非挥发性存储器中低压低功耗电荷泵设计

王佳宁

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 引言

Flash和E2PROM是现在应用最广的非挥发性存储器(Nonvolatile Memory)。在存储器设计中功耗、速度、面积一直都是主要考虑的因素，而上述两类存储器的编程、擦除操作都需要高压，系统中会有多个高压产生电路(即电荷泵电路)［1］。随着电源电压的不断降低，电荷泵电路的工作能力和效率越来越差，同时占据芯片的面积越来越大，所以电荷泵电路的设计和优化对整个存储器的设计和优化具有非常重要的作用。

2 电荷泵基本结构

大多数电荷泵电路采用Dickson提出的电路结构［2］，其将 MOS管作为整流器件并且用多晶 －扩散－多晶电容作为电荷储存器件，其基本结构如图1所示。图1给出了正压电荷泵的基本结构，负压电荷泵是将图中的NMOS换为PMOS，将电源电压Vdd换为Gnd即可。

图1 Dickson电荷泵结构

电荷泵电路是N级相同的电路组成的，每级电路由两个NMOS M1，M2和两个电容C1，C2组成，三极管的栅－漏短接。在这种结构下，三极管起到整流器件的作用，两个电容C1、C2的下极板分别接到CLK1和CLK2上，CLK1和CLK2为同周期非重叠时钟。所需的级数N由电路工作电压Vdd和目标电压Vpp决定。工作电压相对目标电压越低，需要越多级的电荷泵电路。通常来说，对于Vpp=10V－12V，Vcc=3V需要5到7级的电荷泵电路。通常状态下所有的三极管阈值一致，电荷泵输出的理论值Vout:

其中Vin是第一级输入电压通常为Vdd，CS为C1、C2上极板的寄生电容，C=C1=C2，Vt是整流管阈值即三极管阈值，f是时钟频率，Vclk是时钟信号的振幅，Iout是输出电流。

3 低压低功耗电荷泵电路设计

3.1 低电源电压电荷泵设计

随着电源电压降低，电荷泵工作能力和效率越来越低，这时为了提高系统工作能力和效率，可以采用多次升压的方式取代传统的单步高压转换，如图2所示。

图2 两种升压模式示意图

同时，考虑到NMOS管阈值电压和衬偏效应的影响，尤其是靠近高压输出端的NMOS管，当阈值电压等于每个结点的电压波动时，电荷泵电路的增益最小。因此，为了提高电荷泵电路的增益，需要降低NMOS管的阈值电压和衬偏效应。

可以考虑采用低阈值电压的NMOS管来改善电荷泵电路的高压输出能力，达到提高电荷泵的增益和效率，降低其功耗的目的。对于衬偏效应可以考虑衬底电压调制电路，如图3所示是负压电荷泵衬底电位调制电路。当负压电荷泵不工作时，EN=’0’，Vsub=Vdd;当负压电荷泵工作时，En=’1’。随着电荷泵电压 VPN的产生，Vsub逐渐从Vdd变为0V，达到对Pmos管衬底阈值的调制作用。

图3 负压电荷泵衬底电压调制电路

3.2 大驱动和低功耗设计

非易失存储器在编程或擦除时，如果加载的电压波动较大，会造成编程或者擦除后存储单元的阈值电压分散性加大，因此有必要对电荷泵输出电压进行稳压，降低其波动性。为了达到这个目的，可以采用泄放通路来控制输出高压［3］，即当输出电压高于目标值，它会通过一个泄放管将高压输出端的电荷泄放掉，以降低输出高压，达到稳压效果，但这种方式功耗大。或者根据输出的电压值大小来调节驱动时钟的频率以稳定电荷泵的输出［4］。这种方法可以有效降低电荷泵电路的功耗，但高压波动性较大。

非易失存储器在编程时需要很大的电流驱动能力，并且编程位数不同需要不同的编程电流。针对大驱动电荷泵功耗大、波动大的特点，结合耦合电容分离法和动态改变耦合电容法来自动改变电荷泵的驱动能力，以适应在编程时因编程位数不同而需要不同驱动电流的问题，这样可以降低电荷泵的功耗，提高输出高压精度。

如图4所示，该电路采用电容分离法［5］实现电荷泵驱动能力的动态控制。电路中耦合电容C1和C2并联，C2支路由传输门控制(控制信号 STP_CAP)，当STP_CAP为低时，电荷泵的耦合电容为C1和C2之和，电荷泵驱动能力最大;当STP_CAP为高时，电荷泵的耦合电容只有C1，电荷泵驱动能力降低，功耗也随着降低。还可以通过控制STP_CAP的电位来控制传输门的导通能力，从而控制耦合电容C2的充放电时间常数，以实现对电荷泵驱动能力的连续动态控制。此结构能实现节省功耗和提高输出电压精度的目的，对实际应用非常适用。

图4 电容分离法示意图

4 结 束 语

鉴于非易失存储器广泛应用于手持设备，电源电压的变低使得电荷泵的工作效率不断降低。本论文针对低压、低功率分别对电荷泵设计提出了解决方案，在低压设计中可以采用多次升压等提高电荷泵效率和增益的方法;在低功耗设计中提出了电容分离法动态控制输出负载。

［1］Joe E Brewer，Manzur Gill.Nonvolatile memory technologies with emphasis on flash［M］.America:A John wiley＆sons，INC.，Publication.

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

［3］Van B，Michael A，Johnny C，et al.VPP Power Supply having a Regulator Circuit forControlling a Regulated Positive Potential.U.S.Patent，5291446［P］.March 1994.http://www.patentbuddy.com/Patent/5291446.

［4］Kamoulakos G，Chrisanthopoulos A，Tsiatouhas Y，et al.Management of charge pump circuits［J］.Integration，the VLSI journal，2000，30(1):91 －101.

［5］康华光.电子技术基础模拟部分［M］.武汉:高等教育出版社，1996.