（微电子学与固体电子学专业论文）负电压电荷泵电源的设计.pdf

j b 夏窑垣叁竺亟堂焦逾塞生塞揸噩 中文摘要 摘要：随着科技的进步，半导体集成电路技术得到了突飞猛进的发展。主要 的信号处理过程由数字电路完成，而低电压、低功耗和降低电路面积已经成为了 模拟电路的主要要求之一，为了得到满足要求的电路，电子产品的电路结构与工 艺越来越复杂，电子产品对负电压的需求也越来越多。本文中所研究的负电压电 荷泵电路具有广阔的市场前景和应用范围。 本文所研究的电荷泵主要由负电压电蘅泵产生和控制电路组成，具有浪涌电 流抑制电路，使用了带有负电压电荷泵的直接驱动结构而节省了普通驱动结构所 必须的大耦合电容，因而节约了成本，电路板级空间。可广泛的应用于音频驱动 电路、l c d 背光灯驱动、闪存的浮栅控制等各种领域。该电路输入电压为2 5 v ， 电源电压为1 8 v 和3 3 v 双电源供电。输出电压为一1 8 v ，在1 8 0 负载电阻的条件 下输出电流1 0 0 毫安。由于电荷泵电路普遍存在难以完全关断和导通的阔题，很大 程度上限制了电荷泵的电源转换效率，文章通过详细分析开关电源的工作原理， 对开关电路结构进行改进，消除了传输电压的损失。本文的控制电路采用线性控 制模式，减小了输出电压的纹波，提高了电源转换效率，极大地增强了电路的性 能。 本文的负电压电荷泵的设计采用s m i c 公司的0 1 8 u mc m o s 工艺，利用 c a d e n c e 、h s p i c e 等e d a 软件。仿真数据表明设计的电路能良好，满足预设的指 标要求。 关键词：负电压电荷泵电压等级转换线性控制 分类号：t n 4 3 2 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ep r o g r e eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s e m i c o n d u c t o r i n t e g r a t e dc i r c u i t st e c h n i q u eh a sb e e np r o m o t e dg r e a t l y 1 1 1 em a i ns i g n a lp r o c e s si s a c h i e v e db yd i g i t a lc i r c u i t s h o w e v e r , l o wv o l t a g e ，l o wp o w e rd i s s i p a t i o na n dt h e r e d u c t i o no fc i r c u i ta r e ah a v eb e c o m eo n eo ft h ep r i m a r yr e q u i r e m e n t sf o ra n a l o gi c s t og e tt h ec i r c u i t sw h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n t , t h es t r u c t u r eo fc i r c u i ta n dt h e t e c h n o l o g yo fe l e c t r o n i cp r o d u c t sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o 陀c o m p l e x t h i sd e m a n d s m o r ea n dm o t en e g a t i v ev o l t a g e t h en e g a t i v ev o l t a g ec h a r g ep u m pp r e s e n t e di nt h i s p a p e rh a sw i d ea p p l i c a t i o n sa n dm a r k e t i nt h i sp a p e r ，t h ep r o p o s e dc h a r g ep u m pm a i n l yc o m p o s i s t so f n e g a t i v ev o l t a g e c h a r g ep u m pg e n e r a t i o na n dc o n t r o lc i r c u i t s ，a l o n gw i t l ls u r g ec u r r e n ts u p p r e s sc i r c u i t s ， t h ed i r e c t d r i v ea r c h i t e c t u r ei su s e dt oe l i m i n a t et h en e e do fl a r g ec o u p l i n gc a p a c i t o r , s a v i n gc o s t ，b o a r ds p a c e ，a n dp c b a r e a i tc a nb ew i d e l yu s e di nd e s i g n i n gd r i v e rc i r c u i t o f a u d i o ，l c dd r i v e r ，f l o a t i n gg a t eo f f l a s hm e m o r i e s ，e t c t h ei n p u tv o l t a g eo f c i r e u i t i s2 5 vt h ep o w e rs u p p l yi sb o t h1 s va n d3 3 vd o b l es u p p l y , t h eo u l p u tv o l t a g ei s 1 8 v ，a n dt h eo u t p u tc u r r e n ti s1 0 m aw i t h1 8 1 1l o a d t h ep r o b l e mo f h a r d l yc o m p l e t e t e r no na n dt u r no f fo fn o r m a lc h a r g ep u m pc i r c u i t sl i m i t st h ec o n v e r t i o ne f f i c i e n c yo f i t sp o w e r 1 1 1 eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fs w i t c h e dp o w e rs u p p l yi sa n a l y z e di nd e t a i l s t h e s w i t c h e dc i t c u i t sh a sb e e nr e v i s e da n di m p r o v e dt oe l i m i n a t et r a n s m i s s i o nv o l t a g el o s s i nt h i sp a p e rt h ec o n t r o lc i r c u i te m p l o y sal i n e a rc o n t r o lm o d e ，b y nt h i sw a y ，n o to n l y t h eo u t p u tt i p p l er e d u c e db u ta l s ot h ee f f i c i e n c yi n c r e a s e d , t h ep e r f o r m a n c eo ft h e c i r c u i ti m p r o v e dg r e a t l y t h en e g a t i v e v o l t a g eo u t p u tc h a r g ep u m pi sd e s i g n e di nu s i n gs m i c0 1 8 u r n c m o sp r o c e s sa n di ss i m u l a t e db yu s i n gt h ee d as o f t w a r e s s u c h 勰c a d e n c ea n d h s p i c e n 圮s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f c i r c u i ta r ee x c e l l e n ta n dm e e tt h es p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d s ：n e g a t i v ec h a r g ep u m p ，v o l t a g el e v e ls h i f t e r , l i n e a rc o n t r o l c l a s s n o ：t n 4 3 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：参，n 蟛悫 导师签名； 签字日期： 呷年乙月刁咱 丑悻玄 签字目期：7 砷7 年j z 月吐户 f 韭塞奎适左生亟堂鱼盈塞蕉剑缝直鲳 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：h 习签字日期：。7 年，l 月哆日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘章发教授的悉心指导下完成的，老师严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在生活上也给予了我无微不 至的照顾，对老师的人格感到由衷的钦佩在此感谢三年来刘老师对我的关心和 指导和教育。 在实验室工作及撰写论文期间，苗莹、尉理哲、王启娟、杜春山、路宁、幸 小雷等同学对我论文所涉及的仿真工作给予了热情帮助在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢父母和家人，他们使我能够在学校专心完成我的学业，在我困难 的时候给我总是能想起他们的鼓励和支持，家人是我最坚强的后盾。 最后，感谢北京交通大学多年的培养。是学校给了我学习和深造的机会。再 一次感谢曾经教育和帮助我的所有老师。衷心感谢百忙之中抽出时间参加论文评 阅和评议的各位专家学者，感谢他们为审阅本文所付出的辛勤劳动。 j t 基窑适 盔 堂亟堂焦丝塞i i壹 1 ，1电荷泵电源概述 1 引言 电荷泵电路是最常用的电源管理芯片。由于它使用方便、体积小、性能良好、 可靠性高。下面首先就市场上出现的几种常用电源供电电路进行分析比较，然后 着重分析电荷泵电源供电电路。 根据工作原理的不同可将电源管理i c 分成两类：线性稳压电源、开关稳压电 源。便携式移动设备大多以电池供电，其负载电路通常是微处理器控制的设备， 比如移动电话、掌上电脑等等，此类设备要求供电电源效率高、输出纹波电压小。 直流变换器就是把未经调整的电源电压转化为符合要求的电源。电池的广泛使用， 给这一类电源带来特殊的要求：高效率、静态电流小、很小的面积、低重量并且 价格便宜。传统的电源通常使用一个电感实现d c d c 变换，但是电感体积庞大、 容易饱和、会产生电磁干扰( e m i ) 而且价格相对比较高。为解决此类问题，现代 电源通常采用电荷泵电路。电荷泵采用电容储存能量，外接组件少，非常适合用 于便携式设备中，并且随着其电路结构的不断改进和工艺水平的提高，也可应用 在需要较大屯流的应用电路中。高效率电荷泵d c d c 转换器因其功耗小、成本低， 结构简单、无需电感、二极管等外围组件、高e m i 抑制、可以产生负电压等优点， 在电源管理电路中已经得到广泛应用。 电荷泵电源供电电路需要的外接元件通常只需要一两个旁路电容和一个电荷 存储电容，电荷存储电容也经常被称为电荷泵电容，在电荷泵电源供电电路中起 到传输电荷的作用，在本文中我们将称这个电容为飞电容，表示符号为c 和在后 面的电荷泵电路结构中我们可以经常看到这个符号。 电荷泵电源按类型分主要为反压型电荷泵、倍压型电荷泵、稳压降压型电荷 泵、稳压升压型电荷泵和稳压升，降压型电荷泵。 总之，电荷泵电源供电电路比传统的线性稳压器有更高的电源转换效率，而 比其它大多数开关式稳压器有更简单的结构、更低的成本和更低的噪声特性，因 此它在便携式电子产品中越来越受欢迎。 1 2论文的主要工作和章节安排 本文在完成电荷泵i c 电路设计、版图设计、版图验证的同时，在深入学习电 壅窒适太堂亟堂僮监塞 i i直 荷泵控制理论基础上实现了一种利用脉冲频率调制方式( p f m ) 线性控制模式电 荷泵的控制方式，充分结合了传统的电源控制方式和p f m 控制方式的优点，实现 电荷泵电源电路的效率和精度的调整。传统的电源控制方式采用跳变控制模式， 和线性控制模式相比较，特点是：“跳变控制模式静态电流较小，但是输出纹波电 压大，线性控制模式静态电流大，但是输出纹波电压小。本课题使用脉冲频率调 制方式的线性控制模式以更好地综合考虑电源效率和纹波，降低静态电流。 本文的主要工作如下： 1 通过对电荷泵工作原理的详细分析，提出了改进的开关电路结构，提高了电 源的转换效率。 2 综合考虑两种电荷泵控制方法的优点，设计了新型的控制电路，不但减小了 输出电压的纹波，提高了转换效率，同时增强了系统的稳定性。 3 设计了符合电路工作要求的基本电路和辅助电路模块，并对这些模块的性能 进行优化，从而提高了系统性能。 4 经过分析研究，在c a d e n c e v i r t u o s 0 7 o i 具下完成了系统的设计和仿真验证。 论文章节安排如下，全文共分为六章： 第一章引言简要地介绍了电源管理类集成电路的发展及电荷泵电源供电电路 的特点及发展趋势； 第二章系统地分析了负电压电荷泵开关电路的基本原理； 第三章系统地分析了负电压电荷泵控制电路的基本原理； 第四章以第二章和第三章的理论为指导，设计负电压电荷泵开关电路的各个 功能模块，并进行了分析仿真： 第五章对设计的负电压电荷泵开关电路整体电路的各项特性进行了仿真验 证，并完成了版图设计及后仿真验证； 第六章为总结与展望。 2 j s 塞銮适盘堂亟堂僮丝塞亟鱼壁垒堑基珏羞虫堕的蒸奎厘堡 2 负电压电荷泵开关电路的基本原理 2 1开关电源的分类 2 1 1电感式开关电源 电感式开关电源利用电感作为主要的储能元件为负载提供持续不断的电流。 通过不同的拓扑结构，这种电源可以完成降压、升压和电压反转的功能，具有非 常高的转换效率。产品在工作时主要的电能损耗包括：m o s f e t 的导通损耗，主 要与占空比和m o s f e t 的导通电阻有关；动态损耗，m o s f e t 同时导通时的开关 损耗和驱动m o s f e t 开关电容的电能损耗，主要与输入电压和开关频率有关；静 态损耗，主要与i c 内部的漏电流有关。在电流负载较大时，这些损耗都相对较小， 所以电感式开关电源可以达到9 5 的效率。但是在负载较小时，这些损耗就会相 对变得大起来，影响效率。这时一般通过两种方式降低导通损耗和动态损耗，一 种是p w m 模式：开关频率不变，调节占空比；另一种是p f m 模式：占空比相对 固定，调节开关频率。电感式开关电源的缺点在于电源方案的整体面积较大( 主 要是电感和电容) ，输出电压的纹波较大，在p c b 制板时必须格外小心以避免e m i 。 为了减小对大电感和大电容的需要以及减小纹波，提高开关频率是非常有效的办 法。 2 1 2电容式开关电源电荷泵 电荷泵是利用电容作为储能元件的一种开关电源，其内部通过开关管阵列来 控制电容的充放电。为了减少由于开关造成的e m i 和电压纹波，很多i c 中采用双 电荷泵的结构。电荷泵同样可以完成升压、降压和电压反转的功能。由于电荷泵 内部结构的关系，当输出电压与输入电压成一定倍数关系时，如2 倍或1 5 倍，最 高的效率可达9 0 以上。但是效率会随着两者之间的比例关系而变化，有时效率 也可低至7 0 以下。所以设计者应尽量利用电荷泵的最佳转换工作条件。由于储 能电容的限制，输出电压一般不超过输入电压的3 倍，而输出电流不超过3 0 0 m a 。 电荷泵的特性介于线性稳压电源和电感式开关电源之问，具有较高的效率和相对 简单的外围电路设计，e m i 和纹波的特性居中，但是有输出电压和输出电流的限 制。电荷泵按照控制方法的不同又有以下几种不同的分类： ( 1 ) 按照激励方式可分为：外部激式( 电路中有振荡器) 和自激式( 开关管兼做振 b 塞銮塑友堂亟堂鱼盐童鱼皇压电茴趸珏羞皇路鲍基奎厘堡 荡器中的振荡管) ，分别如图2 1 和图2 2 所示。 图2 1 外部激励式电路原理图 f i g u r e 2 1f u n t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f n o ns d f - o s c i l l a t i o nc i r c u i t 图2 2 自檄式电路原理图 f i g u r e 2 2f u a f i o n a lb l o c kd i a g r a mo f s e l f - o s c i l l a t i o nc i r c u i t ( 2 ) 按调制方式分为三种，称为“时间比率控制”( t i m e r a t i o c o n t r o l ，t r c ) 法。 它通过改变接通时间t o n 和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比达到对功率开 关管的控制。分别是：脉宽调制式( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n , p w m ) ；脉频调制 式( p u l s e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，p f m ) ；混合调制式，它是以上二种方式的混 合。 ( 3 ) 按开关管电流的工作方式可分为开关型和谐振型。 ( 4 ) 按开关管的类型可分为：可控硅型( 这种电路的特点是直接输入交流电，不需 要一次整流部分) 和晶体管型两种 ( 5 ) 按输入与输出电压大小可分为：升压式( 并联型开关稳压电源) 和降压式( 串 联型开关稳压电源) 两种。 ( 6 ) 按工作方式可分为：可控整流型、斩波型和隔离型三种。 2 2电荷泵电源 电荷泵开关电源为本文主要的研究对象。采用电感元件作为能量转换控制器 j e 塞窑逼左堂亟堂焦监塞亟电压电萄墓珏羞虫路的基奎厘堡 件的开关电源芯片，由于电感元件的存在严重阻碍了开关电源小型化的发展方向。 电荷泵开关电源采用开关电容d c d c 转换器结构，开关电路由电容和半导体开 关器件构成，开关频率很高，提高了电源的转换效率，减小了电磁干扰 ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) ，降低了由于电感影响而增加的开关管功耗，缩小 了外围电路尺寸，相对于电感作为储能元件的开关电源来说更简单、价格更便宜、 使用更方便。多层陶瓷电容( m i c c ) 的性能改善使整个电路的体积更小，促进了 开关电源芯片向小型化，集成化的方向发展。电荷泵符合现代集成电路小型化、 集成化的方向发展，在现代集成电路中的应用非常广泛。 2 2 1电荷泵的基本原理 最早的理想电荷泵模型是j d i c k s o n 在1 9 7 6 年提出的1 2 】【3 】1 4 】，其基本思想就是 通过电容对电荷的积累效应产生高压，使电流由低电势点流向高电势点，当时这 种电路是为了提供可擦写e p r o m 所需要的电压【5 1 【“。后来j w i t e r s 。t o r u t r a n z a w a 等人对j d i c k s o n 的电荷泵模型进行改进，提出了比较精确的理论模型和理论公式， 并通过实验加以证实。随着集成电路的不断发展，基于低功耗、低成本的考虑， 电荷泵在集成电路中的应用越来越广泛图2 3 为简单的倍压型( m u l t i p l i e r c h a r g e p u m p ) d i c k s o n 电荷泵的基本原理图。 1l 1l |l m jh ! ih ! l【：h 垄一 i 1 l 2 i 3n - i 4 ， - l ； i k ci 上 =a ， 图2 3n 阶d i c k s o n 电荷泵电路原理图 f i g u r e 2 3n - s t a g ed i c k s o nc h a 曜ep u m pc i r c u i t 参考图2 3n 阶d i c k s o n 电荷泵电路的工作过程。在不考虑开关管寄生电容 c s 时，当v 为低电平时，m 1 管导通，输入电压v m 对与电容c l 进行充电，直 到结点l 的电压为v i n v r h ( v r a 为n m o s 管的阈值电压) ；当v 为高电平时， 由于电容两端电势差不能跳变，节点1 的电压变为v 。+ v m - - v w ，此时m 2 导通， 对电容c 2 进行充电，直至节点2 的电压变为v + n 一2 、h ；v 。再度变为低电平， 结点2 上电压为2 v + v i n - - 2 v t h 如此循环，直到完成n 级电容的充放电。 在考虑各种寄生耦合与负载效应后，电路中第n 一1 各节点和第n 节点在每个 充电周期完成后的电压差可以由公式( 2 1 ) 给出： v n 一一。2 k v 。一v l ( 2 ，1 ) 这里v t 是由于寄生电容耦合时钟引起的电压的变化，、，1 w 是m o s 管的阈值 电压，v l 是由于负载抽取电流i o u t 所引起的每个周期的电压降。 假设图2 3 中电容c n 的值为c ，在实际电路中由于v 。受到开关管寄生电容 c s 韵影响，其真实值应为： k - 气c ( c + c s ) ) x k ( 2 ，2 ) 考虑负载后，由于负载会从电路中抽取电流l o u t ，当时钟中的频率为f o s c 时， 每个开关管周期放电量为： q f ( c + c s ) x v l ( 2 ，3 ) 考虑多个时钟周期后，可以得到： i o u t = f o s c x ( c + c s ) “v l ( 2 4 ) 将( 2 2 ) 与( 2 3 ) 式代x ( 2 4 ) 式后得到d i c k s o n 型电荷泵的单级电压增益： k - 2 ( 去) 娥一v m 一丽l o u t ， 对于n 阶的电路有： k 一一 ( 志卜一而i o u t 这里v m 为输入电压，在通g - 情况下为了防止输出时钟的影响， 后要加一个隔离管c ( n + 1 ) ，最终得到： ( 2 6 ) 在电路的最 v 砌一v 渊i ( 熹 x k v m 一而i o s ) u t 如 l ( 2 7 ) 由公式( 2 7 ) 可以很直观地看出d i c k s o n 型电荷泵的增益理论上可以通过增 加级数得到理想的电压值。但对于大型m o s 管而言，由于阱区大的体电容和衬底 电容的影响，m o s 管的衬底一般接固定电位以确保器件工作的稳定。而衬底电压 的固定，不可避免地会产生体效应。所谓体效应( b o d ye f f e c t ) ，就是根据m o s 管导电原理，在反型层形成前，栅极电荷必是镜像耗尽层电荷q d 。因此，随着衬 6 丝基銮垣叁堂亟主堂焦丝塞玺皇匡垒蕉壅珏苤垒整笪基奎厦堡 底电压的下降，衬源电压v b s 的上升，q 增加，v ”也增加，函数关系如下： v 。= v 。+ ，( i 2 办+ v j 。i 一j 2 办1 ) ( 2 8 ) 其中v t h 是m o s 管的阈值电压；v z 0 指m o s 管的源极和衬底之间的电压为 零时的阈值电压；2 砂，指强反型发生时在耗尽层上的压降，等于两倍费米势能。随 着m o s 管输出电压的增大，由公式( 2 8 ) 可知体效应会使v n i 变大。如果d i c k s o n 倍压电荷泵的使电压随级数增长而增加，需要满足： ( 熹) x k 一一面两i o u t 。 ( 2 9 ) 但是v t h 增加到一定值时，不等式( 2 9 ) 可能不再成立，因此d i c k s o n 电荷 泵的最大输出电压会受到限制。体效应的存在，使得d i c k s o n 电荷泵每一级都存在 比前一级增大的阈值电压损失的问题，导致其输出电压不可能与电路级数成线性， 电荷的转换效率也因电路级数的增加而减小。对于某些特殊的应用场合而言，可 以采取对衬底电压进行控制的方法来改善开关电源电路的电源转换效率。同时因 为阈值电压并不与系统电压成线性规律进行变化，在低电压工作的情况下，由于 阈值电压的影响而造成的转换效率的下降会更加显著。 图2 4 t s u j i m o t 电荷泵电路原理图 f i g u r e 2 4t s u j i m o tc h a r g ep m n pc i r c u i t 为了提高电荷泵的转换效率，人们采用了很多方法来加以改进，其中包括 k i u c h i 电荷泵电路、t s u j i m o t o 电荷泵电路、复杂时钟控制法1 7 】也即四相位电荷泵 电路、反向控制c t s ( c h a r g et r a n s f e rs w i t c h e s ) 电荷泵电路捧j 、浮阱( f l o a t i n gw e l l ) 电荷泵电路【9 j 等方法。下面我们对这几种电路做简要介绍。 7 堑塞窑适- 犬堂亟堂焦盈塞堡垒匡生蕴垂噩苤塑登笪基奎厘堡 ( 1 ) t s u j i m o t 电荷泵电路 t s u j i m o t 电荷泵由两个d i c k s o n 电荷泵组成，由图2 4 我们可以看到，在第二 个d i c k s o n 电荷泵电路中。m o s 管的栅极都连着第一个电荷泵电路相应的节点， 这实际上就是一个开关电路，它通过控制在第二个d i c k s o n 电荷泵电路中m o s 管 的栅极电压从而克服了在二极管连接方式中m o s 管阈值电压v r a 损失的问题。 然而在图2 4 中，由于第一个d i c k s o n 电荷泵电路还存在着阈值电压损失的问 题，不能输出很高的电压，相应的第二个电荷泵电路中m o s 管的栅端电压会受到 一定的限制，因此，输出电压仍然会受到阈值损失的影响，不能在很大程度上提 高开关电源的转换效率。 v 如 c l a c u v j n c l k l v j n c l i 【 2 图2 5k i u c h i 电荷泵电路原理图 f i g u r e 2 5k i u c h ic h a r g ep 叩c i r c u i t ( 2 ) k i u e h i 电荷泵电路 该电路由d i c k s o n 电荷泵并行连接到同一个输出组成，如图2 5 所示。图中的 i l l 对时钟信号c l k 八c l k b ，c l k a l ，c l k b l ，c l k a n ，c l k b n 分别错开1 n 个周期的相位。使得输出电容c o u t 每隔1 n 周期的时间充电一次，从而相对于 d i c k s o n 电荷泵的输出电压更稳定，电流驱动能力更大，但代价是需要更大的芯片 面积。 ( 3 ) 四相位电荷泵电路 四相位电荷泵采用四路时钟控制信号，电路结构如图2 6 所示： j 宝窑煎盔芏亟堂僮监塞亟皇压皇煎基珏羞皇竖丝基奎厦堡 图2 6 四相位电荷泵电路原理图 f i g u r e 2 6f o u rp h a s ec h a r g ep u m pc i r c u i t 图2 6 中f 1 - f 4 为四相位时钟控制信号，对开关管导通状态进行控制，f i e f 4 在一个时钟周期t 内的变化如图2 7 所示。 一t 叫 l ( 1 ) i ( 2 ) l ( 3 ) i ( 4 ) i ( 5 ) i ( 6 ) i ( 7 ) i ( 8 ) l fli l i iil i 1 ii i ll r - 一：叫： iliil i iiiii i f 2 ：n ：厂 iii lli iij ili _ r 1 i i 广t 广_ r 1 i f 3 ii iil i iiii ii i i i1 ii iii iii f 4 ；i ；iliih i 门；i ；i i ii ll i r 广 1 1 _ r 丁1 广广 1 一 iiliiiiiliii 图2 7 四相位电荷泵电路的时钟信号 f i g u r e 2 7 c l o c ks i g n a l o f f o u r p h a s ec h a r g e p u m p 结合图2 7 对四相位电荷泵的工作原理进行分析可知，当f 3 为高电平时m c 2 管处于导通状态；t 8 时间后f l 由低电平变高，f l 的脉冲经电容c l 耦合，通过 m c 2 管对电容c c 2 充电，m 2 管的栅极电位与它的漏端电位相同；2 t 8 后f 3 变 为低电平，m c 2 管截止，m 2 管的栅极与漏端断开，由电容c c 2 上保持的电压供 给m 2 管，随着m 2 管源极电位的下降，5 4 2 管开始导通；3 t 8 后f 2 由低电平变 为高电平，此时由于电容c c 2 两端已有一定的电压了，f 2 的脉冲经过耦合使得 m 2 管的栅端电压比它的漏端电压高许多，这样m 2 管漏端的电位就会完全传到源 端，从而消除了阈值电压v t h 的损失。电容c 1 上的电压传给电容c 2 的同时也通 过m c 3 管快速地给电容c c 3 充电：4 t 8 后f 2 由高电平降到低电平时，m 2 管开 始截止：5 t 8 后，由于f 3 变为高电平，m c 2 管导通，电容c c 2 开始放电，使 m 2 管的栅端电压和它的漏端电压相同，从而使其能快速截止；6 t 8 后f l 由高电 平变为低电平，m 2 管截止，此时m c 2 管导通，从而m 2 管的栅端电压与漏极电 9 韭基至望丕兰亟圭堂焦盈塞幺皇匿皇萄丞蕴羞皇整笪基奎亟壁 位相等；7 t 8 后，时钟信号f 4 由低电平变为高电平，m 3 管完全导通，c 2 开始向 c 3 充电，电荷由此逐步向v o 叮传输。 由以上分析我们可以看出电路由于采用了四路时钟信号的控制，消除了每一 阶闳值电压损失，但是却极大地增加了复杂度，尤其在产生图2 7 所示的时钟信号 时。 ( 4 ) 采用电荷转移开关( c t i a r g et r a n s f e rs w i t c h e s ，简称c t s ) 电荷泵电路 采用电荷转移开关作为电荷泵的开关元件可以减小阈值电压损失，提高电荷 泵的转换效率。采用c t s 结构的电荷泵结构如图2 8 所示。 图2 8 采用电荷转移开关的电荷泵电路原理图 f i g u r e 2 8c i l a 咎p u m pc i r c u i tw i t hc l w g et r a n s f e rs w i t c h e s m d o - - m d 4 为二极管连接的m o s 管，由原理图2 8 可知。结点1 4 通过 m d l m d 4 获得初始电压，从而控制前级的c t s 管( m s l - m s 4 ) 。该电路虽然消 除了阈值损失却有可能导致电荷反向馈入 ( 5 ) 浮阱( f l o a t i n gw e l l ) 电荷泵电路 浮阱( f l o a t i n gw e l l ) 电荷泵电路是一种采用衬底悬浮m o s 管作为开关器件 的电荷泵，其电路结构如图2 9 所示。 图2 9 中所示的浮阱电荷泵采用p m o s 作为开关管，并将p m o s 管做在n 阱 里，通过调节阱的电压消除开关管的阈值损失，f l 为浮阱。但是阱区电压的不确 定会造成衬底电流的产生，触发闩锁效应，这是我们所不希望的。 根据以上分析，由于存在开关管的阈值电压损失，随着级数的增加，d i c k s o n 电荷泵的转换效率会不断降低：k i u c h i 电荷泵、t s u j i m o t 电荷泵都是基于d i c k s o n 电荷泵电路设计的，虽然有所改进，还没有完全消除阈值电压损失的影响；四相 位电荷泵虽然解决了阈值损失的问题却因为采用了复杂的时钟控制信号变得相当 复杂，在很大程度上增加了电路的复杂度；c t s 和浮阱电荷泵电路虽然也消除了 阈值损失的问题，但前者存在电流的反向馈入问题，后者则由于衬底电流的原因 可能会触发闩锁效应，这些都是我们所不希望的针对以上几种电荷泵模型存在 的缺点，我们采用辅助m o s 管的开关结构，使功率开关管的衬底电压跟随源极电 0 j e 夏銮迢盍堂亟堂鱼途塞亟盥压虫聋墓珏苤垒堕的基奎厘垄 压，避免了衬底固定时，由于源衬电压变化而引起的闽值损失。 圈2 9 浮阱电荷泵电路原理图 f i g u r e 2 9f l o a t i n gw e l lc h a r g ep u m pc i r c u i t 2 2 2负压c m o s 电荷泵原理 本文所描述的负压电荷泵实现将2 5 v ( 允许范围为2 v 4 v ) 的直流输入电压 转换成稳定的一1 ，8 v 直流输出电压的功能。输出电压纹波在输出电容1 0 uf 的条 件下为6 0 m v ，1 8 q 负载电阻的条件下输出电流1 0 0 m _ a ，输出电压范围为一1 7 5 一1 8 5 v ( 可调) ，在基本电路的基础上增加了启动过流判断电路来保证启动电流 不会超过正常工作时的电流。图2 1 0 为可控负电压电荷泵的系统框图。具体细节 我们将在以后的章节里逐步分析。 医磊习 l 电路 l 控制启动过漉l v r e f i 广一 判断电路r 卜丽江i d 电阻分压电路 工作时间电路ll l 一 启动过流判断 电路 压控振荡器 控制压控振荡器 是否工作电路 不交叠时钟l 主兰生墅i v n s 电压差放大器 i 兰竺竺兰竺f _ 。 图2 1 0 可控负电压电荷泵的系统框图 f i g u r e 2 1 0f u n f i o n a lb l o c kd i a g r a mo f n e g a t i v ev o l t a g ec h a r g ep u m p c i r c u i t ( 1 ) 负电压电荷泵的工作原理 负电压电荷泵与升压电荷泵的工作原理都类似，都是利用当电路充放电时电 业 幕 j e 夏銮堕盔堂亟堂焦丝塞鱼皇堡皇莅覆珏差皇墅鳆基奎厘堡 容两端的电压保持恒定的特点。对于负电压电荷泵而言只要将输出端的电容的相 对高电位端接地，就可以得到负的输出电压，实践中i c l 7 6 6 0 可以说是最早使用 着的经典电路原形的集成电路产品。 电路采用m o s 管作为开关器件，通过在开关管的源漏两端增加辅助m o s 管 对其衬底电压进行控制消除衬偏效应来的传输电压损失问题。两路反向的非交叠 时钟信号直接对栅极进行控制，通过控制开关的导通( 关断) 时间，控制电容的 充( 放) 电，实现高效率的电压转换。 这种产生负电压的开关电容电荷泵可以作为运算放大器提供负极电源及作为 液晶显示器的驱动。产生负电压的原理如图2 1 l 所示。 v s i l 一，一t i l ic j 一 ii c o m 上上 一t 鼍 t l l v d 几几i 卜 ； l 一， 图2 1 l 负电压电荷泵电路原理图 f i g u r e 2 1 1n e g a t i v ev o l t a g ee l s ep i m 币c i r i t 图2 1 1 中s 1 s 4 为电荷泵电路的开关。开关在d i c k s o n 电荷泵中用m o s 功率 管实现，开关管的源极与栅极连接在一起，所以一定处于饱和状态，在开关两端 点最小有闽值电压的压降。在本文所讨论的负电压电荷泵开关中将采用m o s 管加 辅助管的形式实现，控制开关管导通与关断的的栅极电压由专门的时钟产生电路 提供，开关可以不再工作在饱和区，所以开关管两端的电压差理论上最低可以降 低到零，这样可以改善电荷泵电源电路的电源效率。s l s 4 由一个不交叠的时钟信 号控制，s 1 、s 2 同时导通时，s 3 、s 4 同时关断：s 3 、s 4 同时导通时，s 1 、s 2 同 时关断。c f l y 在前面的文章中已经提到过，是电荷从输入到输出转移过程中用来存 储电荷的飞电容。c a p + 和c a p 一分别为飞电容c o y 的两个端点。c o u t 为在电源输 出节点与地之间的电容。 在本电路设计中我们采用n 阱工艺。比较n 阱工艺和p 阱工艺，在负电压电 荷泵电路实现上前者需要对栅极电压进行提升。结合负电压电荷泵原理图2 1 l ， 开关s 1 输入电压为v | n ，输出电压理想状态下在0 v 到v 矾之间变化，所以用p m o s 器件实现。同样的分析，s 2 - $ 4 应选择n m o s 器件实现。 2 e 宝窒适盍堂速堂焦监塞亟电匿曳萄嚣珏差皇蹬的垂奎厘堡 第一步 v 第三步： v m ：一 第二步： v m 三一， b 图2 1 2 电荷传输转换过程 f i g u r e 2 1 2 c h a r g e t r a n s f e r s w i t c h i n g p r o c e s s 负电压电荷泵的电压转换过程也就是电荷传递过程，如图2 1 2 所示。第一步： 开关管s l ，s 2 导通而s 3 、s 4 关断时，v 小对飞电容c n ，充电。如果开关用s 1 用 p m o s 器件实现而$ 2 - $ 4 用n m o s 器件实现，则v c a p + - v 一v 西( v o p 为p m o s 管的工作时漏源间压降) ，v c a p = o ；第二步：管s 1 、s 2 关断而s 3 、s 4 导通时c n ， 将部分电荷转移给c o u t ，直到两电容间电荷转移达到平衡，考虑到m o s 开关管源 漏之间的压降，此时a 点输出电压为v a = v l n - - v o n - - v o p ( v o n 为n m o s 管的工 作时源漏间压降) 。不论c i l v 和c o u t 为多少，如果没有内部损耗总会试图让它们两 端的电压相等；第三步：当电路状态最终达到平衡时，c o u t 高电位端接地使得输 出电压v o u t 变为- - v ，当电路状态最终达到平衡时，输出端电压v o l r r = 一( v 附一 v o n - v o f ) 。 n 阶d i c k s o n 电荷泵电路负载工作情况我们在前面的文章中已经讨论过。图 2 3 中n 阶d i c k s o n 电荷泵中电容c i - - c n 的作用与负电压电荷泵电路中的c m 功 能类似，而图2 3 中n 阶d i e k s o n 电荷泵中电容c ( n + 1 ) 与负电压电荷泵电路中c o o t 功能类似。负电压电荷泵电路带负载的分析与d i c k s o n 电荷泵电路也有类似之处。 在图2 1 2 中，考虑电路带负载的情况，由于负载会从电路中抽取电流，负载上具 会有v l 大小的压降： v l - 一1 0 t r r ( ( c n y + c s ) x f o s c )( 2 1 0 ) 最终的输出电压为： v o u l 一一聃- - v o p - - v o n - - i o w ( ( c n y + c s ) x f o s c ) ) ( 2 1 1 ) 由( 2 1 1 ) 式我们了解到输出电压的大小与输入电压，输出电流及功率开关管 的开关频率都有密切的关系，振荡器的频率越高，电荷泵的转换效率就越高。但 振荡器的频率是不可以无限提高的，需要由开关工作期间的导通速度决定，具体 将在时钟产生电路里进行讨论。 ( 2 ) 负电压电荷泵的模型 图2 1 3 产生负电压电荷泵的等价模型 f i g u r e 2 1 3t h ee q u i v a l e n tm o d e lo f n e g a f i v ev o l t a g ec h a r g ep u m p 我们将公式( 2 1 1 ) 化简得到以下表达式： iv o u tl _ v o 1 0 u t r s ( 2 1 2 ) v o = v 州一v o p - - v o s ，r s = l ( ( c n y + c s ) f o ) )( 2 1 3 ) 这一简化公式可以增强对电路的整体理解，在实际的工作过程中，电源要带 负载工作，同时会不可避免的引入负载电阻r l ，图2 1 3 为由公式( 2 1 2 ) 得到的 电荷泵等价模型。将式( 2 1 3 ) 整理后可以求出： v i n _ v 0 + v o h d - v o p( 2 1 4 ) 我们可以将此模型进一步转化为图2 1 4 所示模型。则此模型中负电压电荷泵 电路输出电阻r o u t 的值为： r o u t = - r o n + r o p + l ( f o s e x ( c n y - - c s ) ) + e s r( 2 1 5