JP2004064937A - チャージポンプ型昇圧回路 - Google Patents

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    • H02M3/06Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps

Abstract

【課題】スイッチおよびコンデンサの数を低減したチャージポンプ型昇圧回路の提供。
【解決手段】充電コンデンサ61の高電位端子75および低電位端子74を片側接地された第1の出力コンデンサ53の接地されていない端子76に接続する第1の電子スイッチ22および第2の電子スイッチ31を有し、これら電子スイッチ22,31が同時に導通しないこと、さらに充電コンデンサ61の高電位端子75を片側接地された第2の出力コンデンサ51の接地されていない端子77に接続する第3の電子スイッチ32を有し、第3の電子スイッチ32が第2の電子スイッチ31と同時に導通する。
【選択図】   図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チャージポンプ型昇圧回路に関し、特に供給された直流電圧を任意のレベルの直流電圧に変換するDC/DCコンバータ回路、特に単一供給電源からより高い電圧を発生させるチャージポンプ型昇圧回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
トランジスタなどの電子スイッチおよびコンデンサにより構成されるチャージポンプ型昇圧回路は、外部より供給される電圧を必要な高電圧に昇圧する回路である。この回路は電子スイッチを半導体トランジスタや薄膜トランジスタなどで集積化することで小型軽量化できるため、携帯電話やパソコンなどの携帯機器に用いられている。
【0003】
この種の技術の一例が特開2000−236658号公報および特開平9−191639号公報に開示されている。図10は特開2000−236658号公報の図6や、特開平9−191639号公報の図3ですでに示された、従来の3倍昇圧回路の1例の回路図である。
【0004】
この回路は少なくとも、充電スイッチ4個と充電コンデンサ2個、さらに昇圧スイッチ3個と昇圧された電圧を保持する、常に片側接地された出力コンデンサ1個で構成される。
【0005】
充電スイッチ11は、入力電源1の端子72と充電コンデンサ61の端子75を結び、充電スイッチ12は充電コンデンサ61の端子74と接地点71と結び、充電スイッチ13は入力電源1の端子72と充電コンデンサ62の端子79を結び、充電スイッチ14は充電コンデンサ62の端子78と接地点71と結ぶ。
【0006】
昇圧スイッチ21は入力電源1の端子72と充電コンデンサ61の端子74を結び、昇圧スイッチ22は充電コンデンサ61の端子75と充電コンデンサ62の端子78を結び、昇圧スイッチ23は充電コンデンサ62の端子79と出力コンデンサ51の端子77を結ぶ。
【0007】
次に、図10におけるスイッチの動作のタイミングチャートを図11に示す。充電スイッチ11,12,13,14が導通(ON)し、昇圧スイッチ21,22,23が非導通(OFF)となると、充電コンデンサ61,62は入力電源1に接続され、入力電圧が充電される。次に、昇圧スイッチ21,22,23が導通し、充電スイッチ11,12,13,14が非導通となると、入力電源1と充電コンデンサ61,62が直列接続して、出力コンデンサ51は入力電圧の3倍で充電され、負荷52には3倍昇圧電圧が供給される。
【0008】
携帯機器に内蔵される表示装置へ電圧を供給する場合には、データ線駆動回路用やゲート線駆動回路用など複数の電圧を単一の電源から生成する必要がある。そのための従来構成例として、2倍昇圧と3倍昇圧電圧を同時に供給する回路を図12に示す。図10との違いは2倍昇圧電圧を負荷に供給するために昇圧スイッチ22および出力コンデンサ53、負荷54が追加された点である。
【0009】
昇圧スイッチ22は充電コンデンサ61の端子75と出力コンデンサ53の端子76を結んでいる。この回路のスイッチも図11に示したタイミングで動作をする。この回路は少なくとも、充電用スイッチ4個と充電用コンデンサ2個、さらに昇圧用スイッチ4個と昇圧された電圧をホールドする出力コンデンサ2個で構成される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
電子スイッチをMOS(metal−oxide semiconductor)トランジスタとした場合、スイッチが導通した際の抵抗すなわちオン抵抗を下げるために、巨大なサイズのトランジスタでスイッチを構成する必要がある。そのため、スイッチの数だけ回路レイアウト面積が増加していく。一方,充電や出力を保持するために用いるコンデンサをセラミックコンデンサなど集積回路の外付け部品とした場合、コンデンサ数の増加は電源回路の小型軽量化の妨げとなる。またコンデンサを集積回路に組み込む場合は、回路のレイアウト面積の増加につながる。
【0011】
昇圧回路を携帯機器に応用する場合、小型軽量化および省電力化が求められる。チャージポンプ型昇圧回路においては、コンデンサの数を減らすことが軽量化、小面積化に有効である。また回路を構成するスイッチの数を減らすことは小面積化にもつながる。 そこで、本発明の目的は、チャージポンプ型昇圧回路を構成する部品である、スイッチおよびコンデンサの数を減らしてもなお、従来と同等の動作をするチャージポンプ型昇圧回路を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため本発明に係るチャージポンプ型昇圧回路は、複数のコンデンサと複数の電子スイッチを用いて入力電圧を昇圧するチャージポンプ型昇圧回路であって、前記入力電圧で充電される1個の充電コンデンサと、前記入力電圧および前記充電コンデンサの端子電圧を用いて前記入力電圧の複数倍の電圧を発生する複数の出力コンデンサとを含むことを特徴とする。
【0013】
本発明は、複数のコンデンサと複数の電子スイッチを用いて入力電圧を昇圧するチャージポンプ型昇圧回路において、両端子に少なくとも1つ以上の電子スイッチを接続したコンデンサと、常に片側端子が接地された出力コンデンサを2つ以上具備することを特徴としている。
【0014】
また本発明では、充電コンデンサを入力電圧で充電する動作と、常に片側接地された出力コンデンサを充電する動作と、充電コンデンサの低電位端子と前記片側接地された出力コンデンサの接地されていない端子を接続することにより、充電コンデンサの高電位端子に充電コンデンサに充電した電圧以上の高電圧を昇圧することを特徴としている。
【0015】
このような動作を行うために本発明は(以下、図1参照)、充電コンデンサ61の高低電位端子75および低電位端子74が常に片側接地された第1の出力コンデンサ53の接地されていない端子76とそれぞれ第1の電子スイッチ22と第2の電子スイッチ31とを介して接続され、第1の電子スイッチ22と第2の電子スイッチ31が同時に導通しないこと、さらに充電コンデンサ61の高電位端子75が常に片側接地された第2の出力コンデンサ51の接地されていない端子77と第3の電子スイッチ32を介して接続され、第3の電子スイッチ32が第2の電子スイッチ31と同時に導通することを特徴としている。
【0016】
本発明において、昇圧に用いられるコンデンサはその多くが片側端子を接地していることから、電子スイッチ回路を集積化した場合、集積回路とコンデンサを接続する接点の数は両端子を電子スイッチに接続する場合に比べて低減される。また片側接地された出力コンデンサに保持された昇圧電圧は、接地されていない端子を直接負荷に接続することで負荷に供給することができる。よって複数の異なる電圧の昇圧電圧を異なる負荷に供給する場合に、新たにコンデンサや電子スイッチを追加せずにその機能が果たすことができる。
【0017】
より具体的には、予め入力電圧で充電された充電コンデンサ61の低電位端子74を入力電源1と接続することで、充電コンデンサ61の高電位端子75を入力電圧の2倍に昇圧し、第1の電子スイッチ22を導通させて第1の出力コンデンサ53の接地されていない端子76を充電コンデンサ61の高電位端子75と等電位にする。
【0018】
次に、第2の電子スイッチ31を導通させて充電コンデンサ61の低電位端子74を第1の出力コンデンサ53の接地されていない端子76の電位である入力電圧の2倍に等しくすることで、充電コンデンサ61の高電位端子75の電位は入力電圧の3倍の電位まで昇圧される。
【0019】
そして、この3倍昇圧電位を片側接地された第2の出力コンデンサ51に保持させるために、充電コンデンサ61の高電位端子75と第2の出力コンデンサ51の接地されていない端子77を結ぶ第3の電子スイッチ32を導通させる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明に係るチャージポンプ型昇圧回路の第1の実施の形態の回路図である。図1は3倍昇圧回路の一例を示している。この3倍昇圧回路は充電スイッチ2個と、充電コンデンサ1個と、昇圧スイッチ4個と、常に片側接地された出力コンデンサ2個とで構成される。
【0021】
充電スイッチ11は、入力電源1の端子72と充電コンデンサ61の端子75を結び、充電スイッチ12は充電コンデンサ61の端子74と接地点71を結ぶ。昇圧スイッチ21は、入力電源1の端子72と充電コンデンサ61の端子74を結び、昇圧スイッチ22は充電コンデンサ61の端子75と出力コンデンサ53の端子76を結ぶ。昇圧スイッチ31は出力コンデンサ53の端子76と充電コンデンサ61の端子74を結び、昇圧スイッチ32は充電コンデンサ61の端子75と出力コンデンサ51の端子77を結ぶ。この特徴は、出力コンデンサ53の接地されていない端子76にスイッチ22およびスイッチ31が接続されている点である。なお、出力コンデンサ51と並列に3倍昇圧用負荷が接続されている。
【0022】
次に、この3倍昇圧回路の動作について説明する。図2は本発明に係る3倍昇圧回路の制御信号のタイミングチャートである。本発明の3倍昇圧回路は、図2に示したタイミングでスイッチが導通(ON)、非導通(OFF)を繰り返すことで昇圧動作を行う。
【0023】
第1のタイミングでは、スイッチ11と12が導通し、他はすべて非導通となる。このとき充電コンデンサ61は入力電源1と接続し、入力電圧(Vaとする)が充電される。
【0024】
第2のタイミングでは、スイッチ21と22が導通し、他がすべて非導通となる。入力電源1と充電コンデンサ61が直列に接続し、入力電圧(Va)の2倍(2Va)が出力コンデンサ53に充電される。
【0025】
第3のタイミングでは、スイッチ31と32が導通し、他がすべて非導通となる。このとき入力電圧(Va)の2倍(2Va)を充電した出力コンデンサ53と入力電圧(Va)を充電した充電コンデンサ61が直列に接続され、出力コンデンサ51には入力電圧の3倍(3Va)が充電される。そして3倍昇圧用負荷52には3倍昇圧電圧(3Va)が供給される。
【0026】
上記の実施形態は3倍昇圧に関する記述であるが、これはN倍昇圧に一般化することができる(Nは3以上の整数)。すなわち、第Nのタイミングで、(N−1)倍の電圧を保持した出力コンデンサと充電コンデンサを直列に接続して、別の出力コンデンサをN倍の電圧で充電することでN倍の昇圧電圧を負荷に供給する。
【0027】
次に、第2の実施の形態について説明する。第2の実施の形態は2倍および3倍昇圧回路に関するものである。図3は本発明に係る2倍および3倍昇圧回路の一例の回路図である。なお、同図において図1と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。
【0028】
図1に示した本発明における3倍昇圧回路では、出力コンデンサ53は端子の片側が接地された上で、入力電圧の2倍が充電されている。よって図3に示すように、端子76に2倍昇圧用負荷54を接続することで、入力電圧の2倍の一定電圧を供給することができる。
【0029】
本実施形態を図12に示した従来の構成と比較すると、機能はともに2倍および3倍昇圧電圧を同時に供給する点で同じである。しかしながら従来構成では2倍昇圧電圧を取り出すためにスイッチおよびコンデンサを追加するため、本発明は同じ機能を少ないスイッチ、コンデンサ数で果たしているといえる。
【0030】
上記の実施の形態は3倍昇圧に関する記述であるが、第1の実施の形態同様、N倍昇圧についても考えることができる(Nは3以上の整数)。すなわちN倍昇圧回路において、2〜N倍の昇圧電圧を保持した出力コンデンサに負荷をつなぐことで2〜N倍の昇圧電圧が同時に供給される。
【0031】
【実施例】
次に本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。本実施例は、表示装置に必要な電圧を生成する表示装置用電源回路に関するものである。図4は本発明に係る表示装置用電源回路の一例の回路図である。
【0032】
図4を参照すると、表示装置用電源回路は、入力電圧(以下、VDDと表示する)からデータ線駆動回路に供給する2倍昇圧電圧とゲート線駆動回路に供給する3倍昇圧電圧および−2倍昇圧電圧を生成する機能を有する。本表示装置用電源回路は、昇圧回路と、クロック(スイッチ制御信号)生成回路と、レベルシフト(LS)回路とから構成される。
【0033】
昇圧回路を構成するスイッチはMOSトランジスタで作られる。図4においてスイッチ102,104,105,106,107,111,114はPチャネルMOSトランジスタで構成され、スイッチ103,112,113はNチャネルMOSトランジスタで構成される。
【0034】
図5はクロック生成回路の一例の回路図である。クロック生成回路121は図5のように3分周回路151と、フリップフロップ回路152,153,154と、2分周回路155と、インバータ156とで構成される。
【0035】
図6はレベルシフト回路(LS1)の一例の回路図、図7はレベルシフト回路(LS2)の一例の回路図である。レベルシフト回路(LS1)130,131,132は図6に示すように、また、レベルシフト回路(LS2)133は図7に示すように、MOSトランジスタおよびインバータで構成される。すなわち、図6を参照すると、レベルシフト回路(LS1)はPチャネルMOSトランジスタ160,161と、NチャネルMOSトランジスタ162,163と、インバータ164〜167とにより構成され、図7を参照すると、レベルシフト回路(LS2)はPチャネルMOSトランジスタ170,171,174,175と、NチャネルMOSトランジスタ172,173,176,177と、インバータ178〜181とにより構成されている。
【0036】
多結晶シリコン薄膜トランジスタ技術により、表示装置を構成するデータ線駆動回路やゲート線駆動回路は画素駆動用薄膜トランジスタと同じプロセスで同じガラス基板上に集積化される傾向にあり、部品点数の削減、表示装置の狭額縁化に貢献している。本実施例で示す表示装置用電源回路も同様に、構成を変更せずにMOSトランジスタを薄膜トランジスタに置き換えることで表示装置のガラス基板上に集積化することができる。その場合でも本発明の目的は達成される。
【0037】
以下、本実施例の動作を説明する。クロック生成回路121は、入力クロック120から122〜129のスイッチ制御信号を出力する。これらのスイッチ制御信号122〜129は図8に示すタイミングで出力される。
【0038】
次にレベルシフト回路(LS1)130,131,132は、0V〜VDDのスイッチ制御信号122〜127を、0V〜3VDDにレベル変換し、ゲート信号134,135,136,137としてそれぞれ出力する。また、レベルシフト回路(LS2)133は、0V〜VDDのスイッチ制御信号128,129を、−2VDD〜2VDDにレベル変換し、ゲート信号138,139としてそれぞれ出力する。ゲート信号134〜139は図9に示すタイミングで出力される。
【0039】
次に昇圧回路の動作を説明する。始めにゲート信号134が0V、ゲート信号135が3VDDのとき、PチャネルMOSトランジスタ102とNチャネルMOSトランジスタ103が導通してコンデンサ108はVDDに充電される。
【0040】
次にゲート信号136が0Vのとき、PチャネルMOSトランジスタ104と105が導通して端子201の電位はVDDに、端子202および203の電位は2VDDとなり、出力コンデンサ109は2VDDに充電される。
【0041】
そしてゲート信号137が0Vのとき、PチャネルMOSトランジスタ106と107が導通して、端子201の電位は端子203と同じ2VDDに、端子202および204の電位は3VDDとなり、出力コンデンサ110は3VDDに充電される。
【0042】
ゲート信号138が2VDD、ゲート信号139が−2VDDのとき、PチャネルMOSトランジスタ111とNチャネルMOSトランジスタ112が導通して、端子205の電位は端子203と等しい2VDDとなり、また端子206の電位は0Vになる。よって極性反転用コンデンサ115には2VDDが充電される。
【0043】
次にゲート信号138が−2VDD、ゲート信号139が2VDDのとき、PチャネルMOSトランジスタ114とNチャネルMOSトランジスタ113が導通する。端子205の電位は0Vとなり、極性反転用コンデンサ115に充電された2VDDにより端子206および207の電位は−2VDDとなり、出力コンデンサ116には−2VDDが充電される。
【0044】
【発明の効果】
本発明によるチャージポンプ型昇圧回路は、複数のコンデンサと複数の電子スイッチを用いて入力電圧を昇圧するチャージポンプ型昇圧回路であって、前記入力電圧で充電される1個の充電コンデンサと、前記入力電圧および前記充電コンデンサの端子電圧を用いて前記入力電圧の複数倍の電圧を発生する複数の出力コンデンサとを含んで構成されるため、チャージポンプ型昇圧回路を構成する部品である、スイッチおよびコンデンサの数を減らしてもなお、従来と同等の動作をするチャージポンプ型昇圧回路を提供することが可能となる。
【0045】
本発明におけるチャージポンプ型昇圧回路では、すでに昇圧電圧を保持している片側接地された出力コンデンサをさらに高電位の電圧を昇圧するために用いる。そのため昇圧に必要な、両側に電子スイッチを接続した充電コンデンサや、電子スイッチの数を低減することができる。以下に本発明による効果を書き下す。
【0046】
本発明による第1の効果は、チャージポンプ型N倍昇圧回路を構成する電子スイッチの数を減らしても、同じ昇圧電圧が得られることにあり、回路面積の低減につながる(Nは3以上の整数)。
【0047】
第2の効果は、外付け部品であるコンデンサの数を減らせる点であり、N倍の昇圧回路において2〜N倍のうち複数の昇圧電圧を同時に負荷に供給する構成の場合に有効である(Nは3以上の整数)。これにより表示装置など複数の電圧を必要とする電源回路の小型軽量化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るチャージポンプ型昇圧回路の第1の実施の形態の回路図である。
【図2】本発明に係る3倍昇圧回路の制御信号のタイミングチャートである。
【図3】本発明に係る2倍および3倍昇圧回路の一例の回路図である。
【図4】本発明に係る表示装置用電源回路の一例の回路図である。
【図5】クロック生成回路の一例の回路図である。
【図6】レベルシフト回路(LS1)の一例の回路図である。
【図7】レベルシフト回路(LS2)の一例の回路図である。
【図8】スイッチ制御信号のタイミングチャートである。
【図9】ゲート信号のタイミングチャートである。
【図10】従来の3倍昇圧回路の1例の回路図である。
【図11】図10におけるスイッチの動作のタイミングチャートである。
【図12】従来の2倍昇圧と3倍昇圧電圧を同時に供給する回路の回路図である。
【符号の説明】
1 入力電源
11,12,13,14 充電スイッチ
21,22,23,24 昇圧スイッチ
31,32 昇圧スイッチ
51 3倍昇圧出力コンデンサ
52 3倍昇圧出力用負荷
53 2倍昇圧出力コンデンサ
54 2倍昇圧出力用負荷
61,62 充電コンデンサ
71〜78 外部接続端子
101 入力電源
102,104,105,106 PチャネルMOSトランジスタ
107,111,114 PチャネルMOSトランジスタ
103,112,113 NチャネルMOSトランジスタ
108 充電コンデンサ
109 2倍昇圧出力コンデンサ
110 3倍昇圧出力コンデンサ
115 極性反転用コンデンサ
116 −2倍昇圧出力コンデンサ
120 クロック信号
121 クロック生成回路
122〜129 スイッチ制御信号
130,131,132 レベルシフト回路(LS1)
133 レベルシフト回路(LS2)
134〜139 ゲート信号
151 3分周回路
152〜154 フリップフロップ回路
155 2分周回路
156 インバータ
160,161 PチャネルMOSトランジスタ
162,163 NチャネルMOSトランジスタ
164〜167 インバータ
170,171,174,175 PチャネルMOSトランジスタ
172,173,176,177 NチャネルMOSトランジスタ
178〜181 インバータ
201,202 充電コンデンサ端子
203 2倍昇圧出力端子
204 3倍昇圧出力端子
205,206 反転用充電コンデンサ端子
207 −2倍昇圧出力端子
208 0V端子

Claims (10)

  1. 複数のコンデンサと複数の電子スイッチを用いて入力電圧を昇圧するチャージポンプ型昇圧回路であって、
    前記入力電圧で充電される1個の充電コンデンサと、前記入力電圧および前記充電コンデンサの端子電圧を用いて前記入力電圧の複数倍の電圧を発生する複数の出力コンデンサとを含むことを特徴とするチャージポンプ型昇圧回路。
  2. 前記充電コンデンサは両端子に少なくとも1つ以上の前記電子スイッチが接続され、前記出力コンデンサは常に片側の端子が接地されることを特徴とする請求項1記載のチャージポンプ型昇圧回路。
  3. 第1のタイミングで前記充電コンデンサに前記入力電圧を充電すること、第2のタイミングで入力電源と前記充電コンデンサの低電位端子を接続して高電位端子に発生する前記入力電圧の2倍の電圧を常に片側接地された第1の出力コンデンサに充電すること、第3以降の任意のタイミング(第N:Nは3以上の整数)で前記充電コンデンサの前記低電位端子と、前記入力電圧の(N−1)倍の電位を保持した常に片側接地された第(N−2)の出力コンデンサの片側接地されていない端子とを接続して、前記高電位端子に発生する前記入力電圧のN倍の電圧を、常に片側接地された第(N−1)の出力コンデンサに充電することを特徴とする請求項1または2記載のチャージポンプ型昇圧回路。
  4. 複数のコンデンサと複数の電子スイッチを用いて入力電圧を昇圧するチャージポンプ型昇圧回路であって、両端子に少なくとも1つ以上の電子スイッチを接続した充電コンデンサを前記入力電圧で充電する動作と、常に片側接地された出力コンデンサを充電する動作と、前記充電コンデンサの低電位端子と前記片側接地された出力コンデンサの接地されていない端子を接続することにより、前記充電コンデンサの高電位端子に前記充電コンデンサに充電された電位より高い電位に昇圧する動作を行うことを特徴とする請求項1から3いずれか記載のチャージポンプ型昇圧回路。
  5. 少なくとも1つ以上の前記常に片側接地された出力コンデンサの接地されていない端子が前記充電コンデンサの前記高電位端子および前記低電位端子とそれぞれ第1の電子スイッチと第2の電子スイッチを介して接続され、前記第1の電子スイッチと前記第2の電子スイッチが同時に導通しないことを特徴とする請求項1から4いずれか記載のチャージポンプ型昇圧回路。
  6. 前記少なくとも1 つ以上の常に片側接地された出力コンデンサの前記接地されていない端子に発生した電圧を負荷に供給することを特徴とする請求項1から5いずれか記載のチャージポンプ型昇圧回路。
  7. 前記回路において前記充電コンデンサに前記入力電圧を充電した後,入力電源と前記充電コンデンサの前記低電位端子を接続して前記高電位端子に発生する入力電圧の2倍の電圧を前記第1の電子スイッチを導通させて前記常に片側接地された出力コンデンサに充電することを特徴とする請求項5または6記載のチャージポンプ型昇圧回路。
  8. 前記回路において電子スイッチの切り替えを行う3相以上のクロックを発生させるクロック生成回路を具備することを特徴とする請求項1から7いずれか記載のチャージポンプ型昇圧回路。
  9. 前記回路において接続を切り替える電子スイッチがMOSトランジスタで構成されることを特徴とした請求項1から8いずれか記載のチャージポンプ型昇圧回路。
  10. 前記回路において接続を切り替える電子スイッチが薄膜トランジスタで構成されることを特徴とした請求項1から9いずれか記載のチャージポンプ型昇圧回路。
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