CN105932873B - 一种低功耗高输出电压的电荷泵 - Google Patents

一种低功耗高输出电压的电荷泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗高输出电压的电荷泵，并且可以数字控制输出电压幅度。电路包括依次连接的偏置电路、数模转换电路、电荷泵主体电路，以及与数模转换电路连接的数字I2C电路。所述电荷泵主体电路包括时钟振荡器和依次级联的电荷泵单元，所述数模转换电路产生的模拟电压，同时作为时钟振荡器的工作电压和第一级电荷泵单元的输入电压，时钟振荡器产生两组非交叠时钟，第一组连接每个电荷泵单元的开关，第二组分别通过泵间电容C连接到各级电荷泵单元之间的接线端。本发明所提供实现了更高的输出电压，并且输出电压可调，并且精简了电路结构，降低了功耗，创造性的采用MOS管漏衬二极管正向导通的方式传递电荷，极大的减少了系统的稳定时间。

Description

一种低功耗高输出电压的电荷泵
技术领域
本发明涉及电荷泵，特别涉及一种低功耗高输出电压的电荷泵。
背景技术
电荷泵是一种用低电压生成高直流电压的一种电路。电荷泵被广泛应用在许多电路系统中，例如：非挥发性存储器需要比常规电路所需电压更高的电压，挥发性存储器需要高电压来实现更快的工作速率，LCD屏幕需要高电压来控制对比度等。
近些年，便携式电池驱动的消费类电子产品的快速发展，对电荷泵的功耗提出了更高的要求。随着集成电路技术的不断推进，供电电压随着典型尺寸不断缩小，生成更高的偏置电压变得越来越难。因此，设计出一款具有低功耗、高输出电压的电荷泵电路显得尤为重要。
发明内容
本发明目的是：提供一种低功耗高输出电压的电荷泵，通过清晰简单的电路结构，以更低的功耗来提供更高的偏置电压。
本发明的技术方案是：
一种低功耗高输出电压的电荷泵，包括依次连接的偏置电路、数模转换电路、电荷泵主体电路，以及与数模转换电路连接的数字I2C电路，所述数模转换电路以偏置电路输出的带隙基准电压vbg为基准，同时受数字I2C电路的输入控制，输出模拟电压dac_out；电荷泵主体电路以模拟电压dac_out为基准，在时序时钟控制下，通过多级电荷泵单元产生最后的高电压。
优选的，所述电荷泵主体电路包括时钟振荡器和依次级联的电荷泵单元，所述数模转换电路产生的模拟电压dac_out，同时作为时钟振荡器的工作电压和第一级电荷泵单元的输入电压，时钟振荡器产生两组非交叠时钟，第一组连接每个电荷泵单元的开关，第二组分别通过泵间电容C连接到各级电荷泵单元之间的接线端。
优选的，所述电荷泵单元包括PMOS管MS、M1、M2、M3、M4和电容C1、C2，所述PMOS管MS的漏端为电荷泵单元输入端Vin,源端为输出端Vout；
电容C1的一端为电荷泵单元的开关输入端，连接时钟振荡器的时钟信号clk，另一端A分别连接PMOS管MS的栅端、M3的栅端及漏端、M1的漏端、M2的栅端；
电容C2的一端为电荷泵单元的开关输入端，连接时钟振荡器的时钟信号clk_n,另一端B分别连接PMOS管M1的栅端、M2的漏端、M1的栅端及漏端；
PMOS管M1、M2、M3、M4的源端均连接到输出端Vout；
其中、时钟信号clk_n与clk为时钟振荡器产生的第一组非交叠时钟。
优选的，所述电荷泵主体电路的输出端还连接有输出级电路，所述输出级电路包括一对反向并联的二极管，和一端与二极管连接，另一端接地的接地电容。
优选的，所述数模转换电路为8位数模转换电路，受数字I2C电路的输入的控制，输出电压可以调节。
优选的，所述时钟振荡器产生的第一组非交叠时钟是高电平为供电电平的低电平非交叠时钟，第二组非交叠时钟是高电平为数模转换电路输出电压的高电平非交叠时钟。
本发明的优点是：
1．本发明所提供的电荷泵，实现了更高的输出电压，并且输出电压可调，并且精简了电路结构，创造性的采用MOS管漏衬二极管正向导通的方式传递电荷，极大的减少了系统的稳定时间；
2．本发明电荷泵主体电路全部采用PMOS管，为未来更高的输出电压留出裕度，精良的设计和不断的完善最终实现了本发明中的电荷泵电路，通过瞬态特性仿真证实了其性能的可靠，有着巨大的应用空间；
3．本发明整体系统采用了数字控制，通过数字串口通信控制I2C寄存器，从而改变数模转换电路的输入，从而得到不同的输出电压；
4．本发明的单级电荷泵具有较高的可拓扑能力，在不同的应用场景可以并联不同级数的电荷泵，得到不同的电压，并且由于单级电荷泵没有对地的充放电回路，所以具有极低的功耗。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明所述的电荷泵的整体结构原理图；
图2为本发明所述的电荷泵主体电路的结构原理图；
图3为本发明所述的电荷泵单元的电路原理图；
图4为本发明所述的数模转换器的结构原理图；
图5为本发明所述的时钟振荡器的逻辑图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所揭示的一种低功耗高输出电压的电荷泵，包括依次连接的偏置电路、数模转换电路、电荷泵主体电路，以及与数模转换电路连接的数字I2C电路，所述数模转换电路以偏置电路输出的带隙基准电压vbg为基准，同时受数字I2C电路的输入控制，输出模拟电压dac_out；电荷泵主体电路以模拟电压dac_out为基准，在时序时钟控制下，通过多级电荷泵单元产生最后的高电压。
如图2所示，所述电荷泵主体电路包括时钟振荡器和依次级联的若干级电荷泵单元，所述数模转换电路为8位数模转换电路，受数字I2C电路的输入的控制，数模转换电路产生的模拟电压dac_out，同时作为时钟振荡器的工作电压和第一级电荷泵单元的输入电压，时钟振荡器产生两组非交叠时钟，第一组clk是高电平为1.8V的低电平非交叠时钟，连接每个电荷泵单元的开关，第二组clk_lvlshift是高电平为数模转换电路输出电压的高电平非交叠时钟，分别通过泵间电容C连接到各级电荷泵单元之间的接线端。
如图3所示，所述电荷泵单元包括PMOS管MS、M1、M2、M3、M4和电容C1、C2，所述PMOS管MS的漏端为电荷泵单元输入端Vin,源端为输出端Vout；电容C1的一端为电荷泵单元的开关输入端，连接时钟振荡器的时钟信号clk，另一端A分别连接PMOS管MS的栅端、M3的栅端及漏端、M1的漏端、M2的栅端；电容C2的一端为电荷泵单元的开关输入端，连接时钟振荡器的时钟信号clk_n, 另一端B分别连接PMOS管M1的栅端、M2的漏端、M1的栅端及漏端； PMOS管M1、M2、M3、M4的源端均连接到输出端Vout；其中、时钟信号clk_n与clk为时钟振荡器产生的第一组非交叠时钟。
图3中，MS为传输管。当clk为低时，传输管导通，Vin对Vout充电，Vin通过M3给C1充电。但A点电压最高不会超过Vin-Vth，Vth为阈值电压，因为当A点电压为Vin-Vth时M3关断，所以MS会慢慢进入深线性区，Vout=Vin；而clk为高时，A节点抬高VDD，Vout抬高Vin，Vout-VA=2Vin-（VDD+Vin-Vth）>Vth恒成立，所以关断时不会产生反向漏电，成功消除电荷泵的每级Vth压降。
本发明在解决体效应的问题上，每级的所有管子都为PMOS管，所以将每一级的PMOS管分别制作在一个N阱内，并将N阱电压接到该级的Vout上。由于没用采用PMOS管，所以可以避免闩锁效应的产生。并且当MS管在对Vout充电的时候，Vout会逐渐接近Vin，体效应逐渐消失。这样的做法还有一个好处，当Vin和Vout的压差大于二极管导通压降时，MS管会直接通过漏衬PN结的正向导通来对Vout充电，极大的增加了系统的响应速度，并且当clk为高时，Vout对下一级放电，电压下降时，A点的电压也可以通过漏衬二极管对Vout充电，尽管这个充电的电量很小，但是这一点点的压降在当clk的低电平来临是会帮助MS产生更大的漏衬电流。
如图2所示，所述电荷泵主体电路的输出端还连接有输出级电路，所述输出级电路包括一对反向并联的二极管及其串联的接地电容，当两端电压过大时，可以实现快速的充电（二极管正向导通）；当两端电压接近时，根据二极管的伏安特性曲线可知，可以等效为一个大电阻。实现对输出级的低反向漏电。这种结构的输出级可以有效的滤除前一级电荷泵时钟对输出电压所造成的影响，使最后的输出电压趋于稳定。这种方式实现的大电阻也能够有效地节约面积，比在电路中实实在在接一个GΩ级别的电阻要节省的多。
如图4所示，所述的数模转换器电路由两个运放和一个RADDAR组成。假设运放的两个输入端电压相等，则a节点的电压等于Vref即带隙基准电压vbgb，结点电压也是。通过数字输入来控制RADDAR内部电阻的通断，改变总电阻大小。由于a节点电压恒定，因此I1大小可控。通过镜像电流源，将I1电流镜像到I2支路。已知I2电流，b结点到地的支路电流已知，即可得到b到VOUT的电流，算出b到VOUT的电压差，从而得到VOUT电压。
如图5所示，所述的时钟振荡器由逐个级联的与非门和反相器组成。为了保证一组死区宽度适中的非交叠时钟，电路中接入缓冲器起延时作用。clk时钟是一组低电平非交叠时钟，而clk_lvlshift是一组高电平非交叠时钟。由于两组时钟的功能不同，其高电平的电压幅度也不相同，除最后一级外的逻辑器件高电平都为VDD，而最后一级的高电平是数模转换器的输出供电dac_out。
本发明采用SMIC 0.18μm CMOS工艺进行了验证，电源电压为1.8V、时钟为2.4MHz，输出满足设计预想，整个系统可以正常工作。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低功耗高输出电压的电荷泵，其特征在于：包括依次连接的偏置电路、数模转换电路、电荷泵主体电路，以及与数模转换电路连接的数字I2C电路，所述数模转换电路以偏置电路输出的带隙基准电压vbg为基准，同时受数字I2C电路的输入的控制，输出模拟电压dac_out；电荷泵主体电路以模拟电压dac_out为基准，在时序时钟控制下，通过多级电荷泵单元产生所需的高电压；
所述电荷泵主体电路包括时钟振荡器和依次级联的电荷泵单元，所述数模转换电路产生的模拟电压dac_out，同时作为时钟振荡器的工作电压和第一级电荷泵单元的输入电压，时钟振荡器产生两组非交叠时钟，第一组连接每个电荷泵单元的开关，第二组分别通过泵间电容C连接到各级电荷泵单元之间的接线端；
所述电荷泵单元包括PMOS管MS、M1、M2、M3、M4和电容C1、C2，所述PMOS管MS的漏端为电荷泵单元输入端Vin,源端为输出端Vout；
电容C1的一端为电荷泵单元的开关输入端，连接时钟振荡器的时钟信号clk，另一端A分别连接PMOS管MS的栅端、M3的栅端及漏端、M1的漏端、M2的栅端；
电容C2的一端为电荷泵单元的开关输入端，连接时钟振荡器的时钟信号clk_n, 另一端B分别连接PMOS管M1的栅端、M2的漏端、M4的栅端及漏端；
PMOS管M1、M2、M3、M4的源端均连接到输出端Vout；
其中、时钟信号clk_n与clk为时钟振荡器产生的第一组非交叠时钟。
2.根据权利要求1所述的低功耗高输出电压的电荷泵，其特征在于：所述电荷泵主体电路的输出端还连接有输出级电路，所述输出级电路包括一对反向并联的二极管，和一端与反向并联的二极管输出端连接，另一端接地的接地电容。
3.根据权利要求1所述的低功耗高输出电压的电荷泵，其特征在于：所述数模转换电路为8位数模转换电路，受数字I2C电路的输入的控制。
4.根据权利要求1所述的低功耗高输出电压的电荷泵，其特征在于：所述时钟振荡器产生的第一组非交叠时钟是高电平为供电电压的低电平非交叠时钟，第二组非交叠时钟是高电平为数模转换电路输出电压的高电平非交叠时钟。
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