适用于低压EEPROM编程的双电荷泵电路系统设计_李珂.pdf

第 43卷 第 1期2023年 2月Vol.43，No.1Feb.，2023固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESS OF SSE适用于低压 EEPROM 编程的双电荷泵电路系统设计李珂 顾飞 陈献文 周威威（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏，无锡，214000）20220617收稿，20220901收改稿摘要：设计了一款应用于低电源电压 EEPROM 的双电荷泵电路结构，提供存储单元编程所需的高压。基于传统 Dickson结构，设计主次两级电荷泵结构：次级电荷泵为两级升压结构，输出电压可增强时钟的驱动能力、抬高其高电平；主级电荷泵采用传输管栅压提升的结构及驱动能力增强的时钟对内部电容进行充放电，提高主级电荷泵每级的传输能力及整体电路的工作效率，最终实现低电源电压下产生高压的目的。同时，通过使能时序控制稳压系统电路，保证了输出电压的稳定性。仿真结果显示，电荷泵升降压速度快、纹波小、效率高。该双电荷泵电路已实际应用于芯片设计中，采用 0.18 m EEPROM 工艺流片，输出高压稳定，达到设计要求，并且性能良好。关键词：双级电荷泵；振荡器；电平转换中图分类号：TN433 文献标识码：A 文章编号：10003819(2023)01007805Design of Dualcharge Pump System Applied in Lowvoltage EEPROM OperationLI Ke GU Fei CHEN Xianwen ZHOU Weiwei（The N0.58 Research Institute of China Electronic Technology Group Corp.，Wuxi，Jiangsu，214000，CHN）Abstract:A dual-charge pump circuit structure for low power supply voltage EEPROM was designed to provide high voltage required for the programming operation of memory units.Based on the traditional Dickson structure，a primary and secondary charge pump structure was designed.The secondary charge pump was a two-stage boost structure with its output voltage could enhance drive capacity and raise high level voltage of the clock.The primary charge pump used the transmission structure with raised gate voltage and the clock with enhanced drive capacity to charge and discharge the internal capacitor，improved the transmission capacity of the primary charge pump and the working efficiency of the overall circuit.Finally，the purpose of generating high voltage under low power voltage was realized.At the same time，the voltage regulator circuit was controlled by enable sequence to ensure the stability of the output voltage.Simulation results show that the charge pump is fast，small ripple and high efficiency.This dual-charge pump circuit has been applied to chip design and tapes out using 0.18 m EEPROM process.The output high voltage is stable and satisfies the design requirements with good performance.Key words：dualcharge pump；oscillator；level shift硅微电子学联系作者：Email:DOI:10.19623/ki.rpsse.2023.01.0071期李珂等：适用于低压 EEPROM 编程的双电荷泵电路系统设计引 言电荷泵电路是一种运用电荷在电容中的积累效应来产生高于电源的正电压或负电压的电路1，它 们 常 被 用 于 非 挥 发 性 记 忆 体，如 EEPROM 和flash，用来编程操作存储单元，也可以作为开关电容电路系统中的开关驱动高压生成部件2。在实际应用中，单个 Dickson 结构的正电荷泵或负电荷泵比较常见3。同时在 flash 电路中，也常采用正泵和负泵相结合的两级电荷泵电路结构，以实现编程所需正负高压，其可靠性及稳定性要求相对于单泵也比较高。目前电路要求的工作电压越来越低，如 EEPROM 电路，要求在 1.8 V 电源电压下工作，而 EECELL 单元的编程需 15 V 以上的高压。由于 MOS 器件衬偏效应对其传输能力的限制4，想要在较低的工作电压下产生高压，常规的单个 Dickson电荷泵结构难以实现。本文介绍了一种应用于 EEPROM 存储单元编程操作的双级电荷泵电路结构，可在较低的工作电压下提供编程所需的高压。该系统基于传统的Dickson 结构，采用主次双级电荷泵电路进行设计。次级电荷泵为振荡器输出时钟提供高的电源电压，主级电荷泵采用传输管栅压提升的结构及驱动能力增强的时钟作为电容充放电时钟，提高了主级电荷泵每级的传输能力及整体电路的工作效率5。同时，通过使能时序的控制，保证电路系统的稳定性；通过稳压系统应用，保证电荷泵输出电压快速稳定输出6。由于两级电荷泵相互独立工作，不存在环路震荡问题，因此可靠性及稳定性较好。1 系统整体结构与功能分析 整个电荷泵电路系统结构如图 1 所示，由振荡器与时钟电路、次级电荷泵、电平转换、主级电荷泵及稳压系统构成。PUMP_EN 为使能控制信号，控制电荷泵系统的 开 启 与 关 断。在 EEPROM 需 要 编 程 时，PUMP_EN 控制振荡器开启，产生时钟信号，分别提供给主次级电荷泵作为电容充放电时钟。次级电荷泵产生的高压作为电平转换电路的高压电源，提高时钟 CLKH1、CLKH2、CLKH3、CLKH4 的高电平及驱动能力，从而提升主级电荷泵传输效率。主 级 电 荷 泵 完 成 升 压 后 在 稳 压 系 统 作 用 下，PUMP_HV 端 形 成 稳 定 高 压 输 出，为 后 继 EEPROM 编 程 提 供 高 压。受 PUMP_EN 控 制，EEPROM 完 成 编 程 后，通 过 稳 压 系 统 放 电 降 压，PUMP_HV 端电压变为电源电压。通过控制使能 PUMP_EN 时序，可保证整个双泵系统的正常稳定：PUMP_EN 由低变高时，振荡器 启 动，电 荷 泵 工 作，PUMP_HV 输 出 高 压；PUMP_EN 由高变低时，振荡器停止工作，电荷泵输出降压至电源电压。2 电荷泵关键模块设计 2.1 振荡器与时钟电路振荡器电路如图 2 所示，电路由五级反向器组成的环路及使能控制部分组成，当 PUMP_EN 由低变高时，振荡器起振，CLK 输出时钟信号。由电荷动态守恒可知：Q=It=CV，时钟信号频率与电容C0、C1容值大小及电容前级反向器的驱动能力有关。当电容较小时，充放电时间短，时钟频率高，反之，电容大，频率较低。通过调整电容容值大小，可有效调整输出时钟频率。当 PUMP_EN 变为低电平时，振荡器停止工作。时钟电路结构如图 3所示，CLK0经增大驱动能力后，作为次级电荷泵电容的充放电时钟。CLK1、CLK2、CLK3、CLK4 输出为双向非交叠时钟，经电平转换电路提高高电平电压后，作为主级电荷泵电容的充放电时钟。图 1 电荷泵系统框架图Fig.1 Diagram of the proposed charge pump图 2 振荡器电路结构Fig.2 Structure of oscillator79固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 http:GTDZ43卷2.2 电平转换电路电平转换电路结构如图 4 所示，电路含两路电源：电源 VCC 电压为 VCC，电源 HV_VCC 电压为VHCC，电 路 实 现 时 钟 信 号 高 电 平 由 VCC到 VHCC的转换。当 IN 输入为高电平 VCC时，MN1、MP2管关断，MN2、MP1管导通，OUT 输出为 VHCC；当 IN 输入为低电平 0 时，MN1、MP2 管导通，MN2、MP1 管关断，OUT 输出为 0。实现时钟信号高电平由 VCC到VHCC的转换。2.3 次级电荷泵电路在通常的电荷泵设计中，常使用二极管连接的NMOS管作为开关7。次级电荷泵如图 5所示，为 2级 Dickson结构，传输管采用 NMOS管设计。在此电路中，CLK0 为时钟信号。当 CLK0 为低电平时，M0 管导通，VCC 端对 C3充电，H 点电压为 VCC-VTH；当 CLK0变为高电平时，H 点电位变为2VCC-VTH，M0管关闭，M1管导通，对 C4电容充电，VHCC变为 2（VCC-VTH），完成升压。M2管为预充电管，对 C4电容进行预充电，可有效提高电路工作效率。2.4 主级电荷泵电路传统的 Dickson 结构中，NMOS 传输管常用漏栅相接的做法，在实际升压中会有一个阀值电压的损失，且受器件衬偏效应的影响，越到高压其传输损失就越大。本系统设计的主级电荷泵结构如图 6所示，采用四相时钟电荷泵结构：传输管如 N3 管，通过充放电电容 C1、N2 管及时钟 CLKH1 的作用，传输电荷时其栅压比传统结构要高，可有效避免电压传输过程中的损失。同时，与其它四相时钟电荷泵相比，本结构中的时钟信号高电平要高于电源电压，增加的漏栅相接的 NMOS 传输管（如 N4 管）可有效增强各级初始态传输能力，整体电路的工作效率得到了进一步的提高。当 电 荷 泵 使 能 PUMP_EN 由 低 变 高 时，CLKH1、CLKH2、CLKH3、CLKH4 有时钟信号输入，电荷泵电路开始升压。当 CLKH1、CLKH4为高时，CLKH2、CLKH3 为低，A 点与 C 点电压抬高，B点电压降低，N2管关断，N3、N4管导通，A点电荷向B 点移动，B 点电位升高；同时，由于 C 点电压的抬升并维持相对不变，减少了 N3 管电压传输过程中的电压损失，从而提高了传输效率。当 CLKH1、CLKH4 为低时，CLKH2、CLKH3 为高，A 点、C 点电压降低，B点电压抬高。N3、N4管截止，防止 B点电荷向 A 点倒灌，N2管导通，A 点与 C 点电位相同。B 点电荷向后一级 D 点传输，D 点电压开始升高。图 3 时钟电路结构Fig.3 Structure of timer图 4 电平转换结构Fig.4 Structure of level shifter图 5 次级电荷泵电路结构Fig.5 Secondary charge pump circuit structure图 6 主级电荷泵电路结构Fig.6 Primary stage charge pump circuit structure801期李珂等：适用于低压 EEPROM 编程的双