JP5023576B2

JP5023576B2 - チャージポンプ回路

Info

Publication number: JP5023576B2
Application number: JP2006173934A
Authority: JP
Inventors: 伸次的場
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-06-23
Also published as: JP2008005650A

Description

本発明は、主に持ち運び可能な携帯用電子機器で用いられるチャージポンプ回路に関する。

近年のＬＳＩ（大規模集積回路）においては、同一チップの回路内部で３Ｖ、５Ｖ、１０Ｖと言うように多電源が要求される場合が多い。従来、このような多電源が要求される場合は、ＬＳＩの外部で複数の電圧値の電源を生成してＬＳＩに供給するようになっていた。

しかし、最近はＬＳＩに単一電源で供給してＬＳＩ内部で多電源にする技術に対する需要が多く、さらに持ち運びが可能なモバイル用途でのバッテリー駆動の要求が強いことから、低電圧化が求められている。

従来技術にかかるチャージポンプ回路では、各電位用のチャージポンプそれぞれに１個ずつポンプアップクロックのオシレータを用意していた。図８は、従来技術にかかるチャージポンプ回路の構成を示す構成図である。図８に示すチャージポンプ回路は、オシレータ回路ＯＳＣＰ、ＯＳＣＨ、ＯＳＣＲ、ＯＳＣＮと、ポジティブポンプＰＵＭＰＰ、ＰＵＭＰＨ、ＰＵＭＰＲと、ネガティブポンプＰＵＭＰＮと、スイッチ手段ＳＷＰ、ＳＷＨ、ＳＷＲ、ＳＷＮと、電圧検出手段ＳＥＮＳＥＰ、ＳＥＮＳＥＨ、ＳＥＮＳＥＲ、ＳＥＮＳＥＮとから構成されている。
特開２０００−１７３２６６号公報

しかしながら、従来技術にかかるチャージポンプ回路内で、各ポンプのポンプ動作、特に出力電流値を調整するために、個々のポンプ毎にオシレータ回路を用意して、それぞれにクロック周波数を微調整していた。オシレータ回路は定電流回路などアナログ回路が多くあり、オシレータ回路の個数が増えることでチップ上での占有面積が大きくなるという問題があった。

本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、複数のチャージポンプのオシレータ回路部を共通化し、小型化が可能なチャージポンプ回路を提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、クロック信号を出力するオシレータと、前記オシレータの出力に接続された複数のスイッチ手段と、前記複数のスイッチ手段の各々の出力端に接続されている信号線に対応して設けられ、個別に昇圧動作を行う複数のポンプ部と、前記複数のポンプ部の各々の出力端に接続された複数の電圧検出部とを具備するチャージポンプ回路であって、前記複数のポンプ部の各々は、前記スイッチ手段を介して入力された前記クロック信号で昇圧動作を行う第１〜第ｎのポジティブポンプのうちの互いに異なるポジティブポンプの何れか１つと、前記スイッチ手段を介して入力された前記クロック信号の周期を変更して出力クロック信号を出力する第１〜第ｍのクロック周期変更手段のうちの何れか１つに接続されているネガティブポンプであって、および、前記第１〜第ｍのクロック周期変更手段にそれぞれ接続され、該出力クロック信号で昇圧動作を行う第１〜第ｍのネガティブポンプのうちの互いに異なるネガティブポンプの何れか１つと、のうちの何れか一方を有し、前記複数の電圧検出部の各々は、接続されている前記ポンプ部が有する前記ポジティブポンプまたは前記ネガティブポンプから出力された電圧の検出結果から、前記ポンプ部に対応する前記信号線に接続されている前記スイッチ手段の導通状態の切り替えを行う
事を特徴とするチャージポンプ回路である。

また、請求項２に記載の発明は、前記第１〜第ｎのポジティブポンプと、前記第１〜第ｍのネガティブポンプとはそれぞれ、前記スイッチ手段を介して入力される前記クロック信号、または前記出力クロック信号、が入力される端子との導通状態を切り替える複数のポンプ内スイッチ手段と、前記複数のポンプ内スイッチ手段にそれぞれ接続された複数の子ポンプセルと、を有する事を特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ回路である。

また、請求項３に記載の発明は、前記複数のポンプ部の各々の前段には、各々の前記ポンプ部が有する、前記第１〜第ｎのポジティブポンプ及び前記第１〜第ｍのネガティブポンプのうちの何れかの各ポンプのクロック周期を微調整する周期微調整回路を更に有する事を特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ回路である。

また、請求項４に記載の発明は、前記第１〜第ｎのポジティブポンプと、前記第１〜第ｍのネガティブポンプとはそれぞれ、前記スイッチ手段を介して入力される前記クロック信号、または前記出力クロック信号、が入力される端子との導通状態を切り替える複数のポンプ内スイッチ手段と、前記複数のポンプ内スイッチ手段にそれぞれ接続された複数の子ポンプセルと、を有すると共に、前記複数のポンプ部の各々の前段には、前記スイッチ手段、または前記第１〜第ｍのクロック周期変更手段の何れか、に接続され、前記ポンプに対するクロック周期を微調整する周期微調整回路を更に有する事を特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ回路である。

本発明によれば、各ポンプのポンプ動作を個別に調整しながら小型化が可能なチャージポンプ回路を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。図１は本実施形態におけるチャージポンプ回路の構成を示すブロック図である。図１のチャージポンプ回路は、オシレータ回路ＯＳＣと、正、負電圧で各々入力電位を昇圧し内部電位として出力するポジティブポンプＰＵＭＰＰ、ＰＵＭＰＨ、ＰＵＭＰＲ、ネガティブポンプＰＵＭＰＮと、１／２分周回路ＦＦと、電圧検出手段の結果により、オシレータ回路ＯＳＣのクロック信号を出力するかどうかを切替えるスイッチ手段ＳＷＰ、ＳＷＨ、ＳＷＲ、ＳＷＮと、各ポンプから出力された電位を検出し基準電位と比較し、比較結果により“Ｈｉｇｈ”、“Ｌｏｗ”を出力する電圧検出手段ＳＥＮＳＥＰ、ＳＥＮＳＥＨ、ＳＥＮＳＥＲ、ＳＥＮＳＥＮとから構成されている。ここで、１／２分周回路ＦＦは、一般的なフリップフロップ回路を用いて構成される。

各チャージポンプの動作をポジティブポンプＰＵＭＰＰの例で説明すると、ポジティブポンプＰＵＭＰＰの出力の電圧を電圧検出手段ＳＥＮＳＥＰで検知し、基準電圧と比較して基準電圧より高い場合は“Ｌｏｗ”を出力する。スイッチ手段ＳＷＰでは遮断状態となり、オシレータ回路ＯＳＣからのクロック信号は遮断される。ポジティブポンプＰＵＭＰＰの昇圧動作は停止し、それに伴い出力される電圧は低下する。

反対に、電圧検出手段ＳＥＮＳＥＰは基準電圧と比較して基準電圧より低い場合は“Ｈｉｇｈ”を出力する。スイッチ手段ＳＷＰでは導通状態となり、オシレータ回路ＯＳＣからのクロック信号は導通される。ポジティブポンプＰＵＭＰＰは昇圧動作を行い、それに伴い出力される電圧は上昇する。

ネガティブポンプに入力されるクロック信号の周期はポジティブポンプに入力されるオシレータの約２倍となる。各ポジティブポンプは同一の周期で動作する。ネガティブポンプはポジティブポンプの２倍の周期で動作する。図１の構成により、各ポジティブポンプについては、オシレータを共通化できる。

これにより、複数のチャージポンプのオシレータ回路部を共通化できるので、小型化が可能なチャージポンプ回路を提供できる。

図２は第２の実施形態におけるチャージポンプ回路の構成を示すブロック図である。図２のチャージポンプ回路は、図１に記載の第１の実施形態のチャージポンプ回路に、各ポンプの子ポンプセルの接続する個数を調整する機能を付加したものである。図２の構成は、各ポンプにポンプ内部の子ポンプセルの接続個数を設定するためのポンプ個数調整信号の入力端子を有する以外は図１の構成と同様である。

図３は、本発明の第２の実施形態にかかるチャージポンプ回路の各ポンプ（図２の内では、ポジティブポンプＰＵＭＰＰ、ＰＵＭＰＨ、ＰＵＭＰＲ及びネガティブポンプＰＵＭＰＮを示す）内部の構成を示す構成図である。図３に示すポンプは、ポンプ内スイッチ手段ＰＳＷ１〜ＰＳＷ４と、子ポンプセルＰＣＥＬ１〜ＰＣＥＬ４とから構成されている。各子ポンプセルは、入力された電位を昇圧し内部電位として出力する。

ポンプ内スイッチ手段ＰＳＷ１〜ＰＳＷ４の一端は互いに並列に接続され、ポンプ内スイッチ手段ＰＳＷ１〜ＰＳＷ４の他端は、それぞれ子ポンプセルＰＣＥＬ１〜ＰＣＥＬ４の一端に接続されている。また、子ポンプセルＰＣＥＬ１〜ＰＣＥＬ４の他端は互いに並列に接続されている。ポンプ個数調整信号Ａ〜Ｄにより、ポンプ内スイッチ手段ＰＳＷ１〜ＰＳＷ４はオン／オフが制御される。尚、各子ポンプセルのクロック位相をずらすように構成することで、出力電流の脈流を抑える事ができ、必要な電流値を得るように構成する事ができる。

なお、図３では子ポンプセルが４個の場合について記載しているが、この個数のみに限るものではない。図３のポンプでは図の左端の端子からオシレータ入力し、右端の端子にポンプ出力する。子ポンプセルの接続個数は、必要電流量に応じての装置動作前に設定する。ポンプ内スイッチ手段ＰＳＷ１〜ＰＳＷ４のスイッチ切り替え方法としては、メタル配線切り替えもしくはオプションＲＯＭ信号による切り替えなどが用いられる。尚、ポンプ個数調整信号Ａ〜Ｄを用いて、動的にポンプ内スイッチ手段ＰＳＷ１〜ＰＳＷ４の導通状態の切り替えを行うようにしても良い。

このようにすることで、ポンプ毎に子ポンプセルの接続する個数を設定することが可能となるので、ポンプ能力（出力電流能力）の微調整をすることができる。

図４は第３の実施形態におけるチャージポンプ回路の構成を示すブロック図である。図４のチャージポンプ回路は、図１に記載の第１の実施形態のチャージポンプ回路の構成に加え、各ポンプの前段に周期微調整回路Ｔ１〜Ｔ４を付加したものである。ここで、周期微調整回路Ｔ１〜Ｔ３は、それぞれスイッチ手段ＳＷＰ、ＳＷＨ、ＳＷＲとポジティブポンプＰＵＭＰＰ、ＰＵＭＰＨ、ＰＵＭＰＲとの間に接続され、また、周期微調整回路Ｔ４は、１／２分周回路ＦＦとネガティブポンプＰＵＭＰＮとの間に接続されている。ここで、スイッチ切り替え方法としては、メタル配線切り替え、またはオプションＲＯＭ信号等を使用する。

図５は、本発明の第３の実施形態にかかるチャージポンプ回路の各周期微調整回路（図４のチャージポンプ回路内での周期微調整回路Ｔ１〜Ｔ４を示す）の構成を示す構成図である。ここでは、オシレータからの多相クロック信号の立ち上がり、立下りエッジを使用することにより、周期を微調整する。

図５の周期微調整回路は、クロックセレクタＣＳＥＬと、ＮＯＴ素子Ｎａ〜Ｎｆと、トグルフリップフロップＴＦＦと、カウンタ回路ＣＯから構成され、カウンタ回路ＣＯはフリップフロップ回路ＴＦＦ１〜ＴＦＦ４と、リセット信号発生部ＲＯとから構成されている。ここでは、クロック立ち上がり、立下り両エッジを使用するため、ＮＯＴ素子Ｎａ〜Ｎｆの各素子を用いてオシレータからの各クロックの信号Ａ〜Ｆの反転信号（信号Ａ＃〜Ｆ＃）を作成する。

図６は、図５に示す周期微調整回路の動作の一例を示す図である。周期設定信号では、３ビットのデータを用いて、微調整する周期設定を１段階早い、２段階早い、そのまま、１段階遅い、２段階遅い、の５段階の内から行う。図６のタイミングチャートはそれぞれ１段階遅い、１段階早い場合の周期設定のものである。尚、カウンタのビット数、リセット信号の論理、クロックセレクタの論理を変更することで、さらに大きく周期の調整することも可能である。

周期設定信号と、オシレータからの信号Ａ〜Ｆ、Ａ＃〜Ｆ＃と、カウンタ回路ＣＯからのカウンタ値とが入力されたクロックセレクタＣＳＥＬでは、周期設定信号と、現在のカウンタ値から、オシレータからの信号Ａ〜Ｆ、Ａ＃〜Ｆ＃のいずれかのクロックを選択、カウンタ回路ＣＯと出力部のトグルフリップフロップＴＦＦに出力する。尚、クロックセレクタＣＳＥＬは、一般的な組み合わせ論理回路（セレクタ）にて容易に実現できる。

カウンタ回路ＣＯでは、クロックセレクタＣＳＥＬからの選択されたクロック信号によってカウントアップし、内部のリセット信号発生部ＲＯにて、各フリップフロップＴＦＦ１〜ＴＦＦ４の値と、周期設定信号を参照して、各フリップフロップＴＦＦ１〜ＴＦＦ４をリセットするタイミングを作成する。これにより、周期設定信号に応じたカウント動作を繰り返す。尚、リセット信号発生部ＲＯは、一般的な組み合わせ論理回路（セレクタ）により容易に実現できる。

図６の出力（周期大）の場合の周期微調整回路の動作例では、クロックセレクタＣＳＥＬがオシレータからの信号Ａのクロック端Ｅ１ａを選択して、カウンタ回路ＣＯと出力部のトグルフリップフロップＴＦＦに出力する。カウンタ回路ＣＯでは、フリップフロップＴＦＦ１〜ＴＦＦ４でオシレータからの信号Ａ〜Ｆのクロック立ち上がりのカウントを行い、カウンタ値をクロックセレクタＣＳＥＬに出力し、クロックセレクタＣＳＥＬでは、出力されたカウンタ値に基づき、次のクロック端Ｅ２ａを選択する。

また、内部のリセット信号発生部ＲＯでは、上記のようにフリップフロップＴＦＦ１〜ＴＦＦ４のリセットするタイミングを作成する。以降、同様の動作でクロック端Ｅ３ａ〜Ｅ７ａについても選択を行う。また、出力（周期少）の場合でも、クロック端Ｅ１ｂ〜Ｅ８ｂについて同様の動作を行う。

このようにすることで、アナログ回路を多用するオシレータ回路を複数使用するときに比較して、小型化が可能になると共に、各スイッチ手段の出力後のクロック信号の周期を個々のチャージポンプ毎に微調整することができる。

図７は第４の実施形態におけるチャージポンプ回路の構成を示すブロック図である。図７のチャージポンプ回路は、図１に記載の第１の実施形態のチャージポンプ回路に、各ポンプの子ポンプセルの接続する個数を調整する機能を加え、かつ、各ポンプの前段に周期微調整回路Ｔ１〜Ｔ４を付加したものである。図７の各ポンプ内は図３で示すものと同様の構成を取っており、また、図７の各周期調整回路内は図５に示すものと同様の構成を取っている。

このように構成することで、各ポンプのポンプ動作を個別に調整しながら小型化が可能なチャージポンプ回路を提供でき、かつ、ポンプ毎にポンプ能力（出力電流能力）の微調整をすることができる。

尚、本発明の実施形態の各構成は本発明の要旨を逸脱しない範囲について、各種の変形、変更が可能であり、本実施形態の記述に限定されるものではない。

本発明の第１の実施形態にかかるチャージポンプ回路の構成を示す構成図である。本発明の第２の実施形態にかかるチャージポンプ回路の構成を示す構成図である。本発明の第２の実施形態にかかるチャージポンプ回路の各ポンプの構成を示す構成図である。本発明の第３の実施形態にかかるチャージポンプ回路の構成を示す構成図である。本発明の第３の実施形態にかかるチャージポンプ回路の各周期微調整回路の構成を示す構成図である。図５に記載した周期微調整回路の動作の一例を示す構成図である。本発明の第４の実施形態にかかるチャージポンプ回路の構成を示す構成図である。従来技術にかかるチャージポンプ回路の構成を示す構成図である。

符号の説明

ＯＳＣ…オシレータ回路、ＰＵＭＰＰ、ＰＵＭＰＨ、ＰＵＭＰＲ…ポジティブポンプ、ＰＵＭＰＮ…ネガティブポンプ、ＦＦ…１／２分周回路、ＳＷＰ、ＳＷＨ、ＳＷＲ、ＳＷＮ…スイッチ手段、ＳＥＮＳＥＰ、ＳＥＮＳＥＨ、ＳＥＮＳＥＲ、ＳＥＮＳＥＮ…電圧検出手段

Claims

クロック信号を出力するオシレータと、前記オシレータの出力に接続された複数のスイッチ手段と、前記複数のスイッチ手段の各々の出力端に接続されている信号線に対応して設けられ、個別に昇圧動作を行う複数のポンプ部と、前記複数のポンプ部の各々の出力端に接続された複数の電圧検出部とを具備するチャージポンプ回路であって、
前記複数のポンプ部の各々は、
前記スイッチ手段を介して入力された前記クロック信号で昇圧動作を行う第１〜第ｎのポジティブポンプのうちの互いに異なるポジティブポンプの何れか１つと、
前記スイッチ手段を介して入力された前記クロック信号の周期を変更して出力クロック信号を出力する第１〜第ｍのクロック周期変更手段のうちの何れか１つに接続されているネガティブポンプであって、および、前記第１〜第ｍのクロック周期変更手段にそれぞれ接続され、該出力クロック信号で昇圧動作を行う第１〜第ｍのネガティブポンプのうちの互いに異なるネガティブポンプの何れか１つと、
のうちの何れか一方を有し、
前記複数の電圧検出部の各々は、
接続されている前記ポンプ部が有する前記ポジティブポンプまたは前記ネガティブポンプから出力された電圧の検出結果から、前記ポンプ部に対応する前記信号線に接続されている前記スイッチ手段の導通状態の切り替えを行う
事を特徴とするチャージポンプ回路。
前記第１〜第ｎのポジティブポンプと、前記第１〜第ｍのネガティブポンプとはそれぞれ、
前記スイッチ手段を介して入力される前記クロック信号、または前記出力クロック信号、が入力される端子との導通状態を切り替える複数のポンプ内スイッチ手段と、
前記複数のポンプ内スイッチ手段にそれぞれ接続された複数の子ポンプセルと、
を有する事を特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ回路。
前記複数のポンプ部の各々の前段には、各々の前記ポンプ部が有する、前記第１〜第ｎのポジティブポンプ及び前記第１〜第ｍのネガティブポンプのうちの何れかの各ポンプのクロック周期を微調整する周期微調整回路を更に有する事を特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ回路。
前記第１〜第ｎのポジティブポンプと、前記第１〜第ｍのネガティブポンプとはそれぞれ、
前記スイッチ手段を介して入力される前記クロック信号、または前記出力クロック信号、が入力される端子との導通状態を切り替える複数のポンプ内スイッチ手段と、
前記複数のポンプ内スイッチ手段にそれぞれ接続された複数の子ポンプセルと、
を有すると共に、
前記複数のポンプ部の各々の前段には、
前記スイッチ手段、または前記第１〜第ｍのクロック周期変更手段の何れか、に接続され、前記ポンプに対するクロック周期を微調整する周期微調整回路を更に有する事を特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ回路。