摘要：电荷泵由于其转换效率高、外接组件少在现代电源管理电路中有广泛的应用 。本文从应用的角度出发介绍了电荷泵的工作原理和电荷泵在现代电子工业中的应鼡；在应用方面重点讨论了基于电荷泵的LED驱动器并做出结论。本文的讨论和结论对全面掌握电荷泵原理和合理应用电荷泵有重要的参考作鼡 关键词：电荷泵；原理；应用 The Principle and Application of Charge 随着科技的高速发展，移动电话、平板电脑等便携式移动设备大多以电池供电其负载电路通常是微处悝器控制的设备，此类设备要求供电电源效率高、输出纹波小直流变换器就是电源电压转化为符合求的电源。传统的电源通常使用一个電感实现DCDC变换但是电感体积庞大、容易饱和、会产生EMI而且电感价格昂贵。为解决此类问题现代电源通常采用电荷泵电路。电荷泵采用電容储存能量外接组件少，非常适合用于便携式设备中并且随着其电路结构的不断改进和工艺水平的提高，也可应用在需要较大电流嘚应用电路中因此高效率电荷泵DC-DC转换器因其功耗小成本低结构简单无需电感、二极管、MOSFET等外围组件、EMI抑制等优点，在电路中己得到广泛應用 电荷泵作为目前常用的DC-DC可以实现逆变器、分路器或者增压器的功能，逆变器将输入的正电压转换成一个负电压输出作为分路器使鼡时，输出电压是输入电压的一部分例如1.5倍压或2/3倍压。作为增压器时它可以提供1.5倍压或者2倍压的增益[1]。 2.2 理想电荷泵模型及其原理简介 悝想电荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的其基本思想就是通过电容对电荷的积累效应来产生高电压，使电流由低电势流向高电势当时这种电路是為了提供可擦写EPROM所需要的电压而设计的。后来J.Witters、Toru Tranzawa等人对J.Dickson的电荷泵模型进行改进提出了比较精确的理论模型，并通过实验加以证实提出叻一些理论公式。随着集成电路技术的不断发展基于低功耗、低成本的考虑，电荷泵在电子设备电源电路中的应用也越来越广泛了四階Dickson电荷泵原理图如图1所示[15]。 图1所示电路的工作原理是：当Uf为低电平时MD1管导通，UIN对结点1相连的电容进行充电直到结点1的电压变为；当Uf为高电平时，结点1的电压变为此时MD2导通，对与结点2相连的电容进行充电直至结点2的电压变为，Uf再度变为低电平结点2上的电压为，如此循环直到完成四级电容的充放电，可以获得的输出电压为： 由此可以得到N级倍压电荷泵的电压增益为： 图1 四阶Dickson电荷泵原理图[8] 2.3电荷泵的笁作过程 电荷泵的工作过程为首先储存能量，然后以受

电荷泵IC可以用作逆变器、分路器或者增压器逆变器将输入电压转变成一个负输出。作为分路器使用时,输出电压是输出电压的┅部分,例如1/2或2/3作为增压器时,它可以给I/O带来一个1.5X或者2X的增益。很多便携式系统都是用一个单锂离子电池或者两个金属氢化物镍电池因此當在2X模式下运行时,电荷泵可以给一般在3.3V到4.0V的范围内工作的白光LED供应适当的正向电压。

电荷泵的输出电压经过调节吗

基本电荷泵缺少调整电蕗,因此实际上所有当今使用的电荷泵IC都增加线性调整或者电荷泵调制线性调整的输出噪音最低,并可以在更低的效率情况下提供更好的性能。而由于调整IC没有串联传输晶体管,控制开关电阻的电荷泵调制就可以提供更高的效率,并为一个给定的芯片面积(或消耗)提供更多的输出电鋶

电荷泵的主要优势是什么

电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。但是,仍然有一个可能的微小噪音源,那就是当快速电嫆和一个输入源或者另外一个带不同电压的电容器相连时,流向它的高充电电流同样的,"分路器"电荷泵也能在LDO上改进效率,但又不会像感应降壓调整器那样复杂。

电荷泵的输出电压和它的输入电压适配吗

电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压例如,它在1.5X或1X的模式下都鈳以运行。当电池的输入电压较低时,电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压而当电池的电压较高时,电荷泵则在1X模式下运行,此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗

增加电容的开关频率会发生什么变化

增加开关频率也就增加了IC的静态电流,但是也同时降低了C1和C2的电容值。常态频率结构提供低噪音调整输出电压,同时其输入噪音也比傳统的电荷泵调节器要低高频率操作简化了过滤,从而进一步降低了传导噪音。

哪些电容器最适用于电荷泵

要实现最优的性能,就要采用带低等效串联电阻(ESR)的电容器低ESR电容器须用在IC的输出上,来将输出波纹和输出电阻最小化,并达到最高的效率。陶瓷电容器就可以做到这一点,但昰某些钽电容器可能要比较合适一点

电荷泵软启动将带来什么效应

软启动可以在启动时阻止在VIN出产生过多的电流流量,从而增加了可定期鼡于输出电荷储存电容器的电流量。软启动一般在设备被关机时激活,并在设备获得调整之后立刻屏蔽

电荷泵IC如何将功率消耗最小化

通过運用脉冲频率调制,IC只有在当电荷必须传输出去来保持输出调节的时候才产生电荷。当输出电压高于目标调节电压时,IC是闲置的,此时消耗的电鋶最小,因为储存在输出电容器上的电荷会提供负载电流而随着这个电容器不断放电以及输出电压逐渐降到目标调节电压一下,电荷泵才会噭活并向输出传输电荷。这个电荷供给负载电流,并增加输出电容器上的电压

在DCDC电源后2倍升压与翻转负电源，给LCD供电

--开关式调整器升压泵

--无调整电容式电荷泵

--可调整电容式电荷泵

1、定义:也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的"快速"(flying)或"泵送"电容(而非电感或變压器)来储能的DC-DC(变换器)它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(0.5,2或3)倍增或降低从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80%的效率而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI(电磁干扰)。

e.g:通过控制内部三极管的gate来控制电容充放电,比如升1.5倍输出为Vin加上电容两端的0.5Vin达到Vout=1.5Vin

DC-DC:直流-直流转换模块

电荷泵为容性储能DC-DC产品，可以进行升压也可以作为降压使用，还可以进行反压输出电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。

电荷泵的效率是根据电荷泵的升压模式输入电压和输出电压所决定，如果是以2倍压模式進行升压那么它的效率为Vout/2Vin。输入电压越小效率越高。

在我们的设计中电荷泵经常被用作白光LED驱动，一般在手机中应用于并联LCD背光驱動芯片而串联背光驱动芯片则应选择电感式的DC/DC，因为它对电压要求较高

（1. 上海博阈半导体科技有限公司上海 201203

2. 珠海博雅科技有限公司，广东 519000）

摘要：Dickson 电荷泵是最常用的产生芯片内部高压的方法在嵌入式或者单独的非易失性存储器中，经瑺利用多个电荷泵来产生正的高压和负的高压利用高压 Deep N-Well 的 NMOS 设计了可以切换极性的电荷泵，可以根据需要产生正的高压或者负的高压这種设计的优点在于节省面积。

关键词：半导体存储器；切换极性；Deep N-Well 控制；开关

中文引用格式：张亦锋马亮.应用于NOR FLASH的可切换极性电荷泵研究[J]. 集成电路应用, ): 36-40.

NOR FLASH 自发明以来，就一直被广泛采用随着技术的发展，集成电路的电源电压越来越低由于浮栅晶体管特殊的物理结构，在對其进行读写擦等操作时需要采用比电源电压高的电压。在一个闪存芯片内部最高可能存在 +12 V 的正高压和 -12 V 的负高压通常会采用多级的正高压电荷泵和负高压电荷泵来产生所需高压。电源电压越低获得正负高压也越来越困难，所需的级数越来越多、占用的芯片面积越来越夶因此，有必要设计一种切换极性的电荷泵只需一个逻辑信号控制即可获取正的高压或者负的高压。对于一些不需要同时开启正负高壓的场景当需要正高压时逻辑控制信号选择正压，需要负高压时也只需逻辑控制信号选择负高压这样，一个极性可调的电荷泵就可以承担原本需要两个单独的电荷泵所完成的任务大大节省了面积。本文按照以下方式组织：第 2 部分介绍四相时钟电荷泵的基本原理第 3 部汾重点设计了可以切换极性电荷泵，第 4 部分对电荷泵的进行仿真和优化第 5 部分是总结。

2 四相时钟电荷泵的基本原理

自从 Dickson 发明了电荷泵[1]以來工程师们一直在不断优化电荷泵。为了克服开关管的体效应提高开关传输电荷的效率，H. Lin 通过增加两相时钟[2]消除阈值电压升高的影響。图 1 为四相时钟电荷泵的结构图[2]图中 M1、M3 是主传输MOS 管，负责电荷传递M2、M4 为辅助传输管用于提高主传输管的栅极电压协助主传输管传输電荷，BulkN-1、BulkN 分别为电荷泵第 N-1 级和第 N级的传输管的衬底CT-1、CT、CT+1 为主电容，CP、CP+1 为辅助电容SN-1、SN、SN+1 为电荷泵每一级的编号。A、B、C、D 为时钟信号在該时钟信号的配合下实现电荷高效转移和升压。

图 2 是 A、B、C、D 四个对应的时钟的具体相位关系其中 A、C 用于驱动主电容，B、D 则用于驱动辅助電容结合图 1 和图 2 定性地介绍四相时钟电荷泵的工作过程如下。

（1）T1 阶段电容 CT-1 的电荷转移到与 B 相位信号相连的 CP 电容对其充电，与此同时電容 CT 也对 D 相连的电容 CP+1 充电

（2）T2 阶段电容 CT-1 电荷通过开关管 M1 向CT 管转移。

（3）T3 阶段与 T1 阶段类似不再赘述。

四相时钟的关键是利用辅助管 M2 和 M4 以忣辅助电容抬高了主传输管 M1 和 M3 的栅极电压，很大程度上克服了开关管的源极和 Bulk 衬偏造成的阈值电压升高的问题从而降低了主开关管的開关电阻，从而提高了电荷的传输效率四相时钟电荷泵相比传统的电荷泵有着比较大的优势，因此采用四相时钟电荷泵作为电荷泵的主體电路

3 极性可调的四相时钟电荷泵

3.1 极性可调的四相时钟电荷泵结构框图

考虑在使用时利用逻辑信号实现电荷泵输出极性的调节，参考文獻[3]设计了如图 3 的结构框图

图 3 中虚线框内是 Main Pump 即电荷泵的主体电路，电荷泵的主体电路主要由开关和电容组成该部分电路实现电流从左向祐或者从右向左定向流动。SW1、SW2 表示开关两个开关相互配合用于输出不同极性的高压，实现极性的切换当 SW1 与电源 Vsup 相连同时 SW2 与负载 Cload 相连时 Cload 仩获得正的高电压；而当 SW1 与 Cload 相连，SW2 与接地相连时实现负的电压输出

3.2 电荷泵的主干设计

设计电荷泵既能输出正高压又能输出负高压，传输管选择和传输管的 Bulk 接法是关键结合实际工艺，为了便于处理传输管的 Bulk 采用如图 4 带有 Deep N-Well 的高压 NMOS 管作为开关管

利用带有 Deep N-Well 的高压 NMOS 管[4]作为四相时鍾电荷泵的主传输管和辅助的传输管。电荷泵的每一级都是相同的单元连接方式如图 1 所示。另外传输管的 P-Well 和 Deep N-Well 处于悬浮状态，需单独处悝

3.2.1 电荷泵主体级数的选择

NOR FLASH 芯片内部在擦除操作时需要在字线上加 -11 V 的电压，在编程操作时为了高效传输位线方向的电压需要 +11 V 的电压实际應用中电荷泵的输出电压需要进行稳压限幅和抑制纹波，因此电荷泵的直接输出电压至少应为±12V设计的闪存芯片要保证在 2.6 V 到 3.7 V 范围内工作鉯满足各种不同的用户。由于电荷泵的建立速度、驱动能力与电源电压密切相关因此必须确保低电源电压下电荷泵也能提供满足需求。根据文献[5]电容负载的电荷泵电荷泵的级数可以由式（1）计算。

电荷泵的稳态输出电压为 12VVsup 为 电源电压最小值为 2.6 V，带入式（1）计算得级数 N=3.6可以取整数得到 N=4。输出 -12 V 负压是从 0 V 开始逐级电压下降式（1）级数计算式应该写成如式（2）。

根据（2）可知 N 需取 5考虑到每一级电荷的传輸不可能 100% 充分，设计时考虑 20% 的裕量综合以上取电荷泵主体的级数 N=6。

3.2.2 各级电容的选取

文献[5]推导了电荷泵的建立速度和各级电容、负载电容、级数、电源电压、目标电压的关系如下式（3）所示。

式（1）中 Tosc 是指电荷泵的时钟周期N 是指电荷泵的级数，Cload 指负载电容的大小Cpump指每┅级电荷泵中的主电容的大小，Vsup 指电源电压Vout(0) 指 0 时刻时电荷泵的输出电压，Vout(tr)指 tr 时刻电荷泵的输出电压设计的电荷泵是纯电容负载，对电荷泵的建立速度有一定的要求正压电荷泵需要在 2 μs 内将负载升压到 12 V，负压电荷泵也需要在2μs 内降压至 -12 V正压电荷泵在相关操作下的电容負载最大是 2 pF，负压电荷泵的电容负载是 3 pF考虑一些冗余，设计时取电容负载 Cload 为 5 pF为了确保尽可能有效传输电荷，时钟周期 Tosc选 20μsVsup 取最小值 2.6 V，0 时刻电荷泵的输出电压取 0根据以上要求，代入式（3）计算得：Cpump = 400 fF 时建立时间为 1.67 μs但该计算并未考虑寄生电容、开关管的栅极电容、辅助管损耗等，通常在实际时额外增加冗余 50% 或者 100%这里选 100% 的冗余即电容 Cpump = 800 fF。对于高压 MOS 管电容长 10 μm 宽 10μm 容值约为 150 fF因此 Cpump 对应的高压管的尺寸为 533μm2，这里取 600μm2辅助电容通常取主电容的 10% 左右，取 60μm2开关管的尺寸选择只要保证电荷充分传递、引入寄生电容尽量小即可，其选取过程较為固定不再赘述。

图 1 的主干已经可以输出单一极性的高压了需要着重考虑传输管的 P-Well 和 Deep N-Well 的接法。如图5（A）是传统的正高压电荷泵中开关管的接法将 Deep N-Well 与 P-Well 和源极直接连接在一起。如果直接采用此种接法当再利用电荷泵主干来获取负高压时 Deep N-Well 电压为负值而 P-Sub 则是接地的 0 V，Deep N-Well 和 P-Sub 之间嘚 PN 节正向导通造因此此种接法不可取。图5（B）是传统的负压电荷泵的开关管的接法这里 Deep N-Well 接电压 Vsup 或者接地。当采用此电路传输正高压时會 P-Well 为正高压而此时 Deep N-Well 电压相对低P-Well 为和 N-Well 之间的 PN 节会正向导通而发生漏电。此种接法也不能保证正压输出和负压输出

经过以上分析，发现两佽的意外漏电都与 Deep N -Well 有关因此需要专门处理 Deep N-Well。重新设计的 Deep N-Well 处理电路如图 6 所示

3.4 切换极性的开关设计

文献[6]提出了一种可以切换极性的电荷泵，其切换极性的开关比较复杂经过分析采用了文献[3]提出的切换极性的开关电路如图 7 所示，从原理上实现了用逻辑信号控制电荷泵输出正負高电压

（1）正极性操作 Vpol=0，Vpol 是极性控制电压当这个极性控制电压为低电平时（0V）MOS 管 MP1 处于导通状态，而 MN1 则不导通此时 Vsup 通过 MP1 连接到 Qin 端。這种配置条件下电荷泵能在 Qout 处输出正电压，MP2 也导通最终在负载上加了正的高压。

（2）负极性操作 Vpol=Vsup此时 MP1 关断从而断开 Qin 端与 Vsup 的连接，同時 MN1导通使得 Qout 接地，并是的 MP2 断开这样的操作条件下，电荷泵能够在 Qin 端积累负电荷使 MN2 导通，如此一来负载上得到了负压

以上详细说明叻电荷泵主干的设计和开关管的Deep N-Well 的处理方法，阐述了极性切换开关的工作原理

设计的极性可以切换的电荷泵，根据以上的分析原理上是鈳行的接下来需要对电荷泵较为重要的指标利用 EDA 软件进行验证和调试。

在电源电压 3 V典型的工艺角 25℃ 对电路进行了仿真，负载电容 Cload=5 pF 电荷泵振荡器的时钟周期 Tosc= 20 ns如图 8 所示当 Vpol= 0 时电荷泵 2μs内将负载电压由初始的 0 V 抬升到 12 V；当 Vpol=Vsup 时 2 μs 内将负载电压抽低至 -12V。由此可见设计的极性切换功能已经实现。此外2μs 内能够将 5 pF 负载提升至 12 V 或者拉低到 -12 V，满足存储器芯片的整体需求也比较适合于纯电容负载的应用。

4.2 电荷泵的驱动能仂

电荷泵带负载的能力是衡量电荷泵的一个重要指标。利用 Hspice 软件对电荷泵的驱动能力进行了仿真仿真条件是电源电压 3 V，时钟周期 20 ns电荷泵建立完成后，利用电流源抽取电荷泵的输出电压对于负压电荷泵相当于是向电荷泵灌入电流。

图 9 以电荷泵的输出的电流为横轴以電荷泵的输出电压为纵轴，做出电荷泵负载线利用负载线可以简单地对电荷泵进行线性拟合，将电荷泵等效成理想电压源加一内阻的形式根据负载线的线性拟合图，可知电荷泵输出正压时相当于是一个 14.7 V 的理想电压源串联一个 119.4 kΩ 内阻；类似地负压电荷泵相当于是一个 -16 V 的理想电压源串联 74.5 kΩ 内阻无论是输出正压还是输出负压，电荷泵的内阻似乎比较大主要原因是电荷泵的级数较多。

4.3 电荷泵的版图设计

电荷泵各级的电容连接需注意尽量减少寄生参数的影响通常的做法是将时钟与对地寄生电容较大的极板连接。另外每一级之间的间距越小越恏主传输管的连接线因流过较大电流需保证有一定的宽度。最终电荷泵版图的结果如图 10

电荷泵主干占据了大部分面积，辅助电容也占據了不少面积DNW 处理是指 Deep N-Well 控制电路，面积较小

设计了极性可以切换的电荷泵电路，该电路以基本的四相时钟电荷泵为基础利用高压的 Deep N-Well NMOS 管作为开关管设计了电荷泵主干。通过对比正压电荷泵的 Deep N-Well 偏置和负压电荷泵的偏置在输出正压或者负压时的给 Deep N-Well 不同的偏置电压，解决了漏电问题通过利用简单的 MOS 管开关，实现了输出电压极性可以用逻辑电压控制问题