DC-DC電荷泵的研究與設(shè)計

1、dc-dc電荷泵的研究與設(shè)計關(guān)鍵字：dc-dc電荷泵電源是電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量好壞h接影響著電子設(shè)備的可靠性。隨著電子技術(shù)的不 斷發(fā)展，功耗、體積及轉(zhuǎn)換效率等要求的不斷提高，開關(guān)電容技術(shù)在電源屮得到了越來越廣泛 的應(yīng)用。開關(guān)電源頻率要高，這樣動態(tài)響應(yīng)才能快，配合髙速微處理器工作是必須的，也是減小 體積的重耍途徑。電器產(chǎn)品的體積重量與其供電頻率的平方根成反比，所以當把頻率從工頻 50hz提高到20khz時,用電設(shè)備的體積重量大體上降至工頻設(shè)計的(510) %。由于功率mos 管具有快速開啟、關(guān)斷的特點，滿足高速開關(guān)動作的需求，這正是開關(guān)電源實現(xiàn)變頻帶來明顯 效益的基本原因。單片開關(guān)電源采用

2、電荷泵技術(shù)通過功率mos管控制電容的充放電來實現(xiàn)電壓 的轉(zhuǎn)換，從而極大地縮小了電源體積，提高了轉(zhuǎn)換效率，具有高集成度、高性價比、最簡外圍電 路、最佳性能指標等優(yōu)點，一般說來其重量是線形電源的如，體積是其本文從電荷泵的基 本原理出發(fā)，設(shè)計開發(fā)了一種負電壓電荷泵，詳細分析了它的工作原理，并在基本模型的基 礎(chǔ)上針對開關(guān)速度以及功耗和轉(zhuǎn)換率等方面提出了 一立的改進。2dickson電荷泵基本原理最早的理想電荷泵模型是j. dickson在1976年提出的，其基本思想就是通過電容對電荷的 積累效應(yīng)而產(chǎn)牛高壓使電流由低電勢流向高電勢，當時這種電路是為了提供可擦寫eprom所需 要的電壓。后來j. witt

3、ers, toru tranzawa等人對j . dickson的電荷泵模型進行改進,提出了比較 精確的理論模型，并通過實驗加以證實提岀了一些理論公式。隨著集成電路的不斷發(fā)展，基于低 功耗、低成本的考慮,電荷泵在集成電路中的應(yīng)用越來越廣泛了。圖1為簡單的倍(multiplier charge pump ) 開 關(guān) 電源 的 基木原 理 圖 。圖1四階dickson電荷泵原理圖當f為低電頻時，md1管導通，vin對與結(jié)點1和連的電容進行充電，玄到結(jié)點1的電壓為vin-vtn； 當f為高電頻時，結(jié)點1的電壓變?yōu)関f+vin- vtn,此時md2導通，對與結(jié)點2相連的電容進行充 電,直至結(jié)點2的電壓

4、變?yōu)関f+vin-2vtn； f再度變?yōu)榈碗婎l,結(jié)點2上電壓為2vf+vin-2vtn；如此 循環(huán)，宜到完成四級電容的充放電，可以推得輸出電壓:vout=vin+4(vf-vt n)vtn由此可以得到對于 n 級倍壓電荷泵的電壓增益為：vout=vin+n(vf-vtn)-vtn(1)但在實際電路中由于vf受到開關(guān)管寄生電容cs的影響，其真實值應(yīng)為vf=(c/(c+cs)xvf(2)將式代入式可得vout=vin+n(c/(c+cs)xvf-vtn)-vtn(3)當考慮負載后，由于負載會從電路中抽取電流lout,負載上具冇nlout/(c+cs)fosc)大小的壓降，代入(3)式得到輸出電壓v

5、out=vin+n(c/(c+cs)xvf-lout/(c+cs)fosc-vtn)-vt n対于dickson型電荷泵，單級電壓增益gv=vn-vn-l=(c/(c+cs)xvf-lout/(c+cs)fosc)-vtndicks on倍壓電荷泵需要滿足很重要的-一個條件就是(c/(c+cs)xvf-vtn-lout/(c+cs)fosc)>0由于該式與n無關(guān)，故而從理論上來說，電壓可以通過倍壓泵放人從而得到理想的電壓值。3dickson電荷泵模型的推廣由dickson電荷泵理論可以推廣得到產(chǎn)生負電壓的開關(guān)電容電路，如圖2所圖2負壓電荷泵原理圖vout=其基本原理與dickson電荷泵

6、是一致的，但是利用電容兩端電壓差不會跳變的特性，當電路 保持充放電狀態(tài)時，電容兩端電壓茅保持恒定。在這種情況下將原來的高電位端接地，從而可 得到負電壓輸出。山原理圖分析可知，當時鐘信號為髙電頻時功率開關(guān)管si、s2同時導通，s3, s4同時關(guān)斷,vin對電容cfly進行充電,vcap+=vin-vtp-vtn, vcap-= vtn；當時鐘信號為低電頻 時si、s2關(guān)斷,s3, s4同時導通，cfly ±存儲的電荷通過s3, s4傳送到cout ±,由于cout高 電位端接地，故輸出端vout=-(vin-vtp)o當考慮負載后，市于負載;會從電路中抽取電流lout, 負載

7、上具有-lout/(c+csn+csp)fosc) 大小的壓降，輸出電壓 (vin-vtp-lout/(cfly+csn+csp)fosc)-lout/(cout+csn+csp)fosc)對 輸 出 為 負 電 壓 電 荷 泵 的 改 進(1)功率 mosfet 作為開關(guān)管的特點：圖2中的s2、s2、s3、s4采用功率mos管器件，功率mosfet是壓控元件，具有輸入阻抗 大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)彖等特點。功率場效應(yīng)管(mosfet)由于是單極性多子導電，顯著 地減小了開關(guān)時間。但是對于mos管來說決定開關(guān)速度的因素有二：一是開關(guān)電容的導通電 阻，二是充放電電容的人小，為了獲得較高的采樣

8、速度需要采用大寬長比的器件(采用人尺寸 的功率mos管)和較小值的電容。然而柵極的驅(qū)動速度在很大程度上也決定了功率mosfet的 開關(guān)速度,這就需要提供具有高速驅(qū)動能力的電路來滿足這一要求。為了減小開關(guān)時間，対mos 管的驅(qū)動電路進行一定的改進。實際應(yīng)用屮功率mosfet的輸出級還要帶負載，因此影響開關(guān)速 度的人小不光有驅(qū)動速度的問題，還有輸ill負載人小的問題。(2) 功 率 mosfet 驅(qū) 動 特 性 分 析：功率mosfet的極間電容較大，其籌效電路如圖3所示，輸入電容cin二cgs+cgd,輸出電容 cout=cds+cgd ,cgd作 為 反 饋 電 容。vdgstrrl com&

9、quot;圖3功率mosfet極間電容等效電路開 關(guān) 管 開 通 延 遲 時 間 td=-cinronln 11-vgs/vgg |上升時間tr=2.2ron(ciss+(l-a)cgd)，其中 a 為與vds/zxvgs相關(guān)的系數(shù)。整個開通時間 ton=td+tr(6)由于 ron=vgs/iom 為開關(guān)管的導通電阻，代入式(6 )可得：由（7）式可知，開關(guān)的導通速度與通過開關(guān)的電流大小成正比，電流越大，ton越小，開關(guān)的速度越快。為提高 mosfet 管的驅(qū)動速度，要求驅(qū)動電路：a）能夠提供足夠人的駁動電流，即驅(qū)動電路的充電電阻耍充分小，以縮短導通時間。b）具有足夠的泄流能力，即放電電阻要

10、充分小，以提高開關(guān)管的關(guān)斷速度。 根據(jù)以上要求，考慮到山于三極管的導通電阻小的特點，并且對管互補作用消除了少數(shù)載流子存 儲時間的影響，可以達到很高的駛動速度，因此采川互補対稱型射極輸出器（圖4）來驅(qū)動功率mos開關(guān)管。圖4互補跟隨電路該驅(qū)動電路利用v4、rl、r2紐成模擬電壓源，產(chǎn)生正向偏壓，使其值等于或稍大于導通電壓， 只要有信號輸入，rl、r2即可輪流導通，克服了互補對稱管必然存在的交越失真現(xiàn)彖。忽略ib4,通過調(diào)整 r2與 r2的比值來調(diào)整偏壓值的大小。（1）為了提鬲mos管的開關(guān)速度，我們來考察一下電容兩端電壓與時間的關(guān)系從陽確定最小時鐘周期，減小功耗，提高轉(zhuǎn)換效率。在不考慮溝道調(diào)制效

11、應(yīng)的前提下，電容在放電過程屮所產(chǎn)生的電壓輸出與時間的關(guān)系:vout=其屮tl為充電過程中mos管從飽和導通到進入線性區(qū)的時間是一個和t藝有關(guān)的常數(shù)。充電過程的輸 ill 電壓和時間的關(guān)系：vout=vdd-vth-由（8）、（9）兩式明確了輸出電壓與吋間的比例關(guān)系后根據(jù)工藝和仿真工具確定最小吋鐘頻 率，既要保證電容充放電完全又耍盡量使用高頻時鐘減小電路功耗提高轉(zhuǎn)換率。（2）為了避免電容在沒有完全充放電時即進入相対工作狀態(tài)影響導通時間的準確性及對開關(guān)管性能的影響采用非交疊時鐘信號。圖5即為非交疊時鐘的產(chǎn)生電路，clk為原始的時鐘（d1和（d2為相位相反的非交疊吋鐘信號ok圖5非交疊時鐘發(fā)生器原理

12、圖本文介紹的電路采川貝嶺gp阱工藝在cadence ic 5.0下仿真工具spectre的屯路仿真波形如圖6圖6電路仿真結(jié)果由仿真結(jié)果可知輸出基本達到了預(yù)定要求-3v ,誤差不超過0.09v小結(jié)本文介紹了一種采用開關(guān)電容技術(shù)產(chǎn)生負電壓的電荷泵電路，通過對其工作原理的分析找 到一系列改進性能的切口。同時通過提高mos管的驅(qū)動，提高了開關(guān)管的速度，増強了電路的 穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)換效率，實踐證明這一電路是很有使用價值的。參考文獻：1 john f dickson. on chip high-voltage generation in mnos integrated circuits using an improved voltage multiplier technique. ieee journal of solid-state circuits