(57)【要約】【課題】  チャージポンプ回路の出力電圧と所望の電圧との差を小さくすることにより、回路の電力効率を向上させる。【解決手段】  このチャージポンプ回路は、第１のクロックドライバーＣＤＶ１の電源電圧を入力端子に印加される入力電圧ＶＩＮ１と異なる電圧ＶＩＮ２とし、第２のクロックドライバーＣＤＶ２の電源電圧を入力電圧ＶＩＮ１と異なる電圧ＶＩＮ３としたことを特徴としている。ここで、ＶＩＮ１、ＶＩＮ２、ＶＩＮ３はいずれも接地電圧ＧＮＤを基準として正の電圧である。【選択図】  図１
2006280160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と出力端子の間に直列接続された複数のスイッチング素子と、
前記入力端子に入力電圧を供給する電圧源と、
前記複数のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの他端にクロックパルスを供給するクロックドライバーと、を具備し、前記出力端子から正の昇圧電圧を出力するチャージポンプ回路であって、
前記入力電圧と前記クロックドライバーに供給される電源電圧が異なる電圧であることを特徴とするチャージポンプ回路。
【請求項２】
接地された入力端子と、出力端子の間に直列接続された複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの他端にクロックパルスを供給するクロックドライバーと、を具備し、前記出力端子から負の昇圧電圧を出力するチャージポンプ回路であって、
前記複数のクロックドライバーに供給される電源電圧が互いに異なる電圧であることを特徴とするチャージポンプ回路。
【請求項３】
入力端子と出力端子の間に直列接続され、相補的にスイッチングする第１及び第２のスイッチング素子と、
前記入力端子に正の入力電圧を供給する電圧源と、
前記第１及び第２のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの他端に、前記第１のスイッチング素子がオンの時に電源電圧を供給し、第１のスイッチング素子がオフの時に接地電圧を供給するクロックドライバーと、を具備し、前記出力端子から負の電圧を出力することを特徴とするチャージポンプ回路。
【請求項４】
前記出力端子にレギュレータを接続したことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３のいずれか１項に記載のチャージポンプ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チャージポンプ回路に関し、特にコンデンサとスイッチング素子を用いたチャージポンプ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
チャージポンプ回路はコンデンサとスイッチング素子を用いて入力電圧を昇圧する回路であり、特に、携帯電話やＰＤＡ等の携帯用電子機器の電源回路として利用されている。
図４は２段のチャージポンプ回路を示す回路図である。入力端子１と出力端子２との間に３つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３が直列接続されている。ＳＷ１とＳＷ２の接続ノードＮ１には第１のコンデンサＣ１の一方の端子が接続され、ＳＷ２とＳＷ３の接続ノードＮ２には第２のコンデンサＣ２の一方の端子が接続されている。入力端子１には電圧源から入力電圧ＶＩＮが印加されている。
【０００３】
第１のコンデンサＣ１の他方の端子には第１のクロックドライバーＣＤＶ１の出力が印加され、第２のコンデンサＣ２の他方の端子には第２のクロックドライバーＣＤＶ２の出力が印加されている。第１のクロックドライバーＣＤＶ１は電源電圧（＝入力電圧ＶＩＮ）と接地電圧ＧＮＤ（＝０Ｖ）との間に、スイッチング素子ＳＷ４，ＳＷ５が直列に接続されて構成されている。第２のクロックドライバーＣＤＶ２は同様に、電源電圧（＝入力電圧ＶＩＮ）と接地電圧ＧＮＤ（＝０Ｖ）との間に、スイッチング素子ＳＷ６，ＳＷ７が直列に接続されて構成されている。
【０００４】
第１のクロックドライバーＣＤＶ１のスイッチング素子ＳＷ４，ＳＷ５は相補的にスイッチングするので、第１のクロックドライバーＣＤＶ１からは所定周期のクロックパルスが出力される。また、第１のクロックドライバーＣＤＶ１のスイッチング素子ＳＷ６，ＳＷ７も相補的にスイッチングするが、スイッチング素子ＳＷ４，ＳＷ５とは逆にスイッチングするので、第２のクロックドライバーＣＤＶ２からは第１のクロックドライバーＣＤＶ１のクロックパルスとは逆相のクロックパルスが出力される。
【０００５】
また、出力端子２には、出力容量Ｃｏｕｔが接続され、さらに、このチャージポンプ回路の出力電圧を所望の電圧に制御するためのレギュレータ１０が接続されている。次に、このチャージポンプ回路の動作を説明する。図４（ａ）に示す第１の状態では、ＳＷ１及びＳＷ３はオン、ＳＷ２はオフに設定される。第１のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ４はオフ、ＳＷ５はオン、第２のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ６はオン、ＳＷ７はオフに設定される。
【０００６】
これにより、第１のコンデンサＣ１は入力電圧ＶＩＮと接地電圧ＧＮＤの間に接続されて充電され、接続ノードＮ１の電圧は入力電圧ＶＩＮとなる。第２のコンデンサＣ２にはＳＷ６を通して入力電圧ＶＩＮが印加されて放電される。後述する図４（ｂ）の第２の状態で、接続ノードＮ２の電圧は２ＶＩＮとなっているので、第２のコンデンサＣ２にはＳＷ６を通して入力電圧ＶＩＮが印加されることにより、接続ノードＮ２の電圧は２ＶＩＮから３ＶＩＮに変化する。ＳＷ３はオンしているので、出力端子２の電圧は３ＶＩＮとなる。
【０００７】
一方、図４（ｂ）に示す第２の状態では、第１の状態とは反対に、ＳＷ１及びＳＷ３はオフ、ＳＷ２はオンに設定される。第１のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ４はオン、ＳＷ５はオフ、第２のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ６はオフ、ＳＷ７はオンに設定される。これにより、第１のコンデンサＣ１はＳＷ４を通してＶＩＮが印加されることにより放電され、接続ノードＮ１の電圧はＶＩＮから２ＶＩＮに変化する。ＳＷ２はオンしているので、第２のコンデンサＣ２は充電されて接続ノードＮ２の電圧は２ＶＩＮとなる。
【０００８】
上記の第１の状態と第２の状態を交互に繰り返すことにより、チャージポンプ回路の出力端子２には３ＶＩＮという入力電圧ＶＩＮの３倍の昇圧電圧が得られる。そして、この昇圧電圧３ＶＩＮをレギュレータ１０によってドロップさせて所望の出力電圧Ｖｏｕｔを得ていた。一般に、このチャージポンプ回路ではチャージポンプの段数を（ｎ−１）とすると、ｎＶＩＮというｎ倍の昇圧電圧を得ることができる。
【０００９】
なお、先行技術文献として以下の特許文献１、非特許文献１がある。
【特許文献１】特開２００１−２１１６３７号公報
【非特許文献１】「改良された電圧増幅回路技術を用いたＮＭＯＳ集積回路におけるオンチップ高電圧の発生」“On-chip High-Voltage Generation in NMOS Integrated Circuits Using an Improved Voltage Multiplier Technique” アイ・イー・イー・イー  ジャーナル・オブ・ソリッドステート  サーキット  ＳＣ−１１巻  ＮＯ．３  ３７４−３７８頁  １９７６年６月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したチャージポンプ回路では、チャージポンプの段数を（ｎ−１）とすると、ｎＶＩＮというｎ倍の昇圧電圧を得ることができる。しかしながら、レギュレータ１０によって、ｎＶＩＮを降圧して所望の電圧Ｖｏｕｔを出力させるとき、ＶｏｕｔとｎＶＩＮの差が大きい程、電圧ロスが生じて回路の電力効率が低下してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで本発明は、入力端子と出力端子の間に直列接続された複数のスイッチング素子と、前記入力端子に入力電圧を供給する電圧源と、前記複数のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたコンデンサと、前記コンデンサの他端にクロックパルスを供給するクロックドライバーと、を具備し、前記出力端子から正の昇圧電圧を出力するチャージポンプ回路であって、前記入力電圧と前記クロックドライバーに供給される電源電圧が異なる電圧であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、チャージポンプ回路の出力電圧と所望の電圧との差を小さくすることができるので、回路の電力効率を向上させることが可能になる。また、同一の回路により、幅広い出力電圧の仕様をカバーすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に本発明の第１の実施形態に係るチャージポンプ回路について、図面を参照しながら説明する。図１はこのチャージポンプ回路の回路図である。図１において、図４と同一の構成部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００１４】
このチャージポンプ回路は、第１のクロックドライバーＣＤＶ１の電源電圧を入力端子に印加される入力電圧ＶＩＮ１と異なる電圧ＶＩＮ２とし、第２のクロックドライバーＣＤＶ２の電源電圧を入力電圧ＶＩＮ１と異なる電圧ＶＩＮ３としたことを特徴としている。ここで、ＶＩＮ１、ＶＩＮ２、ＶＩＮ３はいずれも接地電圧ＧＮＤを基準として正の電圧である。
【００１５】
以下で、このチャージポンプ回路の動作を説明する。図１（ａ）に示す第１の状態では、ＳＷ１及びＳＷ３はオン、ＳＷ２はオフに設定される。第１のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ４はオフ、ＳＷ５はオン、第２のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ６はオン、ＳＷ７はオフに設定される。これにより、第１のコンデンサＣ１は入力電圧ＶＩＮ１と接地電圧ＧＮＤの間に接続されて充電され、接続ノードＮ１の電圧は入力電圧ＶＩＮ１となる。
【００１６】
第２のコンデンサＣ２にはＳＷ６を通してＶＩＮ３が印加されて放電される。後述する図１（ｂ）の第２の状態において、接続ノードＮ２の電圧はＶＩＮ１＋ＶＩＮ２となっているので、第２のコンデンサＣ２にＶＩＮ３が印加されることにより、接続ノードＮ２の電圧はＶＩＮ１＋ＶＩＮ２＋ＶＩＮ３に変化する。ＳＷ３はオンしているので、出力端子２の電圧はＶＩＮ１＋ＶＩＮ２＋ＶＩＮ３となる。
【００１７】
一方、図１（ｂ）に示す第２の状態では、第１の状態とは反対に、ＳＷ１及びＳＷ３はオフ、ＳＷ２はオンに設定される。第１のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ４はオン、ＳＷ５はオフ、第２のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ６はオフ、ＳＷ７はオンに設定される。これにより、第１のコンデンサＣ１にはＳＷ４を通してＶＩＮ２が印加され放電され、接続ノードＮ１の電圧はＶＩＮ１からＶＩＮ１＋ＶＩＮ２に変化する。ＳＷ２はオンしているので、接続ノードＮ２の電圧はＶＩＮ１＋ＶＩＮ２となる。
【００１８】
上記の第１の状態と第２の状態を交互に繰り返すことにより、チャージポンプ回路の出力端子２にはＶＩＮ１＋ＶＩＮ２＋ＶＩＮ３という正の昇圧電圧が得られる。即ち、このチャージポンプ回路は正の昇圧電圧を出力し、その昇圧電圧は、入力電圧ＶＩＮ１と第１のクロックドライバーＣＤＶ１の電源電圧ＶＩＮ１と第２のクロックドライバーＣＤＶ１の電源電圧ＶＩＮ２との和になる。
【００１９】
そして、この昇圧電圧ＶＩＮ１＋ＶＩＮ２＋ＶＩＮ３をレギュレータ１０によってドロップさせて所望の出力電圧Ｖｏｕｔを得ている。したがって、ＶＩＮ２とＶＩＮ３を所望の出力電圧Ｖｏｕｔに応じて適切に設定することにより、所望の出力電圧Ｖｏｕｔと昇圧電圧ＶＩＮ１＋ＶＩＮ２＋ＶＩＮ３との差を従来例に比して小さくすることができるので、レギュレータ１０による電圧ロスを小さくし、回路の電力効率を向上させることが可能になる。なお、ＶＩＮ２とＶＩＮ３は異なる電圧でも同じ電圧でもよい。また、チャージポンプ回路の段数は必要に応じて適宜増加することができる。
【００２０】
次に、本発明の第２の実施形態に係るチャージポンプ回路について、図面を参照しながら説明する。図２はこのチャージポンプ回路の回路図である。図２において、図４と同一の構成部分については同一の符号を付してその説明を省略する。第１の実施形態は、正の昇圧電圧を出力するチャージポンプ回路に関するであるが、この実施形態は負の昇圧電圧を出力するチャージポンプ回路である。このチャージポンプ回路では、入力端子１には接地電圧ＧＮＤ（＝０Ｖ）が印加されている。
【００２１】
また、第１のクロックドライバーＣＤＶ１の電源電圧はＶＩＮ１であり、第２のクロックドライバーＣＤＶ２の電源電圧はＶＩＮ１と異なる電圧ＶＩＮ２である。ＶＩＮ１、ＶＩＮ２はいずれも接地電圧ＧＮＤを基準として正の電圧である。
【００２２】
以下で、このチャージポンプ回路の動作を説明する。図２（ａ）に示す第１の状態では、ＳＷ１及びＳＷ３はオン、ＳＷ２はオフに設定される。第１のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ４はオン、ＳＷ５はオフ、第２のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ６はオフ、ＳＷ７はオンに設定される。これにより、第１のコンデンサＣ１はＶＩＮ１と接地電圧ＧＮＤの間に接続されて充電され、接続ノードＮ１の電圧は入力電圧０Ｖとなる。
【００２３】
第２のコンデンサＣ２は接地電位ＧＮＤに接続されて放電される。後述する図２（ｂ）の第２の状態において、接続ノードＮ２の電圧は−ＶＩＮ１となっているので、第２のコンデンサＣ２にＳＷ７を通して接地電位ＧＮＤが印加されることにより、接続ノードＮ２の電圧は−ＶＩＮ１−ＶＩＮ２に変化する。ＳＷ３はオンしているので、出力端子２の電圧は−ＶＩＮ１−ＶＩＮ２となる。
【００２４】
一方、図２（ｂ）に示す第２の状態では、第１の状態とは反対に、ＳＷ１及びＳＷ３はオフ、ＳＷ２はオンに設定される。第１のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ４はオフ、ＳＷ５はオン、第２のクロックドライバーＣＤＶ１のＳＷ６はオン、ＳＷ７はオフに設定される。これにより、第１のコンデンサＣ１にはＳＷ５を通して接地電位ＧＮＤが印加されて放電され、接続ノードＮ１の電圧は０Ｖから−ＶＩＮ１に変化する。ＳＷ２はオンしているので、接続ノードＮ２の電圧は−ＶＩＮ１となる。
【００２５】
上記の第１の状態と第２の状態を交互に繰り返すことにより、チャージポンプ回路の出力端子２には−ＶＩＮ１−ＶＩＮ２という負の昇圧電圧が得られる。即ち、このチャージポンプ回路は負の昇圧電圧を出力し、その昇圧電圧は、第１のクロックドライバーＣＤＶ１の電源電圧ＶＩＮ１と第２のクロックドライバーＣＤＶ１の電源電圧ＶＩＮ２との和のＶＩＮ１＋ＶＩＮ２を反転した電圧になる。
【００２６】
そして、この昇圧電圧−ＶＩＮ１−ＶＩＮ２をレギュレータ１０によって調整して所望の負の出力電圧Ｖｏｕｔを得ている。ここで、第１のクロックドライバーＣＤＶ１と第２のクロックドライバーＣＤＶ２の電源電圧（＝ＶＤＤ）が等しい場合（従来例）には、このチャージポンプ回路の昇圧電圧は−２ＶＤＤとなる。
【００２７】
本実施形態ではＶＩＮ１とＶＩＮ２を所望の出力電圧Ｖｏｕｔに応じて適切に設定することにより、所望の出力電圧Ｖｏｕｔと昇圧電圧−ＶＩＮ１−ＶＩＮ２との差を従来例（昇圧電圧＝−２ＶＤＤ）に比して小さくすることができるので、レギュレータ１０による電圧ロスを小さくし、回路の電力効率を向上させることが可能になる。また、本実施形態においてもチャージポンプ回路の段数は必要に応じて適宜増加することができる。
【００２８】
次に、本発明の第３の実施形態に係るチャージポンプ回路について、図面を参照しながら説明する。図３はこのチャージポンプ回路の回路図である。このチャージポンプ回路は１段構成で負の昇圧電圧を発生する回路である。入力端子１１には電圧源から正の入力電圧Ｖａが印加され、入力端子１１と出力端子１２の間にスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２が直列接続されている。ＳＷ１１とＳＷ１２の接続ノードＮ１にはコンデンサＣ１１の一方の端子が接続されている。
【００２９】
コンデンサＣ１１の他方の端子にはクロックドライバーＣＤＶの出力が印加されている。クロックドライバーＣＤＶは電源電圧（＝入力電圧ＶＩＮ）と接地電圧ＧＮＤ（＝０Ｖ）との間に、スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４が直列に接続されて構成されている。クロックドライバーＣＤＶのスイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４は相補的にスイッチングするので、クロックドライバーＣＤＶからは所定周期のクロックパルスが出力される。
【００３０】
以下で、このチャージポンプ回路の動作を説明する。図３（ａ）に示す第１の状態では、ＳＷ１１はオン、ＳＷ１２はオフに設定される。また、クロックドライバーＣＤＶのＳＷ１３はオンし、ＳＷ１４はオフする。これにより、コンデンサＣ１１はＶａとＶＩＮの間に接続されて充電され、ノードＮ１の電圧は入力電圧Ｖａとなる。
【００３１】
図３（ｂ）に示す第２の状態では、ＳＷ１１はオフ、ＳＷ１２はオンに設定される。また、クロックドライバーＣＤＶのＳＷ１３はオフし、ＳＷ１４はオンする。これにより、コンデンサＣ１１にはＳＷ１４を通して接地電圧ＧＮＤが印加されて放電され、接続ノードＮ１の電圧はＶａから−ＶＩＮ＋Ｖａに変化する。スイッチング素子ＳＷ１２はオンしているので、出力端子１２の電圧も−ＶＩＮ＋Ｖａになる。
【００３２】
そして、この昇圧電圧−ＶＩＮ＋Ｖａをレギュレータ１０によって調整して所望の負の出力電圧Ｖｏｕｔを得ている。ここで、入力電圧Ｖａが接地電圧（＝０Ｖ）の場合（従来例）には、このチャージポンプ回路の昇圧電圧は−ＶＩＮとなる。本実施形態では入力電圧Ｖａを所望の出力電圧Ｖｏｕｔに応じて適切に設定することにより、所望の出力電圧Ｖｏｕｔと昇圧電圧−ＶＩＮ＋Ｖａとの差を従来例（昇圧電圧＝−ＶＩＮ）に比して小さくすることができるので、レギュレータ１０による電圧ロスを小さくし、回路の電力効率を向上させることが可能になる。
【００３３】
なお、第１、第２、第３の実施形態において、スイッチング素子はＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタで構成することができる。また、第１、第２、第３の実施形態において、チャージポンプ回路の出力電圧と所望の電圧が等しいか、非常に近い場合には、レギュレータ１０を使わなくてもよい。また、第１、第２、第３の実施形態において、スイッチング素子を他の方法で制御して所望の昇圧電圧を得ることも本発明の範囲である。そのような制御方法にはスイッチング素子のオン抵抗の制御、スイッチング素子のオンオフのＰＷＭ（デューティー）制御、ＰＦＭ（周波数）制御などが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るチャージポンプ回路の回路図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るチャージポンプ回路の回路図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るチャージポンプ回路の回路図である。
【図４】従来例にチャージポンプ回路の回路図である。
【符号の説明】
【００３５】
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３  スイッチング素子
ＣＤＶ１  第１のクロックドライバー
ＣＤＶ２  第２のクロックドライバー
１０  レギュレータ
【図１】
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【図２】
2006280160.tif 000004
【図３】
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【図４】
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