一种高效率低电压3倍负压电荷泵的设计

根据正压电荷泵的理论推导出负压电荷泵的基本单元，得出了低电压供电的2倍负压泵和为提高其效率而采取的一些优化方法。最后在2倍负压泵的基础上给出一个1.5 V工作电压高性能3倍负压泵的设计实例。该3倍负压泵的设计经流片证明是成功的，并且已经应用于量产产品中。
关 键 词 电荷泵; 3倍负压泵; 效率

1 电荷泵原理
电荷泵能够产生高于电源电位或者低于地电位的直流电压。电荷泵分为两类：开关电容电荷泵和Dickson电荷泵[1~7]。因采用N衬底P阱工艺实现，故本文只讨论负压电荷泵。本节根据开关电容正压电荷泵的理论得到相应的负压电荷泵基本单元。本文所述的2倍和3倍电压是将最高供电电压作为参考电压而言。
负压泵核心电路如图1所示[1]。P1, P2为PMOS管；C1, C2为电容；CLK1, CLK2为不重叠时钟信号；VDD为供电电压。C1和C2上极板交替产生负电压。如果没有产生稳定电压的需要，该电路是比较理想的。因为P1和P2不存在像Dickson电荷泵中的阈值损耗问题；且衬底接VDD保证了P1和P2中PN结反相偏置。但我们需要产生的是稳定的负电压，这就需要一组时序开关管把C1和C2上极板的负电压交替输出。设计一组高性能的开关管是整个电荷泵设计的关键。因为输出负电压，为了避免阈值损耗，开关管选用NMOS管。但随着NMOS管的引入，问题也随之而来：由于不能保证NMOS管P阱电位为最低电位，从而不能保证传输时NMOS管所有PN结都反相偏置。 图1 负压泵核心电路VDDVDDP1P2C1C2CLK1CLK2
一种解决方法可以根据参考文献[2]提出的针对正压泵的解决方法，本文得到相应的负压泵的解决方法如图2所示。Vin为供电电压，Vout为负压输出。该方法通过使用两个电荷泵解决了NMOS开关管N1中PN结正向偏压问题，但NMOS开关管N2中PN结正向偏压问题仍未解决。
另一种解决方法如图3所示[2]，其通过NMOS管N3和N4选择最低电位接入NMOS管N1和N2的衬底，这避免了N1和N2中PN结正向偏压，但N3和N4中PN结正向偏压问题仍未解决。
文献[2, 3]中的方法都需要增加额外的电路，且无法完全避免PN结正向偏压问题。本文从应用的角度出发，提出一种简单实用的方法，最大限度减小NMOS开关管中PN结正向偏压问题给负压电荷泵正常工作带来的影响。

2 2倍负压泵的设计及优化
针对参考文献[4]，将其中2倍正压泵稍加改进得到的2倍负压泵电路，如图4所示。图4中，PMOS管P1, P2和电容C1, C2构成一个电荷泵，作用是提供NMOS开关管N1和N2的开启和截至动作的栅极电压，所以C1和C2的值可以很小；PMOS管P3, P4和电容C3, C4构成另一个电荷泵。产生的负压通过NMOS开关管N1, N2输出，通过控制N1和N2开关动作顺序就可以产生稳定的输出负压。电容Cout作用是平滑输出电压。下面就2倍负压泵关键部分的设计和优化做详细讨论。
2.1 NMOS开关管
NMOS开关管的wafer剖面图以及寄生电路图如图5所示[3]。要完全消除寄生晶体管M1、M2和M3，必须让P阱B接最低电位。文献[2, 3]为了消除寄生晶体管(即避免PN结正向偏压)而提出了不同的解决方法，但是都没有解决所有的开关管的寄生晶体管问题。

下面讨论P阱B和漏极D相连的寄生电路情况，因为N衬底接最高电位，又由于漏极D和源极S分别接电容，所以NMOS开关管的寄生电路可以简化为图6所示。
观察图4和图6，可以知道N1导通时，也是C3下极板放电且上极板产生负电压的时候。如果这时N1中B点电位比S点电位高，寄生二极管D1导通，从而使C3的上极板产生不了理想的负压，使电荷泵效率下降。要使C3的上极板产生较理想的负压，就必须使C3下极板放电速度要远远大于N1中B点向S点放电的速度。实现这种功能，只要使驱动CLK的NMOS下拉管尺寸远远大于NMOS开关管尺寸就可以了。
2.2 时钟信号
从图4电荷泵的结构可知，不重叠的CLK1和CLK2对保证电荷泵正常工作是非常重要的，负压电荷泵的不重叠时钟信号可以由图7所示的方法实现，CLK为电荷泵的工作时钟。
由2.1节的分析可知，提高CLK1和CLK2的边沿垂直度可以提高C3下极板放电速度。提高时钟信号的边沿垂直度在低电压、集成电容非常小的设计中，对提高电荷泵工作性能是非常有利的。所以可以在图7的基础上增加一个施密特触发器(图中标识为SMIT)，如图8所示。

2.3 电平转换电路
图4中，N1和N2 的栅极控制电压逻辑摆幅是−1.5～0 V；N1和N2导通时其栅极电压为0 V。如可以使N1和N2的栅极控制电压逻辑摆幅为−1.5～1.5 V，即让N1和N2导通时的栅极电压为1.5 V，则可大大降低N1和N2的导通电阻，从而提高电荷泵的工作效率。负压电荷泵的电平转换电路[4]如图9所示。图中输出电压Vcon1用来控制图4中N1的栅极，Vout为2倍负压泵的输出负压。用CLK1作为电平转换电路的输入，这可以保证在C3上极板产生负压时N1管才导通。控制N2的栅极的电平转换电路和图9基本一样，只要把图9中CLK1换成CLK2，N2的栅极控制电压为Vcon2。