JP5092924B2 - 昇圧回路 - Google Patents

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本発明は、チャージポンプ方式の昇圧回路に関する。
チャージポンプ回路は、ダイオードを介して複数段に設けられたコンデンサの接続状態を、例えば100kHz程度の周波数でスイッチングすることにより、コンデンサへの電荷の充電と次段のコンデンサへの電荷の移送とを順次行って昇圧するようになっている。この昇圧動作時にコンデンサに流れる急峻な充放電電流は、チャージポンプ回路の電圧入力端子を通してノイズとなって外部に放出される。
特許文献1には、このノイズを低減する構成を備えたチャージポンプ回路が開示されている。このチャージポンプ回路は、電圧入力端子の入力電圧がしきい値電圧以上になった場合に動作周波数を低くすることで充放電電流による上記ノイズを抑制する。
特開2004−222349号公報
ところで、チャージポンプ回路により生成した昇圧電圧の供給先の負荷の大きさが変動する場合、チャージポンプ回路の昇圧能力は、その負荷の大きさが最大の状態であっても所定の昇圧電圧が得られるように設定される。このような高い昇圧能力を維持したまま負荷が小さくなると、昇圧動作時の充放電電流が急峻な傾きを持って流れることになり、本来ノイズレベルが小さいはずの軽負荷時においてノイズレベルが増大してしまうことになる。特許文献1記載の構成では、入力電圧の変動に伴う昇圧能力の調整は図れるが、上記した負荷の変動に伴うノイズレベルの改善は図ることができない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷の大きさの変動にかかわらず所定の昇圧電圧を得ることができるとともに、発生ノイズを低減できる昇圧回路を提供することにある。
請求項1記載の手段によれば、ダイオード同士の共通接続点に接続された各コンデンサの他端子に、駆動回路を介して第1の電圧と第2の電圧とが交互に印加されることにより、各コンデンサへの電荷の充電と次段のコンデンサへの電荷の移送とが順次行われ、チャージポンプ方式による昇圧が行われる。また、駆動能力調整手段は、電圧出力端子に接続される負荷が大きいほど、駆動回路における第1および第2のトランジスタの電流駆動能力を高めるので、負荷の大きさの変動にかかわらず、所定の昇圧電圧を得ることができる。そして、負荷が小さくなるに従って上記電流駆動能力を下げることにより、昇圧に必要な電流駆動能力を確保しつつ、当該昇圧回路からのノイズ発生量を極力低減できる。
請求項2記載の手段によれば、駆動能力調整手段は、電圧出力端子に接続される複数の機能回路のうち、動作する機能回路の数が多いほど上記電流駆動能力を高める。このようにすれば、動作する機能回路の数が少なくなる場合でも、昇圧に必要な電流駆動能力を確保しつつ、ノイズの発生量を低減できる。
請求項3記載の手段によれば、駆動能力調整手段は、電流検出手段により検出される負荷電流が大きいほど上記電流駆動能力を高める。このようにすれば、負荷の大小を電流により検出することができる。
請求項4記載の手段によれば、第1および第2のトランジスタは、それぞれ複数のトランジスタが並列接続されて構成されている。駆動能力調整手段は、並列接続された複数のトランジスタのうちオンオフ動作させるトランジスタの数を増減することにより、第1および第2のトランジスタの電流駆動能力を調整する。このように構成すれば、電流駆動能力をオンオフ動作させるトランジスタの数に応じて段階的に調整することが可能となる。
請求項5記載の手段によれば、駆動能力調整手段は、第1のトランジスタを構成するトランジスタのうちオンオフ動作させるトランジスタの数と、第2のトランジスタを構成するトランジスタのうちオンオフ動作させるトランジスタの数とを同数にする。このように構成すれば、第1のトランジスタの電流駆動能力と第2のトランジスタの電流駆動能力とが常に一致するので、負荷の大きさに応じた電流駆動能力の設定をバランスよく行うことができる。
請求項6記載の手段によれば、第1のトランジスタを構成する複数のトランジスタを同サイズに形成し、第2のトランジスタを構成する複数のトランジスタを同サイズに形成した。このように同サイズのトランジスタを用いて駆動回路を構成することで、駆動回路の構成を簡単化することができる。
請求項7記載の手段によれば、第1のトランジスタを構成する複数のトランジスタを互いに異なるサイズに形成し、第2のトランジスタを構成する複数のトランジスタを互いに異なるサイズに形成した。このように構成すれば、第1および第2のトランジスタを構成する複数のトランジスタ毎に電流駆動能力が異なるので、調整可能な電流駆動能力のステップ数を多くすることができる。従って、負荷の大きさに一層適した電流駆動能力の設定が可能となる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について図1および図2を参照しながら説明する。
図1は、チャージポンプ回路の電気的構成を示している。図1に示すチャージポンプ回路1(昇圧回路に相当)は、例えば車両に搭載される電子制御装置において、ハイサイドスイッチとして機能するNチャネル型MOSトランジスタのゲート電圧を生成するために用いられる。本実施形態では、チャージポンプ回路1の構成のうち、後述するコンデンサC1〜C4を除く回路部分は、図示しない制御用ICの一部として構成されている。なお、コンデンサC1〜C4を制御用ICに内蔵した構成としてもよい。
チャージポンプ回路1の入力端子2(電圧入力端子に相当)、入力端子3には、図示しないバッテリの正極端子、負極端子からイグニッションスイッチなどを介してバッテリ電圧VB(例えば+12V)が印加される。チャージポンプ回路1の出力端子4(電圧出力端子に相当)、出力端子5には、上記したNチャネル型MOSトランジスタを含む機能回路6〜8が接続されている。なお、昇圧回路の負荷として2つの機能回路が接続される構成でもよいし、4つ以上の機能回路が接続される構成でもよい。
入力端子2と出力端子4との間には、入力端子2側をアノードとしてダイオードD1、D2、D3、D4が直列に接続されている。ダイオードD1およびD2の共通接続点、ダイオードD2およびD3の共通接続点、ダイオードD3およびD4の共通接続点をそれぞれノードNa、Nb、Ncとすれば、これらノードNa、Nb、Ncには、それぞれコンデンサC1、C2、C3の各一端子が接続されている。コンデンサC1、C2、C3の各他端子には、駆動回路9〜11により相異なる2つの電圧VB(第1の電圧に相当)と電圧GND(第2の電圧に相当)が交互に与えられる。なお、出力端子4、5間には平滑用のコンデンサC4が接続されている。
発振回路12は、コンデンサC1〜C4の各他端子に与える電圧を切り替えるための昇圧パルス信号Saを駆動回路9、11に出力し、その反転信号である昇圧パルス信号/Saを駆動回路10に出力する。なお、図1では、昇圧パルス信号/Saは、Saの上に−を付して示している。本実施形態での昇圧パルス信号Sa、/Saの周波数は、例えば100kHz程度である。負荷動作検出回路13は、機能回路6〜8のそれぞれの動作状態を検出し、機能回路6〜8の動作状態を示す検出信号Sb1〜Sb3を駆動回路9〜11に出力する。
駆動回路9および11は、発振回路12から与えられる昇圧パルス信号Saに従ってコンデンサC1およびC3の各他端子に与えられる電圧を切り替える。駆動回路10は、発振回路12から与えられる昇圧パルス信号/Saに従ってコンデンサC2の他端子に与えられる電圧を切り替える。
図2は、駆動回路の電気的構成を示している。図2に示すように、駆動回路9〜11は、Pチャネル型MOSトランジスタQ1〜Q3からなる第1トランジスタ群21(第1のトランジスタに相当)、Nチャネル型MOSトランジスタQ4〜Q6からなる第2トランジスタ群22(第2のトランジスタに相当)およびスイッチ回路SW1〜SW6を備えている。トランジスタQ1〜Q6は、同一サイズに形成されており、オン抵抗などの特性も同じとなっている。
入力端子2に接続される電源線23(第1の電源線に相当)と入力端子3に接続されるグランド線24(第2の電源線に相当)との間には、トランジスタQ1とQ4、トランジスタQ2とQ5およびトランジスタQ3とQ6がそれぞれ直列に接続されている。トランジスタQ1〜Q6の各ドレインは、共通に接続されるとともにノードNdに接続されている。ノードNdは、駆動回路9においてはコンデンサC1の他端子に接続され、駆動回路10においてはコンデンサC2の他端子に接続され、駆動回路11においてはコンデンサC3の他端子に接続されている。
トランジスタQ1〜Q3の各ゲートには、それぞれスイッチ回路SW1〜SW3を介して昇圧パルス信号Sa(/Sa)または電源線23の電圧VBが与えられるようになっている。トランジスタQ4〜Q6の各ゲートには、それぞれスイッチ回路SW4〜SW6を介して昇圧パルス信号Sa(/Sa)またはグランド線24の電圧GND(0V)が与えられるようになっている。
スイッチ回路SW1とSW4、SW2とSW5およびSW3とSW6は、それぞれ連動して切り替えられる。すなわち、例えばスイッチ回路SW1が昇圧パルス信号Sa(/Sa)側に切り替わる場合には、スイッチ回路SW4も昇圧パルス信号Sa(/Sa)側に切り替わる。また、スイッチ回路SW1が電源線23側に切り替わる場合には、スイッチ回路SW4はグランド線24側に切り替わる。スイッチ回路SW1〜SW6の切り替えは、検出信号Sb1〜Sb3に基づいて行われる。
チャージポンプ回路1の起動時、スイッチ回路SW1〜SW6は、いずれも昇圧パルス信号Sa(/Sa)側に切り替えられている(図2の状態)。その後、負荷動作検出回路13からの検出信号Sb1〜Sb3に基づいて機能回路6〜8の動作状態を確認し、動作している状態の機能回路が多いほど、つまり出力端子4、5間に接続される負荷が大きいほど昇圧パルス信号Sa(/Sa)を供給するトランジスタ(オンオフ動作させるトランジスタ)の数が多くなるようにスイッチ回路SW1〜SW6の切り替えを行う。なお、本実施形態では、負荷動作検出回路13と、駆動回路9〜11のスイッチ回路SW1〜SW6とから駆動能力調整回路25(駆動能力調整手段に相当)が構成される。
第1トランジスタ群21のトランジスタQ1〜Q3は互いに並列接続されているため、オンオフ動作させるトランジスタの数を増加すれば、その分だけ第1トランジスタ群21のオン抵抗が低下する。このことは、トランジスタQ4〜Q6からなる第2トランジスタ群22についても同様である。このような構成において、駆動回路9〜11は、負荷の変化に応じて第1トランジスタ群21および第2トランジスタ群22のオン抵抗を変化させることで、昇圧動作時におけるコンデンサC1〜C4への充放電電流の傾き(変化時間)およびピーク値を変化させる。すなわち、駆動回路9〜11は、負荷の変化に応じて第1および第2トランジスタ群21および22の電流駆動能力を変化させるように構成されている。
次に、本実施形態の作用について説明する。
まず、チャージポンプ回路1の基本動作について説明する。車両のイグニッションスイッチ(図示せず)がオンされるなどして入力端子2、3間にバッテリ電圧VBが印加されると、発振回路12から昇圧パルス信号Sa、/Saが出力される。昇圧パルス信号Saに基づいて駆動される駆動回路9、11の各トランジスタと、昇圧パルス信号/Saに基づいて駆動される駆動回路10の各トランジスタとは相補的に動作する。
この起動時においては、駆動回路9〜11のスイッチ回路SW1〜SW6は、いずれも昇圧パルス信号Sa(/Sa)側に切り替えられている。つまり、駆動回路9〜11における各トランジスタ群21、22の電流駆動能力が最大となっている。昇圧パルス信号Sa、/Saが印加された後の動作は以下のようになる。下記[1]と[3]の動作および[2]と[4]の動作はそれぞれ同時に進行する。
[1]
駆動回路9、11…第1トランジスタ群21:オフ、第2トランジスタ群22:オン
駆動回路10 …第1トランジスタ群21:オン、第2トランジスタ群22:オフ
入力端子2から電源線23、ダイオードD1、コンデンサC1、駆動回路9(の第2トランジスタ群22)、グランド線24、入力端子3を介して充電電流が流れ、コンデンサC1が充電される。
[2]
駆動回路9、11…第1トランジスタ群21:オン、第2トランジスタ群22:オフ
駆動回路10 …第1トランジスタ群21:オフ、第2トランジスタ群22:オン
入力端子2から電源線23、駆動回路9(の第1トランジスタ群21)、コンデンサC1、ダイオードD2、コンデンサC2、駆動回路10(の第2トランジスタ群22)、グランド線24、入力端子3を介して充電電流が流れ、コンデンサC1の充電電荷がダイオードD2を通して次段のコンデンサC2に移される。この過程で昇圧が行われる。
[3]
駆動回路9、11…第1トランジスタ群21:オフ、第2トランジスタ群22:オン
駆動回路10 …第1トランジスタ群21:オン、第2トランジスタ群22:オフ
入力端子2から電源線23、駆動回路10(の第1トランジスタ群21)、コンデンサC2、ダイオードD3、コンデンサC3、駆動回路11(の第2トランジスタ群22)、グランド線24、入力端子3を介して充電電流が流れ、コンデンサC2の充電電荷がダイオードD3を通して次段のコンデンサC3に移される。この過程でも昇圧が行われる。
[4]
駆動回路9、11…第1トランジスタ群21:オン、第2トランジスタ群22:オフ
駆動回路10 …第1トランジスタ群21:オフ、第2トランジスタ群22:オン
入力端子2から電源線23、駆動回路11(の第1トランジスタ群21)、コンデンサC3、ダイオードD4、コンデンサC4、グランド線24、入力端子3を介して充電電流が流れ、コンデンサC3の充電電荷がダイオードD4を通して次段のコンデンサC4に移される。この過程でも昇圧が行われる。
チャージポンプ回路1は、上記のように昇圧動作を行うことで得られる出力電圧Voを機能回路6〜8に供給する。チャージポンプ回路1は、機能回路6〜8が全て動作した状態で、所定電圧(例えばVB+8V)に近い出力電圧Vo(昇圧電圧)を出力できるように、駆動回路9〜11における各トランジスタ群21、22の最大電流駆動能力が設定されている。この設定状態で、機能回路6〜8のうち非動作状態となる回路が存在すると、昇圧電圧Voを得る上で駆動回路9〜11の電流駆動能力が過大となる。その結果、上記充放電電流の傾きが急峻のままとなり、そのピーク値が高いままとなり、昇圧動作に伴い発生するノイズのレベルを十分に下げることができない。そこで、本実施形態では、機能回路6〜8の動作状態に応じて、駆動回路9〜11の電流駆動能力を以下のように調整する。
検出信号Sb1〜Sb3が1つの機能回路、例えば機能回路8が非動作状態であることを示す場合、トランジスタQ3およびQ6をオフ状態(動作停止状態)に固定するようにスイッチ回路SW3およびSW6が切り替えられる。つまり、トランジスタQ3のゲートを電圧VBに固定し、トランジスタQ6のゲートを0Vに固定する。これにより、駆動回路9〜11における各トランジスタ群21、22の電流駆動能力は、例えば最大時の2/3程度に低下する。
検出信号Sb1〜Sb3が2つの機能回路、例えば機能回路7、8が非動作状態であることを示す場合、トランジスタQ2およびQ5と、トランジスタQ3およびQ6をオフ状態に固定するようにスイッチ回路SW2およびSW5と、スイッチ回路SW3およびSW6とが切り替えられる。つまり、トランジスタQ2、Q3の各ゲートを電圧VBに固定し、トランジスタQ5、Q6の各ゲートを0Vに固定する。これにより、駆動回路9〜11における各トランジスタ群21、22の電流駆動能力は、例えば最大時の1/3程度に低下する。
検出信号Sb1〜Sb3が全ての機能回路6〜8が動作状態であることを示す場合、スイッチ回路SW1〜SW6は切り替え動作を行わず、全てのトランジスタQ1〜Q6がオンオフ動作可能な状態を継続させる。これにより、駆動回路9〜11における各トランジスタ群21、22の電流駆動能力は最大のままとなる。
以上説明したように、本実施形態のチャージポンプ回路1は、負荷が大きくなるほど駆動回路9〜11の各トランジスタ群21、22の電流駆動能力を高める駆動能力調整回路25を備えている。これにより、負荷の大きさにかかわらず、所望の出力電圧Voを得ることができる。また、負荷の大きさに応じて、昇圧に必要な電流駆動能力を確保しつつ、昇圧動作時におけるコンデンサC1〜C4への充放電電流の傾きおよびそのピーク値を抑制できる。その結果、チャージポンプ回路1から外部に放出されるノイズのレベル、特には軽負荷時におけるノイズレベルを低減することができる。
スイッチ回路SW1〜SW6は、第1トランジスタ群21を構成するトランジスタのうちオンオフ動作させるトランジスタの数と、第2トランジスタ群22を構成するトランジスタのうちオンオフ動作させるトランジスタの数とを同数にするように切り替え動作を行う。これにより、各トランジスタ群21、22の電流駆動能力が常に一致するので、負荷の大きさに応じた電流駆動能力の設定をバランスよく行うことができる。
第1トランジスタ群21および第2トランジスタ群22を構成する複数のトランジスタQ1〜Q6を同一サイズに形成した。このように同一サイズのトランジスタを用いて駆動回路9〜11を構成することで、駆動回路9〜11の構成を簡単化できる。
チャージポンプ回路1は、起動時において、駆動回路9〜11における各トランジスタ群21、22の電流駆動能力を最大にして昇圧動作を行う。これにより、起動時における出力電圧Voの立ち上がり時間を短くすることができる。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図3を参照しながら説明する。
図3は、第1の実施形態における図1相当図であり、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。チャージポンプ回路31(昇圧回路に相当)は、第1の実施形態のチャージポンプ回路1に対し、負荷電流検出回路32(電流検出手段に相当)を備えている点が異なる。また、本実施形態では、負荷動作検出回路13が省かれている。
負荷電流検出回路32は、出力端子4、5を介して機能回路6〜8に流れる電流(負荷電流)を検出し、検出した電流の値を示す検出信号Scを駆動回路9〜11に出力する。駆動回路9〜11は、検出信号Scに基づいて機能回路6〜7に流れる電流が大きいほど、第1の実施形態と同様に、第1トランジスタ群21および第2トランジスタ群22の電流駆動能力を高めるように構成されている。なお、本実施形態では、負荷電流検出回路32と、駆動回路9〜11のスイッチ回路SW1〜SW6とから駆動能力調整回路33(駆動能力調整手段に相当)が構成される。
上記構成によれば、負荷電流検出回路32により検出される電流に基づいて、出力端子4、5に接続される負荷の大小を検出することができる。そして、駆動能力調整回路33は、負荷電流が大きくなるほど駆動回路9〜11を構成する各トランジスタ群21、22の電流駆動能力を高めるので、第1の実施形態と同様の作用および効果が得られる。
(その他の実施形態)
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
第1トランジスタ群21および第2トランジスタ群22の電流駆動能力を所望の値に調整可能であれば、スイッチ回路SW1〜SW6は、上記実施形態で示した切り替えのパターンに限らずともよい。第1トランジスタ群21および第2トランジスタ群22は、いずれも3つのトランジスタを並列接続して構成したが、この並列接続するトランジスタの数は、3つに限らずともよく、例えば2つでもよいし、4つ以上でもよい。このトランジスタの数を増やすほど、各トランジスタ群21、22の電流駆動能力の調整段階(ステップ)を細かく設定することができる。トランジスタQ1〜Q6は、MOSトランジスタに限らず、例えばバイポーラトランジスタ、IGBTでもよい。
トランジスタQ1〜Q3を互いに異なるサイズに形成し、トランジスタQ4〜Q6を互いに異なるサイズに形成してもよい。例えば、トランジスタQ1、Q2、Q3のサイズ比を4:2:1とし、トランジスタQ4、Q5、Q6のサイズ比を4:2:1とすれば、各トランジスタ群21、22の電流駆動能力について7通りの調整パターンを実現できる。
チャージポンプ回路1、31の負荷として1つの機能回路が接続され、その機能回路の動作モードの違い(例えば、通常動作モードと低消費電力動作モードとの違い)に起因して負荷の大きさが変動するような構成にも本発明は適用可能である。チャージポンプ回路1、31は、車載電子制御装置に限らず、昇圧電圧を必要とする他の装置にも適用可能である。コンデンサC1〜C3の他端子に与える第1の電圧と第2の電圧は、電圧VBと電圧GNDに限られない。
本発明の第1の実施形態を示すチャージポンプ回路の電気的構成図 駆動回路の電気的構成図 本発明の第2の実施形態を示す図1相当図
符号の説明
図面中、1はチャージポンプ回路(昇圧回路)、2は入力端子(電圧入力端子)、4は出力端子(電圧出力端子)、6〜8は機能回路(負荷)、9〜11は駆動回路、21は第1トランジスタ群(第1のトランジスタ)、22は第2トランジスタ群(第2のトランジスタ)、23は電源線(第1の電源線)、24はグランド線(第2の電源線)、25は駆動能力調整回路(駆動能力調整手段)、C1〜C3は複数のコンデンサ、D1〜D4は複数のダイオード、Q1〜Q6は複数のトランジスタ、31はチャージポンプ回路(昇圧回路)、32は負荷電流検出回路(電流検出手段)、33は駆動能力調整回路(駆動能力調整手段)を示す。

Claims (7)

  1. 電圧入力端子と電圧出力端子との間に同一の極性で直列に接続された複数のダイオードと、
    前記ダイオード同士が接続された各接続点に対しそれぞれ一端子が接続された複数のコンデンサと、
    前記各コンデンサにそれぞれ対応して設けられ、前記各コンデンサの他端子と第1の電圧を供給する第1の電源線との間に介在する第1のトランジスタおよび前記第1のトランジスタと第2の電圧を供給する第2の電源線との間に介在する第2のトランジスタを備え、これら第1および第2のトランジスタが交互にオンする駆動回路と、
    前記電圧出力端子に接続される負荷が大きいほど前記第1および第2のトランジスタの電流駆動能力を高める駆動能力調整手段とを備えていることを特徴とする昇圧回路。
  2. 前記電圧出力端子に接続される負荷は複数の機能回路であり、
    前記駆動能力調整手段は、前記複数の機能回路のうち動作する機能回路の数が多いほど、前記第1および第2のトランジスタの電流駆動能力を高めることを特徴とする請求項1記載の昇圧回路。
  3. 前記駆動能力調整手段は、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、前記電流検出手段により検出される負荷電流が大きいほど前記第1および第2のトランジスタの電流駆動能力を高めることを特徴とする請求項1記載の昇圧回路。
  4. 前記第1および第2のトランジスタは、それぞれ複数のトランジスタが並列接続されて構成されており、
    前記複数のトランジスタは、オンオフ動作を停止する動作停止状態にそれぞれ設定可能であり、
    前記駆動能力調整手段は、並列接続された前記複数のトランジスタのうちオンオフ動作させるトランジスタの数を増減することにより前記第1および第2のトランジスタの電流駆動能力を調整することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の昇圧回路。
  5. 前記駆動能力調整手段は、前記第1のトランジスタを構成するトランジスタのうちオンオフ動作させるトランジスタの数と、前記第2のトランジスタを構成するトランジスタのうちオンオフ動作させるトランジスタの数とを同数にすることを特徴とする請求項4記載の昇圧回路。
  6. 前記第1のトランジスタを構成する前記複数のトランジスタは同サイズに形成され、
    前記第2のトランジスタを構成する前記複数のトランジスタは同サイズに形成されていることを特徴とする請求項4または5記載の昇圧回路。
  7. 前記第1のトランジスタを構成する前記複数のトランジスタは、互いに異なるサイズに形成され、
    前記第2のトランジスタを構成する前記複数のトランジスタは、互いに異なるサイズに形成されていることを特徴とする請求項4または5記載の昇圧回路。
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