CN101662208A - 一种实现正负高压的电荷泵电路 - Google Patents
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Abstract
本发明一种实现正负高压的电荷泵电路，是一种交叉耦合单边级联的电荷泵电路，该电荷泵电路可配置产生正高压(VHP)，也可以配置产生负高压(VHN)，它属于电荷泵电路设计领域。本发明能够在很大程度上降低设计成本，提高电路效率和驱动能力。本发明由多级交叉耦合电荷泵串行单边级联，可输出正电压和负电压，场效应金属氧化物晶体管(mos)仅需要承受2倍的电源电压。
Description
技术领域：
一种低成本，高效率，正负电压分时产生的电荷泵电路，它属于电荷泵电路设计领域，适用与各种需要提升电源电压的场合。
背景技术：
传统做法是使用两个单独的电荷泵电路：一个正高压电荷泵用于产生正高压(VHP)，而另一个负高压电荷泵用于产生负高压(VHN)，但是这样无疑会占据很大的芯片面积；耦合电容占芯片面积最大，也有提出正负电荷泵共享一套耦合电容，电荷泵的mos开关还用两套，实际还是两个电荷泵，只是共享一套电容；这种机制无疑要把一套电容分时切换给正电荷泵和负电荷泵，这样增大了电路设计的复杂度，并且单级电荷泵每引入一个mos管开关，该级电荷泵充电或者放电的RC时间常数至少加大一倍，这导致确定的电荷泵电路的最高工作频率下降一半；或者也有把切换电容的开关管做的远大于充放电的mos管，mos管尺寸的增大也引入了大的寄生电容，也限制了电荷泵最高工作时钟频率，并且增大了电荷泵的内耗，降低了电荷泵效率，限制了最大驱动能力。
由于芯片面积限制，芯片内集成的电荷泵因片内集成的电容小，从驱动能力考虑，片内集成电荷泵大多采用dickson结构(参考文献Janusz A.Starzyk，Senior Member，IEEE，Ying-Wei Jan，andFengjing Qiu，“A DC-DC Charge Pump Design Based on VoltageDoublers，”IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-I：FUNDAMENTALTHEORY AND APPLICATIONS，VOL.48，NO.3，MARCH 2001)。如果要得到大于2倍电源的电压，那电荷泵的开关管必须用高压开关，相同宽长比高压管面积大很多，大的面积寄生电容更大；并且电荷泵的电容也必须耐高压，也就不能采用单位面积电容较高的低压mos管做电容，相同驱动能力下，无疑这种传统的做法，占用芯片面积大，转换效率低。
本文提到的交叉耦合电荷泵大多用于2倍电源电压。如果要用交叉耦合电荷泵结构得到更高电压，就需要多级交叉耦合电荷泵串型级联。传统的交叉耦合电荷泵多级级联，如图2，第2级和第3级级联有漏电，时钟的前半周期和后半周期，对应的第二级始终有个开关管不能有效打开和关闭，导致后一级产生的高压漏回到前一级的现象，如图2所示状态，比如clk＝vdd，clkb＝0时，3倍的vdd电压打开n4nmos，此时前级的2倍电压给C2_1充电，但由于n3nmos的关闭电压仅为2倍vdd，不能使n3nmos关闭，导致C2_2电容上3倍vdd电压漏回到c1_2电容上。
传统的交叉耦合电荷泵有2个输入，2个输出，2个大小相等的电容，2个尺寸相同的mos开关管(参考文献Pierre Favrat，IEEE，PhilippeDeval，and Michel J.Declercq，“A High-Efficiency CMOS Voltage Doubler”，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL.33，NO.3，MARCH 1998)，传统的交叉耦合电荷泵的2个输入端在一个时钟周期里分别对2个电容充电。
本发明公开一种正负高电压的电荷泵电路，由非对称交叉耦合电荷泵串行单边级联，只用一个charge pump电路产生正高压和负高压。
发明内容
本发明是一个正负电压的电荷泵电路，每一级非对称交叉耦合电荷泵串行单边级联，主要特点有1)可设置输出正电压和负电压，2)电荷泵mos开关管仅承受2倍电源电压。
附图说明
图1传统的交叉耦合电荷泵电路图
图2传统的交叉耦合电荷泵级联的示意图
图3pmos管剖面示意图
图4nmos管剖面示意图
图5交叉耦合电荷泵单边级联示意图
图6非对称交叉耦合级
图7交叉耦合采样保持电路
图8正负电压转换电路
图9DNW偏置电路
具体实施方式
本发明采用多级交非对称交叉耦合电荷泵级联，产生几倍于电源电压的正高压和负高压。首先如图3是pmos 400开关管的剖面图。401区域是芯片的P衬底，接GND；402区域是DNW(deep Nwell)；403区域是pmos的N阱，N阱和DNW连接一起，1)接为该pmos产生的N阱电压，该N阱电压使pmos 400工作在任何状态下，该pmos四端电压差不超过2倍的电源电压。2)N阱和DNW连接一起，因为每一级电荷泵的pmos工作的电压区域不同，就要求每一级pmos的阱(区域403)电压都不同，所以每一级电荷泵都得有自己的DNW(区域402)。3)pmos400寄生的双极型PNP 441，在整个工作周期里，只要有一小段时间403区域的N阱小于P+有源区，则PNP 441工作，造成漏电流，流到P衬底401，所以在整个工作过程中，区域402，403要求偏置本级最高的电压。4)当电荷泵产生负压时，pmos四端电压都为负电压，即P阱(区域403)和DNW(区域402)是负电压，但是P衬底(区域401)是GND，P衬底和DNW、N阱形成的PN结正偏导通。所以不能在这种工艺下用pmos交叉耦合电荷泵产生负电压，但是负电压的输入级最高电压是地GND，pmos可以做负电压输入级，也兼作正电压的输出级(即图5的电荷泵输出级的pmos非对称交叉耦合电荷泵)。
本发明采用非对称交叉耦合电荷泵级联。图4是nmos 300开关管的剖面图，301区域是芯片的P衬底，接GND；302区域是DNW(deepNwell)，接DNW偏置电路产生的电压，防止P衬底301区域和DNW 302区域，形成的PN结正向导通，PN结如图4中的321、322、323；303区域是nmos的P阱，P阱接一个偏置电压，防止P阱303区域和DNW 302区域形成的PN结正向导通，该PN结如图4中311、312；图4中，341是nmos 300寄生的PNP双极型晶体管，如果DNW区域302电压低于P阱区域3030.7v以上，则PNP 341工作，造成漏电，漏电到P衬底301。所以nmos交叉耦合电荷泵的DNW必须偏置成全芯片最高电压。nmos非对称交叉耦合电荷泵可以实现正负电压传输。
本发明采用非对称交叉耦合电荷泵单边级联，最高电压的输入(负电压)和输出(正电压)采用pmos，如图5是可实现的单边级联的交叉耦合电荷泵的总体电路图。所谓单边级联是指，电荷泵的交叉耦合电荷泵，一对电容不对称，一边电容大，负责搬运电荷给它的负载，即给下一级或者给输出电压的滤波储能电容，如图5中的CC_i，“i”为该电容所在的级数，只有这个电容向下一级搬移电荷；另外一边的电容小，只负责打开或关闭和它相连的交叉耦合的nmos管，如图5中的Cs_i，设A是单边级联交叉耦合电荷泵输入级的输入，电荷泵工作在正电压时，二选一选择器1选择VDD到电荷泵输入级的输入A，Clk1_i、Clk2_i、Clk1b`_i，Clk2b`_i是电荷泵的时钟输入，信号幅度是VDD。如图5电荷泵的第i级交叉耦合电荷泵，主要由电容CC_i，Cs_i，nmos开关管Sn1_i，Sn2_i组成，电容Cs_i是个小电容，只需要保持的电压足够推动相连的nmos Sn2_i的栅极，Cs_i的电容值取10倍～30倍的Sn2_i的栅氧电容，nmos Sn1_i驱动电容Cs_i，nmos Sn1_i的导通电阻和Cs_i+1的RC时间常数小于充放电时间的1/3；电容CC_i-1是搬移电荷的大电容，依电荷泵的驱动能力和工作频率决定，Sn2_i驱动电荷搬移的大电容CC_i，nmos开关Sn2_i的导通电阻和电容CC_i的RC时间常数小于电荷泵工作周期的1/6；如图5，电荷泵第2级，电容Cs_2，一端接时钟Clk1b`，另一端接w2，同时w2接Sn1_2的源极和Sn2_2的栅极；电容CC_2，一端接时钟Clk2b`，另一端接电荷泵第一级输出Vout2，Vout2同时连接nmos Sn1_2的栅极，nmos Sn1_2和Sn2_2的漏端接一起输出Vout2，Vout2输出给下级电荷泵的输入端。
单级非对称交叉耦合电荷泵的工作原理是，非对称交叉耦合电荷泵只有一个输入端Vouti-1，一个输出Vouti，其基本原理是，一个时钟周期的半个周期里，先给小电容充电，再给大电容充电，具体过程是，一个时钟周期的其中半个周期的很小部分时间mos开关管Sn1_i导通，输入Vouti-1给小电容Cs_i充电，然后mos开关管Sn1_i关闭，然后mos开关管Sn2_i打开，输入电压Vouti-1通过Sn2_i给大电容CC_i充电，输入向输出Vouti充电完毕后，时钟周期的另半个周期，mos管Sn1_i导通，mos开关管Sn2_i关断。
非对称交叉耦合电荷泵级联，nmos管打开，是由和该nmos栅极相连的电容被时钟顶起，该nmos的栅极电压比它的源漏电压高出一倍的电源电压，这样nmos传输高电平就不存在有电压损失的情况，但是最后一级输出，不能产生该nmos的栅极电压比它的源漏电压高出一倍的电源电压，所以最后一级输出不能像前几级那样使用。如图5，电荷泵输出级是电荷泵正电压输出级，采用一对pmos开关管；也可以用自举电荷泵打开nmos开关管，或者多做一级nmos交叉耦合电荷泵，产生一个比输出电压高一倍的电压打开输出级的nmos开关。图5的电荷泵产生负压的时候，二选一选择器2，选GND到Bias，即电荷泵输出级的输出Bias连接GND，第n级交叉耦合电荷泵作负电压的输入级，该级pmos用-1倍的电源电源打开，也不存在输出电压有一个电压损失的问题，而输入级nmos交叉耦合电荷泵作最负电压的输出级，nmos传低电平也没有输出电压损失。
如图5电荷泵的输出级pmos非对称交叉耦合电荷泵，一般pmos的阱电位偏置该pmos相连的最高电位，防止漏电和latch up。如图5中电荷泵输出级的pmos Sp1_n+1的输入端Voutn，假设Voutn从1倍vdd到2倍vdd变化，那pmos Sn1_n+1的输出端Voutn输出2倍vdd，但是随着电容之间的电荷共享，这些电压不是理想的vdd的整数倍电压，如果pmos Sp1_n的n阱电位电压比源区p+电压低，则不仅p+源区和n阱的pn结正向导通，如图3中二极管421、422、423，设流流过二极管421的电流为Ib，而且如图3中的双极型pnp 441也工作，将会有电流βIb流到P衬底，电流泄漏严重，所以要求pmos的n阱偏置电压在电荷泵的任何工作时间都是最高电压。
阱偏置电路采样保持一个电压，使交叉耦合电荷泵的mos开关管四端(源极、栅极、漏极、衬底)电压差不超过2倍的供电电压，且该mos管承受的电压差和电荷泵输出的高压没有关系；pmos的n阱偏置电路也是一个交叉耦合电荷泵，该交叉耦合电荷泵做偏置电路，如图7交阱偏置产生电路的结构和权利2中单级交叉耦合电荷泵的结构类似，但交叉耦合采样结构只有一个电容设为Csp，另一个大电容和该级交叉耦合电荷泵共用CC_n，2个mos开关管其中一个mos开关管设为Ssp2，另一个mos开关管设为Ssp1，大电容CC_n一端Voutn连接mos管Ssp2的源极，Voutn连接mos管Ssp1的栅极极，Csp的一端连接Ssp1的源极，同时连接Ssp2的栅极，mos管Ssp2和Ssp1的漏极接一起做输出nsub，输出连接一个小电容，小电容的另一端接地，这个小电容保存采样到的电压，该采样到的电压偏置该级所有pmos管的n阱，该交叉耦合采样电路也同样适用nmos管的p阱偏置。
nmos开关管的p阱偏置电路，如图6中的1，p阱偏置电路，也是一个采样保持电路，该采样保持电路偏置nmos管的p阱，p阱偏置产生电路有一个nmos开关管Ssi，nmos管Ssi的栅极连接该级电荷泵mos管Sn2_i的栅极，nmos管Ssi的源极连接mos管Sn2_i的源极Vouti，nmos管Ssi的漏极连接保持电容，保持电容的另一端接地，该p阱偏置的采样保持电路也可以用pmos管的交叉耦合采样电路替代。
如图6中3放电电路，每级交叉耦合电荷泵的输出端Vouti连接一对可承受VHP电压的高压管，高压管mos1的源极连电源VDD，漏极连接Vouti，栅极连接控制脉冲信号，高压管mos2的源极连接GND，漏极连接Vouti，栅极连接另一个控制脉冲信号。
正负电压转换，包括两个方面，1)输出级电压，正电压到负电压；2)电荷泵内部所有电容从正电压放到地，或者从负电压充到电源电压，快速建立其电荷泵工作的初始条件；如图8所示2选一选择器1的输出3连接电荷泵输入级的输入A，选择器1输入端1连接供电电源VDD，选择器1输入端2连接VHN的储能电容CL1，2选一选择器2连接电荷泵输出级的输出Bias，选择器2的输入端1连接供电电源的地，选择器2的输入端2连接正高压VHP的储能电容CL2。
如图6中的2电路，是辅助启动电路，nmos连接成二极管形式，在电荷泵输出电压建立初期，辅助传递电荷。图7中的3放电电路，在初始上电和电荷泵电压切换时，给电荷泵建立初始启动条件，放电电路是主启动电路。启动电路和其并联的开关Sn1_i，Sn2_i，Sn1_i和Sn2_i驱动的电容大小不同，Sn1_i，Sn2_i的宽长比也不相同，与Sn1_i和Sn2_i并联的辅助启动电路宽长比也不要求相同，2个mos开关管，连接成二极管形式，并联于非对称交叉耦合电荷泵的2个mos开关管，即其中一个mos开关管源极连接该级交叉耦合电荷泵mos管Sn2_i的源极Vouti，该mos开关管的栅极和漏极连接交叉耦合电荷泵的mos管Sn2_i漏极Vouti-1，另一个mos开关管源极Vouti连接交叉耦合电荷泵的mos管Sn1_i源极Vouti，该mos开关管的栅极和漏极连接mos管Sn_i的漏极Vouti-1。
如图9中，电荷泵电路700，每级电荷泵的输出Vouti，分别连接每级的二极管Di，字母i代表电荷泵级数，Di的另一端连一起，连接到bias，该bias偏置电压给DNW(Deep N Well)偏置用，Bias偏置电压防止DNW(图5区域302)和P阱(图5区域303)形成的二极管正偏。DNW偏置电路，1)电荷泵随当前工作在正电压或负电压，自动转换偏置电压；2)电荷泵在输出电压建立初期，及电荷泵正常工作时，都可靠反偏DNW(图5区域302)和P阱(图5区域303)形成的二极管。电荷泵工作在正电压的时候，DNW偏置最高电压；电荷泵工作在负电压的时候，DNW偏置GND。
Claims (16)
1、一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：由非对称交叉耦合电荷泵串行单边级联，由一个电荷泵产生正高压VHP和负高压VHN。
2、如权利要求1所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述非对称交叉耦合电荷泵由1个输入Vouti-1，1个输出Vouti，2个电容和2个mos开关管组成，2个电容其中一个电容设为CC_i，所有i代表级数，另一个电容设为CS_i，电容CC_i比Cs_i大1～2个数量级，2个mos开关管其中一个mos开关管，设为Sn2_i，另一个mos开关管，设为Sn1_i，输出Vouti连接电容CC_i的一端，Vouti连接mos开关管Sn2_i的源极，Vouti还连接mos开关管Sn1_i的栅极；
电容CS_i的一端连接mos开关管Sn1_i的源极，同时连接mos开关管Sn2_i的栅极，两个mos开关管的漏极连接一起作本级输入Vouti-1，2个电容的另一个自由端分别连接一对互补的非交叠时钟，非交叠时钟的摆幅是从电源电压VDD到地GND，输入Vouti-1连接前一级交叉耦合电荷泵级的输出，输出Vouti连接后一级交叉耦合电荷泵的输入。
3、如权利要求2所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述非对称交叉耦合电荷泵，只有一个输入端Vouti-1，只有一个输出端Vouti，一个时钟周期的其中半个周期的很小部分时间mos开关管Sn1_i导通，输入Vouti-1电压通过Sn1_i向电容Cs_i充电，接着mos开关管Sn1_i关闭，然后mos开关管Sn2_i打开，输入电压Vouti-1通过Sn2_i给电容CC_i充电，然后时钟周期的另半个周期，mos管Sn1_i导通，mos开关管Sn2_i关断。
4、如权利要求1所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：电荷泵由电源输入VDD，电源地输入GND，时钟输入，时钟的电压幅度同电源VDD，输出正高压VHP的储能电容CL2，输出负高压VHN的储能电容CL1，2选1选择器1和选择器2，非对称交叉耦合电荷泵单边级联组成。
5、如权利要求4所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：包括2选1选择器1和选择器2，2选1选择器1的输入端1连接供电电源VDD，选择器1的输入端2连接VHN的储能电容CL1，选择器1输出端3连接单边级联交叉耦合电荷泵的输入级的输入端A；
2选1选择器2的输入端1连接供电电源的地，选择器2的输入端2连接正高压VHP的储能电容CL2，选择器2的输出端3连接bias，bias是单边级联交叉耦合电荷泵的输出级的输出端。
6、如权利要求4所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述非对称交叉耦合电荷泵单边级联，其电荷泵输入级，和中间级都采用nmos非对称交叉耦合级，中间级串行级联任意多级数，输出级用pmos非对称交叉耦合级，电荷泵的输出级和相邻的中间级共用同一个大电容CC_n。
7、如权利要求6所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述nmos非对称交叉耦合级，由以下子电路组成：
nmos非对称交叉耦合电荷泵；
nmos开关管p阱偏置电压产生电路；
放电电路；
启动电路；
Deep Nwell(深层n阱，简称DNW)偏置电路。
8、如权利要求7所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述nmos非对称交叉耦合电荷泵的两个mos开关管Sn2_i和Sn1_i是nmos管，2个电容(CC_i和CS_i)和2个mos开关(Sn2_i和Sn1_i)的连接如权利要求2所述。
9、如权利要求7所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述nmos开关管p阱偏置电压产生电路，包括一个nmos开关管称为Ssi，nmos管Ssi的栅极连接该级电荷泵nmos管Sn2_i的栅极，nmos管Ssi的源极连接mos管Sn2_i的源极Vouti，nmos管Ssi的漏极连接一个保持电容Cpsub，电容Cpsub的另一端接地。
10、如权利要求7所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述放电电路每级交叉耦合电荷泵的输出端Vouti的一端连接一对高压管，高压管mos1的源极连电源VDD，漏极连接Vouti，栅极连接控制脉冲信号，高压管mos2的源极连接GND，漏极连接Vouti，栅极连接另一个控制脉冲信号。
11、如权利要求7所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述启动电路2个mos开关管连接成二极管形式，并联于非对称交叉耦合电荷泵的两个开关管(Sn1_i和Sn2_i)，即其中一个mos开关管源极连接该级交叉耦合电荷泵的mos管Sn2_i的源极Vouti，该mos开关管的栅极和漏极连接mos管Sn2_i的漏极Vouti-1，另一个mos开关管源极连接交叉耦合电荷泵的另一个mos管Sn1_i的源极Vouti，该mos开关管的栅极和漏极连接mos管Sn1_i的漏极Vouti-1。
12、如权利要求7所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述Deep Nwell(深层n阱，简称DNW)偏置电路，每级电荷泵的输出Vouti，分别连接该级二极管的正极，所有二极管负极连接一起，并且连接到单边级联交叉耦合电荷泵的输出级的输出Bias，Bias连接DNW(Deep Nwell)，Bias做nmos开关管的DNW的偏置电压。
13、如权利要求6所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述pmos非对称交叉耦合级，由以下子电路组成：
pmos非对称交叉耦合电荷泵；
放电电路；
pmos开关管n阱和DNW偏置电压产生电路。
14、如权利要求13所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述pmos非对称交叉耦合电荷泵两个mos开关管Sn2_i和Sn1_i是pmos管，2个电容(CC_i和CS_i)和2个mos开关(Sn2_i和Sn1_i)的连接关系如权利要求2所述。
15、如权利要求13所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述放电电路单边级联交叉耦合电荷泵的输出级的输入Voutn连接一对高压管，高压管mos1的源极连电源VDD，漏极连接Vouti，栅极连接控制脉冲信号，高压管mos2的源极连接GND，漏极连接Vouti，栅极连接另一个控制脉冲信号。
16、如权利要求13所述的一种实现正负高压的电荷泵电路，其特征在于：所述pmos开关管n阱和DNW偏置电压产生电路，pmos开关管n阱偏置电压产生电路的结构和权利3中单级交叉耦合电荷泵的结构类似，但只有一个电容设为Csp，另一个电容CC_n和该级交叉耦合电荷泵共用，2个mos开关管其中一个mos开关管设为Ssp2，另一个mos开关管设为Ssp1，大电容CC_n的一端Voutn连接mos管Ssp2的源极，Voutn连接mos管Ssp1的栅极，Csp的一端连接Ssp1的源极，同时连接Ssp2的栅极，mos管Ssp2和Ssp1的漏极接一起做输出nsub，输出连接一个小电容Cnsub，电容Cnsub的另一端地，nsub偏置该级pmos的n阱和DNW。
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Owner name: SHENZHEN KEMING INDUSTRIAL CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: TIANLI SEMICONDUCTOR (SHENZHEN) CO., LTD. Effective date: 20150716 |
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Effective date of registration: 20150716 Address after: 518000 main building of Xin Xing square, Shennan East Road, Shenzhen, Guangdong, Luohu District 59-1 Patentee after: Shenzhen Keming Industrial Co. Ltd. Address before: Nanshan District River Road Shenzhen city Guangdong province 518067 No. 6 jialitai Building 8 floor E block Patentee before: Teralane Semiconductor (Shenzhen) Co., Ltd. |
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