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JP2000060111A - オプションの共用休止状態を有するバックアンドブ―ストスイッチトキャパシタ利得段 - Google Patents

オプションの共用休止状態を有するバックアンドブ―ストスイッチトキャパシタ利得段

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JP2000060111A
JP2000060111A JP11189226A JP18922699A JP2000060111A JP 2000060111 A JP2000060111 A JP 2000060111A JP 11189226 A JP11189226 A JP 11189226A JP 18922699 A JP18922699 A JP 18922699A JP 2000060111 A JP2000060111 A JP 2000060111A
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gain
capacitors
capacitor
switch
array
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JP11189226A
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Jeff Kotowski
コトウィスキー ジェフ
William J Mcintyre
ジェイ． マクインタイアー ウイリアム
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National Semiconductor Corp
Original Assignee
National Semiconductor Corp
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Publication date
Application filed by National Semiconductor Corp filed Critical National Semiconductor Corp
Publication of JP2000060111A publication Critical patent/JP2000060111A/ja
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  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単一のスイッチトキャパシタアレイを使用し
て逆利得と増加利得の両方の変換を行うことの可能なＤ
Ｃ−ＤＣコンバータを提供する。 【解決手段】 本発明によれば、スイッチトキャパシタ
アレイが複数個の利得ブロックを有しており、これらの
利得ブロックは同一であり且つ互いに積層されている。
直列及び並列コンデンサ接続の種々の組合わせが可能で
あるようにスイッチとコンデンサとが所定の形態とさ
れ、従って１個のスイッチトキャパシタアレイでもって
バックアンドブースト即ち逆利得と増加利得の両方の変
換を得ることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータにおいて使用するスイッチトキャパシタアレイに関
するものであって、更に詳細には、バックアンドブース
ト即ち逆及びブースト変換の両方を与えるための形態と
させることの可能なスイッチトキャパシタアレイに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】電子回路においては、複数個の装置が単
一の電源によって電力が供給される場合には、単一の電
圧供給源で動作する該電源は種々の装置に対して複数個
の供給電圧を供給することが可能なものでなければなら
ない。その他の適用レイアウトにおいて、電子装置によ
って一定の電圧が必要とされる場合には、電源は例えば
電池等の可変電圧源から調整された供給電圧を供給する
ことが可能なものでなければならない。両方の場合にお
いて、スイッチトキャパシタアレイを使用するＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータは所望の供給電圧を供給するために一般的
に使用されている。スイッチトキャパシタアレイは、一
般的には、複数個の利得を与えるための形態とさせるこ
との可能な複数個のスイッチとコンデンサとからなる回
路である。該スイッチをターンオン及びターンオフさせ
るための制御装置が選択したコンデンサが充電及び放電
されて所望の利得でもって入力電圧を所望の出力電圧へ
変換させるために該コンデンサを所定の形態に特定させ
且つ再特定させることを可能とする。
【０００３】スイッチトキャパシタアレイの１つの一般
的なタイプは分圧器である。分圧器回路はＤＣ−ＤＣコ
ンバータとして機能して出力電圧を発生し、該出力電圧
は入力即ち主電圧供給源の値より小さいか又はそれに等
しい。典型的な分圧器アレイは異なるステップダウン即
ちバック（逆）利得（利得≦１）を発生させるためにＮ
個のコンデンサを使用し、その場合に、該コンデンサを
電圧供給源を横断して直列の形態とさせて該コンデンサ
を充電させ、次いで、該コンデンサを並列の形態とさせ
て該コンデンサを負荷コンデンサ内へ放電させる。コン
デンサを交互に充電及び放電させることによって、１／
Ｎの利得領域内の利得、即ち１／２、１／３、．．．、
１／Ｎとすることが可能である。このような回路は高い
動作効率を有するものであるが、出力電圧が入力電圧の
整数分割したものに拘束されるという点で制限されてい
る。
【０００４】利得範囲を増加させるために、発明者Ｓｕ
ｚｕｋｉ ｅｔ ａｌ．の「ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ
（ＤＣ−ｔｏ−ＤＣ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｖｅｒｔ
ｅｒ）」という名称の米国特許第４，４５１，７４３号
は、Ｎ個のコンデンサと１個の主コンデンサとを使用し
た分圧器回路を開示しており、尚、それを引用によって
本明細書に全て取込む。Ｓｕｚｕｋｉ特許においては、
全てのコンデンサが充電される充電サイクル期間中にお
いて、Ｎ個のコンデンサが互いに並列接続され且つ主コ
ンデンサと直列接続される。次いで、該コンデンサが放
電される放電サイクル期間中において、Ｎ個のコンデン
サが互いに直列接続され且つ主コンデンサと並列接続さ
れる。その結果、Ｎ／（Ｎ＋１）の利得領域内の利得、
即ち１／２、２／３、３／４、．．．、Ｎ／（Ｎ＋１）
を可能とする分圧器が得られる。別のタイプのスイッチ
トキャパシタアレイは電圧倍増器であり、それは入力供
給電圧よりも大きな出力供給電圧を供給する。ステップ
アップ即ちブースト利得（利得≧１）は、一般的に、充
電サイクル期間中にＮ個のコンデンサを電池と並列の形
態とさせ且つ放電サイクル期間中に負荷コンデンサを横
断して直列の形態とさせることによって達成される。上
述した分圧器と同様に、このような当該技術分野におい
て公知の電圧倍増器はＮの利得領域の利得、即ち２、
３、．．．、Ｎの整数利得に制限されている。
【０００５】非整数利得を与えることの可能な電圧倍増
器も前掲のＳｕｚｕｋｉ ｅｔ ａｌ．の特許に開示さ
れており、それを引用によって本明細書に取込む。Ｓｕ
ｚｕｋｉ特許における電圧倍増器はＮ個の補助コンデン
サと１個の主コンデンサとを使用している。充電サイク
ル期間中にＮ個の補助コンデンサと１個の主コンデンサ
とを充電するために、Ｎ個の補助コンデンサは互いに直
列の形態とされ且つ主コンデンサ及び電池と並列の形態
とされる。放電サイクル期間中に、Ｎ個の補助コンデン
サは互いに並列の形態とされ且つ主コンデンサと直列の
形態とされて負荷コンデンサ内へ放電する。その結果、
（Ｎ＋１）／Ｎの利得領域内の利得、即ち２、３／２、
４／３、．．．、（Ｎ＋１）／Ｎの利得とすることを可
能とする電圧倍増器が得られる。
【０００６】非整数分圧又は倍増が可能であるが、上述
したスイッチトキャパシタアレイはバックアンドブース
ト即ち逆及びブーストの両方の変換を与えることが不可
能なものであり、バックアンドブースト変換は電源にお
ける柔軟性及び性能を増加させるために望ましいもので
ある。例えば、異なる出力電圧又はより広い範囲の動作
入力電圧が所望される場合がある。このような場合に、
バック利得即ち逆利得のみの変換器は入力電圧が所望の
出力電圧よりも低い場合に必要な電力を供給することは
不可能であり、且つブースト利得のみの変換器の効率は
入力電圧が所望の出力電圧よりも大きい場合には減少さ
れる。
【０００７】Ｓｕｚｕｋｉ特許においては、別個の非整
数分圧器回路と別個の非整数電圧倍増器回路とがブース
トアンドバックの両方の変換を与えるためにＤＣ−ＤＣ
コンバータにおいて使用されており、各回路は互いに独
立的に動作する。然しながら、別々のブーストアンドバ
ックアレイを必要とすることは必然的にＤＣ−ＤＣコン
バータの寸法を増加させる。別のタイプのバックアンド
ブースト変換器が発明者Ｆｅｔｔｅ ｅｔ ａｌ．の
「動的に形態特定可能なスイッチトキャパシタ電源及び
方法（Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂ
ｌｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｐｏｗ
ｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ）」という
名称の米国特許第５，４１４，６１４号において開示さ
れており、それを引用によって本明細書に取込む。Ｓｕ
ｚｕｋｉ特許の場合と対比して、Ｆｅｔｔｅ特許におけ
るスイッチトキャパシタアレイは、各々、整数分割又は
整数倍増のいずれかを与えることが可能なものであり、
各アレイは非整数バック又はブースト変換のために一体
的に動作する。然しながら、Ｓｕｚｕｋｉ特許の場合と
同じく、Ｆｅｔｔｅ特許はこのような変換器を充電する
ために２つの別個のスイッチトキャパシタアレイを必要
とする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠
点を解消し、バックアンドブーストの両方の変換を行う
ための形態とさせることの可能なスイッチトキャパシタ
アレイを提供することを目的とする。本発明の更に別の
目的とするところは、より小型で複雑性がより少ない電
圧変換器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、ＤＣ−ＤＣ電
圧変換装置及び方法を提供しており、それは単一のスイ
ッチトキャパシタアレイを使用してバックアンドブース
ト即ち逆利得と増大利得の両方の変換を行うことを可能
としている。単一のスイッチトキャパシタアレイにおい
てバックアンドブーストの両方を与えるために種々の組
合わせのコンデンサの形態とさせることを可能とするよ
うな態様でスイッチとコンデンサとが接続される。本ス
イッチトキャパシタアレイは複数個の利得ブロックから
構成されており、各利得ブロックは１個のコンデンサと
複数個のスイッチとを有している。幾つかの実施例にお
いては、各利得ブロックは同一であり、従って利得範囲
を増加させたモジュール型スイッチトキャパシタアレイ
を形成するために任意の数のブロックを「積層」即ち互
いに接続させることが可能である。その他の実施例にお
いては、中間利得ブロックのみが同一であり、そのこと
はモジュール特性を減少させる。然しながら、これらの
実施例の場合には、スイッチの数も減少され、それによ
りアレイの寸法及びコストが減少される。
【００１０】本発明の幾つかの実施例はバックアンドブ
ーストの両方の変換を与える単一のスイッチトキャパシ
タアレイを提供しており、それは、又、共用即ち共通の
休止状態に対する形態を特定することが可能である。共
用休止状態は２つの利得領域の間で利得設定を直接的に
スイッチさせることを可能とする。何故ならば、両方の
利得領域がその利得がどの領域にあるかということとは
無関係に共通の状態を共用するからである。その結果、
正しい電荷が常に所望の利得で転送される。共用休止状
態がない場合には、スイッチトキャパシタアレイは、最
初に、両方の利得領域に共通の利得へスイッチし、次い
で、新たな領域における所望の利得へスイッチすること
が必要である。従って、共用休止状態がある場合には、
アレイの変換効率が改善される。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明によれば、単一のスイッチ
トキャパシタアレイを使用してバックアンドブースト即
ち逆利得とブースト利得の両方の電圧変換を可能とする
装置及び方法が提供される。所望のコンデンサを入力電
圧供給源又は出力端と直列又は並列に配置させることが
可能であるようにコンデンサとスイッチとが所定の形態
とされる。その他の実施例においては、スイッチトキャ
パシタアレイが共用休止状態を有しており、即ちコンデ
ンサはバックアンドブーストの両方の変換に対して共通
の変換状態を共用する。その結果、コンデンサを異なる
利得に対して形態を再特定する場合に、常に、所望の利
得における正しい量の電荷転送を与える。更に、本アレ
イのモジュール型側面は可能な利得範囲を増加させるた
めに付加的なコンデンサ及びスイッチを容易に付加させ
ることを可能としている。
【００１２】図１は本発明に基づくスイッチトキャパシ
タアレイ１０の１実施例を示している。アレイ１０はＮ
個の利得ブロック１５から構成されており、各利得ブロ
ック１５は１個のコンデンサと５個のスイッチとを有し
ている。従って、アレイ１０は全部でＮ個のコンデンサ
Ｃ1、Ｃ2、．．．、ＣNとＮ組の５個のスイッチＳＷ1、
ＳＷ2、．．．、ＳＷ5を使用している。以下の実施例は
Ｎ個のコンデンサの各々が等しいか又はほぼ等しい（即
ち、１桁の大きさの範囲内において）の容量を有する場
合について説明する。然しながら、容量は必ずしも等し
いものである必要はない。各利得ブロック１５はコンデ
ンサＣを有しており、その一方のプレートは第一スイッ
チＳＷ1によって入力電圧Ｖiへ接続しており且つ第二ス
イッチＳＷ2によって出力端Ｖoへ接続しており、且つ他
方のプレートは第三スイッチＳＷ 3によってＶiへ接続し
ており且つ第四スイッチＳＷ4によってＶoへ接続されて
おり、且つ第五スイッチＳＷ5によって次の利得ブロッ
クへ接続している。最後の利得ブロックの第五スイッチ
は接地へ接続している。
【００１３】注意すべきことであるが、各利得ブロック
１５は１つ置きの利得ブロックと同一であり、従ってア
レイ１０は共通の入力端Ｖiと出力端Ｖoとを有するモジ
ュール型である。このモジュール型の場合には、所望数
の利得ブロックを接続させることによって任意の寸法の
スイッチトキャパシタアレイを容易に形成することが可
能である。アレイ１０のスイッチ及びコンデンサのコン
フィギュレーション即ち形態は、入力電圧Ｖiのバック
アンドブースト即ち逆利得とブースト利得の両方の変換
を可能としている。何故ならば、直列及び並列の両方の
コンデンサ接続を形成させることが可能だからである。
直列形態と並列形態とを交互に形成するためにスイッチ
を選択的に開成及び閉成させることによって、スイッチ
トキャパシタアレイ１０はＮ／（Ｎ＋１）、１、（Ｎ＋
１）／Ｎの利得領域内の利得を与えることが可能であ
る。例えば、Ｎ＝３コンデンサアレイの場合には、可能
な利得は以下の表１に示してある。
【００１４】表 １利得領域 利得（Ｎ＝３の場合） Ｎ／（Ｎ＋１） １／２、２／３、３／４ １ １ （Ｎ＋１）／Ｎ ２、３／２、４／３ ３コンデンサアレイ２０を図２に示してあり、それはＮ
＝３の場合の図１のアレイ１０である。アレイ２０は３
個のコンデンサＣ1、Ｃ2、Ｃ3及び１５個のスイッチＳ
Ｗ1乃至ＳＷ15を有しており、３個の利得ブロックを形
成している。Ｎ／（Ｎ＋１）の利得領域における利得の
場合（即ち、１／２、２／３、３／４）、Ｋ個のコンデ
ンサ（尚、Ｋ＝１乃至Ｎ）が第一フェーズ期間中にＶi
からＶoへ並列に接続され、次いで第二フェーズ期間中
においてＶoから接地へ直列接続され、又は、別法とし
て、Ｋ個のコンデンサは第一フェーズ期間中にＶiから
接地へ直列接続され、且つ第二フェーズ期間中において
ＶiからＶoへ並列接続される。１の利得の場合には、Ｋ
個のコンデンサは第一フェーズにおいてＶiからＶoへ並
列接続され、且つ第二フェーズにおいてＶoからＶiへ並
列接続される。（Ｎ＋１）／Ｎの利得領域における利得
の場合には（即ち、２、３／２、４／３）、Ｋ個のコン
デンサは第一フェーズにおいてＶiから接地へ直列接続
され且つ第二フェーズ期間中においてはＶoからＶiへ並
列接続される。
【００１５】例えば、３／２の利得を得るために（利得
領域（Ｎ＋１）／Ｎにおいて）、スイッチＳＷ6、ＳＷ
10、ＳＷ15が最初に閉成され、その結果図２Ａにおける
直列接続が形成される。第一フェーズ期間中において、
コンデンサＣ2及びＣ3は入力電圧Ｖiによって充電さ
れ、従って夫々、各コンデンサＣ2及びＣ3を横断しての
電圧ＶC2及びＶC3は（１／２）Ｖiに等しく、即ち、 ＶC2＝ＶC3＝（１／２）Ｖi （１） 次のフェーズ期間中において、スイッチＳＷ7、ＳＷ8、
ＳＷ12、ＳＷ13が閉成され、それによってコンデンサＣ
2及びＣ3を並列に接続させ且つ図２Ｂにおける回路が形
成される。対応する電圧表現は次式によって与えられ
る。
【００１６】 Ｖo−Ｖi＝ＶC2＝ＶC3 （２） 式（１）と（２）とを結合すると、次式が得られる。
【００１７】Ｖo＝Ｖi＋（１／２）Ｖi＝（３／２）Ｖi 従って、所望の利得３／２が得られる。
【００１８】逆利得、即ち２／３（利得領域Ｎ／（Ｎ＋
１）において）を得るためには、同一のコンデンサＣ2
及びＣ3を最初にスイッチＳＷ6、ＳＷ9、ＳＷ11、ＳＷ
14を閉成させることによって図２Ｃに示した回路を形成
させ、並列に充電させる。コンデンサＣ2及びＣ3を横断
しての電圧は次式によって与えられる。
【００１９】 ＶC2＝ＶC3＝Ｖi−Ｖo （３） 次いで、スイッチＳＷ7、ＳＷ10、ＳＷ15を閉成させて
図２Ｄに示した直列回路を形成させることによってコン
デンサＣ2及びＣ3を放電させる。従って、コンデンサＣ
2及びＣ3を横断しての電圧は以下の通りである。
【００２０】 ＶC2＝ＶC3＝（１／２）Ｖo （４） 式（３）と（４）とを結合させると次式が得られる。
【００２１】 Ｖi−Ｖo＝（１／２）Ｖo → Ｖo＝（２／３）Ｖi 従って、２／３の利得が得られる。選択したスイッチを
開成及び閉成させることによって、図２の３コンデンサ
アレイによってその他の利得１／２、３／４、１、４／
３、２を得ることも可能である。従って、図２の３コン
デンサアレイ２０、及び、一般的に、図１のＮコンデン
サアレイ１０は、バックアンドブースト即ち逆利及びブ
ースト利得の両方の変換に対する形態とさせることが可
能である。図３は本発明の別の実施例を示しており、そ
の場合に、以下に説明するスイッチトキャパシタアレイ
３０は共用即ち共通の休止状態を有するような形態とさ
せることが可能であり、そのことは効率を改善し且つリ
ップルを減少させる。スイッチトキャパシタアレイにお
いて、第一フェーズ期間中にコンデンサが所望の利得設
定へ共通の形態とされ、且つ第二フェーズ期間中に放電
状態へ復帰される。放電状態はバックアンドブーストの
夫々の変換に対して異なるものである。その結果、逆利
得とブースト利得との間又はブースト利得と逆利得との
間、即ち異なる利得領域における利得の間における遷移
の場合に電荷は不所望の利得で転送される場合がある。
共用休止状態は電荷が常に所望の利得で転送されるコン
デンサの共通形態とすることを可能とする。共用休止段
を有することのない場合の欠点を１つの例として図２の
３コンデンサスイッチトアレイ２０を使用して例示する
ことが可能である。図４Ａ−４Ｄは４／３（利得領域
（Ｎ＋１）／Ｎ）から３／４（利得領域Ｎ／（Ｎ＋
１））へ利得を変化させる場合のコンデンサ形態を示し
ている。図４Ａ及び４Ｂは４／３の利得を得るためのコ
ンデンサ形態を示している。図４Ａに示した第一フェー
ズ期間中において、３個のコンデンサの各々を横断して
の電圧は次式によって与えられる。
【００２２】 ＶC1＝ＶC2＝ＶC3＝（１／３）Ｖi （５） 次のフェーズ、即ち図４Ｂに示した放電状態期間中にお
いて、電圧は次式によって与えられる。
【００２３】 Ｖo−Ｖi＝ＶC1＝ＶC2＝ＶC3 （６） 式（５）と（６）とを結合させると次式が得られる。
【００２４】Ｖo＝Ｖi＋（１／３）Ｖi＝（４／３）Ｖi
尚、これは４／３の利得に対するものである。
【００２５】次に、図４Ｂにおける４／３の利得から３
／４の利得へスイッチするためには、コンデンサを図４
Ｃ又は４Ｄに従った形態とさせることが可能である。い
ずれの形態においても、各コンデンサＣ1、Ｃ2、Ｃ3上
の電荷（利得を変化させる前）は式（５）によって与え
られるようにほぼ（１／３）Ｖiである。アレイが図４
Ｃに従う形態である場合には、各コンデンサを横断して
の電圧は次式の如くとなる。
【００２６】 ＶC1＝ＶC2＝ＶC3＝（１／３）Ｖo （７） 式（７）と（５）とを結合させると、ＶoがほぼＶiに等
しく、ほぼ１の利得を与えることが示され、それは所望
の３／４の利得よりも一層大きい。その結果、出力は所
望のものよりも一層大きく且つ効率が減少する。
【００２７】アレイが図４Ｄに従う形態とされる場合に
は、電圧は次式で表わすようになる。
【００２８】 Ｖi−Ｖo＝ＶC1＝ＶC2＝ＶC3 （８） 従って、式（８）と（５）とを結合した結果は以下の通
りである。
【００２９】Ｖi−Ｖo＝（１／３）Ｖi → Ｖo＝（２
／３）Ｖi尚、これは利得２／３の場合であり、この場
合には、所望の利得３／４よりも一層低い。従って、実
際の出力は所望のものよりも一層低く且つ効率が減少さ
れる。
【００３０】異なる利得領域における利得と利得との間
でのスイッチングの場合に所望の利得においての電荷転
送を確保し、且つ、それによって所望の利得を確保する
ために、２つの利得領域の間でスイッチングする場合に
コンデンサ電圧は不変のままに留まるべきである。この
ことは、アレイが所望の利得の形態とされる前にコンデ
ンサアレイを最初に両方の利得領域に共通の利得の形態
とさせることにより達成可能であり、即ち、所望の利得
においての電荷転送の前にコンデンサを異なる中間電圧
へ充電させることによって達成することが可能である。
【００３１】例えば、図２のアレイ２０において、１の
利得はＮ／（Ｎ＋１）と（Ｎ＋１）／Ｎの両方の利得領
域に対して共通である。Ｎ／（Ｎ＋１）と１の利得に対
して、共通フェーズはＫ個のコンデンサがＶiからＶoへ
並列に接続されている場合であり、且つ（Ｎ＋１）／Ｎ
と１の利得の場合には、共通フェーズはＫ個のコンデン
サがＶoからＶiへ並列接続されている場合である。従っ
て、別の利得領域に対する所望の利得へスイッチングす
る前に最初にコンデンサを１の利得、即ちＮ／（Ｎ＋
１）と（Ｎ＋１）／Ｎとの間又はその逆、に充電するこ
とによって、電荷は所望の利得で転送される。然しなが
ら、コンデンサを異なる電圧へ充電させることによっ
て、効率が減少される。何故ならば、所望の利得を得る
ためにより多くの形態の再特定が必要となるからであ
る。
【００３２】図３のスイッチトキャパシタアレイ３０は
Ｎ個の利得ブロック３５から構成されており、各利得ブ
ロック３５は１個のコンデンサと７個のスイッチとを有
している。従って、アレイ３０は全部でＮ個のコンデン
サＣ1、Ｃ2、．．．、ＣN及びＮ組の７個のスイッチＳ
Ｗ1、ＳＷ2、．．．、ＳＷ7を使用しており、Ｎ個のコ
ンデンサの各々は等しい容量を有しているが、それは必
ずしも必要なことではない。各利得ブロック３５はコン
デンサＣを有しており、その一方のプレートは第一スイ
ッチＳＷ1によって入力電圧Ｖiへ接続されており、第二
スイッチＳＷ2によって前の利得ブロックへ接続されて
おり、第三スイッチＳＷ3によって接地へ接続されてお
り、第四スイッチＳＷ4によって出力端Ｖoへ接続されて
おり、且つその他方のプレートは第五スイッチＳＷ5に
よってＶiへ接続されており、第六スイッチＳＷ6によっ
て接地へ接続されており、且つ第七スイッチＳＷ7によ
ってＶoへ接続されている。
【００３３】注意すべきことであるが、アレイ１０の利
得ブロック１５と同様に、各利得ブロック３５は１つ置
きの利得ブロックと同一であり、従ってアレイ３０は共
通の入力端Ｖiと出力端Ｖoとを有するモジュール型であ
る。同様に、所望数の利得ブロックを接続させることに
よって任意の寸法のスイッチトキャパシタアレイを容易
に形成することが可能である。アレイ３０のスイッチ及
びコンデンサの形態は、バックアンドブースト即ち逆利
得とブースト利得の両方の変換を可能とすると共に、利
得領域間での共通の休止状態を有することを可能として
いる。スイッチトキャパシタアレイ３０は１／（Ｎ＋
１）、１／Ｎ、Ｎ／（Ｎ＋１）、１、（Ｎ＋１）／Ｎ、
Ｎ、（Ｎ＋１）の利得領域内の利得を与えることが可能
である。例えば、Ｎ＝３コンデンサアレイの場合には、
可能な利得を以下の表２に与えてある。
【００３４】表 ２利得領域 利得（Ｎ＝３の場合） １／（Ｎ＋１） １／２、１／３、１／４ １／Ｎ １、１／２、１／３ Ｎ／（Ｎ＋１） １／２、２／３、３／４ １ １ （Ｎ＋１）／Ｎ ２、３／２、４／３ Ｎ １、２、３ （Ｎ＋１） ２、３、４ ３コンデンサアレイ５０を図５に示してある。アレイ５
０は３個のコンデンサＣ1、Ｃ2、Ｃ3及び２１個のスイ
ッチＳＷ1乃至ＳＷ21を有しており、図３のアレイ３０
に従う３個の利得ブロックを形成している。アレイ１０
及び２０の利得領域及び形態に加えて、アレイ３０及び
５０は利得領域１／（Ｎ＋１）、１／Ｎ、Ｎ、（Ｎ＋
１）における利得に対する形態とさせることも可能であ
る。
【００３５】１／（Ｎ＋１）の利得領域内の利得の場合
（即ち、１／２、１／３、１／４）、Ｋ個のコンデンサ
（尚、Ｋ＝１乃至３）は第一フェーズ期間中にＶoから
接地へ並列接続され、且つ第二フェーズ期間中にＶiか
らＶoへ直列接続される。１／Ｎの利得領域内の利得の
場合（即ち、１、２／１、１／３）、Ｋ個のコンデンサ
は第一フェーズ期間中にＶinから接地へ並列接続され且
つ第二フェーズ期間中にＶoから接地へ直列接続され
る。注意すべきことであるが、利得１／Ｎにおける利得
に対するコンフィギュレーション即ち形態は、特にＫが
より大きなものとなる場合に、領域１／（Ｎ＋１）にお
ける利得を近似するために使用することが可能である。
Ｎの利得領域内の利得の場合（即ち、１、２、３）、Ｋ
個のコンデンサは第一フェーズ期間中にＶiから接地へ
並列接続され且つ第二フェーズ期間中にＶoから接地へ
直列接続される。最後に、Ｎ＋１の利得領域に利得の場
合（即ち、２、３、４）、Ｋ個のコンデンサは第一フェ
ーズ期間中にＶiから接地へ並列接続され且つ第二フェ
ーズ期間中にＶoからＶiへ直列接続される。
【００３６】更なる利得領域に加えて、図３のスイッチ
トキャパシタアレイ３０は利得領域Ｎ／（Ｎ＋１）、
１、（Ｎ＋１）／Ｎの間の共用休止状態に対する形態と
することも可能である。これら３つの利得領域に対する
共通の即ち共用休止状態は、Ｎ個のコンデンサの全てを
ＶoからＶiへ並列接続させることによって得られる。従
って、アレイ３０は所望のものよりも一層高いか又は低
い利得における電荷転送なしで、又付加的なコンデンサ
の形態再特定をする必要性なしに、領域Ｎ／（Ｎ＋
１）、１、（Ｎ＋１）／Ｎの間でアレイ３０は所望の利
得を変更させることを可能とする。
【００３７】図５Ａ−５Ｄは図５のアレイ５０で共用休
止状態を使用して４／３から３／４へ利得を変化させる
コンデンサの形態を示している。図５Ａ及び５Ｂに夫々
示した４／３の利得に対する第一及び第二フェーズは図
４Ａ及び４Ｂのものと同一のものである。図５Ａの充電
状態は、スイッチＳＷ1、ＳＷ9、ＳＷ16、ＳＷ20を閉成
させることによって得られ、一方電荷が転送される場合
の図５Ｂの放電状態は、スイッチＳＷ4、ＳＷ5、Ｓ
Ｗ11、ＳＷ12、ＳＷ18、ＳＷ19を閉成することによって
得られる。
【００３８】然しながら、３／４の利得への遷移に対す
る電荷状態は、図４Ｄに示した状態と異なる共用休止状
態に起因して異なっている。従って、図５Ｃに示したよ
うに３／４の利得に対する電荷状態はスイッチＳＷ3、
ＳＷ9、ＳＷ16、ＳＷ21を閉成することによって得られ
る。その結果得られる電圧は次式で表わされる。
【００３９】 ＶC1＝ＶC2＝ＶC3＝−（１／３）Ｖo （９） 次いで、スイッチトキャパシタアレイは、再度、スイッ
チＳＷ4、ＳＷ5、ＳＷ 11、ＳＷ12、ＳＷ18、ＳＷ19を閉
成することによって図５Ｄに示した共用休止状態へ復帰
される。この状態は図５Ｂの回路に対するものと同一で
あり、且つ図４Ｂのものと同一であるので、電圧関係は
以下に示したように同一である。
【００４０】 Ｖo−Ｖi＝ＶC1＝ＶC2＝ＶC3 （６） 式（９）と（６）とを結合させると次式が、得られる。
【００４１】 Ｖo−Ｖi＝−（１／３）Ｖo → Ｖo＝（３／４）Ｖi これによって３／４の所望の利得が得られる。
【００４２】図５Ｂ及び５Ｄに示した状態は利得に拘ら
ずに同一であるので、適切な電荷は常に所望の利得で転
送される。この共用休止状態において、全てのコンデン
サはＶiからＶoへ並列接続されており、且つ、異なる利
得が所望される場合には、共用休止状態にあるコンデン
サがその電荷状態に対する適切な直列形態に形態が再特
定される。上述した３／４及び４／３の利得に加えて、
共用休止状態と共に２／３、３／２、１／２、２、１の
利得も図５のアレイ５０を使用することによって可能で
あり、それに対応するコンデンサ形態を図６Ａ−６Ｅに
示してある。以下の表３は所望の利得を得るために閉成
されるべき適宜のスイッチを示している。
【００４３】 表 ３ 利得 閉成されたスイッチ １／２ ＳＷ4、ＳＷ10、ＳＷ14、ＳＷ18 ２／３ ＳＷ4、ＳＷ5、ＳＷ10、ＳＷ16、ＳＷ21 ３／４ ＳＷ3、ＳＷ9、ＳＷ16、ＳＷ21 １ ＳＷ4、ＳＷ5、ＳＷ11、ＳＷ12、ＳＷ15、ＳＷ21 ４／３ ＳＷ1、ＳＷ9、ＳＷ16、ＳＷ20 ３／２ ＳＷ1、ＳＷ9、ＳＷ13、ＳＷ18、ＳＷ19 ２ ＳＷ4、ＳＷ5、ＳＷ8、ＳＷ13、ＳＷ15、ＳＷ20 従って、一般的に、図３のＮキャパシタアレイ３０の場
合に、所望の利得とは独立的に、全てのＮ個のコンデン
サを出力端から入力端へ並列に接続させた場合に共用休
止状態が得られる。当該技術分野において公知のスイッ
チ制御回路は適宜の信号を送ってスイッチを開成及び閉
成させる。２相非重畳型クロック信号を使用して該制御
回路をクロック動作させる場合に、スイッチトキャパシ
タアレイはこの共用休止状態と充電状態との間で交互動
作を行う。所望の利得設定を与えるために所望のコンデ
ンサが直列接続された場合に電荷（充電）状態が得られ
る。１より小さいか又はそれに等しい利得設定の場合
に、電荷（充電）状態及び共用休止状態の両方の期間中
に出力端への電荷転送が発生し、且つ１より大きい利得
設定の場合には、コンデンサが共用休止状態へ復帰され
る場合に電荷転送が発生する。従って、図３のスイッチ
トキャパシタアレイ３０は、共用休止状態及びモジュー
ル型ブロックと共に、不所望の利得においての電荷転送
を発生させることなしに、増加した効率で逆利得及びブ
ースト利得の両方の変換に対する簡単な回路を提供して
いる。
【００４４】本発明の別の実施例を図７に示しており、
それは共用休止状態を具備するスイッチトキャパシタア
レイにおけるスイッチの数を最小とさせている。Ｎキャ
パシタスイッチトアレイ７０は第一利得ブロック７１
と、Ｎ−２個の中間利得ブロック７２と、終端利得ブロ
ック７３とを有している。第一利得ブロック７１は１個
のコンデンサと４個のスイッチを有しており、中間利得
ブロック７２の各々は１個のコンデンサと５個のスイッ
チとを有しており、且つ終端利得ブロック７３は１個の
コンデンサと６個のスイッチとを有している。従って、
利得ブロックの数が増加すると、利得ブロック当たり７
個のスイッチを有する図３のスイッチトキャパシタアレ
イの場合と比較して、スイッチの数における減少が増加
する。然しながら、より少ないスイッチの場合には、コ
ンデンサアレイ７０は図３のアレイ７０と同数の利得の
形態とさせることは不可能である。アレイ３０が領域１
／（Ｎ＋１）、１／Ｎ、Ｎ／（Ｎ＋１）、１、（Ｎ＋
１）／Ｎ、Ｎ、Ｎ＋１における利得の形態とさせること
が可能であるが、アレイ７０は領域Ｎ／（Ｎ＋１）、
１、（Ｎ＋１）／Ｎにおける利得の形態とすることが可
能であるに過ぎない。
【００４５】アレイ７０においては、第一利得ブロック
７１はコンデンサＣを有しており、その一方のプレート
はスイッチＳＷ1によって入力電圧Ｖiへ接続されてお
り、スイッチＳＷ2によって出力端Ｖoへ接続されてお
り、且つスイッチＳＷ3によって接地へ接続されてお
り、且つその他方のプレートはスイッチＳＷ4によって
Ｖiへ接続されている。中間利得ブロック７２の各々は
コンデンサＣを有しており、その一方のプレートはスイ
ッチＳＷ5によって先行するブロックへ接続されてお
り、スイッチＳＷ6によって接地へ接続されており、ス
イッチＳＷ7によってＶoへ接続されており、且つその他
方のプレートはスイッチＳＷ8によってＶiへ接続されて
おり且つスイッチＳＷ9によって接地へ接続されてい
る。終端利得ブロック７３はコンデンサＣを有してお
り、その一方のプレートはスイッチＳＷ10によってＶi
へ接続されており、スイッチＳＷ11によって出力端Ｖo
へ接続されており、且つスイッチＳＷ12によって最後の
中間利得ブロックへ接続されており、且つその他方のプ
レートはスイッチＳＷ13によってＶiへ接続されてお
り、スイッチＳＷ14によってＶoへ接続されており、且
つスイッチＳＷ15によって接地へ接続されている。
【００４６】図３のキャパシタアレイ３０の場合におけ
るように、アレイ７０に対する共用休止状態は、全ての
コンデンサを出力端から入力端へ並列接続させることに
よって得られる。従って、共用休止状態形態の場合に
は、スイッチＳＷ2、ＳＷ4、ＳＷ7、ＳＷ8、ＳＷ11、Ｓ
Ｗ13が閉成される。異なる利得が所望される場合には、
共用休止状態におけるコンデンサがその電荷状態に対す
る適宜の直列形態に再特定される。例えば、図７のアレ
イ７０が３キャパシタアレイ（Ｎ＝３）である場合に
は、表４に示した適宜のスイッチを閉じることによって
１／２、２／３、３／４、１、４／３、３／２、２の利
得が可能である。
【００４７】 表 ４ 利得 閉成されるスイッチ １／２ ＳＷ2、ＳＷ6、ＳＷ11、ＳＷ12 ２／３ ＳＷ2、ＳＷ4、ＳＷ6、ＳＷ12、ＳＷ14 ３／４ ＳＷ3、ＳＷ5、ＳＷ12、ＳＷ14 １ ＳＷ2、ＳＷ4、ＳＷ7、ＳＷ8、ＳＷ10、ＳＷ14 ４／３ ＳＷ1、ＳＷ5、ＳＷ12、ＳＷ15 ３／２ ＳＷ1、ＳＷ5、ＳＷ9、ＳＷ11、ＳＷ13 ２ ＳＷ2、ＳＷ4、ＳＷ5、ＳＷ9、ＳＷ10、ＳＷ15 スイッチトキャパシタアレイ７０は領域Ｎ／（Ｎ＋
１）、１、（Ｎ＋１）／Ｎにおける利得のみが所望され
る場合には、スイッチの数を減少させるためにスイッチ
トキャパシタアレイ３０の代わりに使用することが可能
である。
【００４８】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施例に基づくＮキャパシタスイ
ッチトアレイを示した概略図。
【図２】 Ｎ＝３に対する図１のアレイの概略図。
【図２ａ】 （Ａ）及び（Ｂ）は３／２の利得を得るた
めの図２のアレイの形態を示しており、且つ（Ｃ）及び
（Ｄ）は２／３の利得を得るための図２のアレイの形態
を示している。
【図３】 本発明の別の実施例に基づいて共用休止状態
を具備するＮキャパシタスイッチトアレイの概略図。
【図４】 （Ａ）−（Ｄ）は４／３乃至３／４の利得か
らスイッチングするためのコンデンサ形態を示した各概
略図。
【図５】 Ｎ＝３の場合の図３のアレイの概略図。
【図５ａ】 （Ａ）−（Ｄ）は図５のアレイに基づいて
４／３乃至３／４の利得からスイッチングするコンデン
サ形態を示している各概略図。
【図６】 （Ａ）−（Ｅ）は夫々２／３、３／２、１／
２、２、１の利得設定に対するコンデンサ形態を示した
各概略図。
【図７】 本発明の別の実施例に基づくＮキャパシタス
イッチトアレイを示した概略図。
【符号の説明】
１０ スイッチトキャパシタアレイ １５ 利得ブロック Ｃ コンデンサ ＳＷ スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェフ コトウィスキー アメリカ合衆国， カリフォルニア 95959， ネバダ シティー， シャンノ ン ウエイ 15461 (72)発明者 ウイリアム ジェイ． マクインタイアー アメリカ合衆国， カリフォルニア 95692， ウィートランド， ブロック ドライブ 108

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 バックアンドブースト変換を与えるスイ
    ッチトキャパシタアレイにおいて、Ｎ個のコンデンサ
    と、前記Ｎ個のコンデンサのうちの選択したものをバッ
    クアンドブーストの両方の変換を与えるための形態とさ
    せることを可能とすべく接続されている複数個のスイッ
    チとを有することを特徴とするアレイ。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記Ｎ個のコンデン
    サ及び前記複数個のスイッチがＮ個の利得ブロックを形
    成しており、前記Ｎ個の利得ブロックの各々が前記Ｎ個
    のコンデンサのうちの１つを有していることを特徴とす
    るアレイ。
  3. 【請求項３】 請求項２において、前記Ｎ個の利得ブロ
    ックの各々が同一であることを特徴とするアレイ。
  4. 【請求項４】 請求項３において、前記Ｎ個のコンデン
    サ及び前記複数個のスイッチが利得領域Ｎ／（Ｎ＋
    １）、１、（Ｎ＋１）／Ｎにおける利得を可能とすべく
    接続されていることを特徴とするアレイ。
  5. 【請求項５】 請求項３において、前記Ｎ個の利得ブロ
    ックの各々が、 コンデンサの第一プレートを入力端へ接続する第一スイ
    ッチ、 前記第一プレートを出力端へ接続する第二スイッチ、 前記コンデンサの第二プレートを前記入力端へ接続する
    第三スイッチ、 前記第二プレートを前記出力端へ接続する第四スイッ
    チ、 前記第二プレートを次の利得ブロックへ接続する第五ス
    イッチ、 を有しており、最後の利得ブロックの前記第五スイッチ
    が前記最後の利得ブロックの前記コンデンサの前記第二
    プレートを基準電圧へ接続させることを特徴とするアレ
    イ。
  6. 【請求項６】 請求項１において、前記Ｎ個のコンデン
    サ及び前記複数個のスイッチが利得領域の間で共用休止
    状態を可能とすべく接続されていることを特徴とするア
    レイ。
  7. 【請求項７】 請求項６において、前記Ｎ個のコンデン
    サ及び前記複数個のスイッチがＮ個の利得ブロックを形
    成しており、前記Ｎ個の利得ブロックの各々が前記Ｎ個
    のコンデンサのうちの１つを有していることを特徴とす
    るアレイ。
  8. 【請求項８】 請求項７において、前記Ｎ個の利得ブロ
    ックの各々が同一であることを特徴とするアレイ。
  9. 【請求項９】 請求項７において、前記Ｎ個のコンデン
    サ及び前記複数個のスイッチが利得領域１／（Ｎ＋
    １）、１／Ｎ、Ｎ／（Ｎ＋１）、１、（Ｎ＋１）／Ｎ、
    Ｎ、（Ｎ＋１）における利得を可能とすべく接続されて
    いることを特徴とするアレイ。
  10. 【請求項１０】 請求項６において、前記Ｎ個のコンデ
    ンサが前記共用休止状態を形成するために出力端から入
    力端へ並列に接続されていることを特徴とするアレイ。
  11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記共用休止状
    態が利得領域Ｎ／（Ｎ＋１）、１、（Ｎ＋１）／Ｎにお
    ける利得に対するものであることを特徴とするアレイ。
  12. 【請求項１２】 請求項８において、前記Ｎ個の利得ブ
    ロックの各々が、 コンデンサの第一プレートを入力端へ接続する第一スイ
    ッチ、 前記第一プレートを前の利得ブロックへ接続する第二ス
    イッチ、 前記第一プレートを接地へ接続する第三スイッチ、 前記第一プレートを出力端へ接続する第四スイッチ、 前記コンデンサの第二プレートを前記入力端へ接続する
    第五スイッチ、 前記第二プレートを接地へ接続する第六スイッチ、 前記第二プレートを前記出力端へ接続する第七スイッ
    チ、を有していることを特徴とするアレイ。
  13. 【請求項１３】 請求項１１において、前記Ｎ個のコン
    デンサ及び前記複数個のスイッチが１個の第一利得ブロ
    ックと、Ｎ−２個の中間利得ブロックと、１個の終端利
    得ブロックとを形成しており、各利得ブロックが前記Ｎ
    個のコンデンサのうちの１つを有していることを特徴と
    するアレイ。
  14. 【請求項１４】 請求項１３において、前記Ｎ−２個の
    中間利得ブロックの各々が同一であることを特徴とする
    アレイ。
  15. 【請求項１５】 請求項１３において、前記第一利得ブ
    ロックが、 第一コンデンサの第一プレートを入力端へ接続する第一
    スイッチ、 前記第一コンデンサの前記第一プレートを出力端へ接続
    する第二スイッチ、 前記第一コンデンサの前記第一プレートを接地へ接続す
    る第三スイッチ、 前記第一コンデンサの第二プレートを前記入力端へ接続
    する第四スイッチ、を有しており、前記中間利得ブロッ
    クの各々が、 中間コンデンサの第一プレートを前の利得ブロックへ接
    続する第五スイッチ、 前記中間コンデンサの前記第一プレートを接地へ接続す
    る第六スイッチ、 前記中間コンデンサの前記第一プレートを前記出力端へ
    接続する第七スイッチ、 前記中間コンデンサの第二プレートを前記入力端へ接続
    する第八スイッチ、 前記中間コンデンサの前記第二プレートを接地へ接続す
    る第九スイッチ、を有しており、前記終端利得ブロック
    が、 終端コンデンサの第一プレートを前記入力端へ接続する
    第十スイッチ、 前記終端コンデンサの前記第一プレートを前記出力端へ
    接続する第十一スイッチ、 前記終端コンデンサの前記第一プレートを前記中間利得
    ブロックの最後のものへ接続する第十二スイッチ、 前記終端コンデンサの第二プレートを前記入力端へ接続
    する第十三スイッチ、 前記終端コンデンサの前記第二プレートを前記出力端へ
    接続する第十四スイッチ、 前記終端コンデンサの前記第二プレートを接地へ接続す
    る第十五スイッチ、を有していることを特徴とするアレ
    イ。
  16. 【請求項１６】 請求項１において、前記Ｎ個のコンデ
    ンサの各々が同一の容量であることを特徴とするアレ
    イ。
  17. 【請求項１７】 Ｎ個のコンデンサと複数個のスイッチ
    からなるアレイを使用してバックアンドブースト変換を
    与える方法において、 前記Ｎ個のコンデンサのうちの第一複数個のコンデンサ
    を所定の形態とさせて前記複数個のコンデンサを充電
    し、 前記Ｎ個のコンデンサのうちの前記第一複数個のコンデ
    ンサを所定の形態とさせて前記第一複数個のコンデンサ
    を放電させて第一利得領域において第一利得を与え、 前記Ｎ個のコンデンサのうちの第二複数個のコンデンサ
    を所定の形態とさせて前記第二複数個のコンデンサを充
    電し、 前記Ｎ個のコンデンサのうちの前記第二複数個のコンデ
    ンサを所定の形態とさせて前記第二複数個のコンデンサ
    を放電させて第二利得領域における第二利得を与え、尚
    前記第一及び第二利得領域が異なるものであることを特
    徴とする方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１７において、前記第一利得が
    ブースト変換用のものであり且つ前記第二利得がバック
    変換用のものであることを特徴とする方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１７において、更に、前記第二
    利得に対する前記形態の前に、第三複数個のコンデンサ
    を所定の形態とさせて第三利得を与え、前記第三利得が
    前記第一及び第二利得領域と共通であることを特徴とす
    る方法。
  20. 【請求項２０】 Ｎ個のコンデンサと複数個のスイッチ
    とからなるアレイを使用してバックアンドブースト変換
    を与える方法において、 前記Ｎ個のコンデンサのうちの第一複数個のコンデンサ
    を所定の形態とさせて第一利得領域における第一利得を
    与え、 前記Ｎ個のコンデンサを所定の形態とさせて共用休止状
    態を形成し、 前記Ｎ個のコンデンサのうちの第二複数個のコンデンサ
    を所定の形態とさせて第二利得領域における第二利得を
    与え、尚前記第一及び第二利得領域が異なるものである
    ことを特徴とする方法。
  21. 【請求項２１】 請求項２０において、前記第一利得が
    ブースト変換用のものであり且つ前記第二利得がバック
    変換用のものであることを特徴とする方法。
  22. 【請求項２２】 請求項２０において、前記Ｎ個のコン
    デンサを所定の形態とさせて共用休止状態を形成する場
    合に、前記Ｎ個のコンデンサを出力端から入力端へ並列
    接続させることを包含していることを特徴とする方法。
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