一种高电压转换倍率的电荷泵设计

都文和，杨占宇，程秀娟，康嘉浩，徐 正，杨 轲，巩秋野

（1.齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，齐齐哈尔 161006；2.哈尔滨第一机械集团有限公司，哈尔滨 150056）

1 引言

随着5G 技术的高速发展，近些年来，智能家居逐渐取代了传统家居，越来越多的智能设备进入了人们的视野。这些智能家居依靠软硬件协同将各种分离的家用设备有机结合在一起，进行统一集中的控制与管理。储存器作为智能家居储存信息的载体，是智能家居系统必不可少的单元之一。Flash 储存器作为一种非易失储存器，因其在断开供电之后也能长久保存数据和体积小等优点，被广泛应用于智能家居系统中[1]。Flash 储存器在进行擦写工作时通常需要较高的电压，而电荷泵电路的电容积累传递电荷的特性可用来产生高于电源电压的输出电压，因此成为Flash 储存器必不可少的电路之一。为达到高可靠性和低功耗的目标，随着集成电路工艺的更新，电源电压逐渐降低，传统电荷泵受阈值压降和体效应等问题影响，当电源电压靠近阈值电压时，电压转换倍率大大降低。因此，设计一种低压工作也能具有高电压转换倍率的电荷泵至关重要。

2 传统电荷泵电路技术

2.1 技术发展

Dickson 于1976 年提出了如图1 所示的电荷泵电路，利用电容和二极管实现了将输入电压升高、翻倍输出[2]。通常采取栅漏短接的MOS 管来代替二极管。该电荷泵结构简单，但由于电路受阈值压降效应和体效应影响，Dickson 电荷泵作为高级数升压电路工作时，输出电压以及电压转换倍率较低，并且在电源电压与传输管阈值电压接近时，Dickson 电荷泵将无法正常工作。

图1 Dickson 电荷泵电路原理图

为了优化阈值压降效应，之后的大多数电荷泵结构都是在Dickson 电荷泵的基础上改进优化得来。其中比较经典的结构有图2 所示的JT-Wu 电荷泵[3]，此外还有四相位电荷泵[4]、六相位电荷泵[5]、交叉耦合电荷泵[6]，以及采取共振开关的电荷泵[7]等。其中，交叉耦合电荷泵通过互补支路的电容来提高传输管的栅极电压，使传输管工作在线性区，优化了阈值压降效应，但其衬底电位无法保证与传输管源极电位一致，传输管存在体效应。

图2 JT-Wu 电荷泵电路原理图

2.2 工作原理

图1 所示即为4 级Dickson 电荷泵原理图。图中，M1～M5为栅漏短接的NMOS 二极管，所有MOS管的衬底都接地。CLK1 和CLK2 为两相非交叠时钟，其时钟信号幅值与电源电压相同。C1～C4为容值相同的泵电容，电容上极板与NMOS 管的源端相接，下极板依次与CLK1 和CLK2 相接。当CLK1 为低电平时，CLK2 为高电平，M1管导通，M2管截止，电源Vin通过M1管对电容C1充电。当CLK1 为高电平时，CLK2 为低电平，M1管截止，M2管导通，由于电容两端电压不能突变，忽略非理想因素，C1上极板电压变为2 倍的Vin，并通过M2管对C2充电,此时，电荷源源不断地从电源传递到输出端，获得高于电源电压的输出电压。考虑非理想因素时，N 级电荷泵电路的实际输出电压由下式给出[8]：

式中，N为电荷泵的级数，Cs为MOS 管的寄生电容，Iload为流进负载的电流，Vth为MOS 管的阈值电压，ΔVthi为考虑体效应后的阈值电压修正项。根据MOS管的体效应，体效应的表达式为[9]：

按照式(2)，MOS 管的阈值电压不是常数，这与MOS 管的源极和衬底之间的电压差有关。Dickson电荷泵工作时，传输管的源极电位随着级数的增大而增大，由于所有传输管的衬底接地，导致随着级数的增加，传输管的VSB逐渐增大，体效应越来越明显，MOS 管的阈值电压越来越大，严重影响Dickson电荷泵电路的输出电压和电压转换倍率。

针对上述问题，在新的设计中，基于交叉耦合电荷泵结构，增加衬底动态偏置电路，保证传输管的衬底电位与源极电位始终保持一致，以提高电荷泵的输出电压和电压转换倍率。

3 改进的高电压转换比电荷泵

3.1 衬底动态偏置电路设计

由式(2)可知，MOS 管产生体效应的根本原因为源级和衬底的电压不同，只要保证MOS 管的源极电压和衬底电压相同，则可以消除体效应。对于PMOS来说，源漏两端电位高的一端即为源端；对于NMOS来说，源漏两端电位低的一端即为源端。衬底动态偏置电路可以自动将MOS 管的衬底与源漏之间高电位的一端相连[10]。衬底动态偏置电路如图3 所示。

图3 衬底动态偏置电路

PMOS 管的衬底动态偏置电路由两个PMOS 管组成，如图3(a)所示，A、B 两端分别接在电荷泵PMOS传输管的源、漏两级，MP1和MP2的漏端相连为电荷泵PMOS 传输管的衬底提供VBIAS偏置电压。

电路工作时，当A 端电位为高电平，B 端电位为低电平，MP1管导通，MP2管截止，VBIAS电位等于A端电位；当A 端电位为低电平，B 端电位为高电平时，MP1管截止，MP2管导通，VBIAS电位等于B 端电位。由此可知，VBIAS端电位始终与A、B 两端中高电位的一端相同。

NMOS 管的衬底动态偏置电路功能与PMOS 管的衬底动态偏置电路类似，VBIAS端电位始终与A、B两端中低电位的一端相同。即电荷泵中MOS 管的衬底电位始终与其源极电位相同，消除掉了体效应。

3.2 改进电荷泵结构设计

传统的交叉耦合电荷泵虽然能够大幅优化阈值压降，但由于其传输管衬底电位无法保证与源极电位一致，随着级数的增加，传输管的体效应逐级加重，传输管的阈值电压升高，最终导致输出电压降低，电压转换倍率降低。

改进后的电荷泵结构如图4 所示。在交叉耦合电荷泵的基础上，使用衬底动态偏置电路（即图中SDB 模块）产生的VBIAS来偏置电荷泵中每一级MOS管的衬底。此电荷泵有上下两条支路构成，可以看为两路互补的电荷泵，在工作时相互耦合，相互作用。上支路由MOS 管MN1、MP1、MN2、MP2、MN3、MP3与泵电容C1、C2、C3构成。下支路由MOS 管MN4、MP4、MN5、MP5、MN6、MP6与泵电容C4、C5、C6构成。同一支路的相邻泵电容各自连接相位相反的CLK 时钟信号，同时，上、下支路对应的电荷泵单元泵电容也分别连接相位相反的CLK 时钟信号。电荷泵中所有PMOS 管的衬底接衬底动态偏置模块。

图4 改进设计的电荷泵结构

以第一阶电荷泵单元为例分析改进后电荷泵如何消除阈值压降效应和体效应。阈值压降的产生原因为当MOS 管以二极管连接方式工作在开关状态下，由于栅极与漏极短接，当电源通过MOS 二极管为泵电容充电时，源极电位不断抬升，当抬升至栅极和源极之间的压差小于阈值电压时，MOS 二极管关闭，源极电位无法升高，损失了Vth，引起了阈值压降。在此电荷泵电路结构中，由于MOS 管的栅极和漏极没有短接，通过两条支路来分别产生MOS 管的栅极控制信号，其上支路和下支路对应的泵电容接的是相位相反的时钟信号。当时钟信号CLK1 为低电平时，CLK2 为高电平，此时泵电容C4已经完成电压抬升，C4的上极板电压为2 倍的Vin，则MN1的栅极电位为2 倍的Vin，MN1的漏极电位即为电源电压Vin。此时电源电压对C1充电，电压可以充至Vin，基本上消除了阈值压降。随着级数的升高，传输管的源极电位也逐级升高，由于电路采取衬底动态偏置电路产生的VBIAS来偏置每级MOS 管的衬底，保证了每级MOS 管的衬底电位都与其源极电位一致，消除了传输管的体效应。通过互补支路泵电容产生的高电位栅极电压消除阈值压降效应，同时通过衬底动态偏置电路消除传输管的体效应，提高了电荷泵电路的电压转换倍率。

4 仿真实验及结论

对电荷泵电路的仿真验证基于SMIC 0.18 μm CMOS 工艺进行。仿真平台环境参数设置如下：

环境温度：27℃；

时钟频率：10Mhz；

泵电容：5pF；

负载电容：10pF。

在1.8V 电源电压下，仿真得到三种电荷泵的输出电压对比图。仿真结果如图5 所示。

图5 三种电荷泵的输出电压仿真曲线

由仿真结果可见，在电源电压为1.8 V、电荷泵级数为4 级时，Dickson 电荷泵、JT-Wu 电荷泵、高电压转换倍率（Hvcr）电荷泵的稳定输出电压分别为5.256V、7.678V、8.883V。Hvcr 电荷泵的输出电压最高，最接近4 级电荷泵的理想输出电压9V，因此Hvcr 电荷泵的电压转换倍率最高，达到了98.6%。同时Hvcr 电荷泵的启动时间也最短。

在不同电源电压下，三种电荷泵的输出电压曲线的仿真结果如图6 所示。在相同的仿真环境下，三种电荷泵的输出电压都随输入电压的增大而增大，对于某一给定输入电压，Hvcr 电荷泵输出电压最高，在输入电压幅值接近MOS 管阈值电压时，Dickson电荷泵基本上起不到电压抬升的作用，JT-Wu 电荷泵的电压转换倍率也较低，而Hvcr 电荷泵在0.8V～1.8V 的输入电压范围内都能保证很高的电压转换倍率。

图6 三种电荷泵输出输入电压变化仿真曲线

在不同级数情况下三种电荷泵的输出电压曲线仿真结果如图7 所示。可见，在相同的仿真环境下，三种电荷泵的输出电压都随着级数的增加而增大，Dickson 电荷泵的输出电压变化最不明显，JT-Wu和Hvcr 电荷泵输出电压随着级数的变化相对呈线性化。对于某一给定的级数，Hvcr 电荷泵的输出电压最高，电压转换倍率最高，并且随着级数的升高，Hvcr 电荷泵与Dickson 电荷泵的输出电压差距越来越大。

图7 三种电荷泵输出电压随级数变化仿真曲线

5 结 束 语

在传统的交叉耦合电荷泵的基础上通过增加衬底动态偏置电路保证MOS 管的衬底电位始终与源极电位一致，消除了体效应的影响。对于给定的电荷泵级数，提高了电荷泵的输出电压，提高了电荷泵的电压转换倍率。高电压转换倍率电荷泵相比于传统的Dickson 电荷泵，消除了阈值压降效应和体效应的影响，提高了电荷泵的输出电压和电压转换倍率，在较低电源电压下也能保持极为理想的电压转换倍率。