一种负压电荷泵输出放电控制电路的制作方法

本技术涉及集成电路的，尤其是涉及一种负压电荷泵输出放电控制电路。

背景技术：

1、负压电荷泵为集成电路中常用的片上负压产生电源模块，依托电荷转移电容分时充放电实现正输入电压向负压电压转换，广泛应用于oled显示驱动、存储芯片、射频模拟前端、车载信号处理等集成电路系统。该类电路无需电感元件，集成度高、芯片版图占用面积小，适配低压单电源供电芯片架构。电荷泵正常工作时，输出端会并联大容量负载电容存储负压电荷，保障输出电压稳定、负载驱动能力充足。在芯片系统切换工作模式、待机停机或负压输出通道关断时，负载电容内留存大量残余负压电荷。

2、负压电荷泵停机后负载电容留存的残余负压电荷需受控泄放，若无专用放电控制电路将产生多重器件失效风险。电容残余负压直接作用于后级低压mos器件栅源端，极易超出器件额定耐压阈值，引发栅氧化层击穿、晶体管永久性损坏。残余电荷无约束泄放时会形成瞬时大电流浪涌，浪涌冲击将造成芯片内部电位剧烈跳变，干扰同片其他模拟、数字模块正常工作。另外，无管控持续漏电会大幅提升芯片待机静态功耗。

3、现有负压电荷泵输出放电控制方案主要为固定功率电阻直接放电架构，电路结构简单，但放电初期电流浪涌幅值大，无自适应限流能力，高压工况下栅极无可靠钳位防护，器件击穿风险高。

技术实现思路

1、为了实现自适应限流能力，本技术提供一种负压电荷泵输出放电控制电路，采用如下的技术方案：

2、一种负压电荷泵输出放电控制电路，包括使能控制模块、分压模块、放电模块、基础电平模块和闭环反馈模块；

3、所述使能控制模块获取对应于负压电荷泵工作状态的外部使能信号；若所述外部使能信号对应于负压电荷泵放电工况，则启动所述分压模块，所述放电模块与所述闭环反馈模块处于使能工作状态；若所述外部使能信号对应于负压电荷泵正常工作工况，则关闭所述分压模块，所述放电模块与所述闭环反馈模块处于失能关闭状态；

4、所述分压模块通过所述使能控制模块与输入电源的正极电连接，所述分压模块通过所述基础电平模块与负压电荷泵的输出端电连接，所述基础电平模块保持常导通状态以实现电压钳位；所述分压模块用于采集输入电源正极与负压电荷泵输出端之间的电压并进行分压处理，生成采集电压并输出至所述放电模块与所述闭环反馈模块；

5、所述放电模块的输入端接收所述采集电压，当所述采集电压大于预设的开启驱动电压时，所述放电模块导通负压电荷泵输出端与地之间的通路以实现负压电荷泄放，并采集负压电荷泵输出端与地之间的中间电压作为反馈电压，将所述反馈电压输出至所述闭环反馈模块；

6、所述闭环反馈模块接收所述反馈电压，并基于所述反馈电压构建将负压电荷泵输出端反馈连接至放电模块输入端的反馈通道；所述反馈通道根据负压电荷泵的输出电压动态调节所述放电模块的导通阻抗，负压电荷泵输出电压对地差值越大，所述放电模块的导通阻抗越小，负压电荷泵输出电压越接近地电位，所述放电模块的导通阻抗越大。

7、通过采用上述技术方案，通过各模块协同配合形成闭环自适应放电控制机制，相较于传统固定电阻放电方案，可根据负压电荷泵输出端残余负压电压动态调节放电模块导通阻抗，实现放电电流自适应限流，有效抑制放电初期电流浪涌，钳位器件栅极电压、杜绝mos器件击穿损坏风险，同时平稳完成残余负压电荷泄放，避免芯片内部电位跳变干扰其他模块工作，还能降低芯片待机漏电与静态功耗。

8、可选地，所述使能控制模块包含高压pmos管m1；所述高压pmos管m1的源极接入输入电源vin，栅极接入外部工作使能信号，漏极与所述分压模块的输入端电连接；当外部使能信号为低电平时，所述高压pmos管m1导通，输入电源vin为分压模块供电，启动放电工作流程；当外部使能信号为高电平时，所述高压pmos管m1关断，切断分压模块供电通路，使分压模块、放电模块与闭环反馈模块同步失能。

9、通过采用上述技术方案，采用高压pmos管作为使能开关实现供电通路通断控制，利用高压pmos耐压特性适配芯片输入高压工况，仅通过单路使能信号即可同步完成放电支路的供电启闭，电路器件数量少、版图占用面积小，开关响应速度快，能够精准同步管控分压、放电、反馈模块的工作状态，避免负压电荷泵正常工作时分压支路产生额外静态漏电，进一步降低芯片常态工作功耗。

10、可选地，所述分压模块包含串联设置的分压电阻r1与分压电阻r2；所述分压电阻r1的上端电连接至所述高压pmos管m1的漏极，所述分压电阻r1的下端与分压电阻r2的上端连接形成节点a，所述节点a输出采集电压并分别接入放电模块与闭环反馈模块，所述分压电阻r2的下端与所述基础电平模块电连接。

11、通过采用上述技术方案，采用r1、r2串联电阻构成分压支路，可将输入电源正极与负压电荷泵输出端之间的宽压差转换为适配后级放电、反馈模块耐压区间的采集电压，电阻分压电路结构简单、芯片版图面积占用小，电压采集线性度好，能够还原负压输出端残余电压变化趋势。

12、可选地，所述放电模块包括电阻r3、放电mos管m2与分压电阻r4；所述电阻r3一端接地，另一端连接所述放电mos管m2的漏极，所述放电mos管m2的栅极连接节点a，所述放电mos管m2的源极与分压电阻r4上端连接形成节点b，所述节点b输出反馈电压至闭环反馈模块，所述分压电阻r4的下端连接负压电荷泵的输出端。

13、通过采用上述技术方案，放电模块依托r3、放电mos管m2与分压电阻r4构建联动通路，节点a的分压电平控制m2通断，电荷泵输出负压经r4在节点b生成反馈电压送入闭环反馈模块，上电工作时m2可受控关断，避免放电支路损耗负压电荷泵输出能量、保障vout负压输出精度，掉电/关使能时m2导通，r3与r4形成泄放回路快速释放负载电容cload残余负压，同时m4钳位节点b电位防止负压倒灌损坏前级分压支路，兼顾正常工作低功耗、关断快速放电与反馈采样精准度三重优势。

14、可选地，所述基础电平模块包含nmos管m3；所述nmos管m3的栅极接入零电平信号，源极连接负压电荷泵的输出端，漏极与所述分压电阻r2的下端电连接，所述nmos管m3全程保持导通状态，为分压模块提供稳定基准电位并实现电压钳位。

15、通过采用上述技术方案，通过栅极接入零电平信号的nmos管m3持续导通，将负压电荷泵输出端电位稳定供给r2下端，一方面为r1、r2构成的分压模块提供恒定可靠的基准电位，保证节点a分压电平不受电荷泵输出波动干扰，精准控制放电mos管m2的开关逻辑；另一方面m3可对分压支路下端形成电压钳位，阻断负压电荷泵输出的负电压反向窜入前级分压通路，避免分压器件承受超压损伤，同时全程导通的工作状态无需额外时序控制，简化电路逻辑、降低静态控制功耗，提升整体负压电荷泵系统工作稳定性与器件可靠性。

16、可选地，所述闭环反馈模块包含反馈pmos管m4；所述反馈pmos管m4的栅极接入所述节点b输出的反馈电压，所述反馈pmos管m4的源极连接负压电荷泵的输出端，所述反馈pmos管m4的漏极连接所述放电mos管m2的栅极，构成闭环反馈调节通路。

17、通过采用上述技术方案，仅采用单只pmos管m4搭建闭环反馈通路，电路结构极简、芯片版图占用面积小，能够实时跟随负压电荷泵输出残余电压动态调节反馈支路导通能力，残余负压越大时m4导通程度越高、放电模块等效阻抗越小，放电后期电压趋近地时m4导通程度降低、放电阻抗增大，实现自适应限流，从抑制放电浪涌电流，稳定管控泄放速率，减少电位突变干扰芯片其他模块，同时降低待机漏电功耗。

18、可选地，当外部工作使能信号为低电平时，所述高压pmos管m1导通，输入电源vin经高压pmos管m1、分压电阻r1为节点a提供分压电位；节点a输出的采集电压一路经电阻r3接入放电mos管m2栅极，导通由地、电阻r3、放电mos管m2、分压电阻r4、负压电荷泵输出端构成的放电主通路，节点b输出反馈电压；节点a输出的采集电压另一路经分压电阻r2接入常导通的nmos管m3漏极，通过分压电阻r1、分压电阻r2与nmos管m3配合实现节点a电位钳位；节点b输出的反馈电压接入反馈pmos管m4栅极，通过反馈pmos管m4构建闭环反馈调节通道。

19、通过采用上述技术方案，通过同一节点a同步输出栅极驱动电压与高压钳位电压，利用常导通nmos管实现高低压器件隔离防护，同时借助m4搭建实时反馈环路，可依据vout残余负压动态调节放电支路导通阻抗，在保障残余电荷稳定泄放的前提下抑制放电初期浪涌电流，规避后端低压mos栅极过压击穿风险，且分压、钳位、反馈支路均为微电流支路，不会额外增加放电损耗与静态功耗。

20、可选地，放电过程中，负压电荷泵输出端电位向地抬升时，节点b电位同步跟随变化，改变反馈pmos管m4的栅源电压，调节反馈pmos管m4的导通阻抗，进而微调节点a的分压电位，改变放电mos管m2的栅极驱动电压，动态调整放电mos管m2的导通阻抗；放电末期负压电荷泵输出端电位接近地电位时，放电mos管m2导通阻抗自动增大以限制放电电流；放电全程分压电阻r1、分压电阻r2保持微电流工作，nmos管m3持续导通实现高压钳位，电阻r3与分压电阻r4承载放电主回路电流。

21、通过采用上述技术方案，仅依靠mos管传输特性与无源分压网络即可实现放电电流自适应动态限流，无需额外基准源、运放等有源器件，电路结构精简、静态功耗低，放电末期可自动抬升放电阻抗抑制浪涌冲击，同时分压支路微电流运行、高压钳位持续生效，兼顾放电速率、器件耐压安全与低功耗特性，大幅提升负压残余电荷泄放全过程的稳定性。

22、可选地，当外部使能信号切换为高电平时，高压pmos管m1关断，输入电源vin与后端分压、放电、反馈支路电气隔离，节点a电位跌落至低电平；放电mos管m2因失去栅极驱动电压截止，放电主通路断开；反馈pmos管m4无有效反馈电压同步关断，闭环反馈通道停止工作；nmos管m3维持导通状态，但分压电阻r1、分压电阻r2支路无电流流通，整体放电电路进入零静态漏电的待机状态。

23、通过采用上述技术方案，依靠单路使能信号即可同步切断供电、放电、反馈全部支路，关断后分压支路无电流、电路近乎零静态功耗，彻底消除放电支路对负压电荷泵升压工作的负载干扰，各控制通路同步快速关断，隔离彻底、无漏电隐患，大幅降低芯片正常工作与待机阶段的功耗损耗。

24、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：本技术整体采用纯mos管与无源电阻搭建闭环自适应放电架构，无需运放、基准源等有源器件，芯片版图面积占用小，通过使能模块统一管控全部支路通断，放电阶段依托分压采样与单管反馈环路实时动态调节放电阻抗，自适应抑制全阶段放电浪涌，搭配常通nmos持续高压钳位保护低压mos器件，关断工况下各支路同步隔离、分压支路无电流实现近乎零静态功耗，既可靠泄放负载电容残余负压电荷、避免芯片电位跳变干扰其他电路模块，又从器件耐压、浪涌防护、低功耗、集成度多维度解决传统固定电阻放电电路存在的器件易击穿、电流冲击大、待机漏电高的缺陷。