JP2011030394A - チャージポンプ回路及びその動作制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１つのフライングコンデンサで入力電圧よりも小さい出力電圧と入力電圧よりも大きい出力電圧を同時に得ることができ、しかも両出力電圧の設定が可能であると共に負荷変動による出力電圧の変動を小さくすることができるチャージポンプ回路及びその動作制御方法を得る。
【解決手段】降圧比例電圧Ｖｆｂ１、昇圧比例電圧Ｖｆｂ２、第１参照電圧Ｖｒ１及び第２参照電圧Ｖｒ２を使用して、出力電圧検出回路３におけるコンパレータ２１及び２２によって、降圧電圧Ｖｂｕｃｋ及び昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔと、それぞれの目標電圧である第１参照電圧Ｖｒ１及び第２参照電圧Ｖｒ２との電圧比較を行い、制御回路４は、該比較結果に応じて電圧変換回路２における各スイッチＳ１〜Ｓ８のスイッチングを制御して、降圧出力コンデンサＣ１と昇圧出力コンデンサＣ２の充電周期を制御するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の異なる電圧を生成して出力するチャージポンプ回路に関し、特に、入力電圧よりも小さい降圧電圧と入力電圧よりも大きい昇圧電圧をそれぞれ生成して出力するチャージポンプ回路及びその動作制御方法に関する。

チャージポンプ回路の第１の従来例では、フライングコンデンサを入力電圧で充電し、該フライングコンデンサに充電された電圧に該入力電圧を加算した電圧で出力端子に接続された出力コンデンサを充電することにより、前記入力電圧の２倍の電圧を生成していた（例えば、特許文献１参照。）。更に大きい電圧を生成する場合は、前記入力電圧で充電されたフライングコンデンサの電圧を、該入力電圧の２倍の電圧に充電された前記出力端子の電圧に更に加算して、前記入力電圧の３倍の出力電圧を得ていた。同様の操作を繰り返すことにより、前記入力電圧のＮ倍の出力電圧を得ることができた。

また、チャージポンプ回路の第２の従来例では、入力電圧と同電圧を第１のコンデンサに生成する第１のスイッチング手段と、入力電圧よりも小さい電圧を第２のコンデンサに生成する第２のスイッチング手段とを備えている（例えば、特許文献２参照。）。前記第１及び第２の各コンデンサと前記入力電圧とを組み合わせて接続することにより、前記入力電圧よりも小さい電圧から大きい電圧まで６種類の出力電圧を生成していた。
更に、チャージポンプ回路の第３の従来例では、１つのフライングコンデンサで、入力電圧よりも小さい出力電圧と、該入力電圧よりも大きい出力電圧を出力するようにしていた（例えば、特許文献３参照。）。

しかし、前記第１の従来例では、出力電圧が入力電圧のＮ倍になり、入力電圧よりも小さい出力電圧を生成することができず、また、入力電圧の整数倍以外の任意の出力電圧を得ることもできなかった。更に、前記第１の従来例では、入力電圧が変動すると出力電圧も変動してしまい、負荷変動に対してもなんら対策がされておらず出力電圧の安定性がよくなかった。

また、前記第２の従来例では、入力電圧よりも小さい出力電圧を得ることができるが、専用のフライングコンデンサが必要であるため、入力電圧よりも大きい電圧を同時に得ようとするとフライングコンデンサが２個必要であった。また、前記第１の従来例と同様、前記第２の従来例では、任意の出力電圧を得ることができず、入力電圧変動や負荷変動に対しても出力電圧の安定性がよくなかった。

また、前記第３の従来例では、１つのフライングコンデンサで、入力電圧よりも大きい出力電圧と小さい出力電圧の両方を出力することができ、スイッチ手段のオンデューティサイクルを変えることにより出力電圧を変更することも可能であった。しかし、前記第３の従来例では、個々の出力電圧に対してスイッチ手段のオンデューティサイクルを変えることができなかったため、制御できる出力電圧は１つに限られていた。また、前記第３の従来例では、負荷変動に対する対策がされておらず、出力電圧の安定性がよくないという問題があり、更に、インダクタが必要であるためＩＣ化を図ることが困難であった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、１つのフライングコンデンサで入力電圧よりも小さい出力電圧と入力電圧よりも大きい出力電圧を同時に得ることができ、しかも両出力電圧の設定が可能であると共に負荷変動による出力電圧の変動を小さくすることができるチャージポンプ回路及びその動作制御方法を得ることを目的とする。

この発明に係るチャージポンプ回路は、入力端子から入力された入力電圧を降圧して降圧出力電圧として降圧出力端子から出力すると共に、該入力電圧を昇圧して昇圧出力電圧として昇圧出力端子から出力するチャージポンプ回路において、
前記入力電圧で充電されるフライングコンデンサと、
前記降圧出力端子と接地電圧との間に接続された降圧出力コンデンサと、
前記昇圧出力端子と接地電圧との間に接続された昇圧出力コンデンサと、
前記入力電圧で前記フライングコンデンサを充電させる第１接続回路部と、
前記フライングコンデンサに充電された電圧で前記降圧出力コンデンサを充電させる第２接続回路部と、
前記フライングコンデンサに充電された電圧に前記入力電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第３接続回路部と、
前記降圧出力コンデンサに充電された電圧に、前記フライングコンデンサに充電された電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第４接続回路部と、
前記降圧出力コンデンサに充電された電圧に、前記フライングコンデンサに充電された電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第４接続回路部と、
前記降圧出力電圧と第１所定値との電圧比較を行うと共に、前記昇圧出力電圧と第２所定値との電圧比較を行い、該各比較結果を示すそれぞれの信号を生成して出力する出力電圧検出回路部と、
該出力電圧検出回路部から出力された各信号に応じて前記第１接続回路部、前記第２接続回路部、前記第３接続回路部及び前記第４接続回路部の動作制御を行う制御回路部と、
を備えるものである。

具体的には、前記制御回路部は、所定のクロック信号の２サイクルを１つのステートとして該１つのステートを第１ステップから第４ステップの４つのステップに分割し、前半の２つのステップの間は前記第１接続回路部のみを作動させ、後半の２つのステップで、前記出力電圧検出回路部から出力された各信号に応じて、前記第１接続回路部から前記第４接続回路部のいずれか１つを作動させるようにした。

また、前記制御回路部は、前記降圧出力電圧が前記第１所定値よりも大きく、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値よりも大きい場合は、前記１つのステートの間、前記第１接続回路部のみを作動させるようにした。

また、前記制御回路部は、前記降圧出力電圧が前記第１所定値以下であり、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値よりも大きい場合は、前記後半の２つのステップの間、前記第２接続回路部のみを作動させるようにした。

また、前記制御回路部は、前記降圧出力電圧が前記第１所定値よりも大きく、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値以下である場合は、前記後半の２つのステップの間、前記第４接続回路部のみを作動させるようにした。

また、前記制御回路部は、前記降圧出力電圧が前記第１所定値以下であり、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値以下である場合は、第３ステップの間、前記第２接続回路部のみを作動させ、第４ステップの間、前記第３接続回路部を作動させるようにした。

また、前記入力電圧で前記フライングコンデンサと前記昇圧出力コンデンサをそれぞれ充電させる第５接続回路部を備え、前記制御回路部は、前記出力電圧検出回路部から出力された各信号に応じて該第５接続回路部の動作制御を行うようにしてもよい。

この場合、前記制御回路部は、動作開始直後に、前記第１接続回路部、前記第５接続回路部、前記第２接続回路部及び前記第３接続回路部の順にそれぞれ排他的に作動させるソフトスタート動作を行うようにした。

また、前記制御回路部は、動作開始直後に、前記第５接続回路部、前記第２接続回路部及び前記第３接続回路部の順にそれぞれ排他的に作動させるソフトスタート動作を行うようにしてもよい。

具体的には、前記入力端子と前記フライングコンデンサの一端との間に接続された第１スイッチと、
前記入力端子と前記フライングコンデンサの他端との間に接続された第２スイッチと、
前記フライングコンデンサの一端と前記降圧出力端子との間に直列に接続された第３スイッチ及び第６スイッチと、
前記フライングコンデンサの一端と前記昇圧出力端子との間に直列に接続された第４スイッチ及び第７スイッチと、
前記フライングコンデンサの他端と、前記第３スイッチ及び前記第６スイッチの接続部との間に接続された第５スイッチと、
前記フライングコンデンサの他端と接地電圧との間に接続された第８スイッチと、
を備え、
前記第１接続回路部は前記第１スイッチ及び第８スイッチで、前記第２接続回路部は前記第３スイッチ、前記第６スイッチ及び前記第８スイッチで、前記第３接続回路部は前記第２スイッチ、前記第４スイッチ及び前記第７スイッチで、前記第４接続回路部は前記第４スイッチ、前記第５スイッチ、前記第６スイッチ及び前記第７スイッチでそれぞれ構成され、前記制御回路部は、前記出力電圧検出回路部から出力された各信号に応じて前記第１スイッチから前記第８スイッチの各スイッチのスイッチング制御を行うようにした。

また、前記第５接続回路部は、
前記入力端子と前記フライングコンデンサの一端との間に接続された第１スイッチと、
前記フライングコンデンサの一端と前記昇圧出力端子との間に直列に接続された第４スイッチ及び第７スイッチと、
前記フライングコンデンサの他端と接地電圧との間に接続された第８スイッチと、
で構成され、
前記制御回路部は、前記出力電圧検出回路部から出力された各信号に応じて前記第１スイッチ、前記第４スイッチ、前記第７スイッチ及び前記第８スイッチのスイッチング制御を行うようにした。

また、前記出力電圧検出回路部は、
前記降圧出力電圧に比例した降圧比例電圧と、所定の第１参照電圧との電圧比較を行い、該比較結果に応じた第１信号を生成して前記制御回路部に出力する第１電圧比較回路部と、
前記昇圧出力電圧に比例した昇圧比例電圧と所定の第２参照電圧との電圧比較を行い、該比較結果に応じた第２信号を生成して前記制御回路部に出力する第２電圧比較回路部と、
を備えるようにした。

また、この発明に係るチャージポンプ回路の動作制御方法は、入力端子から入力された入力電圧で充電されるフライングコンデンサと、
降圧出力端子と接地電圧との間に接続された降圧出力コンデンサと、
昇圧出力端子と接地電圧との間に接続された昇圧出力コンデンサと、
を備え、
前記入力電圧を降圧して降圧出力電圧として前記降圧出力端子から出力すると共に、前記入力電圧を昇圧して昇圧出力電圧として前記昇圧出力端子から出力するチャージポンプ回路の動作制御方法において、
前記降圧出力電圧と第１所定値との電圧比較を行うと共に、前記昇圧出力電圧と第２所定値との電圧比較を行い、
該各比較結果に応じて、
前記入力電圧で前記フライングコンデンサを充電させる第１接続動作と、
前記フライングコンデンサに充電された電圧で前記降圧出力コンデンサを充電させる第２接続動作と、
前記フライングコンデンサに充電された電圧に前記入力電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第３接続動作と、
前記降圧出力コンデンサに充電された電圧に、前記フライングコンデンサに充電された電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第４接続動作と、
前記降圧出力コンデンサに充電された電圧に、前記フライングコンデンサに充電された電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第４接続動作のいずれか１つの動作を行うようにした。

具体的には、所定のクロック信号の２サイクルを１つのステートとして該１つのステートを第１ステップから第４ステップの４つのステップに分割し、
前半の２つのステップの間は前記第１接続動作を行い、
後半の２つのステップで、前記各比較結果に応じて、前記第１接続動作から前記第４接続動作のいずれか１つを行うようにした。

また、前記降圧出力電圧が前記第１所定値よりも大きく、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値よりも大きい場合は、前記１つのステートの間、前記第１接続動作を行うようにした。

また、前記降圧出力電圧が前記第１所定値以下であり、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値よりも大きい場合は、前記後半の２つのステップの間、前記第２接続動作を行うようにした。

また、前記降圧出力電圧が前記第１所定値よりも大きく、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値以下である場合は、前記後半の２つのステップの間、前記第４接続動作を行うようにした。

また、前記降圧出力電圧が前記第１所定値以下であり、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値以下である場合は、第３ステップの間、前記第２接続動作を行い、第４ステップの間、前記第３接続動作を行うようにした。

また、前記各比較結果に応じて、前記入力電圧で前記フライングコンデンサと前記昇圧出力コンデンサをそれぞれ充電させる第５接続動作を行うようにしてもよい。

この場合、動作開始直後に、前記第１接続動作、前記第５接続動作、前記第２接続動作及び前記第３接続動作の順に行うソフトスタート動作を行うようにした。

また、動作開始直後に、前記第５接続動作、前記第２接続動作及び前記第３接続動作の順に行うソフトスタート動作を行うようにしてもよい。

本発明のチャージポンプ回路及びその動作制御方法によれば、降圧出力電圧及び昇圧出力電圧を、それぞれの目標電圧である第１所定値及び第２所定値との電圧比較を行い、該各比較結果に応じて降圧出力コンデンサと昇圧出力コンデンサの充電周期を制御するようにしたことから、降圧出力電圧を接地電圧から入力電圧までの間で自由に設定することができると共に、昇圧出力電圧を入力電圧から入力電圧を２倍した電圧までの間で自由に設定することができる。また、フライングコンデンサも１つで済むため、回路の小型化を図ることができる。

更に、ソフトスタート動作を行う期間を設け、しかもスイッチを使用した接続動作だけでソフトスタート動作を行うことができるため、新たな回路を追加することがなく回路規模の増加を抑制することができる。
また、インダクタが不要になるため、ＩＣ化した場合の外付け部品を少なくすることができる。

本発明の第１の実施の形態におけるチャージポンプ回路の回路例を示した図である。 電圧変換回路２における接続状態ａを示した図である。 電圧変換回路２における接続状態ｂを示した図である。 電圧変換回路２における接続状態ｃを示した図である。 電圧変換回路２における接続状態ｄを示した図である。 電圧変換回路２における接続状態ｅを示した図である。 制御回路４の動作例を示した図である。 チャージポンプ回路１の動作例を示したタイミングチャートである。

次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第１の実施の形態．
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるチャージポンプ回路の回路例を示した図である。
図１におけるチャージポンプ回路１は、電池又は定電圧回路等の直流電源１０から入力端子ＩＮに入力された入力電圧Ｖｉｎを降圧して降圧出力電圧Ｖｂｕｃｋを生成し降圧出力端子ＯＵＴ１から出力すると共に、入力電圧Ｖｉｎを昇圧して昇圧出力電圧Ｖｂｏｏｓｔを生成し昇圧出力端子ＯＵＴ２から出力する。

チャージポンプ回路１は、入力電圧Ｖｉｎから降圧出力電圧Ｖｂｕｃｋと昇圧出力電圧Ｖｂｏｏｓｔをそれぞれ生成して降圧出力端子ＯＵＴ１及び昇圧出力端子ＯＵＴ２からそれぞれ出力する電圧変換回路２と、電圧変換回路２から出力された各出力電圧値の検出を行う出力電圧検出回路３と、出力電圧検出回路３の検出結果に応じて電圧変換回路２の動作制御を行う制御回路４と、所定のクロック信号ＣＬＫを生成して出力する発振回路５とを備えている。
電圧変換回路２は、制御入力端に入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチＳ１〜Ｓ８と、フライングコンデンサＣＦと、降圧出力コンデンサＣ１と、昇圧出力コンデンサＣ２とを備えている。

また、出力電圧検出回路３は、コンパレータ２１，２２と、所定の第１参照電圧Ｖｒ１を生成して出力する第１参照電圧生成回路２３と、所定の第２参照電圧Ｖｒ２を生成して出力する第２参照電圧生成回路２４と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４とを備えている。
なお、出力電圧検出回路３は出力電圧検出回路部を、制御回路４及び発振回路５は制御回路部をそれぞれなし、スイッチＳ１は第１スイッチを、スイッチＳ２は第２スイッチを、スイッチＳ３は第３スイッチを、スイッチＳ４は第４スイッチを、スイッチＳ５は第５スイッチを、スイッチＳ６は第６スイッチを、スイッチＳ７は第７スイッチを、スイッチＳ８は第８スイッチをそれぞれなす。また、コンパレータ２１、抵抗Ｒ１，Ｒ２及び第１参照電圧生成回路２３は第１電圧比較回路部をなし、コンパレータ２２、抵抗Ｒ３，Ｒ４及び第２参照電圧生成回路２４は第２電圧比較回路部をなす。

直流電源１０から、入力端子ＩＮには正側電源電圧をなす入力電圧が、接地端子ＧＮＤには負側電源電圧がそれぞれ入力されており、以下、負側電源電圧が接地電圧である場合を例にして説明する。
入力端子ＩＮと降圧出力端子ＯＵＴ１との間にはスイッチＳ１、Ｓ３及びＳ６が直列に接続されており、スイッチＳ１及びＳ３の直列回路には、スイッチＳ２及びＳ５の直列回路が並列に接続されている。また、スイッチＳ１及びＳ３の接続部と昇圧出力端子ＯＵＴ２との間にはスイッチＳ４及びＳ７が直列に接続されている。

スイッチＳ１とスイッチＳ３との接続部と、スイッチＳ２とスイッチＳ５との接続部との間にはフライングコンデンサＣＦが接続され、スイッチＳ２とスイッチＳ５との接続部と接地電圧との間にはスイッチＳ８が接続されている。また、降圧出力端子ＯＵＴ１と接地電圧との間には降圧出力コンデンサＣ１が、昇圧出力端子ＯＵＴ２と接地電圧との間には昇圧出力コンデンサＣ２がそれぞれ接続されている。

一方、降圧出力端子ＯＵＴ１と接地電圧との間には抵抗Ｒ１及びＲ２が直列に接続され、抵抗Ｒ１とＲ２との接続部はコンパレータ２１の反転入力端に接続されている。コンパレータ２１の非反転入力端には第１参照電圧Ｖｒ１が入力され、コンパレータ２１の出力端は制御回路４に接続されている。また、昇圧出力端子ＯＵＴ２と接地電圧との間には抵抗Ｒ３及びＲ４が直列に接続され、抵抗Ｒ３とＲ４との接続部はコンパレータ２２の反転入力端に接続されている。コンパレータ２２の非反転入力端には第２参照電圧Ｖｒ２が入力され、コンパレータ２２の出力端は制御回路４に接続されている。

制御回路４には、クロック信号ＣＬＫが入力されており、コンパレータ２１の出力信号Ｖｏ１、コンパレータ２２の出力信号Ｖｏ２及びクロック信号ＣＬＫに基づいて、スイッチＳ１〜Ｓ８に対する制御信号ＳＣ１〜ＳＣ８をそれぞれ生成して、対応するスイッチＳ１〜Ｓ８の各制御入力端に出力する。スイッチＳ１〜Ｓ８は、対応して入力された制御信号ＳＣ１〜ＳＣ８に応じてスイッチング動作を行う。

このような構成において、抵抗Ｒ１及びＲ２は、降圧出力電圧Ｖｂｕｃｋを分圧して降圧比例電圧Ｖｆｂ１を生成し、降圧比例電圧Ｖｆｂ１はコンパレータ２１の反転入力端に入力される。コンパレータ２１は、降圧比例電圧Ｖｆｂ１が第１参照電圧Ｖｒ１よりも大きい場合はハイレベルの出力信号Ｖｏ１を出力し、降圧比例電圧Ｖｆｂ１が第１参照電圧Ｖｒ１以下である場合はローレベルの出力信号Ｖｏ１を出力する。また、抵抗Ｒ３及びＲ４は、昇圧出力電圧Ｖｂｏｏｓｔを分圧して昇圧比例電圧Ｖｆｂ２を生成し、昇圧比例電圧Ｖｆｂ２はコンパレータ２２の反転入力端に入力される。コンパレータ２２は、昇圧比例電圧Ｖｆｂ２が第２参照電圧Ｖｒ２よりも大きい場合はハイレベルの出力信号Ｖｏ２を出力し、昇圧比例電圧Ｖｆｂ２が第２参照電圧Ｖｒ２以下である場合はローレベルの出力信号Ｖｏ２を出力する。制御回路４は、入力されたクロック信号ＣＬＫ、信号Ｖｏ１及びＶｏ２に応じて、電圧変換回路２の各スイッチＳ１〜Ｓ８のオン／オフ制御を行う。

電圧変換回路２のスイッチＳ１〜Ｓ８は、制御回路４によって、図２〜６で示した接続状態ａ〜接続状態ｅの５通りのオン／オフ状態になる。
図２は、接続状態ａを示しており、この場合、スイッチＳ１及びＳ８がそれぞれオンして導通状態になると共にスイッチＳ２〜Ｓ７がそれぞれオフして遮断状態になり、フライングコンデンサＣＦは入力電圧Ｖｉｎで充電される。
図３は、接続状態ｂを示しており、この場合、スイッチＳ３、Ｓ６及びＳ８がそれぞれオンして導通状態になると共にスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５及びＳ７がそれぞれオフして遮断状態になり、降圧出力コンデンサＣ１はフライングコンデンサＣＦに充電された電圧で充電される。

図４は、接続状態ｃを示しており、この場合、スイッチＳ２、Ｓ４及びＳ７がそれぞれオンして導通状態になると共にスイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６及びＳ８がそれぞれオフして遮断状態になり、昇圧出力コンデンサＣ２は、入力電圧ＶｉｎにフライングコンデンサＣＦに充電された電圧を加算した電圧で充電される。
図５は、接続状態ｄを示しており、この場合、スイッチＳ４〜Ｓ７がそれぞれオンして導通状態になると共にスイッチＳ１〜Ｓ３及びＳ８がそれぞれオフして遮断状態になり、昇圧出力コンデンサＣ２は、降圧出力コンデンサＣ１に充電された電圧に、フライングコンデンサＣＦに充電された電圧を加算した電圧で充電される。

図６は、接続状態ｅを示しており、この場合、スイッチＳ１、Ｓ４、Ｓ７及びＳ８がそれぞれオンして導通状態になると共にスイッチＳ２、Ｓ３、Ｓ５及びＳ６がそれぞれオフして遮断状態になり、フライングコンデンサＣＦと昇圧出力コンデンサはそれぞれ入力電圧Ｖｉｎで充電される。
次に、図７は、制御回路４の動作例を示した図であり、図８は、チャージポンプ回路１の動作例を示したタイミングチャートである。図７及び図８を使用して図１のチャージポンプ回路１の動作について説明する。
図８から分かるように、チャージポンプ回路１の動作は、クロック信号ＣＬＫの２サイクルを１つのステートとしており、１つのステートをクロック信号ＣＬＫの半周期ごとに４つのステップに分割している。

制御回路４は、各ステートの最初の第１ステップで、コンパレータ２１及び２２の各出力信号Ｖｏ１及びＶｏ２の状態をそれぞれ確認し、該状態に応じて、第１ステップから第４ステップまでの各ステップにおける接続状態を、図７で示すように接続状態ａ〜ｄの中から選択して形成する。
図７において、信号Ｖｏ１及びＶｏ２がそれぞれローレベルになると、制御回路４は、第１ステップから第４ステップまでそれぞれ接続状態ａになるようにスイッチＳ１〜Ｓ８の動作を制御する。出力信号Ｖｏ１及びＶｏ２が共にローレベルであるということは、降圧電圧Ｖｂｕｃｋが第１参照電圧Ｖｒ１よりも大きく、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔが第２参照電圧Ｖｒ２よりも大きいことを示しており、このステートでは、フライングコンデンサＣＦが充電されるだけで、降圧出力コンデンサＣ１と昇圧出力コンデンサＣ２への充電は行われない。

次に、信号Ｖｏ１がハイレベルで信号Ｖｏ２がローレベルである場合、制御回路４は、第１ステップ及び第２ステップで接続状態ａになりフライングコンデンサＣＦが充電される。この後、第３ステップ及び第４ステップでは、スイッチＳ３、Ｓ６及びＳ８がそれぞれオンして接続状態ｂになる。コンパレータ２１の出力信号Ｖｏ１がハイレベルで、コンパレータ２２の出力信号Ｖｏ２がローレベルである場合は、降圧電圧Ｖｂｕｃｋが第１参照電圧Ｖｒ１以下になっており、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔが第２参照電圧Ｖｒ２よりも大きくなっている。このため、降圧電圧Ｖｂｕｃｋだけを上昇させるために、フライングコンデンサＣＦに充電された電圧で降圧出力コンデンサＣ１が充電される。また、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔは第２参照電圧Ｖｒ２よりも大きいため、昇圧出力コンデンサＣ２への充電は行われない。

次に、信号Ｖｏ１がローレベルで信号Ｖｏ２がハイレベルである場合、制御回路４は、第１ステップ及び第２ステップで接続状態ａになりフライングコンデンサＣＦが充電される。この後、第３ステップ及び第４ステップで、スイッチＳ４〜Ｓ７がそれぞれオンして接続状態ｄになる。コンパレータ２１の出力信号Ｖｏ１がローレベルで、コンパレータ２２の出力信号Ｖｏ２がハイレベルである場合は、降圧電圧Ｖｂｕｃｋが第１参照電圧Ｖｒ１よりも大きくなっており、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔは第２参照電圧Ｖｒ２以下になっている。このようなことから、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔを上昇させると共に降圧電圧Ｖｂｕｃｋを低下させるために、降圧出力コンデンサＣ１に充電された電圧に、入力電圧Ｖｉｎで充電されたフライングコンデンサＣＦの電圧を加算した電圧で昇圧出力コンデンサＣ１が充電される。この結果、降圧電圧Ｖｂｕｃｋが低下し、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔが上昇する。

次に、信号Ｖｏ１及びＶｏ２がそれぞれハイレベルである場合、制御回路４は、第１ステップ及び第２ステップで接続状態ａになりフライングコンデンサＣＦが充電される。この後、第３ステップで、スイッチＳ３、Ｓ６及びＳ８がそれぞれオンして接続状態ｂになり、第４ステップで、スイッチＳ２、Ｓ４及びＳ７がそれぞれオンして接続状態ｃになる。コンパレータ２１及び２２の各出力信号Ｖｏ１及びＶｏ２がそれぞれハイレベルであるということは、降圧電圧Ｖｂｕｃｋ及び昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔが、対応する第１参照電圧Ｖｒ１及び第２参照電圧Ｖｒ２以下であるということである。このようなことから、第３ステップでは、降圧電圧Ｖｂｕｃｋを上昇させるために、フライングコンデンサＣＦに充電された電圧で降圧出力コンデンサＣ１が充電される。また、第４ステップでは、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔを上昇させるため、入力電圧ＶｉｎにフライングコンデンサＣＦの電圧を加算した電圧で昇圧出力コンデンサＣ２が充電される。この結果、降圧出力コンデンサＣ１及び昇圧出力コンデンサＣ２がそれぞれ充電される。

次に、図８において、図１では図示していないが、ＥＮはチャージポンプ回路１に対するイネーブル信号であり、イネーブル信号ＥＮがハイレベルになるとチャージポンプ回路１は動作を開始する。また、図８では、クロック信号ＣＬＫに記したＰ１〜Ｐ１９の符号は、動作説明を行うためのクロック番号を、ステートは前記のようにチャージポンプ回路１の各ステートをそれぞれ示しており、Ｓ１〜Ｓ８はスイッチＳ１〜Ｓ８のオン／オフ状態を示している。
イネーブル信号ＥＮがハイレベルになると、チャージポンプ回路１が動作を開始して、発振回路５からクロック信号ＣＬＫが出力される。

チャージポンプ回路１の動作開始直後は、昇圧出力コンデンサＣ２と降圧出力コンデンサＣ１にはそれぞれ電荷が蓄積されておらず、直ちにチャージポンプ動作を行うと、大きな突入電流が発生する。このような突入電流の発生を防止するためにソフトスタート期間を設けている。
該ソフトスタート期間では、まず、入力電圧ＶｉｎでフライングコンデンサＣＦを充電するために接続状態ａを形成する。フライングコンデンサＣＦが入力電圧Ｖｉｎで充電された後、昇圧出力コンデンサＣ２を入力電圧Ｖｉｎで充電するために接続状態ｅを形成する。

昇圧出力コンデンサＣ２の電圧が入力電圧Ｖｉｎまで上昇すると、降圧出力コンデンサＣ１を充電するために接続状態ｂを形成し、入力電圧Ｖｉｎで充電されたフライングコンデンサＣＦで降圧出力コンデンサＣ１を充電する。次に、昇圧出力コンデンサＣ２を入力電圧Ｖｉｎ以上に昇圧するために、接続状態ｃを形成し、降圧出力コンデンサＣ１に充電を行って電圧が低下したフライングコンデンサＣＦの電圧に入力電圧Ｖｉｎを加えた電圧で昇圧出力コンデンサＣ２を充電する。

このように、ソフトスタート期間では各コンデンサを順次、段階的に充電するようにしたため、大きな突入電流の発生を抑制することができる。なお、直流電源１０に余裕があれば、１点鎖線で示すようにソフトスタート期間の最初から接続状態ｅを形成してフライングコンデンサＣＦと昇圧出力コンデンサＣ２を同時に充電するようにしてもよい。また、図８では、説明を分かりやすくするためにソフトスタート期間をクロック信号ＣＬＫのクロックＰ１〜Ｐ４の間で行っているが、実際には、もっと多くのクロックサイクルが必要である。更に、直流電源１０の電源容量や各コンデンサＣＦ、Ｃ１及びＣ２のそれぞれの静電容量等に応じて前記各接続状態の期間を変更するようにすればよい。

次に、クロック信号ＣＬＫのクロックＰ５からチャージポンプ回路１の通常の動作が行われる。クロックＰ５の立ち上がりでステートＳＴ１が開始し、このときのコンパレータ２１及び２２の各出力信号Ｖｏ１及びＶｏ２は共にハイレベルである。すなわち、期間Ａでは、降圧電圧Ｖｂｕｃｋ及び昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔが、それぞれ目標電圧である第１所定値及び第２所定値よりも低下している。このため、各ステップの接続状態は、図７における信号Ｖｏ１及びＶｏ２がそれぞれハイレベルである場合になる。すなわち、第１ステップ及び第２ステップは接続状態ａが形成され、第３ステップでは接続状態ｂが、第４ステップでは接続状態ｃがそれぞれ形成される。

クロックＰ７から始まるステートＳＴ２においても、コンパレータ２１及び２２の各出力信号Ｖｏ１及びＶｏ２はそれぞれハイレベルであるため、ステートＳＴ１と同じ動作を行う。しかし、ステートＳＴ２では、クロックＰ８の立ち下がり時点でコンパレータ２１の出力信号Ｖｏ１がローレベルに変化し、降圧電圧Ｖｂｕｃｋが目標電圧を超えたことを示している。なお、説明を分かりやすくするために、コンパレータ２１の出力信号Ｖｏ１がクロック信号ＣＬＫに同期しているように説明したが、実際には非同期であり、以下の表記についても同様である。

クロックＰ９から始まるステートＳＴ３では、コンパレータ２１の出力信号Ｖｏ１がローレベルで、コンパレータ２２の出力信号Ｖｏ２がハイレベルである。すなわち、期間Ｂは、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔだけが目標電圧に達していない状態である。このため、各ステップの接続状態は、図７における出力信号Ｖｏ１がローレベルで出力信号Ｖｏ２がハイレベルである状態になる。すなわち、ステートＳＴ３において、第１ステップ及び第２ステップは接続状態ａが形成され、後半の第３ステップ及び第４ステップは接続状態ｄが形成される。

クロックＰ１１から始まるステートＳＴ４でも同じ条件であるが、ステートＳＴ４では、クロックＰ１２の立ち上がりでコンパレータ２１の出力信号Ｖｏ１がハイレベルに戻り、クロックＰ１２の立ち下がりでコンパレータ２２の出力信号Ｖｏ２がローレベルに変化している。このため、クロックＰ１３から始まるステートＳＴ５では、各ステップの接続状態は図７における出力信号Ｖｏ１がハイレベルで出力信号Ｖｏ２がローレベルである状態になる。すなわち、ステートＳＴ５において、第１ステップ及び第２ステップは接続状態ａが形成され、後半の第３ステップ及び第４ステップは接続状態ｂが形成される。

クロックＰ１５から始まるステートＳＴ６においても、ステートＳＴ５と同様の動作を行うが、ステートＳＴ６では、クロックＰ１６の立ち下がりでコンパレータ２１の出力信号Ｖｏ１がローレベルになっている。このため、クロックＰ１７から始まるステートＳＴ７では、各ステップの接続状態は図７における出力信号Ｖｏ１及びＶｏ２がそれぞれローレベルである状態になる。すなわち、ステートＳＴ７において、４つの各ステップでそれぞれ接続状態ａが形成され、降圧出力コンデンサＣ１と昇圧出力コンデンサＣ２への充電は行われない。
なお、前記説明では、図７における出力信号Ｖｏ１がローレベルで出力信号Ｖｏ２がハイレベルである状態の第３ステップ及び第４ステップで接続状態ｄを形成するようにしているが、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔの設定値が大きく、降圧電圧Ｖｂｕｃｋに入力電圧Ｖｉｎを加えた電圧以上である場合は、接続状態ｃを使用するようにすればよい。

このように、本第１の実施の形態におけるチャージポンプ回路は、降圧比例電圧Ｖｆｂ１、昇圧比例電圧Ｖｆｂ２、第１参照電圧Ｖｒ１及び第２参照電圧Ｖｒ２を使用して、降圧電圧Ｖｂｕｃｋ及び昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔを、それぞれの目標電圧である第１所定値及び第２所定値と電圧比較を行い、該比較結果に応じて、降圧出力コンデンサＣ１と昇圧出力コンデンサＣ２の充電周期を制御するようにしたことから、降圧電圧Ｖｂｕｃｋを０Ｖから入力電圧Ｖｉｎの間で自由に設定することができると共に、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔを入力電圧Ｖｉｎから２×Ｖｉｎまでの間で設定することができる。

また、フライングコンデンサＣＦが１つで済むため、回路の小型化を図ることができる。
更に、ソフトスタート期間を設け、しかも電圧変換回路２のスイッチ状態だけでソフトスタート動作を行うことができるため、新たな回路を追加することがなく回路規模の増加を抑制することができる。
更に、インダクタが不要になるため、ＩＣ化した場合の外付け部品を少なくすることができる。

１ チャージポンプ回路
２ 電圧変換回路
３ 出力電圧検出回路
４ 制御回路
５ 発振回路
１０ 直流電源
２１，２２ コンパレータ
２３ 第１参照電圧生成回路
２４ 第２参照電圧生成回路
Ｓ１〜Ｓ８ スイッチ
ＣＦ フライングコンデンサ
Ｃ１ 降圧出力コンデンサ
Ｃ２ 昇圧出力コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗

特開昭５６−１２８５９号公報 実開昭６１−１２０９３３号公報 特開平５−１１１２４３号公報

Claims (21)

1. 入力端子から入力された入力電圧を降圧して降圧出力電圧として降圧出力端子から出力すると共に、該入力電圧を昇圧して昇圧出力電圧として昇圧出力端子から出力するチャージポンプ回路において、
   前記入力電圧で充電されるフライングコンデンサと、
   前記降圧出力端子と接地電圧との間に接続された降圧出力コンデンサと、
   前記昇圧出力端子と接地電圧との間に接続された昇圧出力コンデンサと、
   前記入力電圧で前記フライングコンデンサを充電させる第１接続回路部と、
   前記フライングコンデンサに充電された電圧で前記降圧出力コンデンサを充電させる第２接続回路部と、
   前記フライングコンデンサに充電された電圧に前記入力電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第３接続回路部と、
   前記降圧出力コンデンサに充電された電圧に、前記フライングコンデンサに充電された電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第４接続回路部と、
   前記降圧出力コンデンサに充電された電圧に、前記フライングコンデンサに充電された電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第４接続回路部と、
   前記降圧出力電圧と第１所定値との電圧比較を行うと共に、前記昇圧出力電圧と第２所定値との電圧比較を行い、該各比較結果を示すそれぞれの信号を生成して出力する出力電圧検出回路部と、
   該出力電圧検出回路部から出力された各信号に応じて前記第１接続回路部、前記第２接続回路部、前記第３接続回路部及び前記第４接続回路部の動作制御を行う制御回路部と、
   を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
2. 前記制御回路部は、所定のクロック信号の２サイクルを１つのステートとして該１つのステートを第１ステップから第４ステップの４つのステップに分割し、前半の２つのステップの間は前記第１接続回路部のみを作動させ、後半の２つのステップで、前記出力電圧検出回路部から出力された各信号に応じて、前記第１接続回路部から前記第４接続回路部のいずれか１つを作動させることを特徴とする請求項１記載のチャージポンプ回路。
3. 前記制御回路部は、前記降圧出力電圧が前記第１所定値よりも大きく、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値よりも大きい場合は、前記１つのステートの間、前記第１接続回路部のみを作動させることを特徴とする請求項２記載のチャージポンプ回路。
4. 前記制御回路部は、前記降圧出力電圧が前記第１所定値以下であり、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値よりも大きい場合は、前記後半の２つのステップの間、前記第２接続回路部のみを作動させることを特徴とする請求項２又は３記載のチャージポンプ回路。
5. 前記制御回路部は、前記降圧出力電圧が前記第１所定値よりも大きく、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値以下である場合は、前記後半の２つのステップの間、前記第４接続回路部のみを作動させることを特徴とする請求項２、３又は４記載のチャージポンプ回路。
6. 前記制御回路部は、前記降圧出力電圧が前記第１所定値以下であり、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値以下である場合は、第３ステップの間、前記第２接続回路部のみを作動させ、第４ステップの間、前記第３接続回路部を作動させることを特徴とする請求項２、３、４又は５記載のチャージポンプ回路。
7. 前記入力電圧で前記フライングコンデンサと前記昇圧出力コンデンサをそれぞれ充電させる第５接続回路部を備え、前記制御回路部は、前記出力電圧検出回路部から出力された各信号に応じて該第５接続回路部の動作制御を行うことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載のチャージポンプ回路。
8. 前記制御回路部は、動作開始直後に、前記第１接続回路部、前記第５接続回路部、前記第２接続回路部及び前記第３接続回路部の順にそれぞれ排他的に作動させるソフトスタート動作を行うことを特徴とする請求項７記載のチャージポンプ回路。
9. 前記制御回路部は、動作開始直後に、前記第５接続回路部、前記第２接続回路部及び前記第３接続回路部の順にそれぞれ排他的に作動させるソフトスタート動作を行うことを特徴とする請求項７記載のチャージポンプ回路。
10. 前記入力端子と前記フライングコンデンサの一端との間に接続された第１スイッチと、
    前記入力端子と前記フライングコンデンサの他端との間に接続された第２スイッチと、
    前記フライングコンデンサの一端と前記降圧出力端子との間に直列に接続された第３スイッチ及び第６スイッチと、
    前記フライングコンデンサの一端と前記昇圧出力端子との間に直列に接続された第４スイッチ及び第７スイッチと、
    前記フライングコンデンサの他端と、前記第３スイッチ及び前記第６スイッチの接続部との間に接続された第５スイッチと、
    前記フライングコンデンサの他端と接地電圧との間に接続された第８スイッチと、
    を備え、
    前記第１接続回路部は前記第１スイッチ及び第８スイッチで、前記第２接続回路部は前記第３スイッチ、前記第６スイッチ及び前記第８スイッチで、前記第３接続回路部は前記第２スイッチ、前記第４スイッチ及び前記第７スイッチで、前記第４接続回路部は前記第４スイッチ、前記第５スイッチ、前記第６スイッチ及び前記第７スイッチでそれぞれ構成され、前記制御回路部は、前記出力電圧検出回路部から出力された各信号に応じて前記第１スイッチから前記第８スイッチの各スイッチのスイッチング制御を行うことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載のチャージポンプ回路。
11. 前記第５接続回路部は、
    前記入力端子と前記フライングコンデンサの一端との間に接続された第１スイッチと、
    前記フライングコンデンサの一端と前記昇圧出力端子との間に直列に接続された第４スイッチ及び第７スイッチと、
    前記フライングコンデンサの他端と接地電圧との間に接続された第８スイッチと、
    で構成され、
    前記制御回路部は、前記出力電圧検出回路部から出力された各信号に応じて前記第１スイッチ、前記第４スイッチ、前記第７スイッチ及び前記第８スイッチのスイッチング制御を行うことを特徴とする請求項７記載のチャージポンプ回路。
12. 前記出力電圧検出回路部は、
    前記降圧出力電圧に比例した降圧比例電圧と、所定の第１参照電圧との電圧比較を行い、該比較結果に応じた第１信号を生成して前記制御回路部に出力する第１電圧比較回路部と、
    前記昇圧出力電圧に比例した昇圧比例電圧と所定の第２参照電圧との電圧比較を行い、該比較結果に応じた第２信号を生成して前記制御回路部に出力する第２電圧比較回路部と、
    を備えることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１記載のチャージポンプ回路。
13. 入力端子から入力された入力電圧で充電されるフライングコンデンサと、
    降圧出力端子と接地電圧との間に接続された降圧出力コンデンサと、
    昇圧出力端子と接地電圧との間に接続された昇圧出力コンデンサと、
    を備え、
    前記入力電圧を降圧して降圧出力電圧として前記降圧出力端子から出力すると共に、前記入力電圧を昇圧して昇圧出力電圧として前記昇圧出力端子から出力するチャージポンプ回路の動作制御方法において、
    前記降圧出力電圧と第１所定値との電圧比較を行うと共に、前記昇圧出力電圧と第２所定値との電圧比較を行い、
    該各比較結果に応じて、
    前記入力電圧で前記フライングコンデンサを充電させる第１接続動作と、
    前記フライングコンデンサに充電された電圧で前記降圧出力コンデンサを充電させる第２接続動作と、
    前記フライングコンデンサに充電された電圧に前記入力電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第３接続動作と、
    前記降圧出力コンデンサに充電された電圧に、前記フライングコンデンサに充電された電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第４接続動作と、
    前記降圧出力コンデンサに充電された電圧に、前記フライングコンデンサに充電された電圧を加算した電圧で前記昇圧出力コンデンサを充電させる第４接続動作のいずれか１つの動作を行うことを特徴とするチャージポンプ回路の動作制御方法。
14. 所定のクロック信号の２サイクルを１つのステートとして該１つのステートを第１ステップから第４ステップの４つのステップに分割し、
    前半の２つのステップの間は前記第１接続動作を行い、
    後半の２つのステップで、前記各比較結果に応じて、前記第１接続動作から前記第４接続動作のいずれか１つを行うことを特徴とする請求項１３記載のチャージポンプ回路の動作制御方法。
15. 前記降圧出力電圧が前記第１所定値よりも大きく、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値よりも大きい場合は、前記１つのステートの間、前記第１接続動作を行うことを特徴とする請求項１４記載のチャージポンプ回路の動作制御方法。
16. 前記降圧出力電圧が前記第１所定値以下であり、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値よりも大きい場合は、前記後半の２つのステップの間、前記第２接続動作を行うことを特徴とする請求項１４又は１５記載のチャージポンプ回路の動作制御方法。
17. 前記降圧出力電圧が前記第１所定値よりも大きく、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値以下である場合は、前記後半の２つのステップの間、前記第４接続動作を行うことを特徴とする請求項１４、１５又は１６記載のチャージポンプ回路の動作制御方法。
18. 前記降圧出力電圧が前記第１所定値以下であり、かつ前記昇圧出力電圧が前記第２所定値以下である場合は、第３ステップの間、前記第２接続動作を行い、第４ステップの間、前記第３接続動作を行うことを特徴とする請求項１４、１５、１６又は１７記載のチャージポンプ回路の動作制御方法。
19. 前記各比較結果に応じて、前記入力電圧で前記フライングコンデンサと前記昇圧出力コンデンサをそれぞれ充電させる第５接続動作を行うことを特徴とする請求項１３、１４、１５、１６、１７又は１８記載のチャージポンプ回路の動作制御方法。
20. 動作開始直後に、前記第１接続動作、前記第５接続動作、前記第２接続動作及び前記第３接続動作の順に行うソフトスタート動作を行うことを特徴とする請求項１９記載のチャージポンプ回路の動作制御方法。
21. 動作開始直後に、前記第５接続動作、前記第２接続動作及び前記第３接続動作の順に行うソフトスタート動作を行うことを特徴とする請求項１９記載のチャージポンプ回路の動作制御方法。

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