输出限压功能的电荷泵设计范文

《微电子学杂志》2016年第一期

摘要：

在传统的电荷泵中，通常将更多的设计重点放在电荷泵的升压效率问题上。但是，在低电压工艺中，过高的电压会让MOS管处于被击穿的危险之中，同时，开关管的导通电阻随电源电压的变化很明显。针对上述问题，提出了一种具有输出限压功能的电荷泵。采用0．5μmUMC工艺，利用Cadence和Hspice软件进行电路设计与仿真。结果表明，当电源电压在2．7～5．5V范围内变化时，电荷泵的输出电压可控制在一定范围内，并且开关管的导通电阻变化很小。

关键词：

USB电源管理系统；电荷泵电路；输出限压；低压工艺；导通电阻

1引言

随着电子信息技术的蓬勃发展，计算机硬件有了飞速的发展，设备日益增多，各种便携式电子产品得到了普及，如MP3、照相机、手机等。传统的接口在应用过程中受到了限制。USB接口具有体积小、接口规范统一、支持热插拔等优点，被广泛应用于计算机接口中［1－3］，而USB电源管理系统作为USB接口的重要组成部分，受到越来越多的关注。电荷泵是一种升压装置，利用高频振荡器使电荷在电容处积累，产生高压（高于电源电压），其特点是体积小、电路结构简单、无需电感、不存在电磁噪声，被广泛应用于存储器、传感器电源驱动电路网络、开关电源等电路中［4］。在传统设计中，设计师们把更多的注意力放在了电荷泵的升压效率上，但在一些低压工艺中，电荷泵过高的输出电压会使MOS管处于被击穿的危险之中，有必要将电荷泵的输出电压控制在一定范围内。本文提出了一种具有输出限压功能的电荷泵，该电路采用UMC0．5μm低压工艺，利用Cadence和Hspice进行仿真。结果显示，当电源电压在2．7～5．5V范围内变化时，能够将电荷泵的输出电压控制在一定范围内，保证了开关管的栅源电压稳定，使得该开关管的导通电阻变化很小，适用于低压工艺。

2电荷泵电路架构

2．1USB电源管理系统简易架构图1所示为USB电源管理系统的简易架构图［5］。时钟信号clk由芯片内部振荡器电路产生，并作为输入信号提供给电荷泵。电荷泵的工作原理是利用电容两端电压不能发生突变的特性，产生比电源电压Vin更高的电压Vhv，高电压Vhv为源极驱动及控制电路供电，从而为开关管的栅极提供驱动电压，使得开关管导通，得到输出Vout。在传统的USB电源管理系统中，高压Vhv随着电荷泵级数的增多而增大。最早的理想电荷泵模型是由J．Dickson提出的，通过电容对电荷的积累效应产生高压［6］，如图2所示。在Dickson电荷泵中［7］，C1～Cn为充电电容，且容值相等；clk1和clk2是幅度为VIN的互不交叠时钟信号；Cs是寄生电容，Cout是负载电容。Dickson电荷泵借助极性相反的驱动信号对电容进行充放电，将电源和前一级的电荷不断灌入下一级中，从而在最后一级得到需要的高压。当电源电压在低压2．7～5．5V变化时，Dickson电荷泵的输出电压会有较大波动。为了在电源电压较低时仍能得到较高的栅极驱动电压，需要增加电荷泵的级数，但这会使得在电源电压较高时，电荷泵的输出电压Vhv会更大。过高的Vhv在低压工艺下会超出MOS管的耐压范围，使得MOS管有被击穿的危险。为了克服传统Dickson电荷泵的这些问题，本文提出了一种具有输出限压功能的电荷泵电路。

2．2电荷泵电路的原理分析图3所示为本文提出的电荷泵，由两部分组成，2倍升压部分和输出及电压控制部分。图中，clk1和clk2为互不交叠的时钟信号；M11，M12，M1，M2，M3，M4为NMOS管，其他均为PMOS管；Ibias为芯片内部基准产生的基准电流。在上述电荷泵电路中，若要使得该输出电压在工艺承受范围之内，可以调节PMOS管M7和M8的电流I1和I0，以及电阻R的大小；若要得到一定的开关管导通电阻，需要增加NMOS的个数，这必然会增加芯片的面积。因此，在进行设计时，要综合考虑工艺与面积，得到最佳的设计结果。

3实际电路仿真

本文基于0．5μmUMC工艺，采用Cadence和Hspice进行仿真。首先设置输入端fclk1与fclk2的频率为2MHz，I1和I0的电流值为1μA，电阻R的值为4MΩ，然后进行电路仿真。图4所示为本文设计的电荷泵在去掉控制部分（并将电容C2的G端接clk2）和没有去掉控制部分这两种情况下输出电压的变化曲线。由图可知，当温度为25℃，电源电压在2．7～5．5V变化时，没有控制部分的电荷泵的输出电压变化范围为6．8～14．8V，而有控制部分的电荷泵的输出电压变化范围为6．65～9．59V。由此可知，本文提出的电荷泵能够将输出电压控制在一定范围内，不会使MOS管有被击穿的危险。表1所示为本文提出的电荷泵在电源电压Vin分别为2．7，3．3，4，5和5．5V时，电荷泵的输出电压Vhv以及开关管的栅源电压Vgs的值。可以看出，当电源电压在2．7～5．5V变化时，开关管的栅源电压变化很小，电荷泵输出电压在（Vin＋4）V左右。图5所示为本文提出的电荷泵在电源电压分别为2．7，3．3，4及5．5V时，开关管的导通电阻变化情况。仿真结果显示，当电压在2．7～5．5V变化时，导通电阻的变化非常小，其变化率只有千分之几，主要原因是由于MOS管存在体效应。当电源电压一定、温度范围为－40℃～125℃时，电荷泵的输出电压随温度变化的曲线如图6所示。由图可知，当电源电压为2．7V时，电荷泵的输出电压变化范围为6．4～6．67V；当电源电压为5．5V时，电荷泵的输出电压变化范围为9．51～10．02V。当电源电压分别为2．7，5及5．5V时，电荷泵输出电压最大变化为0．5V。可以看出，当电源电压发生变化时，电荷泵的输出电压变化非常小，导通电阻的变化也非常小，符合设计要求。

4结束语

本文简单分析了USB电源管理系统的架构，并针对低压工艺下电荷泵输出电压过高会使MOS管有击穿危险的问题，提出了一种具有输出限压功能的电荷泵。该电荷泵结构新颖，逻辑简单易懂。使用Cadence和Hspice软件进行电路仿真，结果显示，该电路的电源电压在2．7～5．5V变化时，电荷泵的输出电压被限定在一定范围内，使得开关管的栅源电压变化很小，导通电阻随电源电压变化也很小，完全满足电路的设计要求。

作者：范建功 冯全源 单位：西南交通大学 微电子研究所