CN110661416A - 调节的高电压参考 - Google Patents

Abstract

可变高电压电荷泵系统包括以级联配置进行布置的多个未调节的开关级和多个调节的开关级。未调节的开关级接收未调节的电压输入信号，并且调节的开关级接收调节的电压输入信号。放大器生成调节的电压输入信号，以使得输出电压达到期望值。

Description

调节的高电压参考

相关申请的交叉引用

本申请要求保护Morton等人在2018年6月28日提交的题为“REGULATED HIGH VOLTAGEREFERENCE”的美国临时申请序列号62/691,597的优先权，该美国临时申请的公开内容由此整体地通过引用结合于本文。

技术领域

本公开涉及电压调节器，并且特别地涉及调节的高电压参考。

背景技术

许多电子系统依赖于使用超过给定电源电压的升压电压。例如，微机电系统（MEMS）可以使用升压电压来偏置检测质量（proof mass）以改善MEMS传感器的灵敏度。在一些情况下，可以使用升压电压来提供高电压驱动器，以允许施加增加的静电力来致动MEMS器件。然而，生成精确的高电压源通常会消耗大量电流。当所需电压充分高于电源电压时，需要电荷泵来把片内参考（on-chip reference）泵上来。附加地，还需要放大器以确保准确调节。

附图说明

图1是根据本公开的可变电荷泵电路的示意图。

图2是MOS开关级的示意图。

具体实施方式

出于促进理解本公开的原理的目的，现在将对在附图中图示并且在下面的书面说明书中描述的实施例做出参考。要理解的是，并不意图由此限制本发明的范围。进一步理解的是，本公开包括对图示实施例的任何更改和修改，并且包括本公开的原理的进一步应用，如本公开所属领域的普通技术人员通常会想到的那样。

本公开涉及准确的高电压产生电路，其具有随着工艺变化降低的电流消耗。通过控制固定数量的电荷泵单元的泵浦电压来降低电流消耗。

图1中描绘了根据本公开的可变高电压电荷泵系统100的实施例。电荷泵系统100包括：多个MOS开关级110，也被称为倍压器，它们以级联配置布置在电压输入节点102与电压输出节点104之间。系统100被配置成接收时钟信号（CLK）106和反向时钟信号（CLKB）108。时钟可以用任何合适的方式来生成。每个MOS开关级包括：用于接收时钟信号（CLK）的时钟信号输入端、用于接收反向时钟信号（CLKB）的反向时钟输入端，以及泵送电容器。

图2中描绘了可以被用来实现电荷泵系统的MOS开关级110（也被称为倍压器）的实施例。除了其他组件之外，MOS开关级还包括：NMOS晶体管165和170、PMOS晶体管175和180、节点A和节点B。在节点A处接收时钟输入信号（CLK），并且在节点B处接收反向时钟输入（CLKB）。可以用任何合适的方式生成时钟信号。

在操作期间，在CLK信号的上升沿之后，晶体管165和170被关断，而晶体管175和180被接通。晶体管175允许节点B上的电容器被充电到输入电压（VIN），而晶体管165将输出电压（VOUT）与节点B隔离。相反地，晶体管170将节点A上存储的电荷与VIN隔离，并且因为电荷在CLK从低转变为高被保存时，节点A上的电压相对于地被加倍，并且通过晶体管180转移到VOUT。在CLKB信号的上升沿上发生相同的操作，其中晶体管175和180被关断并且晶体管170和165被接通。

当时钟信号转变时，电压中的变化必须足够大以翻转由晶体管170/175和晶体管165/180形成的锁存器（latch）。这为VIN的值设置了下限。使用低阈值电压晶体管来降低对VIN的要求是可能的，但是，由于处于关断状态中的漏电流，该结构将不能有效地工作。通过适当地选择最小化晶体管或电容器中的漏电流的组件，可以使用大型级联倍压器来生成大电压，其仅受限于各种组件在高电压下的漏电流。

再次参考图1，电荷泵系统100包括多个调节的开关级110M和多个未调节的开关级110N。如本文中使用的，术语“调节”和“未调节”指代被提供给各个开关级的时钟输入信号和反向时钟输入信号的电压。无论输入电压/电流的波动如何，都控制“调节”电压以使其处于基本恒定的预定电平。“未调节”电压几乎仅取决于输入电压。可以取决于各种因素来使用任何合适数量的未调节和调节的开关级，该因素诸如应用和期望的电压输出。

未调节的开关级110N的电压输出可以偏离期望或设计的电压输出。调节的开关级接收时钟输入信号和反向时钟输入信号，它们被调节到预定调节的电压电平。因此，调节的开关级的输出应该在期望的或设计的电平处基本恒定。调节的电压电平可以是任何合适的电压，这取决于诸如预期的应用和所使用的组件之类的因素。

参考图1，调节的开关级110M从放大器112接收调节的输入电压V_reg。放大器112被配置成将时钟输入信号电压调整到固定数量的调整的开关级110M，以使系统的输出电压达到期望值。该控制方案使电荷泵显著地去负载，从而减少了由于负载所致的变化，并且减少了系统的总体电流消耗。

在电荷泵系统100的输出级处提供分压器114，以感测输出电压并且将分压输出电压作为反馈信号提供给放大器。分压器114包括电阻器R1、R2。任何合适的电阻水平可以被用于分压器。为了克服制造期间器件匹配不良的问题，可以使用修整机制来修整最终设计中的工艺不匹配。这可以通过调整对放大器的反馈中的电阻水平来实行。可以修改修整机制以引起总电流变化方面的进一步改进（即，减小）。优选地，修整中的任何修改都不会更改系统的负载电流。

至少一个前馈电容器（也被称为旁路电容器）可以被用来改进电荷泵系统的稳定性和环路动态。如在图1中可以看到的那样，前馈电容器C_ff 116连接在放大器112的输出端与电荷泵系统100的输出端（其也是分压器的输入端）之间。

一旦放大器稳定，N+M级电荷泵的输出电压由Eq. 1近似。

（1）

其中N是未调节的开关级的数量，并且M是调节的开关级的数量。

系统的近似电流消耗包括理想和寄生损耗，诸如寄生电容和二极管损耗、反向损耗等。根据Eq.2，负载电流（I_load）中的任何变化都被放大级的总数。利用这种新的架构，负载电流中的变化仅来自电阻器上的工艺变化、对放大器的电压参考上的变化（V_set）以及被添加到电阻器的任何修整。

（2）

随着电流减小，系统的输出阻抗以及对应的带宽也减小。往回馈送到源上的任何干扰可能花费很长时间来消散。在本发明中，使用围绕电荷泵的调节部分的旁路电容器（图1中的C_FF）在高频下扩展带宽。这允许环路快速响应和抑制干扰。

尽管已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当看作是说明性的而非限制性的。理解的是，仅呈现了优选实施例，并且期望对落入本公开的精神内的全部改变、修改和进一步的应用进行保护。

Claims (16)

1.一种可变高电压电荷泵系统，其包括：

输出节点，在所述输出节点处提供输出电压；

多个未调节的开关级，其耦合到所述输出节点，每个未调节的开关级包括未调节的时钟输入端、未调节的反向时钟输入端和泵浦电容器，所述未调节的时钟输入端接收未调节的时钟信号，所述未调节的反向时钟输入端接收未调节的反向时钟信号；

多个调节的开关级，其耦合到所述输出节点，每个调节的开关级包括调节的时钟输入端、调节的时钟输入端和泵浦电容器，所述调节的时钟输入端接收调节的时钟信号，所述调节的反向时钟输入端接收调节的反向时钟信号；以及

放大器，其输出调节电压、所述调节的时钟信号和基于所述调节电压生成的调节的反向时钟信号，

其中所述调节电压是可调整的，以使所述输出电压达到期望值。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述多个未调节的开关级和所述多个调节的开关级以级联配置进行布置。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述放大器的反馈回路连接到所述输出节点。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述放大器具有第一输入端和第二输入端，

其中所述反馈回路连接到所述第一输入端，

其中设定点电压连接到所述第二输入端，以及

其中在所述放大器的输出端处提供所述调节电压。

5.如权利要求4所述的系统，其中修改所述设定点电压以调整所述调节电压。

6.如权利要求4所述的系统，其中所述反馈回路包括分压器。

7.如权利要求6所述的系统，其中选择所述分压器的电阻值以在不调整所述输出节点处的负载电流的情况下调整所述输出电压。

8.如权利要求4所述的系统，其中至少一个前馈电容器将所述放大器的输出端电连接到所述输出节点，从而绕过所述调节的开关级。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述未调节的开关级使用倍压器来实现。

10.一种操作可变高电压电荷泵系统的方法，其包括：

向多个未调节的开关级提供未调节的时钟电压和未调节的反向时钟电压，所述多个未调节的开关级与多个调节的开关级级联，所述多个未调节的开关级和所述多个调节的开关级进行耦合以在输出节点处提供输出电压，所述未调节的开关级中的每一个包括未调节的时钟输入端、未调节的反向时钟输入端和泵浦电容器，所述未调节的时钟输入电压被提供给所述时钟输入端，并且所述未调节的反向时钟输入电压被提供给所述反向时钟输入端；

向所述多个经调节的开关级提供调节的时钟电压和调节的反向时钟电压，所述调节的开关级中的每一个包括调节的时钟输入端、调节的反向时钟输入端和泵浦电容器，所述调节的时钟输入电压被提供给所述调节的时钟输入端，并且所述调节的反时钟输入电压被提供给所述调节的反时钟输入端；

调整所述调节的时钟电压和调节的反向时钟电压以使得所述输出电压达到期望值。

11.根据权利要求10所述的方法，其中调整所述调节的时钟电压进一步包括：

使用连接到所述输出节点的反馈回路并且参照设定点电压来生成参考调节电压；以及

基于所述参考调节电压来调整所述调节的时钟电压和所述调节的反向时钟电压。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述反馈回路连接到放大器的第一输入端，并且所述设定点电压连接到所述放大器的第二输入端，在所述放大器的输出端处提供所述参考调节电压。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述放大器的输出端经由至少一个前馈电容器连接到所述输出节点。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述反馈回路包括分压器。

15.如权利要求10所述的方法，其中实现修整方案以在不调整负载电流的情况下调整所述输出电压。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述修整方案包括调整所述反馈回路的电阻值。

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