CN107493022B - 一种低电压高效电荷泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低电压高效电荷泵,该电荷泵由栅交叉耦合输入单元和两级动态栅级控制电荷传输开关组成。栅交叉耦合输入单元输入两路互补的时钟信号CLK和NCLK,互补结构有效地控制电路中的电荷传输开关,可以等效成两个并联在一起的、工作状态相反的电荷泵,这两个相对独立的电荷泵交替工作,互相为对方的电荷传输开关提供合适的栅压,并且电路工作在全周期状态。动态栅级控制电荷传输开关:代替普通的MOS开关作为电荷泵转移级,将电荷由前一个泵节点传导至下一个泵节点并借助电容存储。本发明能够显著降低了输入电压,减小了纹波电压值,效率有所提高。

Description

一种低电压高效电荷泵
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域,具体涉及一种低电压高效电荷泵。
背景技术
DC-DC转换器的基本功能是实现直流电压的转换。任何一个电子系统都是由很多种不同的电路和模块组成的,而不同模块的工作电压通常也不一样,因此电压的转换是必不可少的。DC-DC转换器以小型、轻量、高效的特点被广泛用于工业、民用及军事电子设备的各个领域,成为现代电子设备的重要组成部分。随着半导体技术的快速发展,DC-DC变换器呈现出低电压、低功耗、高效率和集成化的发展趋势。
电荷泵是一种常见的DC-DC转换器,仅由电容和受时钟信号控制的开关组成。然而,传统的Dickson电荷泵电压增益和效率受阈值压降和体效应影响,并且只在输入信号的半个周期内有电荷输出,从而导致输出电压纹波过大。
发明内容
本发明所要解决的是传统Dickson电荷泵电压增益和效率受阈值压降和体效应影响而导致输出电压纹波过大的问题,提供一种低电压高效电荷泵。
为解决上述问题,本发明是通过以下技术方案实现的:
一种低电压高效电荷泵,包括电荷泵本体,所述电荷泵本体包括MOS管M1-M6、M11、M 12、M21、M 22、M31、M32、M41和M42;MOS管M1和M2的漏端相连后形成电荷泵本体的输入端,并输入输入信号VIN;MOS管M1的源端和MOS管M3的源端相连后形成电荷泵本体的第一节点,并与时钟信号CLK相连;MOS管M2的源端和MOS管M4的源端相连后形成电荷泵本体的第二节点,并与时钟信号NCLK相连;MOS管M1的栅端接MOS管M2的源端和MOS管M12的漏端;MOS管M2的栅端接MOS管M1的源端和MOS管M22的漏端;MOS管M3的栅端、MOS管M12的源端和MOS管M11的漏端连接;MOS管M4的栅端、MOS管M22的源端和MOS管M21的漏端连接;MOS管M3的源端、MOS管M11的栅端、MOS管M12的栅端和MOS管M32的漏端相连;MOS管M4的源端、MOS管M21的栅端、MOS管M22的栅端和MOS管M42的漏端相连;MOS管M11的源端、MOS管M3的漏端和MOS管M5的源端相连后形成电荷泵本体的第三节点,并与时钟信号NCLK相连;MOS管M21的源端、MOS管M4的漏端和MOS管M6的源端相连后形成电荷泵本体的第四节点,并与时钟信号CLK相连;MOS管M5的栅端、MOS管M32的源端和MOS管M31的漏端连接;MOS管M6的栅端、MOS管M42的源端和MOS管M41的漏端连接;MOS管M5的源端、MOS管M31的栅端和MOS管M32的栅端相连;MOS管M6的源端、MOS管M41的栅端和MOS管M42的栅端相连;MOS管M5的漏端、MOS管M31的源端、MOS管M6的漏端和MOS管M41的源端相连后形成电荷泵本体的输出端,并输出输出信号VOUT
上述低电压高效电荷泵,还进一步包括泵电容C1-C4;电荷泵本体的第一节点经由泵电容C1与时钟信号CLK相连;电荷泵本体的第二节点经由泵电容C2与时钟信号NCLK相连;电荷泵本体的第三节点经由泵电容C3与时钟信号NCLK相连;电荷泵本体的第四节点经由泵电容C4与时钟信号CLK相连。
上述方案中,时钟信号CLK和时钟信号NCLK为互补交叠的时钟信号。
上述方案中,时钟信号CLK和时钟信号NCLK的幅值等于输入信号VIN的幅值。
上述方案中,MOS管M3-M6、M11、M21、M31和M41为NMOS管;MOS管M1、M2、M12、M22、M32和M42为PMOS管。
上述方案中,MOS管M3漏端与其衬底相连构成体端-源端二极管;MOS管M4的漏端与其衬底相连构成体端-源端二极管;MOS管M5的漏端与其衬底相连构成体端-源端二极管;MOS管M6的漏端与其衬底相连构成体端-源端二极管。
上述方案中,MOS管M11的衬底连接到其源端;MOS管M21的衬底连接到其源端;MOS管M31的衬底连接到其源端;MOS管M41的衬底连接到其源端。
上述方案中,MOS管M1的衬底与地相接;MOS管M2的衬底与地相接;MOS管M12的衬底与地相接;MOS管M22的衬底与地相接;MOS管M32的衬底与地相接;MOS管M42的衬底与地相接。
与现有技术相比,本发明具有如下特点:
(1)结合了传统的Dickson电荷泵的结构和栅交叉耦合电荷泵结构,输入单元采用栅交叉耦合输入,使得开关MOS管导通时保持较高的栅端电压,克服了阈值损耗;
(2)电荷传输开关代替普通的MOS开关作为电荷泵转移级,在控制开关管的栅极加入了栅压控制管,使其在导通时具有较大的栅源端电压差,降低导通电阻,降低电阻功耗,提高电源效率;
(3)PMOS开关管M3、M4、M5、M6漏端与衬底相连构成体端-源端二极管,导通时正偏,断开时反偏,加快了电流的传输,且不需要额外设计非交叠时钟信号;
(4)采用接近阈值电压工作的方法实现器件在低压电源下提供升压转换,在0.65V-3.3V输入条件下实现3倍压转换,且纹波小效率高。
附图说明
图1为一种低电压高效电荷泵的原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
一种低电压高效电荷泵,如图1所示,该电荷泵由栅交叉耦合输入单元和两级动态栅级控制电荷传输开关组成。其中CLK和NCLK的时钟信号幅值为VIN,CLK和NCLK为互补交叠时钟信号,VIN为输入信号,VOUT为输出信号。CLK分为两路,一路经泵电容C1后接电荷泵的第一节点即节点1,另一路经泵电容C4后接电荷泵的第四节点即节点4。NCLK分为两路,一路经泵电容C2后接电荷泵的第二节点即节点2,另一路经泵电容C3后接电荷泵的第三节点即节点3。
栅交叉耦合输入单元:输入两路互补的时钟信号CLK和NCLK,互补结构有效地控制电路中的电荷传输开关,可以等效成两个并联在一起的、工作状态相反的电荷泵,这两个相对独立的电荷泵交替工作,互相为对方的电荷传输开关提供合适的栅压,并且电路工作在全周期状态。
在本实施例中,栅交叉耦合输入单元包括NMOS管M1、M2,PMOS管M3、M4。PMOS管M3,M4衬底与漏端相连接;NMOS管M1和M2漏端相连接输入信号VIN;NMOS管M1源端、M3源端和M2栅端相连然后经泵电容C1连接输入时钟信号CLK;NMOS管M2源端、M1栅级和PMOS管M4源端相连然后经泵电容C2连接输入时钟信号NCLK,形成栅极交叉时钟输入。
初始阶段,泵电容C1和C2没有初始电荷积累,节点1、2电位为零;CLK为高电平时,M2管栅端电压被抬高到2VIN,M4管栅端电压与节点4相同,此时M2管导通,开关管M4管关断,电源给C2充电;同时,M1断开而M3处于导通状态,电容C1给下一级C3充电。同理,当CLK为低电平时,C2向下一级电容C4放电,同时电源给C1充电。
动态栅级控制电荷传输开关:代替普通的MOS开关作为电荷泵转移级,将电荷由前一个泵节点传导至下一个泵节点并借助电容存储。
在本实施例中,栅极控制电荷传输开关包含两级,第一级包括PMOS管M3、M11、M4、M21和NMOS管M12、M22;第二级包括PMOS管M5、M31、M6,M41和NMOS管M32、M42。栅极控制电荷传输开关的PMOS管M3和M4与栅交叉耦合输入单元的PMOS管M3和M4共用。PMOS管M3,M4,M5,M6漏端与衬底相连构成体端-源端二极管;NMOS管M12的漏端与M1的栅极相连然后经C2接入输入时钟信号NCLK;NMOS管M22的漏端与M2的栅极相连然后经C1接入时钟信号CLK;NMOS管M12,PMOS管M11的栅极与后级NMOS管M32的漏端相连然后经C1接入时钟信号CLK;NMOS管M22,PMOS管M21的栅极与后级NMOS管M42的漏端相连然后经C2接入输入时钟信号NCLK;PMOS管M11漏端,NMOS管M12源端与PMOS管M3的栅极相连,PMOS管M11的衬底连接到源端并与PMOS管M3的漏端,PMOS管M5的源端相连然后经C2接入输入时钟信号NCLK;PMOS管M21漏端,NMOS管M22源端与PMOS管M4的栅极相连,PMOS管M21的衬底连接到源端并与PMOS管M4的漏端,M6的源端相连然后经C1接入时钟信号CLK;NMOS管M32的漏端与前级电荷传输开关(CTS)中PMOS管M12的栅极相连然后经C1接入时钟信号CLK;NMOS管M32,PMOS管M31的栅极与PMOS管M5的源端相连然后经C2接入输入时钟信号NCLK;NMOS管M32的源端,PMOS管M31的漏端和PMOS管M5的栅极相连;NMOS管M42的漏端与前级电荷传输开关(CTS)中NMOS管M22的栅极相连然后经C1接入时钟信号CLK;NMOS管M42,PMOS管M41的栅极与PMOS管M6的源端相连然后经C1接入时钟信号CLK;NMOS管M42源端,PMOS管M41的漏端和PMOS管M6的栅极相连;PMOS管M31的源端,M5的漏端与PMOS管M41的源端,M6的漏端相连并输出信号VOUT
PMOS管M3,M4,M5,M6漏极与衬底相连构成体端-源端二极管,导通时正偏,加快电流的传输,关断时处于反向偏置状态,不会造成电流向传输;对于第一级PMOS管M3,M11和NMOS管M12,M3导通时M12导通,M11关断,M3栅压为2VIN;对于第二级PMOS管M5,M31和NMOS管M32,M5导通时M32导通,M31关断,M5的栅压为2VIN,保证了高的栅端电压。
本发明与传统的Dickson电荷泵相比,显著降低了电荷泵的输入电压,减小了纹波电压值,并使得效率有所提高。
需要说明的是,尽管以上本发明所述的实施例是说明性的,但这并非是对本发明的限制,因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下,凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式,均视为在本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种低电压高效电荷泵,包括电荷泵本体,其特征在于:所述电荷泵本体包括MOS管M1-M6、M11、M 12、M21、M 22、M31、M32、M41和M42;
MOS管M1和M2的漏端相连后形成电荷泵本体的输入端,并输入输入信号VIN
MOS管M1的源端和MOS管M3的源端相连后形成电荷泵本体的第一节点,并与时钟信号CLK相连;MOS管M2的源端和MOS管M4的源端相连后形成电荷泵本体的第二节点,并与时钟信号NCLK相连;
MOS管M1的栅端接MOS管M2的源端和MOS管M12的漏端;MOS管M2的栅端接MOS管M1的源端和MOS管M22的漏端;
MOS管M3的栅端、MOS管M12的源端和MOS管M11的漏端连接;MOS管M4的栅端、MOS管M22的源端和MOS管M21的漏端连接;
MOS管M3的源端、MOS管M11的栅端、MOS管M12的栅端和MOS管M32的漏端相连;MOS管M4的源端、MOS管M21的栅端、MOS管M22的栅端和MOS管M42的漏端相连;
MOS管M11的源端、MOS管M3的漏端和MOS管M5的源端相连后形成电荷泵本体的第三节点,并与时钟信号NCLK相连;MOS管M21的源端、MOS管M4的漏端和MOS管M6的源端相连后形成电荷泵本体的第四节点,并与时钟信号CLK相连;
MOS管M5的栅端、MOS管M32的源端和MOS管M31的漏端连接;MOS管M6的栅端、MOS管M42的源端和MOS管M41的漏端连接;
MOS管M5的源端、MOS管M31的栅端和MOS管M32的栅端相连;MOS管M6的源端、MOS管M41的栅端和MOS管M42的栅端相连;
MOS管M5的漏端、MOS管M31的源端、MOS管M6的漏端和MOS管M41的源端相连后形成电荷泵本体的输出端,并输出输出信号VOUT
2.根据权利要求1所述的一种低电压高效电荷泵,其特征在于:还进一步包括泵电容C1-C4
电荷泵本体的第一节点经由泵电容C1与时钟信号CLK相连;
电荷泵本体的第二节点经由泵电容C2与时钟信号NCLK相连;
电荷泵本体的第三节点经由泵电容C3与时钟信号NCLK相连;
电荷泵本体的第四节点经由泵电容C4与时钟信号CLK相连。
3.根据权利要求1所述的一种低电压高效电荷泵,其特征在于:时钟信号CLK和时钟信号NCLK为互补交叠的时钟信号。
4.根据权利要求1所述的一种低电压高效电荷泵,其特征在于:时钟信号CLK和时钟信号NCLK的幅值等于输入信号VIN的幅值。
5.根据权利要求1所述的一种低电压高效电荷泵,其特征在于:MOS管M3-M6、M11、M21、M31和M41为PMOS管;MOS管M1、M2、M12、M22、M32和M42为NMOS管。
6.根据权利要求1或5所述的一种低电压高效电荷泵,其特征在于:MOS管M3漏端与其衬底相连构成体端-源端二极管;MOS管M4的漏端与其衬底相连构成体端-源端二极管;MOS管M5的漏端与其衬底相连构成体端-源端二极管;MOS管M6的漏端与其衬底相连构成体端-源端二极管。
7.根据权利要求1或5所述的一种低电压高效电荷泵,其特征在于:MOS管M11的衬底连接到其源端;MOS管M21的衬底连接到其源端;MOS管M31的衬底连接到其源端;MOS管M41的衬底连接到其源端。
8.根据权利要求1或5所述的一种低电压高效电荷泵,其特征在于:MOS管M1的衬底与地相接;MOS管M2的衬底与地相接;MOS管M12的衬底与地相接;MOS管M22的衬底与地相接;MOS管M32的衬底与地相接;MOS管M42的衬底与地相接。
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