JP7304279B2 - charge pump circuit, semiconductor device, power management circuit - Google Patents

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本発明は、チャージポンプ回路に関する。 The present invention relates to charge pump circuits.

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。 A charge pump circuit is used when a voltage higher than the power supply voltage is required. The charge pump circuit includes a flying capacitor and an output capacitor, and boosts the input voltage by repeating the operation of charging the flying capacitor with an input voltage and transferring the charge stored in the flying capacitor to the output capacitor.

特開2011-066750号公報JP 2011-066750 A

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。 The inventor of the present invention has studied a case where a variable capacitive load is connected to the output of a charge pump circuit, and has come to recognize the following problems.

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。 Assuming a light capacitive load, if the flying capacitor is designed to be small, it will require a large number of switching times to maintain a constant output voltage level when the capacitive load increases, resulting in low power consumption. increase.

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。 On the other hand, if the flying capacitor is designed to be large assuming a situation where the capacitive load is large, when the capacitive load is small, the rise of the output voltage per switching becomes large, resulting in an overshoot of the output voltage. quantity increases.

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。 The present invention has been made in such a situation, and one exemplary object of certain aspects thereof is to provide a charge pump circuit that suppresses the amount of overshoot of the output voltage and/or reduces power consumption.

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。 One aspect of the invention relates to a charge pump circuit. The charge pump circuit includes an output terminal to which the variable load is connected, a flying capacitor, an auxiliary capacitor connected between the output terminal and ground in a first mode, and connected in parallel with the flying capacitor in a second mode. Prepare.

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。 Another aspect of the present invention is a semiconductor device. This semiconductor device includes a charge pump circuit for boosting an input voltage, an output pin to which an external load is connected, a starter circuit provided between the output pins of the charge pump circuit, and a starter circuit provided in parallel. and a bypass switch. The charge pump circuit includes a flying capacitor and an auxiliary capacitor connected between the output terminal and ground in a first mode and connected in parallel with the flying capacitor in a second mode, to drive the output voltage of the charge pump circuit to its target level. A hysteresis comparator that compares with a corresponding threshold voltage, and an oscillator whose operation and stop are controlled according to the output of the hysteresis comparator.

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。 Arbitrary combinations of the above constituent elements, and mutual replacement of the constituent elements and expressions of the present invention between methods, devices, systems, etc. are also effective as aspects of the present invention.

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。 According to one aspect of the present invention, it is possible to suppress the amount of overshoot in the output voltage of the charge pump circuit and/or reduce power consumption.

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。1 is a block diagram of a charge pump circuit according to an embodiment; FIG. 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。3 is a circuit diagram showing a specific configuration example of a charge pump circuit; FIG. 図2のチャージポンプ回路の動作波形図である。3 is an operation waveform diagram of the charge pump circuit of FIG. 2; FIG. 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。FIGS. 4A and 4B are waveform diagrams of the output voltage VCP of Comparative Technique 1 and the embodiment. 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。5(a) and 5(b) are waveform diagrams of the output voltage VCP of the comparison technique 2 and the embodiment. 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。3 is a circuit diagram of a semiconductor device including the charge pump circuit of FIG. 2; FIG. 起動回路の構成例を示す回路図である。4 is a circuit diagram showing a configuration example of a startup circuit; FIG. 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。7 is an operation waveform diagram (simulation result) of the semiconductor device of FIG. 6; FIG. 実施の形態に係る電源管理回路のブロック図である。1 is a block diagram of a power management circuit according to an embodiment; FIG. 変形例に係る起動回路の回路図である。It is a circuit diagram of a starting circuit according to a modification. 変形例2に係る半導体装置の周辺回路を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a peripheral circuit of a semiconductor device according to Modification 2;

(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。
(Overview of Embodiment)
One embodiment disclosed herein relates to a charge pump circuit. The charge pump circuit has an output terminal to which the variable load is connected, a flying capacitor, and an auxiliary capacitor connected between the output terminal and ground in a first mode and connected in parallel with the flying capacitor in a second mode. Prepare.

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。 In this configuration, in the second mode, since the auxiliary capacitor is connected to the flying capacitor, the effective capacitance value of the flying capacitor becomes larger than in the first mode. By selecting the first mode or the second mode according to the state of the variable load, it is possible to suppress the amount of overshoot of the output voltage and reduce power consumption.

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。 The variable load may be a variable capacitive load. The first mode and the second mode may be selected according to the capacity of the variable load. When the load capacity is small, the overshoot amount of the output voltage can be suppressed by selecting the first mode. When the load capacitance is large, by selecting the second mode, the amount of charge transferred to the load capacitance per switching operation can be increased, so the switching frequency required to maintain the output voltage level and, in turn, the power consumption can be reduced. be able to.

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。 The first mode and the second mode may be selected according to the current flowing through the variable load. For example, the first mode may be selected in a variable light load state, and the second mode may be selected in a variable heavy load state.

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。 The charge pump circuit may further comprise an output capacitor fixedly connected between the output terminal and ground. By providing the output capacitor, it is possible to prevent the output voltage from becoming an overvoltage when the capacitive load is disconnected.

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。 The capacitance value of the auxiliary capacitor may be greater than the capacitance value of the output capacitor.

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。 The charge pump circuit may include a hysteresis comparator that compares the voltage of the output terminal with a threshold voltage, and operate intermittently according to the output of the hysteresis comparator. In a light load or no-load state, an operation is repeated in which the output voltage increases during the operation period and decreases during the non-operation period. When the second mode is selected, the effective capacitance of the flying capacitor is increased, so that the range of increase in the output voltage during the operation period can be increased. Therefore, the length of the idle period following the operating period can be lengthened, and power consumption can be reduced.

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。 The threshold voltage may be different between the first mode and the second mode. Since the hysteresis comparator has a non-negligible response delay, if the same threshold voltage is set in the first mode and the second mode, the fluctuation range of the ripple of the output voltage of the charge pump circuit is the same in the first mode and the second mode. may disappear. In this case, by individually setting the threshold value of the hysteresis comparator for each mode, it is possible to uniform the peak voltage, bottom voltage, or center voltage of the ripple of the output voltage of the charge pump circuit.

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。 The clock frequency of the charge pump circuit may differ between the first mode and the second mode. By setting the clock frequency separately for the period of operation in the first mode and the period of operation in the second mode, the current supply amount (load capacitance) of the charge pump circuit can be adjusted according to the state of the load in each mode. can be optimized.

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。 One embodiment disclosed herein is a semiconductor device. This semiconductor device includes a charge pump circuit for boosting an input voltage, an output pin to which an external load is connected, a starter circuit provided between the output pins of the charge pump circuit, and a starter circuit provided in parallel. and a bypass switch that compares the voltage at the output pin with a predetermined set voltage and turns off the bypass switch when the voltage at the output pin is lower and turns off the bypass switch when the voltage at the output pin is higher and a determination circuit that The charge pump circuit includes a flying capacitor and an auxiliary capacitor connected between the output terminal and ground in a first mode and connected in parallel with the flying capacitor in a second mode, to drive the output voltage of the charge pump circuit to its target level. A hysteresis comparator that compares with a corresponding threshold voltage, and an oscillator whose operation and stop are controlled according to the output of the hysteresis comparator.

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。 The load impedance viewed from the output terminal of the charge pump circuit changes discontinuously depending on whether the bypass switch is turned on or off. Therefore, by dynamically controlling the mode according to the load impedance seen from the charge pump circuit, the amount of overshoot of the output voltage of the charge pump circuit can be suppressed and the power consumption can be reduced.

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。 The charge pump circuit may further comprise an output capacitor fixedly connected between the output terminal and ground. By providing the output capacitor, it is possible to prevent the output voltage of the charge pump circuit from becoming excessive when the load is removed from the output pin.

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。 When the bypass switch is off, the load is invisible from the output terminal of the charge pump circuit, so the load capacitance is small. growing. Therefore, the first mode and the second mode may be switched in conjunction with turning on/off of the bypass switch.

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。 The clock frequency of the charge pump circuit in the first mode may be higher than the clock frequency in the second mode. The clock frequency in the first mode may be determined according to the amount of current supplied to the load by the activation circuit, and the clock frequency in the second mode may be determined so as to keep the voltage supplied to the load at a constant level. .

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。 The threshold voltage may change in association with turning on/off of the bypass switch. Since the hysteresis comparator has a non-negligible response delay, if the same threshold voltage is set in the first mode and the second mode, the fluctuation range of the ripple of the output voltage of the charge pump circuit is the same in the first mode and the second mode. may disappear. In this case, by individually setting the threshold value of the hysteresis comparator for each mode, it is possible to align the peak voltages, bottom voltages, or ripple center voltages of the output voltages of the charge pump circuits.

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。 The starting circuit may include a constant current circuit that supplies a constant current to the load. The activation circuit may include a resistive element.

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。 The load may be a load switch that is a MOS transistor, and the gate of the MOS transistor may be connected to the output pin. The charge pump circuit may be active while the load switch should be on.

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。 The semiconductor device is a power management circuit, and may further include a DC/DC converter that supplies voltage to one end of the load switch.

(実施の形態)
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
(Embodiment)
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. Moreover, the embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention.

本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In this specification, "a state in which member A is connected to member B" refers to a case in which member A and member B are physically directly connected, and that member A and member B are electrically connected to each other. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.

同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 Similarly, "the state in which member C is provided between member A and member B" refers to the case where member A and member C or member B and member C are directly connected, as well as the case where they are electrically connected. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.

また本明細書において、電圧信号、電流信号などの電気信号、あるいは抵抗、キャパシタなどの回路素子に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは抵抗値、容量値を表すものとする。 Also, in this specification, the symbols attached to electrical signals such as voltage signals and current signals, or circuit elements such as resistors and capacitors, refer to respective voltage values, current values, resistance values, and capacitance values as necessary. shall be represented.

図1は、実施の形態に係るチャージポンプ回路100のブロック図である。チャージポンプ回路100は、入力端子CPIN、出力端子CPOUTを有する。入力端子CPINには、入力電圧VSYSが入力される。出力端子CPOUTには、容量性の負荷2が接続される。この負荷2の容量CLOADは可変であるとする。 FIG. 1 is a block diagram of a charge pump circuit 100 according to an embodiment. The charge pump circuit 100 has an input terminal CPIN and an output terminal CPOUT. An input voltage VSYS is input to the input terminal CPIN. A capacitive load 2 is connected to the output terminal CPOUT. Assume that the capacitance C LOAD of this load 2 is variable.

チャージポンプ回路100は、入力電圧VSYSを昇圧し、所定の電圧レベルVCPREF)に安定化された出力電圧VCPを出力端子CPOUTから出力する。チャージポンプ回路100の昇圧比αは限定されず、1.5倍、2倍、3倍、4倍などであり、フライングキャパシタCの個数は昇圧比に応じて定まる。 The charge pump circuit 100 boosts the input voltage VSYS and outputs the output voltage VCP stabilized at a predetermined voltage level VCP ( REF ) from the output terminal CPOUT. The boost ratio α of the charge pump circuit 100 is not limited, and may be 1.5 times, 2 times, 3 times, 4 times, etc., and the number of flying capacitors CF is determined according to the boost ratio.

目標電圧レベルVCP(REF)と、入力電圧VSYSとの間には、以下の関係式が成り立っており、チャージポンプ回路100は、出力電圧VCPを目標レベルVCP(REF)に維持するために、間欠動作を行う。
CP(REF)<VSYS×α
The following relational expression holds between the target voltage level VCP(REF) and the input voltage VSYS , and the charge pump circuit 100 maintains the output voltage VCP at the target level VCP(REF). Therefore, intermittent operation is performed.
V CP (REF) < V SYS × α

チャージポンプ回路100は、フライングキャパシタC、補助キャパシタCAUX、出力キャパシタCOUTおよびチャージポンプコア110を備える。チャージポンプコア110は、オシレータや、複数のスイッチ、出力電圧VCPを安定化するための回路などを含みうる。 Charge pump circuit 100 comprises flying capacitor C F , auxiliary capacitor C AUX , output capacitor C OUT and charge pump core 110 . Charge pump core 110 may include an oscillator, multiple switches, circuitry for regulating the output voltage VCP, and the like.

チャージポンプ回路100は、第1モードと第2モードで動作可能である。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Cと並列に接続される。第2モードにおけるフライングキャパシタの実効的な容量は、
F(EFF)=C+CAUX
となる。
The charge pump circuit 100 can operate in a first mode and a second mode. An auxiliary capacitor C AUX is connected between the output terminal CPOUT and ground in the first mode and in parallel with the flying capacitor C F in the second mode. The effective capacitance of the flying capacitor in the second mode is
C F (EFF) = C F +C AUX
becomes.

たとえば補助キャパシタCAUXの両端に、セレクタSEL1,SEL2を設け、第1モードと第2モードを切り替えるようにしてもよい。セレクタSEL1,SEL2に替えて、スイッチを利用してもよい。 For example, selectors SEL1 and SEL2 may be provided across the auxiliary capacitor CAUX to switch between the first mode and the second mode. Switches may be used instead of the selectors SEL1 and SEL2.

本実施の形態において、第1モードおよび第2モードの切りかえは、負荷2の容量と連動して選択される。具体的には、負荷2の容量が小さいときには第1モードを、負荷2の容量が大きいときには第2モードを選択してもよい。モード制御の方法は特に限定されない。たとえばチャージポンプ回路100は、負荷2からモードを指定する制御信号を受信してもよい。あるいはチャージポンプ回路100が負荷2の状態を監視し、監視結果にもとづいてモードを制御してもよい。 In the present embodiment, switching between the first mode and the second mode is selected in conjunction with the capacity of load 2 . Specifically, the first mode may be selected when the load 2 has a small capacity, and the second mode may be selected when the load 2 has a large capacity. The mode control method is not particularly limited. For example, charge pump circuit 100 may receive a control signal specifying a mode from load 2 . Alternatively, the charge pump circuit 100 may monitor the state of the load 2 and control the mode based on the monitoring results.

図2は、チャージポンプ回路100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100の昇圧比αは2であり、1個のフライングキャパシタC、1個の出力キャパシタCOUT、補助キャパシタCAUXに加えて、4個のスイッチ(トランジスタ)M1~M4、コントローラ112、オシレータ114、ヒステリシスコンパレータ116、抵抗R11,R12を含む。チャージポンプ回路100の構成要素のうち、キャパシタを除く部分が、図1のチャージポンプコア110に相当する。 FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific configuration example of the charge pump circuit 100. As shown in FIG. The charge pump circuit 100 of FIG. 2 has a step-up ratio α of 2. In addition to one flying capacitor C F , one output capacitor C OUT , and an auxiliary capacitor C AUX , four switches (transistors) M1 to M4 are provided. , controller 112, oscillator 114, hysteresis comparator 116, and resistors R11 and R12. The components of the charge pump circuit 100 excluding the capacitors correspond to the charge pump core 110 in FIG.

4個のスイッチM1~M4とキャパシタC,COUTの接続関係(トポロジー)は、一般的な2倍昇圧のチャージポンプのそれと同様である。 The connection relationship (topology) between the four switches M1 to M4 and the capacitors C F and C OUT is the same as that of a general double boost charge pump.

オシレータ114は、停止信号STOPがネゲート(ロー)である期間、クロック信号CLKを生成する。停止信号STOPがアサート(ハイ)である期間、オシレータ114はクロック信号CLKの生成を停止する。コントローラ112は、クロック信号CLKと同期して、スイッチM1、M4がオン、M2,M3がオフである第1状態φ1と、スイッチM1、M4がオフ、M2,M3がオンである第1状態φ2と、を交互に繰り返す。チャージポンプ回路100は、停止信号STOPに応じて、停止と動作を交互に繰り返す間欠モードで動作する。 The oscillator 114 generates the clock signal CLK while the stop signal STOP is negated (low). While the stop signal STOP is asserted (high), the oscillator 114 stops generating the clock signal CLK. The controller 112 synchronizes with the clock signal CLK to switch between a first state φ1 in which the switches M1 and M4 are on and M2 and M3 are off, and a first state φ2 in which the switches M1 and M4 are off and M2 and M3 are on. and repeat alternately. The charge pump circuit 100 operates in an intermittent mode in which stop and operation are alternately repeated in response to the stop signal STOP.

抵抗R11,R12は、出力電圧VCPを分圧する。ヒステリシスコンパレータ116は、分圧後の出力電圧(検出電圧)VCP’を、目標電圧VCP(REF)にもとづくしきい値電圧VTH’と比較し、比較結果に応じた停止信号STOPを出力する。具体的には停止信号STOPは、出力電圧VCPが上側しきい値電圧VTHHを超えるとアサート(ハイ)され、出力電圧VCPが下側しきい値電圧VTHLを下回るとネゲート(ロー)される。 Resistors R11 and R12 divide the output voltage VCP . The hysteresis comparator 116 compares the divided output voltage (detection voltage) V CP ' with a threshold voltage V TH ' based on the target voltage V CP (REF) , and outputs a stop signal STOP according to the comparison result. do. Specifically, the stop signal STOP is asserted (high) when the output voltage V CP exceeds the upper threshold voltage V THH and is negated (low) when the output voltage V CP falls below the lower threshold voltage V THL . be done.

補助キャパシタCAUXの容量値は、出力キャパシタCOUTの容量値より大きいことが好ましい。たとえば、C=8pF、CAUX=40pF、COUT=10pF、負荷容量CLOADは数百pFであってもよい。 The capacitance value of the auxiliary capacitor C AUX is preferably greater than the capacitance value of the output capacitor C OUT . For example, C F =8 pF, C AUX =40 pF, C OUT =10 pF, and the load capacitance C LOAD may be several hundred pF.

以上がチャージポンプ回路100の基本構成である。続いてその動作を説明する。 The above is the basic configuration of the charge pump circuit 100 . Next, the operation will be explained.

図3は、図2のチャージポンプ回路100の動作波形図である。起動時刻tより前、出力電圧VCPは0Vである。起動直後、負荷2の容量CLOADは相対的に小さい第1値Cとなっている。チャージポンプ回路100は第1モードにセットされ、補助キャパシタCAUXは出力キャパシタCOUTと並列に接続される。 FIG. 3 is an operation waveform diagram of charge pump circuit 100 of FIG. Prior to start-up time t0 , the output voltage VCP is 0V. Immediately after startup, the capacitance C LOAD of the load 2 has a relatively small first value C1 . Charge pump circuit 100 is set in a first mode, with auxiliary capacitor C AUX connected in parallel with output capacitor C OUT .

チャージポンプ回路100の出力電圧VCPが、目標電圧VCP(REF)付近まで増大すると、チャージポンプ回路100は間欠動作を開始する。 When the output voltage VCP of the charge pump circuit 100 increases to near the target voltage VCP(REF) , the charge pump circuit 100 starts intermittent operation.

時刻tに、負荷容量CLOADが第2値Cに増大する。これにより、チャージポンプ回路100は第2モードにセットされ、補助キャパシタCAUXはフライングキャパシタCと並列に接続される。 At time t1 , the load capacitance C LOAD increases to a second value C2 . This sets the charge pump circuit 100 to the second mode and connects the auxiliary capacitor CAUX in parallel with the flying capacitor CF.

以上がチャージポンプ回路100の動作である。続いてその第1利点を、比較技術1と対比しながら説明する。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。 The above is the operation of the charge pump circuit 100 . Next, the first advantage will be explained in comparison with Comparative Technique 1. FIG. 4(a) and 4(b) are waveform diagrams of the output voltage VCP of the comparative technique 1 and the embodiment.

(比較技術1)
図4(a)を参照する。比較技術1では、フライングキャパシタCが固定的に大きく設計されている。この場合、負荷容量CLOADが小さい状態において、チャージポンプ回路100の1回のスイッチング当たりの、出力電圧VCPの増加幅が大きくなる。そうすると、出力電圧VCPは、上側しきい値VTHHを大きく超えることとなり、負荷に過電圧が印加される。特に、コンパレータは遅延をもっているため、出力電圧VCPが上側しきい値VTHHを超えた後も、チャージポンプ回路100は直ちに停止せず、1回あるいは複数回、余計にスイッチングした後に、停止する。この余計なスイッチングによっても、出力電圧VCPはさらに跳ね上がり、オーバーシュート量VOSが大きくなる。
(Comparative technique 1)
Please refer to FIG. In comparative technique 1, the flying capacitor C F is designed to be fixed and large. In this case, when the load capacitance C LOAD is small, the amount of increase in the output voltage V CP per one switching of the charge pump circuit 100 becomes large. Then, the output voltage VCP will greatly exceed the upper threshold VTHH , and an overvoltage will be applied to the load. In particular, the comparator has a delay so that after the output voltage VCP exceeds the upper threshold VTHH , the charge pump circuit 100 does not immediately stop, but after one or more extra switching, it will stop. . This extra switching also causes the output voltage VCP to jump further, increasing the amount of overshoot VOS .

図4(b)を参照する。本実施の形態では、負荷容量CLOADが小さい状態では、第1モードを選択して実効的なフライングキャパシタの容量CF(EFF)を小さくすることにより、1回のスイッチング当たりの出力電圧VCPの増加幅を小さく抑えている。これにより、出力電圧VCPのオーバーシュート量VOSを抑制し、過電圧を防止できる。 Please refer to FIG. In the present embodiment, when the load capacitance C LOAD is small, the first mode is selected to reduce the effective flying capacitor capacitance C F (EFF) . The amount of increase in is kept small. As a result, the overshoot amount VOS of the output voltage VCP can be suppressed, and overvoltage can be prevented.

チャージポンプ回路100の第2の利点を、比較技術2と対比しながら説明する。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。 A second advantage of the charge pump circuit 100 will be described in comparison with the comparative technique 2. FIG. 5(a) and 5(b) are waveform diagrams of the output voltage VCP of the comparison technique 2 and the embodiment.

(比較技術2)
図5(a)を参照する。比較技術2では、フライングキャパシタCが固定的に小さく設計されている。間欠動作の動作期間中には、チャージポンプ回路100は、その出力電圧VCPを、ヒステリシス幅ΔVだけ増加させる必要がある。フライングキャパシタCが小さいと、負荷容量CLOADが大きい状態において、1回のスイッチング当たりの出力電圧VCPの増加幅が小さくなるため、出力電圧VCPをΔV変化させるのに必要なスイッチング回数が多くなり、チャージポンプ回路100の消費電力が大きくなる。
(Comparative technique 2)
Please refer to FIG. In comparative technique 2, the flying capacitor C F is fixedly designed to be small. During the intermittent operation, charge pump circuit 100 needs to increase its output voltage VCP by a hysteresis width ΔV. If the flying capacitor C F is small, the amount of increase in the output voltage V CP per switching becomes small when the load capacitance C LOAD is large. As a result, the power consumption of the charge pump circuit 100 increases.

図5(b)を参照する。本実施の形態では、負荷容量CLOADが大きい状態では、第2モードを選択して実効的なフライングキャパシタの容量CF(EFF)を大きくすることにより、1回のスイッチング当たりの出力電圧VCPの増加幅が小さくなるのを防止できる。そのため間欠動作中に、出力電圧VCPをΔV変化させるのに必要なスイッチング回数を比較技術2に比べて減らすことができ、チャージポンプ回路100の消費電力を削減できる。 Please refer to FIG. In the present embodiment, when the load capacitance C LOAD is large, the second mode is selected to increase the effective flying capacitor capacitance CF (EFF) , thereby increasing the output voltage V CP per switching. can be prevented from becoming smaller. Therefore, the number of times of switching required to change the output voltage VCP by ΔV during the intermittent operation can be reduced as compared with the comparison technique 2, and the power consumption of the charge pump circuit 100 can be reduced.

続いて、チャージポンプ回路100の具体的な用途を説明する。図6は、図2のチャージポンプ回路100を備える半導体装置200の回路図である。 Next, specific applications of the charge pump circuit 100 will be described. FIG. 6 is a circuit diagram of a semiconductor device 200 including the charge pump circuit 100 of FIG.

半導体装置200の出力ピンLSDRVには、外付けの負荷であるロードスイッチ4が接続される。ロードスイッチ4はMOSトランジスタであり、そのドレインに入力電圧VINが印加され、そのソースが、平滑用キャパシタ8およびシステム負荷6と接続され、そのゲートがLSDRVピンと接続されている。半導体装置200は、ロードスイッチ4の駆動回路であり、イネーブル信号LS_ENがアサート(たとえばハイ)されると、LSDRVピン、すなわちロードスイッチ4のゲート電圧をハイとすることにより、ロードスイッチ4をオン状態とし、システム負荷6に対して電圧VOUTを供給する。また半導体装置200は、イネーブル信号LS_ENがネゲート(たとえばロー)されると、LSDRVピン、すなわちロードスイッチ4のゲート電圧をローとすることにより、ロードスイッチ4をオフ状態とし、システム負荷6に対する電圧VOUTの供給を遮断する。 A load switch 4 as an external load is connected to an output pin LSDRV of the semiconductor device 200 . The load switch 4 is a MOS transistor having a drain to which the input voltage VIN is applied, a source connected to the smoothing capacitor 8 and the system load 6, and a gate connected to the LSDRV pin. The semiconductor device 200 is a drive circuit for the load switch 4. When the enable signal LS_EN is asserted (for example, high), the load switch 4 is turned on by setting the LSDRV pin, that is, the gate voltage of the load switch 4 to high. , and supplies the voltage V OUT to the system load 6 . When the enable signal LS_EN is negated (for example, low), the semiconductor device 200 sets the LSDRV pin, ie, the gate voltage of the load switch 4 to low, thereby turning off the load switch 4 and increasing the voltage V to the system load 6 . Cut off the supply of OUT .

半導体装置200は、上述のチャージポンプ回路100に加えて、起動回路210およびバイパススイッチ230、判定回路240を備え、ひとつの半導体基板に集積化されている。起動回路210、バイパススイッチ230およびロードスイッチ4が、図1におけるチャージポンプ回路100の負荷2に相当する。 The semiconductor device 200 includes a startup circuit 210, a bypass switch 230, and a determination circuit 240 in addition to the charge pump circuit 100 described above, which are integrated on one semiconductor substrate. Starting circuit 210, bypass switch 230 and load switch 4 correspond to load 2 of charge pump circuit 100 in FIG.

ロードスイッチ4のゲート容量Cは、数百~数千pFと非常に大きい。したがってチャージポンプ回路100の出力CPOUTをロードスイッチ4のゲートに直結した状態で、チャージポンプ回路100を起動すると、ロードスイッチ4のゲート容量に突入電流が流れる。突入電流を防止するために、チャージポンプ回路100の出力端子CPOUTと出力ピンOUTの間に起動回路210が設けられる。バイパススイッチ230は、起動回路210と並列に設けられる。起動回路210は、バイパススイッチ230がオフの状態においてアクティブとなり、ロードスイッチ4のゲート容量Cを一定の電流で充電し、LSDRVピンの電圧を上昇させる。起動回路210によるゲート容量Cの充電速度に応じて、ロードスイッチ4のターンオンの速度、すなわち出力電圧VOUTの上昇の傾きが設定される。 The gate capacitance CG of the load switch 4 is as large as several hundred to several thousand pF. Therefore, when the charge pump circuit 100 is activated with the output CPOUT of the charge pump circuit 100 directly connected to the gate of the load switch 4 , a rush current flows through the gate capacitance of the load switch 4 . To prevent an inrush current, a startup circuit 210 is provided between the output terminal CPOUT and the output pin OUT of the charge pump circuit 100 . Bypass switch 230 is provided in parallel with activation circuit 210 . The startup circuit 210 becomes active when the bypass switch 230 is off, charges the gate capacitance CG of the load switch 4 with a constant current, and raises the voltage of the LSDRV pin. The turn-on speed of the load switch 4, that is, the slope of the rise of the output voltage VOUT is set according to the charging speed of the gate capacitance CG by the starting circuit 210. FIG.

判定回路240は、LSDRVピンの駆動電圧VDRVにもとづいて、バイパススイッチ230のオン、オフを制御する。具体的には、LSDRVピンの電圧VDRVが、抵抗R21,R22により分圧され、判定回路240において設定電圧VSETと比較される。判定回路240は、駆動電圧VDRVが所定電圧レベル(たとえば4.95V)より低い状態では、バイパススイッチ230をオフし、所定電圧レベルを超えると、バイパススイッチ230をオンする。 The determination circuit 240 controls turning on/off of the bypass switch 230 based on the driving voltage VDRV of the LSDRV pin. Specifically, the voltage V DRV of the LSDRV pin is divided by resistors R 21 and R 22 and compared with the set voltage V SET in the determination circuit 240 . Determination circuit 240 turns off bypass switch 230 when drive voltage V DRV is lower than a predetermined voltage level (eg, 4.95 V), and turns on bypass switch 230 when it exceeds the predetermined voltage level.

バイパススイッチ230がオンのとき、チャージポンプ回路100の出力端子CPOUTからは、ロードスイッチ4のゲート容量Cが見えるため、チャージポンプ回路100の負荷容量CLOADが大きくなる。バイパススイッチ230がオフとなると、チャージポンプ回路100の出力端子CPOUTからは、ロードスイッチ4のゲート容量Cが見えなくなるため、チャージポンプ回路100の負荷容量CLOADは小さくなる。つまり、チャージポンプ回路100の負荷容量CLOADはバイパススイッチ230のオン、オフと連動して変化する。そこでチャージポンプ回路100の動作モードは、判定回路240によって、バイパススイッチ230と連動して制御される。 When the bypass switch 230 is on, the load capacitance C LOAD of the charge pump circuit 100 increases because the gate capacitance CG of the load switch 4 is visible from the output terminal CPOUT of the charge pump circuit 100 . When the bypass switch 230 is turned off, the gate capacitance C_G of the load switch 4 becomes invisible from the output terminal CPOUT of the charge pump circuit 100, so the load capacitance C_LOAD of the charge pump circuit 100 becomes small. That is, the load capacitance C LOAD of the charge pump circuit 100 changes in conjunction with turning on/off of the bypass switch 230 . Therefore, the operation mode of the charge pump circuit 100 is controlled by the determination circuit 240 in conjunction with the bypass switch 230 .

判定回路240が生成するモード制御信号MODEは、セレクタSEL1,SEL2に供給される。またモード制御信号MODEは、オシレータ114にも供給されている。オシレータ114の発振周波数は、モード制御信号MODEに応じて変化する。具体的には、第1モードでは発振周波数が高くなり(第1周波数fという)、第2モードでは発振周波数が低くなる(第2周波数fという)。第1周波数fは、起動回路210がロードスイッチ4のゲート容量Cに供給する電流量に応じて定めればよい。第2周波数fは、ロードスイッチ4のゲート容量Cの充電が完了した後に、駆動電圧VDRVを一定レベルに保てるように定めればよい。たとえば第1周波数fは数MHz、第2周波数fは数百kHzのオーダーである。 A mode control signal MODE generated by the determination circuit 240 is supplied to the selectors SEL1 and SEL2. The mode control signal MODE is also supplied to the oscillator 114 . The oscillation frequency of oscillator 114 changes according to mode control signal MODE. Specifically, the oscillation frequency increases in the first mode (referred to as first frequency f1 ), and the oscillation frequency decreases in the second mode (referred to as second frequency f2 ). The first frequency f1 may be determined according to the amount of current that the starting circuit 210 supplies to the gate capacitance CG of the load switch 4 . The second frequency f2 may be determined so as to keep the drive voltage VDRV at a constant level after the charging of the gate capacitance CG of the load switch 4 is completed. For example, the first frequency f1 is on the order of several MHz and the second frequency f2 is on the order of several hundred kHz.

モード制御信号MODEは、ヒステリシスコンパレータ116にも供給されている。ヒステリシスコンパレータ116のしきい値電圧VTH’は、モード制御信号MODEに応じて異なる値をとってもよい。具体的には、第1モードにおけるしきい値電圧VTH1’は、第2モードにおけるしきい値電圧VTH2’より低く定めるとよい。第1モードでは、スイッチング周波数fが高いため、ヒステリシスコンパレータ116の応答遅れの間のスイッチング回数が多くなり、したがって、オーバーシュート量が大きくなる。そこで、このオーバーシュート量を見越して、しきい値電圧VTH1’を低くしておくことにより、第1モードと第2モードとで、チャージポンプ回路100の出力電圧VCPのピーク電圧を揃えることが可能となる。たとえば、第1モードのしきい値電圧VTH1’は5.15V、第2モードのしきい値電圧VTH2’は5.45Vに設定される。 Mode control signal MODE is also supplied to hysteresis comparator 116 . The threshold voltage V TH ' of the hysteresis comparator 116 may take different values depending on the mode control signal MODE. Specifically, the threshold voltage V TH1 ' in the first mode should be set lower than the threshold voltage V TH2 ' in the second mode. In the first mode, since the switching frequency f1 is high, the number of times of switching increases during the response delay of the hysteresis comparator 116, and therefore the amount of overshoot increases. Therefore, by setting the threshold voltage V TH1 ' low in anticipation of this overshoot amount, the peak voltage of the output voltage V CP of the charge pump circuit 100 can be made uniform between the first mode and the second mode. becomes possible. For example, the first mode threshold voltage V TH1 ' is set to 5.15V, and the second mode threshold voltage V TH2 ' is set to 5.45V.

図7は、起動回路210の構成例を示す回路図である。起動回路210は、定電流回路であり、定電流源212およびカレントミラー回路214を含む。カレントミラー回路214は、定電流源212が発生する基準電流Icを定数倍して起動電流ISTARTを生成し、LSDRVピンに供給する。 FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration example of the activation circuit 210. As shown in FIG. Starting circuit 210 is a constant current circuit and includes constant current source 212 and current mirror circuit 214 . A current mirror circuit 214 multiplies the reference current Ic generated by the constant current source 212 by a constant to generate a starting current I START and supplies it to the LSDRV pin.

以上が半導体装置200の構成である。続いてその動作を説明する。図8は、図6の半導体装置200の動作波形図(シミュレーション結果)である。VSYS=3.3V、VIN=1.8V、C=1μFとしている。時刻tにロードスイッチ4のターンオンが指示されると、チャージポンプ回路100の動作が開始する。起動直後は第1モードであり、第1周波数fで動作する。起動直後は、バイパススイッチ230はオフであり、起動回路210がアクティブとなり、ロードスイッチ4のゲート容量Cが起動電流ISTARTによって充電され、駆動電圧VDRVが一定の傾きで上昇していく。駆動電圧VDRVが上昇すると、ロードスイッチ4がターンオンし、VOUT=VINとなる。 The above is the configuration of the semiconductor device 200 . Next, the operation will be explained. FIG. 8 is an operation waveform diagram (simulation result) of the semiconductor device 200 of FIG. V SYS =3.3 V, V IN =1.8 V, and C G =1 μF. When the turn-on of the load switch 4 is instructed at time t0 , the operation of the charge pump circuit 100 is started. Immediately after starting, it is in the first mode and operates at the first frequency f1 . Immediately after startup, the bypass switch 230 is off, the startup circuit 210 becomes active, the gate capacitance CG of the load switch 4 is charged by the startup current I START , and the drive voltage V DRV rises with a constant slope. When the drive voltage V DRV rises, the load switch 4 turns on and V OUT =V IN .

時刻tに、駆動電圧VDRVが設定電圧(4.95V)に達すると、バイパススイッチ230がオンとなり、チャージポンプ回路100が第2モードにセットされる。バイパススイッチ230がオンの状態では、VDRV=VCPとなる。 At time t1 , when the drive voltage VDRV reaches the set voltage (4.95V), the bypass switch 230 is turned on and the charge pump circuit 100 is set to the second mode. With bypass switch 230 on, V DRV =V CP .

時刻t以降、チャージポンプ回路100は第2周波数fで動作するため、消費電力を大幅に削減できる。また、第1モードでは、チャージポンプ回路100の動作期間の割合(停止信号STOPのデューティ比)が大きいのに対して、第2モードでは、停止信号STOPのデューティ比が小さくなり、停止期間が長くなるため、回路の消費電力をさらに削減できる。 After time t1 , the charge pump circuit 100 operates at the second frequency f2 , so power consumption can be significantly reduced. Further, in the first mode, the ratio of the operation period of the charge pump circuit 100 (duty ratio of the stop signal STOP) is large, whereas in the second mode, the duty ratio of the stop signal STOP is small and the stop period is long. Therefore, the power consumption of the circuit can be further reduced.

また、第1モードと第2モードとで、ヒステリシスコンパレータ116のしきい値電圧を異なる電圧としている。そのため、チャージポンプ回路100の出力電圧VPのリップルのピークを揃えることが可能となる。 Also, the threshold voltage of the hysteresis comparator 116 is set to be different between the first mode and the second mode. Therefore, the ripple peaks of the output voltage VP of the charge pump circuit 100 can be aligned.

図9は、実施の形態に係る電源管理回路(PMIC:Power Manage Integrated Circuit)300のブロック図である。PMIC300は、上述の半導体装置200に加えて、コンバータコントローラ310や図示しないLDO(Low Drop Output)、ステートマシン320を備える。コンバータコントローラ310は、外付けのインダクタL1やキャパシタC1とともにDC/DCコンバータを構成する。ロードスイッチ4には、DC/DCコンバータの出力電圧が供給されている。ステートマシン320は、はじめにコンバータコントローラ310に起動指示DCDC_ENを与え、DC/DCコンバータの出力電圧が目標電圧に達すると、チャージポンプ回路100に対する起動指示LS_ENをアサートし、ロードスイッチ4をターンオンさせる。 FIG. 9 is a block diagram of a power management circuit (PMIC: Power Manage Integrated Circuit) 300 according to the embodiment. The PMIC 300 includes a converter controller 310 , an LDO (Low Drop Output) (not shown), and a state machine 320 in addition to the semiconductor device 200 described above. Converter controller 310 configures a DC/DC converter together with external inductor L1 and capacitor C1. The load switch 4 is supplied with the output voltage of the DC/DC converter. State machine 320 first gives activation instruction DCDC_EN to converter controller 310 , and when the output voltage of the DC/DC converter reaches the target voltage, asserts activation instruction LS_EN to charge pump circuit 100 to turn on load switch 4 .

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described above based on the embodiments. It should be understood by those skilled in the art that this embodiment is merely an example, and that various modifications can be made to the combination of each component and each treatment process, and that such modifications are within the scope of the present invention. be. Such modifications will be described below.

(変形例1)
図10は、変形例に係る起動回路210Aの回路図である。起動回路210Aは、突入電流防止用の抵抗216を含む。この場合、バイパススイッチ230がオフの状態で、LSDRVピンの電圧VDRVは、CR時定数に応じて上昇する。
(Modification 1)
FIG. 10 is a circuit diagram of a starting circuit 210A according to a modification. The starting circuit 210A includes a resistor 216 for preventing rush current. In this case, with the bypass switch 230 off, the voltage V DRV on the LSDRV pin rises according to the CR time constant.

(変形例2)
図6の半導体装置200において、LSDRVピンに接続される負荷は、ロードスイッチには限定されない。図11は、変形例2に係る半導体装置200の周辺回路を示す図である。半導体装置200のLSDRVピンには、平滑化キャパシタ10と、システム負荷20が接続される。システム負荷20は、スリープ状態では軽負荷となり、動作中は重負荷となる。
(Modification 2)
In the semiconductor device 200 of FIG. 6, the load connected to the LSDRV pin is not limited to the load switch. FIG. 11 is a diagram showing peripheral circuits of a semiconductor device 200 according to Modification 2. As shown in FIG. A smoothing capacitor 10 and a system load 20 are connected to the LSDRV pin of the semiconductor device 200 . The system load 20 is light in sleep mode and heavy in operation.

このようなシステムでは、バイパススイッチ230のオン、オフによって、チャージポンプ回路100の出力からみた負荷容量CLOADが動的に変化する。またシステム負荷20の動作状態に応じて、チャージポンプ回路100の負荷電流ILOADが動的に変化する。このようなアプリケーションでは、バイパススイッチ230の状態と、システム負荷20の組み合わせに応じて、チャージポンプ回路100の動作モードを変化させるとよい。 In such a system, the load capacitance C LOAD viewed from the output of the charge pump circuit 100 dynamically changes depending on whether the bypass switch 230 is turned on or off. Also, the load current I LOAD of the charge pump circuit 100 dynamically changes according to the operating state of the system load 20 . In such an application, the operation mode of charge pump circuit 100 may be changed according to the combination of the state of bypass switch 230 and system load 20 .

(変形例3)
図6の半導体装置200において、チャージポンプ回路100の動作モードを、バイパススイッチ230のオン、オフと連動させたがその限りでない。たとえば起動開始からの経過時間にもとづいて、チャージポンプ回路100の動作モードを切り替えるようにしてもよいし、上位のコントローラからの指令にもとづいて、動作モードを切り替えるようにしてもよい。
(Modification 3)
In the semiconductor device 200 of FIG. 6, the operation mode of the charge pump circuit 100 is interlocked with the on/off of the bypass switch 230, but this is not the only option. For example, the operation mode of charge pump circuit 100 may be switched based on the elapsed time from the start of activation, or the operation mode may be switched based on a command from a higher-level controller.

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments merely show the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the scope of claims. Many modifications and changes in arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.

2 負荷
4 ロードスイッチ
6 システム負荷
8,10 平滑化キャパシタ
20 システム負荷
100 チャージポンプ回路
フライングキャパシタ
AUX 補助キャパシタ
OUT 出力キャパシタ
M1,M2,M3,M4 スイッチ
110 チャージポンプコア
112 コントローラ
114 オシレータ
116 ヒステリシスコンパレータ
R11,R12 抵抗
200 半導体装置
210 起動回路
230 バイパススイッチ
240 判定回路
300 PMIC
310 コンバータコントローラ
2 load 4 load switch 6 system load 8, 10 smoothing capacitor 20 system load 100 charge pump circuit C F flying capacitor C AUX auxiliary capacitor C OUT output capacitor M1, M2, M3, M4 switch 110 charge pump core 112 controller 114 oscillator 116 Hysteresis comparator R11, R12 resistor 200 semiconductor device 210 startup circuit 230 bypass switch 240 decision circuit 300 PMIC
310 converter controller

Claims (18)

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。
an output terminal to which a variable load is connected;
a flying capacitor;
an auxiliary capacitor connected between the output terminal and ground in a first mode and connected in parallel with the flying capacitor in a second mode;
A charge pump circuit comprising:
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。
The variable load is a variable capacitive load,
2. The charge pump circuit according to claim 1, wherein said first mode and said second mode are selected according to the capacitance of said variable load.
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。 3. The charge pump circuit according to claim 1, wherein said first mode and said second mode are selected according to the current flowing through said variable load. 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。 4. The charge pump circuit according to claim 1, further comprising an output capacitor fixedly connected between said output terminal and said ground. 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。 5. The charge pump circuit according to claim 4, wherein the capacitance value of said auxiliary capacitor is greater than the capacitance value of said output capacitor. 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。 6. The charge pump circuit according to claim 1, wherein the charge pump circuit includes a hysteresis comparator that compares the voltage of the output terminal with a threshold voltage, and intermittently operates according to the output of the hysteresis comparator. charge pump circuit. 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。 7. The charge pump circuit according to claim 6, wherein said threshold voltage differs between said first mode and said second mode. 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。 8. The charge pump circuit according to claim 1, wherein a clock frequency of said charge pump circuit differs between said first mode and said second mode. 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。
a charge pump circuit that boosts the input voltage;
an output pin to which an external load is connected;
a startup circuit provided between the output terminal of the charge pump circuit and the output pin;
a bypass switch provided in parallel with the startup circuit;
comparing the voltage of the output pin with a predetermined set voltage, turning off the bypass switch when the voltage of the output pin is lower, and turning off the bypass switch when the voltage of the output pin is higher a judgment circuit for
with
The charge pump circuit is
a flying capacitor;
an auxiliary capacitor connected between the output terminal and ground in a first mode and connected in parallel with the flying capacitor in a second mode;
a hysteresis comparator that compares the output voltage of the charge pump circuit with a threshold voltage corresponding to its target level;
an oscillator whose operation and stop are controlled according to the output of the hysteresis comparator;
A semiconductor device comprising:
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。 10. The semiconductor device according to claim 9, wherein said charge pump circuit further comprises an output capacitor fixedly connected between said output terminal and said ground. 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。 11. The semiconductor device according to claim 9, wherein said first mode and said second mode are switched in conjunction with turning on and off of said bypass switch. 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。 12. The semiconductor device according to claim 9, wherein the clock frequency of said charge pump circuit in said first mode is higher than the clock frequency in said second mode. 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。 13. The semiconductor device according to claim 9, wherein said threshold voltage changes in association with turning on/off of said bypass switch. 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。 14. The semiconductor device according to claim 9, wherein said starting circuit includes a constant current circuit that supplies a constant current to said load. 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。 14. The semiconductor device according to claim 9, wherein said starting circuit includes a resistance element. 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。 16. The semiconductor device according to claim 9, wherein said load is a load switch that is a MOS transistor, and said output pin is connected to the gate of said MOS transistor. 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。 17. The semiconductor device according to claim 16, wherein said charge pump circuit is active during a period in which said load switch should be turned on. 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。
The semiconductor device is a power management circuit,
18. The semiconductor device according to claim 16, further comprising a DC/DC converter that supplies voltage to one end of said load switch.
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Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003528560A (en) 2000-03-22 2003-09-24 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ イリノイ Dynamically controlled and uniquely regulated charge pump power converter
JP2010068565A (en) 2008-09-08 2010-03-25 Rohm Co Ltd Circuit and method for controlling charge pump circuit, and power supply circuit utilizing same
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