JP2006129627A - Switched capacitor type charge-reusing power supply circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチトキャパシタ回路のタンクキャパシタの設計容量値の自由度を大きくし、設計の自由度を高めたスイッチトキャパシタ型電荷再利用電源回路に関する。 The present invention relates to a switched-capacitor-type charge recycling power supply circuit in which the degree of freedom of a design capacitance value of a tank capacitor of a switched-capacitor circuit is increased and the degree of freedom of design is increased.
従来から知られているスイッチトキャパシタ型電荷再利用電源回路の動作について説明する。この回路は、1994年にSvensson他により発明されたものである。(例えば、特許文献1参照) The operation of a conventionally known switched capacitor type charge recycling power supply circuit will be described. This circuit was invented in 1994 by Svensson et al. (For example, see Patent Document 1)
図9に、従来例として、4ステップの階段波形電圧を生成し、これにより負荷容量CLの充放電の消費エネルギーをCLV2/4とする回路を示す。タンクキャパシタとして、C1=C2=C3=Cと設定する。この時、パルス信号T0,T1,T2,T3,T4において、T0→T1→T2→T3→T4→T3→T2→T1→T0の順で、パルス信号をLowからHighにする。タンクキャパシタC1,C2,C3と、パルス信号T0,T1,T2,T3,T4でスイッチングされるトランジスタG0,G1,G2,G3,G4とは、スイッチトキャパシタ回路を構成している。図9の回路のタイミングチャートを図10に示す。
さて、この場合に、階段波形電圧が自発的に生成されることが知られていた。しかし、この証明は数学的には厳密には行われておらず、経験的にシミュレーション、実験を通して知られている現象であった。シミュレーション結果の例を図11に示す。Vは電源電圧値を示す。また、タンクキャパシタの値をC1=C2=C3=Cから変えた場合に、出力波形の挙動や安定性に対しては、全く明らかにされていなかった。 In this case, it has been known that a staircase waveform voltage is generated spontaneously. However, this proof was not performed mathematically strictly and was a phenomenon that was empirically known through simulations and experiments. An example of the simulation result is shown in FIG. V indicates a power supply voltage value. Further, when the value of the tank capacitor was changed from C 1 = C 2 = C 3 = C, the behavior and stability of the output waveform were not clarified at all.
本発明の目的は、複数の内の少なくとも1つ以上のタンクキャパシタの値を異ならせた場合において、出力波形の挙動や安定性を明確にし、スイッチトキャパシタ型電荷再利用電源回路の設計の自由度を大きくすることである。 An object of the present invention is to clarify the behavior and stability of an output waveform when the values of at least one tank capacitor among a plurality of tank capacitors are different, and to increase the degree of freedom in designing a switched capacitor type charge recycling power supply circuit. Is to increase.
請求項1にかかる発明のスイッチトキャパシタ型電荷再利用電源回路は、N−1個のタンクキャパシタを用いたスイッチトキャパシタ回路により、印加される電圧をNステップの階段波形電圧に変換して負荷容量に印加するスイッチトキャパシタ型電荷再利用電源回路において、前記N−1個の各タンクキャパシタの容量値を、前記負荷容量の容量値よりも少なくとも10倍以上大きく、かつその内の少なくとも1つ以上が他と異なるよう設定したことを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a switched capacitor type charge recycling power supply circuit which converts an applied voltage into an N-step staircase waveform voltage into a load capacitance by a switched capacitor circuit using N-1 tank capacitors. In the switched capacitor type charge recycling power supply circuit to be applied, the capacitance value of each of the (N−1) tank capacitors is at least 10 times larger than the capacitance value of the load capacitance, and at least one of them is another It is characterized by being set differently.
本発明によれば、タンクキャパシタの値に対して設計の自由度が大きい電荷再利用電源回路を構成することが可能である。例えば、スイッチトキャパシタ回路のタンクキャパシタの容量がすべて100pFの6ステップ階段電源回路と3ステップ階段電源回路とを組み合わせた回路構成を実現するときは、図8のように、タンクキャパシタC2とC1’を接続し、C4とC2’を接続するよう配線を行う事が可能となる。このとき、6ステップ階段電源回路(左側回路)のタンクキャパシタC1〜C5の値は100,200,100,200,100pFとなる。一方、3ステップ階段電源回路(右側回路)のタンクキャパシタC1’、C2’の値は200,200pFとなる。これにより、配線を行う前のタンクキャパシタの値100pFから、キャパシタの値を増加することができ、ノイズ耐性を高めたスイッチトキャパシタ型電荷再利用電源回路の構成が可能となる。また、EDN Japan 2004年10月号によると、電界コンデンサの許容誤差は3倍程度に見積もるべきとの指摘がある。本発明によれば、こうした電界コンデンサの許容誤差を無視することができる。
According to the present invention, it is possible to configure a charge recycling power supply circuit that has a high degree of design freedom with respect to the value of the tank capacitor. For example, when realizing a circuit configuration in which a 6-step staircase power supply circuit and a 3-step staircase power supply circuit having a capacitance of 100 pF in all of the switched capacitor circuits are realized, as shown in FIG. 8, tank capacitors C 2 and C 1 It is possible to connect 'and connect C 4 and C 2 '. At this time, the values of the tank capacitors C 1 to C 5 of the 6-step staircase power supply circuit (left circuit) are 100, 200, 100, 200, and 100 pF. On the other hand, the values of the tank capacitors C 1 ′ and C 2 ′ of the three-step staircase power supply circuit (right circuit) are 200 and 200 pF. As a result, the value of the capacitor can be increased from the
次に、タンクキャパシタCiの値が負荷容量CLの値よりも十分大きければ(少なくとも10倍以上)、タンクキャパシタCiが任意の値をとったとしても、Nステップの階段波形電圧が初期状態によらずi/N・V(i=0,1,2,・・・,N)に収束することを説明する。このために、タンクキャパシタCiの電位をVCiと定義し、ViをVCiと収束電圧i/N・Vとの差分電圧と定義し(図5)、この電圧Viが0に収束し、VCiがi/N・Vに収束することを証明する。 Next, if the value of the tank capacitor C i is sufficiently larger than the value of the load capacitance C L (at least 10 times or more), even if the tank capacitor C i takes an arbitrary value, the step waveform voltage of N steps is initial. A description will be given of convergence to i / N · V (i = 0, 1, 2,..., N) regardless of the state. For this purpose, the potential of the tank capacitor C i is defined as V Ci , V i is defined as the differential voltage between V Ci and the convergence voltage i / N · V (FIG. 5), and the voltage V i converges to 0. It is proved that V Ci converges to i / N · V.
さて、タンクキャパシタCiから負荷容量CLに充電する場合に転送される電荷量をQtiとすると、Ci>>CL時に等電位の条件よりつぎの式が近似的に成立する(図6(a))。
Ci>>CLの条件において、次式が得られる。
ここで、VC0=0と定義した(図5)。
Assuming that the charge amount transferred from the tank capacitor C i to the load capacitor C L is Q ti , the following equation is approximately established from the equipotential condition when C i >> C L (FIG. 6 (a)).
In conditions of C i >> C L, the following equation is obtained.
Here, V C0 = 0 was defined (FIG. 5).
次に、負荷容量CLから、タンクキャパシタCiに電荷を回収する場合に、回収される電荷量をQriとすると、Ci>>CL時に等電位の条件よりつぎの式が近似的に成立する(図6(b))。
Ci>>CLの条件において、次式が得られる。
ここで、VcN=Vと定義した(図5)。
Then, the load from the capacitance C L, in the case of collecting the charge in the tank capacitor C i, when the amount of charge collected and Q ri, C i >> C L has the formula than the condition of equipotential follows at approximately (Fig. 6 (b)).
In conditions of C i >> C L, the following equation is obtained.
Here, it was defined as V cN = V (FIG. 5).
タンクキャパシタCiにおいて、充電回収の1サイクルにおいて、電荷の変化量ΔQiは、次のように書ける。
ここで、定義より
となり、式(6)を式(5)に代入すると
と書ける。また、Viの変化量をΔViと定義すると、
と書ける。Vi’を充電回収の1サイクルの後のVciとi/N・Vとの差分と定義すると、式(7),式(8)より次式が成立する。
ここで、KiはCL/Ciである。Ci>>CLより、0<Ki<<1である。式(9)を用いると、次の関係式が得られる。
(10)
ここで、Vi(k)は、k回目の充放電の後のVciとi/N・Vとの差分である。
In the tank capacitor C i , the charge change amount ΔQ i in one cycle of charge recovery can be written as follows.
Here, from the definition
And substituting equation (6) into equation (5)
Can be written. Further, when the amount of change V i is defined as [Delta] V i,
Can be written. If V i ′ is defined as the difference between V ci and i / N · V after one cycle of charge recovery, the following equation is established from equations (7) and (8).
Here, K i is C L / C i . From C i >> C L , 0 <K i << 1. Using equation (9), the following relational expression is obtained.
(Ten)
Here, V i (k) is the difference between V ci and i / N · V after the kth charge / discharge.
つぎに、行列Aの固有値の大きさについて調べる。さて、Aの特性多項式は、次式で書ける。
ここで、公式det(a1,・・・,caj,・・・,an)=c・det(a1,・・・,aj,・・・,an)を用いると、次式が得られる。
Next, the magnitude of the eigenvalue of the matrix A is examined. The characteristic polynomial of A can be written as
Here, using the formula det (a 1 ,..., Ca j ,..., An ) = c · det (a 1 ,..., A j ,..., An ), The formula is obtained.
次に以下の定理を証明する。
[定理1]
この場合、|λ|≧1のときに、n≧1において、En≧2が成り立つ。
Next we prove the following theorem.
[Theorem 1]
In this case, when | λ | ≧ 1, E n ≧ 2 holds when n ≧ 1.
[証明]
λ=rcosθ+rsinθ・iとする。すると、
と書ける。これより
であり、Iを展開すると次式が成立する。
[Proof]
λ = r cos θ + rsin θ · i. Then
Can be written. Than this
When I is expanded, the following equation is established.
Iをrで偏微分すると、
となる。r≧1のとき、r/(1−2Ki)>1より、∂I/∂r>0が成立する。
If I is partially differentiated by r,
It becomes. When r ≧ 1, r / (1-2K i )> 1 holds, so that ∂I / ∂r> 0.
Iをθで偏微分すると、
となる。∂I/∂θ=0より、θ=0で最小、θ=πで最大が得られる。以上の結果より、Iはr、θの関数としたときに、r=1、θ=0において、最小値4Ki 2をとる。この場合、|ai|=2である。したがって、|ai|≧2が成立する。
If I is partially differentiated by θ,
It becomes. From ∂I / ∂θ = 0, the minimum is obtained when θ = 0 and the maximum is obtained when θ = π. From the above results, when I is a function of r and θ, the minimum value 4K i 2 is obtained at r = 1 and θ = 0. In this case, | a i | = 2. Therefore, | a i | ≧ 2 holds.
いま、Enを、第n行に関して展開すると、
となる。
Now, if E n is expanded with respect to the nth row,
It becomes.
右辺第2項を第n−1列に関して展開すると、
となる。
When the second term on the right side is expanded with respect to the (n-1) th column,
It becomes.
したがって、
と書ける。ここでE1=a1、E0=1と定義すると、E2=a2a1−1、E3=a3a2a1−a3−a1となり、Enの展開式と一致する。
Therefore,
Can be written. Now E 1 = a 1, defined E 0 = 1 and, consistent with E 2 = a 2 a 1 -1 ,
さて、定義より、
であり、よって、|E1|>|E0|=1が示される。次に、|Ek|>|Ek-1|を仮定して、|Ek+1|>|Ek|を証明する。
よって、|Ek+1|>|Ek|が示された。|E1|=|a1|≧2より、n≧1において|En|≧2が成立する。
Now, from the definition,
Therefore, | E 1 |> | E 0 | = 1 is indicated. Next, assuming | E k |> | E k−1 |, we prove | E k + 1 |> | E k |.
Therefore, | E k + 1 |> | E k | was shown. From | E 1 | = | a 1 | ≧ 2, | E n | ≧ 2 holds when n ≧ 1.
[定理2]
とする。
[Theorem 2]
And
ここで、
と定義する。O(Ki)はランダウの記号と呼ばれており、
が有界であることを示す。このとき、
が成り立つ。
here,
It is defined as O (K i ) is called Landau's symbol,
Indicates that is bounded. At this time,
Holds.
したがって、
である。この場合、|λ|≧1のときに、n≧1において
が成立する。
Therefore,
It is. In this case, when | λ | ≧ 1, n ≧ 1
Is established.
[証明]
簡単のために、O(K)=Kとおく、また、明らかにこのようにおいても、以下の証明の一般性は失われない。すると、Fnは次式で表される。
いま、Fn−Enの挙動について調べる。Fnにおいて、Kを含まない項は、Enのいずれかの項と一致する。
[Proof]
For simplicity, let O (K) = K, and even in this case, the generality of the following proof is not lost. Then, F n is expressed by the following equation.
Now, the behavior of F n −E n is examined. In F n , a term that does not include K matches any term in E n .
よって、Fn−Enにおいて、消去されるので、Fn−Enにおいては、各項は必ずKを含む。したがって、次式が成立する。
このとき、定理1より、|En|≧2が成立するので、
となる。ここで、K<δとして、|Fn−En|/|En|<εとすることができる。
Therefore, the F n -E n, because it is erased, in the F n -E n, each term always includes a K. Therefore, the following equation is established.
At this time, according to
It becomes. Here, it is possible to satisfy | F n −E n | / | E n | <ε, where K <δ.
このとき、
と変形できる。
At this time,
And can be transformed.
したがって、
が成り立つ。定義から、F1=a1+Kより、
が示される。これより、n≧1において、次式が成立する。
[証明終]
Therefore,
Holds. From the definition, F 1 = a 1 + K
Is shown. Thus, the following formula is established when n ≧ 1.
[End of proof]
さて、行列Aは、式(10)においてもわかるように、Kiの1次の項のみを考慮し、Ki 2以上の高次の項を無視している方程式である。その特性方程式はEn=0に一致する。また、式(10)において無視していたKi 2以上の高次の項を考慮すると、特定方程式はFn=0に一致する。定理1,2より|λ|≧1のときに、|En|、|Fn|はそれぞれ2以上の値であり、0とならないから、En=0、Fn=0と矛盾する。よって、いずれの場合も|λ|<1となる。
Now, the matrix A, as can be seen in equation (10), considering only the first order term of K i, is an equation which ignores the K i 2 higher order terms. The characteristic equation agrees with E n = 0. In addition, the specific equation agrees with F n = 0 in consideration of higher-order terms of K i 2 or higher that were ignored in the equation (10). According to
一般に、Aは正則行列Pを用いて、Jordan標準形に変換できる。
ここでJはJordan標準行列である。
J(λi,ki)はki×kiの行列であり、固有値λiを持ち次式で書ける。
ここで、nを無限大にしたときに|λi|<1の場合に、Jn →0となる(参考文献:杉浦光夫、横沼健雄 著、ジョルダン標準形・テンソル代数、岩波基礎数学選書、1990年、岩波書店)。
In general, A can be converted to the Jordan standard form using the regular matrix P.
Where J is the Jordan standard matrix.
J (λ i , k i ) is a matrix of k i × k i and has an eigenvalue λ i and can be written as
Here, when n is infinite, when | λ i | <1, J n → 0 (reference: Mitsuo Sugiura, Takeo Yokonuma, Jordan standard form, tensor algebra, Iwanami basic mathematics book, 1990, Iwanami Shoten).
よって、
を用いると
となる。これより、ステップ電圧i/N・Vからの変位量Viは0に収束し、タンクキャパシタの電位Vciは、i/N・Vに収束することが証明された。
Therefore,
With
It becomes. From this, it was proved that the displacement amount V i from the step voltage i / N · V converges to 0, and the potential V ci of the tank capacitor converges to i / N · V.
さて、本発明の具体的な実施例1を図1に示す。図1の電荷再利用電源回路において、タンクキャパシタC1,C2,C3と、パルス信号T0,T1,T2,T3,T4でスイッチングされるトランジスタG0,G1,G2,G3,G4とは、スイッチトキャパシタ回路を構成している。タンクキャパシタCiの値は、C1=100pF、C2=50pF、C3=400pFと設定する。負荷容量CLの値は、CL=2pFなので、Ci>>CLの条件を満たしている。なお、Ci>>CLの条件について、具体的にはタンクキャパシタCiの値は負荷容量CLの値に対して、少なくとも10倍以上が好ましい。この回路の入力パルス信号のタイミングチャートは図10と同じである。
A
また、本発明の具体的な実施例2を図2に示す。図2の電荷再利用電源回路において、電荷回収用のタンクキャパシタCiの値は、C1=50pF、C2=400pF、C3=100pFと設定する。負荷容量CLの値は、CL=2pFなので、Ci>>CLの条件を満たしている。 A specific example 2 of the present invention is shown in FIG. In the charge recycling power supply circuit of FIG. 2, the values of the charge recovery tank capacitor C i are set as C 1 = 50 pF, C 2 = 400 pF, and C 3 = 100 pF. Since the value of the load capacity C L is C L = 2pF, the condition of C i >> C L is satisfied.
図1、2の回路のシミュレーション動作を図7(a),(b)にそれぞれ示す。ここで、スイッチング用トランジスタのON抵抗、OFF抵抗をそれぞれ1kΩ,1TΩとしている。また、4ステップ階段波形電圧の周期は、1μsであり、したがって、1MHzの動作によるシミュレーションを行った。電源電圧Vは5Vとし、VCi(i=1,2,3)の初期状態は2.5Vとした。400μs経過すると、図7(a),(b)共にVC1=1/4・V、VC2=2/4・V、VC3=3/4・Vとなることが分かる。 Simulation operations of the circuits of FIGS. 1 and 2 are shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), respectively. Here, the ON resistance and OFF resistance of the switching transistor are 1 kΩ and 1 TΩ, respectively. Further, the period of the 4-step staircase waveform voltage is 1 μs, and therefore, simulation was performed with an operation of 1 MHz. The power supply voltage V was 5 V, and the initial state of V Ci (i = 1, 2, 3) was 2.5 V. When 400 μs elapses, it can be seen that in both FIGS. 7A and 7B, V C1 = 1/4 · V, V C2 = 2/4 · V, and V C3 = 3/4 · V.
図3に、本発明のNステップ電荷再利用電源回路の回路構成を示す。ここでは、タンクキャパシタをN−1個用いる。タンクキャパシタCiの値は、C1=400pF、C2=50pF、CN-1=800pFであり、その他のタンクキャパシタCiの値は、Ci>>CLの条件を満たしていれば、任意の値とする。図3の入力パルス信号のタイミングチャートを図4に示す。 FIG. 3 shows a circuit configuration of an N-step charge recycling power supply circuit according to the present invention. Here, N-1 tank capacitors are used. The value of the tank capacitor C i is, C 1 = 400pF, C 2 = 50pF, a C N-1 = 800pF, the values of the other tank capacitor C i, if they meet the conditions of C i >> C L , Any value. FIG. 4 shows a timing chart of the input pulse signal of FIG.
Ci、C1〜CN-1、C1’〜C2’:タンクキャパシタ
CL、CL’:負荷容量
G0〜GN、G0’〜G3’:トランジスタ
T0〜TN:パルス信号
C i, C 1 ~C N- 1, C 1 '~C 2': tank capacitor C L, C L ': load capacitance G 0 ~G N, G 0' ~G 3 ': transistors T0 to Tn: Pulse signal
Claims (1)
前記N−1個の各タンクキャパシタの容量値を、前記負荷容量の容量値よりも少なくとも10倍以上大きく、かつその内の少なくとも1つ以上が他と異なるよう設定したことを特徴とするスイッチトキャパシタ型電荷再利用電源回路。 In a switched capacitor type charge recycling power supply circuit that converts an applied voltage into a stepped waveform voltage of N steps and applies it to a load capacitor by a switched capacitor circuit using N-1 tank capacitors.
A switched capacitor characterized in that the capacitance value of each of the N-1 tank capacitors is set to be at least 10 times larger than the capacitance value of the load capacitance, and at least one of them is different from the others. Type charge recycling power supply circuit.
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