(57)【要約】【課題】直列接続方式のチャージポンプ回路における寄生容量による電荷損失を低減する。【解決手段】チャージポンプ回路は複数のポンプ容量とスイッチ回路と複数のプリチャージ回路と制御回路とを有している。複数のポンプ容量はスイッチ回路によって切断可能に直列接続されている。複数のポンプ容量は、複数のプリチャージ回路によってそれぞれプリチャージされる。制御回路は、スイッチ回路およびプリチャージ回路を制御することにより、複数のポンプ容量を直列接続した状態で初段のポンプ容量のプリチャージを開始し、その後に初段のポンプ容量と次段のポンプ容量を切り離して次段のポンプ容量のプリチャージを開始する。【選択図】図１
2012090372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のポンプ容量と、
前記複数のポンプ容量を切断可能に直列接続するスイッチ回路と、
前記複数のポンプ容量をそれぞれプリチャージする複数のプリチャージ回路と、
前記スイッチ回路および前記プリチャージ回路を制御することにより、前記複数のポンプ容量を直列接続した状態で初段のポンプ容量のプリチャージを開始し、その後に前記初段のポンプ容量と次段のポンプ容量を切り離して前記次段のポンプ容量のプリチャージを開始する制御回路と、を有するチャージポンプ回路。
【請求項２】
前記初段のポンプ容量のプリチャージを開始してから前記初段のポンプ容量と前記次段のポンプ容量を切り離すまでの時間は、前記初段のポンプ容量と前記次段のポンプ容量の間にある寄生容量に応じて定められた時間である、請求項１に記載のチャージポンプ回路。
【請求項３】
前記制御回路は、前記初段のポンプ容量と次段のポンプ容量を切り離すと同時に、前記次段のポンプ容量のプリチャージを開始する、請求項１または２に記載のチャージポンプ回路。
【請求項４】
前記制御回路は、前記初段のポンプ容量のプリチャージを開始するとき、前記初段のポンプ容量の上流側の端子をグランドにし、前記初段のポンプ容量と前記次段のポンプ容量を切り離して前記次段のポンプ容量のプリチャージを開始するとき、前記次段のポンプ容量の上流側の端子をグランドにする、請求項１から３のいずれか一項に記載のチャージポンプ回路。
【請求項５】
前記ポンプ容量は３段以上が直列接続されており、
前記制御部は、プリチャージを開始した後に切り離すことを上流側のポンプ容量から順番に１段ずつ行う、請求項１から４のいずれか一項に記載のチャージポンプ回路。
【請求項６】
切り離し可能に直列接続された複数のポンプ容量を有するチャージポンプ回路の制御方法であって、
前記複数のポンプ容量を直列接続した状態で初段のポンプ容量のプリチャージを開始し、
前記初段のポンプ容量と次段のポンプ容量を切り離し、
前記次段のポンプ容量のプリチャージを開始する、チャージポンプ回路の制御方法。
【請求項７】
前記初段のポンプ容量のプリチャージを開始してから前記初段のポンプ容量と前記次段のポンプ容量を切り離すまでの時間は、前記初段のポンプ容量と前記次段のポンプ容量の間にある寄生容量に応じて定められた時間である、請求項６に記載のチャージポンプ回路の制御方法。
【請求項８】
前記初段のポンプ容量と次段のポンプ容量を切り離すと同時に、前記次段のポンプ容量のプリチャージを開始する、請求項６または７に記載のチャージポンプ回路の制御方法。
【請求項９】
前記ポンプ容量は３段以上が直列接続されており、
プリチャージを開始した後に切り離すことを上流側のポンプ容量から順番に１段ずつ行う、請求項６から８のいずれか一項に記載のチャージポンプ回路の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の容量が直列に接続された多段式のチャージポンプ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置には、外部より供給される電源電位よりも高い昇圧電位や、接地電位よりも低い負電位を必要とするものがある。このような半導体装置には、昇圧電位や負電位を生成するためのチャージポンプ回路が設けられる。
【０００３】
チャージポンプ回路は、容量を用いたポンピングによって昇圧を行う電源回路である。複数のポンプ容量を用いることによって大きな昇圧が可能となる。複数のポンプ容量を用いた多段式のチャージポンプ回路は、容量を並列接続するタイプ（並列接続方式）と直列接続するタイプ（直列接続方式）に大別される。
【０００４】
並列接続方式には、寄生容量による電荷損失が少ないため昇圧効率が高いというメリットと、後段のポンプ容量ほど一対の容量電極間に印加される電圧が高くなるため、後段のポンプ容量の容量絶縁膜の耐圧が不足するというデメリットがある。
【０００５】
一方、直列接続方式には、いずれのポンプ容量も一対の容量電極間に印加される電圧が電源電圧と同レベルであるため、容量絶縁膜の耐圧が不足するというような問題が無いというメリットと、寄生容量による電荷損失が大きく、昇圧効率が低いというデメリットがある。
【０００６】
それに対して、寄生容量による電荷損失を改善した直列接続方式のチャージポンプ回路が特許文献１に開示されている。図４は、特許文献１に開示されたチャージポンプ回路の回路図であり、図５は、特許文献１に開示されたチャージポンプ回路の動作波形図である。図４、５に示されているのは、３つのポンプ容量を用いたチャージポンプ回路の例である。
【０００７】
このチャージポンプ回路は、放電時には、トランジスタ９１２、９２２をその順番でオンにすることで３つのポンプ容量９１１、９２１、９３１を順次接続し、その後に出力トランジスタをオンにすることにより、出力ＶＯＵＴへ電流を供給する。ポンプ容量９１１、９２１、９３１を順次接続していくことにより寄生容量での電荷損失を低減している。
【０００８】
また、このチャージポンプ回路は、放電後には、トランジスタ９１２、９２２をオフにすることにより、ポンプ容量９１１、９２１、９３１を互いに切り離し、各ポンプ容量９１１、９２１、９３１を駆動電圧ＶＤＤまで充電する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１３０７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載されたチャージポンプ回路では、図４のポンプ容量９１１、９２１、９３１を切り離すときに、寄生容量に充電されていた電荷が接地電位に捨てられていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のチャージポンプ回路は、複数のポンプ容量と、前記複数のポンプ容量を切断可能に直列接続するスイッチ回路と、前記複数のポンプ容量をそれぞれプリチャージする複数のプリチャージ回路と、前記スイッチ回路および前記プリチャージ回路を制御することにより、前記複数のポンプ容量を直列接続した状態で初段のポンプ容量のプリチャージを開始し、その後に前記初段のポンプ容量と次段のポンプ容量を切り離して前記次段のポンプ容量のプリチャージを開始する制御回路と、を有している。
【００１２】
本発明の方法は、切り離し可能に直列接続された複数のポンプ容量を有するチャージポンプ回路の制御方法であって、前記複数のポンプ容量を直列接続した状態で初段のポンプ容量のプリチャージを開始し、前記初段のポンプ容量と次段のポンプ容量を切り離し、前記次段のポンプ容量のプリチャージを開始するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、上流のポンプ容量を下流のポンプ容量と接続した状態でプリチャージを開始するので、上流のポンプ容量と下流のポンプ容量の間やその更に下流にある寄生容量の電荷を上流のポンプ容量のプリチャージに利用し、昇圧効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態のチャージポンプ回路の構成を示すブロック図である。
【図２】直列容量回路１００ａの構成を示す回路図である。
【図３】制御回路１００ｂから直列容量回路１００ａへの制御信号と、それに応じた直列容量回路１００ａの動作を表すタイミングチャートである。
【図４】特許文献１に開示されたチャージポンプ回路の回路図である。
【図５】特許文献１に開示されたチャージポンプ回路の動作波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態のチャージポンプ回路の構成を示すブロック図である。図１を参照すると、本実施形態のチャージポンプ回路１００は直列容量回路１００ａと制御回路１００ｂを有している。
【００１７】
直列容量回路１００ａは直列接続方式のポンピングを行う回路である。構成および動作の詳細は後述する。制御回路１００ｂは直列容量回路１００ａを制御する回路である。制御の詳細は後述する。
【００１８】
図２は、直列容量回路１００ａの構成を示す回路図である。図２を参照すると、ポンプ容量１１１，１２１，１３１、スイッチ回路１１２，１２２、プリチャージ回路１１３，１２３，１３３、バッファ１０２、および出力スイッチ１０３を有している。
【００１９】
スイッチ回路１１２，１２２はそれぞれトランジスタで構成されている。プリチャージ回路１１３はトランジスタ１１３ａ，１１３ｂで構成され、プリチャージ回路１２３はトランジスタ１２３ａ，１２３ｂで構成されている。ここでは３段のポンプ容量が直列接続された構成を例示するが、本発明がこの構成に限定されるものではない。複数のポンプ容量が直列接続される構成であればよい。
【００２０】
クロック信号ＣＬＫ１，ＣＬＫ１Ｂ，ＣＬＫ１ＰＢ，ＣＬＫ２ＰＢ，ＣＬＫ３は制御回路１００ｂから与えられる制御信号である。各制御信号の遷移と、それに応じた直列容量回路１００ａの各部の動作の詳細は後述する。
【００２１】
ポンプ容量１１１，１２１，１３１は、スイッチ回路１１２，１２２のオンオフによって電気的に接続したり切断したりできるように直列接続されている。
【００２２】
スイッチ回路１１２，１２２は、制御回路１００ｂからクロック信号ＣＬＫ１ＰＢ，ＣＬＫ２ＰＢによってオンオフが制御される。
【００２３】
各ポンプ容量１１１，１２１，１３１には、それぞれプリチャージ回路１１３，１２３，１３３が接続されている。
【００２４】
プリチャージ回路１１３，１２３，１３３は、制御回路１００ｂからのクロック信号ＣＬＫ１ＰＢ，ＣＬＫ２ＰＢ，ＣＬＫ１Ｂに応じてポンプ容量１１１，１２１，１３１をそれぞれプリチャージする。
【００２５】
スイッチ回路１２２がオフすることでポンプ容量１３１とポンプ容量１２１が切断されている間に、プリチャージ回路１２３がポンプ容量１２１をプリチャージする。同様に、スイッチ回路１１２がオフすることでポンプ容量１２１とポンプ容量１１１が切断されている間に、プリチャージ回路１１３がポンプ容量１１１をプリチャージする。
【００２６】
プリチャージ回路１１３は、トランジスタ１１３ａのオンでポンプ容量１１１の下流側の端子に電源電位ＶＤＤを供給し、トランジスタ１１３ｂのオンでポンプ容量１１１の上流側の端子に接地電位ＧＮＤを供給することにより、ポンプ容量１１１をプリチャージする。なお、ここでの上流および下流は放電方向に対する上流および下流をそれぞれ意味している。
【００２７】
同様に、プリチャージ回路１２３は、トランジスタ１２３ａのオンでポンプ容量１２１の下流側の端子に電源電位ＶＤＤを供給し、トランジスタ１２３ｂのオンでポンプ容量１２１の上流側の端子に接地電位ＧＮＤを供給することにより、ポンプ容量１２１をプリチャージする。
【００２８】
プリチャージ回路１３３は、ポンプ容量１３１の上流側の端子にバッファ１０２から接地電位ＧＮＤが供給されているときに、トランジスタがオンしてポンプ容量１３１の下流側の端子に電源電位ＶＤＤを供給することにより、ポンプ容量１３１をプリチャージする。
【００２９】
図３は、制御回路１００ｂから直列容量回路１００ａへの制御信号と、それに応じた直列容量回路１００ａの動作を表すタイミングチャートである。
【００３０】
まず、ポンプ放電時には、制御回路１００ｂは、ポンプ容量１１１，１２１，１３１が全てＶＤＤにプリチャージされた状態から、プリチャージ回路１１３，１２３，１３３によるプリチャージをオフするとともに、スイッチ回路１１２，１２２をオンする。これにより出力ＶＯＵＴには電源電圧ＶＤＤよりも高い昇圧電圧が出力される。
【００３１】
次に、ポンプ充電時には、制御回路１００ｂは、まず、スイッチ回路１１２，１２２をオンしてポンプ容量１１１，１２１，１３１を直列接続した状態で、ノードＧを接地電位ＧＮＤに落としてプリチャージ回路１３３による初段のポンプ容量１３１のプリチャージを開始する。これにより、ポンプ容量１３１とポンプ容量１２１の間の寄生容量Ｃｐに充電されていた電荷と、ポンプ容量１２１より下流の寄生容量Ｃｐに充電されていた電荷が、ポンプ容量１３１に流れ込み、ポンプ容量１３１のプリチャージに寄与する。
【００３２】
その後、所定時間△ｔ１が経過したら、制御回路１００ｂは、スイッチ回路１２２をオフすることでポンプ容量１３１とポンプ容量１２１を切り離す。これにより、ポンプ容量１３１が完全にチャージ状態に入る。
【００３３】
なお、ポンプ容量１３１のプリチャージを開始してからポンプ容量１３１とポンプ容量１２１を切り離すまでの時間△ｔ１は、ポンプ容量１３１とポンプ容量１２１の間にある寄生容量Ｃｐに応じて定めればよい。あるいは、更にポンプ容量１２１より下流の寄生容量Ｃｐを考慮して、時間△ｔ１を定めてもよい。
【００３４】
ポンプ容量１３１とポンプ容量１２１を切り離すのと同時に、制御回路１００ｂは、ポンプ容量１２１とポンプ容量１１１を接続した状態で、ノードＢを接地電位ＧＮＤに落としてプリチャージ回路１２３による次段のポンプ容量１２１のプリチャージを開始する。これにより、ポンプ容量１２１とポンプ容量１１１の間の寄生容量Ｃｐに充電されていた電荷と、ポンプ容量１１１より下流の寄生容量Ｃｐに充電されていた電荷が、ポンプ容量１２１に流れ込み、ポンプ容量１２１のプリチャージに寄与する。
【００３５】
その後、所定時間△ｔ２が経過したら、制御回路１００ｂは、スイッチ回路１１２をオフすることでポンプ容量１２１とポンプ容量１１１を切り離す。これにより、ポンプ容量１２１が完全にチャージ状態に入る。
【００３６】
なお、ポンプ容量１２１のプリチャージを開始してからポンプ容量１２１とポンプ容量１１１を切り離すまでの時間△ｔ２は、ポンプ容量１２１とポンプ容量１１１の間にある寄生容量Ｃｐに応じて定めればよい。あるいは、更にポンプ容量１１１より下流の寄生容量Ｃｐを考慮して、時間△ｔ２を定めてもよい。
【００３７】
ポンプ容量１２１とポンプ容量１１１を切り離すのと同時に、制御回路１００ｂは、ノードＤを接地電位ＧＮＤに落としてプリチャージ回路１１３による最終段のポンプ容量１１１のプリチャージを開始する。
【００３８】
以上、説明したように、本実施形態によれば、上流のポンプ容量を下流のポンプ容量と接続した状態で上流のポンプ容量のプリチャージを開始するので、寄生容量Ｃｐの電荷を上流のポンプ容量のプリチャージに利用し、昇圧効率を向上させることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について述べてきたが、本発明は、この実施形態だけに限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内において、これらの実施形態を組み合わせて使用したり、一部の構成を変更したりしてもよい。
【００４０】
例えば、本実施形態におけるプリチャージのための構成および動作を、特許文献１に記載されているような放電時の動作と組み合わせて使用することもできる。
【００４１】
また、本実施形態では、正の昇圧電位を発生させるチャージポンプ回路を例示したが、本発明がそれに限定されるものではない。本発明は、接地電位よりも低い負電位を発生させるチャージポンプ回路にも同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１００  チャージポンプ回路
１００ａ  直列容量回路
１００ｂ  制御回路
１０２  バッファ
１０３  出力スイッチ
１１１  ポンプ容量
１１２  スイッチ回路
１１３  プリチャージ回路
１１３ａ  トランジスタ
１１３ｂ  トランジスタ
１２１  ポンプ容量
１２２  スイッチ回路
１２３  プリチャージ回路
１２３ａ  トランジスタ
１２３ｂ  トランジスタ
１３１  ポンプ容量
１３３  プリチャージ回路
【図１】
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【図２】
2012090372.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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