JP2005020922A

JP2005020922A - チャージポンプ回路

Info

Publication number: JP2005020922A
Application number: JP2003184034A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sakai; 弘一酒井
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: JP3757219B2

Abstract

【課題】電源電圧の整数倍に限定されない任意の大きさの出力電圧が得られるチャージポンプ回路を提供する。
【解決手段】昇圧用の第１のコンデンサＣ１と、平滑用の第２のコンデンサＣ２と、第１から第４のスイッチＳ１〜Ｓ４と、各スイッチをオン、オフさせるクロック信号＜ＣＫ１＞、＜ＣＫ２＞を出力する発振回路３からなる従来のチャージポンプ回路に、基準電圧源５と、第１のコンデンサＣ１の充電電圧Ｖ_Ｃ１と基準電圧源５からの基準電圧Ｖｒを比較する比較器４と、比較器４と発振回路３の各信号から別のクロック信号＜ＣＫ３＞を生成する信号処理回路６を設置し、第１のコンデンサＣ１の充電電圧Ｖ_Ｃ１が基準電圧Ｖｒに達した時に第１のコンデンサＣ１の充電を停止させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チャージポンプ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路に係り、電源電圧の整数倍に限定されない任意の大きさの出力電圧を得るための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣや素子などが必要とする駆動電圧よりも外部から供給される電源電圧が低い場合、その前段に昇圧回路が設けられる。この昇圧回路としては、インダクタンスやトランスを使用する昇圧チョッパ型のレギュレータの他に、複数のコンデンサを使用するチャージポンプ回路が存在する。このうち、チャージポンプ回路については、場合によってはスイッチドキャパシタ回路などとも呼ばれ、ＭＯＳ−ＩＣ用の電源供給回路等に広く利用されている。
図３には基本的なチャージポンプ回路の構成を示した。
【０００３】
図３において、１は外部電源に接続される電源入力端子、２は負荷に接続される電圧出力端子、Ｃ１は昇圧用のコンデンサである。このコンデンサＣ１の一端と電源入力端子１との間には第１のスイッチＳ１が接続され、コンデンサＣ１の他端とグランドとの間には第２のスイッチＳ２が接続されている。また、コンデンサＣ１の一端と電圧出力端子２との間には第３のスイッチＳ３が接続され、コンデンサＣ１の他端と電源入力端子１の間には第４のスイッチＳ４が接続されている。電圧出力端子２とグランドの間には平滑用のコンデンサＣ２が接続されている。そして、この第１と第２のスイッチＳ１、Ｓ２には第１のクロック信号＜ＣＫ１＞を供給し、第３と第４のスイッチＳ３、Ｓ４には第２のクロック信号＜ＣＫ２＞を供給するための発振回路３が設けられている。
【０００４】
このような構成のチャージポンプコンバータは、次のような動作により、電源電圧ＶＤＤよりも高い出力電圧ＶＯＵＴを生成する。
図４のタイミングチャートに示すように、時間ｔ１に発振回路３から出力される第１のクロック信号＜ＣＫ１＞がハイレベルになると、これに応じてスイッチＳ１とＳ２がオンする。すると、電源入力端子１から供給される電源電圧Ｖ_ＤＤによってコンデンサＣ１は充電される。この時、コンデンサＣ１の一端、スイッチＳ１およびスイッチＳ３の共通接続点である回路接点（ａ）の電位ＶａはコンデンサＣ１の充電に伴って上昇し、コンデンサＣ１の充電が完了する時間ｔｓにおいて電源電圧Ｖ_ＤＤに等しくなる。
【０００５】
時間ｔ１から所定時間経過後の時間ｔ２になると、発振回路３から出力される第１のクロック信号＜ＣＫ１＞はローレベル、第２のクロック信号＜ＣＫ２＞はハイレベルに切り替る。これらの各クロック信号に応じてスイッチＳ１とＳ２はオフ、スイッチＳ３とＳ４はオンする。この時、電位Ｖａは電源入力端子１の電源電圧Ｖ_ＤＤにコンデンサＣ１の充電電圧Ｖ_Ｃ１を上乗せした値、すなわち電源電圧Ｖ_ＤＤの２倍の大きさとなり、スイッチＳ３を介してコンデンサＣ２および電圧出力端子２に供給される。その結果、コンデンサＣ２は電源電圧Ｖ_ＤＤよりも高い電圧に充電され、電圧出力端子２の位置に現れる出力電圧Ｖ_ｏｕｔは電源電圧Ｖ_ＤＤの約２倍の大きさとなる。
【０００６】
なお、電圧出力端子２に負荷が接続されている場合、コンデンサＣ１から負荷およびコンデンサＣ２に向かって電流が流出するため、時間ｔ２以後、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖ_Ｃ１および電位Ｖａは低下する。ここで、負荷が要求する電流に対してコンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量を各段に大きくすると、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖ_Ｃ１の電圧低下は抑えられ、電位Ｖａの波形は方形波に近くなる。ちなみに、無負荷の場合には電位Ｖａの波形は方形波になり、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは電源電圧Ｖ_ＤＤの２倍になる。
そして、時間ｔ２から所定時間経過後の時間ｔ３になると、発振回路３から出力される第１のクロック信号＜ＣＫ１＞はハイレベル、第２のクロック信号＜ＣＫ２＞はローレベルに切り替る。この時間ｔ３における図３の回路の状態は実質的に時間ｔ１と同じであり、以後、図３の回路は上記動作を繰り返すことになる。
【０００７】
この図３の回路は、電源電圧の約２倍の出力電圧を得るためのチャージポンプの基本回路であるが、これを複数個複合することにより３倍以上の整数倍の出力電圧を得ることも可能になる。（厳密には出力電圧は電源電圧の整数倍にならず、それよりも僅かに低い値になる。）しかし、使用される外部電源と負荷によっては、負荷が必要とする電圧が電源電圧のほぼ整数倍になるとは限らない。そこで、チャージポンプ回路を使用して電源電圧の整数倍に限定されない任意の大きさの出力電圧を得るには、チャージポンプ回路の前段か後段にレギュレータ回路を設ける（例えば、特許文献１の図１０の回路とその説明を参照。）、あるいは、チャージポンプ回路内に更に分圧用のコンデンサとスイッチを設け、昇圧ステップを細かくする（例えば、特許文献１の図１乃至図８の回路とその説明を参照。）などの対策を施す必要が有った。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２３１２４９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、レギュレータ回路を設けるとなると、そこで大きな電力損失が生じ、回路全体の電力変換効率が低下するという問題が有る。一方、分圧用のコンデンサを設けて昇圧ステップを細かくする対策では、効率の低下を抑えることは出来るが、任意の電圧に出力電圧を正確に合わせようとすると昇圧ステップを細かくせざるを得なくなる。すると、その分、分圧用コンデンサとスイッチが余計に必要となり、回路構成が複雑化するという問題が有った。
そこで本発明は、回路の電力変換効率の低下や回路構成の複雑化を伴わずに、電源電圧の整数倍に限定されない任意の大きさの出力電圧を得ることのできるチャージポンプ回路を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、外部から電源電圧の供給を受けるための電源入力端子と、負荷に出力電圧を供給するための電圧出力端子と、第１のコンデンサと、第１のコンデンサの一端と該電源入力端子との間に接続された第１のスイッチと、第１のコンデンサの他端とグランドとの間に接続された第２のスイッチと、第１のコンデンサの一端と電圧出力端子との間に接続された第３のスイッチと、第１のコンデンサの他端と電源入力端子との間に接続された第４のスイッチと、第１から第４のスイッチを所定のタイミングでオン、オフするための信号を出力する発振回路と、電圧出力端子とグランドとの間に接続された第２のコンデンサとを備え、第１と第２のスイッチがオン状態の時に第１のコンデンサに電源電圧を供給し、第３と第４のスイッチがオン状態の時に第２のコンデンサに電源電圧と第１のコンデンサの充電電圧を合わせた電圧を供給し、これにより電源電圧よりも高い出力電圧を生成するチャージポンプ回路において、第１のコンデンサの充電電圧を基準電圧と比較する比較器を有し、第１のコンデンサの充電電圧が基準電圧に達した時に第１と第２のスイッチをオフし、第１のコンデンサの充電を停止させるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
昇圧用の第１のコンデンサと電源入力端子の間、第１のコンデンサと電圧出力端子の間、第１のコンデンサとグランドの間、の各所定位置に第１から第４のスイッチを配置し、電圧出力端子とグランドの間に平滑用の第２のコンデンサを接続し、そして第１から第４のスイッチをオン、オフする信号を出力する発振回路を設置し、チャージポンプ回路を構成する。このチャージポンプ回路に、基準電圧源と、第１のコンデンサの充電電圧と基準電圧を比較する比較器を設置し、第１のコンデンサの充電電圧が基準電圧に達した時に第１のコンデンサの充電を停止させるように構成する。
【００１２】
具体的には、第１のコンデンサと入力端子間に配置された第１のスイッチ、あるいは第１のコンデンサとグランド間に配置された第２のスイッチ、あるいはその両方のスイッチを、発振回路の出力信号と比較回路の出力信号の供給を受ける信号処理回路によって駆動する。ここで信号処理回路は、比較回路の出力信号の状態に応じて、発振回路の出力信号の状態にかかわらず、第１のスイッチと第２のスイッチのいずれか一方、あるいは両方を強制的にオフできるようなものとする。
チャージポンプ回路の出力電圧は電源電圧と第１のコンデンサの充電電圧の和であり、このような構成としたチャージポンプでは充電電圧は基準電圧によって決定される。従って、この構成を持つチャージポンプ回路では、基準電圧を調整することで出力電圧を任意の大きさに設定できることになる。
【００１３】
【実施例】
電源電圧の整数倍に限定されない任意の大きさの出力電圧を得ることを可能にした本発明によるチャージポンプ回路の実施例を図１に示した。
図１に示す回路は比較器４と基準電圧源５と信号処理回路６とを備えている。ここで、比較器４の非反転入力端子（＋）には基準電圧源５から基準電圧Ｖｒが供給され、比較器４の反転入力端子（−）にはコンデンサＣ１の高電位側となる一端から充電電圧Ｖ_Ｃ１が供給されるように構成されている。また、信号処理回路６には、それぞれ比較器４の出力信号と発振回路３の第１のクロック信号＜ＣＫ１＞が供給され、スイッチＳ１とＳ２には信号処理回路６において生成された信号＜ＣＫ３＞が供給されるように構成されている。なお、電源入力端子１、電圧出力端子２、コンデンサＣ１、Ｃ２、スイッチＳ１〜Ｓ４および発振回路３の構造と相互間の接続関係については図３の従来回路と同じである。
【００１４】
このような構成としたチャージポンプ回路では、図２のタイミングチャートに示すように、所定の時間ｔ１の直前にはコンデンサＣ１の充電電圧Ｖ_Ｃ１は少なくとも基準電圧源５が出力する基準電圧Ｖｒより低い値となっている。時間ｔ１に発振回路３から出力される第１のクロック信号＜ＣＫ１＞がハイレベルになると、信号処理回路６は第１のクロック信号＜ＣＫ１＞と比較器４の出力の状態に応じて第３のクロック信号＜ＣＫ３＞をハイレベルにする。すると、これに応じてスイッチＳ１とＳ２がオンし、コンデンサＣ１は電源電圧Ｖ_ＤＤによって充電される。
【００１５】
コンデンサＣ１の充電が進行し、時間ｔｒにおいて充電電圧Ｖ_Ｃ１が基準電圧Ｖｒに達すると、比較器４の出力は反転し、これに伴って信号処理回路６から出力される第３のクロック信号＜ＣＫ３＞はローレベルとなる。すると、この第３のクロック信号＜ＣＫ３＞に応じてスイッチＳ１とＳ２がオフし、コンデンサＣ１の充電電圧Ｖ_Ｃ１は基準電圧Ｖｒにほぼ等しい値に保持される。ここで、回路接点（ａ）の電位Ｖａは、時間ｔ１以降、時間ｔｒまではコンデンサＣ１の充電と共に上昇し、時間ｔｒ以降、ほぼ基準電圧Ｖｒに等しい値に維持されることになる。
【００１６】
時間ｔ１から所定時間経過後の時間ｔ２になると、発振回路３から出力される第１のクロック信号＜ＣＫ１＞はローレベル、第２のクロック信号＜ＣＫ２＞はハイレベルに切り替る。ここで、信号処理回路６は第１のクロック信号＜ＣＫ１＞と比較器４の出力信号の論理積に相当する第３のクロック信号＜ＣＫ３＞を生成しているため、第３のクロック信号＜ＣＫ３＞はローレベルを維持する。このため、スイッチＳ１とＳ２はオフを維持する一方、スイッチＳ３とＳ４は第２のクロック信号＜ＣＫ２＞の状態に応じてオンする。
【００１７】
すると、電位Ｖａは電源入力端子１の電源電圧Ｖ_ＤＤにコンデンサＣ１の充電電圧Ｖ_Ｃ１を上乗せした値となり、スイッチＳ３を介してコンデンサＣ２および電圧出力端子２に供給される。ここで、充電電圧Ｖ_Ｃ１はほぼ基準電圧Ｖｒに等しい値となっているため、コンデンサＣ２は電源電圧Ｖ_ＤＤよりも高い電圧に充電され、電圧出力端子２の位置に現れる出力電圧Ｖ_ｏｕｔはおよそ（電源電圧Ｖ_ＤＤ＋基準電圧Ｖｒ）の大きさとなる。そして、時間ｔ２以後は、コンデンサＣ１から負荷およびコンデンサＣ２に向かって電流が流出するため、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖ_Ｃ１は低下し、電位Ｖａも低下していくことになる。
【００１８】
時間ｔ２から所定時間経過後の時間ｔ３になると、発振回路３から出力される第１のクロック信号＜ＣＫ１＞はハイレベル、第２のクロック信号＜ＣＫ２＞はローレベルに切り替る。この時、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖ_Ｃ１は、時間ｔ２から時間ｔ３までの間の電流流出により基準電圧Ｖｒより低い値となっている。この時間ｔ３における図１の回路の状態は実質的に時間ｔ１と同じであり、以後、図１の回路は上記動作を繰り返すことになる。
【００１９】
このように図１の回路は、昇圧用のコンデンサＣ１の充電を、その充電電圧Ｖ_Ｃ１が基準電圧Ｖｒにほぼ等しい大きさになった時点で停止させ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴを（電源電圧Ｖ_ＤＤ＋基準電圧Ｖｒ）の大きさにするように動作する。ここで、基準電圧Ｖｒは基準電圧源５において電源電圧Ｖ_ＤＤとは独立して調節することが可能であり、基準電圧Ｖｒの設定値次第で出力電圧Ｖ_ＯＵＴを任意の大きさに設定することができる。ただし、図１の回路の場合、その回路構成上、充電電圧Ｖ_Ｃ１の最大値は電源電圧Ｖ_ＤＤとなるため、出力電圧Ｖ_ＯＵＴの設定値は電源電圧Ｖ_ＤＤの１倍から２倍の範囲の内ということになる。もし、電源電圧Ｖ_ＤＤの２倍以上の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが必要であれば、図１の回路の前段あるいは後段に図３の回路を必要な数だけ直列に接続すれば良い。
【００２０】
また、図１の回路では、図３の従来回路に比べて比較器４、基準電圧源５、信号処理回路６が必要となるが、先に紹介した特許文献１の“分圧用のコンデンサとスイッチを設けて電圧の昇圧ステップを小さくする技術”に比べれば回路構成が複雑化することがない。具体的に、電源電圧Ｖ_ＤＤの１．７５倍の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが要求される場合を想定すると、本発明の技術では図１の回路はそのまま使用すれば良いのに対し、“昇圧ステップを小さくする技術”では、１．５倍の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを得るための回路と１．２５倍の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを得るための回路を複合させる必要が有る。さらに切りの悪い倍数ならば、“昇圧ステップを小さくする技術”によるチャージポンプ回路では、その回路構成が一層複雑化することは想像に難くないだろう。
【００２１】
本発明は図１に回路構成に限定されることはなく、例えば、図１の回路では比較器４の反転入力端子（−）はコンデンサＣ１の高電位側となる一端に接続しているが、コンデンサＣ２の高電位側となる一端に接続しても良い。ただし、この場合には、回路動作が図１の回路と異なり、スイッチＳ１とＳ２のオン動作がスイッチＳ３とＳ４のオン動作に比して間欠的になり、これにより出力電圧Ｖ_ＯＵＴを安定化するような動作となる。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によるチャージポンプ回路は、昇圧用の第１のコンデンサと、平滑用の第２のコンデンサと、第１から第４のスイッチと、各スイッチをオン、オフさせるクロック信号を出力する発振回路からなる従来のチャージポンプ回路に、基準電圧源と、第１のコンデンサの充電電圧と基準電圧を比較する比較器と、比較器と発振回路の各信号から別のクロック信号を生成する信号処理回路を設置し、第１のコンデンサの充電電圧が基準電圧に達した時に第１のコンデンサの充電を停止させるように構成したことを特徴としている。
【００２３】
このような本発明によれば、基準電圧Ｖｒの設定値次第で出力電圧Ｖ_ＯＵＴを電源電圧Ｖ_ＤＤの整数倍に限定されない任意の大きさに設定することができる。
出力電圧を任意の大きさに設定するのに際して、レギュレータ回路のような電力損失を大きくする回路部分が存在しないため、回路全体の電力変換効率が低下することが無い。また、出力電圧Ｖ_ＯＵＴと電源電圧Ｖ_ＤＤの比率が切りの悪い数値であった場合でも回路構成が複雑化することが無い。
従って、本発明によれば、回路の電力変換効率の低下や回路構成の複雑化を伴わずに、電源電圧の整数倍に限定されない任意の大きさの出力電圧を得ることのできるチャージポンプ回路を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるチャージポンプ回路の実施例の回路図。
【図２】図１の回路内に現れる信号と電圧のタイミングチャート。
【図３】従来の基本的なチャージポンプ回路の回路図。
【図４】図２の回路内に現れる信号と電圧のタイミングチャート。
【符号の説明】
１：電源入力端子２：電圧出力端子３：発振回路４：比較器５：基準電圧源６：信号処理回路Ｃ１：昇圧用のコンデンサ（第１のコンデンサ）Ｃ２：平滑用のコンデンサ（第２のコンデンサ）Ｓ１〜Ｓ４：スイッチ（第１から第４のスイッチ）

Claims

外部から電源電圧の供給を受けるための電源入力端子と、負荷に出力電圧を供給するための電圧出力端子と、
第１のコンデンサと、
該第１のコンデンサの一端と該電源入力端子との間に接続された第１のスイッチと、
該第１のコンデンサの他端とグランドとの間に接続された第２のスイッチと、
該第１のコンデンサの一端と該電圧出力端子との間に接続された第３のスイッチと、
該第１のコンデンサの他端と該電源入力端子との間に接続された第４のスイッチと、
該第１から第４のスイッチを所定のタイミングでオン、オフするための信号を出力する発振回路と、
電圧出力端子とグランドとの間に接続された第２のコンデンサと
を備え、該第１と第２のスイッチがオン状態の時に該第１のコンデンサに該電源電圧を供給し、該第３と第４のスイッチがオン状態の時に該第２のコンデンサに該電源電圧と該第１のコンデンサの充電電圧を合わせた電圧を供給し、これにより該電源電圧よりも高い出力電圧を生成するチャージポンプ回路において、
該第１のコンデンサの充電電圧を基準電圧と比較する該比較器を有し、該第１のコンデンサの充電電圧が該基準電圧に達した時に該第１と第２のスイッチをオフし、該第１のコンデンサの充電を停止させる
ことを特徴とするチャージポンプ回路。
外部から電源電圧の供給を受けるための電源入力端子と、負荷に出力電圧を供給するための電圧出力端子と、
第１のコンデンサと、
該第１のコンデンサの一端と該電源入力端子との間に接続された第１のスイッチと、
該第１のコンデンサの他端とグランドとの間に接続された第２のスイッチと、
該第１のコンデンサの一端と該電圧出力端子との間に接続された第３のスイッチと、
該第１のコンデンサの他端と該電源入力端子との間に接続された第４のスイッチと、
該第１から第４のスイッチを所定のタイミングでオン、オフするための信号を出力する発振回路と、
電圧出力端子とグランドとの間に接続された第２のコンデンサと
を備え、該第１と第２のスイッチがオン状態の時に該第１のコンデンサに該電源電圧を供給し、該第３と第４のスイッチがオン状態の時に該第２のコンデンサに該電源電圧と該第１のコンデンサの充電電圧を合わせた電圧を供給し、これにより該電源電圧よりも高い出力電圧を生成するチャージポンプ回路において、
該第２のコンデンサの充電電圧を基準電圧と比較する該比較器を有し、該第２のコンデンサの充電電圧が該基準電圧に達した時に該第１と第２のスイッチをオフし、該第２のコンデンサの充電を停止させる
ことを特徴とするチャージポンプ回路。