JP5256398B2 - 断熱充電回路 - Google Patents

Description

本発明は、昇圧回路を用いて負荷容量に効率的な充電を行う断熱充電回路に関する。

図４は、従来の昇圧回路の構成例を示す（非特許文献１）。

図４において、昇圧回路は、複数のダイオードを直列接続し、ダイオードの奇数番目の接続節点と偶数番目の接続節点に互いに位相が反転した２つのクロック信号ＣＫ１，ＣＫ２をそれぞれ入力して昇圧を行う構成である。ここで、Ｃはノイズ耐性を高めて安定動作させるための容量であり、Ｃs はダイオード接続節点の浮遊容量である。

図５は、従来の昇圧回路の動作例を示す。図５(a) は、図４の昇圧回路を簡単化した例であり、ｎ番目のダイオードの接続節点をＡ_n としている。ここで１≦ｎ≦Ｎである。図５(b) は、クロック信号ＣＫ１，ＣＫ２の時間変化を示す。クロックの電圧振幅はＶ_CKである。図５(c) は、ダイオードの接続節点Ａ_n および出力端子Ｖ_OUT の電圧時間変化の様子を示す。Ａ₁ の電圧は、クロックの電圧振幅Ｖ_CKにより振動する。ここで、Ａ₁ の電圧が高い状態から低い電圧に遷移する直前の電圧をＶ₁ とする。同様に、Ａ_n 、Ａ_n+1 、Ａ_N において、電圧が高い状態から低い電圧に遷移する直前の電圧をＶ_n 、Ｖ_n+1 、Ｖ_N とする。

Ｖ_n とＶ_n+1 の間には、次の関係がある（非特許文献１）。
Ｖ_n+1−Ｖ_n ＝Ｖ'_CK−Ｖ_D −Ｖ_L …(1)
ここで、Ｖ_D はダイオードによる電圧降下分である。また、Ｖ_L は容量Ｃ＋Ｃs を充電したり放電したりする際の電圧変化分である。また、Ｖ'_CK は、浮遊容量Ｃs のために変化したクロック電圧の電圧振幅であり、
Ｖ'_CK＝（Ｃ／(Ｃ＋Ｃs)) Ｖ_CK …(2)
が成立する。

また、式(1) は、Ｖ₁ と入力電圧Ｖ_INの関係においても明らかに成立する。すなわち、 Ｖ₁−Ｖ_IN＝Ｖ'_CK−Ｖ_D −Ｖ_L …(3)
が成立する。また、この昇圧回路を流れる電流は、
Ｉ_OUT＝ｆ(Ｃ＋Ｃs)Ｖ_L …(4)
となる。ここで、ｆはクロック信号の周波数である。

式(1),式(2),式(4) より、
Ｖ_n+1−Ｖ_n＝(Ｃ／(Ｃ＋Ｃs))Ｖ_CK−Ｖ_D−Ｉ_OUT／((Ｃ＋Ｃs)ｆ) …(5)
が得られる。よって、Ｎ段の場合には、式(3),式(5) により
Ｖ_N−Ｖ_IN＝Ｎ〔(Ｃ／(Ｃ＋Ｃs))Ｖ_CK−Ｖ_D−Ｉ_OUT／((Ｃ＋Ｃs)ｆ)〕 …(6)
となる。

Ａ_N の電圧は、ダイオードを介して出力電圧Ｖ_OUT になるために、図５(c) のＶ_OUT のように表される。すなわち、Ｖ'_CK>>Ｖ_Lと仮定して、リプルを無視すれば、
Ｖ_OUT ＝Ｖ_N −Ｖ_D
となる。

J. F. Dickson,"On-chip High-voltage Generation in MNOS Integrated Circuits Using an Improved Voltage Multiplier Technique, " IEEE Journal of Solid-State Circuits, SC-11, No.3, June 1976, pp.374-378.

ところで、従来の昇圧回路の出力電圧Ｖ_OUT を用いて負荷容量に充電すると、キャパシタの帯電エネルギーと等しいエネルギーが散逸エネルギーとして失われてしまうことが知られている。そのため、効率的に充電できない問題点があった。

本発明は、昇圧回路を用いて負荷容量に断熱的に効率よく充電することができる断熱充電回路を提供することを目的とする。

本発明の断熱充電回路は、複数のダイオードａを直列に接続し、ダイオードａの奇数番目の接続節点と偶数番目の接続節点に互いに位相が反転した２つのクロック信号をそれぞれ入力して昇圧を行う回路部と、複数のダイオードａの接続節点にそれぞれダイオードｂを介して容量を接続するとともにスイッチを介して出力端子を接続し、低い電圧の容量に接続されたスイッチから高い電圧の容量に接続されたスイッチまで順番にＯＮとし、ＯＮのスイッチを介して出力端子に接続された負荷容量に断熱的に充電する充電制御部とを備える。

また、充電制御部は、高い電圧の容量に接続されたスイッチから低い電圧の容量に接続されたスイッチまで順番にＯＮとし、ＯＮのスイッチを介して出力端子に接続された負荷容量から断熱的に放電する構成である。

また、負荷容量は、フラッシュメモリまたは電荷蓄積メモリのワード線としてもよい。

本発明の断熱充電回路では、負荷容量を定電圧による充電ではなく、階段的に充電および放電を行うことが可能となり、エネルギー散逸を低減でき、効率的に充電および放電を行うことができる。

本発明の断熱充電回路の実施例構成を示す図である。 本発明の断熱充電回路の動作例を説明する図である。 本発明の断熱充電回路の適用例を示す図である。 従来の昇圧回路の構成例を示す図である。 従来の昇圧回路の動作例を説明する図である。

図１は、本発明の断熱充電回路の実施例構成を示す。図１(a) は回路構成の詳細であり、図１(b) はダイオードを構成するＭＯＳトランジスタを示す。

図１において、入力端子Ｖ_INにダイオードＤ₁ 〜Ｄ_N を直列接続し、ダイオードＤ₁ 〜Ｄ_N の各接続節点Ａ₁ 〜Ａ_N に、キャパシタＣを介して互いに位相が反転した２つのクロック信号ＣＫ１，ＣＫ２を交互に入力する。さらに、ダイオードＤ₁ 〜Ｄ_N の各接続節点Ａ₁ 〜Ａ_N には、クロック電圧の振動に伴う逆流防止のためのダイオードＤ₁₁〜Ｄ_1Nを介して容量Ｃ_F が接続され、ダイオードＤ₁₁〜Ｄ_1Nの接続節点Ｂ₁ 〜Ｂ_N の電圧を保持する。また、接続節点Ｂ₁ 〜Ｂ_N には、スイッチＳＷ₁ 〜ＳＷ_N を介して出力端子Ｖ_OUT が接続される。また、出力端子Ｖ_OUT には、スイッチＳＷ₀ を介して接地電位が接続される。スイッチＳＷ₀ 〜ＳＷ_N は、図示しない制御回路が出力する制御信号Ｔ₀ 〜Ｔ_N がHighのときにＯＮになる。

なお、直列接続されたダイオードＤ₁ 〜Ｄ_N は従来の昇圧回路と同様であり、ダイオードＤ₁₁〜Ｄ_1N、容量Ｃ_F 、スイッチＳＷ₀ 〜ＳＷ_N および図示しない制御回路が本発明の特徴とする断熱充電を行うための充電制御部を構成する。

ここで、接続節点Ａ_k の電圧Ｖ_k と接続節点Ｂ_k の電圧Ｖ'_kとの間には、
Ｖ_k ＝Ｖ'_k＋Ｖ_D …(7)
が成立する（１≦ｋ≦Ｎ）。ここで、リプルを無視すれば、接続節点Ｂ_k の電圧Ｖ'_kは一定値 (Ｖ_k−Ｖ_D) とみなすことができる。式(6) と式(7) より、
Ｖ'_k＝Ｖ_IN−Ｖ_D＋ｋ〔(Ｃ／(Ｃ＋Ｃs'))Ｖ_CK−Ｖ_D−Ｉ_OUT／((Ｃ＋Ｃs')f) 〕
…(8)
が成立する。ここで、Ｃs'は、浮遊容量Ｃs とキャパシタＣ_F の容量を合せたものである。これから、接続節点Ｂ₁ の電圧Ｖ'₁は、
Ｖ'₁＝Ｖ_IN−Ｖ_D＋(Ｃ／(Ｃ＋Ｃs'))Ｖ_CK−Ｖ_D−Ｉ_OUT／((Ｃ＋Ｃs')ｆ) …(9)
であり、接続節点Ｂ₂ 以降の電圧は、次の差分電圧ΔＶだけ増加する。
ΔＶ＝Ｖ'_k+1−Ｖ'_k＝(Ｃ／(Ｃ＋Ｃs'))Ｖ_CK−Ｖ_D−Ｉ_OUT／((Ｃ＋Ｃs')ｆ)
…(10)

本実施例の断熱充電回路は、接続節点Ｂ_k の電圧Ｖ'_kを低い電圧から高い電圧へ順番に出力端子Ｖ_OUT に接続する。すなわち、制御信号Ｔ₀ から制御信号Ｔ_N に順番にHighにしてスイッチＳＷ₀ 〜ＳＷ_N を順番にＯＮとし、ＯＮとなったスイッチＳＷ_k に接続される接続節点Ｂ_k の電圧Ｖ'_kを出力端子Ｖ_OUT から負荷容量Ｃ_L に順番に印加し、断熱充電する。また、接続節点Ｂ_k の電圧Ｖ'_kを高い電圧から低い電圧へ順番に出力端子Ｖ_OUT に接続する。すなわち、制御信号Ｔ_N から制御信号Ｔ₀ に順番にHighにしてスイッチＳＷ_N 〜ＳＷ₀ を順番にＯＮとし、出力端子Ｖ_OUT に接続される負荷容量Ｃ_L の電荷をスイッチＳＷ_N 〜ＳＷ₀ を介して断熱放電する。

図２は、本発明の断熱充電回路の動作例を示す。
図２において、時刻ｔ０〜ｔ１で制御信号Ｔ₀ をHighとしてスイッチＳＷ₀ をＯＮとし、出力端子Ｖ_OUT を接地電位ＧＮＤとする。次に、時刻ｔ１〜ｔ２で制御信号Ｔ₁ をHighとしてスイッチＳＷ₁ をＯＮとし、接続節点Ｂ₁ の電位Ｖ'₁（式(9))を出力端子Ｖ_OUT に取り出す。次に、時刻ｔ２〜ｔ３で制御信号Ｔ₂ をHighとしてスイッチＳＷ₂ をＯＮとし、出力端子Ｖ_OUT の電圧をΔＶ（式(10)) だけ大きくする。次に、時刻ｔ３〜ｔ４で制御信号Ｔ₃ をHighとしてスイッチＳＷ₃ をＯＮとし、出力端子Ｖ_OUT の電圧をΔＶ（式(10)) だけ大きくする。以下同様に、制御信号Ｔ₄ 、Ｔ₃ 、Ｔ₂ 、Ｔ₁ 、Ｔ₀ と順番にHighとしてこの操作を繰り返す。これにより、図２に示すような階段電圧が出力端子Ｖ_OUT に取り出され、負荷容量Ｃ_L の断熱充電および断熱放電が行われる。

なお、図１に示すスイッチＳＷ₁ 〜ＳＷ_N は、必ずしも１つずつ順番にＯＮとする必要はなく、等間隔であれば１つ置きや２つ置きであってもよい。その場合、充電時と放電時で同じスイッチをＯＮとする。

図３は、本発明の断熱充電回路の適用例を示す。
フラッシュメモリは、図３(a) に示すように、消去時にゲート電極を０Ｖ、ボディ電位を20Ｖとして電子をフローティングゲートより引き抜き、図３(b) に示すように、書き込み時にゲート電極を20Ｖ、ボディ電位を０Ｖとして電子をフローティングゲートに注入することにより、しきい値電圧を制御し、しきい値電圧の値によりデータを記憶するデバイスである。

本発明の断熱充電回路は、このフラッシュメモリのゲート電極（すなわちワード線）や、ボディ電位の充放電に用いることができる。また、トラップメモリなどの電荷蓄積メモリのゲート電極（すなわちワード線）の充放電に用いることができる。

Ｄ ダイオード
Ｃ_L 負荷容量
Ｃ_F 容量
ＳＷ スイッチ
Ａ，Ｂ 接続節点
Ｖ_IN 入力端子
Ｖ_OUT 出力端子

Claims (3)

1. 複数のダイオードａを直列に接続し、ダイオードａの奇数番目の接続節点と偶数番目の接続節点に互いに位相が反転した２つのクロック信号をそれぞれ入力して昇圧を行う回路部と、
   前記複数のダイオードａの接続節点にそれぞれダイオードｂを介して容量を接続するとともにスイッチを介して出力端子を接続し、低い電圧の容量に接続されたスイッチから高い電圧の容量に接続されたスイッチまで順番にＯＮとし、ＯＮのスイッチを介して前記出力端子に接続された負荷容量に断熱的に充電する充電制御部と
   を備えたことを特徴とする断熱充電回路。
2. 請求項１に記載の断熱充電回路において、
   前記充電制御部は、高い電圧の容量に接続されたスイッチから低い電圧の容量に接続されたスイッチまで順番にＯＮとし、ＯＮのスイッチを介して前記出力端子に接続された負荷容量から断熱的に放電する構成である
   ことを特徴とする断熱充電回路。
3. 請求項１または請求項２に記載の断熱充電回路において、
   前記負荷容量は、フラッシュメモリまたは電荷蓄積メモリのワード線である
   ことを特徴とする断熱充電回路。

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