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公開番号2021090308
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210610
出願番号2019220371
出願日20191205
発明の名称チャージポンプ回路、半導体装置、電源管理回路
出願人ローム株式会社
代理人個人,個人
主分類H02M 3/07 20060101AFI20210514BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】出力電圧のオーバーシュート量を抑制し、および/または消費電力を削減したチャージポンプ回路を提供する。
【解決手段】チャージポンプ回路100の出力端子CPOUTには、可変の負荷2が接続される。チャージポンプ回路100は、フライングキャパシタCFと、補助キャパシタCAUXを備える。チャージポンプ回路100は、第1モードと第2モードが切り替え可能となっており、補助キャパシタCAUXは、第1モードにおいて出力端子CPOUTと接地の間に接続され、第2モードにおいてフライングキャパシタCFと並列に接続される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
可変負荷が接続される出力端子と、
フライングキャパシタと、
第1モードにおいて前記出力端子と接地の間に接続され、第2モードにおいて前記フライングキャパシタと並列に接続される補助キャパシタと、
を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
続きを表示(約 1,900 文字)【請求項2】
前記可変負荷は、可変の容量性負荷であり、
前記第1モードと前記第2モードは、前記可変負荷の容量に応じて選択されることを特徴とする請求項1に記載のチャージポンプ回路。
【請求項3】
前記第1モードと前記第2モードは、前記可変負荷に流れる電流に応じて選択されることを特徴とする請求項1または2に記載のチャージポンプ回路。
【請求項4】
前記出力端子と前記接地の間に固定的に接続される出力キャパシタをさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のチャージポンプ回路。
【請求項5】
前記補助キャパシタの容量値は、前記出力キャパシタの容量値より大きいことを特徴とする請求項4に記載のチャージポンプ回路。
【請求項6】
前記チャージポンプ回路は、前記出力端子の電圧をしきい値電圧と比較するヒステリシスコンパレータを含み、前記ヒステリシスコンパレータの出力に応じて間欠動作することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のチャージポンプ回路。
【請求項7】
前記しきい値電圧は、前記第1モードと前記第2モードとで異なることを特徴とする請求項6に記載のチャージポンプ回路。
【請求項8】
前記チャージポンプ回路のクロック周波数は、前記第1モードと前記第2モードとで異なることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のチャージポンプ回路。
【請求項9】
入力電圧を昇圧するチャージポンプ回路と、
外付けの負荷が接続される出力ピンと、
前記チャージポンプ回路の出力端子と前記出力ピンの間に設けられる起動回路と、
前記起動回路と並列に設けられるバイパススイッチと、
前記出力ピンの電圧を所定の設定電圧と比較し、前記出力ピンの電圧の方が低いときに、前記バイパススイッチをオフし、前記出力ピンの電圧の方が高いときに、前記バイパススイッチをオフする判定回路と、
を備え、
前記チャージポンプ回路は、
フライングキャパシタと、
第1モードにおいて前記出力端子と接地の間に接続され、第2モードにおいて前記フライングキャパシタと並列に接続される補助キャパシタと、
前記チャージポンプ回路の出力電圧をその目標レベルに応じたしきい値電圧と比較するヒステリシスコンパレータと、
前記ヒステリシスコンパレータの出力に応じて、動作、停止が制御されるオシレータと、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項10】
前記チャージポンプ回路は、前記出力端子と前記接地の間に固定的に接続される出力キャパシタをさらに備えることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
【請求項11】
前記第1モードおよび前記第2モードは、前記バイパススイッチのオン、オフと連動して切り替えられることを特徴とする請求項9または10に記載の半導体装置。
【請求項12】
前記第1モードにおける前記チャージポンプ回路のクロック周波数は、前記第2モードのクロック周波数よりも高いことを特徴とする請求項9から11のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項13】
前記しきい値電圧は、前記バイパススイッチのオン、オフと連動して変化することを特徴とする請求項9から12のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項14】
前記起動回路は、前記負荷に定電流を供給する定電流回路を含むことを特徴とする請求項9から13のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項15】
前記起動回路は、抵抗素子を含むことを特徴とする請求項9から13のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項16】
前記負荷はMOSトランジスタであるロードスイッチであり、前記出力ピンには前記MOSトランジスタのゲートが接続されることを特徴とする請求項9から15のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項17】
前記チャージポンプ回路は、前記ロードスイッチがオンすべき期間においてアクティブとなることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。
【請求項18】
前記半導体装置は電源管理回路であり、
前記ロードスイッチの一端に電圧を供給するDC/DCコンバータをさらに備えることを特徴とする請求項16または17に記載の半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、チャージポンプ回路に関する。
続きを表示(約 4,700 文字)【背景技術】
【0002】
電源電圧より高い電圧が必要とされる場合に、チャージポンプ回路が使用される。チャージポンプ回路は、フライングキャパシタと出力キャパシタを含み、入力電圧によってフライングキャパシタを充電し、そのフライングキャパシタに蓄えた電荷を出力キャパシタに転送する動作を繰り返すことにより、入力電圧を昇圧する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2011−066750号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明者は、チャージポンプ回路の出力に、可変の容量性負荷が接続されるケースについて検討し、以下の課題を認識するに至った。
【0005】
容量性負荷が小さい状況を想定して、フライングキャパシタを小さく設計すると、容量性負荷が大きくなったときに、一定の出力電圧レベルを維持するために、多くのスイッチング回数を必要とし、消費電力が増大する。
【0006】
一方、容量性負荷が大きい状況を想定して、フライングキャパシタを大きく設計すると、容量性負荷が小さいときに、1回のスイッチング当たりの出力電圧の上昇幅が大きくなり、したがって、出力電圧のオーバーシュート量が大きくなる。
【0007】
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、出力電圧のオーバーシュート量を抑制し、および/または消費電力を削減したチャージポンプ回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明のある態様は、チャージポンプ回路に関する。チャージポンプ回路は、可変負荷が接続される出力端子と、フライングキャパシタと、第1モードにおいて出力端子と接地の間に接続され、第2モードにおいて、フライングキャパシタと並列に接続される補助キャパシタと、を備える。
【0009】
本発明の別の態様は、半導体装置である。この半導体装置は、入力電圧を昇圧するチャージポンプ回路と、外付けの負荷が接続される出力ピンと、チャージポンプ回路の出力端子と出力ピンの間に設けられる起動回路と、起動回路と並列に設けられるバイパススイッチと、を備える。チャージポンプ回路は、フライングキャパシタと、第1モードにおいて出力端子と接地間に接続され、第2モードにおいて、フライングキャパシタと並列に接続される補助キャパシタと、チャージポンプ回路の出力電圧をその目標レベルに応じたしきい値電圧と比較するヒステリシスコンパレータと、ヒステリシスコンパレータの出力に応じて、動作、停止が制御されるオシレータと、を備える。
【0010】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0011】
本発明のある態様によれば、チャージポンプ回路の出力電圧のオーバーシュート量を抑制し、および/または、消費電力を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
実施の形態に係るチャージポンプ回路のブロック図である。
チャージポンプ回路の具体的な構成例を示す回路図である。
図2のチャージポンプ回路の動作波形図である。
図4(a)、(b)は、比較技術1および実施の形態の出力電圧VCPの波形図である。
図5(a)、(b)は、比較技術2および実施の形態の出力電圧VCPの波形図である。
図2のチャージポンプ回路を備える半導体装置の回路図である。
起動回路の構成例を示す回路図である。
図6の半導体装置の動作波形図(シミュレーション結果)である。
実施の形態に係る電源管理回路のブロック図である。
変形例に係る起動回路の回路図である。
変形例2に係る半導体装置の周辺回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
(実施の形態の概要)
本明細書に開示される一実施の形態は、チャージポンプ回路に関する。チャージポンプ回路は、可変負荷が接続される出力端子と、フライングキャパシタと、第1モードにおいて出力端子と接地の間に接続され、第2モードにおいてフライングキャパシタと並列に接続される補助キャパシタと、を備える。
【0014】
この構成において、第2モードでは、フライングキャパシタに補助キャパシタが接続されるため、フライングキャパシタの実効的な容量値が第1モードより大きくなる。可変負荷の状態に応じて、第1モードと第2モードを選択することにより、出力電圧のオーバーシュート量を抑制し、また消費電力を削減できる。
【0015】
可変負荷は、可変の容量性負荷であってもよい。第1モードと第2モードは、可変負荷の容量に応じて選択してもよい。負荷容量が小さい状態では、第1モードを選択することで、出力電圧のオーバーシュート量を抑制できる。負荷容量が大きい状態では、第2モードを選択することで、1回のスイッチング当たりで負荷容量に転送する電荷量を増やせるため、出力電圧レベルを維持するのに要するスイッチング周波数、ひいては消費電力を下げることができる。
【0016】
第1モードと第2モードは、可変負荷に流れる電流に応じて選択してもよい。たとえば可変負荷の軽負荷状態では、第1モードを選択し、可変負荷の重負荷状態では、第2モードを選択してもよい。
【0017】
チャージポンプ回路は、出力端子と接地の間に固定的に接続される出力キャパシタをさらに備えてもよい。出力キャパシタを設けることにより、容量性負荷が非接続となった場合に、出力電圧が過電圧となるのを防止できる。
【0018】
補助キャパシタの容量値は、出力キャパシタの容量値より大きくてもよい。
【0019】
チャージポンプ回路は、出力端子の電圧をしきい値電圧と比較するヒステリシスコンパレータを含み、ヒステリシスコンパレータの出力に応じて間欠動作してもよい。軽負荷あるいは無負荷状態では、動作期間において、出力電圧が上昇し、停止期間において、出力電圧が低下する動作が繰り返される。第2モードを選択すると、実効的なフライングキャパシタの容量が増えるため、動作期間における出力電圧の上昇幅を大きくすることができる。したがって、動作期間に続く休止期間の長さを長くすることができ、消費電力を削減できる。
【0020】
しきい値電圧は、第1モードと第2モードとで異なってもよい。ヒステリシスコンパレータを無視できない応答遅延を有するところ、第1モードと第2モードで同じしきい値電圧を設定すると、第1モードと第2モードで、チャージポンプ回路の出力電圧のリップルの変動範囲が揃わなくなる場合がある。この場合に、モードごとにヒステリシスコンパレータのしきい値を個別に設定することにより、チャージポンプ回路の出力電圧のピーク電圧、ボトム電圧あるいはリップルの中心電圧を揃えることが可能となる。
【0021】
チャージポンプ回路のクロック周波数は、第1モードと第2モードとで異なってもよい。第1モードで動作する期間と第2モードで動作する期間とで、クロック周波数を個別に設定することで、チャージポンプ回路の電流供給量(負荷容量)を、各モードの負荷の状態に応じて最適化できる。
【0022】
本明細書に開示される一実施の形態は、半導体装置である。この半導体装置は、入力電圧を昇圧するチャージポンプ回路と、外付けの負荷が接続される出力ピンと、チャージポンプ回路の出力端子と出力ピンの間に設けられる起動回路と、起動回路と並列に設けられるバイパススイッチと、出力ピンの電圧を所定の設定電圧と比較し、出力ピンの電圧の方が低いときに、バイパススイッチをオフし、出力ピンの電圧の方が高いときに、バイパススイッチをオフする判定回路と、を備える。チャージポンプ回路は、フライングキャパシタと、第1モードにおいて出力端子と接地間に接続され、第2モードにおいて、フライングキャパシタと並列に接続される補助キャパシタと、チャージポンプ回路の出力電圧をその目標レベルに応じたしきい値電圧と比較するヒステリシスコンパレータと、ヒステリシスコンパレータの出力に応じて、動作、停止が制御されるオシレータと、を備える。
【0023】
チャージポンプ回路の出力端子から見た負荷インピーダンスは、バイパススイッチのオン、オフに応じて不連続に変化する。そこでチャージポンプ回路から見える負荷インピーダンスに応じて、モードを動的に制御することにより、チャージポンプ回路の出力電圧のオーバーシュート量を抑制し、また消費電力を削減できる。
【0024】
チャージポンプ回路は、出力端子と接地の間に固定的に接続される出力キャパシタをさらに備えてもよい。出力キャパシタを設けることにより、出力ピンから負荷が外れたときに、チャージポンプ回路の出力電圧が過電圧となるのを防止できる。
【0025】
バイパススイッチがオフのとき、チャージポンプ回路の出力端子からは、負荷は見えないため、負荷容量は小さくなり、バイパススイッチがオンとなると、チャージポンプ回路の出力端子から負荷が見えるため、負荷容量が大きくなる。そこで第1モードおよび第2モードは、バイパススイッチのオン、オフと連動して切り替えられてもよい。
【0026】
第1モードにおけるチャージポンプ回路のクロック周波数は、第2モードのクロック周波数よりも高くてもよい。第1モードのクロック周波数は、起動回路が負荷に供給する電流量に応じて定めればよく、第2モードのクロック周波数は、負荷に供給される電圧を一定レベルに保てるように定めればよい。
【0027】
しきい値電圧は、バイパススイッチのオン、オフと連動して変化してもよい。ヒステリシスコンパレータを無視できない応答遅延を有するところ、第1モードと第2モードで同じしきい値電圧を設定すると、第1モードと第2モードで、チャージポンプ回路の出力電圧のリップルの変動範囲が揃わなくなる場合がある。この場合に、モードごとにヒステリシスコンパレータのしきい値を個別に設定することにより、チャージポンプ回路の出力電圧のピーク電圧同士、ボトム電圧同士あるいはリップルの中心電圧同士を揃えることが可能となる。
【0028】
起動回路は、前記負荷に定電流を供給する定電流回路を含んでもよい。起動回路は、抵抗素子を含んでもよい。
【0029】
負荷はMOSトランジスタであるロードスイッチであり、出力ピンにはMOSトランジスタのゲートが接続されてもよい。チャージポンプ回路は、ロードスイッチがオンすべき期間においてアクティブとなってもよい。
【0030】
半導体装置は電源管理回路であり、ロードスイッチの一端に電圧を供給するDC/DCコンバータをさらに備えてもよい。
(【0031】以降は省略されています)

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