一種快速升壓的片上電荷泵電路設(shè)計

翟艷男，程繼航，湯艷坤，石靜苑，焦 陽

(空軍航空大學，長春130022)

隨著集成電路的迅速發(fā)展，各種器件對電源的要求也在不斷提高。片上電荷泵作為一種內(nèi)部電源成為研究熱點［1-4］，它被應(yīng)用于需要高壓的領(lǐng)域，如串口通信電路、EEPROM、動態(tài)隨機存儲器等等。例如，在EEPROM中，電荷泵用于對懸浮柵器件進行寫入或者擦除操作。如果電荷泵泵壓速度慢，EEPROM就不能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)改寫，數(shù)據(jù)可能會丟失、誤傳，影響器件性能。因此，減小電壓上升時間成為設(shè)計片上電荷泵的重點。

通過對靜態(tài) CTS 電荷泵［5］、浮阱電荷泵［6］、交叉耦合電荷泵［7］、Dickson 電荷泵［8-9］等電路進行研究和分析，并且考慮到工藝庫文件的限制，選定Dickson電荷泵作為設(shè)計基礎(chǔ)，運用電荷在電容中積累產(chǎn)生高壓。對Dickson電荷泵進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析［10-11］可以看出，無論是二極管還是MOS管連接的Dickson電荷泵，它們輸出電壓的上升時間都與電源電壓、傳輸管閾值電壓、電荷泵級數(shù)、耦合電容、負載電容、驅(qū)動時鐘的周期以及節(jié)點初始電壓等參數(shù)有密切關(guān)系。

本文從研究時鐘信號以及電荷泵初始電壓入手，設(shè)計了一個16級MOS管Dickson電荷泵升壓電路系統(tǒng)。電路對傳統(tǒng)的Dickson電荷泵進行改進，并由占空比約為30%的高頻時鐘信號驅(qū)動，以實現(xiàn)快速升壓的目的。

圖1 MOS管Dickson電荷泵

1 電荷泵核設(shè)計與仿真

考慮到對芯片面積的影響，電荷泵核采用16級MOS管Dickson電荷泵模型，如圖1所示，用柵漏相接的NMOS管作為二極管，用源漏相接的NMOS管作為電容，C1、C2…CN是耦合電容，Cout是負載電容，VA是第一個節(jié)點的電壓，Vh是輸出電壓。由于二極管的單向?qū)ㄌ匦裕姾芍荒軓淖筮厒鞯接疫叀ｋS著電荷泵級數(shù)的增加，電荷會一級一級的傳到輸出端，從而得到高壓Vh。

本文采用華虹NEC 0.35 μm CMOS工藝模型，用HSPICE軟件對MOS管電荷泵進行仿真。仿真環(huán)境設(shè)定如下:仿真溫度25℃，仿真時間為600 μs。輸入電壓Vin為5 V。時鐘信號clk和clk_n是占空比為50%非交疊時鐘，信號如下:v1 clk gnd pulse(0 μs 5 μs 50 μs 2 ns 2 ns 0.25 μs 0.5 μs);v2 clk_n gnd pulse(0 μs 5 μs 50.25 μs 2 ns 2 ns 0.25 μs 0.5 μs)。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 MOS管電荷泵仿真波形

從圖2(a)完整波形中可以看出MOS電荷泵輸出電壓振蕩上升，最終輸出穩(wěn)定電壓信號。從圖2(b)VA起始電壓放大波形中可以看出，在第一個時鐘周期(j=1)里，VA(1)=5.64 V。從圖2(c)輸出電壓Vh的放大波形圖中可以看出，Vh從50 μs開始升壓，0 V升壓到20 V需要77.68 μs。

對Dickson電荷泵進行理論分析，在不考慮體效應(yīng)的情況下，只有當時鐘周期的個數(shù)j很大時，每個節(jié)點的電壓Vk才能達到下面的理想值而在第一個時鐘周期里，即j=1時刻，各節(jié)點處的電壓Vk(1)只能達到

可見，每個節(jié)點的電壓要想達到理論值，需要經(jīng)過一定的時鐘周期。如果增加每個節(jié)點的初始電壓值，就可以明顯減小電壓上升時間。因此本文提出在MOS電荷泵中引入NMOS預充管，使每個節(jié)點的電壓預充到一定值，減小節(jié)點電壓達到理論值的時間。分別對電荷泵加入不同數(shù)目預充管進行仿真分析，研究預充管的數(shù)目對升壓時間的影響

仿真結(jié)果表明，加入偶數(shù)個預充管可以提高電荷泵升壓速度。預充管數(shù)目與升壓時間(0 V升高到20 V)的關(guān)系如表1所示。

表1 預充管數(shù)目與升壓時間的關(guān)系

從表1中可以看出:加入的預充管的個數(shù)越多升壓越快;分別加入2個和4個預充管，升壓時間減少的十分明顯，加入4個預充管使升壓時間減小了7.334 μs;在加入6個以上預充管，升壓時間減少就沒那么明顯了。為了在減小升壓時間的同時不過多的增加電路面積，本文只在電荷泵電路的前四級加入預充管，改進的Dickson電荷泵模型如圖3所示。其中 M2、M3、M4、M54個 NMOS管作為預充管使用。M1管輸入高電平導通，M2～M5管也導通，節(jié)點電壓被預充到一定值。

圖3 改進的電荷泵核電路

仿真環(huán)境不變，對改進的電荷泵核進行仿真。時鐘信號仍然是占空比為50%非交疊時鐘。對仿真波形進行放大，VA起始波形如圖4所示。從圖中可以看出，在第一個時鐘周期里(j=1)，VA(1)=6.750 V，而傳統(tǒng)的MOS管Dickson電荷泵VA(1)=5.64 V。可見，改進的電荷泵第一級電壓提高了2.11 V。

圖4 改進的電荷泵核VA起始電壓放大波形

2 時鐘產(chǎn)生電路設(shè)計與仿真

傳統(tǒng)的Dickson電荷泵采用占空比等于50%的兩相非交疊時鐘驅(qū)動信號，信號每次變化時，電容的充電電流和放電電流都同時打開，這無疑將引起電荷泄漏及充放電流失配等不利因素［12］。因此，本文提出使用占空比約等于30%的時鐘信號驅(qū)動電荷泵，時鐘信號理論波形如圖5所示。該信號增加了x和y兩段都為零的工作過程，此時電荷泵所有的電容都被復位，電容在完全放電之后再進行充放電操作，避免了兩個電容充放電不匹配的現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 改進的驅(qū)動時鐘信號

圖6 時鐘產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計的時鐘產(chǎn)生電路由基準電壓源、電壓放大器、壓控振蕩器和時序電路四個模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。各模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。從圖7中可見，基準電壓源使用電流鏡產(chǎn)生參考電流，以得到精確的電流值，再用電阻進行分壓，以產(chǎn)生對電源電壓不敏感的參考電壓Vref。在電壓放大器中加入了使能控制信號Vce，當Vce為高電平時，電路迅速復位，VinVCO被下拉到低電平，輸出信號clka和clkb均為低電平。當Vce為低電平時，Vref被放大，從而得到振蕩器驅(qū)動信號VinVCO，同時時序電路開始工作。振蕩電路是升壓系統(tǒng)的主要部分，如果不能起振，電荷泵就無法正常工作。為了提高電荷的轉(zhuǎn)換效率，本文采用穩(wěn)定的參考電壓作為驅(qū)動的壓控振蕩器(VCO)。在VinVCO的驅(qū)動下，壓控振蕩器產(chǎn)生同頻率、等幅值、初相角不同的周期振蕩信號clk1和clk2;振蕩信號clk1和clk2經(jīng)時序電路整形產(chǎn)生方波信號，并經(jīng)過調(diào)整產(chǎn)生本文所需要的占空比約為30%的時鐘信號clka和clkb。

圖7 時鐘產(chǎn)生電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

對時鐘電路進行仿真，電源電壓5 V，使能信號Vce為0 V，仿真時間為250 μs。圖8為時鐘產(chǎn)生電路一段放大仿真波形。

圖8 時鐘產(chǎn)生電路放大仿真波形

從波形中可以看出，振蕩器輸出周期振蕩信號clk1和clk2，clk1和 clk2隨后被整形為方波信號clk3和clk4，clk3和clk4再被調(diào)整為兩相非交疊時鐘信號clka和clkb。clka周期為0.481 μs，頻率為2.079 MHz，高電平時間為 0.139 μs，clka 的占空比為28.900%。clkb周期為0.485 μs，頻率為2.062MHz，高電平時間為 0.166 μs，clkb 的占空比為34.230%。clka和clkb的平均頻率為2.071 MHz，平均占空比為31.565%，時鐘電路產(chǎn)生占空比約為30%的時鐘信號，符合設(shè)計指標的要求。

3 電荷泵電路系統(tǒng)仿真

仿真環(huán)境不變，采用本文設(shè)計的占空比約為30%的時鐘信號驅(qū)動帶有預充管的電荷泵核，仿真輸入信號如下:v1Vcegnd pwl(0 μs 0 μs 2 μs 0 μs 2.002 μs 5 μs 50 μs 50.005 μs 0 μs 280 μs 0 μs 280.05 μs 5 μs)。仿真結(jié)果如圖 9 所示。

圖9 電荷泵系統(tǒng)仿真波形

從圖9(a)完整波形中可以看出使能信號Vce高電平有效，Vce經(jīng)過短暫的高電平給電路復位后，變?yōu)榈碗娖剑姾杀锰幱陂_啟模式。電荷泵系統(tǒng)每個節(jié)點的電壓都振蕩上升，最終輸出穩(wěn)定電壓。從圖9(b)輸出電壓Vh的放大波形中可以看出，電荷泵輸出的高壓信號Vh在107.625 μs就升壓到20 V。即在電荷泵開啟以后，僅僅經(jīng)過57.625 μs就可以升壓到20 V。表1中傳統(tǒng)的MOS管電荷泵從0 V升壓到20 V需要77.68 μs。可見，同樣升壓到20 V改進的電荷泵比傳統(tǒng)的電荷泵快了20.055 μs。

4 結(jié)論

設(shè)計了一個能夠快速升壓的穩(wěn)定的電荷泵電路結(jié)構(gòu)。通過在MOS管Dickson電荷泵中加入了四級預充管結(jié)構(gòu)，使電容能夠快速充電，增加了節(jié)點的起始電壓，提高了電荷泵的升壓速度。設(shè)計的時鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生占空比約為30%的時鐘信號，通過采用這種信號驅(qū)動電荷泵核，進一步提高了電荷泵升壓速度。電荷泵僅需要57.625 μs就可以升壓到20 V，比MOS管Dickson電荷泵升壓到20 V快了20.055 μs。仿真結(jié)果表明本文設(shè)計的電荷泵系統(tǒng)具有升壓速度快、可靠性高等特點。它不僅可作為EEPROM的內(nèi)部模塊使用，還可用于需要高速擦、寫的電子產(chǎn)品中。

［1］Feng P，Li Y L，Wu N J.A High Efficiency Charge Pump Circuit for Low Power Applications［J］.Journal of Semiconductors，2010，31(1):015009-1-015009-5.

［2］錢香，朱芙菁.可變增益電荷泵的分析與設(shè)計［J］.電子器件，2012，35(1):83-89.

［3］Yu Y Y，Tang Y，Wan X G，et al.Application of Charge Pumping Technology on High-Voltage MOSFET Reliability Investigation［J］.Chinese Journal of Electron Devices，2009，32(6):1023-1026.

［4］Cao H M，Yang Y T，Lu T J，et al.A Fast-Settling CMOS Charge Pump［J］.Chinese Journal of Electron Devices，2008，31(5):1475-1478.

［5］Maksimovic D，Dhar S.Switched Capacitor DC-DC Converters for Low Power on-Chip Applications［EB/OL］.IEEE PESC99.30th Annual，1999，1:54-59.

［6］Cheng K H，Chang C Y，Wei C H.A CMOS Charge Pump for Sub-2.0 V Operation［R］.IEEE Int Symp on Ckts and Sys，2003(2):89-92.

［7］Tawfiqu H，Torsten L.A 5 V Charge Pump in a Standard 1.8V 0.18 μm CMOS Process［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，2005(2):1899-1902.

［8］Dickson J.On-Chip High-Voltage Generation in NMOS Integrated Circuits Using an Improved Voltage Multiplier Technique［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，1976，11(6):374-378.

［9］Richard J F，Savaria Y.High Voltage Charge Pump Using Standard CMOS Technology［J］.IEEE Regular Session G:High Voltage Techniques and Continuous Time Filtering，2004:317-320.

［10］Mantooth H A，Duliere J L.A Unified Diode Model for Circuit Simulation［J］.IEEE Trans on Power Electronics，1997，12(5):816-823.

［11］Toru T，Tomoharu T.A Dynamic Analysis of the Dickson Charge Pump Circuit［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，1997，32(8):1231-1240.

［12］Andersson O.Class D Hearing Aid Amplifier with Feedback［P］.United States Patent，1998.5815581.