生该差动电流对的一第一差动电流； 一第二晶体管，包括一栅极耦接于该回授电压，一源极耦接于一第二节点，以及一漏极 耦接于一第二输出端，用来根据该回授电压，产生该差动电流对的一第二差动电流； 一第一电阻，耦接于该第一节点与该第二节点之间；以及 一第二电阻，耦接于该第二节点与该电子系统中一第三供应电压之间。
11. 如权利要求10所述的电子系统，其特征在于该第三供应电压为地端电压。
12. 如权利要求10所述的电子系统，其特征在于该第一晶体管及该第二晶体管为金属 氧化物半导体场效晶体管且工作于次临界区。
【文档编号】H02M5/42GK104426384SQ201310362099
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】胡敏弘, 苏品翰, 吴振聪, 黄秋皇, 黄俊为 申请人:联咏科技股份有限公司