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《微電子學雜志》2016年第一期

摘要：

在傳統的電荷泵中，通常將更多的設計重點放在電荷泵的升壓效率問題上。但是，在低電壓工藝中，過高的電壓會讓MOS管處于被擊穿的危險之中，同時，開關管的導通電阻隨電源電壓的變化很明顯。針對上述問題，提出了一種具有輸出限壓功能的電荷泵。采用0．5μmUMC工藝，利用Cadence和Hspice軟件進行電路設計與仿真。結果表明，當電源電壓在2．7～5．5V范圍內變化時，電荷泵的輸出電壓可控制在一定范圍內，并且開關管的導通電阻變化很小。

關鍵詞：

USB電源管理系統；電荷泵電路；輸出限壓；低壓工藝；導通電阻

1引言

隨著電子信息技術的蓬勃發展，計算機硬件有了飛速的發展，外圍設備日益增多，各種便攜式電子產品得到了普及，如MP3、照相機、手機等。傳統的接口在應用過程中受到了限制。USB接口具有體積小、接口規范統一、支持熱插拔等優點，被廣泛應用于計算機接口中［1－3］，而USB電源管理系統作為USB接口的重要組成部分，受到越來越多的關注。電荷泵是一種升壓裝置，利用高頻振蕩器使電荷在電容處積累，產生高壓（高于電源電壓），其特點是體積小、電路結構簡單、無需電感、不存在電磁噪聲，被廣泛應用于存儲器、傳感器電源驅動電路網絡、開關電源等電路中［4］。在傳統設計中，設計師們把更多的注意力放在了電荷泵的升壓效率上，但在一些低壓工藝中，電荷泵過高的輸出電壓會使MOS管處于被擊穿的危險之中，有必要將電荷泵的輸出電壓控制在一定范圍內。本文提出了一種具有輸出限壓功能的電荷泵，該電路采用UMC0．5μm低壓工藝，利用Cadence和Hspice進行仿真。結果顯示，當電源電壓在2．7～5．5V范圍內變化時，能夠將電荷泵的輸出電壓控制在一定范圍內，保證了開關管的柵源電壓穩定，使得該開關管的導通電阻變化很小，適用于低壓工藝。

2電荷泵電路架構

2．1USB電源管理系統簡易架構圖1所示為USB電源管理系統的簡易架構圖［5］。時鐘信號clk由芯片內部振蕩器電路產生，并作為輸入信號提供給電荷泵。電荷泵的工作原理是利用電容兩端電壓不能發生突變的特性，產生比電源電壓Vin更高的電壓Vhv，高電壓Vhv為源極驅動及控制電路供電，從而為開關管的柵極提供驅動電壓，使得開關管導通，得到輸出Vout。在傳統的USB電源管理系統中，高壓Vhv隨著電荷泵級數的增多而增大。最早的理想電荷泵模型是由J．Dickson提出的，通過電容對電荷的積累效應產生高壓［6］，如圖2所示。在Dickson電荷泵中［7］，C1～Cn為充電電容，且容值相等；clk1和clk2是幅度為VIN的互不交疊時鐘信號；Cs是寄生電容，Cout是負載電容。Dickson電荷泵借助極性相反的驅動信號對電容進行充放電，將電源和前一級的電荷不斷灌入下一級中，從而在最后一級得到需要的高壓。當電源電壓在低壓2．7～5．5V變化時，Dickson電荷泵的輸出電壓會有較大波動。為了在電源電壓較低時仍能得到較高的柵極驅動電壓，需要增加電荷泵的級數，但這會使得在電源電壓較高時，電荷泵的輸出電壓Vhv會更大。過高的Vhv在低壓工藝下會超出MOS管的耐壓范圍，使得MOS管有被擊穿的危險。為了克服傳統Dickson電荷泵的這些問題，本文提出了一種具有輸出限壓功能的電荷泵電路。

2．2電荷泵電路的原理分析圖3所示為本文提出的電荷泵，由兩部分組成，2倍升壓部分和輸出及電壓控制部分。圖中，clk1和clk2為互不交疊的時鐘信號；M11，M12，M1，M2，M3，M4為NMOS管，其他均為PMOS管；Ibias為芯片內部基準產生的基準電流。在上述電荷泵電路中，若要使得該輸出電壓在工藝承受范圍之內，可以調節PMOS管M7和M8的電流I1和I0，以及電阻R的大小；若要得到一定的開關管導通電阻，需要增加NMOS的個數，這必然會增加芯片的面積。因此，在進行設計時，要綜合考慮工藝與面積，得到最佳的設計結果。

3實際電路仿真

本文基于0．5μmUMC工藝，采用Cadence和Hspice進行仿真。首先設置輸入端fclk1與fclk2的頻率為2MHz，I1和I0的電流值為1μA，電阻R的值為4MΩ，然后進行電路仿真。圖4所示為本文設計的電荷泵在去掉控制部分（并將電容C2的G端接clk2）和沒有去掉控制部分這兩種情況下輸出電壓的變化曲線。由圖可知，當溫度為25℃，電源電壓在2．7～5．5V變化時，沒有控制部分的電荷泵的輸出電壓變化范圍為6．8～14．8V，而有控制部分的電荷泵的輸出電壓變化范圍為6．65～9．59V。由此可知，本文提出的電荷泵能夠將輸出電壓控制在一定范圍內，不會使MOS管有被擊穿的危險。表1所示為本文提出的電荷泵在電源電壓Vin分別為2．7，3．3，4，5和5．5V時，電荷泵的輸出電壓Vhv以及開關管的柵源電壓Vgs的值。可以看出，當電源電壓在2．7～5．5V變化時，開關管的柵源電壓變化很小，電荷泵輸出電壓在（Vin＋4）V左右。圖5所示為本文提出的電荷泵在電源電壓分別為2．7，3．3，4及5．5V時，開關管的導通電阻變化情況。仿真結果顯示，當電壓在2．7～5．5V變化時，導通電阻的變化非常小，其變化率只有千分之幾，主要原因是由于MOS管存在體效應。當電源電壓一定、溫度范圍為－40℃～125℃時，電荷泵的輸出電壓隨溫度變化的曲線如圖6所示。由圖可知，當電源電壓為2．7V時，電荷泵的輸出電壓變化范圍為6．4～6．67V；當電源電壓為5．5V時，電荷泵的輸出電壓變化范圍為9．51～10．02V。當電源電壓分別為2．7，5及5．5V時，電荷泵輸出電壓最大變化為0．5V。可以看出，當電源電壓發生變化時，電荷泵的輸出電壓變化非常小，導通電阻的變化也非常小，符合設計要求。

4結束語

本文簡單分析了USB電源管理系統的架構，并針對低壓工藝下電荷泵輸出電壓過高會使MOS管有擊穿危險的問題，提出了一種具有輸出限壓功能的電荷泵。該電荷泵結構新穎，邏輯簡單易懂。使用Cadence和Hspice軟件進行電路仿真，結果顯示，該電路的電源電壓在2．7～5．5V變化時，電荷泵的輸出電壓被限定在一定范圍內，使得開關管的柵源電壓變化很小，導通電阻隨電源電壓變化也很小，完全滿足電路的設計要求。

作者：范建功 馮全源 單位：西南交通大學 微電子研究所