JP2009027919A

JP2009027919A - チャージポンプ回路

Info

Publication number: JP2009027919A
Application number: JP2008244673A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Kawai; 周平河井; Takao Myono; 隆夫名野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】電源電圧Ｖｄｄ以下の小さいステップで昇圧を行うチャージポンプ回路において、誤動作を防止する。
【解決手段】コンデンサ１，２をポンピングノードに直列または並列に接続するスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３を備え、次の制御ステップに従ってチャージポンプ動作を行わせる。(a)クロックＣＬＫがＬレベルの状態でスイッチＳ２をオンにすることにより、コンデンサ１，２を直列に接続する。(b)スイッチＳ２をオフにする。(c)クロックＣＬＫをＨレベルの状態にする。(d)スイッチＳ１，Ｓ３をオンにすることにより、コンデンサ１，２を並列に接続する。(e)スイッチＳ１，Ｓ３をオフにする。(f)クロックＣＬＫをＬレベルの状態にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源電圧Ｖｄｄより小さなステップで昇圧電圧を出力するチャージポンプ
回路に関し、特に電荷転送素子に伴う寄生ダイオードの影響を除去して正常なチャージポンプ動作を可能としたチャージポンプ回路に関する。

ディクソン(Dicson)によって開発されたチャージポンプ回路（charge-pump circuit）は、ポンピング・パケット（pumping packet）を複数段、直列接続し、各ポンピング・パケットの昇圧(voltage fluctuation)により、ＬＳＩチップの電源電圧Ｖｄｄよりも高い電圧を発生するものである。例えば、フラッシュメモリ（Flash Memories）のプログラム／消去（program/erase）のための電圧を発生するために使用されている。

しかし、従来のチャージポンプ回路は、電源電圧Ｖｄｄのステップで昇圧を行うものであって、それより小さな電圧ステップの昇圧を可能とするものは提案されていなかった。例えば、０．５Ｖｄｄステップの昇圧が可能になれば、電源回路の効率を大幅に向上できる。そこで、本発明者は電源電圧Ｖｄｄより小さな電圧ステップの昇圧を可能とするとともに、回路の効率ηを改善したチャージポンプ回路をすでに提案した。
特願平３−３４８４７５号公報

その概要を説明すれば以下のとおりである。図９及び図１０は、＋０．５Ｖｄｄ昇圧チャージポンプ回路の構成及び動作を示す回路図である。このチャージポンプ回路は、入力電圧Ｖｄｄに対して１．５Ｖｄｄの昇圧電圧を作成するものである。
ダイオードＤ１、Ｄ２（電荷転送素子）が直列に接続され、ダイオードＤ１のアノードには電源電圧Ｖｄｄが入力電圧Ｖｉｎとして供給されている。ダイオードＤ１、Ｄ２は、たとえばゲートとドレインを共通接続したＭＯＳトランジスタによって構成することができる。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、ダイオードＤ１、Ｄ２の接続点に、コンデンサ１、２を並列または直列に切換えて接続するためのスイッチである。

これらのスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、たとえば、ＭＯＳトランジスタによって構成することができる。３は、コンデンサ１、２にクロックを供給するクロックドライバーである。すなわち、クロックドライバー３の出力はコンデンサ２の一方の端子に接続されている。クロックドライバー３に供給される電源電圧はＶｄｄであり、クロックの振幅の大きさはＶｄｄである。また、クロックドライバー３は、たとえば２段のＣＭＯＳインバータによって構成される。４は、ダイオードＤ２から出力される昇圧電圧Ｖoutが供給される負荷である。また、ＣＬはダイオードＤ２の出力ノードが有する容量である。

次に、このチャージポンプ回路の動作について、図９、図１０、及び図１１を参照しながら説明する。図１１は、このチャージポンプ回路の動作波形図である。なお、簡単のためダイオードＤ１，Ｄ２による電圧降下ＶFを０Ｖとする。また、コンデンサ１、２の容量値は等しいとする。図９に示すように、クロックドライバー３の入力クロックＣＬＫがＬレベル（ＣＬＫ＝ロウレベル）のとき、Ｓ１＝オフ，Ｓ２＝オン，Ｓ３＝オフとすると、２つのコンデンサ１，２は、ダイオードＤ１、Ｄ２の接続点（ポンピングノード）に直列接続される。すると、ダイオードＤ１、Ｄ２の接続点の電圧Ｖ１はＶｄｄとなる。各コンデンサ１、２は、０．５Ｖｄｄに充電される。このとき、電源電圧ＶｄｄからダイオードＤ１を介してコンデンサ１，２に流れ込んだ電流をＩoutとすると、クロックドライバー３には同じ電流Ｉoutが流れ込む。

次に、図１０に示すように、クロックドライバー３の入力クロックＣＬＫがＨレベル（ＣＬＫ＝ハイレベル）のとき、Ｓ１＝オン，Ｓ２＝オフ，Ｓ３＝オンとすると、２つのコンデンサ１，２はダイオードＤ１、Ｄ２の接続点に並列接続される。すると、各コンデンサ１、２の電圧はＶｄｄ／２であるから、クロックドライバー３の出力をＶｄｄとすると、ダイオードＤ１、Ｄ２の接続点（ポンピングノード）の電圧Ｖ１は１．５Ｖｄｄに昇圧される。このとき、２つのコンデンサ１，２から次段のダイオードＤ２に流れ出る電流は２Ｉoutとなる。クロックドライバー３からは同じ電流２Ioutが流れ出る。ダイオードＤ２から出力される出力電流２Ｉoutを一定とし、各電流を全て時間平均電流とすると、定常時には以下のようになる。
１）Ｖout＝１．５Ｖｄｄ（ただし、ドライバーの電源電圧をＶｄｄとする）
２）入力電流＝０．５Ｉout
３）クロックドライバーの電源Ｖｄｄから流れ出る電流
＝Ｉout
本実施形態のチャージポンプ回路の要点は、クロックＣＬＫのレベルに応じて、コンデンサ１，２を並列接続して充電し、直列接続して放電することを繰り返すことに
より、０．５Ｖｄｄのステップで昇圧を行うものである。また、ここで重要な点は、クロックＣＬＫ＝Ｌのとき、電源電圧Ｖｄｄからの入力電流Ｉin＝Ｉoutが出力電流２Ｉoutの１／２であるという点である。これにより、出力電圧のレギュレーションを行わない場合の回路の理論効率ηを１００％とすることができ、昇圧電圧を１．５Ｖｄｄにしたことによる電力ロスはない。

すなわち、入力電流は、ＣＬＫ＝Ｈのときの２Ｉoutと、ＣＬＫ＝ＬのときのＩoutとの和となるから、チャージポンプ回路の効率η＝出力電力／入力電力
＝（１＋０．５）Ｖｄｄ×Ｉｏｕｔ／Ｖｄｄ×（１＋０．５）×Ｉout
＝１＝１００％
したがって、上述したチャージポンプ回路は、実質的に０．５段チャージポンプ回路と言える。しかも、回路の理論効率ηは１００％とすることができる。０．５Ｖｄｄという電圧を作る方法は他にも考えられる。たとえば、抵抗分割による方法である。しかし、回路の効率ηを１００％とすることはできず、電力ロスを伴うものである。
これに対して、本発明者が提案したチャージポンプ回路では、コンデンサの接続をクロックＣＬＫのレベルに応じて、並列と直列に交互に切換えているので、電圧ロスを理論的に０％とすることができる。

また、２つのコンデンサ１，２をクロックＣＬＫの状態によらず、直列にしたままで動作させれば（Ｓ１＝オフ，Ｓ２＝オン，Ｓ３＝オフ）、従来のチャージポンプと同じ働きをし、Ｖｏｕｔ＝２Ｖｄｄとなる。この場合、スイッチ制御回路（不図示）を設け、このスイッチ制御回路からスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３にスイッチ制御信号を供給することにより、２つのコンデンサ１，２を常時直列に接続するかクロックＣＬＫの電圧レベルに応じて直列又は並列に接続するかを切換可能とするように構成される。
すなわち、本実施形態のチャージポンプ回路は、出力電圧Ｖoutとして、１．５Ｖｄｄ、あるいは２Ｖｄｄを得ることができる。換言すれば、０．５段と１段との切換が可能である。

しかしながら、本発明者が鋭意検討したところ、図９の状態から図１０の状態に遷移する場合、逆に、図１０の状態から図９の状態に遷移する場合に、クロックＣＬＫの変化のタイミングとスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３の切換えのタイミングを調整しないと誤動作が生じることがわかった。
例えば、図９の状態から図１０の状態に遷移させる場合、スイッチＳ２がオンの状態で、クロックＣＬＫをＬレベルからＨレベルに変化させると、ダイオードＤ１，Ｄ２の接続点の電圧Ｖ１は２Ｖｄｄとなってしまう。

また、図１０の状態から図９の状態に遷移させる場合、スイッチＳ１，Ｓ３がオンの状態で、クロックＣＬＫをＨレベルからＬレベルに変化させると、ダイオードＤ１，Ｄ２の接続点の電圧Ｖ１は０．５Ｖｄｄとなってしまう。

本発明は上述した従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、電源電圧Ｖｄｄ以下の小さなステップでの昇圧を行うチャージポンプ回路の誤動作を防止することを目的としている。

そこで、本発明のチャージポンプ回路は、クロックＣＬＫの変化のタイミングとスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３の切換えのタイミングを調整したものである。すなわち、次の(a)〜(g)のステップに従って制御を行う。
(a)クロックＣＬＫがＬレベルの状態で、スイッチＳ２（第１のスイッチ手段）をオンにすることにより、コンデンサ１、２を直列に接続する。
(b)スイッチＳ２をオフにする。
(c)クロックＣＬＫをＨレベルの状態にする。
(d)スイッチＳ１，Ｓ３（第２のスイッチ手段）をオンにすることによりコンデンサ１、２を並列に接続する。
(e)スイッチＳ１，Ｓ３をオフにする。
(f)クロックＣＬＫをＬレベルの状態にする。
(g)上記(a)〜(f)のステップを繰り返す。

本発明のチャージポンプ回路によれば、ポンピングノードにコンデンサを直列と並列に結合させることを繰り返すことにより、電源電圧以下のステップで昇圧を行うチャージポンプ回路において、ポンピングノードが過渡的に異常電圧になることが防止されるので、かかるチャージポンプ動作を正常に行うことができると共に、電力効率も向上するという効果を有する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１乃至図６は＋０．５Ｖｄｄの昇圧電圧を出力するチャージポンプ回路の構成及び動作を示す回路図である。このチャージポンプ回路は入力電圧Ｖｄｄに対して、＋１．５Ｖｄｄの昇圧電圧を作成するものである。チャージポンプ回路の構成は、制御方法を除き図９及び図１０に示したものと同様なので、説明を省略する。

以下では、図１乃至図７を参照しながら、上述した構成のチャージポンプ回路の制御方法を説明する。図７は、チャージポンプ回路の制御方法を示す第１のタイミング図である。

なお、クロックドライバー３の電源電圧は、入力電圧と等しいＶｄｄ（例えば５Ｖ）とし、コンデンサ１，２の容量値は等しいとする。ダイオードＤ１，Ｄ２（電荷転送素子）とスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３に起因する電圧降下も０Ｖとして説明する。また、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３のオンオフの制御は不図示の制御回路によって行われるものとする。

（１）第１の制御ステップ
時刻ｔ１で、クロックドライバー３の入力クロックＣＬＫがＬレベルの状態でスイッチＳ２をオンにする（スイッチＳ１，Ｓ３はオフされている）。これにより、２つのコンデンサ１，２はポンピングノードに対して直列に接続される。すると、コンデンサ１，２はそれぞれ０．５Ｖｄｄの電圧に充電され、ポンピングノードの電圧Ｖ１はＶｄｄとなる。

また図中、ＶＡ＝ＶＢ＝０．５Ｖｄｄ，ＶＣ＝０Ｖとなる。平均出力電流ＩoutはダイオードＤ１に流れ、クロックドライバー３にＩoutが流入する（図１、図７参照）。なお、図中ＶＡはコンデンサ１とスイッチＳ２との接続点の電圧、ＶＢはスイッチＳ２とコンデンサ２との接続点の電圧、ＶＣはコンデンサ２とクロックドライバー３との接続点の電圧である。

（２）第２の制御ステップ
次に、時刻ｔ２で、次にクロックＣＬＫがＬレベルの状態で、スイッチＳ２がオフされる。これによりスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３はいずれもオフ状態となる。各ノードの電圧はそのまま維持される（図２、図７参照）。

（３）第３の制御ステップ
次に、時刻ｔ３で、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３はいずれもオフ状態を維持したまま、クロックＣＬＫをＬレベルからＨレベルに変化させる（ＣＬＫ＝Ｈ）。すると、コンデンサカップリングの効果によりＶＢ＝１．５Ｖｄｄとなる（図３、図７参照）。

（４）第４の制御ステップ
次に、時刻ｔ４でスイッチＳ１，Ｓ３をオンさせる。するとコンデンサ１，２がポンピングノードに並列に接続されるので、ポンピングノードの電圧Ｖ１は１．５Ｖｄｄに変化する。このとき、ＶＡ＝Ｖｄｄ，ＶＢ＝１．５Ｖｄｄである。このとき、クロックドライバー３から電流２Ｉoutがコンデンサ１，２に流れる。さらに、ダイオードＤ２にこれと等しい電流２Ｉoutが流れる（図４、図７参照）。

（５）第５の制御ステップ
次に、時刻ｔ５でクロックＣＬＫをＨレベルに維持したまま、スイッチＳ１，Ｓ３をオフする。これにより、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３はすべてオフし、各ノードの電圧はそのまま維持される（図５、図７参照）。

（６）第６の制御ステップ
次に、時刻ｔ６でスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３はすべてオフした状態で、クロックＣＬＫをＨレベルからＬレベルに変化させる（図６、図７参照）。その後は、上記の第１の制御ステップに戻り、第１の制御ステップ〜第６の制御ステップを繰り返す。
上述したチャージポンプ回路の制御方法によれば、クロックＣＬＫの変化のタイミングと、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３のオンオフのタイミング調整をした結果、ポンピングノードの電圧Ｖ１はＶｄｄ〜１．５Ｖｄｄの間で変化するので、チャージポンプ動作が正常に行われないという不具合が防止される。

また、本実施形態では、＋０．５Ｖｄｄの昇圧電圧を出力する１段のチャージポンプ回路への適用例を示したが、本発明はチャージポンプの段数を増加させることにより、＋１．５Ｖｄｄの昇圧電圧を出力する２段のチャージポンプ回路にも適用することができる。

一般には、本実施形態のチャージポンプ回路をコアとして組み込んだ多段のチャージポンプ回路に適用することができる。
このような多段のチャージポンプ回路では、図８に示すように、例えば、一段目で＋０．５Ｖｄｄの電圧を出力し、２段目以上ではディクソン型の一般的なチャージポンプ回路の構成となる。なお、図８のチャージポンプ回路では、Ｖｏｕｔ＝３．５Ｖｄｄとなる。

また、本実施形態のチャージポンプ回路は、２つのコンデンサ１，２を直列と並列に切り換えて＋０．５Ｖｄｄの電圧ステップの昇圧を行うタイプであるが、２つ以上のコンデンサを直列、並列に切り換えることにより、さらに小さな電圧ステップの昇圧を行うことができる。本発明は、そのようなチャージポンプ回路にも適用できるものである。

本発明の実施形態に係るチャージポンプ回路の制御方法を示す回路図である。本発明の実施形態に係るチャージポンプ回路の制御方法を示す回路図である。本発明の実施形態に係るチャージポンプ回路の制御方法を示す回路図である。本発明の実施形態に係るチャージポンプ回路の制御方法を示す回路図である。本発明の実施形態に係るチャージポンプ回路の制御方法を示す回路図である。本発明の実施形態に係るチャージポンプ回路の制御方法を示す回路図である。本発明の実施形態に係るチャージポンプ回路の制御方法を示すタイミング図である。本発明の実施形態に係るチャージポンプ回路の制御方法を示す回路図である。従来例のチャージポンプ回路の構成及び動作を示す回路図である。従来例のチャージポンプ回路の構成及び動作を示す回路図である。従来例のチャージポンプ回路の動作を示す波形図である。

Claims

直列に接続された第１及び第２の電荷転送素子と、第１及び第２のコンデンサと、第２のコンデンサの一端にクロックを供給するクロック供給手段と、前記第１及び第２のコンデンサを第１及び第２の電荷転送素子の接続点に直列に接続するための第１のスイッチ手段と、前記第１及び第２のコンデンサを第１及び第２の電荷転送素子の直列に接続された信号路に並列に接続するための第２のスイッチ手段と、を備え、前記第２の電荷転送素子から正の昇圧電圧を出力するチャージポンプ回路であって、前記クロックが低レベルの状態で前記第１のスイッチ手段をオンにすることにより前記第１及び第２のコンデンサを直列に接続する第１のステップと、前記第１のスイッチ手段をオフにする第２のステップと、前記クロックを高レベルの状態にする第３のステップとを行い、第３のステップによる昇圧電圧を前記信号路に伝えることを特徴とするチャージポンプ回路。
前記第３のステップ後に前記第２のスイッチ手段をオンにすることにより前記第１及び第２のコンデンサを並列に接続する第４のステップと、第２のスイッチ手段をオフにする第５のステップと、前記クロックを低レベルの状態にする第６のステップと、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。