JP7191124B2 - Charge pump circuit and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、チャージポンプ回路及びそれを備える半導体装置に関する。 The present invention relates to a charge pump circuit and a semiconductor device having the same.
入力端子の入力電圧を昇圧した出力電圧を出力端子に得る回路として、特開2009-183111号公報(特許文献1)に記載されたチャージポンプ回路が公知である。チャージポンプ回路は、入力端子及び出力端子の間に複数のスイッチ素子(特許文献1での駆動トランジスタT1,T4)を直列接続するとともに、複数のスイッチ素子のオンオフの切り替えを繰り返す。具体的には、一部のスイッチ素子がオンされる一方で残りのスイッチ素子がオフされる第1の期間において入力電圧によってキャパシタを充電し、複数のスイッチ素子のオンオフを入れ替えた第2の期間において、入力電圧とキャパシタ電圧との和が出力電圧に印加されることによって、昇圧動作が実現される。 A charge pump circuit described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-183111 (Patent Document 1) is known as a circuit that obtains an output voltage obtained by boosting an input voltage of an input terminal at an output terminal. The charge pump circuit connects a plurality of switch elements (drive transistors T1 and T4 in Patent Document 1) in series between an input terminal and an output terminal, and repeats on/off switching of the plurality of switch elements. Specifically, the capacitor is charged with the input voltage in the first period in which some of the switch elements are turned on while the remaining switch elements are turned off, and the on/off state of the plurality of switch elements is switched in the second period. , the boosting operation is realized by applying the sum of the input voltage and the capacitor voltage to the output voltage.
このようなチャージポンプ回路において、出力端子が地絡した場合に、入力端子から出力端子へと至る経路の複数のスイッチ素子がオンすることで過電流が発生してしまう。このような過電流を防止するために、特許文献1では、出力端子が地絡した場合に、入力端子から出力端子に接続された複数のスイッチ素子(P型トランジスタ)のゲートに対して、出力電圧の低下に応じてターンオンされる保護トランジスタによって、オフ電圧(電源電圧Vdd)を強制的に入力する回路構成が記載されている。
In such a charge pump circuit, when the output terminal is grounded, a plurality of switch elements in the path from the input terminal to the output terminal are turned on, causing an overcurrent. In order to prevent such an overcurrent, in
しかしながら、特許文献1では、複数のスイッチ素子が強制的にターンオフされても、各スイッチ素子(P型トランジスタ)の寄生ダイオードを介して、入力端子及び出力端子の間に電流経路が形成されるため、入力端子から出力端子への過電流の発生を防止することが困難である。特許文献1では、各スイッチ素子のバックゲートに保護抵抗を接続することで、寄生ダイオードを介した電流経路での電流量を抑制しているが、当該電流経路は継続的に形成されることが懸念される。
However, in
又、特許文献1では、保護トランジスタを経由して複数のスイッチ素子の各ゲートへ供給されるオフ電圧は、入力端子に印加される電源電圧と共通である。従って、出力端子に地絡が発生した場面では、複数のスイッチ素子の上記寄生ダイオードを流れる電流によって当該電源電圧が低下することで、複数のスイッチ素子のゲート電圧が低下することが懸念される。通常、入力端子及び出力端子間の複数のスイッチ素子のサイズは、電流駆動能力を確保するために大きく設計されるため、寄生ダイオードによる電圧低下も大きくなる傾向にある。このため、保護トランジスタによって供給されるゲート電圧の低下によって、複数のスイッチ素子による電流経路の遮断が不十分となることも懸念される。
Further, in
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、出力端子が地絡した場合において、入力端子から出力端子への過電流の発生を防止することが可能なチャージポンプ回路の構成を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to prevent an overcurrent from flowing from an input terminal to an output terminal when the output terminal is grounded. It is another object of the present invention to provide a configuration of a charge pump circuit capable of
本発明のある局面では、入力電圧を昇圧した出力電圧を発生するチャージポンプ回路は、入力電圧が入力される入力端子と、出力電圧を出力する出力端子と、複数の第1のP型トランジスタと、複数のスイッチ駆動回路と、キャパシタと、電圧選択回路と、バックゲート切断スイッチ素子と、バックゲート切断スイッチ駆動回路とを備える。複数の第1のP型トランジスタは、入力端子及び出力端子の間に直列に接続され、複数のスイッチ素子をそれぞれ構成する。複数のスイッチ駆動回路は、互いに相補の第1及び第2のクロックの一方のクロックに従って、複数の第1のP型トランジスタの各々の制御電極に対して基準電圧及び出力電圧の一方を選択的に出力して、複数のスイッチ素子のオンオフをそれぞれ制御する。キャパシタは、第1及び第2の端子を有し、第1の端子は、複数のスイッチ素子のうちの隣接する2個のスイッチ素子の接続点に接続される。電圧選択回路は、第1又は第2のクロックに従って、キャパシタの第2の端子に、基準電圧及び入力電圧の一方を選択的に出力する。バックゲート切断スイッチ素子は、複数の第1のP型トランジスタのうちの少なくとも1つの第1のP型トランジスタにおけるバックゲートと、当該第1のP型トランジスタの2個の主電極のうちの出力端子側の主電極との間に接続される。バックゲート切断スイッチ駆動回路は、出力電圧の低下時にバックゲート切断スイッチ素子をオンからオフに変化させる。バックゲート切断スイッチ素子を構成する第2のP型トランジスタは、第1のP型トランジスタにおけるバックゲートと接続される第1の主電極と、第1のP型トランジスタの出力端子側の主電極と接続された第2の主電極とを有する。第2のP型トランジスタにおけるバックゲートは、第1の主電極と接続される。複数のスイッチ駆動回路のうちの、バックゲート切断スイッチ素子が接続された少なくとも第1のP型トランジスタに対応する、少なくとも1つの第1のスイッチ駆動回路は、出力電圧が低下したときに、出力電圧に代えて入力電圧を当該第1のP型トランジスタにおける制御電極に対して選択的に出力する。 In one aspect of the present invention, a charge pump circuit that boosts an input voltage to generate an output voltage includes an input terminal to which the input voltage is input, an output terminal to output the output voltage, and a plurality of first P-type transistors. , a plurality of switch drive circuits, a capacitor, a voltage selection circuit, a backgate disconnect switch element, and a backgate disconnect switch drive circuit. A plurality of first P-type transistors are connected in series between the input terminal and the output terminal, and constitute a plurality of switch elements, respectively. The plurality of switch drive circuits selectively apply one of the reference voltage and the output voltage to the control electrode of each of the plurality of first P-type transistors according to one of complementary first and second clocks. output to control on/off of a plurality of switch elements. The capacitor has first and second terminals, and the first terminal is connected to a connection point between two adjacent switch elements among the plurality of switch elements. The voltage selection circuit selectively outputs one of the reference voltage and the input voltage to the second terminal of the capacitor according to the first or second clock. The backgate disconnecting switch element includes a backgate of at least one first P-type transistor among the plurality of first P-type transistors and an output terminal of the two main electrodes of the first P-type transistor. connected between the main electrodes on the side. The back gate disconnect switch drive circuit changes the back gate disconnect switch element from on to off when the output voltage drops. The second P-type transistor constituting the backgate disconnecting switch element has a first main electrode connected to the backgate of the first P-type transistor and a main electrode on the output terminal side of the first P-type transistor. and a connected second main electrode. A back gate of the second P-type transistor is connected to the first main electrode. Of the plurality of switch drive circuits, at least one first switch drive circuit corresponding to at least the first P-type transistor to which the back gate disconnecting switch element is connected is configured to reduce the output voltage when the output voltage drops. instead of selectively outputting the input voltage to the control electrode of the first P-type transistor.
上記チャージポンプ回路によれば、出力端子が地絡して出力電圧が低下した場合にも、第1のスイッチ駆動回路による第1のP型トランジスタのゲートへの入力電圧の供給と、第2のP型トランジスタに形成される寄生ダイオードによって、入力端子から出力端子への電流経路が継続的に形成されることを回避できるので、過電流の発生を防止することができる。 According to the above charge pump circuit, even when the output terminal is grounded and the output voltage drops, the input voltage is supplied to the gate of the first P-type transistor by the first switch driving circuit, and the second Since the parasitic diode formed in the P-type transistor can avoid the continuous formation of a current path from the input terminal to the output terminal, the occurrence of overcurrent can be prevented.
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一又は相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Below, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are given to the same or corresponding parts in the drawings, and the description thereof will not be repeated in principle.
実施の形態1.
(比較例の説明)
まず、一般的なチャージポンプ回路の構成を、本実施の形態の比較例として説明する。
(Description of Comparative Example)
First, the configuration of a general charge pump circuit will be described as a comparative example of this embodiment.
図1は、比較例に係るチャージポンプ回路の構成を説明する回路図である。以下の説明で明らかになるように、比較例に係るチャージポンプ回路100の基本的な回路動作(昇圧動作)は、後述する本実施の形態に係るチャージポンプ回路と同様であるが、比較例に係るチャージポンプ回路100は、出力端子の地絡時における短絡電流の遮断機能について、特許文献1と同様の課題を有するものである。
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating the configuration of a charge pump circuit according to a comparative example. As will be clear from the following description, the basic circuit operation (boosting operation) of the
図1を参照して、比較例に係るチャージポンプ回路100は、入力端子5と、出力端子10と、入力端子5及び出力端子10の間に直列接続された「複数のスイッチ素子」を構成するPチャネル型(単に、P型とも称する)のトランジスタPMOS5,PMOS6と、スイッチ駆動回路11,12と、インバータ20と、インバータ駆動回路13,14と、キャパシタC1とを備える。以下では、入力端子5の電圧を入力電圧VIN、出力端子10の電圧を出力電圧VOUTと称する。
Referring to FIG. 1, a
図1中に示されたクロック信号CLK1~CLK4の各々は、チャージポンプ回路100の動作期間において、論理ハイレベル(以下、「Hレベル」と表記)、及び、論理ローレベル(以下、「Lレベル」と表記)を一定周期で繰り返す。 Each of clock signals CLK1-CLK4 shown in FIG. ”) is repeated at regular intervals.
トランジスタPMOS5は、入力端子5と接続されたノードNp0と、ノードNp1との間に電気的に接続される。トランジスタPMOS5のゲートは、スイッチ駆動回路11の出力ノードN3と接続される。トランジスタPMOS5は、バックゲートをノードNp1と接続することにより、図1に示した極性の寄生ダイオードD9を有する。
Transistor PMOS5 is electrically connected between node Np0 connected to
トランジスタPMOS6は、ノードNp1と、出力端子10と接続されたノードNp2との間に電気的に接続される。トランジスタPMOS6のゲートは、スイッチ駆動回路12の出力ノードN4と接続される。トランジスタPMOS6は、バックゲートをノードNp2と接続することにより、図1に示した極性の寄生ダイオードD10を有する。
Transistor PMOS6 is electrically connected between node Np1 and node Np2 connected to output terminal . The gate of transistor PMOS6 is connected to output node N4 of
スイッチ駆動回路11は、ノードNp2及び接地ノードNgの間にノードN3を介して直列接続された、P型のトランジスタPMOS1及びNチャネル型(単に、N型とも称する)のトランジスタNMOS1を有する。トランジスタPMOS1及びNMOS1のゲートには、クロック信号CLK1が共通に入力される。接地ノードNgは、基準電圧(代表的には、接地電圧GND)を供給する。
The
同様に、スイッチ駆動回路12は、ノードNp2及び接地ノードNgの間にノードN4を介して直列接続された、P型のトランジスタPMOS2及びN型のトランジスタNMOS2を有する。トランジスタPMOS2及びNMOS2のゲートには、クロック信号CLK2が共通に入力される。
Similarly, the
スイッチ駆動回路11,12は、出力電圧VOUT及び接地電圧GNDを電源として、クロック信号CLK1,CLK2を入力とするインバータを構成している。トランジスタPMOS1及びNMOS1は、バックゲートをノードNp2及び接地ノードNgとそれぞれ接続することにより、図1に示した極性の寄生ダイオードD1及びD2を有する。同様に、トランジスタPMOS2及びNMOS2は、バックゲートをノードNp2及び接地ノードNgとそれぞれ接続することにより、図1に示した極性の寄生ダイオードD3及びD4を有する。
The
インバータ20は、ノードNp0(入力電圧VIN)及び接地ノードNg(接地電圧GND)の間にノードN2を介して直列接続された、P型のトランジスタPMOS7及びN型のトランジスタNMOS5を有する。ノードN2は、キャパシタC1を経由して、ノードNp1と接続される。
The
トランジスタPMOS7のゲートは、クロック信号CLK3を入力されるインバータ駆動回路13の出力ノードと接続される。トランジスタNMOS5のゲートは、クロック信号CLK4を入力されるインバータ駆動回路14の出力ノードと接続される。トランジスタPMOS7及びNMOS5は、バックゲートをノードNp0及び接地ノードNgとそれぞれ接続することにより、図1に示した極性の寄生ダイオードD11及びD12を有する。
The gate of transistor PMOS7 is connected to the output node of
インバータ駆動回路13は、ノードNp0(入力電圧VIN)及び接地ノードNg(接地電圧GND)の間に、トランジスタPMOS7のゲートと接続される出力ノードを介して直列接続された、P型のトランジスタPMOS3及びN型のトランジスタNMOS3を有する。トランジスタPMOS3及びNMOS3のゲートには、クロック信号CLK3が共通に入力される。
The
同様に、インバータ駆動回路14は、ノードNp0(入力電圧VIN)及び接地ノードNg(接地電圧GND)の間に、トランジスタNMOS5のゲートと接続される出力ノードを介して直列接続された、P型のトランジスタPMOS4及びN型のトランジスタNMOS4を有する。トランジスタPMOS4及びNMOS4のゲートには、クロック信号CLK4が共通に入力される。
Similarly, the
インバータ駆動回路13,14は、入力電圧VIN及び接地電圧GNDを電源として、クロック信号CLK3,CLK4を入力とするインバータを構成している。トランジスタPMOS3及びNMOS3は、バックゲートをノードNp0及び接地ノードNgとそれぞれ接続することにより、図1に示した極性の寄生ダイオードD5及びD6を有する。同様に、トランジスタPMOS4及びNMOS4は、バックゲートをノードNp0及び接地ノードNgとそれぞれ接続することにより、図1に示した極性の寄生ダイオードD7及びD8を有する。
The
図2は、チャージポンプ回路100に入力されるクロック信号CLK1~CLK4の波形図である。
FIG. 2 is a waveform diagram of clock signals CLK1 to CLK4 input to the
図2を参照して、クロック信号CLK1と、クロック信号CLK2~CLK4とは、逆相であり、クロック信号CLK2~CLK4は同相である。但し、クロック信号CLK1~CLK4のエッジ間には、複数のトランジスタの同時導通による貫通電流を防止するための時間差(いわゆる、デッドタイム相当)が設けられる。 Referring to FIG. 2, clock signal CLK1 and clock signals CLK2-CLK4 are in opposite phase, and clock signals CLK2-CLK4 are in phase. However, between the edges of the clock signals CLK1 to CLK4, a time difference (so-called dead time equivalent) is provided to prevent through current due to simultaneous conduction of a plurality of transistors.
例えば、互いに逆相の基準クロックCLKa,CLKbに対して上記デッドタイムを不付与することによって、クロック信号CLK1~CLK4を生成することが可能である。尚、当該デッドタイムは、通常、数(ns)~数十(ns)程度であるが、図2中では、クロック周期に対して誇張して表記されている。 For example, the clock signals CLK1 to CLK4 can be generated by not giving the dead time to the reference clocks CLKa and CLKb having phases opposite to each other. Although the dead time is usually several (ns) to several tens (ns), it is exaggerated with respect to the clock period in FIG.
図3には、チャージポンプ回路100の昇圧動作を説明する図表が示される。チャージポンプ回路100は、相補である基準クロックCLKa及びCLKbに基づくクロック信号CLK1~CLK4に従って、図3に示される状態1及び状態2を交互に繰り返す。
FIG. 3 shows a chart for explaining the boosting operation of the
図3及び図1を参照して、状態1では、基準クロックCLKa(クロック信号CLK1)がHレベルである一方で、基準クロックCLKb(クロック信号CLK2~CLK4)はLレベルである。従って、スイッチ駆動回路11は、ノードN3にLレベル電圧(接地電圧GND)を出力する。一方で、スイッチ駆動回路12は、ノードN4にHレベル電圧(出力電圧VOUT)を出力する。この結果、複数のスイッチ素子については、トランジスタPMOS5がオンする一方で、トランジスタPMOS6はオフする。
3 and 1, in
又、インバータ駆動回路13及び14が入力電圧VINを出力するため、トランジスタPMOS7がオフする一方で、トランジスタNMOS5がオンする。従って、インバータ20は、ノードN2を接地ノードNgと接続する。この結果、状態1では、ノードNp1は、入力端子5(入力電圧VIN)と接続される一方で、出力端子10からは切り離される。更に、キャパシタC1は、ノードNp1及び接地ノードNgの間に接続されることにより、入力電圧VINにより充電される。従って、キャパシタ電圧V(C1)=VINとなる。
Further, since the
これに対して、状態2では、クロック信号CLK1(基準クロックCLKa)がLレベルである一方で、クロック信号CLK2~CLK4(基準クロックCLKb)はHレベルである。従って、ノードN3、即ち、トランジスタPMOS5のゲート電圧が出力電圧VOUT、ノードN4、即ち、トランジスタPMOS6のゲート電圧が接地電圧GNDとなる。これにより、複数のスイッチ素子では、トランジスタPMOS6がオンする一方で、トランジスタPMOS5はオフされる。 In contrast, in state 2, clock signal CLK1 (reference clock CLKa) is at L level, while clock signals CLK2 to CLK4 (reference clock CLKb) are at H level. Therefore, the node N3, that is, the gate voltage of the transistor PMOS5 becomes the output voltage VOUT, and the node N4, that is, the gate voltage of the transistor PMOS6 becomes the ground voltage GND. As a result, in the plurality of switch elements, the transistor PMOS6 is turned on, while the transistor PMOS5 is turned off.
又、インバータ駆動回路13及び14が接地電圧GNDを出力するため、トランジスタPMOS7がオンする一方で、トランジスタNMOS5がオフする。従って、インバータ20は、ノードN2をノードNp0と接続する。この結果、状態2では、ノードNp1は、入力端子5(入力電圧VIN)と切り離される一方で、出力端子10と接続される。更に、キャパシタC1は、入力端子5(ノードNp0)及びノードNp1の間に接続される。従って、出力端子10での出力電圧VOUTは、入力電圧VINと、キャパシタ電圧V(C1)との和、即ち、入力電圧VINの2倍となる。
Further, since the
チャージポンプ回路100は、クロック信号CLK1~CLK4に従って上述の状態1及び状態2を交互に繰り返すことによって、入力電圧VINの2倍の出力電圧VOUTを出力する昇圧動作を実行することができる。
The
次に、比較例に係るチャージポンプ回路100において、出力端子10が地絡して、出力電圧VOUTが接地電圧GND電圧近傍まで低下した場合の動作を説明する。
Next, the operation of the
ノードNp2の出力電圧VOUTが低下すると、スイッチ駆動回路11及び12から、トランジスタPMOS5及びPMOS6のゲートに対して、入力電圧VINより低い電圧しか供給できなくなる。このため、トランジスタPMOS5とPMOS6をオフすることができなくなり、入力端子5及び出力端子10の間に接続された複数のスイッチ素子であるトランジスタPMOS5及びPMOS6が両方オン状態となる。
When the output voltage VOUT of the node Np2 drops, the
複数のスイッチ素子を構成するトランジスタPMOS5及びPMOS6の素子サイズは、チャージポンプ回路100の電流能力に直結するため、大電流を流せるように大きく設計されることが一般的である。このため、トランジスタPMOS5及びPMOS6が両方オンしてしまうと、入力端子5から出力端子10への経路に過電流が生じることが懸念される。
Since the element size of the transistors PMOS5 and PMOS6, which constitute a plurality of switch elements, is directly related to the current capability of the
又、トランジスタPMOS5及びPMOS6の素子サイズと連動して、寄生ダイオードD9及びD10の素子サイズが大きくなるため、寄生ダイオードD9及びD10が流せる電流量も大きくなる。従って、出力端子10に地絡が発生した場合には、寄生ダイオードD9及びD10を介する経路によっても、入力端子5から出力端子10への過電流が生じることが懸念される。
Further, since the element sizes of the parasitic diodes D9 and D10 increase in conjunction with the element sizes of the transistors PMOS5 and PMOS6, the amount of current that can flow through the parasitic diodes D9 and D10 also increases. Therefore, when a ground fault occurs at the
(実施の形態1の説明)
図4は、実施の形態1に係るチャージポンプ回路の構成例を説明する回路図である。(Description of Embodiment 1)
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the charge pump circuit according to the first embodiment.
図4を参照して、実施の形態1に係るチャージポンプ回路101は、比較例に係るチャージポンプ回路100と同様の昇圧動作を実行するとともに、出力端子10での地絡発生等に起因する出力電圧VOUTの低下時における過電流防止機能を具備するものである。
Referring to FIG. 4,
実施の形態1に係るチャージポンプ回路101は、比較例のチャージポンプ回路100と比較して、スイッチ素子であるトランジスタPMOS5のバックゲートに接続されたトランジスタPMOS13と、トランジスタPMOS13のオンオフを制御するスイッチ駆動回路30とをさらに備える。さらに、実施の形態1に係るチャージポンプ回路101は、比較例のチャージポンプ回路100でのスイッチ駆動回路12に代えて、スイッチ駆動回路21を備える。スイッチ駆動回路21は、トランジスタPMOS13が接続されたスイッチ素子であるトランジスタPMOS6のオンオフを制御する。
Compared to the
実施の形態1に係るチャージポンプ回路101のその他の部分の構成は、比較例に係るチャージポンプ回路100(図1)と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。尚、図4の構成例において、トランジスタPMOS5及びPMOS6は「複数のスイッチ素子」を構成する「第1のP型トランジスタ」の一実施例に対応し、トランジスタPMOS13は「バックゲート切断スイッチ素子」を構成する「第2のP型トランジスタ」の一実施例に対応する。又、スイッチ駆動回路30は「バックゲート切断スイッチ素子駆動回路」の一実施例に対応する。更に、ノードNp1は、隣接する2個スイッチ素子間の「接続点」に相当し、インバータ駆動回路13及び14とインバータ20とによって、「電圧選択回路」の一実施例が構成される。
Since the configuration of other portions of
トランジスタPMOS13は、トランジスタPMOS6のバックゲートと、トランジスタPMOS6の2個の主電極(ソース及びドレイン)のうちの出力端子10側の主電極(図4ではソース)との間に接続される。
The transistor PMOS13 is connected between the back gate of the transistor PMOS6 and the main electrode (source in FIG. 4) on the
図5には、チャージポンプ回路101の電流遮断構造を説明するためのトランジスタPMOS6及びPMOS13の概念的な断面図が示される。
FIG. 5 shows a conceptual cross-sectional view of the transistors PMOS6 and PMOS13 for explaining the current blocking structure of the
図5を参照して、P型基板60には、Nウェル61及びNウェル71が形成される。トランジスタPMOS6は、Nウェル61に形成された、P+領域62及び63と、N+領域65とを有する。P+領域62及び63は、トランジスタPMOS6の第1及び第2の主電極(ソース及びドレインの一方ずつ)に対応する。N+領域65は、トランジスタPMOS6のバックゲートに対応する。トランジスタPMOS6は、さらに、P+領域62及び63の間のチャネル領域の直上に絶縁膜を介して形成される、制御電極に相当するゲート64をさらに有する。
Referring to FIG. 5, N-
同様に、トランジスタPMOS13は、Nウェル71に形成された、P+領域72及び73と、ゲート74と、N+領域75とを有する。P+領域72及び73は、トランジスタPMOS13の第1及び第2の主電極(ソース及びドレインの一方ずつ)に対応し、N+領域75は、トランジスタPMOS13のバックゲートに対応する。ゲート64は、トランジスタPMOS13の制御電極に相当する。
Similarly, transistor PMOS13 has
トランジスタPMOS6において、P+領域63はノードNp2(即ち、出力端子10)と接続され、P+領域62は、キャパシタC1と接続されたノードNp1と接続される。ゲート64は、スイッチ駆動回路21の出力を受けるノードN4と接続される。トランジスタPMOS6において、P+領域62及びP+領域63は「主電極」の一実施例に対応し、特に、P+領域63は、出力端子10側の「主電極」に対応する。
In transistor PMOS6,
トランジスタPMOS13において、P+領域73はノードNp2(即ち、トランジスタPMOS6のP+領域63)と接続され、ゲート74は、スイッチ駆動回路30の出力を受けるノードN5と接続される。P+領域72は、N+領域75及びトランジスタPMOS6のN+領域65と接続される。この結果、トランジスタPMOS13では、出力端子10と接続されるP+領域73と、Nウェル71とのPN接合によって寄生ダイオードが形成される。同様に、トランジスタPMOS13では、ノードNp1と接続されるP+領域62と、Nウェル61とのPN接合によって寄生ダイオードが形成される。又、PMOS6及びPMOS13のボディ(バックゲート)同士は電気的に接続される。即ち、「第2のP型トランジスタ」の一実施例であるトランジスタPMOS13において、P+領域72は「第1の主電極」の一実施例に対応し、P+領域73は「第2の主電極」の一実施例に対応し、N+領域75は「バックゲート」の一実施例に対応する。
In transistor PMOS13,
再び図4を参照して、トランジスタPMOS6の主電極間には、PMOS6の寄生ダイオードD10、PMOS6及びPMOS13のボディ(バックゲート)、並びに、PMOS13の寄生ダイオードD23による経路が形成される。当該バックゲートを含む経路上において、図5で説明した接続関係とすることで、寄生ダイオードD10及びD23は逆極性で直列接続されることになる。 Referring to FIG. 4 again, a path is formed between the main electrodes of the transistor PMOS6 by the parasitic diode D10 of PMOS6, the body (backgate) of PMOS6 and PMOS13, and the parasitic diode D23 of PMOS13. By establishing the connection relationship described in FIG. 5 on the path including the back gate, the parasitic diodes D10 and D23 are connected in series with opposite polarities.
スイッチ駆動回路30は、ノードNp0及び接地ノードNgの間にノードN5を介して直列接続された、P型のトランジスタPMOS14及びN型のトランジスタNMOS11を有する。トランジスタPMOS14及びNMOS11のゲートは、ノードNp2(出力端子10)と共通に接続される。
The
スイッチ駆動回路30は、入力電圧VIN及び接地電圧GNDを電源として、出力電圧VOUTを入力とするインバータを構成している。トランジスタPMOS14及びNMOS11は、バックゲートをノードNp1及び接地ノードNgとそれぞれ接続することにより、図4に示した極性の寄生ダイオードD24及びD25を有する。上述のように、スイッチ駆動回路30の出力ノードN5は、トランジスタPMOS13のゲートと接続される。
The
スイッチ駆動回路21は、図1のスイッチ駆動回路12と同様にインバータ接続されたトランジスタPMOS2及びNMOS2に加えて、トランジスタPMOS11及びPMOS12をさらに有する。トランジスタPMOS11は、ノードNp0(入力電圧VIN)及びトランジスタPMOS2のソースに相当するノードNsの間に接続される。トランジスタPMOS12は、ノードNp2(出力電圧VOUT)及びノードNs(トランジスタPMOS2)の間に接続される。トランジスタPMOS11のゲートは、ノードNp2(出力電圧VOUT)と接続される。トランジスタPMOS12のゲートは、ノードNp0(入力電圧VIN)と接続される。トランジスタPMOS11及びNMOS12は、バックゲートをノードNsと共通に接続することにより、図4に示した極性の寄生ダイオードD21及びD22を有する。
The
従って、スイッチ駆動回路21は、トランジスタPMOS11のオン時には、入力電圧VINを電源電圧とするインバータとして動作する一方で、トランジスタPMOS12のオン時には、出力電圧VOUTを電源電圧とするインバータとして動作する。当該インバータの出力ノードN4は、トランジスタPMOS6のゲートと接続される。
Therefore, the
チャージポンプ回路101のスイッチ駆動回路11及び21、並びに、インバータ駆動回路13及び14には、比較例のチャージポンプ回路100と同様のクロック信号CLK1~CLK4(図2)がそれぞれ入力される。
Clock signals CLK1 to CLK4 (FIG. 2) similar to those of the
チャージポンプ回路101において、昇圧動作の開始前には、出力電圧VOUTは、入力電圧VINから寄生ダイオードD9及びD10による順方向の電圧降下量だけ低い電圧となっている。このため、トランジスタPMOS11及びPMOS12はオフしており、トランジスタPMOS2のソース(ノードNs)の電圧は、トランジスタPMOS11の寄生ダイオードD21を介して供給される。
In the
昇圧動作時にはトランジスタPMOS13がオンに維持されるので、トランジスタPMOS6は、図1と同様に、ボディ(バックゲート)がソース(即ち、出力端子10側の主電極)と接続された状態となる。更に、スイッチ駆動回路21では、出力電圧VOUTの上昇に応じて、トランジスタPMOS12のゲート・ソース間電圧が大きくなることにより、トランジスタPMOS12がオンする。これにより、トランジスタPMOS2のソース(ノードNs)に対して、トランジスタPMOS12を経由して出力電圧VOUTが供給されるので、スイッチ駆動回路21は、図1のスイッチ駆動回路12と同様に動作する。
Since the transistor PMOS13 is kept on during the boosting operation, the body (backgate) of the transistor PMOS6 is connected to the source (that is, the main electrode on the
従って、チャージポンプ回路101においても、基準クロックCLKa,CLKbに基づくクロック信号CLK1~CLK4(図2)に応答して、図3に示した状態1及び状態2が繰り返されることによって、出力電圧VOUTが入力電圧VINの2倍まで上昇する昇圧動作が実行される。即ち、当該基準クロックCLKa,CLKbは、「互いに相補の第1及び第2のクロック」の一実施例に相当する。
Therefore, in the
チャージポンプ回路101において出力端子10が地絡した場合は、出力電圧VOUTは、接地電圧GND電圧付近まで低下して、入力電圧VINより低くなる。これにより、トランジスタPMOS12がオフされる一方で、トランジスタPMOS11がオンされるので、トランジスタPMOS2のソース(ノードNs)には、トランジスタPMOS11を経由して入力電圧VINが供給される。
When the
トランジスタPMOS11のソース電圧が出力電圧VOUTではなく入力電圧VINとなるため、トランジスタPMOS2及びNMOS2によって構成されるインバータは、クロック信号CLK2のLレベル期間において、ノードN4からトランジスタPMOS6のゲートに対して、Hレベル電圧として、入力電圧VINを出力することができる。これにより、ソース電圧が地絡によって接地電圧GND付近まで低下したトランジスタPMOS6についても、ゲートに入力電圧VINを入力することによってオフすることができる。これにより、トランジスタPMOS6のオフ期間を設けることができる。このように、複数のスイッチ駆動回路11,21のうち、スイッチ駆動回路21によって「第1のスイッチ駆動回路」の機能が実現される。又、スイッチ駆動回路21において、トランジスタPMOS11及びPMOS12によって「電圧切換回路」の一実施例が構成され、トランジスタPMOS2及びNMOS2によるインバータによって「信号伝達回路」の一実施例が構成される。
Since the source voltage of the transistor PMOS11 is not the output voltage VOUT but the input voltage VIN, the inverter composed of the transistors PMOS2 and NMOS2 supplies H to the gate of the transistor PMOS6 from the node N4 during the L level period of the clock signal CLK2. The input voltage VIN can be output as the level voltage. As a result, even the transistor PMOS6 whose source voltage has dropped to near the ground voltage GND due to the ground fault can be turned off by inputting the input voltage VIN to the gate. Thereby, an OFF period of the transistor PMOS6 can be provided. Thus, among the plurality of
更に、スイッチ駆動回路21では、出力端子10が地絡した場合に、トランジスタPMOS11を経由して入力電圧VINが供給されるノードNsと、地絡した出力端子10(ノードNp2)との間の電流経路は、トランジスタPMOS12の寄生ダイオードD22によってブロックされる。又、スイッチ駆動回路11においても、ノードN3に強制的にオフ電圧を供給する構成は存在しない。このため、スイッチ駆動回路11及び21の各々では、出力端子10が地絡しても、出力端子10へ向かう電流経路が内部に形成されることがない。
Furthermore, in the
これに対して、特許文献1では、出力端子に地絡が発生すると、駆動トランジスタのゲートに対して、保護トランジスタを経由して駆動トランジスタのオフ電圧が供給される。このため、駆動トランジスタの駆動回路の内部では、駆動回路とも接続される出力端子(地絡発生)へ向けて、駆動トランジスタのゲート(即ち、駆動回路の出力ノード)からの電流経路が形成される虞がある。代表的には、当該駆動回路は、図4中のスイッチ駆動回路11の様なインバータで構成されるため、図4中のトランジスタPMOS1の寄生ダイオードD1によって上記電流経路が形成される虞がある。このため、本実施の形態1に係るチャージポンプ回路101では、出力端子10が地絡した場合に、スイッチ駆動回路11及び21の各々において、出力端子10へ至る電流経路が形成されない点でも有利である。
On the other hand, in
更に、スイッチ駆動回路30では、出力端子10の地絡発生時には、トランジスタPMOS14がオンに維持されるため、ノードN5からトランジスタPMOS13のゲートに、入力電圧VINが出力される。これにより、トランジスタPMOS13はオフに維持される。このとき、トランジスタPMOS6のボディ(バックゲート)を経由した電流経路は、「バックゲート切断スイッチ素子」であるトランジスタPMOS13の寄生ダイオードD23による逆電圧阻止によって遮断されている。
Furthermore, in the
出力電圧VOUTが接地電圧GND付近まで低下することにより、スイッチ駆動回路11からノードN3にLレベル電圧(接地電圧GND)が固定的に出力されて、トランジスタPMOS5がオンに維持されることが懸念される。しかしながら、スイッチ駆動回路21及びトランジスタPMOS13が配置されたトランジスタPMOS6によって、入力端子5から出力端子10への電流経路が継続的に形成されることを回避できるので、過電流の発生を防止できる。
When the output voltage VOUT drops to near the ground voltage GND, there is concern that the L level voltage (ground voltage GND) will be fixedly output from the
この結果、実施の形態1に係るチャージポンプ回路101によれば、通常時(出力端子10の地絡非発生時)には、比較例のチャージポンプ回路100と同様の昇圧動作が可能であるとともに、出力端子10の地絡発生等による出力電圧VOUTの低下時における過電流の発生を防止することができる。
As a result, according to the
実施の形態1の変形例1.
図6は、実施の形態1の第1の変形例に係るチャージポンプ回路の構成を説明する回路図である。
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating the configuration of the charge pump circuit according to the first modification of the first embodiment.
図6を参照して、実施の形態1の第1の変形例に係るチャージポンプ回路102は、比較例に係るチャージポンプ回路100と比較して、スイッチ素子であるトランジスタPMOS6のバックゲートに接続されたトランジスタPMOS17と、トランジスタPMOS17のオンオフを制御するスイッチ駆動回路30とをさらに備える。さらに、チャージポンプ回路102は、比較例のチャージポンプ回路100でのスイッチ駆動回路11に代えて、スイッチ駆動回路23を備える。スイッチ駆動回路23は、トランジスタPMOS17が接続されたスイッチ素子であるトランジスタPMOS5のオンオフを制御する。
Referring to FIG. 6,
トランジスタPMOS17は、トランジスタPMOS5のバックゲートと、トランジスタPMOS5の2個の主電極のうちの出力端子10側の主電極(図6ではソース)との間に接続される。トランジスタPMOS17及びPMOS5の間の接続関係は、図4及び図5におけるトランジスタPMOS13及びPMOS6の間の接続関係と同様である。従って、トランジスタPMOS5の寄生ダイオードD9と、トランジスタPMOS17の寄生ダイオードD28とは、トランジスタPMOS6の主電極間のボディ(バックゲート)を介した経路上において、逆極性で直列接続されることになる。
The transistor PMOS17 is connected between the back gate of the transistor PMOS5 and the main electrode (the source in FIG. 6) on the
スイッチ駆動回路30の構成及び動作は、図4と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。スイッチ駆動回路30の出力ノードN5は、トランジスタPMOS17のゲートと接続される。
The configuration and operation of
スイッチ駆動回路23は、図1のスイッチ駆動回路12と同様にインバータ接続されたトランジスタPMOS1及びNMOS1に加えて、トランジスタPMOS15及びPMOS16をさらに有する。トランジスタPMOS15は、図4のトランジスタPMOS11と同様に、ノードNp0(入力電圧VIN)及びトランジスタPMOS1のソースに相当するノードNsの間に接続される。トランジスタPMOS16は、ノードNp2(出力電圧VOUT)及びノードNs(トランジスタPMOS1)の間に接続される。トランジスタPMOS15のゲートは、ノードNp2(出力電圧VOUT)と接続される。トランジスタPMOS16のゲートは、ノードNp0(入力電圧VIN)と接続される。トランジスタPMOS15及びNMOS16は、バックゲートをノードNsと共通に接続することにより、図6に示した極性の寄生ダイオードD26及びD27を有する。
The
従って、スイッチ駆動回路23は、図4のスイッチ駆動回路21と同様に、トランジスタPMOS15のオン時には、入力電圧VINを電源電圧とするインバータとして動作する一方で、トランジスタPMOS16のオン時には、出力電圧VOUTを電源電圧とするインバータとして動作する。当該インバータの出力ノードN3は、トランジスタPMOS5のゲートと接続される。即ち、図6の構成では、複数のスイッチ駆動回路23,12のうち、スイッチ駆動回路23によって「第1のスイッチ駆動回路」の機能が実現される。又、スイッチ駆動回路23において、トランジスタPMOS15及びPMOS16によって「電圧切換回路」の一実施例が構成され、トランジスタPMOS1及びNMOS1によるインバータによって「信号伝達回路」の一実施例が構成される。即ち、ノードNsは「電源ノード」の一実施例に対応し、接地ノードNgは「基準電圧ノード」の一実施例に対応する。
Therefore, like the
実施の形態1の第1の変形例に係るチャージポンプ回路102のその他の部分の構成は、比較例に係るチャージポンプ回路100(図1)と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。尚、図6の構成例においても、複数のスイッチ素子を構成するトランジスタPMOS5及びPMOS6は「第1のP型トランジスタ」の一実施例に対応し、トランジスタPMOS17は「バックゲート切断スイッチ素子」を構成する「第2のP型トランジスタ」の一実施例に対応する。
Since the configuration of other portions of
図6のチャージポンプ回路102において、スイッチ駆動回路23,30及びトランジスタPMOS17は、図4(チャージポンプ回路101)におけるスイッチ駆動回路21,30及びトランジスタPMOS13と同様に動作する。この結果、実施の形態1の第1の変形例に係るチャージポンプ回路102は、実施の形態1に係るチャージポンプ回路101と同様に、比較例のチャージポンプ回路100と同様の昇圧動作を実行することができる。
In the
図6のチャージポンプ回路102では、出力端子10の地絡発生等による出力電圧VOUTの低下時には、スイッチ駆動回路12からノードN4にLレベル電圧(接地電圧GND)が固定的に出力されて、トランジスタPMOS6がオンに維持されることが懸念される。
In the
しかしながら、スイッチ駆動回路23がトランジスタPMOS15及びPMOS1を経由して、ノードN4、即ち、トランジスタPMOS5のゲートに対して入力電圧VINを供給することができるため、クロック信号CLK1のLレベル期間に対応させて、トランジスタPMOS5のオフ期間を設けることができる。又、スイッチ駆動回路30によりトランジスタPMOS17がオフに維持されると、トランジスタPMOS5のボディ(バックゲート)を経由した電流経路は、「バックゲート切断スイッチ素子」であるトランジスタPMOS17の寄生ダイオードD28による逆電圧阻止によって遮断される。
However, since the
このように、図6のチャージポンプ回路102では、出力端子10の地絡発生等による出力電圧VOUTの低下時には、スイッチ駆動回路23及びトランジスタPMOS17が配置されたトランジスタPMOS5によって、入力端子5から出力端子10への電流経路が継続的に形成されることを回避できるので、過電流の発生を防止できる。
As described above, in the
この結果、実施の形態1の変形例では、複数のスイッチ素子のうちのトランジスタPMOS5に対して「バックゲート切断スイッチ素子」としてトランジスタPMOS17を接続する構成としたが、実施の形態1と同様に、出力端子10の地絡発生等による出力電圧VOUTの低下時における過電流の発生を防止することができる。
As a result, in the modification of the first embodiment, the transistor PMOS17 is connected as a "back gate disconnecting switch element" to the transistor PMOS5 among the plurality of switch elements. It is possible to prevent the occurrence of overcurrent when the output voltage VOUT drops due to the occurrence of a ground fault at the
実施の形態1の変形例2.
図7は、実施の形態1の第2の変形例に係るチャージポンプ回路の構成を説明する回路図である。Modified example 2 of the first embodiment.
FIG. 7 is a circuit diagram illustrating the configuration of a charge pump circuit according to a second modification of the first embodiment.
図7を参照して、実施の形態1の第2の変形例に係るチャージポンプ回路103は、比較例に係るチャージポンプ回路100と比較して、スイッチ素子であるトランジスタPMOS5及びPMOS6のバックゲートにそれぞれ接続されたトランジスタPMOS13及びPMOS17と、トランジスタPMOS13及びPMOS17のオンオフを制御するスイッチ駆動回路30とをさらに備える。さらに、チャージポンプ回路103は、比較例のチャージポンプ回路100と比較して、スイッチ駆動回路11(図1)に代えて、図4のスイッチ駆動回路23を有するともに、スイッチ駆動回路12(図1)に代えて、図6のスイッチ駆動回路21を有する。
Referring to FIG. 7, in a
トランジスタPMOS13及びPMOS6の間の接続関係は、実施の形態1(図4及び図5)で説明したのと同様であり、トランジスタPMOS17及びPMOS5の間の接続関係は、実施の形態1の第1の変形例(図6)と同様である。又、スイッチ駆動回路30の構成及び動作は、図4及び図6で説明したのと同様であり、トランジスタPMOS13及びPMOS17は、スイッチ駆動回路30の出力ノードN5の電圧に応じて、共通にオンオフされる。
The connection relationship between the transistors PMOS13 and PMOS6 is the same as that described in the first embodiment (FIGS. 4 and 5), and the connection relationship between the transistors PMOS17 and PMOS5 is the same as that described in the first embodiment. It is the same as the modified example (FIG. 6). 4 and 6, the transistors PMOS13 and PMOS17 are turned on and off in common according to the voltage of the output node N5 of the
スイッチ駆動回路21は、図4と同様の構成及び動作により、トランジスタPMOS6のオンオフを制御する。同様に、スイッチ駆動回路23は、図6と同様の構成及び動作により、トランジスタPMOS5のオンオフを制御する。
The
実施の形態1の第2の変形例に係るチャージポンプ回路103のその他の部分の構成は、比較例に係るチャージポンプ回路100(図1)と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。尚、図6の構成例においても、トランジスタPMOS5及びPMOS6は「複数のスイッチ素子」を構成する「第1のP型トランジスタ」の一実施例に対応し、トランジスタPMOS13及びPMOS17は「バックゲート切断スイッチ素子」を構成する「第2のP型トランジスタ」の一実施例に対応する。更に、複数のスイッチ駆動回路21,23の各々が「第1のスイッチ駆動回路」の機能を有する。
Since the configuration of other portions of
図7のチャージポンプ回路103において、スイッチ駆動回路21,23,30及びトランジスタPMOS13及びPMOS17は、図4及び図6で説明したのと同様に動作する。この結果、実施の形態1の第2の変形例に係るチャージポンプ回路103は、実施の形態1に係るチャージポンプ回路101と同様に、比較例のチャージポンプ回路100と同様の昇圧動作を実行することができる。
In the
さらに、出力端子10の地絡発生等による出力電圧VOUTの低下時には、スイッチ駆動回路21及び23によって、クロック信号CLK1,CLK2のLレベル期間に対応させてトランジスタPMOS5及びPMOS6のオフ期間を確保するとともに、トランジスタPMOS17及びPMOS15の寄生ダイオードD28及びD23による逆電圧阻止によって、入力端子5から出力端子10への電流経路が継続的に形成されることを回避できるので、過電流の発生を防止できる。
Furthermore, when the output voltage VOUT drops due to the occurrence of a ground fault at the
このように、複数のスイッチ素子のうちのトランジスタPMOS5及びPMOS6の両方に対して、「バックゲート切断スイッチ素子」としてトランジスタPMOS13及びPMOS17を接続する構成としても、出力電圧VOUTの低下時における過電流の発生を防止することが可能である。 Thus, even with the configuration in which the transistors PMOS13 and PMOS17 are connected as "back gate disconnecting switch elements" to both the transistors PMOS5 and PMOS6 among the plurality of switch elements, the overcurrent when the output voltage VOUT drops can be avoided. It is possible to prevent it from occurring.
図4、図6及び図7のチャージポンプ回路101~103より、入力端子5及び出力端子10の間に接続された複数のスイッチ素子(トランジスタPMOS5及びPMOS6)の少なくとも一方に対して、「バックゲート切断スイッチ素子」としてトランジスタPMOS13及びPMOS17の少なくとも一方を接続し、かつ、「第1のスイッチ駆動回路」としてスイッチ駆動回路23及び21の少なくとも一方を配置することにより、通常の昇圧動作とともに、出力端子10での地絡発生等に起因する出力電圧VOUTの低下時における過電流の防止機能を具備することが可能となることが理解される。
The
実施の形態2.
図8は、実施の形態2に係るチャージポンプ回路の構成例を説明する回路図である。Embodiment 2.
FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a charge pump circuit according to the second embodiment.
図8を参照して、実施の形態2に係るチャージポンプ回路104は、実施の形態1に係るチャージポンプ回路101(図4)と比較して、論理ゲートによって構成されるクロック制御回路81~83をさらに備える点で異なる。
Referring to FIG. 8,
クロック制御回路81は、ANDゲートで構成されて、クロック信号CLK2と、出力電圧VOUTとの論理積演算結果を出力する。クロック制御回路82は、NANDゲートで構成されて、クロック信号CLK3の反転信号と、出力電圧VOUTとの否定論理積演算結果を出力する。同様に、クロック制御回路84は、NANDゲートで構成されて、クロック信号CLK4の反転信号と、出力電圧VOUTとの否定論理積演算結果を出力する。
The
スイッチ駆動回路21においてトランジスタPMOS2及びNMOS2によって構成されるインバータには、クロック制御回路81によって加工されたクロック信号CLK2が入力される。同様に、インバータ駆動回路13においてトランジスタPMOS3及びNMOS3によって構成されるインバータには、クロック制御回路82によって加工されたクロック信号CLK3が入力される。又、インバータ駆動回路14においてトランジスタPMOS4及びNMOS4によって構成されるインバータには、クロック制御回路83によって加工されたクロック信号CLK4が入力される。即ち、クロック制御回路81は「第1のクロック制御回路」の一実施例に対応し、クロック制御回路82及び83は「第2のクロック制御回路」の一実施例に対応する。
The clock signal CLK2 processed by the
出力電圧VOUTの正常時(出力端子10の地絡非発生時)には、クロック制御回路81~83を構成する論理ゲートの出力電圧VOUTが入力される端子は、Hレベルに固定される。従って、クロック制御回路81~83からは、クロック信号CLK2~CLK4と同じ論理レベルの信号が出力される。従って、実施の形態2に係るチャージポンプ回路104は、実施の形態1に係るチャージポンプ回路101と同様の昇圧動作を実行することができる。
When the output voltage VOUT is normal (when no ground fault occurs at the output terminal 10), the terminals to which the output voltage VOUT of the logic gates forming the
これに対して、出力端子10の地絡発生等によって出力電圧VOUTが接地電圧GND付近まで低下すると、クロック制御回路81(ANDゲート)の出力は、Lレベル電圧(接地電圧GND)に固定される。一方で、クロック制御回路82,83(NANDゲート)の出力は、Hレベル電圧(入力電圧VIN)に固定される。
On the other hand, when the output voltage VOUT drops to near the ground voltage GND due to the occurrence of a ground fault at the
これにより、スイッチ駆動回路21によって、ノードN4がHレベル(入力電圧VIN)に維持されるので、トランジスタPMOS6はオフに固定される。同様に、インバータ駆動回路13及び14によって、トランジスタPMOS7及びNMOS5の各々のゲート電圧もLレベル(接地電圧GND)に維持される。この結果、インバータ20では、トランジスタPMOS7が固定的にオンされるとともに、トランジスタNMOS5が固定的にオフされるので、ノードN2は入力電圧VINに固定される。これにより、出力電圧VOUTの低下によりトランジスタPMOS5がオン状態に維持されても、キャパシタC1の端子間に電圧差が生じないので、地絡発生時にキャパシタC1が充電されることを回避できる。
As a result, the node N4 is maintained at the H level (input voltage VIN) by the
従って、出力電圧VOUTが接地電圧GND付近まで低下した場合には、スイッチ駆動回路11からノードN3にLレベル電圧(接地電圧GND)が固定的に出力されたトランジスタPMOS5がオンに維持されても、クロック制御回路81によってトランジスタPMOS6がオフに維持される。更に、実施の形態1と同様にトランジスタPMOS13がオフされることにより、入力端子5から出力端子10への電流経路を、実施の形態1と同様に遮断することができる。更に、ノードN2の電圧が固定されることにより、チャージポンプ回路104の内部に電流が発生することをさらに確実に防止することができる。
Therefore, when the output voltage VOUT drops to near the ground voltage GND, even if the transistor PMOS5, whose L level voltage (ground voltage GND) is fixedly output from the
以上説明したように、実施の形態2に係るチャージポンプ回路104では、出力端子10の地絡発生等によって出力電圧VOUTが接地電圧GND付近まで低下した場合には、クロック制御回路81~83の出力が固定されることにより、昇圧動作を完全に停止させて、過電流の発生を確実に防止することが可能である。
As described above, in the
尚、実施の形態2に係るチャージポンプ回路は、実施の形態1の第1の変形例(図6)及び第2の変形例(図7)と組み合わせることも可能である。具体的には、実施の形態1の第1の変形例と組み合わせる場合には、図6の構成において、図8と同様の論理ゲート(ANDゲート)をスイッチ駆動回路23の入力側に配置して、クロック信号CLK1と出力電圧VOUTとの論理積演算を、トランジスタPMOS1及びNMOS1のゲートに共通に入力する構成とすることができる。 The charge pump circuit according to the second embodiment can be combined with the first modification (FIG. 6) and the second modification (FIG. 7) of the first embodiment. Specifically, when combined with the first modification of the first embodiment, in the configuration of FIG. 6, a logic gate (AND gate) similar to that of FIG. , the AND operation of the clock signal CLK1 and the output voltage VOUT can be commonly input to the gates of the transistors PMOS1 and NMOS1.
同様に、図7の構成において、図8と同様の論理ゲート(ANDゲート)をスイッチ駆動回路21及び23の各々の入力側に配置して、クロック信号CLK1,CLK2と出力電圧VOUTとの論理積演算を、スイッチ駆動回路21及び23に入力する構成とすることができる。
Similarly, in the configuration of FIG. 7, logic gates (AND gates) similar to those in FIG. The calculation can be configured to be input to the
実施の形態3.
図9は、実施の形態3に係るチャージポンプ回路の構成例を説明する回路図である。Embodiment 3.
FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a charge pump circuit according to the third embodiment.
図9を参照して、実施の形態3に係るチャージポンプ回路105は、実施の形態1に係るチャージポンプ回路101(図4)と比較して、出力地絡検出回路50をさらに備える点で異なる。
9,
図10は、図9に示された出力地絡検出回路50の構成例を説明するブロック図である。
FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of output ground
図10を参照して、出力地絡検出回路50は、電圧比較器51及びレベルシフタ55を有する。
Referring to FIG. 10, output ground
電圧比較器51は、出力端子10の出力電圧VOUTと、予め定められた地絡判定電圧VRとを比較する。出力端子10に地絡が発生していない正常時には、出力電圧VOUTの下限値は、入力電圧VINから寄生ダイオードD9(PMOS5)及び寄生ダイオードD10(PMOS6)による順方向の電圧降下量の和であるVfだけ低い電圧(VIN-Vf)である。従って、出力電圧VOUTが電圧(VIN-Vf)よりも低下したときに、出力端子10に地絡が発生したことを検出できる。即ち、地絡判定電圧VRは、電圧(VIN-Vf)に対応させて定めることができる。
電圧比較器51は、入力電圧VIN及び接地電圧GNDを受けて動作する。従って、電圧比較器51の出力電圧は、VOUT>VRのときは入力電圧VIN(Hレベル)となり、VOUT<VRのときは接地電圧GND(Lレベル)となる。
レベルシフタ55は、電圧比較器51の出力電圧をレベル変換して、電圧信号Vdetを出力する。レベルシフタ55は、電圧比較器51の出力がHレベルであるときには、電圧信号Vdetを、出力端子10の出力電圧VOUTに設定する。一方で、レベルシフタ55は、電圧比較器51の出力がLレベルであるときには、電圧信号Vdetを接地電圧GNDに設定する。
The
従って、出力地絡検出回路50は、出力端子10が地絡していない正常時、即ち、VOUT>VRのときには、電圧信号Vdet=VOUTに設定する一方で、出力端子10の地絡発生時、即ち、VOUT<VRのときには、電圧信号Vdet=GNDに設定する。
Therefore, the output ground
再び図9を参照して、出力地絡検出回路50からの電圧信号Vdetは、スイッチ駆動回路30のトランジスタPMOS14及びNMOS11のゲート、並びに、スイッチ駆動回路21のトランジスタPMOS11のゲートに入力される。実施の形態3に係るチャージポンプ回路105のその他の部分の構成は、実施の形態1に係るチャージポンプ回路100(図4)と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。
Referring to FIG. 9 again, voltage signal Vdet from output ground
実施の形態1で説明したように、地絡発生により出力電圧VOUTが接地電圧GND付近まで低下すると、スイッチ駆動回路30においてトランジスタPMOS14がオンすることで、トランジスタPMOS13がオフされるとともに、スイッチ駆動回路21においてトランジスタPMOS11がオンされることにより、トランジスタPMOS6がオフされることによって、入力端子5から出力端子10への電流経路を遮断することができる。
As described in the first embodiment, when the ground fault occurs and the output voltage VOUT drops to near the ground voltage GND, the transistor PMOS14 is turned on in the
一方で、実施の形態1(図4)の構成では、出力端子10での地絡による出力電圧VOUTの低下量が小さく、出力電圧VOUTが接地電圧GND付近まで低下しない場合には、トランジスタPMOS14及びPMOS11をオンできないことによって、過電流防止機能が発揮されない虞がある。
On the other hand, in the configuration of the first embodiment (FIG. 4), if the amount of drop in the output voltage VOUT due to the ground fault at the
これに対して、実施の形態3に係るチャージポンプ回路105では、出力電圧VOUTが地絡判定電圧VRよりも低下すると、出力地絡検出回路50からの電圧信号Vdetが接地電圧GNDに設定されるので、トランジスタPMOS14及びPMOS11が確実にオンされる.この結果、トランジスタPMOS6及びトランジスタPMOS13の確実なオフにより、入力端子5から出力端子10への電流経路を遮断することができる。すなわち、出力電圧VOUTが接地電圧GND付近まで低下しない場合にも、実施の形態1で説明した過電流防止機能が発揮される。
In contrast, in the
又、出力端子10に地絡が発生していない正常時には、電圧信号Vdet=VOUTとされて、トランジスタPMOS14及びPMOS11には出力電圧VOUTが入力されるので、チャージポンプ回路105の回路動作は、実施の形態1に係るチャージポンプ回路100と同様であり、出力電圧VOUTを入力電圧VINの2倍とする昇圧動作を、実施の形態1と同様に実行することができる。
In addition, when the
尚、実施の形態3に係るチャージポンプ回路は、実施の形態1の第1の変形例(図6)及び第2の変形例(図7)と組み合わせることも可能である。具体的には、実施の形態1の第1の変形例と組み合わせる場合には、図6の構成において、図9と同様の出力地絡検出回路50を配置するとともに、出力地絡検出回路50からの電圧信号Vdetを、スイッチ駆動回路30のトランジスタPMOS14及びNMOS14のゲート、並びに、スイッチ駆動回路23のトランジスタPMOS15のゲートに共通に入力する構成とすることができる。
The charge pump circuit according to the third embodiment can be combined with the first modification (FIG. 6) and the second modification (FIG. 7) of the first embodiment. Specifically, when combined with the first modification of the first embodiment, an output ground
同様に、図7の構成においては、図9と同様の出力地絡検出回路50を配置するとともに、出力地絡検出回路50からの電圧信号Vdetを、スイッチ駆動回路30のトランジスタPMOS14及びNMOS14のゲート、スイッチ駆動回路23のトランジスタPMOS15のゲート、並びに、スイッチ駆動回路21のトランジスタPMOS11のゲートに共通に入力する構成とすることができる。
Similarly, in the configuration of FIG. 7, an output ground
或いは、図11に示すように、実施の形態2及び実施の形態3を組み合わせてチャージポンプ回路を構成することも可能である。図11に示されたチャージポンプ回路106では、図8の構成において、図9と同様の出力地絡検出回路50が追加配置される。更に、スイッチ駆動回路30への入力、スイッチ駆動回路21のトランジスタPMOS11のゲートへの入力、及び、クロック制御回路81~83への入力について、出力電圧VOUTを出力地絡検出回路50からの電圧信号Vdetに置換することで、実施の形態2及び3による効果の両方を享受することが可能となる。
Alternatively, as shown in FIG. 11, it is possible to configure a charge pump circuit by combining the second and third embodiments. In
実施の形態4.
実施の形態1~3では、昇圧比(VOUT/VIN)が2であるチャージポンプ回路における、出力端子10での地絡発生時における過電流防止機能について説明したが、昇圧比が異なるチャージポンプ回路に対しても、同様の過電流防止機能を適用することができる。実施の形態4では、一例として、昇圧比(VOUT/VIN)が3であるチャージポンプ回路における過電流防止機能の追加について説明する。Embodiment 4.
In the first to third embodiments, the overcurrent prevention function when a ground fault occurs at the
図12は、実施の形態4に係るチャージポンプ回路の構成例を説明する回路図である。
図12を参照して、実施の形態4に係るチャージポンプ回路107は、実施の形態1に係るチャージポンプ回路101(図4)と比較して、スイッチ素子としてのトランジスタPMOS18と、トランジスタPMOS18のオンオフを制御するスイッチ駆動回路25と、キャパシタC2と、インバータ32と、インバータ駆動回路26及び27をさらに備える。FIG. 12 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a charge pump circuit according to the fourth embodiment.
Referring to FIG. 12,
トランジスタPMOS18は、入力端子5と接続されたノードNp0と、トランジスタPMOS5との間に接続される。即ち、図12の構成では、入力端子5及び出力端子10の間に直列接続された、トランジスタPMOS5、PMOS6、及び、PMPOS18が、「複数のスイッチ素子」を構成する「第1のP型トランジスタ」の一実施例に相当する。
The transistor PMOS18 is connected between the node Np0 connected to the
トランジスタPMOS5及びPMOS18の接続点に相当するノードNp3と、ノードN8との間には、キャパシタC2が接続される。ノードN8の電圧は、インバータ32によって制御される。
A capacitor C2 is connected between a node Np3 corresponding to a connection point of the transistors PMOS5 and PMOS18 and a node N8. The voltage of node N 8 is controlled by
スイッチ駆動回路25は、ノードNp2及び接地ノードNgの間にノードN6を介して直列接続された、P型のトランジスタPMOS19及びN型のトランジスタNMOS12を有する。トランジスタPMOS19及びNMOS12のゲートには、クロック信号CLK5が共通に入力される。スイッチ駆動回路25は、出力電圧VOUT及び接地電圧GNDを電源として、クロック信号CLK5を入力とするインバータを構成している。トランジスタPMOS19及びNMOS12は、バックゲートをノードNp2及び接地ノードNgとそれぞれ接続することにより、図12に示した極性の寄生ダイオードD29及びD30を有する。
The
インバータ32は、ノードNp0(入力電圧VIN)及び接地ノードNg(接地電圧GND)の間にノードN8を介して直列接続された、P型のトランジスタPMOS22及びN型のトランジスタNMOS14を有する。ノードN8は、キャパシタC2を経由して、ノードNp3と接続される。
The
トランジスタPMOS22のゲートは、クロック信号CLK6を入力されるインバータ駆動回路26の出力ノードと接続される。トランジスタNMOS14のゲートは、クロック信号CLK7を入力されるインバータ駆動回路27の出力ノードと接続される。トランジスタPMOS22及びNMOS14は、バックゲートをノードNp0及び接地ノードNgとそれぞれ接続することにより、図12に示した極性の寄生ダイオードD36及びD37を有する。
The gate of transistor PMOS22 is connected to the output node of
インバータ駆動回路26は、ノードNp0(入力電圧VIN)及び接地ノードNg(接地電圧GND)の間に、トランジスタPMOS22のゲートと接続される出力ノードを介して直列接続された、P型のトランジスタPMOS20及びN型のトランジスタNMOS15を有する。トランジスタPMOS20及びNMOS15のゲートには、クロック信号CLK6が共通に入力される。
The
同様に、インバータ駆動回路27は、ノードNp0(入力電圧VIN)及び接地ノードNg(接地電圧GND)の間に、トランジスタNMOS14のゲートと接続される出力ノードを介して直列接続された、P型のトランジスタPMOS21及びN型のトランジスタNMOS13を有する。トランジスタPMOS21及びNMOS13のゲートには、クロック信号CLK7が共通に入力される。
Similarly, the
インバータ駆動回路26,27は、入力電圧VIN及び接地電圧GNDを電源として、クロック信号CLK6,CLK7を入力とするインバータを構成している。トランジスタPMOS20及びNMOS15は、バックゲートをノードNp0及び接地ノードNgとそれぞれ接続することにより、図12に示した極性の寄生ダイオードD31及びD32を有する。同様に、トランジスタPMOS21及びNMOS13は、バックゲートをノードNp0及び接地ノードNgとそれぞれ接続することにより、図12に示した極性の寄生ダイオードD33及びD34を有する。
The
実施の形態4に係るチャージポンプ回路107の上記以外の部分の構成は、実施の形態1に係るチャージポンプ回路101と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。即ち、図4と同様に、複数のスイッチ素子であるトランジスタPMOS5,PMOS6、及び、PMPOS18のうちの、トランジスタPMOS6に対して、「バックゲート切断スイッチ」を構成する「第2のP型トランジスタ」に相当するトランジスタPMOS13が配置されている。実施の形態1と同様に、通常の昇圧動作時には、トランジスタPMOS13がオフされている。又、チャージポンプ回路107では、インバータ駆動回路13及び14とインバータ20とによる「電圧選択回路」に加えて、インバータ駆動回路26及び27とインバータ32とによっても「電圧選択回路」の一実施例が構成される。
The configuration of
図13は、チャージポンプ回路107に入力されるクロック信号CLK1~CLK7の波形図である。
FIG. 13 is a waveform diagram of clock signals CLK1 to CLK7 input to the
図13を参照して、クロック信号CLK1~CLK4は図2と同様であり、基準クロックCLKaに基づくクロック信号CLK1と、基準クロックCLKbに基づくクロック信号CLK2~CLK4とは、互いに逆相である。 Referring to FIG. 13, clock signals CLK1-CLK4 are the same as those in FIG. 2, and clock signal CLK1 based on reference clock CLKa and clock signals CLK2-CLK4 based on reference clock CLKb have opposite phases.
上述のように、実施の形態4では、クロック信号CLK5~CLK7が追加される。クロック信号CLK5は、クロック信号CLK2~CLK4と同相であり、クロック信号CLK6及びCLK7は、クロック信号CLK1と同相である。クロック信号CLK5~CLK7についても、クロック信号CLK1~CLK4と同様に、デッドタイムが適宜設けられる。 As described above, clock signals CLK5 to CLK7 are added in the fourth embodiment. Clock signal CLK5 is in phase with clock signals CLK2-CLK4, and clock signals CLK6 and CLK7 are in phase with clock signal CLK1. Similarly to clock signals CLK1 to CLK4, dead times are appropriately provided for clock signals CLK5 to CLK7.
図14には、チャージポンプ回路107の昇圧動作を説明する図表が示される。チャージポンプ回路107は、相補である基準クロックCLKa及びCLKbに基づくクロック信号CLK1~CLK7に従って、図14に示される状態X及び状態Yを交互に繰り返す。
FIG. 14 shows a chart for explaining the boosting operation of the
図14及び図12を参照して、状態Xでは、基準クロックCLKb(クロック信号CLK2~CLK5)がHレベルである一方で、基準クロックCLKa(クロック信号CLK1,CLK6,CLK7)はLレベルである。従って、スイッチ駆動回路21及び25は、ノードN4及びN6に、Lレベル電圧(接地電圧GND)を出力する一方で、スイッチ駆動回路11は、ノードN3にHレベル電圧(出力電圧VOUT)を出力する。この結果、複数のスイッチ素子については、トランジスタPMOS18及びPMOS6がオンする一方で、トランジスタPMOS5がオフする。
14 and 12, in state X, reference clock CLKb (clock signals CLK2 to CLK5) is at H level, while reference clock CLKa (clock signals CLK1, CLK6 and CLK7) is at L level. Therefore, switch
一方、インバータ駆動回路26及び27がHレベル電圧(入力電圧VIN)を出力するため、インバータ32は、トランジスタNMOS14のオンにより、ノードN8を接地ノードNg(接地電圧GND)と接続する。これに対して、インバータ駆動回路13及び14がLレベル電圧(入力電圧VIN)を出力するため、インバータ20は、トランジスタPMOS7のオンにより、ノードN2をノードNp0(入力電圧VIN)と接続する。
On the other hand, since the
従って、状態Xでは、ノードNp3は、入力端子5(入力電圧VIN)と接続される一方で、出力端子10及びノードNp1からは切り離される。更に、キャパシタC1は、ノードNp3及び接地ノードNgの間に接続されることにより、入力電圧VINにより充電される。従って、キャパシタ電圧V(C1)=VINとなる。又、キャパシタC2は、トランジスタPMOS6により出力端子10と接続されたノードNp1と、ノードNp0との間に接続される。従って、当該時点でのキャパシタC1の電圧V(C2)を用いて、VOUT=VIN+V(C2)と示される。
Therefore, in state X, node Np3 is connected to input terminal 5 (input voltage VIN), while being disconnected from
これに対して、状態Yでは、基準クロックCLKb(クロック信号CLK2~CLK5)がLレベルである一方で、基準クロックCLKa(クロック信号CLK1,CLK6,CLK7)はHレベルである。従って、スイッチ駆動回路21及び25は、ノードN4及びN6に、Hレベル(出力電圧VOUT)を出力する一方で、スイッチ駆動回路11は、ノードN3にLレベル電圧(接地電圧GND)を出力する。この結果、複数のスイッチ素子については、トランジスタPMOS18及びPMOS6がオフする一方で、トランジスタPMOS5がオンする。
In contrast, in state Y, reference clock CLKb (clock signals CLK2 to CLK5) is at L level, while reference clock CLKa (clock signals CLK1, CLK6 and CLK7) is at H level. Therefore, switch
一方、インバータ駆動回路26及び27がLレベル電圧(接地電圧GND)を出力するため、インバータ32は、トランジスタPMOS22のオンにより、ノードN8をノードNp0(入力電圧VIN)と接続する。これに対して、インバータ駆動回路13及び14がHレベル電圧(接地電圧GND)を出力するため、インバータ20は、トランジスタNMOS5のオンにより、ノードN2を接地ノードNg(接地電圧GND)と接続する。
On the other hand, since the
状態Yでは、トランジスタPMOS5によって接続されたノードNp1及びNp3が、入力端子5(入力電圧VIN)及び出力端子10(出力電圧VOUT)からそれぞれ切り離される。更に、キャパシタC1は、ノードNp0(入力端子5)及びノードNp3の間に接続される。従って、ノードNp3の電圧はVIN+V(C1)となる。直前の状態Xにおいて、V(C1)=VINに充電されているので、ノードNp3の電圧は、入力電圧VINの2倍となる。 In state Y, nodes Np1 and Np3 connected by transistor PMOS5 are disconnected from input terminal 5 (input voltage VIN) and output terminal 10 (output voltage VOUT), respectively. Furthermore, capacitor C1 is connected between node Np0 (input terminal 5) and node Np3. Therefore, the voltage of node Np3 becomes VIN+V(C1). In the immediately preceding state X, the node Np3 is charged to V(C1)=VIN, so the voltage of the node Np3 is twice the input voltage VIN.
一方で、キャパシタC2は、ノードNp1及び接地ノードNgの間に接続されることにより、ノードNp3と同等の電圧に充電される。従って、状態Yでは、V(C2)=V(C1)=2・VINとなる。 On the other hand, capacitor C2 is charged to a voltage equivalent to that of node Np3 by being connected between node Np1 and ground node Ng. Therefore, in state Y, V(C2)=V(C1)=2.VIN.
次に、再び状態Xとなると、キャパシタC1が入力電圧VINに充電されるとともに、出力電圧VOUTは、入力電圧VINと、当該時点でのキャパシタC2の電圧V(C2)の和となる。直前の状態Yで、V(C2)=2・VINに充電されているので、VOUT=VIN+V(C2)=3・VINであり、昇圧比(VOUT/VIN)は3となることが理解される。 Next, in state X again, the capacitor C1 is charged to the input voltage VIN, and the output voltage VOUT becomes the sum of the input voltage VIN and the voltage V(C2) of the capacitor C2 at that time. In the immediately preceding state Y, since it is charged to V(C2)=2.VIN, it is understood that VOUT=VIN+V(C2)=3.VIN and the step-up ratio (VOUT/VIN) is 3. .
このように、実施の形態4に係るチャージポンプ回路107は、相補の基準クロックCLKa,CLKbに基づくクロック信号CLK1~CLK7に従って上述の状態X及び状態Yを交互に繰り返すことによって、入力電圧VINの3倍の出力電圧VOUTを出力する昇圧動作を実行することができる。
As described above, the
実施の形態4に係るチャージポンプ回路107において、出力端子10が地絡して、出力電圧VOUTが接地電圧GND電圧近傍まで低下すると、実施の形態1と同様に、スイッチ駆動回路30の出力(ノードN5)がLレベル電圧(接地電圧GND)からHレベル電圧(入力電圧VIN)に変化する。これにより、正常時にはオンしていたトランジスタPMOS13が、出力端子10(低下した出力電圧VOUT)に対するノードN5(PMOS15のゲート)の電圧差によってオフされる。
In the
一方、スイッチ駆動回路21では、出力電圧VOUTの低下に伴うトランジスタPMOS11のオンにより、スイッチ駆動回路21は、クロック信号CLK2のLレベル期間において、入力電圧VINをノードN4に出力できる。これにより、トランジスタPMOS6のオフ期間を設けることができる。又、実施の形態1と同様に、トランジスタPMOS6のボディ(バックゲート)を経由した電流経路は、「バックゲート切断スイッチ素子」であるトランジスタPMOS13の寄生ダイオードD23による逆電圧阻止によって遮断されている。
On the other hand, in the
この結果、実施の形態4に係るチャージポンプ回路107においても、出力端子10の地絡発生等による出力電圧VOUTの低下時には、スイッチ駆動回路30及びトランジスタPMOS13が配置されたトランジスタPMOS6によって、入力端子5から出力端子10への継続的な電流経路の形成を回避できる。この結果、昇圧比が3であるチャージポンプ回路107においても、出力端子10の地絡発生時における過電流の発生を防止することができる。
As a result, in the
尚、実施の形態4に係るチャージポンプ回路107においても、実施の形態1の第1及び第2の変形例で説明したように、複数のスイッチ素子であるトランジスタPMOS18、PMOS5、及び、PMOS6のうちの少なくとも1つに対して、スイッチ駆動回路21のように、出力電圧VOUTの低下時に入力電圧VINをインバータ電源とするように構成されたスイッチ駆動回路(即ち、「第1のスイッチ駆動回路」)、並びに、「バックゲート切断スイッチ素子」となるトランジスタ(図12でのPMOS13)及びその駆動回路(スイッチ駆動回路30)を配置することが可能である。
Also in the
又、実施の形態4に係るチャージポンプ回路107において、図8でのクロック制御回路81~83、及び、図9での出力地絡検出回路50の少なくとも一方を組み合わせて、実施の形態2及び3と同様に制御することも可能である。
Further, in the
更に、実施の形態4では、昇圧比が3のチャージポンプ回路を説明したが、昇圧比をさらに高くしたチャージポンプ回路に対しても、本実施の形態1~3は同様に適用可能である。このようなチャージポンプ回路に対しても、入力端子5及び出力端子10の間に直列接続される複数のスイッチ素子のうちの少なくとも1つに対して、上述の「第1のスイッチ駆動回路」並びに「バックゲート切断スイッチ素子」及び「バックゲート切断スイッチ駆動回路」を配置することによって、地絡発生等による出力電圧VOUTの低下時における過電流の発生を防止することが可能である。
Furthermore, in the fourth embodiment, the charge pump circuit with the step-up ratio of 3 has been described, but the first to third embodiments can be similarly applied to a charge pump circuit with a higher step-up ratio. For such a charge pump circuit as well, for at least one of the plurality of switch elements connected in series between the
上述した実施の形態1~4に係るチャージポンプ回路101~107は、半導体装置に適用することが可能である。例えば、図15に示されるように、半導体装置200は、電源回路202と、半導体素子215を含む半導体回路210と、実施の形態1~4のいずれかに係るチャージポンプ回路とを備える。半導体素子215は、代表的には、トランジスタ又はダイオードによって構成される。電源回路202は、半導体装置200に対して外部から供給される電源電圧Vpから安定的な電圧VDDを発生することができる。チャージポンプ回路101~107は、電源回路202からの電圧VDDを上記入力電圧VINとして昇圧動作を実行することにより、出力電圧VOUTとしての昇圧電圧VBBを出力する。電圧VDD及び電圧VBBの両方が半導体回路210に電源電圧として供給されることにより、半導体素子215は、チャージポンプ回路101~107の出力電圧である昇圧電圧VBBを受けて動作することができる。
The
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be considered that the embodiments disclosed this time are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.
5 入力端子、10 出力端子、11,12,21,23,25,30 スイッチ駆動回路、13,14,26,27 インバータ駆動回路、20,32 インバータ、50 出力地絡検出回路、51 電圧比較器、55 レベルシフタ、60 P型基板、61,71 Nウェル、62,63,72,73 P+領域、64,74 ゲート、65,75 N+領域、81~84 クロック制御回路、100,101,102,103,104,105,106,107 チャージポンプ回路、200 半導体装置、202 電源回路、210 半導体回路、215 半導体素子、C1,C2 キャパシタ、CLK1~CLK7 クロック信号、CLKa,CLKb 基準クロック、D1~D12,D21~D37 寄生ダイオード、GND,VIN 接地電圧、N2~N6,N8,Np0~Np3,Ns ノード、NMOS1~NMOS5,NMOS11~NMOS22 Nチャネル型トランジスタ、PMOS1~PMOS7,PMOS11~PMOS22 Pチャネル型トランジスタ、Ng 接地ノード、VBB,VDD 電圧、VBB 昇圧電圧、VIN 入力電圧、VOUT 出力電圧、VR 地絡判定電圧、Vdet 電圧信号(出力地絡検出回路)。
5
Claims (12)
前記入力電圧が入力される入力端子と、
前記出力電圧を出力する出力端子と、
前記入力端子及び前記出力端子の間に直列に接続され、複数のスイッチ素子をそれぞれ構成する複数の第1のP型トランジスタと、
前記チャージポンプ回路の昇圧動作状態において、互いに相補の第1及び第2のクロックの一方のクロックの論理レベルに従って、前記複数の第1のP型トランジスタの各々の制御電極に対して基準電圧及び前記出力電圧の一方を選択的に出力して、前記複数のスイッチ素子のオンオフをそれぞれ制御する複数のスイッチ駆動回路と、
前記複数のスイッチ素子のうちの隣接する2個のスイッチ素子の各接続点に接続されたキャパシタと、
前記複数の第1のP型トランジスタのうちの少なくとも1つの第1のP型トランジスタにおいて、バックゲートと、当該第1のP型トランジスタの2個の主電極のうちの前記出力端子側の主電極との間に接続されたバックゲート切断スイッチ素子と、
前記出力電圧の低下時に前記バックゲート切断スイッチ素子をオンからオフに変化させるバックゲート切断スイッチ駆動回路とを備え、
前記バックゲート切断スイッチ素子を構成する第2のP型トランジスタは、当該第2のP型トランジスタの寄生ダイオードが、接続先の前記第1のP型トランジスタの寄生ダイオードに対して、逆の極性を有し、かつ、直列接続される様に構成され、
前記複数のスイッチ駆動回路のうちの、前記バックゲート切断スイッチ素子が接続された前記少なくとも1つの第1のP型トランジスタに対応する、少なくとも1つの第1のスイッチ駆動回路は、当該第1のP型トランジスタの前記制御電極に対して、前記一方のクロックの論理レベルに従って、前記バックゲート切断スイッチ素子のオン時には前記基準電圧及び前記出力電圧の一方を選択的に入力する一方で、前記バックゲート切断スイッチ素子のオフ時には前記基準電圧及び前記入力電圧の一方を選択的に入力する、チャージポンプ回路。 A charge pump circuit that generates an output voltage by boosting an input voltage,
an input terminal to which the input voltage is input;
an output terminal for outputting the output voltage;
a plurality of first P-type transistors connected in series between the input terminal and the output terminal and constituting a plurality of switch elements, respectively;
In the boosting operation state of the charge pump circuit, according to the logic level of one of the first and second clocks complementary to each other, the reference voltage and the a plurality of switch drive circuits that selectively output one of the output voltages to control on/off of the plurality of switch elements;
a capacitor connected to each connection point of two adjacent switch elements among the plurality of switch elements;
In at least one first P-type transistor among the plurality of first P-type transistors, a back gate and a main electrode on the output terminal side of two main electrodes of the first P-type transistor a backgate disconnect switch element connected between
a back gate disconnect switch drive circuit that changes the back gate disconnect switch element from on to off when the output voltage drops,
In the second P-type transistor constituting the back gate disconnecting switch element, the parasitic diode of the second P-type transistor has a polarity opposite to the parasitic diode of the first P-type transistor to which it is connected. and configured to be connected in series,
Of the plurality of switch drive circuits, at least one first switch drive circuit corresponding to the at least one first P-type transistor to which the back gate disconnecting switch element is connected is connected to the first P-type transistor. One of the reference voltage and the output voltage is selectively input to the control electrode of the type transistor according to the logic level of the one clock when the back gate disconnect switch element is on, while the back gate disconnect is performed. A charge pump circuit that selectively inputs one of the reference voltage and the input voltage when a switch element is turned off.
前記チャージポンプ回路は、
前記第1又は第2のクロックに従って、前記キャパシタの前記第2の端子に、前記基準電圧及び前記入力電圧の一方を選択的に出力する電圧選択回路を更に備える、請求項1記載のチャージポンプ回路。 the capacitor has a first terminal connected to the connection point and a second terminal facing the first terminal;
The charge pump circuit is
2. The charge pump circuit according to claim 1, further comprising a voltage selection circuit for selectively outputting one of said reference voltage and said input voltage to said second terminal of said capacitor according to said first or second clock. .
電源ノードと前記基準電圧を伝達する基準電圧ノードとの間に接続されて、前記第1又は第2のクロックに応じて、対応するスイッチ素子を構成する前記第1のP型トランジスタの前記制御電極と接続される出力ノードに対して、前記電源ノード及び前記基準電圧ノードの一方を選択的に接続する信号伝達回路と、
前記電源ノードと、前記入力端子及び前記出力端子との間に接続されて、前記出力電圧の低下時には前記入力端子と前記電源ノードとを接続する一方で、前記出力電圧の非低下時には前記出力端子と前記電源ノードとを接続する電圧切換回路とを含む、請求項2記載のチャージポンプ回路。 The first switch drive circuit and the backgate cutoff in the case where the first P-type transistor to which the backgate cutoff switch element is connected and the first switch drive circuit are provided one by one. When a plurality of first P-type transistors to which switch elements are connected and a plurality of the first switch driving circuits are provided, each of the first switch driving circuits includes:
said control electrode of said first P-type transistor connected between a power supply node and a reference voltage node transmitting said reference voltage and constituting a corresponding switch element according to said first or second clock; a signal transmission circuit selectively connecting one of the power supply node and the reference voltage node to an output node connected to
is connected between the power supply node and the input terminal and the output terminal, and connects the input terminal and the power supply node when the output voltage drops, and connects the output terminal when the output voltage does not drop. 3. The charge pump circuit according to claim 2, further comprising a voltage switching circuit connecting said power supply node with said power supply node.
各前記バックゲート切断スイッチ素子は、共通の前記バックゲート切断スイッチ駆動回路からの出力電圧が前記第2のP型トランジスタの前記制御電極に供給されることによって、前記出力電圧の低下時にオンからオフに変化する、請求項2又は3に記載のチャージポンプ回路。 the backgate disconnect switch element is connected to each of two or more switch elements among the plurality of switch elements;
Each of the back gate disconnecting switch elements is turned off when the output voltage drops by supplying an output voltage from the common back gate disconnecting switch driving circuit to the control electrode of the second P-type transistor. 4. The charge pump circuit according to claim 2, wherein the charge pump circuit changes to .
前記チャージポンプ回路は、
前記第1のスイッチ駆動回路に対応して設けられた第1のクロック制御回路と、
前記電圧選択回路に対応して設けられた第2のクロック制御回路とをさらに備え、
前記第1のクロック制御回路は、前記出力電圧が低下したときに、前記第1のP型トランジスタの前記制御電極に対して前記入力電圧が固定的に出力されるように、前記一方のクロックを加工して前記第1のスイッチ駆動回路へ入力し、
前記第2のクロック制御回路は、前記出力電圧が低下したときに、前記キャパシタの前記第2の端子に対して前記基準電圧及び前記入力電圧の一方が固定的に出力されるように、前記第1又は第2のクロックを加工して前記電圧選択回路へ入力する、請求項2~4のいずれか1項に記載のチャージポンプ回路。 one first P-type transistor to which the backgate disconnecting switch element is connected and one first switch drive circuit;
The charge pump circuit is
a first clock control circuit provided corresponding to the first switch drive circuit;
a second clock control circuit provided corresponding to the voltage selection circuit,
The first clock control circuit controls the one clock so that the input voltage is fixedly output to the control electrode of the first P-type transistor when the output voltage drops. processed and input to the first switch drive circuit;
The second clock control circuit controls the second clock control circuit so that one of the reference voltage and the input voltage is fixedly output to the second terminal of the capacitor when the output voltage drops. 5. The charge pump circuit according to claim 2, wherein the first or second clock is processed and input to said voltage selection circuit.
前記チャージポンプ回路は、
前記複数個の第1のスイッチ駆動回路の各々に対応して設けられた第1のクロック制御回路と、
前記電圧選択回路に対応して設けられた第2のクロック制御回路とをさらに備え、
前記第1のクロック制御回路は、前記出力電圧が低下したときに、前記複数個の第1のスイッチ駆動回路のうちの、当該第1のクロック制御回路に対応する前記第1のスイッチ駆動回路と対応付けられる前記第1のP型トランジスタの前記制御電極に対して前記入力電圧が固定的に出力されるように、前記一方のクロックを加工して前記第1のスイッチ駆動回路へ入力し、
前記第2のクロック制御回路は、前記出力電圧が低下したときに、前記キャパシタの前記第2の端子に対して前記基準電圧及び前記入力電圧の一方が固定的に出力されるように、前記第1又は第2のクロックを加工して前記電圧選択回路へ入力する、請求項2~4のいずれか1項に記載のチャージポンプ回路。 a plurality of first P-type transistors to which the back gate disconnecting switch element is connected and a plurality of the first switch driving circuits are provided;
The charge pump circuit is
a first clock control circuit provided corresponding to each of the plurality of first switch drive circuits;
a second clock control circuit provided corresponding to the voltage selection circuit,
The first clock control circuit, when the output voltage drops , the first switch drive circuit among the plurality of first switch drive circuits corresponding to the first clock control circuit. processing the one clock and inputting it to the first switch drive circuit so that the input voltage is fixedly output to the control electrode of the associated first P-type transistor;
The second clock control circuit controls the second clock control circuit so that one of the reference voltage and the input voltage is fixedly output to the second terminal of the capacitor when the output voltage drops. 5. The charge pump circuit according to claim 2, wherein the first or second clock is processed and input to said voltage selection circuit.
前記バックゲート切断スイッチ駆動回路は、前記出力地絡検出回路による前記地絡の検出に応じて、前記バックゲート切断スイッチ素子をオンからオフに変化させる、請求項2~4のいずれか1項に記載のチャージポンプ回路。 further comprising an output ground fault detection circuit that detects that a ground fault has occurred at the output terminal based on the output voltage;
5. The backgate disconnect switch drive circuit according to claim 2, wherein the backgate disconnect switch drive circuit changes the backgate disconnect switch element from on to off in response to detection of the ground fault by the output ground fault detection circuit. Charge pump circuit as described.
前記チャージポンプ回路は、
前記第1のスイッチ駆動回路に対応して設けられた第1のクロック制御回路と、
前記電圧選択回路に対応して設けられた第2のクロック制御回路とをさらに備え、
前記第1のクロック制御回路は、前記出力地絡検出回路による前記地絡の検出に応じて、前記第1のP型トランジスタの前記制御電極に対して前記入力電圧が固定的に出力されるように、前記一方のクロックを加工して前記第1のスイッチ駆動回路へ入力し、
前記第2のクロック制御回路は、前記出力地絡検出回路による前記地絡の検出に応じて、前記キャパシタの前記第2の端子に対して前記基準電圧及び前記入力電圧の一方が固定的に出力されるように、前記第1又は第2のクロックを加工して前記電圧選択回路へ入力する、請求項7記載のチャージポンプ回路。 one first P-type transistor to which the backgate disconnecting switch element is connected and one first switch drive circuit;
The charge pump circuit is
a first clock control circuit provided corresponding to the first switch drive circuit;
a second clock control circuit provided corresponding to the voltage selection circuit,
The first clock control circuit outputs the input voltage fixedly to the control electrode of the first P-type transistor in response to detection of the ground fault by the output ground fault detection circuit. and processing the one clock and inputting it to the first switch drive circuit,
The second clock control circuit fixedly outputs one of the reference voltage and the input voltage to the second terminal of the capacitor in response to detection of the ground fault by the output ground fault detection circuit. 8. The charge pump circuit according to claim 7 , wherein said first or second clock is processed to be input to said voltage selection circuit.
前記チャージポンプ回路は、
前記複数個の第1のスイッチ駆動回路の各々に対応して設けられた第1のクロック制御回路と、
前記電圧選択回路に対応して設けられた第2のクロック制御回路とをさらに備え、
前記第1のクロック制御回路は、前記出力地絡検出回路による前記地絡の検出に応じて、前記複数個の第1のスイッチ駆動回路のうちの、当該第1のクロック制御回路に対応する前記第1のスイッチ駆動回路と対応付けられる前記第1のP型トランジスタの前記制御電極に対して前記入力電圧が固定的に出力されるように、前記一方のクロックを加工して前記第1のスイッチ駆動回路へ入力し、
前記第2のクロック制御回路は、前記出力地絡検出回路による前記地絡の検出に応じて、前記キャパシタの前記第2の端子に対して前記基準電圧及び前記入力電圧の一方が固定的に出力されるように、前記第1又は第2のクロックを加工して前記電圧選択回路へ入力する、請求項7記載のチャージポンプ回路。 a plurality of first P-type transistors to which the back gate disconnecting switch element is connected and a plurality of the first switch driving circuits are provided;
The charge pump circuit is
a first clock control circuit provided corresponding to each of the plurality of first switch drive circuits;
a second clock control circuit provided corresponding to the voltage selection circuit,
The first clock control circuit, in response to detection of the ground fault by the output ground fault detection circuit, controls the clock control circuit corresponding to the first clock control circuit among the plurality of first switch drive circuits. The one clock is processed to operate the first switch so that the input voltage is fixedly output to the control electrode of the first P-type transistor associated with the first switch drive circuit. input to the drive circuit,
The second clock control circuit fixedly outputs one of the reference voltage and the input voltage to the second terminal of the capacitor in response to detection of the ground fault by the output ground fault detection circuit. 8. The charge pump circuit according to claim 7 , wherein said first or second clock is processed to be input to said voltage selection circuit.
前記短絡判定電圧は、前記入力電圧から、前記複数のスイッチ素子を構成する前記第1のP型トランジスタの前記寄生ダイオードによる順方向電圧降下量の和を減算した電圧に対応させて予め定められる、請求項7~9のいずれか1項に記載のチャージポンプ回路。 The output ground fault detection circuit detects that the ground fault has occurred at the output terminal when the output voltage drops below a short circuit determination voltage, and outputs the output voltage when the ground fault is not detected,
The short-circuit determination voltage is predetermined corresponding to a voltage obtained by subtracting, from the input voltage, a sum of forward voltage drops due to the parasitic diodes of the first P-type transistors constituting the plurality of switch elements. The charge pump circuit according to any one of claims 7-9.
前記バックゲート切断スイッチ駆動回路は、前記出力地絡検出回路による前記地絡の検出に応じて、前記バックゲート切断スイッチ素子をオンからオフに変化させる、請求項1記載のチャージポンプ回路。 further comprising an output ground fault detection circuit that detects that a ground fault has occurred at the output terminal based on the output voltage;
2. The charge pump circuit according to claim 1, wherein said backgate disconnect switch drive circuit changes said backgate disconnect switch element from on to off in response to detection of said ground fault by said output ground fault detection circuit.
前記チャージポンプ回路の前記出力電圧を受けて動作する半導体素子とを備える、半導体装置。 a charge pump circuit according to any one of claims 1 to 11 ;
and a semiconductor element that operates upon receiving the output voltage of the charge pump circuit.
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