近年的便携电话、PDA(Personal Digital Assistance)等信息终端具有例 如用于液晶的背光的发光二极管(Light Emitting Diode，以下称作LED)。在 这些信息终端中，多使用锂离子电池，其输出电压通常为3.5V左右，在充满 电时也是4.2V左右。另一方面，由于LED的驱动所需的电压为4V以上，因 此必需根据需要来使用开关调整器(switching regulator)等电源装置将电池 电压升压，并提供给LED。
这里，在将如专利文献1中记载的可切换升压率的电荷泵电路用作驱动 LED的电源装置的情况下，在电池电压足够高的情况下，将升压率设定为1 倍，通过随着电池电压的降低而提高升压率，可以稳定地驱动LED。

这里，在将升压率设定为高于1倍、进行升压动作的情况下，为了控制 电荷泵电路的电容器的充放电，需要以1MHz左右的频率使开关晶体管导通/ 截止，电荷泵电路的控制电路内置有用于该作用的振荡器。但是，在将电荷 泵电路的升压率设定为1倍、不进行升压动作的情况下，将电荷泵电路的输 入输出端子旁路即可，不必使开关晶体管导通/截止，因此使1MHz的振荡器 动作则白白地消耗功率。
本发明鉴于这样的课题而完成，其目的在于提供一种降低消耗电流并改 善了效率的电荷泵电路的驱动电路。
本发明的一种方式涉及电荷泵电路的驱动电路。该驱动电路是可切换多 个升压率的电荷泵电路的驱动电路，该驱动电路包括：控制单元，控制电荷 泵电路；第一振荡器，输出第一周期信号；以及第二振荡器，输出其频率被 设定为低于第一周期信号的用于测定时间的第二周期信号。控制单元，在电 荷泵电路的升压率大于1倍时，仅将第一振荡器接通，并基于第一周期信号 进行电荷泵电路的升压动作的控制以及时间测定，另一方面在电荷泵电路的 升压率为1倍时，仅将第二振荡器接通，并基于第二周期信号进行时间测定。
即，在电荷泵电路的驱动电路中设置振荡频率不同的两个振荡器，在不 需要电荷泵电路的开关动作的升压率为1倍时，将第一振荡器关闭，仅使被 设置用于测定时间的频率低的第二振荡器接通。频率越低则振荡器的消耗电 流越小，因此根据该方式，可以降低升压率为1倍时的消耗电流，可以实现 高效率。
在为了切换电荷泵电路的升压率而要监视的电压在规定时间以上满足了 规定的条件时，控制单元切换电荷泵电路的升压率。控制单元也可以基于第 一或第二周期信号，进行此时的时间测定。
在升压率高于1倍时，利用电荷泵电路的开关元件的导通/截止所使用的 频率高的第一周期信号，进行用于切换升压率的时间测定，在升压率为1倍 时，利用频率低的第二周期信号进行用于切换升压率的时间测定，从而可以 使电路高效率。
第二周期信号的频率也可以在控制单元中被设定为高于为了计量规定的 时间所需的最低频率。
第二周期信号根据在控制单元中要测定的时间的长度，设为该时间测定 所最低限度需要的频率，从而可以降低第二振荡器的消耗电流，并改善升压 率1倍时的效率。
第二周期信号的频率也可以被设定为小于等于第一周期信号的频率的 1/10。通过将要由第二频率信号测定的时间的长度设定为比用于使电荷泵电 路的开关元件导通/截止的第一周期信号的周期时间短一位以上，可以将第二 振荡器的频率设定为小于等于第一振荡器的频率的1/10，并可以降低升压率 为1倍时的消耗电流。
本发明的其它方式是电源装置。该电源装置包括可切换多个升压率的电 荷泵电路和驱动所述电荷泵电路的上述驱动电路。
在驱动电路中设置第一、第二振荡器，在不需要使电荷泵进行开关动作 的升压率1倍时，仅使频率低的第二振荡器接通，从而可以实现电源装置的 高效率。
另外，在以上的构成部件的任意组合或本发明的构成元件或表现在方法、 装置、系统等之间互相置换的结果作为本发明的方式也有效。
根据本发明的电荷泵电路的驱动电路，可以降低升压率为1倍时的消耗 电流并实现高效率化。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的驱动电路以及发光装置整体的图。
图2是表示图1的电荷泵电路的结构的电路图。
图3是表示图1的恒流电路以及监视电路的结构的电路图。
图4是表示作为第一晶体管的FET的电流电压特性的图。
图5是表示电荷泵电路的输入电压和效率的关系的图。
符号说明
10电荷泵电路，20驱动电路，22恒流电路，24控制单元，26第一振 荡器，28第二振荡器，30监视电路，40第一运算放大器，52电压源，100 电源装置，102输入端子，104输出端子，106LED端子，300发光二极管， 1000发光装置，M1第一晶体管，R1第一电阻，M2第二晶体管，R2第二 电阻。

图1表示本发明的实施方式的发光装置1000。该发光装置1000包含作 为发光元件的发光二极管300、用于驱动该发光二极管300的电源装置100。 发光装置1000被搭载在由电池500驱动的信息终端中，电源装置100将从电 池500输出的电池电压Vbat升压后生成用于驱动发光二极管所需的电压。发 光装置1000例如搭载于便携电话终端或PDA等电子设备中。
作为输入输出端子，电源装置100包含输入电池电压Vbat的输入端子 102、与发光二极管300的阳极端子连接并输出将电池电压Vbat升压了的输 出电压Vout的输出端子104、与发光二极管300的阴极端子连接的LED端子 106。
电源装置100包含电荷泵电路10及其驱动电路20。电荷泵电路10中将 从输入端子102输入的电池电压Vbat升压，并从输出端子104生成输出电压 Vout。该电荷泵电路10被构成为可切换多个升压率。在本实施方式中，升压 率以1倍、1.5倍、2倍的三组被切换。
图2是表示电荷泵电路10的结构的电路图。电荷泵电路10包含第一电 容器C1、第二电容器C2、以及用于控制这些电容器的连接状态的第一开关 SW1至第九开关SW9。以下，在不需要特别区别这些开关时将它们总称为开 关SW。第一电容器C1以及第二电容器C2被设定为电容值相等，外置于集 成电路的外部。
第一开关SW1至第九开关SW9可以由N型或P型的场效应晶体管FET 构成，并可以通过对栅极端子施加的电压来控制漏极-源极间的导通状态， 从而被作为开关元件动作。在该电荷泵电路10中，第一开关SW1至第九开 关SW9的导通/截止的状态由从驱动电路20输出的控制信号Vcnt切换。另 外，控制信号Vcnt在图2中未图示，但设为分别被输入第一开关SW1至第 九开关SW9。
电荷泵电路10被如上述那样构成为切换多个升压率。这里，说明与电荷 泵电路10的升压率对应的动作。
在升压率被设定为1倍时，通过从驱动电路20输出的驱动信号Vcnt，第 一开关SW1、第三开关SW3、第七开关SW7、第八开关SW8被稳定地导通， 其它开关都被截止。其结果，输入端子102和输出端子104通过导通的开关 而成为导通状态，因此对输入端子102施加的电池电压Vbat从输出端子104 被输出，升压率被设定为1倍。
从而，在升压率被设定为1倍时从驱动电路20输出的驱动信号Vcnt不 是时间性地重复导通/截止的开关信号而是一定电压。
接着，说明升压率被设定为1.5倍时的动作。在升压率大于1时，即进 行升压动作的情况下，电荷泵电路10重复开关SW的连接状态不同的第一期 间、第二期间。
在第一期间中，使第一开关SW1、第五开关SW5、第六开关SW6导通， 并使其它的开关都截止，从而串联连接第一电容器C1以及第二电容器C2， 以电池电压Vbat充电。由于第一电容器C1以及第二电容器C2的电容值相 等，因此两个电容器分别由电池电压Vbat的1/2的Vbat/2充电。
在第二期间中，使第二开关SW2和第七开关SW7、第四开关SW4和第 八开关SW8导通，并使其它的开关都截止。此时，在输入端子102和输出端 子104之间并联连接第一电容器C1、第二电容器C2。其结果，从输出端子 104输出对输入端子102施加的电池电压Vbat和电容器的充电电压之和。在 第一期间中，由于第一电容器C1、第二电容器C2由电压Vbat/2充电，因此 其结果，从输出端子104输出Vbat+Vbat/2＝1.5×Vbat的电压。
这样，电荷泵电路10通过重复第一期间和第二期间而使电池电压Vbat 成为1.5倍后输出。
接着，说明升压率倍设定为2倍时的动作。
在第一期间中，使第一开关SW1和第九开关SW9、第三开关SW3和第 六开关SW6导通，并使其它的开关都截止。第一电容器C1以及第二电容器 C2被并联连接在输入端子102和接地端子GND之间，分别由电池电压Vbat 充电。
在第二期间中，使第二开关SW2和第七开关SW7、第四开关SW4和第 八开关SW8导通，并使其它的开关都截止。其结果，在输入端子102和输出 端子104之间并联连接第一电容器C1、第二电容器C2。从输出端子104输 出对输入端子102施加的电池电压Vbat和电容器的充电电压的和。在第一期 间中，由于第一电容器C1、第二电容器C2分别由电池电压Vbat充电，因此 从输出端子104输出Vbat+Vbat＝2×Vbat的电压。
这样，电荷泵电路10通过重复第一期间和第二期间而使电池电压Vbat 成为2倍后输出。
返回图1。驱动电路20设定电荷泵电路10的升压率，控制升压动作、 即电荷泵电路10的开关SW的连接状态。该驱动电路20包含恒流电路22、 控制单元24、第一振荡器26、第二振荡器28、监视电路30。
恒流电路22经由LED端子106与发光二极管300的阴极端子连接。发 光二极管300的发光亮度由发光二极管300中流过的电流Iled决定，恒流电 路22控制电流Iled，以使发光二极管300的发光亮度成为希望的值。
监视电路30监视恒流电路22的两端的电压，作为为了切换电荷泵电路 10的升压率而要监视的电压。监视电路30将恒流电路22的两端的电压和规 定的电压进行比较，并对控制单元24输出比较结果。在本实施方式中，恒流 电路22的两端的电压相当于接地端子和LED端子106间的电压。后面详细 叙述，控制单元24基于来自监视电路30的输出，切换电荷泵电路10的升压 率。
图3是表示恒流电路22以及监视电路30的结构的电路图。
恒流电路22包含第一晶体管M1、第一电阻R1、第一运算放大器40。 第一晶体管M1是N型的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。第一晶体管M1以及第一电阻R1被串联设置在恒流流过的路径 上。对第一运算放大器40的反转输入端子连接第一晶体管M1和第一电阻 R1的连接点，并反馈输入电压Vr1。此外，对非反转输入端子施加用于指示 发光二极管300的发光亮度的亮度控制电压Ve。此外，第一运算放大器40 的输出端子连接到作为第一晶体管M1的控制端子的栅极端子。
对第一运算放大器40的反转输入端子反馈对第一电阻R1施加的电压 Vr1，由于施加反馈以使反转输入端子和非反转输入端子的电压相等，因此对 第一电阻R1施加的电压接近于亮度控制电压Ve。
对第一电阻R1施加的电压Vr1与亮度控制电压Ve相等时，第一电阻R1 中流过电流I＝Ve/R1。该电流I必然是经由第一晶体管M1以及LED端子106 从发光二极管300流出的电流Iled。
这样，恒流电路22生成基于亮度控制电压Ve的恒流Iled＝Ve/R1，控制 流过发光二极管300的电流Iled。
这里，为了该恒流电路22稳定地生成电流，需要使第一晶体管M1在恒 流区域工作。恒流区域在晶体管为场效应晶体管FET时表示饱和区域，在双 极晶体管时表示有源区域。
LED端子106的电压Vled降低时，第一晶体管M1两端间的电位差、即 漏极-源极间电压减小，成为在非饱和区域动作。在非饱和区域中，漏极- 源极间流过的电流依赖于漏极-源极间电压，因此恒流电路22作为恒流电路 动作，不能使发光二极管300的发光亮度稳定。
因此，如图3所示，监视电路30进行监视，以使LED端子106的电压 Vled不低于规定的阈值电压Vth。该阈值电压Vth在第一晶体管M1于恒流 区域(饱和区域)中动作的范围中被设定。
该监视电路30包含电压比较器50和输出阈值电压Vth的电压源52。对 电压比较器50输入LED端子106的电压Vled和阈值电压Vth，Vled＞Vth时 输出高电平，Vled＜Vth时输出低电平。该电压比较器50的输出Vs被输入控 制单元24。
从监视电路30输出的电压Vs为低电平的状态、即Vled＜vth的状态持续 规定时间时，控制单元24使电荷泵电路10的升压率上升1级。即，升压率 在1倍动作时，从监视电路30输出的电压Vs为低电平，将升压率设定为1.5 倍。同样，在1.5倍动作时，从监视电路30输出的电压Vs为低电平，将升 压率设定为2倍。
其结果，电池电压Vbat由于电池500的放电而降低，伴随于此，即使在 发光二极管300的阴极端子的电压Vled降低的情况下，也可以适当地切换升 压率。升压率被设定得高时，从输出端子104输出的输出电压Vout上升，因 此可以使LED端子106的电压Vled比阈值电压Vth高，并可以使恒流电路 22稳定地动作。
从电压源52输出的阈值电压Vth被设定为恒流电路22可稳定地动作的 电压、即第一晶体管M1在恒流区域(饱和区域)动作的范围。例如，该阈 值电压Vth被设定为0.3V。
这里，构成恒流电路22的第一晶体管M1、第一电阻R1、第一运算放大 器40的元件特性、电路特性由于半导体制造工艺的偏差或温度而变动。图4 是表示作为第一晶体管M1的FET的电流电压特性(IV特性)的图，纵轴表 示漏极-源极电流Ids，横轴表示漏极-源极电压Vds。
图中，在平均的电流电压特性IVm1中，在漏极-源极电压高于电压Vx1 时为饱和区域，低于电压Vx1时为非饱和区域。这时，假设由于半导体制造 工艺的偏差或温度变化，电流电压特性IV变化为电流电压特性IVm2时，伴 随于此，饱和区域和非饱和区域的临界(boundary)电压也移动到Vx2。
恒流电路22的两端电压成为第一电阻R1中的压降Vr1和第一晶体管 M1的漏极-源极间电压之和。从而，随着第一晶体管M1的电流电压特性的 变动，为了使恒流电路22稳定地动作所需的电压也变化。同样，该电压也由 于第一电阻R1的电阻值的偏差而变化。
第一晶体管M1的电流电压特性IVm由于半导体制造工艺的偏差或温度 变化而在图4的IVm1和IVm2之间变动时，用于使恒流电路22稳定地动作 的电压在Vth1＝Ic×R1+Vx1到Vth2＝Ic×R1+Vx2的范围内变动。
将监视电路30的电压源52生成的阈值电压Vth设为一定值的情况下， 为了在第一晶体管M1的电流电压特性变动的所有范围中使恒流电路22稳定 地动作，考虑余量(margin)而需要将阈值电压Vth设定为Vth1＝Ic×R1+ Vx1。
这里，讨论电荷泵电路10的效率。图5是表示电荷泵电路10的输入电 压的电池电压Vbat和效率η的关系的图。
这里，考虑将由电压源52生成的阈值电压Vth固定为电压Vth1的情况。 在升压率为1倍时，电池电压Vbat和LED端子106的电压Vled的关系使用 发光二极管300的正向电压Vf表示为Vbat＝Vled+Vf。当前，随着电池电压 Vbat的降低，成为Vbat＜Vbat1(＝Vth1+Vf)时，LED端子106的电压Vled 成为＜Vth1，因此升压率从1倍向1.5倍切换。
这样，将与之电压Vth固定为电压Vth1时，如果第一晶体管M1的特性 偏差，用于使恒流电路22稳定动作的电压低于阈值电压Vth1的情况下，在 Vbat＜Vbat1的状态下升压率被切换为1.5倍，在效率的方面存在改善的余地。
因此为了改善电荷泵电路10的效率，本实施方式的监视电路30的电压 源52被构成为跟随第一晶体管M1以及第一电阻R1的特性变动的阈值电压 Vth。
返回图3。电压源52包含第二晶体管M2、第二电阻R2、电流源54。
第二晶体管M2、第二电阻R2、电流源54被串连连接，第二晶体管M2 以及第二电阻R2中流过由电流源54生成的恒压Ic。
该电压源52将第二晶体管M2和电流源54的连接点的电压作为阈值电 压Vth输出。第二晶体管M2的漏极-源极间电压Vds2由恒流Ic决定，第 二电阻R2中出现的电压Vr2由Vr2＝Ic×R2提供。其结果，阈值电压Vth 可以表示为Vth＝Ic×R2+Vds2。
这样，电压源52中用于生成阈值电压Vth的主要部分的结构与恒流电路 22大致相同。在半导体集成电路上，优选第一电阻R1和第二电阻R2互相接 近，成对(pairing)形成。同样，最好第一晶体管M1和第二晶体管M2也互 相接近形成，并构成对。
这样，使恒流电路22和电压源52的主要的结构相同，通过成对形成构 成电路的电阻、晶体管，可以使对应的元件特性的变动量大致相等。
其结果，在第一晶体管M1的电流电压特性变动，饱和区域和非饱和区 域的临界电压Vx变动的情况下，第二晶体管M2的饱和区域和非饱和区域的 临界电压Vx也变动，因此可以使阈值电压Vth跟随第一晶体管M1的特性变 动而变化。
同样，如果形成为在第一电阻R1的电阻值由于半导体制造工艺的偏差或 温度变化而变动的情况下，第二电阻R2的电阻值也同样变动，则阈值电压 Vth也跟随第二电阻R2的特性变动。
通过如上地构成监视电路30，为了使恒流电路22稳定地动作所需的电 压由于工艺偏差或温度变化引起的元件特性的变动而变动的情况下，也根据 该变动而生成阈值电压Vth，因此在控制单元24中可以进行最佳的升压率的 设定。
其结果，如图5所示，表示可以在Vbat1至Vbat2的范围内适当地设定 切换升压率的电压，因此可以改善电荷泵电路10的效率。同样，从1.5倍到 2倍的升压率的切换也在最佳的电压下进行，因此可以改善效率。
返回图1。控制单元24设定电荷泵电路10的升压率，并生成与设定的 升压率对应的控制信号Vcnt。该控制单元24对监视电路30的输出信号Vs 进行监视，输出信号Vs成为低电压的状态持续规定的时间时，使升压率上升。 在本实施方式中，监视电路30的输出信号在2ms期间成为低电压时，控制单 元24使电荷泵电路10的升压率上升一级。
控制单元24生成控制信号Vcnt，为了进行时间的计量所需的周期信号从 第一振荡器26、第二振荡器28被输出。第一振荡器26以及第二振荡器28 分别具有未图示的使能(enable)端子，构成为可以停止动作。
控制单元24通过电荷泵电路10进行升压动作，即将升压率设为1.5倍 或2倍时的控制信号Vcnt成为使第一开关SW1至第九开关SW9导通/截止 的开关信号。第一振荡器26生成具有该开关信号所需的频率的第一周期信号 Vosc1。例如，该第一周期信号Vosc1的频率被设定为1MHz。
此外，控制单元24生成第二周期信号Vosc2，该信号具有在对监视电路 30的输出信号Vs进行监视时为了计量时间2ms所需的频率。2ms左右的时 间可以通过数十kHz左右的频率来测定，因此在本实施方式中，该第二周期 信号Vosc2的频率被设定为64kHz。
驱动电路20根据电荷泵电路10的升压率切换使用第一振荡器26以及第 二振荡器28的其中一个。因此，控制单元24根据电荷泵电路10的升压率， 对第一振荡器26、第二振荡器28的使能端子输出用于控制导通/截止的使能 信号。
以下，说明在驱动电路20中切换电荷泵电路10的升压率时的动作。
在从电池500输出的电池电压Vbat足够高时，升压率被设定为1倍。这 时，电池电压Vbat由于功率消耗而降低时，LED端子106的电压Vled也降 低。在监视电路30中，将从电压源52输出的阈值电压Vth和LED端子106 的电压Vled进行比较，Vled＜Vth时输出低电平作为输出信号Vs。
电荷泵电路10的升压率被设定为1倍时，在电荷泵电路10中，使第一 开关SW1、第三开关SW3、第七开关SW7、第八开关SW8稳定地导通即可， 因此不需要频率1MHz的第一周期信号Vosc1。因此，在升压率为1倍时， 控制单元24将第一振荡器26关闭，并仅使第二振荡器28动作，利用第二周 期信号Vosc2进行时间测定。
在监视电路30的输出信号成为低电平达2ms时，控制单元24将升压率 切换为1.5倍。在升压率高于1倍时，如上所述，需要生成反复导通/截止的 开关信号作为要对电荷泵电路10输出的控制信号Vcnt。此时，由于控制单元 24需要第一周期信号Vosc，因此使第一振荡器26接通。在升压率为1.5倍时， 控制单元24使用第一周期信号Vosc1进行用于监视电路30的输出信号Vs 的状态监视的时间测定。此时，由于不需要第二周期信号Vosc2，因此控制单 元24将第二振荡器28关闭。
进而，电池电压Vbat降低，升压率倍设定为2倍时，控制单元24仅将 第一振荡器26接通，基于第一周期信号Vosc1，进行控制信号Vcnt的生成以 及2ms的时间测定。
振荡器的消耗电流依赖于频率，频率越高则消耗电流越增加。即，第一 振荡器26的消耗电流比第二振荡器28的消耗电流大。因此，根据本实施方 式的驱动电路20，在进行升压动作的情况下，进行用于设定升压率的时间测 定。另一方面，在升压率为1倍时，不必生成频率高的信号来作为控制信号 Vcnt，因此可以通过切换为消耗电流小的第二振荡器28来降低电路的消耗电 流，并实现高效率化。
以上，说明了本实施方式的电源装置100的结构以及动作。
根据本实施方式的电源装置100，在电荷泵电路的驱动电路中，在除了 用于控制电荷泵动作的控制信号的生成之外，还需要进行时间测定的情况下， 设置以不同的频率振荡的两个振荡器。在升压率为1倍时，通过消耗电流大 的频率高的振荡器关闭，并使用时间测定所需的频率低的振荡器，从而可以 降低1倍模式时的消耗电流，并可以改善负载电路中流过的输出电流小的轻 负载时的功率变换效率。
上述实施方式为例示，这些各构成元件或各处理过程的组合可以有各种 变形例，而且这样的变形例也属于本发明的范围，这是本领域技术人员应当 理解的。
在本实施方式中，说明了分别构成第一振荡器26、第二振荡器28的情 况，但也可以作为频率可切换为第一周期信号、第二周期信号的两种的一个 振荡器而一体地构成。在该情况下，通过根据电荷泵电路10的升压率来切换 振荡器的频率，可以得到于实施方式中说明的情况同样的效果。进而，通过 将两个振荡器一体构成，可以削减电路面积。
本发明可以广泛地应用于可切换升压率的电荷泵电路10的驱动电路。
例如，在本实施方式中，关于通过电源装置100作为负载电路来驱动发 光二极管300的情况说明了电荷泵电路10，但不限定于此，也可以应用于驱 动其它的负载电路的电源装置。此时，负载电路不一定需要如发光二极管300 这样被恒流驱动。
升压率的设定也可以基于作为电荷泵电路10的输入电压的电池电压 Vbat或电荷泵电路10的输出电压Vout来进行。此时，监视电路30监视电池 电压Vbat或输出电压Vout，作为为了切换电荷泵电路10的升压率而要监视 的电压，在电池电压Vbat或者输出电压Vout低于规定电压达规定时间时， 控制单元24切换电荷泵电路10的升压率。
在本实施方式中，使用的晶体管采用了FET，但也可以使用双极晶体管 等其它类型的晶体管，它们的选择由电源装置所要求的设计规格、使用的半 导体制造工艺等来决定即可。
在本实施方式中，构成电源装置的元件可以都被一体集成，也可以其一 部分由分立部件构成。根据成本或占有面积等决定应将哪一部分集成即可。
产业上的可利用性
根据本发明的电荷泵电路的驱动电路，可以降低升压率为1倍时的消耗 电流并实现高效率化。
专利文献1：特开平6-78527号公报