一种高增益低纹波的电荷泵电路

2017-07-20徐彦峰钱栋良李环吴琪

电子与封装 2017年7期

关键词：纹波导通电荷

徐彦峰，钱栋良，李环，吴琪

（1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214072；2.无锡中微亿芯有限公司，江苏无锡214072）

一种高增益低纹波的电荷泵电路

徐彦峰1，钱栋良2，李环2，吴琪2

（1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214072；2.无锡中微亿芯有限公司，江苏无锡214072）

针对现有电荷泵存在的体效应、电荷回流等问题，提出一种高增益低纹波的电荷泵电路。该电荷泵采用两路互补的结构，减小了输出电压纹波；使用电位选择电路消除体效应，并使用两相低电平不交叠时钟避免电荷回流，提高了电压增益和转换效率。Hspice仿真结果表明，在级数同为5级和电流负载相同的情况下，文中提出的电荷泵相比现有电荷泵具有更高的输出电压和更小的电压纹波。

电荷泵；电压增益；转换效率；电压纹波

1 引言

电荷泵是一种通过电容累积电荷而产生比供电电压更高电压的电路，常应用在Flash存储器和EEPROM中以提供擦写操作所需的高压[1～2]。随着人们对低功耗设计的追求，供电电压越来越低，这对电荷泵的转换效率和电压增益提出了更高的要求。传统的Dickson电荷泵[3]受体效应的影响，输出电压和转换效率都非常小。Shin等人[4]在电荷泵中加入电位选择电路，消除了PMOS管的体效应，提高了输出电压和转换效率，但该电荷泵的输出电压纹波比较大。Sawada等人[5]使用额外的两相时钟控制传输管的栅压以减小体效应的影响，该方法使用了四相时钟和自举电路，增加了电路的复杂度。Pelliconi等人[6]提出交叉耦合电荷泵，提高了电压增益，然而在时钟转换期间出现电荷回流，效率较低。

本文在研究现有电荷泵的基础上，提出一种高增益低纹波的电荷泵电路。为了避免体效应和电荷回流现象，该电荷泵使用电位选择电路和两相低电平不交叠时钟，提升了电压增益和转换效率。同时该电荷泵基于两路互补的结构，输出电压纹波较小。基于CSMC 0.25 μm工艺，在Cadence环境下使用Hspice工具对本文提出的电荷泵进行仿真，并将它与现有电荷泵进行对比分析。

2 电荷泵电路

2.1 现有电荷泵电路

一个N级的Dickson电荷泵如图1所示。图1中，所有NMOS管栅漏短接成二极管，C1～CN为等值的耦合电容，CL为负载电容，Ф1和Ф2为两相不交叠时钟。当Ф2为高时，MN1导通，MN2截止，C1上极板被充电为VDD-VTN(1)；当Ф1为高时，电压突变为2VDD-VTN(1)，第一级的电压增益为VDD-VTN(1)，此时MN1、MN3截止，MN2导通，向C2上极板传输电荷。随着时钟的周期变化，电荷不断往后传输，直到输出电压稳定。第i级的电压增益为VDD-VTN(i)，最终的输出电压为：

由于NMOS的体接地，每一级都存在体效应，而且随着电压逐级抬高，体效应变严重，阈值电压VTN(i)逐级变大，电压增益逐级变小[7]。当VTN(i)变大到接近VDD时，第i级的电压增益接近0，输出电压达到饱和，再增加级数并不能增大输出电压。式(1)是理想情况下的输出电压，如果考虑寄生电容和电流负载的影响，输出电压会更低。

图1 Dickson电荷泵

文献[4]提出一种全PMOS电荷泵，如图2所示。图2中，传输路径上的PMOS管栅漏两端短接，体端受电位选择电路控制。电位选择电路由两个PMOS管构成，它选择两个输入A和B中电位较高的一个进行输出。因此，传输路径上PMOS管的体端电位跟随源漏端电位较高的变化，消除了体效应。每一级的电压增益都为VDD-VTP0，最终的输出电压为：

由于输出管MPO周期性地导通和截止，输出端有一半的时间处于浮空状态，当存在负载电流时，电压迅速下降，输出电压纹波较大。

图2 全PMOS电荷泵

文献[6]提出一种交叉耦合电荷泵，图3为该电荷泵的第i级电路。稳态下，当Ф1为低、Ф2为高时，MN1栅压抬高至Vi-1+VDD，源端充电为Vi-1，MP2导通，使得Vi=Vi-1+VDD；当Ф1为高、Ф2为低时，情况与前面类似。然而，随着级数的增加，体效应会使得NMOS管的阈值电压接近VDD，电压增益接近0，输出电压达到饱和。此外，在时钟转换期间，Ф1和Ф2都为低，MP1和MP2导通，发生向前回流电荷的现象，使得转换效率较低。

图3 交叉耦合电荷泵的第i级电路

2.2 提出的电荷泵电路

针对上述电荷泵存在的体效应、电荷回流以及输出电压纹波较大等问题，本文提出一种新颖的电荷泵电路。图4所示为该电荷泵的第i级电路，Vi-1和Vi为第i级的输入和输出电压，第一级的输入电压为供电电压VDD。MP1和MP2栅漏短接成二极管，MP3和MP4交叉耦合，体端均由电位选择电路控制，此处采用与图2中相同的电位选择电路。C1和C2为等值的耦合电容，Ф3和Ф4为两相低电平不交叠时钟。

该电荷泵有三个特点：(1)上下两个支路形成互补，MP3和MP4交替导通，减小输出电压纹波；(2)采用两相低电平不交叠时钟，在时钟转换期间Ф3和Ф4都为高，MP3和MP4截止，遏制了电荷回流；(3)使用电位选择电路消除MP1和MP2的体效应，避免电压增益的减小，使得输出电压随级数线性增加。

为了便于分析电荷泵的工作原理，假设输出不带电流负载。在输出电压稳定之前，电荷泵通过时钟Ф3和Ф4的周期变化，将供电电源提供的电荷逐级往后传输，使得每一级的电压逐渐升高。以第i级为例说明电荷的传输过程。由于Ф3和Ф4相位交替地向低电平变化，MP1漏端电压和MP2漏端电压交替突变减小VDD。Ф3为高、Ф4向低变化时，MP2漏端电压下降，MP1截止、MP2导通，上一级的电荷通过MP2传输到C2，与此同时MP3导通、MP4截止，C1上的电荷通过MP3传输到下一级；Ф4为高、Ф3向低变化时，MP1漏端电压下降，MP1导通、MP2截止，上一级的电荷通过MP1传输到C1，与此同时MP3截止、MP4导通，C2上的电荷通过MP4传输到下一级。在输出电压稳定后，由于输出不带电流负载，电荷传输停止。当Ф3为高、Ф4为低时，MP2导通但传输电流为0，MP2漏端电压为Vi-1-VTP0，MP1漏端电压为Vi-1-VTP0+VDD，此时MP3导通而且传输电流也为0，有Vi=Vi-1-VTP0+VDD。当Ф3为低、Ф4为高时，同样有Vi=Vi-1-VTP0+VDD。在时钟转换期间，Ф3和Ф4都为高，MP1漏端电压和MP2漏端电压为Vi-1-VTP0+VDD，MP1～MP4均截止，避免了电荷回流。因此，每一级的电压增益为VDD-VTP0，当电荷泵共有N级时，最终的输出电压为：

当输出带电流负载IL时，每个时钟周期内输出损失IL×T的电荷，每一级需往后传输IL×T的电荷，这会导致每一级的增益和最终的输出电压下降，输出电压纹波变大。

图4 本文提出电荷泵的第i级电路

3 仿真结果与分析

本文采用CSMC 0.25 μm BCDMOS工艺，在Cadence环境下使用Hspice工具对上述四种电荷泵电路进行仿真，其中MOS管使用24 V的高压管。电荷泵的面积主要由电容和传输路径上的MOS管决定，电位选择电路占很小的面积。为了保证四种电荷泵有相近的面积，相比Dickson电荷泵和全PMOS电荷泵，本文电荷泵和交叉耦合电荷泵的耦合电容减半，传输路径上MOS管尺寸减为四分之一，负载电容相同。仿真时，时钟频率为5 MHz，供电电压为3 V，温度为25℃。

图5所示的是不同级数下四种电荷泵输出电压的变化曲线，仿真时电流负载设置为10 μA。可以看出，由于体效应的影响，Dickson电荷泵和交叉耦合电荷泵的输出电压随级数的增加会达到饱和；而本文电荷泵和全PMOS电荷泵的输出电压随级数线性增加，这是因为二者采用电位选择电路消除了体效应。此外，在相同级数下，本文电荷泵的输出电压比全PMOS电荷泵高一些，这印证了式(2)和(3)。

图5电荷泵输出电压随级数变化的曲线

图6 、7、8所示的分别是不同电流负载下四种电荷泵输出电压、转换效率和输出电压纹波的变化曲线，四种电荷泵的级数都取5级。图6显示，随着电流负载的增加，四种电荷泵的输出电压逐渐下降。在相同电流负载的情况下，相比Dickson电荷泵和全PMOS电荷泵，本文电荷泵的输出电压大致提升4.5 V和0.5 V。图7显示，随着电流负载的增加，四种电荷泵的转换效率先上升后下降。转换效率等于传输给电流负载的能耗占电源总能耗的百分比。由于体效率和电荷回流的影响，Dickson电荷泵和交叉耦合电荷泵的最大效率只有30%。当电流负载大于20 μA，本文电荷泵的转换效率比Dickson电荷泵和全PMOS电荷泵大致提高25%和3%。图8显示，四种电荷泵的输出电压纹波随电流负载增加呈上升趋势。一方面，由于采用了两路互补的结构，本文电荷泵电压纹波的上升斜率比Dickson电荷泵和全PMOS电荷泵要平缓；另一方面，由于消除了电荷回流，本文电荷泵的电压纹波比交叉耦合电荷泵小得多。

图6 电荷泵输出电压随电流负载变化的曲线

图7 电荷泵效率随电流负载变化的曲线

图8 电荷泵输出电压纹波随电流负载变化的曲线

表1所示的是本文电荷泵与相关文献中电荷泵的性能对比，表1中给出了三温下本文电荷泵的输出电压和电压纹波。可以看出，本文电荷泵各项性能指标良好，在级数、输出电压和电压纹波上取得了折中。

表1 本文电荷泵与相关文献中电荷泵的性能参数对比

4 结束语

本文分析了现有电荷泵的工作原理和存在的问题，提出了一种高增益低纹波的电荷泵电路。基于CSMC 0.25 μm工艺，在Cadence环境下使用Hspice工具对本文提出的电荷泵进行了仿真。在级数同为5级和电流负载相同的情况下，相比Dickson电荷泵、全PMOS电荷泵和交叉耦合电荷泵，本文提出的电荷泵输出电压更高，电压纹波更小。

[1]Kawahara T,Kobayashi T,Jyouno Y,et al.Bit-line clamped sensing multiplex and accurate high voltage generator for quarter-micron flash memories[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,1996,31(11):1590-1600.

[2]陶辉，徐玉丹，刘晶晶，等.基于EEPROM应用的CMOS电荷泵分析与设计[J].电子测量技术,2012,35(11):24-27.

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

[4]Shin J,Chung I Y,Park Y J,et al.A new charge pump without degradation in threshold voltage due to body effect [J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2000,35(8): 1227-1230.

[5]Sawada K,Sugawara Y,Masui S.An on-chip voltage generator circuit for EEPROM’s with a power supply voltage below 2 V[C].IEEE Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical papers,1995:75-76.

[6]Pelliconi R,Iezzi D,Baroni A,et al.Power efficient charge pump in deep submicron standard CMOS technology[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits,2003,38(6): 1068-1071.

[7]王雪强，伍冬，谯凤英，等.嵌入式闪存适用的新型低压高效率电荷泵电路[J].清华大学学报(自然科学版),2011, 51(3):340-344.

[8]KER M D,CHEN S L,TSAI C S.Design of charge pump circuit with consideration of gate-oxide reliability in low-voltage COMS processes[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2006,41(5):1100-1107.

A High Gain and Low Ripple Charge Pump Circuit

XU Yanfeng1,QIAN Dongliang2,LI Huan2,WU Qi2
（1.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China；2.East Technologies Inc.,Wuxi 214072,China）

In order to solve the problem of bulk effect and charge backflow in existing charge pumps,a charge pump circuit with high gain and low ripple is proposed.It adopts two complementary structures to reduce the output voltage ripple.It uses potential selection circuits and two-phase low-level non-overlapping clock to eliminate bulk effect and charge backflow to improve voltage gain and conversion efficiency.Results from Hspice simulation show that,compared to existing charge pumps,the proposed charge pump has higher output voltage and lower voltage ripple under the circumstance ofsame stage of5 and currentload.

charge pump;voltage gain;conversion efficiency;voltage ripple