(57)【要約】【課題】大負荷時の電流能力を満足させながら、小負荷時の無効電流を削減して、チャージポンプ回路の電力効率を向上させる。【解決手段】２倍昇圧チャージポンプ回路１の出力電圧ＶｏｕｔをＡＤ変換器３でＡＤ変換し、ｎビットのＡＤ変換出力に応じて、発振器４から発生される周波数ｆ０のクロックを分周器５で分周し、その分周出力をクロックＣＬＫとして２倍昇圧チャージポンプ回路１に供給するようにした。例えば、出力電圧Ｖｏｕｔが低いときは、分周器５はそのまま周波数ｆ０のクロックを出力し、出力電圧Ｖｏｕｔが高くなるに従って、ｆ０／２、ｆ０／４、ｆ０／８、・・・というように低周波数のクロックを出力する。【選択図】図１
2007244164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数の電荷転送用ＭＯＳトランジスタと、前記電荷転送用ＭＯＳトランジスタの接続点に結合された結合コンデンサと、前記電荷転送用ＭＯＳトランジスタのオンオフを制御するスイッチング回路とを備え、前記電荷転送用ＭＯＳトランジスタから出力電圧を得るチャージポンプ回路の制御回路において、前記チャージポンプ回路の前記出力電圧をＡＤ変換するＡＤ変換器と、発振器と、前記ＡＤ変換器の出力に応じて前記発振器の出力クロックを分周する分周器とを備え、前記分周器の出力クロックを前記結合コンデンサに印加したことを特徴とするチャージポンプ回路の制御回路。
【請求項２】
直列接続された複数の電荷転送用ＭＯＳトランジスタと、前記電荷転送用ＭＯＳトランジスタの接続点に結合された結合コンデンサと、前記電荷転送用ＭＯＳトランジスタのオンオフを制御するスイッチング回路とを備え、前記電荷転送用ＭＯＳトランジスタから出力電圧を得るチャージポンプ回路の制御回路において、発振器と、外部制御信号に応じて記発振器の出力クロックを分周する分周器とを備え、前記分周器の出力クロックを前記結合コンデンサに印加したことを特徴とするチャージポンプ回路の制御回路。
【請求項３】
直列接続された複数の電荷転送用ＭＯＳトランジスタと、前記電荷転送用ＭＯＳトランジスタの接続点に結合された結合コンデンサと、前記電荷転送用ＭＯＳトランジスタのオンオフを制御するスイッチング回路とを備え、前記電荷転送用ＭＯＳトランジスタから出力電圧を得るチャージポンプ回路の制御回路において、前記出力電圧に応じた電圧と基準電圧の差を増幅する増幅器と、前記増幅器の出力電圧に応じて周波数が制御される電圧制御型発振器と、を備え、前記電圧制御型発振器の出力クロックを前記結合コンデンサに印加したことを特徴とするチャージポンプ回路の制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チャージポンプ回路の制御回路に関し、特にチャージポンプ回路の動作周波数を制御可能なチャージポンプ回路の制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
チャージポンプ回路は入力電圧を昇圧できる回路であり、システム内の単一の電源電圧を用いて、その電源電圧ＶＤＤよりも高い電圧を生成することができる。一般的なチャージポンプ回路は、電荷転送用ＭＯＳトランジスタを直列接続して複数段のポンピングパケットを構成して入力電圧を昇圧する。
【０００３】
図５は２倍昇圧チャージポンプ回路の回路図である。このチャージポンプ回路は、Ｎチャネル型の第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）と、これに直列接続されたＰチャネル型の第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）と、第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）のスイッチングを制御する非反転型の第１のレベルシフト回路ＬＳ１と、第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）のスイッチングを制御する非反転型の第２のレベルシフト回路ＬＳ２と、第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）と第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）の接続端子Ｃ１Ａに一端が接続された結合コンデンサＣ１と、結合コンデンサＣ１の他端が接続された接続端子Ｃ１Ｂにクロックを供給するクロックドライバーＣＤ１とを備えている。クロックドライバーＣＤ１はＮチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ３及びＰチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ４から構成され、クロックドライバーＣＤ１の電源電圧としてＶＤＤが供給されている。
【０００４】
また、第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）のソースには入力電圧としてＶＤＤが供給されている。クロックドライバーＣＤ１にはクロックＣＬＫが入力され、第１及び第２のレベルシフト回路ＬＳ１，ＬＳ２にもクロックＣＬＫが入力されている。
【０００５】
上述のチャージポンプ回路の定常状態の動作について図５及び図６の動作タイミング図を参照して説明する。図５（ａ）はＣＬＫ＝ＶＤＤの期間の動作を示しており、図５（ｂ）はＣＬＫ＝ＶＳＳ（接地電圧）の期間の動作を示している。
【０００６】
図５（ａ）（ＣＬＫ＝ＶＤＤ）の状態において、第１のレベルシフト回路ＬＳ１はこのチャージポンプ回路の出力端子ＯＵＴに現れる出力電圧ＶＢ（＝２ＶＤＤ）を第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）のゲートに出力するので、Ｎチャネル型である第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）はオンする。一方、第２のレベルシフト回路ＬＳ２もこのチャージポンプ回路の出力電圧ＶＢ（＝２ＶＤＤ）を第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）のゲートに出力するので、Ｐチャネル型である第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）はオフする。また、クロックドライバーＣＤ１の出力により、結合コンデンサＣ１が接続された端子Ｃ１Ｂの電圧はＶＳＳとなり、結合コンデンサＣ１は第１の電荷転送用トランジスタＭ１（Ｎ）を通して充電される。
【０００７】
次に、図５（ｂ）（ＣＬＫ＝ＶＳＳ）の状態において、第１のレベルシフト回路ＬＳ１はＶＤＤを第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）のゲートに出力するので、Ｎチャネル型である第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）はオフする。一方、第２のレベルシフト回路ＬＳ２は第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）のゲートにＶＳＳを出力するので、第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）はオンする。
【０００８】
また、クロックドライバーＣＤ１の出力により、結合コンデンサＣ１が接続された接続端子Ｃ１ＢはＶＤＤに遷移し、結合コンデンサＣ１の容量結合効果により、第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）と第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）の接続端子Ｃ１Ａの電圧は２ＶＤＤに昇圧される。そして、結合コンデンサＣ１に充電された電荷が第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）を通して出力端子ＯＵＴに放電される。上記の動作を繰り返すことにより、理想的には出力端子ＯＵＴに出力電圧Ｖｏｕｔとして、ＶＤＤを２倍した２ＶＤＤを得ることができる。
【０００９】
上述のチャージポンプ回路の出力電圧Ｖｏｕｔを負荷に供給する場合、負荷の大きさに応じた出力電流Ｉｏｕｔを供給する能力が必要となる、チャージポンプ回路の出力電流Ｉｏｕｔを増加させるには、次の３つの方法がある。
ａ）結合コンデンサＣ１の静電容量値を増加させる。
ｂ）動作周波数、すなわちクロックＣＬＫの周波数ｆを高くする。
ｃ）第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）と第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）のオン抵抗を低くするために、トランジスタサイズを大きくする。
【００１０】
ａ）の方法はユーザーにとってコスト高となる等の欠点があるため、ｂ），ｃ）の方法を組み合わせることでチャージポンプ回路の電流能力の向上が図られていた。
【特許文献１】特開２００１−２１１６３７号公報
【特許文献２】特開２００６−５０８６９号公報
【特許文献３】特表２００３−５２８５５８号公報
【非特許文献１】「改良された電圧増幅回路技術を用いたＮＭＯＳ集積回路におけるオンチップ高電圧の発生」“On-chip High-Voltage Generation in NMOS Integrated Circuits Using an Improved Voltage Multiplier Technique” アイ・イー・イー・イー  ジャーナル・オブ・ソリッドステート  サーキット  ＳＣ−１１巻  ＮＯ．３  ３７４−３７８頁  １９７６年６月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、電流能力を向上させるためにクロックＣＬＫの周波数ｆを高くすると、第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）、第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）及びクロックドライバーＣＤ１のＮチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ３及びＰチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ４等のＭＯＳトランジスタのゲート寄生容量の充放電電流も増加する。この充放電電流はチャージポンプ回路内で消費される無効電流である。特に、チャージポンプ回路の負荷が小さい時（小負荷時）には、出力電流Ｉｏｕｔに対する無効電流の比率が高くなり、チャージポンプ回路の電力効率が大きく低下するという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、チャージポンプ回路の制御回路において、チャージポンプ回路の出力電圧をＡＤ変換するＡＤ変換器と、発振器と、ＡＤ変換器の出力に応じて発振器の出力クロックを分周する分周器とを備え、分周器の出力クロックを結合コンデンサに印加したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の発明は、チャージポンプ回路の制御回路において、発振器と、外部制御信号に応じて発振器の出力クロックを分周する分周器とを備え、分周器の出力クロックを結合コンデンサに印加したことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３の発明は、チャージポンプ回路の制御回路において、チャージポンプ回路の出力電圧に応じた電圧と基準電圧の差を増幅する増幅器と、増幅器の出力電圧に応じて周波数が制御される電圧制御型発振器と、を備え、電圧制御型発振器の出力クロックを結合コンデンサに印加したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、軽負荷時にはチャージポンプ回路を低周波で動作させ、高負荷時には高周波で動作させるように、クロックの周波数を自動制御しているので、大負荷時の電流能力を満足させながら、小負荷時の無効電流を削減して、チャージポンプ回路の電力効率を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の第１の実施の形態に係るチャージポンプ回路の制御回路について図１を参照しながら説明する。２倍昇圧チャージポンプ回路１は、図５のチャージポンプ回路と同一の回路である。２倍昇圧チャージポンプ回路１の出力電圧Ｖｏｕｔ及び出力電流Ｉｏｕｔは負荷２に供給される。２倍昇圧チャージポンプ回路１の出力電圧Ｖｏｕｔは図２に示すように、出力電流Ｉｏｕｔの増加とともに低下する。これは、出力電流Ｉｏｕｔが増加すると、２倍昇圧チャージポンプ回路１の第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１（Ｎ）、第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２（Ｐ）のオン抵抗により、電圧降下が生じるためである。
【００１７】
したがって、２倍昇圧チャージポンプ回路１の出力電圧Ｖｏｕｔを検出することにより、負荷２の電流負荷の大小を判定することができる。そこで、出力電圧ＶｏｕｔをＡＤ変換器３でＡＤ変換し、ｎビットのＡＤ変換出力に応じて、発振器４から発生される周波数ｆ０のクロックを分周器５で分周し、その分周出力をクロックＣＬＫとして２倍昇圧チャージポンプ回路１に供給するようにした。例えば、出力電圧Ｖｏｕｔが低いときは、分周器５はそのまま周波数ｆ０のクロックを出力し、出力電圧Ｖｏｕｔが高くなるに従って、ｆ０／２、ｆ０／４、ｆ０／８、・・・というように低周波数のクロックを出力する。
【００１８】
すなわち、２倍昇圧チャージポンプ回路１は大負荷時には高周波数のクロックＣＬＫで動作し、小負荷時には低周波数のクロックＣＬＫで動作するように自動制御されるので、大負荷時の電流能力を満足させながら、小負荷時には無効電流を削減して電力効率を向上させることができる。
【００１９】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るチャージポンプ回路の制御回路について図３を参照しながら説明する。第１の実施の形態では、出力電圧ＶｏｕｔをＡＤ変換器３でＡＤ変換し、そのＡＤ変換出力を用いて分周器５を制御しているが、本実施の形態では、２倍昇圧チャージポンプ回路１の外部制御信号を用いて分周器５を制御するようにしたものである。外部制御信号は例えば２ビットのデジタル信号であり、分周器５は、その外部制御信号に応じて、ｆ０、ｆ０／２、ｆ０／４、ｆ０／８という４通りの周波数のクロックＣＬＫを出力する。
【００２０】
したがって、外部制御信号の設定により、大負荷時には高周波数（例えば、周波数ｆ０）のクロックＣＬＫで２倍昇圧チャージポンプ回路１を動作させ、小負荷時には低周波数（例えば、周波数ｆ０／８）のクロックＣＬＫで２倍昇圧チャージポンプ回路１を動作させ、大負荷時の電流能力を満足させながら、小負荷時には無効電流を削減して電力効率を向上させることができる。
【００２１】
次に、本発明の第３の実施の形態に係るチャージポンプ回路の制御回路について図４を参照しながら説明する。第１、第２の実施の形態では、デジタル信号により分周器５，７を制御するデジタル制御方式であるが、本実施の形態は、２倍昇圧チャージポンプ回路１の出力電圧Ｖｏｕｔを用いたアナログ制御方式である。
【００２２】
アナログ増幅器８は出力電圧Ｖｏｕｔをラダー抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧した電圧Ｖｘと基準電圧Ｖｒｅｆとの差を増幅する。このアナログ増幅器８の出力電圧は電圧制御型発振器（ＶＣＯ）９に印加される。すると、電圧制御型発振器９はアナログ増幅器８の出力電圧に応じた周波数のクロックＣＬＫを発生する。このクロックＣＬＫが２倍昇圧チャージポンプ回路１に供給される。したがって、２倍昇圧チャージポンプ回路１は大負荷時には高周波数のクロックＣＬＫで動作し、小負荷時には低周波数のクロックＣＬＫで動作するように自動制御されるので、大負荷時の電流能力を満足させながら、小負荷時には無効電流を削減して電力効率を向上させることができる。
【００２３】
なお、第１、第２、第３の実施の形態において、２倍昇圧チャージポンプ回路１を用いているが、本発明は、２倍昇圧以外のチャージポンプ回路、例えば１．５倍、３倍、４倍のチャージポンプ回路にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るチャージポンプ回路の制御回路のブロック図である。
【図２】チャージポンプ回路の出力電圧Ｖｏｕｔと出力電流Ｉｏｕｔの関係を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るチャージポンプ回路の制御回路のブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係るチャージポンプ回路の制御回路のブロック図である。
【図５】２倍昇圧チャージポンプ回路の回路図である。
【図６】２倍昇圧チャージポンプ回路の動作タイミング図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  ２倍昇圧チャージポンプ回路            ２  負荷
３  ＡＤ変換器        ４  発振器          ５  分周器
６  発振器            ７  分周器          ８  アナログ増幅器
９  電圧制御型発振器（ＶＣＯ）
Ｃ１  結合コンデンサ    Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ  接続端子
ＣＤ１  クロックドライバー    ＣＬＫ  クロック
ＬＳ１  第１のレベルシフト回路
ＬＳ２  第２のレベルシフト回路
Ｍ１（Ｎ）  第１の電荷転送用ＭＯＳトランジスタ
Ｍ２（Ｐ）  第２の電荷転送用ＭＯＳトランジスタ
Ｍ３  Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ
Ｍ４  Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ
Ｒ１，Ｒ２  ラダー抵抗
【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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