(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電コンデンサと、チャージポンプ回路動作のオン／オフを制御する手段とを備え、前記チャージポンプ回路動作のオン時に、前記充放電コンデンサが充放電を繰り返すことで、出力コンデンサに電荷を転送し、前記チャージポンプ回路動作のオン後の前記チャージポンプ回路動作のオフ時に、前記充放電コンデンサが充放電を停止し、前記出力コンデンサへの電荷転送を停止するよう構成されたチャージポンプ回路において、
前記チャージポンプ回路動作のオフ時に、前記充放電コンデンサの両端を同電位に接続する電荷放出手段を備えたことを特徴とするチャージポンプ回路。
【請求項２】
充放電コンデンサと、チャージポンプ回路動作のオン／オフを制御する手段とを備え、前記チャージポンプ回路動作のオン時に、前記充放電コンデンサが充放電を繰り返すことで、出力コンデンサに電荷を転送し、前記チャージポンプ回路動作のオン後の前記チャージポンプ回路動作のオフ時に、前記充放電コンデンサが充放電を停止し、前記出力コンデンサへの電荷転送を停止するよう構成されたチャージポンプ回路において、
前記充放電コンデンサの両端にそれぞれ接続され、前記充放電コンデンサの充電時にオンして前記充放電コンデンサを充電し、前記充放電コンデンサの放電時にオフする第１および第２のトランジスタと、
前記充放電コンデンサの両端にそれぞれ接続され、前記充放電コンデンサの放電時にオンして前記充放電コンデンサに前記出力コンデンサへ電荷を転送させ、前記充放電コンデンサの充電時にオフする第３および第４のトランジスタと、
前記充放電コンデンサの両端にそれぞれ接続され、前記チャージポンプ回路動作のオフ時にオンして前記充放電コンデンサの両端を同電位に接続し、前記チャージポンプ回路動作のオン時にオフする第５および第６のトランジスタとを備えたことを特徴とするチャージポンプ回路。
【請求項３】
充放電コンデンサと、前記チャージポンプ回路動作のオン／オフを制御する手段とを備え、前記チャージポンプ回路動作のオン時に、充放電コンデンサが充放電を繰り返すことで、出力コンデンサに電荷を転送し、前記チャージポンプ回路動作のオン後の前記チャージポンプ回路動作のオフ時に、充放電コンデンサが充放電を停止し、前記出力コンデンサへの電荷転送を停止するよう構成されたチャージポンプ回路において、
前記充放電コンデンサの両端にそれぞれ接続され、前記充放電コンデンサの充電時にオンして前記充放電コンデンサを充電し、前記充放電コンデンサの放電時にオフする第１および第２のトランジスタと、
前記充放電コンデンサの両端にそれぞれ接続され、前記充放電コンデンサの放電時にオンして前記充放電コンデンサに前記出力コンデンサへ電荷を転送させ、前記充放電コンデンサの充電時にオフする第３および第４のトランジスタとを備え、
前記チャージポンプ回路動作のオフ時に、前記第１乃至前記第４のトランジスタのいずれか２つのトランジスタを少なくともオンして、前記充放電コンデンサの両端を同電位に接続することを特徴とする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、半導体集積回路に有するチャージポンプ方式のＤＣ−ＤＣコンバータであるチャージポンプ回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、省電力性を求められる携帯電子機器の普及に伴い、それに用いられる半導体集積回路も低電源電圧での駆動が求められている。しかし、半導体集積回路内部ではダイナミックレンジを高めるなどの目的で、電源電圧とは異なる電圧が必要とされる場合がある。このようなＤＣ−ＤＣ電圧変換を行う回路としてチャージポンプ回路が利用されている。
【０００３】
しかしながら、従来のチャージポンプ回路では、起動時に出力コンデンサに充電されている電荷がゼロであるため、出力コンデンサに対して急速に電荷が充電され、瞬間的に大きな電流が流れてしまうとともに、出力電圧が急激に変化してしまうといった欠点があった。特に半導体集積回路内部の負電源としてチャージポンプ回路の出力を用いる場合には、半導体集積回路の基板電位を最低電位にする必要があるため、基板電位がチャージポンプ回路の出力に接続されることになる。そのため、チャージポンプ回路の出力が急激に変化すると、寄生容量を通して半導体集積回路のあらゆる箇所に電圧の変化が伝わることになり、回路動作に悪影響を及ぼす。
【０００４】
このような問題点を解決する手段が特許文献１に提案されている。以下、図６のチャージポンプ回路の概略構成を示す回路図と、図７に示すタイミングチャートを用いて、チャージポンプ回路の動作について説明を行う。図６において、１〜４はＭＯＳトランジスタ、５はフライングコンデンサ、６は出力コンデンサ、７は出力レベルをモニタして発振のデューティ比を変化させる機能を持つ発振回路、９はチャージポンプ回路の出力端子、１０はデッドタイム生成回路、１１は論理素子（ＮＯＴゲート）である。また、図７はチャージポンプ回路が起動してから出力電圧が安定して通常動作に移行するまでのＭＯＳトランジスタ１〜４へのゲート入力レベルの時間変化を示したものである。
【０００５】
いま、チャージポンプ回路が起動すると、発振回路７より矩形波が出力され、ＭＯＳトランジスタ１〜４のゲート端子の入力にはそれぞれ図７に示した信号が入力される。このような信号が入力されることにより、ＭＯＳトランジスタ１，２が同時にオンしてフライングコンデンサ５を充電するサイクルと、ＭＯＳトランジスタ３，４が同時にオンしてフライングコンデンサ５に充電された電荷を放電して出力コンデンサ６に充電するサイクルが交互に繰り返され、出力端子９の出力レベルは最終的に−ＶＤＤとなる。このとき、ＭＯＳトランジスタ１，２とＭＯＳトランジスタ３，４が同時にオンしないように、ＭＯＳトランジスタ３，４のゲート端子への入力信号にはデッドタイム生成回路１０を用いてデッドタイムを付加している。
【０００６】
この一連の過程において、前述したようにチャージポンプ回路が起動するときには出力コンデンサ６に充電されている電荷はゼロである。したがって、もし初回にフライングコンデンサ５を充電するサイクルにおいてフライングコンデンサ５を完全に充電してしまうと、次のフライングコンデンサ５を放電するサイクルでは出力コンデンサ６に大きな電流が流れて急速に電荷が充電されるため、出力電圧レベルも急激に変化してしまう。このことを防ぐため、発振回路７では出力電圧レベルをモニタして、出力電圧レベルが一定電圧以上のときには出力する矩形波のデューティ比を小さくしている。
【０００７】
このように制御するとフライングコンデンサ５に充電される期間が短くなって１サイクルでフライングコンデンサ５に充電される電荷量が小さくなり、したがって、次の放電サイクルにおいて出力コンデンサ６に流れる電流量も小さくなるので、出力電圧レベルの低下は緩やかとなる。出力電圧レベルが一定レベル以下に下がったら、発振回路７は矩形波のデューティ比を大きくして出力に対する電荷供給能力を確保している。
【特許文献１】特開２００３−１８８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１において提案されたチャージポンプ回路は、電源起動時以外にチャージポンプ回路をオン／オフすることについては考慮していない。携帯用機器などの省電力性を求められる用途においては、チャージポンプ回路を使用しないときには回路をオフして、電力ロスを防ぐことは重要である。チャージポンプ回路をオフさせるためには、図６に示すチャージポンプ回路において、ＭＯＳトランジスタ１のゲート端子にハイレベル信号、ＭＯＳトランジスタ２〜４のゲート端子にローレベル信号を入力することによって、ＭＯＳトランジスタ１〜４をすべてオフさせればよい。しかし、図６のチャージポンプ回路に対して前述のような単にチャージポンプ回路をオン／オフする機能を付加した場合、チャージポンプ回路を１回目に起動したときには出力電圧レベルの変化は緩やかであるが、一旦オフしてから再度オンした場合に出力電圧レベルが急激に変化してしまうという問題が生じる。
【０００９】
この問題について、図８を参照しながら説明する。図８は前述の図６に示したチャージポンプ回路に、チャージポンプ回路のオン／オフ機能を付加した回路図である。また、図９はＭＯＳトランジスタ１〜４のゲート入力レベルの時間変化を示し、図１０はフライングコンデンサ５の平均電荷量と出力電圧の時間変化を示す図である。また、図６において説明した構成部材に対応し同等機能を有するものには同一の符号を付して示し、その重複する説明は省略する。図８において、８はチャージポンプオン／オフ制御回路であり、チャージポンプ回路がオンしているときはハイレベル信号、オフしているときはローレベル信号を出力する。１２，１５は論理素子（ＡＮＤゲート）、１３，１４は論理素子（ＮＯＴゲート）である。
【００１０】
チャージポンプ回路が１回目に起動してから出力電圧が安定して通常動作に移行するまでの動作は前述した内容と同様であり、チャージポンプオン／オフ制御回路８からはハイレベル信号が出力されている。チャージポンプ回路がオフすると、チャージポンプオン／オフ制御回路８よりローレベル信号が出力され、ＭＯＳトランジスタ１のゲート端子にはハイレベル、ＭＯＳトランジスタ２，３，４の各ゲート端子にはローレベル信号が入力され、ＭＯＳトランジスタ１〜４はすべてオフし、チャージポンプ回路の動作はオフする。
【００１１】
しかし、チャージポンプ回路の動作をオフとしてもフライングコンデンサ５に充電された電荷は放電されることなく保持されており、その両端電圧はＶＤＤとなっている。この状態で再度チャージポンプ回路をオンさせると、フライングコンデンサ５には初めから電荷が充電されているため、発振回路７が出力する矩形波のデューティ比が小さくなっていても関係なく出力コンデンサ６には大きな電流が流れ、図１０に示したように出力電圧レベルも急激に変化してしまうという問題があった。さらにこの現象は、初回起動時以外、チャージポンプ回路をオンするたびに毎回発生するという問題があった。
【００１２】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、チャージポンプ回路を一旦オフしてから再度オンする場合においても、出力電圧レベルが急激に変化しないチャージポンプ回路を具備する半導体集積回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明は、充放電コンデンサと、チャージポンプ回路動作のオン／オフを制御する手段とを備え、前記チャージポンプ回路動作のオン時に、前記充放電コンデンサが充放電を繰り返すことで、出力コンデンサに電荷を転送し、前記チャージポンプ回路動作のオン後の前記チャージポンプ回路動作のオフ時に、前記充放電コンデンサが充放電を停止し、前記出力コンデンサへの電荷転送を停止するよう構成されたチャージポンプ回路において、前記チャージポンプ回路動作のオフ時に、前記充放電コンデンサの両端を同電位に接続する電荷放出手段を備えたことを特徴とするチャージポンプ回路であることを第１の特徴とする。
【００１４】
本発明の第２の特徴は、充放電コンデンサと、チャージポンプ回路動作のオン／オフを制御する手段とを備え、前記チャージポンプ回路動作のオン時に、前記充放電コンデンサが充放電を繰り返すことで、出力コンデンサに電荷を転送し、前記チャージポンプ回路動作のオン後の前記チャージポンプ回路動作のオフ時に、前記充放電コンデンサが充放電を停止し、前記出力コンデンサへの電荷転送を停止するよう構成されたチャージポンプ回路において、前記充放電コンデンサの両端にそれぞれ接続され、前記充放電コンデンサの充電時にオンして前記充放電コンデンサを充電し、前記充放電コンデンサの放電時にオフする第１および第２のトランジスタと、前記充放電コンデンサの両端にそれぞれ接続され、前記充放電コンデンサの放電時にオンして前記充放電コンデンサに前記出力コンデンサへ電荷を転送させ、前記充放電コンデンサの充電時にオフする第３および第４のトランジスタと、前記充放電コンデンサの両端にそれぞれ接続され、前記チャージポンプ回路動作のオフ時にオンして前記充放電コンデンサの両端を同電位に接続し、前記チャージポンプ回路動作のオン時にオフする第５および第６のトランジスタとを備えたことを特徴とするチャージポンプ回路であることである。
【００１５】
本発明の第３の特徴は、充放電コンデンサと、前記チャージポンプ回路動作のオン／オフを制御する手段とを備え、前記チャージポンプ回路動作のオン時に、充放電コンデンサが充放電を繰り返すことで、出力コンデンサに電荷を転送し、前記チャージポンプ回路動作のオン後の前記チャージポンプ回路動作のオフ時に、充放電コンデンサが充放電を停止し、前記出力コンデンサへの電荷転送を停止するよう構成されたチャージポンプ回路において、  前記充放電コンデンサの両端にそれぞれ接続され、前記充放電コンデンサの充電時にオンして前記充放電コンデンサを充電し、前記充放電コンデンサの放電時にオフする第１および第２のトランジスタと、前記充放電コンデンサの両端にそれぞれ接続され、前記充放電コンデンサの放電時にオンして前記充放電コンデンサに前記出力コンデンサへ電荷を転送させ、前記充放電コンデンサの充電時にオフする第３および第４のトランジスタとを備え、前記チャージポンプ回路動作のオフ時に、前記第１乃至前記第４のトランジスタのいずれか２つのトランジスタを少なくともオンして、前記充放電コンデンサの両端を同電位に接続することを特徴とするチャージポンプ回路であることである。
【００１６】
ここで、「充放電コンデンサ」は一般的にはフライングコンデンサと呼ばれるものであるが、本発明はこの名称に限られるものではない。チャージポンプ回路を構成するコンデンサであって、出力コンデンサに電荷を転送するべく充放電されるものであれば構わない。
【００１７】
前記構成によれば、チャージポンプ回路の動作オフ時にフライングコンデンサの両端を同電位とする切換手段により、一旦起動したチャージポンプ回路をオフにしてから再度オンする場合であっても、チャージポンプ回路のオフ期間にフライングコンデンサに充電された電荷を放電でき、チャージポンプ回路の再起動時における出力電圧レベルの急激な変化を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、チャージポンプ回路の再起動時における出力電圧レベルの急激な変化を防ぐことができる。
【００１９】
本発明によれば、チャージポンプ回路の出力が半導体基板に接続されている場合にも回路動作への悪影響を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態１におけるチャージポンプ回路の概略構成を示す回路図である。ここで、前記従来例を示す図８において説明した構成部材に対応し実質的に同等の機能を有するものには同一の符号を付して示し、以下の各図においても同様とする。
【００２２】
図１において、１〜４はＭＯＳトランジスタ、５はフライングコンデンサ、６は出力コンデンサ、７は発振回路、８はチャージポンプオン／オフ制御回路、９は出力端子、１０はデッドタイム生成回路、１２〜１５は論理素子、２０，２１はＭＯＳトランジスタである。また、図２にＭＯＳトランジスタ１〜４，２０，２１のゲート入力レベルの時間変化を示すタイミングチャート、図３はフライングコンデンサ５の平均電荷量と出力電圧レベルの時間変化を示す図である。
【００２３】
以下、本実施の形態１におけるチャージポンプ回路の動作について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１に示すように、ＭＯＳトランジスタ２０，２１それぞれのソース端子はＶＤＤ、ドレイン端子はフライングコンデンサ５の片側に接続されている。チャージポンプ回路が１回目に起動したとき、発振回路７はチャージポンプ回路の出力端子９をモニタして、チャージポンプ回路の出力電圧レベルが一定以上のときにはデューティ比が小さくなる制御をしている。このため、チャージポンプ回路の起動時にはフライングコンデンサ５に充電するサイクルにより充電される電荷量は少なく抑えられ、出力電圧の変化も緩やかである。
【００２４】
また、ＭＯＳトランジスタ３，４のゲート端子に入力される矩形波にはデッドタイムが付加されている。チャージポンプ回路がオンしている期間は、チャージポンプオン／オフ制御回路８はハイレベル信号を出力し、ＭＯＳトランジスタ２０，２１をオフさせており、発振回路７が出力する矩形波には影響を与えない。
【００２５】
ここで、チャージポンプ回路がオフすると、チャージポンプオン／オフ制御回路８はローレベル信号を出力し、ＭＯＳトランジスタ１のゲート端子にはハイレベル、ＭＯＳトランジスタ２，３，４のゲート端子にはローレベル信号が入力され、チャージポンプ回路の動作がオフすると同時に、ＭＯＳトランジスタ２０，２１のゲート端子にローレベル信号を入力してオンさせる。このような制御を行うことにより、チャージポンプ回路がオフすると同時にフライングコンデンサ５の両端電位は等しくＶＤＤとなり、充電されていた電荷は完全に放電される。
【００２６】
したがって、再度チャージポンプ回路をオンしたときにも、フライングコンデンサ５に充電されている初期電荷量はゼロであるので、チャージポンプ回路を再度オンしてから初回の放電サイクルでも出力コンデンサ６に大きな電流が流れることはなく、出力電圧の急激な変化を防ぐことができる。
【００２７】
なお、本実施の形態１において、チャージポンプ回路の起動時に出力電圧の急激な変化を防ぐ回路として発振回路７のデューティ比を小さくする回路を例として挙げたが、この部分に関しては必ずしもこの回路である必要ではなく同等な機能を備える別な回路に置き換えることが可能である。また、チャージポンプ回路をオフすると同時にＭＯＳトランジスタ２０，２１をオンさせてフライングコンデンサ５を放電させたが、放電するタイミングはチャージポンプ回路がオフしている期間であるならばいつでもよい。
【００２８】
次に、図４は本発明の実施の形態２におけるチャージポンプ回路の概略構成を示す回路図である。図４において、１〜４はＭＯＳトランジスタ、５はフライングコンデンサ、６は出力コンデンサ、７は発振回路、８はチャージポンプオン／オフ制御回路、９は出力端子、１０はデッドタイム生成回路、２３，２４は論理素子（ＮＯＴゲート）、２５，２６，２７は論理素子（ＮＡＮＤゲート）、２８は論理素子（ＡＮＤゲート）である。また図５は、図４に示すＭＯＳトランジスタ１〜４のゲート入力レベルの時間変化を示すタイミングチャートである。
【００２９】
以下、本実施の形態２について、図４，図５を参照しながら説明する。チャージポンプ回路が１回目に起動してから、チャージポンプ回路の出力電圧が安定するまでは、前述の実施の形態１と同様の動作をする。ここで、チャージポンプ回路がオフすると、チャージポンプオン／オフ制御回路８はローレベル信号を出力し、ＭＯＳトランジスタ４のゲート端子にはローレベル、ＭＯＳトランジスタ１，２，３のゲート端子にはハイレベルの信号が入力される。このように制御することにより、ＭＯＳトランジスタ１，４はオフするが、ＭＯＳトランジスタ２，３はオンとなり、フライングコンデンサ５の両端はＧＮＤレベルに接続され、フライングコンデンサ５に充電されていた電荷は完全に放電される。
【００３０】
したがって、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。本実施の形態２では、チャージポンプ回路のオフと同時にＭＯＳトランジスタ２，３のゲート端子入力をハイレベルとしたが、このタイミングはチャージポンプ回路がオフしている期間であればいつでもよい。
【００３１】
以上のように、実施の形態１，２によれば、一旦起動したチャージポンプ回路をオフにしてから再度オンにする場合でも、チャージポンプ回路のオフ期間にフライングコンデンサに充電された電荷を放電しておき、チャージポンプ回路の起動時における出力電圧レベルの急激な変化を防ぎ、半導体基板に接続されている回路動作への悪影響を防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係るチャージポンプ回路は、一旦起動したチャージポンプ回路をオフにしてから再度オンにする場合であっても、チャージポンプ回路のオフ期間にフライングコンデンサに充電された電荷を放電することができ、チャージポンプ回路の再起動時における出力電圧レベルの急激な変化を防ぎ、チャージポンプ回路の出力が半導体基板に接続されている場合であっても回路動作への悪影響を防ぐことができ、チャージポンプ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを有する半導体集積回路に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるチャージポンプ回路の概略構成を示す回路図
【図２】本実施の形態１における各ＭＯＳトランジスタのゲート入力レベルの時間変化を示すタイミングチャート
【図３】本実施の形態１におけるフライングコンデンサの平均電荷量と出力電圧の時間変化を示す図
【図４】本発明の実施の形態２におけるチャージポンプ回路の概略構成を示す回路図
【図５】本実施の形態２における各ＭＯＳトランジスタのゲート入力レベルの時間変化を示すタイミングチャート
【図６】従来のチャージポンプ回路の概略構成を示す回路図
【図７】従来の各ＭＯＳトランジスタのゲート入力レベルの時間変化を示すタイミングチャート
【図８】従来の別例でチャージポンプ回路の概略構成を示す回路図
【図９】従来の別例で各ＭＯＳトランジスタのゲート入力レベルの時間変化を示すタイミングチャート
【図１０】従来の別例でフライングコンデンサの平均電荷量と出力電圧の時間変化を示す図
【符号の説明】
【００３４】
１，２，３，４，２０，２１  ＭＯＳトランジスタ
５  フライングコンデンサ
６  出力コンデンサ
７  発振回路
８  チャージポンプオン／オフ制御回路
９  出力端子
１０  デッドタイム生成回路
１１，１３，１４，２３，２４  論理素子（ＮＯＴゲート）
１２，１５，２８  論理素子（ＡＮＤゲート）
２５，２６，２７  論理素子（ＮＡＮＤゲート）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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