JP2005525077A - チャージポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の出力端子（Ｅ）と基準端子（Ｄ）との間で第１の出力電圧（Ｖｏ１）を生成し、第２の出力端子（Ｆ）と基準端子（Ｄ）との間で第２の出力電圧（Ｖｏ２）を生成するチャージポンプ（１）である。チャージポンプ（１）は、ＤＣ電圧（Ｖ）を入力する第１の入力端子（Ｃ）と、第１の出力端子（Ｅ）と基準端子（Ｄ）との間に接続された第１の蓄積コンデンサ（Ｃｒ１）と、第２の出力端子（Ｆ）と基準端子（Ｄ）との間に接続された第２の蓄積コンデンサ（Ｃｒ２）と、をさらに具備する。チャージポンプ（１）は、ポンプコンデンサ（Ｃｐ）を第１の三つ一組のスイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５）と第２の三つ一組のスイッチ（Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６）に接続する第１の端子（Ａ）および第２の端子（Ｂ）をさらに具備する。第１の三つ一組のスイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５）は、第１の端子（Ａ）を第１の入力端子（Ｃ）、基準端子（Ｄ）または第２の出力端子（Ｆ）の何れかに選択的に接続する。第２の三つ一組のスイッチ（Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６）は、第２の端子（Ｂ）を第１の入力端子（Ｃ）、基準端子（Ｄ）または第１の出力端子（Ｅ）の何れかに選択的に接続する。

Description

本発明は、第１の出力端子と基準端子との間で第１の出力電圧を生成し、第２の出力端子と基準端子との間で第２の出力電圧を生成し、ＤＣ電圧を入力する第１の入力端子と、第１の出力端子と基準端子との間に接続された第１の蓄積コンデンサと、第２の出力端子と基準端子との間に接続された第２の蓄積コンデンサとをさらに具備するチャージポンプに関する。

チャージポンプはバッテリ型電源から給電される携帯型装置で非常に多く使用される。チャージポンプは、一般的に、入力ＤＣ電圧に依存した大きさをもつＤＣ電圧を出力に生成する。チャージポンプは、コンデンサおよびスイッチを具備し、あらゆるスイッチの状態ＯＮまたはＯＦＦは、周期的なクロック信号により駆動されるカウンタ／デコーダによって生成されたバイナリ信号で制御される。

米国特許第５，２３７，２０９号は、１１個のスイッチと４個のコンデンサを具備し、バイポーラ電圧出力を生成するチャージポンプを開示する。コンデンサのうちの２個は、出力電圧のための蓄積装置として使用される。それ以外の２個のコンデンサは、スイッチを介して入力電圧端子と出力端子に周期的に接続される。スイッチがＯＮまたはＯＦＦ状態である順番はカウンタによって決められ、カウンタは周期的なバイナリ信号、すなわち、クロックによって駆動される。回路入力にはＤＣ電圧Ｖが供給される。この回路は、入力電圧Ｖの２倍に実質的に一致するバイポーラ出力電圧を生成する能力を備え、すなわち、＋２Ｖおよび−２Ｖの出力電圧を生成する。−Ｖと＋２Ｖのような非対称的な電圧を供給する必要があり、それにもかかわらず、低コストであり、かつ、可能であれば、チップ内で占有する面積が縮小されたディスプレイのような装置が存在することが認められる。

したがって、本発明の目的は、平衡型または非平衡型のバイポーラ電圧を生成する低コストチャージポンプを提供することである。

本発明によれば、上記目的は、冒頭に記載されるような装置であって、
−ポンプコンデンサを第１の三つ一組のスイッチと第２の三つ一組のスイッチに接続する第１の端子および第２の端子をさらに具備し、
−第１の三つ一組のスイッチは、第１の端子を第１の入力端子、基準端子または第２の出力端子の何れかに選択的に接続し、
−第２の三つ一組のスイッチは、第２の端子を第１の入力端子、基準端子または第１の出力端子の何れかに選択的に接続する、
チャージポンプによって達成される。

必要なスイッチの総数は６個であり、従来技術におけるスイッチの個数よりも実質的に少ないことが認められる。さらに、チャージポンプが具備するコンデンサは、４個ではなく、３個だけである。２個のコンデンサは出力電圧のための蓄積装置として使用され、１個が出力電圧を生成するため使用される。使用するコンデンサとスイッチの数が少なくなるので、本発明よるチャージポンプは、従来技術の回路よりも低価格であり、集積化されたときの占有面積が減少する。

本発明の一実施形態において、信号のベクトルが基準周期信号によって制御された周期で周期的に生成される。対称的または非対称的なバイポーラ電圧を生成するサイクルは設計ごとに変わることがないので、電圧は同じ効率で生成される。スイッチは、電磁型でも、放射線信号によって制御されるフォトトランジスタでも、電圧または電流によって制御されるバイポーラトランジスタでも、電圧によって制御されるＣＭＯＳトランジスタでもよい。スイッチのタイプを選択する場合もあれば、スイッチのタイプが特定用途に依存する場合もある。例えば、携帯電話機の場合、小型電圧発生器を有することが望ましく、可能であれば、給電される装置と同じチップに集積化される。したがって、一つの解決策として、容易に集積化可能であるＣＭＯＳトランジスタを利用することが考えられる。

本発明の他の実施形態では、本発明によるチャージポンプは給電システムで使用される。給電システムはＬＣＤディスプレイに接続されたチャージポンプを具備し、前記ディスプレイは、第１の出力電圧および第２の出力電圧によって給電される。この給電システムは、対称と非対称の両方のバイポーラ出力電圧を生成可能であり、かつ、種々のタイプのディスプレイに容易に適合させることができるため、かなりフレキシブルであり、なぜなら、出力電圧はどのような出力へも容易に供給することができるので、すなわち、第１の出力電圧は、正または負の何れでもよく、Ｖまたは２Ｖの何れかの大きさをもつからである。

本発明の上記およびその他の特徴と効果は、添付図面を参照して以下の本発明の典型的な実施形態の説明から明白であろう。

図１は本発明によるチャージポンプの詳細図である。

チャージポンプ１は、第１の出力端子Ｅと基準端子Ｄとの間に第１の出力電圧Ｖｏ１を生成し、第２の出力端子Ｆと基準端子Ｄとの間に第２の出力電圧Ｖｏ２を生成する。これらの電圧は符号が異なり、すなわち、一方は負であり、他方は正である。チャージポンプ１は、ＤＣ電圧Ｖを入力する第１の入力端子Ｃをさらに具備する。チャージポンプ１は、第１の出力端子Ｅと基準端子Ｄとの間に接続された第１の蓄積コンデンサＣｒ１と、第２の出力端子Ｆと基準端子Ｄとの間に接続された第２の蓄積コンデンサＣｒ２とを含む。チャージポンプ１は、また、ポンプコンデンサＣｐを第１の三つ一組のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ５と第２の三つ一組のスイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ６に接続する第１の端子Ａおよび第２の端子Ｂを含む。第１の三つ一組のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ５は、第１の端子Ａを第１の入力端子Ｃ、基準端子Ｄまたは第２の出力端子Ｆの何れかに選択的に接続する。第２の三つ一組のスイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ６は、第２の端子Ｂを第１の入力端子Ｃ、基準端子Ｄまたは第１の出力端子Ｅの何れかに選択的に接続する。フェーズジェネレータ／デコーダ１０は、基準周期信号Ｃｋと同期した信号のベクトルＰ（Ｐｈａｓｅ）を生成し、前記信号のベクトルは、スイッチの状態、すなわち、ＯＮまたはＯＦＦの状態を制御する。チャージポンプ１は、第１の出力電圧Ｖｏ１および第２の出力電圧Ｖｏ２のそれぞれに対して、組み合わせ（−Ｖ，２Ｖ）、（−２Ｖ，２Ｖ）、（−Ｖ，Ｖ）、（Ｖ，−Ｖ）、（２Ｖ，−２Ｖ），（２Ｖ，−Ｖ）のうちの一つを生成する。チャージポンプ１は、３個のコンデンサＣｐ、Ｃｒ１およびＣｒ２だけを使用すること、すなわち、引用された従来技術よりも１個少ないコンデンサを使用することが認められる。さらに、スイッチの総数は６個であり、すなわち、引用された従来技術よりも少ない。したがって、本願のチャージポンプ１は、引用された従来技術で使用された解決策よりも低価格の解決策を提供する。フェーズジェネレータ／デコーダ１０は、４成分、すなわち、フェーズ１、フェーズ２、フェーズ３およびフェーズ４を有する信号のベクトルを生成する。

表１にはスイッチの切り替えシーケンスが記載されている。

表１において、すべての行には、第１の出力電圧Ｖｏ１および第２の出力電圧Ｖｏ２の電圧値が示されている。表１のすべての列には、どのスイッチがＯＮ状態であるかが示され、それ以外のすべてのスイッチはＯＦＦ状態である。ここで、Ｖｏ１＝＋２ＶかつＶｏ２＝−Ｖという状況を実現する場合を考える。表１から、信号のベクトルの第１成分フェーズ１コマンドは、スイッチＳ２およびＳ３をＯＮ状態に切り替える。その結果、ポンプコンデンサＣｐは、端子Ｂで正の符号を有し、端子Ａで負の符号を有する電圧Ｖで充電される。信号のベクトルの第２成分フェーズ２が適用されるとき、スイッチＳ１およびＳ４はＯＮ状態へ移る。したがって、第１の出力電圧Ｖｏ１は＋２Ｖになり、その電圧が第１の蓄積コンデンサＣｒ１に蓄積される。信号フェーズ３は、スイッチＳ２およびＳ３をＯＮ状態へ進めることを定め、ポンプコンデンサは信号フェーズ１と同様に充電される。最後に、信号フェーズ４が適用されるとき、スイッチＳ５およびＳ６がＯＮ状態へ進み、第２の蓄積コンデンサＣｒ２に加わる電圧は−Ｖである。このプロセスは、別のサイクルのフェーズ１、・・・、フェーズ４等々を継続する。ある時点では、信号のベクトルＰｈａｓｅの１個の成分だけが有効であり、すなわち、スイッチのＯＮ状態を決定する状態にあることが認められる。制御信号は、４個のうちの一つのデコーダに接続されたバイナリカウンタを具備する装置を使用して生成することができ、この装置はそれ自体が知られている。

あらゆるスイッチは、入力端子、出力端子および制御端子を有する。あらゆるスイッチは、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の何れかの状態を取り得る。ＯＮ状態中に、スイッチは出力端子を入力端子に接続する。ＯＦＦ状態中、出力端子と入力端子の間に接続はない。あらゆるスイッチの状態は制御端子に供給される制御信号によって決められる。スイッチは、電磁型でも、放射線によって制御されるフォトトランジスタでも、電圧または電流によって制御されるバイポーラトランジスタでも、電圧によって制御されるＣＭＯＳトランジスタでもよい。スイッチのタイプに依存して、ＯＮ状態を決める制御信号は論理１または論理０の何れかであり、対応してＯＦＦ状態を決める制御信号は論理０または論理１の何れかである。スイッチのタイプを選択する場合もあれば、スイッチのタイプが特定用途に依存する場合もある。例えば、携帯電話機の場合、小型電圧発生器を有することが望ましく、可能であれば、給電される装置と同じチップに集積化される。したがって、一つの解決策として、容易に集積化可能であるＣＭＯＳトランジスタを利用することが考えられる。

信号のベクトルＰｈａｓｅは、基準周期信号Ｃｋによって制御された周期で周期的に生成される。この状況はチャージポンプ１のバーストモード動作の特徴を示す。従来の技術を使用する制御モードにおいて、スイッチング停止、スイッチング周波数、および、デューティサイクル変化のような数個のパラメータを制御することが可能である。スイッチング停止状況では、出力電圧が所定の値に達したとき、出力を充電するスイッチは、出力電圧が所定の電圧よりも低下するまでＯＮ状態へ切り替えられることがなくなる。ポンプコンデンサＣｐと蓄積コンデンサＣｒ１、Ｃｒ２との間の電荷輸送は、信号のベクトルＰｈａｓｅの周波数と持続時間に依存し、したがって、クロックに依存する。その結果、フェーズジェネレータ／デコーダ１０のクロックを制御すると、電荷輸送を制御することができる。ポンプコンデンサＣｐの充電、すなわち、フェーズ１およびフェーズ３と、ポンプコンデンサＣｐの放電、すなわち、フェーズ２およびフェーズ４との間のデューティサイクルが確定される。このパラメータは、また、ポンプコンデンサＣｐと第１の蓄積コンデンサＣｒ１および第２の蓄積コンデンサＣｒ２との間の電荷輸送を制御する。

バイポーラ電圧を生成するチャージポンプは、また、例えば、米国特許第５，２６２，９３４号および米国特許第５，４６１，５５７号に記載されている。これらのチャージポンプは、２個のポンプコンデンサおよび２個の蓄積コンデンサからなる４個のコンデンサと、本発明よりも多数のスイッチとを使用する。したがって、これらのチャージポンプは、本発明によるチャージポンプ１よりも高価格であり、より広いチップ面積を使用する。

表１は、それらに記載された出力電圧の組み合わせのための信号のベクトルＰｈａｓｅを生成するため使用できることに注意すべきである。これは、例えば、メモリに接続されたカウンタを具備する装置において実現され、前記メモリが表１の内容を記憶する。表１に従う信号生成はソフトウェアプログラムにおいて実施可能であることがさらに認められる。そのプログラムは、表１に従う信号のベクトルＰｈａｓｅを生成するコントローラ上で実行される。出力電圧は正と負のどちらでもよく、チャージポンプ１は互いに一致、または、一致しないバイポーラ電圧を生成することに特に注意すべきである。したがって、チャージポンプ１は、対称的なバイポーラ電圧電源を要求するアプリケーションと、非対称的な電圧電源を要求するアプリケーションの両方で使用可能である。

このような状況が図２に示されている。チャージポンプ１はバッテリ１００に接続され、バッテリ１００は電圧Ｖを生成する。チャージポンプ１は、ＬＣＤディスプレイ２００に給電する出力電圧Ｖｏ１およびＶｏ２を生成し、前記ＬＣＤディスプレイ２００は、非対称的なバイポーラ給電電圧、すなわち、＋２Ｖおよび−１Ｖが必要である。チャージポンプ１の負荷が表１に掲載された対称的なバイポーラ電圧の給電を必要とするならば、これらの電圧は本発明によるチャージポンプを使用して生成され得ることが認められる。

三つ一組のスイッチを制御するため使用される論理回路に依存して、出力電圧を表１に示された出力電圧から変えることが可能であるが、チャージポンプの電力効率は低下することが認められる。請求項３に記載された電圧以外の別の電圧が、より多数のポンプコンデンサおよびスイッチを使用することによって簡単に実現され得る。さらに、負荷に依存して、チャージポンプの任意の出力でかなり一定した電圧を維持するため、表１にされた充電シーケンスを変更してもよい。

本発明の保護範囲は上記の実施形態に限定されないことに注意する必要がある。本発明の保護範囲が請求項中の参照番号によって限定されることもない。用語「具備する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は請求項に列挙された部品以外の部品を除外するものではない。要素の前に置かれた冠詞（ａ，ａｎ）はそれらの要素が複数個であることを除外するものではない。本発明の部品を構成する手段は、専用ハードウェアの形、または、プログラムされた目的のプロセッサの形の両方の形で実施可能である。本発明は、新規性のある特徴、または、新規性のある特徴の組み合わせが備わっている。

本発明によるチャージポンプの詳細図である。 本発明による給電システムを示す図である。

Claims (4)

1. 第１の出力端子と基準端子との間で第１の出力電圧を生成し、第２の出力端子と基準端子との間で第２の出力電圧を生成し、ＤＣ電圧を入力する第１の入力端子と、前記第１の出力端子と前記基準端子との間に接続された第１の蓄積コンデンサと、前記第２の出力端子と前記基準端子との間に接続された第２の蓄積コンデンサとをさらに具備するチャージポンプであって、
   ポンプコンデンサを第１の三つ一組のスイッチと第２の三つ一組のスイッチに接続する第１の端子および第２の端子をさらに具備し、
   前記第１の三つ一組のスイッチは、前記第１の端子を前記第１の入力端子、前記基準端子または前記第２の出力端子の何れかに選択的に接続し、
   前記第２の三つ一組のスイッチは、前記第２の端子を前記第１の入力端子、前記基準端子または前記第１の出力端子の何れかに選択的に接続する、
   チャージポンプ。
2. 基準周期信号と同期した信号のベクトルを生成するフェーズジェネレータ／デコーダをさらに具備し、前記信号のベクトルが前記スイッチの状態であるＯＮ状態とＯＦＦ状態を制御する、請求項１に記載のチャージポンプ。
3. 前記第１の出力電圧および前記第２の出力電圧のそれぞれに対して、組み合わせ（−Ｖ，２Ｖ）、（−２Ｖ，２Ｖ）、（−Ｖ，Ｖ）、（Ｖ，−Ｖ）、（２Ｖ，−２Ｖ），（２Ｖ，−Ｖ）のうちの一つを生成する、請求項１または２に記載のチャージポンプ。
4. 前記第１の出力電圧および前記第２の出力電圧をＬＣＤディスプレイに給電する、請求項１に記載のチャージポンプを具備する給電システム。

Images