JPH10323046A - チャージポンプ及び直流電源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 任意の値の直流電圧を出力するチャージポン
プを提供すること。 【手段】 チャージポンプは、一定振幅の交流電圧が供
給される入力端子Ｔｉｎと、直流電圧を出力する出力端
子Ｔｏｕｔとを有する変換回路１と、入力端子Ｔｉｎに
クランプ電圧Ｖｂを供給し、変換回路１に前記交流電圧
と前記クランプ電圧との重畳された電圧を印加する帰還
回路とを具備する。前記クランプ電圧は可変であり、前
記直流電圧は任意の値に設定できる。前記帰還回路は、
前記直流電圧を可変の分圧比で分圧する分圧回路２と、
分圧回路２の出力と基準電圧とを受け取り、前記クラン
プ電圧を変換回路１の入力へ供給する演算増幅器３とを
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、入力交流電圧の
振幅を変えることなく、帰還されるクランプ電圧の大き
さを変化させることによって任意の出力直流電圧を得る
ことができるチャージポンプ、及び、それと直流−直流
変換回路とを組み合わせた電源回路に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】入力交流電圧を整流して直流電圧を得る
電源回路や、入力交流電圧よりも高い出力直流電圧を得
る電源回路は周知である。後者としては、半波整流型、
両波整流型等の倍電圧整流回路が広く知られている。そ
のうち、入力交流電圧の整数倍の出力直流電圧を得る回
路として、図４に示すような、倍電圧整流回路を多段に
接続したコッククロフト・ワルトン回路が知られてい
る。

【０００３】また、入力直流電圧をスイッチングして該
入力直流電圧よりも高い又は低い直流電圧を得る直流−
直流変換回路も広く知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
電源回路の出力直流電圧は、原理的に、入力交流電圧の
振幅に規定されてしまい、任意の値の直流電圧を得るこ
とはできなかった。例えば、上記のコッククロフト・ワ
ルトン回路から出力される直流電圧は、入力交流電圧の
整数倍の電圧値しか取り得ない。これは、コッククロフ
ト・ワルトン回路が複数のコンデンサの充放電を利用し
た整流回路であり、それぞれのコンデンサに充電された
電圧の和を出力電圧とするからである。したがって、コ
ッククロフト・ワルトン回路からは、入力交流電圧の整
数倍という飛び飛びの値の直流電圧しか取り出せないと
いう課題があった。

【０００５】また、上記の直流−直流変換回路の中には
複数の直流電圧を出力するものもあるが、出力される直
流電圧の大きさはそれぞれ固定されており、任意の大き
さの直流電圧を得ることはできなかった。

【０００６】この発明は上記の課題を解決するために提
案されたもので、入力交流電圧をクランプし、該クラン
プ量を制御することにより、任意の大きさの直流電圧を
得ることができるチャージポンプを提供することを一つ
の目的とする。

【０００７】この発明の他の目的は、こうしたチャージ
ポンプの少なくとも１つを直流−直流変換回路と組み合
わせて、少なくとも１つが可変の直流電圧である複数の
直流電圧を取り出すことができる直流回路を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は、一定振幅の交流電圧が供給される入
力端子と、直流電圧を出力する出力端子とを有する変換
回路と、前記入力端子と前記出力端子との間に接続さ
れ、前記入力端子にクランプ電圧を供給して、前記変換
回路に前記交流電圧と前記クランプ電圧との重畳された
電圧を印加する帰還回路と、を具備し、前記クランプ電
圧の大きさを可変とし、もって、前記直流電圧の大きさ
を任意に設定できるようにしたことを特徴とするチャー
ジポンプ、を提供する。

【０００９】この発明の１つの実施の形態に係るチャー
ジポンプは、一定振幅の交流電圧が供給される入力端子
と、第１の直流電圧を出力する出力端子とを有する変換
回路と、前記出力端子に接続され、分圧比を変えること
が可能な分圧回路と、前記分圧回路の出力と基準電圧と
を受け取って、前記基準電圧と前記分圧比とにより決定
される大きさの第２の直流電圧を前記変換回路の入力へ
クランプ電圧として帰還して、前記入力端子に前記交流
電圧と前記クランプ電圧とが重畳された電圧を印加する
帰還回路と、を具備し、前記クランプ電圧の大きさを可
変とし、もって、前記直流電圧の大きさを任意に設定で
きるようにしたことを特徴とする。

【００１０】前記変換回路としては、整流回路、昇圧回
路及び降圧回路のうちのいずれかを用いることができ
る。

【００１１】また、この発明は、直流電圧を出力する直
流−直流変換回路の入力直流電圧をオン、オフする矩形
波発生回路の出力に、少なくとも１つのチャージポンプ
を接続し、もって、少なくとも１つが可変の直流電圧で
ある複数の直流電圧を出力することを特徴とする直流電
源回路、を提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の若干の実施の形
態について、図１〜図３を参照しながら詳細に説明す
る。なお、これらの図において、同じ構成要素は同一の
参照数字又は参照符号によって指示される。

【００１３】図１の（イ）は、この発明に係るチャージ
ポンプの、交流−直流変換回路に応用するための実施の
形態を概略的に示す図である。このチャージポンプは、
入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとを有し、入力端子
Ｔｉｎには、図１の（ロ）に示すような振幅がＶａ／２
の交流矩形波電圧Ｖｉｎが印加される。

【００１４】入力端子Ｔｉｎは第１のコンデンサＣ１を
介して第１のダイオードＤ１のアノード電極に接続さ
れ、ダイオードＤ１のカソード電極は第２のコンデンサ
Ｃ２を介して接地されると共に出力端子Ｔｏｕｔに接続
される。第１のダイオードＤ１と第２のコンデンサＣ２
とは整流回路１を構成する。

【００１５】更に、出力端子Ｔｏｕｔは直列接続された
２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２から成る分圧回路２を介して接地
され、この分圧回路２の抵抗Ｒ１、Ｒ２の中間点は演算
増幅器３の反転入力端子に接続される。分圧回路２から
演算増幅器３の反転入力端子に印加される電圧をＶｃと
する。演算増幅器３の非反転入力端子には、一定電圧Ｖ
ｒｅｆを有する基準電圧源Ｅが接続される。

【００１６】演算増幅器３の出力側は第２のダイオード
Ｄ２を介して整流回路１の入力側、即ち第１のダイオー
ドＤ１のアノード電極に接続される。いま演算増幅器３
から出力される電圧をＶｂとすると、整流回路１の出力
側から整流回路１の入力側へ電圧Ｖｂが帰還されるの
で、この帰還された電圧Ｖｂはクランプ電圧として交流
矩形波電圧Ｖｉｎに加えられ、整流回路１に入力される
電圧Ｖｉｎは演算増幅器３からの電圧Ｖｂだけクランプ
される。こうして、第１のダイオードＤ１のアノード電
極には、図１の（ハ）に示すような、コンデンサＣ１に
よって直流カットされた交流矩形波電圧Ｖｉｎと演算増
幅器３から帰還される電圧Ｖｂとが重畳された電圧Ｖｄ
が加えられる。

【００１７】この結果、出力端子Ｔｏｕｔからは、図１
の（ニ）に示すような、ＶａとＶｂとの和にほぼ等しい
一定の直流電圧Ｖｏｕｔが出力される。直流電圧Ｖｏｕ
ｔがほぼ一定に保たれるのは以下の理由による。直流電
圧Ｖｏｕｔが下がると、分圧回路２の電圧Ｖｃも下が
り、演算増幅器３から出力される電圧Ｖｂは大きくな
る、即ち、クランプ電圧も大きくなるので、直流電圧Ｖ
ｏｕｔは上がる。逆に、直流電圧Ｖｏｕｔが大きくなる
と、電圧Ｖｃも上がり、演算増幅器３からの電圧Ｖｂは
小さくなる、即ち、クランプ電圧は小さくなるので、直
流電圧Ｖｏｕｔは下がる。こうして、直流電圧Ｖｏｕｔ
はＶａとＶｂとの和にほぼ等しい一定の値に保たれる。

【００１８】出力端子Ｔｏｕｔから出力される電圧Ｖｏ
ｕｔは、抵抗Ｒ１、Ｒ２と基準電圧源Ｅの電圧Ｖｒｅｆ
とで決まる大きさを有する電圧であり、

【数１】 Ｖｏｕｔ＝（Ｖｒｅｆ／Ｒ２）×Ｒ１＋Ｖｒｅｆ ＝｛１＋（Ｒ１／Ｒ２）｝×Ｖｒｅｆ と表すことができる。したがって、抵抗Ｒ１、Ｒ２の少
なくとも一方の値を変えることにより、出力端子Ｔｏｕ
ｔか取り出し得る直流電圧Ｖｏｕｔの大きさを任意に変
えることができる。

【００１９】図２は、この発明に係るチャージポンプ
の、交流−直流変換回路に応用するための別の実施の形
態を概略的に示す図である。図２の実施の形態が図１の
実施の形態と相違する点は、整流回路１に代えて、２倍
昇圧回路４を使用していることである。２倍昇圧回路４
は周知のもので、図２に示すように、直列に接続された
３つのダイオードＤ３、Ｄ４、Ｄ５と、ダイオードＤ３
のカソード電極を接地するコンデンサＣ３と、ダイオー
ドＤ４のカソード電極とダイオード３のアノード電極と
の間に接続されたコンデンサＣ４と、ダイオードＤ５の
カソード電極を接地するコンデンサＣ５とを備えてお
り、任意の発振回路５から入力端子Ｔｉｎに供給される
交流矩形波電圧Ｖｉｎを整流して交流矩形波電圧Ｖｉｎ
の振幅Ｖａ／２の２倍の値を持つ直流電圧を出力端子Ｔ
ｏｕｔに出力するよう動作する。

【００２０】一方、２倍昇圧回路４から出力される直流
電圧Ｖｏｕｔは分圧回路２によって分圧され、分圧され
た電圧は演算増幅器３及びダイオードＤ２を介して２倍
昇圧回路４の入力へ大きさＶｂのクランプ電圧として帰
還される。

【００２１】したがって、図１により説明したと同様
に、２倍昇圧回路４の入力側には、コンデンサＣ１によ
り直流カットされた交流矩形波電圧ＶｉｎとＶｂとが重
畳された電圧Ｖｄが印加される。その結果、出力端子Ｔ
ｏｕｔに、２Ｖａ＋Ｖｂにほぼ等しい直流電圧Ｖｏｕｔ
を得ることができる。

【００２２】なお、図２の実施の形態においては２倍昇
圧回路４を用いたが、これに代えて、任意の昇圧回路又
は降圧回路を用いてもよい。

【００２３】これまで説明した２つの実施の形態におい
ては、出力端子Ｔｏｕｔから正の直流電圧が出力される
ものであるが、出力端子Ｔｏｕｔに負の直流電圧Ｖｏｕ
ｔを得る場合には、図１における整流回路１及び図２に
おける２倍昇圧回路４を、負の直流電圧を出力端子Ｔｏ
ｕｔに供給する回路と置換することにより、任意の負の
直流電圧を得ることができる。

【００２４】更に、この発明に係るチャージポンプは、
その入力端子Ｔｉｎに交流電圧を供給し得る任意の回路
と組み合わせることが可能である。図３はその一例で、
この発明に係るチャージポンプを直流−直流変換回路と
組み合わせて複数の直流電圧を同時に取り出すことがで
きるようにした実施の形態を示している。図３の（イ）
において、６は周知のスイッチング型の直流−直流変換
回路で、矩形波発生回路７から出力される矩形波によっ
てスイッチング・トランジスタ８をオン、オフする。ス
イッチング・トランジスタ８のドレイン電極はコイルＬ
を介して直流電源Ｖに接続され、スイッチング・トラン
ジスタ８がオンのときにコイルＬにエネルギが蓄積さ
れ、次いで、スイッチング・トランジスタ８がオフにな
ると、コイルＬから発生する逆起電力によりコンデンサ
Ｃ６が充電される。コンデンサＣ６に充電された電圧
は、直流−直流変換回路の出力電圧Ｖ１として取り出さ
れると共に、抵抗Ｒ３、Ｒ４によって分圧される。この
分圧された電圧は、矩形波発生回路７から出力される矩
形波電圧の幅を制御するために矩形波発生回路７へ帰還
される。

【００２５】図３の実施の形態においては、スイッチン
グ・トランジスタ８のドレイン電極から振幅Ｖａ／２の
矩形波電圧を取り出し、コンデンサＣ１を介して、この
発明に係るチャージポンプの入力端子Ｔｉｎに供給す
る。したがって、コンデンサＣ１から出力される電圧Ｖ
ｉｎは、図３の（ロ）に示す、大きさが│Ｖａ│の負の
矩形波電圧である。この矩形波電圧Ｖｉｎと演算増幅器
３の出力電圧Ｖｂとが重畳されてチャージポンプの入力
端子Ｔｉｎに印加される。チャージポンプの出力端子Ｔ
ｏｕｔから負の直流電圧Ｖｏｕｔを出力するために、入
力端子Ｔｉｎは第１のダイオードＤ１のカソード電極に
接続され、第１のダイオードＤ１のアノード電極は出力
端子Ｔｏｕｔに接続されると共に、第２のコンデンサＣ
２を介して接地される。第１のダイオードＤ１及び第２
のコンデンサＣ２は整流回路１を構成する。

【００２６】第２のコンデンサＣ２の充電電圧はチャー
ジポンプの出力電圧Ｖ２として出力端子Ｔｏｕｔに供給
されると共に、直列の抵抗Ｒ１、Ｒ２からなる分圧回路
２で分圧され、電圧Ｖｃとして演算増幅器３の反転入力
に印加される。演算増幅器３の非反転入力には大きさＶ
ｒｅｆの基準電圧源Ｅが接続される。演算増幅器３の出
力側は第２のダイオードＤ２のカソードに接続され、第
２のダイオードＤ２のカソードは入力端子Ｔｉｎに接続
される。

【００２７】こうした構成であるので、演算増幅器３か
ら出力される電圧Ｖｂは、第２のダイオードＤ２を介し
て整流回路１の入力にクランプ電圧として加えられる。
その結果、電圧Ｖｂと矩形波電圧Ｖｉｎとが重畳され、
電圧Ｖｉｎが電圧│Ｖｂ│だけ持ち上げられた電圧Ｖｄ
（図３の（ハ）に示す）が整流回路１に入力されること
になる。この結果、図３の（ニ）に示すように、大きさ
が（│Ｖａ│−│Ｖｂ│）に等しい負の電圧である直流
電圧Ｖ２がチャージポンプから出力される。

【００２８】直流電圧Ｖ２が一定に保持されるのは、分
圧回路２から取り出された電圧Ｖｃが大きくなると電圧
Ｖｂが下がり、逆に、電圧Ｖｃが下がると電圧Ｖｂが大
きくなるからである。

【００２９】図３の実施の形態においても、演算増幅器
３から出力される電圧Ｖｂは、抵抗Ｒ１、Ｒ２及び基準
電圧源Ｅの大きさＶｒｅｆによって決まるので、抵抗Ｒ
１、Ｒ２の少なくとも一方を可変とすることにより、所
望の値の直流電圧Ｖ２を得ることができる。

【００３０】このように、図３の実施の形態は、スイッ
チング型の昇圧直流−直流変換回路６とチャージポンプ
とを組み合わせることにより、直流−直流変換回路６か
らの直流電圧Ｖ１とチャージポンプからの直流電圧Ｖ２
との２つの直流電圧を出力として取り出すことができる
という利点を有する。この原理を利用するならば、１個
の矩形波発生回路を使った直流−直流変換回路に並列に
所望の複数個のチャージポンプを接続することにより、
複数個の直流電圧を出力する回路を構成することができ
る。

【００３１】なお、図３の実施の形態においては、昇圧
直流−直流−変換回路６の代わりに、矩形波発生回路を
有する任意の降圧回路又は昇圧回路を用いることが可能
である。

【００３２】

【発明の効果】以上、この発明の若干の実施の形態を図
を参照しながら詳細に説明したところから明らかなとお
り、この発明は、交流電圧と可変のクランプ電圧とを重
畳した電圧を変換して直流電圧を得るようにしたことに
より、該交流電圧の振幅を変えることなく、任意の値の
直流電圧を得ることができるという格別の効果を得るこ
とができる。しかも、こうした効果は、抵抗と演算増幅
器等を主な構成要素とする小型で簡単な構成の安価な回
路で実現することが可能である。また、スイッチング型
の電源回路と組み合わせることにより、少なくとも１つ
が可変の直流電圧である複数個の直流電圧を出力する回
路を構成することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（イ）は、この発明に係るチャージポンプの、
交流−直流変換回路に応用するための実施の形態を概略
的に示す図であり、（ロ）、（ハ）及び（ニ）は（イ）
の回路における複数の点での電圧波形を示している。

【図２】この発明に係るチャージポンプの、交流−直流
変換回路に応用するための実施の形態を概略的に示す図
である。

【図３】（イ）は、この発明に係るチャージポンプを直
流−直流変換回路と組み合わせて電源回路を構成するた
めの実施の形態を概略的に示す図であり、（ロ）、
（ハ）及び（ニ）は（イ）の回路における複数の点での
電圧波形を示している。

【図４】公知のコッククロフト・ワルトン回路の一例を
示す図である。

【符号の説明】

１：整流回路、 ２：分圧回路、 ３：演算増幅器、
４：２倍昇圧回路、５：発振回路、 ６：直流−直流変
換回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定振幅の交流電圧が供給される入力端
   子と、直流電圧を出力する出力端子とを有する変換回路
   と、 前記入力端子と前記出力端子との間に接続され、前記入
   力端子にクランプ電圧を供給して、前記変換回路に前記
   交流電圧と前記クランプ電圧との重畳された電圧を印加
   する帰還回路と、を具備し、前記クランプ電圧の大きさ
   を可変とし、もって、前記直流電圧の大きさを任意に設
   定できるようにしたことを特徴とするチャージポンプ。
2. 【請求項２】 一定振幅の交流電圧が供給される入力端
   子と、第１の直流電圧を出力する出力端子とを有する変
   換回路と、 前記出力端子に接続され、分圧比を変えることが可能な
   分圧回路と、 前記分圧回路の出力と基準電圧とを受け取って、前記基
   準電圧と前記分圧比とにより決定される大きさの第２の
   直流電圧を前記変換回路の入力へクランプ電圧として帰
   還して、前記入力端子に前記交流電圧と前記クランプ電
   圧とが重畳された電圧を印加する帰還回路と、を具備
   し、前記クランプ電圧の大きさを可変とし、もって、前
   記直流電圧の大きさを任意に設定できるようにしたこと
   を特徴とするチャージポンプ。
3. 【請求項３】 前記変換回路が、整流回路、昇圧回路及
   び降圧回路のうちのいずれかであることを特徴とする請
   求項１又は２に記載のチャージポンプ。
4. 【請求項４】 直流電圧を出力する直流−直流変換回路
   の入力直流電圧をオン、オフする矩形波発生回路の出力
   に、請求項１〜３のいずれか１つに記載のチャージポン
   プを少なくとも１つ接続し、もって、少なくとも１つが
   可変の直流電圧である複数の直流電圧を出力することを
   特徴とする直流電源回路。