KR20070085048A

KR20070085048A - 차지 펌프 회로의 구동 회로와 전원 장치 및 발광 장치

Info

Publication number: KR20070085048A
Application number: KR1020067013637A
Authority: KR
Inventors: 도모유키 이토; 이사오 야마모토
Original assignee: 로무 가부시키가이샤
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-08-27
Also published as: CN1906834A; US7592856B2; JPWO2006059501A1; JP4315981B2; US20080094128A1; CN100440697C; WO2006059501A1

Abstract

본 발명은 효율을 개선한 차지 펌프 회로의 구동 회로를 제공한다.

승압율을 전환 가능한 차지 펌프 회로(10)의 구동 회로(20)에 있어서, 제어부(24)는 차지 펌프 회로(10)를 제어한다. 제1 발진기(26)는, 제어부(24)에 의해 차지 펌프 회로(10)의 승압 동작을 제어하기 위해서 필요한 제1 주기 신호를 출력한다. 제2 발진기(28)는, 주파수가 제1 주기 신호보다 낮게 설정되는 시간 측정용의 제2 주기 신호를 출력한다. 제어부(24)는, 구동 회로(20) 자신 또는 차지 펌프 회로(10)의 상태를 감시하여, 소정의 상태가 소정 시간 이상 지속했을 때 차지 펌프 회로(10)의 승압율을 전환한다. 제어부(24)는, 차지 펌프 회로(10)의 승압율이 1배보다 클 때 제1 발진기(26)만을 온하고, 제1 주기 신호에 기초해 승압 동작의 제어 및 시간 측정을 행하는 한편, 승압율이 1배일 때, 제2 발진기(28)만을 온하고, 제2 주기 신호에 기초해 시간 측정을 행한다.

Description

차지 펌프 회로의 구동 회로와 전원 장치 및 발광 장치{DRIVE CIRCUIT OF CHARGE PUMP CIRCUIT, POWER SUPPLY AND LIGHT EMITTING DEVICE}

본 발명은, 차지 펌프 회로를 구동하기 위한 구동 회로에 관한 것이다.

최근의 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistance) 등의 정보 단말은, 예를 들면 액정의 백라이트에 사용되는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED 라고 한다)를 구비하고 있다. 이들 정보 단말에서는, Li 이온 전지가 많이 사용되는데, 그 출력 전압은 통상 3.5V 정도이며, 만충전시에도 4.2V 정도이다. 한편, LED의 구동에 필요한 전압은 4V 이상이기 때문에, 필요에 따라 스위칭 레귤레이터 등의 전원 장치를 사용해 전지 전압을 승압하여 LED에 공급할 필요가 있다.

여기서, 특허 문헌 1에 기재된 것 같은 승압율을 전환 가능한 차지 펌프 회로를, LED를 구동하기 위한 전원 장치로서 사용한 경우, 전지 전압이 충분히 높을 때는, 승압율을 1배로 설정하고, 전지 전압이 저하함에 따라서 승압율을 높게 함으로써, LED를 안정적으로 구동할 수 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특개평 6-78527호 공보

여기서, 승압율을 1배보다 높게 설정하여 승압 동작을 행하는 경우에는, 차지 펌프 회로의 콘덴서의 충방전을 제어하기 위해서 1MHz 정도의 주파수로 스위칭 트랜지스터를 온오프시킬 필요가 있고, 차지 펌프 회로의 제어 회로는, 이를 위한 발진기를 내장하고 있다. 그러나, 차지 펌프 회로의 승압율을 1배로 설정하고, 승압 동작을 행하지 않는 경우에는, 차지 펌프 회로의 입출력 단자를 바이패스하면 되고, 스위칭 트랜지스터를 온오프시킬 필요가 없기 때문에, 1MHz의 발진기를 동작시켜 두면, 쓸데없이 전력을 소비하는 것이 된다.

본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 소비 전류를 저감하여, 효율을 개선한 차지 펌프 회로의 구동 회로의 제공에 있다.

본 발명의 일 형태는 차지 펌프 회로의 구동 회로에 관한 것이다. 이 구동 회로는, 복수의 승압율을 전환 가능한 차지 펌프 회로의 구동 회로로서, 차지 펌프 회로를 제어하는 제어부와, 제1 주기 신호를 출력하는 제1 발진기와, 주파수가 제1 주기 신호보다 낮게 설정되는 시간 측정용의 제2 주기 신호를 출력하는 제2 발진기를 구비한다. 제어부는, 차지 펌프 회로의 승압율이 1배보다 클 때는 제1 발진기만을 온하고, 제1 주기 신호에 기초해 차지 펌프 회로의 승압 동작의 제어 및 시간 측정을 행하는 한편, 차지 펌프 회로의 승압율이 1배일 때는, 제2 발진기만을 온하고, 제2 주기 신호에 기초해 시간 측정을 행한다.

즉, 차지 펌프 회로의 구동 회로에 발진 주파수가 다른 2개의 발진기를 설치하고, 차지 펌프 회로의 스위칭 동작이 불필요해지는 승압율이 1배일 때는, 제1 발진기를 오프하고, 시간 측정용으로 설치된 주파수가 낮은 제2 발진기만을 온한다. 발진기의 소비 전류는 주파수가 낮을수록 작아지므로, 이 형태에 의하면, 승압율이 1배일 때의 소비 전류를 저감할 수 있어, 고 효율화를 도모할 수 있다.

제어부는, 차지 펌프 회로의 승압율을 전환하기 위해서 감시해야 할 전압이 소정 시간 이상에 걸쳐, 소정의 조건을 만족했을 때, 차지 펌프 회로의 승압율을 전환한다. 제어부는, 이 때의 시간 측정을 제1 또는 제2 주기 신호에 기초해 행해도 된다.

승압율이 1배보다 높을 때는, 차지 펌프 회로의 스위칭 소자의 온오프에 사용되는 주파수가 높은 제1 주기 신호를 이용하여 승압율 전환을 위한 시간 측정을 행하고, 승압율이 1배일 때는, 주파수가 낮은 제2 주기 신호를 이용하여 승압율 전환을 위한 시간 측정을 행함으로써, 회로를 고효율화할 수 있다.

제2 주기 신호의 주파수는, 제어부에서 소정의 시간을 계측하기 위해서 필요한 최저 주파수보다 높게 설정되어도 된다.

제2 주기 신호는, 제어부에서 측정해야 할 시간의 길이에 따라, 그 시간 측정에 최저한 필요한 주파수로 함으로써, 제2 발진기의 소비 전류를 저감하여, 승압율 1배일 때의 효율을 개선할 수 있다.

제2 주기 신호의 주파수는, 제1 주기 신호의 주파수의 1/10 이하로 설정되어도 된다. 차지 펌프 회로의 스위칭 소자를 온오프하기 위한 제1 주기 신호의 주기 시간에 대해, 제2 주기 신호에 의해 측정해야 할 시간의 길이를 1자리수 이상 짧게 설정함으로써, 제2 발진기의 주파수를 제1 발진기의 주파수의 1/10 이하로 설정할 수 있어, 승압율이 1배일 때의 소비 전류를 저감할 수 있다.

본 발명의 다른 형태는, 전원 장치이다. 이 전원 장치는, 복수의 승압율을 전환 가능한 차지 펌프 회로와, 상기 차지 펌프 회로를 구동하는 상술한 구동 회로를 구비한다.

구동 회로에 제1, 제2 발진기를 설치하고, 차지 펌프 회로를 스위칭 동작시킬 필요가 없는 승압율 1배 시에, 주파수가 낮은 제2 발진기만을 온함으로써 전원 장치의 고효율화를 도모할 수 있다.

또한, 이상의 구성 요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성 요소나 표현을 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 역시, 본 발명의 형태로서 유효하다.

(발명의 효과)

본 발명에 따른 차지 펌프 회로의 구동 회로에 의하면, 승압율이 1배일 때의 소비 전류를 저감하여, 고효율화를 도모할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 구동 회로 및 발광 장치 전체를 도시한 도면이다.

도 2는, 도 1의 차지 펌프 회로의 구성을 도시한 회로도이다.

도 3은, 도 1의 정전류 회로 및 감시 회로의 구성을 도시한 회로도이다.

도 4는, 제1 트랜지스터인 FET의 전류 전압 특성을 도시한 도면이다.

도 5는, 차지 펌프 회로의 입력 전압과, 효율의 관계를 도시한 도면이다.

〈부호의 설명〉

10 : 차지 펌프 회로 20 : 구동 회로

22 : 정전류 회로 24 : 제어부

26 : 제1 발진기 28 : 제2 발진기

30 : 감시 회로 40 : 제1 연산 증폭기

52 : 전압원 100 : 전원 장치

102 : 입력 단자 104 : 출력 단자

106 : LED 단자 300 : 발광 다이오드

1000 : 발광 장치 M1 : 제1 트랜지스터

R1 : 제1 저항 M2 : 제2 트랜지스터

R2 : 제2 저항

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 발광 장치(1000)를 도시한다. 이 발광 장치(1000)는, 발광 소자인 발광 다이오드(300)와, 그 발광 다이오드(300)를 구동하기 위한 전원 장치(100)를 포함한다. 발광 장치(1000)는, 전지(500)에 의해 구동되는 정보 단말에 탑재되고, 전원 장치(100)는, 전지(500)로부터 출력되는 전지 전압 Vbat를 승압하여 발광 다이오드를 구동하기 위해서 필요한 전압을 생성한다. 발광 장치(1000)는, 예를 들면 휴대전화 단말이나 PDA 등의 전자 기기에 탑재되는 것이다.

전원 장치(100)는, 입출력 단자로서, 전지 전압 Vbat가 입력되는 입력 단자(102), 발광 다이오드(300)의 애노드 단자에 접속되어, 전지 전압 Vbat을 승압한 출력 전압 Vout을 출력하는 출력 단자(104), 발광 다이오드(300)의 캐소드 단자에 접속되는 LED 단자(106)를 포함한다.

전원 장치(100)는, 차지 펌프 회로(10) 및 그 구동 회로(20)를 포함한다. 차지 펌프 회로(10)는, 입력 단자(102)로부터 입력된 전지 전압 Vbat을 승압하여, 출력 단자(104)로부터 출력 전압 Vout을 생성한다. 이 차지 펌프 회로(10)는, 복수의 승압율을 전환 가능하게 구성되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 승압율은 1배, 1.5배, 2배의 3가지로 전환되는 것으로 한다.

도 2는, 차지 펌프 회로(10)의 구성을 도시한 회로도이다. 차지 펌프 회로(10)는, 제1 콘덴서(C1), 제2 콘덴서(C2), 및 이들 콘덴서의 접속 상태를 제어하기 위한 제1 스위치(SW1)로부터 제9 스위치(SW9)를 포함한다. 이하, 이들 스위치를 특별히 구별할 필요가 없을 때는 스위치(SW)로 총칭한다. 제1 콘덴서(C1) 및 제2 콘덴서(C2)는 용량치가 같게 설정되고, 집적 회로의 외부에 부착되어 있다.

제1 스위치(SW1)로부터 제9 스위치(SW9)는, N형 또는 P형의 전계 효과 트랜지스터(FET)에 의해 구성할 수 있고, 게이트 단자에 인가하는 전압에 의해 드레인 소스 간의 도통 상태를 제어함으로써 스위칭 소자로서 동작시킬 수 있다. 이 차지 펌프 회로(10)에 있어서는, 제1 스위치(SW1)로부터 제9 스위치(SW9)의 온오프의 상태가, 구동 회로(20)로부터 출력되는 제어 신호 Vcnt에 의해 전환된다. 또한, 제어 신호 Vcnt는, 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 제1 스위치(SW1)로부터 제9 스위치(SW9) 각각에 입력되고 있는 것으로 한다.

차지 펌프 회로(10)는, 상술한 바와 같이 복수의 승압율이 전환되도록 구성되어 있다. 여기서, 차지 펌프 회로(10)의 승압율에 따른 동작에 관해 설명한다.

승압율이 1배로 설정될 때는, 구동 회로(20)로부터 출력되는 구동 신호 Vcnt에 의해, 제1 스위치(SW1), 제3 스위치(SW3), 제7 스위치(SW7), 제8 스위치 (SW8)가 정상적으로 온되고, 그 밖의 스위치는 전부 오프된다. 그 결과, 입력 단자(102)와 출력 단자(104)가 온된 스위치에 의해 도통 상태가 되기 때문에, 입력 단자(102)에 인가된 전지 전압 Vbat가 출력 단자(104)로부터 출력되어, 승압율이 1배로 설정되게 된다.

따라서, 승압율이 1배로 설정될 때 구동 회로(20)로부터 출력되는 제어 신호 Vcnt는, 시간적으로 온오프를 반복하는 스위칭 신호가 아니라, 일정 전압이 된다.

다음에, 승압율이 1.5배로 설정될 때의 동작에 관해 설명한다. 승압율이 1보다 클 때, 즉 승압 동작을 행하는 경우에는, 차지 펌프 회로(10)는, 스위치(SW)의 접속 상태가 다른 제1 기간, 제2 기간을 반복한다.

제1 기간에 있어서는, 제1 스위치(SW1), 제5 스위치(SW5), 제6 스위치(SW6)를 온하고, 그 밖의 스위치를 전부 오프함으로써, 제1 콘덴서(C1) 및 제2 콘덴서(C2)를 직렬로 접속하고, 전지 전압 Vbat로 충전한다. 제1 콘덴서(C1) 및 제2 콘덴서(C2)의 용량치는 같기 때문에, 2개의 콘덴서는, 각각 전지 전압 Vbat의 1/2이 되는 Vbat/2로 충전된다.

제2 기간에서는, 제2 스위치(SW2)와 제7 스위치(SW7), 제4 스위치(SW4)와 제8 스위치(SW8)를 온하고, 그 밖의 스위치를 전부 오프한다. 이 때, 입력 단자(102)와 출력 단자(104) 사이에는, 제1 콘덴서(C1), 제2 콘덴서(C2)가 병렬로 접속된다. 그 결과, 출력 단자(104)로부터는, 입력 단자(102)에 인가된 전지 전압 Vbat와, 콘덴서의 충전 전압의 합이 출력되게 된다. 제1 기간에 있어서, 제1 콘덴서(C1), 제2 콘덴서(C2)는 전압 Vbat/2으로 충전되어 있기 때문에, 결국 출력 단자(104)로부터는, Vbat+Vbat/2=1.5×Vbat의 전압이 출력된다.

이와 같이, 차지 펌프 회로(10)는, 제1 기간과 제2 기간을 반복함으로써 전지 전압 Vbat를 1.5배하여 출력한다.

다음에, 승압율이 2배로 설정될 때의 동작에 관해 설명한다.

제1 기간에 있어서는, 제1 스위치(SW1)와 제9 스위치(SW9), 제3 스위치(SW3)와 제6 스위치(SW6)를 온하고, 그 밖의 스위치를 전부 오프한다. 제1 콘덴서(C1) 및 제2 콘덴서(C2)는, 입력 단자(102)와 접지 단자(GND) 사이에 병렬로 접속되게 되고, 각각은 전지 전압 Vbat로 충전된다.

제2 기간에 있어서는, 제2 스위치(SW2)와 제7 스위치(SW7), 제4 스위치(SW4)와 제8 스위치(SW8)가 온되고, 다른 스위치는 전부 오프된다. 그 결과, 입력 단자(102)와 출력 단자(104) 사이에는, 제1 콘덴서(C1), 제2 콘덴서(C2)가 병렬로 접속된다. 출력 단자(104)로부터는, 입력 단자(102)에 인가된 전지 전압 Vbat와, 콘덴서의 충전 전압의 합이 출력되게 된다. 제1 기간에 있어서, 제1 콘덴서(C1), 제2 콘덴서(C2)는 각각 전지 전압 Vbat로 충전되어 있기 때문에, 출력 단자(104)로부터는 Vbat+Vbat=2×Vbat의 전압이 출력된다.

이와 같이 차지 펌프 회로(10)는, 제1 기간과 제2 기간을 반복함으로써, 전지 전압 Vbat를 2배하여 출력한다.

도 1로 되돌아간다. 구동 회로(20)는, 차지 펌프 회로(10)의 승압율을 설정 하고, 승압 동작, 즉 차지 펌프 회로(10)의 스위치(SW)의 접속 상태를 제어한다. 이 구동 회로(20)는, 정전류 회로(22), 제어부(24), 제1 발진기(26), 제2 발진기(28), 감시 회로(30)를 포함한다.

정전류 회로(22)는, LED 단자(106)를 통해 발광 다이오드(300)의 캐소드 단자와 접속되어 있다. 발광 다이오드(300)의 발광 휘도는, 발광 다이오드(300)에 흐르는 전류 Iled에 의해 정해지기 때문에, 정전류 회로(22)는, 발광 다이오드(300)의 발광 휘도가 원하는 값이 되도록, 전류 Iled를 제어한다.

감시 회로(30)는, 차지 펌프 회로(10)의 승압율을 전환하기 위해서 감시해야 할 전압으로서 정전류 회로(22)의 양단의 전압을 감시한다. 감시 회로(30)는, 정전류 회로(22)의 양단의 전압과 소정의 전압을 비교하여, 비교 결과를 제어부(24)에 출력한다. 본 실시형태에 있어서는, 정전류 회로(22)의 양단의 전압은, 접지 단자와 LED 단자(106) 사이의 전압에 상당한다. 상세한 것은 후술하는데, 제어부(24)는, 감시 회로(30)로부터의 출력에 기초해 차지 펌프 회로(10)의 승압율을 전환한다.

도 3은, 정전류 회로(22) 및 감시 회로(30)의 구성을 도시한 회로도이다.

정전류 회로(22)는, 제1 트랜지스터(M1), 제1 저항(R1), 제1 연산 증폭기(40)를 포함한다. 제1 트랜지스터(M1)는, N형의 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)이다. 제1 트랜지스터(M1) 및 제1 저항(R1)은, 정전류가 흐르는 경로에 직렬로 설치되어 있다. 제1 연산 증폭기(40)의 반전 입력 단자에는, 제1 트랜지스터(M1)와 제1 저항(R1)의 접속점이 접속되고, 전 압 Vr1이 귀환 입력되어 있다. 또, 비반전 입력 단자에는, 발광 다이오드(300)의 발광 휘도를 지시하는 휘도 제어 전압 Ve가 인가되어 있다. 또 제1 연산 증폭기(40)의 출력 단자는, 제1 트랜지스터(M1)의 제어 단자인 게이트 단자에 접속되어 있다.

제1 연산 증폭기(40)의 반전 입력 단자에는, 제1 저항(R1)에 인가되는 전압 Vr1이 귀환되어 있고, 반전 입력 단자와 비반전 입력 단자의 전압이 같아지도록 귀환이 걸리므로, 제1 저항(R1)에 인가되는 전압은 휘도 제어 전압 Ve에 가까워지게 된다.

제1 저항(R1)에 인가되는 전압 Vr1이 휘도 제어 전압 Ve와 같을 때, 제1 저항(R1)에는, 전류 I=Ve/R1이 흐르게 된다. 이 전류 I는, 제1 트랜지스터(M1) 및 LED 단자(106)를 통해 발광 다이오드(300)로부터 흐르는 전류 Iled임에 틀림없다.

이렇게 해서, 정전류 회로(22)는, 휘도 제어 전압 Ve에 기초하는 정전류 Iled=Ve/R1을 생성하여, 발광 다이오드(300)에 흐르는 전류 Iled를 제어한다.

여기서, 이 정전류 회로(22)가 안정적으로 전류를 생성하기 위해서는, 제1 트랜지스터(M1)를 정전류 영역에서 동작시킬 필요가 있다. 정전류 영역이란, 트랜지스터가 전계 효과 트랜지스터(FET)일 때는 포화 영역을 의미하며, 바이폴라 트랜지스터일 때는 활성 영역을 의미한다.

LED 단자(106)의 전압 Vled가 저하하면, 제1 트랜지스터(M1)의 양단 사이의 전위차, 즉 드레인 소스 간 전압이 작아져, 비포화 영역에서 동작하게 된다. 비포화 영역에서는, 드레인 소스 간에 흐르는 전류가 드레인 소스 간 전압에 의존해 버 리므로, 정전류 회로(22)가 정전류 회로로서 동작하지 않게 되어, 발광 다이오드(300)의 발광 휘도를 안정시킬 수 없게 된다.

그래서, 도 3에 도시한 바와 같이, 감시 회로(30)는, LED 단자(106)의 전압 Vled가 소정의 임계치 전압 Vth를 하회하지 않도록 감시한다. 이 임계치 전압 Vth는, 제1 트랜지스터(M1)가 정전류 영역(포화 영역)에서 동작하는 범위로 설정되어 있다.

이 감시 회로(30)는, 전압 비교기(50), 임계치 전압 Vth를 출력하는 전압원(52)을 포함한다. 전압 비교기(50)에는, LED 단자(106)의 전압 Vled와, 임계치 전압 Vth가 입력되고 있고, Vled > Vth일 때 하이 레벨, Vled < Vth일 때 로우 레벨을 출력한다. 이 전압 비교기(50)의 출력 Vs는, 제어부(24)로 입력되고 있다.

제어부(24)는, 감시 회로(30)로부터 출력되는 전압 Vs가 로우 레벨이 된 상태, 즉 Vled < Vth가 되는 상태가 소정 시간 지속되면, 차지 펌프 회로(10)의 승압율을 1단계 상승시킨다. 즉, 승압율이 1배로 동작하고 있었을 때, 감시 회로(30)로부터 출력되는 전압 Vs가 로우 레벨이 되면, 승압율을 1.5배로 설정한다. 마찬가지로, 1.5배로 동작하고 있었을 때 감시 회로(30)로부터 출력되는 전압 Vs가 로우 레벨이 되면, 승압율을 2배로 설정한다.

그 결과, 전지(500)의 방전에 의해 전지 전압 Vbat가 저하하고, 그에 따라, 발광 다이오드(300)의 캐소드 단자의 전압 Vled가 저하한 경우에도, 승압율을 적절하게 전환할 수 있다. 승압율이 높게 설정되면, 출력 단자(104)로부터 출력되는 출력 전압 Vout이 상승하게 되므로, LED 단자(106)의 전압 Vled를 임계치 전압 Vth 보다도 높게 할 수 있어, 정전류 회로(22)를 안정적으로 동작시킬 수 있다.

전압원(52)으로부터 출력되는 임계치 전압 Vth는, 정전류 회로(22)가 안정적으로 동작하는 것이 가능한 전압, 즉 제1 트랜지스터(M1)가 정전류 영역(포화영역)에서 동작하는 범위로 설정된다. 예를 들면, 이 임계치 전압 Vth는 0.3V로 설정된다.

여기서, 정전류 회로(22)를 구성하는 제1 트랜지스터(M1), 제1 저항(R1), 제1 연산 증폭기(40)의 소자 특성, 회로 특성은, 반도체 제조 프로세스의 편차나 온도에 따라 변동한다. 도 4는, 제1 트랜지스터(M1)인 FET의 전류 전압 특성(IV 특성)을 나타내는 도면이고, 세로축은 드레인 소스 전류 Ids, 가로축이 드레인 소스 전압 Vds를 나타낸다.

도면 중, 평균적인 전류 전압 특성 IVm1에서는, 드레인 소스 전압이 전압 Vx1보다 높을 때 포화 영역이고, 전압 Vx1보다 낮을 때 비포화 영역이 된다. 지금, 반도체 제조 프로세스의 편차나 온도 변화에 따라, 전류 전압 특성 IV가 전류 전압 특성 IVm2로 변화했다고 하면, 이에 따라, 포화 영역과 비포화 영역의 경계 전압도 Vx2로 시프트하게 된다.

정전류 회로(22)의 양단의 전압은, 제1 저항(R1)에 있어서의 전압 강하 Vr1과, 제1 트랜지스터(M1)의 드레인 소스 간 전압의 합이 된다. 따라서, 제1 트랜지스터(M1)의 전류 전압 특성의 변동에 따라, 정전류 회로(22)를 안정적으로 동작시키기 위해서 필요한 전압도 변화하게 된다. 마찬가지로, 제1 저항(R1)의 저항치의 편차에 따라서도 이 전압은 변화하게 된다.

제1 트랜지스터(M1)의 전류 전압 특성 IVm이, 반도체 제조 프로세스의 편차나 온도 변화에 따라, 도 4의 IVm1과 IVm2의 사이에서 변동한다고 할 때, 정전류 회로(22)를 안정적으로 동작시키기 위한 전압은, Vth1=Ic×R1+Vx1로부터 Vth2=Ic×R1+Vx2의 범위에서 변동하게 된다.

감시 회로(30)의 전압원(52)에 의해 생성되는 임계치 전압 Vth를 일정값으로 하는 경우, 제1 트랜지스터(M1)의 전류 전압 특성이 변동하는 모든 범위에 있어서 정전류 회로(22)를 안정적으로 동작시키기 위해서는, 마진을 고려하여 임계치 전압 Vth를, Vth1=Ic×R1+Vx1으로 설정해 둘 필요가 있다.

여기서, 차지 펌프 회로(10)의 효율에 관해 검토한다. 도 5는, 차지 펌프 회로(10)의 입력 전압이 되는 전지 전압 Vbat와, 효율

의 관계를 도시한 도면이다.

여기서, 전압원(52)에 의해 생성되는 임계치 전압 Vth를 전압 Vth1에 고정한 경우를 생각한다. 승압율이 1배일 때, 전지 전압 Vbat와 LED 단자(106)의 전압 Vled의 관계는, 발광 다이오드(300)의 순방향 전압 Vf를 사용해 Vbat=Vled+Vf로 표시된다. 지금, 전지 전압 Vbat의 저하에 수반하여, Vbat<Vbat1(=Vth1+Vf)가 되면, LED 단자(106)의 전압 Vled는 <Vth1이 되므로, 승압율이 1배에서 1.5배로 전환되게 된다.

이와 같이, 임계치 전압 Vth를 전압 Vth1에 고정하면, 만약 제1 트랜지스터(M1)의 특성에 편차가 생겨, 정전류 회로(22)를 안정 동작시키기 위한 전압이 임계치 전압 Vth1보다 낮아진 경우에도, Vbat<Vbat1이 된 상태에서 승압율이 1.5배로 전환되게 되어, 효율면에서 개선의 여지가 있다.

그래서 차지 펌프 회로(10)의 효율을 개선하기 위해서, 본 실시형태에 따른 감시 회로(30)의 전압원(52)은, 제1 트랜지스터(M1) 및 제1 저항(R1)의 특성 변동에 추종한 임계치 전압 Vth를 생성하도록 구성되어 있다.

도 3으로 되돌아간다. 전압원(52)은, 제2 트랜지스터(M2), 제2 저항(R2), 전류원(54)을 포함한다.

제2 트랜지스터(M2), 제2 저항(R2), 전류원(54)은 직렬로 접속되어 있고, 제2 트랜지스터(M2) 및 제2 저항(R2)에는, 전류원(54)에 의해 생성되는 정전압 Ic가 흐르고 있다.

이 전압원(52)은, 제2 트랜지스터(M2)와 전류원(54)의 접속점의 전압을 임계치 전압 Vth로서 출력한다. 제2 트랜지스터(M2)의 드레인 소스 간 전압 Vds2는, 정전류 Ic에 의해 결정되고, 제2 저항(R2)에 나타나는 전압 Vr2는, Vr2=Ic×R2로 주어진다. 그 결과, 임계치 전압 Vth는, Vth=Ic×R2+Vds2로 표시할 수 있다.

이와 같이, 전압원(52)은, 임계치 전압 Vth를 생성하기 위한 주요부의 구성이, 정전류 회로(22)와 거의 동일하게 되어 있다. 반도체 집적 회로 상에 있어서, 바람직하게는, 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)은 서로 근접하여, 페어(pair)를 취하여 형성하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 제1 트랜지스터(M1)와 제2 트랜지스터(M2)도 서로 근접하여 형성해, 페어를 취하는 것이 바람직하다.

이와 같이 정전류 회로(22)와 전압원(52)의 주요한 구성을 동일하게 하고, 회로를 구성하는 저항, 트랜지스터를 페어로 하여 형성함으로써, 대응하는 소자 특 성의 변동량을 거의 같게 할 수 있다.

그 결과, 제1 트랜지스터(M1)의 전류 전압 특성이 변동하여, 포화 영역과 비포화 영역의 경계 전압 Vx가 변동한 경우, 제2 트랜지스터(M2)의 포화 영역과 비포화 영역의 경계 전압 Vx도 변동하기 때문에, 임계치 전압 Vth를, 제1 트랜지스터(M1)의 특성 변동에 추종하여 변화시킬 수 있다.

마찬가지로, 제1 저항(R1)의 저항치가 반도체 제조 프로세스의 편차나 온도변화에 따라 변동한 경우에, 제2 저항(R2)의 저항치도 동일하게 변동하도록 형성해 두면, 임계치 전압 Vth는, 제2 저항(R2)의 특성 변동에도 추종하게 된다.

이상과 같이 감시 회로(30)를 구성함으로써, 프로세스의 편차나 온도 변화에 따른 소자 특성의 변동에 의해 정전류 회로(22)를 안정적으로 동작시키기 위해서 필요한 전압이 변동한 경우에도, 그 변동에 따라 임계치 전압 Vth를 생성하므로, 제어부(24)에 있어서, 최적의 승압율의 설정을 행할 수 있다.

그 결과, 도 5에 도시한 바와 같이, 승압율을 전환하는 전압을 Vbat1로부터 Vbat2의 범위에서 적절하게 설정할 수 있는 것을 의미하기 때문에, 차지 펌프 회로(10)의 효율을 개선할 수 있다. 마찬가지로, 1.5배에서 2배로의 승압율의 전환도, 최적의 전압으로 행해지므로, 효율을 개선할 수 있다.

도 1로 되돌아간다. 제어부(24)는, 차지 펌프 회로(10)의 승압율을 설정하고, 설정한 승압율에 따른 제어 신호 Vcnt를 생성한다. 이 제어부(24)는, 감시 회로(30)의 출력 신호 Vs를 모니터하고 있어, 출력 신호 Vs가 로우 레벨이 된 상태가 소정 시간 지속되면 승압율을 상승시킨다. 본 실시형태에 있어서는, 제어부(24) 는, 감시 회로(30)의 출력 신호 Vs가 2ms인 동안, 로우 레벨이 되었을 때, 차지 펌프 회로(10)의 승압율을 1단계 상승시킨다.

제어부(24)가, 제어 신호 Vcnt를 생성하고, 시간의 계측을 행하기 위해서 필요한 주기 신호는, 제1 발진기(26), 제2 발진기(28)로부터 출력된다. 제1 발진기(26) 및 제2 발진기(28)는 각각 도시 생략한 인에이블(enable) 단자를 구비하고 있어, 동작을 정지할 수 있도록 구성되어 있다.

제어부(24)는, 차지 펌프 회로(10)에 의해 승압 동작을 행할 때, 즉 승압율을 1.5배, 또는 2배로 설정했을 때의 제어 신호 Vcnt는, 제1 스위치(SW1)로부터 제9 스위치(SW9)를 온오프시키는 스위칭 신호가 된다. 제1 발진기(26)는, 이 스위칭 신호에 필요한 주파수를 갖는 제1 주기 신호 Vosc1을 생성한다. 예를 들면, 이 제1 주기 신호 Vosc1의 주파수는 1MHz로 설정된다.

또, 제어부(24)는, 감시 회로(30)의 출력 신호 Vs를 모니터할 때 시간 2ms를 계측하기 위해서 필요한 주파수를 갖는 제2 주기 신호 Vosc2를 생성한다. 2ms 정도의 시간은, 수십 kHz 정도의 주파수로 측정할 수 있으므로, 본 실시형태에서는, 이 제2 주기 신호 Vosc2의 주파수는 64kHz로 설정되어 있는 것으로 한다.

구동 회로(20)는, 차지 펌프 회로(10)의 승압율에 따라, 제1 발진기(26) 및 제2 발진기(28) 중 어느 하나를 전환하여 사용한다. 그 때문에, 제어부(24)는, 차지 펌프 회로(10)의 승압율에 따라 제1 발진기(26), 제2 발진기(28)의 인에이블 단자에 대해 온오프를 제어하는 인에이블 신호를 출력한다.

이하, 구동 회로(20)에 있어서, 차지 펌프 회로(10)의 승압율을 전환할 때의 동작에 관해 설명한다.

전지(500)로부터 출력되는 전지 전압 Vbat이 충분히 높을 때는, 승압율은 1배로 설정되어 있다. 지금, 전력 소비에 의해 전지 전압 Vbat가 저하해 오면, LED 단자(106)의 전압 Vled도 저하한다. 감시 회로(30)에 있어서는, 전압원(52)으로부터 출력되는 임계치 전압 Vth와, LED 단자(106)의 전압 Vled를 비교하여, Vled<Vth가 되면 출력 신호 Vs로서 로우 레벨을 출력한다.

차지 펌프 회로(10)의 승압율이 1배로 설정되었을 때, 차지 펌프 회로(10)에 있어서, 제1 스위치(SW1), 제3 스위치(SW3), 제7 스위치(SW7), 제8 스위치(SW8)를 정상적으로 온하면 되므로, 주파수 1MHz의 제1 주기 신호 Vosc1은 필요하지 않다. 이 때문에, 승압율이 1배일 때, 제어부(24)는, 제1 발진기(26)를 오프해 두고, 제2 발진기(28)만을 동작시켜, 제2 주기 신호 Vosc2를 이용하여 시간 측정을 행한다.

감시 회로(30)의 출력 신호 Vs가 2ms 로우 레벨이 되면, 제어부(24)는, 승압율을 1.5배로 전환한다. 승압율이 1배보다 높을 때, 상술한 바와 같이 차지 펌프 회로(10)로 출력해야 할 제어 신호 Vcnt로서 온오프를 반복하는 스위칭 신호를 생성할 필요가 있다. 이 때, 제어부(24)는 제1 주기 신호 Vosc1을 필요로 하기 때문에, 제1 발진기(26)를 온한다. 승압율이 1.5배일 때, 제어부(24)는, 감시 회로(30)의 출력 신호 Vs의 상태의 모니터를 위한 시간 측정을, 제1 주기 신호 Vosc1을 사용해 행한다. 이 때, 제2 주기 신호 Vosc2는 필요하지 않으므로, 제어부(24)는 제2 발진기(28)를 오프한다.

또한, 전지 전압 Vbat가 저하하여, 승압율이 2배로 설정될 때도, 제어부(24) 는 제1 발진기(26)만을 온해 두고, 제1 주기 신호 Vosc1에 기초해, 제어 신호 Vcnt의 생성 및 2ms의 시간 측정을 행한다.

발진기의 소비 전류는, 주파수에 의존하며, 주파수가 높을수록 소비 전류는 증가한다. 즉, 제1 발진기(26)의 소비 전류는 제2 발진기(28)의 소비 전류보다도 크다. 그 때문에, 본 실시형태에 따른 구동 회로(20)에 의하면, 승압 동작을 행하는 경우에는, 1MHz에서 발진하는 제1 발진기(26)를 온해 두고, 제어 신호 Vcnt를 생성함과 동시에, 승압율을 설정하기 위한 시간 측정을 행한다. 한편, 승압율이 1배일 때, 제어 신호 Vcnt로서 주파수가 높은 신호를 생성할 필요가 없기 때문에, 소비 전류가 작은 제2 발진기(28)로 전환함으로써 회로의 소비 전류를 저감하여, 고효율화를 도모할 수 있다.

이상, 본 실시형태에 따른 전원 장치(100)의 구성 및 동작에 관해 설명했다.

본 실시형태에 따른 전원 장치(100)에 의하면, 차지 펌프 회로의 구동 회로에서, 차지 펌프 동작을 제어하는 제어 신호의 생성에 추가해, 시간 측정할 필요가 있는 경우에, 다른 주파수로 발진하는 2개의 발진기를 설치했다. 승압율이 1배일 때는, 소비 전류가 큰 주파수가 높은 발진기는 오프해 두고, 시간 측정에 필요한 주파수가 낮은 발진기를 사용함으로써, 1배 모드 시의 소비 전류를 저감할 수 있어, 부하 회로에 흐르는 출력 전류가 작은 경(輕)부하 시의 전력 변환 효율을 개선할 수 있다.

상기 실시형태는 예시이며, 그들의 각 구성 요소나 각 처리 프로세스의 조합에 여러 가지 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것 은 당업자에게 이해될 것이다.

실시형태에서는, 제1 발진기(26), 제2 발진기(28)를 따로따로 구성하는 경우 에 관해 설명했으나, 주파수가 제1 주기 신호와, 제2 주기 신호의 2가지로 전환 가능한 1개의 발진기로서 일체로 구성해도 된다. 이 경우에도 차지 펌프 회로(10)의 승압율에 따라, 발진기의 주파수를 전환함으로써, 실시형태에서 설명한 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 2개의 발진기를 일체로 구성함으로써, 회로 면적을 삭감할 수 있다.

본 발명은, 승압율을 전환 가능한 차지 펌프 회로(10)의 구동 회로에 널리 적용할 수 있다.

예를 들면, 본 실시형태에서는, 차지 펌프 회로(10)를 전원 장치(100)에 의해, 부하 회로로서 발광 다이오드(300)를 구동하는 경우에 관해 설명했으나 이것에는 한정되지 않고, 그 밖의 부하 회로를 구동하는 전원 장치에도 적용할 수 있다. 이 때, 부하 회로는 발광 다이오드(300)와 같이 반드시 정전류 구동될 필요는 없다.

승압율의 설정은, 차지 펌프 회로(10)의 입력 전압인 전지 전압 Vbat 또는, 차지 펌프 회로(10)의 출력 전압 Vout에 기초해 행해도 된다. 이 때, 감시 회로(30)는, 차지 펌프 회로(10)의 승압율을 전환하기 위해서 감시해야 할 전압으로서 전지 전압 Vbat 또는 출력 전압 Vout을 감시하고, 제어부(24)는 전지 전압 Vbat 또는 출력 전압 Vout이 소정의 전압을 소정 시간 하회했을 때, 차지 펌프 회로(10)의 승압율을 전환한다.

본 실시형태에 있어서는, 사용하는 트랜지스터는 FET으로 했으나 바이폴라 트랜지스터 등의 다른 타입의 트랜지스터를 사용해도 되고, 이들 선택은, 전원 장치에 요구되는 설계 사양, 사용하는 반도체 제조 프로세스 등에 따라 정하면 된다.

본 실시형태에 있어서, 전원 장치를 구성하는 소자는 모두 일체 집적화되어 있어도 되고, 그 일부가 디스크리트(discrete) 부품으로 구성되어 있어도 된다. 어느 부분을 집적화할지는, 비용이나 점유 면적 등에 따라 정하면 된다.

본 발명에 따른 차지 펌프 회로의 구동 회로에 의하면, 승압율이 1배일 때의 소비 전류를 저감하여, 고 효율화를 도모할 수 있다.

Claims

복수의 승압율을 전환 가능한 차지 펌프 회로의 구동 회로로서,

상기 차지 펌프 회로를 제어하는 제어부와,

제1 주기 신호를 출력하는 제1 발진기와,

주파수가 상기 제1 주기 신호보다 낮게 설정되는 시간 측정용의 제2 주기 신호를 출력하는 제2 발진기를 구비하고,

상기 제어부는, 상기 차지 펌프 회로의 승압율이 1배보다 클 때는 상기 제1발진기만을 온하고, 상기 제1 주기 신호에 기초해 상기 차지 펌프 회로의 승압 동작의 제어 및 시간 측정을 행하는 한편, 상기 차지 펌프 회로의 승압율이 1배일 때는, 상기 제2 발진기만을 온하고, 상기 제2 주기 신호에 기초해 시간 측정을 행하는 것을 특징으로 하는 구동 회로.
복수의 승압율을 전환 가능한 차지 펌프 회로의 구동 회로로서,

상기 차지 펌프 회로를 제어하는 제어부와,

제1 주기 신호 또는 주파수가 상기 제1 주기 신호보다 낮게 설정되는 제2 주기 신호 중 어느 하나를 전환해서 출력하는 주파수 가변의 발진기를 구비하고,

상기 제어부는, 상기 차지 펌프 회로의 승압율이 1배보다 클 때는, 상기 제1 주기 신호에 기초해 상기 차지 펌프 회로의 승압 동작의 제어 및 시간 측정을 행하는 한편, 상기 차지 펌프 회로의 승압율이 1배일 때는, 상기 제2 주기 신호에 기초 해 시간 측정을 행하는 것을 특징으로 하는 구동 회로.
청구항 1 또는 2에 있어서,

상기 제어부는, 상기 차지 펌프 회로의 승압율을 전환하기 위해서 감시해야 할 전압이 소정 시간 이상 소정의 조건을 만족했을 때, 상기 차지 펌프 회로의 승압율을 전환하고, 이 때의 시간 측정을 상기 제1 또는 제2 주기 신호에 기초해 행하는 것을 특징으로 하는 구동 회로.
청구항 3에 있어서,

상기 제2 주기 신호의 주파수는, 상기 제어부에서, 상기 소정 시간을 계측하기 위해서 필요한 최저 주파수보다 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 구동 회로.
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,

1개의 반도체 기판 상에 일체 집적화된 것을 특징으로 하는 구동 회로.
복수의 승압율을 전환 가능한 차지 펌프 회로와,

상기 차치 펌프 회로를 구동하는 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 구동 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
발광 다이오드와,

전지와,

상기 전지의 전압을 승압하여 상기 발광 다이오드를 구동하는 청구항 6에 기재된 전원 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.