新型低压四相位高效率电荷泵电路

张炎峰，姜　伟，胡玉青，张其笑

（苏州大学城市轨道交通学院 江苏 苏州　215000）

新型低压四相位高效率电荷泵电路

张炎峰，姜伟，胡玉青，张其笑

（苏州大学城市轨道交通学院 江苏 苏州215000）

目前，降低功耗已成为超大规模集成电路的一个重要的发展方向。而通过降低片上系统电源电压来降低功耗是目前普遍使用的一种方法。为了给存储器的编程、擦写过程提供高电压，必须在低电源电压的输入状态下提高电荷泵的输出电压，但也导致每级电荷泵节点电压大幅上升，使得MOS体效成为降低电荷泵输出效率的主要因素。本文设计了一种四相位电荷泵电路，消除了MOS体效应导致的阈值电压上升的影响，提高了电荷泵电路的电压增益。在相同的低电源电压下，本文所设计的电荷泵电路可以大幅的减少电荷泵的级数和所消耗的芯片面积，该电路特别适用于低电源电压下工作的嵌入式快闪存储器。

电荷泵；低电源电压；体效应；四相位；输出纹波；嵌入式闪存

随着SoC技术的不断更新换代，系统电源电压的不断降低，目前，在90 nm工艺的SoC芯片中，其系统电源电压已降到1.2 V。闪存能够实现非挥发性的数据存储是由于它能通过内部电荷泵电路产生高压（＞10 V），在强电场的作用下，使电子发生Fowler-Nordheim（FN）隧穿效应，并使电子注入到存储单元的浮栅中［1］。其擦除过程也可以通过FN隧穿效应来实现。由于SoC芯片采用单电源供电，因此必须使用电荷泵电路来产生所需要的高电压。然而，由于电源供电电压的不断降低，电荷泵电路中的MOS晶体管的体效应的影响，导致MOS晶体管的阈值电压的升高，使得电荷泵电路的输出效率不断降低，难以产生出闪存编程、擦写所需要的工作电压。因此，设计出新型低电源电压高效率电荷泵电路对于闪存技术的进一步发展具有相当重要的意义。

本文设计了一种基于四相位控制的高效率电荷泵电路。电荷泵电路中的晶体管，采用单独的衬偏电路，有效消除MOS管体效应的影响，以减少阈值电压的损失。采用四相位控制并联电荷泵，降低电荷泵输出电压的摆幅，减少输出纹波，提高了电荷泵输出电压的稳定性。综上技术的创新综合，有效的提高了低电源电压下电荷泵电路的输出效率。

1　低电源电压下传统电荷泵电路分析

电荷泵电路利用电容两端电压不能突变和电荷共享原理，通过电荷在电容中的不断积累效应，逐级累加，是的输出电压远大于输入电压。目前，电荷泵基本是基于Dickson电荷泵电路发展而来［2］。其典型n级结构电路的电路图和时钟波形图如图1所示。

图1　Dickson电荷泵原理图Fig.1　The principle diagram of the Dickson charge pump

Dickson电荷泵的原理是：当CK由0转变为Vdd时，节点N1处的电平为2Vdd，此时电容C1与电容C2电荷共享，C1上储存的电荷转向C2，提升N2处的电平，二极管D1此时的作用是阻碍C1上的电荷回流，使得电荷只能转移至C2上。

当CKB由0转变为Vdd，CK由Vdd转变为0时，电容C2上的电荷会向电容C3上转移抬升N3处电平。由于电荷的转移通道都是正向的，方向通道均被二极管截断，因此，随着电荷的转移，逐级抬升后级电平，最终输出高电压。

理想状态下，Dickson电荷泵的输出电压为：

其中Vdd为电源电压，Vth为二极管阈值电压，n为电荷泵的级数。

图2展示的是在HHNEC 130 nm eFlash工艺下的高压NMOS晶体管的衬偏效应。

图2　高压NMOS管的衬偏效应Fig.2　Substrate bias effect of high-voltage NMOS

由图可知，随着衬底和源级电压差的增大，体效应［3］的增强，会导致阈值电压的不断增加。当电荷泵的电源电压为1.2 V，节点电压为1.5 V左右时，该NMOS二极管的阈值电压接近电源电压，电荷泵输出电压公式的前半部分接近0，失去了对电源电压的抬升作用。因此，在低电源电压下，衬偏效应成为阻碍电荷泵电压抬升的最主要因素。

针对低压状态下的这种问题，国内外很多学者对此作了大量的研究工作［4-5］，以减少衬偏效应的影响，提升电荷泵电路的电压增益。一种消除衬偏效应影响的方法是，随着阈值电压的上升，通过抬高栅极电压，使其大于MOS管漏极电压，变相的消除阈值电压上升的影响，同时，栅极电压大于漏极电压，还能有效的降低电荷泵每级电压抬升中阈值压降的影响。

为此，Wu J T，Chang K L［6］两人设计出了如图3所示的电路结构，利用后向反馈的机制，将电荷泵后级节点的高电压反馈至前级MOS二极管的栅极，提高MOS管栅极电压，降低衬偏效应.同时，由于NMOS管的栅极电压比源级电压高至少一个Vth以上，因此NMOS管的漏、源之间无需电压差，消除了电荷泵每级之间电荷传输管上的电压降问题。但是该电路也存在其缺陷，当CLK1和CLK2时钟同时出现低电平时，如图3中所示，会导致Mn2和Mp2管导通，电容C3中的电荷可以经过Mn2和Mp2管形成的通路反向回流，降低N3处的电平，削弱了电荷泵电压抬升效率，而随着当前系统电源电压Vd的不断降低，这样的反向回路对电荷泵电压抬升的影响将会越来越大。

图3　Wu J T，Chang K L，电荷泵电路Fig.3　Wu J T，Chang K L，charge pump circuit

2　新型低压四相位高效率电荷泵电路

通过前文对传统电荷泵电路的分析研究可知，Dickson电荷泵存在的问题是随着电源电压的逐渐降低，电荷泵中电荷传输NMOS管的源衬之间的电压差逐渐增加，使得NMOS管的体效应逐渐显著，导致NMOS管的阈值电压增加，当某级电荷泵传输NMOS管的阈值电压等于电源电压，电荷泵由该级往后的所有级都将失去电压抬升作用。另外，Dickson电荷泵每级抬升的电压都会有一个NMOS阈值电压的损失，导致该种电荷泵电路在低电源电压下电压抬升效率过低。同样，Wu J T，Chang K L电荷泵电路存在出现电荷反向传输回路的问题导致电荷泵电压抬升效率降低。

文中设计了如下图4所示的电荷泵电路。每级均有两个辅助性MOS管，例如，Mp3、Mp4 MOS管被用于调节MOS管的衬底电压，Mp4与电荷传输管Mp1的漏端相连，与Mp3的源端相连。同时，Mp4的栅极与升压传输管Mp2的栅极相连并接到电荷泵前级的输出端。Mp3的栅极和源级相连并接到当前级的输出端。所有PMOS管的衬底均接到一起，共同调节。

文中所设计的电荷泵电路中只使用PMOS管用于电荷泵的电压抬升，所有的NMOS管均是作为MOS电容来使用。图4中还展出了该电荷泵中使用的时钟信号。其中Clk4p、Clk1p的电压幅值为2Vd，Clk3p、Clk2p的电压幅值为Vd。其中Clk1p和Clk4p在时钟分频电路后面添加了简单的电容升压电路。Clk1p、Clk4p用于电荷传输过程中提高电荷传输管的栅、源电压差，提高电荷的传输效率，同时关断电荷反向传输通道，阻止电荷回流。Clk2p、Clk3p用于电荷泵电容的前向充电过程。

图4　新型低压四相位高效率电荷泵电路Fig.4　A new low supply voltage four phase high efficiency charge pump circuit

文中所设计的电荷泵的工作过程分析如下：当Clk1p为低电平0时，由时序图可知，Clk2p=Vd，Clk4p=2Vd，Clk3p为低电平0，此时Mp1管导通，节点N1处MOS电容Mn3和Mn5中存储的电荷经Mp1管向N2节点传输，给Mn6和Mn8 MOS电容充电，抬升N2节点处的电压，由于N1处此时为高电压，Mp2管关断。当N1节点电压比N2节点电压高时，Mp3管导通，在原有的Mp1电荷传输的基础上增加一路电荷传输通道，提高电荷传输效率。

下一个电荷泵工作周期时，Clk4p为低电平0，由时序图可知，Clk3p=Vd，Clk2p=0，Clk1p=2Vd。此时，Mp1管关断，阻止Mn6和Mn8中存储的电荷反向传输，同时，由于此时Clk2p为0，Mp2管导通，N2节点的电压对Mn1电容充电，进一步提升Mp1管的栅极电压，使得Mp1管关断完全。由于N2节点的最高电压比N1节点的最高电压大一个Vd左右，因此，即使N2节点给Mn1管充再多的电，都能在Clk1p为低电平，Clk2p为高电平时，确保Mp1管电荷传输通道的完全导通。随着电荷泵级数的增加，Clk1p、Clk4p的电压幅值将会低于节点电压，不足以关断电荷的反向传输通道，但由于有类似上述Mp2管的导通充电作用，能够确保反向传输通道完全关闭，并且不影响电荷传输管的开通。

当Clk2p为低电平，Clk3p为高电平时，Mp4管导通，节点N2通过Mp4管给Mn4充电，使得前级电荷泵的衬底电压近似等于节点N2处的电压，由于节点N2处的电压比前级电荷泵中各处电压均大，因此，确保了前级电荷泵中的衬底电压为最高电压。每个电荷泵工作周期内，给衬底充一次电，因此，可以始终保证衬底的电压为最高电压。通过在每级电荷泵中添加的两个辅助MOS管来调节衬底电压，使得电荷泵的衬底电压在每级电荷泵中均为最大值，从而有效的消除了MOS管体效应的影响。所以，本文所设计的电荷泵的电压抬升效率得以大幅提升。

总结，该电荷泵电路的每级电压增益ΔV是相同的，表示如下：

对于n级的电荷泵电路其输出电压可以如下表示：

其中，Vd是电荷泵电路的电源电压，也是电荷泵电路的输入电压，Cs是每级电荷泵节点的寄生电容，Cp是每级电荷泵的电荷存储电容，Cb是电荷传输管的栅极耦合电容，IO为电荷泵的输出电流，RON是电荷传输管的等效电阻，f是时钟频率，VT是电荷传输管的阈值电压。

3　Hspice仿真验证

为了验证本文所设计的电荷泵电路并与传统的电荷泵相比较，电路仿真采用0.35 μm的CMOS工艺。所有的仿真均是在2 MHz的时钟频率下进行的。电荷泵存储电容和电压抬升电容的大小为3 pF和0.1 pF左右。图5展示的是本文所设计电荷泵的Hspice的仿真结果。

图6展示的是本文所设计的电荷泵电路、Dickson电荷泵和Wu J T，Chang K L，电荷泵电路的比较结果图。

图5　本文所设计的电荷泵Hspice仿真结果Fig.5　Hspice simulation results of the charge pump

图6　仿真结果的比较Fig.6　The comparison of simulation results

从图6中我们可以明显的看出，在相同的电荷泵级数下，文中所设计的电荷泵抬升的电压更高。换句话说，在相同的低电源电压下，本文所设计的电荷泵电路可以大幅的减少电荷泵的级数和所消耗的芯片的面积。

4　结束语

本文设计了一个利用PMOS管改进的电荷泵电路，并对该电路的工作原理进行了分析。该电路相对于传统的电荷泵电路，不仅消除了每级电荷泵阈值电压降的问题，同时消除了MOS体效应的影响，使得该电路更加适合在低电源电压下用来抬升高电压。

通过进行Hspice仿真，验证了本文所设计的电荷泵正如理论分析的一样，实现了预期的性能。

［1］Tao G，Chauveau H，Nath S，et al.Aquantitative study of endurance characteristics and its temperature dependence of embedded flash memories with 2T-FN FN NOR device architecture［J］.IEEE T Device and Materia ls Reliability，2007，7（2）:304-309.

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

［3］Shigenobu M.Substrate-bias effect and source-drain breakdown characteristics in body-tied short-channel SOI MOSFET's［J］.IEEE Electron Decvices，1999，46（1）:151-158.

［4］Aloulou R，Mnif H，Alicalapa F，etal.An improved MOS charge pump circuit for low voltage operations and wireless sensor applications［C］//Microelectronics（ICM），2011 International Conference on，Hammamet，Tunisia，2011:1-4.

［5］Pelliconi R，Iezzi D.Power Efficient Charge Pump in Deep Submicron Standard CMOS Technology［J］.IEEE JSSC，2003，38（6）:1068-1071.

［6］Wu J T，Chang K L.MOS charge pump for low-voltage operation［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，1998，33 （4）:592-597.

A new low supply voltage four phase high efficiency charge pump circuit

ZHANG Yan-feng，JIANG Wei，HU Yu-qing，ZHANG Qi-xiao
（Institute of Urban Rail Transit，Soochow University，Suzhou 215000，China）

Nowadays，reducing power consumption has become an important development direction of scaling integrated circuit.By lowering the on-chip system power supply voltage to reduce the power consumption is the method commonly used at present.To provide high voltage to prgram and erase the memory array，we should increase the output voltage and the voltage gain in the condition of low supply voltage input.This paper proposes a four phase charge pump circuit.It eliminates the MOS body effect that causes the threshold voltage rising.Besides，it improves the voltage gain of charge pump circuit and reduces the output ripple voltage of charge pump.This charge pump circuit is very useful for low-voltage embedded flash memory.

charge pump；low supply voltage；body effect；4-phase；output ripple voltage；embedded flash

TN432

A

1674－6236（2016）05-0148-04

2015-04-14稿件编号：201504140

国家自然科学基金（61272105）

张炎峰（1992—），男，江苏南通人，硕士研究生。研究方向：半导体存储器设计。