UHF RFID低压高效电荷泵的分析与设计

（西南交通大学 微电子研究所，四川 成都 611756）

UHF RFID低压高效电荷泵的分析与设计

向姝蓉，冯全源，向乾尹

（西南交通大学 微电子研究所，四川 成都 611756）

为使电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）更好地适用于无源超高频射频识别（UHF RFID）芯片，提出了一种低压高效电荷泵电路的设计方案。利用附加晶体管切换电路中 MOS管的衬底电压，增加自举晶体管对栅极充电，该设计方案可消除体效应对阈值电压的影响，有效抑制反向漏电流。综合分析电路的影响因素后，折中设计给出合适的设计参数。采用SMIC 0.18 μm EEPROM工艺、利用Hspice仿真验证，在输入电压1.5 V时，13级电荷泵输出电压可高达18 V，保证了UHF RFID芯片良好性能的实现。

电荷泵；体效应；漏电流；低压；UHF RFID；EEPROM

射频识别（Radio Frequency Identification-RFID）技术因具有非接触、准确度高、保密性好等优点迅速发展，成为支持物联网最重要的技术之一[1]。其中无源UHF RFID标签由于成本较低、阅读距离可达10 m左右，在零售行业、仓储物流、防伪等物品身份识别领域广泛应用[2]。作为标签信息载体的EEPROM在写入数据时功耗较大，成为制约标签写入状态距离的核心因素之一。

EEPROM 存储器采用浮栅结构，利用F-N(Fowler-Nordheim)隧穿效应改变浮栅上的电荷量，从而实现对存储单元的擦写[3]。F-N隧穿效应的产生需要十几伏的高压，然而低功耗标签芯片电源电压常常低至1.5 V或是更低，因此低压高效能的电荷泵电路在存储器芯片中扮演着极其重要的角色。

目前提出的电荷泵变形电路，都是基于传统Dickson电荷泵的基本原理。在低成本的单阱工艺中，通常采用二极管连接的NMOS管实现Dickson电荷泵中的二极管功能。MOS管的阈值电压即为二极管的压降，但在电路实际工作中该值并不为定值。考虑到衬偏效应的影响，阈值电压为[4]：

式中：Vth0为源衬电压VSB=0时的阈值电压；γ 为体效应系数；φF为费米电势。

结合式(1)分析，MOS管源衬电压VSB的升高，使阈值电压Vth不断升高。Vth的升高导致输出电压降低，电荷泵的效率降低。因此，衬偏效应的存在严重影响了电荷泵的性能。

为消除衬偏效应对电路带来的影响，用 PMOS管代替 NMOS管的电路相继被提出。单阱工艺中NMOS管的衬底必须接地，VSB随着电荷泵级数的增加不断增大，从而导致衬偏效应愈加明显；而PMOS做在阱中，衬底可以独立连接从而消除衬偏效应。

文献[5]引入栅交叉耦合的PMOS管来选择相邻两级的高电位作PMOS管的衬底电压，从而消除衬底偏置效应带来的影响。但传输管的开启或关断不彻底会造成电荷传输不完全和电荷回流，从而影响电荷泵的效率。

文献[6]采用P型衬底浮空MOS管，使衬底电压跟随传输管的源极电位变化，增加升压电容和自举晶体管提升传输晶体管的栅极电压，利用四相时钟驱动。但衬底浮空时存在寄生二极管导通的可能性，从而存在发生闩锁效应的隐患。针对以上问题，本文提出了一种低压高效电荷泵电路的设计方案。利用附加晶体管切换电路中MOS管的衬底电压，增加自举晶体管对栅极充电，该设计方案可消除体效应对阈值电压的影响，有效抑制反向漏电流。

1 电路设计与分析

本文所采用的电荷泵结合前两者的结构特点，利用附加晶体管Mci、Mdi对传输管Mti的衬底电压进行切换，增加自举晶体管Msi对传输管Mti的栅极充电，使其关断得更彻底，防止电荷回流，图1为其相邻两级结构以及四个时钟的相位关系图。

图1 四相位栅交叉耦合电荷泵Fig.1 Four-phase gate cross-coupling charge pump

电荷泵有两个基本操作过程：一是预充电，clk1为低，升压电容Cpi使Vi点电压降低，之后clk2升高，Cp(i–1)、Cp(i+1)使Vi-1、Vi+1点电压升高，Msi关断，Ms(i+1)导通，Mt(i+1)的栅极被充电；二是电荷传输，clk3降低，Mti导通，电荷从Vi–1传输到Vi，此时clk4为高，Mt(i+1)管栅电压升高从而截止。当传输达到稳态后，clk3先变高，其次clk2、clk1、clk4相继反相，电路反复预充电、电荷传输过程。

通过对电路工作过程的分析，在电荷泵的一个工作周期内，相邻两级的附加晶体管 Mc、Md随着时钟信号 clk1、clk2的变化交叉导通，使得任意时钟相位下所有PMOS晶体管的衬底电压都处于高电平。该电路消除了衬底偏置效应的影响、有效抑制了反向漏电流，提高了电荷泵的工作效率。

该电荷泵的输出电压为：

式中：Vdd为输入电压；Vclk为时钟振幅；Cb为栅自举电容；Cp为升压电容；Io为MOS管导通电流；Ron为其导通电阻；Iout为输出电流；Cs为寄生电容；f为时钟频率；N为电荷泵级数。

在最小功耗情况下，电荷泵级数为[7]：

式中：α为寄生电容与升压电容的比值。式(3)表明，在最小功耗情况下，电荷泵级数N只与升压倍数K(K=Vout/Vdd)和寄生电容与升压电容的比值α有关。N与K的关系见图2。

在图2中，α一定时，电荷泵级数N与升压倍数K几乎是呈线性关系。K较小时，N与α的联系较弱，但随着K的升高，α对N的影响也增大。

图2 升压倍数与电荷泵级数关系图Fig.2 Boost multiplier and charge pump series

电荷泵的效率定义为[7]：

根据式(4)对其中变量关系进行分析，可得图 3所示关系图。理想情况（α= 0）下，η与K成正比；而实际情况（α≠ 0）中，通过改变电路的其他影响因素可使效率随升压倍数变化，但电荷泵效率在最大值后会随升压倍数增加而减小。

图3 电荷泵效率与升压倍数关系图Fig.3 Relationship of charge pump efficiency and boost multiple

2 电路仿真与实现

2.1 电路参数设计

将文献[5]、[6]以及本文电荷泵电路均采用SMIC 0.18 μm EEPROM工艺实现，并在Hspice下仿真分析。时钟振幅与电源电压保持一致，电路中所对应的管子尺寸相同如表1。

表1 电荷泵各MOS管宽长值Tab.1 Values of charge pump MOS tube width and length

在图4中，电源电压与时钟频率的增大都会造成输出电压的升高。

图5为三种电荷泵结构的输出电压随电荷泵级数、升压电容的变化情况。随着电荷泵级数与升压电容的增加，输出电压越高。

从式（2）可以看出，输出电压的主要影响因素为：电源电压Vdd、电荷泵级数N、时钟频率f以及寄生电容与升压电容的比值α。

根据图4、5可发现，输出电压主要受电荷泵级数N、升压电容Cp以及电源电压Vdd的影响，与时钟频率f依赖关系较弱，但在实际设计时应综合考虑各因素对电路的影响，进行折中设计。

图4 电源电压与输出电压关系图Fig.4 Relationship of power supply voltage and output voltage

图5 电荷泵级数与输出电压关系图Fig.5 Relationship of charge pump series and output voltage

2.2 电路仿真

无源UHF RFID标签芯片的低压低功耗设计中，为了降低芯片能量阈值，可通过降低电路工作电压来实现。但在既定输出高压要求下，电源电压的降低会造成升压倍数的增大、电荷泵的级数增加。时钟频率的增大会造成输出电压的增大，在设计时应考虑到时钟频率过高会造成开关导通电阻的增大、过低会影响电荷泵的升压速度。实际设计电路时考虑到电路中其他寄生电容的影响，给电路留出足够的裕度将α取得偏大（α= 0.25）。

在综合考虑了以上因素后，取适用于UHF RFID芯片的四相位栅交叉耦合电荷泵设计参数:电源电压1.5 V、时钟频率为5 MHz，升压电容Cp取3 pF，自举电容Cb取100 fF，负载电容25 pF。

鉴于SMIC工艺要求，确定输出电压为16 V，因此根据式(3)可得最小功耗情况下电荷泵级数为13级。电荷泵工作时的负载电流主要由FN隧穿电流和衬底漏电流组成，要求其输出电流小于1 μA左右才能满足电路设计[8]。因此本文取负载电阻40 MΩ保证负载电流绝对小于1 μA，满足设计要求。

图6为在上述相同参数下，三种电荷泵结构输出电压随电路负载电流的变化情况。

图6 输出电压与负载电阻的关系图Fig.6 Relationship of output voltage and load resistance

图7为三种电荷泵结构在上述相同参数设定情况下的时域仿真图，本文所设计电荷泵的升压能力与升压速度明显优于另外两种电荷泵结构。栅交叉耦合电荷泵结构的输出电压有明显的波动，用于存储单元的擦写时会对数据的准确性带来影响。

图7 电荷泵时域仿真图Fig.7 Relationship of charge pump time domain simulation

表 2为本文所设计的电荷泵电路与其他文献中电荷泵电路的性能比较。文献[9]、[10]中的电荷泵电路采用的时钟频率较大、电源电压过高；文献[11]中电荷泵电路的平均每级增益较低，说明电路的升压能力有限、效率不高。因此本文所设计的电荷泵电路在低压、高效率方面具有一定的优势。

表2 电荷泵性能比较Tab.2 Comparison of charge pump performance

3 总结

本文分析了三种全PMOS的电荷泵电路，综合考虑电路的影响因素、对仿真结果进行分析。四相位栅交叉耦合电荷泵结构较好地实现了衬偏效应的消除、传输管的关断更彻底，具有更高的升压能力与更优的性能，能够更好地适用于UHF RFID标签芯片。在tt、ff、ss三种工艺角下，高压输出分别为18.89，19.19，18.02 V，能够很好地实现EEPROM的高压编程。所以在电源电压一定、要求高压输出的情况下，本文所设计的电荷泵电路可以减少电荷泵级数，减小芯片面积，降低电路功耗。

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Analysis and design of low voltage and high efficiency charge pump in UHF RFID

XIANG Shurong, FENG Quanyuan, XIANG Qianyin
(Institute of Microelectronics, The Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)

In order to make the EEPROM memory better suitable for passive UHF RFID chips, this paper presented a low voltage and high efficiency charge pump circuit design scheme. This design scheme could eliminate the influence of the body effect on threshold voltage, and effectively suppressed the reverse leakage current by using additional transistors to switch the circuit MOS transistor substrate voltage, increased the bootstrap transistor to the gate charge. After analyzing the influencing factors of the circuit, the compromise design gave the appropriate design parameters. Using SMIC 0.18 μm EEPROM process and Hspice simulation verification, when the input voltage is 1.5 V, 13 class charge pump output voltage is up to 18 V. UHF RFID chip is ensured to have good performance.

charge pump; body effect; leakage current; low voltage; UHF RFID; EEPROM

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.01.016

TN43

A

1001-2028（2018）01-0084-04

国家自然科学基金重点项目资助（61531016）；四川省科技支撑计划重点项目资助（2016GZ0059; 2017GZ0110）

2017-09-25

冯全源

冯全源（1963－），男，江西景德镇人，教授，主要研究数字、模拟、射频与混合信号集成电路设计等；

向姝蓉（1993－），女，重庆人，研究生，研究方向为模拟集成电路、RFID存储电路设计；向乾尹（1982－），男，四川彭州人，讲师，主要从事射频集成电路、可重构射频技术等。

（编辑：陈渝生）