JP5547193B2 - チャージポンプ回路を有する電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧源及び電圧源から給電され、出力部で出力電圧を生成するチャージポンプ回路を備える電源装置に関する。

チャージポンプ回路を有する電源装置は公知であるが、これらの電源装置は、限定された効率で機能する。

したがって、本発明の目的は、チャージポンプ回路を有する電源装置を改善し、電源装置が一層効率的に動作させることである。

この目的は、本発明にしたがい、並列に動作する２つのチャネルを備える上述の型式の電源装置によって解決される。各チャネルは、チャージポンプ回路を有する。２つのチャネルは、出力を交互に供給する。

この解決法の利点は、経済的な電源装置を実施するに当たって得られる。

チャージポンプ回路は、２つのクロック状態を備える。一方のチャネルのチャージポンプ回路が常に２つのクロック状態のうちの１つの状態にあり、他方のチャネルのチャージポンプ回路が他のクロック状態にあるとき、電源装置は、特に効率的に動作する。

２つのチャネルのチャージポンプ回路の動作中に、好ましくは、チャージポンプ回路は同期してクロックされる。したがって、チャージポンプ回路は、同期してクロック状態を変更する。

１つのクロック発生器に２つのチャネルのチャージポンプ回路をクロックさせることによって、チャージポンプ回路によるクロック状態の同期した変更は、有利に達成される。

具体的には、チャージポンプ回路は、本発明の電源装置の最初に説明された様々な実施形態と関連して、上述の如く構成される。

本発明によれば、上記で特筆された発明の目的は、この時点までに説明された実施形態の代替として、或いは、追加として、電圧源から第１のチャージ・ポンプ・キャパシタを充電し、且つ、第１のチャージ・ポンプ・キャパシタ及び電圧源の直列接続から第２のチャージ・ポンプ・キャパシタを充電するチャージポンプ回路によって解決される。

この解決法の利点は、２つのチャージ・ポンプ・キャパシタが、電圧供給装置によって供給され得る電圧よりも高い出力電圧を容易に生成できることに見出される。

この工程において、もしチャージポンプ回路が第２のチャージ・ポンプ・キャパシタ及び電圧源の直列接続から出力を供給し、電圧源の供給電圧の３倍までの出力電圧が取得されるならば、特に有利である。

そのような高い出力電圧によって、更に、チャージ・ポンプ・キャパシタが簡単な方法及び限定されたサイズで非常に大きな出力電力を提供することができる。

チャージポンプ回路の機能に関して、更なる詳細はこれまで与えられていない。

故に、有利な解決法では、チャージポンプ回路が２つのクロック状態を備え、この２つのクロック状態のうち１つの状態で出力電力を供給する。

有利には、２つのクロック状態は同じクロック周期を示す。

チャージポンプ回路の特に有利な解決法では、第１のクロック状態で第１のチャージ・ポンプ・キャパシタが充電される。また、出力電圧は、第２のチャージ・ポンプ・キャパシタ及び電圧源の直列接続によって生成される。第２のチャージ・ポンプ・キャパシタは、第２のクロック状態で電圧源及び第１のチャージ・ポンプ・キャパシタの直列接続によって、充電される。

第２のクロック状態での第２のチャージ・ポンプ・キャパシタの充電は、チャージポンプ回路によって、特に効率的に達成される。尚、チャージポンプ回路は、電圧源から、反転された第１のチャージ・ポンプ・キャパシタとのグラウンド側の直列接続を介して、第２のチャージ・ポンプ・キャパシタを充電する。

反転された第１のチャージ・ポンプ・キャパシタのそのようなグラウンド側の直列接続は、チャージポンプ回路によって、有利に達成される。尚、チャージポンプ回路は、２つのスイッチを用いて、第１のチャージ・ポンプ・キャパシタの第１の接続のプッシュプルステージを、供給線及びグラウンドへ交互に接続する。

グラウンド側の直列接続は、更に好ましくは、２つのスイッチを有するチャージポンプ回路によって実現される。２つのスイッチは、第１のチャージ・ポンプ・キャパシタの第２の接続を、グラウンド又は直列の第２のチャージ・ポンプ・キャパシタへ交互に接続する。

本発明の更なる特徴及び利点は、幾つかの実施形態に関する下記の説明及び図面の主題を構成する。

図面が示すものは、次のとおりである。

本発明の第１実施形態に従う第１のクロック状態における電源装置を示す図である。 本発明の第１実施形態に従う第２のクロック状態における電源装置を示す図である。 第１実施形態の電源装置の個々の中心タップにおける電位の略図である。 本発明の第２実施形態に従う電源装置を示す図である。当該電源装置は、図１と類似して、２つのチャネルを有する。一方のチャネルは、１つのクロック状態にあり、他方のチャネルは、他のクロック状態にある。 第２実施形態における図３と同様の電位の略図である。 本発明の第３実施形態に従う電源装置を示す図である。図６は、第２実施形態の回路実装を示す。

図１及び図２は、本実施形態の第１実施形態に従う電源装置を示す。チャージポンプ回路Ｌとして構成される電源装置は、電圧源Ｑを備える。電圧源Ｑは、供給電圧Ｕｖを供給線ＶＬへ提供する。

２つの電子制御直列接続スイッチＳＴ１及びＳＴ２は、供給線ＶＬとグラウンドとの間のプッシュプルステージとして提供される。この結果、第１のスイッチＳＴ１と第２のスイッチＳＴ２との間に配置された第１の中心タップＭ１は、供給電圧Ｕｖ又はグラウンドのいずれかへ切り換えられる。

第１のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ１は、第１の中心タップＭ１と第２の中心タップＭ２との間に配設される。また、第３の電子スイッチＳＴ３が更に提供される。第３の電子スイッチＳＴ３を用いて、第２の中心タップＭ２はグラウンドへ接続される。

第２のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ２は、第３の中心タップＭ３と第４の中心タップＭ４との間に配設される。尚、第３の中心タップＭ３は、第４の電子スイッチＳＴ４によって供給線ＶＬへ接続される。また、第４の中心タップＭ４は、第５の電子スイッチＳＴ５によって第２の中心タップＭ２へ接続される。

第３の中心タップＭ３は、第６の電子スイッチＳＴ６によって、出力線ＡＬへ更に接続される。第４の中心タップＭ４は、第７の電子スイッチＳＴ７によって供給線ＶＬへ接続される。出力部ＡＧへ至る出力線ＡＬは、出力側キャパシタＣａによってグラウンドへ接続される。出力側キャパシタＣａには、出力電圧Ｕａが印加される。

図１及び図２は、２つの異なるクロック状態Ａ（図１）及びクロック状態Ｂ（図２）を示し、異なるスイッチＳＴ１〜ＳＴ７が出力電圧Ｕａを生成する。

図１に示される第１のクロック状態Ａにおいて、第１のスイッチＳＴ１は閉じ、且つ、第２のスイッチＳＴ２は開いている。したがって、供給電圧Ｕｖは、第１の中心タップＭ１へ印加される。また、第３のスイッチＳＴ３は、閉じ、且つ、第２の中心タップＭ２は接地されている。したがって、中心タップＭ１とＭ２との間に配置された第１のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ１は供給電圧Ｕｖへ充電される。

第４及び第５のスイッチＳＴ４及びＳＴ５は開いている。したがって、第２のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ２への接続は存在しない。しかし、第６のスイッチＳＴ６及び第７のスイッチＳＴ７は閉じている。出力電圧Ｕａは、供給電圧Ｕｖとチャージ・ポンプ・キャパシタＣ２の電圧とをプラスした電圧によって産出される。この場合、後述される如く、供給電圧Ｕｖの約２倍に相当する出力電圧Ｕａが、出力線ＡＬへ印加される。したがって、最終的に、出力部ＡＧでの出力電圧Ｕａは、供給電圧の約３倍に相当することになる。この電圧は、出力キャパシタＣａによって安定化される。

図２に示される第２のクロック状態Ｂにおいて、第１のスイッチＳＴ１は開いているので、第１のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ１は、供給線ＶＬへ接続されない。逆に、第２のスイッチＳＴ２は閉じているので、第１の中心タップＭ１はグラウンドへ接続される。

さらに、第３のスイッチＳＴ３は開いており、第５のスイッチＳＴ５は閉じており、加えて第４のスイッチＳＴ４も閉じている。

故に、第１のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ１及び第２のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ２は、直列に接続される。第１の中心タップＭ１へ接続され、且つ、第１のクロック状態Ａにおいて正に充電された第１のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ１は、接地される。その一方で、第２の中心タップＭ２へ接続され、且つ、第１のクロック状態Ａにおいて負に充電された第１のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ１の第２の接続は、グラウンドと比較して「−Ｕｖ」の負の電位を示す。

第２のクロック状態Ｂにおいて、第２のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ２は、中心タップＭ２でのこの負の電位「−Ｕｖ」と電位Ｕｖとの間に存在するので、第２のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ２は、供給電圧Ｕｖの約２倍に相当する電圧へ充電される。

スイッチＳＴ６及びＳＴ７は開いているので、第３の中心タップＭ３と出力線ＡＬとの間の接続は存在しない。したがって、電圧源Ｑは、供給線ＶＬ及び中間に存在する第２のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ２から、第４の中心タップＭ４を非常に急速に充電する。この結果、電位は、第１のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ１を介して供給電圧Ｕｖの２倍の総量になる。

次のクロック状態は、再び、図１に示される第１のクロック状態Ａに対応する。図１において、第２のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ２は、出力線ＡＬと電圧源Ｑへのグラウンドとの間で直列に接続される。したがって、出力電圧Ｕａは、供給電圧Ｕｖの約３倍の量になる。

もし、図１の第１のクロック状態Ａに従うスイッチＳＴ１からＳＴ７の姿勢及び図２の第２のクロック状態Ｂに従うスイッチＳＴ１からＳＴ７の姿勢が、それぞれ同じクロック周期に従って交番されるならば、第１のクロック状態Ａ及び第２のクロック状態Ｂにおける図３の電圧が中心タップＭ１からＭ４へ印加される。この結果、負荷がない各々の場合に、出力電圧Ｕａが生ずる。この電圧は出力キャパシタＣａによって安定に保たれる。

本発明の第１実施形態の電源装置は、図１乃至図３に示されるとともに、これら図面に関連して説明されている。本発明の第１実施形態の電源装置は、図１乃至図３に従う２つのチャージポンプ回路Ｌを２つのチャネルとして相互接続することによって改善される。即ち、一方のチャネルはチャネルＫ１であり、他方のチャネルはチャネルＫ２である。チャネルＫ１及びチャネルＫ２は反転してクロックされる。

チャネルＫ１の電子スイッチＳＴ１１からＳＴ７１は、第１の実施形態の電子スイッチＳＴ１からＳＴ７に対応する。チャネルＫ１の電子スイッチＳＴ１１からＳＴ７１は、図１から図３の第１の実施形態に関連して説明された方法と同じように、２つのクロック状態Ａおよびクロック状態Ｂになるようにクロックされる。

さらに、チャネルＫ２の電子スイッチＳＴ１２からＳＴ７２は、図１及び図３に従う第１の実施形態の電子スイッチＳＴ１からＳＴ７に対応する。図１から図３の第１の実施形態に関連して説明されたように、チャネルＫ２の電子スイッチＳＴ１２からＳＴ７２は、同様に２つのクロック状態Ａ及びクロック状態Ｂになるようにクロックされる。しかしながら、チャネル１とは逆に、チャネルＫ１のスイッチＳＴ１１からＳＴ７１がクロック状態Ａにあるとき、チャネルＫ２のスイッチＳＴ１２からＳＴ７２はクロック状態Ｂにある。この逆も可能である。

故に、チャネルＫ１の中心タップＭ１１からＭ４１、並びに、チャネルＫ２のＭ１２からＭ４２では、図５に示される電圧が生じる。ここで、チャネルＫ１及びチャネルＫ２は同時に動作するが、反転してクロックされるので、チャネルの一方は各々の場合にクロック状態Ａにある。この状態では、出力線ＡＬの供給が存在し、且つ、チャージ・ポンプ・キャパシタＣ２及び電圧源Ｑは、出力線ＡＬとグラウンドとの間で直列になるので、供給電圧Ｕｖの約３倍の出力電圧Ｕａが生成されることを、図５は明らかにしている。

図６は、本発明の第３実施形態に従う電源装置を示す。第３実施形態に従う電源装置は、実際の回路として構成された第２実施形態である。第３実施形態の電源装置は、チャネルＫ１のスイッチＳＴ１１からＳＴ７１に加えて、クロック信号ＴＳを送り込まれるドライバー段ＴＲを備える。

さらに、チャネルＫ１のスイッチングトランジスタＳＴ１１からＳＴ７１及びチャネルＫ２のスイッチングトランジスタＳＴ１２からＳＴ７２の制御が示される。ここで、チャネルＫ１における第１のクロック状態Ａ及びチャネルＫ２における第２のクロック状態Ｂ、又は、チャネルＫ１における第２のクロック状態Ｂ及びチャネルＫ２における第１のクロック状態Ａのスイッチ姿勢が交番するように、制御がそれぞれ導出される。

さらに、クロック信号ＴＳは、クロック発生器ＴＧによって生成される。クロック発生器ＴＧは、同期して、クロック状態Ａ及びクロック状態Ｂのクロックサイクルを長く又は短くする。この結果、クロック発生器ＴＧは、出力線ＡＬとグラウンドとの間の負荷から生じる電圧Ｕａを、供給電圧Ｕｖと３倍の電圧Ｕｖとの間の最適レベルへ設定できるようにする。第１のクロック状態Ａ及び第２のクロック状態Ｂのクロックサイクルを変動させることによって、第１のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ１１及びＣ１２、並びに、第２のチャージ・ポンプ・キャパシタＣ２１及びＣ２２について異なる充電時間が生ずる。したがって、それぞれの中心タップＭへ調整される電圧は低くなる。

もし、クロック発生器ＴＧのクロック状態Ａ及びクロック状態Ｂのクロック周期が、出力電圧Ｕａの関数として制御されるならば、電圧０と、電圧Ｕｖの約３倍へ達する最大電圧Ｕａとの間の一定の値へ、出力電圧Ｕａを維持する可能性が存在する。

さらに、第３の実施形態におけるスイッチングトランジスタＳＴ４１及びＳＴ６１、並びに、スイッチングトランジスタＳＴ４２及びＳＴ６２は、スイッチングトランジスタＳＴ４１、ＳＴ４２、ＳＴ６１及びＳＴ６２に関連して説明された機能と同じ機能を有するダイオードによって置換される。

第３の実施形態のチャージポンプ回路Ｌ１及びＬ２の機能に関しては、第２及び第１の実施形態での説明の全体を参照されたい。

Claims (11)

1. 供給電圧（Ｕｖ）を供給する電圧源（Ｑ）と、該電圧源から給電され、出力部（ＡＧ）で出力電圧（Ｕａ）を生成するチャージポンプ回路（Ｌ）と、を備える電源装置であって、
   前記チャージポンプ回路（Ｌ）は、第１のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ１）及び第２のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ２）を備え、
   前記チャージポンプ回路（Ｌ）は、第１のクロック状態（Ａ）と第２のクロック状態（Ｂ）とを交互に示し、
   −前記第１のクロック状態（Ａ）では、前記第１のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ１）は、前記供給電圧（Ｕｖ）とグラウンドとの間で接続されるとともに、前記電圧源（Ｑ）によって前記供給電圧（Ｕｖ）へ充電され、前記第２のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ２）は、前記電圧源（Ｑ）と前記出力部（ＡＧ）との間で直列に接続され、
   −前記第２のクロック状態（Ｂ）では、前記第１のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ１）及び前記第２のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ２）は、直列に接続され、前記第１のクロック状態（Ａ）における前記第１のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ１）の正充電接続が接地され、前記第２のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ２）は、前記電圧源（Ｑ）によって充電されることを特徴とする電源装置。
2. 少なくとも２つの並列動作するチャネル（Ｋ１、Ｋ２）を備え、
   各チャネルは、少なくとも１つのチャージポンプ回路（Ｌ）を有し、
   前記チャネル（Ｋ１、Ｋ２）は、前記出力部（ＡＧ）に交互に供給することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記チャージポンプ回路（Ｌ）は、２つのクロック状態（Ａ、Ｂ）を示し、
   一方のチャネル（Ｋ１）のチャージポンプ回路（Ｌ１）は、常に前記２つのクロック状態（Ａ、Ｂ）のうち１つの状態にあり、
   他方のチャネル（Ｋ２）のチャージポンプ回路（Ｌ２）は常に他のクロック状態（Ｂ、Ａ）にあることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記チャージポンプ回路（Ｌ）は、同期してクロックされることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
5. 前記２つのチャネル（Ｋ１、Ｋ２）の前記チャージポンプ回路（Ｌ１、Ｌ２）は、１つのクロック発生器（ＴＧ）によってクロックされることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電源装置。
6. 前記チャージポンプ回路（Ｌ）は、前記第２のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ２）及び前記電圧源（Ｑ）の直列接続から出力部（ＡＧ）に供給することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電源装置。
7. 前記チャージポンプ回路（Ｌ）は、２つのクロック状態（Ａ、Ｂ）を備えるとともに前記２つのクロック状態（Ａ、Ｂ）のうち１つのクロック状態（Ａ）において前記出力部（ＡＧ）に供給することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電源装置。
8. 前記２つのクロック状態（Ａ、Ｂ）は、同じクロック周期を有することを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
9. 前記チャージポンプ回路（Ｌ）は、前記電圧源（Ｑ）から第１のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ１）を充電するとともに、前記第１のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ１）及び前記電圧源（Ｑ）の直列接続によって第２のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ２）を充電することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電源装置。
10. 前記チャージポンプ回路（Ｌ）は、２つのスイッチ（ＳＴ１、ＳＴ２）を用いて、前記第１のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ１）の第１の接続部（Ｍ１）のプッシュプルステージを、供給線（ＶＬ）及びグラウンドへ交互に接続することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電源装置。
11. ２つのスイッチ（ＳＴ３、ＳＴ５）を有する前記チャージポンプ回路（Ｌ）は、前記第１のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ１）の第２の接続部（Ｍ２）を、グラウンド又は直列の前記第２のチャージ・ポンプ・キャパシタ（Ｃ２）へ交互に接続することを特徴とする請求項１０に記載の電源装置。
    

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