24V电荷泵升压型半导体LED照明光源驱动芯片的设计.pdf

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1、浙江大学硕士学位论文2.4V电荷泵升压型半导体LED照明光源驱动芯片的设计姓名：高阳申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：朱大中;郭维20070501新江大学硬士学位论文摘要摘要经济迅速发展带来的能源危机使节能技术广泛应用成为政府和老百姓共同关注的热点问题，而半导体照明光源(L E D)具有高效、节能、环保、长寿命、易维护等显著特点，有望成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的一种新型照明光源，它的全球市场年均增长率超过2 0。2 0 0 3 年我国半导体照明工程也全面启动，国家的支持使白光L E D 已进入照明市场，并将在“十一五”计划期间全面推广因此，白光L E D 驱动芯片

2、的研究就具有很大的现实意义和广泛的应用价值。本文设计的白光L E D 驱动芯片属于电荷泵升压型，采用0 6 p m 标准C M O S工艺制造，实现了包括时钟控制、电荷泵升压、恒流驱动等多个功能模块以及功率器件的单片集成。可以在2 节充电电池(2 4 V)作为电源供电的情况下，为工作电压3 5 V，T 作电流1 0 0 m A 的大功率照明自光L E D 提供驱动电流此项研究产品可广泛应用于移动，便携式白光L E D 照明产品中。设计的关键技术是合理选择电荷泵工作频率、开关功率M O S 管的宽长比、传输电容等参数，时钟控制。本文共分五章，第一章简要介绍了白光L E D 的发展以及驱动方式；第

3、二章叙述了电荷泵基本的机构及工作原理；第三章则阐述了本次流片的电荷泵升压型恒流驱动芯片的各个模块的电路设计；第四章是流片芯片的测试结果及其特性分析；第五章则是对本次流片的总结及一些可以改进的地方的展望。本次课题研究紧密结合市场动态的发展，该电荷泵升压型恒流驱动芯片可用于矿灯、手电筒、台灯等，且它的设计原理可以推广用来设计驱动更高功率的L E D。关键词：照明驱动电荷泵2 倍压模式恒流浙江大学硕士学位论文摘要A b s 仃a c tT h ee n e r g yc r i s i s,c a u s e db yr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e

4、 n t,b r i n g sa b o u tt h eu o f c r】科c o n s e r v a t i o nt e c h n o l o g ya st h eg o v e r n m e n ta n dp e o p l e sh o tt o p i c T h es e m i c o n d u c t o rl i g h t i n gL E Dw i t hh i g he f f i c i e n c y,c n c f f 2：yc o n s e r v a t i o n,e n v i r o n m e n t a lp r o t e c

5、 t i o n,l o n g-l i f e t i m e，e a s ym a i n t e n a n c e i se x p e c t e dt ob e c o m eau c wl i g h t i n gs o u ma f t e rt h ei n c a n d e s c e n tl a m pa n df l u o r e s c e n tl a m p I t sa v e r a g em m u a lg r o w t hr a t eo ft h eg l o b a lm a r k e ti sm o r tt h a n2 0 o n

6、a t i o n a lS e m i c o n d u c t o rl i g h t i n gp r o j e c tw a si nf u l ls w i n gi n2 0 0 3 W h i t eL E Dh a se t H e r e,dt h ei l l u m i n a t i o nm a x k c tw i t ht h es u p p o r to f t h eg o v e r n m e n t,a n dw i l lp r o m o t ec o m p r e h e n s i v e l yd u r i n g“1 1 5”p

7、l a n T h er e s e a r c h o f w h i t e L E D d r i v i n g c h i p h a s g r e a t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e T h i sl i g h t i n gd r i v i n gc h i pi nt h i st h e s i sb e l o n g st ob 0 0 s tc b a l 萼ep u m p1 y p e T h ec h i pi sf a b r i c a t e di n0 6 p r os t a n d a r d

8、C M O Sp r o c e$s I tm a k e sp o s s i b l et h ec o m p a t i b l ei n t e g r a t i o no fc l o c k-c o n t r o l，c h a 学p u m p,c o n s l a n tc u r r e n td r i v e ra n dp o w e rd e v i c ew i t hc o n v e n t i o n a lC M O Ss i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t I tc a nw o r ki nl o

9、wv o l t a g es u p p l y(2 4 v)，a n dc a nd r i v e sas e m i c o n d u c t o rl i g h tw o r k i n gu n d e r3 5 VD Cv o l t a g ea n d1 0 0 m AD Cc u r r e n t,w i t hc o n s t a n tc u r r e n td e s p i t eo fc h a n g e si nv o l t a g es u p p l yo rt e m p e r a t u r e T h ek e yp r o b l e

10、 mo f m cd e s i g ni st h er e a s o n a b l ec h o i c eo fc h a r g ep u m p so p e r a t i n gf r e q u e n c y,M O S F E Ts w i t c h e s+”厶t r a n s m i s s i o nc a p a c i t a n c e,t h et i m i n gc o n t r 0 1 T h i sp a p e rc o m p r i s 嚣f i v ec h a p t e r s C h a p t e rIi sb r i e f

11、 e d0 1 1t h ed e v e l o p m e n ta n dd r i v e na p p r o a c ho fw h i t eL E D；C h a p t e r s a y st h ec h a g ep u m p St y p e sa n do p e r a t i n gp r i n c i p l e s；C h a p t e rH Ii se x p o u n d e dt h ec i r c u i td e s i g no f t h i sc h i p；C h a p t e rI Vw i l li n t r o d u

12、c et h ec h i pt e s ta n di t s c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s；C h a p t e r V i s t h es u m m a r y a n d s o m e i m p r o v e m e n t s v i s i o n T h et o r r e n tr e s e a r c hO nL E Dd r i v e rw i t hc h a r g ep u m pi si nc l o s ec o n n e c t i o nw i t ht h ed e v e l o

13、p m e n to fm a r k e td y n a m i c s,a n d 啪d r i v ef o rm i n e r sl a m p，n 器M i g 址r e a d i n gl a m p I t sd e s i g np r i n c i p l e sg a l la l s ob eu s e dt op r o m o t et oh i g h e rp o w e rl e dd r i v e n K e y w o r d s：i l l u m i n a t i o nd r i v e n,c h a r g ep u m p,x 2m

14、o d e,c o n s t a n tc u r r e n tI L l浙扛大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1 1 白光L E D 的特性及发展1 1 1 照明器件的发展史纵观人类照明史的发展，主要经历了火光照明、白炽灯照明、荧光灯照明三大阶段。最近兴起的半导体固体照明被认为是继荧光灯照明之后，人类照明史上的又一次历史性飞越。从本质上讲，照明史的发展就是人类不断提高照明效率的过程。最初的火光照明采用燃烧化学燃料的方法来获得人类所需的光源。但由于火光的大部分光谱位于可见光光谱的范围之外，而且燃烧产生的9 0 的能量均转化成了热能，因此火光照明的效率非常低。加上化学燃料的燃烧经常伴随着对

15、环境有污染的气体的产生，人们便开始了寻找和开发发光效率更高的照明器件的历程。白炽灯的发明是人类照明史上的一次重大飞越。首先，它摒弃了传统的化学燃料，而采用电能作为发光驱动能源，因此具有无污染、易输运的优点。其次，虽然其发光频谱大部分还是落在可见光频谱之外，但它的出射光的峰值位予可见光谱的附近，因此发光效率比燃烧发光高得多一般来说，普通的白炽灯的发光效率为1 6l m 1|。第三种照明技术是荧光灯照明，荧光灯利用电能作为驱动能源来激发低压汞蒸气产生波长约为2 5 3 7 r m 的窄带紫外出射光，该紫外光照射灯管内壁上的荧光粉，激发它产生占满整个可见光谱的白光。由于荧光灯的出射光波长几乎全部集中

16、在可见光谱的某一窄带范围内，因此其发光效率大大高于白炽灯，一般为8 51 m w。半导体固体发光器件为近几年兴起的第四代照明器件。它的发光机理为：当在半导体发光二极管(L E D)的两端加上正偏的电压时，大量的电子空穴对注入半导体，当电子和空穴在半导体中的某些特殊活性区域中复合时，即产生光子，这些光子的能量和半导体的禁带宽度有关。像荧光灯一样，由于L E D的出射光为位于可见光光谱范围内的窄带光，所以看上去是有颜色的。要使它变成接近自然光的白光还需将出射的窄带有色光转化成占满整个可见光光谱的白光。灏江大学硕士学位论文第章绪论1 1 2 白光L E D 的特点L E D 属于全固体冷光源，更小、

17、更轻，可多颗、多种组合L E D 发热量低、寿命长、耗能低；白炽灯有先天性缺陷：钨丝加热耗电大，灯泡易碎能耗大，而且容易触电。L E D 环保效益更佳，其光谱中没有紫外线和红外线，既没热量，也没辐射，废弃物可回收，无污染，属于典型的绿色照明光源。荧光灯虽说比白炽灯节电节能，但对人的视力不利，灯管内的汞也对人体和环境有害。L E D 照明控制极方便：直流驱动，只要调整电流，就可以随意调光。不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果。表1 1 白炽灯与L E D 性能的比较L E D白炽灯色温(K)3 0 0 0 l 0 0 0 02 5 0 0 4 3 0 0 0光

18、效0 m W)1 51 5反应速度(u s)0 11 0 0，0 0 0冲击电流O1 0 倍额定电流耐压击性很强易断裂寿命(h)2 0。0 0 0 0(2-6)由于该式与N 无关，故而从理论上说。电压可以通过倍压泵放大，从而得到理想的电压值。但是D i c k s o n 存在2 个主要的缺陷：第一，随着电荷泵的效果使电压逐级升高，=极管接法的M O S 管的源极电压逐渐增加，从而使源一衬电压v s B 增加导致体效应，使得电压增益随级数的增加越来越差。第二，由于受阈值电压的影响，使得每一级都有一个阈值电压的下降，导致在低压下增益很小由于这2 点缺陷的影响，即使增加电荷泵的级数，要想从低的输入

19、电压产生高电压也是很困难的。针对这2 点问题，为了提高电荷泵的效率，我们采用以下面的方法：一，减少体效应的影响l，我们采用浮阱(F l o a t i n gW e l d 的方法来减少体效应的影响。浮阱即衬底不接固定的电压，使得衬底电压随着源电压的变化而变化，这样就保证了源一衬之间的电压差所吟不会太大，从而可以减少体效应。浙江大学颈士学位论文第一章绪论M!几厂 I*圈2,3 浮阱电荷泵及其原理圈如图2 3 就是个典型的浮阱电荷泵(F W C P)让P M O S 管的体(n-w e l l)不接电位。这样当电路启动后，在第一个时钟阶段，第i+l 级P M O S 的n-w e l l 的的电

20、压V w e l l(i+1)就等二于=V p p(i)-V d i o d e(这i f!的V d i o d e 是p+和n-w e l l 之间的P N 结的内建电势)。而同时V p r(i+1)接低电品，第i+I P M O S 管导通，使电荷继续向下一级传送。此时第i+I P M O S 的源衬之间的电压V s B=K 疗诎(形幻沈概这样就使P M O S 的有效阈值电压比会产生体效应的临界阙值电压小很多，从而明显的减少了体效应的影响，因此浮阱电荷泵无论是输出电压和电流驱动能力上都要比传统的有体效应的电荷泵优越，而且一般的C M o S 工艺都可以作出浮阱的结构。但是浮阱会使矿积n-

21、w e l l 之间的P N 绩形成一定的正偏，两鳆着源树之闻的正偏P N 结会产生漏电流损失，这也是浮阱最大的缺点。2，利用特殊的衬底接法。使源一衬P N 结接近于零偏，如图2 4。即V s s=o 这样可以很大程度上减小阈值电压，同时阈值电压也不会随级数的增加而改变，这样就解决了体效应的问题。我们引入如下的结构，用两个附加的管子，1，彳2 来控制体偏置，源端附加，-管 彳l 和电荷传送管M c 的源和栅接在一起，漏端附加管 4 2 和M c 的漏接在一起，五彳l，2，M c 的衬接在一起。这样当电荷传送管M c 导通时，4 l 也导通，使M c的体和源相连使V s s=O，从而实现零偏置减

22、小了阈值电压，也避免了体效应。当M c 关断对。漏极附加管M 2 导通使漏和体相连，避免了体的悬浮。这种结构很努的实现了源一衬，漏一衬的零偏，减小了阈值电压，很大程度上降低了体效应的发生几率。浙江大学硕学位论文第一章绪论M l图2 4 开关M O S 管的衬底接法二，减少阈值电压损耗利用M O S 管做传输开关。通过栅源电压的控制可以在需要的时候使M O S 开关完全的开启或是关断。M O S 开关导通时可以近似看作一个正向导通的二极管，而且在源漏之间没有电压降，这样可以很大的提高输出电压的增益。我们可以利用P M O S 开关来代替D i e k s o n 电荷泵中的二极管接法的N M O

23、 S 管(图2 5)因为P M O S 管在传输高电品时没有阂值电压的损耗，可以得到比较理想的输出电压，再通过适当的时钟信号控制开关的开启和关断，就可以使电压逐级升高。图2 5 P M O S 电荷泵当然我们也可以考虑使用N M O S 开关，但为了减少阈值电压的影响，需要很高的栅压来控制。例如N C P 2 电路(图2 6 1。图中的M S l 管作为开关管，通过取后一级的高电压来控制为了消除内在电压的影响，需要增加一个二极管接法的M 1 管。但是N C P 2 结构仍然存在2 个问题：第一，由控制M O S 开关的的栅电压都是取自后一级(后向控制)，对于最后一级没有节点电压来控制，需要一个

24、高的l 矗浙江大学硕士学位论文第一章绪论时钟电位来控制，同时由于二极管接法的M O S 的存在使得最后一级有一个阈值电压的压降。虽然N C P-2 电路减小了阈值电压的影响，但体效应的影响依然存在，而且弓l 入了更多的N M O S 管增加了电路的复杂性图2 6 N C P-2 电路为了增加栅电压，除了后向取电压的方法外，还可以采用四相时钟的方法如图2。2几!n一3 厂 厂*f 1几图2 7 四相时钟控制电葡泵电容C 3 1 到D 5 用来对栅进行预充电，从而提高栅压。C I 到C 4 作为电荷泵主要的充放电电容，要远大于C s l 等，从丙增加输出节点的驱动能力。同时对于低输入电压，可以通过

25、提高时钟的电压来，减少体效应的影响，即可以采用2 倍时钟驱动的方法。这样当m 3 高电平，1 低电平时，M s 2 断开此时。2 时低电平，通过 盛l 和M s 3 开始为M 1 和M 3 上的电容充电。当4 达到高电平时，M 2 导通为C 2 充电，使得电荷继续传输。1 9浙江大学硕士学位论文第一章绪论综上本次设计最终采用交叉耦合式电荷泵，如图2 8-hC x a q图2 8 交叉耦合式电荷泵C K I b、C K 2 b 是幅度为V l o w 的方波，当C K I b 为低电平、C K 2 b 为高电平时，V 2被抬升到约2 V I o w，M 3 导通，输出“曲得到倍压，同时M 2 导

26、通，V l o W i 恿过M 2 对c 1 充电直到V I 充到V i o w，；当C K l b 变为高电平、C K 2 b 变为低电平时，v 1 被抬升到约2 V I o w，V l 帆，i 霞过M i 对C 2 充电，同时M 4 导通，输出V I l 鼬得到倍压。交叉耦合式电荷泵有很好的串联开关，且相比于其他电荷泵可以做到在时钟的两个半周期都有向输出充电，因此具有很高的效率。交叉耦合式电荷泵，虽然多了两个跟M O S 开关同样大宽长比的倒相器而需要占更大的面积，但可以通过版图绘制上的改进来进一步减少面积，考虑到为了得到更高的电压利用率，延长电池的使用时间，还是采用交叉耦合式电荷2 2

27、本章小结电荷泵应用的领域很广，可应用在白光L E D 照明升压型驱动中随着白光L E D 照明市场的发展，很多I C 公司开始投入很大的人力研发电荷泵这类产品。如A d v a n c e dA n a l o g i cT e c h n o l o g i e s 公司的A A T 3 1 1 0、A A T 3 1 1 4，L i n e a r 公司的L T C 3 2 0 2，N a t i o n a lS e m i c o n d u c t o r 的L M 3 3 5 4，S I P E X 的S P 6 6 8 6 等等。电荷泵结构从最早的D i c k s o n 电荷

28、泵开始不断的改进，主要朝着减小电荷泵阈值电压损失、减小开关导通电阻、提高效率的方向发展。本次设计的电荷泵的是2 倍压模式，电荷泵的级数只需一级，一些多级的电荷泵结构并不适用，最终选定采用交叉耦合式的电荷泵。其具有很好的串联开关，且相比于其他电荷泵可以做到在时钟的两个半周期都有向输出充电，因此具有很高的效率交叉耦合式电荷泵虽然多了两个跟M O S 开关同样大宽长比的倒相器而需要占更大的面积，但可以通过版图绘制上的改进来进一步减少面积，考虑到为了得到更高的电压利用率，延长电池的使用时间，还是采用交叉耦合式电荷泵。同时为了实现当电源电压或环境温度发生变化时，均可提供恒定的l O O m A的驱动电流

29、，加入了恒流驱动模块，实现了时钟控制，电荷泵升压以及恒流驱动的单片集成。参考文献(第二章)【1】E m m a n u e lR a c a p e,J e a n-M i c h e lD a g a,AP M O S-S w i t c hb a s e dc h a r g ep u m p，a l l o w i n g1 0 s tc o s tI m p l e m e n t a t i o no n aC M O Ss t a n d a r dp r o c e s s”I E E E,2 0 0 5【2】J F。D i c k s o n,“O n-C h i pH i g

30、 hV o l t a g eG e n e r a t i o ni n N M O SI n t e g r a t e dC i r c u i t sU s m ga l lI m p r o v e dV o l t a g eM u l t i p l i e rT e c h n i q u e 。、I E E E 上S o l i d S l a t e C i r c u i l s,v 0 1 S C I I，N o 3,J u n e l 9 7 6，p p 3 7 4 3 7 8【3】M o h a m m a dM a h d iA h m a d ia n dG r

31、 a h a n lJ u l l i e n,“AN E WC M O SC H A R G EP U 酽F O RL O WV O L T A G EA P P L I C A T l 0 N，A T I P SL a b o r a t o r y【4】J T W ua n dK L C h a n g,M O SC h a r g eP u m p sf o rL o w-V o l t a g eO p e r a t i o n,”I E E EJ=o f S o l i d-S t a t eC i r c u i t s,v 0 1 3 3,N o 4，P P 5 9 2 5

32、9 7，1 9 9 8【5】J o n g s h i nS h i n,h-Y o n gC h a r t,Y o n gJ u n eP a 出a n dH o n gS h i c kM i n,。爿N e wC h a r g eP u m pW i t h o u tD e g r a d a t i o ni n 砌s h o l dV o l t a g eD u et oB o d yE 晚P、l E E EJ o f S o l i d-S t a t eC i r c u i t s,v 0 1 3 5,N o 4,2 0 0 0【6】P i e r r eF a v r

33、 a t-A s s o c i a t eM e m b e r，I E E E,P h i l i p p eD e v a l，a n dM i c h e lJ，D e c l e r q,s e n i o rM e m b e r,I E E E,AH i g h-E f f i c i e n tC M O SV o l t a g eD o u b l e r I E E EJ o f S o f i d-S t a t eC i r c u i t s,v 0 1 3 3,N o 3 1 9 9 8 7 1L i f a n gL i uZ h i l i a n gC h

34、e n,A n a l y s i sa n dD e s i g no f M a k o w s k iC h a r g e-P u m pC e l l,I E E E。2 0 0 5【8】郁海蓉，陈志良，“液晶显示驱动电路中F i b o n a e e i 型电荷泵单元”，电子学报，v 0 1 3 0，N o 52 0 0 2【9】N Y a na n dH M i n，“碰g he f f i c i e n c ya 1 1 P M O Sc h a r g ep u m pf o rl o w-v o l t a g eo p e r a t i o n s,”E L E C

35、 T R O N I C SL E T n!R S，V 0 1 4 2N o 52 0 0 6【l O】Y M o i s i a d i s，I B o u r a sa n dA A r a p o y a n n i,AC M O SC H A R G EP U M PF O RL O WV O L T A G EO P E R A T I O N，”I E E E，I n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nC i r c u i t sa n dS y s t e m s,M a y2 8 3 l2 0 0 0 1 1】&C h e b

36、l ia n dM S a w a n，AC M O SH i g h-V o l t a g eD C D CU pC o n v e r t e rD e d i c a t e df o rU l t r a s o n i cA p p l i c a t i o n s。”I E E E，I W S O C s 0 4【1 2】H o n g c h i nL i I l，J a i n H a oL ua n dY e n-T a iL i n，An e w4-p h a s ec h a r g ep u m pw i$o u tb o d ye f f e c t sf o r

37、l O Ws u p p l yv o l t a g e s，”I E E E 2 0 0 2【1 3】G P a l u m b o，D P a p p a l a r d oa n dM G a i b o t t i，“C h a r g ep u m pw i t ha d a p t i v es t a g e sf o r n o n-v o l a t i l e m e m o r i e s,I E E P r o e-C i r e u i t s D e v 沁s S y s t。V 0 1 1 5 3 N o 2 A p r i l2 0 0 6【1 4】T o m

38、T a n z a w aa n dT o m o h a mT a n a k a，AD y n a m i cA n a l y s i so f t h eD i c k s o nC h a r g eP u m pC i r c u i t,”I E E E，V O L 3 2N 0 8 A U G U S T1 9 9 7 1 5 1S h e n g-Y e hL a ia n dJ i n n-S h y a nW a n g，I Am G H E F F I C I E N C YC M O SC H A R G EP U M PC I R C U I T，”I E E E

39、1 6 1A。C a h r i n i，L G o b b i，a n dG。T o r e l l i，“AT h e o r e t i c a lD i s c u s s i o no nP e r f o r m a n c eL i m i t so f C M O SC h a r g eP u m p s，I E E E【1 7】H a i r o n gY I l，Z h i l i a n gC h c n，“At w o-p h a s e，F o u ra n dF i v eB o o s t i n gR a t i o n,C h a r g eP u m pC

40、 e Uf o rL C DD r i v e r,I E E E 2 0 0 1 1 8】N aY a na n dH a nM i n,”A nI m p r o v e dC h a r g eP u m pw i t hH i 曲E f f i c i e n c yf o rL o wV o l t a g eO p e r a t i o n s,”I E E E，2 0 0 52 2【1 9 R y a nP e r i g n y,U i i K uM o o i ia n dG a b o rT e m e s。“A R E AE F F I C I E N TC M O S

41、C H A R G EP U M PC I R C U I T S,I E E E,2 0 0 1 2 0】W i n g H u n gK i,F e n gS ua n dC h i Y i n gT s u i，“C h a r g eR e d i s t r i b u t i o nL o s sC o n s i d e r a t i o ni nO p t i m a lC h a r g eP u m pD e s i g n，I E E E，2 0 0 5浙江大学硕士学位论文第三章电荷泵电路的设计第三章电荷泵升压型白光L E D 驱动芯片3 1 电荷泵升压型自光L E D

42、 驱动芯片的系统框架本次毕设的任务：设计一个电荷泵升压型白光L E D 驱动芯片属，旨在实现在2 节充电电池或2 节干电池作为电源供电的情况下，为工作电压3 5 V，T 作电流1 0 0 m A 的大功率照明白光L E D 提供驱动电流，使其可广泛应用于移动，便携式自光L E D 照明产品中时钟控制模决，l f 虻r!一电荷泵，升压模块主圭，s e?一U!三b 叫，妇c t崭毕卜一i，b u f，l0 P 帽精孤动尴曲确jI。l埠小”刎偎伏 l1图3 1 电荷泵升压型驱动芯片的整体框图-、图3 1 是整个驱动芯片的整体框图，主要由3 个模块组成包括：时钟控制模块，电荷泵升压模块以及串联饱和型恒

43、流驱动模块。其中设计的难点在于要在低输入电压下输出1 0 0 m A 的大电流，并将3 个模块集成到一块芯片中。设计的关键部分是电荷泵部分，需要合理设置电荷泵的工作频率、开关功率M O S 管的宽长比、C i n、C o u t 以及C x f 的值，尽可能地提高电荷泵的效率(电压利用率)和达到1 0 0 m A 的驱动能力。所谓电压利用率是指输出电压与工作电源电压的比例关系。负载决定驱动管的大小，负载可看成负载电阻和负载电容的并联。若负载愈重，输出端的驱动管的宽长比就要取得愈大。2 3渐江大学硕士学位论文第三章电荷泵电路的设计3 2 时钟控制模块的设计与仿真3 2 1 振荡器本电路设计的振荡

44、器采用恒流充放电的环形振荡器产生占空比为5 0 的矩形波。电路图如图3 2 所示，版图见图3 3。主要包括启动电路、偏置电路、恒流充电部分、施密特触发器、倒相器的等采用恒流源充放电。减小频率随电源电压变化；中间一级倒相器用施密特触发器代替。施密特触发器是常用的整形电路(结构如图3 2 1 所示)，可用于波形变换、脉冲整形和脉冲鉴幅。施密特触发器在性能上有两个重要的特点：输入信号从低电平上升到高电平的过程中与从高电平下降到低电平过程中对应的输入转换电平不同，有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压与负向阈值电压；在电路转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出波形的边沿很陡。启动电硌置电瞥僵溉敏电奠密特

45、魁发嚣使箍控一辘动坪分岸H 捌l l0ll fI 岳黼胛剥厅图3 2 振荡器的电路图图3 3 振荡器的版图浙江大学硕士学位论文第三章电荷泵电路的设计本来可以利用芯片中设计的带隙基准源的电流作为恒流来使振荡器的频率基本不随电源电压和温度变化，但是为了减小各模块之间的互相影响，采用了图3 2 所示的偏置和恒流充放电电路。再考虑M 5 和M 8 的尺寸，选择M 5 G、M S G的偏置分别为1 1 5 9 V 和9 3 9 6 m V，使得M 5、M g 的尺寸合理。接下来就要设计偏置电路的M O S 管的宽长比和R 的值。设M 3 和M 4 的宽长比相同，则五=百1 墨(，一l 1)2=2；了1

46、七2(岛：一I 1)2，(3-0，一 k 2=五震(3 2)震=而(1 压一1 压)(3 3)在本设计中，取(州三)I=4 u r n 6 u r n，(州三)2=1 6 u m 6 u m，则Rl O l k Q，经过调整，取9 9 5 7 9 2k 1 2。经过调整，取1=3 0 2 u AV-m-2 4 V 时振荡器的波形见3 5 所示，可以看出施密特触发器的整形作用。以及输出的6 0 0 K 的时钟信号。一l O n e t 2 2 6 一I n e t 2i*l O n e t l 6 122 一1-2?。1，。h卜一r r 夕8 “毛1尹。峄1￥一；l一l j j 3：r1 501

47、 7 52 0 02 2 52 5 02 7 5t i m e(u s)图3 4旄密特触发器的输入与输出的仿真波形以及输出的6 0 0 k 的时钟信号浙江大学硕士学位论文第三章电荷泵电路的设计3 2 2 二选一数据选择器通过外部控制信号S Y N C 选择时钟采用内部振荡器产生的还是外接时钟，由传输门组成的二选一数据选择器来实现，具体的电路图和版图分别见图3 5、3 6 所示仿真结果见图3 7+。二L，!鼹1：I 一毫，：L罂j：函彦眇1 ：卜妄b 毒_：T：一hjri，l：7 1 1：l：；b 毒o1：磐：厂壤r ：，7 L瑚灿_!守。1eV d d图3 5 二选一数据选择器图3 6 二选一

48、数据选择器的版图塑翌查堂璺主兰堡丝苎墨三兰皇垄茎皇墅箜堡茎一，n e t 2 1*n e 4 0 2 4 一I c n o 嘻鲁J n e t 2 73 2 3 二分频电路5 06 口7 0l i m e 图3 7 二选一数据选择器的仿真波形二分频电路由简单的D 触发器构成(如图3 8 所示)。D 触发器的结构如图3 1 0(a)所示，其版图见3 1 0(b)。，图3 8 二分频电路图3 9(a)D 触发器的电路图浙江大学硕士学位论文第三章电荷泵电路的设计涮图3 9(b)D 触发器的版图二分频电路在每个输入时钟的上升沿输出电平发生翻转，这样每两个输入时钟的周期输出翻转两次，恰好完成输出的一个周

49、期。因此只要输入时钟的周期恒定，不管占空比多少，输出的占空比都是5 0。因此可以避免振荡器由于工艺引起的输出占空比变化，得到所需的3 0 0 k 的时钟控制信号(如图3 1 0 所示)。*n e t 2 7 j n e l l l一一了i 一：ll；z 曼9 哆呵8 一i，等竖彳8 il。3 5,0”一t l m e 器。鸵5钙otllne(u毋图3 1 0=分频电路的输出的仿真波形3 2 4n o o v e r l a p 电路栅极的驱动速度在很大程度上也决定了功率M O S F E T 的开关速度，这就需要提供具有高速驱动能力的电路来满足这一要求。为了减小开关时间，对M O S管的驱动电

50、路进行一定的改进。浙江大学硕士学位论文第三章电荷泵电路的设计开关功率M O$管需m a k e-b e f o r e-b r e a k(1 l p 先关断，再导通)，否则会有逆电流从输出端流向输入端会傻电荷泵电路的电压损失严重。而当C L K 与N C L K 同时切换(s w i t c h i n g)的话，在图3 1 1 所示的t i m i n g 内，所有M O S F E T 瞬间会变成o i l，同时造成输入端与输出端被导通，最后形成上述的逆电流现象，影响电荷泵效率。因此需要互不交叠的时钟信号。图3 1 1M O S 管时钟的交叠引起的问题具体的产生不交叠时钟信号的电路图如下