JP4427898B2 - 昇圧装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷を駆動又は負荷への出力電圧値の昇圧をするための昇圧装置に係り、電源電圧をそれよりも高い電圧に昇圧する昇圧装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種の昇圧装置として、典型的な適用例は、フローティングゲートトランジスタを備える不揮発性メモリであり、この不揮発性メモリにより集積回路が構成される。そのような不揮発性メモリを動作させるには、通常の電源電圧Vcc(一般的には5V又は3V)よりも高い電圧Vpp(一般的には14V程度かそれを超える電圧)が必要となる。単一の電源電圧Vccによりこのメモリを使用できるようにするには、集積回路に電源電圧Vccから電圧Vppを発生させる回路を備える方法が取られる。
【0003】
電圧Vppを発生する回路として、チャージポンプの原理に基づいた昇圧回路がある。図11(a)には、ダイオード及びコンデンサからなる複数の昇圧ステージを有する昇圧回路の構成を示し、同(b)には本昇圧回路に供給される2つの周期的な位相を示す。この昇圧回路は、2つの重なり合わない周期的な位相Phi1,Phi2に応じて電源電圧Vccと接地との間のコンデンサ接続をスイッチングさせるよう構成されている。
【0004】
例えば、1段目及び2段目の昇圧ステージにおいて、Phi1がオフとなる時間t0では、ダイオード101を介してコンデンサ102が電圧Vccに充電される。また続いて、Phi2がオフとなる時間t1では、ダイオード103を介してコンデンサ102の電荷の一部がコンデンサ104へ放電される。コンデンサ104からコンデンサ102への放電はダイオード103により防がれる。従って、コンデンサ104の電圧は次第に増加して電圧Vccを越える値に達する。この場合、ダイオード103での電圧降下を考慮しなければ、理論上の最大値2Vccまで昇圧される。以後、位相Phi1,Phi2が交互にオン/オフされ、その都度コンデンサ102が再充電された後、その電荷が後続のコンデンサ104に放電される。連続したn個のステージをカスケード式に接続する場合、得られる電圧は(n+1)×Vccであり、より正確には、ダイオードのしきい値電圧Vdを考慮するならば(n+1)×(Vcc−Vd)に達する。
【0005】
一方、より少ないステージ数で十分な出力電圧を得るためには、ダイオードをトランジスタで置き換える方法が提案されている。なお本明細書では、コンデンサの電荷の転送にダイオードを用いるものをダイオード電荷転送方式、ダイオードをトランジスタに置き換えたものをトランジスタ電荷転送方式と呼ぶ。
【0006】
図12(a)には、トランジスタ及びコンデンサからなる複数の昇圧ステージを有するトランジスタ電荷転送方式の昇圧回路の構成を示し、同(b)には本昇圧回路に供給される2つの周期的な位相を示す。この昇圧回路は、2つの重なり合わない周期的な位相Phi1,Phi2により制御される。なお、この回路にはブートストラップ機能が備わっている。
【0007】
例えば、1段目及び2段目の昇圧ステージにおいて、Phi1がオンとなる時間t0では、ノード217,218,225,226の電位がVccとなる。このとき、トランジスタ213,224のゲート電圧はVccであり、トランジスタ213,224がオンする。よって、コンデンサ211,222がトランジスタ213,224を通して電位Vccまで充電される。
【0008】
また、Phi2がオンとなる時間t1では、ノード228の電位が2Vccとなる。このとき、トランジスタ223のゲート電圧は2Vccであり、トランジスタ223がオンする。よって、コンデンサ221は、トランジスタ223を通してコンデンサ211の電荷が一部充電される。Phi2の立ち上がりの瞬間、ノード216は、理想的には2Vccの電位となり、コンデンサ211とコンデンサ221との間で電荷の再分配が行われる。またこの瞬間、トランジスタ214がオンしており、ノード218の電位がVccとなる。
【0009】
更にその後、Phi1が再びオンする時間t2では、ノード218の電位が2Vccとなる。このとき、トランジスタ213のゲート電圧は2Vccであり、トランジスタ213がオンする。よって、コンデンサ211は、トランジスタ213を通して電荷が充電される。Phi1の立ち上がりの瞬間、ノード226は、理想的には2Vccの電位となり、コンデンサ221と次段コンデンサとの間で電荷の再分配が行われる。またこのとき、ノード228の電位はVccであり、トランジスタ223がオフしている。従って、コンデンサ221からコンデンサ211への電荷の放電はない。こうして2つの位相Phi1,Phi2により電荷の転送が繰り返される。連続したn個のステージをカスケード式に接続する場合、得られる電圧は(n+1)×Vccとなる。
【0010】
ここで、図11のダイオード電荷転送方式では、ダイオードで電圧降下が生じるが、図12のトランジスタ電荷転送方式では、トランジスタ(例えば符号213,223)のゲート−ソース間電圧が十分に印加されているため、両端子間に電圧降下が生じない。そのため、最少のステージ数で十分な出力電圧を得ることができる。
【0011】
また従来より、上記ダイオード電荷転送方式、又はトランジスタ電荷転送方式の昇圧回路を前後2段に設け、昇圧特性を向上させようとした技術があり、その一例として、特開昭58−29371号公報の昇圧回路が公知である。その回路構成を図13に示す。
【0012】
図13の回路構成では、前段の昇圧回路である回路ブロックB1と、レベルシフト回路である回路ブロックB2と、後段の昇圧回路である回路ブロックB3とが設けられ、回路ブロックB1は、クロックφにより例えば電源電圧1.5ボルトを約5ボルトに昇圧する。回路ブロックB2は、回路ブロックB3の入力として必要な信号φ2を生成する。また、回路ブロックB3は、ハイ側5ボルトの信号φ2,/φ2(/は反転信号であることを示す)を入力し、所望の昇圧電圧値まで昇圧する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図13の昇圧回路において、回路ブロックB1,B3の各クロック(φと/φ、φ2と/φ2)は振幅が異なるが、周波数が同一のクロックとなる。この場合、回路ブロックB1のコンデンサC5と回路ブロックB3のコンデンサC11,C12,・・・との間で電荷の再分配が生じる。そのため、回路ブロックB3のコンデンサC11,C12,・・・に電荷を供給しても前記コンデンサC5の電圧の低下が生じないように回路ブロックB1のコンデンサC1,C2,・・・をそれぞれ十分に大きくする必要があり、容量形成においてはチップ面積を多く必要とする。従って、低面積化の効果は薄いと考えられる。因みに、回路ブロックB1のコンデンサの大きさの度合いは、電圧ドロップを10%程度まで許すとすると、「回路ブロックB3のコンデンサの総容量×(1/2)×9」程度とする必要がある。
【0014】
仮に、回路ブロックB1のコンデンサと回路ブロックB3のコンデンサとが同程度の容量値であれば、回路ブロックB1と回路ブロックB3とのクロック周波数が同じである限りはこの関係は不変である。そのため、回路ブロックB3に印加される電圧は、電荷の再分配によって「回路ブロックB1の最終段の容量値/(2×回路ブロックB3の総容量値)」となり、所望の昇圧電圧値は得られない。
【0015】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、適正なる昇圧動作を実現しつつ、回路規模を小さくして低面積化を図ることができる昇圧装置を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の昇圧装置において、第1の昇圧回路には、互いに重なり合うことのない相補的な2つの第1のクロック信号が供給され、レベルシフト回路には、同じく互いに重なり合うことのない相補的な2つの第2のクロック信号が供給される。そして、第1の昇圧回路は、複数の昇圧ステージに設けられたコンデンサの電荷を後続のコンデンサに転送して電源電圧を昇圧する。レベルシフト回路は、第2のクロック信号の制御レベルを、前記第1の昇圧回路の出力レベルにシフトさせる。また、第2の昇圧回路は、前記レベルシフト回路の出力を駆動電圧とし、前記第1の昇圧回路と同様に複数の昇圧ステージに設けられたコンデンサの電荷を後続のコンデンサに転送してレベルシフト回路の出力を所望の電圧値まで昇圧する。
【0017】
本構成では、昇圧回路を前後2段に設け、後段の昇圧回路(第2の昇圧回路)に対してレベルシフト回路でレベルシフトしたクロック信号を供給する。この場合、第2の昇圧回路は、第1の昇圧回路で昇圧された電圧を駆動電圧とする。これにより、例えば昇圧回路を1段に設け、単にそのステージ数を増やして所望の電圧値に昇圧する場合と比べて昇圧効率が高まり、回路規模の小型化、低面積化が可能となる。
【0018】
また本発明では、前記第1のクロック信号の周波数を、前記第2のクロック信号の周波数よりも高くしたことを特徴とする。従って、第1の昇圧回路と第2の昇圧回路との間で電荷の再配分が行われることを考えた場合、第2の昇圧回路への電荷の供給は、第1のクロック信号の周波数が高い分だけ増加する。それ故に、第1及び第2のクロック信号の周波数を同一とした場合に比べて、昇圧装置における実質的なコンデンサ容量を大幅に減少させることが可能となる。その結果、本請求項1の発明では、適正なる昇圧動作を実現しつつ、回路規模を小さくして低面積化を図ることができる。
【0019】
以下に、図14,図15を用い上記の効果を原理的に補足説明する。ここで、図14は本発明の回路構成を、図15は従来装置の回路構成を示すが、これら各図では、前記図13の回路構成と同様に、直列に接続される前後3つの回路を回路ブロックB1,回路ブロックB2,回路ブロックB3として示すこととする。なお、図14では、回路ブロックB1のクロック周波数をφ、回路ブロックB2のクロック周波数をφ1(φ>φ1)とするのに対し、図15では、回路ブロックB1及びB2共にクロック周波数をφ1としている。
【0020】
さて、図14,図15では、回路ブロックB3の電荷転送に関わる総容量値の1/2が2Cb(=4Cb/2)であることから、時間(1/φ1)の間に、回路ブロックB1から回路ブロックB2を通して回路ブロックB3へ供給される電荷量Q1は「Q1=V×2Cb」となる。
【0021】
ここで、図14の場合、周波数φが周波数φ1の5倍であるとすると、時間(1/φ1)の間に、回路ブロックB1の各コンデンサで必要となる転送電荷量Q2は、
Q2=(V×2Cb)×(1/5)=(V×Cb)×(2/5)
となる。このとき、「V×C=V×Cb×(2/5)」であるから、回路ブロックB1の各コンデンサに求められる容量値Cは「C=(2/5)Cb」となる。一方、図15(従来装置)では、「V×Ca=V×2Cb」であるから、回路ブロックB1の各コンデンサに求められる容量値Caは「Ca=2Cb」となる。
【0022】
また、転送電荷量が増えればトランジスタの電流能力がより要求されるので、トランジスタサイズは大きくなる。この場合、図14,図15におけるトランジスタのゲート幅を図示の通りW,Wa,Wbでそれぞれ表すと、図14では、W=(2/5)Wb程度、図15では、Wa=2Wb程度となる。
【0023】
よって、回路ブロックB1〜B3の回路面積をコンデンササイズとトランジスタサイズとで表すと、図14では、前述のC=(2/5)Cb、W=(2/5)Wbの関係より、
(4C+4W)+4W+(4Cb+4Wb)=5.6Cb+7.2Wb
となる。また、図15では、前述のCa=2Cb、Wa=2Wbの関係より、
(4Ca+4Wa)+4Wa+(4Cb+4Wb)=12Cb+20Wb
となる。要するに、図14の回路方式(本発明)と図15の回路方式とを比較すると、前者の方がより低面積であることが分かる。また、回路ブロックB3の電荷転送に関わる総容量値が大きいほど図14の回路方式と図15の回路方式との面積差は大きくなり、その効果は顕著となる。
【0024】
また、請求項1に記載の発明では、整流回路やクランプ回路を組み合わせることで、より実用化に適した昇圧装置が実現できる。すなわち、請求項2に記載したように、前記第1又は第2の昇圧回路の直後、若しくは前記レベルシフト回路の直後の少なくとも何れかに、電荷の逆流を防ぎ且つ出力を整流するための整流回路を設けると良い。また、請求項3に記載したように、前記第1又は第2の昇圧回路の直後、若しくは前記レベルシフト回路の直後の少なくとも何れかに、出力調整のためのクランプ回路を設けると良い。
【0025】
また、請求項4に記載の発明では、前記第1の昇圧回路には、複数の昇圧ステージを個々に切り離すための切り離し回路を設け、この切り離し回路により昇圧ステージの段数を調整する。これにより、必要とする昇圧ステージだけを選択的に機能させることができ、第1の昇圧回路の出力電圧値が容易に調整できるようになる。
【0026】
また、請求項5に記載の発明では、前記第1及び第2の昇圧回路は、MOSトランジスタのゲート電位を上昇させるためのブートストラップ機能を備えるので、昇圧効率の良い回路構成が実現できる。例えば、コッククロフト型の昇圧回路を用いる場合に比べて昇圧効率が向上する。
【0027】
また、本発明の昇圧装置において、第1及び第2の昇圧回路を具備することは必ずしも昇圧回路を2段設けることだけを意味するものではなく、第1の昇圧回路に対してそれとは別の2段以上の昇圧回路を併せ持つ構成であっても良いと拡大解釈できる。すなわち、請求項6に記載したように、前記第1の昇圧回路に対して2段以上の昇圧回路が直列に設けられ、各昇圧回路の間にそれぞれ、互いに重なり合うことのない相補的な2つのクロック信号が供給されるレベルシフト回路が設けられる昇圧装置において、前記第1の昇圧回路に供給される第1のクロック信号の周波数を最も高くし、その後段に設けられる各レベルシフト回路のクロック信号の周波数を、後続になるほど低くする。かかる場合にも、各クロック信号の周波数を同一とした場合に比べて、昇圧装置における実質的なコンデンサ容量を大幅に減少させることが可能となる。その結果、適正なる昇圧動作を実現しつつ、回路規模を小さくして低面積化を図ることができる。
【0028】
また、請求項7に記載の発明は、ブートストラップ機能を備えた第1の昇圧回路及び第2の昇圧回路と、レベルシフト回路と、第1の昇圧回路及び第2の昇圧回路の出力をそれぞれ取り込む第1の整流回路及び第2の整流回路とを備える。そして、第1のクロック信号の周波数を、第2のクロック信号の周波数よりも高くし、更に、第1の昇圧回路の出力電圧値を、前記第1のクロック信号の周波数、又は第2のクロック信号の周波数で制御する。本請求項7の構成においても前述の通り、例えば昇圧回路を1段に設け、単にそのステージ数を増やして所望の電圧値に昇圧する場合と比べて昇圧効率が高まる。また、第1及び第2のクロック信号の周波数を同一とした場合に比べて、昇圧装置における実質的なコンデンサ容量を大幅に減少させることが可能となる。その結果、適正なる昇圧動作を実現しつつ、回路規模を小さくして低面積化を図ることができる。
【0029】
一方、昇圧装置の制御方法として、請求項8〜10に記載の発明が適用できる。つまり、請求項8に記載の発明では、前記第1の昇圧回路の出力電圧値を、前記第1のクロック信号の周波数で制御する。また、請求項9に記載の発明では、前記第1の昇圧回路の出力電圧値を、前記第2のクロック信号の周波数で制御する。この場合実際には、第2のクロック信号の周波数に対して、高周波域で第1のクロック信号の周波数を制御する。或いは、第1のクロック信号の周波数に対して、低周波域で第2のクロック信号の周波数を制御する。これにより、第2の昇圧回路に電荷を供給するためのコンデンサの電荷量(第1の昇圧回路側のコンデンサ電荷量)が調整できる。それ故、第1の昇圧回路のコンデンサと第2の昇圧回路のコンデンサとの間で電荷の再分配が起きても第2の昇圧回路への印加電圧の低下が起きない程度に電荷を貯めることができる。これは、第1の昇圧回路のコンデンサの容量値が第2の昇圧回路の容量値により影響を受けないことを意味し、低面積化が実現できることを意味する。
【0030】
更に、請求項10に記載の発明では、前記第1の昇圧回路の出力電圧値を、当該第1の昇圧回路の昇圧ステージ段数で制御する。この場合、必要とする昇圧ステージだけを選択的に機能させることができ、第1の昇圧回路の出力電圧値が容易に調整できるようになる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図1は、クロック電圧昇圧方式を適用した本発明の昇圧装置を示すブロック図である。図1において、本昇圧装置は、第1の昇圧回路10と、レベルシフト回路20と、第2の昇圧回路30とを基本構成とする。第1の昇圧回路10には、第1のクロック信号であるCLK1,CLK2が供給され、同昇圧回路10は電源電圧VccをVp1に昇圧する。レベルシフト回路20には、第2のクロック信号であるCLK3,CLK4が供給され、同レベルシフト回路20は、前記第1の昇圧回路10の出力を電源電圧として、第2の昇圧回路30に供給するための信号を生成する。なお、CLK1とCLK2、CLK3とCLK4はそれぞれ、互いに重なり合うことのない相補的なクロック信号であり、各々にクロック周波数が設定されている。また、第2の昇圧回路30は、レベルシフト回路20の出力を駆動電圧(クロック電圧)として動作し、所望とする昇圧電圧Vppを出力する。
【0032】
図2は、昇圧装置の電気的構成を示す回路図である。本装置では、第1及び第2の昇圧回路10,30として、ブートストラップ機能を有するトランジスタ電荷転送方式を採用している。但し、その回路構成及び動作は前記図12にて説明したため、ここでは詳細な説明を省略する。勿論、この回路構成がダイオード電荷転送方式であっても差し支えない。また、図3は、CLK1〜CLK4のクロック波形を示す図であり、これらCLK1〜CLK4は各々、0と制御信号レベル(一般的には電源電圧Vccで、5V、3V、1.8V等)との2つの値に切り替わる。なお、各クロックは、0と制御信号レベルとで切り替わる他に、5Vと8Vとなど、中間電圧で切り替わるように構成しても良い。
【0033】
図2において、第1の昇圧回路10では、相補的なCLK1,CLK2を駆動電圧(クロック電圧)とし、個々の昇圧ステージでコンデンサの電荷が後続のコンデンサに順次転送される。これにより、電源電圧Vccが昇圧され、レベルシフト回路20に対してLin(前記Vp1に相当)が出力される。
【0034】
また、レベルシフト回路20は、Pチャネルトランジスタ21及びNチャネルトランジスタ22からなる直列回路と、Pチャネルトランジスタ23及びNチャネルトランジスタ24からなる直列回路とが並列に接続されており、Nチャネルトランジスタ22のゲートにはCLK3が、Nチャネルトランジスタ24のゲートにはCLK4がそれぞれ供給される。また、本レベルシフト回路20は、いわゆるたすき掛け方式を採用しており、出力点aにはPチャネルトランジスタ21のゲートが接続され、出力点bにはPチャネルトランジスタ23のゲートが接続されている。
【0035】
レベルシフト回路20では、第1の昇圧回路10の出力Linを電源ラインに入力する。この場合、CLK3がHレベル、CLK4がLレベルであれば、Nチャネルトランジスタ22がオン、Nチャネルトランジスタ24がオフし、Linの電圧が出力点aよりLout2として出力される。次に、CLK3のHレベルをLレベルに落とす。すると、Nチャネルトランジスタ22がオフする。その後、CLK4のLレベルをHレベルにすると、Nチャネルトランジスタ24がオンしてPチャネルトランジスタ21のゲート電位が接地電位となり、該トランジスタ21がオンする。すると、Linの電圧は出力点bよりLout1として出力される。このとき同時に、Pチャネルトランジスタ23がオフとなる。
【0036】
こうしてCLK3,CLK4が交互にHレベルとなることにより、Lout1,Lout2の出力波形が制御される。そして、Lout1,Lout2がCLK3,CLK4と同じ周期の2相クロック信号として第2の昇圧回路30に出力される。このとき、Lout1,Lout2の電圧(Hレベル側の電圧)はLinとなる。
【0037】
第2の昇圧回路30では、Lout1,Lout2を駆動電圧(クロック電圧)とし、個々の昇圧ステージでコンデンサの電荷が後続のコンデンサに順次転送される。これにより、電源電圧Vccが昇圧されてLout3(前記Vppに相当)が出力される。この場合、Lout1,Lout2はLinレベルに昇圧された位相を持ち、制御信号レベル(昇圧されていない電圧レベル)の位相を持つ場合と比べて昇圧効率が向上する。つまり、1ステージ分の昇圧値は、第1の昇圧回路10ではVccであるのに対し、第2の昇圧回路30ではLin(Vccの昇圧値)であり、後者の場合には昇圧効率が大幅に改善される。
【0038】
具体的には例えば、電源電圧Vccを3V、昇圧後の出力Lout3を40Vとする場合、第1の昇圧回路10でのステージ数を3とすればその出力が「Vcc×4(≒12V)」となり、更に第2の昇圧回路30でのステージ数を同じく3とすればその出力が「4Vcc×4(≒48V)」となる。つまり、計6ステージで所望とする昇圧動作が実現できる。因みに、前記図12の構成により昇圧装置を構成する場合、上記昇圧動作を実現するためには計13ステージを必要とする。なお、上記Lout1,Lout2の電圧値は、第2の昇圧回路30内でLout1,Lout2が印加される素子の耐圧で上限値が規制される。
【0039】
またここで、図3に示すように、CLK1とCLK2の周波数は、CLK3とCLK4の周波数よりも高い。そのため、CLK1,CLK2の周波数と、Lout1,Lout2の周波数とを比べると、やはり前者の方が高くなる。従って、第1の昇圧回路10と第2の昇圧回路30との間で電荷の再配分が行われることを考えた場合、クロック1周期で必要となる第1の昇圧回路10の転送電荷量は、CLK1,CLK2の周波数が高い分だけ減じられる。それ故に、CLK1,2とCLK3,4との周波数を同一とした場合に比べて、第1の昇圧回路10における実質的なコンデンサ容量が削減できる。
【0040】
CLK1,CLK2の周波数を、CLK3,CLK4の周波数よりも高くしたことは前述したが、その際、CLK1,CLK2の周波数(周期)、又はCLK3,CLK4の周波数(周期)を調整することにより、第1の昇圧回路10のLinの電圧レベル(昇圧値)が制御できる。なお、この周波数制御は、図示しない制御回路等により実現される。
【0041】
つまり、CLK1,CLK2の周波数をf1、CLK3,CLK4の周波数をf2としたとき、図4(a)に示すように、CLK1,CLK2の周波数f1を高くすれば、或いはCLK3,CLK4の周波数f2を低くすれば、第1の昇圧回路10の昇圧値(出力Lin)を高くすることができる。例えば、CLK3,CLK4側を可変に調整する場合、前記図2の回路構成では、CLK3がHレベルで、同時にCLK4がLレベルである期間の長さを変化させることによりLout2の電圧レベルが調整され、逆に、CLK4がHレベルで、同時にCLK3がLレベルである期間の長さを変化させることによりLout1の電圧レベルが調整される。また、図4(b)に示すように、CLK1,CLK2の周波数f1を高くすれば、或いはCLK3,CLK4の周波数f2を低くすれば、第1の昇圧回路10における昇圧ステージ数を削減することができる。
【0042】
また、第1の昇圧回路10における昇圧値の変化を時間の経過と共に見ると、図5に示すように、CLK1,CLK2の周波数f1が高いほど、昇圧値の立ち上がりが速くなることが分かる。
【0043】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
昇圧回路10,30を前後2段に設けたので、例えば昇圧回路を1段に設け、単にそのステージ数を増やして所望の電圧値に昇圧する場合と比べて昇圧効率が高まる。また、CLK1,CLK2の周波数をCLK3,CLK4の周波数よりも高くしたので、CLK1〜CLK4の周波数を同一とした場合に比べて、昇圧装置におけるコンデンサ容量を大幅に減少させることが可能となる。その結果、適正なる昇圧動作を実現しつつ、回路規模を小さくして低面積化を図ることができる。
【0044】
また、第1及び第2の昇圧回路10,30として、MOSトランジスタのゲート電位を上昇させるためのブートストラップ機能を備えるので、昇圧効率の良い回路構成が実現できる。例えば、コッククロフト型の昇圧回路を用いる場合に比べて昇圧効率が向上する。
【0045】
また、CLK1,CLK2の周波数(周期)、又はCLK3,CLK4の周波数(周期)を調整することにより、第1の昇圧回路10のLinの電圧レベル(昇圧値)が制御できるので、仮に第1の昇圧回路10のコンデンサと第2の昇圧回路30のコンデンサとの間で電荷の再分配が起きても第2の昇圧回路30への印加電圧の低下が起きない程度に電荷を貯めることができる。これは、第1の昇圧回路10のコンデンサの容量値が第2の昇圧回路30の容量値により影響を受けないことを意味し、低面積化が実現できることを意味する。
【0046】
以下、本発明の第2〜第4の実施の形態について、上記第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
(第2の実施の形態)
図6は、第2の実施の形態としての昇圧装置の電気的構成を示し、前記図2との相違点として、第1及び第2の昇圧回路10,30の出力側に整流回路としてのリップル防止回路41,42を追加している。このリップル防止回路41,42により、第1及び第2の昇圧回路10,30の各々に対する電荷の逆流が防止され、且つこれら昇圧回路10,30の出力が整流される。リップル防止回路41,42はダイオードを用いて構成される。なお、リップル防止回路41が「第1の整流回路」に相当し、リップル防止回路42が「第2の整流回路」に相当する。
【0047】
また、上記図1の回路構成に対して、整流回路としてのリップル防止回路と、出力調整のためのクランプ回路とを適宜追加して具体化することが可能である。ここで、図7(a)に示すように、リップル防止回路50はダイオードD1を用いて実現される(前記図6の符号41,42と同じ)。また、図7(b)に示すように、クランプ回路60はツェナーダイオードD2を用いて実現される。
【0048】
図8(a),(b)には昇圧装置としての概略構成を示す。図8(a)では、第1の昇圧回路10とレベルシフト回路20との間にリップル防止回路50とクランプ回路60とを配置している。また、図8(b)では、レベルシフト回路20と第2の昇圧回路30との間にリップル防止回路50とクランプ回路60とを配置している。
【0049】
なお、図8(a),(b)に示す構成以外に、
・リップル防止回路50だけを第1の昇圧回路10の出力部、又はレベルシフト回路20の出力部の少なくとも何れかに設ける。
・クランプ回路60だけを第1の昇圧回路10の出力部、又はレベルシフト回路20の出力部の少なくとも何れかに設ける。
・リップル防止回路50とクランプ回路60との順序を逆にする。
・図8(a),(b)を組み合わせ、レベルシフト回路20の前後両方にリップル防止回路50やクランプ回路60を設ける。
・第2の昇圧回路30の直後にも、リップル防止回路50又はクランプ回路60の少なくとも何れかを設ける。
といった構成を適宜採用しても良い。
【0050】
(第3の実施の形態)
次に、第3の実施の形態では、第1の昇圧回路30内の昇圧ステージを個々に切り離し、ステージ段数を任意に調整可能な回路構成について説明する。但し図9は、ダイオード電荷転送方式を用いた回路構成を示す。
【0051】
図9では、前述した図11の構成に対してトランジスタT0〜T9を追加し、これらトランジスタT0〜T9を信号S1,S2,S3,S4,S5によりオン又はオフさせるよう構成している。CLK1,CLK2は前記同様、互いに重なり合うことのない相補的な2つのクロック信号である。なお、トランジスタT0〜T9が請求項記載の「切り離し回路」に相当し、信号S1〜S5は、図示しない制御回路等により操作される。
【0052】
各昇圧ステージを全て機能させる場合、信号S1〜S5を全てLレベルとする。また、昇圧ステージを1ステージ分機能させない場合、例えば信号S1をHレベル、信号S2〜S5をLレベルとし、最初の1ステージ分を機能させないようにする。更に、昇圧ステージを2ステージ分機能させない場合、例えば信号S1,S2をHレベル、信号S3〜S5をLレベルとし、最初の2ステージ分を機能させないようにする。
【0053】
以上の制御により、第1の昇圧回路10において必要な昇圧ステージ数だけを選択的に機能させることができ、第1の昇圧回路10の出力電圧値が容易に調整できるようになる。
【0054】
(第4の実施の形態)
上記実施の形態では、前後2段の昇圧回路にて昇圧装置を構成したが、3段以上の昇圧回路を用いて昇圧装置を構成することも可能である。例えば、3段の昇圧回路を用いた構成を図10に示す。なお、各昇圧回路の具体的構成としては、勿論ダイオード電荷転送方式、トランジスタ電荷転送方式の何れであっても良い。
【0055】
図10では、前記図1の構成に対して、第2の昇圧回路30よりも後ろにレベルシフト回路70と第3の昇圧回路80とを増設している。この場合、CLK1とCLK2、CLK3とCLK4、CLK5とCLK6はそれぞれ、互いに重なり合うことのない相補的な2つのクロック信号であり、各々のクロック周波数fは、
f(CLK1,2)>f(CLK3,4)>f(CLK5,6)
の関係を有する。すなわち、CLK1とCLK2の周波数を最も高くし、CLK3とCLK4,CLK5とCLK6については後続になるほど周波数を低くする。
【0056】
上記図10の構成にあっても、各クロック信号の周波数を同一とした場合に比べて、昇圧装置における実質的なコンデンサ容量を大幅に減少させることが可能となる。その結果、適正なる昇圧動作を実現しつつ、回路規模を小さくして低面積化を図ることができる。
【0057】
なお更に、第1の昇圧回路10に対して3段以上の昇圧回路を直列に設ける構成でも良く、各昇圧回路の間にそれぞれレベルシフト回路が設けられ、このレベルシフト回路に相補的な2つのクロック信号が供給される。この場合にも、第1の昇圧回路10に供給されるクロック信号の周波数を最も高くし、各レベルシフト回路のクロック信号の周波数を、後続になるほど低くする。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の実施の形態における昇圧装置の概要を示すブロック図。
【図2】昇圧装置の電気的構成を示す回路図。
【図3】クロック波形を示す図。
【図4】クロック周波数と昇圧値、昇圧ステージ数との関係を示す図。
【図5】時間の経過に伴う昇圧値の変化を示す図。
【図6】第2の実施の形態における昇圧装置の電気的構成を示す回路図。
【図7】リップル防止回路及びクランプ回路の構成を示す図。
【図8】リップル防止回路及びクランプ回路を付加した昇圧装置の構成を示すブロック図。
【図9】昇圧ステージ数の調整機能を付加した昇圧回路の構成を示す回路図。
【図10】昇圧回路を3段にした構成を示すブロック図。
【図11】ダイオード電荷転送方式の昇圧回路を示す回路図。
【図12】トランジスタ電荷転送方式の昇圧回路を示す回路図。
【図13】従来技術における昇圧装置の構成を示す回路図。
【図14】本発明の昇圧装置について動作説明のための回路図。
【図15】従来技術相当の昇圧装置について動作説明のための回路図。
【符号の説明】
10…第1の昇圧回路、20…レベルシフト回路、30…第2の昇圧回路、41,42,50…リップル防止回路、60…クランプ回路、70…レベルシフト回路、80…第3の昇圧回路。
Claims (10)
- 互いに重なり合うことのない相補的な2つの第1のクロック信号が供給され、複数の昇圧ステージに設けられたコンデンサの電荷を後続のコンデンサに転送して電源電圧を昇圧する第1の昇圧回路と、
同じく互いに重なり合うことのない相補的な2つの第2のクロック信号が供給され、該第2のクロック信号の制御レベルを、前記第1の昇圧回路の出力レベルにシフトさせるためのレベルシフト回路と、
前記レベルシフト回路の出力が駆動電圧として供給され、前記第1の昇圧回路と同様に複数の昇圧ステージに設けられたコンデンサの電荷を後続のコンデンサに転送してレベルシフト回路の出力を所望の電圧値まで昇圧する第2の昇圧回路とを備え、
前記第1のクロック信号の周波数を、前記第2のクロック信号の周波数よりも高くしたことを特徴とする昇圧装置。 - 前記第1又は第2の昇圧回路の直後、若しくは前記レベルシフト回路の直後の少なくとも何れかに、電荷の逆流を防ぎ且つ出力を整流するための整流回路を設けた請求項1に記載の昇圧装置。
- 前記第1又は第2の昇圧回路の直後、若しくは前記レベルシフト回路の直後の少なくとも何れかに、出力調整のためのクランプ回路を設けた請求項1又は2に記載の昇圧装置。
- 前記第1の昇圧回路には、複数の昇圧ステージを個々に切り離すための切り離し回路を設け、この切り離し回路により昇圧ステージの段数を調整する請求項1〜3の何れかに記載の昇圧装置。
- 前記第1及び第2の昇圧回路は、MOSトランジスタのゲート電位を上昇させるためのブートストラップ機能を備える請求項1〜4の何れかに記載の昇圧装置。
- 前記第1の昇圧回路に対して2段以上の昇圧回路が直列に設けられ、各昇圧回路の間にそれぞれ、互いに重なり合うことのない相補的な2つのクロック信号が供給されるレベルシフト回路が設けられる昇圧装置において、
前記第1の昇圧回路に供給される第1のクロック信号の周波数を最も高くし、その後段に設けられる各レベルシフト回路のクロック信号の周波数を、後続になるほど低くした請求項1に記載の昇圧装置。 - 互いに重なり合うことのない相補的な2つの第1のクロック信号が供給され、複数の昇圧ステージに設けられたコンデンサの電荷を後続のコンデンサに転送して電源電圧を昇圧する、ブートストラップ機能を備えた第1の昇圧回路と、
前記第1の昇圧回路に対する電荷の逆流を防ぎ且つ該昇圧回路の出力を整流するための第1の整流回路と、
同じく互いに重なり合うことのない相補的な2つの第2のクロック信号が供給され、該第2のクロック信号の制御レベルを、前記第1の整流回路通過後の電圧レベルにシフトさせるためのレベルシフト回路と、
前記レベルシフト回路の出力が駆動電圧として供給され、前記第1の昇圧回路と同様に複数の昇圧ステージに設けられたコンデンサの電荷を後続のコンデンサに転送して前記レベルシフト回路の出力を所望の電圧値まで昇圧する、ブートストラップ機能を備えた第2の昇圧回路と、
前記第2の昇圧回路に対する電荷の逆流を防ぎ且つ該昇圧回路の出力を整流するための第2の整流回路とを備え、
前記第1のクロック信号の周波数を、前記第2のクロック信号の周波数よりも高くし、更に、前記第1の昇圧回路の出力電圧値を、前記第1のクロック信号の周波数、又は前記第2のクロック信号の周波数で制御するようにしたことを特徴とする昇圧装置。 - 請求項1〜6の何れかに記載の昇圧装置を制御する制御方法であり、前記第1の昇圧回路の出力電圧値を、前記第1のクロック信号の周波数で制御するようにした昇圧装置の制御方法。
- 請求項1〜6の何れかに記載の昇圧装置を制御する制御方法であり、前記第1の昇圧回路の出力電圧値を、前記第2のクロック信号の周波数で制御するようにした昇圧装置の制御方法。
- 請求項1〜6の何れかに記載の昇圧装置を制御する制御方法であり、前記第1の昇圧回路の出力電圧値を、当該第1の昇圧回路の昇圧ステージ段数で制御するようにした昇圧装置の制御方法。
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