电荷泵拓扑和设计策略概述

马铭磷，蔡兴龙

(湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭，411105)

电荷泵拓扑和设计策略概述

马铭磷，蔡兴龙

(湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭，411105)

由于各种电子器件趋于小型化，提供能源的方式要求越来越高，保持功耗、面积尽量小和电路高度集成化已经成为一种趋势。本文提到的电荷泵电路大大满足了上述要求，因此电荷泵电路被广泛应用于开关电源，射频电路，各种驱动电路，记忆性电路，低功耗能量收集等集成电路中。本文主要分析了电荷泵电路使用的模型，关键参数，优化策略和各种不同电荷泵电路拓扑结构。

电荷泵；电路模型；优化策略；拓扑结构

随着半导体工艺的发展，微系统的广泛使用，对于输入电压的大小要求越来越高，低功耗，小体积的电路在科研和商业上获得更多的关注。电荷泵电路与传统DC-DC变换器都是将低的直流电压转化为高的直流电压，但是两者却不太一样[1]。传统的DC-DC变换器电路由电感和开关器件组合而电荷泵电路是使用电容和开关器件组合。传统的DC-DC变换器在集成电路中，由于电感的存在，特别在低功耗环境下，集成化造价昂贵，不太适用。而电荷泵电路却更易集成化，因而得到广泛的应用。电荷泵电路主要适用于智能功率电路，各种开关电容电路，运算放电器，射频控制开关电路，电压调整电路，驱动电路，能量收集等集成电路[2-5]。

文章第二部分主要集中于简要分析电荷泵电路模型，设计策略，拓扑。第三部分主要分析电荷泵电路的参数和等效模型。第四部分介绍电荷泵电路设计策略。第五部分介绍电荷泵电路的各种拓扑。第六部分是电荷泵电路发展前景及总结。

1 电荷泵电路简单分析

1.1 单级电荷泵电路

理想的电荷泵电路，首先要考虑的是单级电荷泵电路，原理图如图1所示。由S1和S2两个开关和一个泵电容，一个负载电容。通过控制开关顺序将VDD和泵电压转移到输出端。

在前半个周期里，S1关闭S2断开,VCK等于零电压，此时泵电容被充电VDD。与此同时负载电容放电给负载。在后半个周期里S1断开，S2关闭，电荷泵电容给负载电容充电。整个周期输出电压为Vout。若干个周期以后，输入电压达到一个相对稳定的值。

图1 单级电荷泵电路Fig.1 One-stage charge pump

1.2 多级电荷泵电路

多级电荷泵电路是由多个单级电荷泵电路级联而成，如图2所示，通过泵电容和开关，在两相时钟信号控制下，最后负载电容输出电压。多级电荷泵电路与单级电荷泵电路有很多相似的地方。在前半个周期里Vck=0，VCKB=VDD和所有奇数开关关闭，此时第一级泵电容充电VDD和所有的奇数级泵电容接收前一级泵电容的电荷。在后半周期Vck=VDD,VCKB=0和所有的偶数开关关闭。此时所有的偶数级泵电容接收前一级的电荷[6]。

总之，在一个完整周期里，每个泵电容接收前一级的电荷，同时又将电荷转移到下一级。假设负载电流为IL，则稳定的周期内转移电荷为ILT。

假如，两级电荷泵电荷电路，开关阈值电压Vth为例，在稳定状态下，第一级泵电容连接电源VDD，此时将充电ΔQ,此时有相同的电荷转移到输出。在下一半个周期里，第一级泵电容和第二级泵电容都连接在一起，二者之间将转移电荷ΔQ，则第一级电压为

(1)

最终第二级电压为

(2)

通过上述的描述，推广到多级电荷泵电路，则最终输出的电压为

(3)

图2 多级电荷泵电路Fig.2 N-stage charge pump.

2 电荷泵电路参数及等效模型

电荷泵电路级数的多少，所占硅面积的大小和电流的功耗是电路设计中非常重要的因素。同时在设计电荷泵电路中上升时间和上升时间中产生功耗的大小也是不可忽略的因素。然而在设计过程中，由于需要时钟信号，则时钟频率也是很重要的设计参数。在纯电容负载中，输出电压可以简单描述为VOUT

VOUT=(N+1)·VDD。

(4)

电荷泵电路电流损耗主要有两部分组成，第一部分相当于理想电荷泵中电流Iid,第二部分主要由于寄生效应产生的电流IPar。因此，电流损耗IVDD

IVDD=Iid+Ipar。

(5)

电流Iid是由电源电压和每级电容电压所产生电荷ΔQ进行累加，一个周期内，一个电容转移给另一个电容，提供给负载。因此，Iid最终的结果等于

(6)

在理想情况下，电荷进行多级的累加，达到负载电压，但是在正常情况下，电容与节点间，电容与地之间存在寄生电容。当两个相邻开关之间进行传导，电流Ipar主要是周期内全部的寄生电容Cp的充电和放电

(7)

(8)

由上式可知，电流损耗和功率损耗主要与负载电流相关，而与时钟频率和全部的泵电容无关。

在纯电容负载中，上升时间是实现目标输出电压过程中的一个重要参数，因此在分析动态过程中，可以表示电荷泵与上升时间的关系[7]

(9)

当电路在稳定状态下，将达到稳定的输出电压(N+1)VDD，同时负载电容和全部的泵电容影响着上升时间。

在电容负载中，动态的电荷泵电路可以等效为简单的RC电路[5]

(10)

可知最大等效电压为VMAX

(11)

与此同时在这种情况下，可以分析一下电荷损耗。电荷损耗主要集中的三部分。

QT=QL+QPump+QPar。

(12)

电荷QL来源于负载，QPump主要存在泵电容瞬态时刻，QPar主要来源于寄生电容。

通过等效RC电路，我们可知

(13)

在时钟周期内，电荷损耗主要由于寄生电容在充放电过程中的损耗，可知在周期上升时间内寄生电荷Qpar。

(14)

3 电荷泵电路设计策略

电荷泵设计过程中，各种参数的设计，首先我们考虑的是电荷泵级数和尽可能降低面积和功耗。在设计过程中，不同的负载，设计策略也随着变化。在级数的变化过程中，分析怎样使面积和功耗最小化。在对式(13)进行求导，另一方面，最大化电流提供给负载，在理想情况下，对电流IL进行求导，最终可知

(15)

解的N

(16)

在理想状况下电容C

(17)

可知在最佳级数中，电容C的大小。

同时在考虑电流功耗最小时，考虑寄生电容的影响，对式(8)进行求导，可知

VDD=0。

(18)

因此，解的N

(19)

最终将最优化级数代入式(17)中，可知电容的最优值。比较上述两种不同的分析方法，考虑两种最小功耗的设计，比较最小面积的设计[9]。从两式NAopt和NLopt，，可以获得全部电容功耗和面积最优化。

4 电荷泵各种拓扑及其分析

文章前面描述的电荷泵电路是在理想状态下，然而，在现实情况下，电荷泵电路采用不同的开关方式。随着微电子技术的发展，开关器件的改进，促进了电荷泵电路的发展。在电荷泵繁杂的拓扑电路中，主要有线性电荷泵，斐波那契型电荷泵和指数型电荷泵三种结构[10-13]。线性电荷泵使用最为广泛，然而在电荷泵级数相同的情况下，后两种可以获得更高的电压，但是要达到相同的输出电流，需要的电容却更大。此外，线性电荷泵更加容易设计，更加稳定，各级间电压差相对恒定。线性电荷泵电路的发展过程中，最为经典的是Dicson电路，后面的发展主要在其基础上对其改进，通过分析其传递过程中和自身器件上的损耗，通过改进，减小损耗，提高效率。

4.1 Dicson电荷泵电路

在各种电荷泵结构中，电荷泵电路首先被Dicson在1976年提出来，这种结构类似于Cockcoft-Walton在1932年提出的倍压器[14]。开始时，主要使用二极管作为开关管，如图3所示，对于Cockcroft-Walton电压倍增器而言，寄生电容消耗很大电压，很难有效的产生高压。在Dicson电路中，利用CMOS二极管，通过交叉信号，达到提高电压的效果。其中最主要损耗在CMOS二极管的阈值电压，寄生电容，CMOS管自身的体效应，只有解决其损耗问题，才能获得更大的单级电压增量和整体输出电压[15]。

图3 Dicson电荷泵Fig.3 Dicson charge pump

4.2 静态CTS和动态CTS电荷泵

为了提高Dicson电路的效率，J.T.WU和K.L.Chang在1996年提出一种静态CTS电荷泵[16]。这种电荷泵的设计思想主要是用后一级的高压控制前面一级开关状态，来减少传导过程中的阈值损耗。但同时也存在电荷反向分配的问题，在1998年J.T.WU和K.L.Chang 又提出了动态的CTS 电荷泵来解决这个问题。与静态电荷泵相比，动态CTS电荷泵结构通过一对反相器来控制CTS栅端电压[17]。

4.3 双电荷泵电路

通过两个平行的Dicson电荷泵，两个对应的电荷泵的路的时钟信号正好相反，来提高输出电压的大小。通过两个平行的电荷泵，在每半个周期类，两者状态正好相反，由于两者之间相当于并联状态，极大地降低了输出电压的峰值电压[18]。

4.4 栅交叉耦合电荷泵

栅交叉耦合电荷泵可以看成两个并联在一起状态相反的电荷泵，这两个相互独立的电荷泵交替工作，互相给对方的电荷传输开关提供合适的栅极电压。如图4所示，栅交叉耦合电荷泵的单级结构包括两个NMOS和两个PMOS管，通过两种交叉的时钟信号来控制电荷的传递[19]。

图形4 栅交叉耦合电荷泵Fig.4 Grid cross coupling charge pump

4.5 三拓扑电荷泵

三拓扑结构的电荷泵电路的提及主要是提高电荷的传输能力，如图5所示。由于开关电阻是影响MOS管传输能力的一个重要因素，MOS管开关电阻可以表示为

(20)

开关电阻的减小可以大大降低阈值电压的大小，改变开关电阻，由上式可知三拓扑电荷泵降低VS+VD的大小，来增加传输能力[20]。

图形5 三拓扑电荷泵Fig.5 Three-topology charge pump

5 发展前景与总结

通过对电荷泵电路深入的研究，级数和效率的优化，电荷泵电路在高压情况下已经获得较高的效率，但是在低输入电压下，电荷泵电路的效率还有待提高。由于在低输入电压状况下，电路工作在亚阈值状态下，其负载特性和功率效率受工艺波动比较大。随着微电子工艺的进步，阈值电压的进一步减小，COMS管新的工作状态的研究，近阈值电压的提及，使得在低输入电压下，电荷泵电路的效率得以提高[21]。例如在微能量收集系统中，电荷泵的使用，整体效率的提升，将会在很多场合上摆脱电池的束缚[22-24]。

[1]Alippi C,Galperti C.An adaptive maximum power point tracker for maximising solar cell efficiency in wireless sensor nodes[C]//2006 IEEE International Symposium on Circuits and Systems.IEEE,2006.

[2]Su F,Ki W H.Component-efficient multiphase switched-capacitor DC-DC converter with configurable conversion ratios for LCD driver applications[J].IEEE transactions on circuits and systems II:Express briefs,2008,55(8):753-757.

[3]Mondal S,Paily R P.An efficient on-chip energy processing circuit for micro-scale energy harvesting systems[C]//VLSI Design and Test (VDAT),2015 19th International Symposium on.IEEE,2015:1-5.

[4]郎君,何书专,杨盛光,等.一种低压 CMOS 亚阈型 PTAT 基准源[J].微电子学,2007,37(3):374-377.

[5]覃仕成,谢亮,金湘亮.MEMS 麦克风中新型电荷泵的设计[J].微电子学,2016,46(3):344-347.

[6]Palumbo G,Pappalardo D.Charge pump circuits:An overview on design strategies and topologies[J].IEEE Circuits and Systems Magazine,2010,10(1):31-45.

[7]Palumbo G,Pappalardo D,Gaibotti M.Charge-pumpcircuits:power-consumption optimization[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Fundamental Theory and Applications,2002,49(11):1535-1542.

[8]Tanzawa T.A comprehensive optimization methodology for designing charge pump voltage multipliers[C]//2015 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS).IEEE,2015:1358-1361.

[9]Palumbo G,Pappalardo D.Charge pump circuits:An overview on design strategies and topologies[J].IEEE Circuits and Systems Magazine,2010,10(1):31-45.

[10]Mihara M,Terada Y,Yamada M.Negative heap pump for low voltage operation flash memory[C]//VLSI Circuits,1996.Digest of Technical Papers.,1996 Symposium on.IEEE,1996:76-77.

[11]F Ueno,T Inoue,I Oota,et al.Characteristics analysis of Fibonacci type SC transformer[J].Jtc-cscc:Joint Technical Conference on Circuits Systems,1991,E75-A(6):655-662.

[12]Cernea R A.Charge pump circuit with exponetral multiplication:U.S.Patent 5,436,587[P].1995-7-25.

[13]Tanzawa T.On two-phase switched-capacitor multipliers with minimum circuit area[J].Circuits and Systems I Regular Papers IEEE Transactions on,2010,57(10):2602-2608.

[14]Cockcroft J D,Walton E T S.Experiments with high velocity positive ions.ii.The disintegration of elements by high velocity protons[C]//Proceedings of the Royal Society of London A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences.The Royal Society,1932,137(831):229-242.

[15]Dickson J F.On-chip high-voltage generation in MNOS integrated circuits using an improved voltage multiplier technique[J].IEEE Journal of solid-state circuits,1976,11(3):374-378.

[16]Wu J T,Chang Y H,Chang K L.1.2 V CMOS switched-capacitor circuits[C]//Solid-State Circuits Conference,1996.Digest of Technical Papers.42nd ISSCC.,1996 IEEE International.IEEE,1996:388-389.

[17]Wu J T,Chang K L.MOS charge pumps for low-voltage operation[J].IEEE Journal of solid-state circuits,1998,33(4):592-597.

[18]Gariboldi R,Pulvirenti F.A 70 mΩ intelligent high side switch with full diagnostics[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,1996,31(7):915-923.

[19]Ker M D,Chen S L,Tsai C S.Design of charge pump circuit with consideration of gate-oxide reliability in low-voltage CMOS processes[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2006,41(5):1100-1107.

[20]Lu C,Park S P,Raghunathan V,et al.Efficient power conversion for ultra low voltage micro scale energy transducers[C]//Proceedings of the Conference on Design,Automation and Test in Europe.European Design and Automation Association,2010:1602-1607.

[21]张永欢,姜岩峰.近阈值电压电路研究进展[J].微电子学,2016,46(1):107-112.

[22]Lu C,Raghunathan V,Roy K.Efficient design of micro-scale energy harvesting systems[J].IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems,2011,1(3):254-266.

[23]Liu X,Sanchez-Sinencio E.21.1 A single-cycle MPPT charge-pump energy harvester using a thyristor-based VCO without storage capacitor[C]//2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).IEEE,2016:364-365.

[24]Carreon-Bautista S,Huang L,Sanchez-Sinencio E.An Autonomous Energy Harvesting Power Management Unit with Digital Regulation for IoT Applications[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2016,51(6):1457-1474.

Design strategies and topologies of charge pump

MA Minglin,CAI Xinglong

(College of Information and Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China )

Due to miniaturization of various electronic devices,and the requirement of energy providing mode ever-growing,maintaining low power consumption and area as small as possible and highly integrated circuits have become a trend.The charge pump circuit mentioned by this essay greatly satisfy above requirement,therefore which is widely used in IC such as switching power supply,radio frequency circuit,various drive circuit,memory circuit,low power energy collection circuit etc.The essay mainly analyzes the usage-model,the key parameter,the details of optimizing stategy,ultimately the topological structure of serveral charge pump circuit.

charge pump;circuit model;optimization strategy;topological structure

1672-7010(2016)04-0026-06

2016-09-10

湖南省自然科学基金资助项目(2015JJ2140)

马铭磷 (1978-)，男，湖南湘潭人，副教授，博士，从事射频集成电路设计研究

TN402

A