(57)【要約】【課題】チャージポンプの出力を安定化する。【解決手段】チャージポンプ１０の出力電圧をチャージポンプ出力電圧監視回路２０によって、監視する。チャージポンプ１０の出力電圧が所定値以下になった場合には、シリーズレギュレータ１２の動作電流を制限する。【選択図】図１０
2005176513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサを所定電圧に充電した後、充電されたコンデンサの一端の電圧を変化させて他端に変化量に対応してシフトされた電圧を得るチャージポンプと、
このチャージポンプの出力を所定の基準電圧との比較に基づいて電圧変換し、変換後の電圧を他の回路の電源電圧として出力する電圧変換回路と、
を有し、
前記電圧変換回路の動作電流を制限することで、チャージポンプの出力電圧が所定以上変化しないようすることを特徴とする電源回路。
【請求項２】
請求項１に記載の回路において、
前記電圧変換回路は、その出力電圧または出力電圧に比例する電圧と、基準電圧を比較するオペアンプと、
このオペアンプの出力に応じて動作する出力トランジスタと、
この出力トランジスタの動作電流を前記出力電圧に変換する抵抗と、
を有するシリーズレギュレータであることを特徴とする電源回路。
【請求項３】
請求項１または２に記載の回路において、
前記チャージポンプの出力電圧を監視する監視回路を有し、
前記監視回路の出力に応じて、前記電圧変換回路の動作電流を制限することを特徴とする電源回路。
【請求項４】
請求項３に記載の回路において、
前記監視回路によるチャージポンプの出力電圧の監視を起動時から所定時間のみ制限することを特徴とする電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
チャージポンプからの出力を複数の電圧変換回路を介し出力する電源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、各種回路において、電源とは異なる電圧が要求される場合がある。例えば、電池電源によって動作する半導体集積回路（ＬＳＩ、ＩＣ等）において、電池電源より高い電圧が必要であったり、ダイナミックレンジを確保するためにマイナスの電源が必要になったりする。このような場合に、スイッチングレギュレータが利用されている。このスイッチングレギュレータは、コイルを利用して昇圧（または降圧）する回路であって、所望の電圧を得ることができる。
【０００３】
一方、スイッチングレギュレータに代えてチャージポンプが広く利用されるようになってきている。このチャージポンプは、コンデンサに充電された電圧をシフトして所望の電圧を得る回路である。
【０００４】
図１には、チャージポンプの一例が示してある。この例では、電源電圧Ｖｃｃと、出力端の間に２つのｐチャネルトランジスタＱ１、Ｑ２が直列接続されている。そして、トランジスタＱ１、Ｑ２の接続点には、コンデンサＣ１の一端が接続され、このコンデンサＣ１の他端に、電源電圧Ｖｃｃとグランド電圧ＧＮＤがインバータＩＮＶ１を介し、交互に供給されるようになっている。また、出力端には、他端がグランドに接続されたコンデンサＣ２の一端が接続されている。
【０００５】
このような回路において、コンデンサＣ１の一端をグランド電圧にした状態で、トランジスタＱ１をオン、トランジスタＱ２をオフすることで、コンデンサＣ１にＶｃｃの電圧を充電する。次に、トランジスタＱ１をオフＱ２をオンして、コンデンサＣ１の他端をＶｃｃとする。これによって、コンデンサＣ１の一端は、２Ｖｃｃになり、この電圧がコンデンサＣ２に充電される。これによって、出力端電圧は、２Ｖｃｃになる。なお、図１においては、トランジスタＱ２のゲートには、トランジスタＱ１に供給する制御電圧をインバータＩＮＶ２によって反転して供給している。また、トランジスタＱ１、Ｑ２に代えてダイオードを利用することもできる。トランジスタは、例えばＭＯＳＦＥＴが利用されるが、これに限らずどのようなタイプのものでも使用できる。
【０００６】
このような回路によって、電源電圧Ｖｃｃを２倍の電圧に昇圧することができる。また、コイルを必要としないため、回路が簡単になるというメリットがある。
【０００７】
また、スイッチングレギュレータや、チャージポンプにおいて得た電圧は、そのままＩＣなどに供給するのではなく、通常はシリーズレギュレータにより、一定の電圧としてから供給する。このシリーズレギュレータは、例えば図２に示すような構成を有している。
【０００８】
チャージポンプの出力に、ｐチャネルトランジスタＱ３の一端が接続され、その他端は、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介しグランドに接続されている。そして、抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点は、コンパレータＣＯＭＰ１の正入力端に入力され、このコンパレータＣＯＭＰ１の負入力端には、基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力されている。コンパレータＣＯＭＰ１出力は、トランジスタＱ３のゲートに接続されている。そして、トランジスタＱ３と抵抗Ｒ１の接続点がシリーズレギュレータの出力端に接続されている。また、この出力端には、他端がグランドに接続されたコンデンサＣ３の一端も接続されている。
【０００９】
これによって、コンパレータＣＯＭＰ１は、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点の電圧がＶｒｅｆ１になるように動作する。そこで、出力端には、Ｖｒｅｆ１×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１の電圧が安定して得られる。
【００１０】
なお、チャージポンプ回路については、例えば特許文献１などに記載がある。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１１２２３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ここで、スイッチングレギュレータは、その出力における電流能力が大きいが、チャージポンプはスイッチングレギュレータに比べ電流能力が小さくなる。チャージポンプの出力電流（負荷電流）と、出力電圧との関係の一例を図３に示す。このように、負荷電流が大きくなると、出力電圧が低下してしまう。
【００１３】
一方、シリーズレギュレータは、その起動時において、コンパレータがその能力いっぱいに動作して出力電圧を立ち上げようとするため、大電流を流す。すなわち、図４に破線で示すように、起動時にシリーズレギュレータには、大電流が流れ、実線で示すように出力電圧が急激に上昇し、所定の出力電圧が得られる。
【００１４】
そこで、図５に示すように、チャージポンプ１０の出力にシリーズレギュレータ１２を接続し、シリーズレギュレータ１２を起動した場合、図６に示すように、チャージポンプ１０の出力電圧が大きく落ち込んでしまう。
【００１５】
従って、このチャージポンプの出力を他の回路において利用していた場合に、シリーズレギュレータを起動すると他の回路において電源電圧が大きく落ち込み正常動作が行えない場合も生じるという問題があった。
【００１６】
例えば、図７に示すように、チャージポンプ１０の出力に、２つのシリーズレギュレータ１２、１４を接続した回路において、シリーズレギュレータ１４が動作している状態で、シリーズレギュレータ１２を起動した場合を考える。この場合、図８に示すように、シリーズレギュレータ１２の起動に伴い、その出力電圧（出力１）が上昇する。この時に大電流が流れ、チャージポンプ１０の出力電圧が大きく低下する。そして、これによってシリーズレギュレータ１４の出力電圧（出力２）も大きく落ち込むことになる。
【００１７】
なお、スイッチングレギュレータは、その電流能力が大きいため、図９に示すように、その後段に接続したシリーズレギュレータを起動しても、出力電圧はそれほど落ち込まず問題はあまり生じない。スイッチングレギュレータを用いていた従来回路では、上述のような問題は生じていなかった。
【００１８】
本発明では、チャージポンプの出力電圧の落ち込みを効果的に解消できる電源回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、コンデンサを所定電圧に充電した後、充電されたコンデンサの一端の電圧を変化させて他端に変化量に対応してシフトされた電圧を得るチャージポンプと、このチャージポンプの出力を所定の基準電圧との比較に基づいて電圧変換し、変換後の電圧を他の回路の電源電圧として出力する電圧変換回路と、を有し、前記電圧変換回路の動作電流を制限することで、チャージポンプの出力電圧が所定以上変化しないようすることを特徴とする。
【００２０】
また、前記電圧変換回路は、その出力電圧または出力電圧に比例する電圧と、基準電圧を比較するオペアンプと、このオペアンプの出力に応じて動作する出力トランジスタと、この出力トランジスタの動作電流を前記出力電圧に変換する抵抗と、を有するシリーズレギュレータであることが好適である。
【００２１】
また、前記チャージポンプの出力電圧を監視する監視回路を有し、前記監視回路の出力に応じて、前記電圧変換回路の動作電流を制限することが好適である。
【００２２】
また、前記監視回路によるチャージポンプの出力電圧の監視を起動時から所定時間のみ制限することが好適である。
【発明の効果】
【００２３】
このように、本発明によれば、電圧変換回路の動作電流を制限することで、チャージポンプの出力電圧が所定以上変化しないようする。従って、チャージポンプの出力電圧を利用する他の回路があった場合に、その他の回路の動作に対する悪影響の発生を防止することができる。
【００２４】
また、電圧変換回路をシリーズレギュレータで、構成した場合には、起動時などの大電流が流れ、チャージポンプの出力電圧が低下しやすいが、これを防止できる。
【００２５】
また、チャージポンプの出力電圧の監視を起動時から所定時間のみ制限することで、起動時のシリーズレギュレータのなどにおける大電流の発生を効果的に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１０は、実施形態の一構成例を示す図である。チャージポンプ１０の出力には、シリーズレギュレータ１２が接続されている。そして、チャージポンプ１０の出力を監視するチャージポンプ出力電圧監視回路２０が設けられ、このチャージポンプ出力電圧監視回路２０がシリーズレギュレータ１２の動作を制御する。すなわち、チャージポンプ出力電圧監視回路２０は、チャージポンプの出力電圧が所定値以上下がった場合に、シリーズレギュレータ１２の動作を制御してその電流量を制限することでチャージポンプ１０の出力電圧があまり変動しないようにする。
【００２８】
このように、チャージポンプ１０からシリーズレギュレータ１２に流れ込む電流が多くなり、チャージポンプ１０の出力電圧が設定電圧より下がったときに、チャージポンプ１０からシリーズレギュレータ１２に流れる電流を制限し、チャージポンプ１０出力電圧の低下を防ぐ。これにより、図１１に示すように、シリーズレギュレータ１２の起動時においても、チャージポンプ１０出力の電圧変動が抑えられる。従って、チャージポンプ出力電圧を安定電圧として使用でき、チャージポンプ１０の出力電圧で動作する他の回路において悪影響が出ることを防止することができる。
【００２９】
図１２は、他の構成例であり、この例では、シリーズレギュレータ１２、チャージポンプ出力電圧監視回路２０の他に、シリーズレギュレータ１４と、チャージポンプ出力電圧監視回路２２がさらに設けられている。そして、チャージポンプ出力電圧監視回路２０により、シリーズレギュレータ１２の電流を制御し、チャージポンプ出力電圧監視回路２２により、シリーズレギュレータ１４の電流を制御することで、チャージポンプ１０の出力電圧、シリーズレギュレータ１２、１４の出力電圧を安定化させることが可能になる。
【００３０】
図１３は、チャージポンプ１０が多出力になっていた場合を示している。すなわち、チャージポンプ１０は、多段構成をすることで、順次昇圧（降圧）が可能であり、複数個の出力を取り出すことができる。その場合には、その複数個の出力を監視することで出力電圧を安定に出力させることができる。すなわち、チャージポンプ１０の出力１をチャージポンプ出力電圧監視回路２０で監視し、出力２をチャージポンプ出力電圧監視回路２２で監視し、この結果に従って、シリーズレギュレータ１２の電流を制限する。特に、一方のシリーズレギュレータを起動したときに、そのシリーズレギュレータの電流が制限され、他方のシリーズレギュレータの出力電圧変動を抑制することができる。
【００３１】
これによって、図１４に示すように、チャージポンプ１０の２つの出力（出力１、出力２）の両方において、大きな電圧低下の発生を防止することができる。
【００３２】
上記した各構成例のように、チャージポンプの出力電圧の監視を行った場合、シリーズレギュレータの能力は、チャージポンプの能力で決まってしまう。このため、通常必要であるシリーズレギュレータの出力電流リミット回路が必要なくなるというメリットも得られる。
【００３３】
また、上記した例では、チャージポンプ出力電圧監視回路２０、２２により、チャージポンプ１０の出力電圧を監視したが、チャージポンプ１０の途中の電圧を監視することもできる。また、動作しているシリーズレギュレータ１２、１４の出力を監視してもよい。これは、これら電圧もチャージポンプ１０の出力電圧に関連する電圧で同様の変化をする電圧であり、実質的にチャージポンプ１０の出力電圧を監視していることになるからである。
【００３４】
ここで、監視動作を行った場合、チャージポンプ１０の出力電圧が落ちたときに必ずシリーズレギュレータ１２、１４の電流量が制限される。従って、シリーズレギュレータ１２、１４の負荷が一瞬でも増加した場合に、シリーズレギュレータ１２の能力が制限される。このため、シリーズレギュレータ１２、１４の負荷駆動能力があっても、図１５に示すように、シリーズレギュレータ１２、１４の出力電圧が著しく低下してしまう。特に、この動作は時間の短いひげのような負荷電流パルスでも生じ、シリーズレギュレータ１２、１４の出力電圧の安定度を悪くしてしまう。
【００３５】
そこで、図１６に示すように、スイッチ３０を設け、チャージポンプ出力電圧監視回路２０の出力を制限する。すなわち、スイッチ３０を起動時のみオンしておき、監視動作を、シリーズレギュレータ１２、１４の起動時のみ行う。これによって、チャージポンプ１０の出力電圧に、時間の短いひげのような負荷電流パルスが生じた場合には、シリーズレギュレータ１２、１４の電流制限は行われず、シリーズレギュレータ１２、１４の出力電圧を安定させることができる。
【００３６】
なお、シリーズレギュレータ１２のコンパレータＣＯＭＰ１は、オペアンプで構成されており、通常はその中に含まれる定電流源をオフすることで動作を停止している。そこで、この定電流源をオンする信号を起動信号としてスイッチ３０をオンし、一定時間後にスイッチ３０をオフすればよい。
【００３７】
また、起動時のみ行う方法としては、図１７に示すように、タイマー３２を設け、起動時一定時間のみチャージポンプ出力電圧監視回路２０を動作させるもできる。すなわち、タイマー３２は、シリーズレギュレータが起動されることについての起動信号を受け入れ、起動信号の入力から一定時間のみスイッチ３０をオンする。
【００３８】
ここで、タイマー３２に代えて、シリーズレギュレータ１２の出力電圧がある電圧になったときに立ち上がったと判断しチャージポンプ出力電圧監視回路２０による監視を止めたり、またシリーズレギュレータ１２の出力電圧がある電圧になったときから一定時間後に立ち上がったと判断し監視回路を止める方法等が可能である。
【００３９】
次に、チャージポンプ出力電圧監視回路２０およびこのチャージポンプ出力電圧監視回路２０によるシリーズレギュレータ１２における電流を制限する回路の具体例を図１８に基づいて説明する。
【００４０】
チャージポンプの出力と、グランドの間に、トランジスタＱ３、抵抗Ｒ１、Ｒ２の直列接続を挿入する。そして、コンパレータＣＯＭＰ１の負入力端に基準電圧Ｖｒｅｆ１を入力し、正入力端に抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点を入力し、コンパレータＣＯＭＰ１の出力端をトランジスタＱ３のゲートに接続する。そして、トランジスタＱ３と抵抗Ｒ１の接続点を出力端に接続する。また、出力端には、他端がグランドに接続されたコンデンサＣ３の一端を接続する。これによって、シリーズレギュレータ１２が形成されている。
【００４１】
そして、チャージポンプ１０の出力は、抵抗Ｒ３、Ｒ４を介し、グランドに接続されている。抵抗Ｒ３、Ｒ４の接続点は、コンパレータＣＯＭＰ２の負入力端に入力され、コンパレータＣＯＭＰ２の正入力端には、基準電圧ＶＲＥＦ２が入力されている。従って、コンパレータＣＯＭＰ２は、チャージポンプ１０の出力電圧を抵抗Ｒ１、Ｒ２で分割した電圧と基準電圧Ｖｒｅｆ２を比較する。なお、出力端の電圧をオペアンプの負入力端に帰還すれば、出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆになる。コンパレータＣＯＭＰ２はの出力は、ｎチャネルトランジスタＱ４のゲートに接続されている。このトランジスタＱ４は、一端がチャージポンプ１０の出力に接続され、他端がトランジスタＱ３のゲートに接続されている。これによって、チャージポンプ出力電圧監視回路２０が構成されている。
【００４２】
チャージポンプ１０の出力電圧が所定値（Ｖｒｅｆ２）以下になると、コンパレータＣＯＭＰ２の出力がＨになり、これによってトランジスタＱ４がオンになる。これによって、トランジスタＱ４からトランジスタＱ３のゲートに電流が供給され、従ってトランジスタＱ３のドレイン電流量が減少し、シリーズレギュレータ１２の電流量が制限される。
【００４３】
なお、この例では、コンパレータＣＯＭＰ１が、電流出力であるため、シリーズレギュレータ１２の動作電流を制限する信号も電流信号とした。しかし、実質的にシリーズレギュレータ１２における動作電流を制限することができれば、電圧信号でもよく、また抵抗を挿入して電流を制限するなどの方法をとることもできる。
【００４４】
また、上述のように、ある一定時間より短いパルス電流によるチャージポンプ１０の出力電圧の低下時には、チャージポンプ出力電圧監視回路２０を動作させない方法もある。図１９には、このための回路を示してある。
【００４５】
ＣＯＭＰ２の出力は、フリップフロップ７２のデータ入力端にも入力されている。このフリップフロップ７２の出力端はフリップフロップ７４のデータ入力端、フリップフロップ７４の出力端はフリップフロップ７６のデータ入力端、フリップフロップ７６の出力端は、フリップフロップ７８のデータ入力端に接続されており、フリップフロップ７２〜７８のクロック入力端には所定のクロック信号が共通して入力されている。従って、コンパレータＣＯＭＰ２はの出力の立ち上がり後における最初のクロック信号の立ち上がりによりフリップフロップ７２がＨにセットされ、その後順次フリップフロップ７４〜７８がＨにセットされる。そして、クロック信号の４クロックで、フリップフロップ７２〜７８のすべてがＨにセットされる。
【００４６】
フリップフロップ７２〜７８のデータ出力端は、４入力アンドゲート８０に入力さており、このアンドゲート８０の出力によりコンパレータＣＯＭＰ２の出力端とトランジスタＱ４のゲートとの間に設けられたスイッチＳＷ２のオンオフが制御される。すなわち、アンドゲート８０の出力がＨになることで、スイッチＳＷ２はオンされる。
【００４７】
この構成によって、チャージポンプ出力電圧監視回路２０の出力であるＣＯＭＰ２の出力がＨになった後、４クロック経過するまでコンパレータＣＯＭＰ２の出力がＨを継続していたときのみ、スイッチＳＷ２がオンして、シリーズレギュレータ２の電流が制限される。
【００４８】
これによって、チャージポンプ１０の出力におけるひげのような短い電圧降下については、シリーズレギュレータ１２の動作を継続させることができる。
【００４９】
特に、この図１９の回路は、上述の図１７の起動時のための回路とは別に設け、起動時には図１７の回路のみを動作させ、その後は図１９の回路を動作させることが好適である。この場合、図１９のタイマー（フリップフロップ７２〜７８）の時間は、図１７のタイマー３２より短時間とすることが好ましい。また、図１９の回路では、所定期間以上の大電流の発生は、短絡などの可能性があるため、出力を禁止することが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】チャージポンプの構成例を示す図である。
【図２】シリーズレギュレータの構成例を示す図である。
【図３】チャージポンプの負荷電流と、出力電圧の関係を示す図である。
【図４】シリーズレギュレータ立ち上げ時の電流および出力電圧を示す図である。
【図５】チャージポンプとシリーズレギュレータからなるシステムの構成を示す図である。
【図６】シリーズレギュレータ立ち上げ時のチャージポンプの出力電圧を示す図である。
【図７】チャージポンプと複数のシリーズレギュレータからなるシステムの構成を示す図である。
【図８】図７の構成におけるシリーズレギュレータ立ち上げ時のチャージポンプの出力電圧を示す図である。
【図９】シリーズレギュレータ立ち上げ時のスイッチングレギュレータの出力電圧を示す図である。
【図１０】実施形態のシステムの構成を示す図である。
【図１１】シリーズレギュレータ立ち上げ時のチャージポンプの出力電圧を示す図である。
【図１２】チャージポンプと複数のシリーズレギュレータからなるシステムの構成を示す図である。
【図１３】複数の出力を有するチャージポンプとシリーズレギュレータからなるシステムの構成を示す図である。
【図１４】シリーズレギュレータ立ち上げ時のチャージポンプの複数の出力電圧を示す図である。
【図１５】過負荷時のチャージポンプおよびシリーズレギュレータ出力電圧を示す図である。
【図１６】チャージポンプ出力電圧監視回路の動作をスイッチで制御する構成を示す図である。
【図１７】チャージポンプ出力電圧監視回路の動作をタイマーで制御する構成を示す図である。
【図１８】シリーズレギュレータの構成を示す図である。
【図１９】チャージポンプ出力電圧監視回路の出力を制御する回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  チャージポンプ、１２，１４  シリーズレギュレータ、２０，２２  チャージポンプ出力電圧監視回路、３０  スイッチ、３２  タイマー、７２〜７８  フリップフロップ、８０  アンドゲート、Ｃ１〜Ｃ３  コンデンサ、ＣＯＭＰ１，ＣＯＭＰ２  コンパレータ、ＩＮＶ１，ＩＮＶ２  インバータ、Ｑ１〜Ｑ４  トランジスタ、Ｒ１〜Ｒ３  抵抗。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2005176513.tif 000017
【図１６】
2005176513.tif 000018
【図１７】
2005176513.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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