(57)【要約】【課題】  入力電圧未満のステップで電源効率の良い電圧変換が可能なチャージポンプ回路を提供することを目的とする。【解決手段】  充電工程ではステップアップ用コンデンサ２，３の直列接続回路の両端に入力電圧ＶＣＣを印加し、放電工程ではステップアップ用コンデンサ２，３の一端をそれぞれ前記入力電圧ＶＣＣに接続するとともにステップアップ用コンデンサ２，３の他端をそれぞれ出力平滑用コンデンサ４の両端に接続して、出力平滑用コンデンサ４の両端から昇圧電圧ＶＣＣ＋（ＶＣＣ／２）を出力する。【選択図】  図１
2005341703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のステップアップ用コンデンサと、
前記ステップアップ用コンデンサの直列接続と並列接続を切り換える切換部と、
出力平滑用コンデンサと、
前記切換部を充電工程と放電工程に制御する制御回路と
を設け、前記制御回路を、充電工程では前記ステップアップ用コンデンサの直列接続回路の両端に前記入力電圧を印加し、放電工程では前記ステップアップ用コンデンサの一端をそれぞれ前記入力電圧に接続するとともに前記ステップアップ用コンデンサの他端をそれぞれ前記出力平滑用コンデンサの両端に接続して、出力平滑用コンデンサの両端から昇圧電圧を出力するよう構成した
チャージポンプ回路。
【請求項２】
第１のコンデンサの一端を入力電圧に接続する第１のスイッチ素子と、
第１のコンデンサの前記一端を基準電位に接続する第２のスイッチ素子と、
第２のコンデンサの一端を前記第１のコンデンサの他端に接続する第３のスイッチ素子と、
前記第２のコンデンサの他端を前記入力電圧に接続する第４のスイッチ素子と、
第３のコンデンサの一端を第１のコンデンサの前記他端に接続する第５のスイッチ素子と、
第２のコンデンサの前記他端を第３のコンデンサの前記一端に接続する第６のスイッチ素子と、
第２のコンデンサの前記一端と前記第３のスイッチ素子との接続点を前記入力電圧に接続する第７のスイッチ素子と、
第１のスイッチ素子から第７のスイッチ素子を充電工程と放電工程に制御する制御回路と
を設け、前記制御回路を、充電工程では第１，第２のコンデンサの直列接続回路の両端に前記入力電圧を印加し、放電工程では第１，第２のコンデンサの一端をそれぞれ前記入力電圧に接続するとともに第１，第２のコンデンサの他端をそれぞれ第３のコンデンサの両端に接続して、第３のコンデンサの両端から昇圧電圧を出力するよう構成した
チャージポンプ回路。
【請求項３】
第１，第２のコンデンサの容量値を等しくしたことを特徴とする
請求項２記載のチャージポンプ回路。
【請求項４】
第１，第２のスイッチ素子がＣＭＯＳトランジスタであることを特徴とする
請求項２記載のチャージポンプ回路。
【請求項５】
第５，第６のスイッチ素子がダイオードであることを特徴とする
請求項２記載のチャージポンプ回路。
【請求項６】
複数のステップアップ用コンデンサと、
前記ステップアップ用コンデンサの直列接続と並列接続を切り換える切換部と、
出力平滑用コンデンサと、
前記切換部を充電工程と放電工程に制御する制御回路と
を設け、前記制御回路を、充電工程では前記ステップアップ用コンデンサの直列接続回路の両端に前記入力電圧を印加し、放電工程では前記ステップアップ用コンデンサと前記出力平滑用コンデンサとを互いに並列接続して、出力平滑用コンデンサの両端から降圧電圧を出力するよう構成した
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、コンデンサを使って電圧変換を実施するチャージポンプ回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
チャージポンプ回路は、コンデンサを複数段直列に接続することで昇圧している。この場合、昇圧のステップは入力電圧となるため入力電圧未満のステップを得ることができない。
【０００３】
このため入力電圧未満のステップで昇圧させるためには、入力電圧とは別にもう一つの電圧源を用意する必要がある。
図６に従来回路を示す。
【０００４】
図６において、入力電圧端子１には直流の入力電圧ＶＣＣが印加され、電圧源５はＶＲＥＦなる電圧を発生する。Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５はスイッチ素子である。２はコンデンサで、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２が交互にオン・オフをすることでコンデンサ２の一端Ｔ１を０ボルトとＶＣＣとに切り換えられている。
スイッチ素子Ｓ３，Ｓ５はそれぞれスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２に連動して動作する。４は出力電圧の保持用のコンデンサである。
【０００５】
この構成で、第１段階ではスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３がオンしてコンデンサ２を電圧源５によってＶＲＥＦに充電する。
次に第２段階では、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ３がオフし、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ５がオン状態に切り換わり、コンデンサ２の一端Ｔ１にはスイッチ素子Ｓ１を介して入力電圧端子１からの入力電圧ＶＣＣが印加され、コンデンサ２の他端Ｔ２はＶＣＣ＋ＶＲＥＦに昇圧され、スイッチ素子Ｓ５を介してコンデンサ４を充電する。
【０００６】
この第１段階と第２段階を繰り返すことで、コンデンサ４にはＶＣＣ＋ＶＲＥＦなる昇圧電圧を得ることができ、電圧源５の電圧ＶＲＥＦをＶＣＣ未満に設定することで、入力電圧未満のステップで昇圧電圧を得ることができる。
【特許文献１】特開２００２−３４２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記電圧源ＶＲＥＦとしては、入力電圧端子１に入力電圧ＶＣＣを印加している電源と同等の電流能力が必要であって、入力電圧ＶＣＣ用と電圧源５用の２つ電源が必要になるので電源効率が悪いという問題がある。
【０００８】
本発明は入力電圧未満のステップで昇圧動作することができ、かつ従来よりも電源効率の良好なチャージポンプ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】
【０００９】
本発明のチャージポンプ回路は、複数のステップアップ用コンデンサと、前記ステップアップ用コンデンサの直列接続と並列接続を切り換える切換部と、出力平滑用コンデンサと、前記切換部を充電工程と放電工程に制御する制御回路とを設け、前記制御回路を、充電工程では前記ステップアップ用コンデンサの直列接続回路の両端に前記入力電圧を印加し、放電工程では前記ステップアップ用コンデンサの一端をそれぞれ前記入力電圧に接続するとともに前記ステップアップ用コンデンサの他端をそれぞれ前記出力平滑用コンデンサの両端に接続して、出力平滑用コンデンサの両端から昇圧電圧を出力するよう構成したことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のチャージポンプ回路は、第１のコンデンサの一端を入力電圧に接続する第１のスイッチ素子と、第１のコンデンサの前記一端を基準電位に接続する第２のスイッチ素子と、第２のコンデンサの一端を前記第１のコンデンサの他端に接続する第３のスイッチ素子と、前記第２のコンデンサの他端を前記入力電圧に接続する第４のスイッチ素子と、第３のコンデンサの一端を第１のコンデンサの前記他端に接続する第５のスイッチ素子と、第２のコンデンサの前記他端を第３のコンデンサの前記一端に接続する第６のスイッチ素子と、第２のコンデンサの前記一端と前記第３のスイッチ素子との接続点を前記入力電圧に接続する第７のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子から第７のスイッチ素子を充電工程と放電工程に制御する制御回路とを設け、前記制御回路を、充電工程では第１，第２のコンデンサの直列接続回路の両端に前記入力電圧を印加し、放電工程では第１，第２のコンデンサの一端をそれぞれ前記入力電圧に接続するとともに第１，第２のコンデンサの他端をそれぞれ第３のコンデンサの両端に接続して、第３のコンデンサの両端から昇圧電圧を出力するよう構成したことを特徴とする。
【００１１】
前記第１，第２のコンデンサの容量値を等しくしたことを特徴とする。また、第１，第２のスイッチ素子がＣＭＯＳトランジスタであることを特徴とする。また、第５，第６のスイッチ素子がダイオードであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のチャージポンプ回路は、複数のステップアップ用コンデンサと、前記ステップアップ用コンデンサの直列接続と並列接続を切り換える切換部と、出力平滑用コンデンサと、前記切換部を充電工程と放電工程に制御する制御回路とを設け、前記制御回路を、充電工程では前記ステップアップ用コンデンサの直列接続回路の両端に前記入力電圧を印加し、放電工程では前記ステップアップ用コンデンサと前記出力平滑用コンデンサとを互いに並列接続して、出力平滑用コンデンサの両端から降圧電圧を出力するよう構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この構成によると、コンデンサを複数個（ｎ個）接続すれば、ＶＣＣ／ｎでのステップが可能である。２個のコンデンサを直列接続と並列接続に切り換えることでＶＣＣ／２なるステップでの昇圧が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明のチャージポンプ回路を実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図３は本発明の（実施の形態１）を示す。
【００１５】
図１のチャージポンプ回路において、入力電圧端子１には直流の入力電圧ＶＣＣが印加され、この入力電圧ＶＣＣを複数のステップアップ用コンデンサ（以下、第１，第２のコンデンサと称す）２，３と、第１，第２のコンデンサ２，３の直列接続と並列接続を切り換える切換部としてのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ７と、出力平滑用コンデンサ（以下、第３のコンデンサと称す）４と、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ７を充電工程と放電工程に制御する制御回路６とによって昇圧して、第３のコンデンサ４の両端から昇圧後の出力電圧を取り出す。なお、この実施の形態は前記複数ｎ＝２の場合を示しており、第３のコンデンサ４の両端にはＶＣＣ＋（ＶＣＣ／２）の出力電圧が発生する。
【００１６】
第１のコンデンサ２の一端Ｔ１は、第１のスイッチ素子Ｓ１を介して入力電圧ＶＣＣに接続されるとともに、第２のスイッチ素子Ｓ２を介して基準電位Ｇに接続されている。第２のコンデンサ３の一端Ｔ３は、第３のスイッチ素子Ｓ３を介して第１のコンデンサ２の他端Ｔ２に接続されている。第２のコンデンサ３の他端Ｔ４は、第４のスイッチ素子Ｓ４を介して入力電圧ＶＣＣに接続されている。
【００１７】
第１のコンデンサ２の他端Ｔ２と第２のコンデンサ３の他端Ｔ４は、第５のスイッチ素子Ｓ５と第６のスイッチ素子Ｓ６の直列回路を介して互いに接続されている。さらに、第２のコンデンサ３の一端Ｔ３と第３のスイッチ素子Ｓ３との接続点Ｐ１は、第７のスイッチ素子Ｓ７を介して入力電圧ＶＣＣに接続されている。第３のコンデンサ４の一端Ｔ５は基準電位Ｇに接続されており、第３のコンデンサ４の他端Ｔ６は第５のスイッチ素子Ｓ５と第６のスイッチ素子Ｓ６との接続点Ｐ２に接続されている。
【００１８】
制御回路６の構成を図２と図３に基づいて説明する。
図２は制御回路６による充電工程の接続状態を示しており、第２，第３，第４のスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がオンしている。第１，第５，第６，第７のスイッチ素子Ｓ１，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７はオフしている。
【００１９】
この充電工程では、第１のコンデンサ２と第２のコンデンサ３とが第３のスイッチ素子Ｓ３を介して直列に接続され、この直列回路に、第２のスイッチ素子Ｓ２と第４のスイッチＳ４を介して入力電圧ＶＣＣが印加されている。第１のコンデンサ２と第２のコンデンサ３のキャパシタ値が同じであれば、第３のスイッチ素子Ｓ３で接続された第１のコンデンサ２と第２のコンデンサ３の接続点はＶＣＣ／２にバイアスされることは周知である。
【００２０】
図３は制御回路６による放電工程の接続状態を示しており、第２，第３，第４のスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がオフし、第１，第５，第６，第７のスイッチ素子Ｓ１，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７がオンしている。
【００２１】
この放電工程では、第１のコンデンサ２は一端Ｔ１が第１のスイッチ素子Ｓ１を介してＶＣＣに接続されるので、第１のコンデンサ２の他端Ｔ２は充電工程で充電されたＶＣＣ／２の電位を保持したまま、さらにＶＣＣ分だけ電位が上昇する。
【００２２】
また、第３のコンデンサ３の一端Ｔ３が第７のスイッチ素子Ｓ７を介してＶＣＣに接続されるので、第２のコンデンサ３の他端Ｔ４は充電工程で充電されたＶＣＣ／２の電位を保持したまま、さらにＶＣＣ分だけ電位が上昇する。
【００２３】
さらに、この放電工程では第１，第２のコンデンサ２，３が第５，第６のスイッチ素子Ｓ５，Ｓ６を介して並列接続されて第３のコンデンサ４を充電する。
このように充電工程と放電工程とを繰り返し実行するように制御回路６が第１〜第７のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ７を制御することによって、図６に示した従来例のような電圧源５を設けなくても第３のコンデンサ４の両端に、１．５・ＶＣＣの出力電圧が発生する。また、放電工程では第１，第２のコンデンサ２，３が並列接続されるため、レギュレーションも良好である。
【００２４】
なお、上記の実施の形態ではｎ＝２の場合を例に挙げて説明したが、ｎ＝３以上の場合も、充電工程では複数のステップアップ用コンデンサの直列接続回路の両端に入力電圧ＶＣＣを印加し、放電工程では前記ステップアップ用コンデンサの一端をそれぞれ前記入力電圧ＶＣＣに接続するとともに前記ステップアップ用コンデンサの他端をそれぞれ第３のコンデンサ４の両端に接続して、第３のコンデンサ４の両端から昇圧電圧を出力するよう構成することによって同様に実施することができる。この場合も、複数のステップアップ用コンデンサのキャパシタ値を同じ設定することによって、ＶＣＣ＋（ＶＣＣ／ｎ）の出力電圧を第３のコンデンサ４の両端から得ることができる。
【００２５】
また、第１〜第７のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ７としてはＣＭＯＳトランジスタで実現できる。第５，第６のスイッチ素子Ｓ５，Ｓ６をダイオードで構成した場合には、制御回路６の構成を簡単にすることができる。
【００２６】
（実施の形態２）
図４と図５は本発明の（実施の形態２）を示す。
図１に示した（実施の形態１）のチャージポンプ回路では、第７のスイッチ素子Ｓ７の一端は入力電圧ＶＣＣに接続されていたが、この（実施の形態２）では図４に示すように第７のスイッチ素子Ｓ７の前記一端が基準電位Ｇに接続されている点と、制御回路６を次のように変更して降圧動作を実施する。
【００２７】
図４は制御回路６による充電工程の接続状態を示しており、第２，第３，第４のスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がオンしている。第１，第５，第６，第７のスイッチ素子Ｓ１，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７はオフしている。
【００２８】
この充電工程では、第１のコンデンサ２と第２のコンデンサ３とが第３のスイッチ素子Ｓ３を介して直列に接続され、この直列回路に、第２のスイッチ素子Ｓ２と第４のスイッチＳ４を介して入力電圧ＶＣＣが印加されている。第１のコンデンサ２と第２のコンデンサ３のキャパシタ値が同じであれば、第３のスイッチ素子Ｓ３で接続された第１のコンデンサ２と第２のコンデンサ３の接続点はＶＣＣ／２にバイアスされることは周知である。
【００２９】
図５は制御回路６による放電工程の接続状態を示しており、第１，第３，第４のスイッチ素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４がオフし、第２，第５，第６，第７のスイッチ素子Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７がオンしている。
【００３０】
この放電工程では、第１，第２のコンデンサ２，３はそれぞれの一端Ｔ１，Ｔ３が第２，第７のスイッチ素子Ｓ７を介して基準電位Ｇに接続されている。第１，第２のコンデンサ２，３のそれぞれの他端Ｔ２，Ｔ４は第５，第６のスイッチ素子Ｓ５，Ｓ６を介して第３のコンデンサ４と並列接続されている。
【００３１】
このように充電工程と放電工程とを繰り返し実行するように制御回路６が第１〜第７のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ７を制御することによって、第３のコンデンサ４の両端に、（ＶＣＣ／ｎ）＝（ＶＣＣ／２）の出力電圧が発生する。また、放電工程では第１，第２のコンデンサ２，３が並列接続されるため、レギュレーションも良好である。
【００３２】
なお、上記の実施の形態ではｎ＝２の場合を例に挙げて説明したが、ｎ＝３以上の場合も、充電工程では複数のステップアップ用コンデンサの直列接続回路の両端に入力電圧ＶＣＣを印加し、放電工程では前記ステップアップ用コンデンサを互いに並列接続して第３のコンデンサ４の両端に接続して、第３のコンデンサ４の両端から降圧電圧を出力するよう構成することによって同様に実施することができる。この場合も、複数のステップアップ用コンデンサのキャパシタ値を同じ設定することによって、（ＶＣＣ／ｎ）の出力電圧を第３のコンデンサ４の両端から得ることができる。
【００３３】
なお、この（実施の形態２）では、第１のスイッチＳ１は充電工程と放電工程を通してオフ状態、第２のスイッチＳ２は充電工程と放電工程を通してオン状態に制御している。降圧動作だけの場合には第１，第２のスイッチＳ１，Ｓ２を省くこともできる。具体的には、図４において第１のスイッチＳ１が介装されていた個所はオープン状態とし、第２のスイッチＳ２が介装されていた個所は短絡状態とすることによって、第２のスイッチＳ２を構成する半導体素子のオン抵抗の影響を無くして降圧回路としての性能の向上を期待できる。
【００３４】
（実施の形態３）
（実施の形態１）の制御回路６は第１〜第７のスイッチＳ１〜Ｓ７を昇圧動作させるように切り換え、（実施の形態２）の制御回路６は降圧動作させるように第１〜第７のスイッチＳ１〜Ｓ７を切り換えるよう構成されていたが、この（実施の形態３）では、制御回路６に（実施の形態１）の昇圧動作用プログラムと（実施の形態２）の降圧動作用プログラムとを構築した状態の半導体集積チップを作成する。
【００３５】
このように構成することによって、図１に示すように第１〜第７のスイッチＳ１〜Ｓ７を配線接続した場合と、図４に示すように第１〜第７のスイッチＳ１〜Ｓ７を配線接続した場合とに応じて、利用者が選択して動作用プログラムを選択できるように構成することによって、昇圧動作と降圧動作を選択的に切り換えて実施できる汎用性が向上した半導体集積チップとして市場に供給できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明にかかるチャージポンプ回路は、複数個のコンデンサを直列接続と並列接続を切り換えることで入力電圧未満のステップで電圧変換することができ、高効率のチャージポンプ回路として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の（実施の形態１）のｎ＝２の場合のチャージポンプ回路図
【図２】同実施の形態の充電工程の接続図
【図３】同実施の形態の放電工程の接続図
【図４】本発明の（実施の形態２）のｎ＝２の場合のチャージポンプ回路の充電工程の接続図
【図５】同実施の形態の放電工程の接続図
【図６】従来のチャージポンプ回路図
【符号の説明】
【００３８】
１    入力電圧端子
ＶＣＣ    入力電圧
２    第１のコンデンサ（ステップアップ用コンデンサ）
３    第２のコンデンサ（ステップアップ用コンデンサ）
Ｓ１〜Ｓ７    第１〜第７のスイッチ素子（切換部）
４    第３のコンデンサ（出力平滑用コンデンサ）
６    制御回路
Ｔ１    第１のコンデンサ２の一端
Ｔ２    第１のコンデンサ２の他端
Ｇ    基準電位
Ｔ３    第２のコンデンサ３の一端
Ｔ４    第２のコンデンサ３の他端
Ｐ１    第２のコンデンサ３の一端Ｔ３と第３のスイッチ素子Ｓ３との接続点
Ｐ２    第５のスイッチ素子Ｓ５と第６のスイッチ素子Ｓ６との接続点
【図１】
2005341703.tif 000003
【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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