00000-A

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年

2

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

3

オンチップ電源回路の基本構成（昇圧１）

VPP

基準電圧発生回路

電圧変換/トリミング

VEXT

VBGR

VREF

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

(内部回路)

4

オンチップ電源回路の基本構成（昇圧２）

VPP

基準電圧発生回路

電圧変換/トリミング

VEXT

VBGR ﾁｬｰｼﾞﾎﾟﾝﾌﾟ/ｽｲｯﾁﾄｷｬﾊﾟｼﾀ

VREF

シリーズ降圧回路

昇圧回路

負荷

(内部回路)

5

昇圧回路の種類

C0

VEXT

C1

スイッチングチャージポンプ ｽｲｯﾁﾄｷｬﾊﾟｼﾀ

VPP

VEXT

INC

L

VPP

C0VEXT C1

充電

VEXT

C1C0

放電 VPP

6

２倍昇圧回路の原理

H. Neuteboom, IEEE J. SSC p.1790, Nov. 1997

VEXTSW1 N1

N0SW3

SW2

SW4

C1 C0 IL負荷

VPP

VPP

充電期間 昇圧期間

N1

≒2VEXT

VEXT

VEXT

0

≒2VEXT

N0

SW1, SW4

onSW2, SW3

on

VEXT C1

充電

C0

VPP

IL負荷

VEXT

C1

放電

C0

VPP

負荷

IL

等価回路

7

２倍昇圧回路の解析(1)

VPP

T1 T2

VPPmax

T 充電期間

EXTN

LPP

VV

Idt

dVC

1

0

充電期間 昇圧期間VPPmin

SW1, SW4 on, SW2, SW3 off

C0VEXT C1 IL負荷

VPPN1

N0

8

２倍昇圧回路の解析(2)

充電→昇圧遷移

max0max1

min01

PPEXTPP

PPEXT

VCVVC

VCVC

VPP

T1 T2

VPPmax

T

VPPmin

VEXT

C1 C0

負荷

C0VEXT C1

負荷

N1における電荷保存則より

VPP = VPPminN1 VPP = VPPmaxN1

充電期間 昇圧期間

9

２倍昇圧回路の解析(3)

昇圧期間

PPN

LPP

VV

Idt

dVCC

1

10VPP

T1 T2

VPPmax

T

VPPmin充電期間 昇圧期間

SW2, SW3 on, SW1, SW2 off

VEXT

C1 C0

負荷

IL

VPPN1

10

２倍昇圧回路の解析(4)

リップル

電力効率

10

0

10

2

0

1minmax

CCC

TI

ICC

T

C

TVV

L

LPPPP

EXT

PP

V

Vη

2

出力電圧

10

1

2 CCIC

TVV LEXTPP

VEXT

VPP

C1

SW1 SW2

C0 負荷

IL

N1

ROUTV0

V0

ROUT VPP

負荷

N0SW3 SW4

11

整流素子

２倍昇圧チャージポンプ回路

C0

整流素子VEXT

C1

VPP

負荷

IL

VPP

N1

≒2VEXT – VTH

VEXT – VTH

VEXT

0

≒2VEXT – 2VTH

N1

SW1, SW2→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VTH drop

整流素子の基板効果

12

水の流れに例えると‥‥

C0

VEXT

C1

13

0

VEXT – VTH

VEXT

N2N1

Y. Nakagome, IEEE J. SSC p.465, Apr. 1991

0

0

ϕ

ϕ

VEXT

VEXT

N12VEXT

VEXT

N22VEXT

VEXT

N0

VEXT

C1

N1

低電圧用２倍昇圧回路

帰還型昇圧回路

2VEXT – 2VTH

ϕ

C2C1

ϕ

2VEXT – VTH

0

VEXT – VTH

VEXT

2VEXT – VTH VEXT2VEXT

0 VEXT

VEXT

14

2

10.50 1 1.5 2

1.5

帰還あり

昇圧

比V

PP/V

EXT

64Mb DRAMtRC = 180 nsVTH = 0.5 V

外部電源電圧 VEXT (V)

帰還なし

低電圧用２倍昇圧回路

Y. Nakagome, IEEE J. SSC p.465, Apr. 1991

15

C1

VEXT

Booster

MP1

MP2

MP3

MP4

VPP

(2VEXT)

VBG Gen.Transfer

Gate

P. Favrat, IEEE J. SSC p.410, Mar. 1998

nウェル電位 VBG ≥ VPP

PMOSトランスファスイッチ

ϕ ϕ

C2

VBG

低電圧用２倍昇圧回路

16

5VEXT − 4VTH

3VEXT − 3VTH

3VEXT − 2VTH

VEXT − VTH

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

VEXT

ϕ

VPP

J. F. Dickson, IEEE J. SSC, p. 374, June 1976.

C0C1 C2 C3 C4

(= 5VEXT − 5VTH)

N1 N2 N3 N4

0

低電圧化のための問題点

整流素子でのVTH drop

整流素子の基板効果

VEXT 0 VEXT

2VEXT − VTH

2VEXT − 2VTH 4VEXT − 4VTH

4VEXT − 3VTH

VEXT 0 0VEXT

17

n倍昇圧チャージポンプ回路

Dickson型チャージポンプ

VEXT

C1 C2 Cn-1

VPP

C0

VPP

ϕ1

N1

2VEXT – VTH

VEXT – VTH

VEXT

0

nVEXT – nVTH

N1 N2 Nn-1

N2

3VEXT – 2VTH

2VEXT – 2VTH

Nn-1

nVEXT – (n–1)VTH

(n−1)VEXT – (n–1)VTH

18

EXT

PP

nV

Vη

n倍昇圧チャージポンプ回路の解析(1)

0C

TIv L

C1 C2

J. F. Dickson, IEEE J. SSC, p. 374, June 1976.

Cn-1

VPP

C0

IL

LTHEXTPP IC

TnnVnVV

1

C1 = C2 = ‥‥ = Cn-1 = C ≪ C0

V0

ROUT

VPP

ROUTV0

VEXT

リップル

電力効率

出力電圧

19

リップル

n倍昇圧チャージポンプ回路の解析(2)

C1 C2

J. F. Dickson, IEEE J. SSC, p. 374, June 1976.

Cn-1

Cs

VPP

C0

IL

L

S

THEXT

S

SPP I

CC

TnnVV

CC

CnCV

1

Cs Cs

V0

ROUT

VPP

ROUTV0

寄生容量の影響

V0低下→η低下EXT

PP

nV

Vη

0C

TIv L

電力効率

出力電圧

20

低電圧用n倍昇圧チャージポンプ回路

J.-T. Wu, IEEE J. SSC, p. 592, Apr. 1998.

VEXT

ϕ ϕ ϕ ϕ

VPP

C1 C2 C3 C4

C0

ϕ

C5

(=5VEXT − VTH)

VEXT

0 VEXT 0 VEXT 0

3VEXT 3VEXT 5VEXT

5VEXT − VTH

VEXT 0 VEXT 0 VEXT

2VEXT 2VEXT 4VEXT 4VEXT

6VEXT − VTH

21

低電圧用n倍昇圧チャージポンプ回路

VEXT

C1 C2 Cn-1

VPP

C0

VPP

ϕ

N1

2VEXT

VEXT

VEXT

0

nVEXT – VTH

G1

3VEXT

VEXT

Nn-1

nVEXT

(n−1)VEXT

ϕVEXT

0

G1 G2

N2

3VEXT

2VEXT

N1 N2 Nn-1

22

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

VEXT

0

–VEXT

0

–VEXT

–2VEXT

VEXT

0

–nVEXT

0

–VEXT

–(n+1)VEXT

23

VEXT

N2N1

ϕ

C2C1

ϕ

負電圧発生回路

2VEXT – VTH

C1 C2

ϕϕ

NMOS→PMOS

電源→接地

–VEXT + |VTHP|

24

等価回路

スイッチトキャパシタ昇圧回路

VEXT C1 C2 Cn–1

VPP

C0

VEXTC1 C2 Cn–1

VEXT

C1

C2

Cn–1

C0

- 電力効率＞80%

- 高耐圧デバイス必要

VPP

C0

VPP

(= nVEXT)

高耐圧デバイス

VEXT VEXT VEXT

0 0 0

2VEXT 3VEXT nVEXT

VEXT 2VEXT (n−1)VEXT

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

25

C1 C2 Cn

VBB (= –nVEXT)

C0C1 C2 CnC1

C2

Cn

C0

VBB

VBB

C0

高耐圧デバイス

VEXT

スイッチトキャパシタ極性反転回路

VEXT

等価回路

26

スイッチング昇圧回路

VEXT

iL

IN

MD

pulsegen.

CLK

ID

off chip

C

VPP

IL

comparatorVREF

- 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

27

IN

ID

i

MD on off

T1 T2

0

スイッチング昇圧回路の動作波形

i

VEXT

IN

L

MD

ID

on

VD: ダイオード順方向電圧降下

C

EXTVT

iΔL

1

DPPEXT VVVT

iΔL

2

DEXTPP VVT

TTV

2

21

VPP

Δi

N1

0

VPP+VD

N1

28

VREF2

off chip

CLKVBB

L

IL

IP

MD

スイッチング極性反転回路

VEXT

pulsegen.

comparatorVREF1

iCID

- 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

29

IP

ID

i

MD on off

T1 T2

0

スイッチング極性反転回路の動作波形

i

VEXT

IP

L

MDID

on

DEXTBB VVT

TV

2

1

VD: ダイオード順方向電圧降下

C

EXTVT

iΔL

1

DBB VVT

iΔL

2

VBB

Δi

N1

N1

VEXT

VBB−VD

30

VPP

昇圧回路

VREF

VEXT

R1

R2

comp.

CC

CP

osc.

レベルモニタ（昇圧回路用）

Load

REFPP VR

RRV

1

21

PPVRR

R

21

1

31

2

1

21

1

2121 , REFREFBBREFREF V

R

RV

R

RRVVV

VREF2

レベルモニタ（極性反転回路用）

VEXT

極性反転回路

VREF1

comp.VBB

Load

R1

R2

21

221

RR

VRVR REFBB

32

損失

昇圧回路方式比較

電力変換効率

チャージポンプ スイッチング電流 電流

電圧

VEXT

VPP

電圧

自己消費電力

0

有効電力

VPP

VEXT

0

変換

IEXT IEXT

スイッチトキャパシタ

有効電力

変換

IL IL

損失

33

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

キャパシタ耐圧

＞80%電力変換

効率

VEXT→2VEXT→

‥‥→nVEXT

＞80%

(n−1)VEXT

VEXT（昇圧用）

2VEXT

VEXT→nVEXT

２倍昇圧の場合は、チャージポンプ≒スイッチトキャパシタ

ｽｲｯﾁﾝｸﾞ

VEXT→nVEXT

＞80%

nVEXT

変換比 整数倍 整数比 任意

nVEXT（平滑用）nVEXT（平滑用）

外付け部品 なし（1～nC） なし（1～nC）

(n−1)VEXT

34

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VOUTは入力電圧VINの何倍になるか？ヒント：C1, C2, C3の端子間電圧をそれぞれV1, V2, V3として、

方程式を立てる。図1の状態のときは、V1 = VIN, V3 = V1+V2

図2の状態のときは‥‥

VIN C0

負荷

C2 VOUT

図１ 図２

C1 C3 VIN C0

負荷

C1 VOUT

C2

C3