JP4431278B2

JP4431278B2 - 電圧増倍器のカスケード接続

Info

Publication number: JP4431278B2
Application number: JP2000550201A
Authority: JP
Inventors: パスカル、ブクスシャシャー; ポール、エス．フォーショー; エカールト、ルツィトカ; マルコ、ラドビック; クルト、ミュールマン; ジョン、エヌ．マムチャック
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 1998-05-20
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2019-05-10
Also published as: US6052295A; KR20010021956A; WO1999060693A1; KR100605296B1; EP1016202A1; JP2002516560A

Description

【０００１】
本発明は、クロック入力を有する複数のカスケード接続された電圧増倍器（voltage multiplier）と、電圧増倍器を制御するためにクロック入力へクロック信号を供給する制御回路とを備えた、入力電圧を出力電圧に変換する電圧変換器に関する。
【０００２】
このような電圧変換器は、ソリッド・ステート回路に関するＩＥＥＥジャーナルＳＣ−１１巻、No.３、１９７６年６月号、第３７４ページから第３７８ページにある刊行物の記載から公知である。この刊行物において、電圧変換器の出力電圧は、ＮＭＯＳ集積回路の高い電源電圧を提供するように機能する。
【０００３】
この公知の電圧変換器の欠点は、電圧変換器の電力効率が、入力電圧の値に対する出力電圧の値に強く依存するということである。これは、この電圧変換器の相対的に低い電力効率につながり得る。
【０００４】
本発明の目的は、前述した欠点をなくす改良された電圧変換器を提供することにある。
【０００５】
この目的を達成するために、本発明によると、発明の属する技術の分野の欄で記載したタイプの電圧変換器は、制御回路が、複数の電圧増倍器から選択されたものをアクティブにする手段を備えていることを特徴とする。これは、アクティブにされるべき適切な個数の電圧増倍器を選択することを可能にする。これは、相対的に低い出力電圧が望まれる場合には、アクティブな電圧増倍器の個数が相対的に小さく、一方、相対的に高い出力電圧が望まれる場合には、アクティブな電圧増倍器の個数が相対的に大きいことを意味する。このように、アクティブな電圧増倍器の個数が不必要に大きくなることを回避することができ、これにより、この電圧変換器の電力効率が低くなることを回避することができる。アクティブでない電圧増倍器は、スイッチによりバイパスされるか、または、アクティブな電圧増倍器と並列に分路されなければならない。いくつかのタイプの電圧増倍器は、電圧増倍器内のスイッチが、それぞれのアクティブでない電圧増倍器をバイパスするためにも使用されることを許容している。これが許容されていないならば、付加的なバイパス・スイッチが提供される必要がある。
【０００６】
この電圧変換器は、さらに、前記電圧増倍器の少なくとも１つが、チャージポンプによって形成されることを特徴とする。チャージポンプを電圧増倍器として使用する利点は、付加的なバイパス・スイッチが必要とされず、したがって、電圧変換器を比較的シンプルにすることができるということである。
【０００７】
なお、本発明は、添付図面を参照しながらより詳細に開示される。
【０００８】
図１から図５において、同様の機能または目的を有する部材または要素には、同じ参照番号が付されている。
【０００９】
図１は、本発明による電圧変換器の原理を示すブロック図である。この電圧変換器は、カスケードに配置されたＮ個の電圧増倍器ＶＭ１〜ＶＭＮを備えている。第１の電圧増倍器ＶＭ１は、その入力ＩＰ１に入力電圧Ｕ_ｉを入力するように構成されている。入力電圧Ｕ_ｉは、この電圧変換器の入力端子ＩＰとグランド端子ＧＮＤとの間に配置された電圧源ＶＳによって供給される。その結果、第１の電圧増倍器ＶＭ１は、その出力ＯＰ１に中間電圧を出力する。この中間電圧は、第２の電圧増倍器ＶＭ２の入力ＩＰ２に転送される。続いて、第２の電圧増倍器ＶＭ２は、その出力ＯＰ２に中間電圧を出力する。この中間電圧は、第３の電圧増倍器ＶＭ３の入力ＩＰ３に転送される。同じ処理が、他のすべての電圧増倍器ＶＭ１〜ＶＭＮに対して続けられる。このように、第Ｎ番目の電圧増倍器は、最終的に、この電圧変換器の出力端子ＯＰに出力電圧Ｕ_ｏを出力する。各電圧増倍器ＶＭ１〜ＶＭＮは、制御回路ＣＮＴＲＬＧによって供給される一対のクロック入力信号ｓ１，ｄ１〜ｓｎ，ｄｎの制御下にある。この制御回路ＣＮＴＲＬＧは、複数の電圧増倍器ＶＭ１〜ＶＭＮから選択されたものを起動する手段ＳＬによって拡張されている。この手段ＳＬは、制御回路ＣＮＴＲＬＧとともに、生成されるべきすべての種類のクロック入力信号ｓ１，ｄ１〜ｓｎ，ｄｎをイネーブルにする。手段ＳＬおよび制御回路ＣＮＴＲＬＧの設計は、さまざまな方法で行うことができ、実際には、デジタル・エレクトロニクスの分野の当業者の設計知識に含まれるものである。非常に有益なオプションは、コンピュータ・ソフトウェアの使用によって手段ＳＬを（部分的に）実現することである。したがって、コンピュータによって、所望のクロック入力信号ｓ１，ｄ１〜ｓｎ，ｄｎをプログラムすることが可能である。このようにして、クロック入力信号ｓ１，ｄ１〜ｓｎ，ｄｎは、非常に容易に変更可能である。
【００１０】
一方、所望のクロック入力信号ｓ１，ｄ１〜ｓｎ，ｄｎをプログラムする代わりに、本発明は、所望のクロック入力信号ｓ１，ｄ１〜ｓｎ，ｄｎを自動的に生成することも可能にする。このためには、図１に示すように、モニタリング手段ＭＮが、電圧変換器の出力ＯＰと手段ＳＬの入力との間に接続されなければならない。このモニタリング手段ＭＮは、出力電圧Ｕ_ｏと入力電圧Ｕ_ｉとの間の差を測定して、アクティブな電圧増倍器ＶＭ１〜ＶＭＮの必要となる個数Ｎについての決定を行う。
【００１１】
この電圧変換器の動作は、図２〜図５とともにより詳細に説明される。
【００１２】
図２は、図１によるカスケード接続された電圧増倍器ＶＭ１〜ＶＭＮの変形例を示す。この例によると、電圧増倍器ＶＭ１〜ＶＭＮの個数Ｎは、４になるように選択されている。第１から第４の電圧増倍器ＶＭ１〜ＶＭ４は、第１から第４のチャージポンプＣＨＧＰＭＰ１〜ＣＨＧＰＭＰ４によって形成されている。第１のチャージポンプＣＨＧＰＭＰ１は、電圧変換器の入力ＩＰと第１の接点ｎ１との間に接続された第１のスイッチＳｗ１を備えている。この第１のスイッチＳｗ１は、クロック入力信号ｓ１によって制御される（図３から図５参照）。すなわち、第１のスイッチＳｗ１は、クロック入力信号ｓ１が論理的にハイ（Ｈ）である時に閉じられ、クロック入力信号ｓ１が論理的にロー（Ｌ）である時に開かれる。第１のチャージポンプＣＨＧＰＭＰ１は、第１のキャパシタＣ１と、クロック入力信号ｄ１を受信するための入力およびクロック入力信号ｄ１のバッファリングされたものを出力するための出力を有する第１のバッファＢＦ１と、をさらに備えている。第１のキャパシタＣ１は、第１のバッファＢＦ１の出力と第１の接点ｎ１との間に接続されている。第２から第４のチャージポンプＣＨＧＰＭＰ２〜ＣＨＧＰＭＰ４も、第１のチャージポンプＣＨＧＰＭＰ１と同様である。これら一対のクロック入力信号ｓ１，ｄ１〜ｓ４，ｄ４が図３に示すようになると、４つのすべてのチャージポンプＣＨＧＰＭＰ１〜ＣＨＧＰＭＰ４はアクティブになる。前述したように、すべてのチャージポンプＣＨＧＰＭＰ１〜ＣＨＧＰＭＰ４がアクティブでない時がより適していることになる。たとえば、チャージポンプＣＨＧＰＭＰ１〜ＣＨＧＰＭＰ４のうちの３つのみがアクティブにされるべき場合には、図４に示すように、一対のクロック入力信号ｓ４，ｄ４（一例として）を生成することが可能となる。クロック入力信号ｄ４は、いわゆる「ドントケア」の信号であり、すなわち、その値は時間において一定でなければならないという意味でのみ関係がある。クロック入力信号ｓ４は論理的にハイ（Ｈ）であり、したがって、第４のスイッチｓ４は閉じられる。その結果、第４のチャージポンプＣＨＧＰＭＰ４はアクティブでない。もちろん、適切な対のクロック入力信号ｓ１，ｄ１〜ｓ４，ｄ４を与えることにより、別のチャージポンプまたはいくつかのチャージポンプＣＨＧＰＭＰ１〜ＣＨＧＰＭＰ４をアクティブにしないことも可能である。たとえば、第４のチャージポンプＣＨＧＰＭＰ４をバイバスする代わりに、第１のチャージポンプＣＨＧＰＭＰ１をバイパスすることが可能である。このようにすることにより、（第４の閉じたスイッチＳＷ４の抵抗によって生ずる）第４段の電圧ロスは回避される。これは、集積回路に応用された場合に、集積回路内部の電圧が出力電圧Ｕ_ｏを決して超えないという有利な効果を有する。すべてのチャージポンプＣＨＧＰＭＰ１〜ＣＨＧＰＭＰ４をアクティブにしないことさえ可能である。その場合には、出力電圧Ｕ_ｏは、入力電圧Ｕ_ｉと等しくなる。
【００１３】
チャージポンプをアクティブにしない代わりに、２以上のチャージポンプを分岐して配置することも可能である。クロック入力信号ｓ１，ｄ１〜ｓ４，ｄ４の対が図５に示すものと仮定する。クロック入力信号ｓ３〜ｓ４が論理的にハイ（Ｈ）であるので、第３のスイッチＳｗ３および第４のスイッチＳｗ４の双方は閉じられる。クロック入力信号ｄ２〜ｄ４は同位相であることに留意する。したがって、第２、第３および第４のチャージポンプＣＨＧＰＭＰ２〜ＣＨＧＰＭＰ４は並列に配置される。チャージポンプをアクティブにしない代わりのチャージポンプの利点は、電圧変換器の出力インピーダンスが減少するということである。
【００１４】
第５のスイッチＳｗ５が接点ｎ４と出力端子ＯＰとの間に直列に配置されていることに留意すべきである。
【００１５】
さらに、出力キャパシタＣ_ｏｕｔは、出力端子ＯＰとグランド端子ＧＮＤとの間に接続されている。出力キャパシタＣ_ｏｕｔの目的は、出力電圧Ｕ_ｏのリップルを減少させることである。第５のスイッチＳｗ５は、出力キャパシタＣから第４のチャージポンプＣＨＧＰＭＰ４に向けた電荷の転送が回避されるように、クロック入力信号ｓ５によって制御される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電圧変換器の原理を示すブロック図である。
【図２】図１によるカスケード接続された電圧増倍器の変形例を示す。
【図３】本発明のよりよい理解のための波形図である。
【図４】本発明のよりよい理解のための波形図である。
【図５】本発明のよりよい理解のための波形図である。
【符号の説明】
ＶＭ１〜ＶＭＮ電圧増倍器
ＣＮＴＲＬＧ制御回路
Ｕ_ｉ入力電圧
Ｕ_ｏ出力電圧
ＣＨＧＰＭＰ１〜ＣＨＧＰＭＰＮチャージポンプ

Claims

入力電圧を出力電圧に変換するための電圧変換器であって、
クロック入力を有する複数のカスケード接続された電圧増倍器と、
前記電圧増倍器を制御するために、前記クロック入力へクロック信号を供給する制御回路とを備えており、
前記制御回路が、前記入力電圧と前記出力電圧との間の差に応じて定まる個数の電圧増倍器を、前記複数の電圧増倍器の中から選択してアクティブにする手段を備えている、ことを特徴とする電圧変換器。
前記電圧増倍器の少なくとも１つが、チャージポンプによって形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の電圧変換器。