（微电子学与固体电子学专业论文）负压cmos电荷泵的研究与设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着科技的进步，半导体技术得到了突飞猛进的发展。为了满足多元化和高 性能的需求，电子产品的电路结构越来越复杂，使得系统工程中经常会遇到这样 一种问题，那就是在一个大的系统中，各子系统可能会需要不同的供电电压，这 时就需要对既有电压进行转换，电荷泵由于其结构简单、功耗低、价格便宜成为 电压转换器的最佳选择，因此得到广泛的应用。 本文所研究的电荷泵是为了满足电子产品对负电压的需求而设计的开关电 源模块，可广泛的应用于l c d 背光灯驱动、闪存的浮栅控制等各种领域。传统 电荷泵电路普遍存在由体效应引起的阈值损失问题，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，消除了阈值电压的损失，通过仿真验证了电源转换效率的提高。本文的控制 电路，采用线性控制和跳变控制两种方式相结合的新型控制方法，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。 设计采用贝岭3 i a , m2 p 2 m 的p 阱c m o s 工艺在c a d e n c ei c5 0 的仿真工具下 进行系统电路的设计和仿真。电路正常工作状态下，时钟工作频率可高达到 5 0 0 k h z ，转换效率大于7 0 。整个系统结构简单，控制方便，功耗小，成本低， 易于集成，可广泛使用在需要负电压的各种场合。 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，而且降低了功耗，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 ei c5 0 工具下完成了系统的设计和仿真验证。 关键词 电荷泵可调负电压发生器转换效率阈值损失 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t h t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，t e c h n o l o g i e so f s e m i c o n d u c t o r h a v eb e e np r o m o t e d g r e a t l y af a m i l i a rp r o b l e mi ns y s t e me n g i n e e r i n gi st h es u b s y s t e mw h o s ep o w e rr e q u i r e m e n t sa r en o tm e t b yt h em a i ns u p p l y i ns u c hc a s e s ，w es h o u l dc o n v e r t e rt h ea v a i l a b i es u p p l yr a i l s ，s o ，c h a r g ep u m p h a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo f i t ss i m p l es t r u c t u r e 1 0 wp o w e rc o n s u m e ra n dc o s t s 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 pt h a tp r o v i d e dn e g a t i v ev o l t a g ec a l lb ew i d e l yu s e di n l c dd r i v e r ，f l o a t i n gg a t eo ff l a s hm e m o r i e s ，a t e u n f o r t u n a t e l y , d e g r a t i o n si nt h r o h o l dv o l t a g eo f n o r m a lc h a r g ep u m pc i r c u i t s ，w h i c hc a u s e db yb o d ye f f e c tl i m i t st h ec o n v e r t e re f f i c i e n c yo ft h e p o w e r t os o l v et h i sp r o b l e mn e wc h a r g ep u m pc i r c u i t sh a v eb e e np r o m o t e d ，w h i c ha d a p t s a d d i t i o n a lm o s f e tt oc o n t r o lt h eb o d yv o l t a g eo fs w i t c hm o s f e t s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e d t h ei m p r o v e dc o n v e r t e re f f i c i e n c y , a st h ei n n o v a t i o n , c o n t r o lc i r c u i t sc o m b i n e dt w od i f f e r e n t t y p e so fc o n t r o l l i n gm o d e sn a m e dl i n e a ra n ds k i pt os t a b i l i z et h eo u t p u tv o l t a g e i nt h i sw a y , n o t o n l yt h eo u t p u tr i p p l ed e c r e a s e dh u ta l s ot h ee f f i c i e n c yi n c r e a s e d ，w ea l s op r o p o s e ds o rs t a r t c i r c u i ta n do v e rf l o wc u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t st os a f e g u a r dt h ew h o l e s y s t e m w er e a l i z e dt h ed e s i g n a t i o na n ds i m u l a t i o nu n d e rb e i l i n3 m2 p 2 mp - w e l lc r a f t sw i t h t o o l so fc a d e n c ei c5 0 t h ec o n s t r u c t i o no ft h es y s t e mi ss i m p l ea n de a s yt oc o n t r 0 1 i t sl o w p o w e rc o n s u m p t i o na n dp r i c e , n i c eq u a l i t i e sm a k ei tb eu s e da b r o a di na l lk i n d so fe n v i r o n m e n t t h a tn e e di n v e r t e rv o l t a g e t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n dc r e a t i v ep o i n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 i m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo fr e g u l a t e dc h a r g ep u m pi n v e r t e rb ym o d i f i e dt h et r a d i t i o n a l c o n s t r u c t i o n 2 d e s i g n e da ni n i t i a lc i r c u i tt or e g u l a t et h eo u t p u tv o l t a g eo ft h ei n v e r t e rc h a r g ep u m pb y a b s o r b i n gv i r t u e so ft w ok i n d so fc o n t r o l l i n gw a y s t h er e s u l ti sl o wo u t p u tr i p p l e , h i g h e f f i c i e n c ya n df u r t h e r l n o r el o wp o w e rc o n s u m p t i o n 3 c o m p l e t et h ea n a l y s i sa n dd e s i g n a t i o no f b a s i cb l o c k sa n da u x i l i a r yc i r c u i t s 4 a c c o m p l i s h e dd e s i g na n dv e r i f i c a t i o no f t h ew h o l es y s t e mu n d e rc a d e n c ei c5 0 k e yw o r d t c h a r g ep u m pr e g u l a t e dc h a r g ep u m pi n v e r t e rc o n v e r t e re f f i c i e r l c y t h r e s h o l dv o l t a g ed e g r a d a t i o n i i 原创性声明 本人声咀：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期里堕尘蟑 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 期：= ! ：型尸 上海大学硕士学位论文 1 1 开关电源简介 第一章绪论 电源是各种用电设备的核心圈，是电子工业的基础产品，主要包括线性电源 和开关电源。集成开关电源是指在单片上集成开关控制电路、功率开关管及保护 电路等的集成电路。与相控整流器比较，开关电源在体积、重量和效率等方面更 为优越，被广泛地应用于计算机和通信领域【3 l ，尤其是便携式通信设备。 开关电源可分为a c d c 电源、d c d c 电源、通信电源、电台电源、模块电 源、特种电源等几种类型【4 。它的主要特点是其变压器不工作在工频，两工作在 几十千赫兹到几兆赫兹；功率器件调整管不象线性电源工作在线性区，而是工作 在开关状态，即饱和状态或截止状态，开关电源也由此得名。本文将要讨论的电 荷泵属于d c d c 开关电源，在通信系统中被称为二次电源，是由一次电源或直 流电池组提供一个直流输入电压，经d c d c 变换以后在输出端获得一个或几个 直流电压。开关电源体积小重量轻，稳定可靠，其调整管工作在开关状态，因 而发热量小，效率高( 7 5 以上) ，而且省掉了大体积的变压器。开关电源的直 流输出上会叠加较大的纹波( 5 0 m va t5 vo u t p u tt y p i c a l ) ，可以通过在输出端并 联稳压二极管可以改善，另外由于开关管工作时会产生很大的尖峰脉冲干扰，也 需要对电路加以改善。但是。开关电源中用到的高频变压器绕制起来比较麻烦， 而采用电容作为储能元件的电荷泵结构后就克服了这一缺点。 1 2 国内外开关电源的发展情况 1 9 5 5 年美国罗耶( g h r o g e r ) 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变 换器，是实现高频转换控制电路的开端，1 9 5 7 年美国查赛( 5 e ns e n ) 发明了自 激式推挽双变压器，1 9 6 4 年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源 的设想，找到了减小电源体积和重量的一条根本的途径。到了1 9 6 9 年由于大功 率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了 2 5 千赫的开关电源。开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和s c r 相 控电源。7 0 年代以后，与这种技术有关的耐高压的高频功率晶体管、高频电容、 上海大学硕士学位论文 开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压 器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航 天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器的开关稳压电源成为各种电源的佼 佼者。 我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作开始于6 0 年代初期，到 6 0 年代中期进入实用阶段，7 0 年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电 源。1 9 7 4 年研制成功了工作频率为l o k h z 、输出电压为5 v 的无工频降压变压器 开关稳压电源。工作频率为1 0 0 k h z - - 2 0 0 k h z 的高频开关稳压电源于8 0 年代初 期就已开始试制，9 0 年代初期己试制成功，目前正在走向实用阶段。许多年来， 虽然我国在无工频降压开关稳压电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成 果，但是，由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和 生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所 以我国的开关稳压电源事业要发展，要赶超世晃先进水平，最根本的是要提高我 国的半导体技术和工艺。 随着新型功率器件的出现，脉宽调制( p w m ) 电路、各种零电压：零电流 变换的拓扑电路的广泛应用，电源产品向更加小型化、集成化、智能化、高效率、 高可靠性方向发展。小型、轻量和高效率的特点使得开关电源被广泛应用于以电 子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子 信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前，市场上出售的开关电源中采 用双极性晶体管制成的l o o k h z 、用m o s f e t 制成的5 0 0 k h z 电源，虽已实用化， 但其频率有待进一步提高。提高开关频率，可以减少开关损耗，这需要有高速开 关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储 电荷的影响雨产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低 电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启闭时所发生的电压浪涌，可采用r - c 或l - c 缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制 成的磁缓冲器。对1 m h z 以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通 过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这 种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种 方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也 2 上海大学硕士学位论文 小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力 于数兆赫兹的变换器的实用化研究。 1 3 课题的意义 随着工艺水平的不断提高，器件特征尺寸不断减小，低功耗的要求越来越高， 对于c m o s 甚大规模集成电路( v e r yl a r g es o a l ei n t e g r a t e d ，v l s i ) 的设计来说， 电源电压低于2 v 已成为必然。尤其对于移动通讯系统来说，为了降低成本、节 省能源、延长电池寿命，低功耗是至关重要的，因此低电源电压的设计成为主要 的趋势。然而在模拟开关控制的应用中，低于2 v 的电压将导致电路不能正常工 作，从而系统工程经常会遇到这样一种问题，那就是在一个大的系统中，各子系 统可能会需要不同的供电电压【l 】。大多数便携设备都包含电压调节器或其它类型 的电源电路，许多非便携式设备中使用的小尺度光刻技术i c 要求较低的供电电 压，也必须由特定的电源电路来提供，这时就可以采用电压转换器产生所期望的 电压值。电荷泵采用电容器件作为储能元件，摒弃了昂贵的电感器件和其它半导 体器件( 如二极管之类) ，集功耗小、成本低及电路简单等优点于一体，使其成 为电源产品的最佳选择。随着电子技术的不断发展，负电压在l c d 背光灯的驱 动、闪存的浮栅控制以及在诸如硬盘驱动器，数码相机、m o d e m 、手机、p d a 、 e b o o k 、平板显示器、智能读卡机、u s b s v 稳压电源、g s m 手机的s i m 接口 电源等电子产品中都有广泛的应用。因此这一课题的提出和研究具有深远的意义 和重要的使用价值。 1 4 本文的主要工作 本文以d c d c 负电压发生器的课题作为学习和研究的对象，对开关电源进 行了系统的介绍，详细分析了电荷泵的工作原理，针对负压电荷泵的工作特点， 对开关电路进行了一定的改进，减4 , t 传统电荷泵电路存在的阈值损失问题，提 高了电路的转换效率。在控制方面，结合些成熟的控制方案并在实际设计中进 行了一定的创新和改进，设计了新型的控制电路( 线性控制与跳变控制相结合的 控制模式) ，避免了采用传统p w m 电路进行控制造成的复杂度，改善了系统的 性能。具体的章节安排如下： 性能。具体的章节安排如下： 上海大学硕士学位论文 第一章 第二章 第三章 开关电源的简介以及国内外电源发展的状况。 电荷泵电路基本原理的分析及为消除每级阈值损失对电路进行的改 进。在原理的基础上经过分析比较，采用贝岭3 j a n 2 p 2 m 的p 阱c m o s 工艺来实现设计。 描述了系统控制电路的设计思路，针对开关电源的工作原理结合实际 仿真结果提出一种新型的控制方法，使得输出电压在负载和输入电压 变化时都保持相对的稳定性，并且一定程度上减小了开关电源的输出 纹波，提高了转换效率。 第四章针对m o s 管的开关特性对驱动电路进行了一定的改进：介绍分析了电 路中需要使用的基准电压源、压控振荡器和误差放大器电路，详细分 析了如何根据系统设计的需要来选择不同结构的电路结构以及设计需 要考虑的各各方面参数的设定。 第五章介绍了几种软启动电路结构和过流保护电路，就其特点分别进行分析 和仿真，找到适合本设计的保护电路。 4 上海大学硕士学位论文 第二章电荷泵开关电路的设计 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：内置或外置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，包括高压侧和低压侧 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 布板时必须格外小心以避免电磁干扰( 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 电容式开关电源一电荷泵 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 泵内部机构的关系，当输出电压与输入电压成一定倍数关系时，比如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l d o 和电感式开关电源之间，具有较高的效率和相 上海大学硕士学位论文 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【5 】： ( 1 ) 按照激励方式可分为：他激式( 电路中有振荡器) 和自激式( 开关管兼做 振荡器中的振荡管) ，分别如图2 1 、2 2 所示。 图2 1 1 他激式电路原理圈 图2 1 2 自激式电路原理图 ( 2 ) 按调制方式分为三种，称为“时间比率控制”( t i m er a t i oc 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 ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n , p f m ) ：混合调制式一它是以上二 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 电容式开关电源 电容式开关电源即电荷泵电路，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( s c d d c s ) 结 6 上海大学硕士学位论文 构【6 1 ，开关电路由电容和半导体开关器件构成，开关频率可达1 m h z ，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 7 】 12 】【1 3 】，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【10 】f l ”。后来j w i t t e r s ，t o m 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了。图2 2 1 为简单的倍压 型( m u l t i p l i e rc h a r g ep u m p ) d i e k s o n 电荷泵的基本原理图。 v i v v 丕 且 1 亳 扯土。 1 m 11l m 22l1 0 1 3 上 li 上 c 1 。 。 c 2 。c h ，l 。 图2 2 1n 阶d i c k s o n 电荷泵原理图 当v 。为低电平时，m 1 管导通，输入电压v j l l 对与电容c l 进行充电，直到 结点1 的电压为v 。- v m ( v 。为n m o s 管的阅值电压) ；当v 。为高电频时，由 于电容两端电势差不能跳变，结点1 的电压变为v 。+ v i 。一v 。，此时m 2 导通，对 电容c 2 进行充电，直至结点2 的电压变为v 。+ v i n - 2 v m ：中再度变为低电频，结 点2 上电压为2 v 。+ v i n - 2 v t a ；如此循环，直到完成n 级电容的充放电，由此可以 7 上海大学硕士学位论文 得到对于n 阶倍压电荷泵的电压增益 v 。m = v ，n + n ( v 。v m ) - v 诅 ( i ) 但在实际电路中由于v 。受到开关管寄生电容c 。的影响，其真实值应为 v。l=(c(c+cs)xv。(2) 将( 2 ) 式代入( 1 ) 式可得 v 。t _ v i 。+ n ( ( c ( c + c s ) ) xv o v m ) - v m ( 3 ) 当考虑负载后，由于负载会从电路中抽取电流i 。，当时钟m 的频率为毛。时，负 载上具有n i o j ( ( c + c 。) 锚大小的压降，代入( 3 ) 式得到输出电压 v 。u l - v i 。+ n ( ( c r c + c 。) ) v - i o u l ( ( c + c s ) f o 。o - v , n ) ) - v m ( 4 ) 对于d i c k s o n 型电荷泵，单级电压增益 g 。= v n v n 1 = ( c ( c + c s ) ) x v i 。i ( ( c + c s ) s c ) - v 恤( 5 ) 由公式( 5 ) 可以很直观地看出d i c k s o n 型电荷泵的增益与n 无关，故而理论 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，栅极电荷必先镜像耗尽层电荷 q d 。因此，随着衬底电压的下降，源衬电压v s s 的上升，q d 增加，v t l l 也增加， 函数关系如下： v 恤= v t o + y 2 牵，+ v b 。f _ u 2 牵f i ) ( 6 ) 其中v 。是m o s 管的阈值电压；v t o 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 中f 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( 6 ) 可知体效应会使v 。变大。d i c k s o n 倍压电荷 泵的单级增益必须大于零才能使电压随级数增长而增加，需要满足： ( c ( c + c s ) v o - v 一i o j ( ( c + c s ) k c ) o( 7 ) 但是体效应v m 增加到一定值时，不等式( 7 ) 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阈值电压损失的问题，导致 其输出不可能与电路的阶数成线性，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，衬底作为有源端使用可以提高整个线路的效 上海大学硕士学位论文 率 8 】，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。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。为了消除体效应引起 的阈值电压损失，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 9 】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【1 4 】，浮阱 ( f l o a t i n g - w e n ) 电荷泵电路【”1 等方法。下面我们对这几种电路做简要介绍。 曲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 4 所示。图中 的r l 对时钟信号c l k a ，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 。每隔l ，n 周期的时间充电一次，从而 相对于d i e 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。 c l k b n 七j 图2 2 2k i u c b l 电荷泵原理图 b ) t s u j i m o t o 电荷泵电路 t s u j i m o t o 电荷泵由两个d i c k s o n 电荷泵组成，由图2 2 3 我们可以看到，在 第二个d i e 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m o s 管的栅极电压让其处于导 通或是关断状态，从而克服了在二极管连接方式中m o s 管阈值电压v t 损失的 问题。 9 上海大学硕士学位论文 i c 矿c 可- c 可c 下i 一 i = 爵再事茸蒋 ： c 尝。皋c 芈华： 图2 2 3t s u j i m o t o 电荷泵原理图 然而在图2 2 3 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。 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 2 4 所示 图2 2 4 四相位电荷泵电路原理图 上海大学硕士学位论文 采用如图2 2 5 所示时钟控制信号对开关管进行控制。 f ， f 乏 f j f4 图2 2 5 四相位电荷泵的时钟信号 结合图2 2 5 对四相位电荷泵的工作原理进行分析可知，当f 3 为高电位时 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 1 耦合， 通过m c 2 管对电容c g 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 g 2 上保持 的电压供给m 2 管，随着m 2 管源极电位的下降，m 2 管开始导通；3 1 8 后f 2 由低电位变为高电位，此时由于电容c g 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 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 g 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 g 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 1 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 电压与漏极电位相等；7 t 8 后，时钟信号f 4 由低电位变为高电位，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 u t 传输。 由分析我们可以看出电路由于采用了四路时钟信号的控制，消除了每一阶阈 值电压损失，但是却极大地增加了复杂度，尤其在产生图2 2 5 所示的时钟信号 时。 上海大学硕士学位论文 d ) 采用电荷转移开关( c h a r g et r a n s f e rs w i t c h e s ) l 拘电荷泵电路 采用电荷转移开关作为电荷泵的开关元件可以减小闽值电压损失，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 2 6 所示。 串1 串2 y 脚 i 啪1 删 j 乜s 己m 叫 3 一j 卜j 卜 u t 峙1 m 引掣嗍 1 【一 i 一 图2 2 6 四阶静态c t s 结构电荷泵原理图 m d l - m d 4 为二极管连接的m o s 管，由原理图2 2 6 可知，结点1 - 4 通过 m d l 一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 消除了闽值损失却有可能导致电荷反向馈入。 e ) 浮阱( f l o a t i n g - w e l l ) 电荷泵电路 浮阱( f l o a t i n g - w 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 2 7 所示。 图2 2 7 浮阱( f l o a t i n g - w e l l ) 电荷泵电路原理图 图中所示的浮阱( f l o a t m g - w e l l ) 铡mp m o s 作为开关管，并将p m o s 1 2 上海大学硕士学位论文 管做在n 阱里，通过调节阱的电压消除开关管的闽值损失。但是阱区电压的不 固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，由于存在开关管的闽值电压损失，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 o 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，还没有完全消除闽值电压损失的影响：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( f l o a t i n g w e l l ) 电荷泵 电路虽然也消除了阙值损失的问题，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压，避免了衬底固定时，由于源衬电势差变化而引起的闽值 损失。 2 2 2 负压c m o s 电荷泵设计 本文所描述的负压电荷泵实现将+ 5 v 的直流输入电压转换成稳定的3 v 直流 电压的输出的功能。系统输入电压的变化允许范围为2 v 5 5 v ，最大输出电流 为1 2 5 m a ，输出电压的纹波小于3 0 m v d i v ，输出范围为3 1 2 v 2 9 2 v ，电源 转换效率达到7 0 p a 上，其系统框图如图2 2 8 所示，在基本电路的基础上增加 了软启动电路和过流保护电路。 图2 , 2 8 负压电荷泵的系统框图 上海大学硕士学位论文 在系统要求中，电源的转换效率是最重要的一个参数。根据对开关电路工作 原理的分析，为了提高转换效率，采用增加辅助m o s 管的方法对开关电路进行 改进。 ( i ) 电荷泵开关电路的改进 基于对电荷泵工作原理的分析和研究，根据公式( 6 ) 为消除体效应所带来 的阙值电压损失的问题，提高电源的转换效率，采用辅助m o s 管的开关管结构， 使功率开关管的衬底电压跟随源极电压，保持源衬电压的恒定。在时钟控制信号 上，采用与基本d i c k s o n 电荷泵一致的两路反向非交叠时钟控制信号，避免了如 四相位电荷泵采用的如图2 2 5 所示的复杂的时钟控制信号，简化了电路的复杂 度。电路结构如图2 2 9 所示。 图2 , 2 9 附加m o s 管消除开关管体效应的原理图 从图中可以看出，改进的电路由三个m o s 管构成一个功能块实现开关功能。 开关管源端的辅助m o s 管与其按照共源共栅的接法相互连接；漏端的辅助m o s 管与开关管按照共漏的方法连接；这三个管子的衬底全部相连。每一个这种功能 块( b l o c k ) 由相同类型的m o s 管构成，以防止闩锁效应。如图2 2 9 所示升压泵的 1 4 上海大学硕士学位论文 开关功能块由p m o s 构成。当开关管导通时，其源极辅助m o s 管始终是导通的， 保持开关管衬底与源极之间的电势差保持不变，从而消除衬偏效应；当开关管关 断时，其漏端的辅助m o s 管导通，使得开关管的源极和衬底相连，防止衬底悬 空。这样，随着时钟控制信号的变化，衬底电压始终取跟随开关管源极和漏极中 较高的电压值，如图2 2 1 0 所示。 图2 2 1 0 电荷转换时衬底电压变化示意图 由图2 2 1 0 可知，开关管在工作时源衬电压v b s 最小( p m o s 在时钟信号低 电平时导通) ，从而保持阈值电压不变，消除了体效应。 ( 2 ) 负压电荷泵的工作原理 负压电荷泵的工作原理与升压电荷泵是一致的，利用电容两端电压不能跳变 的特性，当电路保持充放电状态时，电容两端电压差保持恒定的特点。对于负压 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 可以说是最早使用这一经典电路原型的集成电路产品。电路采 用功率管作为开关器件，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，消除源衬电压变化带来的阈值损失问题。两路反向的非交叠时钟信 号直接对栅极进行控制，通过控制开关管的导通、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为运算放大 器提供负极轨及作为液晶显示器的驱动。产生负电压的原理如图2 2 i 1 所示。 上海大学硕士学位论文 一 _ 1 川。1 卜 身= ：主：i ! ! 主：叫 = c 肛 一 h 几几厂一 斗j l 图2 2 1 1 负压电荷泵原理图 比较n 阱工艺和p 阱工艺，由于在电路实现上前者需要对栅极电压进行提 升，将增加电路的复杂性，所以采用后者。p 阱工艺的结构如图2 2 1 2 所示，其 衬底n 。需要接固定高电位，一般为电源电压，这里接v i n ，p 阱接低电位点。结 合负压电荷泵原理图2 2 1 1 ，开关s 1 源端电压为输入电压，漏端电压理想状态 下在0 v 和v n 之间变化，n m o s 的衬底为p 阱，需要按低电位，故只能采用p m o s 管。s 2 的源端接地，其漏端电压理想状态下在0 v 和v 。之间变化，由于输出电 压为负，只能采用n m o s 管来实现。同样的分析，s 3 、s 4 也应选择n m o s 器 件。 图2 2 1 2p 阱工艺的m o s 管剖面图 由原理图2 2 1 1 分析可知，当时钟信号为高电平时功率开关管s 1 、s 2 同时 导通，s 3 、s 4 同时关断，v n 对飞电容c f l y 进行充电，v 。印+ - 、7 m v 0 ( v 0 为p m o s 管的阈值电压) ，v 龃p _ ：v m ( v m 为n m o s 管的阖值电压) ：c f l y 两端的电势差为 v = v i n v t p v 廿i 。当时钟信号为低电平时s 1 、s 2 关断，s 3 、s 4 同时导通，c f l y 上存储的电荷通过s 3 、s 4 传送到c o l r r 上，每个周期c f l y 将部分电荷转移给c 叭r r ， 直到两电容两端的电势相等。不论c f l y 和c o v r 的值为多少，如果没有内部损耗 1 6 上海大学硕士学位论文 电荷泵总会试图让它们两端的电压相等，c o u t 高电位端接地使得v = - v o u t ，所 以电路最终达到平衡时，加上m o s 管的损耗，输出端v 。1 兀= 一( v i n v t p - v 血) 。转 换过程如图2 2 1 3 所示。 第一步第二步 图2 , 2 1 3 电荷传输转换过程图 图2 2 1 3 中的输入电容c i 的作用是减小输入电源的内阻，以抑制瞬间大电 流，这在电路设计中也是必须的。当考虑负载后，由于负载会从电路中抽取电流 i 。u 。，负载上具有i o u ( ( c + c 。屺华) f o 。) ( c 。和c 。p 分别指n m o s 和p m o s 的寄生 电容) 大小的压降，则最终的输出电压为： v o u t ( v r sv t p v m - i o u i ( ( c f l y b c o u t + c s a + c s p ) 如c ) ) ) ( 8 ) 由( 5 ) 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 的频率是不可无限提高的，需要由器件的导通速度来决定，具体将在驱动电路里 进行讨论。 f ￥弧v 广球 图2 2 1 4 产生负压电荷泵的等价模型 t 7 上海大学硕士学位论文 我们可以将此模型进一步简化为图2 2 1 5 所示模型。 图2 2 1 5 带负载的电荷泵简化模型 简化模型中的输出电阻为： r o u t = 2 w + 1 ( f x (