(57)【要約】  一実施形態では、回路は電荷ポンプを備える。利得制御回路は、入力電圧を検出することと、電荷ポンプの出力電圧を電圧範囲に維持するために、電荷ポンプの利得を変更するために利得制御信号を生成することとを行うように構成される。電圧周波数変換器は、入力電圧を検出することと、電荷ポンプの出力電圧が電圧範囲に維持されるように、電荷ポンプに印加される周波数制御信号の周波数を周波数範囲に維持するために、検出された入力電圧中に基づいて周波数を変更することとを行うように構成される。【選択図】図１
2017514444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷ポンプと、
入力電圧を検出することと、前記電荷ポンプの前記出力電圧を電圧範囲に維持するために、前記電荷ポンプの利得を変更するために利得制御信号を生成することとを行うように構成された利得制御回路と、
前記入力電圧を検出することと、前記電荷ポンプの前記出力電圧が前記電圧範囲に維持されるように、前記電荷ポンプに印加される周波数制御信号の周波数を周波数範囲に維持するために前記検出された入力電圧中に基づいて前記周波数を変更することとを行うように構成された電圧周波数変換器と
を備える、回路。
【請求項２】
前記電荷ポンプは、前記電荷ポンプの入力と前記電荷ポンプの出力との間の電荷を結合する複数のキャパシタを含み、前記利得制御信号は、前記電荷を結合するキャパシタの数を構成し、前記利得制御回路は、前記制御信号の前記周波数の増加に基づいて電荷を結合するキャパシタの数を低減することによって前記電荷ポンプの前記利得を変更するようにさらに構成される、
請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記利得制御回路は、前記電荷ポンプの入力と前記電荷ポンプの出力との間の電荷を結合する前記電荷ポンプのキャパシタの数を変更することによって前記電荷ポンプの前記利得を変更するようにさらに構成される、
請求項１に記載の回路。
【請求項４】
前記利得制御回路は、前記入力電圧に基づいて前記電荷ポンプ中のキャパシタの選択を制御するための前記電荷ポンプ中のスイッチの選択を制御するためにデジタル信号を生成するように構成されたアナログデジタル変換器である、
請求項１に記載の回路。
【請求項５】
前記電圧周波数変換器は、前記検出された入力電圧の前記変化に応答してクロック信号を前記周波数制御信号として生成するように構成された電圧制御発振器である、
請求項１に記載の回路。
【請求項６】
前記電荷ポンプ中への入力電流を検出するように構成された電流検出器をさらに備え、前記電圧周波数変換器は、前記検出された入力電流に基づいて前記制御信号の前記周波数を変更するようにさらに構成される、
請求項１に記載の回路。
【請求項７】
前記電荷ポンプの入力に結合された電流源と、
前記電流源と接地との間に結合された電流シンクと、
前記電流源からの電流を検出するように構成された電流検出器と
をさらに備え、
前記電圧周波数変換器は、前記電荷ポンプへの入力電流を、前記電流源からの前記電流にほぼ等しくさせるように、前記検出された入力電流に基づいて前記制御信号の前記周波数を変更するようにさらに構成された、
請求項１に記載の回路。
【請求項８】
入力電圧を受信するための入力を含み、前記入力電圧に基づいて出力電圧を与えるための出力を有する電荷ポンプ、前記電荷ポンプは、利得制御信号に応答して選択可能な利得を有し、周波数制御信号に応答して利得を有する、と、
前記入力電圧を検出することと、前記電荷ポンプの前記出力電圧を電圧範囲に維持するために、前記電荷ポンプの前記利得を選択するために前記利得制御信号を生成することとを行うように構成された利得制御回路と、
前記入力電圧を検出することと、前記電荷ポンプの前記出力電圧が前記電圧範囲に維持されるように前記周波数を周波数範囲に維持するために前記周波数制御信号を生成することとを行うように構成された周波数制御回路と
を備える、回路。
【請求項９】
前記電荷ポンプは、前記電荷ポンプの前記入力と前記電荷ポンプの前記出力との間の電荷を結合する複数のキャパシタを含み、前記利得制御信号は、前記電荷を結合するキャパシタの数を構成し、前記利得制御回路は、前記制御信号の前記周波数の増加に基づいて電荷を結合するキャパシタの数を低減することによって前記電荷ポンプの前記利得を変更するようにさらに構成される、
請求項８に記載の回路。
【請求項１０】
前記利得制御回路は、前記電荷ポンプの前記入力と前記電荷ポンプの前記出力との間の電荷を結合する前記電荷ポンプのキャパシタの数を変更することによって前記電荷ポンプの前記利得を変更するようにさらに構成される、
請求項８に記載の回路。
【請求項１１】
前記利得制御回路は、前記入力電圧に基づいて前記電荷ポンプ中のキャパシタの選択を制御するための前記電荷ポンプ中のスイッチの選択を制御するためにデジタル信号を生成するように構成されたアナログデジタル変換器である、
請求項８に記載の回路。
【請求項１２】
前記周波数制御回路は、前記検出された入力電圧の変化に応答してクロック信号を前記周波数制御信号として生成するように構成された電圧制御発振器である、
請求項８に記載の回路。
【請求項１３】
前記電荷ポンプ中への入力電流を検出するように構成された電流検出器をさらに備え、前記周波数制御回路は、前記検出された入力電流に基づいて前記周波数制御信号の前記周波数を変更するようにさらに構成される、
請求項８に記載の回路。
【請求項１４】
前記電荷ポンプの前記入力に結合された電流源と、
前記電流源と接地との間に結合された電流シンクと、
前記電流源からの電流を検出するように構成された電流検出器と
をさらに備え、
前記周波数制御回路は、前記電荷ポンプへの入力電流を、前記電流源からの前記電流にほぼ等しくさせるように、前記検出された入力電流に基づいて前記周波数制御信号の前記周波数を変更するようにさらに構成される、
請求項８に記載の回路。
【請求項１５】
電荷ポンプの利得と、周波数と、出力電圧とを制御するために入力電圧を検出することと、
前記電荷ポンプの前記出力電圧を電圧範囲に維持するために前記電荷ポンプの前記利得を変更することと、
前記電荷ポンプの前記出力電圧が前記電圧範囲に維持されるように、前記電荷ポンプに印加される制御信号の周波数を周波数範囲に維持するために前記検出された入力電圧に基づいて前記周波数を変更することと
を備える、方法。
【請求項１６】
前記電荷ポンプの前記利得を変更することは、前記制御信号の前記周波数の増加に基づいて前記電荷ポンプの入力と前記電荷ポンプの出力との間の電荷を結合するキャパシタの数を低減することを含む、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電荷ポンプの前記利得を変更することは、前記電荷ポンプの入力と前記電荷ポンプの出力との間の電荷を結合するキャパシタの数を変更することを含む、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記電荷ポンプ中への入力電流を検出することと、
前記検出された入力電流に基づいて前記制御信号の前記周波数を変更することと
をさらに備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記電荷ポンプの入力に電流を供給することと、
前記電流源から接地に電流シンクをシンクすることと、
前記電流源からの電流を検出することと、
前記電荷ポンプへの入力電流を、前記電流源からの前記電流にほぼ等しくさせるように、前記検出された入力電流に基づいて前記制御信号の前記周波数を変更することと
をさらに備える、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
[0001]本出願は、その内容の全体がすべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる、２０１４年４月２４日に出願された「CHARGE PUMPS HAVING VARIABLE GAIN AND VARIABLE FREQUENCY」と題する米国出願第１４／２６０，６５８号の優先権を主張する。
【０００２】
[0002]本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１４年４月２４日に出願された「CHARGE-RECYCLING CIRCUITS」と題する米国特許出願第１４／２６０，５９２号、および２０１４年４月２４日に出願された「CHARGE-RECYCLING CIRCUITS INCLUDING SWITCHING POWER STAGES WITH FLOATING RAILS」と題する米国特許出願第１４／２６０，７３３号に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]本開示は電荷ポンプに関し、詳細には、可変利得と可変周波数とを有する電荷ポンプに関する。
【０００４】
[0004]本明細書で別段に規定されていない限り、このセクションで説明する手法は、このセクションに含めることによって従来技術であると認められるものではない。
【０００５】
[0005]電荷ポンプは、電子システム中の電圧を調節するためにしばしば使用される。電荷ポンプへの入力電圧の変動は、電荷ポンプと、電荷ポンプによって駆動されるシステムとの効率に影響を及ぼす。電荷ポンプの様々なフィードバックシステムが、電荷ポンプの出力を検出し、電荷ポンプを制御するために提案されている。
【発明の概要】
【０００６】
[0006]本開示は、可変利得と可変周波数とを有する電荷ポンプに関する。
【０００７】
[0007]一実施形態では、本開示は回路を含む、電荷ポンプを備える。利得制御回路は、入力電圧を検出することと、電荷ポンプの出力電圧を電圧範囲に維持するために、電荷ポンプの利得を変更するために利得制御信号を生成することとを行うように構成される。電圧周波数変換器は、入力電圧を検出することと、電荷ポンプの出力電圧が電圧範囲に維持されるように、電荷ポンプに印加される周波数制御信号の周波数を周波数範囲に維持するために、検出された入力電圧中に基づいて周波数を変更することとを行うように構成される。
【０００８】
[0008]一実施形態では、電荷ポンプは、電荷ポンプの入力と電荷ポンプの出力との間の電荷を結合する複数のキャパシタを含む。利得制御信号は、電荷を結合するキャパシタの数を構成する。利得制御回路は、制御信号の周波数の増加に基づいて電荷を結合するキャパシタの数を低減することによって電荷ポンプの利得を変更するようにさらに構成される。
【０００９】
[0009]一実施形態では、利得制御回路は、電荷ポンプの入力と電荷ポンプの出力との間の電荷を結合する電荷ポンプのキャパシタの数を変更することによって電荷ポンプの利得を変更するようにさらに構成される。
【００１０】
[0010]一実施形態では、利得制御回路は、入力電圧に基づいて電荷ポンプ中のキャパシタの選択を制御するための電荷ポンプ中のスイッチの選択を制御するためにデジタル信号を生成するように構成されたアナログデジタル変換器である。
【００１１】
[0011]一実施形態では、電圧周波数変換器は、検出された入力電圧の変化に応答してクロック信号を周波数制御信号として生成するように構成された電圧制御発振器である。
【００１２】
[0012]一実施形態では、回路は、電荷ポンプ中への入力電流を検出するように構成された電流検出器をさらに備える。電圧周波数変換器は、検出された入力電流に基づいて制御信号の周波数を変更するようにさらに構成される。
【００１３】
[0013]一実施形態では、回路は、電荷ポンプの入力に結合された電流源と、電流源と接地との間に結合された電流シンクと、電流源からの電流を検出するように構成された電流検出器とをさらに備える。電圧周波数変換器は、電荷ポンプへの入力電流を、電流源からの電流にほぼ等しくさせるように、検出された入力電流に基づいて制御信号の周波数を変更するようにさらに構成される。
【００１４】
[0014]一実施形態では、本開示は、入力電圧を受信するための入力を含み、入力電圧に基づいて出力電圧を与えるための出力を有する電荷ポンプを備える回路を含む。電荷ポンプは、利得制御信号に応答して選択可能な利得を有し、周波数制御信号に応答して利得を有する。利得制御回路は、入力電圧を検出することと、電荷ポンプの出力電圧を電圧範囲に維持するために、電荷ポンプの利得を選択するために利得制御信号を生成することとを行うように構成される。周波数制御回路は、入力電圧を検出することと、電荷ポンプの出力電圧が電圧範囲に維持されるように周波数を周波数範囲に維持するために周波数制御信号を生成することとを行うように構成される。
【００１５】
[0015]一実施形態では、本開示は、電荷ポンプの利得と、周波数と、出力電圧とを制御するために入力電圧を検出することと、電荷ポンプの出力電圧を電圧範囲に維持するために電荷ポンプの利得を変更することと、電荷ポンプの出力電圧が電圧範囲に維持されるように、電荷ポンプに印加される制御信号の周波数を周波数範囲に維持するために検出された入力電圧に基づいて周波数を変更することとを備える方法を含む。
【００１６】
[0016]一実施形態では、電荷ポンプの利得を変更することは、制御信号の周波数の増加に基づいて電荷ポンプの入力と電荷ポンプの出力との間の電荷を結合するキャパシタの数を低減することを含む。
【００１７】
[0017]一実施形態では、電荷ポンプの利得を変更することは、電荷ポンプの入力と電荷ポンプの出力との間の電荷を結合するキャパシタの数を変更することを含む。
【００１８】
[0018]一実施形態では、本方法は、電荷ポンプ中への入力電流を検出することと、検出された入力電流に基づいて制御信号の周波数を変更することとをさらに備える。
【００１９】
[0019]一実施形態では、本方法は、電荷ポンプの入力に電流を供給することと、電流源から接地に電流シンクをシンクすることと、電流源からの電流を検出することと、電荷ポンプへの入力電流を、電流源からの電流にほぼ等しくさせるように、検出された入力電流に基づいて制御信号の周波数を変更することとをさらに備える。
【００２０】
[0020]以下の発明を実施するための形態および添付の図面は、本開示の性質と利点とのより良い理解を与える。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
[0021]次に続く説明、および特に図面に関して、示される詳細は例示的な説明のための例を表しており、本開示の原理および概念的態様の説明を与えるために提示されることが強調される。この点について、本開示の基本的な理解のために必要とされるもの以外に、実装の詳細を示すための試みは行われない。次に続く説明は、図面とともに、本開示による実施形態がどのように実施され得るかを、当業者に明らかにする。
【図１】一実施形態による、電荷ポンプシステムのブロック図。
【図２】第２の実施形態による、電荷ポンプシステムのブロック図。
【図３】第３の実施形態による、電荷ポンプシステムのブロック図。
【図４】第４の実施形態による、電荷ポンプシステムのブロック図。
【図５】第５の実施形態による、電圧制御発振器のブロック図。
【図６】一実施形態による、電圧制御発振器のブロック図。
【図７】一実施形態による、電荷ポンプシステムの簡略タイミング図。
【図８】一実施形態による、電荷ポンプシステムを制御するプロセスフローの簡略図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
[0030]以下の説明では、説明の目的で、本開示の完全な理解を与えるために多数の例および具体的な詳細を記載する。ただし、特許請求の範囲において表される本開示は、単独で、または以下で説明する他の特徴との組合せで、これらの例における特徴の一部または全部を含み得、本明細書で説明する特徴と概念との変更形態と等価物とをさらに含み得ることが当業者には明らかであろう。
【００２３】
[0031]図１に、一実施形態による、電荷ポンプシステム１００のブロック図を示す。電荷ポンプシステム１００は、可変周波数／可変利得電荷ポンプ１０２と、利得制御回路１０４と、電圧周波数変換器１０６とを備える。
【００２４】
[0032]電荷ポンプシステム１００は、電圧レギュレータまたは電流レギュレータまたはその両方として動作することができる。いくつかの実施形態では、電荷ポンプシステム１００は、入力電圧Ｖ（ＩＮ）から出力電圧Ｖ（ＯＵＴ）を与える。電荷ポンプシステム１００はフィードフォワード制御システムとして動作する。電荷ポンプ１０２は出力電圧Ｖ（ＯＵＴ）を第１の範囲に維持するが、入力電圧Ｖ（ＩＮ）は（たとえば、リップルにより）第２の範囲にわたって変動する。第１の範囲は、出力電圧Ｖ（ＯＵＴ）が実質的に一定であるように狭くなることができる。入力電圧Ｖ（ＩＮ）はまた、電圧周波数変換器１０６（たとえば、電圧制御発振器）に入力として与えられる。入力電圧Ｖ（ＩＮ）が低い値から高い値に変動するにつれて（すなわち、入力電圧Ｖ（ＩＮ）が増加するにつれて）、電圧周波数変換器１０６からのクロック信号の周波数も増加する。周波数の増加は、出力電圧Ｖ（ＯＵＴ）を公称値から変動させる傾向がある電荷ポンプ１０２の利得の対応する増加を引き起こす。しかしながら、周波数／入力電圧Ｖ（ＩＮ）の増加による電荷ポンプ１０２の利得の増加は、入力電圧Ｖ（ＩＮ）を同じく受信する利得制御回路１０４を使用して電荷ポンプ１０２の利得を選択的に低減することによってオフセットされ得る。たとえば、利得は、電荷ポンプ１０２において動作可能であるキャパシタの数を低減することによって低減され得る。
【００２５】
[0033]したがって、入力電圧Ｖ（ＩＮ）が低い値から高い値に変動するにつれて、出力電圧Ｖ（ｏｕｔ）は、入力電圧Ｖ（ＩＮ）の増加と、入力電圧Ｖ（ＩＮ）の増加によって引き起こされる利得の増加とをオフセットするために電荷ポンプ１０３中のキャパシタの数を低減することによって、制限された範囲内に維持され得る。
【００２６】
[0034]電荷ポンプシステム１００がフィードフォワードシステムとして動作するので、入力電圧Ｖ（ＩＮ）は、出力電圧Ｖ（ＯＵＴ）の範囲を制限する範囲に電圧周波数変換器１０６の周波数を保つ範囲にあるべきである。
【００２７】
[0035]図２に、一実施形態による、電荷ポンプシステム２００のブロック図を示す。電荷ポンプシステム２００は、システム１００の例示的な一実装形態である。電荷ポンプシステム２００は、電荷ポンプ２０２と、電圧制御発振器（ＶＣＯ：voltage controlled oscillator）２０４と、レベルセンス回路２０６と、入力センス回路２０８とを備える。電荷ポンプ２０２は、スイッチ制御マルチプレクサ２１０と、複数のキャパシタ２１２と、複数のスイッチＳ１Ｉ、Ｓ２Ｉ、Ｓ３Ｉ、Ｓ１Ｇ、Ｓ２Ｇ、Ｓ３Ｇ、Ｓ１Ｏ、Ｓ２Ｏ、Ｓ３Ｏ、Ｓ１Ｘ、Ｓ２Ｘ、およびＳ３Ｘとを備える。
【００２８】
[0036]電荷ポンプシステム２００はフィードフォワード制御システムとして動作する。入力電圧Ｖｉｎは電荷ポンプ２０２によって受信され、出力電圧Ｖｏｕｔに対してブーストされる。いくつかの実施形態では、出力電圧Ｖｏｕｔを、入力電圧Ｖｉｎの変動にわたってほぼ一定に維持することが望ましい。
【００２９】
[0037]入力センス回路２０８は入力電圧Ｖｉｎを受信し、それに従って、入力電圧Ｖｉｎに対応する電圧をＶＣＯ２０４に与える。ＶＣＯ２０４は、重複しないクロック、Φ１およびΦ２を生成する。クロックΦ１およびΦ２はスイッチ制御マルチプレクサ２１０に与えられ、スイッチ制御マルチプレクサ２１０は、電荷ポンプスイッチをオンおよびオフにするための信号を生成する。これが、電荷ポンプ２０２の周波数制御である。最初に、クロックΦ１中に、Ｓｘ１スイッチおよびＳｘＧスイッチは、入力電圧Ｖｉｎが３つのキャパシタ２１２の各々を充電するように閉じられる。キャパシタ２１２はキャパシタンスＣｆを有する。クロックΦ２中に、クロックΦ１スイッチは開いており、ＳｘｘおよびＳｘ０スイッチは、キャパシタ２１２上の電荷が出力電圧Ｖｏｕｔに対してブーストされるように閉じられる。いくつかの実施形態では、出力電圧Ｖｏｕｔノードは、出力電圧Ｖｏｕｔをほぼ一定に維持するためにＤＣキャパシタ２１６を含む。電荷ポンプシステム２００がフィードフォワードシステムとして動作するので、入力電圧Ｖ（ＩＮ）は、出力電圧Ｖ（ＯＵＴ）の範囲を制限する範囲にＶＣＯ２０４の周波数を保つ範囲にあるべきである。
【００３０】
[0038]しかしながら、入力電圧Ｖｉｎの変動は、入力電圧Ｖｉｎをある低い電圧から高い電圧に増加させ得る。入力電圧Ｖｉｎの電圧変動の下端において、入力電圧Ｖｉｎは、出力電圧Ｖｏｕｔの所望のレベルを達成するためにより多くの利得を必要とし得る。したがって、より高い利得が使用されるべきである。逆に、入力電圧Ｖｉｎの電圧変動の上端において、入力電圧Ｖｉｎは、出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなりすぎないように、より少ない利得を必要とし得る。これが、電荷ポンプ２０２の電圧または利得制御である。
【００３１】
[0039]したがって、レベルセンス回路２０６（たとえば、比較器またはアナログデジタル変換器（ＡＤＣ：analog-to-digital convertor））は、入力電圧Ｖｉｎを、電荷ポンプ２０２の利得を設定するために使用され得るコードに変換する。この例では、コードは、４つの利得設定のための２ビットを含み、コード［１：０］に指定される。たとえば、入力電圧Ｖｉｎが低い（第１の電圧を下回る）とき、ＡＤＣ２０６は、最大利得（この例では、４の利得）に対応するコードを生成し得る。たとえば、最大利得は、３つのキャパシタ２１２をすべて使用し得る。入力電圧Ｖｉｎが第１の電圧を上回って増加するが、依然として第２の電圧を下回るとき、入力電圧Ｖｉｎは、キャパシタ２１２のうちの１つが無効にされる中間利得（この例では、３の利得）に対応するコードに変換される。入力電圧Ｖｉｎが高い（第２の電圧を上回る）とき、ＡＤＣ２０６は、入力電圧Ｖｉｎを、２つのキャパシタ２１２が無効にされる最小利得（この例では、２の利得）に対応するコードに変換し得る。
【００３２】
[0040]コードは、選択的に、いくつかのスイッチに、キャパシタ２１２のうちの１つまたは複数を無効にさせるスイッチ制御マルチプレクサ２１０によって受信される。スイッチ制御マルチプレクサ２１０は、複数のスイッチＳ１Ｉ、Ｓ２ＩおよびＳ３Ｉ  Ｓ１Ｇ、Ｓ２Ｇ、Ｓ３Ｇ、Ｓ１Ｏ、Ｓ２Ｏ、Ｓ３Ｏ、Ｓ１Ｘ、Ｓ２Ｘ、およびＳ３Ｘのための制御またはスイッチング信号を生成するために複数のマルチプレクサ２１４を備える。コードが変化するにつれて、スイッチング信号は、１つまたは複数のキャパシタ２１２を無効にする状態に入れられる。
【００３３】
[0041]したがって、出力電圧Ｖｏｕｔは、入力電圧Ｖｉｎが増加するにつれて電荷ポンプ２０２の利得を低減するために電荷ポンプ２０２中のキャパシタ２１２を無効にすることによって、ほぼ一定に維持され得る。
【００３４】
[0042]スイッチ制御マルチプレクサ２１０は、入力電圧Ｖｉｎに応答して、電荷ポンプ２０２の利得を制御するための制御信号を、電荷ポンプ２０２を切り替えるために生成する。
【００３５】
[0043]スイッチＳ１Ｉ、Ｓ２ＩおよびＳ３Ｉは、それぞれ、スイッチ制御マルチプレクサ２１０からの対応する制御信号に応答してキャパシタ２１２に電荷を移動するために、キャパシタ２１２−１〜２１２−３を入力電圧Ｖｉｎに選択的に結合する。
【００３６】
[0044]スイッチＳ１Ｇ、Ｓ２ＧおよびＳ３Ｇは、それぞれ、スイッチ制御マルチプレクサ２１０からの対応する制御信号に応答してキャパシタ２１２−１〜２１２−３を接地に選択的に結合する。
【００３７】
[0045]スイッチＳ１Ｏ、Ｓ２ＯおよびＳ３Ｏは、それぞれ、スイッチ制御マルチプレクサ２１０からの対応する制御信号に応答してキャパシタ２１２から出力電圧Ｖｏｕｔに電荷を移動するために、キャパシタ２１２−１〜２１２−３を出力電圧Ｖｏｕｔに選択的に結合する。
【００３８】
[0046]スイッチＳ１Ｘ、Ｓ２ＸおよびＳ３Ｘは、スイッチ制御マルチプレクサ２１０からの対応する制御信号に応答して、電圧をブーストし、電荷ポンプの利得を設定するために、選択されたキャパシタ２１２−１〜２１２−３を直列に、入力電圧Ｖｉｎに選択的に結合する。３つのキャパシタ２１２が図２に示されているが、電荷ポンプ２０２の利得の他の値を与えるために他の数が使用され得る。
【００３９】
[0047]図３に、一実施形態による、電荷ポンプシステム３００のブロック図を示す。電荷ポンプシステム３００は、システム１００の例示的な一実装形態である。電荷ポンプシステム３００はフィードフォワード制御システムとして動作する。電荷ポンプシステム３００は、電荷ポンプ２０２と、ＶＣＯ２０４と、ＡＤＣ２０６と、ＤＣキャパシタ２１６と、電流源３０２と、比較器３０４と、センス抵抗器３０６と、センス回路３１０と、電圧レギュレータ３０８とを備える。電圧レギュレータ３０８は低ドロップアウト（ＬＤＯ：low-dropout）レギュレータであり得る。電圧レギュレータ３０８は、ＮＭＯＳトランジスタ３０８と比較器３１４とを備える。センス抵抗器３０６およびセンス回路３１０は、たとえば、直列センス抵抗器または並列ＦＥＴ電流センス回路を表す。センス抵抗器３０６およびセンス回路３１０は電流源３０２からの電流を検知し、比較器３０４の負端子に電圧を与える。比較器３０４の正端子は、この例では接地されている基準電圧に結合される。比較器３０４はＶＣＯ２０４に誤差電圧Ｖｅを与え、ＶＣＯ２０４は、上記で説明したのと同様の様式でクロック信号Φ１およびΦ２を生成する。電荷ポンプシステム３００は、電荷ポンプ２０２のスイッチング周波数を変更するためにＶＣＯ２０４の周波数を変更することによって、電荷ポンプ２０２とＮＭＯＳトランジスタ３０８との中への電流を制御する。電荷ポンプ２０２のスイッチング周波数が増加するにつれて、電荷ポンプ２０２は、電流源３０２から、したがって電荷ポンプ２０２の入力から電荷ポンプ２０２の出力により多くの電荷を移動し、それにより、ＮＭＯＳトランジスタ３０８中への電流を低減する。一実施形態では、比較器３０４は、ＮＭＯＳトランジスタ３０８中への電流が０であるか、または実質的に０であるように、電流源３０２からのすべてのまたは実質的にすべての電流が電荷ポンプ２０２に与えられるように、スイッチング周波数を制御するようにＶＣＯ２０４を制御する。
【００４０】
[0048]電荷ポンプシステム３００では、ＡＤＣ２０６中への入力電圧Ｖｉｎは、以下で説明するように、電荷ポンプ２０２中への入力電圧ＶＩＮ−ＣＰに関係することがある。
【００４１】
[0049]図４に、一実施形態による、電荷ポンプシステム４００のブロック図を示す。電荷ポンプシステム４００は、システム１００の例示的な一実装形態である。電荷ポンプシステム４００はフィードフォワード制御システムとして動作する。電荷ポンプシステム４００は、電荷ポンプ２０２と、ＶＣＯ２０４と、ＡＤＣ２０６と、比較器３０４と、センス抵抗器３０６と、センス回路３１０と、スイッチングドライバ４１０と、ハイサイド中間電圧源４４４と、ローサイド中間電圧源４４６とを備える。電荷ポンプシステム４００は、たとえば、バック変換器のためのスイッチングドライバであり得るスイッチングドライバ４１０をもつ電荷ポンプ２０２の例示的な一実装形態である。
【００４２】
[0050]スイッチングドライバ４１０は、ハイサイドスイッチングパワートランジスタ４２０と、ローサイドスイッチングパワートランジスタ４２２と、ハイサイドカスコードトランジスタ４２４と、ローサイドカスコードトランジスタ４２６とを備える。カスコードトランジスタ４２４および４２６は、それぞれ、スイッチングパワートランジスタ４２０および４２２にわたって、それぞれ電圧降下を低減するためのハイサイドカスコードトランジスタおよびローサイドカスコードトランジスタである。ハイサイド中間電圧源４４４およびローサイド中間電圧源４４６は、それぞれハイサイド中間電圧（ＶＨＳ：high side mid-voltage）およびローサイド中間電圧（ＶＬＳ：low side mid-voltage）を、ほぼ一定のゲート駆動電圧として、それぞれカスコードトランジスタ４２４およびカスコードトランジスタ４２６に与える。この例では、ローサイド中間電圧（ＶＬＳ）は、ハイサイド中間電圧（ＶＨＳ）よりも大きい。一実施形態では、ハイサイド中間電圧源４４４およびローサイド中間電圧源４４６は、低ドロップアウト（ＬＤＯ）レギュレータであり得る。さらに、ハイサイド中間電圧源４４４は、ハイサイドスイッチングパワートランジスタ４２０へのスイッチング信号を生成するハイサイドドライバのための低い電源電圧として使用され得る。したがって、ハイサイドドライバはハイサイド中間電圧源４４４上の負荷である。
【００４３】
[0051]同様の構成がローサイドのために使用される。ローサイド中間電圧源４４６は、ローサイドスイッチングパワートランジスタ４２２へのスイッチング信号を生成するローサイドドライバのための低い電源電圧として使用され得る。したがって、ローサイドドライバはローサイド中間電圧源４４６上の負荷である。
【００４４】
[0052]電荷ポンプシステム４００は、複数のスイッチ４１０、４１２、４１４、および４１６をさらに備える。
【００４５】
[0053]外部コントローラ（図示せず）は、この例では、スイッチ４１０、４１２、４１４、および４１６のための制御信号のための重複しないクロックであるクロックＰΦ１とクロックＰΦ２とを生成する。
【００４６】
[0054]ＬＤＯ４４４は、ハイサイド基準電圧（ＶＲＥＦ−ＨＳ：high side reference voltage）に応答してハイサイド中間電圧（ＶＨＳ）を生成する。ＬＤＯ４４６は、ローサイド基準電圧（ＶＲＥＦ−ＬＳ：low side reference voltage）に応答してローサイド中間電圧（ＶＬＳ）を生成する。ＬＤＯ４４４およびＬＤＯ４４６の出力（電圧ＶＨＳおよびＶＬＳ）は、電荷ポンプ２０２を通じて互いに結合される。この例では、電荷ポンプ２０２は、（約０．４〜０．８Ｖの間の）ハイサイド中間電圧（ＶＨＳ）を受信し、ローサイド中間電圧（ＶＬＳ）を１．２Ｖ近くに維持するためにローサイド中間電圧（ＶＬＳ）に電荷を出力する。この例では、入力電圧Ｖｉｎは、電源Ｖｄｄに等しく、１．６から２Ｖまで変動し得、電荷ポンプ２０２は、ローサイド中間電圧（ＶＬＳ）を１．２Ｖ近くに維持するために電源Ｖｄｄの値に基づいて異なる利得を生成するように構成される。
【００４７】
[0055]入力電圧Ｖｉｎとハイサイド中間電圧（ＶＨＳ）との間に結合されたスイッチ４１０および４１２は、ハイサイドドライバ中のスイッチである。ローサイド中間電圧ＶＬＳと接地との間に結合されたスイッチ４１４および４１６は、ローサイドドライバ中のスイッチである。
【００４８】
[0056]ハイサイドドライバ上で、スイッチ４１０は、第１の制御信号（たとえば、アクティブ状態またはオン状態にあること）に応答して、ハイサイドスイッチングパワートランジスタ４２０のゲートとスイッチ４１２とを入力電圧Ｖｉｎに選択的に結合する。スイッチ４１２は、第２の制御信号（たとえば、アクティブ状態またはオン状態にあること）に応答して、ハイサイドスイッチングパワートランジスタ４２０のゲートをＬＤＯ４４４の出力に選択的に結合する。
【００４９】
[0057]ローサイドドライバ上で、スイッチ４１６は、第２の制御信号（たとえば、アクティブ状態またはオン状態にあること）に応答して、ローサイドスイッチングパワートランジスタ４２２のゲートを接地に選択的に結合する。スイッチ４１４は、第１の制御信号（たとえば、アクティブ状態またはオン状態にあること）に応答して、ローサイドスイッチングパワートランジスタ４２２のゲートをＬＤＯ４４４の出力に選択的に結合する。
【００５０】
[0058]スイッチ４１０およびスイッチ４１４は第１の制御信号（クロックＰΦ１）によって制御される。スイッチ４１２およびスイッチ４１６は第２の制御信号（クロックＰΦ２）によって制御される。スイッチ４１０および４１４は、スイッチ４１２および４１６が閉じる前に開き、同様にスイッチ４１２および４１６は、スイッチ４１０およびスイッチ４１４が閉じる前に開く（「ブレークビフォアメーク」）。クロックＰΦ１中に、ローサイドはオンである。クロックＰΦ１はスイッチ４１０を閉じて、ハイサイドスイッチングパワートランジスタ４２０をオフにするためにハイサイドスイッチングパワートランジスタ４２０のゲートを入力電圧Ｖｉｎにプルし、ローサイドスイッチングパワートランジスタ４２２をオンにするために、ローサイドスイッチングパワートランジスタ４２２のゲートをローサイド中間電圧（ＶＬＳ）にプルする。クロックＰΦ２中に、ハイサイドはオンである。クロックＰΦ２はスイッチ４１２を閉じて、ハイサイドスイッチングパワートランジスタ４２０をオンにするためにハイサイドスイッチングパワートランジスタ４２０のゲートをハイサイド中間電圧（ＶＨＳ）にプルし、スイッチ４１６を閉じて、ローサイドスイッチングパワートランジスタ４２２をオフにするためにローサイドスイッチングパワートランジスタ４２２のゲートを接地にプルする。
【００５１】
[0059]図５に、一実施形態による、電荷ポンプシステム５００のブロック図を示す。電荷ポンプシステム５００は、システム１００の例示的な一実装形態である。電荷ポンプシステム５００はフィードフォワード制御システムとして動作する。電荷ポンプシステム５００は、電荷ポンプ２０２と、ＶＣＯ２０４と、ＡＤＣ２０６と、比較器３０４と、センス抵抗器３０６と、センス回路３１０と、スイッチングドライバ４１０と、ハイサイド中間電圧源４４４と、ローサイド中間電圧源４４６と、複数のスイッチ４１０、４１２、４１４、および４１６とを備える。電荷ポンプシステム５００は電荷ポンプシステム４００と同様であるが、電荷ポンプ２０２中への入力電流を検知しない。ＡＤＣ２０６中への入力電圧ＶＩＮは、電荷ポンプ２０２中への同じ入力電圧ＶＩＮである。電荷ポンプシステム５００は、入力電圧ＶＩＮに基づいて、および電荷ポンプ２０２中への入力電流に基づかずに電荷ポンプ２０２の利得と周波数とを制御する。
【００５２】
[0060]図６に、一実施形態による電圧制御発振器２０４のブロック図を示す。ＶＣＯ２０４は、電流源６０２と、ＮＭＯＳトランジスタ６０４と、ＰＭＯＳトランジスタ６０６と、電流ミラーとして配置された複数のＮＭＯＳトランジスタ６０８とを備える。ＮＭＯＳトランジスタ６０８−１〜６０８−３は、それぞれ、複数のスイッチ６１０−１〜６１０−３によって電流ミラー中で選択的に結合される。マルチプレクサ６１２は、コード［１：０］に応答して、スイッチ６１０を制御するために利得設定（たとえば、ｎ２、ｎ３またはｎ４）を表す制御信号を生成する。この例では、３つのトランジスタ６０８および３つのスイッチ６１０は、３である、異なる非０利得設定ｎの数に一致することが示されている。キャパシタ６１４は、トランジスタ６０６の両端間に結合され、キャパシタンスＣｘを有する。
【００５３】
[0061]スイッチ回路６１６は、マルチプレクサ６１２からの利得設定を表す制御信号に応答して、比較器６１８の入力に選択された基準電圧を与える。この例では、選択された基準電圧は、それぞれ、利得ｎ２、ｎ３、およびｎ４に対応する基準電圧Ｖｒｅｆ２、基準電圧Ｖｒｅｆ３、および基準電圧Ｖｒｅｆ４であり得る、比較器６１８は、キャパシタ６１４上の電圧を選択された基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、セットリセット（ＳＲ）ラッチ６２０をリセットするための信号を生成する。
【００５４】
[0062]ＶＣＯ２０４はＰＭＯＳトランジスタ６２６と、電流源６０２およびＮＭＯＳトランジスタ６０４を用いた電流ミラーとして配置された複数のＮＭＯＳトランジスタ６２８とをさらに備える。ＮＭＯＳトランジスタ６２８−１〜６２８−３は、それぞれ、マルチプレクサ６１２からの利得設定を表す制御信号に応答して、それぞれのスイッチ６１０−１〜６３０−３と同様に、複数のスイッチ６３０−１〜６３０−３によって電流ミラー中で選択的に結合される。キャパシタ６３４は、トランジスタ６２６の両端間に結合され、キャパシタンスＣｘを有する。
【００５５】
[0063]スイッチ回路６３６は、マルチプレクサ６１２からの利得設定を表す制御信号に応答して、比較器６３８の入力に選択された基準電圧を与える。この例では、選択された基準電圧は、それぞれ、利得ｎ２、ｎ３、およびｎ４に対応する基準電圧Ｖｒｅｆ２、基準電圧Ｖｒｅｆ２３、および基準電圧Ｖｒｅｆ４であり得る、比較器６３８は、キャパシタ６３４上の電圧を選択された基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、ＳＲラッチ６２０を設定するための信号を生成する。ＳＲラッチ６２０のＱ出力はＰＭＯＳトランジスタ６０６のゲートに与えられ、クロック信号Φ１およびΦ２を生成するために使用されるクロック（ＣＬＫ）を生成するインバータ６４０の入力に与えられる。ＳＲラッチ６２０のＱバー出力はＰＭＯＳトランジスタ６２６のゲートに与えられる。ＳＲラッチ６２０のＱ出力およびＱバー出力は、それぞれ、クロック（ＣＬＫ）を生成するためにＳＲラッチ６２０を設定し、リセットするために、ＰＭＯＳトランジスタ６０６および６２６をオンおよびオフにする。
【００５６】
[0064]クロック（ＣＬＫ）の周波数ＦＣＬＫは、以下によって決定される。
【００５７】
【数１】
2017514444.tif 000003
【００５８】
[0066]ここで、ｍは、以下のように利得ｎから決定される。
【００５９】
【数２】
2017514444.tif 000004
【００６０】
[0068]電流源６０２からの電流Ｉｘは、以下のようになるように設定される。
【００６１】
【数３】
2017514444.tif 000005
【００６２】
[0070]ここで、図４および図５の実施形態の場合、電流ＩＣＰ−ＨＳがＬＤＯ４４４からのハイサイド電流であるか、または他の実施形態の場合、電荷ポンプ中への電流が使用され得る。基準電圧ＶＲＥＦは、以下から決定される。
【００６３】
【数４】
2017514444.tif 000006
【００６４】
[0072]ここで、電圧ＶＭＩＤは、図４および図５の実施形態の場合、ローサイド電圧ＶＬＳであるか、または図２および図３の実施形態の場合、出力電圧Ｖｏｕｔである。
【００６５】
[0073]図７に、一実施形態による、電荷ポンプシステム４００の簡略化タイミング図を示す。ライン７０１は、この例では、１．６Ｖから１．８Ｖに増分し２．０Ｖに増分する入力電圧ＶＩＮを表す。ライン７０２は、０．４Ｖから０．６Ｖに増分し０．８Ｖに増分するハイサイド電圧ＶＨＳを表す。ライン７０３は、１．２Ｖ（ローサイド電圧ＶＬＳ）から上昇し、１．８Ｖにおいてピークに達し、１．６Ｖにおいて水平になる出力電圧ＶＯＵＴを表す。
【００６６】
[0074]ライン７１０および７１２は、それぞれ、コード［１］およびコード［０］を表し、（ｎ４として上記でも説明した）４の利得、（ｎ３として上記でも説明した）３の利得、および（ｎ２として上記でも説明した）２の利得の場合に設定されるものとして図７に示されている。図７に示されているように、ライン７０１によって示されるように入力電圧Ｖｉｎが増加するにつれて、利得は減少し、ライン７０３によって示されるように、出力電圧Ｖｏｕｔは、初期増加の後に狭い範囲にとどまる。
【００６７】
[0075]ライン７２０、７２２および７２４は、それぞれ、スイッチＳ１Ｉ、Ｓ１ＯおよびＳ１Ｘのタイミング信号を表す。この例では、スイッチＳ１ＩおよびＳ１Ｘのための信号はオンであり、スイッチＳＩＯのための信号は、２の利得の場合のみオンである。
【００６８】
[0076]ライン７３０、７３２および７３４は、それぞれ、スイッチＳ２Ｉ、Ｓ２ＯおよびＳ２Ｘのタイミング信号を表す。この例では、スイッチＳ１ＩおよびＳ１Ｘのための信号は、３および４の利得の場合オンであり、スイッチＳ２Ｏのための信号は、３の利得の場合のみオンである。
【００６９】
[0077]ライン７４０、７４２および７４４は、それぞれ、スイッチＳ３Ｉ、Ｓ３ＯおよびＳ３Ｘのタイミング信号を表す。この例では、スイッチＳ３Ｉ、Ｓ３ＯおよびＳ３Ｘのための信号は、４の利得の場合オンであり、他の場合オフである。
【００７０】
[0078]図８に、一実施形態による、電荷ポンプシステム１００を制御するプロセスフロー８００の簡略図を示す。８０２において、電荷ポンプ１０２の利得と周波数と出力電圧Ｖ（ＯＵＴ）とを制御するために入力電圧Ｖ（ＩＮ）を検出する。８０４において、電荷ポンプシステム１００は、入力電圧Ｖ（ＩＮ）が範囲内にあるかどうかを決定する。８０４において入力電圧Ｖ（ＩＮ）が範囲内にある場合、８０２において、プロセスはループバックし、入力電圧Ｖ（ＩＮ）を検出する。そうではなく、８０４において、入力電圧Ｖ（ＩＮ）が範囲内にない場合、８０６において、利得制御回路１０４は、電荷ポンプ１０２の出力電圧Ｖ（ＯＵＴ）を電圧範囲に維持するために電荷ポンプ１０２の利得を変更し、入力電圧Ｖ（ＩＮ）を検出するために、８０２においてループバックする。８０８において、電圧周波数変換器１０６は、検出された入力電圧Ｖ（ＩＮ）を連続的にモニタし、電荷ポンプ１０２の出力電圧Ｖ（ＯＵＴ）が、ほぼ一定の出力電圧などの電圧範囲に維持されるように、周波数を周波数範囲に維持するために、検出された入力電圧Ｖ（ＩＮ）の変化に基づいて電荷ポンプ１０２に印加される制御信号の周波数を変更する。
【００７１】
[0079]本明細書で説明するスイッチは、１つまたは複数のトランジスタとして実装され得る。
【００７２】
[0080]本明細書で開示する電荷ポンプシステムは、より低い電力を使用し、より単純であり、レギュレータのノード間で使用され得る。
【００７３】
[0081]上記の説明では、特定の実施形態の態様がどのように実装され得るかの例とともに、本開示の様々な実施形態を示した。上記の例は、上記実施形態のみであると見なされるべきではなく、以下の特許請求の範囲によって定義された特定の実施形態のフレキシビリティと利点とを示すために提示された。上記の開示と以下の特許請求の範囲とに基づいて、特許請求の範囲によって定義された本開示の範囲から逸脱することなく、他の構成、実施形態、実装形態、および等価物が採用され得る。
【図１】
2017514444.tif 000007
【図２】
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【図３】
2017514444.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017514444.tif 000013
【図８】
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【国際調査報告】
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