一種快速啟動的電容式電荷泵設計

林雨佳，范 超

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

伴隨著工藝尺寸的縮小，大規模集成電路成為趨勢，電荷泵所帶負載器件會越來越多。巨大的負載電容將導致對其充電速度的減慢，使輸出電壓斜升速度減慢，電荷泵的升壓啟動過程將因此變得漫長。這將導致集成電路處理速度減慢的問題。提高電荷泵啟動速度對大規模集成電路十分重要。

現有技術通過提高振蕩器輸出頻率[1-2]和增大電荷泵電容值的辦法，一定程度上達到了提高負載電容充電速度的目的。這兩種辦法在負載電容小的電路中作用明顯，但在電荷泵輸出負載電容很大的大規模電路中，所能達到的效果有限。在輸出負載電容很大的條件下，若提高時鐘頻率，必然會引入較大的噪聲和增大功耗；若電荷泵電容做的很大，芯片面積將會大幅增大，成本會大大增加。另一方面，如果增加電容，將會使節點的時間常數變大，從而限制最大時鐘頻率。為解決此類問題，在此設計一種快速啟動的電容式電荷泵

2 快速啟動電容式電荷泵設計

2.1 結構設計

圖1給出了快速啟動的電容式電荷泵的結構，包括主電荷泵、邏輯控制電路、輔助電荷泵、穩壓電路和升壓電路等。主電荷泵起到常規電荷泵的作用，其輸出端連接有升壓電路以根據需要升高主電荷泵輸出端電壓。升壓電路的開啟和關閉由輔助電荷泵控制。邏輯控制電路控制主電荷泵和輔助電荷泵的開啟和關閉。當輔助電荷泵處于開啟狀態時，關閉主電荷泵；當主電荷泵處于開啟狀態時，關閉輔助電荷泵。穩壓電路連接主電荷泵輸出端，用于減少主電荷泵輸出紋波，穩定輸出電壓。

圖1快速啟動電容式電荷泵功能框圖

在上述設計實例中，在第一輸出端Vout增加一個升壓電路[3]（可以由NMOS器件構成），通過邏輯電路和輔助電荷泵控制NMOS器件的開啟和關斷，可以使電荷泵輸出端電壓迅速上升到電源電壓VCC。此設計使充電速度顯著提升。第一使能信號pull_en控制主電荷泵和輔助電荷泵的工作。主電荷泵的輸出Vout還作為邏輯控制電路的輸入。邏輯控制電路的輸出信號ctrl 1作為輔助電荷泵的控制信號，控制輔助電荷泵的開啟。輔助電荷泵的輸出信號ctrl 2控制升壓電路的開啟和關閉。

第一使能信號pull_en是整個電荷泵結構的總使能，當pull_en為低電平時，主電荷泵和輔助電荷泵都不工作；當pull_en為高電平時，主電荷泵工作，輔助電荷泵工作與否受控制信號ctrl 1控制。也就是說，對于輔助電荷泵來說，pull_en的權重要比信號ctrl 1要高。其具體工作流程如下：pull_en使能信號為高電平，主電荷泵和輔助電荷泵同時開始工作，輔助電荷泵和邏輯控制電路可以在一瞬間將主電荷泵的輸出提升到第一目標值。之后邏輯控制電路將輔助電荷泵關斷，主電荷泵獨自工作將輸出電壓升到最終目標值并穩定輸出。主電荷泵會始終工作，只不過在初始階段充電較慢；輔助電荷泵只在開始的一瞬間工作，所以并不存在輔助電荷泵工作時，主電荷泵關斷的情況。

2.2 工作原理及流程

電荷泵的整體電路簡圖如圖2所示[4-10]，其結構的級數可根據實際應用需要而定。此處主電荷泵采用四級結構，輔助電荷泵采用三級結構。當電荷泵第一使能信號pull_en到來后，邏輯控制電路和輔助電荷泵會將輸出電壓在瞬間提升到電源電壓，這個過程為第一充電階段；在輸出電壓達到電源電壓后，輔助電荷泵會停止工作，由主電荷泵繼續向負載電容充電，這個過程為第二充電階段。

圖2快速啟動電容式電荷泵電路簡圖

當第一使能信號pull_en到來時，主電荷泵剛剛啟動，還未向負載電容充電，輸出電壓Vout為低電平。此時邏輯控制電路的第二輸出ctrl 1會將輔助電荷泵開啟。輔助電荷泵將會產生一個高于VCC+VTH（升壓電路的NMOS器件閾值電壓）的電壓，使升壓電路開啟，瞬間將負載電容充電到VCC，這時第一充電階段完成。這個電壓是輔助電荷泵輸出電壓的設計要求，具體數值與電源和工藝參數有關。需要注意，如果低于這個電壓，快速啟動效果將變差。實際應用中，先確定這個電壓值，然后根據它設計輔助電荷泵的級數。當輸出電壓Vout為VCC時，邏輯電路輸出信號ctrl 1將輔助電荷泵關斷，進而使升壓電路關斷。這時，第二充電階段開始，由主電荷泵繼續給負載電容充電，上升到穩定電壓時，穩壓電路開啟，完成電荷泵整個啟動過程。

由于有第一充電階段的過程，在一個時鐘周期內，可以一次性給負載電容注入使其電壓值為直流電壓源電壓VCC所需的電荷。而在沒有這個操作的情況下，每一次時鐘翻轉，最多只能給主電荷泵的第一級注入使其電壓值為直流電壓源電壓（忽略閾值損失）所需的電荷。相比之下，電路中的第一充電階段可以很大程度上縮短負載電容上的電壓達到穩態值所需的時間，消除了傳統電荷泵電路電壓上升速度慢的缺陷。

輔助電荷泵的輸出信號ctrl 2是一個大于VCC+VTH的電壓值，通過提高升壓電路柵極電壓的辦法，達到減小升壓電路在傳遞高電壓時損失的目的。這樣，不僅可以大大提高啟動速度，還可以消除不同工藝下NMOS器件閾值電壓VTH對第一充電階段目標電壓的影響。

由于主電荷泵會產生一個高于電源的電壓值，為保證升壓電路的NMOS器件不被擊穿，通常會選用耐壓高的器件，其閾值電壓也會較常壓管大得多（常壓器件在0.7V左右，高壓器件在1~2V之間）。假如沒有輔助電荷泵，第一充電階段的目標電壓僅為VCC-VTH，第一目標電壓會變得很小，加速效果不明顯，嚴重限制啟動速度。采用輔助電荷泵為升壓電路柵極加壓，不但可以將第一充電階段目標電壓提高到電源電壓VCC，而且完全不用考慮工藝所帶來的閾值電壓變化的影響。

3 電路仿真

電路采用0.5μm CMOS工藝進行設計，使用Spectre軟件進行電路仿真，與傳統電荷泵啟動時間的對比圖如圖3所示。曲線1表示上述實施例電荷泵啟動時間，曲線2表示傳統電荷泵啟動時間，從圖3中能夠明顯看到，采用本設計的電荷泵的啟動時間比傳統電荷泵明顯縮短。

圖3兩種電荷泵啟動時間的對比

4 結束語

設計的此款基于0.5μm CMOS工藝的快速啟動電容式電荷泵電路，體現出了快速啟動、低功耗等優點，在輸出負載電容大的情況下，能夠實現快速啟動，同時并不會增加噪聲和系統功耗。相比傳統電荷泵電路，啟動時間有明顯提升，約為33%，符合設計預期，具有一定的實際應用價值。