一种减小纹波电压的新型电荷泵调节电路

欧阳托日，黄 鲁

(中国科学技术大学 电子科学与技术系，安徽 合肥 230026)

0 引言

电荷泵电路是闪速存储器(Flash Memory)电路中一个重要部分，用于提供一个比电源电压更高的电平。相对于常规DC/DC电路，电荷泵由于不需要电感、容易实现片上集成而得到广泛使用。

根据文献[1]，电荷泵输出电压随负载电流增加而降低。因此，电荷泵电路需要加上一个调节稳压部分以确保输出电压稳定。一种经典调节结构由TANZAWA T[2]提出，称为开关(SKIP)模式，原理是通过检测输出电压，将其通过电阻分压器分压后和带隙基准电压进行比较产生一个控制信号。如果输出电压超过了所需电压，控制信号将会使电荷泵停止工作，直到输出电压下降至设定电平以达到稳压效果。但是该结构的缺点为电荷泵时断时续地工作会带来很大的纹波。文献[3]在SKIP模式下，通过增加一个并联电容来减小比较器的延时来尝试降低电荷泵的纹波，但该方法并不能从根本上解决纹波问题。

LEE J Y[4]提出了频率调制模式。和SKIP模式直接利用一个高低电平控制信号关闭电荷泵不同，频率调制模式通过压控振荡器(VCO)控制电荷泵的时钟频率。输出电压较低时，VCO使得电荷泵工作频率为最高，此时电荷泵充电速度最快。随着输出电压的增加，VCO频率变低，电荷泵的充电速度降低。然而该结构的纹波特性也不太令人满意。文献[5]将上述结构中的振荡器改为电流控制振荡器，然而由于整体结构变化不大，效果并没有得到本质的提升。

本文对频率调制模式做了一个建模分析，证明了单纯的频率调制只能稳住输出电压的直流电平而不能抑制纹波，抑制纹波必须进行额外的电流控制。由此本文提出了一种新的电荷泵调制系统，该结构不会额外增加太多的电路结构和功耗，又能够有效抑制纹波。

1 频率调制结构

1.1 频率调制结构简介

图1所示为频率调制结构，又称为VCO结构。与SKIP模式中振荡器频率为恒定值不同，VCO模式的振荡器频率受输出电压控制。输出电压一个小的变化被分压器检测到，再通过误差放大器放大，就会形成连续信号控制压控振荡器频率。电荷泵刚开始充电时，输出电压最低，此时VCO频率为最高，电荷泵充电速度最快；随着输出电压的增加，VCO频率降低使得电荷泵充电速度变慢。

图1 VCO模式简图

该结构存在的一个问题是，由于其为一个连续控制的闭环系统，为获得高的输出电压精度，环路增益必须设置得很高。然而环路增益过高将会导致输出端的小的电压变化被过分放大，导致在VCO的输入端呈现为脉冲信号。此时VCO的时钟输出已经和SKIP模式的时钟相差不大，纹波没有得到改善。

1.2 频率调制结构建模与分析

文献[5]中提出了VCO结构，没有对VCO结构进行分析。下文对该结构做一个简要分析。图2对VCO结构做了一个建模：根据文献[1]，电荷泵可等效为一个电压源和一个电阻。电压源电压为：

Vpp=VDD+NVg

(1)

电荷泵输出电阻为：

(2)

图2 VCO模式建模图

式中VDD为电源电压，Vg为电荷泵单级增益，N为电荷泵级数，f为电荷泵工作频率,C为每一级电荷泵电容。式(1)、式(2)表明，电荷泵存在输出电流时，输出电压下降值。

为计算环路增益，从输出电压Vout端断开环路。输出电压被电阻分压器R1、R2检测，通过误差放大器放大，放大器输出信号控制压控振荡器。压控振荡器通过改变频率改变电荷泵输出电阻Rpump，输出电压为负载电阻RL和电荷泵输出电阻Rpump的分压值。系统环路增益T为：

(3)

(4)

(5)

其中Vout可由电阻分压得到:

(6)

将式(4)、(5)、(6)带入式(3)中，可得环路增益为：

(7)

这里忽略了分压器电阻的负载效应。该系统中，输出电压Vout接近不变，振荡器频率f和压控振荡器增益成正比。由式(7)可以看出，为获得精确的输出电平必须提高环路增益，而在该电路中只能提高运放增益。

但是提高运放增益会导致输出电压有小的变化就会使运放输出产生大的波动，从而导致VCO工作频率跳变。如前所述，高的环路增益虽然提高了输出电压电平的精确度，但并不会减小输出电压纹波，表现为输出电压在直流电平上下波动。纹波电压可近似表示为：

(8)

式中，ipump为电荷泵工作时的平均输出电流；iL为负载消耗的电流，包括了电阻分压器的电流；tpump为电荷泵一个周期内的充电时间，包括分压器的延时、比较器的延时和电荷泵内部延时；CL为负载电容。一般来说，负载电容太大会导致面积太大，而电荷泵充电时间为电荷泵内部延迟，难以消除。因此减小纹波最好的办法就是减小ipump和iL的差值，即使得ipump尽可能跟随iL的变化。

对于输出电流：

(9)

对于一个稳压结构，Vout维持几乎不变，而负载电流需要变化很大。SKIP模式直接让Rpump呈现开路特征；VCO模式中通过改变频率来调整Rpump的值。由于VCO频率变化范围有限，导致负载变化较大时，VCO模式和SKIP模式的纹波特性相差已经不大了。要改善输出纹波，必须直接控制电荷泵输出电流。

2 改进型电荷泵调节电路

2.1 改进型电荷泵调节电路的基本结构

改进型电荷泵调节电路结构如图3所示。

图3 改进型电荷泵调节电路框图

本文仍沿用VCO模式的系统结构而结合了SKIP模式的控制方法。电荷泵分成三路并联,电荷泵的驱动器被分离出来以方便实现控制。充电时，三路电荷泵能够获得较快的充电速度。而在输出电压接近最高电圧时，借助SKIP模式的特点，通过关闭电荷泵1和电荷泵2的驱动器，使电荷泵1和电荷泵2关闭，从而减小纹波。关闭两个电荷泵等价于减小了每一级电荷泵的电容，从而增加了Rpump的值，减小了ipump的值。

图4 重复利用的放大器

2.2 重载控制

图5 使用迟滞反相器减小纹波

2.3 轻载控制

在负载极轻的情况下，关掉2/3的电荷泵后仍然会使得充电电流太大。本文借鉴了文献[5]中的思路，关闭一部分驱动器以减小电荷泵输出电流[5-6]。区别在于，本文使用连续调制的办法控制常开电荷泵的驱动器，如图6所示。图中将运放第二级输出端的信号Vctrl作为控制信号。当输出电平较低时，Vctrl电压较高，即M1管栅极电压较高，使得M3管和M4管能够通过一个较大的电流，反相器M5、M6能够正常工作。而输出电平较高时，M1的栅极电压较低，反相器M5、M6能够通过的最大电流会被M3、M4限制住，使充电速度变慢。仿真表明，该结构能够减小轻载时最多40%的纹波。

图6 连续控制驱动器电流

3 电路仿真结果与比较

基于XMC 0.18 μm浮栅工艺，使用Cadence Spectre工具对电路进行仿真。电源电压为1.8 V，经仿真，轻载(负载为100 μA)纹波为62 mV，重载(负载为1 mA)纹波为35 mV，如图7、图8所示。表1给出了本设计和其他设计的比较。文献[3]为获得较好的纹波特性使用了较大的电容，文献[5]虽然纹波较小，但是输出电流太小。此外，文献[3]、[4]、[5]均未涉及超宽负载的纹波降低技术。本文在负载电容不大和负载电流变化很大的情况下取得了较好的纹波特性。

图7 轻载输出电压纹波

图8 重载输出电压纹波

4 结论

本文基于XMC 0.18 μm工艺提出了一种新型电荷泵调制系统。重载时，对电荷泵进行分路控制，对误差放大器进行重复利用，减少了比较器的使用，降低了电路静态功耗。轻载时利用连续调制对电容驱动器进行了连续调制，减小了电荷泵的输出纹波。仿真表明，本设计在不用较大电容负载时在宽负载下能取得较好的纹波特性。

表1 本设计和其他设计比较

参考文献

[1] 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.

[2] TANZAWA T, ATSUMI S. Optimization of word-line booster circuits for low-voltage Flash memories[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1999, 34(8): 1091-1098.

[3] KANG Y H, KIM J K, HWANG S W, et al. High-voltage analog system for a mobile NAND Flash[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008, 43(2): 507-517.

[4] LEE J Y, KIM S E, SONG S J, et al. A regulated charge pump with small ripple voltage and fast start-up[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2006, 41(2): 425-432.

[5] RUMBERG B, GRAHAM D W, NAVIDI M M. A regulated charge pump for tunneling floating-gate transistors[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2017, 64(3): 516-527.

[6] TANZAWA T. A switch-resistance-aware Dickson charge pump model for optimizing clock frequency[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2011, 58(6): 336-340.