经典电荷泵/Charge pump——1998.JSSC

电路结构

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工作原理

M3 and M4 are the series switches, and M5, M6 switch to the highest voltage. If M5 and M6 are missing, having a large capacitor is of absolute necessity, because must always stay between 2 Vin and 2Vin - Uj to avoid switching on the vertical bipolar ( Uj: junction potential).
With M5 and M6 included, Cout need not be large since the voltage drop at the output can be greater than Uj without affecting the charge-pump efficiency.
The capacitor CB (Fig. 5) can be small, but it is still necessary to preserve the bulk potential when switching.
使用PMOS串行开关的原因:减小VT
使用PMOS串行开关产生的问题:reverse bias of the junctions。

效率分析(包含VOUT计算方法)

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Using bulk switching technique, the power efficiency is limited only by the losses of the source resistance Rs( in Fig. 6) and the switching losses.
Neglecting the resistance of the switches, the source resistance is given by
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The factor 2 comes from the two capacitors C1 and C2 (Fig. 1), which act at each phase of the clock.
It was also assumed that the voltage drop of M1 through M4 is negligible.
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where EL is the energy delivered to load
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and ES is the energy loss
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Here, ΔVOUT is the drop due to RS, CS is the total stray capacitances of the circuit, and RL is the load resistor. VOUT is therefore the output of the voltage divider between RS and RL(Fig. 6)
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则有
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同理
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故而在仿真过程中,无论是增加M1、M2的尺寸,或者是M3、M4的尺寸,都会因增加杂散电容而使VOUT有不同程度的减小。
The total stray capacitance is assumed to be a fixed fraction α of the pump capacitor which represent its parasitics
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the power efficiency maximum is reached for
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使用非重叠开关的必要性

At high frequencies, the resistance of the switches and the time needed to switch between the states is not negligible because nonoverlapping switching is mandatory for high efficiency. This time depends on how the command signals are generated, and it can be a few nanoseconds, which is not negligible at frequencies above 10 MHz. The resulting time TON needed to transfer the charges is
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Ref

[1] P. Favrat, P. Deval, and M. J. Declercq, “A high-efficiency CMOS voltage doubler,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, no. 3, pp. 410–416, Mar. 1998, doi: 10.1109/4.661206.

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