國電南瑞科技股份有限公司 余 南

升壓電荷泵等效電阻模型

國電南瑞科技股份有限公司 余 南

DC-DC升壓電荷泵的能量損失主要分為兩類：阻性功耗和動(dòng)態(tài)功耗。通過建立模型推導(dǎo)了阻性功耗等效電阻的表達(dá)式。

集成電路；模擬集成電路；電荷泵；低功耗

很多電路如非揮發(fā)性存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)等需要遠(yuǎn)高于電源電壓VDD的電壓。隨著工藝的發(fā)展VDD越來越低，在一些模擬電路中也需要高于VDD的電壓。這些高電壓由電荷泵電路生成。片上電荷泵大多基于Dickson結(jié)構(gòu)，如圖1所示，用時(shí)鐘clk及其反相時(shí)鐘clkn驅(qū)動(dòng)泵電容CT，把電荷泵到負(fù)載電容CL上累積，從而得到高壓[1]。但是這種結(jié)構(gòu)的功耗效率很低[2]。

圖1 Dickson 電荷泵Fig. 1 Dickson charge pump

圖2 電容充、放電過程Fig. 2 Charging and recharging parasitic capacitors

片上電容CT下極板會(huì)有很大的對(duì)地寄生電容Cpar，其值一般為CT的10~20%。至今所有片上電荷泵中時(shí)鐘均為方波，經(jīng)過driver電路(通常為反相器)得到clk和clkn來驅(qū)動(dòng)泵電容的下極板。忽略自身寄生電容，driver輸出端寄生電容約為n*Cpar。如圖2所示，driver電路對(duì)Cpar很快充、放電導(dǎo)致功耗[2]。在此短暫過程中泵電容n*CT中電荷幾乎不變，不消耗能量。

1 Rs表達(dá)式

為提高電壓增益，圖1中二極管通常用電荷傳輸開關(guān)(charge transfer switch, CTS)來代替[2]，設(shè)其導(dǎo)通電阻為Rpass。設(shè)單個(gè)泵電容值為CT，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk周期為T (T=1/f)。

圖3 Dickson電荷泵模型Fig. 3 Model of the Dickson charge pump

設(shè)電荷泵數(shù)目n為偶數(shù)，則Dickson電荷泵電路在半個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的工作模型見圖3(可以證明n為奇數(shù)有相同結(jié)論)。其中Rup、Rdn分別表示時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路（driver）的等效充電電阻和等效放電電阻；C1表示所有待放電電容的總量(其值等于所有待充電電容的總量C2，C1= C2=n* CT/2)；Rsw表示兩電容C間所有開關(guān)的總電阻(Rsw=2*Rpass/n)。整個(gè)環(huán)路的總電阻用R表示(R=Rsw+Rup+Rdn)。

當(dāng)driver帶驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)時(shí)：

設(shè)開關(guān)合上前兩個(gè)電容上極板電壓分別為V1(0) 和V2(0)。記開關(guān)合上后時(shí)間為t=0。

t時(shí)刻環(huán)路中電流：

0到t時(shí)間內(nèi)兩電容之間傳輸?shù)碾姾闪浚?/p>

0到t時(shí)間內(nèi)VDD輸出的電能量：

0到t時(shí)間內(nèi)整個(gè)電路損失的電能量：

此時(shí)間內(nèi)電阻R發(fā)熱消耗的能量為ER(t)：

顯然，整個(gè)環(huán)路浪費(fèi)的電能量全部轉(zhuǎn)換為R上熱能。

從負(fù)載端看來，等效為電荷泵輸出端有一個(gè)恒定電阻Rs消耗上述熱能[1]。設(shè)電荷泵電路負(fù)載電流為恒定值IL，在圖3中電荷傳輸?shù)目倳r(shí)間(T/2)內(nèi)計(jì)算得：

整理得Rs更精確的表達(dá)式：

和文獻(xiàn)[3]引用的結(jié)論一致。[T/(2RCT)]比較大時(shí)Rs=n/( f * CT) ，對(duì)應(yīng)于電荷完全轉(zhuǎn)移的情況。

Rs與(RCf)的關(guān)系：

圖4 函數(shù): y=x*coth(x)Fig. 4 Function: y=x*coth(x)

由上可見，阻性功耗很難消除，這是因?yàn)镈ickson電荷泵的基本思想是在電容之間傳輸電荷。

[1]Dickson J F.On-chip high-voltage generation in MNOS integrated circuits using an improved voltage multiplier technique[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,1976,11(3):374-378.

[2]Cabrini A,Gobbi L,Torelli G.A theoretical discussion on performance limits of CMOS charge pumps[EB/OL].(2005-08-28)[2006-11-6].http://ieeexplore.ieee.org/iel5/10211/32579/01522986.pdf.

[3]Cabrini A.Enhanced charge pump for ultra-low-voltage applications[J].Electronics Letters,2006,42(9):512-514.