一種低壓改進型MOS電荷泵電路的設(shè)計

范銘,董清臣

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 自動化與信息工程學院,河南 平頂山467001)

摘要針對使用標準CMOS技術(shù)實現(xiàn)的傳統(tǒng)電荷泵輸出電壓較低的不足,文中提出將基本的電荷轉(zhuǎn)移開關(guān)進行改進的MOS電荷泵,在泵送增益增加電路的基礎(chǔ)上,通過在泵的輸出級增加第3個控制信號來提高電荷泵的電壓增益,以得到更高的輸出電壓,將其作為無線傳感器的能量收集電路。仿真結(jié)果表明,該改進型電荷泵電路適合于低電壓設(shè)備,并具有較高的泵送增益。其輸出電壓在同類電荷泵中最高,在1.5 V電源條件下,可高達8.5 V。

關(guān)鍵詞MOS電荷泵;電荷轉(zhuǎn)移開關(guān);高電壓輸出;能量收集

收稿日期:2015-02-09

作者簡介:范銘(1985—),男,助教。研究方向:數(shù)字電子技術(shù),信號系統(tǒng)。E-mail:sasmike@126.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.018

中圖分類號TN63+.1

An Improved MOS Charge Pump Circuit for Low Voltage Operations

FAN Ming,DONG Qingchen

(College of Automation and Information Engineering,Pingdingshan Institute of

Industry Technology,Pingdingshan 467001,China)

AbstractDue to the disadvantages of traditional charge pump for low output voltage using standard CMOS technology,the paper proposes a new basic charge transfer switch to improve the performance of MOS charge pump,based on pumping gain increasing circuit,the voltage gain of the charge pump can be improved by adding a third control signal at the output stage of the pump.In this paper,we use it as an energy wireless sensor circuit to produce a higher output voltage.The simulation results show that the improved charge pump circuit for low-voltage equipment has a high pumping gain.The output voltage (up to 8.5 V at 1.5 V) is higher than that achievable by any other charge pumps.

KeywordsMOS charge pumps;charge transfer switches;higher output voltage;energy harvesting

為解決無線傳感器應用系統(tǒng)中電池壽命較短的問題,需要改善系統(tǒng)能量收集的方案。因此,提出一種基于能量收集系統(tǒng)的電荷泵電路的設(shè)計方案。微型能量采集系統(tǒng)中最重要的是功率轉(zhuǎn)換器,其調(diào)整換能器的輸出電壓達到一個合適的水平,使能量儲存在一個大電容器或電池中[1-2]。但傳統(tǒng)的換能器只能提供一個較低的電壓源。本文改進的DC/DC功率變換器的電荷泵電路能把低電壓升為高電壓,以避免出現(xiàn)常規(guī)電荷泵設(shè)計的問題。

1常見電荷泵分析

1.1　DICKSON電荷泵

大多數(shù)MOS電荷泵是基于迪克森[3](Dickson)所提出的電路。圖1示出了迪克森電荷泵的基本配置。該電路包括兩個泵送時鐘clk和clk_bar。泵通過二級管連接的NMOS晶體管來實現(xiàn),表現(xiàn)為一個正向電壓Vtn。

圖1　Dickson電荷泵

N級后,輸出電壓

Vout=Vin+N(Vclk-Vtn)-Vtn

(1)

在產(chǎn)生拉電流的負載存在時,輸出電壓由式(2)給出

(2)

假設(shè)所有的耦合電容器在工作頻率下具有相同的C和fosc。在每一個激勵節(jié)點的電壓波動都是相同的,并可表示為

(3)

電壓泵送增益的電荷G為

G=VN+1-VN=ΔV-Vtn

(4)

由于浮體效應,內(nèi)部節(jié)點上電壓的連續(xù)增加會引起每個晶體管的閾值電壓增加,電壓增益出現(xiàn)降低。為了克服電壓增益下降的問題,使用具有零閾值電壓的晶體管或使用單獨的阱來分隔晶體管的襯底,但這種解決方案會帶來額外成本和工藝過程的復雜性等問題[4]。另外方案是不使用二極管連接的NMOS晶體管,選用合適開/關(guān)周期的MOS開關(guān),即采用電荷轉(zhuǎn)移開關(guān)(Charge Transfer Switches,CTS)用來改善電壓泵送增益。

1.2　CTS電荷泵

本文提出了兩種基于CTS的結(jié)構(gòu):使用靜態(tài)CTS的電荷泵、使用動態(tài)CTS的電荷泵。

1.2.1使用靜態(tài)CTS的電荷泵

電荷泵電路如圖2所示,在此電路中MD1～MD4晶體管連接在一起提供電路節(jié)點的初始電荷,晶體管MS1～MS4用于從一個節(jié)點單向傳遞載荷到另一個節(jié)點。

圖2　使用靜態(tài)CTS的四級電荷泵

在該電路中,本文使用i+1級結(jié)點的高電壓來控制第i級晶體管MSi中的柵極電壓,避免由于晶體管MDi的閾值電壓產(chǎn)生的電壓降。因此,每一個階段的電壓增益由下式給出

高溫合金也叫熱強合金，擁有優(yōu)良的高溫強度、抗氧化性、抗熱腐蝕性、耐疲勞性及斷裂韌性等一系列綜合性能，是航空發(fā)動機、地面燃機等航空用動力機械裝置不可替代的核心材料。

G=ΔV

(5)

在圖2中,當clk為高電平時,以導通MS2,MS2的柵源極電壓必須大于閾值電壓

2ΔV>Vtn

(6)

另一方面,當clk為低電平時,使晶體管MS2截止,柵-源電壓必須低于閾值電壓Vtn

2ΔV

(7)

由于式(6),則晶體管MS2不能完全關(guān)斷。因此,靜態(tài)CTS的電荷泵不容許全部電荷轉(zhuǎn)移,否則會導致反向電荷分配現(xiàn)象。要解決此問題,需將電路復雜化,以增加每級的電壓增益[5]。圖3給出了這種新的電荷泵。

1.2.2使用動態(tài)CTS的電荷泵

所添加的逆變器(MNi,MPi),用于關(guān)斷晶體管MSi,避免出現(xiàn)反向電荷分配。參照圖3,當clk為高電平時,無論是在節(jié)點1和節(jié)點的2電壓,還是V2和在節(jié)點3上的電壓都高于2ΔV,如果

2ΔV>Vtp且2ΔV>Vtn

(8)

其中,Vtp是PMOST的閾值電壓,但當clk為低電平時,節(jié)點1處的電壓為V1時,無論節(jié)點2和節(jié)點3的電壓都在2ΔV以上,若

2ΔV>Vtn

(9)

與靜態(tài)CTS的電荷泵不同,晶體管MS2可完全關(guān)斷。因此,由于動態(tài)CTS的電荷泵的優(yōu)異性能,防止了反向電荷分配現(xiàn)象的發(fā)生[6]。

圖3　四級動態(tài)CTS電荷泵

2新型電荷泵設(shè)計

2.1　電荷泵泵送增益增加電路

如果配置該電路,則輸出級的限制問題可被消除,可得到更好的泵送性能。利用一個指數(shù)增益結(jié)構(gòu)和具有高電壓傳輸效率的泵送增益增加(PGI)電路,以提升換能器的輸出電壓。電荷泵的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　使用PGI的一級電荷泵電路

2.2　改進型電荷泵電路

為提高電壓增益,提出了一個改進電荷泵。該改進型電荷泵電路如圖5所示,該電路繼承以上電路的優(yōu)點,并避免傳統(tǒng)電路存在的問題。改進后電路可通過在泵的輸出級增加第3個控制信號來提高電荷泵的電壓增益[7]。事實上,在泵的充電階段,時鐘信號(φ3)總是為零,且電容負載接地。充電后,當泵被停止(信號φ1和φ2被關(guān)閉)時,信號φ3變?yōu)楦唠娖?將電容Cout下部電位變?yōu)閂clk。

圖5　設(shè)計的電荷泵電路

改進型的電荷泵主要目的產(chǎn)生高電壓輸出。因此,在泵的充電階段,電路作為具有泵送增益增加電路(PGI)的電荷泵工作。當充電過程完成時,大小為Vclk的補充電位被加到輸出電壓上[8]。

3電路仿真結(jié)果分析

為了評價改進電荷泵和傳統(tǒng)電荷泵的優(yōu)劣,使用0.35 μm CMOS工藝參數(shù)進行電路仿真。所有的仿真在10 MHz下進行,且電壓振幅為Vclk,泵送級數(shù)為N=4。在所有的電荷泵中,泵送電容和輸出電容值分別是100 pF和50 pF。圖6給出了在Vin=VDD=Vclk時,各類電荷泵仿真輸出電壓比較結(jié)果。如圖6所示,對于所提出的電路,其輸出電壓與同類相比最高。結(jié)果顯示,可通過減小電荷泵的級數(shù)和芯片面積以適應高輸出電壓和低輸入電源的應用。

(1)Dickson型 (2)靜態(tài)CTS電荷泵 (3)動態(tài)CTS電荷泵(4)文獻[9](5)本設(shè)計 圖6　V in=1.5 V時,4種電荷泵的輸出電壓

圖7(a)是在電源電壓為1.5 V時,輸出電壓與對本設(shè)計的電荷、迪克森型和動態(tài)CTS電荷泵泵級數(shù)之間特性曲線的Spice仿真結(jié)果;圖7(b)是VDD分別為1 V,1.2 V,1.5 V和2 V的情況下,輸出電壓與本設(shè)計的電荷泵級數(shù)之間的特性曲線。

圖7　SPICE仿真結(jié)果

圖8給出了在不同電源電壓下輸出電壓的仿真結(jié)果。電路參數(shù)與圖6相同,在1.5 V電源電壓下,輸出可高于8.5 V。在相同條件下,輸出電壓可達3.6 V(Diskson型)和6.19 V(動態(tài)CTS電荷泵),特別的,本設(shè)計的電路適合于低電源電壓的情況。

圖8　本設(shè)計中不同輸出電壓與輸入電壓的特性曲線

4結(jié)束語

本文通過分析不同傳統(tǒng)電荷泵的工作原理以及存在的問題,提出了一種充當DC-DC功率變換器的改進型MOS電荷泵電路,通過Spice仿真表明,該電路在與傳統(tǒng)電荷泵相同的級數(shù)下,可產(chǎn)生較高的輸出電壓,實現(xiàn)了設(shè)計目標。該改進型電荷泵可應用于低電源、低電壓設(shè)備或無線傳感器中。

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