(57)【要約】【課題】簡易な構成で入力電圧を任意の正電圧及び負電圧に変換する。【解決手段】電圧変換回路１００は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ５、コイルＬ、制御回路１０を備える。制御回路１０は、第１期間及び第２期間の充電期間において、トランジスタＴｒ１及びＴｒ２をオンさせ、トランジスタＴｒ３、Ｔｒ４、及びＴｒ５をオフさせ、第１期間の放電期間において、トランジスタＴｒ３及びＴｒ４をオンさせ、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ５をオフさせ、第２期間の放電期間において、トランジスタＴｒ２及びＴｒ５をオンさせ、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３、及びＴｒ４をオフさせる。【選択図】図１
2012210063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧が供給される第1端子と、
コイルの一方の端子が接続される第２端子と、
前記コイルの他方の端子が接続される第３端子と、
接地電圧が供給される第４端子と、
正電圧を出力する第５端子と、
負電圧を出力する第６端子と、
前記第１端子と前記第２端子との間に設けられた第１スイッチング素子と、
前記第３端子と前記第４端子との間に設けられた第２スイッチング素子と、
前記第２端子と前記第４端子との間に設けられた第３スイッチング素子と、
前記第３端子と前記第５端子との間に設けられた第４スイッチング素子と、
前記第２端子と前記第６端子との間に設けられた第５スイッチング素子と、
前記正電圧を生成するための第１期間と前記負電圧を生成するための第２期間とで前記第１乃至第５スイッチング素子をオン又はオフに制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記第１期間の充電期間において、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオンさせ、前記第３スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、及び前記第５スイッチング素子をオフさせ、
前記第１期間の充電期間に続く放電期間において、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をオンさせ、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、及び前記第５スイッチング素子をオフさせ、
前記第２期間の充電期間において、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオンさせ、前記第３スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、及び前記第５スイッチング素子をオフさせ、
前記第２期間の充電期間に続く放電期間において、前記第２スイッチング素子及び前記第５スイッチング素子をオンさせ、前記第１スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、及び前記第４スイッチング素子をオフさせる、
ことを特徴とする電圧変換回路。
【請求項２】
前記制御回路は、前記第１期間の放電期間に続く停止期間、及び前記第１期間の放電期間に続く停止期間において、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をオンさせ、前記第１スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、及び前記第５スイッチング素子をオフさせることを特徴とする請求項１に記載の電圧変換回路。
【請求項３】
前記第１期間の放電期間において前記コイルに流れる電流がゼロになったことを検出して第１の検出信号を出力する第１検出部と、
前記第２期間の放電期間において前記コイルに流れる電流がゼロになったことを検出して第２の検出信号を出力する第２検出部とを備え、
前記制御回路は、前記第１の検出信号に基づいて前記第１期間の放電期間を終了し、前記第２の検出信号に基づいて前記第２期間の放電期間を終了する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧変換回路。
【請求項４】
前記第１検出部は、前記第２スイッチング素子又は前記第３スイッチング素子の一方の端子の電圧と他方の端子の電圧を比較する第１のコンパレータであり、
前記第２検出部は、前記第２スイッチング素子又は前記第３スイッチング素子の一方の端子の電圧と他方の端子の電圧を比較する第２のコンパレータである、
ことを特徴とする請求項３に記載の電圧変換回路。
【請求項５】
前記正電圧と目標電圧との差分に応じたパルス幅の第１信号を生成する第１手段と、
前記負電圧と目標電圧との差分に応じたパルス幅の第２信号を生成する第２手段とを備え、
前記制御回路は、前記第１信号に基づいて前記第１期間の充電期間の長さを制御し、前記第２信号に基づいて前記第２期間の充電期間の長さを制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の電圧変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正電圧と負電圧を生成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の正電圧を、より大きな正電圧と負電圧とに変換する電圧変換回路として、チャージポンプを用いるものが知られている。特許文献１には、入力電圧をＶDDとしたとき、２個の容量素子と７個のスイッチング素子とを用いて、＋２ＶDD及び-２ＶDDを出力するチャージポンプ回路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１６５４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の技術では、７個のスイッチング素子を用いるため構成が複雑であり、しかも、これらを適切なタイミングでオン・オフさせる必要があるため、７個のスイッチング素子を制御する制御回路も構成が複雑となる。さらに、チャージポンプ回路から出力される正電圧と負電圧は絶対値を等しくする必要があり、任意の大きさを指定することができないといった問題があった。
以上の事情を考慮して、本発明は、構成を簡素化しつつ、入力電圧から任意の正電圧と負電圧とを生成することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するために本発明が採用する手段を説明する。本発明の電圧変換回路は、入力電圧が供給される第１端子と、コイルの一方の端子が接続される第２端子と、  前記コイルの他方の端子が接続される第３端子と、接地電圧が供給される第４端子と、正電圧を出力する第５端子と、負電圧を出力する第６端子と、前記第１端子と前記第２端子との間に設けられた第１スイッチング素子と、前記第３端子と前記第４端子との間に設けられた第２スイッチング素子と、前記第２端子と前記第４端子との間に設けられた第３スイッチング素子と、前記第３端子と前記第５端子との間に設けられた第４スイッチング素子と、前記第２端子と前記第６端子との間に設けられた第５スイッチング素子と、前記正電圧を生成するための第１期間と前記負電圧を生成するための第２期間とで前記第１乃至第５スイッチング素子をオン又はオフに制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記第１期間の充電期間において、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオンさせ、前記第３スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、及び前記第５スイッチング素子をオフさせ、前記第１期間の充電期間に続く放電期間において、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をオンさせ、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、及び前記第５スイッチング素子をオフさせ、前記第２期間の充電期間において、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオンさせ、前記第３スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、及び前記第５スイッチング素子をオフさせ、前記第２期間の充電期間に続く放電期間において、前記第２スイッチング素子及び前記第５スイッチング素子をオンさせ、前記第１スイッチング素子、前記第３スイッチング素子、及び前記第４スイッチング素子をオフさせる。
【０００６】
この発明によれば、第１期間と第２期間の充電期間では、電流を同じ方向に流して電力をコイルに蓄え、第１期間の放電期間では第５端子から電流を吐き出すことによって正電圧を出力する一方、第２期間の放電期間では第６端子から電流を吸い込むことによって負電圧を出力する。これにより、１個のコイルと５個のスイッチング素子によって、正電圧と負電圧の双方を出力することができる。よって、従来の技術よりも構成が簡素化され、スッチング素子などを減らすことができる。また、スイッチング素子を制御する制御回路の構成を簡素化できる。さらに、第１期間の充電期間及び放電期間の長さと、第２期間の充電期間及び放電期間の長さを独立して制御することによって、正電圧の絶対値と負電圧の絶対値を独立して設定することが可能となる。
【０００７】
この発明の好ましい態様として、前記制御回路は、前記第１期間の放電期間に続く停止期間、及び前記第１期間の放電期間に続く停止期間において、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をオンさせ、前記第１スイッチング素子、前記第４スイッチング素子、及び前記第５スイッチング素子をオフさせてもよい。この場合には、停止期間において、コイルに蓄えられた電力をゼロにするので、次の充電期間にコイルに電力が残っていることがない。このため、正確に正電圧の大きさと負電圧の大きさを制御することができる。
【０００８】
この発明の好ましい形態として、前記第１期間の放電期間において前記コイルに流れる電流がゼロになったことを検出して第１の検出信号を出力する第１検出部と、前記第２期間の放電期間において前記コイルに流れる電流がゼロになったことを検出して第２の検出信号を出力する第２検出部とを備え、前記制御回路は、前記第１の検出信号に基づいて前記第１期間の放電期間を終了し、前記第２の検出信号に基づいて前記第２期間の放電期間を終了させてもよい。この場合には、コイル電流の大きさを検知して放電期間を終了させるので、コイルに蓄えられた電力を効率良く出力することができる。
【０００９】
より具体的には、前記第１検出部は、前記第２スイッチング素子又は前記第３スイッチング素子の一方の端子の電圧と他方の端子の電圧を比較する第１のコンパレータであり、  前記第２検出部は、前記第２スイッチング素子又は前記第３スイッチング素子の一方の端子の電圧と他方の端子の電圧を比較する第２のコンパレータであることが好ましい。
【００１０】
この発明の好ましい形態として、前記正電圧と目標電圧との差分に応じたパルス幅の第１信号を生成する第１手段と、前記負電圧と目標電圧との差分に応じたパルス幅の第２信号を生成する第２手段とを備え、前記制御回路は、前記第１信号に基づいて前記第１期間の充電期間の長さを制御し、前記第２信号に基づいて前記第２期間の充電期間の長さを制御してもよい。この発明によれば、第１信号のパルス幅と第２信号のパルス幅は独立して制御されるので、任意の大きさの正電圧と負電圧とを出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る電圧変換回路のブロック図である。
【図２】各信号のタイミングチャートである。
【図３】第１期間及び第２期間の充電期間におけるトランジスタのオン・オフを説明するための説明図である。
【図４】第１期間の放電期間におけるトランジスタのオン・オフを説明するための説明図である。
【図５】第１期間及び第２期間の停止期間におけるトランジスタのオン・オフを説明するための説明図である。
【図６】第２期間の放電期間におけるトランジスタのオン・オフを説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る電圧変換回路１００のブロック図である。電圧変換回路１００は、端子１と端子Ｔ４との間に供給される入力電圧ＶDDを変換して、正電圧Ｖｐを端子Ｔ５から出力する一方、負電圧Ｖｎを端子Ｔ６から出力する電源回路（ＤＣ-ＤＣコンバータ）である。直流電源回路２０は端子Ｔ１と端子Ｔ４との間に入力電圧ＶDDを供給する。端子Ｔ４は接地される。また、端子Ｔ１と端子Ｔ４との間に設けられた容量素子２１は、入力電圧ＶDDを平滑化するものである。端子Ｔ７には基準電圧Ｖrefが供給され、端子Ｔ８にはクロック信号ＣＬＫが供給される。さらに、容量素子２２が端子Ｔ５に接続され、容量素子２３が端子Ｔ６に接続される。容量素子２２及び２３は正電圧Ｖｐ及び正電圧Ｖｎを平滑化するために用いられる。
【００１３】
電圧変換回路１００は、スイッチング素子として機能するＰチャネルのトランジスタＴｒ１及びＴｒ４と、ＮチャネルのトランジスタＴｒ２、Ｔｒ３、及びＴｒ５とを備える。これらは、制御回路１０が生成する制御信号Ｓ１〜Ｓ５によってオン・オフが制御される。トランジスタＴｒ１は、端子Ｔ１と端子Ｔ２との間に設けられ、入力電圧ＶDDをコイルＬの一方の端子に供給するか否かを制御する。トランジスタＴｒ２は、端子Ｔ３と端子Ｔ４との間に設けられ、コイルＬの他方の端子を接地するか否かを制御する。トランジスタＴｒ３は、端子Ｔ２と端子Ｔ４との間に設けられ、コイルＬの一方の端子を接地するか否かを制御する。トランジスタＴｒ４は、端子Ｔ３と端子Ｔ５との間に設けられ、正電圧Ｖｐを出力するか否かを制御する。トランジスタＴｒ５は、端子Ｔ２と端子Ｔ６との間に設けられ、負電圧Ｖｎを出力するか否かを制御する。
【００１４】
コンパレータ１２（第２検出部）は、トランジスタＴｒ２に並列に設けられており、コイル電流ＩLがゼロになると、ハイレベルからローベルに切り替わる検出信号Ｘ２を生成して制御回路１０に供給する。コンパレータ１３（第１検出部）は、トランジスタＴｒ３と並列に設けられており、コイル電流ＩLがゼロになると、ハイレベルからローベルに切り替わる検出信号Ｘ１を生成して制御回路１０に供給する。
【００１５】
また、三角波発生回路１１はクロック信号ＣＬＫに同期して三角波信号Ｖrampを生成する。アンプ１５は正電圧Ｖｐと基準電圧Ｖrefとの差分に基づいて誤差信号Ｅrr1を生成し、アンプ１６は負電圧Ｖｎと基準電圧Ｖrefとの差分に基づいて誤差信号Ｅrr2を生成する。コンパレータ１７は、三角波信号Ｖrampと誤差信号Ｅrr1とを比較してＰＷＭ信号Ｐ１を生成し制御回路１０に出力する。コンパレータ１８は、三角波信号Ｖrampと誤差信号Ｅrr2とを比較してＰＷＭ信号Ｐ２を生成し制御回路１０に出力する。
【００１６】
制御回路１０は、検出信号Ｘ１及びＸ２、クロック信号ＣＬＫ、並びにＰＷＭ信号Ｐ１及びＰ２に基づいて、制御信号Ｓ１〜Ｓ５を生成する。以上の構成において、ＰＷＭ信号Ｐ１のパルス幅が長くなる程、正電圧Ｖｐは大きくなり、ＰＷＭ信号Ｐ２のパルス幅が長くなる程、負電圧Ｖｎの絶対値は大きくなる。ＰＷＭ信号Ｐ１とＰＷＭ信号Ｐ２とは、三角波信号Ｖrampと誤差信号Ｅrr1及びＥrr2を比較して生成されるので、アンプ１６及び１７のゲインを調整することによって、正電圧Ｖｐと負電圧Ｖｎの大きさを設定することができる。
【００１７】
次に、電圧変換回路１００の動作を説明する。電圧変換回路１００の動作は、正電圧Ｖｐを生成する第１期間Ｔａと、負電圧Ｖｎを生成する第２期間Ｔｂに大別され、さらに、第１期間Ｔａと第２期間Ｔｂとの各々が充電期間、放電期間、及び停止期間に分けられる。図２は、電圧変換回路の各部の波形を示すタイミングチャートであり、図３〜図６は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ５のオン・オフを説明するために説明図である。
【００１８】
図２に示すように、クロック信号ＣＬＫは、第１期間Ｔａ及び第２期間Ｔｂの開始でハイレベルとなる。三角波発生回路１１はクロック信号ＣＬＫの立ち上がりに同期して、三角波信号Ｖrampのレベルをリセットする。ＰＷＭ信号Ｐ１は誤差信号Err1に応じた期間だけアクティブ（ハイレベル）となり、ＰＷＭ信号Ｐ２は誤差信号Err2に応じた期間だけアクティブ（ハイレベル）となる。制御回路１０はＰＷＭ信号Ｐ１がアクティブとなる期間を第１期間Ｔａの充電期間とし、ＰＷＭ信号Ｐ１がアクティブとなる期間を第２期間Ｔｂの充電期間とする。
【００１９】
まず、第１期間Ｔａの充電期間では、制御回路１０は制御信号Ｓ１及びＳ２をアクティブとし、制御信号Ｓ３〜Ｓ５を非アクティブとする。この結果、図３に示すようにトランジスタＴｒ１及びＴｒ２がオンし、トランジスタＴｒ３〜Ｔｒ５がオフする。充電期間では、直流電源回路２０→端子Ｔ１→トランジスタＴｒ１→端子Ｔ２→コイルＬ→端子Ｔ３→トランジスタＴｒ２→端子Ｔ４→接地といった経路で電流が流れる。このとき、コイルＬの一方の端子の電圧である第１電圧Ｖ１は接地を基準として正の電圧となり、コイルＬの他方の電圧である第２電圧Ｖ２は接地電圧（ＧＮＤ）となる。充電期間では、トランジスタＴｒ１を介して電流ＩLがコイルＬに流れ込み、これによって、コイルＬに流れる電流ＩLは次第に大きくなり、コイルＬに電力が蓄えられる。
【００２０】
次に、第１期間Ｔａの放電期間は、充電期間の終了から開始され、検出信号Ｘ１の立ち下がりＥ１で終了する。上述したように検出信号Ｘ１は、コイル電流ＩLがゼロになると、ハイレベルからローベルに切り替わる。したがって、第１期間Ｔａの放電期間は、充電期間の終了からコイル電流ＩLがゼロになるまでの期間となる。第１期間Ｔａの放電期間において、制御回路１０は制御信号Ｓ３及びＳ４をアクティブとし、制御信号Ｓ１、Ｓ２、及びＳ５を非アクティブとする。この結果、図４に示すようにトランジスタＴｒ３及びＴｒ４がオンし、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及びＴｒ５がオフする。放電期間では、接地→端子Ｔ４→トランジスタＴｒ３→端子Ｔ２→コイルＬ→端子Ｔ３→トランジスタＴｒ４→端子Ｔ５といった経路で電流が流れる。このとき、コイルＬの他方の端子の電圧である第２電圧Ｖ２は接地を基準として正の電圧となり、コイルＬの一方の電圧である第１電圧Ｖ１は接地電圧（ＧＮＤ）となる。第１期間Ｔａの放電期間では、第２電圧Ｖ２がトランジスタＴｒ４を介して端子Ｔ５から正電圧Ｖｐとして出力される。正電圧Ｖｐは、第１期間Ｔａの充電期間にコイルＬに蓄えられた電力によって生成される。
【００２１】
次に、第１期間Ｔａの停止期間は、放電期間の終了から開始されクロック信号ＣＬＫがハイレベルになると終了する。当該期間において、制御回路１０は制御信号Ｓ２及びＳ３をアクティブとし、制御信号Ｓ１、Ｓ４、及びＳ５を非アクティブとする。この結果、図５に示すようにトランジスタＴｒ２及びＴｒ３がオンし、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ４、及びＴｒ５がオフする。停止期間では、端子Ｔ２及び端子Ｔ３がいずれも接地される。したがって、コイルＬの第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２は接地電圧となる。
【００２２】
次に、第２期間Ｔｂの充電期間及び停止期間は、第１期間Ｔａの充電期間及び停止期間と同様に動作する。
次に、第２期間Ｔｂの放電期間は、充電期間の終了から開始され、検出信号Ｘ２の立ち下がりＥ２で終了する。上述したように検出信号Ｘ２は、コイル電流ＩLがゼロになると、ハイレベルからローベルに切り替わる。したがって、第２期間Ｔｂの放電期間は、充電期間の終了からコイル電流ＩLがゼロになるまでの期間となる。
第２期間Ｔｂの放電期間において、制御回路１０は制御信号Ｓ２及びＳ５をアクティブとし、制御信号Ｓ１、Ｓ３、及びＳ４を非アクティブとする。この結果、図６に示すようにトランジスタＴｒ２及びＴｒ５がオンし、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３、及びＴｒ４がオフする。放電期間では、端子Ｔ６→トランジスタＴｒ５→端子Ｔ２→コイルＬ→端子Ｔ３→トランジスタＴｒ２→端子Ｔ４→接地といった経路で電流が流れる。即ち、端子Ｔ６から吸い込む方向に電流が流れる。このとき、コイルＬの一方の端子の電圧である第１電圧Ｖ１は接地を基準として負の電圧となり、コイルＬの他方の電圧である第２電圧Ｖ２は接地電圧（ＧＮＤ）となる。第２期間Ｔｂの放電期間では、第１電圧Ｖ１がトランジスタＴｒ５を介して端子Ｔ６から負電圧Ｖｎとして出力される。負電圧Ｖｎは、第２期間Ｔｂの充電期間にコイルＬに蓄えられた電力によって生成される。
【００２３】
以上説明したように本実施形態よれば、コイルＬに蓄積された電力を放電する際に、コイルＬに充電期間と同じ方向に電流を流しつつ、電流経路を切り替えて、正電圧Ｖｐを出力する場合には電流を吐き出す一方、負電圧Ｖｎを出力する場合には電流を吸い込むようにしたので正負の電圧を１個のコイルＬを用いて生成することができる。また、従来のチャージポンプと比較して、トランジスタの個数を削減することができる。くわえて、本実施形態によれば正電圧Ｖｐと負電圧Ｖｎとの大きさを独立して設定することが可能となる。
【００２４】
＜変形例＞
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に述べる変形が可能である。
（１）上述した実施形態では、第１期間Ｔａの放電期間におけるコイル電流ＩLがゼロになったか否かをコンパレータ１３で検出したが、本発明はこれに限定されるものではなく、コイル電流ＩLがモニタできるのであればどのような手段を用いてもよい。要は、コイル電流ＩLが流れる電流経路にコイル電流ＩLを検出する検出部を設ければよい。例えば、トランジスタＴｒ４と並列にコンパレータ１３を設けてもよい。
【００２５】
（２）上述した実施形態では、第２期間Ｔｂの放電期間におけるコイル電流ＩLがゼロになったか否かをコンパレータ１２で検出したが、本発明はこれに限定されるものではなく、コイル電流ＩLがモニタできるのであればどのような手段を用いてもよい。要は、コイル電流ＩLが流れる電流経路にコイル電流ＩLを検出する検出部を設ければよい。例えば、トランジスタＴｒ５と並列にコンパレータ１２を設けてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１００……電圧変換回路、Ｔ１〜Ｔ８……端子、ＴR1〜ＴR5……トランジスタ、Ｌ……コイル、１０……制御回路、１１……三角波発生回路、１２，１３，１７，１８……コンパレータ、１５，１６……アンプ、２０……直流電源回路、２１〜２３……容量素子、Ｓ１〜Ｓ５……制御信号、Ｖ１……第１電圧、Ｖ２……第２電圧。
【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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