CN110601528A - 电荷泵及存储设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种电荷泵及存储设备。所述电荷泵的每一级电荷泵单元包括输入端、输出端、第一电容、充电电路以及控制电路。第一电容的第一端电连接于输出端。充电电路电连接于输入端与第一电容的第一端之间。控制电路包括第二电容以及依次串联的第一、第二、第三MOS管。第一、第二、第三MOS管的控制端分别与第一电容的第一端电连接。第一MOS管与输入端电连接，第三MOS管与后一级电荷泵单元的第一电容的第一端电连接，第一、第二MOS管之间的节点电连接至充电电路，以控制充电电路对所述第一电容进行充电，第二、第三MOS管之间的节点电连接至第二电容的一端。第一、第二MOS管均为低压MOS管，第三MOS管为高压MOS管。本申请提供的电荷泵具有高增益的输出电压。

Description

电荷泵及存储设备
技术领域
本申请涉及电子技术领域，特别涉及一种电荷泵及存储设备。
背景技术
电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种直流-直流转换器，采用电容器为储能元件，通常用来产生比输入电压大的输出电压。随着集成电路的不断发展，基于低功耗、低成本的考虑，电荷泵电路在集成电路中的应用越来越广泛，例如，在Flash存储器中，为了完成各种操作，如编程(Program)、擦除(Erase)、读(Read)等，需要用到多种用途的电荷泵电路。然而，这些电荷泵的各级电荷泵单元输出的电压通常都是高压，使得电荷泵中的晶体管需要承受高压，因此需要使用高压MOS管来实现，而高压MOS管的面积较大，从而导致整个电路的面积增大，浪费电路面积。此外，由于高压MOS管的栅氧化层电容较大，导致电荷泵的各级电荷泵单元输出端节点处的寄生电容较大，从而降低了输出电压的增益。
发明内容
本申请提供一种电荷泵以及具有所述电荷泵的存储设备，所述电荷泵具有较小的电路面积，并可提高输出电压的增益。
一方面，本申请提供一种电荷泵。所述电荷泵包括多级串联的电荷泵单元。每一级电荷泵单元包括输入端、输出端、第一电容、充电电路以及控制电路。所述输入端用于接收输入电压。所述输出端用于输出电压。所述第一电容包括电连接于所述输出端的第一端以及用于接收时钟信号的第二端。所述充电电路电连接于所述输入端与所述第一电容的第一端之间。所述控制电路包括第二电容以及依次串联的第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管。其中，所述第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管的控制端分别与所述第一电容的第一端电连接。所述第一MOS管电连接于所述输入端与所述第二MOS管之间，所述第三MOS管电连接于所述第二MOS管和后一级电荷泵单元的第一电容的第一端之间，所述第一MOS管和所述第二MOS管之间形成电连接至所述充电电路的第一连接节点，所述第二MOS管和所述第三MOS管之间形成电连接至所述第二电容的一端的第二连接节点，所述第二电容的另一端接地。所述第一MOS管和所述第二MOS管均为低压MOS管，所述第三MOS管为高压MOS管。其中，所述控制电路在同一级电荷泵单元的第一电容接收到的时钟信号以及后一级电荷泵单元的第一电容接收到的时钟信号的控制下，在所述第一连接节点输出相应的控制电压。所述充电电路在所述控制电路输出的控制电压的控制下，利用所述输入端接收到的输入电压对所述第一电容进行充电。
另一方面，本申请提供一种存储设备，包括存储单元以及上述的电荷泵。所述存储单元用于存储数据。所述电荷泵与所述存储单元连接，用于提供所述存储单元执行存储操作所需的工作电压。
本申请的电荷泵的各级电荷泵单元的控制电路通过将栅极与输出端直接电连接的第一MOS管以及第二MOS管替换为低压MOS管，从而可避免使用大面积的高压MOS管，能有效减小电荷泵电路的整体面积，同时还有效减小了各级电荷泵单元的输出端处的寄生电容，进而显著提高了所述电荷泵的输出电压的增益。此外，通过高压MOS管替换为低压MOS管，并增加高压MOS管来承受高压，使低压MOS管免受高压的冲击，从而可对低压MOS管进行有效的保护。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请参考实施例所涉及的一种电荷泵的电路结构示意图。
图2为图1所示的电荷泵的第一级电荷泵单元的电路结构示意图。
图3为图2所示的各节点的电压及时钟信号的波形图。
图4为图2所示的电荷泵的第一级电荷泵单元的电路结构示意图及各节点的电压仿真验证结果。
图5为图1所示的电荷泵在稳定状态下的一种节点电压示意图。
图6为对图1所示的电荷泵的节点①处产生的寄生电容进行分析的示意图。
图7为图1所示的电荷泵在稳定状态下的第一级电荷泵单元的各节点电压的波形仿真图。
图8为本申请第一实施例提供的一种电荷泵的电路结构示意图。
图9为图8所示的电荷泵的第一级电荷泵单元的电路结构示意图及各节点电压仿真验证结果。
图10为图8所示的电荷泵在稳定状态下的一种节点电压示意图。
图11为当低压MOS管取最小尺寸时，随着高压MOS管的沟道宽度W的变化，找出其电流与低压MOS管的电流相等时的管子尺寸的仿真示意图。
图12为图1及图8所示的电荷泵的实际输出电压的仿真对比示意图。
图13为本申请实施例提供的一种存储设备的结构示意图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。
请参阅图1，为本申请参考实施例所涉及的一种电荷泵100的电路结构示意图。如图1所示，所述电荷泵100包括电压输入接口Vin、多级串联的电荷泵单元11以及电压输出接口Vout。其中，图1所示的参考实施例是以所述电荷泵100包含四级串联的电荷泵单元11为例，对所述电荷泵100的基本工作过程进行介绍。可以理解的是，所述电荷泵100的级数并不限定为四级，在设计时可按需要增加所述电荷泵单元11的级数，例如可根据输出电压的要求来选择所述电荷泵单元11的数量。
所述多级串联的电荷泵单元11电连接于所述电压输入接口Vin与所述电压输出接口Vout之间，各级电荷泵单元11具有相同的结构但可接收不同的信号。
下面以第一级电荷泵单元11为例，对各级电荷泵单元11的结构进行介绍。
请同时参阅图1、图2，所述电荷泵单元11包括输入端111、输出端112、第一电容C1、充电电路113、以及控制电路114。其中，所述输入端111用于接收输入电压，所述输出端112用于输出电压。
在所述参考实施例中，第一级电荷泵单元11的输入端111电连接至所述电压输入接口Vin，其他各级电荷泵单元11的输入端电连接至前一级电荷泵单元11的输出端。如此，电源电压VDD作为输入电压Vin被提供给第一级电荷泵单元11的输入端111。
所述第一电容C1包括电连接于所述输出端112，即图1或图2所示的节点①的第一端a以及用于接收时钟信号的第二端b。
在所述参考实施例中，所述电荷泵100还包括第一时钟信号输入接口115以及第二时钟信号输入接口116。其中，所述第一时钟信号输入接口115与奇数级的各个电荷泵单元11的第一电容的第二端电连接，用于为所连接的第一电容提供第一时钟信号CLK1。所述第二时钟信号输入接口116与偶数级的各个电荷泵单元11的第一电容的第二端电连接，用于为所连接的第一电容提供第二时钟信号CLK2。其中，所述第一时钟信号CLK1与所述第二时钟信号CLK2为反相的非重迭时钟信号。如此，高电平的时钟信号被交替地输入到各个第一电容的第二端。
所述充电电路113电连接于所述输入端111与所述第一电容C1的第一端a之间。在所述参考实施例中，所述充电电路113至少包括充电开关MS1。
所述控制电路114与所述充电电路113电连接，用于控制所述充电电路113的通断状态，从而控制所述充电电路113为所述第一电容C1充电。
具体地，在本参考实施例中，所述控制电路114包括串联的第一MOS管MN11和第二MOS管MP11。其中，所述第一MOS管MN11和所述第二MOS管MP11的控制端分别与所述第一电容C1的第一端a，即节点①电连接。所述第一MOS管MN11电连接于所述输入端111与所述第二MOS管MP11之间，所述第二MOS管MP11电连接于所述第一MOS管MN11与后一级电荷泵单元11的第一电容C2的第一端，即节点②之间。所述第一MOS管MN11和所述第二MOS管MP11之间形成电连接至所述充电电路113的第一连接节点G1。
其中，所述控制电路114在同一级电荷泵单元11的第一电容C1接收到的时钟信号CLK1以及后一级电荷泵单元11的第一电容C2接收到的时钟信号CLK2的控制下，在所述第一连接节点G1输出相应的控制电压。所述充电电路113在所述控制电路114输出的控制电压的控制下，利用所述输入端111接收到的输入电压对所述第一电容C1进行充电。
具体地，所述控制电路114在同一级电荷泵单元11的第一电容C1接收到的时钟信号CLK1为高电平，且后一级电荷泵单元11的第一电容C2接收到的时钟信号CLK2为低电平时，在所述第一连接节点G1处输出第一控制电压，以导通所述充电电路113，使所述充电电路113利用所述输入端111接收到的输入电压对所述第一电容C1进行充电。所述控制电路114还在同一级电荷泵单元11的第一电容C1接收到的时钟信号为低电平，且后一级电荷泵单元11的第一电容C2接收到的时钟信号为高电平时，在所述第一连接节点G1处输出第二控制电压，以断开所述充电电路113。如此，通过所述控制电路114对所述充电电路113的控制即可实现对所述第一电容C1的交替充电。
在所述参考实施例中，如图1、图2所示，所述充电开关MS1为N型MOS管，包括第一连接端、第二连接端和控制端，所述充电开关MS1的第一连接端电连接于所述输入端111，第二连接端电连接于所述第一电容C1的第一端a，控制端电连接于所述第一连接节点G1。其中，所述充电开关MS1的控制端为MOS管的栅极，第一连接端为MOS管的源极或漏极，第二连接端为MOS管的漏极或源极。如此，所述控制电路114即构成所述充电开关MS1的栅压控制电路，用于控制所述充电开关MS1的通断状态，使所述充电开关MS1完全导通或完全截止。
所述第一MOS管MN11为N型MOS管，包括第一连接端和第二连接端，所述第一MOS管MN11的第一连接端电连接于所述输入端111，第二连接端电连接于所述第一连接节点G1。
所述第二MOS管MP11为P型MOS管，包括第一连接端和第二连接端，所述第二MOS管的第一连接端电连接于所述第一连接节点G1，第二连接端电连接于后一级电荷泵单元11的第一电容C2的第一端，即节点②。
进一步地，在所述参考实施例中，所述第一MOS管MN11的第一连接端为源极，第二连接端为漏极。所述第一MOS管MN11还包括衬底，所述第一MOS管MN11的源极和衬底相连并同时电连接于所述输入端111。
所述第二MOS管MP11的第一连接端为漏极，第二连接端为源极。所述第二MOS管MP11还包括衬底，所述第二MOS管MP11的源极和衬底相连并同时电连接于所述节点②。
在所述参考实施例中，所述每一级电荷泵单元11还包括电连接于所述输入端111与所述第一电容C1的第一端a之间的传输单元MD1。所述传输单元MD1用于在所述电荷泵100处于稳定状态之前，即在所述电荷泵单元11的初始操作中，利用所述输入端111接收到的输入电压对所述第一电容C1进行预充电，使所述第一电容C1的第一端a的电压达到相应的预设电压。
在所述参考实施例中，所述传输单元MD1为N型MOS管，包括第一连接端、第二连接端和控制端，所述传输单元MD1的第一连接端和控制端均电连接于所述输入端111，第二连接端电连接于所述第一电容C1的第一端a。其中，所述传输单元MD1的控制端为MOS管的栅极，第一连接端为MOS管的源极或漏极，第二连接端为MOS管的漏极或源极。
在所述参考实施例中，假设所述电压输入接口Vin接收到的电源电压为VDD，在各个所述电荷泵单元11的初始操作中，各个传输单元MD1、MD2、...MDi利用对应的输入端接收到的输入电压对相应的第一电容进行预充电，使得各个电荷泵单元11能够进入稳定状态并进行后续操作。其中，i为整数，且1<＝i<＝N，N为所述电荷泵单元11的级数，且为大于等于1的整数。在所述参考实施例中，N＝4。
当所述电荷泵100处于稳定状态时，第一级电荷泵单元11的第一电容C1的第一端的电压达到VDD，第二级电荷泵单元11的第一电容C2的第一端的电压达到2VDD，...第i级电荷泵单元11的第一电容Ci的第一端的电压达到“i”×VDD。
在所述稳定状态下，所述传输单元MD1、MD2、...MDi实质上相当于单向导通的二极管，即各个输入端与相应的输出端节点①、②、...之间分别形成二极管连接的形式，从而消除了电荷倒流引起的泄漏电流，有效避免了电荷倒流的问题。
在所述参考实施例中，各个所述第一电容的第一端的电压在所述第一电容接收到的时钟信号为高电平时均提升预设增量。
在所述参考实施例中，第一时钟信号和第二时钟信号的峰值均为VDD，所述预设增量为VDD，如此，各个节点①、②、...的电压均提升1倍的VDD。
也就是说，当时钟信号为低电平，即忽略时钟信号对第一电容Ci的电压抬升作用时，各个节点的电压Vi为“i”×VDD。当时钟信号为高电平，即VDD时，各个节点的电压Vi在相应的时钟信号的电压抬升作用下而变为(i+1)×VDD。
如图1所示，由于各个节点①、②、...的电压与各个对应的电荷泵单元的输出端以及第一电容的第一端的电压均相同，为了方便描述，以下的描述将以节点①、②、...的电压来代替对应的电荷泵单元的输出端以及第一电容的第一端的电压。
下面针对利用所述第一时钟信号CLK1以及所述第二时钟信号CLK2对所述电荷泵100进行控制的具体过程进行详细介绍。
以第一级电荷泵单元11为例，如图2-图4所示，在所述电荷泵100处于稳定状态后，当第一时钟信号CLK1为高电平，第二时钟信号CLK2为低电平，即CLK1＝VDD、CLK2＝0时，节点①的电压V1在第一时钟信号CLK1的电压抬升作用下变为2VDD，节点②的电压V2为2VDD。此时，所述第二MOS管MP11截止，所述第一MOS管MN11管导通，使第一连接节点G1的电压VG1等于输入端111接收到的电源电压VDD，从而使所述充电开关MS1截止。
当CLK1＝0、CLK2＝VDD时，节点①的电压V1变为VDD，节点②的电压V2在第二时钟信号CLK2的电压抬升作用下变为3VDD。此时，所述第一MOS管MN11截止，所述第二MOS管MP11导通，使所述第一连接节点G1的电压VG1等于节点②的电压3VDD，从而导通所述充电开关MS1，使所述充电开关MS1利用所述输入端111接收到的输入电压VDD对所述第一电容C1进行充电。
可以理解的是，在具有多级电荷泵单元11的电荷泵100中，在每个时钟周期内，电荷按上述方式进行逐级传递，在理想状态下，即，在不考虑寄生电容等影响因素的情况下，最终可得到稳定的输出电压Vout＝Vin+N×Vin＝(N+1)×Vin。对于图1所示的电荷泵100，N＝4，当Vin＝VDD＝3.3V时，输出电压Vout的理论值为Vout＝5VDD＝16.5V。
然而，如图5中的虚线箭头所示，当CLK1＝0、CLK2＝VDD时，由于Vin＝VDD，V1＝VDD，V2＝3VDD，VG1＝3VDD，所述充电开关MS1以及所述第二MOS管MP11的栅极与源、漏极的压差均为2VDD，所述第一MOS管MN11的源、漏极压差以及栅、漏极压差均为2VDD，即，各个MOS管MS1、MP11、MN11的栅氧化层承受着高压。因此，所述充电开关MS1、所述第一MOS管MN11以及所述第二MOS管MP11均需要使用高压MOS管来实现。同理可知，所述电荷泵100中的充电开关MS2、...MSi，所述第一MOS管MN12、...MN1i，以及所述第二MOS管MP12、...MP1i均需要使用高压MOS管来实现。此外，所述传输单元MD2的源、漏极压差也为2VDD，因此也需要使用高压MOS管来实现。由于高压MOS管的面积较大，从而导致整个电路的面积增大，浪费了电路面积。
如图6中的虚线框所示，由于所述第一MOS管MN11、所述第二MOS管MP11以及所述传输单元MD2的栅极均与节点①直接电连接，且均为高压MOS管，面积较大，所以各个高压MOS管的栅氧化层的电容也较大，导致节点①处产生较大的寄生电容Cp。当CLK1变为高电平时，节点①处实际增加的电压为从而使节点①处输出的电压的增益降低。同理可知，节点②、③、④处均存在由寄生电容导致的输出电压增益降低的问题。
如图7所示，经过仿真验证发现，当所述电压输入接口Vin接收到的电源电压为3.3V，CLK1＝0时，节点①处的电压V1为3.3V，说明传输单元MD1没有引起电压损失。当CLK1＝3.3V时，节点①处的电压V1只有5.8V，远低于理想值V1＝2VDD＝6.6V，说明节点①处的寄生电容较大。其原因分析为电路中的所述第一MOS管MN11、所述第二MOS管MP11以及所述传输单元MD2均为高压MOS管，面积较大，导致节点①处产生的寄生电容Cp也较大。
请参阅图8，为本申请第一实施例提供的一种电荷泵200的电路结构示意图。所述电荷泵200与图1的参考实施例所示的电荷泵100相似，包括电压输入接口Vin、多级串联的电荷泵单元21以及电压输出接口Vout。在图8中，对与参考实施例相同的结构标注相同的元件符号来进行介绍。对于相同的结构，具体技术细节可参阅前面的详细介绍，在此不重复赘述。
第一实施例所涉及的电荷泵200与参考实施例所涉及的电荷泵100相比，不同之处在于控制电路的结构不同，第一实施例中采用了控制电路214来替代参考实施例中的控制电路114。
下面继续以第一级电荷泵单元21为例，对各级电荷泵单元21的结构进行介绍。
如图8所示，所述控制电路214包括第二电容Cb1以及依次串联的第一MOS管MN21、第二MOS管MP21和第三MOS管MT1。其中，所述第一MOS管MN21、第二MOS管MP21和第三MOS管MT1的控制端分别与所述第一电容C1的第一端a，即节点①电连接。所述第一MOS管MN21电连接于所述输入端111与所述第二MOS管MP21之间，所述第三MOS管MT1电连接于所述第二MOS管MP21和后一级电荷泵单元21的第一电容C2的第一端，即节点②之间。所述第一MOS管MN21和所述第二MOS管MP21之间形成电连接至所述充电开关MS1的第一连接节点G1，所述第二MOS管MP21和所述第三MOS管MT1之间形成电连接至所述第二电容Cb1的一端的第二连接节点G11，所述第二电容Cb1的另一端接地。
在所述第一实施例中，所述第一MOS管MN21为N型MOS管，包括第一连接端和第二连接端，所述第一MOS管MN21的第一连接端电连接于所述输入端111，第二连接端电连接于所述第一连接节点G1。
所述第二MOS管MP21为P型MOS管，包括第一连接端和第二连接端，所述第二MOS管的第一连接端电连接于所述第一连接节点G1，第二连接端电连接于所述第二连接节点G11。
所述第三MOS管MT1为N型MOS管，包括第一连接端和第二连接端，所述第三MOS管MT1的第一连接端电连接于所述第二连接节点G11，第二连接端电连接于后一级电荷泵单元21的第一电容C2的第一端，即节点②。
进一步地，在所述第一实施例中，所述第一MOS管MN21的第一连接端为源极，第二连接端为漏极。所述第一MOS管MN21还包括衬底，所述第一MOS管MN21的源极和衬底相连并同时电连接于所述输入端111。
所述第二MOS管MP21的第一连接端为漏极，第二连接端为源极。所述第二MOS管MP21还包括衬底，所述第二MOS管MP21的源极和衬底相连并同时电连接于所述第二连接节点G11。
所述第三MOS管MT1的第一连接端为源极，第二连接端为漏极。所述第三MOS管MT1还包括衬底，所述第三MOS管MT1的源极和衬底相连并同时电连接于所述第二连接节点G11。
在所述第一实施例中，所述第一MOS管MN21和所述第二MOS管MP21均为低压MOS管，所述第三MOS管MT1为高压MOS管。所述第二电容Cb1取工艺可实现的最小电容值。
下面针对利用所述第一时钟信号CLK1以及所述第二时钟信号CLK2对所述电荷泵200进行控制的具体过程进行详细介绍。
以第一级电荷泵单元21为例，如图8、图9所示，在所述电荷泵200处于稳定状态后，当CLK1＝VDD、CLK2＝0时，节点①的电压V1在第一时钟信号CLK1的电压抬升作用下变为2VDD，节点②的电压V2为2VDD。此时，所述第三MOS管MT1导通，并利用节点②的电压2VDD给所述第二电容Cb1充电，使所述第二电容Cb1的所述一端，即第二连接节点G11的电压VG11等于2VDD。所述第二MOS管MP21截止，所述第一MOS管MN21管导通，使第一连接节点G1的电压VG1等于输入端111接收到的电源电压VDD，从而使所述充电开关MS1截止。
当CLK1＝0、CLK2＝VDD时，节点①的电压V1变为VDD，节点②的电压V2在第二时钟信号CLK2的电压抬升作用下变为3VDD。此时，所述第一MOS管MN21以及所述第三MOS管MT1均截止。由于周围没有可放电的路径，所述第二电容Cb1的所述一端，即第二连接节点G11的电压VG11保持不变，仍为2VDD，因此，所述第二MOS管MP11导通，使所述第一连接节点G1的电压VG1大致等于所述第二连接节点G11的电压2VDD，从而导通所述充电开关MS1，使所述充电开关MS1利用所述输入端111接收到的输入电压VDD对所述第一电容C1进行充电。从图9可看出，所述第一连接节点G1的电压VG1略小于所述第二连接节点G11的电压VG11，这是由于所述第二连接节点G11的电压传输至所述第一连接节点G1时，电路中存在电压传输损耗而导致的。
在所述第一实施例中，通过增加高压MOS管MT1和第二电容Cb1，可以使传输到第一连接节点G1的高电压变为2VDD，从而使所述控制电路214中只有第三MOS管MT1的栅氧化层需要承受高压，使低压MOS管MN21、MP21免受高压的冲击。
可以理解的是，所述第一实施例的电荷泵200由于其主体电路结构及其控制方式与参考实施例的电荷泵100相同，因此所述第一实施例的电荷泵200能实现与参考实施例的电荷泵100相同的功能。
此外，如图10所示，当CLK1＝0、CLK2＝VDD时，相对于图5所示的电荷泵100，所述充电开关MS1以及所述第二MOS管MP21的栅极与源、漏极的压差均从2VDD减小到VDD，所述第一MOS管MN21的源、漏极压差以及栅、漏极压差均从2VDD减小到VDD，即，各个MOS管MS1、MP21、MN21的栅氧化层不需要承受高压，因此，所述第一MOS管MN21以及所述第二MOS管MP21均可使用低压MOS管来实现。同理可知，所述电荷泵200中的所述第一MOS管MN22、...MN2i，以及所述第二MOS管MP22、...MP2i均可使用低压MOS管来实现，从而可减小电路面积。由于所述电荷泵200中的所述第一MOS管MN21、MN22、...MN2i，以及所述第二MOS管MP21、MP22、...MP2i均使用低压MOS管来实现，在减小电路的整体面积的同时，各个低压MOS管的栅氧化层的电容也减小，从而可减小各个节点①、②、③、④处的寄生电容，提高所述电荷泵200的输出电压的增益。
为了保证电路速度不受影响，所述控制电路114与所述控制电路214传输电流的能力应该相同。根据MOSFETS饱和区电流公式：
其中，μn表示电子的迁移速率，Cox表示单位面积栅氧化层电容，W/L表示沟道宽长比，VTH表示阈值电压，VGS表示栅源压差。可知，当沟道长度L都取最小尺寸时，可通过改变沟道宽度W来调节电流的大小。
将高压MOS管的沟道长度L取最小值900nM，低压MOS管的沟道长度L取最小值320nM，将高压MOS管的沟道宽度W设置为变量进行仿真，使高压MOS管、低压MOS管均工作在饱和区。如图11的仿真图可看出，要获得与低压MOS管相同的电流，高压MOS管的沟道宽度W应为4.25uM。
下面将对所述电荷泵100以及所述电荷泵200的电路变化部分，即控制电路114以及控制电路214的面积进行分析和比较。
对于图2所示的所述控制电路114，所述第一MOS管MN11对应的W＝4.25uM，L＝0.9uM；所述第二MOS管MP11对应的W＝7.08uM，L＝1.5uM。因此，所述控制电路114的面积S1为：
S1＝4.25*0.9+7.08*1.5＝14.445(uM2)。
对于图8所示的所述控制电路214，所述第一MOS管MN21管的W＝0.36uM，L＝0.32uM；所述第二MOS管MP21对应的W＝0.72uM，L＝0.32uM；所述第三MOS管MT1管对应的W＝1.5uM，L＝0.9uM；所述第二电容Cb1对应的W＝2.5uM，L＝1.5uM。因此，所述控制电路214的面积S2为：
S2＝0.36*0.32+0.72*0.32+1.5*0.9+2.5*1.5＝0.1152+0.2304+1.35+3.75＝5.4456(uM2)
可见，所述控制电路214的面积S2远远小于所述控制电路114的面积S1。
如前面的分析可知，当Vin＝VDD＝3.3V时，所述电荷泵100以及所述电荷泵200的输出电压的理论值均为Vout＝5VDD＝16.5V。
如图12所示，为所述电荷泵100的实际输出电压Vout1与所述电荷泵200的实际输出电压Vout2的仿真对比示意图。从图12中的仿真结果可看出，在相同的仿真条件下，与参考实施例所示的电荷泵100的输出电压相比，所述电荷泵200的输出电压Vout2明显提升，电压损失相对较低。可见，所述电荷泵200的各个输出节点的寄生电容减小了，从而提高了输出电压的增益。
在本申请第一实施例的电荷泵200的各级电荷泵单元21的控制电路214中，栅极与输出端直接电连接的第一MOS管MNi以及第二MOS管MPi均为低压MOS管，从而可避免使用大面积的高压MOS管，能有效减小电荷泵电路的整体面积，同时还有效减小了各级电荷泵单元21的输出端处的寄生电容，进而显著提高了所述电荷泵200的输出电压的增益。此外，通过高压MOS管替换为低压MOS管，并增加高压MOS管MTi来承受高压，使低压MOS管MN21、MP21免受高压的冲击，从而可对低压MOS管进行有效的保护。
本申请所涉及的所述电荷泵100和所述电荷泵200可应用于存储设备中，用于为所述存储设备的存储单元提供所述存储单元执行存储操作所需的工作电压。
请参阅图13，为本申请实施例提供的一种存储设备300的结构示意图。所述存储设备300至少包括存储单元310以及如前述任意实施例提供的电荷泵100或200。其中，所述电荷泵100或200的具体技术细节可参阅前面的详细介绍，在此不重复赘述。
所述存储设备可为各种包含有存储单元的设备，例如，手机、平板电脑、可穿戴设备、移动硬盘、笔记本、固定终端等。
所述存储单元310用于存储数据。所述电荷泵100或200与所述存储单元310电连接，用于提供所述存储单元310执行存储操作所需的工作电压。
其中，所述存储单元310的数量可为多个。所述电荷泵100或200可为向存储单元310提供各种存储操作所需的工作电压。所述存储操作可包括但不限于：向存储单元写入数据的工作电压、擦除存储单元内已写入数据的擦除操作、命令锁存、数据锁存等与存储相关的操作(即存储操作)所需的工作电压。
以上具体实施方式对本申请进行了详细的说明，但这些并非构成对本申请的限制。本申请的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本申请所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电荷泵，包括多级串联的电荷泵单元，其特征在于，每一级电荷泵单元包括：
输入端，用于接收输入电压；
输出端，用于输出电压；
第一电容，包括电连接于所述输出端的第一端以及用于接收时钟信号的第二端；
充电电路，电连接于所述输入端与所述第一电容的第一端之间；以及
控制电路，包括：
第二电容；以及
依次串联的第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管，其中，所述第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管的控制端分别与所述第一电容的第一端电连接；所述第一MOS管电连接于所述输入端与所述第二MOS管之间，所述第三MOS管电连接于所述第二MOS管和后一级电荷泵单元的第一电容的第一端之间，所述第一MOS管和所述第二MOS管之间形成电连接至所述充电电路的第一连接节点，所述第二MOS管和所述第三MOS管之间形成电连接至所述第二电容的一端的第二连接节点，所述第二电容的另一端接地；所述第一MOS管和所述第二MOS管均为低压MOS管，所述第三MOS管为高压MOS管；
其中，所述控制电路在同一级电荷泵单元的第一电容接收到的时钟信号以及后一级电荷泵单元的第一电容接收到的时钟信号的控制下，在所述第一连接节点输出相应的控制电压；所述充电电路在所述控制电路输出的控制电压的控制下，利用所述输入端接收到的输入电压对所述第一电容进行充电。
2.如权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，所述电荷泵还包括电压输入接口，第一级电荷泵单元的输入端电连接至所述电压输入接口，其他各级电荷泵单元的输入端电连接至前一级电荷泵单元的输出端。
3.如权利要求2所述的电荷泵，其特征在于，所述每一级电荷泵单元还包括电连接于所述输入端与所述第一电容的第一端之间的传输单元，所述传输单元用于在所述电荷泵处于稳定状态之前，利用所述输入端接收到的输入电压对所述第一电容进行预充电，使所述第一电容的第一端的电压达到相应的预设电压。
4.如权利要求3所述的电荷泵，其特征在于，所述第一电容的第一端的电压在所述第一电容接收到的时钟信号为高电平时提升预设增量。
5.如权利要求4所述的电荷泵，其特征在于，所述电荷泵还包括：
第一时钟信号输入接口，与奇数级的各个电荷泵单元的第一电容的第二端电连接，用于为所连接的第一电容提供第一时钟信号；以及
第二时钟信号输入接口，与偶数级的各个电荷泵单元的第一电容的第二端电连接，用于为所连接的第一电容提供第二时钟信号；
其中，所述第一时钟信号与所述第二时钟信号为反相的非重迭时钟信号。
6.如权利要求5所述的电荷泵，其特征在于，所述控制电路在同一级电荷泵单元的第一电容接收到的时钟信号为高电平，且后一级电荷泵单元的第一电容接收到的时钟信号为低电平时，在所述第一连接节点处输出第一控制电压，以导通所述充电电路，使所述充电电路利用所述输入端接收到的输入电压对所述第一电容进行充电；以及
所述控制电路在同一级电荷泵单元的第一电容接收到的时钟信号为低电平，且后一级电荷泵单元的第一电容接收到的时钟信号为高电平时，在所述第一连接节点处输出第二控制电压，以断开所述充电电路。
7.如权利要求3所述的电荷泵，其特征在于，所述传输单元为N型MOS管，包括第一连接端、第二连接端和控制端，所述传输单元的第一连接端和控制端均电连接于所述输入端，第二连接端电连接于所述第一电容的第一端。
8.如权利要求1-7任意一项所述的电荷泵，其特征在于，所述充电电路包括一充电开关，所述充电开关为N型MOS管，所述充电开关包括第一连接端、第二连接端和控制端，所述充电开关的第一连接端电连接于所述输入端，第二连接端电连接于所述第一电容的第一端，控制端电连接于所述第一连接节点。
9.如权利要求8所述的电荷泵，其特征在于，所述第一MOS管为N型MOS管，包括第一连接端和第二连接端，所述第一MOS管的第一连接端电连接于所述输入端，第二连接端电连接于所述第一连接节点；
所述第二MOS管为P型MOS管，包括第一连接端和第二连接端，所述第二MOS管的第一连接端电连接于所述第一连接节点，第二连接端电连接于所述第二连接节点；
所述第三MOS管为N型MOS管，包括第一连接端和第二连接端，所述第三MOS管的第一连接端电连接于所述第二连接节点，第二连接端电连接于后一级电荷泵单元的第一电容的第一端。
10.一种存储设备，包括：
存储单元，用于存储数据；以及
如权利要求1至9任意一项所述的电荷泵，所述电荷泵与所述存储单元连接，用于提供所述存储单元执行存储操作所需的工作电压。
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