システム集積回路工学論

ルネサス エレクトロニクス株式会社

システム集積回路工学論

第４回 昇圧回路

群馬大学客員教授 堀口真志

2010

１ 昇圧回路の種類

２ チャージポンプ昇圧回路 ２倍昇圧回路

n 倍昇圧回路 極性反転回路

３ スイッチトキャパシタ昇圧回路 ４ スイッチング昇圧回路

５ レベルモニタ

目次

オンチップ電源回路の基本構成（昇圧１）

V _PP 基準電圧

発生回路

電圧変換/

トリミング V _EXT V _BGR

V _REF

ﾁｬｰｼﾞﾎﾟﾝﾌﾟ / ｽｲｯﾁﾄｷｬﾊﾟｼﾀ

昇圧 回路

comp.

負荷

(

)

オンチップ電源回路の基本構成（昇圧２）

V _PP 基準電圧

発生回路

電圧変換/

トリミング V _EXT

V _{BGR ﾁｬｰｼﾞﾎﾟﾝﾌﾟ} / ｽｲｯﾁﾄｷｬﾊﾟｼﾀ

V _REF

シリーズ 降圧回路

昇圧 回路

負荷

(

)

昇圧回路の種類

C

V _EXT

C

V _PP

V _EXT

I _N C L

V _PP C

V _EXT C

V _EXT C

C

V _PP

２倍昇圧回路の原理

V _EXT

SW₁ N₁

N₀ SW₃

SW₂

SW₄

C

C

I _L

荷

V _PP

V _PP

充電期間 昇圧期間

N₁ ≒2

V _EXT

V _EXT V _EXT

≒2

V _EXT

SW₁, SW₄ on

SW₂, SW₃ on

V _EXT C

C

V _PP

I _L

荷

V _EXT

C

放電

C

V _PP

負

荷

I _L

等価回路

２倍昇圧回路の解析(1)

V _PP

T

T

V _PP

T 充電期間

EXT N

L PP

V V

dt I C dV







1 0

充電期間 昇圧期間

V _PP

SW₁, SW₄ on, SW₂, SW₃ off

C

V _EXT C

I _L

V _PP

２倍昇圧回路の解析(2)

充電 → 昇圧遷移





1

min 0

1

PP EXT

PP

PP EXT

V C V

V C

V C V

C













 V _PP 

T

T

V _PP

T

V _PP

V _EXT C

C

C

V _EXT C

荷

N₁における電荷保存則より

V _PP

V _PP

N₁ N₁

V _PP

V _PP

充電期間 昇圧期間

２倍昇圧回路の解析(3)

昇圧期間

 

PP N

L PP

V V

dt I C dV

C









1

1

V _PP

T

T

V _PP

T

V _PP

SW₂, SW₃ on, SW₁, SW₂ off

V _EXT C

C

荷

I _L V _PP

N₁

２倍昇圧回路の解析(4)

リップル

電力効率





0

1 0

2 0

1 min

max

C C C

TI

C I C

T C

V T V

L

L PP

PP





 



 





 





EXT PP

V η V

 2

出力電圧





1

2 I C C

C V T

V



 



V _EXT

V _PP

C

SW₁ SW₂

C

荷

I _L

R _OUT V

V

R _OUT V _PP

負 荷 N₀

SW₃ SW₄

整流素子

２倍昇圧チャージポンプ回路

C

V _EXT

C

V _PP

負

荷

I _L V _PP

N₁ ≒2

V _EXT – V _TH V _EXT – V _TH V _EXT

0

≒2

V _EXT – 2 V

SW ₁ , SW ₂ → 整流素子で置換え

N₀

N₀

低電圧化のための問題点

整流素子での V _TH drop

整流素子の基板効果

水の流れに例えると‥‥

C

V _EXT

C

V _EXT – V _TH

V _EXT

N₂ N₁

0 0

ϕ

ϕ

V _EXT V _EXT

N₁ 2

V _EXT

V _EXT

N₂ 2

V _EXT

V _EXT

V _EXT

C

低電圧用２倍昇圧回路

帰還型昇圧回路

2

V _EXT – 2 V _TH

C

C

2

V _EXT – V _TH V _EXT – V _TH

2 V _EXT – V V _{EXT TH} V 2 V _{EXT EXT}

2

10 0.5 1 1.5 2 1.5

帰還あり

昇圧比

V

V

64Mb DRAM

t _RC

V _TH

外部電源電圧

V _EXT

低電圧用２倍昇圧回路

C

V _EXT

Booster

M_P1

M_P2

M_P3

M_P4

V _PP

V _EXT

V _BG

nウェル電位 V _BG ≥ V _PP PMOSトランスファスイッチ

ϕ ϕ

C

V _BG

低電圧用２倍昇圧回路

5 V _EXT − 4 V _TH 3 V _EXT − 3 V _TH

3 V _EXT − 2 V _TH V _EXT − V _TH

n 倍昇圧チャージポンプ回路

Dickson型チャージポンプ

整流素子

ϕ ϕ ϕ

V _EXT

ϕ

V _PP

C

C

C

C

C

(= 5

V _EXT

V _TH

N₁ N₂ N₃ N₄

0

低電圧化のための問題点 整流素子での V _TH drop 整流素子の基板効果

V _EXT 0 V _EXT 2 V _EXT − V _TH

2 V _EXT − 2 V _TH 4 V _EXT − 4 V _TH 4 V _EXT − 3 V _TH

V _EXT 0 V _EXT 0

n 倍昇圧チャージポンプ回路

Dickson型チャージポンプ

V _EXT

C

C

C _n

V _PP

C

V _PP ϕ

N₁ 2

V _EXT – V _TH V _EXT – V _TH V _EXT

0

nV _EXT – nV _TH

_n

N₂ 3

V _EXT – 2 V _TH

V _EXT – 2 V _TH

N

_n

nV _EXT – ( n –1) V _TH

(

n

V _EXT – ( n –1) V _TH

EXT PP

nV η  V

n 倍昇圧チャージポンプ回路の解析(1)

C

T v  I

C

C

C _n

V _PP

C

I _L

 

L TH

EXT

PP

I

C T nV n

nV

V     1  C

C

C _n

C

C

V

R _OUT

V _PP

R _OUT V

V _EXT

リップル

電力効率

出力電圧

リップル

n 倍昇圧チャージポンプ回路の解析(2)

C

C

C _n

C _s

V _PP

C

I _L

 

L S TH

EXT S

S

PP

I

C C

T nV n

C V C

C

V nC 



 



 

  1

C _s C _s

V

R _OUT

V _PP

R

V

寄生容量の影響

V 低下 →η 低下

PP

nV η  V

C

T v  I

電力効率

出力電圧

低電圧用 n 倍昇圧チャージポンプ回路

V _EXT

ϕ ϕ ϕ ϕ

V _PP

C

C

C

C

C

ϕ C

(=5

V _EXT

V _TH

V _EXT

0 V _EXT 0 V _EXT 0

3 V _EXT 3 V _EXT 5 V _EXT

5 V _EXT − V _TH

V _EXT 0 V _EXT 0 V _EXT

2 V _EXT 2 V _EXT 4 V _EXT 4 V _EXT

6 V _EXT − V _TH

低電圧用 n 倍昇圧チャージポンプ回路

V _EXT

C

C

C _n

V _PP

C

ϕ

N₁ 2

V _EXT

V _EXT V _EXT

G₁

3

V _EXT V _EXT

N

_n

nV _EXT

(

n

V _EXT

ϕ V _EXT

0 G₁ G₂

N₂ 3

V _EXT

2

V _EXT

_n

極性反転の原理

極性反転＝負の２倍昇圧

極性反転＋ n 倍昇圧＝負の( n +1)倍昇圧

V _EXT

–

V _EXT

0 –

V _EXT

–2

V _EXT

V _EXT

–

nV _EXT

0 –

V _EXT

–(

n

V _EXT

V _EXT

N₂ N₁

ϕ C

C

ϕ

負電圧発生回路

2

V _EXT – V _TH

C

C

ϕ ϕ

NMOS

→

→

–

V _EXT + | V _THP |

等価回路

スイッチトキャパシタ昇圧回路

V _EXT

C

C

C _n

V _PP

C

V _EXT

C

C

C _n

V C

C

C _n

C

- 電力効率＞80%

- 高耐圧デバイス必要

V _PP

C

V _PP

(=

nV _EXT

高耐圧デバイス

V _EXT V _EXT V _EXT

0 0 0

2 V _EXT 3 V _EXT nV _EXT

V _EXT 2 V _EXT ( n −1) V _EXT

スイッチトキャパシタ降圧回路の入力と出力を入れ替え

C

C

C _n

V _BB

nV _EXT

C

C

C

C _n C

C

C _n C

V _BB V _BB

C

高耐圧デバイス

V _EXT

スイッチトキャパシタ極性反転回路

V _EXT

等価回路

スイッチング昇圧回路

V _EXT

L i

I _N

gen.

CLK

I _D

off chip

C

V _PP I _L

comparator

V _REF

- 電力効率≧80%

- 外付け部品必要

L, C, diode, (power Tr.)

- ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾉｲｽﾞ要注意

I _N

I _D

i

M_D on off

T

T

スイッチング昇圧回路の動作波形

i V _EXT

I _N L

M_D

I _D

on

V _D

C

V

T Δ i L  

1

D PP

EXT

V V

T V Δ i

L    



 



 



2

D EXT

PP

V V

T T

V  T   

2 2 1

V

Δi

0

V _PP

V _D

N₁

off chip

CLK

V _BB

L

I _L I _P

M_D

スイッチング極性反転回路

V _EXT

pulse gen.

comparator

V _REF

i I _D C

- 電力効率≧80%

- 外付け部品必要

L, C, diode, (power Tr.)

- ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾉｲｽﾞ要注意

I _P

I _D

i

M_D on off

T

T

スイッチング極性反転回路の動作波形

i V _EXT

I _P

L

M_D

I _D

on

D EXT

BB

V V

T

V   T  

2 1

V _D

C

V

T Δ i L  

1

D BB

V T V

Δ i

L   



 



 



2

V

Δi

N₁

V _EXT

V _BB − V _D

V _PP

昇圧 回路

V _REF

V _EXT

R ₁ R ₂

C _C

C _P

レベルモニタ（昇圧回路用）

Load

REF

PP

V

R R V  R



V

R R

R

2 1

1



R R

R  V _REF2

レベルモニタ（極性反転回路用）

V

極性反転回路

V _REF

comp.

V _BB

Load

R ₁

R ₂

2 1

2 2

1

R R

V R V

R





損失

昇圧回路方式比較

電力変換効率

電流 電流

電圧

V _EXT V _PP

電圧

自己消費電力

0

有 効 電 力

V _PP

V _EXT

0

変換

I _EXT I _EXT

有 効 電 力

変換

I _L I _L

損失

1C, 1L, 1Diode (+MOSFET)

昇圧回路方式比較

ﾁｬｰｼﾞﾎﾟﾝﾌﾟ ｽｲｯﾁﾄｷｬﾊﾟｼﾀ 昇圧方式

MOSFET 耐圧 キャパシタ

電力変換 ＞80%

効率

V _{EXT →} 2 V _{EXT →}

‥‥ → nV _EXT

＞80%

( n −1) V _EXT V _EXT （昇圧用）

2 V _EXT

V _{EXT →} nV _EXT

ｽｲｯﾁﾝｸﾞ V _{EXT →} nV _EXT

＞80%

nV _EXT

変換比 整数倍 整数比 任意

nV （平滑用）

外付け

部品 なし（1～ n C） なし（1～ n C）

( n −1) V

問題

図１の状態と図２の状態を交互に繰り返すスイッチトキャパシタ 昇圧回路において、無負荷時の出力電圧 V _OUT は入力電圧 V _IN の 何倍になるか？

ヒント： C ₁ , C ₂ , C ₃ の端子間電圧をそれぞれ V ₁ , V ₂ , V ₃ として、

方程式を立てる。

図 1 の状態のときは、 V ₁ = V _IN , V ₃ = V ₁ +V ₂ 図 2 の状態のときは‥‥

V _IN C

荷

C

V _OUT

図１ 図２

C

C

V _IN C

荷

C

V _OUT

C

C