JP2006060878A - チャージポンプ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】
動作開始時における電源電圧の一時的な低下を抑制することができ、この電源電圧により動作する周辺回路や周辺装置の誤動作の発生を未然に防止することができるチャージポンプ回路を提供する。
【解決手段】
チャージコンデンサを充電する充電電流の通電と遮断とを切替えるためのイネーブルスイッチを有するチャージポンプ回路において、イネーブルスイッチと並列に接続され、イネーブルスイッチを介してチャージコンデンサに通電される充電電流よりも小さい電流が流れる初期充電スイッチと、この初期充電スイッチがオン状態にされたことによりチャージコンデンサに所定量の電荷が充電されたことを検出した後に、イネーブルスイッチをオン状態にするスイッチ制御回路とを有する初期充電回路を設けることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、チャージポンプ回路に関するものである。

従来より、電源電圧よりも高い電圧を必要とする電子回路には、電源電圧を用いて所望する出力電圧を生成することが可能なチャージポンプ回路が内蔵されていた（たとえば、特許文献１参照。）。

このチャージポンプ回路１００は、図３に示すように、電源電圧Ｖｉに対応した充電電流を通電することにより充電される第１のチャージコンデンサＣ１０１と、この第１のチャージコンデンサＣ１０１を充放電する際にスイッチとして機能する第１と第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１０１、Ｎ１０２及び第１と第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１０１、Ｐ１０２と、これら第１と第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１０１、Ｎ１０２及び第１と第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１０１、Ｐ１０２を駆動する駆動回路１０１と、第１のチャージコンデンサＣ１０１への電流の通電と遮断とを切替えるイネーブルスイッチとして機能する第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１０３と、このチャージポンプ回路１００の出力電圧Ｖｏに対応した充電電流を通電することにより充電される第２のチャージコンデンサＣ１０２と、この第２のチャージコンデンサＣ１０２に充電した電荷を放電することによりチャージポンプ回路１００の出力電圧Ｖｏを０Ｖに固定する第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１０３とによって構成していた。

このように構成したチャージポンプ回路１００では、以下のようにして、出力電圧Ｖｏが電源電圧Ｖｉの２倍となるように制御していた。

まず、第１のチャージコンデンサＣ１０１及び第２のチャージコンデンサＣ１０２が充電されていない状態で、第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１０３と第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１０３とにイネーブル信号ＥＮ１０１を入力することによって第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１０３をオン状態にするとともに、第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１０３をオフ状態にする。

続いて、駆動回路１０１により、第1及び第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１０１、Ｎ１０２をオン状態にするとともに、第１及び第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１０１、Ｐ１０２をオフ状態にする。

ここで、第１のチャージコンデンサＣ１０１は、電源電圧Ｖｉに充電される。

このとき、この第１のチャージコンデンサＣ１０１には、オン状態となっている第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１０３と第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１０２とを介して充電電流が通電される。

次に、駆動回路１０１により、第１及び第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１０１、Ｎ１０２をオフ状態にするとともに、第１及び第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１０１、Ｐ１０２をオン状態にする。

ここで、電源電圧Ｖｉに充電されている第１のチャージコンデンサＣ１０１には、オン状態となっている第１のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１０１を介して充電電流が通電される。

これにより、この第１のチャージコンデンサＣ１０１は、先に充電された電源電圧Ｖｉに、電源電圧Ｖｉが加えられることとなり、電源電圧Ｖｉの２倍に昇圧された電圧になる。

その後、駆動回路１０１により第１及び第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１０１、Ｎ１０２と第１及び第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１０１、Ｐ１０２とのオンとオフとの切替え動作を繰り返し行うことによって、第２のチャージコンデンサＣ１０２に、この電源電圧Ｖｉを２倍に昇圧した電圧に対応する充電電流が通電される。

これにより、第２のチャージコンデンサＣ１０２は、電源電圧Ｖｉの２倍に充電され、このようにして出力電圧Ｖｏが電源電圧Ｖｉの２倍になるように制御していた。
特開２００３−３３３８３１号公報

ところが、上記従来のチャージポンプ回路１００は、動作を開始する際、第１と第２のチャージコンデンサＣ１０１、Ｃ１０２に比較的大きな充電電流が通電されていたため、この充電電流の通電に起因して電源電圧Ｖｉが一時的に低下することがあった。

このように電源電圧Ｖｉが一時的に低下すると、この電源電圧Ｖｉによって動作していた周辺回路や周辺装置が正常に動作しなくなるおそれがあった。

そこで、請求項１に係る本発明では、チャージコンデンサを充電する充電電流の通電と遮断とを切替えるためのイネーブルスイッチを有するチャージポンプ回路において、チャージコンデンサの充電開始時に、イネーブルスイッチを介してチャージコンデンサに通電される充電電流よりも小さい電流でチャージコンデンサを充電する初期充電回路を有することとした。

また、請求項２に係る本発明では、初期充電回路は、イネーブルスイッチと並列に接続され、充電電流よりも小さい電流が流れる初期充電スイッチと、この初期充電スイッチがオン状態にされたことによりチャージコンデンサに所定量の電荷が充電されたことを検出した後に、イネーブルスイッチをオン状態にするスイッチ制御回路とを有することとした。

本発明では、以下に記載するような効果を奏する。

請求項１に係る本発明では、チャージコンデンサを充電する充電電流の通電と遮断とを切替えるためのイネーブルスイッチを有するチャージポンプ回路において、チャージコンデンサの充電開始時に、イネーブルスイッチを介してチャージコンデンサに通電される充電電流よりも小さい電流でチャージコンデンサを充電する初期充電回路を有することとしたため、チャージコンデンサを充電する際に、比較的大きな充電電流が充電されていない状態のチャージコンデンサにいきなり通電されることがなくなるので、チャージポンプ回路の動作開始時における電源電圧の一時的な低下を抑制することができ、この電源電圧により動作する周辺回路や周辺装置の誤動作の発生を未然に防止することができる。

また、請求項２に係る本発明では、初期充電回路は、イネーブルスイッチと並列に接続され、充電電流よりも小さい電流が流れる初期充電スイッチと、この初期充電スイッチがオン状態にされたことによりチャージコンデンサに所定量の電荷が充電されたことを検出した後に、イネーブルスイッチをオン状態にするスイッチ制御回路とを有することとしたため、比較的簡単な回路構成により充電開始時にチャージコンデンサへ通電する充電電流量を低減したチャージポンプ回路を提供することができる。

本発明に係るチャージポンプ回路は、充放電を繰り返すことによって電源電圧を昇圧する複数のチャージコンデンサと、このチャージコンデンサを充電する際に通電する充電電流の通電と遮断とを切替えるためのイネーブルスイッチとを有している。

さらに、このチャージポンプ回路は、イネーブルスイッチと並列に接続した初期充電スイッチと、外部から入力されるイネーブル信号に基づいてこの初期充電スイッチ及びイネーブルスイッチの動作を制御するスイッチ制御回路とを備えている。

特に、初期充電スイッチは、イネーブルスイッチを介してチャージコンデンサに通電される充電電流よりも小さい充電電流が流れるスイッチ回路により構成している。

また、スイッチ制御回路は、チャージポンプ回路の動作を開始させるためのイネーブル信号が入力されると、まず、イネーブルスイッチをオフ状態にしたまま初期充電スイッチのみをオン状態にする。

こうすることにより、初期充電スイッチを介してイネーブルスイッチを流れる充電電流よりも小さい充電電流によりチャージコンデンサの充電を開始する。

このとき、スイッチ制御回路は、チャージコンデンサに充電される電荷量に応じた電圧を逐次検出するようにしている。

そして、チャージコンデンサに所定量の電荷が充電されたことを検出した時点でイネーブルスイッチをオン状態にするように制御する。

このように、チャージコンデンサの充電開始時には、比較的小さな充電電流による初期充電を行い、その後、比較的大きな充電電流によりチャージコンデンサを充電するようにしているため、チャージポンプ回路の動作開始時における電源電圧の一時的な低下の発生を抑制して、周辺回路や周辺装置の誤作動の発生を未然に防止するようにしている。

また、初期充電回路は、イネーブルスイッチに並列に接続させた初期充電スイッチと、この初期充電スイッチ及びイネーブルスイッチの動作を制御するスイッチ制御回路といった比較的単純な回路構成により形成しているため、製造コストを増大させることなく充電開始時にチャージコンデンサへ通電する充電電流量を効果的に低減させたチャージポンプ回路を提供することができる。

また、この初期充電回路には、イネーブルスイッチに並列接続させた複数個の初期充電スイッチを設けることもできる。

このように初期充電回路を構成した場合は、スイッチ制御回路により、チャージポンプ回路の動作開始時に、この複数の初期充電スイッチを１個ずつ段階的にオン状態にしていき、最後にイネーブルスイッチをオン状態になるように制御する。

こうすることによって、電源電圧の一時的な低下の発生をより確実に抑制することができる。

以下に、本発明に係るチャージポンプ回路１について図面を参照しながら具体的に説明する。

チャージポンプ回路１は、図１に示すように、第１〜第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１、Ｎ２、Ｎ３と、第１〜第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と、第１と第２のチャージコンデンサＣ１、Ｃ２と、駆動回路２と、スイッチ制御回路３とによって構成している。

直列に接続された第１のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１と第１のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１と、同じく直列に接続された第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ２と第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ２とは、第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３を介して直列に接続されている。

このうち、第１と第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１、Ｎ２及び第１と第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２の各ゲートは駆動回路２に接続されており、この駆動回路２から入力される駆動信号Ｓｄに基づいて第１及び第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１、Ｎ２と、第１及び第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２とが交互にオン状態となるように制御される。

このように、第１と第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１、Ｎ２及び第１と第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２は、このチャージポンプ回路１の充放電を行う際の充放電スイッチとして機能するものである。

また、第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３のゲートは、スイッチ制御回路３に接続されており、このスイッチ制御回路３から入力されるスイッチ制御信号Ｓｃに基づいてオン状態とオフ状態とを切替えるように制御される。

この第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３は、第１のチャージコンデンサＣ１に充電を行う際に、充電電流の通電と遮断とを切替えるイネーブルスイッチとして機能するものである。

また、第１のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１のソースは接地されており、第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ２のソースは、第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ３のドレインに接続されている。

また、直列に接続された第１のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１と第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３と第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ２と並列に、第１のチャージコンデンサＣ１が接続されている。

そして、第１のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１と第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３との接続点には、電源電圧Ｖｉｎが印加されている。

さらに、このチャージポンプ回路１では、第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３と並列に第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４が接続されており、この第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４のドレインにも電源電圧Ｖｉｎが印加されている。

そして、この第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４は、ゲートに入力されるイネーブル信号ＥＮに基づいてオン状態とオフ状態とを切替えるように制御される。

特に、この第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４は、第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３よりもトランジスタサイズの小さいＰ型ＭＯＳトランジスタにより構成することによって、オン状態のときに第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３に流れる充電電流よりも小さい初期充電電流が流れるようにしている。

そして、この第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４は、チャージポンプ回路１が動作を開始すると同時にオフ状態からオン状態に切替わる初期充電スイッチとして機能する。

また、このチャージポンプ回路１の出力側には、第２のチャージコンデンサＣ２が接続されている。

そして、この第２のチャージコンデンサＣ２は、充電が開始されると、現在充電されている電荷に応じて出力電圧Ｖｏｕｔを出力するとともに、この出力電圧Ｖｏｕｔをスイッチ制御回路３に印加するようにしている。

スイッチ制御回路３は、イネーブル信号ＥＮがＬｏｗ状態（アクティブ状態）であり、かつ、出力電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧よりも高くなったことによって第２のチャージコンデンサＣ２に所定量の電荷が充電されたことを検出した場合に、第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３をオン状態にするスイッチ制御信号Ｓｃを生成するようにしている。

第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ３は、ドレインが第２のチャージコンデンサＣ２に接続されており、ソースが接地されている。

そして、チャージポンプ回路１が動作を停止している期間は、ゲートに入力されるイネーブル信号ＥＮに基づいてオン状態となり、第２のチャージコンデンサＣ２に充電されている電荷を全て放電することにより出力電圧Ｖｏｕｔを０Ｖに固定するようにしている。

以下に、このチャージポンプ回路１の動作について、図２に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

チャージポンプ回路１が動作を停止している期間では、Ｈｉｇｈレベルのイネーブル信号ＥＮ（非アクティブ状態のイネーブル信号ＥＮ）がスイッチ制御回路３と、第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４と、第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ３とに入力される。

このとき、イネーブル信号ＥＮがＨｉｇｈレベルであるため、第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ３はオン状態となり、第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４はオフ状態となる。

そのため、第２のチャージコンデンサＣ２に充電されている電荷は全て放電されて出力電圧Ｖｏｕｔが０Ｖ固定されるとともに、第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４では初期充電電流が遮断されている状態となっている。

このとき、スイッチ制御回路３は、第２のチャージコンデンサＣ２に充電されている電荷量に応じた出力電圧Ｖｏｕｔを逐次検出しており、ここでは、第２のチャージコンデンサＣ２が完全に放電されている状態であるため、Ｈｉｇｈレベルのスイッチ制御信号Ｓｃ（非アクティブ状態のスイッチ制御信号Ｓｃ）を第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３に入力する。

第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３は、入力されるスイッチ制御信号ＳｃがＨｉｇｈレベルであるためオフ状態となり、充電電流が遮断されている状態となっている。

その後、イネーブル信号ＥＮがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベル（アクティブ状態）に切替わると同時に、このチャージポンプ回路１は動作を開始する。

イネーブル信号ＥＮがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切替わったことによって、第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４がオン状態になり、この第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４に初期充電電流が通電される。なお、このとき第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ３はオフ状態を保持している。

特に、この第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４は、上記したように、第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３よりもトランジスタサイズの小さいＰ型ＭＯＳトランジスタにより構成しているため、この第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４には、比較的小さな初期充電電流が流れるようになっている。

また、イネーブル信号ＥＮがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切替わると同時に駆動回路２は、第１と第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２及び第１と第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１、Ｎ２のそれぞれに、所定のタイミングでＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルとに切替わる駆動信号Ｓｄを入力する。

なお、この駆動信号Ｓｄは、Ｈｉｇｈレベルのときに第１及び第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１、Ｎ２がアクティブ状態になるとともに、第１及び第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２が非アクティブ状態になる。一方、この駆動信号ＳｄがＬｏｗレベルのときに第1及び第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１、Ｎ２が非アクティブ状態になるとともに、第１及び第２のＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２がアクティブ状態になる。

この駆動信号Ｓｄの入力により、まず、第１と第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２がオフ状態になると同時に、第１と第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１、Ｎ２がオン状態になる。

ここで、第１のチャージコンデンサＣ１は、第４のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ４と第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ２とを介して通電される初期充電電流により初期充電電圧に充電される。

このとき、第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ２及び第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ２には寄生ダイオードが形成されているため、初期充電電流が第２のチャージコンデンサＣ２にも通電されることとなるが、上記したように、この初期充電電流は、第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３を流れる充電電流よりも小さい電流であるため電源電圧の一時的な低下を招くことがない。

また、第１のチャージコンデンサＣ１に関しても、同じく比較的小さい初期充電電流により充電が開始されるため、電源電圧の一時的な低下を招くことがない。

その後、スイッチ制御回路３は、この初期充電電流の通電により第２のチャージコンデンサＣ２に所定量の電荷が充電されたことを出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて検出すると、第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３に入力しているスイッチ制御信号ＳｃをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベル（アクティブ状態）へ切替える。

第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３は、このスイッチ制御信号Ｓｃに基づいてオン状態になり、比較的大きな充電電流を通電する。

このとき、第１のチャージコンデンサＣ１は、この充電電流の通電により瞬時に電源電圧Ｖｉｎに充電されるが、予め初期充電されている状態で充電電流が通電されるため、電源電圧の一時的な低下を招くことがない。

また、第２のチャージコンデンサにも、第３のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ３と、第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ２及び第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ２に形成される寄生ダイオードとを介して充電電流が通電されるが、この第２チャージコンデンサＣ２も、既に所定量の電荷が充電された状態であるため、電源電圧Ｖｉｎの一時的な低下を招くことがない。

その後、駆動信号Ｓｄに基づいて第１と第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２がオン状態になると同時に、第１と第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１、Ｎ２がオフ状態になる。

ここで、電源電圧Ｖｉｎに充電されている第１のチャージコンデンサＣ１には、オン状態となっている第１のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１を介して充電電流が通電される。

こうして、この第１のチャージコンデンサＣ１は、先に充電された電源電圧Ｖｉｎに、電源電圧Ｖｉｎが加えられることとなり、電源電圧Ｖｉｎの２倍に昇圧された電圧になる。

その後、駆動回路２により第１及び第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＮ１、Ｎ２と第１及び第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２とのオンとオフとの動作を繰り返し行うことによって、第２のチャージコンデンサＣ２に、この電源電圧Ｖｉｎの２倍の電圧に対応した充電電流が通電される。

これにより、第２のチャージコンデンサＣ２は、電源電圧Ｖｉｎの２倍の電圧に充電され、出力電圧Ｖｏｕｔが電源電圧Ｖｉｎの２倍になるように制御される。

このように、本発明に係るチャージポンプ回路１は、予め第１と第２のチャージコンデンサＣ１、Ｃ２をイネーブルスイッチに流れる充電電流よりも小さい初期充電電流によって初期充電した後に昇圧動作を行うようにしているため、チャージポンプ回路１の動作開始時に、電源電圧Ｖｉｎが一時的に低下することを抑制することができる。

本発明に係るチャージポンプ回路を示す回路図である。 同チャージポンプ回路の動作を示すタイミングチャートである。 従来のチャージポンプ回路を示す回路図である。

符号の説明

１ チャージポンプ回路
Ｎ１ 第１のＮ型ＭＯＳトランジスタ
Ｎ２ 第２のＮ型ＭＯＳトランジスタ
Ｎ３ 第３のＮ型ＭＯＳトランジスタ
Ｐ１ 第１のＰ型ＭＯＳトランジスタ
Ｐ２ 第２のＰ型ＭＯＳトランジスタ
Ｐ３ 第３のＰ型ＭＯＳトランジスタ
Ｐ４ 第４のＰ型ＭＯＳトランジスタ
Ｃ１ 第１のチャージコンデンサ
Ｃ２ 第２のチャージコンデンサ
２ 駆動回路
３ スイッチ制御回路
Ｖｉｎ 電源電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
Ｓｄ 駆動信号
Ｓｃ スイッチ制御信号
ＥＮ イネーブル信号

Claims (2)

1. チャージコンデンサを充電する充電電流の通電と遮断とを切替えるためのイネーブルスイッチを有するチャージポンプ回路において、
   前記チャージコンデンサの充電開始時に、前記イネーブルスイッチを介して前記チャージコンデンサに通電される前記充電電流よりも小さい電流で前記チャージコンデンサを充電する初期充電回路を有することを特徴とするチャージポンプ回路。
2. 前記初期充電回路は、前記イネーブルスイッチと並列に接続され、前記充電電流よりも小さい電流が流れる初期充電スイッチと、この初期充電スイッチがオン状態にされたことにより前記チャージコンデンサに所定量の電荷が充電されたことを検出した後に、前記イネーブルスイッチをオン状態にするスイッチ制御回路とを有することを特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ回路。

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