一种快速启动的电容式电荷泵设计

林雨佳，范 超

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引言

伴随着工艺尺寸的缩小，大规模集成电路成为趋势，电荷泵所带负载器件会越来越多。巨大的负载电容将导致对其充电速度的减慢，使输出电压斜升速度减慢，电荷泵的升压启动过程将因此变得漫长。这将导致集成电路处理速度减慢的问题。提高电荷泵启动速度对大规模集成电路十分重要。

现有技术通过提高振荡器输出频率[1-2]和增大电荷泵电容值的办法，一定程度上达到了提高负载电容充电速度的目的。这两种办法在负载电容小的电路中作用明显，但在电荷泵输出负载电容很大的大规模电路中，所能达到的效果有限。在输出负载电容很大的条件下，若提高时钟频率，必然会引入较大的噪声和增大功耗；若电荷泵电容做的很大，芯片面积将会大幅增大，成本会大大增加。另一方面，如果增加电容，将会使节点的时间常数变大，从而限制最大时钟频率。为解决此类问题，在此设计一种快速启动的电容式电荷泵

2 快速启动电容式电荷泵设计

2.1 结构设计

图1给出了快速启动的电容式电荷泵的结构，包括主电荷泵、逻辑控制电路、辅助电荷泵、稳压电路和升压电路等。主电荷泵起到常规电荷泵的作用，其输出端连接有升压电路以根据需要升高主电荷泵输出端电压。升压电路的开启和关闭由辅助电荷泵控制。逻辑控制电路控制主电荷泵和辅助电荷泵的开启和关闭。当辅助电荷泵处于开启状态时，关闭主电荷泵；当主电荷泵处于开启状态时，关闭辅助电荷泵。稳压电路连接主电荷泵输出端，用于减少主电荷泵输出纹波，稳定输出电压。

图1快速启动电容式电荷泵功能框图

在上述设计实例中，在第一输出端Vout增加一个升压电路[3]（可以由NMOS器件构成），通过逻辑电路和辅助电荷泵控制NMOS器件的开启和关断，可以使电荷泵输出端电压迅速上升到电源电压VCC。此设计使充电速度显著提升。第一使能信号pull_en控制主电荷泵和辅助电荷泵的工作。主电荷泵的输出Vout还作为逻辑控制电路的输入。逻辑控制电路的输出信号ctrl 1作为辅助电荷泵的控制信号，控制辅助电荷泵的开启。辅助电荷泵的输出信号ctrl 2控制升压电路的开启和关闭。

第一使能信号pull_en是整个电荷泵结构的总使能，当pull_en为低电平时，主电荷泵和辅助电荷泵都不工作；当pull_en为高电平时，主电荷泵工作，辅助电荷泵工作与否受控制信号ctrl 1控制。也就是说，对于辅助电荷泵来说，pull_en的权重要比信号ctrl 1要高。其具体工作流程如下：pull_en使能信号为高电平，主电荷泵和辅助电荷泵同时开始工作，辅助电荷泵和逻辑控制电路可以在一瞬间将主电荷泵的输出提升到第一目标值。之后逻辑控制电路将辅助电荷泵关断，主电荷泵独自工作将输出电压升到最终目标值并稳定输出。主电荷泵会始终工作，只不过在初始阶段充电较慢；辅助电荷泵只在开始的一瞬间工作，所以并不存在辅助电荷泵工作时，主电荷泵关断的情况。

2.2 工作原理及流程

电荷泵的整体电路简图如图2所示[4-10]，其结构的级数可根据实际应用需要而定。此处主电荷泵采用四级结构，辅助电荷泵采用三级结构。当电荷泵第一使能信号pull_en到来后，逻辑控制电路和辅助电荷泵会将输出电压在瞬间提升到电源电压，这个过程为第一充电阶段；在输出电压达到电源电压后，辅助电荷泵会停止工作，由主电荷泵继续向负载电容充电，这个过程为第二充电阶段。

图2快速启动电容式电荷泵电路简图

当第一使能信号pull_en到来时，主电荷泵刚刚启动，还未向负载电容充电，输出电压Vout为低电平。此时逻辑控制电路的第二输出ctrl 1会将辅助电荷泵开启。辅助电荷泵将会产生一个高于VCC+VTH（升压电路的NMOS器件阈值电压）的电压，使升压电路开启，瞬间将负载电容充电到VCC，这时第一充电阶段完成。这个电压是辅助电荷泵输出电压的设计要求，具体数值与电源和工艺参数有关。需要注意，如果低于这个电压，快速启动效果将变差。实际应用中，先确定这个电压值，然后根据它设计辅助电荷泵的级数。当输出电压Vout为VCC时，逻辑电路输出信号ctrl 1将辅助电荷泵关断，进而使升压电路关断。这时，第二充电阶段开始，由主电荷泵继续给负载电容充电，上升到稳定电压时，稳压电路开启，完成电荷泵整个启动过程。

由于有第一充电阶段的过程，在一个时钟周期内，可以一次性给负载电容注入使其电压值为直流电压源电压VCC所需的电荷。而在没有这个操作的情况下，每一次时钟翻转，最多只能给主电荷泵的第一级注入使其电压值为直流电压源电压（忽略阈值损失）所需的电荷。相比之下，电路中的第一充电阶段可以很大程度上缩短负载电容上的电压达到稳态值所需的时间，消除了传统电荷泵电路电压上升速度慢的缺陷。

辅助电荷泵的输出信号ctrl 2是一个大于VCC+VTH的电压值，通过提高升压电路栅极电压的办法，达到减小升压电路在传递高电压时损失的目的。这样，不仅可以大大提高启动速度，还可以消除不同工艺下NMOS器件阈值电压VTH对第一充电阶段目标电压的影响。

由于主电荷泵会产生一个高于电源的电压值，为保证升压电路的NMOS器件不被击穿，通常会选用耐压高的器件，其阈值电压也会较常压管大得多（常压器件在0.7V左右，高压器件在1~2V之间）。假如没有辅助电荷泵，第一充电阶段的目标电压仅为VCC-VTH，第一目标电压会变得很小，加速效果不明显，严重限制启动速度。采用辅助电荷泵为升压电路栅极加压，不但可以将第一充电阶段目标电压提高到电源电压VCC，而且完全不用考虑工艺所带来的阈值电压变化的影响。

3 电路仿真

电路采用0.5μm CMOS工艺进行设计，使用Spectre软件进行电路仿真，与传统电荷泵启动时间的对比图如图3所示。曲线1表示上述实施例电荷泵启动时间，曲线2表示传统电荷泵启动时间，从图3中能够明显看到，采用本设计的电荷泵的启动时间比传统电荷泵明显缩短。

图3两种电荷泵启动时间的对比

4 结束语

设计的此款基于0.5μm CMOS工艺的快速启动电容式电荷泵电路，体现出了快速启动、低功耗等优点，在输出负载电容大的情况下，能够实现快速启动，同时并不会增加噪声和系统功耗。相比传统电荷泵电路，启动时间有明显提升，约为33%，符合设计预期，具有一定的实际应用价值。