一种宽输入电压范围高泵浦效率快速启动电荷泵电路

本发明涉及集成电路，具体涉及一种宽输入电压范围高泵浦效率快速启动电荷泵电路。

背景技术：

1、随着社会的发展和科技的进步，通过温差热电池(teg)等环境能量源和能量收集电路实现自供电逐渐成为可穿戴电子设备发展的重要趋势之一。但环境能量源的电压通常较低，而大多数电路负载需要在较高的电压下工作，因此需要使用升压转换器来将低压电源升压为高压输出。在升压电路稳态运行时，升压转换器可以使用它的高压输出为控制电路供电，实现自维持，但是升压转换器刚开始启动时必须施加足够高的电压才能启动系统，即是需要启动电荷泵从低电压环境能量源产生高压脉冲来引导升压转换器启动。与传统的电荷泵不同，启动电荷泵仅在升压转换器的启动期间工作，并且仅支持容性负载。因此，用于自启动的升压电荷泵的关键参数是输入电压、泵浦效率、电荷转移能力和电容驱动能力。启动电荷泵电路是能量收集系统中低压自启动电路的关键模块，也是可穿戴电子设备微型化与自供电的重要前提。

2、集成电路中常见的升压电路类型包括开关电容升压电路、开关电感升压电路和电荷泵升压电路，和开关电感或开关电容升压电路相比，电荷泵升压电路具有电路原理简单、控制电路容易实现、芯片版图面积小等优点。因此，该电路经常被用作亚阈值自启动升压电路的前级升压电路。在低功耗自供电能量收集技术中，传统的升压电荷泵电路结构的典型代表为dickson电荷泵及后续以此为基础发展的各种线性电荷泵结构，其特点是级与级之间电压差相对恒定。能量收集系统中电荷泵升压电路的输入能量和时钟控制信号可由环境能量源提供。然而环境能量源所提供的电压较低，传统的升压电路需要较长的时间才能把足够的输出电荷转到负载电容上，所以需要较长的启动时间。泵浦效率(vout/videal，vout是电荷泵电路的输出电压，videal是电荷泵电路的理想输出电压，这里videal＝(2n+1)vin)，泵浦效率是电荷泵至关重要的参数，它反映了不同电路结构的损耗差别。在电荷泵电路中随着输出电压的增加，电容的电荷转移能力下降，导致泵浦效率降低。综上所述，传统电荷泵电路的启动时间、电荷泵的泵浦效率和电荷转移能力亟需提升。

技术实现思路

1、本发明所要解决的是目前传统的栅极交叉耦合电荷泵效率较低以及电荷泵的电荷转移能力较差的问题，提供一种宽输入电压范围高泵浦效率快速启动电荷泵电路。

2、为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种宽输入电压范围高泵浦效率快速启动电荷泵电路，包括环形振荡器、差分缓冲电路、正负时钟产生电路、时钟倍增电路和电荷泵主体电路。环形振荡器的电源端和vdd相连，接地端和gnd相连，输出端接到差分缓冲电路的输入端；环形振荡器通过振荡产生时钟信号。差分缓冲电路由缓冲链模块和差分时钟模块构成，它的电源端和vdd相连，接地端和gnd相连；环形振荡器提供的时钟信号经过差分缓冲电路产生一对反相且幅度相等的时钟信号clk1和clk2；差分缓冲电路的输出端接到正负时钟产生电路和时钟倍增电路的输入端。正负时钟产生电路产生对应的正负压时钟信号clka_1和clkb_1，这两个时钟信号作为电荷泵主体电路的衬底偏置电压。时钟倍增电路的电源端和vdd相连，接地端和gnd相连，通过输入的时钟信号clk1和clk2来产生对应的二倍压时钟信号clka和clkb，电荷泵主体电路利用这两个时钟信号控制电路完成升压。电荷泵主体电路的输入端接电源vdd；电荷泵的输出端作为升压电路的输出端。

4、上述方案中，电荷泵主要由两级电荷泵连接构成；第一级电源泵由nmos管mn1、nmos管mn2、nmos管mn3、nmos管mn4、pmos管mp1、pmos管mp2、pmos管mp3、pmos管mp4、电容c1和电容c2构成；第二级电荷泵由nmos管mn5、nmos管mn6、pmos管mp5、pmos管mp6、电容c3和电容c4构成。nmos管mn1的衬底、nmos管mn6的衬底相连后连接到正负时钟产生电路的一个输出clkb_1；nmos管mn2的衬底、nmos管mn5的衬底相连后连接到正负时钟产生电路的另一个输出clka_1；nmos管mn4的衬底、nmos管mn4的源极、电容c1的上极板和电容c4的下极板连接到时钟倍增电路的一个输出clka；nmos管mn3的衬底、nmos管mn4的源极、电容c2的下极板和电容c3的上极板连接到时钟倍增电路的另一个输出clkb；nmos管mn1的源极和nmos管mn2的源极相连后作为电荷泵的输入端连接到电源vdd；电容c1的下极板、nmos管mn1的漏极、pmos管mp1的漏极、nmos管mn2的栅极、nmos管mn3的栅极和pmos管mp3的栅极相连，作为节点v1；电容c2的上极板、nmos管mn2的漏极、pmos管mp2的漏极、nmos管mn1的栅极、nmos管mn4的栅极和pmos管mp4的栅极相连作为节点v2；nmos管mn3的漏极、pmos管mp3的漏极和pmos管mp1的栅极相连；nmos管mn4的漏极、pmos管mp4的漏极和pmos管mp2的栅极相连；pmos管mp1的源极、pmos管mp1的衬底和nmos管mn5的源极相连；pmos管mp2的源极、pmos管mp2的衬底和nmos管mn6的源极相连；电容c3的下极板、nmos管mn5的漏极、pmos管mp5的漏极、nmos管mn6的栅极、pmos管mp6的栅极、pmos管mp6的衬底、pmos管mp3的栅极和pmos管mp3的衬底相连作为节点v4；电容c4的上极板、nmos管mn6的漏极、pmos管mp6的漏极、nmos管mn5的栅极、pmos管mp5的栅极、pmos管mp5的衬底、pmos管mp4的栅极和pmos管mp4的衬底相连作为节点v3；pmos管mp5的源极和pmos管mp6的源极相连作为输出out；

5、上述方案中，正负时钟产生电路由pmos管mp7、pmos管mp8、电容c5、电容c6和nmos管mn7、nmos管mn8、nmos管mn9、nmos管mn10构成；差分缓冲电路的差分时钟输出clk1连接到正负时钟产生电路的pmos管mp8的栅极、nmos管mn8的栅极、nmos管mn9的栅极和电容c5的下极板；差分缓冲电路的差分时钟输出clk2连接到正负时钟产生电路的pmos管mp7的栅极、nmos管mn7的栅极、nmos管mn10的栅极和电容c6的下极板；pmos管mp7的源极和衬底接电源vdd，nmos管mn10的漏极接地；电容c6下极板与nmos管mn10的栅极、nmos管mn7的栅极以及pmos管mp7的栅极相连；pmos管mp7的漏极以及nmos管mn7的漏极相连后作为正负时钟产生电路的一个输出端clka_1接到电荷泵的nmos管mn2的衬底和nmos管mn5的衬底；电容c6上极板与nmos管mn8的源极和衬底以及nmos管mn10的漏极相连；pmos管mp8的源极和衬底接电源vdd，nmos管mn9的漏极接地；电容c5下极板与nmos管mn9的栅极、nmos管mn8的栅极以及pmos管mp8的栅极相连；pmos管mp8的漏极以及nmos管mn8的漏极相连后作为正负时钟产生电路的另一个输出端clkb_1接到电荷泵的nmos管mn1的衬底和nmos管mn6的衬底；电容c5上极板与nmos管mn8的源极和衬底以及nmos管mn9的漏极相连。

6、上述方案中，时钟倍增电路输出端clka和clkb输出的差分时钟信号clka和clkb相位相反且幅度相等。

7、上述方案中，差分缓冲电路由缓冲链模块和差分时钟模块构成；环形振荡器输出端接到差分缓冲电路的输入端；缓冲链模块的输入端作为差分缓冲电路的输入端，缓冲链模块的输出端连接差分时钟模块的输入端，差分时钟模块的两个输出端分别作为差分缓冲电路的差分时钟输出端clk1和clk2，差分缓冲电路输出的差分时钟信号相位相反且幅度相等。

8、与现有技术相比，本发明具有如下特点：

9、1、将正负时钟产生电路与电荷泵结合，利用正负时钟产生电路给电荷泵电荷传输管提供动态体偏置，动态改变其阈值电压，相比传统的栅极交叉耦合电荷泵，可以实现更低的反向电荷共享，具有更好的电荷转移能力。

10、2、采用基于反相器的电路结构与电荷泵相结合，通过该结构来提高电荷传输管的栅极电压，从而降低电荷传输管的导通电阻，使得栅极交叉耦合电荷泵有更好的泵浦效率，并提高了电路的升压速度。