(57)【要約】【課題】電圧反転型チャージポンプ回路において、出力電圧を安定化する。【解決手段】電圧レギュレーション回路１０は、出力電圧Ｖｏｕｔを検知して基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、抵抗Ｒ１，Ｒ２によって決められる関係を満たすように電圧制御素子ＭＯＳＦＥＴ１４のゲート端子に帰還をかけている。  ＭＯＳＦＥＴ１４は、ゲート電圧によってそのゲートソース間電圧Ｖｇｓが制御され、チャネル抵抗が変化することによって、充電コンデンサＣ１および出力コンデンサＣ２間の電荷転送速度を制御し、出力電圧Ｖｏｕｔの安定化を図る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量の一端に固定電圧より高い入力電圧を印加するとともに他端に前記固定電圧を印加する第１期間と、前記一端に前記固定電位を印加するとともに前記他端を負荷に接続する第２期間とを交互に繰り返すことにより、前記負荷に前記固定電位よりも低い電圧を印加する反転型のチャージポンプ回路であって、
前記固定電圧の電源と前記一端の間、前記固定電圧の電源と前記他端の間、前記入力電圧の電源と前記一端の間、または前記負荷と前記他端の間のいずれかに電圧制御用の素子を間挿するとともに、この素子を制御して前記負荷に印加される電圧を制御する回路を設けたことを特徴とするチャージポンプ回路。
【請求項２】
前記素子を前記固定電圧よりも高い電圧の範囲で動作する経路に設けたことを特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ回路。
【請求項３】
前記素子を前記第２期間において前記容量と接続される経路に設けたことを特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ回路。
【請求項４】
第１スイッチを介して容量の一端に固定電圧より高い入力電圧を印加するとともに第２スイッチを介して他端に前記固定電圧を印加する第１期間と、第３スイッチを介して前記一端に前記固定電位を印加するとともに第４スイッチを介して前記他端を負荷に接続する第２期間とを交互に繰り返すことにより、前記負荷に前記固定電位よりも低い電圧を印加する反転型のチャージポンプ回路であって、
第１スイッチから第４スイッチのいずれかのオンの程度を制御することにより、前記負荷に印加される電圧を制御する回路を設けたことを特徴とするチャージポンプ回路。
【請求項５】
前記電圧を制御する回路は、前記第３スイッチのオンの程度を制御することを特徴とする請求項４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、電圧反転型チャージポンプ回路に係り、特に出力電圧を安定化するレギュレーション機能を備えた電圧反転型チャージポンプ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、ＰＨＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｈａｎｄｙ  Ｐｈｏｎｅ）、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等に代表される小型情報端末においては、内部で使用されるデバイスにおいて負電源を必要とするものが数多く存在する。しかしながら、携帯電話をはじめとする多くの小型情報端末機器では、電圧源として、出力電圧が３．２〜４．２Ｖ程度の正電圧を出力するＬｉイオン電池が用いられており、負電源を有していない。そこで、電圧反転型のＤＣ／ＤＣコンバータによって負電圧を生成し、前記負電源を必要とするデバイスを駆動している。
【０００３】
このような負電圧を生成するための技術として、特許文献１に開示されるように、充電コンデンサと出力コンデンサ間で電荷の転送を繰り返す、電圧反転型のチャージポンプ回路が広く用いられている。
【特許文献１】特開２００１−２５８２４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような電圧反転型チャージポンプ回路は、接続される負荷の状態や、入力電圧によって、その出力電圧が変動するため、安定した電圧供給が求められる用途にそのまま用いることはできない場合がある。
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数を増やすことなく安定した負電圧が生成可能な電圧反転型チャージポンプ回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、容量の一端に固定電圧、すなわち接地電位より高い入力電圧を印加するとともに他端に固定電圧を印加する第１期間と、一端に固定電位を印加するとともに他端を負荷に接続する第２期間とを交互に繰り返すことにより、負荷に固定電位よりも低い電圧を出力する反転型のチャージポンプ回路であって、固定電圧の電源と前記一端の間、固定電圧の電源と前記他端の間、入力電圧の電源と前記一端の間、または負荷と前記他端の間のいずれかに電圧制御用の素子を間挿するとともに、この素子を制御して負荷に印加される電圧を制御する回路を設けたことを特徴とする。
【０００７】
この態様によれば、出力電圧をフィードバックして電圧制御用の素子を制御することにより、充放電の経路の抵抗値を変化させ、出力電圧を所望の電圧に安定化することが可能となる。
【０００８】
電圧制御用の素子としてＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた場合、デバイス内部に存在する寄生バイポーラトランジスタ、寄生サイリスタが外部からの入力や雑音によってオンすることにより定常的に電流が流れ続け、デバイス破壊を起こすラッチアップが問題となる。このラッチアップは、デバイスの入出力端子に高い電圧や、負の電圧が入力された場合に起こりやすく、特に本発明のように回路内に負電圧で動作する領域が存在する場合には特に注意を有する。従って、上記の形態のように、電圧制御用の素子を、固定電圧よりも高い電圧の範囲で動作する経路に設けることによって、ＭＯＳＦＥＴのラッチアップの危険性を大幅に低減することができる。
【０００９】
また、電圧制御用の素子を第２期間において前記容量と接続される経路に設けた場合には、電圧制御用の素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合のラッチアップの防止に加えて、負荷応答の良い出力電圧の安定化を実現できる。
【００１０】
本発明の別の態様は、第１スイッチを介して容量の一端に固定電圧より高い入力電圧を印加するとともに第２スイッチを介して他端に固定電圧を印加する第１期間と、第３スイッチを介して前記一端に固定電位を印加するとともに第４スイッチを介して前記他端を負荷に接続する第２期間とを交互に繰り返すことにより、負荷に固定電位よりも低い電圧を印加する反転型のチャージポンプ回路であって、第１スイッチから第４スイッチのいずれかのオンの程度を制御することにより、負荷に印加される電圧を制御する回路を設けたことを特徴とする。
【００１１】
この態様によれば、出力電圧をフィードバックし、第１スイッチ乃至第４スイッチの抵抗値を制御することにより、充放電の経路の抵抗値を変化させ、出力電圧を所望の電圧に安定化することが可能となる。特に、電圧を制御する回路によって第３スイッチのオンの程度を制御した場合には、応答性の良いレギュレーション機能が得られ、出力電圧の安定化を図ることができる。
【００１２】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る電圧反転型チャージポンプ回路により、接続される負荷、入力電圧の変動をフィードバックによってレギュレートし、安定した負の出力電圧を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態の説明の前に、電圧反転型チャージポンプ回路の出力電圧の安定化のために、図３に示すように電圧反転型チャージポンプ回路の出力にレギュレータをシリーズに接続する場合について考察する。このような回路構成とした場合は以下の点で問題がある。通常、外部に必要な外付け部品として、チャージポンプ回路４２で使用される充電コンデンサＣ１，出力コンデンサＣ２がある。しかしながら、チャージポンプ回路の出力にシリーズにレギュレータを接続した場合、多くの用途において前記２つのコンデンサに加え、新たに出力平滑用のコンデンサＣ３が必要とされる場合が多く、部品点数、実装面積の面で不利である。
【００１５】
このような問題は、特に省スペース化が求められる小型情報端末においては商品力に直接結びつく重要な問題となるため、これらの問題を解決した電圧反転型チャージポンプ回路を考える必要がある。以下に説明する２つの実施の形態は、出力電圧を安定化するという課題に加えて、これらの２次的な課題をも解決するものである。
【００１６】
本発明の第１の実施の形態について、図１を用いて説明する。本発明の第１の実施の形態にかかる電圧反転型チャージポンプ回路１００は、充電コンデンサＣ１、出力コンデンサＣ２と、第１〜第４の４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４および電圧レギュレーション回路１０とを備える。第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４および充電コンデンサＣ１，出力コンデンサＣ２は、入力電圧Ｖｉｎの極性を反転し、Ｖｏｕｔ＝−Ｖｉｎとして出力する、いわゆる電圧反転型チャージポンプ回路を構成する。第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、それぞれ充電コンデンサＣ１の両端に接続され、第１スイッチＳＷ１が入力電圧側に、第２スイッチＳＷ２が固定電圧、本実施の形態では接地電位に接続されている。これらのスイッチがオンされると、充電コンデンサＣ１の両端に電圧Ｖｉｎが加わり充電される。第３スイッチＳＷ３は、その一端が、充電コンデンサＣ１の第１スイッチＳＷ１側に接続され、他端が電圧レギュレーション回路１０の電圧制御素子たるＭＯＳＦＥＴ１４のドレイン端子に接続されている。第４スイッチは、オン、オフによって充電コンデンサＣ１と出力コンデンサＣ２を接続、遮断するために、両コンデンサの間に挿入されている。
【００１７】
電圧レギュレーション回路１０は、出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆを比較することで、出力電圧Ｖｏｕｔの安定化を行う回路であり、抵抗Ｒ１，Ｒ２および演算増幅器１２およびＮｃｈのＭＯＳＦＥＴ１４とを備える。抵抗Ｒ１は、その一端に基準電圧Ｖｒｅｆが入力され、他端が演算増幅器１２の非反転入力端子に接続されている。抵抗Ｒ２は、その一端に出力電圧Ｖｏｕｔが入力され、他端は演算増幅器１２の非反転入力端子に接続される。演算増幅器１２の反転入力端子は接地されており、演算増幅器１２の出力端子は、電圧制御素子であるＮｃｈのＭＯＳＦＥＴ１４のゲート端子に接続されている。このＭＯＳＦＥＴ１４は、第３スイッチＳＷ３と、接地電位間に挿入されており、第３スイッチＳＷ３がオンしたときの出力コンデンサＣ２の充放電経路に存在することになる。従って、このＭＯＳＦＥＴ１４は、そのゲート電圧を制御することによって、出力コンデンサＣ２の電荷量を調整することができ、結果として出力電圧Ｖｏｕｔを制御する機能を有する。
【００１８】
このように構成されたレギュレーション機能を有する電圧反転型チャージポンプ回路１００の動作について以下説明する。第１期間においては、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２がオンし、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４はオフしている。この期間において、充電コンデンサＣ１は入力電圧Ｖｉｎに充電される。一方、この間に出力コンデンサＣ２は、充電コンデンサＣ１と切り離されており、負荷回路１６に電力が供給されるとその出力電圧Ｖｏｕｔは所望の電圧から徐々に上昇する。
【００１９】
そこで、第２期間においては、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２がオフし、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４はオンさせる。この期間において、充電コンデンサＣ１に蓄えられた電荷は、第４スイッチＳＷ４を介して出力コンデンサＣ２に電荷転送され、負荷回路１６に電力供給することにより上昇した出力電圧Ｖｏｕｔを再び所望の出力電圧になるまで充電する。
【００２０】
電圧反転型チャージポンプ回路は、この第１期間と第２期間を交互に繰り返すことによって、常に出力コンデンサＣ２に電荷を供給し続け、出力電圧Ｖｏｕｔとして負の電圧を得ることができる。いま、負荷回路１６が一定で、入力電圧Ｖｉｎも一定の場合には、上記第１期間、第２期間を繰り返すことにより定常状態で一定の負電圧を出力することが可能となるが、いずれかが変化すると、その出力電圧Ｖｏｕｔは変動してしまう。
【００２１】
そこで、電圧レギュレーション回路１０は、出力電圧Ｖｏｕｔをモニタし、基準電圧Ｖｒｅｆとの間に、以下の関係が成り立つように電圧制御素子であるＭＯＳＦＥＴ１４のゲート端子に帰還をかけている。
【００２２】
（数１）
Ｖｏｕｔ  ＝  −Ｒ２／Ｒ１×Ｖｒｅｆ
電圧制御素子であるＭＯＳＦＥＴ１４のゲート電圧に帰還をかけることで、ＭＯＳＦＥＴ１４のゲートソース間電圧Ｖｇｓが変化し、チャネル抵抗が制御される。このＭＯＳＦＥＴ１４のチャネル抵抗によって、第２期間において充電コンデンサＣ１と出力コンデンサＣ２との間の電荷転送を制御することができ、帰還によって常に出力電圧Ｖｏｕｔを所望で電圧に安定化することができる。
【００２３】
このように第１の実施の形態によれば、チャージポンプ回路内にレギュレーション機能を持たせることによって、外部に部品を増やすことなく安定した出力電圧を得ることができる。すなわち、図３に示した回路で必要とされたコンデンサＣ３は、第１の実施の形態では、出力コンデンサＣ２がその役割を兼ねるため、部品点数を１点減らすことが可能である。また、負電圧を出力するチャージポンプ回路においては、電圧制御用素子として使用するＭＯＳＦＥＴ１４のラッチアップに注意を払う必要であるところ、本実施の形態においては、第３スイッチＳＷ３と固定電圧間の電位は常に正電圧である。従って、電圧制御素子のＭＯＳＦＥＴ１４およびスイッチに、比較的ラッチアップに弱いデバイスを用いる場合においても、ラッチアップの可能性が大幅に低減され、特に有効である。さらに、ＭＯＳＦＥＴ１４を、第３スイッチＳＷ３と固定電圧間に挿入することで、放電側のスイッチを制御することになるので速い負荷応答性を得ることができ、出力電圧Ｖｏｕｔのリップルやオーバーシュートを低減することが可能となる。
【００２４】
本実施の形態では、電圧制御用素子であるＭＯＳＦＥＴ１４を第３スイッチＳＷ３と固定電圧間に挿入した場合について説明したが、第１スイッチＳＷ１と充電コンデンサＣ１間、第１スイッチＳＷ１と入力端子Ｖｉｎ間に挿入してもよい。この場合においても、ＭＯＳＦＥＴ１４は常に正電圧で動作するため、ラッチアップの可能性を低減しつつ出力電圧を安定化できる。ＭＯＳＦＥＴ１４は、第４スイッチＳＷ４と充電コンデンサＣ１間、第４スイッチＳＷ４と出力コンデンサＣ２間に挿入しても良く、このとき、第１の実施の形態と同様に、放電経路を制御することになるので、速い負荷応答性を得ることができる。また、ＭＯＳＦＥＴ１４は、その他いずれのスイッチに接続しても良く、第２スイッチＳＷ２のいずれかの端子や、他のスイッチ間に接続しても、出力電圧を安定化することができる。
【００２５】
図２は、本発明の第２の実施の形態にかかる電圧反転型チャージポンプ回路の回路図である。第２の実施の形態にかかる電圧反転型チャージポンプ回路３００は、そのレギュレーション機能をチャージポンプ回路そのものに備えるという点において第１の実施の形態と同様であるが、そのレギュレーションの方法を異にする。すなわち、第２の実施の形態では、充放電経路の抵抗値を制御するのではなく、スイッチのオンの程度を調整することによって出力電圧の安定化を図っている。
【００２６】
第２の実施の形態にかかる電圧反転型チャージポンプ回路３００もまた、充電コンデンサＣ１、出力コンデンサＣ２と、第１〜第４の４つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４および電圧レギュレーション回路３６を備える。第２の実施の形態においては、第１スイッチＳＷ１はＰｃｈ  ＭＯＳＦＥＴ、第２スイッチＳＷ２〜第４スイッチＳＷ４はＮｃｈ  ＭＯＳＦＥＴによって構成されている。電圧反転型チャージポンプ回路本体の動作は、通常のチャージポンプ回路と変わるところはない。
【００２７】
電圧レギュレーション回路３６は、抵抗Ｒ１，Ｒ２，演算増幅器１２，振幅制御回路３２とを備え、出力電圧Ｖｏｕｔが前式を満たすように帰還がかけられている。振幅制御回路３２は、入力されたクロック信号に同期して、振幅制御信号ＡＭＰに応じた電圧振幅を有するクロック信号を出力する機能を有する。この振幅制御回路３２の振幅制御端子には、演算増幅器１２の出力信号である振幅制御信号ＡＭＰが入力されており、入力信号であるオシレータ３４からのクロック信号ＣＬＫの振幅を変化させて、第３スイッチＳＷ３のゲート端子に入力される。クロック信号ＣＬＫは、オシレータ３４により生成され、図２中には示されない他のスイッチをオン、オフするためのクロック信号と同期している。
【００２８】
第３スイッチＳＷ３のゲート端子に入力される電圧によって、ＭＯＳＦＥＴのゲートソース間電圧Ｖｇｓが変化し、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流Ｉｄｓが制御される。このドレイン電流Ｉｄｓは、第２期間において第４スイッチＳＷ４を介して充電コンデンサＣ１と出力コンデンサＣ２間で行われる電荷転送速度に他ならない。結果として、第３スイッチのオンの程度によって出力コンデンサの電荷量、すなわち出力電圧Ｖｏｕｔを制御できることになる。
【００２９】
このように、第２の実施の形態によれば、第３スイッチがオンする第２期間において、そのオンの程度を調節することにより、第２期間の充放電経路の電流を制御し、出力電圧Ｖｏｕｔが一定になるようにレギュレーション機能を持たせることが可能となる。また、第１の実施の形態と同様に、外部に新たな部品を必要としない。
【００３０】
これら実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００３１】
例えば、第２の実施の形態において、スイッチのオンの程度とは、本実施の形態のように、ゲートソース間電圧Ｖｇｓにより制御するほか、スイッチのゲート端子に与えられるクロック信号のデューティ比を変化させることによっても実現できる。また、第２の実施の形態では、第３スイッチＳＷ３のゲート電圧を制御しているが、当然、他の第１、第２、第４のスイッチのゲート電圧によっても出力電圧Ｖｏｕｔの安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電圧反転型チャージポンプ回路を示す回路図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る電圧反転型チャージポンプ回路を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態を理解するためのレギュレーション機能付き電圧反転型チャージポンプ回路を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  電圧レギュレーション回路、  １２  演算増幅器、  １４  ＭＯＳＦＥＴ、  １６  負荷回路、  ３２  振幅制御回路、  ３４  オシレータ、  ３６  電圧レギュレーション回路、  １００  電圧反転型チャージポンプ回路、  ３００  電圧反転型チャージポンプ回路、  ＳＷ１  第１スイッチ、  ＳＷ２  第２スイッチ、  ＳＷ３  第３スイッチ、  ＳＷ４  第４スイッチ、  Ｃ１  充電コンデンサ、  Ｃ２  出力コンデンサ、  Ｒ１  抵抗、  Ｒ２  抵抗、  ＣＬＫ  クロック信号、  ＡＭＰ  振幅制御信号。
【図１】
2005312169.tif 000003
【図２】
2005312169.tif 000004
【図３】
2005312169.tif 000005