芯⽚上的⾼压如何产生的？

1. 高压生成的方法

1.1 电荷泵（Charge Pump）：电容的“电压叠加”

电荷泵是最经典的片上高压生成方案，其核心原理是通过电容和开关的周期性切换，逐级“泵送”电荷，实现电压倍增。

• Dickson电荷泵：
  由二极管（或MOSFET替代）和电容级联构成。通过时钟信号控制开关，电容交替充电和串联放电。例如，一个两倍压电荷泵的输入电压为，在第一阶段电容充电至，第二阶段该电容与电源串联，输出达到（为开关压降）。通过多级级联，可生成更高电压。
  特点：
  • 无需电感，易于集成；
  • 输出电流较小，效率随级数增加而下降；
  • 典型应用：Flash存储器编程（需10-20V）、OLED驱动（~15V）。

1.2 开关电容电压转换器：动态重构电容网络

开关电容技术通过改变电容的连接方式（并联充电、串联放电）提升电压。例如，Cockcroft-Walton倍压电路利用多级电容和二极管的组合，将交流信号整流为高压直流。

• 设计优化：
  采用MOSFET替代二极管可减少压降，提升效率。通过调整开关频率和电容值，可灵活调节输出电压。
  应用场景：
  低功耗传感器接口、能量采集电路。

1.3 电感式升压转换器（Boost Converter）：高效能量转换

传统的电感式Boost电路通过周期性开关电感和储能电容，将输入电压提升至更高等级。其核心公式为：

• 片上集成挑战：
  传统电感体积大，难以集成，但先进工艺（如TSMC 16nm以下）支持微型化平面电感的制造。
   
• 优势：
  高效率（>90%）、支持大电流输出，适用于电源管理芯片（PMIC）。

2. 高压生成的关键设计挑战*

2.1 效率与面积的权衡

• 电荷泵的级数限制：
  级数越多，输出电压越高，但开关损耗和电容面积显著增加。例如，4级电荷泵的效率可能低于50%。
• 电感式Boost的微型化：
  片上电感的Q值（品质因数）较低，需优化布局以降低寄生电阻。

2.2 噪声与纹波抑制

开关操作（尤其是电荷泵和Boost电路）会引入高频噪声和电压纹波，可能干扰敏感模拟电路。解决方法包括：

• 增加滤波电容；
• 采用多相位交错控制技术；
• 优化开关时序以减少电流尖峰。

2.3 高压器件的工艺兼容性

• 厚栅氧晶体管：
  栅极氧化层加厚以承受高压，但牺牲了开关速度。
• LDMOS（横向扩散MOS）：
  通过特殊掺杂工艺实现高击穿电压，广泛用于功率集成电路。

2.4 动态电压调节

在负载变化时（如Flash存储器擦除阶段电流突增），需通过闭环反馈（如电压模/PWM控制）快速调整输出电压，避免过冲或跌落。

3. 典型应用场景

3.1 非易失性存储器（NVM）
Flash和EEPROM需要10-20V高压进行编程和擦除，电荷泵因其紧凑性成为首选方案。例如，智能手机的eMMC芯片内置多级电荷泵以支持高速写入。

3.2 显示驱动
OLED显示屏的像素驱动需15-20V偏置电压，电荷泵或Boost电路为每个像素提供精准电压控制。

3.3 MEMS传感器
微机电系统（如加速度计、陀螺仪）需要高压驱动静电执行器，开关电容转换器因低功耗特性被广泛采用。

3.4 射频（RF）前端
部分射频开关和功率放大器需高压供电，微型变压器耦合技术可满足高频隔离需求。