【摘 要】
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近年来,开关电容DC-DC应用越来越广泛。而随着NAND闪存广泛应用于智能手机,PC等电子设备,NAND闪存阵列的密度越来越高,因此高压发生器的输出负载主要来自字线(WLs)的电容,字线的电容急剧增加,这使得高压发生器的设计面临巨大挑战。为了减少WLs之间的干扰并提高阈值分布的精度,必须降低NAND闪存中电荷泵的输出电压纹波。同时,由于NAND中的功耗主要来源于电荷泵,因此必须考虑电荷泵的低功耗设
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近年来,开关电容DC-DC应用越来越广泛。而随着NAND闪存广泛应用于智能手机,PC等电子设备,NAND闪存阵列的密度越来越高,因此高压发生器的输出负载主要来自字线(WLs)的电容,字线的电容急剧增加,这使得高压发生器的设计面临巨大挑战。为了减少WLs之间的干扰并提高阈值分布的精度,必须降低NAND闪存中电荷泵的输出电压纹波。同时,由于NAND中的功耗主要来源于电荷泵,因此必须考虑电荷泵的低功耗设计。本文设计了一种基于伪连续调节模式(PCC)下的开关电容倍压器,该倍压器具有较小的输出电压纹波和高效率。PCC开关电容倍压器使用双环路交替控制以连续调节输出电压,相对于非连续输出调节,减小了输出电压纹波;PCC开关电容倍压器不需要额外的功率晶体管来连续调节倍压器的输出,从而节省了芯片面积;PCC开关电容倍压器还采用了三级放大器以获得大环路增益,提高环路响应,为了在高环路增益下保证环路稳定性,三级放大器采用有源反馈频率补偿(AFFC),且为了减小补偿电容的大小,采用阻尼因子控制技术(DFC)。采用的PCC控制模式由于有快的环路响应,可有效的控制最大输出电压纹波;PCC控制方式不仅提高了环路响应的速度,而且改善了稳压倍增器的负载瞬态响应。由于PCC开关电容倍压器采用三级放大器连续控制,因此PCC开关电容倍压器的环路响应与开关频率无关,因此允许倍压器在较低的开关频率下工作,而不会牺牲瞬态响应。可通过减小开关频率减少开关功率损耗来提高稳压倍增器的轻载效率。该倍压器还采用先断后合机制以最大程度减小直通电流,从而大大降低了空载电源电流耗散并提高了倍压器的轻载功率效率。此外,通过在功率晶体管导通期间采用栅极斜率减小技术,可大大降低倍压器的开关噪声。基于PCC控制的开关电容倍压器已在0.18μm GSMC CMOS工艺中设计仿真。倍压器在200k Hz的开关频率下使用2.2μF的输出电容工作时,当负载电流从50m A至150m A变化时保持最大15 m V的输出电压纹波。相对比于采用0.18μm TSMC CMOS工艺的结合跳变和线性模式的倍压电荷泵(输出电压纹波为30m V),本文所设计的倍压电荷泵输出电压纹波降低了50%。本文设计的电荷泵最大效率达90%,且当负载电流阶跃变化为100 m A/1μs时该倍压器的瞬态恢复时间约为30μs。
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