DD252929A1

DD252929A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR BATTERY BUFFERING OF SEMICONDUCTOR MEMORY

Info

Publication number: DD252929A1
Application number: DD29450386A
Authority: DD
Inventors: Bernhard Beckmann; Ernst Korner; Guenther Scheufele
Original assignee: Berlin Treptow Veb K
Priority date: 1986-09-18
Filing date: 1986-09-18
Publication date: 1987-12-30

Abstract

Anwendbar in eletronischen Einrichtungen mit fluechtigen Halbleiterspeichern, die zum Datenerhalt bei Versorgungsspannungsausfall mit Hilfe von Primaerelementen gepuffert und im Schlafzustand gehalten werden, soll die Erfindung einerseits eine auswertbare Erfassung einer Batterieerschoepfung ermoeglichen und andererseits eine weitere Reservepufferung ueber einen zusaetzlichen Zeitraum gewaehrleisten. Erreicht wird dies, indem parallel zur Pufferbatterie und ihrer ueblichen Entkopplungsdiode eine Reservebatterie gleichfalls mit Entkopplungsdiode angeordnet ist, die aber infolge einer eingefuegten Zusatzdiode oder einer geringen Batteriespannung erst mit dem Reservebetrieb beginnt, wenn die Spannung der Pufferbatterie bei Erschoepfung absinkt. Die Spannungsabsenkung der Pufferbatterie beim Uebergang der Versorgung zur Reservebatterie wird als Ansprechgroesse fuer die Batterieerschoepfung ausgewertet. Fig. 1Applicable in electronic devices with volatile semiconductor memories which are buffered for data retention in the event of supply voltage failure by means of primary elements and kept in sleep state, the invention is intended on the one hand to enable evaluable detection of battery degradation and, on the other hand, to ensure further reserve buffering over an additional period of time. This is achieved by a backup battery is also arranged with decoupling diode parallel to the backup battery and its usual decoupling diode, but only begins with the backup operation due to an inserted additional diode or a low battery voltage when the voltage of the backup battery drops when exhausted. The voltage drop of the backup battery at the transition of the supply to the backup battery is evaluated as Ansprechgröße for the battery recoupling. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Anwendung der Erfindung erstreckt sich auf elektronische Datenverarbeitungsei η richtungen, auf speicherprogrammierbare Steuerungen oder ähnliche Einrichtungen, in denen statische Schreib/Lese-Speicher, insbesondere in CMOS-Technik, eingesetzt werden, deren gespeicherte Daten bei einem Ausfall der Versorgungsspannung nicht verfälscht werden dürfen.The application of the invention extends to electronic Datenverarbeitsei η directions, to programmable logic controllers or similar devices in which static read / write memory, in particular in CMOS technology, are used, the stored data must not be corrupted in case of failure of the supply voltage.

Characteristic of the known state of the art

Es ist bekannt, in statischen Schreib/Lese-Speichern, nachfolgend vereinfachend Halbleiterspeicher genannt, die gespeicherten Daten bei einem Ausfall der Versorgungsspannung zu erhalten, indem die Versorgung der Halbleiterspeicher von einer Pufferbatterie übernommen wird, während die übrigen elektronischen Baustufen im spannungsiosen Zustand verbleiben. Die Batteriespannung wird hierbei derart gewählt, daß eine minimale Schlafspannung an den Speichern nicht unterschritten wird. Im sogenannten Schlafzustand wird der Datenerhalt bei reduziertem Betriebsstrom garantiert, falls die kritischen Steuersignale der Speicher bei Ausfall der normalen Versorgungsspannung inaktiv bleiben.It is known in static read / write memories, hereinafter referred to simply as semiconductor memory, to obtain the stored data in the event of a power supply failure by taking over the supply of the semiconductor memories from a backup battery, while the remaining electronic stages remain in a voltage-free state. The battery voltage is chosen such that a minimum sleep voltage is not undershot at the memories. In the so-called sleep state, data retention is guaranteed at reduced operating current if the critical control signals of the memory remain inactive in the event of a failure of the normal supply voltage.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anordnungen, in denen die Pufferbatterien aus Primärelementen bestehen, speziell in der Ausführung als Silberoxidzellen, und über eine Entkopplungsdiode an den Versorgungsspannungsanschluß des Halbleiterspeichers angeschlossen sind. Um Datenverluste und daraus entstehende Ausfallzeiten der Anlage zu verhindern, ist es erforderlich, rechtzeitig zu erkennen, wann die Pufferbatterien gewechselt werden müssen.The present invention relates to arrangements in which the buffer batteries consist of primary elements, especially in the form of silver oxide cells, and are connected via a decoupling diode to the supply voltage terminal of the semiconductor memory. In order to prevent data loss and resulting downtime of the system, it is necessary to recognize in good time, when the backup batteries must be changed.

Es sind Schaltungsanordnungen zur Batterieüberwachung bekannt, die auf der Messung des Spannungsabfalls der Batterien basieren, der mitzunehmender Entladung immer größer wird. Beispielsweise ist in der DE-AS 2630033 eine Anordnung zum Feststellen des Entladezustandes einer elektrischen Batterie angegeben. Hierbei wird jedesmal, wenn eine betriebsmäßige Batteriebelastung stattgefunden hat, die Batteriespannung gemessen. Aus dem Absinken der Batteriespannung wird auf den Entladezustand der Batterie gefolgert.Battery monitoring circuits are known which are based on the measurement of the voltage drop of the batteries, which increases with increasing discharge. For example, in DE-AS 2630033 an arrangement for determining the discharge state of an electric battery is specified. In this case, the battery voltage is measured each time an operational battery load has taken place. From the decrease of the battery voltage, the discharge state of the battery is inferred.

Bei modernen Silberoxid-Primärelementen bleibt jedoch die abgegebene Spannung während der gesamten Entladung praktisch konstant. Erst wenn die Batterie erschöpft ist, fällt die abgegebene Spannung schlagartig ab. Wird eine Überwachungsschaltung der oben genannten Art auf diesen Batterietyp angewendet, erhält man zwar eine Aussage, ob die Batterie noch in Ordnung ist, jedoch ist es nicht möglich, eine Information über einen bevorstehenden Ausfall der Batterie so rechtzeitig zu erhalten, daß noch genügend Zeit verbleibt, die Pufferbatterie ohne einen Verlust von Speicherdaten zu wechseln. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die eigentliche Versorgungsspannung der Anlage aus dem Netz gewonnen wird, weil dann, der Energiebedarf für die Batterieüberwachung nicht aus der Pufferbatterie selbst entnommen wird und somit deren Erschöpfung erst festgestellt werden kann, wenn die Netzspannung wieder zugeschaltet worden ist.In modern silver oxide primary elements, however, the delivered voltage remains virtually constant throughout the discharge. Only when the battery is exhausted, the delivered voltage drops abruptly. If a monitoring circuit of the above type is applied to this type of battery, although one obtains a statement as to whether the battery is still in order, it is not possible to obtain information about an imminent failure of the battery in sufficient time to allow sufficient time to change the backup battery without a loss of memory data. This is especially true when the actual supply voltage of the system is obtained from the network, because then, the energy needs for the battery monitoring is not removed from the backup battery itself and thus their exhaustion can be determined only when the mains voltage has been switched on again.

Object of the invention

Die Erfindung soll die Verfügbarkeit und die Zuverlässigkeit der elektronischen Anlage erhöhen, indem Ausfallzeiten verhindert werden, die sich aus dem Nichterkennen einer unmittelbar bevorstehenden Erschöpfung der Pufferbatterie ergeben.The invention is intended to increase the availability and reliability of the electronic system by preventing downtime resulting from the failure to detect imminent depletion of the backup battery.

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Batteriepufferung von Halbleiterspeichern zu schaffen, mit derfür Pufferbatterien, deren Entladungskennlinie einen langen waagerechten Verlauf und einen abrupten Erschöpfungsabschnitt aufweist, eine deutlich erkennbare Ansprechgröße für den Erschöpfungszeitpunkt so rechtzeitig gewonnen werden kann, daß nach dem Auftreten der Ansprechgroße noch die Fortsetzung einer ausreichend langen, z. B.The invention has for its object to provide a circuit arrangement for battery backup of semiconductor memory, with the backup battery, the discharge characteristic has a long horizontal course and an abrupt fatigue section, a clearly recognizable response to the exhaustion time can be obtained in time so that after the occurrence of the Response size still the continuation of a sufficiently long, z. B.

mehrere Tage andauernden, Batteriepufferung gewährleistet ist.several days, battery backup is guaranteed.

Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung gelöst, bei der in bekannter Weise eine Pufferbatterie in Reihe mit einer Entkopplungsdiode an den Versorgungsspannungsanschluß des Halbleiterspeichers angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist parallel zur Reihenschaltung aus Pufferbatterie und Entkopplungsdiode eine Reihenschaltung aus einer Reservebatterie, einer Zusatzdiode und einer zweiten Entkopplungsdiode angeordnet. Beide Batterien sind gleichsinnig und sämtliche Dioden sind in bezug auf die Batteriespannungen in Durchlaßrichtung gepolt. Der Verbindungspunkt zwischen Pufferbatterie und Entkopplungsdiode ist als Meßpunkt ausgeführt, an dem die Meßspannung zur Batterieüberwachung abgegriffen wird.This object is achieved with an arrangement in which a buffer battery is connected in series with a decoupling diode to the supply voltage terminal of the semiconductor memory in a known manner. According to the invention, a series arrangement of a reserve battery, an additional diode and a second decoupling diode is arranged parallel to the series circuit of buffer battery and decoupling diode. Both batteries are in the same direction and all diodes are poled in the forward direction with respect to the battery voltages. The connection point between the backup battery and the decoupling diode is designed as a measuring point at which the measuring voltage for battery monitoring is tapped.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist in Reihe zur Reservebatterie nur eine einzige Diode angeordnet, deren Flußspannung deutlich größer als die der ersten Entkoppiungsdiode ist.In one embodiment of the invention, only a single diode is arranged in series with the reserve battery whose flux voltage is significantly greater than that of the first decoupling diode.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Zellenzahl der Reservebatterie um eine Zelle kleiner als die der Pufferbatterie. Die Zusatzdiode entfällt dabei.In a further embodiment of the invention, the cell number of the reserve battery is smaller by one cell than that of the backup battery. The additional diode is omitted.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind entweder zur Pufferbatterie oder zur Reservebatterie gleichartige Batterien parallel angeordnet und in bekannter Weise durch Dioden entkoppelt.In a further embodiment of the invention, similar batteries are arranged either parallel to the backup battery or the backup battery and decoupled in a known manner by diodes.

Durch die sich in ihrem Gesamtwert in den beiden Batteriezweigen unterscheidenden Diodenflußspannungen beginnt die Diode im Pufferbatteriezweig zu leiten, wenn die Dioden im Reservebatteriezweig noch sperren. Wenn die Pufferbatterie erschöpft ist, findet am Meßpunkt eine als Ansprechgröße auswertbare Spannungsabsenkung statt, und die dabei in den leitenden Zustand übergehende Zusatzdiode und zweite Entkopplungsdiode ermöglichen die Fortsetzung der Versorgung aus der Reservebatterie.By differing in their total value in the two battery branches Diistorenflußspannungen the diode begins to conduct in the buffer battery branch when the diodes in the reserve battery branch still lock. If the buffer battery is exhausted, takes place at the measuring point evaluable as a response voltage reduction instead, and thereby passing into the conductive state auxiliary diode and second decoupling diode allow the continuation of the supply from the backup battery.

Im Fall der verringerten Zellenzahl der Reservebatterie beginnt aus dieser der Stromfluß, wenn die Spannung aus der Pufferbatterie um einen Wert abgesunken ist, der einer Zellenspannung entspricht.In the case of the reduced cell number of the reserve battery, the current flow starts from this when the voltage from the buffer battery has dropped by a value corresponding to a cell voltage.

embodiment

Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt inThe invention will be explained in more detail in an embodiment. The accompanying drawing shows in

Fig. 1: einen Halbleiterspeicher mit Batteriepufferung in erfindungsgemäßer Ausführung, Fig. 2: eine Entladungskennlinie zur Anordnung in Fig. 1.1 shows a semiconductor memory with battery buffering according to the invention, FIG. 2 shows a discharge characteristic curve for the arrangement in FIG. 1.

In Fig. 1 wird ein Halbleiterspeicher RAM im Arbeitszustand aus einer Versorgungsspannung Ucc betrieben. Diese wird über einen Schalter S zugeführt, der von einem Komparator KO betätigt wird. An den Versorgungsspannungsanschluß V des Halbleiterspeichers RAM ist über eine Entkopplungsdiode D1 eine Pufferbatterie Bp angeschlossen. Zwischen der Pufferbatterie Bp, die im gewählten Beispiel aus drei Einzelzellen besteht, und der Entkopplungsdiode D1 ist ein Meßpunkt M für den Abgriff eine Meßspannung Um vorgesehen. An den Versorgungsspannungsanschluß V ist in Reihe mit einer Zusatzdiode D3 und einer zweiten Entkopplungsdiode D2 eine Reservebatterie Br angeschlossen, die im nichtentladenen Zustand spannungsgleich mit der Pufferbatterie Bp ist. Sämtliche Dioden sind in bezug auf die Polarität der Puffer- bzw. Reservebatterie Bp bzw. Br in Durchflußrichtung gepolt. Die zweiten Anschlüsse der Batterien sind mit Masse verbunden.In Fig. 1, a semiconductor memory RAM is operated in the working state of a supply voltage Ucc. This is supplied via a switch S, which is actuated by a comparator KO. To the supply voltage terminal V of the semiconductor memory RAM, a buffer battery Bp is connected via a decoupling diode D1. Between the buffer battery Bp, which consists of three single cells in the example chosen, and the decoupling diode D1, a measuring point M for tapping a measuring voltage Um is provided. Connected to the supply voltage terminal V in series with an additional diode D3 and a second decoupling diode D2 is a back-up battery Br, which in the non-discharged state is voltage-equal to the back-up battery Bp. All diodes are poled in the direction of flow with respect to the polarity of the backup battery Bp and Br, respectively. The second terminals of the batteries are connected to ground.

Im normalen Betriebszustand liegt die Versorgungsspannung Ucc imgeforderten Toieranzbereich, wobei ihr Nennwert im allgemeinen 5V beträgt. Dabei hält der Komparator KO den Schalter S im geschlossenen Zustand. Gleichzeitig befinden sich die Entkopplungsdioden D1 und D2 im gesperrten Zustand, so daß sowohl die Pufferbatterie Bp als auch die Reservebatterie Br abgeschaltet sind.In the normal operating condition, the supply voltage Ucc is in the required range, its nominal value generally being 5V. The comparator KO holds the switch S in the closed state. At the same time, the decoupling diodes D1 and D2 are in the locked state, so that both the backup battery Bp and the backup battery Br are turned off.

Unterschreitet die Versorgungsspannung Ucc die Ansprechschwelle des Komparators KO, dann öffnet dieser den Schalter S, wodurch die betriebsmäßige Spannungsversorgung für den Halbleiterspeicher RAM unterbrochen wird. Dabei sinkt die Spannung am Versorgungsspannungsanschluß V des Halbleiterspeichers RAM soweit ab, bis die Entkopplungsdiode D1 in Durchlaßrichtung betrieben wird und die Versorgung aus der Pufferbatterie Bp erfolgt. Deren Spannungshöhe ist so bemessen, daß sich dabei der Schlafzustand des Halbleiterspeichers RAM einstellt.If the supply voltage Ucc falls below the threshold of the comparator KO, then this opens the switch S, whereby the operational power supply for the semiconductor memory RAM is interrupted. In this case, the voltage at the supply voltage terminal V of the semiconductor memory RAM drops as far as until the decoupling diode D1 is operated in the forward direction and the supply from the backup battery Bp takes place. Their voltage level is dimensioned so that the sleep state of the semiconductor memory RAM is set.

Für die Entkopplungsdioden D1 und D 2 kann der gleiche Diodentyp verwendet werden, so daß die Flußspannung beider Dioden gleich ist. Dann gewährleistet die Flußspannung der Zusatzdiode D3, die möglichst hoch sein soll, daß die Zusatzdiode D3 und die Entkopplungsdiode D2 solange im gesperrten Zustand bleiben, wie die Spannung der Pufferbatterie Bp so hoch wie die der Reservebatterie Brist. Die Entkopplungsdiode D 2 und die Zusatzdiode D 3 können auch durch eine einzige Diode ersetzt werden, wenn deren Flußspannung deutlich größer als die Flußspannung der Entkopplungsdiode D1 ist.For the decoupling diodes D1 and D2, the same diode type can be used, so that the forward voltage of both diodes is equal. Then ensures the forward voltage of the auxiliary diode D3, which should be as high as possible, that the additional diode D3 and the decoupling diode D2 remain in the locked state as long as the voltage of the backup battery Bp as high as that of the backup battery Brist. The decoupling diode D 2 and the additional diode D 3 can also be replaced by a single diode, if their flux voltage is significantly greater than the forward voltage of the decoupling diode D1.

Zur weiteren Erläuterung wird die Entladekennlinie einer Silberoxidbatterie in Fig. 2 herangezogen. Bei der Entladung tritt über einen langen Zeitraum von beispielsweise einigen hundert Stunden praktisch kein Absinken der Batteriespannung auf. Erst am Ende der Entladung findet ein rapides Absinken der Batteriespannung statt, wobei nach kurzer Zeit, beispielsweise weniger als einer Stunde, die Batterie erschöpft ist. Das Ende einer derartigen Entladekurve ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt.For further explanation, the discharge characteristic of a silver oxide battery in Fig. 2 is used. When discharging occurs over a long period of, for example, a few hundred hours virtually no drop in battery voltage. Only at the end of the discharge, a rapid drop in battery voltage takes place, after a short time, for example less than one hour, the battery is depleted. The end of such a discharge curve is shown in dashed lines in Fig. 2.

Am Ende der Entladung der Pufferbatterie Bp tritt somit am Versorgungsspannungsanschluß V ein Absinken der Spannung auf.At the end of the discharge of the buffer battery Bp thus occurs at the supply voltage terminal V to a drop in voltage.

Erreicht diese Spannungsabsenkung einen Betrag, der der Flußspannung U_D3f der Zusatzdiode D 3 entspricht, dann werden diese und die Entkopplungsdiode D2 leitend. Der Schlafzustand des Halbleiterspeichers RAM wird nun von der Reservebatterie Br aufrechterhalten.If this voltage reduction reaches an amount which corresponds to the forward voltage U _D 3f of the additional diode D 3, then this and the decoupling diode D 2 become conductive. The sleep state of the semiconductor memory RAM is now maintained by the backup battery Br.

Der sich daraus ergebende Spannungsverlauf am Meßpunkt M wird als Meßspannung Um einer nicht dargestellten Auswerteelektronik zugeführt. Diese signalisiert die Spannungsabsenkung, wenn der Erschöpfungszustand der Pufferbatterie Bp erreicht ist. Von diesem Zeitpunkt ab gewährleistet die Reservebatterie Br mit einer um die Flußspannung Uo3f verringerten Spannung über einen langen Zeitraum den Datenerhalt im Schlafzustand.The resulting voltage curve at the measuring point M is supplied as a measuring voltage Um an evaluation, not shown. This signals the voltage drop when the state of exhaustion of the backup battery Bp is reached. From this point on, the backup battery Br ensures data retention in the sleep state over a long period of time by means of a voltage which has been reduced by the forward voltage Uo3f.

In einer nicht dargestellten Schaltungsvariante ist dieReservebatterie Br mit einer um eine Zelle geringeren Zellenanzahl als die der Pufferbatterie Bp ausgeführt. Die Zusatzdiode D3 entfällt dann, während die beiden Entkopplungsdioden D1 und D2 weiterhin vorhanden sind und auch gleiche Flußspannungen haben. Im Erschöpfungsfall der Pufferbatterie Bp sinkt dann die .Meßspannung Um um die Höhe ab, die einer Zellenspannung entspricht.In a circuit variant, not shown, the reserve battery Br is implemented with a cell number lower than that of the backup battery Bp. The additional diode D3 is then omitted, while the two decoupling diodes D1 and D2 are still present and also have the same forward voltages. In the case of exhaustion of the backup battery Bp, the .Meßspannung Um then decreases by the height corresponding to a cell voltage.

In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ergibt sich, wenn die Pufferbatterie Bp und die Reservebatterie Br dieselbe Kapazität besitzen, daß die Pufferzeit gleich der Reservezeit ist. In verschiedenen Anwendungsfällen ist es erforderlich, die Reservezeit oder die Pufferzeit zu erhöhen. Dies kann durch Parallelschalten von weiteren Batterien erfolgen, wobei in bekannter Weise weitere Entkopplungsdioden vorzusehen sind.In the arrangement shown in Fig. 1, it results when the backup battery Bp and the backup battery Br have the same capacity that the buffer time is equal to the backup time. In various applications, it is necessary to increase the reserve time or the buffer time. This can be done by connecting additional batteries in parallel, with further decoupling diodes to be provided in a known manner.

Es ist zweckmäßig, die Überwachung der Batteriespannung nicht kontinuierlich, sondern zu ausgewählten Zeitpunkten vorzunehmen. Wegen der Erholungseigenschaften von Batterien sollte dies im Anschluß an einen Belastungszustand erfolgen, das heißt, immer dann, wenn die Versorgungsspannung Ucc wieder zugeschaltet wird.It is expedient to carry out the monitoring of the battery voltage not continuously, but at selected times. Because of the recovery characteristics of batteries, this should be done subsequent to a load condition, that is, whenever the supply voltage Ucc is reconnected.

Claims

1. Circuit arrangement for battery buffering of semiconductor memories, at the supply voltage terminal a buffer battery is connected in series with a decoupling diode, characterized in that parallel to the series circuit of buffer battery (Bp) and decoupling diode (D 1), the series connection of a backup battery (Br), an additional diode (D3) and a second decoupling diode (D2) is arranged and that both batteries are in the same direction and all diodes with respect to the battery voltages in the forward direction poled, and that the connection point between decoupling diode (D 1) and backup battery (Bp) as a measuring point (M) is executed, on which a measuring voltage (Um) for monitoring the backup battery (Bp) is tapped. '

2. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that instead of the additional diode (D 3) and the second decoupling diode (D 2) in series with the reserve battery (Br) a single diode is arranged and that their Flußspannung significantly larger than the forward voltage of the first Decoupling diode (D 1) is.

3. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the number of cells of the reserve battery (Br) by one cell less than the cell number of the backup battery (Bp) is performed and that the additional diode (D3) is omitted.

4. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that either the backup battery (Bp) or the reserve battery (Br) similar batteries are arranged in parallel and decoupled in a known manner by diodes.