mom电容和电荷泵电路
技术领域
1.本发明涉及功率转换器技术领域，特别涉及一种mom电容和电荷泵电路。
背景技术：2.电荷泵(chargepump)又称开关负载电容式变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”负载电容来储能的变化器。由于电荷泵电路不需要电感器进行电压转换，因此有时将其称为无电感dc/dc转换器，被广泛应用于电源产品中，通常用其做功率管的栅极驱动，因此电荷泵的效率会直接影响功率管的栅源电压，提高电荷泵的效率能够提高功率管的栅源电压，进而提高功率管的导通效率。在许多高压产品中，为了提高飞电容的耐压，通常飞电容会选用mom电容。
3.图1示出了一种传统的mom电容的俯视图。如图1所示，mom电容包括衬底(sub)10以及极性相反的第一极板20和第二极板30，第一极板20和第二极板30均由金属m1构成，构成第一极板20的金属m1与衬底10之间存在辅助电容。
4.图2示出了图1中mom电容的辅助电容的截面图。如图2所示，辅助电容c的第一极板为mom电容的第一极板20，辅助电容c的第二极板为mom电容的衬底10。由于辅助电容c的第二极板为衬底10，会使得辅助电容c接地，导致电荷传输过程中会有部分电荷从接地端漏掉，降低了mom电容的容值，同时也降低了应用传统mom电容作为飞电容的电荷泵电路的效率。
5.图3示出了使用图1中mom电容的电荷泵电路的示意性电路图。如图3所示，电荷泵电路包括晶体管t1-t4，反相器inv1-inv3，飞电容c1及其相应的辅助电容c3以及飞电容c2及其相应的辅助电容c4，辅助电容c3和辅助电容c4的其中一端接地。以飞电容c1及其对应的辅助电容c3为例，由于飞电容c1和其辅助电容c3之间存在分压，会导致飞电容c1的第一极板20的电位瞬间上升不到输入至飞电容c1的电压，使得电荷泵电路的输出电压vcp小于输入电压vin与输入飞电容c1的电压之和，无法达到电荷泵电路期望的电压值。
技术实现要素：6.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种mom电容和电荷泵电路，从而在不浪费面积的基础上消除辅助电容对电荷泵电路的效率的影响，并提高了飞电容的容值。
7.根据本发明的一方面，提供一种mom电容，包括衬底；第一极板和第二极板，位于所述衬底上方且彼此隔开；以及多晶硅层，位于所述衬底和所述第一极板之间且与所述第二极板相连接，在所述多晶硅层与所述第一极板之间产生辅助电容。
8.可选地，所述第一极板和所述第二极板形成位于同一层面的梳状结构，所述第一极板和所述第二极板的梳齿交错排布。
9.可选地，梳脊与所述梳齿垂直，所述梳脊用于将对应的梳齿相互连接。
10.可选地，所述多晶硅层包括：第一梳状结构，位于所述第一极板的正下方，所述第一梳状结构的梳齿与所述第一极板的梳齿平行，所述第一梳状结构的梳脊与所述第一极板
的梳脊平行；连接结构，与所述第二极板的梳脊平行，通过多个接触结构与所述第二极板的梳脊相连，其中，所述第一梳状结构的梳齿延伸至所述连接结构，所述连接结构将所述第一梳状结构的梳齿相互连接。
11.可选地，所述第一梳状结构的梳齿的宽度与所述第一极板的梳齿的宽度相等，所述第一梳状结构的梳脊的长度和宽度与所述第一极板的梳脊的长度和宽度相等。
12.可选地，所述连接结构的宽度与所述第二极板的梳脊的宽度相等。
13.根据本发明的另一方面，提供一种包括上述所述的mom电容的电荷泵电路，所述电荷泵电路用于将输入电压转换为升压后的输出电压，所述电荷泵电路包括升压模块，具有用于接收第一电压的第一输入端，用于接收第二电压的第二输入端，以及用于输出升压之后的输出电压的输出端；第一驱动单元，与所述升压模块相连，用于根据时钟信号提供所述第一电压；第二驱动单元，与所述升压模块相连，用于根据所述时钟信号提供所述第二电压；其中，所述升压模块还包括至少一个飞电容和与其并联的辅助电容，所述飞电容通过所述mom电容中的第一极板和第二极板形成，所述辅助电容通过所述mom电容中的多晶硅层和所述第一极板形成。
14.可选地，所述升压模块还包括：第一至第四晶体管，其中，第一晶体管和第二晶体管的源极与电源输入端相连，第三晶体管和第四晶体管的源极与所述输出端相连，所述第一晶体管和所述第三晶体管的漏极以及所述第二晶体管和所述第四晶体管的栅极连接于第一中间节点，所述第二晶体管和所述第四晶体管的漏极以及所述第一晶体管和所述第三晶体管的栅极连接于第二中间节点。
15.可选地，所述至少一个飞电容包括第一飞电容，所述第一飞电容的输入端作为所述升压模块的第一输入端，与所述第一驱动单元相连，所述第一飞电容的输出端与所述第一中间节点相连，用于将所述第一电压传输至所述第一中间节点。
16.可选地，所述至少一个飞电容包括第二飞电容，所述第二飞电容的输入端作为所述升压模块的第二输入端，与所述第二驱动单元相连，所述第二飞电容的输出端与所述第二中间节点相连，用于将所述第二电压传输至所述第二中间节点。
17.可选地，所述第一驱动单元包括第一反相器，输入端用于接收所述时钟信号，输出端与所述第一飞电容的输入端相连。
18.可选地，所述第二驱动单元包括第二和第三反相器，第二反相器的输入端用于接收所述时钟信号，输出端与第三反相器的输入端连接，所述第三反相器的输出端与所述第二飞电容的输入端相连。
19.本发明提供的mom电容和电荷泵电路，通过在mom电容的第一极板与衬底之间设置与第二极板相连的多晶硅层，将mom电容的辅助电容的第一极板和第二极板转化为mom电容的第一极板和第二极板，从而在不浪费面积的基础上使得mom电容与其辅助电容并联，提高了mom电容的容值，在将mom电容应用于电荷泵电路的飞电容时，可以保证飞电容的第一极板的电压可以瞬间达到输入至飞电容的电压，消除了辅助电容对电荷泵电路的效率的影响，并提高了飞电容的容值。
附图说明
20.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和
优点将更为清楚，在附图中：
21.图1示出了一种传统的mom电容的俯视图；
22.图2示出了图1中mom电容的辅助电容的截面图；
23.图3示出了使用图1中mom电容的电荷泵电路的示意性电路图；
24.图4示出了根据本发明实施例的mom电容的结构示意图；
25.图5示出了根据本发明实施例的mom电容的俯视图；
26.图6示出了根据本发明实施例的mom电容的辅助电容的截面图；
27.图7示出了根据本发明实施例的电荷泵电路的示意性电路图；
28.图8示出了根据本发明实施例的电荷泵电路与传统的电荷泵电路的输出波形对比图。
具体实施方式
29.以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件或者模块采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
30.应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件或电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的，或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
31.此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
32.本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
33.图4示出了根据本发明实施例的mom电容的结构示意图，图5示出了根据本发明实施例的mom电容的俯视图。
34.如图4和图5所示，mom电容包括衬底100，位于同一层且极性相反的第一极板200和第二极板300，第一极板200和第二极板300均由金属m1构成，第一极板200和第二极板300均呈梳状结构，两个梳状结构的梳齿交错排布用于产生电容，梳脊与梳齿垂直，梳脊用于将对应的梳齿相互连接。同一梳状结构的梳齿与梳脊可以一体式形成也可以分体式形成。
35.mom电容还包括多晶硅层(poly)400，多晶硅层400位于第一极板200与衬底100之间，多晶硅层400包括梳状结构410和连接结构420。
36.梳状结构410位于第一极板200的正下方，梳状结构410的梳脊和梳齿均与第一极板200的梳脊和梳齿平行，且梳状结构410的梳齿的宽度与第一极板200的梳齿的宽度相等，梳状结构410的梳脊的宽度和长度与第一极板200的梳脊的宽度和长度相等；连接结构420
位于第二极板300的正下方，与第二极板300的梳脊平行且宽度相等，梳状结构410的梳齿在长度方向延伸至连接结构420，由连接结构420将梳状结构410的梳齿相互连接。连接结构420还通过多个接触结构(cont)500与第二极板300的梳脊连接在一起，从而将多晶硅层400和第二极板300连接在一起，多个接触结构500例如为通孔。梳状结构410可以一体式形成或者分体式形成，梳状结构410与连接结构420也可以一体式形成或者分体式形成。
37.本发明实施例提供的mom电容同样存在辅助电容c，但是由于第一极板200的正下方设有与第一极板200结构基本相同的梳状结构410，使得辅助电容c的第一极板和第二极板分别为mom电容的第一极板200和梳状结构410，且由于梳齿结构410的梳齿延伸至连接结构420，并由连接结构420通过多个接触结构500将梳状结构410和mom电容的第二极板300连接在一起，从而将辅助电容c的第一极板和第二极板转化为mom电容的第一极板200和第二极板300。因此，本发明实施例提供的mom电容在不增加面积的基础上将mom电容与其辅助电容c并联在一起，提高了mom电容的容值。
38.图6示出了根据本发明实施例的mom电容的辅助电容的截面图。图6例如为沿图5中的aa线所截的截面图，如图6所示，mom电容的辅助电容c位于第一极板200与多晶硅层400之间，与衬底100无关，多晶硅层400通过接触结构500与第二极板300相连，所以辅助电容c的第一极板和第二极板可以看作是mom电容的第一极板200和第二极板300，使得mom电容与其辅助电容c并联。将这种mom电容应用到电荷泵电路时，由于mom电容与其辅助电容c之间并联，不存在分压，所以mom电容的第一极板200的电位可以瞬间达到输入至mom电容的电压值。
39.图7示出了根据本发明实施例的电荷泵电路的示意性电路图。如图7所示，电荷泵电路600包括第一驱动单元610、第二驱动单元620以及升压模块630，升压模块630包括飞电容c1及其对应的辅助电容c3、飞电容c2及其对应的辅助电容c4、以及晶体管t1-t4，其中，飞电容c1和飞电容c2使用上述所述的mom电容，飞电容c1与其相应的辅助电容c3并联，飞电容c2与其相应的辅助电容c4并联，飞电容c1和飞电容c2的输入端分别作为升压模块630的第一输入端和第二输入端。
40.晶体管t1-t4采用差分交叉耦合的架构，晶体管t1和t2为n型场效应晶体管，晶体管t3和t4为p型场效应晶体管，晶体管t1和t3的漏极以及晶体管t2和t4的栅极连接至中间节点a，晶体管t1和t3的栅极以及晶体管t2和t4的漏极连接至中间节点b，晶体管t1和t2的源极连接至电源输入端，以将输入电压vin传输至中间节点a和中间节点b，晶体管t3和t4的源极连接至电荷泵电路600的输出端，用于将中间节点a和中间节点b上的电压传输至电荷泵电路600的输出端。
41.第一驱动单元610包括反相器inv1，反相器inv1的输入端接时钟信号clk，输出端接飞电容c1的输入端，用于根据时钟信号clk提供第一电压至飞电容c1的输入端。时钟信号clk例如为占空比为百分之五十的方波信号，在低电平时为0v，在高电平时为5v。
42.第二驱动单元620包括反相器inv2和反相器inv3，反相器inv2的输入端接时钟信号clk，输出端与反相器inv3的输入端相连，反相器inv3的输出端接飞电容c2的输入端。第二驱动单元620用于根据时钟信号clk提供第二电压，第一电压与第二电压互为差分信号。
43.飞电容c1的输出端连接至中间节点a，以将第一电压传输至中间节点a；飞电容c2的输出端连接至中间节点b，以将第二电压传输至中间节点b。
44.电荷泵电路600利用飞电容c1和飞电容c2的高通特性，不断将第一电压或第二电压叠加到输入电压vin，使得电荷泵电路600的输出电压vcp维持在高电平。由于飞电容c1与其相应的辅助电容c3并联，飞电容c2与其相应的辅助电容c4并联，使得飞电容c1和飞电容c2在电荷传输过程中不会有电荷从接地端漏掉，保证了飞电容c1或飞电容c2的第一极板的电位可以瞬时达到传输至飞电容c1或飞电容c2的电压值，使得电荷泵电路600的输出电压vcp等于输入电压vin与传输至飞电容c1或飞电容c2的电压之和，从而消除了辅助电容c3和辅助电容c4对电荷泵电路600效率的影响。
45.上述电荷泵电路600的输出电压vcp等于输入电压vin与输入飞电容的电压之和为理想状态，但是在实际应用中，还是会有其他因素影响到电荷泵电路的输出电压vcp的电压值，为了测试本发明实施例提供的mom电容对电荷泵电路效率的影响，在仅改变飞电容的情况下，发明人对传统的电荷泵电路的输出波形与使用了本发明提供的应用mom电容作为飞电容的电荷泵电路的输出波形进行了对比。
46.图8示出了根据本发明实施例的电荷泵电路与传统的电荷泵电路的输出波形对比图。
47.图8中虚线部分为传统的电荷泵电路的输出波形，实线部分为使用了本发明实施例提供的mom电容作为飞电容的电荷泵电路的输出波形，通过对比可以看出本发明实施例提供的电荷泵电路的输出电压达到最高值的速度比传统的电荷泵电路快，且在输出电压趋于稳定时，本发明实施例提供的电荷泵电路的输出电压的电压值比传统的电荷泵电路的输出电压的电压值有明显提高。
48.综上所述，本发明实施例提供的使用上述mom电容作为飞电容的电荷泵电路比传统的电荷泵电路的输出电压更趋近于期望值，在驱动功率晶体管时，功率晶体管的导通电阻ron更小，效率更高。
49.在以上的描述中，对公知的结构要素和步骤并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来实现相应的结构要素和步骤。另外，为了形成相同的结构要素，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述各实施例，但是这不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
50.依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求及其等效物所界定的范围为准。
技术特征：1.一种mom电容，包括：衬底；第一极板和第二极板，位于所述衬底上方且彼此隔开；以及多晶硅层，位于所述衬底和所述第一极板之间且与所述第二极板相连接，在所述多晶硅层与所述第一极板之间产生辅助电容。2.根据权利要求1所述的mom电容，其中，所述第一极板和所述第二极板形成位于同一层面的梳状结构，所述第一极板和所述第二极板的梳齿交错排布。3.根据权利要求2所述的mom电容，其中，梳脊与所述梳齿垂直，所述梳脊用于将对应的梳齿相互连接。4.根据权利要求3所述的mom电容，其中，所述多晶硅层包括：第一梳状结构，位于所述第一极板的正下方，所述第一梳状结构的梳齿与所述第一极板的梳齿平行，所述第一梳状结构的梳脊与所述第一极板的梳脊平行；连接结构，与所述第二极板的梳脊平行，通过多个接触结构与所述第二极板的梳脊相连，其中，所述第一梳状结构的梳齿延伸至所述连接结构，所述连接结构将所述第一梳状结构的梳齿相互连接。5.根据权利要求4所述的mom电容，其中，所述第一梳状结构的梳齿的宽度与所述第一极板的梳齿的宽度相等，所述第一梳状结构的梳脊的长度和宽度与所述第一极板的梳脊的长度和宽度相等。6.根据权利要求4所述的mom电容，其中，所述连接结构的宽度与所述第二极板的梳脊的宽度相等。7.一种包括如权利要求1-6任一项所述的mom电容的电荷泵电路，所述电荷泵电路用于将输入电压转换为升压后的输出电压，所述电荷泵电路包括：升压模块，具有用于接收第一电压的第一输入端，用于接收第二电压的第二输入端，以及用于输出升压之后的输出电压的输出端；第一驱动单元，与所述升压模块相连，用于根据时钟信号提供所述第一电压；第二驱动单元，与所述升压模块相连，用于根据所述时钟信号提供所述第二电压；其中，所述升压模块还包括至少一个飞电容和与其并联的辅助电容，所述飞电容通过所述mom电容中的第一极板和第二极板形成，所述辅助电容通过所述mom电容中的多晶硅层和第一极板形成。8.根据权利要求7所述的电荷泵电路，其中，所述升压模块还包括：第一至第四晶体管，其中，第一晶体管和第二晶体管的源极与电源输入端相连，第三晶体管和第四晶体管的源极与所述输出端相连，所述第一晶体管和所述第三晶体管的漏极以及所述第二晶体管和所述第四晶体管的栅极连接于第一中间节点，所述第二晶体管和所述第四晶体管的漏极以及所述第一晶体管和所述第三晶体管的栅极连接于第二中间节点。9.根据权利要求7所述的电荷泵电路，其中，所述至少一个飞电容包括第一飞电容，所述第一飞电容的输入端作为所述升压模块的第一输入端，与所述第一驱动单元相连，所述
第一飞电容的输出端与所述第一中间节点相连，用于将所述第一电压传输至所述第一中间节点。10.根据权利要求7所述的电荷泵电路，其中，所述至少一个飞电容包括第二飞电容，所述第二飞电容的输入端作为所述升压模块的第二输入端，与所述第二驱动单元相连，所述第二飞电容的输出端与所述第二中间节点相连，用于将所述第二电压传输至所述第二中间节点。11.根据权利要求9所述的电荷泵电路，其中，所述第一驱动单元包括：第一反相器，输入端用于接收所述时钟信号，输出端与所述第一飞电容的输入端相连。12.根据权利要求10所述的电荷泵电路，其中，所述第二驱动单元包括：第二和第三反相器，第二反相器的输入端用于接收所述时钟信号，输出端与第三反相器的输入端连接，所述第三反相器的输出端与所述第二飞电容的输入端相连。
技术总结本发明公开了一种MOM电容和包括所述的MOM电容的电荷泵电路，MOM电容包括：衬底；第一极板和第二极板，位于所述衬底上方且彼此隔开；以及多晶硅层，位于所述衬底和所述第一极板之间且与所述第二极板相连接，在所述多晶硅层与所述第一极板之间产生辅助电容，可以在不浪费面积的基础上消除辅助电容对电荷泵电路的效率的影响，并提高了飞电容的容值。并提高了飞电容的容值。并提高了飞电容的容值。
技术研发人员：高长城 谢程益 于翔
受保护的技术使用者：圣邦微电子（北京）股份有限公司
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/11/1
