JP6578153B2 - Ic - Google Patents

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Description

本発明は、チャージポンプを備えたIC(Integrated Circuit:半導体集積回路)に関する。
近年、製品の小型化が進み、電源系ICとアナログフロントエンド(AFE:Analog Flont END)ICとを実装基板上の比較的近い位置に配置したり、電源系ICとアナログフロントエンドとを1チップにしたICが求められたりする場合も多くなってきた。
例えば、スキャナの読み取り部ではLEDを発光させるためのLEDドライバ、それを駆動するための電源としてのチャージポンプ回路、及び、センサが読み取ったアナログ信号をデジタルに変換するアナログフロントエンドが、それぞれ実装基板上の比較的近い位置に配置されたり、1チップに搭載されたりする場合もある。
チャージポンプ回路等の電源系ICとしては、特許文献1又は特許文献2等に開示されている。
特開2005−278383号公報 特開2000−166220号公報
一般的に、LEDのような大きな電流を駆動するためのチャージポンプ回路は、その動作タイミングで電源電圧やグランド電位(以下、GND電位ともいう。)を揺らしてしまい、ノイズ源になりやすい。そのため、チャージポンプ回路の近くに配置されたアナログフロントエンド等のアナログ信号を扱うICに影響を与えてしまう場合もある。
特に、負荷駆動の大きなチャージポンプ回路が要求される場合、そのスイッチングノイズが電源電圧やGND電位に表れることがある。アナログフロントエンドとしてのサンプルホールド回路を備える場合、サンプルホールド回路でアナログ信号をサンプリングする場合等に、チャージポンプ回路のスイッチングノイズがアナログ信号のサンプリングタイミングで影響を及ぼし、正しくアナログ信号をサンプリングできなくなる。
そこで本発明は、上述した従来技術の問題を解決することを目的としたものであり、チャージポンプ回路のスイッチング動作が、アナログフロントエンドとしてのサンプルホールド回路に影響を及ぼすことを抑制することにある。
本発明の一態様によるICは、アナログ信号を第1クロック信号でサンプルホールドするサンプルホールド回路と、入力電圧が入力される入力端子及び出力電圧を外部出力する出力端子を有し、前記第1クロック信号と関連した第2クロック信号により動作するチャージポンプ回路と、を備え、前記第1クロック信号は、前記サンプルホールド回路におけるサンプルホールド動作のサンプリングエッジに同期したクロック信号であり、前記第2クロック信号は、前記第1クロック信号から所定時間遅延したクロック信号であって、前記サンプルホールド動作のサンプリングエッジに同期し、前記第1クロック信号よりも周波数の高い第3クロック信号を生成し、前記チャージポンプ回路は、前記第2クロック信号及び前記第3クロック信号に基づいて動作することを特徴としている。
本発明の一態様によれば、チャージポンプ回路のスイッチング動作に伴うノイズの影響を、サンプルホールド回路が受けることを回避することができる。
AFE搭載IC及びチャージポンプ搭載ICの基本的な構成図の一例である。 図1に示すチャージポンプ搭載ICの基本的な構成図の一例である。 本発明の第一実施形態におけるAFE搭載IC及びチャージポンプ搭載ICを含む回路の一例を示す構成図である。 図3に示す回路の各部の信号の状態の一例を示すタイミングチャートである。 AFE装置及びチャージポンプ装置を1チップに搭載した回路の一例を示す構成図である。 図5に示すチャージポンプ装置の一例を示す構成図である。 図6に示すチャージポンプ装置を備える図5に示す回路の各部の信号の状態の一例を示すタイミングチャートである。 図5に示すチャージポンプ装置の他の例を示す構成図である。 図8に示すチャージポンプ装置を備える図5に示す回路の各部の信号の状態の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第二実施形態におけるAFE装置及びチャージポンプ装置を1チップに搭載した回路の一例を示す構成図である。 本発明の第二実施形態におけるチャージポンプ装置の一例を示す構成図である。 図10に示す回路の各部の信号の状態の一例を示すタイミングチャートである。
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態(以下、本実施形態という)について説明する。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
<基本構成及び動作>
まず、アナログフロントエンド(以下、AFEともいう。)を搭載したAFE搭載IC1、また、チャージポンプを搭載したチャージポンプ搭載IC2の回路構成とその動作を説明する。
図1は、AFE搭載IC1及びチャージポンプ搭載IC2の一例を示す構成図である。
AFE搭載IC1は、入力されるアナログ信号をサンプリングし、次段に出力するサンプルホールド回路(SH回路)11aとサンプルホールド回路11aが出力したアナログ信号をデジタル信号に変換して出力するAD変換器(ADC)11bとを備えるAFE11と、外部から供給される外部クロックEXCLKを受けてAFE11に合わせたAFE11での動作クロックとしてのクロックAFECLKを生成するクロック生成回路12と、を有する。
サンプルホールド回路11aは、入力されるアナログ信号のサンプリング及び次段への転送等を行うためのサンプルホールドスイッチ部a1を備えている。サンプルホールドスイッチ部a1が、クロックAFECLKに応じてスイッチング動作することにより、サンプルホールド回路11aでの、アナログ信号をサンプリング及び次段に転送しホールドするサンプルホールド動作が、クロックAFECLKに同期して行われる。
チャージポンプ搭載IC2は、スイッチング部を含むチャージポンプ部21と、チャージポンプ部21でのスイッチング動作に必要な動作クロックとしてのクロックCPCLKを生成する発振回路(OSC:Oscillator)22と、を有し、チャージポンプ部21は入力電圧VINを安定させるための入力キャパシタCINと、入力電圧VINを入力して電荷を蓄えるフライングキャパシタCPNとフライングキャパシタCPNに蓄えられた電荷を蓄える出力キャパシタCOUTと、に接続される。入力キャパシタCINは、図2に示すように入力電圧VINが入力される端子CPINとGND電位との間に接続される。出力キャパシタCOUTは、出力電圧VOUTが出力される出力電圧ノードCPOUTとGND電位との間に接続される。
図2は、図1のチャージポンプ部21の詳細を示す構成図の一例である。
チャージポンプ部21は、フライングキャパシタCPNに電荷を蓄えるためのスイッチであるチャージスイッチS1及びS4と、フライングキャパシタCPNに蓄えられた電荷を出力キャパシタCOUTに転送するためのスイッチであるトランスファースイッチS2及びS3と、これらのスイッチS1〜S4を駆動するドライバ回路Dr1と、を備える。
チャージスイッチS1は入力電圧VINが入力される端子CPINとフライングキャパシタCPNの一端CPとの間に接続される。チャージスイッチS4はフライングキャパシタCPNの他端CNとGND電位との間に接続される。トランスファースイッチS2はフライングキャパシタCPNの一端CPと出力キャパシタCOUTの一端が接続される出力電圧ノードCPOUTとの間に接続される。トランスファースイッチS3は入力電圧VINが入力される端子CPINとフライングキャパシタCPNの他端CNとの間に接続される。
ドライバ回路Dr1は、直列に接続された第一インバータINV1及び第二インバータINV2を備え、クロックCPCLKは第一インバータINV1で反転されてトランスファー信号CLK_TRとして、トランスファースイッチS2及びS3に出力される。第一インバータINV1で反転されたクロックCPCLKは第二インバータINV2で再度反転されて、チャージ信号CLK_CHとして、チャージスイッチS1及びS4に供給される。
図2に示すチャージポンプ部21は、ドライバ回路Dr1により、チャージスイッチS1及びS4をオンし、且つトランスファースイッチS2及びS3をオフすることにより、入力電圧VINをフライングキャパシタCPNに与えて電荷を蓄える。次に、チャージスイッチS1及びS4をオフし、且つトランスファースイッチS2及びS3をオンすることにより、フライングキャパシタCPNに蓄えられた電荷を出力キャパシタCOUTに転送する。上記動作を繰り返すことで、出力電圧ノードCPOUTから出力電圧VOUTとして、2×VINの電圧が出力される。
通常、入力電圧VINは消費電流が大きくなるため、入力電圧VINが入力される端子CPINには、図1に示すチャージポンプ搭載IC2を含む回路を有するシステム内の電源が接続される場合がほとんどである。
ここで、図1に示す回路では、クロックAFECLKとクロックCPCLKとは非同期のクロックであるため、クロックAFECLKの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングと、クロックCPCLKの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングとが同時になることもあり得る。
そのような場合、チャージポンプ部21のスイッチング動作によって発生するノイズが、AFE搭載IC1のサンプルホールド回路11aでのサンプリング終了直前に発生し、正しいアナログ信号をサンプリングできずに、A/D変換の結果にノイズとして表れてしまう可能性がある。
<第一実施形態>
本発明の第一実施形態は、このようなチャージポンプ部21のスイッチング動作によって発生するノイズがサンプルホールド回路11aに作用し、A/D変換の結果にノイズが含まれることを回避することを目的としたものであって、第一実施形態における、AFE搭載IC1とチャージポンプ搭載IC2とを備えた回路は、例えば図3に示す回路構成を有する。
図3は、本発明の第一実施形態におけるAFE搭載IC1とチャージポンプ搭載IC2とを備えた回路の一例を示す構成図である。なお、図1に示すAFE搭載IC1及びチャージポンプ搭載IC2を含む回路と同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
本発明の第一実施形態におけるAFE搭載IC1は、入力されるアナログ信号をサンプリングし、次段に出力するサンプルホールド回路(SH回路)11aと、サンプルホールド回路11aが出力したアナログ信号をデジタル信号に変換する、AD変換器(ADC)11bと、を含むAFE11と、外部から供給される外部クロックEXCLKを受けてAFE11に合わせた動作クロックとしてのクロックAFECLK(第1クロック信号)を生成するクロック生成回路12と、遅延素子13と、を備える。
サンプルホールド回路11aは、入力されるアナログ信号のサンプリング及び次段への転送等を行うためのサンプルホールドスイッチ部a1を備えており、サンプルホールドスイッチ部a1がクロックAFECLKに応じてスイッチング動作することにより、サンプルホールド回路11aでのアナログ信号をサンプリング及び次段に転送しホールドするサンプルホールド動作が、クロックAFECLKに同期して行われる。
遅延素子13は、遅延時間に応じて、例えば複数の遅延素子が直列に接続されてなり、遅延素子13はクロックAFECLKを所定の遅延時間だけ遅延させ、遅延されたクロックAFECLKは、遅延クロックAFECLK_Dとしてチャージポンプ搭載IC2に供給される。
チャージポンプ搭載IC2は、スイッチング部を備えるチャージポンプ部21とスイッチング動作に必要な発振クロックOSCCLKを生成する発振回路(OSC)22と、セレクタ部23とを備える。セレクタ部23は、AFE搭載IC1から出力される遅延クロックAFECLK_D(第2クロック信号)と、発振回路22で生成された発振クロックOSCCLKとを入力し、AFE搭載IC1から遅延クロックAFECLK_Dが入力されている期間、すなわち、AFE搭載IC1が動作している期間は遅延クロックAFECLK_Dを選択し、遅延クロックAFECLK_Dが入力されない期間、すなわちAFE搭載IC1の動作が停止している期間は発振クロックOSCCLKを選択し、選択した信号を動作クロックとしてのクロックCPCLKとしてチャージポンプ部21に出力する。
なお、ここでは、AFE搭載IC1から遅延クロックAFECLK_Dが入力されているか否かを判断することにより、セレクタ部23が遅延クロックAFECLK_Dと発振クロックOSCCLKとを切り替える構成とした場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、外部からAFE搭載IC1のクロック生成回路12に、外部クロックEXCLKが入力されているかを検出するクロック停止検出回路を設け、クロック停止検出回路での判断結果に応じて、セレクタ部23でクロックCPCLKとして、遅延クロックAFECLK_Dと発振クロックOSCCLKとのいずれを選択するかを指示するようにしてもよい。すなわち、外部クロックEXCLKが入力されている期間は、セレクタ部23に対して遅延クロックAFECLK_Dを選択するよう指示し、外部クロックEXCLKが入力されていない期間は、発振クロックOSCCLKを選択するよう指示する。
クロックCPCLKとして、遅延クロックAFECLK_Dと発振クロックOSCCLKとのいずれを出力するかの切り替えは、これに限らず、例えば、レジスタ設定又はPIN設定で切り替えるようにしてもよい。このレジスタ設定又はPIN設定での切り替えは、具体的には、例えば、遅延クロックAFECLK_Dが供給されていない期間、つまりAFE搭載IC1の動作が停止している期間は発振クロックOSCCLKをレジスタ設定又はPIN設定で選択し、AFECLK_Dが供給されている期間、つまりAFE搭載IC1が動作している期間は、遅延クロックAFECLK_Dをレジスタ設定又はPIN設定により選択するように指示を行えばよい。
図4は、図3に示す回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図4のタイミングチャートは、本発明の第一実施形態における、図3に示すAFE搭載IC1とチャージポンプ搭載IC2とを備えた回路において、チャージポンプ搭載IC2のチャージポンプ部21として、図2に示す回路を用いたものである。
図4において、横軸は経過時間を表し、(a)はクロックAFECLK、(b)はAFE11に含まれるサンプルホールド回路11aが、サンプリングフェーズ(Sampling Phase)及びホールドフェーズ(Hold Phase)のいずれの状態にあるか、(c)はクロックCPCLK、(d)はチャージポンプ部21が、チャージフェーズ(Charge Phase)及びトランスファーフェーズ(Transfer Phase)のいずれの状態にあるか、(e)はチャージポンプ部21の出力電圧ノードCPOUTの電圧、(f)はチャージポンプ部21のノイズの発生タイミング、(g)は出力電圧ノードCPOUTから出力される負荷電流を表す。
図4に示すように、AFE搭載IC1に供給するクロックAFECLKがL(Low:ロウ)レベルの時、サンプルホールド回路11aはサンプリングフェーズとなり、入力されるアナログ信号をサンプリングしている状態であり、サンプリングフェーズの終了エッジで、サンプルホールド回路11aがサンプリングするアナログ信号が確定する。AFE搭載IC1に供給するクロックAFECLKがH(High:ハイ)レベルの時、サンプルホールド回路11aはホールドフェーズとなり、サンプルしたアナログ信号を次段のAD変換器11bに出力する。
次に、チャージポンプ部21を駆動させるためのクロックである、クロックCPCLKがHレベルの場合、チャージポンプ部21はチャージフェーズとなり、フライングキャパシタCPNにチャージポンプ部21への入力電圧VINの電荷を蓄える。クロックCPCLKがLレベルの場合、チャージポンプ部21はトランスファーフェーズとなり、フライングキャパシタCPNに蓄積された電荷を出力電圧ノードCPOUTへと転送する。
ここで、従来の図1に示すAFE搭載IC1及びチャージポンプ搭載IC2を備えた回路の場合、AFE11の動作クロックであるクロックAFECLKとチャージポンプ部21の動作クロックであるクロックCPCLKとが非同期だったため、チャージポンプ部21のスイッチング動作(チャージフェーズとトランスファーフェーズ)の切り替わりで発生するノイズが、AFE11のサンプリングフェーズ終了エッジに重なると、サンプルホールド回路11aでは正しいアナログ入力信号をサンプリングできない可能性がある。
しかしながら、図3に示す第一実施形態における回路では、クロックAFECLKに遅延を持たせた遅延クロックAFECK_Dでチャージポンプ部21を動作させることでチャージポンプ部21が発生するノイズの位置を、意図的にサンプルホールド回路11aの動作タイミングとずらすことができる。
ここで、AFEとチャージポンプとが同一の半導体基板に形成されている場合、また、別々のチップとして形成されている場合等であっても、これらチップが近接して配置される場合には、チャージポンプ部21のスイッチングノイズにより生じる、電源電圧やGND電位に揺れやノイズが、AFEに作用する可能性がある。このように、チャージポンプ部21のスイッチングノイズによる、電源電圧やGND電位の揺れやノイズが、AFE搭載IC1に作用したとしても、例えば、図4中の時点t1、t2に示すように、スイッチングノイズの発生タイミングとサンプルホールド回路11aの動作タイミングとがずれているため、AFE11は、チャージポンプ部21のスイッチングノイズによる影響を受けることを回避することができ、サンプルホールド回路11aでは、ノイズの影響を受けることなくサンプリングを行うことができる。
なお、遅延素子13での遅延時間、すなわち、チャージポンプ部21が発生するノイズの位置を意図的にサンプルホールド回路11aの動作タイミングとずらすためのずれに相当する遅延時間は、ノイズによる電源ゆれが十分収まるような遅延時間に設定すればよい。
<第二実施形態>
次に、本発明の第二実施形態を説明する。
第二実施形態は、図5に示すように、チャージポンプ回路を備えた電源回路とアナログフロントエンドとを同一の半導体基板に形成し、これら回路を1チップに搭載したものである。このように、チャージポンプ回路を備えた電源回路とアナログフロントエンドとを1チップに搭載した場合、第一実施形態で説明したようなスイッチングノイズの他にも、別の課題がある。
例えばLEDを駆動するようなチャージポンプ回路では、LEDの順方向電流を確保するために、比較的大きな電位差がLEDのアノード―カソード間に必要となり、また、出力電圧VOUTがシステムの電源電圧の制約をうけたりする。そのため、高耐圧なプロセスを使用することが多い。しかし、アナログフロントエンドを搭載するICの方では一般に高速動作可能なプロセスを使用する。
一般的に高速動作可能なプロセスほど耐圧が低い傾向にあり、チャージポンプ回路とアナログフロントエンドとを1チップに搭載するためには、コストの高いプロセスを選択したり、場合によっては希望の耐圧と速度の両方を満たせるプロセスが存在せず、1チップに搭載することができない場合もしばしば存在する。
図5において、AFE装置1aは、図1に示すAFE搭載IC1に相当し、チャージポンプ装置2aは、図1に示す、フライングキャパシタCPN、入力キャパシタCIN及び出力キャパシタCOUTを含むチャージポンプ搭載IC2に相当している。また、図5に示すチップには、AFE装置1aへのアナログ信号を入力するためのアナログ入力端子Tin、AFE装置1aで変換したデジタル信号を出力するためのアナログ出力端子Tout、外部クロックEXCLKを入力するためのクロック端子Tclk、を備えると共に、チャージポンプ装置2aへの入力電圧VINを入力するための電圧入力端子Tvin、チャージポンプ装置2aの出力電圧VOUTを出力するための電圧出力端子Tvout、を備える。
図6は、図5に示すチャージポンプ装置2aの一例を示す構成図である。なお、図2に示すチャージポンプ部21と同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
図6に示すチャージポンプ装置2aは、入力電圧VINを安定させるための入力キャパシタCINと、入力電圧VINを入力して電荷を蓄えるフライングキャパシタCPNに電荷を蓄えるためのスイッチであるチャージスイッチS1及びS4と、フライングキャパシタCPNに蓄えられた電荷を蓄えて出力電圧として出力する出力キャパシタCOUTに、フライングキャパシタCPNに蓄えられた電荷を転送するためのスイッチであるトランスファースイッチS2及びS3と、これらのスイッチS1〜S4を駆動するドライバ回路Dr2と、出力電圧ノードCPOUTの電圧である出力電圧VOUTを分圧するための分圧抵抗RA及びRBと、基準電圧VREFと出力電圧VOUTを分圧した電圧VFBとを比較するための比較器COMPと、を備えている。
チャージスイッチS1は入力電圧VINとフライングキャパシタCPNの一端CPとの間に接続される。チャージスイッチS4はフライングキャパシタCPNの他端CNとGND電位との間に接続される。トランスファースイッチS2はフライングキャパシタCPNの一端CPと出力キャパシタCOUTの一端が接続される出力電圧ノードCPOUTとの間に接続される。トランスファースイッチS3は入力電圧VINが入力される端子CPINとフライングキャパシタCPNの他端CNとの間に接続される。分圧抵抗RA及びRBは直列に接続されて出力電圧ノードCPOUTとGND電位との間に接続される。
比較器COMPの正転入力端子には分圧抵抗RAとRBとにより分圧された電圧VFBノードが接続され、反転入力端子には基準電圧VREFが接続され、出力端子はドライバ回路Dr2の入力端子に接続される。
ドライバ回路Dr2は、比較器COMPの出力とクロックCPCLKを入力し、否定論理和を出力するNOR回路NORと、NOR回路NORの出力を反転するインバータINVとを備え、NOR回路NORの出力がトランスファー信号CLK_TRとしてトランスファースイッチS2及びS3に供給され、インバータINVの出力がチャージスイッチS1及びS4に供給される。
図6のチャージポンプ装置2aは、ドライバ回路Dr2により、チャージスイッチS1及びS4をオンし、且つトランスファースイッチS2及びS3をオフすることにより、入力電圧VINをフライングキャパシタCPNに与えて電荷を蓄える。次に、チャージスイッチS1及びS4をオフし、且つトランスファースイッチS2及びS3をオンすることにより、フライングキャパシタCPNに蓄えられた電荷を出力キャパシタCOUTに転送する。上記動作を繰り返すことで、出力電圧ノードCPOUTの電圧は上昇していくが、分圧抵抗RA及びRBにより分圧された電圧VFBと、基準電圧VREFとを比較する比較器COMPの出力がHレベルとなると、つまり出力電圧ノードCPOUTの電圧が分圧された電圧VFBが基準電圧VREFよりも大きくなると、チャージスイッチS1及びS4はオンし、且つトランスファースイッチS2及びS3はオフとなるため、それ以上出力電圧ノードCPOUTの電圧は上昇せず、結果的に出力電圧ノードCPOUTの電圧はVREF×(RA+RB)/RBとなる電圧となる。
このように、出力電圧を抵抗分割で分圧し、分圧した電圧と、ある基準電圧とを比較した信号をフィードバックし昇圧動作を制御することで、任意の出力電圧を生成することができる。
この方法を用いれば、例えばICに電源電圧が1系統しか供給されない場合でも、チャージポンプ装置2aの昇圧動作で任意の電源電圧が生成でき、使用するプロセスの耐圧範囲内で高い電源電圧を生成することができる。
しかし、チャージポンプ装置2aとして図6のような任意の出力電圧を生成できる回路を選択した場合、ノイズの問題は単純に解決できない。
図7は、図6に示す構成を有するチャージポンプ装置2aとAFE装置1aとを図5に示すように1チップに搭載した回路における各部のタイミングチャートの一例を示したものである。
図7において、横軸は経過時間を表し、(a)はクロックAFECLK、(b)はAFE装置1aに含まれるサンプルホールド回路11aが、サンプリングフェーズ(Sampling Phase)及びホールドフェーズ(Hold Phase)のいずれの状態にあるか、(c)はクロックCPCLK、(d)はチャージポンプ装置2aが、チャージフェーズ(Charge Phase)及びトランスファーフェーズ(Transfer Phase)のいずれの状態にあるか、(e)は比較器COMPの出力である比較出力DET、(f)はチャージポンプ装置2aの出力電圧ノードCPOUTの電圧、(g)はチャージポンプ装置2aのノイズの発生タイミング、(h)は出力電圧ノードCPOUTから出力される負荷電流を表す。
図6に示すチャージポンプ装置2aは出力電圧ノードCPOUTの電圧である出力電圧VOUTが任意の電圧を超えないようにするための比較器COMPを備える。そのため、比較器COMPの出力である比較出力DETは、図7に示すように、例えば時点t11で出力電圧ノードCPOUTの電圧が任意の電圧MAXを超えた直後に切り替わり、チャージポンプ装置2aは直ちにスイッチング動作を行う。
このように図6に示すチャージポンプ装置2aの場合、出力電圧ノードCPOUTの電圧を任意の電圧にコントロールするための比較器COMPの出力である比較出力DETがAFE装置1aの動作クロックであるクロックAFECLKとは非同期で動作し、チャージポンプ装置2aのスイッチング動作がAFE装置1aのサンプリングフェーズ終了エッジに重なる可能性があり、正しいアナログ入力信号がサンプリングできない可能性がある。
そこで、チャージポンプ装置2bは、図8に示すように、D型フリップフロップDFFを、ドライバ回路Dr2のNOR回路NORと比較器COMPとの間に設け、図6の比較器COMPの出力である比較出力DET1と、クロックCPCLK、すなわち遅延クロックAFECK_Dとで同期をとるように構成し、D型フリップフロップDFFから出力される、クロックCPCLKと同期した比較出力DET1である比較出力DET2と、クロックCPCLKとをNOR回路NORに入力することで、AFE装置1aの動作クロックであるクロックAFECLKとチャージポンプ装置2bのスイッチング動作との切り替わりが、比較器COMPの出力タイミングも含めて同期され、且つ遅延を持っているため、チャージポンプ装置2bのスイッチング動作で発生するノイズがAFE装置1aに影響することを回避することができる。
しかしながら、図8のような比較器COMPの出力を同期化するためのD型フリップフロップDFFを備えたチャージポンプ装置2bの場合、別な問題が生じる。この問題を、図9に示すタイミングチャートを伴って説明する。
ここで、比較器COMPの出力信号を比較出力DET1、比較出力DET1を入力としたD型フリップフロップDFFの出力信号を比較出力DET2とする。
図9において、横軸は経過時間を表し、(a)はクロックAFECLK、(b)はAFE装置1aに含まれるサンプルホールド回路が、サンプリングフェーズ(Sampling Phase)及びホールドフェーズ(Hold Phase)のいずれの状態にあるか、(c)はクロックCPCLK、(d)はチャージポンプ装置2bが、チャージフェーズ(Charge Phase)及びトランスファーフェーズ(Transfer Phase)のいずれの状態にあるか、(e)は比較器COMPの出力である比較出力DET1、(f)はD型フリップフロップDFFの出力信号である比較出力DET2、(g)はチャージポンプ装置2aの出力電圧ノードCPOUTの電圧、(h)はチャージポンプ装置2aのノイズの発生タイミング、(i)は出力電圧ノードCPOUTから出力される負荷電流を表す。
図9のタイミングチャートに示すように、時点t21で出力電圧ノードCPOUTの電圧である出力電圧VOUTが任意の電圧を超えることに伴い、比較器COMPから出力される比較出力DET1が変化した場合、この比較出力DET1が変化した時点t21から、D型フリップフロップDFFの出力である比較出力DET2が変化する時点t22までに時間がかかり、場合によっては出力電圧VOUTが使用するプロセスの耐圧を超えてしまう可能性がある。
そこで本発明の第二実施形態として、図10に示す、AFE装置1a及びチャージポンプ装置2cが1チップに搭載された回路を提案する。なお、チャージポンプ装置2cは、図11に示す回路構成を有する。
図10に示す、第二実施形態における回路は、AFE装置1aと、チャージポンプ装置2cと、遅延調整素子15と、を備える。
AFE装置1aは、アナログ信号をサンプルし、次段に出力するサンプルホールド回路(SH回路)11aと、サンプルホールド回路11aが出力したアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器(ADC)11bとを備えたAFE11と、クロックを生成するクロック生成回路12aと、を備える。
サンプルホールド回路11aは、入力されるアナログ信号のサンプリング及び次段への転送等を行うためのサンプルホールドスイッチ部a1を備えている。サンプルホールドスイッチ部a1がクロックAFECLK(第1クロック信号)に応じてスイッチング動作することにより、サンプルホールド回路11aにおける、アナログ信号をサンプリング及び次段に転送しホールドするサンプルホールド動作が、クロックAFECLKに同期して行われる。
クロック生成回路12aは外部から供給される外部クロックEXCLKを受けてAFE11に合わせたクロックAFECLKを生成するとともに、このクロックAFECLKのn(nは正の整数)倍の周波数を有するクロック信号を生成する。
チャージポンプ装置2cは、遅延調整素子15から、第一遅延クロックAFECLK_D1(第2クロック信号)及び第二遅延クロックAFECLK_D2(第3クロック信号)を入力すると共に、入力電圧VINを受けて昇圧動作を行い昇圧した出力電圧VOUTを出力するチャージポンプ部21を備える。
遅延調整素子15は、例えば、複数の遅延素子が直列に接続されてなる第一遅延調整素子15aと、同様に複数の遅延素子が直列に接続されてなる第二遅延調整素子15bとを備える。
第一遅延調整素子15aは、クロック生成回路12で生成したクロックAFECLKを所定時間遅延させ、第一遅延クロックAFECLK_D1としてチャージポンプ装置2cに出力する。
第二遅延調整素子15bは、クロック生成回路12で生成したクロックAFECLKのn倍の周波数を有するクロックを、第一遅延クロックAFECLK_D1と同一時間だけ遅延させ、第二遅延クロックAFECLK_D2としてチャージポンプ装置2cに出力する。これら第一遅延クロックAFECLK_D1、第二遅延クロックAFECLK_D2は、チャージポンプ装置2cの動作クロックとなる。
また、図10に示すチップは、AFE装置1aへのアナログ信号を入力するためのアナログ入力端子Tin、AFE装置1aで変換したデジタル信号を出力するためのアナログ出力端子Tout、外部クロックEXCLKを入力するためのクロック端子Tclk、を備えると共に、チャージポンプ装置2cへの入力電圧VINを入力するための電圧入力端子Tvin、チャージポンプ装置2cの出力電圧VOUTを出力するための電圧出力端子Tvout、を備える。
次に図11を伴って、チャージポンプ装置2cについて説明する。
チャージポンプ装置2cは、チャージポンプを動作させるための従来の動作クロックに相当する第一遅延クロックAFECLK_D1と、チャージポンプ装置2cにおける昇圧動作を停止させるのに十分高速な第二遅延クロックAFECLK_D2とを用いる。
第一遅延クロックAFECLK_D1と第二遅延クロックAFECLK_D2とはクロックAFECLK(アナログ信号のサンプリングエッジ)に同期した信号である。
図11に示すように、チャージポンプ装置2cは、入力電圧VINを安定させるための入力キャパシタCINと、入力電圧VINを入力して電荷を蓄えるフライングキャパシタCPNと、フライングキャパシタCPNに電荷を蓄えるためのスイッチであるチャージスイッチS1及びS4と、フライングキャパシタCPNに蓄えられた電荷を蓄えて出力電圧として出力する出力キャパシタCOUTと、フライングキャパシタCPNに蓄えられた電荷を出力キャパシタCOUTに転送するためのスイッチであるトランスファースイッチS2及びS3と、これらのスイッチS1〜S4を駆動する制御部31及び32と、を備え、さらに、出力電圧ノードCPOUTの電圧を分圧する分圧抵抗RA及びRBと、分圧抵抗RA及びRBで分圧された電圧VFBと基準電圧VREFとを比較する比較器COMPとを備える。
チャージスイッチS1は入力電圧VINが入力される端子CPINとフライングキャパシタCPNの一端CPとの間に接続される。チャージスイッチS4はフライングキャパシタCPNの他端CNとGND電位との間に接続される。トランスファースイッチS2はフライングキャパシタCPNの一端CPと出力キャパシタCOUTの一端が接続される出力電圧ノードCPOUTとの間に接続される。トランスファースイッチS3は入力電圧VINが入力される端子CPINとフライングキャパシタCPNの他端CNとの間に接続される。
制御部31は、第一遅延クロックAFECLK_D1、第二遅延クロックAFECLK_D2、及び、比較器COMPの比較出力DETに基づいて、フライングキャパシタCPNに入力電圧VINの電圧をチャージするためのスイッチS1、S4を制御する。制御部32は、第一遅延クロックAFECLK_D1、及び、比較器COMPの出力である比較出力DETとに基づいて、出力キャパシタCOUTに、フライングキャパシタCPNにチャージされた電荷を転送するためのスイッチS2、S3を制御する。
比較器COMPは、分圧抵抗RA及びRBで分圧された電圧VFBが基準電圧VREFを上回るときHレベルとなる比較出力DETを出力する。
図12は、図11に示すチャージポンプ装置2cの各部の信号を表すタイミングチャートを示す。
図12において、横軸は経過時間を表し、(a)はクロックAFECLK、(b)はAFE11に含まれるサンプルホールド回路11aが、サンプリングフェーズ(Sampling Phase)及びホールドフェーズ(Hold Phase)のいずれの状態にあるか、(c)は第一遅延クロックAFECLK_D1、(d)は第二遅延クロックAFECLK_D2、(e)は比較器COMPの比較出力DET、(f)はチャージを行うためのスイッチS1、S4に供給されるチャージ信号CLK_CH、(g)はチャージ電圧の転送を行うためのスイッチS2、S3に供給されるトランスファー信号CLK_TR、(h)はチャージポンプ装置2cが、チャージフェーズ(Charge Phase)及びトランスファーフェーズ(Transfer Phase)のいずれの状態にあるか、(i)は出力電圧ノードCPOUTの電圧、(j)はチャージポンプ装置2cのノイズの発生タイミング、(k)は出力電圧ノードCPOUTから出力される負荷電流を表す。
分圧電圧VFBが任意の基準電圧VREFを下回る場合、つまり比較器COMPの出力である比較出力DETがLレベルである期間、チャージポンプ装置2cはクロックAFECLKを所定時間遅延させたクロックAFECLKと同期した第一遅延クロックAFECLK_D1で動作する。そのため、チャージポンプ装置2cのスイッチングノイズはアナログ信号のサンプリングには影響を与えない。
一方、分圧電圧VFBが任意の基準電圧VREFを上回る場合、つまり比較器COMPの出力である比較出力DETがHレベルの期間は、制御部31、制御部32はスイッチS1、S2、S3、S4に供給されるチャージ信号CLK_CH及びトランスファー信号CLK_TRの動作を制限する。
具体的には、フライングキャパシタCPNに入力電圧VINの電圧をチャージするためのスイッチS1、S4に供給されるチャージ信号CLK_CHは、例えば図12の時点31で比較器COMPの比較出力DETがHレベルになり、第一遅延クロックAFECLK_D1が最初の立下りエッジとなる時点t33以降ではHレベルに固定され、フライングキャパシタCPNに入力電圧VINの電圧をチャージし続ける。
出力キャパシタCOUTに、フライングキャパシタCPNにチャージされた電荷を転送するためのスイッチS2、S3に供給されるトランスファー信号CLK_TRは、比較器COMPの比較出力DETが時点t31でHレベルになり、高速な第二遅延クロックAFECLK_D2の最初の立下りエッジとなる時点t32以降では、Lレベルに固定され、出力キャパシタCOUTへのフライングキャパシタCPNにチャージされた電荷の転送は行われない。
比較器COMPの比較出力DETが時点t34でLレベルに戻ると、第一遅延クロックAFECLK_D1の次の立上りタイミング(時点t35)から、チャージ信号CLK_CH及びトランスファー信号CLK_TRとも昇圧動作を開始する。
このように、比較器COMPの比較出力DETを高速の第二遅延クロックAFECLK_D2に同期させてフィードバックすることにより、チャージポンプ装置2cの昇圧動作により出力電圧ノードCPOUTの電圧が設定電圧よりも上がりすぎることを防ぐことが可能であり且つ、クロックAFECLKと同期した第一遅延クロックAFECLK_D1をチャージポンプ装置2cの動作クロックとすることで、チャージポンプ装置2cのスイッチングノイズの発生タイミングとAFE11のアナログ信号のサンプリングエッジとが一致することを回避することが可能になり、且つAFE11と同期した高速の第二遅延クロックAFECLK_D2で比較器COMPの比較出力DETを同期することにより過昇圧になるのを防ぐことが可能になる。
したがって、この第二実施形態における回路では、仮に、チャージポンプ装置2cのスイッチングノイズにより、電源電圧やGND電位に揺れやノイズが現れ、この電源電圧やGND電位の揺れやノイズが同一チップに搭載されているAFE11に作用したとしても、AFE11は、チャージポンプ装置2cのスイッチングノイズによる影響を受けることを回避することができるため、サンプルホールド回路11aでは、ノイズの影響を受けることなくサンプリングを行うことができると共に、チャージポンプ装置2cにおいて過昇圧が生じることを的確に回避することができる。
なお、上記各実施形態においては、チャージポンプ側で用いる動作クロックとしてのクロックCPCLK、或いは、第一遅延クロックAFECLK_D1を、クロックAFECLKに基づき生成する場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば、クロックAFECLKの元となる、外部クロックEXCLKから直接生成するようにしてもよい。
ここで、上記実施形態において、クロックAFECLK、第一遅延クロックAFECLK_D1が第1クロック信号に対応し、クロックCPCLKが第2クロック信号に対応し、フライングキャパシタCPN、入力キャパシタCIN及び出力キャパシタCOUTを含むチャージポンプ搭載IC2、チャージポンプ装置2cがチャージポンプ回路に対応している。また、チャージスイッチS1及びS4、トランスファースイッチS2及びS3がスイッチング部に対応し、第二遅延クロックAFECLK_D2が第3クロック信号に対応し、分圧抵抗RA及びRBが出力電圧検出部に対応し、基準電圧VREFが閾値電圧に対応している。
なお、本発明は、以上に記載した実施形態に限定されるものではない。その技術適思想の範囲内において、当業者の知識に基づいて実施形態に設計の変更等を加えてもよく、そのような変更が加えられた態様も本発明の範囲に含まれる。
また、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
1 AFE搭載IC
1a AFE装置
2 チャージポンプ搭載IC
2a〜2c チャージポンプ装置
11 AFE(アナログフロントエンド)
11a サンプルホールド回路
12、12a クロック生成回路
13 遅延素子
15 遅延調整素子
15a 第一遅延調整素子
15b 第二遅延調整素子
21 チャージポンプ部
22 発振回路
31、32 制御部
CIN 入力キャパシタ
COUT 出力キャパシタ
CPN フライングキャパシタ
COMP 比較器
RA、RB 分圧抵抗
S1、S4 チャージスイッチ
S2、S3 トランスファースイッチ

Claims (4)

  1. アナログ信号を第1クロック信号でサンプルホールドするサンプルホールド回路と、
    入力電圧が入力される入力端子及び出力電圧を外部出力する出力端子を有し、前記第1クロック信号と関連した第2クロック信号により動作するチャージポンプ回路と、
    を備え
    前記第1クロック信号は、前記サンプルホールド回路におけるサンプルホールド動作のサンプリングエッジに同期したクロック信号であり、
    前記第2クロック信号は、前記第1クロック信号から所定時間遅延したクロック信号であって、
    前記サンプルホールド動作のサンプリングエッジに同期し、前記第1クロック信号よりも周波数の高い第3クロック信号を生成し、
    前記チャージポンプ回路は、前記第2クロック信号及び前記第3クロック信号に基づいて動作するIC。
  2. 前記サンプルホールド回路及び前記チャージポンプ回路は、同一半導体基板に形成される請求項1に記載のIC。
  3. 前記チャージポンプ回路は、前記第2クロック信号に応じて動作するスイッチング部を有し、
    前記サンプルホールド回路は、前記第1クロック信号に応じて動作するサンプルホールドスイッチ部を有し、
    前記スイッチング部が動作するタイミングが、前記サンプルホールドスイッチ部が動作するタイミングからずれたタイミングとなるように、前記第1クロック信号に関連した第2クロック信号が生成される請求項1又は請求項2に記載のIC。
  4. 前記チャージポンプ回路は、前記出力電圧を検出する出力電圧検出部と、当該出力電圧検出部で検出した電圧と閾値電圧とを比較する比較器と、を有し、
    前記比較器の比較結果を前記第3クロック信号に同期させて、フィードバック制御される請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のIC。
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