芯?上的?壓如何產生的？

1. 高壓生成的方法

1.1 電荷泵（Charge Pump）：電容的“電壓疊加”

電荷泵是最經典的片上高壓生成方案，其核心原理是通過電容和開關的周期性切換，逐級“泵送”電荷，實現電壓倍增。

• Dickson電荷泵：
  由二極管（或MOSFET替代）和電容級聯構成。通過時鐘信號控制開關，電容交替充電和串聯放電。例如，一個兩倍壓電荷泵的輸入電壓為，在第一階段電容充電至，第二階段該電容與電源串聯，輸出達到（為開關壓降）。通過多級級聯，可生成更高電壓。
  特點：

• 無需電感，易于集成；

• 輸出電流較小，效率隨級數增加而下降；

• 典型應用：Flash存儲器編程（需10-20V）、OLED驅動（~15V）。

 

1.2 開關電容電壓轉換器：動態重構電容網絡

開關電容技術通過改變電容的連接方式（并聯充電、串聯放電）提升電壓。例如，Cockcroft-Walton倍壓電路利用多級電容和二極管的組合，將交流信號整流為高壓直流。

• 設計優化：
  采用MOSFET替代二極管可減少壓降，提升效率。通過調整開關頻率和電容值，可靈活調節輸出電壓。
  應用場景：
  低功耗傳感器接口、能量采集電路。

1.3 電感式升壓轉換器（Boost Converter）：高效能量轉換

傳統的電感式Boost電路通過周期性開關電感和儲能電容，將輸入電壓提升至更高等級。其核心公式為：

為開關占空比

• 片上集成挑戰：
  傳統電感體積大，難以集成，但先進工藝（如TSMC 16nm以下）支持微型化平面電感的制造。
   

• 優勢：
  高效率（>90%）、支持大電流輸出，適用于電源管理芯片（PMIC）。

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2. 高壓生成的關鍵設計挑戰*

2.1 效率與面積的權衡

• 電荷泵的級數限制：
  級數越多，輸出電壓越高，但開關損耗和電容面積顯著增加。例如，4級電荷泵的效率可能低于50%。

• 電感式Boost的微型化：
  片上電感的Q值（品質因數）較低，需優化布局以降低寄生電阻。

2.2 噪聲與紋波抑制

開關操作（尤其是電荷泵和Boost電路）會引入高頻噪聲和電壓紋波，可能干擾敏感模擬電路。解決方法包括：

• 增加濾波電容；

• 采用多相位交錯控制技術；

• 優化開關時序以減少電流尖峰。

2.3 高壓器件的工藝兼容性

• 厚柵氧晶體管：
  柵極氧化層加厚以承受高壓，但犧牲了開關速度。

• LDMOS（橫向擴散MOS）：
  通過特殊摻雜工藝實現高擊穿電壓，廣泛用于功率集成電路。

2.4 動態電壓調節

在負載變化時（如Flash存儲器擦除階段電流突增），需通過閉環反饋（如電壓模/PWM控制）快速調整輸出電壓，避免過沖或跌落。

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3. 典型應用場景

3.1 非易失性存儲器（NVM）
Flash和EEPROM需要10-20V高壓進行編程和擦除，電荷泵因其緊湊性成為首選方案。例如，智能手機的eMMC芯片內置多級電荷泵以支持高速寫入。

3.2 顯示驅動
OLED顯示屏的像素驅動需15-20V偏置電壓，電荷泵或Boost電路為每個像素提供精準電壓控制。

3.3 MEMS傳感器
微機電系統（如加速度計、陀螺儀）需要高壓驅動靜電執行器，開關電容轉換器因低功耗特性被廣泛采用。

3.4 射頻（RF）前端
部分射頻開關和功率放大器需高壓供電，微型變壓器耦合技術可滿足高頻隔離需求。

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