(57)【要約】【課題】  集積回路を実現するために少量の集積回路領域しか必要とせず、小さなパッケージに適合するチャージポンプを提供する。【解決手段】  負チャージポンプが開示されている。負チャージポンプは、ある用途において白色ＬＥＤを駆動するために使用される。負チャージポンプは、小さな集積回路領域を可能にするｎチャンネルトランジスタスイッチを優先的に使用している。さらに、チャージポンプをスタートさせるのにソフトスタート機構が使用される。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された負チャージポンプにおいて、
前記基板に接続された第１端子と高電圧レールに接続された第２端子とを有する電源と、
前記高電圧レールと前記基板との間に接続された出力キャパシタと、
前記高電圧レールと前記基板との間に接続された複数の充電キャパシタであって、第１組のトランジスタスイッチによって前記高電圧レールに接続され、第２組のトランジスタスイッチによって前記基板に接続された複数の充電キャパシタと、
から成り、前記第２組のトランジスタスイッチは、ＮＭＯＳトランジスタであり、前記第１組のトランジスタスイッチは、ＰＭＯＳトランジスタであることを特徴とする負チャージポンプ。
【請求項２】
前記負の供給電圧に対して出力電圧を捕獲するためにシャットダウンモードで動作する監視回路を含む請求項１記載の負チャージポンプ。
【請求項３】
前記第２組のトランジスタスイッチの少なくとも１つは、ソフトスタートモード時に順次スイッチングオン状態になるように構成された複数のトランジスタから形成されている請求項１記載の負チャージポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路のチャージポンプに関し、特に、白色ＬＥＤを駆動するのに有用な負チャージポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
チャージポンプは、電子回路の電源として動作可能な装置である。チャージポンプは、該チャージポンプの入力電圧よりも高い制御された出力電圧を与える。正チャージポンプの場合には、その正出力と負供給入力との間に増大された電圧が生成される。他方、負チャージポンプは、正供給入力と負出力との間で、入力電圧よりも振幅の大きな電圧を生成することができるチャージポンプである。一般に、チャージポンプは、キャパシタ及びオシレータをベースとする回路であって、ＤＣ入力電圧を、該ＤＣ入力電圧よりも電圧値が高いか、低いか又は反転しているかのいずれかであるＤＣ出力電圧に変換する回路である。加えて、多くのチャージポンプは、各種のモードで動作できる。通常、これらのモードは、１ｘ、1.5ｘ、２ｘまたはそれ以上である。これらのモードは、出力電圧が入力電圧の数倍であることを示し、また、使用されるポンピング又はスイッチングキャパシタの数を示している。
【０００３】
図１は、従来技術のチャージポンプを示している。図１の正チャージポンプの動作を理解するために、各種トランジスタはスイッチとして取り扱われる。１ｘモードでは、スイッチＭＰ２、ＭＰ３、ＭＰ５及びＭＰ６が閉じられる。キャパシタＣ２及びＣ３のフローティングを防止するために、スイッチＭＮ１及びＭＮ３が閉じられて、それらのキャパシタが充電状態に維持される。1.5ｘモードでは、固定周波数、通常は１〜１０ＭＨｚ、において、２つの閉鎖が行われる。先ず、スイッチングキャパシタＣ２及びＣ３が、スイッチＭＮ１、ＭＮ２及びＭＰ５を閉じることによってバッテリに結合され、Ｃ１によって充電される。これは、キャパシタＣ２及びＣ３をバッテリ電圧の半分の電圧に充電する（Ｃ２及びＣ３が同じ容量を有すると仮定する）。その後、それらのスイッチのすべてが一瞬の間だけ開かれ、そして、スイッチＭＰ１、ＭＰ３、ＭＰ４及びＭＰ６が閉じられて出力側のキャパシタＣ４が放電される。この２つのスイッチングキャパシタＣ２及びＣ３が、全バッテリ電圧にバッテリ電圧の半分の電圧を並列に加える。
【０００４】
２ｘモードでは、同じ周波数において２つの閉鎖が行われる。先ず、キャパシタＣ２及びＣ３が、スイッチＭＮ１、ＭＰ２、ＭＮ３及びＭＰ５を閉じることによって、キャパシタＣ１によって全バッテリ電圧に充電される。それらのスイッチのすべてが一瞬の間だけ開かれ、その後、スイッチＭＰ１、ＭＰ３、ＭＰ４及びＭＰ６が閉じられて出力側のキャパシタＣ４が放電される。この２つのスイッチングキャパシタＣ２及びＣ３が、最初のバッテリ電圧に全バッテリ電圧を並列に加え、結果として、２ｘモード動作を行う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
正チャージポンプの場合には、スイッチング装置の２／３は高電圧側で行われることに留意されたい。これは、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ又はＰＮＰバイポーラ装置を必要とし、この装置は、対応するＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ又はＮＰＮバイポーラ装置よりも５０〜１００％だけ大きい。言い換えれば、図１に示されているように、９つのスイッチングトランジスタのうち６つをＰ型とし、３つだけをＮ型とする必要がある。結果として、正チャージポンプは必ず大きくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、半導体基板上に形成された負チャージポンプにおいて、前記基板に接続された第１端子と高電圧レールに接続された第２端子とを有する電源と、前記高電圧レールと前記基板との間に接続された出力キャパシタと、前記高電圧レールと前記基板との間に接続された複数の充電キャパシタであって、第１組のトランジスタスイッチによって前記高電圧レールに接続され、第２組のトランジスタスイッチによって前記基板に接続された複数の充電キャパシタと、から成り、前記第２組のトランジスタスイッチが、ＮＭＯＳトランジスタであり、前記第１組のトランジスタスイッチが、ＰＭＯＳトランジスタであることを特徴とする負チャージポンプが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施例の十分な理解のために、多数の特定の項目について以下詳細に説明する。しかしながら、当業者は、その特定の項目のうちの一つ又はそれ以上の項目がなくても、又は、他の方法、構成要素、材料等によっても本発明を実施できることを認識するであろう。他の例については、本発明の特徴を不明瞭にするのを回避するために、周知の構造、材料、又は動作について詳細に説明していない。
【０００８】
本明細書全体を通して、「ある実施例」とは、本発明の実施例の少なくとも１つに、その実施例に関連して説明した特定の特徴、構造又は特性が含まれることを意味する。従って、本明細書の各部分に記載されている「ある実施例において」という表現は、必ずしも同じ実施例を示すものではない。さらに、特定の特徴、構造又は特性を、１つ又はそれ以上の実施例において他の適当な方法で組み合わせることもできる。
【０００９】
図２は、本発明に従って形成された負チャージポンプを示している。図２に示されている負チャージポンプは、（１）Ｎ型装置がＰ型装置で置き換えられていること、及び、（２）Ｐ型装置がＮ型装置で置き換えられていることを除いて図１の従来技術のチャージポンプと同じである。動作理論も図１の動作理論と同じである。図２の回路は６つのｐチャンネルＭＯＳＦＥＴの代わりに６つのｎチャンネルＭＯＳＦＥＴを使用しているので、集積回路として実現するのに小さな回路が得られる。一般に、ｐチャンネルトランジスタは、「同等の」ｎチャンネルトランジスタよりも５０〜１００％だけ大きい。
【００１０】
負チャージポンプの一つの要件は、ポンピング動作が接地電位よりも低く、すなわち、正供給電圧に対してダイの基板よりも低くなければならないことである。多くのダイプロセスについて、この方法は、基板が最大の負電位を維持するように基板のスイッチング及びポンピングを必要とする。ダイの基板がダイオード電圧をダイ上の最低電位よりも高くすべき場合には、ダイは、その基板に順方向バイアスを加えてラッチアップ故障を招く可能性がある。正チャージポンプの出力は、その正供給電圧よりも低くなってもよいが、負チャージポンプでは、何らかの保護もなく出力を負供給電圧よりも高くすることはできない。その出力が負供給電圧よりも低くなるようにポンピングされるときには、基板がその出力に接続され、その出力によってポンピングダウンされ、順方向バイアスが加わるのが防止される。すべてのモードの間のソフトスタート遷移時に、基板及び出力がモニタされてそれが負供給入力を越えたかどうかが決定される。負供給入力を超えた場合には、基板及び出力が負供給入力に固定されて順方向バイアスの更なる可能性が防止される。この固定は、ポンピングが再開されるときに、解除される。
【００１１】
図２に示された回路の動作は、従来技術の回路の動作と類似している。上述したように、負チャージポンプは、優先的にｎチャンネルトランジスタを使用している。図３Ａは、１ｘモードで動作する従来技術のチャージポンプを示している。１ｘモードでは、ＭＰ２、ＭＰ３、ＭＰ５及びＭＰ６が閉じられる。トランジスタＭＮ１及びＭＮ３も閉じられる。得られた回路が図３Ａに示されており、図３Ａには、出力キャパシタＣ４の両端のバッテリ電圧ＶＢが示されている。
【００１２】
同様に、１ｘモードで動作する本発明では、図３Ｂに示されているように、スイッチ（トランジスタ）ＭＰ１及びＭＰ３が閉じられる。加えて、トランジスタＭＮ２、ＭＮ３、ＭＮ５及びＭＮ６が閉じられる。この結果として、出力キャパシタＣ４に負バッテリ電圧が現れる。キャパシタＣ１、Ｃ２及びＣ３は、充電キャパシタと呼ばれ、スイッチＭＰ１、ＭＰ２及びＭＰ３を介して高電圧レールに接続されている。キャパシタＣ１、Ｃ２及びＣ３は、ＭＮ１〜ＭＮ６を介して低電位にも接続されている。同様に、出力キャパシタＣ４は、低（負）電位（通常は基板）と高電圧レールとの間に接続されている。
【００１３】
本発明における充電状態及び昇圧（Boosting）状態の回路トポロジーが図４Ｂに示されている。充電状態では、ＭＰ１、ＭＰ２及びＭＰ５がすべて閉じられる。この結果、充電状態では、図４Ｂに示される回路が得られる。昇圧状態では、トランジスタＭＮ１、ＭＮ３、ＭＮ４、ＭＮ６及びＭＰ６がすべて閉じられる。他のトランジスタは開かれる。得られた回路が、図４Ｂに示されている。図４Ｂに示されているように、得られた回路は、バッテリ電圧ＶＢの１．５倍の出力電圧をキャパシタＣ４の両端に与える。従来技術の正チャージポンプにおける同様な充電・昇圧回路が図４Ａに示されている。
【００１４】
図５Ｂを参照すると、本発明の負チャージポンプが２ｘモードで使用される場合、充電状態では、トランジスタＭＰ１、ＭＰ３、ＭＮ２及びＭＮ５がすべて閉じられる。他のトランジスタはすべて開かれる。得られた回路図が、図５Ｂにおいて「充電状態」と標記して示されている。充電状態における対応する従来技術の正チャージポンプが図５Ａに示されている。図５Ｂの昇圧状態では、トランジスタＭＮ１、ＭＮ３、ＭＮ４及びＭＮ６がすべて閉じられる。他のトランジスタは開かれる。得られたキャパシタＣ４の両端の出力電圧は、バッテリ電圧ＶＢの２倍である。昇圧状態における従来技術の正チャージポンプが図５Ａに示されている。
【００１５】
以上の説明及び図３Ａ〜図５Ｂから分かるように、負チャージポンプの動作は、従来技術のチャージポンプの動作に類似している。しかしながら、負チャージポンプは、集積回路を実現するために少量の集積回路領域しか必要とせず、小さなパッケージに適合する。
【００１６】
出力の安全モード
さらに、チャージポンプを使用する際には、集積回路が不能又は不作動である場合に基板がフローティングしないようにする必要があることに留意すべきである。正チャージポンプには、出力は正の供給電圧よりも低くなってもよい。この場合は安全であって、その出力がさらに低下するのを防止するためにダイオードを使用するというラッチアップ問題は生じない。しかしながら、負チャージポンプでは、出力が負供給電圧よりも高くなるのを防止するために基板を制御しなければならない。ダイオードを負供給電圧よりも高くすることが許される場合には、ラッチアップ問題が生じるかもしれない。ある実施例では、ショットキーダイオードがこの機能について使用され、順方向バイアスが引き下げられる。それは、基板に関連するダイオードがオンする前に出力電圧を固定することができる。しかしながら、過渡的な動作中は、基板は依然としてオンしており、ショットキーはそのままであることがある。これを防止するために、本発明の別の特徴において、低電流監視回路がシャットダウンモードで又はポンピングモードの間の遷移中に動作して、出力が負供給電圧まで低下するときにその出力を捕獲する。出力が負供給レベルになると、監視回路がスイッチＭＮ２、ＭＮ３、ＭＮ５及びＭＮ６をオンにして、出力を負電源に直接接続する。この動作が完了すると、監視回路自体がシャットダウンし、更なる電力消耗は生じない。
【００１７】
出力のソフトスタート
さらに、低周波数動作のために、ＭＮ２及びＭＮ５スイッチの区分されたソフトスタートが使用される。ある実施例では、スイッチＭＮ２及びＭＮ５がそれぞれ複数のトランジスタ、例えば、３つの分離したトランジスタとして実現される。ある実施例では、初期動作において、３つのトランジスタのうち最小のトランジスタが固定数のサイクルの間、動作する。その後、第２のトランジスタが多数のサイクルの間、第１のトランジスタと組み合わさって動作し始める。最後に、３つのトランジスタがすべて動作するように、第３のトランジスタが作動させられる。このように、最小トランジスタから最大トランジスタへかけて動作が順次行われるにつれて伝達された正味電力が固定した時間ステップで傾斜され、デバイスのソフトスタートが達成される。ソフトスタートが完了した後、３つのトランジスタすべてが同時のオン及びオフに切換えられる。
【００１８】
以上、本発明の特定の実施例を図示し且つ説明したが、特許請求の範囲から逸脱せずに様々な変更が可能であることを理解されたい。従って、本発明は特許請求の範囲を除いて何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＬＥＤ用途に使用された、従来技術のチャージポンプの概略図である。
【図２】ＬＥＤ用途に使用された、本発明に従って形成されたチャージポンプの概略図である。
【図３Ａ】１ｘ動作モードにおける従来技術の回路を示す図である。
【図３Ｂ】１ｘ動作モードにおける本発明の回路を示す図である。
【図４Ａ】１．５ｘ動作モードにおける従来技術の回路を示す図であって、（ａ）は充電状態を示す図であり、（ｂ）は昇圧状態を示す図である。
【図４Ｂ】１．５ｘ動作モードにおける本発明の回路を示す図であって、（ａ）は充電状態を示す図であり、（ｂ）は昇圧状態を示す図である。
【図５Ａ】２ｘ動作モードにおける従来技術の回路を示す図であって、（ａ）は充電状態を示す図であり、（ｂ）は昇圧状態を示す図である。
【図５Ｂ】２ｘ動作モードにおける本発明の回路を示す図であって、（ａ）は充電状態を示す図であり、（ｂ）は昇圧状態を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
ＭＰ１〜ＭＰ６  スイッチ
ＭＮ１〜ＭＮ６  スイッチ
Ｃ１〜Ｃ４  キャパシタ
ＶＢ  バッテリ電圧
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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