(57)【要約】【課題】本発明は、効率の悪化を抑えつつ、電源投入時に生じる突入電流を低減することが可能なチャージポンプ回路及びこれを備えた電気機器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るチャージポンプ回路は、電荷転送用トランジスタＱ１〜Ｑ４にクロック信号ＣＬＫ（及び反転クロック信号ＣＬＫＢ）を伝達する際のスルーレートを切り替えるスルーレート切替部１と、出力電圧Ｖｏの電圧値に応じてスルーレートの切替制御を行う制御部２と、を有して成り、制御部２は、出力電圧Ｖｏがその目標電圧値に近付くにつれて、前記スルーレートを早めていくように、スルーレート切替部１に指示を送る構成とされている。【選択図】図１
2007202316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電荷転送用トランジスタをクロック信号に応じて周期的にオン／オフさせ、電荷蓄積用キャパシタの充放電を行うことにより、入力電圧から所望の出力電圧を生成するチャージポンプ回路であって、前記電荷転送用トランジスタに前記クロック信号を伝達する際のスルーレートを切り替えるスルーレート切替部と、前記出力電圧の電圧値に応じて前記スルーレートの切替制御を行う制御部と、を有して成り、前記制御部は、前記出力電圧がその目標電圧値に近付くにつれて、前記スルーレートを早めていくように、前記スルーレート切替部に指示を送ることを特徴とするチャージポンプ回路。
【請求項２】
前記スルーレート切替部は、前記電荷転送用トランジスタのクロック信号入力端毎に、前記制御部からの指示に応じてその抵抗値が可変制御される可変抵抗手段を接続して成る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】
前記可変抵抗手段は、抵抗とスイッチから成る直列接続回路を複数並列に接続したものであり、かつ、前記制御部からの指示に応じて前記スイッチの開閉制御が行われるものであることを特徴とする請求項２に記載のチャージポンプ回路。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載のチャージポンプ回路を備えて成ることを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電荷転送用トランジスタをクロック信号に応じて周期的にオン／オフさせ、電荷蓄積用キャパシタの充放電を行うことにより、入力電圧から所望の出力電圧を生成するチャージポンプ回路、及び、これを備えた電気機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、チャージポンプ回路の一従来例を示す回路図である。なお、本図のチャージポンプ回路は、複数の電荷転送用トランジスタＱ１〜Ｑ４をクロック信号ＣＬＫ（及び反転クロック信号ＣＬＫＢ）に応じて周期的にオン／オフさせ、電荷蓄積用キャパシタＣ１の充放電を行うことにより、入力電圧Ｖｉから所望の出力電圧Ｖｏ（≧−Ｖｉ）を生成する構成とされている。なお、出力電圧Ｖｏは、不図示の帰還回路により、−Ｖｉ≦Ｖｏ≦０の範囲で任意に設定することができる。
【０００３】
上記の負電圧出力動作について具体的に説明する。出力電圧Ｖｏの生成に際しては、まず、トランジスタＱ１、Ｑ３がオンとされ、トランジスタＱ２、Ｑ４がオフとされる。このようなスイッチング制御により、キャパシタＣ１の一端（Ａ点）には、トランジスタＱ１を介して入力電圧Ｖｉが印加され、他端（Ｂ点）は、トランジスタＱ３を介して接地される。従って、キャパシタＣ１は、両端電位差が入力電圧Ｖｉとなるまで充電される。
【０００４】
キャパシタＣ１の充電完了後、今度は、トランジスタＱ１、Ｑ３がオフとされ、トランジスタＱ２、Ｑ４がオンとされる。このようなスイッチング制御により、Ａ点はトランジスタＱ２を介して接地されるため、Ａ点電位は、入力電圧Ｖｉから接地電圧ＧＮＤへと引き下げられる。ここで、キャパシタＣ１の両端間には、先の充電によって入力電圧Ｖｉにほぼ等しい電位差が与えられているため、Ａ点電位に上記変動が生じると、Ｂ点電位は、接地電圧ＧＮＤから負電圧−Ｖｉまで引き下げられる。このとき、Ｂ点は、トランジスタＱ４を介して出力電圧引出端と導通状態にあるので、キャパシタＣ１の電荷が出力用キャパシタＣｏへと移動し、出力電圧引出端の電位が負電圧−Ｖｉまで引き下げられる。
【０００５】
上記従来のチャージポンプ回路では、電源投入時にキャパシタＣ１へ流れ込む突入電流の発生が課題とされていた（図６を参照）。すなわち、上記従来のチャージポンプ回路では、突入電流による素子破壊や異常発熱が生じないように、電流容量の大きなトランジスタＱ１〜Ｑ４を使用しなければならず、これがチップ面積低減を妨げる一要因となっていた。また、チャージポンプ回路の製造プロセスとしては、大電流によるラッチアップ特性が検証されたものしか使用することができないため、製造プロセスの選択肢が不要に制限される結果となっていた。さらに、ハードディスクドライブ装置の負電源装置など、電源系に高インピーダンスを有するシステムでは、上記突入電流が発生すると装置への供給電圧が不足してしまうため、その動作が不安定になるという課題があった。
【０００６】
なお、従来より、上記課題を解決する手段として、定電流回路を用いてキャパシタへの突入電流を制限するチャージポンプ回路が開示・提案されている（特許文献１を参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−５７９６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
確かに、特許文献１の従来技術であれば、電源投入時に生じる突入電流の低減を図ることが可能である。
【０００９】
しかしながら、特許文献１の従来技術では、チャージポンプ回路の電流経路上に、電荷転送用トランジスタＱ１〜Ｑ４のほか、別途定電流回路が介在することになるため、系全体のオン抵抗が高くなり、効率の悪化が招かれていた。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑み、効率の悪化を抑えつつ、電源投入時に生じる突入電流を低減することが可能なチャージポンプ回路、及び、これを備えた電気機器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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係るチャージポンプ回路は、複数の電荷転送用トランジスタをクロック信号に応じて周期的にオン／オフさせ、電荷蓄積用キャパシタの充放電を行うことにより、入力電圧から所望の出力電圧を生成するチャージポンプ回路であって、前記電荷転送用トランジスタに前記クロック信号を伝達する際のスルーレートを切り替えるスルーレート切替部と、前記出力電圧の電圧値に応じて前記スルーレートの切替制御を行う制御部と、を有して成り、前記制御部は、前記出力電圧がその目標電圧値に近付くにつれて、前記スルーレートを早めていくように、前記スルーレート切替部に指示を送る構成（第１の構成）とされている。
【００１２】
なお、上記第１の構成から成るチャージポンプ回路において、前記スルーレート切替部は、前記電荷転送用トランジスタのクロック信号入力端毎に、前記制御部からの指示に応じてその抵抗値が可変制御される可変抵抗手段を接続して成る構成（第２の構成）にするとよい。
【００１３】
また、上記第２の構成から成るチャージポンプ回路において、前記可変抵抗手段は、抵抗とスイッチから成る直列接続回路を複数並列に接続したものであり、かつ、前記制御部からの指示に応じて前記スイッチの開閉制御が行われるものである構成（第３の構成）にするとよい。
【００１４】
また、本発明に係る電気機器は、上記第１〜第３いずれかの構成から成るチャージポンプ回路を備えた構成（第４の構成）とされている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るチャージポンプ回路であれば、効率の悪化を抑えつつ、電源投入時に生じる突入電流を低減することができるので、電荷転送用トランジスタの電流容量を不要に高める必要がなくなり、延いては、チップ面積を低減することが可能となる。また、本発明に係るチャージポンプ回路であれば、大電流によるラッチアップ特性等についてマージンを稼ぐことができるので、その製造プロセスを幅広く選択することが可能となる。また、本発明に係るチャージポンプ回路を電気機器に搭載すれば、その電源投入時における動作安定性を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明に係るチャージポンプ回路の第１実施形態を示す回路図（一部にブロック図を含む）である。
【００１７】
本図に示すように、本実施形態のチャージポンプ回路は、電荷転送用トランジスタとして、Ｐチャネル型電界効果トランジスタＱ１と、Ｎチャネル型電界効果トランジスタＱ２〜Ｑ４と、を有して成り、これらの電荷転送用トランジスタＱ１〜Ｑ４をクロック信号ＣＬＫ（及び反転クロック信号ＣＬＫＢ）に応じて周期的にオン／オフさせ、電荷蓄積用キャパシタＣ１の充放電を行うことにより、入力電圧Ｖｉから所望の出力電圧Ｖｏ（≧−Ｖｉ）を生成する負電圧出力チャージポンプ回路である。なお、出力電圧Ｖｏは、不図示の帰還回路により、−Ｖｉ≦Ｖｏ≦０の範囲で任意に設定することができる。
【００１８】
また、クロック信号ＣＬＫと反転クロック信号ＣＬＫＢは、互いの論理が完全に反転されたものではなく、一般には、入力電圧印加端や出力電圧引出端のグランドショート（すなわち、トランジスタＱ１とトランジスタＱ２の同時オンやトランジスタＱ３とトランジスタＱ４の同時オン）を防止すべく、互いの論理変遷タイミングが不一致とされている。
【００１９】
トランジスタＱ１のソースは、入力電圧印加端に接続されている。トランジスタＱ１のドレインは、キャパシタＣ１の一端（Ａ点）に接続されている。トランジスタＱ１のゲートは、後述するスルーレート切替部１及びドライバＤＲＶ１を介して、クロック信号ＣＬＫの印加端に接続されている。すなわち、トランジスタＱ１は、クロック信号ＣＬＫに応じて、入力電圧Ｖｉの印加端とキャパシタＣ１の一端（Ａ点）との接続線路をオン／オフするスイッチ手段に相当する。
【００２０】
トランジスタＱ２のソースは、キャパシタＣ１の一端（Ａ点）に接続されている。トランジスタＱ２のドレインは、接地端に接続されている。トランジスタＱ２のゲートは、スルーレート切替部１及びドライバＤＲＶ２を介して、クロック信号ＣＬＫの印加端に接続されている。すなわち、トランジスタＱ２は、クロック信号ＣＬＫに応じて、接地端とキャパシタＣ１の一端（Ａ点）との接続線路をオン／オフするスイッチ手段に相当する。
【００２１】
トランジスタＱ３のソースは、接地端に接続されている。トランジスタＱ３のドレインは、キャパシタＣ１の他端（Ｂ点）に接続されている。トランジスタＱ３のゲートは、スルーレート切替部１及びドライバＤＲＶ３を介して、反転クロック信号ＣＬＫＢの印加端に接続されている。すなわち、トランジスタＱ３は、反転クロック信号ＣＬＫＢに応じて接地端とキャパシタＣ１の他端（Ｂ点）との接続線路をオン／オフするスイッチ手段に相当する。
【００２２】
トランジスタＱ４のドレインは、キャパシタＣ１の他端（Ｂ点）に接続されている。トランジスタＱ４のソースは、出力用キャパシタＣｏを介して接地端に接続される一方、出力電圧引出端にも接続されている。トランジスタＱ４のゲートは、スルーレート切替部１及びドライバＤＲＶ４を介して、クロック信号ＣＬＫの印加端に接続されている。すなわち、トランジスタＱ４は、出力電圧引出端とキャパシタＣ１の他端（Ｂ点）との接続線路をオン／オフするスイッチ手段に相当する。
【００２３】
上記構成から成るチャージポンプ回路の負電圧出力動作について具体的に説明する。出力電圧Ｖｏの生成に際しては、まず、トランジスタＱ１、Ｑ３がオンとされ、トランジスタＱ２、Ｑ４がオフとされる。このようなスイッチング制御により、キャパシタＣ１の一端（Ａ点）には、トランジスタＱ１を介して入力電圧Ｖｉが印加され、他端（Ｂ点）は、トランジスタＱ３を介して接地される。従って、キャパシタＣ１は、両端電位差が入力電圧Ｖｉとなるまで充電される。
【００２４】
キャパシタＣ１の充電完了後、今度は、トランジスタＱ１、Ｑ３がオフとされ、トランジスタＱ２、Ｑ４がオンとされる。このようなスイッチング制御により、Ａ点はトランジスタＱ２を介して接地されるため、Ａ点電位は、入力電圧Ｖｉから接地電圧ＧＮＤへと引き下げられる。ここで、キャパシタＣ１の両端間には、先の充電によって入力電圧Ｖｉにほぼ等しい電位差が与えられているため、Ａ点電位に上記変動が生じると、Ｂ点電位は、接地電圧ＧＮＤから負電圧−Ｖｉまで引き下げられる。このとき、Ｂ点は、トランジスタＱ４を介して出力電圧引出端と導通状態にあるので、キャパシタＣ１の電荷が出力用キャパシタＣｏへと移動し、出力電圧引出端の電位が負電圧−Ｖｉまで引き下げられる。
【００２５】
このように、本実施形態のチャージポンプ回路では、上記キャパシタＣ１の充放電を繰り返すことにより、入力電圧Ｖｉから所望の出力電圧Ｖｏ（≧−Ｖｉ）が生成される。
【００２６】
また、本実施形態のチャージポンプ回路は、電荷転送用トランジスタＱ１〜Ｑ４や電荷蓄積用キャパシタＣ１のほか、電荷転送用トランジスタＱ１〜Ｑ４にクロック信号ＣＬＫ（及び反転クロック信号ＣＬＫＢ）を伝達する際のスルーレートを切り替えるスルーレート切替部１と、出力電圧Ｖｏの電圧値に応じてスルーレートの切替制御を行う制御部２を有して成る。
【００２７】
なお、上記のスルーレート切替部１は、電荷転送用トランジスタＱ１〜Ｑ４のゲート毎に、制御部２からの指示に応じてその抵抗値が可変制御される可変抵抗手段を接続して成る構成とされている。また、上記の可変抵抗手段は、抵抗とスイッチから成る直列接続回路を複数並列に接続したものであり、かつ、制御部２からの指示に応じて前記スイッチの開閉制御が行われるものとされている。
【００２８】
より具体的に述べると、ドライバＤＲＶ１の出力端とトランジスタＱ１のゲートとの間には、スルーレート切替部１の可変抵抗手段として、抵抗Ｒ１１とスイッチＳＷ１１から成る第１直列接続回路、抵抗Ｒ１２とスイッチＳＷ１２から成る第２直列接続回路、及び抵抗Ｒ１３とスイッチＳＷ１３から成る第３直列接続回路が互いに並列接続されている。
【００２９】
トランジスタＱ２〜Ｑ４についても、上記と同様、スルーレート切替部１の可変抵抗手段として、図示のように抵抗及びスイッチが接続されている。すなわち、トランジスタＱ２には、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３及びスイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３から成る可変抵抗手段が接続されており、トランジスタＱ３には、抵抗Ｒ３１〜Ｒ３３及びスイッチＳＷ３１〜ＳＷ３３から成る可変抵抗手段が接続されている。また、トランジスタＱ４には、抵抗Ｒ４１〜Ｒ４３及びスイッチＳＷ４１〜ＳＷ４３から成る可変抵抗手段が接続されている。
【００３０】
上記構成から成るチャージポンプ回路のスルーレート切替制御について、図１とともに図２を参照しながら、詳細に説明する。
【００３１】
図２は、スルーレート切替制御の一例を示す図である。なお、本図中の符号ＣＬＫ、符号Ｖｏ、符号ｉは、それぞれ、クロック信号ＣＬＫ、出力電圧Ｖｏ、及び、キャパシタＣ１に流れ込む電流ｉの挙動を示している。また、本図中には、上記挙動のほか、スルーレート切替部１の動作状態を併せて示している。
【００３２】
図２に示すように、電源投入直後には、制御部２からの指示に応じて、スルーレート切替部１を構成するスイッチ群のうち、スイッチＳＷ１１、スイッチＳＷ２１、スイッチＳＷ３１、及び、スイッチＳＷ４１がオンとされ、その余のスイッチがいずれもオフとされる。これにより、トランジスタＱ１〜Ｑ４の各ゲート抵抗値が最大とされ、そのスルーレートが最も遅く設定される。従って、電源投入時の突入電流が効果的に抑えられる。
【００３３】
従って、本実施形態のチャージポンプ回路であれば、電荷転送用トランジスタＱ１〜Ｑ４の電流容量を不要に高める必要がなくなり、延いては、チップ面積を低減することが可能となる。また、本実施形態のチャージポンプ回路であれば、大電流によるラッチアップ特性等についてマージンを稼ぐことができるので、その製造プロセスを幅広く選択することが可能となる。また、本実施形態のチャージポンプ回路を電気機器（例えば、ハードディスクドライブ装置）の負電源装置として搭載すれば、その電源投入時における動作安定性を高めることが可能となる。
【００３４】
一方、チャージポンプ回路の特性を鑑みれば、上記スルーレートはできる限り早い方が良いため、通常時は、トランジスタＱ１〜Ｑ４のゲート抵抗値を下げておくべきである。しかしながら、トランジスタＱ１〜Ｑ４のゲート抵抗値を急激に低下させると、キャパシタＣ１への電流ｉが急上昇してしまい、突入電流を抑制した意味が半減してしまう。
【００３５】
そこで、本実施形態のチャージポンプ回路において、制御部２は、出力電圧Ｖｏがその目標電圧値に近付くにつれて、上記のスルーレートを早めていくように、スルーレート切替部１に指示を送る構成とされている。
【００３６】
より具体的に述べると、制御部２は、出力電圧Ｖｏが所定の第１閾値電圧Ｖｔｈ１まで低下したときに、スルーレート切替部１を構成するスイッチ群のうち、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１２、スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２２、スイッチＳＷ３１〜ＳＷ３２、及び、スイッチＳＷ４１〜４２をオンとし、その余のスイッチをいずれもオフとするように、スルーレート切替部１に指示を送り、また、出力電圧Ｖｏが第１閾値電圧Ｖｔｈ１よりも低い第２閾値電圧Ｖｔｈ２まで低下したときに、スルーレート切替部１を構成する全てのスイッチをオンとするように、スルーレート切替部１に指示を送る構成とされている。
【００３７】
このように、出力電圧Ｖｏの電圧値を監視しながら、トランジスタＱ１〜Ｑ４のゲート抵抗値を段階的に低減していく構成、すなわち、上記スルーレートを段階的に早くしていく構成であれば、通常動作時におけるチャージポンプ回路の特性を変えることなく、その最大電流値を抑えることが可能となる。
【００３８】
なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
【００３９】
例えば、図３に示すように、トランジスタＱ３〜Ｑ４に代えて、ダイオードＤ１〜Ｄ２を用いた構成としても構わない。
【００４０】
また、スルーレート切替部１の可変抵抗手段としては、上記構成に代えて、スイッチトキャパシタ等を用いても構わない。
【００４１】
また、上記実施形態では、本発明を負電圧出力チャージポンプ回路に適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、図４に示すように、正昇圧チャージポンプ回路にも適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、チャージポンプ回路の突入電流を防止する上で有用な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】は、本発明に係るチャージポンプ回路の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】は、スルーレート切替制御の一例を示す図である。
【図３】は、本発明に係るチャージポンプ回路の第２実施形態を示す回路図である。
【図４】は、本発明に係るチャージポンプ回路の第３実施形態を示す回路図である。
【図５】は、チャージポンプ回路の一従来例を示す回路図である。
【図６】は、突入電流発生の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    スルーレート切替部
２    制御部
Ｑ１〜Ｑ４    電荷転送用トランジスタ
Ｃ１    電荷蓄積用キャパシタ
Ｃｏ    出力用キャパシタ
ＤＲＶ１〜ＤＲＶ４    ドライバ
Ｒ１１〜Ｒ１３    抵抗
Ｒ２１〜Ｒ２３    抵抗
Ｒ３１〜Ｒ３３    抵抗
Ｒ４１〜Ｒ４３    抵抗
ＳＷ１１〜ＳＷ１３    スイッチ
ＳＷ２１〜ＳＷ２３    スイッチ
ＳＷ３１〜ＳＷ３３    スイッチ
ＳＷ４１〜ＳＷ４３    スイッチ
Ｄ１〜Ｄ２    ダイオード
【図１】
2007202316.tif 000003
【図２】
2007202316.tif 000004
【図３】
2007202316.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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