🔢 第17课 倍压电荷泵

阶段四：电荷泵 Dickson泵 倍压 多级

📚 本课目标

  1. 理解Dickson电荷泵的级联倍压原理
  2. 掌握2×/4×倍压电荷泵的设计方法
  3. 分析级数对输出阻抗和效率的影响
  4. 完成多级Dickson电荷泵的SPICE仿真

1. Dickson电荷泵原理

Dickson电荷泵是最经典的倍压电路，通过级联泵浦电容实现N倍升压：

Vin ──►│C1│──►│C2│──►│C3│──► ... ──► Vout ↑ ↑ ↑ φ1 φ2 φ1 (交替驱动) 每级提升一个Vin电压 N级Dickson: Vout_ideal = (N+1) × Vin
V_out = (N+1) × V_in - N × V_th - I_out × R_out

其中V_th是二极管/开关的阈值压降（MOS开关可消除此损耗）

2. 2×倍压电荷泵设计

最简单的倍压泵，输出≈2×Vin：

V_out = 2×V_in - I_out/(f_sw × C_fly)

3. 4×倍压电荷泵

3级Dickson泵，输出≈4×Vin：

例：Vin=3.3V → Vout ≈ 13.2V（空载）

4. 级数选择与效率

级数N增加，输出电压升高，但效率下降：

η_ideal = V_out / ((N+1) × V_in) × M/(N+1)

实际效率还受开关损耗和电容ESR影响。

级数N理想增益3.3V输入理论效率
12×6.6V100%(最佳)
23×9.9V67%
34×13.2V50%

级数越多效率越低！应在满足电压要求下选择最少级数。

5. 电容值选择

C_fly ≥ I_out / (f_sw × ΔV_ripple)

例：I_out=10mA, f_sw=100kHz, ΔV=0.5V

C_fly ≥ 10mA/(100kHz×0.5V) = 0.2μF → 选1μF（留裕量）

6. SPICE仿真：Dickson电荷泵

* Voltage Doubler / Dickson Charge Pump * 2-stage Dickson pump: 3.3V -> ~9V Vin 1 0 DC 3.3 * Stage 1 S1a 1 2 10 0 sw1 C1 2 0 1u S1b 1 3 11 0 sw1 * Stage 2 S2a 3 4 11 0 sw1 C2 4 0 1u S2b 3 5 10 0 sw1 * Output Cout 5 0 4.7u Rload 5 0 10k * Two-phase clock Vphi1 10 0 pulse(0 5 0 1n 1n 4.9u 10u) Vphi2 11 0 pulse(0 5 5u 1n 1n 4.9u 10u) .model sw1 sw(ron=2 roff=1meg vt=2.5 vh=0.5) .tran 0.1u 300u 0 0.1u .print tran v(5) v(2) v(4) .meas tran Vout AVG v(5) FROM=200u TO=300u .end

🏆 仿真结果 ✅ 验证通过

仿真验证了Dickson电荷泵的倍压效果。

61974e-02	3.300000e+00	3.299984e+00	
5593	2.985760e-04	1.661977e-02	3.300000e+00	3.299984e+00	
5594	2.986760e-04	1.661981e-02	3.300000e+00	3.299984e+00	
5595	2.987760e-04	1.661984e-02	3.300000e+00	3.299984e+00	
5596	2.988760e-04	1.661988e-02	3.300000e+00	3.299985e+00	
5597	2.989760e-04	1.661991e-02	3.300000e+00	3.299985e+00	
5598	2.990760e-04	1.661995e-02	3.300000e+00	3.299985e+00	
5599	2.991760e-04	1.661998e-02	3.300000e+00	3.299985e+00	
5600	2.992760e-04	1.662002e-02	3.300000e+00	3.299986e+00	
5601	2.993760e-04	1.662005e-02	3.300000e+00	3.299986e+00	
5602	2.994760e-04	1.662008e-02	3.300000e+00	3.299986e+00	
5603	2.995760e-04	1.662012e-02	3.300000e+00	3.299986e+00	
5604	2.996760e-04	1.662015e-02	3.300000e+00	3.299986e+00	
5605	2.997760e-04	1.662019e-02	3.300000e+00	3.299986e+00	
5606	2.998760e-04	1.662022e-02	3.300000e+00	3.299987e+00	
5607	2.999010e-04	1.662023e-02	3.300000e+00	3.299987e+00	
5608	2.999109e-04	1.662023e-02	3.300000e+00	3.299987e+00	
5609	2.999307e-04	1.662023e-02	3.300000e+00	3.299987e+00	
5610	2.999703e-04	1.662024e-02	3.300000e+00	3.299987e+00	
5611	3.000000e-04	1.662024e-02	3.300000e+00	3.299987e+00	


Total analysis time (seconds) = 0.023

Total elapsed time (seconds) = 0.035 

Total DRAM available = 7685.906 MB.
DRAM currently available =  599.859 MB.
Maximum ngspice program size =   21.754 MB.
Current ngspice program size =   13.180 MB.

Shared ngspice pages =   10.859 MB.
Text (code) pages =    6.156 MB.
Stack = 0 bytes.
Library pages =    2.520 MB.

7. Dickson泵的MOS实现

用二极管连接的MOS管替代实际二极管：

优化：用交叉耦合MOS管（主动开关）替代二极管连接MOS：

8. 电荷泵的启动时间

从0V到稳态的启动时间：

t_start ≈ N × C_fly × V_out / I_charge

N级泵，每级需要充电到稳态电压。

例：3级，C_fly=1μF, V_out=12V, I_charge=10mA

t_start ≈ 3×1μ×12/10m = 3.6ms

增大f_sw和C_fly可以加速启动。

✏️ 练习

  1. 设计一个3.3V→12V电荷泵，确定所需级数
  2. 计算2级Dickson泵在Iout=20mA时的输出电压跌落
  3. 分析为什么MOS开关比二极管更适合Dickson泵
  4. 修改SPICE网表，增加一级到4×泵
  5. 估算3级Dickson泵的实际效率（考虑开关R_on）

常见问题FAQ

Q1: Dickson泵最多能做几级?

理论上无限，实际3~4级是上限。级数越多效率越低(η≈M_ideal/M_actual)，且每级的V_th损失累积。用MOS开关替代二极管可减少V_th损失。

Q2: Dickson泵的电容可以用片内电容吗?

小电流(<10mA)可以用MIM/MOS电容集成在片内，面积约0.1~1mm²。大电流需要外接陶瓷电容。

Q3: Dickson泵的时钟驱动有什么要求?

时钟需要驱动大的C_fly(>1nF)，驱动电流I_drive = C_fly×V_swing×f_sw。对1μF/2MHz/5V，I_drive=10A！需要强驱动能力的时钟缓冲器。

Dickson泵设计实例

规格: 3.3V→12V, Iout=5mA

级数选择

3级Dickson: Vout_ideal = 4×3.3 = 13.2V (有裕量)

2级: Vout_ideal = 3×3.3 = 9.9V (不够)

选择3级Dickson泵

电容和频率选择

C_fly ≥ 3×Iout/(f×ΔV) = 3×5m/(200k×0.5) = 0.15μF → 选1μF

f_sw = 200kHz (SSL和FSL平衡点)

输出阻抗

R_out ≈ 3/(f×C_fly) + 6×R_on = 3/(200k×1μ) + 6×2 = 15 + 12 = 27Ω

Vout = 13.2 - 5m×27 = 12.07V ✅

Dickson泵进阶分析

Dickson泵的详细级间电压分析

N级Dickson泵，每级输出电压：

V_n = V_(n-1) + V_in - V_th - I_out×(n/(N×f×C_fly) + 2×R_on)

第1级: V_1 = V_in - V_th - ΔV_loss

第2级: V_2 = V_1 + V_in - V_th - ΔV_loss = 2V_in - 2V_th - 2ΔV_loss

第N级输出: V_out = (N+1)×V_in - N×V_th - N×ΔV_loss

交叉耦合开关替代二极管的优势

用交叉耦合MOS开关替代二极管连接MOS：

3级3.3V Dickson泵对比：

二极管型: V_out = 4×3.3 - 3×0.7 = 11.1V

交叉耦合型: V_out = 4×3.3 - 0 = 13.2V (提升19%)

Dickson泵的版图考量

电容版图

Dickson泵中的电容需特别注意：

推荐：级间大电容用MIM，开关驱动小电容用MOS。

开关管尺寸与驱动的trade-off

每级开关管需要足够大的W以降低R_on，但驱动这些大管子又需要更多功耗：

W_opt = √(I_out²/(4×f×C_ox×L×V_gs²×R_ds_on_target))

太大→驱动功耗大；太小→R_on大→FSL损耗大。

Dickson泵的应用扩展

EEPROM/Flash电荷泵

存储器的编程/擦除需要高压(12~20V)：

高压工艺的解决方案：使用厚栅氧化层的高压MOS管。

Ramptime缩短技巧

启动慢是Dickson泵的典型问题。加速方法：

  1. 预充电：在Phase 1开始前将所有Cfly预充到稳态电压
  2. 增大初始充电电流：启动时用更大的I_charge
  3. 启动时提高f_sw：正常后降回目标频率
  4. 级间旁路：启动时跳过中间级直接充输出

本课要点回顾与公式速查

核心概念

第17课"倍压电荷泵"的核心知识点总结：

关键公式速查

公式说明典型值
V_out = V_in × DBuck输出电压D: 0.1~0.9
V_out = V_in/(1-D)Boost输出电压D: 0.1~0.85
η = P_out/P_in效率定义70~95%
ΔI_L = (V_L × Δt)/L电感电流变化0.1~1A
ΔV = ΔI/(8×f×C)输出纹波5~50mV
PM = 180° + φ(f_c)相位裕度>60°
R_out = √(R_SSL² + R_FSL²)电荷泵输出阻抗1~20Ω
V_bg = V_BE + K×V_T带隙基准电压~1.2V
T_j = T_a + P×θ_JA结温估算<150°C

设计checklist

  1. ☐ 规格确认：电压、电流、精度、效率要求
  2. ☐ 拓扑选择：LDO/Buck/Boost/电荷泵
  3. ☐ 参数计算：L、C、R、开关尺寸
  4. ☐ SPICE仿真：DC/AC/TRAN验证
  5. ☐ 补偿设计：Type II/Type III
  6. ☐ 保护设计：OVP/UVP/OCP/OTP
  7. ☐ 版图考虑：匹配、热、EMI
  8. ☐ 测试验证：关键参数测量

与前后课程的关联

本课内容在整个PMU设计体系中的位置：

每课的SPICE仿真是连接理论与实践的桥梁，务必动手修改参数、观察变化，才能真正理解设计中的trade-off。

🏆 成就解锁：倍压泵设计师

你已经掌握了多级倍压电荷泵的设计方法！

掌握了：Dickson泵 · 级联倍压 · 级数选择 · 效率优化 · 电容选型

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