一种用于微能量收集的升压电荷泵设计

开关电容直流-直流(Direct Current-Direct Current,DC-DC)变换器是电源管理系统中极其重要的一部分,升压电荷泵是其中的一个分支。在微能量收集的应用场景中,升压电荷泵的研究热点是实现低的泄漏电流和低的阈值电压损耗。多数升压电荷泵设计为了减少阈值电压损耗和电荷共享等非理想效应,使泄漏电流增大,或结构变得复杂,导致面积增大,不适用于微能量收集场景。Dickson电荷泵是早期的电荷泵结构,其结构简单实用,但较大的阈值电压损耗是其最大的缺点。为此,本文基于Dickson电荷泵进行分析,采用TSMC 250 nm工艺,使用中等阈值电压(Medium Threshold Voltage,MVT)型金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOS)代替二极管,降低阈值电压损耗,再利用体源二极管偏置技术,进一步降低阈值电压损耗。本文利用Positive MOS(PMOS)管与Negative MOS(NMOS)管级联的形式,减少泄漏电流,且NMOS管采用深N阱工艺,避免加入辅助电路。仿真结果表明,本文的升压电荷泵结构设计具有较好的性能表现,达到了设计要求。

高效率宽输入范围电荷泵2倍压电路的设计

提出一种无阈值损耗的电荷泵倍压电路(2倍压电路),该电路采用衬底可变单元代替二极管连接的MOS管,消除了MOS器件的体效应及阈值损耗的影响,与传统电荷泵相比效率提高了20%,获得低至1.0V的宽输入范围.基于该结构采用TSMC 0.25μm BCD工艺设计了一款2.0AUSB功率开关芯片,使用spec-tre对整体电路进行了仿真验证,结果表明:该电荷泵电路的工作状态良好,同比输出电压提高了1.0V,效率最高可达90%,基于该工艺实现的电荷泵电路的版图面积仅为0.04mm2.