JP4238869B2 - 電圧発生回路 - Google Patents

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本発明は、電圧発生回路に関し、特に、受信した信号に基づき、電磁誘導を利用して所定の電圧を発生する電圧発生回路に関する。
電圧発生回路は様々な装置で適用されている。特に、携帯用記憶媒体として広く使用されている半導体集積回路を内蔵したカード(以下、ICカードと称する)の中で、外部信号を接触端子を用いることなく、データの授受が可能なカード(以下、非接触ICカードと称する)において電圧発生回路が使用されることが知られている。
非接触ICカードに内蔵されて、使用される電圧発生回路は、例えば、非接触ICカードの外部から送信されてくる信号を電磁誘導を用いて電圧を発生する。電圧発生回路にて発生した電圧は、非接触ICカードに内蔵される他の回路(例えば、半導体集積回路)の動作電圧として使用される。この動作電圧は、電源電圧や半導体集積回路で処理すべきデータとして用いられる。このような電圧発生回路は、以下の文献に開示されるものがある。
特開平 4ー23092号公報 特開平10ー97601号公報
上記文献からも理解されるように、電磁誘導を用いた電圧発生回路は、受信回路であるコイルで発生する交流信号に基づいて所定の電圧を得る構成になっている。このため、外部装置(例えば、カードリーダ/ライタ)のコイルと電圧発生回路のコイルとの距離が離れると、電圧発生回路のコイルにて発生する交流信号に基づく電圧あるいは電流が、動作電圧を生成するのに十分なレベルまで得られない場合がある。近年においては、外部装置と電圧発生回路との距離に関わらず、動作電圧として充分なレベルの電圧を発生する電圧発生回路の要求が高まってきた。
また、上記のような要求を満足するためは、コストの増加や電圧発生回路としての面積の増大を極力避ける方が望ましい。
また、電圧発生回路としては、動作電圧として、安定したレベルの電圧を発生する方が望ましい。
本発明は、必要となる所定の電圧として、充分なレベルの電圧を発生する電圧発生回路を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記目的を達成する電圧発生回路を、コストの増加や電圧発生回路としての面積の増大を極力低減して実現することを目的とする。
また、本発明は、上記目的を達成する電圧発生回路を、必要となる所定の電圧として、安定したレベルの電圧を発生することをも実現することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、電磁誘導により受信した信号を用いて動作電圧を発生し、電磁誘導により生成された交流電圧が供給される第1及び第2の端子を備え、交流電圧を整流する整流回路を有する電圧発生回路に於いて、第1及び第2の端子に接続され、第1及び第2の端子の交流電圧によって、整流回路にて整流された信号を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路にて昇圧された信号を平滑して動作電圧を発生する平滑回路と、平滑回路から発生した動作電圧のレベルを監視して、監視結果に応じて昇圧回路による昇圧動作を制御する監視回路を有する電圧発生回路であって、監視回路は、動作電圧が、電圧発生回路の出力として必要な電圧より低い場合は、昇圧回路への充電経路を開放し、動作電圧が、電圧発生回路の出力として必要な電圧より高い場合には、昇圧回路への充電経路を遮断する制御手段を備えている。
また、制御手段は、動作電圧に基づく第1比較電圧と基準電圧に基づく第2比較電圧とを比較して比較信号を出力する比較回路と、比較信号に基づいて、導通状態が制御されるトランジスタを備え、導通状態の制御により、昇圧回路の昇圧用容量素子に対する充電経路を開閉するようにしてもよい。
また、受信回路を第1の端子と第2の端子との間に接続されたコイルから構成しても、第1の端子と第2の端子との間にそれぞれ接続されたコイルと容量素子とから構成してもよい。
また、昇圧回路を、整流回路にて整流された信号に基づく信号を受信する整流素子と、整流素子の入力側端子と第1の端子との間に接続された第1の昇圧用容量素子と、整流素子の出力側端子と第2の端子との間に接続された第2の昇圧用容量素子とを有するようにしてもよいし、これら整流素子、第1及び第2の昇圧用容量素子を複数設けてもよい。
また、電圧発生回路は携帯用記憶媒体に内蔵され、所定の電圧は、携帯用記憶媒体における電源電圧として使用されるようにしてもよい。
本発明は、必要となる所定の電圧として、充分なレベルの電圧を発生する電圧発生回路を提供することができる。
また、本発明は、上記目的を達成する電圧発生回路を、コストの増加や電圧発生回路としての面積の増大を極力低減して実現することができる。
また、本発明は、上記目的を達成する電圧発生回路を、必要となる所定の電圧として、安定したレベルの電圧を発生することをも実現することができる。
以下、本願発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。なお、全図面を通して同様の構成には同様の符号を付与する。
本発明の電圧発生回路について、図面を用いて以下に説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態における電圧発生回路100の回路図である。なお、第1の実施の形態においては、電圧発生回路100は非接触ICカードに内蔵されているものとする。
図1において、電圧発生回路100は、受信回路を構成するコイル11及びコンデンサ12と、整流回路30を構成するブリッジ接続された4つの整流素子であるダイオード13〜16と、昇圧回路を構成する、順方向接続された3つのダイオード18〜20及び容量素子であるコンデンサ21、22と、平滑回路を構成するコンデンサ17とを有する。
コイル11はノードAとノードBとの間に接続されている。コンデンサ12もノードAとノードBとの間に接続されている。このため、外部装置(例えば、カードリーダ/ライタ)のコイルがコイル11と対向するように配置され、転送すべきデータとして外部装置側のコイルに交流電流が流れると、コイル11は電磁誘導が起こることとなる。このため、ノードAとノードBには、互いに逆相の交流信号が発生する。
コンデンサ12は、ノードA及びノードBの交流信号に伴って共振現象が生じ、ノードA及びノードBの交流信号の振幅を大きくするものである。コンデンサ12は、電圧発生回路100としては、必ずしも必要でなないが、コンデンサ12を入れた方がより大きな電力を得られるため、効果的である。
ダイオード13はアノード側が接地され、カソード側がノードAと電気的に接続されている。ダイオード14はアノード側がダイオード13のカソード側に接続され、カソード側が整流回路30としての出力ノードであるノードDに接続されている。ダイオード15はアノード側が接地され、カソード側がノードBと電気的に接続されている。ダイオード16はアノード側がダイオード15のカソード側に接続され、カソード側が整流回路30としての出力ノードであるノードDに接続されている。つまり、整流回路30は、4つのダイオード13〜16をブリッジ接続してなる全波整流回路である。
4つのダイオード13〜16から構成される整流回路30は、ノードA及びノードBに発生した交流信号をそれぞれ整流し、整流した信号の電圧レベルが重ね合わされた信号がノードDから出力される。
ダイオード18のアノード側はノードDに接続され、カソード側はノードEに接続されている。ダイオード19のアノード側はノードEに接続され、カソード側はノードFに接続されている。ダイオード20のアノード側はノードFに接続され、カソード側がノードCに接続されている。コンデンサ21は、一端がノードAに接続され、他端がノードEに接続されている。コンデンサ22は、一端がノードBに接続され、他端がノードFに接続されている。
ダイオード18〜20及びコンデンサ21、22から構成される昇圧回路は、ノードEにおいて、ダイオード18を介してノードEに到達したノードDの信号を基準として、コンデンサ21を通じてノードAの信号が重なり、ノードEの電圧が昇圧される。同様に、ノードFにおいて、ダイオード19を介してノードFに到達した信号を基準として、コンデンサ22を通じてノードBの信号が重なり、ノードFの電圧が昇圧される。この昇圧されたノードFの信号をダイオード20を介して昇圧回路の出力信号として出力する。
コンデンサ17は一端がノードCに接続され、他端が接地されている。コンデンサ17から構成される平滑回路は、昇圧回路の出力であるダイオード20のカソード側に生じた信号の振幅を平滑化するものである。平滑化された信号はノードCに生じる。ノードCに生じた平滑化した信号を平滑回路の出力信号として出力する。つまり、ノードCに発生した直流電圧が電圧発生回路100としての出力となる。この出力は、例えば、非接触ICカードに内蔵される他の回路(例えば、半導体集積回路)の動作電圧として用いられる。
以上のような電圧発生回路100の動作について、図面を用いてより詳細に説明する。図2は、電圧発生回路100のノードA〜Fにおける信号波形を示す図である。図2においては、縦軸を電圧、横軸を時間としている。また、図2において、符号A〜Fは、それぞれ同じ符号のノードA〜Fに対応している。図2における縦軸の"0"は電圧が0Vであることを示し、これを各波形の比較基準としている。
上述したように、コイル11に電磁誘導が起こることにより、ノードA及びノードBに交流信号が発生する。図2の符号A及び符号Bに示すように、ノードAとノードBとは逆相になっていることがわかる。図2R>2の符号A及び符号Bで示す波形は、整流回路30を構成するダイオード13及び15のアノード側の接地電圧を基準にノードAとノードBとの信号を見た状態である。
ノードA及びノードBに発生した交流信号は整流回路30を介してそれぞれ整流され、整流された2つの信号は重ね合わされた状態でノードDに発生する。図2の符号Dに示されるように、ノードDに発生する信号の電圧レベルは全体的に低い。
ノードDに発生した信号はダイオード18を介してノードEに達する。さらにノードAの電圧が上昇している時は、ノードEの電圧を基準として、コンデンサ21を通じて、ノードAの電圧がノードEに印加される。このため、ノードEは実質的にノードDに発生した信号の電圧がノードAの電圧分昇圧される。
また、ノードAの電圧が下降している時は、コンデンサ21を通じてノードEの電圧に基づきノードAの信号が重ねられるため、ノードEの電圧を下げることとなる。しかしながら、ノードEの電圧が下がり、ノードEの電圧がダイオード18のアノード側に印加されている電圧よりダイオード18の閾値電圧分低くなると、ダイオード18が導通状態となる。このため、ノードDの電圧がノードEに印加されるため、ノードEの電圧が極端に下がることはない。なお、ダイオード18は、ノードEから見てノードDに対して逆方向接続されているため、ノードEの電圧はダイオード18により整流回路30側へ戻ることはない。
同様に、ノードEに発生した信号はダイオード19を介してノードFに達する。ノードBの電圧が上昇している時は、ノードFの電圧を基準として、コンデンサ22を通じて、ノードBの電圧がノードFに印加される。このため、ノードFは実質的にノードEに発生した信号の電圧がノードBの電圧分昇圧される。
また、ノードBの電圧が下降している時は、コンデンサ22はノードFの電圧に基づきノードBの信号が重ねられるため、ノードFの電圧を下げることとなる。しかしながら、ノードFの電圧が下がり、ノードFの電圧がダイオード19のアノード側に印加されている電圧よりダイオード19の閾値電圧分低くなると、ダイオード19が導通状態となる。このため、ノードEの電圧がノードFに印加されるため、ノードFの電圧が極端に下がることはない。なお、ダイオード19は、ノードFから見てノードEに対して逆方向接続されているため、ノードFの電圧はダイオード19により整流回路30側へ戻ることはない。
図2の符号E及び符号Fに示すように、ノードEの信号の電圧は符号Dで示すノードDの信号の電圧より電圧レベルが高くなっており、ノードFの信号の電圧はノードEの信号の電圧より電圧レベルが高くなっている。
なお、前述したように、ノードDの信号はノードA及びノードBの信号をそれぞれダイオード14及び16を介して供給される信号を重ね合わせたものである。このため、図2に示す符号Dの波形は、ノードAの電圧が下降してノードEの電圧が下げられた時に、ノードEに対して電圧を印加するため、その際の電圧分が下がった波形となっている。また、ノードFに対しても同様な作用があるが、ノードEの電圧の下降に対する電圧補充が既に行われているため、ノードDに対する影響は小さい。
ノードFに発生した昇圧された信号はダイオード20を介してノードCに達する。コンデンサ17により、ノードCに達した信号は図2の符号Cに示すように平滑化された信号となる。
このように、第1の実施の形態における電圧発生回路100は、昇圧回路を設けることにより電圧発生回路100の出力である信号の電圧を昇圧することができる。このため、電圧発生回路100のコイル11と外部装置のコイルとの距離が離れることで、コイル11により発生する交流信号の振幅が小さいものであっても、電圧発生回路100の出力としては、電圧発生回路100とともに内蔵される他の回路の動作電圧として充分な電圧レベルを確保することができる。
特に、電圧発生回路100の出力を電源電圧として使用する場合には、電圧発生回路100とともに内蔵される他の回路の様々な機能を可能とするための基準となる電圧が確保されるため、電圧発生回路100とともに内蔵される他の回路の動作を確実に保証することができる。
また、電圧発生回路100は昇圧回路を設けているため、コイル11により発生する交流信号の振幅が小さいものでよいので、コイル(インダクタンス)を小さくしてもよい。この場合、コストを低減することができる。
また、昇圧回路は、いくつかのコンデンサとダイオードで構成し、これらの構成要素の動作はコイル11とコンデンサ12とから構成される受信回路や整流回路30にて制御されているので、電圧発生回路100として昇圧回路に対して多くの構成要素は追加されておらず、昇圧回路の動作を制御するための複雑な構成も必要ない。このため、コストの増加や電圧発生回路としての面積の増大を極力低減している。
次に、第2の実施の形態における電圧発生回路について、図面を用いて以下に説明する。図3は第2の実施の形態における電圧発生回路200の回路図である。なお、図3において、図1の電圧発生回路100と同様な構成要素については同様な符号を付けて、説明の重複を防ぐこととする。
図3においては、図1に比べて、監視回路を構成するPチャネル型MOSトランジスタ23、24と、コンパレータ25と、抵抗素子26、27が追加されている。図3における他の構成要素は図1と同様である。
トランジスタ23の一方の電極はノードAに接続され、他方の電極はコンデンサ21の一端に接続されている。つまり、ノードAとコンデンサ21とはトランジスタ23を介して電気的に接続が可能となっている。トランジスタ24の一方の電極はノードBに接続され、他方の電極はコンデンサ22の一端に接続されている。つまり、ノードBとコンデンサ22とはトランジスタ24を介して電気的に接続が可能となっている。
抵抗素子26の一端はノードCから出力される信号が供給され、他端はコンパレータ25のプラス側入力端子に接続されている。抵抗素子27の一端はコンパレータ25のプラス側入力端子に接続され、他端は接地されている。コンパレータ25のマイナス側入力端子には比較基準となる基準電圧VREFが入力され、出力端子はトランジスタ23、24のゲート電極にそれぞれ接続されている。
以上のように構成された監視回路は、ノードCから出力される信号の電圧を抵抗素子26及び27にて分圧した電圧と、基準電圧VREFとを比較し、分圧した電圧が基準電圧VREFより低い場合には昇圧回路による昇圧を行わせるようにする。この場合、コンパレータ25は電圧レベルが接地電圧レベル(以下、Lレベルと称する)の信号を出力する。
コンパレータ25の出力信号の電圧レベルによって、トランジスタ23及び24は導通状態となる。この状態においては、図3の電圧発生回路200は図1の電圧発生回路100と同様な動作が可能となる。
分圧した電圧が基準電圧VREF以上の場合には昇圧回路による昇圧を禁止するようにする。この場合、コンパレータ25は電圧レベルが電源電圧レベル(以下、Hレベルと称する)の信号を出力する。
コンパレータ25の出力信号の電圧レベルによって、トランジスタ23及び24は非導通状態となる。この状態においては、図3の電圧発生回路200は昇圧回路を構成するコンデンサ21とノードA間、及びコンデンサ22とノードB間の電気的な接続が遮断されることとなる。この結果、昇圧回路による昇圧すべきノードの昇圧は行われない。
ここで、基準電圧VREFは、ノードCの電圧レベルが、電圧発生回路の出力として必要とする所定の電圧であるか否かをコンパレータ25にて判断可能の電圧である。つまり、抵抗素子26、27にて分圧した電圧が基準電圧VREFより低い場合とは、ノードCの電圧が電圧発生回路の出力として必要とする所定の電圧より低い場合であり、抵抗素子26、27にて分圧した電圧が基準電圧VREF以上の場合とは、ノードCの電圧が電圧発生回路の出力として必要とする所定の電圧以上の場合である。基準電圧VREFは、例えばバンドギャップ電圧等から生成すればよい。
このように、第2の実施の形態における電圧発生回路200は、第1の実施の形態における電圧発生回路100と同様な効果を得ることができる。さらに、電圧発生回路200は、監視回路を設けたので、電圧発生回路200としての出力として必要とする所定の電圧が充分得られている場合には昇圧回路による昇圧すべきノードの昇圧を行わないようにしている。このため、昇圧過剰による高電圧により、電圧発生回路200の出力である電圧が印加される他の回路が破壊されることや、このような破壊を防止するためのクランプ回路等を設けることによる無駄な電力消費をすることを防止することができる。
また、電圧発生回路200は、外部装置のコイルと電圧発生回路のコイルとの距離が離れる等の理由により、電圧発生回路200としての出力として必要となる所定の電圧が充分得られていない場合には、昇圧回路による昇圧すべきノードの昇圧を行うことができる。
以上、本発明の電圧発生回路について詳細に説明したが、本発明の電圧発生回路は上記で説明した構成に限定されるものではない。
例えば、図1及び図3に示す電圧発生回路100、200を構成する各ダイオードは、図4(b)に示すようなバイポーラトランジスタや図4(c)に示すようなMOSトランジスタをそれぞれダイオード接続したものであってもよい。図4(b)及び図4(c)は図4(a)に示すダイオードの方向に対応して、その接続状態を示している。同様に、各コンデンサについてもMOSトランジスタのゲート部分を利用するようなものであってもよい。また、抵抗素子も可能であるならば、常時導通状態のMOSトランジスタを用いてもよい。
また、図1あるいは図3に示すコンデンサ21とダイオード19を1組とし、コンデンサ22とダイオード20を1組として、これら各組を複数個、交互に設けて、ノードAとノードBでの昇圧を交互に効率よく行うようにしてもよい。この場合、電圧発生回路としての構成要素は増えるが、より高い昇圧電圧を得られることになる。
また、非接触ICカードには、記憶装置としてEEPROM等の電気的に書き換え可能な不揮発性メモリを内蔵しているものがある。このような不揮発性メモリの消去や書込みには20V程度の高い電圧が必要である。非接触ICカードに限らず、このような高電圧を必要とするメモリを内蔵する装置に、本発明の電圧発生回路を内蔵しておくことにより、本発明の電圧発生回路にて発生した昇圧電圧を、高電圧を必要とするメモリの消去や書込みのための電圧として使用することができる。この場合、高電圧を必要とするメモリの消去や書込みのための電圧用の昇圧回路(例えば、クロック発振器とチャージポンプ回路)を電圧発生回路とは別に設ける必要がなくなる。よって、高電圧を必要とするメモリを内蔵する装置としての装置サイズの縮小化や低コスト化が実現できる。特に、非接触ICカードのように低コスト化が強く要求されるものにおいては本発明の電圧発生回路は有効である。
さらに、図1や図3におけるダイオード18あるいはダイオード14及び16は設けなくとも本発明の電圧発生回路の効果は得られる。つまり、ダイオード18がない場合には、ノードDがコンデンサ21の他端に直接接続されることになる。この場合、昇圧されたノードD(あるいはノードE)の電圧がノードAあるいはノードBに戻ることはダイオード14あるいは16により防がれる。また、ダイオード14及び16がない場合には、ダイオード13のカソード側がノードAに接続され、ダイオード15のカソード側がノードBに接続されるとともに、ノードBがノードDに接続される。この場合、昇圧されたノードEの電圧がノードDに戻ることはダイオード18により防がれる。このように、図1あるいは図3の効果を損なうことなく、昇圧すべきノードのダイオード1個分の電圧降下がなくなるので、より高速で効果的に各ノードを昇圧することができる。
また、トランジスタ23、24はNチャネル型MOSトランジスタとしてもよい。この場合、コンパレータ25の出力の電圧レベルは上記実施の形態とは逆にする必要がある。また、MOSトランジスタの代わりにバイポーラトランジスタを使用してもよい。
また、電圧発生回路は他の回路(例えば、電圧発生回路から出力される電圧を電源電圧やデータ等の動作電圧として使用する回路)とともに1チップに集積するようにしてもよい。この場合、上述のように本発明の電圧発生回路は構成要素の増大を抑えているため、電圧発生回路による半導体集積回路のチップサイズの縮小化を妨げない効果が望める。
このように、本発明の電圧発生回路は、本発明と同様な動作により同様な効果が得られるものであれば、種々の変更が可能である。
本発明の第1の実施の形態における電圧発生回路100の回路図である。 図1の電圧発生回路100の動作を説明する信号波形図である。 本発明の第2の実施の形態における電圧発生回路200の回路図である。 本発明の電圧発生回路の構成要素であるダイオードの変形例を示す図である。
符号の説明
11 コイル
12 コンデンサ(共振用)
13、14、15、16 ダイオード(整流回路用)
17 コンデンサ(平滑回路用)
18、19、20 ダイオード(昇圧回路用)
21、22 コンデンサ(昇圧回路用)
23、24 Pチャネル型MOSトランジスタ
25 コンパレータ
26、27 抵抗素子
100、200 電圧発生回路

Claims (7)

  1. 電磁誘導により受信した信号を用いて動作電圧を発生し、前記電磁誘導により生成された交流電圧が供給される第1及び第2の端子を備え、前記交流電圧を整流する整流回路を有する電圧発生回路に於いて、
    前記第1及び第2の端子に接続され、該第1及び第2の端子の前記交流電圧によって、前記整流回路にて整流された信号を昇圧する昇圧回路と、
    前記昇圧回路にて昇圧された信号を平滑して前記動作電圧を発生する平滑回路と、
    前記平滑回路から発生した前記動作電圧のレベルを監視して、該監視結果に応じて前記昇圧回路による昇圧動作を制御する監視回路を有する電圧発生回路であって、
    前記監視回路は、前記動作電圧が、前記電圧発生回路の出力として必要な電圧より低い場合は、前記昇圧回路への充電経路を開放し、前記動作電圧が、前記電圧発生回路の出力として必要な電圧より高い場合には、前記昇圧回路への充電経路を遮断する制御手段を備えたことを特徴とする電圧発生回路。
  2. 前記制御手段は、前記動作電圧に基づく第1比較電圧と基準電圧に基づく第2比較電圧とを比較して比較信号を出力する比較回路と、該比較信号に基づいて、導通状態が制御されるトランジスタを備え、該導通状態の制御により、前記昇圧回路の昇圧用容量素子に対する充電経路を開閉することを特徴とする請求項1記載の電圧発生回路。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の電圧発生回路に於いて、前記第1の端子と前記第2の端子間に接続されたコイルから構成され、前記交流電圧を発生する受信回路を有する事を特徴とする電圧発生回路。
  4. 請求項1又は請求項2に記載の電圧発生回路に於いて、前記第1の端子と前記第2の端子間にそれぞれ接続されたコイルと容量素子から構成され、前記交流電圧を発生する受信回路を有する事を特徴とする電圧発生回路。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電圧発生回路に於いて、前記昇圧回路は、前記整流回路にて整流された信号に基づく信号が供給される第1の整流素子と、前記第1の整流素子の入力端子と前記第1の端子との間に接続された第1の昇圧用容量素子と、前記第1の整流素子の出力端子と接続される第2の整流素子と、前記第2の整流素子の入力側端子と前記第2の端子間に接続された第2の昇圧用容量素子とを有する事を特徴とする電圧発生回路。
  6. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電圧発生回路に於いて、前記昇圧回路は、前記整流回路にて整流された信号に基づく信号が供給される第1の整流素子と、前記第1の整流素子の入力端子側と前記第1端子との間に接続された第1の昇圧用容量素子とで構成される第1の組と、前記第1の整流素子の出力端子側と接続される第2の整流素子と、前記第2の端子との間に接続された第2の昇圧用容量素子とで構成される第2の組と、を複数交互に接続して構成されることを特徴とする電圧発生回路。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電圧発生回路に於いて、前記電圧発生回路は、携帯用記憶媒体に内蔵され、前記動作電圧は、該携帯用記憶媒体に於ける電圧源として使用されることを特徴とする電圧発生回路。
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