JP2008148501A - チャージポンプ回路の制御回路、方法、およびそれらを用いたチャージポンプ回路ならびに電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】チャージポンプ回路200は、フライングキャパシタCf1を入力電圧Vinを利用して、フライングキャパシタCf2をフライングキャパシタCf1を利用して、出力キャパシタCo1をフライングキャパシタCf2を利用してそれぞれ充電する。電圧監視部20は、出力電圧Voutが目標電圧Vtgtより低いとき第1レベルとなり、出力電圧Voutが目標電圧Vtgtより高いとき第2レベルとなる比較信号S10を生成する。制御部10は、比較信号S10が第2レベルのとき、すべてのフライングキャパシタCf1、Cf2および出力キャパシタCo1をオープン状態に設定する。制御部10は、比較信号S10が第2レベルから第1レベルに遷移すると、出力キャパシタCo1のみを充電する状態を少なくとも一回経た後に、昇圧動作に移行する。
【選択図】図1
Description
制御回路は、出力キャパシタに現れるチャージポンプ回路の出力電圧を所定の目標電圧と比較し、出力電圧が前記目標電圧より低いとき第1レベルとなり、出力電圧が目標電圧より高いとき第2レベルとなる比較信号を生成する電圧監視部と、比較信号にもとづき、複数のフライングキャパシタおよび出力キャパシタの充電、放電状態を切り替える制御部と、を備える。制御部は、比較信号が第1レベルのとき、クロック信号にもとづき、j(=n−2×r、r=0,1,2,…の非負整数)段目のフライングキャパシタを充電する第1状態と、k(=n−2×r−1)段目のフライングキャパシタおよび出力キャパシタを充電する第2状態と、を交互に繰り返して昇圧動作を実行する。制御部は、比較信号が第2レベルのとき、すべてのフライングキャパシタおよび出力キャパシタをオープン状態に設定する。制御部は、比較信号が第2レベルから第1レベルに遷移すると、出力キャパシタのみを充電する状態を少なくとも一回経た後に、昇圧動作に移行する。
1)出力キャパシタのみを充電する状態;
2)n段目のフライングキャパシタを充電する状態;
3)出力キャパシタに加えて、n−1段目のフライングキャパシタを充電する状態;
4)n段目のフライングキャパシタに加えて、n−2段目のフライングキャパシタを充電する状態;(以下同様)
のシーケンスに従い、1回に充電するフライングキャパシタをn段目から1段目に向かって1個ずつ増加させ、最終的に第1状態および第2状態を繰り返す昇圧動作に移行してもよい。
1)出力キャパシタのみを充電する状態;
2)2段目のフライングキャパシタを充電する状態;
3)出力キャパシタに加えて、1段目のフライングキャパシタを充電する状態;
のシーケンスを経て、昇圧動作に移行してもよい。
1)出力キャパシタのみを充電するステップ;
2)n段目のフライングキャパシタを充電するステップ;
3)出力キャパシタに加えて、n−1段目のフライングキャパシタを充電するステップ;
4)n段目のフライングキャパシタに加えて、n−2段目のフライングキャパシタを充電するステップ;(以下同様)
のシーケンスに従い、1回に充電するフライングキャパシタをn段目から1段目に向かって1個ずつ増加させ、最終的に第1状態および第2状態を繰り返す昇圧ステップに移行してもよい。
また、本明細書において、「部材Aと部材Bが接続」された状態とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
第1スイッチSW1〜第7スイッチSW7は、第1フライングキャパシタCf1、第2フライングキャパシタCf2、出力キャパシタCo1に対する充放電経路を形成する。本実施の形態において、第1スイッチSW1、第5スイッチSW5はNチャンネルMOSFETであり、第2スイッチSW2〜第4スイッチSW4、第6スイッチSW6、第7スイッチSW7はPチャンネルMOSFETである。
なお、目標電圧Vtgtは、Vtgt<(Vin1+Vin2+Vin3)を満たす範囲で設定する。Vtgt=α×(Vin1+Vin2+Vin3)とし、α=2/3〜2.5/3程度に設定するのが好ましい。
第1状態φ1では、最終段であるn(=2)段目の第2フライングキャパシタCf2を充電する。このために、制御部10は、第2フライングキャパシタCf2を充電するための経路を形成する第3スイッチSW3、第4スイッチSW4、第5スイッチSW5をオンする。
第2状態φ2では、第2フライングキャパシタCf2に蓄えられた電荷を用いて出力キャパシタCo1を充電する。このために、制御部10は、出力キャパシタCo1を充電するための経路を形成する第6スイッチSW6、第7スイッチSW7をオンする。さらに制御部10は、第2状態φ2において第1フライングキャパシタCf1も充電する。このために、制御部10は、第1フライングキャパシタCf1を充電する経路を構成する第1スイッチSW1、第2スイッチSW2をオンする。
第3状態φ3では、第2フライングキャパシタCf2および出力キャパシタCo1をオープンとする。また、第3状態φ3では、第1フライングキャパシタCf1もオープンとする。キャパシタがオープンの状態とは、そのキャパシタに接続されるスイッチSWがすべてオフする状態を意味し、言い換えれば、充電経路、放電経路がすべて遮断された状態をいう。第3状態φ3では、第1スイッチSW1〜第7スイッチSW7がすべてオフされる。
第2状態φ2において、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2がオンすると、第1フライングキャパシタCf1の第1端子+には第1入力電圧Vin1が印加され、第2端子−には接地電圧が印加される。その結果、第1フライングキャパシタCf1が充電され、第1フライングキャパシタCf1の両端、すなわち第1キャパシタ端子114と第2キャパシタ端子116の間の電位差は、ΔV1=Vin1となる。
第2状態φ2では、k(=n−2×r−1、r=1,2,…)段目のフライングキャパシタ、つまりは、最終段(r=0)の前段のフライングキャパシタと、1段おきのフライングキャパシタを同時に充電する。つまり図1の回路では、1段目のフライングキャパシタCf1および出力キャパシタCo1が充電される。
第3状態φ3では、すべてのフライングキャパシタおよび出力キャパシタをオープンとする。
制御部10は、比較信号S10が第2レベル(ハイレベル)のとき、第3状態で待機する停止状態となる。
制御部10は、比較信号S10が第2レベル(ハイレベル)から第1レベル(ローレベル)に遷移すると、すなわち、出力電圧Voutが目標電圧Vtgtを上から下に横切ると、出力キャパシタCo1のみを充電する状態を少なくとも一回経た後に、昇圧動作に移行する。比較信号S10がハイレベルからローレベルに遷移すると、その直後の充電は、出力キャパシタCo1に対してのみ実行し、第2フライングキャパシタCf2、第1フライングキャパシタCf1に対しては実行しない。
1)出力キャパシタCo1のみを充電する状態;
2)出力キャパシタCo1の直前の2段目のフライングキャパシタCf2を充電する状態;
3)出力キャパシタCo1に加えて、1段目のフライングキャパシタCf1を充電する状態;
のシーケンスを経て、昇圧動作に移行する。なお、2)は第2状態φ2に他ならず、3)は第1状態に他ならない。
1)出力キャパシタCo1のみを充電する状態;
2)出力キャパシタCo1の直前の3段目のフライングキャパシタCf3を充電する状態;
3)出力キャパシタCo1に加えて、2段目のフライングキャパシタCf2を充電する状態;
4)3段目のフライングキャパシタCf3に加えて、1段目のフライングキャパシタCf1を充電する状態;
のシーケンスを経て、昇圧動作に移行する。3)は第2状態φ1であり、4)は第1状態φ1である。
1)出力キャパシタCo1のみを充電する状態;
2)n段目のフライングキャパシタCfnを充電する状態;
3)出力キャパシタCo1に加えて、n−1段目のフライングキャパシタCf(n−1)を充電する状態;
4)n段目のフライングキャパシタCfnに加えて、n−2段目のフライングキャパシタCf(n−2)を充電する状態;
5)出力キャパシタCo1に加えて、n−1段目のフライングキャパシタCf(n−1)、n−3段目のフライングキャパシタCf(n−3)を充電する状態;
6)n段目のフライングキャパシタCfnに加えて、n−2段目のフライングキャパシタCf(n−2)、n−4段目のフライングキャパシタCf(n−4)を充電する状態;
…以下同様
のように、1回に充電するフライングキャパシタをn段目から1段目に向かって1個ずつ増加させ、最終的に第1状態および第2状態を繰り返す昇圧動作に移行する。なお、昇圧動作への遷移途中に、比較信号S10がハイレベルとなった場合、休止状態に戻る。
図2において、SW1〜SW7は、ハイレベルがオンの状態を、ローレベルがオフの状態を示している。電圧Vaは、第1フライングキャパシタCf1の第1端子+の電圧であり、電圧Vbは、第2フライングキャパシタCf2の第1端子+の電圧を示す。
この停止状態の間、出力キャパシタCo1に対する電荷の供給が停止するため、出力キャパシタCo1から負荷に電流が流れることにより、出力電圧Voutが時間とともに低下する。
時刻t2の直後に、クロック信号CKはローレベルであるから、昇圧動作の第2状態φ2となるはずである。ところが、本実施の形態の制御部10は、比較信号S10がハイレベルからローレベルに遷移すると、少なくとも1回、出力キャパシタCo1のみを充電する。そのため、クロック信号CKがローレベルの期間t2〜t3には、すべてのスイッチをオフとして待機する。時刻t3に次のクロック信号CKのポジティブエッジが発生すると、制御部10は出力キャパシタCo1のみを充電するために、第6スイッチSW6、第7スイッチSW7をオンする。この状態は、昇圧動作中の出力キャパシタCo1と第1フライングキャパシタCf1を同時に充電する第1状態φ1と異なっている点に注目すべきである。
時刻t7にクロック信号CKがローレベルとなる。このとき、Vout<Vtgtであるから比較信号S10はローレベルを維持している。制御部10は、第2フライングキャパシタCf2を充電するために第3スイッチSW3〜第5スイッチSW5をオンする(時刻t7〜t8)。
1) フライングキャパシタCf2を充電
2) 出力キャパシタCo1を充電
の順で実行する。図3は、出力電圧Voutおよび第2フライングキャパシタCf2の電位差ΔV2を示すタイムチャートである。実線は、本実施の形態に係る制御回路100による電圧波形を、破線は、比較シーケンスにおける電圧波形を示す。
電池310は、たとえばリチウムイオン電池であり、電池電圧Vbatとして3〜4V程度を出力する。アナログ回路330は、電源電圧Vcc=3.4V程度で安定動作する回路ブロックを含む。また、デジタル回路340は、各種DSP(Digital Signal Processor)などを含み、電源電圧Vdd=3.4Vもしくはより低電圧で安定動作する回路ブロックを含む。マイコン350は、電子機器300全体を統括的に制御するブロックであり、電源電圧1.5Vで動作する。LED360は、RGB3色のLED(Light Emitting Diode)を含み、液晶のバックライトや、照明として用いられ、その駆動には、4V以上の駆動電圧が要求される。
Claims (10)
- n段(nは、2以上の整数)にカスケード接続された複数のフライングキャパシタと、出力キャパシタを有するチャージポンプ回路の制御回路であって、
前記チャージポンプ回路は、1段目のフライングキャパシタを入力電圧を利用して充電し、i(2≦i≦n)段目のフライングキャパシタを、i−1段目のフライングキャパシタに蓄えられた電荷を利用して充電し、出力キャパシタをn段目のフライングキャパシタに蓄えられた電荷を利用して充電するものであり、
前記制御回路は、
前記出力キャパシタに現れる前記チャージポンプ回路の出力電圧を所定の目標電圧と比較し、前記出力電圧が前記目標電圧より低いとき第1レベルとなり、前記出力電圧が前記目標電圧より高いとき第2レベルとなる比較信号を生成する電圧監視部と、
前記比較信号にもとづき、前記複数のフライングキャパシタおよび前記出力キャパシタの充電、放電状態を切り替える制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記比較信号が前記第1レベルのとき、クロック信号にもとづいて、j(=n−2×r、rは非負整数)段目のフライングキャパシタを充電する第1状態と、k(=n−2×r−1)段目のフライングキャパシタおよび出力キャパシタを充電する第2状態と、を交互に繰り返して昇圧動作を実行し、
前記比較信号が前記第2レベルのとき、すべてのフライングキャパシタおよび前記出力キャパシタをオープン状態に設定し、
前記比較信号が前記第2レベルから前記第1レベルに遷移すると、前記出力キャパシタのみを充電する状態を少なくとも一回経た後に、前記昇圧動作に移行することを特徴とする制御回路。 - 前記制御部は、前記比較信号が前記第2レベルから前記第1レベルに遷移すると、クロック信号に応じて、
1)前記出力キャパシタのみを充電する状態;
2)n段目のフライングキャパシタを充電する状態;
3)前記出力キャパシタに加えて、n−1段目のフライングキャパシタを充電する状態;
4)前記n段目のフライングキャパシタに加えて、n−2段目のフライングキャパシタを充電する状態;(以下同様)
のシーケンスに従い、1回に充電するフライングキャパシタをn段目から1段目に向かって1個ずつ増加させ、最終的に第1状態および第2状態を繰り返す前記昇圧動作に移行することを特徴とする請求項1に記載の制御回路。 - n=2であって、
前記制御部は、前記比較信号が前記第2レベルから前記第1レベルに遷移すると、クロック信号に応じて、
1)前記出力キャパシタのみを充電する状態;
2)2段目のフライングキャパシタを充電する状態;
3)前記出力キャパシタに加えて、1段目のフライングキャパシタを充電する状態;
のシーケンスを経て、昇圧動作に移行することを特徴とする請求項2に記載の制御回路。 - 1段目のフライングキャパシタの第1端子と、第1入力電圧が入力される第1入力端子の間に設けられたスイッチと、
i(iは、1≦i≦n−1を満たす整数)段目のフライングキャパシタの第1端子と、i+1段目のフライングキャパシタの第1端子の間に設けられたスイッチ群と、
n段目のフライングキャパシタの第1端子と、出力キャパシタが接続される出力端子の間に設けられたスイッチと、
i(iは、1≦i≦nを満たす整数)段目のフライングキャパシタの第2端子と、接地端子の間に設けられたスイッチ群と、
i(iは、1≦i≦nを満たす整数)段目のフライングキャパシタの第2端子と、第(i+1)入力電圧が入力される第(i+1)入力端子の間に設けられたスイッチ群と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の制御回路。 - ひとつの半導体基板上に一体集積化されたことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の制御回路。
- n個のフライングキャパシタと、
出力キャパシタと、
請求項4に記載の制御回路と、
を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。 - 電池と、
前記電池の電圧が、前記第1〜第n入力電圧として入力され、前記電池の電圧をn倍した前記出力電圧を生成する請求項6に記載のチャージポンプ回路と、
を備えることを特徴とする電子機器。 - フライングキャパシタと出力キャパシタを有するチャージポンプ回路の制御方法であって、
前記出力キャパシタに現れる前記チャージポンプ回路の出力電圧を所定の目標電圧と比較し、前記出力電圧と前記目標電圧の大小関係を監視するステップと、
前記出力電圧が前記目標電圧より低いとき、前記フライングキャパシタを充電する第1状態と、前記フライングキャパシタに蓄えられた電荷を用いて前記出力キャパシタを充電する第2状態とを繰り返す昇圧ステップと、
前記出力電圧が前記目標電圧より高いとき、前記フライングキャパシタおよび前記出力キャパシタをオープンとする停止ステップと、
前記出力電圧が前記目標電圧より低くなったことを契機として、出力キャパシタのみを充電する状態を少なくとも一回経た後に、前記昇圧ステップへと移行するステップと、
を備えることを特徴とする制御方法。 - n段(nは、2以上の整数)にカスケード接続された複数のフライングキャパシタと、出力キャパシタを有するチャージポンプ回路の制御方法であって、
前記出力キャパシタに現れる前記チャージポンプ回路の出力電圧を所定の目標電圧と比較し、前記出力電圧と前記目標電圧の大小関係を監視するステップと、
前記出力電圧が前記目標電圧より低いとき、j(=n−2×r、rは非負整数)段目のフライングキャパシタを充電する第1状態と、k(=n−2×r−1)段目のフライングキャパシタおよび出力キャパシタを充電する第2状態と、を繰り返す昇圧ステップと、
前記出力電圧が前記目標電圧より高いとき、すべてのフライングキャパシタおよび前記出力キャパシタをオープンとする停止ステップと、
前記出力電圧が前記目標電圧より低くなったことを契機として、前記出力キャパシタのみを充電する状態を少なくとも一回経た後に、前記昇圧ステップへと移行する移行ステップと、
を備えることを特徴とする制御方法。 - 前記移行ステップは、
1)前記出力キャパシタのみを充電するステップ;
2)n段目のフライングキャパシタを充電するステップ;
3)前記出力キャパシタに加えて、n−1段目のフライングキャパシタを充電するステップ;
4)前記n段目のフライングキャパシタに加えて、n−2段目のフライングキャパシタを充電するステップ;(以下同様)
のシーケンスに従い、1回に充電するフライングキャパシタをn段目から1段目に向かって1個ずつ増加させ、最終的に第1状態および第2状態を繰り返す前記昇圧ステップに移行することを特徴とする請求項9に記載の制御方法。
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