電荷泵拓?fù)浜驮O(shè)計策略概述

馬銘磷，蔡興龍

(湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭，411105)

電荷泵拓?fù)浜驮O(shè)計策略概述

馬銘磷，蔡興龍

(湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭，411105)

由于各種電子器件趨于小型化，提供能源的方式要求越來越高，保持功耗、面積盡量小和電路高度集成化已經(jīng)成為一種趨勢。本文提到的電荷泵電路大大滿足了上述要求，因此電荷泵電路被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源，射頻電路，各種驅(qū)動電路，記憶性電路，低功耗能量收集等集成電路中。本文主要分析了電荷泵電路使用的模型，關(guān)鍵參數(shù)，優(yōu)化策略和各種不同電荷泵電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

電荷泵；電路模型；優(yōu)化策略；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，微系統(tǒng)的廣泛使用，對于輸入電壓的大小要求越來越高，低功耗，小體積的電路在科研和商業(yè)上獲得更多的關(guān)注。電荷泵電路與傳統(tǒng)DC-DC變換器都是將低的直流電壓轉(zhuǎn)化為高的直流電壓，但是兩者卻不太一樣[1]。傳統(tǒng)的DC-DC變換器電路由電感和開關(guān)器件組合而電荷泵電路是使用電容和開關(guān)器件組合。傳統(tǒng)的DC-DC變換器在集成電路中，由于電感的存在，特別在低功耗環(huán)境下，集成化造價昂貴，不太適用。而電荷泵電路卻更易集成化，因而得到廣泛的應(yīng)用。電荷泵電路主要適用于智能功率電路，各種開關(guān)電容電路，運算放電器，射頻控制開關(guān)電路，電壓調(diào)整電路，驅(qū)動電路，能量收集等集成電路[2-5]。

文章第二部分主要集中于簡要分析電荷泵電路模型，設(shè)計策略，拓?fù)?。第三部分主要分析電荷泵電路的參?shù)和等效模型。第四部分介紹電荷泵電路設(shè)計策略。第五部分介紹電荷泵電路的各種拓?fù)洹５诹糠质请姾杀秒娐钒l(fā)展前景及總結(jié)。

1 電荷泵電路簡單分析

1.1 單級電荷泵電路

理想的電荷泵電路，首先要考慮的是單級電荷泵電路，原理圖如圖1所示。由S1和S2兩個開關(guān)和一個泵電容，一個負(fù)載電容。通過控制開關(guān)順序?qū)DD和泵電壓轉(zhuǎn)移到輸出端。

在前半個周期里，S1關(guān)閉S2斷開,VCK等于零電壓，此時泵電容被充電VDD。與此同時負(fù)載電容放電給負(fù)載。在后半個周期里S1斷開，S2關(guān)閉，電荷泵電容給負(fù)載電容充電。整個周期輸出電壓為Vout。若干個周期以后，輸入電壓達(dá)到一個相對穩(wěn)定的值。

圖1 單級電荷泵電路Fig.1 One-stage charge pump

1.2 多級電荷泵電路

多級電荷泵電路是由多個單級電荷泵電路級聯(lián)而成，如圖2所示，通過泵電容和開關(guān)，在兩相時鐘信號控制下，最后負(fù)載電容輸出電壓。多級電荷泵電路與單級電荷泵電路有很多相似的地方。在前半個周期里Vck=0，VCKB=VDD和所有奇數(shù)開關(guān)關(guān)閉，此時第一級泵電容充電VDD和所有的奇數(shù)級泵電容接收前一級泵電容的電荷。在后半周期Vck=VDD,VCKB=0和所有的偶數(shù)開關(guān)關(guān)閉。此時所有的偶數(shù)級泵電容接收前一級的電荷[6]。

總之，在一個完整周期里，每個泵電容接收前一級的電荷，同時又將電荷轉(zhuǎn)移到下一級。假設(shè)負(fù)載電流為IL，則穩(wěn)定的周期內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷為ILT。

假如，兩級電荷泵電荷電路，開關(guān)閾值電壓Vth為例，在穩(wěn)定狀態(tài)下，第一級泵電容連接電源VDD，此時將充電ΔQ,此時有相同的電荷轉(zhuǎn)移到輸出。在下一半個周期里，第一級泵電容和第二級泵電容都連接在一起，二者之間將轉(zhuǎn)移電荷ΔQ，則第一級電壓為

(1)

最終第二級電壓為

(2)

通過上述的描述，推廣到多級電荷泵電路，則最終輸出的電壓為

(3)

圖2 多級電荷泵電路Fig.2 N-stage charge pump.

2 電荷泵電路參數(shù)及等效模型

電荷泵電路級數(shù)的多少，所占硅面積的大小和電流的功耗是電路設(shè)計中非常重要的因素。同時在設(shè)計電荷泵電路中上升時間和上升時間中產(chǎn)生功耗的大小也是不可忽略的因素。然而在設(shè)計過程中，由于需要時鐘信號，則時鐘頻率也是很重要的設(shè)計參數(shù)。在純電容負(fù)載中，輸出電壓可以簡單描述為VOUT

VOUT=(N+1)·VDD。

(4)

電荷泵電路電流損耗主要有兩部分組成，第一部分相當(dāng)于理想電荷泵中電流Iid,第二部分主要由于寄生效應(yīng)產(chǎn)生的電流IPar。因此，電流損耗IVDD

IVDD=Iid+Ipar。

(5)

電流Iid是由電源電壓和每級電容電壓所產(chǎn)生電荷ΔQ進(jìn)行累加，一個周期內(nèi)，一個電容轉(zhuǎn)移給另一個電容，提供給負(fù)載。因此，Iid最終的結(jié)果等于

(6)

在理想情況下，電荷進(jìn)行多級的累加，達(dá)到負(fù)載電壓，但是在正常情況下，電容與節(jié)點間，電容與地之間存在寄生電容。當(dāng)兩個相鄰開關(guān)之間進(jìn)行傳導(dǎo)，電流Ipar主要是周期內(nèi)全部的寄生電容Cp的充電和放電

(7)

(8)

由上式可知，電流損耗和功率損耗主要與負(fù)載電流相關(guān)，而與時鐘頻率和全部的泵電容無關(guān)。

在純電容負(fù)載中，上升時間是實現(xiàn)目標(biāo)輸出電壓過程中的一個重要參數(shù)，因此在分析動態(tài)過程中，可以表示電荷泵與上升時間的關(guān)系[7]

(9)

當(dāng)電路在穩(wěn)定狀態(tài)下，將達(dá)到穩(wěn)定的輸出電壓(N+1)VDD，同時負(fù)載電容和全部的泵電容影響著上升時間。

在電容負(fù)載中，動態(tài)的電荷泵電路可以等效為簡單的RC電路[5]

(10)

可知最大等效電壓為VMAX

(11)

與此同時在這種情況下，可以分析一下電荷損耗。電荷損耗主要集中的三部分。

QT=QL+QPump+QPar。

(12)

電荷QL來源于負(fù)載，QPump主要存在泵電容瞬態(tài)時刻，QPar主要來源于寄生電容。

通過等效RC電路，我們可知

(13)

在時鐘周期內(nèi)，電荷損耗主要由于寄生電容在充放電過程中的損耗，可知在周期上升時間內(nèi)寄生電荷Qpar。

(14)

3 電荷泵電路設(shè)計策略

電荷泵設(shè)計過程中，各種參數(shù)的設(shè)計，首先我們考慮的是電荷泵級數(shù)和盡可能降低面積和功耗。在設(shè)計過程中，不同的負(fù)載，設(shè)計策略也隨著變化。在級數(shù)的變化過程中，分析怎樣使面積和功耗最小化。在對式(13)進(jìn)行求導(dǎo)，另一方面，最大化電流提供給負(fù)載，在理想情況下，對電流IL進(jìn)行求導(dǎo)，最終可知

(15)

解的N

(16)

在理想狀況下電容C

(17)

可知在最佳級數(shù)中，電容C的大小。

同時在考慮電流功耗最小時，考慮寄生電容的影響，對式(8)進(jìn)行求導(dǎo)，可知

VDD=0。

(18)

因此，解的N

(19)

最終將最優(yōu)化級數(shù)代入式(17)中，可知電容的最優(yōu)值。比較上述兩種不同的分析方法，考慮兩種最小功耗的設(shè)計，比較最小面積的設(shè)計[9]。從兩式NAopt和NLopt，，可以獲得全部電容功耗和面積最優(yōu)化。

4 電荷泵各種拓?fù)浼捌浞治?/h2>

文章前面描述的電荷泵電路是在理想狀態(tài)下，然而，在現(xiàn)實情況下，電荷泵電路采用不同的開關(guān)方式。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)器件的改進(jìn)，促進(jìn)了電荷泵電路的發(fā)展。在電荷泵繁雜的拓?fù)潆娐分?，主要有線性電荷泵，斐波那契型電荷泵和指數(shù)型電荷泵三種結(jié)構(gòu)[10-13]。線性電荷泵使用最為廣泛，然而在電荷泵級數(shù)相同的情況下，后兩種可以獲得更高的電壓，但是要達(dá)到相同的輸出電流，需要的電容卻更大。此外，線性電荷泵更加容易設(shè)計，更加穩(wěn)定，各級間電壓差相對恒定。線性電荷泵電路的發(fā)展過程中，最為經(jīng)典的是Dicson電路，后面的發(fā)展主要在其基礎(chǔ)上對其改進(jìn)，通過分析其傳遞過程中和自身器件上的損耗，通過改進(jìn)，減小損耗，提高效率。

4.1 Dicson電荷泵電路

在各種電荷泵結(jié)構(gòu)中，電荷泵電路首先被Dicson在1976年提出來，這種結(jié)構(gòu)類似于Cockcoft-Walton在1932年提出的倍壓器[14]。開始時，主要使用二極管作為開關(guān)管，如圖3所示，對于Cockcroft-Walton電壓倍增器而言，寄生電容消耗很大電壓，很難有效的產(chǎn)生高壓。在Dicson電路中，利用CMOS二極管，通過交叉信號，達(dá)到提高電壓的效果。其中最主要損耗在CMOS二極管的閾值電壓，寄生電容，CMOS管自身的體效應(yīng)，只有解決其損耗問題，才能獲得更大的單級電壓增量和整體輸出電壓[15]。

圖3 Dicson電荷泵Fig.3 Dicson charge pump

4.2 靜態(tài)CTS和動態(tài)CTS電荷泵

為了提高Dicson電路的效率，J.T.WU和K.L.Chang在1996年提出一種靜態(tài)CTS電荷泵[16]。這種電荷泵的設(shè)計思想主要是用后一級的高壓控制前面一級開關(guān)狀態(tài)，來減少傳導(dǎo)過程中的閾值損耗。但同時也存在電荷反向分配的問題，在1998年J.T.WU和K.L.Chang 又提出了動態(tài)的CTS 電荷泵來解決這個問題。與靜態(tài)電荷泵相比，動態(tài)CTS電荷泵結(jié)構(gòu)通過一對反相器來控制CTS柵端電壓[17]。

4.3 雙電荷泵電路

通過兩個平行的Dicson電荷泵，兩個對應(yīng)的電荷泵的路的時鐘信號正好相反，來提高輸出電壓的大小。通過兩個平行的電荷泵，在每半個周期類，兩者狀態(tài)正好相反，由于兩者之間相當(dāng)于并聯(lián)狀態(tài)，極大地降低了輸出電壓的峰值電壓[18]。

4.4 柵交叉耦合電荷泵

柵交叉耦合電荷泵可以看成兩個并聯(lián)在一起狀態(tài)相反的電荷泵，這兩個相互獨立的電荷泵交替工作，互相給對方的電荷傳輸開關(guān)提供合適的柵極電壓。如圖4所示，柵交叉耦合電荷泵的單級結(jié)構(gòu)包括兩個NMOS和兩個PMOS管，通過兩種交叉的時鐘信號來控制電荷的傳遞[19]。

圖形4 柵交叉耦合電荷泵Fig.4 Grid cross coupling charge pump

4.5 三拓?fù)潆姾杀?/p>

三拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電荷泵電路的提及主要是提高電荷的傳輸能力，如圖5所示。由于開關(guān)電阻是影響MOS管傳輸能力的一個重要因素，MOS管開關(guān)電阻可以表示為

(20)

開關(guān)電阻的減小可以大大降低閾值電壓的大小，改變開關(guān)電阻，由上式可知三拓?fù)潆姾杀媒档蚔S+VD的大小，來增加傳輸能力[20]。

圖形5 三拓?fù)潆姾杀肍ig.5 Three-topology charge pump

5 發(fā)展前景與總結(jié)

通過對電荷泵電路深入的研究，級數(shù)和效率的優(yōu)化，電荷泵電路在高壓情況下已經(jīng)獲得較高的效率，但是在低輸入電壓下，電荷泵電路的效率還有待提高。由于在低輸入電壓狀況下，電路工作在亞閾值狀態(tài)下，其負(fù)載特性和功率效率受工藝波動比較大。隨著微電子工藝的進(jìn)步，閾值電壓的進(jìn)一步減小，COMS管新的工作狀態(tài)的研究，近閾值電壓的提及，使得在低輸入電壓下，電荷泵電路的效率得以提高[21]。例如在微能量收集系統(tǒng)中，電荷泵的使用，整體效率的提升，將會在很多場合上擺脫電池的束縛[22-24]。

[1]Alippi C,Galperti C.An adaptive maximum power point tracker for maximising solar cell efficiency in wireless sensor nodes[C]//2006 IEEE International Symposium on Circuits and Systems.IEEE,2006.

[2]Su F,Ki W H.Component-efficient multiphase switched-capacitor DC-DC converter with configurable conversion ratios for LCD driver applications[J].IEEE transactions on circuits and systems II:Express briefs,2008,55(8):753-757.

[3]Mondal S,Paily R P.An efficient on-chip energy processing circuit for micro-scale energy harvesting systems[C]//VLSI Design and Test (VDAT),2015 19th International Symposium on.IEEE,2015:1-5.

[4]郎君,何書專,楊盛光,等.一種低壓 CMOS 亞閾型 PTAT 基準(zhǔn)源[J].微電子學(xué),2007,37(3):374-377.

[5]覃仕成,謝亮,金湘亮.MEMS 麥克風(fēng)中新型電荷泵的設(shè)計[J].微電子學(xué),2016,46(3):344-347.

[6]Palumbo G,Pappalardo D.Charge pump circuits:An overview on design strategies and topologies[J].IEEE Circuits and Systems Magazine,2010,10(1):31-45.

[7]Palumbo G,Pappalardo D,Gaibotti M.Charge-pumpcircuits:power-consumption optimization[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Fundamental Theory and Applications,2002,49(11):1535-1542.

[8]Tanzawa T.A comprehensive optimization methodology for designing charge pump voltage multipliers[C]//2015 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS).IEEE,2015:1358-1361.

[9]Palumbo G,Pappalardo D.Charge pump circuits:An overview on design strategies and topologies[J].IEEE Circuits and Systems Magazine,2010,10(1):31-45.

[10]Mihara M,Terada Y,Yamada M.Negative heap pump for low voltage operation flash memory[C]//VLSI Circuits,1996.Digest of Technical Papers.,1996 Symposium on.IEEE,1996:76-77.

[11]F Ueno,T Inoue,I Oota,et al.Characteristics analysis of Fibonacci type SC transformer[J].Jtc-cscc:Joint Technical Conference on Circuits Systems,1991,E75-A(6):655-662.

[12]Cernea R A.Charge pump circuit with exponetral multiplication:U.S.Patent 5,436,587[P].1995-7-25.

[13]Tanzawa T.On two-phase switched-capacitor multipliers with minimum circuit area[J].Circuits and Systems I Regular Papers IEEE Transactions on,2010,57(10):2602-2608.

[14]Cockcroft J D,Walton E T S.Experiments with high velocity positive ions.ii.The disintegration of elements by high velocity protons[C]//Proceedings of the Royal Society of London A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences.The Royal Society,1932,137(831):229-242.

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

[16]Wu J T,Chang Y H,Chang K L.1.2 V CMOS switched-capacitor circuits[C]//Solid-State Circuits Conference,1996.Digest of Technical Papers.42nd ISSCC.,1996 IEEE International.IEEE,1996:388-389.

[17]Wu J T,Chang K L.MOS charge pumps for low-voltage operation[J].IEEE Journal of solid-state circuits,1998,33(4):592-597.

[18]Gariboldi R,Pulvirenti F.A 70 mΩ intelligent high side switch with full diagnostics[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,1996,31(7):915-923.

[19]Ker M D,Chen S L,Tsai C S.Design of charge pump circuit with consideration of gate-oxide reliability in low-voltage CMOS processes[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2006,41(5):1100-1107.

[20]Lu C,Park S P,Raghunathan V,et al.Efficient power conversion for ultra low voltage micro scale energy transducers[C]//Proceedings of the Conference on Design,Automation and Test in Europe.European Design and Automation Association,2010:1602-1607.

[21]張永歡,姜巖峰.近閾值電壓電路研究進(jìn)展[J].微電子學(xué),2016,46(1):107-112.

[22]Lu C,Raghunathan V,Roy K.Efficient design of micro-scale energy harvesting systems[J].IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems,2011,1(3):254-266.

[23]Liu X,Sanchez-Sinencio E.21.1 A single-cycle MPPT charge-pump energy harvester using a thyristor-based VCO without storage capacitor[C]//2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).IEEE,2016:364-365.

[24]Carreon-Bautista S,Huang L,Sanchez-Sinencio E.An Autonomous Energy Harvesting Power Management Unit with Digital Regulation for IoT Applications[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2016,51(6):1457-1474.

Design strategies and topologies of charge pump

MA Minglin,CAI Xinglong

(College of Information and Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China )

Due to miniaturization of various electronic devices,and the requirement of energy providing mode ever-growing,maintaining low power consumption and area as small as possible and highly integrated circuits have become a trend.The charge pump circuit mentioned by this essay greatly satisfy above requirement,therefore which is widely used in IC such as switching power supply,radio frequency circuit,various drive circuit,memory circuit,low power energy collection circuit etc.The essay mainly analyzes the usage-model,the key parameter,the details of optimizing stategy,ultimately the topological structure of serveral charge pump circuit.

charge pump;circuit model;optimization strategy;topological structure

1672-7010(2016)04-0026-06

2016-09-10

湖南省自然科學(xué)基金資助項目(2015JJ2140)

馬銘磷 (1978-)，男，湖南湘潭人，副教授，博士，從事射頻集成電路設(shè)計研究

TN402

A