TWI580163B

TWI580163B - 電荷泵電路

Info

Publication number: TWI580163B
Application number: TW105112579A
Authority: TW
Inventors: Zhirong Chen; Wing Chun Chan; Wai Kwong Lee; Wai Sum Choi
Original assignee: Solomon Systech (Shenzhen) Ltd
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-04-21
Also published as: TW201739158A; KR101802396B1; CN107306082A; US9641069B1; CN107306082B; KR20170119299A

Description

電荷泵電路

本發明係涉及電子電路，更具體地，涉及電荷泵電路。

圖1A是常規的迪克森（Dickson）電荷泵電路的一級的示意性電路圖。圖1B是圖1A所示的電路的電晶體M1的截面圖。圖1C是圖1A所示的電路的時序圖。圖1D是常規的迪克森電荷泵的示意性電路圖，該迪克森電荷泵具有8個如圖1A所示的級。參照圖1A、1B、1C和1D，MOS電晶體M3和M4用於偏置一傳輸MOS管 M1的管體。MG1是在MOS器件M1的閘極端子處的電壓電平。CK是驅動MG1的時鐘，其經由電容器C1驅動。當CK為高時，MG1將被驅動至更高的電壓電平，M1將關斷，該時間段被稱為“關斷週期”。當CK為低時，MG1將被驅動至更低的電壓電平，M1將導通，該時間段被稱為“導通週期”。

電晶體M3和M4的導通電阻Ron很大，M1的管體因此不能恰當地跟隨M1的源極和汲極上的電壓切換。換言之，M1的源極和汲極上的電壓變化會驅動M1的管體上的電壓變化，然而，M1的管體上的電壓變化回應很緩慢。

在“關斷週期”的開始時間t1，當V _N電壓在短時間內泵升時，M1的管體（NW1）不能跟隨V _N的電壓。時間t1之前，V _N的電壓低於M1的管體的電壓。從時間t1開始，V _N的電壓高於M1的管體電壓（即，V _N＞ V _NW1），因此M1的源極側的寄生BJT管導通，導致漏電流從V _N流到襯底（P-sub），該襯底連接到地。漏電流降低了電路的效率。

本發明涉及一種電荷泵電路。在一個方面，所述電荷泵電路包括多級電路。所述電荷泵電路的每級包括：第一電晶體，所述第一電晶體的源極和汲極中的一個是所述級的輸出，所述第一電晶體的源極和汲極中的另一個是所述級的輸入；第二電晶體，所述第二電晶體的閘極連接到所述第一電晶體的源極，所述第二電晶體的源極和汲極中的一個連接到所述第一電晶體的汲極，所述第二電晶體的源極和汲極中的另一個連接到所述第一電晶體的閘極，所述第二電晶體的管體連接到所述第一電晶體的管體；第三電晶體，所述第三電晶體的閘極連接到所述第一電晶體的汲極，所述第三電晶體的源極和汲極中的一個連接到所述第一電晶體的源極，所述第三電晶體的源極和汲極中的另一個連接到所述第一電晶體的管體和所述第三電晶體的管體；第一電容器，將第一時鐘連接到所述第一電晶體的閘極；第二電容器，將第二時鐘連接到所述第一電晶體的源極；第三電容器，將第三時鐘連接到所述第一電晶體的汲極；以及第四電容器，將所述第一電晶體的管體連接到所述第一電晶體的汲極；其中所述第一時鐘由預定級的輸出驅動；所述第二時鐘和第三時鐘分別由相同的系統電源電壓驅動；且所述預定級的輸出大於所述系統電源電壓。

所述第一、第二和第三電晶體可以是PMOS電晶體。所述第一、第二和第三電晶體可以是NMOS電晶體。所述第四電容器的電容可以超過所述第一電晶體的管體上的寄生電容的5倍。

奇數級的第一時鐘可以由一個奇數級的輸出驅動，而偶數級的第一時鐘可以由一個偶數級的輸出驅動。

在另一方面，本發明提供了一種電荷泵電路，包括多級電路。所述電荷泵電路的每級包括：第一電晶體，所述第一電晶體的源極和汲極中的一個是所述級的輸出，所述第一電晶體的源極和汲極中的另一個是所述級的輸入；第二電晶體，所述第二電晶體的閘極連接到所述第一電晶體的源極，所述第二電晶體的源極和汲極中的一個連接到所述第一電晶體的汲極，所述第二電晶體的源極和汲極中的另一個連接到所述第一電晶體的閘極，所述第二電晶體的管體連接到所述第一電晶體的管體；第三電晶體，所述第三電晶體的閘極連接到所述第一電晶體的汲極，所述第三電晶體的源極和汲極中的一個連接到所述第一電晶體的源極，所述第三電晶體的源極和汲極中的另一個連接到所述第一電晶體的管體和所述第三電晶體的管體；第一電容器，將第一時鐘連接到所述第一電晶體的閘極；第二電容器，將第二時鐘連接到所述第一電晶體的源極；第三電容器，將第三時鐘連接到所述第一電晶體的汲極；以及第四電容器，將所述第一電晶體的管體連接到所述第一電晶體的汲極。

所述第二時鐘和第三時鐘可以分別由相同的系統電源電壓驅動。所述第一、第二和第三時鐘可以分別由相同的系統電源電壓驅動。所述第一、第二和第三電晶體可以是PMOS電晶體。所述第一、第二和第三電晶體可以是NMOS電晶體。所述第四電容器的電容可以超過所述第一電晶體的管體上的寄生電容的10倍。

奇數級的第一時鐘可以由一個奇數級的輸出驅動，而偶數級的第一時鐘可以由一個偶數級的輸出驅動。奇數級的第一時鐘也可以由一個偶數級的輸出驅動，而偶數級的第一時鐘也可以由一個奇數級的輸出驅動。

在又一方面，本發明提供了一種電荷泵電路，包括多級電路。所述電荷泵電路的每級包括：第一電晶體，所述第一電晶體的汲極是所述級的輸出，所述第一電晶體的源極是所述級的輸入；第二電晶體，所述第二電晶體的閘極連接到所述第一電晶體的源極，所述第二電晶體的汲極連接到所述第一電晶體的汲極，所述第二電晶體的源極連接到所述第一電晶體的閘極，所述第二電晶體的管體連接到所述第一電晶體的管體；第三電晶體，所述第三電晶體的閘極連接到所述第一電晶體的汲極，所述第三電晶體的汲極連接到所述第一電晶體的源極，所述第三電晶體的源極連接到所述第一電晶體的管體和所述第三電晶體的管體；其中所述第一電晶體的閘極由第一時鐘通過第一電容器驅動；所述第一電晶體的源極由第二時鐘通過第二電容器驅動；所述第一電晶體的汲極由第三時鐘通過第三電容器驅動；且所述第一電晶體的管體通過第四電容器連接到所述第一電晶體的汲極。

所述第一時鐘可以由預定級的輸出驅動。奇數級的第一時鐘可以由一級的輸出驅動，而偶數級的第一時鐘可以由與驅動奇數級的第一時鐘的所述級相鄰的級驅動。所述第二時鐘和第三時鐘可以分別由相同的系統電源電壓驅動。所述預定級的輸出可以比所述系統電源電壓更高。

所述第一、第二和第三時鐘可以分別由相同的系統電源電壓驅動。所述第四電容器的電容可以超過所述第一電晶體的管體上的寄生電容的10倍。

現在將詳細地參照在本發明中所揭示的電荷泵電路的優選實施例，在以下的描述中，還提供了電荷泵電路的例子。在本發明中所揭示的電荷泵電路的示例性實施例被詳細描述，但對於相關技術領域的人員來說很明顯，為清楚起見，對於理解電荷泵電路不是特別重要的一些特徵可能沒有示出。

此外，應該理解，在本發明中所揭示的電荷泵電路不限於以下描述的精確實施例，本領域技術人員可以對它們做出各種變化和修改，而不脫離保護的精神或範圍。例如，不同的描述性實施例的元件和/或特徵可以在本發明中所揭示的範圍內彼此組合和/或彼此替代。

圖2A是根據本發明的實施例的電荷泵電路的一級的示意性電路圖。圖2B是圖2A所示的電路的時序圖。參照圖2A和2B，電荷泵電路包括多級電路。電荷泵電路的每級包括：第一電晶體M1，第一電晶體M1的汲極是該級的輸出，第一電晶體M1的源極作為該級的輸入；第二電晶體M2，第二電晶體M2的閘極連接到第一電晶體M1的源極，第二電晶體M2的汲極連接到第一電晶體M1的汲極，第二電晶體M2的源極連接到第一電晶體M1的閘極，第二電晶體M2的管體連接到第一電晶體M1的管體；第三電晶體M3，第三電晶體M3的閘極連接到第一電晶體M1的汲極，第三電晶體M3的汲極連接到第一電晶體M1的源極，第三電晶體M3的源極連接到第一電晶體M1的管體和第三電晶體M3的管體；第一電容器C1，將第一時鐘CK連接到第一電晶體M1的閘極；第二電容器C2，將第二時鐘CLK連接到第一電晶體M1的源極；第三電容器C3，將第三時鐘CLKB連接到第一電晶體M1的汲極；以及第四電容器C1B，將第一電晶體M1的管體連接到第一電晶體M1的汲極。

在本實施例中，電容器C1B用來取代圖1A中的電晶體M4。電容器C1B能夠驅動電晶體M1的管體（NW1）。由於電容C1B比管體NW1上的其他寄生電容相對大得多，管體NW1對V _N的電壓變化的電壓回應很快。在時間t1之後，V _N的電壓一直低於M1的管體電壓。BJT管保持關斷，因此，沒有漏電流。圖3示出了電荷泵電路，它包括8個如圖2A所示的級。圖4示出如圖3所示的電荷泵電路的模擬結果。參照圖4，在本實施例中，電荷泵電路可以將能效增加36％，且最大輸出電流可以增加22％。

在本實施例中，C1B的電容取決於電晶體M1的管體上的寄生電容，該寄生電容與電晶體M1的尺寸有關。只要空間允許，C1B的電容優選是電晶體M1的管體上的寄生電容的10倍以上，並且它應該是至少5倍。

如果C1B的電容太大，C1B上的寄生電容將會降低電荷泵的效率。如果C1B的電容太小，M1的管體電壓對V _N的回應將會很慢。

圖5A是根據本發明的實施例的電荷泵電路的兩級的示意性電路圖。圖5B是圖5A所示的電路的時序圖。參照圖5A和5B，在本實施例中，電壓CKB具有幅度等於VDD電壓的電壓擺幅，這是系統電源電壓。電晶體M5的柵源電壓（Vgs5）通過電容器Cg5耦合CKB而驅動。因此Vgs5電壓擺幅小，並且不會超過VDD。小的Vgs5導通M5，導致該傳輸MOS管 M5的導通電阻（Ron）較大。這樣，較大的電阻上存在功耗，降低了輸出功率和效率。

在關斷週期，電容器Cg5的一個端子恒定於VDD的電壓電平。另一端子MG5是M5的閘極，MG5由N5通過M50驅動，在關斷週期內有電平變化。因此，電容器Cg5被充電和放電，這消耗了功率。

圖6A是根據本發明的另一個實施例的電荷泵電路的兩級的示意性電路圖。圖6B是圖6A所示的電路的時序圖。本實施例使用中間級的動態輸出作為閘極驅動電路的電源。不同級的閘極驅動電路的電源可以是不同的，並且可以單獨優化。在本實施例中，參照圖6A和6B，使用三個不同的電源：VDD、第3級的輸出（N3）和第4級的輸出（N4）。級1和級8的閘極驅動電路由VDD供電。級2、級4和級6的閘極驅動電路由N4供電。級3、級5和級7的閘極驅動電路由N3供電。換言之，在本實施例中，奇數級（例如級3、級5和級7）的第一時鐘（即，CKB_HV）由一個奇數級的輸出（例如N3）來驅動，而偶數級（例如，級2、級4和級6）的第一時鐘（即，CK_HV）由一個偶數級的輸出（例如，N4）來驅動。

參照圖6A和6B，級5的輸出是N5，傳輸MOS管是M5，閘極驅動時鐘是CKB_HV。M5的閘極導通電壓得到提升。通過電容器Cg5，CKB_HV被用來驅動M5的閘極端子。

CKB_HV驅動電路的電源是N3，其電壓高於VDD。M5的柵源電壓（Vgs5）因此增大（與常規電路相比），使傳輸MOS管 M5的導通電阻（Ron）降低。因此，減少了電阻上的功耗，提高了輸出功率和效率。

在本實施例中，電容器Cg5的一個端子被N5驅動。電容器Cg5的另一端被CKB_HV驅動，CKB_HV由N3供電。除了DC電壓差外，N3具有與N5相同的波形。N3和N5之間的電壓差接近於常數。橫跨Cg5的兩個端子的電壓幾乎是常數。因此，Cg5充放電的功耗大大減小。

在本實施例中，閘極驅動電路由更高的電壓供電。因此，它們消耗更多的功率。因此本實施例的優勢在於更高的輸出電流或功率，而不是提高效率。圖7示出如圖6A中所示的電荷泵電路的模擬結果。

在本實施例中，最後一級的輸出是靜態VOUT，而其它級的輸出有電平的翻轉和變化。對電容器Cg5上降低功耗的分析不適用於最後一級。最後一級的閘極驅動電路使用靜態DC電源有助於減少電容器上的功耗，而如果使用具有電平變化的電源則會增加電容器上的功耗。

在本實施例中，最後一級的閘極驅動電路的電源為VDD。這有助於減少電容器的功耗，但與此同時，該電路不具有該傳輸MOS管的更高閘極導通電壓和更低導通電阻的優勢。

在本實施例中，閘極電壓越高，導通電阻（Ron）將會越低，或者，在相同的導通電阻下，所需要的MOS電晶體尺寸越小。導通電阻越低，輸出功率越高。

為了增加輸出功率，可選擇更高電壓的級的輸出來為閘極時鐘驅動器供電，但功耗將變得更高，並且能效將變得更低。為了提高能效，可選擇較低電壓的級的輸出來為閘極時鐘驅動器供電。

在本實施例中，電荷泵電路的輸出功率增加，或者，在相同功率輸出下，器件的尺寸和成本降低。

圖8是根據本發明的另一實施例的電荷泵電路的示意性電路圖。在本實施例中，所有的電晶體是NMOS電晶體。應當理解，雖然在圖8所示的電荷泵電路中有八級，但是電荷泵電路的級數可以與本實施例的8級、以及上述的其他實施例的級數不同。圖9A和9B示出了圖3所示的電荷泵電路（PMOS實現）的單級電路與圖8所示的電荷泵電路（NMOS實現）的單級電路相比較的示意性電路圖。

參照圖8，在本實施例中，三種不同的電源被使用：VDD、級3的輸出（N3）和級4的輸出（N4）。級1和級8的閘極驅動電路由VDD供電。級2、級4和級6的閘極驅動電路由N3供電。級3、級5和級7的閘極驅動電路由N4供電。換言之，在本實施例中，奇數級（例如級3、級5和級7）的第一時鐘（即，CKB_HV）由一個偶數級的輸出（例如N4）來驅動，而偶數級（例如，級2、級4和級6）的第一時鐘（即CK_HV）由一個奇數級的輸出（例如，N3）來驅動。

雖然已經特別參照了多個實施例對本發明進行了圖示和描述，但應該注意，可以做出各種其他的變化或修改，而不脫離本發明的範圍。

C1‧‧‧第一電容器

C2‧‧‧第二電容器

C3‧‧‧第三電容器

C1B‧‧‧第四電容器

CK‧‧‧第一時鐘

CLK‧‧‧第二時鐘

CLKB‧‧‧第三時鐘

M1‧‧‧第一電晶體

M2‧‧‧第二電晶體

M3‧‧‧第三電晶體

NW1‧‧‧管體

圖1A是常規的迪克森電荷泵電路的一級的示意性電路圖。圖1B是圖1A所示的電路的電晶體M1的截面圖。圖1C是圖1A所示的電路的時序圖。圖1D是常規的迪克森電荷泵的示意性電路圖，該迪克森電荷泵具有8個如圖1A所示的級。圖2A是根據本發明的實施例的電荷泵電路的一級的示意性電路圖。圖2B是圖2A所示的電路的時序圖。圖3示出了電荷泵電路，包括8個如圖2A所示的級。圖4示出如圖3中所示的電荷泵電路的模擬結果。圖5A是根據本發明的實施例的電荷泵電路的兩級的示意性電路圖。圖5B是圖5A所示的電路的時序圖。圖6A是根據本發明的另一個實施例的電荷泵電路的兩級的示意性電路圖。圖6B是圖6A所示的電路的時序圖。圖7示出如圖6A中所示的電荷泵電路的模擬結果。圖8是根據本發明的另一實施例的電荷泵電路的示意性電路圖。圖9A和9B示出了圖3所示的電荷泵電路的級與圖8所示的電荷泵電路的級相比較的示意性電路圖。