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(jīng)典的片上高壓生成方案，其核心原理是通過電容和開關(guān)的周期性切換，逐級(jí)“泵送”電荷，實(shí)現(xiàn)電壓倍增。

• Dickson電荷泵：
  由二極管（或MOSFET替代）和電容級(jí)聯(lián)構(gòu)成。通過時(shí)鐘信號(hào)控制開關(guān)，電容交替充電和串聯(lián)放電。例如，一個(gè)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(lián)，輸出達(dá)到（為開關(guān)壓降）。通過多級(jí)級(jí)聯(lián)，可生成更高電壓。
  特點(diǎn)：
  • 無需電感，易于集成；
  • 輸出電流較小，效率隨級(jí)數(shù)增加而下降；
  • 典型應(yīng)用：Flash存儲(chǔ)器編程（需10-20V）、OLED驅(qū)動(dòng)（~15V）。

1.2 開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器：動(dòng)態(tài)重構(gòu)電容網(wǎng)絡(luò)

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

• 設(shè)計(jì)優(yōu)化：
  采用MOSFET替代二極管可減少壓降，提升效率。通過調(diào)整開關(guān)頻率和電容值，可靈活調(diào)節(jié)輸出電壓。
  應(yīng)用場(chǎng)景：
  低功耗傳感器接口、能量采集電路。

1.3 電感式升壓轉(zhuǎn)換器（Boost Converter）：高效能量轉(zhuǎn)換

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

• 片上集成挑戰(zhàn)：
  傳統(tǒng)電感體積大，難以集成，但先進(jìn)工藝（如TSMC 16nm以下）支持微型化平面電感的制造。
   
• 優(yōu)勢(shì)：
  高效率（>90%）、支持大電流輸出，適用于電源管理芯片（PMIC）。

2. 高壓生成的關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)*

2.1 效率與面積的權(quán)衡

• 電荷泵的級(jí)數(shù)限制：
  級(jí)數(shù)越多，輸出電壓越高，但開關(guān)損耗和電容面積顯著增加。例如，4級(jí)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(zhì)因數(shù)）較低，需優(yōu)化布局以降低寄生電阻。

2.2 噪聲與紋波抑制

開關(guān)操作（尤其是電荷泵和Boost電路）會(huì)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(cuò)控制技術(shù)；
• 優(yōu)化開關(guān)時(shí)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(guān)速度。
• LDMOS（橫向擴(kuò)散MOS）：
  通過特殊摻雜工藝實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓，廣泛用于功率集成電路。

2.4 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)

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

3. 典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 非易失性存儲(chǔ)器（NVM）
Flash和EEPROM需要10-20V高壓進(jìn)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(jī)的eMMC芯片內(nèi)置多級(jí)電荷泵以支持高速寫入。

3.2 顯示驅(qū)動(dòng)
OLED顯示屏的像素驅(qū)動(dòng)需15-20V偏置電壓，電荷泵或Boost電路為每個(gè)像素提供精準(zhǔn)電壓控制。

3.3 MEMS傳感器
微機(jī)電系統(tǒng)（如加速度計(jì)、陀螺儀）需要高壓驅(qū)動(dòng)靜電執(zhí)行器，開關(guān)電容轉(zhuǎn)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(guān)和功率放大器需高壓供電，微型變壓器耦合技術(shù)可滿足高頻隔離需求。