国电南瑞科技股份有限公司 余 南
升压电荷泵等效电阻模型
国电南瑞科技股份有限公司 余 南
DC-DC升压电荷泵的能量损失主要分为两类:阻性功耗和动态功耗。通过建立模型推导了阻性功耗等效电阻的表达式。
集成电路;模拟集成电路;电荷泵;低功耗
很多电路如非挥发性存储器、LCD驱动等需要远高于电源电压VDD的电压。随着工艺的发展VDD越来越低,在一些模拟电路中也需要高于VDD的电压。这些高电压由电荷泵电路生成。片上电荷泵大多基于Dickson结构,如图1所示,用时钟clk及其反相时钟clkn驱动泵电容CT,把电荷泵到负载电容CL上累积,从而得到高压[1]。但是这种结构的功耗效率很低[2]。
图1 Dickson 电荷泵Fig. 1 Dickson charge pump
图2 电容充、放电过程Fig. 2 Charging and recharging parasitic capacitors
片上电容CT下极板会有很大的对地寄生电容Cpar,其值一般为CT的10~20%。至今所有片上电荷泵中时钟均为方波,经过driver电路(通常为反相器)得到clk和clkn来驱动泵电容的下极板。忽略自身寄生电容,driver输出端寄生电容约为n*Cpar。如图2所示,driver电路对Cpar很快充、放电导致功耗[2]。在此短暂过程中泵电容n*CT中电荷几乎不变,不消耗能量。
为提高电压增益,图1中二极管通常用电荷传输开关(charge transfer switch, CTS)来代替[2],设其导通电阻为Rpass。设单个泵电容值为CT,驱动时钟clk周期为T (T=1/f)。
图3 Dickson电荷泵模型Fig. 3 Model of the Dickson charge pump
设电荷泵数目n为偶数,则Dickson电荷泵电路在半个时钟周期内的工作模型见图3(可以证明n为奇数有相同结论)。其中Rup、Rdn分别表示时钟驱动电路(driver)的等效充电电阻和等效放电电阻;C1表示所有待放电电容的总量(其值等于所有待充电电容的总量C2,C1= C2=n* CT/2);Rsw表示两电容C间所有开关的总电阻(Rsw=2*Rpass/n)。整个环路的总电阻用R表示(R=Rsw+Rup+Rdn)。
当driver带驱动能力较强时:
设开关合上前两个电容上极板电压分别为V1(0) 和V2(0)。记开关合上后时间为t=0。
t时刻环路中电流:
0到t时间内两电容之间传输的电荷量:
0到t时间内VDD输出的电能量:
0到t时间内整个电路损失的电能量:
此时间内电阻R发热消耗的能量为ER(t):
显然,整个环路浪费的电能量全部转换为R上热能。
从负载端看来,等效为电荷泵输出端有一个恒定电阻Rs消耗上述热能[1]。设电荷泵电路负载电流为恒定值IL,在图3中电荷传输的总时间(T/2)内计算得:
整理得Rs更精确的表达式:
和文献[3]引用的结论一致。[T/(2RCT)]比较大时Rs=n/( f * CT) ,对应于电荷完全转移的情况。
Rs与(RCf)的关系:
图4 函数: y=x*coth(x)Fig. 4 Function: y=x*coth(x)
由上可见,阻性功耗很难消除,这是因为Dickson电荷泵的基本思想是在电容之间传输电荷。
[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]Cabrini A,Gobbi L,Torelli G.A theoretical discussion on performance limits of CMOS charge pumps[EB/OL].(2005-08-28)[2006-11-6].http://ieeexplore.ieee.org/iel5/10211/32579/01522986.pdf.
[3]Cabrini A.Enhanced charge pump for ultra-low-voltage applications[J].Electronics Letters,2006,42(9):512-514.