JP2000232791A - 多相式電荷リサイクル階段状電源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｍ相の階段状電源回路のコンデンサの数を、
１／Ｍに削減する。 【解決手段】 Ｍ個のＮステップ階段状電源回路により
Ｍ相の電圧を出力する多相式電荷リサイクル階段状電源
回路において、各々の階段状電源回路のＫステップ目
（１≦Ｋ≦Ｎ）に対応するコンデンサをステップ電圧共
有電源線により共有化した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、断熱充電電荷リサ
イクルを行う論理回路等の電源回路として使用される階
段状電源回路に係り、特に使用するコンデンサの数を必
要最小にした電源回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のコンデンサを用いた階段状電源回
路は、コンデンサとスイッチにより構成されている（Sv
ensson,L.and Koller,J.G.,"Adiabatic Charging Witho
ut Inductors",Proc.of 1994 int'l Workshop on Low P
oewr Design,p159−164,Apr.1994及び米国特許第５４７
３５２６号）。

【０００３】図１０は、４ステップの階段状電源回路を
示すもので、３個のコンデンサＣ１〜Ｃ３と、５個のト
ランスミッションゲートＧ１〜Ｇ５により構成されてい
る。ゲートＧ１とコンデンサＣ１、ゲートＧ２とコンデ
ンサＣ２、ゲートＧ３とコンデンサＣ３は、各々電圧Ｖ
１の出力端子と接地との間に直列接続され、ゲートＧ４
は電圧VDDの電源端子と出力端子の間に接続され、ゲー
トＧ５は出力端子と接地との間に接続されている。出力
端子には断熱充電電荷リサイクルを行う論理回路等の容
量負荷（図示せず）が接続される。

【０００４】この電源回路の動作は以下の通りである。
まず、ゲートＧ１をオンし1/4VDDの電圧を出力する。次
に、このゲートＧ１をオフしてゲートＧ２をオンし2/4V
DDの電圧を出力する。次に、このゲートＧ２をオフして
ゲートＧ３をオンし3/4VDDの電圧を出力する。そして、
このゲートＧ３をオフしてゲートＧ４をオンし出力電圧
をVDDにする。以上により出力電圧Ｖ１は昇圧される
が、今度は降圧動作に移り、ゲートＧ４をオフしゲート
Ｇ３をオンして3/4VDDの電圧を出力する。以下同様に繰
り返し、電荷をコンデンサに戻しつつ出力電圧Ｖ１を降
下させる。最後にゲートＧ５をオンして出力電圧Ｖ１を
接地電位とする。以後、同様の動作を繰り返すと、出力
電圧Ｖ１は、図１１に示すように、４ステップの階段状
電圧となる。

【０００５】コンデンサＣ１〜Ｃ３は予め1/4VDD、2/4V
DD、3/4VDDに充電させる必要はなく、時間進展と共にそ
れらの値に安定的に落ち着くことが、理論的にも実験的
にも確かめられている。

【０００６】図１２は入力するクロックＣＫを分周する
分周回路を示す図である。５１はクロックＣＫから反転
クロックを生成する入力バッファ、５２〜５４はＴＦＦ
である。また、図１３は図１２の分周回路のノード１０
０〜１０７に得られるパルス信号から前記したゲートＧ
１〜Ｇ５を制御するパルス信号Ｔ１〜Ｔ４，ＣＬ１を生
成するパルス生成回路を示す図であり、５５〜６９はＮ
ＡＮＤゲートである。図１２と図１３において、同じ符
号は共通接続される。図１２におけるノード１００，１
０２，１０４，１０６のパルス信号の波形と図１３にお
けるパルス信号Ｔ１〜Ｔ４、ＣＬ１の波形を図１１に示
した。なお、トランスミッションゲートの両ゲートには
正相と逆相のパルスが印加されるが、ここでは簡単のた
めに正相のパルスのみを示した。

【０００７】以上説明した階段状電源回路では、一般
に、外付けのコンデンサをＮ−１個用いるならば、Ｎ個
の階段（Ｎステップ）をもつ電源回路を作ることができ
る。この電源回路は、消費電力が1/N倍になり、低消費
電力回路に好適であることが知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、複雑な論理
処理を行う回路を動作させるために、４相の電荷リサイ
クル電源が必要になったとき、これを前記した階段状電
源回路で実現しようとすると、例えば図１４に示すよう
な４相４ステップの電圧波形Ｖ１〜Ｖ４を発生させる必
要があるが、このためには、図１５に示すように、３×
４＝１２個という多くの数のコンデンサＣ１〜Ｃ１２が
必要となる。

【０００９】また、４相４ステップの電圧Ｖ１〜Ｖ４を
生成するためには多くの制御用パルス信号を発生する必
要がある。すなわち、図１５の階段状電源回路では、各
ゲートＧ１〜Ｇ２０を制御するために５×４＝２０個の
パルスＴ１〜Ｔ１６，ＣＬ１〜ＣＬ４を生成させる必要
があり、そのために多くのパルス生成回路が必要とな
る。

【００１０】本発明の課題は第１により少ないコンデン
サにより多相の階段状電圧を生成させること、第２によ
り少ないパルス生成回路により多相の階段状電圧を生成
させることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の第１の発明は、複数個のＮステップ階段状電源回路に
より多相の電圧を出力する多相式電荷リサイクル階段状
電源回路において、各々のＮステップ階段状電源回路の
Ｋステップ目（１≦Ｋ≦Ｎ）に対応するコンデンサをス
テップ電圧共有電源線により共有化して構成した。

【００１２】第２の発明は、複数個の階段状電源回路に
より多相の電圧を出力する多相式電荷リサイクル階段状
電源回路において、出力電圧が互いに反転している２個
の階段状電源回路を１組以上具備し、当該組の一方の階
段状電源回路のステップ電圧を生成するためのパルス生
成回路により他方の階段状電源回路のステップ電圧を生
成するよう構成した。

【００１３】第３の発明は、第１の発明において、出力
電圧が互いに反転している２個のＮステップ階段状電源
回路を１組以上具備し、当該組の一方のＮステップ階段
状電源回路のステップ電圧を生成するためのパルス生成
回路により他方のＮステップ階段状電源回路のステップ
電圧を生成するよう構成した。

【００１４】

【発明の実施の形態】［実施形態１］図１は本発明の実
施形態１の階段状電源回路を示す図である。多相式の電
源回路では出力電圧の数は例えば１０相でも２０相でも
よいが、ここでは簡単のために４相の電圧を出力する電
源回路を例にとり示した。また、図１５に示したものと
同一のものには同一の符号を付した。

【００１５】ここでは、コンデンサＣ１に対して第１ス
テップ電圧共有電源線１１によりゲートＧ１，Ｇ６，Ｇ
１１，Ｇ１６を共通接続し、コンデンサＣ２に対して第
２ステップ電圧共有電源線１２によりゲートＧ２，Ｇ
７，Ｇ１２，Ｇ１７を共通接続し、コンデンサＣ３に対
して第３ステップ電圧共有電源線１３によりゲートＧ
３，Ｇ８，Ｇ１３，Ｇ１８を共通接続している。

【００１６】さて、動作させるときは、出力電圧Ｖ１に
関しては、Ｇ１→Ｇ２→Ｇ３→Ｇ４→Ｇ３→Ｇ２→Ｇ１
→Ｇ５→Ｇ１の順序で１つづつオンさせる。出力電圧Ｖ
２に関しては、Ｇ６→Ｇ７→Ｇ８→Ｇ９→Ｇ８→Ｇ７→
Ｇ６→Ｇ１０→Ｇ６の順序で１つづつオンさせる。出力
電圧Ｖ３に関しては、Ｇ１１→Ｇ１２→Ｇ１３→Ｇ１４
→Ｇ１３→Ｇ１２→Ｇ１１→Ｇ１５→Ｇ１１の順序で１
つづつオンさせる。出力電圧Ｖ４に関しては、Ｇ１６→
Ｇ１７→Ｇ１８→Ｇ１９→Ｇ１８→Ｇ１７→Ｇ１６→Ｇ
２０→Ｇ１６の順序で１つづつオンさせる。

【００１７】出力電圧Ｖ１〜Ｖ４の相互の関係（位相
等）については、ゲートＧ１〜Ｇ５のグループ、ゲート
Ｇ６〜Ｇ１０のグループ、ゲートＧ１１〜Ｇ１５のグル
ープ、ゲートＧ１６〜Ｇ２０のグループの制御タイミン
グより任意に設定でき、たとえば前記した図１４に示し
た関係、あるいはその他の関係に設定できる。

【００１８】以上のように、４相４ステップの階段状電
圧は、その位相がどのように異なろうとも、各ステップ
の電圧は共通であるので、それらの電圧を共通のコンデ
ンサで供給できる。ここでは、４相の出力電圧でありな
がら、コンデンサの数が図１５に示した１２個から1/4
の３個に削減されている。このように、ステップ電圧共
有電源線を用いることにより、一般的には、Ｍ相（Ｍは
正の整数）の階段状電源回路のコンデンサの数を、１／
Ｍに削減することが可能となる（図２）。

【００１９】［実施形態２］図３は実施形態２の階段状
電源回路を示す図である。ここで生成する４相の出力電
圧Ｖ１〜Ｖ４は、図４に示すように、出力電圧Ｖ３はＶ
１の反転電圧、出力電圧Ｖ４はＶ２の反転電圧である。
このような４相の波形は複雑な組合せ論理の論理処理を
行うのに重要なことが知られている（W.C.Athas,"Energ
y Recovery CMOS",in Low Power Desgin Methodologies
edited by J.M.Rabaey and MassoudPedram,Kluwer Aca
demic Publishers,1996,p.64.,あるいは、Y.Moon and
D.K.Jeong,"An Efficient Charge Recovery Logic Circ
uit",IEEE J.Solid-State Circuits,vol.31,p.514-522,
Apr.1996）。

【００２０】さて、出力電圧Ｖ１〜Ｖ４を生成するため
のパルス信号は、図５〜図８に示すように、前記した図
１２に示した分周回路で得られるパルスを利用して作成
する。例えばＶ１を作成するパルス信号Ｔ１〜Ｔ４，Ｃ
Ｌ１（図５）については前記した図１３にあるパルス生
成回路により作成する。Ｖ２を作成するパルス信号Ｔ５
〜Ｔ８，ＣＬ２（図６）についても同様なパルス生成回
路（図示せず）により作成する。

【００２１】しかし、出力電圧Ｖ３を作成するパルス信
号Ｔ９〜Ｔ１２，ＣＬ３（図７）や、出力電圧Ｖ４を作
成するパルス信号Ｔ１３〜Ｔ１６，ＣＬ４（図８）につ
いては、新たなパルス生成回路を用意する必要はない。

【００２２】すなわち、出力電圧Ｖ３については、図７
に示すように、パルス信号Ｔ９はパルス信号Ｔ３と同じ
であり、またＴ１０はＴ２と、Ｔ１１はＴ１と、Ｔ１２
はＣＬ１と、ＣＬ３はＴ４と各々同じである。従って、
出力電圧Ｖ１を生成するためのパルス生成回路（図１
３）の出力パルスをそのまま使用することができる。

【００２３】また、出力電圧Ｖ４については、図８に示
すように、パルス信号Ｔ１３はパルス信号Ｔ７と同じで
あり、またＴ１４はＴ６と、Ｔ１５はＴ５と、Ｔ１６は
ＣＬ２と、ＣＬ４はＴ８と各々同じである。従って、出
力電圧Ｖ２を生成するためのパルス生成回路の出力パル
スをそのまま使用することができる。

【００２４】以上のように、Ｖ３をＶ１の反転信号と
し、Ｖ４をＶ２の反転信号とするときは、ステップ生成
用のパルス生成回路を1/2に削減することができる。一
般的には、Ｐ相（Ｐは偶数）の階段状電源回路において
Ｐ／２相の各出力電圧を残りのＰ／２相の出力電圧の反
転電圧とするときは、パルス生成回路の数をＰ／２個に
削減することが可能となる（図９）。

【００２５】

【発明の効果】以上から本発明によれば、ステップ電圧
共有電源線を用いることにより、Ｍ相の階段状電源回路
のコンデンサの数を、１／Ｍに削減することが可能とな
る。また、Ｐ相の階段状電源回路においてＰ／２相の各
出力電圧を残りのＰ／２相の出力電圧の反転電圧とする
ときは、パルス生成回路の数をＰ／２個に削減すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１の階段状電源回路の回路
図である。

【図２】 実施形態１の効果を示す特性図である。

【図３】 本発明の実施形態２の階段状電源回路の回路
図である。

【図４】 図３の回路の出力電圧Ｖ１〜Ｖ４の波形図で
ある。

【図５】 図３の回路の出力電圧Ｖ１作成の波形図であ
る。

【図６】 図３の回路の出力電圧Ｖ２作成の波形図であ
る。

【図７】 図３の回路の出力電圧Ｖ３作成の波形図であ
る。

【図８】 図３の回路の出力電圧Ｖ４作成の波形図であ
る。

【図９】 実施形態２の効果を示す特性図である。

【図１０】 従来の階段状電源回路の回路図である。

【図１１】 図１０の回路の出力電圧Ｖ１作成の波形図
である。

【図１２】 分周回路の回路図である。

【図１３】 パルス生成回路の回路図である。

【図１４】 ４相の階段状電圧の波形図である。

【図１５】 図１４の電圧を生成するための階段状電源
回路の回路図である。

【符号の説明】

１１，１２，１３：ステップ電圧共有電源線。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個のＮステップ階段状電源回路により
   多相の電圧を出力する多相式電荷リサイクル階段状電源
   回路において、 各々のＮステップ階段状電源回路のＫステップ目（１≦
   Ｋ≦Ｎ）に対応するコンデンサをステップ電圧共有電源
   線により共有化したことを特徴とする多相式電荷リサイ
   クル階段状電源回路。
2. 【請求項２】複数個の階段状電源回路により多相の電圧
   を出力する多相式電荷リサイクル階段状電源回路におい
   て、 出力電圧が互いに反転している２個の階段状電源回路を
   １組以上具備し、当該組の一方の階段状電源回路のステ
   ップ電圧を生成するためのパルス生成回路により他方の
   階段状電源回路のステップ電圧を生成することを特徴と
   する多相式電荷リサイクル階段状電源回路。
3. 【請求項３】請求項１において、 出力電圧が互いに反転している２個のＮステップ階段状
   電源回路を１組以上具備し、当該組の一方のＮステップ
   階段状電源回路のステップ電圧を生成するためのパルス
   生成回路により他方のＮステップ階段状電源回路のステ
   ップ電圧を生成することを特徴とする多相式電荷リサイ
   クル階段状電源回路。