JP2006074925A - チャージポンプ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧段数を切り替えられるチャージポンプにおいて、昇圧段数を減じるときの出力端子から入力端子への逆流電流を防止する。
【解決手段】入力端子から出力端子へ直列に接続された複数のスイッチ１−１〜１−３と、一方の端子が各々のスイッチ１−１〜１−３の出力端子に接続された複数のコンデンサ３−１〜３−３と、を備え、入力端子に供給された印加電圧を、昇圧段数に応じたスイッチ１−１〜１−３のオン／オフ制御とコンデンサ３−１〜３−３の他方の端子へのパルス電圧の印加により昇圧し、これを出力するチャージポンプ回路であって、スイッチ１−２を常時オンにすることにより昇圧段数を減らすとき、昇圧段数を減らし出力電圧が基準電圧以下となってから、最終段のスイッチ１−３をオンにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯機器に搭載されるチャージポンプ回路に関する。

携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistance）といった携帯機器は、携帯機器に搭載された電池（二次電池を含む）から供給される電源電圧（印加電圧）で動作している。例えば、携帯電話等では、これに搭載された３Ｖ仕様のＬｉイオン電池から電源電圧を得ている。一方、前述したような携帯機器には、電池から供給される電源電圧よりも高い電圧を必要とする部材も搭載されている。例えば、携帯電話等に搭載された発光ダイオードやＬＣＤ（Liquid Crystal Display）のバックライトは、５Ｖ以上の電圧を印加しなければならない場合が多い。従って、これら携帯機器には、電池から供給される電源電圧を昇圧する昇圧回路が搭載されている。このような昇圧回路の１つにチャージポンプ回路があり、その一例を図２に示す。

図２に示す従来のチャージポンプ回路は、スイッチ１−１〜１−３、コンデンサ３−１〜３−３、バッファ回路５−１〜５−５を備え、電池から供給された電源電圧ＶＤＤを昇圧し、これを出力電圧として出力する。スイッチ１−１〜１−３は、後述するスイッチング制御によりオン／オフ制御されるスイッチであり、チャージポンプ回路の入力端子から出力端子へ直列に接続されている。コンデンサ３−１〜３−３は、その両端に印加された電位差に応じた電圧を充電するコンデンサであり、一方の端子がスイッチ１−１〜１−３の各々の出力端子に接続されている。また、コンデンサ３−１，３−２の他方の端子は、後述するバッファ回路５−１，５−２の各々の出力端子に接続され、コンデンサ３−３の他方の端子は接地されている。

バッファ回路５−１，５−２は、ピーク・トゥ・ピーク電圧が０Ｖ〜電源電圧ＶＤＤのクロックパルスＣＫ、逆相クロックパルスＸＣＫを出力するバッファ回路であり、出力端子が前述したコンデンサ３−１，３−２の他方の端子に接続されている。ここで、バッファ回路５−１は、クロックパルスＣＫを、バッファ回路５−２は、逆相クロックパルスＸＣＫを、各々出力する。なお、後述する２倍モードのとき、バッファ回路５−２の出力端子は、開放される。

また、バッファ回路５−３〜５−５は、スイッチ１−１〜１−３のオン／オフ制御をするクロックパルスＣＫ、逆相クロックパルスＸＣＫを出力するバッファ回路であり、出力端子が前述したスイッチ１−１〜１−３に接続されている。ここで、バッファ回路５−３は、逆相クロックパルスＸＣＫを、バッファ回路５−２は、クロックパルスＣＫを、バッファ回路５−５は、逆相クロックパルスＸＣＫを、各々出力する。なお、後述する２倍モードのとき、バッファ回路５−４は、スイッチ１−２を常時オンにし、バッファ回路５−５は、クロックパルスＣＫを出力する。

以上の構成により、図２に示すチャージポンプ回路は、電池から供給された電源電圧ＶＤＤを、昇圧段数に応じたスイッチ１−１〜１−３のオン／オフ制御とコンデンサ３−１，３−２の他方の端子への逆相クロックパルスＸＣＫの印加により昇圧し、これを出力電圧として携帯機器に搭載された部材に供給している。次に、従来のチャージポンプ回路の動作について、特に電源電圧ＶＤＤを３倍の電圧３ＶＤＤに昇圧する動作（３倍モード）について説明する。

電池から供給される電源電圧ＶＤＤは、スイッチ１−１の入力端子に印加される。ここで、スイッチ１−１がオンになると共に、バッファ回路５−１から出力されるクロックパルスＣＫがローレベルになる。これにより、コンデンサ３−１の一方の端子にスイッチ１−１を介して電源電圧ＶＤＤが印加され、コンデンサ３−１の他方の端子が０Ｖとなる。従って、コンデンサ３−１の両端の端子には、電位差ＶＤＤが発生する。コンデンサ３−１の両端の端子に電位差ＶＤＤが発生することにより、コンデンサ３−１には発生した電位差に応じた電圧ＶＤＤが充電される。

次に、スイッチ１−１がオフし、スイッチ１−２がオンになると共に、バッファ回路５−１から出力されるクロックパルスＣＫがハイレベル（ＶＤＤ）となり、逆相クロックパルスＸＣＫがローレベルになる。これにより、コンデンサ３−２の一方の端子には、前述したコンデンサ３−１に充電された電圧ＶＤＤと、コンデンサ３−１の他方の端子に印加されたクロックパルスＣＫがハイレベルになったことにより上昇した電圧ＶＤＤと、が加算された電圧２ＶＤＤが印加される。また、逆相クロックパルスＸＣＫはローレベルであるため、コンデンサ３−２の他方の端子は、０Ｖとなる。従って、コンデンサ３−２の両端の端子には、電位差２ＶＤＤが発生する。コンデンサ３−２の両端の端子に電位差２ＶＤＤが発生することにより、コンデンサ３−２には発生した電位差に応じた電圧２ＶＤＤが充電される。

そして、スイッチ１−２がオフし、スイッチ１−３がオンになると共に、バッファ回路５−２から出力される逆相クロックパルスＸＣＫがハイレベル（ＶＤＤ）になる。これにより、コンデンサ３−３の一方の端子には、前述したコンデンサ３−２に充電された電圧２ＶＤＤと、コンデンサ３−２の他方の端子に印加された逆相クロックパルスＸＣＫがハイレベルになったことにより上昇した電圧ＶＤＤと、が加算された電圧３ＶＤＤが印加される。また、コンデンサ３−２の他方の端子は、接地され０Ｖである。従って、コンデンサ３−３の両端の端子には、電位差３ＶＤＤが発生する。コンデンサ３−３の両端の端子に電位差３ＶＤＤが発生することにより、コンデンサ３−３には発生した電位差に応じた電圧３ＶＤＤが充電されると共に、この電圧３ＶＤＤが出力電圧として、出力端子に接続された発光ダイオード等の部材に供給する。

以上説明したように、従来のチャージポンプ回路では、携帯機器に搭載された電池から供給される電源電圧を昇圧しているため、携帯機器に搭載された電池から供給される電源電圧よりも高い駆動電圧を必要とする部材を駆動させることができる。

また、このようなチャージポンプ回路において、昇圧量を減らすにはスイッチ１−１〜１−３のうち少なくとも１つを常時オン状態にし、昇圧段数を減らしておけば良い。例えば、スイッチ１−２を常時オン状態にし、スイッチ１−１，１−３を交互にオン（又はオフ）にすることにより電源電圧ＶＤＤを２倍の電圧２ＶＤＤにして出力する動作（２倍モード）が可能となる。

一方、携帯機器を使用しているときに、チャージポンプ回路の入力端子には、出力端子から出力される負荷電流の昇圧段数倍の電流が流れる。このため、チャージポンプ回路の出力端子に接続された部材を駆動するのに充分な電圧を出力できる場合は、チャージポンプ回路の昇圧段数を下げた方が、消費電流電力を下げることができ携帯機器に搭載された電池への負担を小さくすることができる。例えば、発光ダイオードの様に電流、温度等によって駆動電圧が変化する部材が、チャージポンプ回路の出力端子に接続されている場合は、発光ダイオードの駆動に必要な電圧を印加することができる昇圧段数に切り替えることにより、消費電流電力を下げることができる。昇圧段数の切り替えは、前述したようにチャージポンプ回路のスイッチ１−２を常時オン状態にして、スイッチ１−１，１−３を交互にオン（又はオフ）にすれば、３倍モードから２倍モードに切り替えることができる。一方、従来のチャージポンプ回路では、その昇圧段数を減らすように切り替えるときに、以下に示すような課題がある。

チャージポンプ回路を３倍モードで動作させているとき、コンデンサ３−３には昇圧された電圧３ＶＤＤが充電されている。ここで、チャージポンプ回路を３倍モードから２倍モードに切り替えることにより、スイッチ１−２は常時オン状態になり、スイッチ１−１，１−３が交互にオン（又はオフ）になる。スイッチ１−１がオフし、スイッチ１−３がオンしているときに、バッファ回路５−１から出力されるクロックパルスＣＫがハイレベル（ＶＤＤ）になる。このとき、前述したようにコンデンサ３−３には昇圧された電圧３ＶＤＤが充電されている。また、コンデンサ３−１には電圧ＶＤＤが充電され、他方の端子にバッファ回路５−１から出力されるクロックパルスＣＫがハイレベルで印加されている。従って、コンデンサ３−３とコンデンサ３−１の間に電位差が発生する。このような電位差の発生により、コンデンサ３−１には、この電位差に応じた電圧が充電され、充電電圧はＶＤＤから２ＶＤＤになる。

次に、スイッチ１−１がオンし、スイッチ１−３がオフしているときに、バッファ回路５−１から出力されるクロックパルスＣＫがローレベルになる。前述したようにコンデンサ３−１には、電圧２ＶＤＤが充電されているため、電源電圧ＶＤＤとの間に電位差が発生する。これにより、電池にはこの電位差に応じた電流が流れ込んでしまう。このような電流は、電源電圧の揺らぎや、電池その他の部材に損傷を与えてしまうため好ましくなく、何らかの対策が必要である。

本発明の目的は、昇圧段数を切り替えられるチャージポンプ回路において、その昇圧段数を減らすように切り替えたときの出力端子から入力端子への逆流電流を防止することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、入力端子と出力端子との間に直列に接続された複数のスイッチと、一方の端子が各スイッチの出力側にそれぞれ接続された複数のコンデンサと、を備え、入力端子に供給された印加電圧を、スイッチのオン／オフとコンデンサの他方の端子へのパルス電圧の印加により昇圧し、これを出力するチャージポンプ回路であって、少なくとも１つのスイッチを常時オンにすることにより昇圧段数を減らすときは、最終段のスイッチがオフの状態で、前記少なくとも１つのスイッチについて常時オンとし、出力電圧が基準電圧以下となってから、最終段のスイッチをオンにすることを特徴とする。

また、出力電圧を基準電圧と比較する比較回路を備え、この比較回路における比較結果に応じて最終段のスイッチのオン／オフの切り替えを制御することが望ましい。

また、前記基準電圧は、昇圧段数を減らしたときの所定の出力電圧であることが望ましい。

また、前記スイッチは、トランジスタスイッチであることが望ましい。

本発明によれば、昇圧段数を切り替えられるチャージポンプにおいて、昇圧段数を減じるときの出力端子から入力端子への逆流電流を防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。ここで、本実施形態のチャージポンプ回路は、携帯電話又はＰＤＡといった携帯機器に搭載され、携帯機器に搭載された電池から供給される電源電圧を昇圧し、昇圧した電圧を出力電圧として携帯機器に搭載された発光ダイオード等の部材に供給しているものとする。なお、従来例と同様の又は対応する部材には同一の符号を付すものとする。以下、本実施形態に関わるチャージポンプ回路について図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に関わるチャージポンプ回路を示す図である。図１に示すチャージポンプ回路では、スイッチ１−１〜１−３、コンデンサ３−１〜３−３、バッファ回路５−１〜５−５を備え、さらに、比較回路７とアンド回路９を備える。

ここで、比較回路７は、図１に示すチャージポンプ回路の出力端子から出力される出力電圧と基準電圧とを比較し、その比較結果に応じて、スイッチ切り替え制御信号を出力する回路である。すなわち、比較回路７は、出力電圧が基準電圧以下のときは、スイッチ１−３のオン／オフの切り替えを可能にし、検出した出力電圧が基準電圧以上のときは、スイッチ１−３が常時オフとなるよう切り替え制御信号を出力する。このような構成を実現するには、スイッチ１−１〜１−３をＭＯＳ−ＦＥＴ等のトランジスタスイッチで構成し、そのゲートをオン／オフ制御する信号と、前述した切り替え制御信号と、の論理積（ＡＮＤ）をスイッチ１−３のゲートに印加する構成であることが望ましい。この比較回路７は、入力部がスイッチ１−３の出力端子に接続され、出力部がスイッチ１−３の制御端子に接続されている。

また、前述した基準電圧は、その昇圧段数に応じて変動する。すなわち、電源電圧ＶＤＤを２倍の電圧２ＶＤＤに昇圧する２倍モードであれば基準電圧は２ＶＤＤ以上に設定される。同様に、電源電圧ＶＤＤを昇圧せずに出力する１倍モードであれば基準電圧はＶＤＤ以上に設定される。また、電源電圧ＶＤＤを３倍の電圧３ＶＤＤに昇圧する３倍モードであれば、基準電圧は３ＶＤＤ以上となるように設定する。なお、この基準電圧については後述する。また、アンド回路９は、前述したスイッチ１−１〜１−３のゲートをオン／オフ制御する信号と、前述した切り替え制御信号と、の論理積（ＡＮＤ）をスイッチ１−３のゲートに印加する論理回路である。以下、本実施形態に示すチャージポンプ回路について図１を用いて詳細に説明する。

チャージポンプ回路が３倍モードで動作するとき、前述したように、コンデンサ３−３には電圧３ＶＤＤが充電される。次に、携帯機器に搭載された発光ダイオード等の輝度の設定を変更により、チャージポンプ回路の動作中に昇圧段数を、３倍モードから２倍モードに、昇圧段数を減らすよう切り替える。以下、この切り替え動作について説明する。

まず、比較回路７の基準電圧を２ＶＤＤ（又は２ＶＤＤよりも少し大きめの値）に設定する。前述したようにコンデンサ３−３には、電源電圧を３倍に昇圧した電圧３ＶＤＤが充電されている。このため、比較回路７は、検出した出力電圧３ＶＤＤが基準電圧２ＶＤＤ以上のため、スイッチ１−３が常時オフとなるよう切り替え制御信号を出力する。これにより、スイッチ１−３はオフになる。

次に、チャージポンプ回路は、スイッチ１−２を常時オンにする。さらに、バッファ回路５−２の出力端子を、開放状態に固定する。このとき、チャージポンプ回路の出力端子に接続された発光ダイオードが、コンデンサ３−３に充電された電荷を消費することにより、コンデンサ３−３の出力電圧が低下する。そして、比較回路７により検出される出力電圧が基準電圧２ＶＤＤまで低下すると、比較回路７は、スイッチ１−３をオン／オフ制御可能になるよう切り替え制御信号を出力する。これにより、チャージポンプ回路は、昇圧段数は、３倍モードから２倍モードに減らすよう切り替わる。例えば、段数切り替え時において、比較回路７は、出力電圧が基準電圧以上の場合には、ローレベルを出力し、この出力をバッファ回路５−５から出力されたスイッチ１−３の制御信号とともに、アンド回路９に入力し、このアンド回路９の出力によりスイッチ１−３のオンオフを制御すればよい。

前述したように、コンデンサ３−２の他方の端子は開放（オープン）状態となっている。従って、コンデンサ３−２は、スイッチ１−２がオンになっている部分における電圧の変化について何ら影響を与えない。スイッチ１−１がオフし、スイッチ１−３がオンのときに、クロックパルスＣＫがハイレベルであり、コンデンサ３−３とコンデンサ３−１の上側電圧は２ＶＤＤであり、両者間に電位差が発生しない。また、スイッチ１−１がオンし、スイッチ１−３がオフのときに、クロックパルスＣＫがローレベルのため、コンデンサ３−１と電源電圧ＶＤＤとの間にも電位差が発生しない。従って、本実施形態に示すチャージポンプ回路は、３倍モードから２倍モードへ動作モードを切り替えるときに出力端子から入力端子の方向に電流が逆流することが無い。なお、前述したバッファ回路５−２は、バッファ回路５−２の電源をオフにすることにより、その出力端を開放させることができる。さらに、コンデンサ３−２の他端をオープン状態にするために、バッファ回路５−２とコンデンサ３−２との間にスイッチを設けこのスイッチをオフしてもよい。

以上説明したように、本実施形態に示すチャージポンプ回路は、入力端子と出力端子との間に直列に接続された複数のスイッチと、一方の端子が各スイッチの出力側にそれぞれ接続された複数のコンデンサと、を備え、入力端子に供給された印加電圧を、スイッチのオン／オフとコンデンサの他方の端子へのパルス電圧の印加により昇圧し、これを出力するチャージポンプ回路であって、少なくとも１つのスイッチを常時オンにすることにより昇圧段数を減らすときは、最終段のスイッチがオフの状態で、前記少なくとも１つのスイッチについて常時オンとし、出力電圧が基準電圧以下となってから、最終段のスイッチをオンにする構成とした。

これにより、本実施形態に示すチャージポンプ回路は、３倍モードから２倍モードへ動作モードを切り替えるときに出力端子から入力端子の方向に電流が逆流することが無い。なお、本実施形態では出力電圧を検出して、その電圧値に応じてスイッチの切り替えを行う構成であったが、所定時間後にスイッチを切り替えるという構成であっても良い。

本発明の実施形態に関わるチャージポンプ回路を示す図である。 従来のチャージポンプ回路を示す図である。

符号の説明

１−１，１−２，１−３ スイッチ、３−１，３−２，３−３ コンデンサ、５−１，５−２，５−３，５−４，５−５ バッファ回路、７ 比較回路、９ アンド回路。

Claims (4)

1. 入力端子と出力端子との間に直列に接続された複数のスイッチと、
   一方の端子が各スイッチの出力側にそれぞれ接続された複数のコンデンサと、
   を備え、
   入力端子に供給された印加電圧を、スイッチのオン／オフとコンデンサの他方の端子へのパルス電圧の印加により昇圧し、これを出力するチャージポンプ回路であって、
   少なくとも１つのスイッチを常時オンにすることにより昇圧段数を減らすときは、最終段のスイッチがオフの状態で、前記少なくとも１つのスイッチについて常時オンとし、出力電圧が基準電圧以下となってから、最終段のスイッチをオンにすることを特徴とするチャージポンプ回路。
2. 請求項１記載のチャージポンプ回路であって、
   出力電圧を基準電圧と比較する比較回路を備え、この比較回路における比較結果に応じて最終段のスイッチのオン／オフの切り替えを制御することを特徴とするチャージポンプ回路。
3. 請求項１又は２に記載のチャージポンプ回路であって、
   前記基準電圧は、昇圧段数を減らしたときの所定の出力電圧であることを特徴とするチャージポンプ回路。
4. 請求項１から３のいずれか１に記載のチャージポンプ回路であって、
   前記スイッチは、トランジスタスイッチであることを特徴とするチャージポンプ回路。
   
   

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