论文发表 | 论文范文 | 公文范文
新晨范文网
最新公告:目前,本站已经取得了出版物经营许可证 、音像制品许可证,协助杂志社进行初步审稿、征稿工作。咨询:400-675-1600
您现在的位置: 新晨范文网 >> 科技杂志 >> 电子科技杂志 >> 微电子学杂志 >> 正文

输出限压功能的电荷泵设计

定制服务

定制原创材料,由写作老师24小时内创作完成,仅供客户你一人参考学习,无后顾之忧。

发表论文

根据客户的需要,将论文发表在指定类别的期刊,只收50%定金,确定发表通过后再付余款。

加入会员

申请成为本站会员,可以享受经理回访等更17项优惠服务,更可以固定你喜欢的写作老师。

《微电子学杂志》2016年第一期

摘要:

在传统的电荷泵中,通常将更多的设计重点放在电荷泵的升压效率问题上。但是,在低电压工艺中,过高的电压会让MOS管处于被击穿的危险之中,同时,开关管的导通电阻随电源电压的变化很明显。针对上述问题,提出了一种具有输出限压功能的电荷泵。采用0.5μmUMC工艺,利用Cadence和Hspice软件进行电路设计与仿真。结果表明,当电源电压在2.7~5.5V范围内变化时,电荷泵的输出电压可控制在一定范围内,并且开关管的导通电阻变化很小。

关键词:

USB电源管理系统;电荷泵电路;输出限压;低压工艺;导通电阻

1引言

随着电子信息技术的蓬勃发展,计算机硬件有了飞速的发展,外围设备日益增多,各种便携式电子产品得到了普及,如MP3、照相机、手机等。传统的接口在应用过程中受到了限制。USB接口具有体积小、接口规范统一、支持热插拔等优点,被广泛应用于计算机接口中[1-3],而USB电源管理系统作为USB接口的重要组成部分,受到越来越多的关注。电荷泵是一种升压装置,利用高频振荡器使电荷在电容处积累,产生高压(高于电源电压),其特点是体积小、电路结构简单、无需电感、不存在电磁噪声,被广泛应用于存储器、传感器电源驱动电路网络、开关电源等电路中[4]。在传统设计中,设计师们把更多的注意力放在了电荷泵的升压效率上,但在一些低压工艺中,电荷泵过高的输出电压会使MOS管处于被击穿的危险之中,有必要将电荷泵的输出电压控制在一定范围内。本文提出了一种具有输出限压功能的电荷泵,该电路采用UMC0.5μm低压工艺,利用Cadence和Hspice进行仿真。结果显示,当电源电压在2.7~5.5V范围内变化时,能够将电荷泵的输出电压控制在一定范围内,保证了开关管的栅源电压稳定,使得该开关管的导通电阻变化很小,适用于低压工艺。

2电荷泵电路架构

2.1USB电源管理系统简易架构图1所示为USB电源管理系统的简易架构图[5]。时钟信号clk由芯片内部振荡器电路产生,并作为输入信号提供给电荷泵。电荷泵的工作原理是利用电容两端电压不能发生突变的特性,产生比电源电压Vin更高的电压Vhv,高电压Vhv为源极驱动及控制电路供电,从而为开关管的栅极提供驱动电压,使得开关管导通,得到输出Vout。在传统的USB电源管理系统中,高压Vhv随着电荷泵级数的增多而增大。最早的理想电荷泵模型是由J.Dickson提出的,通过电容对电荷的积累效应产生高压[6],如图2所示。在Dickson电荷泵中[7],C1~Cn为充电电容,且容值相等;clk1和clk2是幅度为VIN的互不交叠时钟信号;Cs是寄生电容,Cout是负载电容。Dickson电荷泵借助极性相反的驱动信号对电容进行充放电,将电源和前一级的电荷不断灌入下一级中,从而在最后一级得到需要的高压。当电源电压在低压2.7~5.5V变化时,Dickson电荷泵的输出电压会有较大波动。为了在电源电压较低时仍能得到较高的栅极驱动电压,需要增加电荷泵的级数,但这会使得在电源电压较高时,电荷泵的输出电压Vhv会更大。过高的Vhv在低压工艺下会超出MOS管的耐压范围,使得MOS管有被击穿的危险。为了克服传统Dickson电荷泵的这些问题,本文提出了一种具有输出限压功能的电荷泵电路。

2.2电荷泵电路的原理分析图3所示为本文提出的电荷泵,由两部分组成,2倍升压部分和输出及电压控制部分。图中,clk1和clk2为互不交叠的时钟信号;M11,M12,M1,M2,M3,M4为NMOS管,其他均为PMOS管;Ibias为芯片内部基准产生的基准电流。在上述电荷泵电路中,若要使得该输出电压在工艺承受范围之内,可以调节PMOS管M7和M8的电流I1和I0,以及电阻R的大小;若要得到一定的开关管导通电阻,需要增加NMOS的个数,这必然会增加芯片的面积。因此,在进行设计时,要综合考虑工艺与面积,得到最佳的设计结果。

3实际电路仿真

本文基于0.5μmUMC工艺,采用Cadence和Hspice进行仿真。首先设置输入端fclk1与fclk2的频率为2MHz,I1和I0的电流值为1μA,电阻R的值为4MΩ,然后进行电路仿真。图4所示为本文设计的电荷泵在去掉控制部分(并将电容C2的G端接clk2)和没有去掉控制部分这两种情况下输出电压的变化曲线。由图可知,当温度为25℃,电源电压在2.7~5.5V变化时,没有控制部分的电荷泵的输出电压变化范围为6.8~14.8V,而有控制部分的电荷泵的输出电压变化范围为6.65~9.59V。由此可知,本文提出的电荷泵能够将输出电压控制在一定范围内,不会使MOS管有被击穿的危险。表1所示为本文提出的电荷泵在电源电压Vin分别为2.7,3.3,4,5和5.5V时,电荷泵的输出电压Vhv以及开关管的栅源电压Vgs的值。可以看出,当电源电压在2.7~5.5V变化时,开关管的栅源电压变化很小,电荷泵输出电压在(Vin+4)V左右。图5所示为本文提出的电荷泵在电源电压分别为2.7,3.3,4及5.5V时,开关管的导通电阻变化情况。仿真结果显示,当电压在2.7~5.5V变化时,导通电阻的变化非常小,其变化率只有千分之几,主要原因是由于MOS管存在体效应。当电源电压一定、温度范围为-40℃~125℃时,电荷泵的输出电压随温度变化的曲线如图6所示。由图可知,当电源电压为2.7V时,电荷泵的输出电压变化范围为6.4~6.67V;当电源电压为5.5V时,电荷泵的输出电压变化范围为9.51~10.02V。当电源电压分别为2.7,5及5.5V时,电荷泵输出电压最大变化为0.5V。可以看出,当电源电压发生变化时,电荷泵的输出电压变化非常小,导通电阻的变化也非常小,符合设计要求。

4结束语

本文简单分析了USB电源管理系统的架构,并针对低压工艺下电荷泵输出电压过高会使MOS管有击穿危险的问题,提出了一种具有输出限压功能的电荷泵。该电荷泵结构新颖,逻辑简单易懂。使用Cadence和Hspice软件进行电路仿真,结果显示,该电路的电源电压在2.7~5.5V变化时,电荷泵的输出电压被限定在一定范围内,使得开关管的栅源电压变化很小,导通电阻随电源电压变化也很小,完全满足电路的设计要求。

作者:范建功 冯全源 单位:西南交通大学 微电子研究所

微电子学杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次

澳门葡京娱乐手机版