JPH10215564A - チャージポンプ型ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力電流が大きく変動した場合にも出力電圧
を一定に保ち、リップルが少ないチャージポンプ型ＤＣ
−ＤＣコンバータを提供すること。さらには、（出力電
力／入力電力）で表される変換効率を、出力電流が大き
く変動した場合にも良好に保つチャージポンプ型ＤＣ−
ＤＣコンバータを提供すること。 【解決手段】 電荷蓄積キャパシタとして複数のキャパ
シタ１５、２０及び２５を有し、キャパシタ１駆動信
号、キャパシタ２駆動信号及びキャパシタ３駆動信号の
制御により、上記複数のキャパシタ１５、２０及び２５
を適宜並列に接続、或いは、その切り離しを行うことに
より、電荷蓄積キャパシタの容量値を可変としたことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チャージポンプ型
ＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータ
は多くの集積回路において使用されている。特に、複数
の電源電圧が集積回路の動作に必要な場合、集積回路に
チャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータを内蔵させるこ
とにより、集積回路外部からは単一電源のみの供給で動
作可能となり、使い勝手が向上する。

【０００３】従来のチャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバ
ータの動作を図２を例として説明する。

【０００４】チャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータ
は、一般に、２対のスイッチ（１０１、１０３）、（１
０２、１０４）と、２つのキャパシタ１０５、１０６か
ら構成される。

【０００５】まず、電圧をキャパシタ１０５の電荷とし
て蓄え、それをスイッチ切り替えにより第２のキャパシ
タ１０６に移動させて、電圧の変換を行う。２対のスイ
ッチ（１０１、１０３）と（１０２、１０４）とは同時
にオンにならないように、２相のクロックで駆動され
る。したがって、２対のスイッチが同時にオンすること
はなく、入力電圧１００（Ｖｉｎ）とキャパシタ１０６
は接続されることはないので、入力Ｖｉｎと出力Ｖｏｕ
ｔとは絶縁されている。よって、キャパシタ１０６は入
力側と絶縁されているので、任意の電位に接続すること
ができる。これが、チャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバ
ータの動作原理で、倍電圧コンバータや、負電圧コンバ
ータとして動作させることができる。すなわち、Ａ点と
Ｄ点とを接続することにより倍電圧コンバータとして動
作させることができ、また、Ｂ点とＣ点とを接続するこ
とにより負電圧コンバータとして動作させることができ
る。

【０００６】かかるチャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバ
ータにおいて、出力Ｖｏｕｔの電圧の大きさは、電荷蓄
積キャパシタ１０５の大きさ（容量）と、充電モードに
おいて該蓄積キャパシタ１０５に蓄えられる電荷の量と
によって異なる。蓄積キャパシタ１０５に蓄えられる電
荷の量は、常に、これに供給される電流の量及び電流が
供給されている時間の長さによって変化する。

【０００７】蓄積される電荷の量は様々な方法で制御す
ることができる。入力Ｖｉｎが蓄積キャパシタ１０５に
接続されている時間長さを例にとれば、出力電圧が低く
なった場合には、時間を長くして、蓄積電荷量を多く
し、一方、出力電圧が高くなった場合には、時間を短く
して、蓄積電荷量を少なくするといった制御方法があ
る。このような制御方法をＰＷＭ(Pulse Wide Modulati
on)と呼ぶが、他にも、蓄積キャパシタ１０５に蓄えら
れる電荷の量を変化させる様々な形態の変調(Modulatio
n)によっても制御することができる。

【０００８】図３には、図２に示すチャージポンプ型Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータのＰＷＭ方式による回路動作を説明
するための２つの波形が示されている。波形Ａ及びＢ
は、それぞれ、スイッチ１０１、１０３及びスイッチ１
０２、１０４のオン・オフタイミングを示している。周
期Ｔａのうち、スイッチ１０１、１０３がオンしている
期間Ｔを変化させることにより、蓄積キャパシタ１０５
に蓄えられる電荷の量はを変化させることができ、ひい
ては、出力Ｖｏｕｔの電圧の大きさを制御することがで
きる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】出力Ｖｏｕｔの電圧
を、出力電流の大小にかかわらず一定に保つため、前述
した変調を用いて蓄積キャパシタに蓄えられる電荷量を
変化させるわけであるが、出力電流が極端に変動する場
合は、変調方式の使用のみでは、出力Ｖｏｕｔの電圧の
維持は大変困難である。

【００１０】まず、出力電流が極端に多くなった場合を
考える。

【００１１】出力Ｖｏｕｔの電圧の維持のためには、蓄
積キャパシタ１０５に蓄えられる電荷の量を増大させる
必要があるが、周期Ｔａの間に、蓄積キャパシタ１０５
の電荷蓄積と放電とを行ってしまう必要があるため、い
たずらに電荷蓄積時間Ｔを増大させることができず、お
のずと限界がある。なぜなら、入力電圧源１００には必
ず内部インピーダンスが存在し、スイッチ１０１、１０
２、１０３、１０４にもオン抵抗が存在するため、蓄積
期間Ｔは、所定時間以上は必ず必要であり、また、所定
時間長の放電期間も必要であり、それらで制限される時
間幅のなかで、蓄積期間Ｔに対して、ＰＷＭ等の変調を
かけることにより、出力Ｖｏｕｔの電圧の大きさを制御
しているからである。したがって、ある程度以上の出力
電流になると、蓄積期間Ｔにおいて蓄積キャパシタ１０
５に蓄えられる電荷の量では不足となり、出力電圧が下
がりぎみになったり、出力リップルが大きくなったりす
る現象が発生する。しかも、蓄積キャパシタ１０５は、
もちろん理想キャパシタではないため、内部抵抗やリー
ク電流が存在し、電荷蓄積量の増大とともに損失が増大
し、（出力電力／入力電力）で表される変換効率が悪化
する。

【００１２】次に、出力電流が極端に少なくなった場合
を考える。

【００１３】この場合、出力Ｖｏｕｔの電圧の維持に
は、蓄積キャパシタ１０５に蓄えられる電荷の量は、ご
く少なくてよい。変換効率を良好に保つためには、本
来、蓄積キャパシタ１０５の容量は小さいほうがよい。
なぜなら、前述したリーク電流等が存在するため、蓄積
キャパシタ１０５を小さくすれば、リーク電流も抑えら
れるからである。

【００１４】ところが、蓄積キャパシタ１０５を小さく
し過ぎてしまうと、出力電流が増大したときに対応でき
ないため、あまり小さくすることもできないので、出力
電流が少ない場合には必要以上の大きさの蓄積キャパシ
タ１０５を使用していることになり、非合理である。

【００１５】チャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータの
変換効率を悪化させる原因としては、１．スイッチの内
部抵抗、或いはスイッチの代わりにダイオード使用の場
合は、ダイオードの順方向電圧損失、２．キャパシタの
内部抵抗、リーク電流、３．変調回路等の制御回路の消
費電流、などが知られているが、このなかで、キャパシ
タについては、半導体プロセスの微細化によりキャパシ
タに使用する絶縁膜も薄くなる一方であり、それに伴
い、キャパシタのリーク電流も増大する傾向にある。

【００１６】したがって、本発明の目的は、出力電流が
大きく変動した場合にも出力電圧を一定に保ち、リップ
ルが少ないチャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータを提
供することにある。さらには、（出力電力／入力電力）
で表される変換効率を、出力電流が大きく変動した場合
にも良好に保つチャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータ
を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記の目的は、電荷蓄積
キャパシタとして複数のキャパシタを有し、該複数のキ
ャパシタを適宜並列に接続、或いはその切り離しを行
い、それによって、蓄積キャパシタの大きさ（容量）を
制御することで、達成することができ、これにより、出
力Ｖｏｕｔの電圧を出力電流の極端な変動にかかわらず
一定に保ち、かつ、変換効率も良好に保つことが可能と
なる。上記キャパシタの接続数は、あらかじめ出力電流
量が予測できている場合には、外部信号により制御可能
としてもよいし、出力電流の大小を検知することにより
自動的に制御するものとしてもよい。出力電流の検知
は、電流センサとして一般に知られているものも使用可
能であるし、また、出力電流が増大すると、出力電圧の
リップルが増大することを利用して、間接的に出力電流
を検知することでも達成できる。

【００１８】すなわち、本発明（請求項１）のチャージ
ポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータは、電荷蓄積キャパシタ
として複数のキャパシタを有し、該複数のキャパシタを
適宜並列に接続、或いは、その切り離しを行うことによ
り、電荷蓄積キャパシタの容量値を可変としたことを特
徴とするものである。

【００１９】また、本発明（請求項２）のチャージポン
プ型ＤＣ−ＤＣコンバータは、上記キャパシタの接続数
を外部信号により制御する構成としたことを特徴とする
ものである。

【００２０】更に、本発明（請求項３）のチャージポン
プ型ＤＣ−ＤＣコンバータは、出力電流の大小を検出す
る手段を有し、該検出手段の検出出力に応じて、上記キ
ャパシタの接続数を制御する構成としたことを特徴とす
るものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、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。

【００２２】図１は、本発明のチャージポンプ型ＤＣ−
ＤＣコンバータの一実施形態の回路構成図である。

【００２３】本実施形態においては、複数のキャパシタ
として３個のキャパシタの場合の例が示されているが、
キャパシタの数は、いくつでも良く、多ければ多いほ
ど、よりきめ細かな制御が可能となる。また、キャパシ
タ１５、２０及び２５は、決して同じ容量値である必要
はなく、例えば、キャパシタ２０は、キャパシタ１５の
２倍の大きさ、また、キャパシタ２５は、キャパシタ２
０の２倍の大きさに設定すると、トータルの容量値は、
最小は、キャパシタ１５のみの場合（容量値：Ａ）か
ら、最大は、キャパシタ１５＋キャパシタ２０＋キャパ
シタ２５の場合（容量値：７Ａ）まで、７段階に制御可
能となる。すなわち、キャパシタ１駆動信号をＨレベ
ル、キャパシタ２駆動信号及びキャパシタ３駆動信号を
Ｌレベルとすることにより、トータルの容量値はＡとな
り、また、キャパシタ１駆動信号、キャパシタ２駆動信
号及びキャパシタ３駆動信号を、すべてＨレベルとする
ことにより、トータルの容量値は７Ａとなる。

【００２４】以下の表１に、上記の場合に於ける、各キ
ャパシタ駆動信号のレベルと、トータルの容量値との対
応関係を示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】スイッチ１１、１２、１３、１４と、スイ
ッチ１６、１７、１８、１９と、スイッチ２１、２２、
２３、２４により、それぞれのキャパシタを自在に接続
したり切り離したりすることが可能となる。駆動信号の
タイミングチャートについては、図３に、従来のチャー
ジポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動信号のタイミン
グチャートを示しており、これより容易に類推できるた
め、省略する。

【００２７】すなわち、図３での、スイッチ１０１、１
０３の駆動信号と同じ駆動信号φ１にて、スイッチ１
１、１３、またはスイッチ１６、１８、またはスイッチ
２１、２３の何れか、或いは複数を駆動して、入力電圧
源１０から、キャパシタ１５、または２０、または２５
の何れか、或いは複数への電荷蓄積を行い、図３でのス
イッチ１０２、１０４の駆動信号と同じ駆動信号φ２に
て、スイッチ１２、１４、またはスイッチ１７、１９、
またはスイッチ２２、２４の何れか、或いは複数を駆動
して、蓄積電荷を第２のキャパシタ２６に移動させて、
電圧の変換を行う。前述のように、駆動信号φ１とφ２
とは、同時にはＨレベル（スイッチオン）とはならな
い。

【００２８】蓄積キャパシタのトータルの容量値につい
ては、出力電流量の多い場合には、容量値も大きくなる
ように制御され、その結果、出力電流量が多くとも、変
動、リップルの少ない良好な出力電圧を得ることが可能
であり、一方、出力電流量の少ない場合には、容量値も
小さくなるように制御され、その結果、蓄積キャパシタ
のリーク電流等も低い値に抑えることができ、良好な変
換効率を保つことが可能となる。

【００２９】上記キャパシタの接続数は、あらかじめ出
力電流量が予測できている場合には、外部信号により制
御可能としてもよいし、出力電流の大小を検知すること
により自動的に制御するものとしてもよい。出力電流の
検知は、電流センサとして一般に知られているものも使
用可能であるし、また、出力電流が増大すると、出力電
圧のリップルが増大することを利用して、間接的に出力
電流を検知することでも達成できる。

【００３０】各々のキャパシタは、キャパシタ１駆動信
号、キャパシタ２駆動信号及びキャパシタ３駆動信号に
より制御されており、これらの入力端子を設けて、外部
信号により制御することができる。

【００３１】通常のチャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバ
ータにおいては、出力電圧を入力とするＰＷＭ変調を行
い、スイッチ駆動信号のデユーテイを変化させ、負帰還
にて、出力電圧の制御を行うことが一般的である。本発
明を利用することにより、このＰＷＭ変調と並列的に、
キャパシタの駆動個数の制御も可能となる。すなわち、
複数の電圧コンパレータを用い、フラッシュ型のＡ−Ｄ
コンバータと同じ構成とし、出力電圧を検知して、低電
圧であるときは、キャパシタの駆動個数を増やし、及び
／又は充電期間を長くし、一方、高電圧であるときは、
キャパシタの駆動個数を減らし、及び／又は充電期間を
短くすればよい。これにより、出力電圧が低下ぎみのと
きは、ＰＷＭ変調によりデユーテイが上がるのみなら
ず、キャパシタ数の増加により、出力への供給電荷量が
増大することで、出力電圧の急速な上昇が期待でき、リ
ップルの減少につながるものである。

【００３２】本発明によれば、複数のキャパシタの接続
数を制御することにより、出力電流の変動にかかわら
ず、常に、変換効率を最高に保ち、ひいては、出力電圧
の低下、リップルも小さくすることを達成した、新規か
つ改良されたチャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータ
が、ここに提供されたものである。

【００３３】本発明のチャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコン
バータは、従来行われてきたスイッチングタイミングの
変調のみによる制御方式のものに比べ、蓄積キャパシタ
の容量値を自在に制御できるので、入力電圧の許容範囲
をより広くとることが可能である。入力電圧電源に、例
えば電池を使用していて、その容量が低下して来た場合
に入力電圧が下がってくるが、出力電圧は、一定に保た
なければならない場合、Ｑ＝ＣＶで表されるポンピング
電荷量が入力電圧の低下と共に減少し、出力電圧を一定
に保てない場合が出てくると考えられる。かかる場合
に、キャパシタの駆動数を増やし、Ｑ＝ＣＶのＣ値を増
やすことにより、ポンピング電荷量を増大させることが
でき、結果的に、入力電圧が電池の寿命等で低下してき
た場合でも、出力電圧を一定に保つことができる。

【００３４】また、蓄積キャパシタの容量値の制御によ
り、蓄積キャパシタに印加される電圧値は、Ｖ＝Ｑ／Ｃ
で表されるので、出力電流が変動しても、蓄積キャパシ
タ印加電圧はあまり変動させずにすみ、したがって、過
電圧の問題が減り、故障や破壊の発生率は劇的に減少す
る。

【００３５】さらに、本発明では、出力電圧のリップル
が小さくなるため、出力に直列に接続されるパスフイル
タ回路が簡略ですむという利点もある。

【００３６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のチ
ャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータは、電荷蓄積キャ
パシタとして複数のキャパシタを有し、該複数のキャパ
シタを適宜並列に接続、或いは、その切り離しを行うこ
とにより、電荷蓄積キャパシタの容量値を可変としたこ
とを特徴とするものである。また、上記のチャージポン
プ型ＤＣ−ＤＣコンバータに於いて、上記キャパシタの
接続数を外部信号により制御する構成としたことを特徴
とするものである。更に、上記のチャージポンプ型ＤＣ
−ＤＣコンバータに於いて、出力電流の大小を検出する
手段を有し、該検出手段の検出出力に応じて、上記キャ
パシタの接続数を制御する構成としたことを特徴とする
ものである。かかる本発明によれば、チャージポンプ型
ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、蓄積キャパシタの容量
値を自在に制御することにより、出力電圧の安定化、変
換効率の向上、更には、キャパシタの最大印加電圧の減
少による信頼性向上が可能となるものである。特に、変
換効率の向上は、電池駆動機器等に最も求められる条件
であるし、キャパシタの最大印加電圧の減少は、半導体
プロセスの微細化による、キャパシタに使用する絶縁膜
の薄膜化になくてはならないものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のチャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバー
タの一実施形態の回路構成図である。

【図２】従来のチャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータ
の回路構成図である。

【図３】図２に示す従来のチャージポンプ型ＤＣ−ＤＣ
コンバータの動作説明に供するタイミングチャートであ
る。

【符号の説明】

１０ 入力電圧源 １１、１２、１３、１４ スイッチ １６、１７、１８、１９ スイッチ ２１、２２、２３、２４ スイッチ １５、２０、２５、２６ キャパシタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電荷蓄積キャパシタとして複数のキャパ
   シタを有し、該複数のキャパシタを適宜並列に接続、或
   いは、その切り離しを行うことにより、電荷蓄積キャパ
   シタの容量値を可変としたことを特徴とするチャージポ
   ンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のチャージポンプ型ＤＣ
   −ＤＣコンバータに於いて、上記キャパシタの接続数を
   外部信号により制御する構成としたことを特徴とするチ
   ャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のチャージポンプ型ＤＣ
   −ＤＣコンバータに於いて、出力電流の大小を検出する
   手段を有し、該検出手段の検出出力に応じて、上記キャ
   パシタの接続数を制御する構成としたことを特徴とする
   チャージポンプ型ＤＣ−ＤＣコンバータ。