非揮發性存儲器中低壓低功耗電荷泵設計

王佳寧

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

Flash和E2PROM是現在應用最廣的非揮發性存儲器(Nonvolatile Memory)。在存儲器設計中功耗、速度、面積一直都是主要考慮的因素，而上述兩類存儲器的編程、擦除操作都需要高壓，系統中會有多個高壓產生電路(即電荷泵電路)［1］。隨著電源電壓的不斷降低，電荷泵電路的工作能力和效率越來越差，同時占據芯片的面積越來越大，所以電荷泵電路的設計和優化對整個存儲器的設計和優化具有非常重要的作用。

2 電荷泵基本結構

大多數電荷泵電路采用Dickson提出的電路結構［2］，其將 MOS管作為整流器件并且用多晶 －擴散－多晶電容作為電荷儲存器件，其基本結構如圖1所示。圖1給出了正壓電荷泵的基本結構，負壓電荷泵是將圖中的NMOS換為PMOS，將電源電壓Vdd換為Gnd即可。

圖1 Dickson電荷泵結構

電荷泵電路是N級相同的電路組成的，每級電路由兩個NMOS M1，M2和兩個電容C1，C2組成，三極管的柵－漏短接。在這種結構下，三極管起到整流器件的作用，兩個電容C1、C2的下極板分別接到CLK1和CLK2上，CLK1和CLK2為同周期非重疊時鐘。所需的級數N由電路工作電壓Vdd和目標電壓Vpp決定。工作電壓相對目標電壓越低，需要越多級的電荷泵電路。通常來說，對于Vpp=10V－12V，Vcc=3V需要5到7級的電荷泵電路。通常狀態下所有的三極管閾值一致，電荷泵輸出的理論值Vout:

其中Vin是第一級輸入電壓通常為Vdd，CS為C1、C2上極板的寄生電容，C=C1=C2，Vt是整流管閾值即三極管閾值，f是時鐘頻率，Vclk是時鐘信號的振幅，Iout是輸出電流。

3 低壓低功耗電荷泵電路設計

3.1 低電源電壓電荷泵設計

隨著電源電壓降低，電荷泵工作能力和效率越來越低，這時為了提高系統工作能力和效率，可以采用多次升壓的方式取代傳統的單步高壓轉換，如圖2所示。

圖2 兩種升壓模式示意圖

同時，考慮到NMOS管閾值電壓和襯偏效應的影響，尤其是靠近高壓輸出端的NMOS管，當閾值電壓等于每個結點的電壓波動時，電荷泵電路的增益最小。因此，為了提高電荷泵電路的增益，需要降低NMOS管的閾值電壓和襯偏效應。

可以考慮采用低閾值電壓的NMOS管來改善電荷泵電路的高壓輸出能力，達到提高電荷泵的增益和效率，降低其功耗的目的。對于襯偏效應可以考慮襯底電壓調制電路，如圖3所示是負壓電荷泵襯底電位調制電路。當負壓電荷泵不工作時，EN=’0’，Vsub=Vdd;當負壓電荷泵工作時，En=’1’。隨著電荷泵電壓 VPN的產生，Vsub逐漸從Vdd變為0V，達到對Pmos管襯底閾值的調制作用。

圖3 負壓電荷泵襯底電壓調制電路

3.2 大驅動和低功耗設計

非易失存儲器在編程或擦除時，如果加載的電壓波動較大，會造成編程或者擦除后存儲單元的閾值電壓分散性加大，因此有必要對電荷泵輸出電壓進行穩壓，降低其波動性。為了達到這個目的，可以采用泄放通路來控制輸出高壓［3］，即當輸出電壓高于目標值，它會通過一個泄放管將高壓輸出端的電荷泄放掉，以降低輸出高壓，達到穩壓效果，但這種方式功耗大。或者根據輸出的電壓值大小來調節驅動時鐘的頻率以穩定電荷泵的輸出［4］。這種方法可以有效降低電荷泵電路的功耗，但高壓波動性較大。

非易失存儲器在編程時需要很大的電流驅動能力，并且編程位數不同需要不同的編程電流。針對大驅動電荷泵功耗大、波動大的特點，結合耦合電容分離法和動態改變耦合電容法來自動改變電荷泵的驅動能力，以適應在編程時因編程位數不同而需要不同驅動電流的問題，這樣可以降低電荷泵的功耗，提高輸出高壓精度。

如圖4所示，該電路采用電容分離法［5］實現電荷泵驅動能力的動態控制。電路中耦合電容C1和C2并聯，C2支路由傳輸門控制(控制信號 STP_CAP)，當STP_CAP為低時，電荷泵的耦合電容為C1和C2之和，電荷泵驅動能力最大;當STP_CAP為高時，電荷泵的耦合電容只有C1，電荷泵驅動能力降低，功耗也隨著降低。還可以通過控制STP_CAP的電位來控制傳輸門的導通能力，從而控制耦合電容C2的充放電時間常數，以實現對電荷泵驅動能力的連續動態控制。此結構能實現節省功耗和提高輸出電壓精度的目的，對實際應用非常適用。

圖4 電容分離法示意圖

4 結 束 語

鑒于非易失存儲器廣泛應用于手持設備，電源電壓的變低使得電荷泵的工作效率不斷降低。本論文針對低壓、低功率分別對電荷泵設計提出了解決方案，在低壓設計中可以采用多次升壓等提高電荷泵效率和增益的方法;在低功耗設計中提出了電容分離法動態控制輸出負載。

［1］Joe E Brewer，Manzur Gill.Nonvolatile memory technologies with emphasis on flash［M］.America:A John wiley＆sons，INC.，Publication.

［2］Dickson J F.On－chip high－voltage generation in MNOS integrated circuits using an improved voltage multiplier technique［J］.IEEE J.Solid － State Circuits，1976，11(3):374－378.

［3］Van B，Michael A，Johnny C，et al.VPP Power Supply having a Regulator Circuit forControlling a Regulated Positive Potential.U.S.Patent，5291446［P］.March 1994.http://www.patentbuddy.com/Patent/5291446.

［4］Kamoulakos G，Chrisanthopoulos A，Tsiatouhas Y，et al.Management of charge pump circuits［J］.Integration，the VLSI journal，2000，30(1):91 －101.

［5］康華光.電子技術基礎模擬部分［M］.武漢:高等教育出版社，1996.