一种低压改进型MOS电荷泵电路的设计

2016-01-12范铭,董清臣

电子科技 2015年9期

一种低压改进型MOS电荷泵电路的设计

范铭,董清臣

(平顶山工业职业技术学院自动化与信息工程学院,河南平顶山467001)

摘要针对使用标准CMOS技术实现的传统电荷泵输出电压较低的不足,文中提出将基本的电荷转移开关进行改进的MOS电荷泵,在泵送增益增加电路的基础上,通过在泵的输出级增加第3个控制信号来提高电荷泵的电压增益,以得到更高的输出电压,将其作为无线传感器的能量收集电路。仿真结果表明,该改进型电荷泵电路适合于低电压设备,并具有较高的泵送增益。其输出电压在同类电荷泵中最高,在1.5 V电源条件下,可高达8.5 V。

关键词MOS电荷泵;电荷转移开关;高电压输出;能量收集

收稿日期:2015-02-09

作者简介:范铭(1985—),男,助教。研究方向:数字电子技术,信号系统。E-mail:sasmike@126.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.018

中图分类号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

为解决无线传感器应用系统中电池寿命较短的问题,需要改善系统能量收集的方案。因此,提出一种基于能量收集系统的电荷泵电路的设计方案。微型能量采集系统中最重要的是功率转换器,其调整换能器的输出电压达到一个合适的水平,使能量储存在一个大电容器或电池中[1-2]。但传统的换能器只能提供一个较低的电压源。本文改进的DC/DC功率变换器的电荷泵电路能把低电压升为高电压,以避免出现常规电荷泵设计的问题。

1常见电荷泵分析

1.1　DICKSON电荷泵

大多数MOS电荷泵是基于迪克森[3](Dickson)所提出的电路。图1示出了迪克森电荷泵的基本配置。该电路包括两个泵送时钟clk和clk_bar。泵通过二级管连接的NMOS晶体管来实现,表现为一个正向电压Vtn。

图1　Dickson电荷泵

N级后,输出电压

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

(1)

在产生拉电流的负载存在时,输出电压由式(2)给出

(2)

假设所有的耦合电容器在工作频率下具有相同的C和fosc。在每一个激励节点的电压波动都是相同的,并可表示为

(3)

电压泵送增益的电荷G为

G=VN+1-VN=ΔV-Vtn

(4)

由于浮体效应,内部节点上电压的连续增加会引起每个晶体管的阈值电压增加,电压增益出现降低。为了克服电压增益下降的问题,使用具有零阈值电压的晶体管或使用单独的阱来分隔晶体管的衬底,但这种解决方案会带来额外成本和工艺过程的复杂性等问题[4]。另外方案是不使用二极管连接的NMOS晶体管,选用合适开/关周期的MOS开关,即采用电荷转移开关(Charge Transfer Switches,CTS)用来改善电压泵送增益。

1.2　CTS电荷泵

本文提出了两种基于CTS的结构:使用静态CTS的电荷泵、使用动态CTS的电荷泵。

1.2.1使用静态CTS的电荷泵

电荷泵电路如图2所示,在此电路中MD1～MD4晶体管连接在一起提供电路节点的初始电荷,晶体管MS1～MS4用于从一个节点单向传递载荷到另一个节点。

图2　使用静态CTS的四级电荷泵

在该电路中,本文使用i+1级结点的高电压来控制第i级晶体管MSi中的栅极电压,避免由于晶体管MDi的阈值电压产生的电压降。因此,每一个阶段的电压增益由下式给出

高温合金也叫热强合金，拥有优良的高温强度、抗氧化性、抗热腐蚀性、耐疲劳性及断裂韧性等一系列综合性能，是航空发动机、地面燃机等航空用动力机械装置不可替代的核心材料。

G=ΔV

(5)

在图2中,当clk为高电平时,以导通MS2,MS2的栅源极电压必须大于阈值电压

2ΔV>Vtn

(6)

另一方面,当clk为低电平时,使晶体管MS2截止,栅-源电压必须低于阈值电压Vtn

2ΔV

(7)

由于式(6),则晶体管MS2不能完全关断。因此,静态CTS的电荷泵不容许全部电荷转移,否则会导致反向电荷分配现象。要解决此问题,需将电路复杂化,以增加每级的电压增益[5]。图3给出了这种新的电荷泵。

1.2.2使用动态CTS的电荷泵

所添加的逆变器(MNi,MPi),用于关断晶体管MSi,避免出现反向电荷分配。参照图3,当clk为高电平时,无论是在节点1和节点的2电压,还是V2和在节点3上的电压都高于2ΔV,如果

2ΔV>Vtp且2ΔV>Vtn

(8)

其中,Vtp是PMOST的阈值电压,但当clk为低电平时,节点1处的电压为V1时,无论节点2和节点3的电压都在2ΔV以上,若

2ΔV>Vtn

(9)

与静态CTS的电荷泵不同,晶体管MS2可完全关断。因此,由于动态CTS的电荷泵的优异性能,防止了反向电荷分配现象的发生[6]。

图3　四级动态CTS电荷泵

2新型电荷泵设计

2.1　电荷泵泵送增益增加电路

如果配置该电路,则输出级的限制问题可被消除,可得到更好的泵送性能。利用一个指数增益结构和具有高电压传输效率的泵送增益增加(PGI)电路,以提升换能器的输出电压。电荷泵的结构如图4所示。

图4　使用PGI的一级电荷泵电路

2.2　改进型电荷泵电路

为提高电压增益,提出了一个改进电荷泵。该改进型电荷泵电路如图5所示,该电路继承以上电路的优点,并避免传统电路存在的问题。改进后电路可通过在泵的输出级增加第3个控制信号来提高电荷泵的电压增益[7]。事实上,在泵的充电阶段,时钟信号(φ3)总是为零,且电容负载接地。充电后,当泵被停止(信号φ1和φ2被关闭)时,信号φ3变为高电平,将电容Cout下部电位变为Vclk。

图5　设计的电荷泵电路

改进型的电荷泵主要目的产生高电压输出。因此,在泵的充电阶段,电路作为具有泵送增益增加电路(PGI)的电荷泵工作。当充电过程完成时,大小为Vclk的补充电位被加到输出电压上[8]。

3电路仿真结果分析

为了评价改进电荷泵和传统电荷泵的优劣,使用0.35 μm CMOS工艺参数进行电路仿真。所有的仿真在10 MHz下进行,且电压振幅为Vclk,泵送级数为N=4。在所有的电荷泵中,泵送电容和输出电容值分别是100 pF和50 pF。图6给出了在Vin=VDD=Vclk时,各类电荷泵仿真输出电压比较结果。如图6所示,对于所提出的电路,其输出电压与同类相比最高。结果显示,可通过减小电荷泵的级数和芯片面积以适应高输出电压和低输入电源的应用。