-
Die
Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandlerschaltung mit einer
Spannungswandelungsschaltung, die im aktiven Betrieb die Eingangsspannung
der Gleichspannungswandlerschaltung in eine Ausgangsspannung der
Gleichspannungswandlerschaltung wandeln kann, die sich von der Eingangsspannung
unterscheidet, einer zur Regelung der Ausgangsspannung auf einen
vorherbestimmten Sollwert vorgesehenen Regelungsschaltung, die eine
Referenzspannungserzeugungsschaltung und einen Komparator umfaßt, an dessen
erstem Eingang eine die Ausgangsspannung charakterisierende Spannung
und an dessen zweitem Eingang die von der Referenzspannungserzeugungsschaltung erzeugte
Referenzspannung liegt und der ein Steuersignal zur Aktivierung
bzw. Deaktivierung der Spannungswandelungsschaltung in Abhängigkeit
davon abgibt, ob die Ausgangsspannung den Sollwert unter- bzw. überschreitet.
-
Eine
solche Gleichspannungswandlerschaltung ist im Stand der Technik
bekannt und z. B. in der Beschreibungseinleitung der
US 5 680 300 A beschrieben
(„Regulated
charge pump DC/DC converter").
Die Spannungswandelungsschaltung der beschriebenen Gleichspannungswandlerschaltung
besteht dabei aus einer Ladungspumpschaltung.
-
Ein
Nachteil der eingangs erwähnten
Schaltung besteht darin, daß sie
dann, wenn der Strombedarf am Ausgang der Schaltung relativ klein
oder null ist, z. B. im sogenannten Standby-Betrieb, einen relativ großen Stromverbrauch
aufweist. Das liegt daran, daß die
Regelungsschaltung selbst, d. h. die Referenzspannungserzeugungsschaltung
und der Komparator, weiterhin Strom verbrauchen. Wird eine Bandabstands-Referenz
als Referenzspannungserzeugungsschaltung verwendet, so kann ferner
ein Spannungsteiler vorgesehen sein, der von der Ausgangsspannung
eine Spannung abteilt, die an die Referenzspannung angepaßt ist und
als die die Ausgangsspannung charakterisierende Spannung an den
ersten Eingang des Komparators angelegt wird. Auch der Spannungsteiler
verbraucht während
des Ruhezustands der Gleichspannungswandlerschaltung Strom.
-
Um
den Stromverbrauch derartiger Schaltungen während des Ruhezustands, d.
h. bei nicht vorhandenem oder sehr geringem Stromverbrauch am Ausgang
der Schaltung, zu vermindern, ist von der Fa. Linear Technology
bei dem von ihr entwickelten Gleichspannungswandler LTC1516 eine
Gleichspannungswandlerschaltung vorgeschlagen worden, bei der über ein
von außen
der Schaltung zugeführtes
Signal zwischen einem Ruhestrombetrieb und einem Normalbetrieb umgeschaltet
wird. Das Signal zur Umschaltung zwischen Ruhestrombetrieb und Normalbetrieb
wird der Gleichspannungswandlerschaltung von einem Mikroprozessor
geliefert. Dabei wird einem Einschaltpin der Schaltung während des Ruhestrombetriebs
ein Signal mit einem hohen Tastgrad (z. B. 95 bis 98%) zugeführt, das
an einen vorher festgelegten maximalen Ruhestrom von z. B. 100 μA angepaßt wurde,
indem die bei diesem Ruhestrom maximal zulässige Ausschaltzeit und die
minimale Einregelzeit (= Einschaltzeit) zur Bestimmung des Tastgrads
in Beziehung gesetzt wurden. Beträgt die Einregelzeit z. B. 0,2
ms und die maximal zulässige
Ausschaltzeit 10 ms, so verbraucht die Schaltung im Vergleich zum
Normalbetrieb während
des Ruhestrombetriebs nur während 2%
der Betriebszeit Strom.
-
Ein
Nachteil der beschriebenen Schaltung besteht darin, daß sie die
Umschaltung zwischen Normalbetrieb und Ruhestrombetrieb nicht selbständig vornehmen
kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß während des Ruhestrombetriebs
das Verhältnis
zwischen Ein- und Ausschaltzeit starr festgelegt ist und nicht an
den wirklich am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung gerade
benötigen
Strombedarf angepaßt
ist, was zu einem relativ hohen Ruhestromverbrauch der Gleichspannungswandlerschaltung
führt.
-
In
US 6,072,357 A wird
eine Gleichspannungsquelle beschrieben, die aus einem Ringoszillator,
einer Ladungspumpe und einer Spannungsmeßschaltung besteht. Nach Anlegen
einer Versorgungsspannung beginnt die Ladungspumpe, gesteuert vom
Taktsignal des Ringoszillators, die Spannung auf die vorgegebene
Ausgangsspannung zu pumpen. Wird diese voreingestellte Spannung überschritten,
so bewirkt die Spannungsmeßschaltung
ein Ausschalten des Ringoszillators. Bei Unterschreiten der vorgesehenen
Ausgangsspannung wird der Ringoszillator wieder eingeschaltet. Des
weiteren wird vorgeschlagen den Ringoszillator durch ein externes Taktsignal
zu ersetzen, das mittels einer Verzögerungsschaltung und mehreren
Schaltern auf die gewünschte
Taktfrequenz gebracht wird.
US
6,072,357 A sieht keine Möglichkeit vor zur Reduzierung
eines Ruhestroms die Spannungsmeßschaltung abzuschalten.
-
In
der Zeitschrift Electronic Design vom 17. April 2000 wird auf den
Seiten 121 bis 124 ein Stromwandler vorgestellt, der zwischen einem
Ruhestrom von 10 μA
und einem Versorgungsstrom von bis zu 5 Ampere umschalten kann.
Die Absenkung des Ruhestroms wird durch einen Stoßbetrieb
erreicht, das heißt
ein Ausgangskondensator wird kurzzeitig aufgeladen und versorgt
dann über
einen längeren
Zeitraum die minimal benötigten
Schaltungen, das heißt eine
Referenzspannungsschaltung und einen Fehlerverstärker. Dieser Fehlerverstärker kann
während der
Ruheperioden mit 10% seines normalen Betriebsstroms arbeiten.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Gleichspannungswandlerschaltung
zu schaffen, die die erwähnten
Nachteile überwindet
und im Vergleich zu bisherigen derartigen Schaltungen einen geringeren
Ruhestromverbrauch aufweist.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine eingangs erwähnte Gleichspannungswandlerschaltung
erfüllt, bei
der die Gleichspannungswandlerschaltung darüber hinaus eine Schaltung zum
Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung umfaßt, die einen Komparator, an
dessen erstem Eingang eine weitere die Ausgangsspannung charakterisierende
Spannung und an dessen zweitem Eingang eine an einem Kondensator
liegende Spannung liegt, und eine Steuerschaltung mit einem oder
mehreren steuerbaren Schaltern umfaßt, wobei die Steuerschaltung
das Steuersignal des Komparators der Regelungsschaltung und das Ausgangssignal
des Komparators der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung
empfängt
und ein Signal zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung sowie
ein Signal bzw. Signale zum Steuern des bzw. der Schalter abgibt,
während der
Einschaltzeit der Regelungsschaltung den bzw. die Schalter so steuert,
daß der
Kondensator mit einer von der Regelungsschaltung definierten Spannung
verbunden wird, so daß er
auf eine Spannung aufgeladen wird, die sich um einen vorherbestimmten
Betrag von der weiteren die Ausgangsspannung charakterisierenden
Spannung unterscheidet, und wenn ihr der Komparator der Regelungsschaltung
signalisiert, daß die
Spannung den Sollwert erreicht hat, das Signal zum Ausschalten der
Regelungsschaltung abgibt und den bzw. die Schalter so steuert,
daß der
Kondensator von der Aufladespannung getrennt wird, so daß er allmählich entladen
wird, wobei der Komparator der Schaltung zum Ein- und Ausschalten
der Regelungsschaltung dann, wenn sich die weitere die Ausgangsspannung
charakterisierende Spannung und die am Kondensator anliegende Spannung
treffen, ein Signal zur Steuerschaltung abgibt, wodurch diese veranlaßt wird,
das Signal zum Einschalten der Regelungsschaltung abzugeben.
-
Die
Erfindung erreicht eine beträchtliche
Verringerung des Ruhestromverbrauchs. Sie schaltet zunächst bei
Erreichen der Sollspannung am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung
sämtliche
Stromverbraucher der Regelungsschaltung aus. Nach dem Ausschalten
der Regelungsschaltung wird die Überwachung
der Ausgangsspannung von der Schaltung zum Ein- und Ausschalten
der Regelungsschaltung übernommen.
Deren Komparator empfängt
im Gegensatz zum Komparator der Regelungsschaltung keine absolut
präzise
Referenzspannung, sondern an einem Eingang eine an einen Kondensator
kurzzeitig angelegte und durch die Regelungsschaltung mit ausreichender
Genauigkeit definierte Spannung, die sich um einen vorherbestimmten
Betrag von der an seinem anderen Eingang liegenden Spannung, die
die momentane Ausgangsspannung charakterisiert, unterscheidet. Die
auf dem Kondensator befindliche Spannung wird dabei immer dann aufgefrischt,
wenn der Komparator der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung das
Einschaltsignal abgibt. Im Ruhezustand paßt die erfindungsgemäße Schaltung
den Ruhestromverbrauch der Schaltung dynamisch an den am Ausgang
der Gleichspannungswandlerschaltung benötigten Ausgangsstrom an.
-
Dadurch
kann die erfindungsgemäße Gleichspannungswandlerschaltung
im Vergleich zu bisherigen derartigen Schalung den Ruhesstromverbrauch der
Schaltung in einfacher und effizienter Weise deutlich reduzieren.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Die
Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhalber erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
-
1 ein
Blockschaltbild einer zum Stand der Technik gehörenden Gleichspannungswandlerschaltung;
-
2 ein
Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlerschaltung;
-
3 einen
Schaltplan einer beispielsweise bei der in der 2 dargestellten
Gleichspannungswandlerschaltung verwendeten Schaltung zum Ein- und
Ausschalten der Regelungsschaltung der Gleichspannungswandlerschaltung;
-
4 ein
Prinzipschaltbild der in der 3 dargestellten
Schaltung zur Veranschaulichung ihrer Arbeitsweise; und
-
5 zur
Erläuterung
der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlerschaltung über die
Zeit aufgetragene Verläufe
der Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlerschaltung sowie der
an den beiden Eingängen
des Komparators der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung
anliegenden Spannungen.
-
1 zeigt
in Form eines Blockschaltbilds eine im Stand der Technik bekannte
Gleichspannungswandlerschaltung. Dabei sind die üblicherweise in Form einer
integrierten Schaltung zusammengefaßten Bausteine 1, 2, 3, 4 und 5 in
einem Rechteck zusammengefaßt.
-
Die
bekannte Gleichspannungswandlerschaltung umfaßt eine Spannungswandelungsschaltung,
die in diesem Fall aus einer Ladungspumpschaltung besteht. Die Ladungspumpschaltung
besteht aus einem Ladungspumpkondensator Cpump, einer Ausgangsstufe 1,
die die steuerbaren Schalter der Ladungspumpe umfaßt und mit
der Eingangsspannung Vcc der Schaltung verbunden ist, und einer
Steuerschaltung 2 mit Oszillator und Treiber zum Ansteuern
der steuerbaren Schalter, die z. B. aus MOS-FETs bestehen können. Die
Steuerschaltung 2 wird von der Eingangsspannungsquelle
Vcc mit Strom versorgt. Im aktiven Betrieb steuert die Steuerschaltung 2 die
Schalter der Ladungspumpschaltung periodisch so, daß der Ladungspumpkondensator zunächst in
einer ersten Phase so geschaltet wird, daß er auf die Eingangsspannung
Vcc der Gleichspannungswandlerschaltung aufgeladen wird, und dann
in einer zweiten Phase so geschaltet wird, daß er in Reihe zur Eingangsspannung
Vcc liegt, so daß am
Ausgang der Schaltung eine Spannung entsteht, die größer als
die Eingangsspannung Vcc ist und im Maximum in etwa dem Doppelten
der Eingangsspannung Vcc entsprechen kann. Derartige Ladungspumpschaltungen,
die eine Eingangsspannung in eine größere, kleinere oder invertierte
Spannung am Ausgang wandeln können,
sind im Stand der Technik bekannt.
-
Die
bekannte Gleichspannungswandlerschaltung umfaßt ferner am Ausgang einen
Speicherkondensator Caus, auf dem die Ausgangsspannung Vaus der
Schaltung gepeichert wird. Parallel zu diesem ist in der 1 ein
Widerstand Rl eingezeichnet, der eine am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung
anliegende Last symbolisiert.
-
Die
bekannte Gleichspannungswandlerschaltung weist darüber hinaus
eine Regelungsschaltung auf, die aus einem Komparator 3,
einer Bandabstands-Referenzspannungserzeugungsschaltung 4 und
einem Spannungsteiler 5 besteht.
-
Der
Komparator 3 empfängt
dabei an seinem ersten Eingang 6 einen vom Spannungsteiler
abgeteilten Teil der Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung,
der an die von der Bandabstands-Referenzerzeugungsschaltung erzeugte
Referenzspannung Vref angepaßt
ist, die an dem zweiten Eingang 7 des Komparators liegt.
-
Der
Komparator, dessen Ausgang mit der Steuerschaltung 2 verbunden
ist, regelt die Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlerschaltung
nach dem manchmal auch als Skip-Mode-Verfahren (von englisch: „to skip" = überspringen)
bezeichneten Prinzip auf einen vorherbestimmten Sollwert, indem
er ein Steuersignal zur Aktivierung und ein Steuersignal zur Deaktivierung
der Spannungswandelungsschaltung (1, 2, Cpump)
in Abhängigkeit davon
abgibt, ob die Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung
den Sollwert unter- bzw. überschreitet.
Dadurch ist die Ladungspumpschaltung nur dann in Betrieb, wenn die
Ausgangsspannung Vaus den vorherbestimmten Sollwert unterschritten
hat.
-
Wie
bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, hat die in der 1 dargestellte
Schaltung den Nachteil, daß sie
relativ viel Strom verbraucht, da die Regelungsschaltung auch dann
in Betrieb ist, wenn sich die Schaltung im Ruhezustand befindet. Dabei
ist in der Praxis meist der Komparator der größte Stromverbraucher (z. B.
Icc = 20 μA),
gefolgt von der Referenzspannungserzeugungsschaltung (z. B. Icc
= 10 μA)
und dem Spannungsteiler (z. B. Icc = 6 μA).
-
In
der 2 ist in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlerschaltung
dargestellt. Da die meisten Bauteile dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlerschaltung mit
denjenigen der in der 1 dargestellten Schaltung übereinstimmen,
werden nur diejenigen Bauteile und Verbindungen beschrieben, die
gegenüber
der in der 1 dargestellten Schaltung neu
sind.
-
Die
in der 2 dargestellte Gleichspannungswandlerschaltung
weist eine Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung
auf. Dabei ist der Ausgang 15 der Schaltung 13 zum
Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung mit den einzelnen Elementen 3, 4 und 5 der
Regelungsschaltung sowie mit der Steuerschaltung 2 verbunden.
Die Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung
schaltet die Regelungsschaltung, d. h. den Komparator 3,
die Bandabstands-Referenzspannungserzeugungsschaltung 4 und
den Spannungsteiler 5 aus, wenn sich die Gleichspannungswandlerschaltung
im Ruhezustand befindet, d. h., wenn die Ausgangsspannung Vaus über dem
Sollwert liegt. Wahlweise kann auch die Spannungswandelungsschaltung
(Steuerschaltung 2) ausgeschaltet werden. Unter „Ausschalten" wird hier die Trennung von
der Versorgungsspannung Vcc (bzw. von der Ausgangsspannung Vaus
beim Spannungsteiler 5) und unter „Einschalten" die erneute Verbindung
mit der Versorgungsspannung Vcc (bzw. von der Ausgangsspannung Vaus
beim Spannungsteiler 5) verstanden.
-
Während des
Ruhezustands übernimmt
die Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung
bei niedrigem Ausgangsstrombedarf die Überwachung der Ausgangsspannung
Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung. Hierzu empfängt sie
an einem Eingang 14 die Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung. Ferner
empfängt
sie an einem weiteren Eingang 16 vom Komparator 3 der
Regelungsschaltung das Steuersignal, das anzeigt, ob sich die Ausgangsspannung
Vaus gerade über
oder unter dem Sollwert befindet. Das Ausschalten der Regelungsschaltung kann
nur dann erfolgen, wenn dieses Signal anzeigt, daß sich die
Ausgangsspannung gerade über
dem Sollwert befindet. Die Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten
der Regelungsschaltung weist wahlweise einen weiteren Eingang auf, über den
ein Mikroprozessor (μP)
ein Steuersignal eingeben kann, dessen Funktion unten näher erläutert wird.
-
Die 3 zeigt
exemplarisch einen möglichen
Aufbau der in der 2 dargestellten Schaltung 13 zum
Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung. Die Funktion der einzelnen
in der
-
3 dargestellten
MOS-FETs ergibt sich aus dem in der 4 dargestellten
Schaltbild, in dem die MOS-FETs durch Bauelemente ersetzt sind,
deren Funktion sie erfüllen.
-
Im
folgenden wird zunächst
der Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung 13 zum
Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung anhand der 3 und 4 beschrieben.
-
Die
Schaltung 13 umfaßt
einen Komparator 20, der zwei P-MOS-FETs MP2 und MP3, an deren Gateanschlüssen die
zu vergleichenden Spannungen anliegen, einen aus den N-MOS-FETs
MN2 und MN3 bestehenden Stromspiegel und eine durch den P-MOS-FET MP4 gebildete
Stromquelle auf, die den Stromverbrauch des Komparators 20 bestimmt.
Da die Funktionsweise eines in der 3 dargestellten Komparators 20 im
Stand der Technik bekannt ist, werden diese nicht im Detail erläutert.
-
Der
Sourceanschluß des
die Stromquelle des Komparators 20 bildenden P-MOS-FETs
MP4 ist mit der Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung,
sein Drainanschluß mit
den Sourceanschlüssen
der P-MOS-FETs MP2 und MP3, sein Gateanschluß mit Masse und sein Substratanschluß mit der
Ausgangsspannung Vaus verbunden.
-
Der
Drainanschluß des
P-MOS-FETs MP2 ist mit dem Drainanschluß des N-MOS-FETs MN2 und sein
Substratanschluß mit
der Ausgangsspannung Vaus verbunden. Der Drainanschluß des P-MOS-FETs MP3 ist mit
dem Drainanschluß des N-MOS-FETs
MN3 und sein Substratanschluß mit der
Ausgangsspannung Vaus verbunden.
-
Die
Source- und Substratanschlüsse
der beiden einen Stromspiegel bildenden N-MOS-FETs MN2 und MN3 liegen
an Masse, während
ihre Gateanschlüsse
miteinander verbunden sind. Gate- und
Sourceanschluß des
N-MOS-FETs MN3 sind miteinander verbunden.
-
Aus
P-MOS-FETs gebildete Dioden MP6 und MP8 sind vorgesehen, die der
Einstellung des Arbeitspunktes des Komparators 20 dienen.
Dabei sind die Sourceanschlüsse
und die Substratanschlüsse der
Dioden MP6 und MP8 mit der Ausgangsspannung Vaus verbunden, während ihre
Gateanschlüsse mit
ihren jeweiligen Drainanschlüssen
verbunden sind. Die aus den P-MOS-FETs gebildeten Dioden MP8 und
MP6 sind in der 4 mit D1 bzw. D2 gekennzeichnet.
-
Die
Gateanschlüsse
der P-MOS-FETs MP2 und MP3 bilden die Differenzeingänge des
Komparators und sind jeweils mit einem als Kondensator fungierenden
MOS-FET (MN1 bzw. MP1 in 3; C2 bzw. C1 in 4)
verbunden.
-
Dabei
liegen Source-, Drain- und Substratanschluß des den Kondensator C2 bildenden N-MOS-FETs
MN1 an Masse, während
sein Gateanschluß mit
dem Gateanschluß des
P-MOS-FETs MP2, d. h. dem einen Differenzeingang des Komparators 20,
verbunden ist.
-
Source-,
Drain- und Substratanschluß des den
Kondensator C1 bildenden P-MOS-FETs MP1 liegen an der Ausgangsspannung
Vaus, während sein
Gateanschluß mit
dem Gateanschluß des P-MOS-FETs
MP3, d. h. dem anderen Differenzeingang des Komparators 20 verbunden
ist.
-
Die
MOS-FETs MN5, MP9 (S2, S1 in 4) und MN4,
MP7 (S4, S3 in 4) bilden Schalter, mit denen
sich die Knotenpunkte Kvdiff (Gate des als Kondensator C2 wirkenden
N-MOS-FETs MN1 und Gate des P-MOS-FETs MP2 (erster Differenzeingang des
Komparators 20)) bzw. Kvaus (Gate des als Kondensator C1
wirkenden P-MOS-FETs MP1 und Gate des P-MOS-FETs MP3 (zweiter Differenzeingang
des Komparators 20)) isolieren lassen. Alle vier Schalter MN5,
MP9, MN4 und MP7 werden durch eine Steuerschaltung 17,
die in dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einer Flip-Flop-Schaltung (z. B. RS-Flip-Flop) besteht, gesteuert.
-
Die
vier Schalter sind wie folgt geschaltet: Der Sourceanschluß des P-MOS-FETs
MP7 ist mit dem Drainanschluß des
P-MOS-FETs MP6 verbunden, sein Drainanschluß über einen Widerstand R mit dem
Gateanschluß des
als Kondensator C2 wirkenden N-MOS-FETs MN1, sein Substratanschluß mit der Ausgangsspannung
Vaus und sein Gateanschluß mit
dem Ausgang 32 der Steuerschaltung 17.
-
Der
Sourceanschluß des
N-MOS-FETs MN4 ist über
die Stromquelle I1 mit Masse, sein Drainanschluß mit dem Gateanschluß des P-MOS-FETs MP2, sein
Substratanschluß mit
seinem Sourceanschluß und
sein Gateanschluß mit
dem Ausgang 31 der Steuerschaltung 17 verbunden.
-
Der
Sourceanschluß des
P-MOS-FETs MP9 ist mit dem Drainanschluß des P-MOS-FETs MP8, sein
Drainanschluß mit
dem Gateanschluß des P-MOS-FETs
MP3, sein Substratanschluß mit
der Ausgangsspannung Vaus und sein Gateanschluß mit einem Ausgang 32 der
Steuerschaltung 17 verbunden.
-
Der
Sourceanschluß des
N-MOS-FETs MN5 ist über
die Stromquelle I2 mit Masse, sein Substratanschluß mit seinem
Sourceanschluß und
sein Gateanschluß mit
dem Ausgang 31 der Steuerschaltung 17 verbunden.
-
Der
P-MOS-FET MP5, dessen Source- und Substratanschluß an der
Ausgangsspannung Vaus liegen und dessen Gateanschluß mit seinem
Drainanschluß verbunden
ist, der wiederum mit dem Schaltungspunkt KVdiff verbunden ist,
dient dazu, einen genau definierten Leckstrom zwischen Vaus und dem
Schaltungspunkt Kvdiff (Gate des als Kondensator C2 wirkenden N-MOS-FETs
MN1 und Gate des P-MOS-FETs MP2 (erster Differenzeingang des Komparators 20))
einzustellen.
-
Der
Ausgang 21 des Komparators 20 ist mit einem invertierenden
Verstärker 19,
der von der Ausgangsspannung Vaus versorgt wird, verbunden, an dessen
Ausgang ein Signal erzeugt wird, das zum Einschalten der Regelungsschaltung
verwendet wird, was unten näher
erläutert
wird.
-
Der
Ausgang des invertierenden Verstärkers 19 ist
mit einem Eingang 33 des Flip-Flops (RS-Flip-Flop) verbunden,
das die Steuerschaltung 17 bildet. Am anderen Eingang 34 des
Flip-Flops der Steuerschaltung 17 liegt
das vom Komparator 3 der Regelungsschaltung gelieferte
Steuersignal (16 in 2), das anzeigt,
ob sich die Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung
gerade über
oder unter dem Sollwert befindet.
-
Im
folgenden wird die Arbeitsweise der in den 3 und 4 dargestellten
Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung
sowie der in der 2 dargestellten Gleichspannungswandlerschaltung
beschrieben.
-
Dabei
wird aus Gründen
der Einfachheit der Beschreibung zunächst angenommen, daß die Steuerschaltung 17 gerade
ein Einschaltsignal 18 zum Einschalten der Regelungsschaltung
abgegeben hat (weiter unten wird erläutert, unter welchen Bedingungen
dieses Einschaltsignal abgegeben wird und wie dieses erzeugt wird).
-
Das
Einschaltsignal 18 wird abgegeben, wenn am Set-Eingang
(S) des Flip-Flops 17 ein Signal vom Komparator der Schaltung
zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung geliefert wird, was
unten näher
erläutert
wird.
-
Dadurch
werden die Signale an den beiden Ausgängen (Q und Qquer) des Flip-Flops 17 geändert, die
die oben erwähnten
Schalter steuern. Dadurch werden die MOS-FET-Schalter MN4 (S4),
MP7 (S3), MP9 (S1) und MN5 (S2) durchgeschaltet, wodurch die beiden
Kondensatoren C1 (MP1) und C2 (MN1) aufgeladen werden.
-
Der
Kondensator C2 (MN1) wird dabei dann, wenn die Ausgangsspannung
des Wandlers wieder ihren Sollwert erreicht hat, auf eine Spannung VC2 = Vaus(soll) – Vgs – Voff (1)aufgeladen,
wobei Vaus(soll) der gerade von der Regelungsschaltung auf ihren
Sollwert Vaus(soll) eingestellten Spannung, Vgs der an der Diode
D2 (MP6) abfallenden Spannung und Voff (= R·I) der an dem vorherbestimmten
Widerstand R abfallenden Spannung entspricht. Die Spannung VC2 liegt
am ersten Eingang (KVdiff) des Komparators 20 der Schaltung 13 zum
Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung.
-
Der
Kondensator C1 (MP1) wird gleichzeitig auf eine Spannung VC1 = Vaus – Vgs (2)aufgeladen,
wobei davon ausgegangen wurde, daß die MOS-Dioden D1 und D2
(MP8 bzw. MP6) gleich sind, so daß der daran auftretende Spannungsabfall identisch
ist. Die Spannung VC2 liegt am zweiten Eingang (KVaus) des Komparators 20.
-
Die
Differenz der Eingangsspannungen des Komparators 20 beträgt dann
am Ende der Aufladephase VC2 – VC1
= Voff. Sie läßt sich
durch entsprechende Einstellung des Widerstands R auf einen gewünschten
Wert einstellen.
-
Beim
Einschalten der Regelungsschaltung lassen sich zwei Fälle unterscheiden,
die auftreten können:
Im
ersten Fall liegt die Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung
beim Einschalten der Regelungsschaltung immer noch über ihrem Sollwert,
so daß eine
Aktivierung der Ladungspumpe nicht erforderlich ist. Eine (nicht
dargestellte) erste Verzögerungsschaltung
(z. B. eine R-C-Glied),
die mit dem Komparator der Regelungsschaltung in Verbindung steht,
sorgt dafür,
daß dieser
erst dann ein Steuersignal am Ausgang abgibt (welches zum Eingang
R des Flip-Flops 17 geleitet wird), wenn eine erste Verzögerungszeit
(z. B. 30 Mikrosekunden) abgelaufen ist. Die erste Verzögerungszeit
dient zum einen dazu, sicherzustellen, daß die für die Regelung wichtigen Elemente
eingeschwungen sind, um einen sinnvollen Spannungsvergleich durch
den Komparator der Regelungsschaltung überhaupt erst zu ermöglichen
und zum anderen sorgt sie im ersten Fall dafür, daß ausreichend Zeit vorhanden
ist, um die Kondensatoren voll auf die gewünschten Spannungen aufzuladen.
-
Danach
gibt der Komparator 3 der Regelungsschaltung sein Steuersignal
ab, das zum Eingang R des Flip-Flops 17 der Steuerschaltung
geleitet wird, wodurch die Signale an den Ausgängen des Flip-Flops (Q und
Qquer) ihre Zustände ändern und die
MOS-FET-Schalter MN4 (S4), MP7 (S3), MP9 (S1) und MN5 (S2) gesperrt
werden, so daß die
beiden Eingänge
(KVdiff, KVaus) des Komparators 20 isoliert werden. Gleichzeitig
wird das Ausschaltsignal 18 vom Ausgang Q des Flip-Flops
zur Regelungsschaltung geführt.
Dieses Ausschaltsignal gelangt zum Komparator 3, zur Bandabstand-Referenzspannungserzeugungsschaltung 4,
zum Spannungsteiler 5 und zur Steuerschaltung 2 und
schaltet diese (z. B. durch Ansteuerung nicht dargesteller Schalter)
aus.
-
Im
zweiten Fall liegt beim Einschalten der Regelungsschaltung die Ausgangsspannung
unter ihrem Sollwert, so daß nach
Ablauf der ersten Verzögerungszeit
der Komparator der Regelungsschaltung feststellt, daß Vaus < Vsoll ist. Nun
gibt er ein Steuersignal zur Steuerschaltung 2 der Ladungspumpe
ab, durch das die Ladungspumpe aktiviert wird. Nachdem der Sollwert
der Ausgangsspannung durch den Pumpbetrieb wieder erreicht ist,
wird über
eine zweite (ebenfalls nicht dargestellte) Verzögerungsschaltung, die mit dem
Komparator in Verbindung steht, nach einer zweiten Verzögerungszeit
(Nachlaufzeit von z. B. 3–5
Mikrosekungen) die Ladungspumpe weiterhin in Betrieb gehalten, um
sicherzustellen, daß die
Kondensatoren wieder voll auf ihre gewünschten und oben angegebenen
Werte aufgeladen werden können.
-
Nach
Ablauf dieser Nachlaufzeit gibt der Komparator 3 der Regelungsschaltung
wieder sein Steuersignal ab, das zum Eingang R des Flip-Flops 17 der
Steuerschaltung geleitet wird, wodurch die Signale an den Ausgängen des
Flip-Flops (Q und Qquer) ihre Zustände ändern und die MOS-FET-Schalter
MN4 (S4), MP7 (S3), MP9 (S1) und MN5 (S2) gesperrt werden, so daß die beiden Eingänge (KVdiff,
KVaus) des Komparators 20 isoliert werden. Gleichzeitig
wird das Ausschaltsignal 18 vom Ausgang Q des Flip-Flops
zur Regelungsschaltung geführt.
Dieses Ausschaltsignal gelangt zum Komparator 3, zur Bandabstand- Referenzspannungserzeugungsschaltung 4,
zum Spannungsteiler 5 und zur Steuerschaltung 2 und
schaltet diese (z. B. durch Ansteuerung nicht dargesteller Schalter)
aus.
-
Durch
die Aufladung der Kondensatoren C1 und C2 ist an den Eingängen des
Komparators 20 eine Spannungsdifferenz entstanden.
-
Läßt man nun
zunächst
den Leckstrom über den
MOS-FET MP5 außer
acht, so würde
die Spannung am ersten Eingang (KVdiff) des Komparators 20 während der
Ausschaltzeit der Regelungsschaltung auf dem Wert Vaus(soll) – Vgs – Voff verharren, während die
Spannung am zweiten Eingang (KVaus) des Komparators 20 Vaus – Vgs betragen
würde.
Da die Spannung am ersten Eingang (KVdiff) kapazitiv an Masse und
die Spannung am zweiten Eingang (KVaus) kapazitiv an die aktuelle
Ausgangsspannung Vaus gekoppelt ist, würde eine Verminderung der tatsächlichen
Ausgangsspannung Vaus um mehr als die Spannungsdifferenz Voff den
Pegel des Ausgangssignals des Komparators 20 ändern, so
daß er am
Ausgang ein Signal abgeben würde,
was über den
invertierenden Verstärker 19 zum
S-Eingang des Flip-Flops der Steuerschaltung 17 gelangt
und durch das sich schließlich
die Ausgangpegel an den Ausgängen
Q und Qquer des Flip-Flops ändern,
wodurch vom Ausgang Q des Flip-Flops ein Einschaltsignal abgegeben
wird, durch das die Regelungsschaltung (Komparator 3, Bandabstands-Referenzspannungserzeugungsschaltung 4)
erneut eingeschaltet, d. h. mit der Spannungsversorgung Vcc verbunden
werden würde,
und der Spannungsteiler 5 erneut mit der Spannungsversorgung
Vaus verbunden werden würde.
Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform
würde dann
auch die Steuerschaltung 2 mit Oszillator und Treibern
wieder eingeschaltet, d. h. mit der Spannungsversorgung Vcc verbunden.
-
Da
bei der Erzeugung des zum S-Eingang des Flip-Flops der Steuerschaltung 17 geleiteten Ausgangssignals
des Komparators der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung sich
die beiden Ausgangssignale Q und Qquer des Flip-Flops ändern, wird
gleichzeitig mit dem Einschalten der Regelungsschaltung auch die
Spannung auf den Kondensatoren C1 und C2 durch Schließen der Schalter
S1 bis S4 durch die Steuerschaltung in der oben beschriebenen Weise
aktualisiert. Der beschriebene Gesamtablauf wiederholt sich dann
periodisch.
-
Der
bisher nicht in der Darstellung berücksichtigte Leckstrom IL, der über den
MOS-FET MP5 fließt,
ist erforderlich, um den Leckstrom, der an den zwei kapazitiv gekoppelten
Eingängen
KVdiff und KVaus des Komparators 20 der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten
der Regelungsschaltung unweigerlich auftritt, in die richtige Richtung
zu zwingen. Dabei ist der über
MP5 fließende
Leckstrom so eingestellt, daß er
die an den Eingängen
der Komparators 20 zwangsläufig auftretenden Leckströme („junction
leakages") betragsmäßig dominiert.
Dadurch wird verhindert, daß die
Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren C1 und C2 in unerwünschter
Weise auseinanderläuft,
was im ungünstigen
Fall dazu führen
könnte,
daß die
Regelungsschaltung nicht wieder eingeschaltet wird. Durch den definierten
Leckstrom wird ein periodisches Wiedereinschalten der Regelungsschaltung
sichergestellt, was in der 5 dargestellt
ist.
-
Die 5 zeigt
in ihrem oberen Teil den Verlauf der Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung
bei zwei verschiedenen Ruheströmen
(100 μA
und 250 μA)
am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung. Im unteren Teil der 5 sind
die Verläufe
der an den beiden Eingängen
des Komparators 20 der Schaltung 13 zum Ein- und
Ausschalten der Regelungsschaltung anliegenden Kondensatorspannungen
Vc1 und Vc2 dargestellt. Vc1 ist dabei die Spannung am Kondensator C1.
Die Spannung Vc1 verläuft
parallel zur Ausgangsspannung Vaus. Der Verlauf der am Kondensator
C2 anliegenden Spannung Vc2 wird durch den Leckstrom IL definiert,
der über
den MOS-FET MP5 fließt.
Durch den Leckstrom IL wird die Spannung Vc2 dazu gewzungen, sich
allmählich
in zeitlich definierter Weise der die Ausgangsspannung Vaus charakterisierenden
Spannung Vc1 anzunähern.
Es wird dadurch verhindert, daß die
Spannungen Vc1 und Vc2 auseinanderlaufen und die Schaltung in einen undefinierten
Zustand gerät.
-
Kurz
vor dem in der 5 dargestellten Zeitpunkt t1
haben sich die beiden an den Kondensatoren C1 und C2 anliegenden
Spannungen Vc1 bzw. Vc2 getroffen, so daß der Komparator 20 ein
Signal abgibt, durch das dann über
die Steuerschaltung 17 in der oben beschriebenen Weise
die Regelungsschaltung (bzw. der Spannungswandelungsschaltung) wieder
eingeschaltet wird. Ist die Ausgangsspannung Vaus zwischenzeitlich
unter ihren Sollwert gefallen, so wird die Ladungspumpe durch den
Komparator 3 und die Steuerschaltung 2 in der
oben beschriebenen Weise „angeworfen" und pumpt solange Ladung
auf den Ausgangskondensator Caus, bis der Sollwert wieder erreicht
wird. Dabei bleiben die Schalter S1 bis S4 bis zum Ablauf der Nachlaufzeit durchschaltet,
so daß die
Kondensatoren C1 und C2 aufgeladen werden. Die Kondensatoren C1
und C2 erreichen dann zu dem in der 5 dargestellten Zeitpunkt
t1 wieder ihre Ausgangszustände
(siehe oben die Gleichungen (1) und (2)), wobei die Spannungsdifferenz
Voff an den Eingängen
des Komparators 20 die Regelungsschaltung auftritt. Danach
wird die Regelungsschaltung durch den Komparator 3 der Regelungsschaltung
in Zusammenwirkung mit der Steuerschaltung 17 erneut ausgeschaltet
und der gesamte Ablauf wiederholt sich in periodischer Weise.
-
Es
kann natürlich,
wie oben beschrieben, auch sein, daß nach Einschalten der Regelungsschaltung
durch die Schaltung 13 ein Einschalten der Ladungspumpe
nicht erforderlich ist, weil die Ausgangsspannung Vaus immer noch über dem
Sollwert liegt. In diesem Fall werden wie oben beschrieben nur die
Kondensatoren C1 und C2 erneut auf ihre definierten Spannungen Vc1
bzw. Vc2 aufgeladen, ohne das die Ladungspumpe angeworfen wird.
-
Die
erfindungsgemäße Gleichspannungswandlerschaltung
ist in der Lage, den Ruhestromverbrauch in dynamischer Weise an
den am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung gerade benötigten Ruhelaststrom
anzupassen, was im rechten Teil der 5 dargestellt
ist. Wird der Ruhelaststrom größer (in
der 5 von 100 μA
auf 250 μA),
so entlädt
sich der Kondensator C1 schneller, so daß die Einschaltfrequenz der Regelungsschaltung
zunimmt (siehe in der 5 die Einschaltzeitpunkte t2
bis t6). Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandlerschaltung
kann so automatisch zu jedem Ruhestrom eine optimale Einschaltfrequenz
einstellen, was bei bisherigen derartigen Gleichspannungswandlerschaltungen
nicht möglich
war. Die Einschaltfrequenz ist dabei vorzugsweise proportional zum
Ruhestrom. Ein Einschalten der Regelungsschaltung wird dabei nicht
nur bei linearem Absinken der Ausgangsspannung Vaus, sondern auch
bei sprunghaftem Absinken der Ausgangsspannung Vaus gewährleistet.
-
Der
Komparator 20 der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten
der Regelungsschaltung ist dabei vorzugsweise so aufgebaut, daß er im
Vergleich zum Komparator 3 der Regelungsschaltung einen wesentlich
geringeren Stromverbrauch aufweist. Das Verhältnis liegt z. B. in der Größenordnung
von 20 μA zu
100 nA. Dabei wird in der Praxis bei der Auslegung des Komparators 20 ein
Kompromiß zwischen Schaltgeschwindigkeit
des Komparators und Stromverbrauch gemacht werden müssen. Je
schneller der Komparator sein muß, um so größer wird sein Stromverbrauch
sein.
-
Der
erfindungsgemäße Gleichspannungswandler
wird vorzugsweise als integrierte Schaltung aufgebaut sein.
-
Ferner
wird er in der Regel eine oben nicht beschriebene Start-up-Schaltung
umfassen, die dafür
sorgt, daß die
Kondensatoren der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten
der Regelungsschaltung beim Einschalten der Gleichspannungswandlerschaltung
erstmals aufgeladen werden.
-
Die
Aktivierung und Deaktivierung der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten
der Regelungsschaltung kann auch unabhängig von der Istausgangsspannung
Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung durch einen Mikroprozessor
gesteuert werden (siehe hierzu den in der 2 dargestellten
Mikroprozessoreingang μP),
der durch einen Tastendruck aktiviert wird. Man denke sich z. B.
ein Mobilfunktelefon, bei dem dann, wenn der Bediener irgendeine
Taste drückt,
der Mikroprozessor von einem Ruhemodus, in dem die Überwachung
der Ausgangsspannung von der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten
der Regelungsschaltung übernommen wird
und die Regelungsschaltung die meiste Zeit über ausgeschaltet ist, in einen
Aktivmodus geschaltet wird, in dem die Regelungsschaltung selbst
die Ausgangsspannung Vaus überwacht.
-
Die
erfindungsgemäße Gleichspannungswandlerschaltung
kann in einen Gleichspannungswandler integriert sein. Sie kann ferner
auch in eine Batterie integriert sein.
-
Für den Fachmann
ist ersichtlich, daß die oben
beschriebenen Ausführungsformen
nur beispielhaft gewählt
sind. Viele andere Ausführungsformen
sind im Rahmen der beigefügten
Ansprüche denkbar.
-
So
braucht z. B. die Spannungswandelungsschaltung nicht notwendigerweise
aus einer Ladungspumpschaltung zu bestehen. Sie kann aus einer beliebigen
Spannungswandelungsschaltung bestehen, die in Abhängigkeit
von dem Zustand der Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung
wechselweise ein- und ausgeschaltet wird. Es kann z. B. auch eine
Drosselwandlerschaltung sein.
-
Ferner
ist klar, daß die
Spannung, auf die der Kondensator der Schaltung 13 zum
Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung aufgeladen wird, welcher
eine Spannung trägt,
die sich um einen bestimmten Betrag von der weiteren die Ausgangsspannung
charakterisiereden Spannung unterscheidet, nicht notwendigerweise
die durch die Regelungsschaltung definierte Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlerschaltung
sein muß.
Es kann sich um eine beliebige Spannung handeln, die durch die Regelschaltung
festgelegt wird. Beispielsweise könnte es sich dabei auch um
die von der Referenzspannungserzeugungsschaltung erzeugte Referenzspannung
oder eine aus dieser erzeugte Spannung handeln. Wichtig ist nur,
daß die
Regelungsschaltung dazu verwendet wird, die Spannung an einem der
Kondensatoren der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten
der Regelungsschaltung zu definieren, wobei sie danach ausgeschaltet
wird und der diese Spannung tragende Kondensator dazu dient, während des
Ausschaltzustandes der Regelungsschaltung die Funktion einer Referenzspannungsquelle
in der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung
zu übernehmen.