JPH07163152A

JPH07163152A - 電源回路

Info

Publication number: JPH07163152A
Application number: JP5306787A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Hasumi; 裕一蓮見
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1995-06-23

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】半導体基板上の回路のみで構成され、効率よ
く昇圧でき、交流も出力可能とする。【構成】発振回路１２の正相出力信号は、出力バッフ
ァ１６に供給されるとともに、インバータ１４によって
反転され双方の出力が電源回路に利用される。反転され
た負相出力信号は出力バッファ２０に供給されスイッチ
ング回路２２を通じて変圧器２４に供給される。出力バ
ッファ１６の出力信号もスイッチング回路１８を介して
変圧器２４に供給される。変圧器２４の二次側からは、
変圧された交流信号が出力される。この変圧された交流
信号は、整流回路２６によって整流され、直流出力とし
て出力される。その結果、チャージポンピング回路のよ
うに直列にダイオードを何個も接続する必要がないので
変換効率の高い電源回路が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の電源回路
に関する。特に、半導体集積回路上に設けられ、外付け
の他の部品を必要としない電源回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路は、産業用機器か
ら、家庭用機器に至るまで幅広く用いられている。ま
た、集積度の向上に伴って、一つの半導体集積回路の中
に、例えばアナログ回路とデジタル回路とが混在させる
ような構成も多く採用されている。このような半導体集
積回路装置においては、デジタル系とアナログ系とで異
なる電源電圧を必要とする場合が多い。例えば、デジタ
ル回路は＋５ボルトで駆動され、アナログ回路は例えば
１５ボルトで駆動されるように構成されているものがあ
る。このように、内部の回路で異なる電源電圧が必要で
ある場合には、外部から複数の電源電圧を供給するか、
もしくは内部にＤＣ−ＤＣコンバータ等の回路を備え、
一つの電源電圧から他の電源電圧を作り出すような構成
とする必要がある。

【０００３】また、一つの半導体集積回路の中で、異な
る電源電圧を必要とする場合は、デジタル回路のみをも
って構成された半導体集積回路装置の中にもみられる。
例えば、外部から見れば３．３ボルト動作の半導体集積
回路であるが、内部的には性能を向上させるために、５
ボルトで動作している半導体集積回路が知られている。
このような回路においても、所定の昇圧回路を用いて、
３．３ボルトから５ボルトが得られている。このような
構成の半導体集積回路は、性能を落とさずに、電池で駆
動可能な半導体集積回路である。

【０００４】このように、一つの電源電圧から、他の電
源電圧を得るための回路として、例えば図８に示されて
いるようなチャージポンピング回路が知られている。図
８に示されているように、チャージポンピング回路は、
ダイオード接続されたトランジスタが複数個直列に接続
された構成を有している。そして、それぞれのトランジ
スタＴ１、Ｔ２、…Ｔｎのゲート端子には、同じ容量の
コンデンサを介してクロック信号が供給されている。そ
して、図８（ａ）に示されているように、奇数番目のト
ランジスタＴ１、Ｔ３、…に印加されるクロック信号φ
１と、偶数番目に印加されるクロック信号φ２とは、そ
の「Ｈ」期間がオーバーラップしないクロック信号であ
る。すなわち、クロック信号φ１と、φ２とは交互に
「Ｈ」となるクロック信号である。

【０００５】なお、各トランジスタＴ１，Ｔ２…Ｔｎの
ソース端子には、それぞれダイオード接続されたトラン
ジスタＴＤ１，ＴＤ２，…を介して、電源電圧ＶDDが印
加されている。

【０００６】このように、ダイオードを直列に接続した
回路に、２相のクロック信号を印加することにより、そ
の段数に応じた昇圧された電源電圧ＶHHが得られる。こ
の回路の動作原理を表した図が図８（ｂ）に示されてい
る。図８（ｂ）には、各トランジスタＴの接続点、すな
わちノードＮ０，Ｎ１，…Ｎｎにおける電圧の変化を表
した図である。図８（ｂ）に示されているように、例え
ばノードＮ０においては、クロック信号φ１が「Ｌ」で
ある場合には、電源電圧ＶDDから所定のダイオードによ
る電圧効果の分だけ低い電圧が現れる。そして、クロッ
ク信号φ１が「Ｈ」になると、ノードＮ０には、この
「Ｈ」すなわちＶDDより、コンデンサＣ１に蓄えられた
電圧だけ高い電圧が現れる。そして、このノードＮ０に
現れた高い電圧がトランジスタＴ１を介して、次のトラ
ンジスタＴ２に接続されているコンデンサＣ２に印加さ
れるのである。そして、図８（ｂ）に示されているよう
に、ノードＮ１においては、クロック信号φ２が「Ｌ」
である場合には、前述したノードＮ０に現れた高い電圧
の信号より、トランジスタＴ１の電圧効果の分だけ低い
電圧が現れる。そして、クロック信号φ２が「Ｈ」にな
った場合には、この「Ｈ」すなわち電源電圧ＶDDに、コ
ンデンサＣ２に蓄えられている足された電圧がノードＮ
１に現れることになる。以下、同様の動作を繰り返すこ
とにより段数が増えるに従ってそこに現れる電圧が高く
なっていくのである。なお、図８（ａ）においては、高
電圧を所定の電圧に抑制するため、電圧リミッタが備え
られている。また、起動時などに高電圧を発生させたく
ない場合には、図８（ａ）に示されているようなイニシ
ャライズ回路を設けることが好適である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体集積回路
においては、このようにある直流電圧を、他の電源電圧
に昇圧もしくは降圧する構成は広く知られていた。しか
しながら、交流を発生させる回路は半導体集積回路のみ
では実現されていなかった。

【０００８】また、上記図８に示されているチャージポ
ンピング回路によれば、段数を増やせば増やすほど高い
電圧が得られるが、トランジスタＴ１，Ｔ２，…におけ
る電圧降下による無駄な電圧が増加し、いわゆる昇圧効
率が悪化する。昇圧効率のよい電源回路としては、変圧
器を用いたいわゆるＤＣ−ＤＣコンバータ等がよく知ら
れている。しかしながら、半導体基板上に効率のよい変
圧器を設ける手段が従来はなかったので、半導体集積回
路とは別個に変圧器を設けなければならなかった。

【０００９】本発明は、上記課題に鑑みなされたもの
で、その目的は、半導体基板上の回路だけで構成される
電源回路であって、交流電圧を発生することができる電
源回路を提供することである。

【００１０】また、本発明の他の目的は、半導体基板上
回路だけで構成される電源回路であって、昇圧効率のよ
い電源回路を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第一の本発明は、上記課
題を解決するために、矩形波を発振する発振回路と、前
記発振回路からの正相出力信号を反転し、位相が反転し
た負相出力信号を出力するインバータと、を含む交流電
源回路である。このような構成により、前記正相出力信
号と前記負相出力信号とから形成される交流信号を出力
するのである。

【００１２】第二の本発明は、上記課題を解決するため
に、第一の本発明の交流電源回路において、前記交流電
源回路の交流信号が印加される１次側巻線と、前記１次
側巻線とは巻数の異なる２次側巻線とを有する変圧器、
を含む構成の交流電源回路である。そして、前記変圧器
の２次側巻線から前記発振回路の出力電圧とは異なる電
圧を有する交流信号が出力されるのである。

【００１３】第三の本発明は、上記課題を解決するため
に、第二の交流電源回路において、前記変圧器の各巻線
は、ゲートアレイ型半導体集積回路を構成する基本セル
に含まれるトランジスタのゲート電極群であって、短冊
状の電極が平行に配列されているゲート電極群と、前記
ゲート電極群の隣接する各ゲート電極を接続する複数の
配線であって、前記各短冊状のゲート電極の前記隣接す
る他のゲート電極が存在する方向とは直角な方向の一方
向側の端と、その隣接する他のゲート電極における前記
一方向とは反対方向の端とを接続する斜め配線群と、を
含むことを特徴とする交流電源回路である。

【００１４】第四の本発明は、上記課題を解決するため
に、第三の本発明の交流電源回路において、前記変圧器
の各巻線の芯部に高透磁率材を設けたことを特徴とする
交流電源回路である。

【００１５】第五の本発明は、上記課題を解決するため
に、第二から、第四迄の本発明の交流電源回路と、前記
交流電源回路が出力する交流信号を整流する整流回路
と、を含む構成である。そして、前記整流回路から、前
記発振回路の出力電圧とは異なる電圧の直流電圧が出力
されるのである。

【００１６】

【作用】第一の本発明におけるインバータは、発振回路
が出力する正相出力信号を反転する。従って、この正相
出力信号と負相出力信号とを交流信号として出力するこ
とができる。

【００１７】第二の本発明における変圧器は、一次側巻
線に印加されている電圧を、一次側と二次側との巻線の
巻数に比例する電圧に変圧する。

【００１８】第三の本発明の変圧器の巻線は、ゲートア
レイ型半導体集積回路の基本セルのゲート電極群を利用
して構成されている。すなわち、ゲートアレイ型半導体
集積回路においては、このゲート電極群がいわゆる短冊
状に設けられているが、この短冊状に設けられているゲ
ート電極群と、これらのゲート電極群とを構成する各電
極を斜めに接続する配線群とから形成されている。従っ
て、ゲートアレイ型半導体集積回路において、容易に変
圧器の巻線を形成することができる。

【００１９】第四の本発明における変圧器の巻線の芯部
には高透磁率材が設けられている。従って、磁束の漏れ
が少なく、効率のよい変圧器が得られる。

【００２０】第五の本発明における整流回路は、交流信
号を直流電圧を変換する。従って、交流電源回路を利用
して直流電源回路が得られる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づい
て説明する。

【００２２】図１には、本発明の好適な実施例である電
源回路の構成回路図が示されている。本実施例における
電源回路は、図１に示されているように、交流出力と、
直流出力との両方の出力を有する電源回路である。図１
に示されているように、まず交流出力を得る交流電源回
路を構成し、この交流電源回路の出力である交流出力を
変圧する変圧器と、この変圧器により変圧された交流信
号を整流して直流出力を得る整流回路とから構成されて
いる。

【００２３】交流電源回路１０は、矩形波を発振する発
振回路１２と、この発振回路１２が出力する矩形波を反
転するインバータ１４とを含んでいる。本実施例におい
ては、この発振回路１２が出力する矩形波を正相出力信
号と呼び、インバータ１４によって反転された信号を負
相出力信号と呼ぶ。正相出力信号は、出力バッファ１６
に供給され、出力電流が増強されてスイッチング回路１
８に供給されている。一方、負相出力信号は、出力バッ
ファ２０に供給され、この出力バッファ２０によって出
力電流が増強されてから、スイッチング回路２２に供給
されている。

【００２４】スイッチング回路１８，２２は共に同一の
構成をしており、出力バッファ１６，２０から供給され
た信号を外部に交流出力として出力するか、もしくは後
続する変圧器２４の一次側巻線に供給するかのいずれか
への切り換えを行う。

【００２５】スイッチング回路１８，２２には、図示さ
れてはいないが共に共通の制御信号が供給されており、
それぞれスイッチング回路１８，２２に入力する正相及
び負相出力信号共に外部に交流出力として出力するか、
もしくは変圧器２４に供給するかの指示を行っている。
このスイッチング回路１８，２２が入力される正相及び
負相出力信号を外部に交流信号として出力している場合
には、交流電源回路１０は、まさに外部に対して交流電
源回路として動作するのである。

【００２６】本実施例において特徴的なことは、発振回
路１２が出力する矩形波をインバータ１４によって反転
し、発振回路１２が発振する矩形波、すなわち正相信号
と配送が反転したいわば負相出力信号を作り出したこと
にある。このように互いに位相が反転した信号を作り出
すことによって、半導体基板上の部品だけで交流電源回
路を形成することが可能である。

【００２７】一方、外部からの図示されていない制御信
号によってスイッチング回路１８，２２が入力される信
号を変圧器２４の一次側巻線に供給する場合には、上述
した交流出力は、この変圧器２４によって変圧されるこ
とになる。そして、変圧器２４の一時側巻線と二次側巻
線との巻数比に比例した電圧が変圧器２４の二次側巻線
に現れる。この二次側巻線に現れた電圧が整流回路２６
によって直流出力に変換される。この整流回路２６は、
図１に示されているように、ダイオード２８と、コンデ
ンサ３０，３２と、インダクタンス３４とから構成され
ている。

【００２８】このように、本実施例においては、交流電
源回路１０の交流出力を変圧器２４で変圧した。従っ
て、発振回路１２に供給されている電源電圧とは異なる
電圧の交流信号が得られるという効果を有する。なお、
図１には、この変圧された交流信号を取り出すような構
成は記載されてはいないが、変圧器２４の二次側に、ス
イッチング回路１８，２２のような構成を設けることは
容易なことである。

【００２９】本実施例においては、更に変圧器２４の二
次側に現れる変圧された交流信号を、整流回路２６によ
って直流出力に変換した。

【００３０】本実施例において特徴的なことは、このよ
うに変圧器２４によって変圧された交流信号を整流回路
２６によって整流したことである。このような構成によ
って、従来のチャージポンピング回路のようにダイオー
ドを直列に接続する必要がないため、いわゆる昇圧効率
の高い直流電源回路が得られる。

【００３１】本実施例における発振回路１２の詳細な回
路図が図２に示されている。図２に示されているよう
に、発振回路１２は、インバータ４０と、所定のフィー
ドバック回路とから構成されている。フィードバック回
路は、抵抗Ｒと、２つのコンデンサＣＡと、ＣＢとを含
んでいる。そしてフィードバック回路は、この発振回路
１２の発振周波数を決定するＣＸと、インダクタンスＬ
Ｘとの並列回路を備えている。そしてこのコンデンサＣ
ＸとインダクタンスＬＸとによって決定される周波数の
矩形波信号が出力端子４２から出力される。

【００３２】本実施例におけるスイッチング回路１８又
は２２の詳細回路図が図３に示されている。図３に示さ
れているように、スイッチング回路１８（２２）は、出
力バッファ１６もしくは２０から供給された正相又は負
相出力信号を外部に交流出力として出力するためのスイ
ッチングトランジスタ５０と、出力バッファ１６もしく
は２０からの正相又は負相出力信号を変圧器２４へ供給
するためのスイッチングトランジスタ５２とを備えてい
る。そして、外部から供給される制御信号は、上述した
スイッチングトランンジスタ５２のゲート端子に供給さ
れると共に、インバータ５４によって反転され、上述し
たスイッチングトランジスタ５０のゲート端子にも供給
される。このような構成により、スイッチングトランジ
スタ５０及び５２には互いに逆相のゲート信号が供給さ
れることになる。従って、スイッチングトランジスタ５
０及び５２は、常にどちらか一方が開状態であり、他方
は閉状態である。この結果、出力バッファ１６又は２０
から供給される正相又は負相の出力信号は、外部に交流
出力として出力されるか、又は変圧器２４に供給される
かのいずれかとなる。

【００３３】本実施例においては、図１に示されている
ように、変圧器２４や、整流回路２６の中のインダクタ
ンス３４などにいわゆるコイルが使用されている。本実
施例において特徴的なことは、このようなコイルを半導
体基板上で効率的に構成したことである。以下、本実施
例においてコイルがどのように形成されているかについ
て説明する。

【００３４】図４には、本実施例における変圧器２４の
構成を表す構成平面図が示されている。本実施例におい
ては、いわゆるゲートアレイ型の半導体集積回路上に交
流及び直流電源回路が実現されており、変圧器２４も、
このゲートアレイ型半導体集積回路の構造を利用したも
のとなっている。いわゆるゲートアレイ型半導体集積回
路においては、周知のように、細長い短冊状のゲート電
極を有するトランジスタを備えたいわゆる基本セルが半
導体基板上に整然と配列されている。その結果、前記ゲ
ート電極も整然と配列していることになる。本実施例に
おいては、このように配列されているゲート電極を用い
て変圧器２４を構成している。図４に示されている細長
い短冊状のものがゲート電極６０である。そして、隣接
している各ゲート電極６０を斜めに接続している配線
が、いわゆるアルミニウム第一層及び第二層によって形
成されている。なお、アルミニウム第一層は、通常Ａｌ
１と、アルミニウム第二層はＡｌ２と略称される場合が
多く、図４及び後述する図５においてもこのように記載
している。さて、ゲート電極をコイルの下側の部分と
し、アルミニウム第一層及び第二層による配線をコイル
の上側の配線とすることによって変圧器２４の一次側巻
線及び二次側巻線が形成されている。そして、下側のゲ
ート電極６０と、上側のアルミニウム第一層及び第二層
との間には、高透磁率材コア６２が設けられている。こ
れによって、いわゆる漏れ磁束を減少させることがで
き、変圧器２４の変換効率を高めることが可能となる。

【００３５】図５に、ゲート電極６０とアルミニウム第
一層及び第二層との関係を表すコイルの断面図が示され
ている。なお、図５に示されているように、ゲート電極
６０とアルミニウム第一層及び第二層の間に高透磁率材
コア６２が配置されている様子も示されている。図５に
示されているように、ゲート電極６０はポリシリコンで
構成されており、このポリシリコンによるゲート電極６
０の上には、まず絶縁膜が設けられる。そしてこの絶縁
膜の上からアルミニウム第一層が設けられ、高透磁率材
コア６２が形成される。アルミニウム第一層は、図５に
示されているように、絶縁膜に適宜設けられているスル
ーホールによって上述したゲート電極６０と接続してい
る。なお、高透磁率材コア６２は、フェロニッケル等の
材料を、いわゆるスパッタ等の手法によって絶縁膜上に
堆積させることにより形成される。そして、最後に、図
５に示されているようにまた絶縁膜を被せた後に、アル
ミニウム第二層を形成することにより、高透磁率材コア
６２を中心として、ゲート電極６０及びアルミニウム第
一層及び第二層によるコイルが完成する。

【００３６】本実施例において特徴的なことは、このよ
うに半導体プロセスによって磁芯を含んだコイルを形成
したことである。そしてこのコイルを用いて変圧器２４
及びインダクタンス３４が形成されていることである。
この結果、本実施例の電源回路は、何ら外部の部品を必
要とせずに、半導体基板の上だけで電源回路を構成でき
るという効果を有するものである。

【００３７】本実施例における抵抗の構成手法が図６に
示されている。図６に示されているように、本実施例に
おける抵抗は、ゲート電極６０を、アルミニウム第一層
又は第二層によって、ジグザグ状に接続することにより
抵抗が形成されている。

【００３８】本実施例におけるコンデンサの構成手法が
図７に示されている。図７に示されているように、本実
施例におけるコンデンサは、ゲート電極６０を一方の端
子とし、他方の端子はゲートアレイ型半導体集積回路に
おけるトランジスタのソース及びドレインを使用したも
のである。すなわち、本実施例におけるコンデンサは、
ゲート電極６０と、ソース・ドレイン間のミラー容量を
利用したコンデンサである。

【００３９】以上述べたように、本実施例によれば、何
ら外部の部品を設けずに半導体基板上の回路だけで電源
回路を構成することが可能であるので、より小型化され
た電源回路が実現できるという効果を奏する。

【００４０】更に、従来のチャージポンピング回路のよ
うにダイオードを直列に何個も接続する必要がないの
で、このダイオードによる電圧降下の影響を少なく抑え
ることが可能である。すなわち、本実施例における電源
回路によって高い電圧の直流出力を得ようとする場合に
は変圧器２４の一次巻線と二次巻線の比を大きくすれば
よく、直流出力に重畳するダイオードは１個だけであ
り、電圧降下による昇圧効率の劣化が起きないという効
果を奏する。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、第一の本発明によれ
ば、半導体集積回路のみで、交流電源回路を構成可能で
ある。

【００４２】第二の本発明によれば、交流信号を変圧器
によって変圧したので、かかる変圧器の一次側と二次側
の巻線比を調節することによって所望の交流信号が得ら
れるという効果を奏する。

【００４３】第三の本発明によれば、変圧器に用いられ
る巻線を、ゲートアレイ型半導体集積回路に用いられる
平行に並んでいるゲート電極を用いて半導体基板上に構
成した。そのため、半導体基板上に、変圧器を有する交
流電源回路を形成できるという効果を有する。

【００４４】第四の本発明によれば、変圧器の巻線の芯
部に高透磁率材を設けたので、より変換効率の高い交流
電源回路が得られるという効果を有する。

【００４５】第五の本発明によれば、上述した第２又は
第３又は第４の本発明における交流電源回路に、交流信
号を整流する整流回路を設けたので、効率の高い直流電
源回路が得られるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施例を表す構成回路図であ
る。

【図２】本実施例の発振回路１２の詳細な回路図であ
る。

【図３】本実施例のスイッチング回路１８もしくは２２
の詳細な回路図である。

【図４】本実施例の変圧器２４の構成平面図である。

【図５】本実施例の変圧器２４のコイル部分を表す断面
図である。

【図６】本実施例の電源回路に用いられる抵抗の構成方
法を表す説明図である。

【図７】本実施例における電源回路に用いられるコンデ
ンサの構成方法を説明する説明図である。

【図８】従来のチャージポンピング回路の回路図及び説
明図である。

【符号の説明】

１０交流電源回路１２発振回路１４インバータ１６，２０出力バッファ１８，２２スイッチング回路２４変圧器２６整流回路２８ダイオード３０，３２コンデンサ３４インダクタンス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】矩形波を発振する発振回路と、前記発振回路からの正相出力信号を反転し、位相が反転
した負相出力信号を出力するインバータと、を含み、前記正相出力信号と前記負相出力信号とから形
成される交流信号を出力することを特徴とする交流電源
回路。
【請求項２】請求項１記載の交流電源回路において、前記交流電源回路の交流信号が印加される１次側巻線
と、前記１次側巻線とは巻数の異なる２次側巻線とを有
する変圧器、を含み、前記変圧器の２次側巻線から前記
発振回路の出力電圧とは異なる電圧を有する交流信号を
出力することを特徴とする交流電源回路。
【請求項３】請求項２記載の交流電源回路において、前記変圧器の各巻線は、ゲートアレイ型半導体集積回路を構成する基本セルに含
まれるトランジスタのゲート電極群であって、短冊状の
電極が平行に配列されているゲート電極群と、前記ゲート電極群の隣接する各ゲート電極を接続する複
数の配線であって、前記各短冊状のゲート電極の前記隣
接する他のゲート電極が存在する方向とは直角な方向の
一方向側の端と、その隣接する他のゲート電極における
前記一方向とは反対方向の端とを接続する斜め配線群
と、を含むことを特徴とする交流電源回路。
【請求項４】請求項３記載の交流電源回路において、前記変圧器の各巻線の芯部に高透磁率材を設けたことを
特徴とする交流電源回路。
【請求項５】請求項２または３または４記載の交流電
源回路と、前記交流電源回路が出力する交流信号を整流する整流回
路と、を含み、前記整流回路から、前記発振回路の出力電圧と
は異なる電圧の直流電圧を出力することを特徴とする直
流電源回路。