Bomba de Carga Electronika

8/17/2019 Bomba de Carga Electronika

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Bomba de CargaR. Abad, J. Pino, F. Sisa, D. Gusqui

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Escuela de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones

Abstract- In this paper we review the genesisof charge pump circuits, their evolution andimprovement in design and their importance innonvolatile memory circuits, low-voltageanalog building blocks and other applications.

Palabras Clave: Bomba de carga

I. INTRODUCCIÓN

Bombas de carga son circuitos que generan una tensión más

grande que la tensión de alimentación de las que operan.

Para ver cómo es esto posible, considere el circuito simple

que consiste de un único condensador y tres interruptores se

muestra en la Fig. 1.

Fig1.doblador de tensión simple

Durante la fase del reloj, los conmutadores S1 y S3 están

cerrados y el condensador se carga a la tensión de

alimentación, VDD. Siguiente interruptor S2 está cerrado y

la placa inferior del condensador asume un potencial VDD,

mientras que el condensador mantiene su cargo de VDDC

de la fase anterior. Esto significa que durante φ

(V – V) ⋅ C = V ⋅ C (1) out DD DD

O

V = 2 ⋅ V (2) out DD

Por lo tanto, en ausencia de un motor de c.c. de carga, unatensión de salida se ha generado que es dos veces latensión de alimentación. Con el fin de acomodar una cargaen la salida, el circuito se modificó mediante la adición deuna capacidad de salida como se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2. doblador de tensión Práctico

En este caso, la tensión de salida ideal se da por

Fig.Fórmu la para l a tensión de salida ideal

Si una carga RL está presente, entonces una tensión de

ondulación, VR, se genera en la salida. La tensión de rizado

se puede reducir Cout haciendo lo suficientemente grande

como para que VW es insignificante en comparación con

Vout.

Multiplicación de voltaje mayor que el doble de la tensiónde alimentación se puede lograr poniendo en cascada más

de un condensador en serie. Esta técnica multiplicador de

tensión parece primero han sido propuestos por Cockcroft y

Walton y se utilizó para generar los potenciales constantes

cerca de 800.000 voltios en relación con el estudio de la

estructura atómica de la materia. El circuito multiplicador

de Cockcroft-Walton se muestra en la Fig. 3. Tres

condensadores, CA, CB y CC, cada uno de capacidad C,

están conectados en serie y el condensador CA está

conectado a la tensión de alimentación VDD. Durante la

fase condensador C1 está conectado a CA y se carga al

voltaje VDD. Cuando los interruptores cambian de posicióndurante

φ

φ φ

C

S 1

S2 S 3

V out

V DD

φ S4

C out R L

mailto:[email protected]

















Fig. 3. Multiplicador de Voltaje Cockcroft-

El siguiente ciclo,, el condensador C1 compartirá su cargo

con el condensador CB y ambos se le cobrará a VDD / 2 si

tienen la misma capacidad. En el siguiente ciclo, C2 y CB

estarán conectados y comparten un potencial de VDD / 4,

mientras que C1 se carga una vez más a VDD. Por tanto, es

obvio que si este proceso continúa durante unos pocos

ciclos, la carga se transferirá a todos los condensadores

hasta un potencial de 3VDD se desarrolla a través de lasalida Vout.

El principio es fácilmente capaz de extensión, y mediante la

adición de más condensadores, cualquier múltiplo de la

tensión de alimentación, VDD, se puede obtener. Sin

embargo, en la práctica, el multiplicador de Cockcroft-

Walton se convierte en algo ineficaz si se aplica en forma

integrado monolítico debido a la relativamente grande

capacitancia parásita en el chip. Además, la impedancia de

salida del multiplicador aumenta rápidamente con el

número de etapas multiplicadores.

Con el fin de superar estas limitaciones, un nuevo circuito

multiplicador de voltaje fue ideado por Dickson que es

adecuado para la integración en forma monolítica. Es

similar al multiplicador Cockcroft-Walton excepto que esta

nueva configuración logra multiplicación más eficiente,

incluso en presencia de la capacitancia parásita y de su

capacidad de impulsión es independiente del número de

etapas de multiplicadores. Dado que muchas bombas de

carga CMOS se basan en el circuito propuesto por Dickson,

un análisis exhaustivo de este multiplicador clásica se

presenta a continuación.

II. DESARROLLO DEL TEMABOMBA DE CARGA DICKSON

La bomba de carga Dickson se muestra en la Fig. 4. El

circuito consta de dos relojes de bombeo, φ y φ, que son

anti-fase y tienen una tensión de pico de Vφ. Los diodos

funcionan como interruptores auto-programado que se

caracterizan por una tensión de polarización directa, Vd. la

capacidad parásita, Cs, se incluye en cada nodo para la

integridad.

F ig. 4. bomba de carga Di ckson

El multiplicador funciona mediante el bombeo de carga a lolargo de la cadena de diodos como los condensadores se

cargan y descargan durante cada ciclo de reloj,sucesivamente. Cuando φ fase de reloj pasa a nivel bajo, el

diodo D1 llevó a cabo hasta que la tensión en el nodo 1 seconvierte en V-VD. Cuando φ se conmuta a Vφ, el voltaje

en el nodo 1 se convierte ahora en Vin + (Vφ - Vd). Estohace que el diodo D2 conduzca hasta que el voltaje en el

nodo 2 se hace igual a Vin + (Vφ - Vd) - Vd. Cuando φ pasaa nivel bajo de nuevo, el voltaje en el nodo 2 se convierte en

Vin + 2 ⋅ (Vφ - Vd). Después

N etapas, es fácil ver que la tensión de salida es

V out = V in + N ⋅ (V φ – V d ) – V d

La capacitancia parásita, Cs, puede tenerse en cuenta alnotar que reduce la tensión de reloj transferido, Vφ, por un

factor

+ Por lo tanto, la tensión de salida real se convierte

Fig. Fórmula para la tensión de sali da

Hasta ahora se ha supuesto que no hay carga se conecta a la

salida de la bomba de carga. En presencia de una carga, queextrae una corriente, hacia fuera, la tensión de salida es

reducirá en un importe∗

(+)∗ donde fosc es la

frecuencia de funcionamiento de la bomba de carga. La

tensión de salida se convierte ahoraDe esta ecuación se hace evidente que la multiplicación de

Fig. Fórmu la para el voltaje de sali da

Tensión se producirá sólo si

Fig. Para reducir tensiones



Tras Dickson, eq. (6) puede escribirse como

V out = V O – I out ⋅ RS

Dónde

Y

La ecuación (6) conduce a un circuito equivalente de la bomba de carga como se muestra en la Fig. 5.

Fig. 5. Circuito equivalente de la bomba de carga Dickson

Cabe señalar que no habrá una pequeña tensión de rizado,VR, en la salida debido a la resistencia de carga, RL. Esta

tensión de rizado está dada por

Fi g. formula de VR

El voltaje de ondulación puede reducirse sustancialmente

mediante el aumento de la frecuencia de los relojes o usandouna capacitancia de salida grande. En este último caso, se

necesitaría la bomba de carga significativamente mástiempo en alcanzar el estado estacionario.

Una implementación de circuito práctico de la bomba decarga Dickson en la tecnología CMOS se muestra en la Fig.

6. La cadena multiplicador se implementa utilizandotransistores NMOS conectado a diodo. Aquí el diodo de

tensión directa, Vd, se sustituye por el voltaje de umbralMOS, Vtn,

Fig. 6. Una de cuatro etapas de bomba de carga Di cksonY la tensión de salida está dada por

Fig. voltaj e de sali da

Donde en este caso particular N = 4. Definimos ahora unacantidad útil llamado la fluctuación de la tensión en cada

nodo de bombeo? V. Este es el cambio de voltaje que se produce en cada nodo de una bomba de carga de un ciclo de

reloj a la siguiente. Esto se ilustra para el de cuatro etapasde bomba de carga Dickson en la Fig. 7.

Fig. 7. fl uctuación de voltaje

Para la bomba de carga Dickson, la fluctuación de la tensión

se puede expresar como

Fig.-formul a de ganancia

También podemos definir la ganancia de tensión de bombeo, GV, de una bomba de carga como

GV = V N – V N – 1

Para la bomba de carga Dickson tenemos

GV = ∆V – V tn

De eq. (14) y eq. (15) vemos que la condición necesaria para

la multiplicación de tensión viene dada por

(G

V = ∆V – V

tn) > 0

Desafortunadamente, como la tensión de alimentacióndisminuye, disminuye Vφ y de acuerdo con eq. (13) lo hace?

V. En consecuencia, la ganancia de bombeo (ec. (15))también se reduce. Por tanto, es evidente que la bomba de

carga Dickson no es en absoluto adecuado para elfuncionamiento de bajo voltaje. Si el término tensión

umbral, Vtn, de alguna manera podría ser eliminado de laecuación.

(15), la bomba de carga Dickson sería utilizable a bajastensiones, ofrecer una mejor ganancia de bombeo de voltaje

y un voltaje de salida más alto. Esto puede lograrsemediante la modificación de la bomba de carga Dickson

para que utiliza interruptores de transferencia de carga

estática (CTS de). Los detalles se presentan a continuación.

V o

R S

C out R L

V out



III. ESTÁTICO CTS BOMBAS DE CARGA

Bombas de carga estática CTS son nuevas bombas de cargaempleando conmutadores dinámicos para aumentar la

ganancia de tensión de bombeo. La idea básica detrás deestos multiplicadores es utilizar interruptores MOS con

precisión las características de encendido / apagado para elflujo de carga directa durante el bombeo en lugar de utilizar

diodos, transistores o diodos conectados que,inevitablemente, introducen una caída de tensión en cada

nodo. Una de las primeras bombas de carga a base de bajovoltaje con control de CTS hacia atrás estática se presentó

en Wu . Los detalles del circuito de esta nueva bomba decarga (NCP-1) se muestran en la Fig. 8.

Fig. 8. bomba de carga basado cuatro etapas CTS

Despreciando por el momento el CTS transistores MS1-

MS5, el funcionamiento de esta nueva bomba de carga es

idéntico al funcionamiento de la bomba de carga Dickson ylas mismas tensiones iniciales se establecerán en cada nodo

de bombeo. La idea detrás de los interruptores CTS esutilizar los altos voltajes ya establecidos en los diferentes

nodos para controlar el CTS de la etapa anterior. Estofuncionará si los interruptores se pueden activar / desactivar

a las horas designadas de forma que permitan la carga a sertransferida en una sola dirección. Cuando este es el caso

para cada etapa de bombeo, la tensión superior de entradade cada nodo es igual a la salida de voltaje inferior, como

puede verse en la Fig. 9.

Fig. 9. CTS cargo basado fluctuación del voltaje de labomba

III. TÉCNICAS DE CARGA AVANZADA DELA BOMBA

Otra clase de diseños de la bomba de carga adecuada paraun alto rendimiento, un funcionamiento de bajo voltaje son

los basados en técnicas de condensador conmutado [4]. Unduplicador de tensión CMOS de alta eficiencia con una

buena precisión se presenta en [5]. Este diseño es simple yeficiente de la energía, y con algunas modificaciones

representa la corriente, estado de la técnica en el diseño dela bomba de carga.

Fig. 10. doblador de tensión Moderno

Una novela, estado del arte, doblador de tensión altaeficiencia adecuado para aplicaciones de baja tensión / baja

potencia ha sido desarrollado por Phang y se presenta en laFig. 10. Con el fin de comprender el funcionamiento de este

multiplicador, es útil considerar la celda de bomba de carga básica se muestra en la Fig. 11.

Fig. 11. básico celular bomba de cargaLa célula utiliza dos que no se solapan, relojes oposición defase de amplitud VDD. Transistores M1 y M2 se conmutan

sucesivamente dentro y fuera con el fin de cargar loscondensadores C1 y C2 a la tensión Vin. Después de unos

pocos ciclos de reloj, las señales de reloj en la parte superior

de las placas de los condensadores asumirán una amplitud

de Vin + VDD. Los interruptores S W1 y SW2 se miden el

tiempo para que Vout sólo ve esta tensión. Si Vin = VDD a

continuación,

V out = 2 V DD Y la salida es el doble de la tensión de alimentación.

Haciendo referencia a la Fig. 10, vemos que el multiplicadorde tensión se compone de tres células de la bomba de cargaacoplada estrechamente. La célula de medio compuesto de

M1 y M2 se utiliza para generar una señal de reloj de niveldesplazado como se describe en la Fig. 11. Este nivel de

señal de reloj desplazada se utiliza para activar la bomba decarga externa que consiste en dispositivos M3 y M4 y pasar

el voltaje de entrada, Vin, a las placas superiores de los

condensadores C3 y C4. Las señales de reloj de conducción

condensadores C3 y C4, a saber Φ1Vin y Φ2Vin tienen una

oscilación de tensión reducida que es igual a la tensión de

entrada, Vin. Por lo tanto, después de unos pocos ciclos dereloj, la tensión en las placas superiores de C3 y C4 fluctúa

M 1 M 2

C 1 C 2

V in

V outS W1 S W2

C out

V 1

V 1 + V 2

V 2 + V 3

V 3 +

∆ V

∆ V

∆ V



entre Vin y 2 ⋅ Vin. La bomba de la última carga utilizadispositivos M5 y M6 para conducir la salida conmuta

PMOS M7 y M8. Vale la pena notar que el diseño incluyeuna innovación deseable, a saber, el swing de reloj baja el

nivel se ha desplazado a VSWL que ha sido optimizado parala conducción de los interruptores de salida PMOS. Esto

mejora la resistencia de salida de los interruptores. El relojswing completo señales Φ1 y Φ2 se generaron a partir de un

generador integrado, no se solapan dos fases de reloj que se

muestra en la Fig. 12.

Fig. 12. No se superponen generador de reloj

El rendimiento del circuito multiplicador de voltaje de

Phang fue simulado y se muestra en la Fig. 13. La

simulación utilizó una tensión de entrada de 1,5 V y una

pequeña capacitancia de carga de salida de 1,0 pF para

acelerar la respuesta transitoria. El circuito exhibió apenas

undershoot y alcanzó el estado de equilibrio rápidamentedebido a la reducida resistencia del interruptor

proporcionado por la bomba de carga dedicadaaccionamiento de los interruptores de salida.

Fig. 13. Simul ación de la respuesta a un escalón arr ibade dupl icador de voltaje

V. APLICACIONES Y RETOS FUTUROSLa aplicación más obvia de circuitos de bomba de carga es

en la programación de circuitos EPROM. Hasta hace poco,la mayoría de las EPROM utilizan inyección de electrones

calientes para programar estos dispositivos requeridos y

tensiones de alimentación fuera del chip. Este método de programación requiere grandes corrientes de drenaje

durante el parpadeo dispositivo y requiere una fuente de

alimentación dedicada, no estándar. Un método alternativo

de memorias EPROM de programación se basa en un túnel por emisión de campo Fowler-Nordheim. Para la

programación, una gran tensión (alrededor de 1015V) seaplica a la puerta de control del dispositivo y la carga se

transfiere a la puerta flotante. La ventaja con el uso de estemétodo reside en el hecho de que no se requiere ninguna

corriente de drenaje para la programación. Por lo tanto, enel chip de bombas de carga se pueden utilizar para generar

los voltajes superiores a normal requerido para escribir o borrar información en los circuitos de memoria no volátil .

Recientemente, bombas de carga y multiplicador de tensiónhan sido aplicados a los circuitos integrados analógicos de

baja tensión / baja potencia con cierto éxito. Una técnicaconocida como "Puerta de polarización dinámica" ha sido

promovida por Phang y otros en una amplia gama deaplicaciones. En dinámica de puerta de desviación (DGB),

circuitos de bomba de carga controlables se utilizan para la polarización estable de puertas MOSFET. Estos transistores

están sesgados en la región tríodo y actúan comoresistencias variables. En el chip DGB ha demostrado ser

factible en el diseño de un bajo voltaje, CMOS front-end

preamplificador óptico y en baja tensión, en tiempo

continuo, aplicaciones de filtro biquadratico.

En el futuro, ya que los diseñadores analógicos buscan

nuevas maneras de afrontar el reto de la reducción de las

tensiones de alimentación, en el chip de bombas de carga y

multiplicador de tensión están destinados a convertirse enuna parte integral de analógico de baja tensión y diseños de

circuitos digitales.

CONCLUCIONES

La bomba de carga gracias a sus frecuencias de

oscilación nos dan un voltaje fluctuante el cual

carga al condensador final este voltaje fluctuante

puede cambiar modificando el condensador o

cambiando las frecuencias de oscilación y así

podremos adecuar el voltaje de salida al q

deseemos

Una bomba de carga es un tipo de convertidor DC

a DC que utiliza condensadores como elementos

de almacenamiento de energía para crear ya sea unmayor o menor tensión de fuente de alimentación

dependiendo de los condensadores si con

electrolíticos o cerámicos.

En el experimento pudimos observar que existen

muchas configuraciones que nos brindan

resultados similares como por ejemplo

configuraciones hechas a partir de diodos o

integrados.

en esta configuración echa a partir de FETs

pudimos observar que la ganancia total del voltaje

está directamente relacionada con el número deetapas que se tengan y que estas no son dan el

Φ1

Φ2

0 2 4 6

x 10−5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3 Charge Pump Transient Response

Time in seconds



voltaje total real sino que este está determinado por

la ecuación de voltaje de salida de la configuración

de Dickson.

BIOGRAFIA DE LOS AUTORES

Ricardo Abad nació en San Carlos en la provincia de Zamora Chinchipe, el 7 de enero de

1993. Se graduó de la secundaria en el InstitutoTecnológico “12 de Febrero “de la cuidad de

Zamora.

Actualmente reside en la ciudad deRiobamba cursando el quinto semestre en la

escuela de Electrónica y Telecomunicaciones de

la Universidad Nacional de Chimborazo. Suscampos de interés de especialización incluyen la

comunicación satelital, la robótica y automatización.Sus padres son Agustín Abad Jiménez y Luz María Samaniego es elúltimo de 10 hermanos.

Edison Gusqui estudiante de cuarto

semestre de la escuela de Ingeniería enElectrónica y Telecomunicaciones de la

Universidad Nacional de Chimborazo.

Jeffesson Pino, Nació en Riobamba el 8 de

diciembre de 1993, llevo término sus estudios primarios en la escuela Simón Bolívar de esa

misma ciudad y continúo sus estudios básicos y bachillerato en el Instituto Tecnológico superior

“Carlos Cisneros” y actualmente está cursando

su formación superior de Ingeniería Electrónicay telecomunicaciones, en la Universidad

Nacional de Chimborazo

Flavio Sisa. Nació en Riobamba, el 4 de Enero

de 1990. Se graduó en el Instituto Tecnológico

Superior “Carlos Cisneros” y actualmente

estudia en la Universidad Nacional de

Chimborazo. Obtuvo su título en Electrónica en

el colegio “Carlos Cisneros” y actualmente se

encuentra cursando quinto semestre de

Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones

en la UNACH.

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