DE10032260A1

DE10032260A1 - Schaltungsanordnung zur Verdoppelung der Spannung einer Batterie

Info

Publication number: DE10032260A1
Application number: DE10032260A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Kaiser; Ralph Oberhuber
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2002-01-17
Anticipated expiration: 2020-07-04
Also published as: US6617828B2; EP1170851B1; DE10032260B4; EP1170851A3; US20030006736A1; JP2002112532A; EP1170851A2

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zur Verdoppelung der Spannung einer Batterie enthält eine durch die Batteriespannung gespeiste Ladungspumpe (12), die von einem Taktgenerator (10) gesteuert ist. Die Versorgungsspannung des Taktgenerators ist die von der Ladungspumpe (12) abgegebene Ausgangsspannung. In die Verbindung zwischen dem Ausgang (16) der Ladungspumpe (12) und der Batterie (26) ist die Source-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors (P4) eingefügt, der leitend ist, wenn seine Gate-Spannung kleiner als seine Source-Spannung ist. Mit dem Gate-Anschluß dieser Feldeffekttransistors (P4) ist der Ausgangsschaltungszweig (N2) einer Stromspiegelschaltung (32) verbunden, durch den ein begrenzter kleiner Strom von dem Gate-Anschluß nach Masse ableitbar ist. Es ist eine Hilfsladungspumpe (22) vorgesehen, die ihre Versorgungsspannung vom Ausgang (16) der Ladungspumpe (12) erhält und die ebenfalls von dem Taktgenerator (10) gesteuert ist. Die von dieser Hilfsladungspumpe (22) erzeugte Spannung ist an den Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors (P4) gelegt, um diesen zu sperren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Verdoppelung der Spannung einer Batterie mittels einer durch die Batteriespannung gespeisten Ladungspumpe, die von einem Taktgenerator gesteuert ist, dessen Versorgungsspannung die vom Ausgang der Ladungspumpe abgegebene Ausgangsspannung ist.

Tragbare elektronische Geräte, beispielsweise Mobiltelefone, beziehen ihre Versorgungsspannung aus Batterien. Um Gewicht und Platz zu sparen, werden immer kleinere Batterien verwendet, wobei in Kauf genommen wird, daß diese Batterien eine niedrigere Spannung zur Verfügung stellen, als sie für den Betrieb des Gerätes benötigt wird. Um dennoch die für die Versorgung der elektronischen Geräte erforderliche Spannung zur Verfügung zu haben, werden Spannungsverdopplungsschaltungen eingesetzt, bei denen es sich sich um Spannungswandler handeln kann, die nach dem Ladungspumpenprinzip arbeiten. Das Prinzip eines Spannungswandlers mit einer Ladungspumpe ist beispielsweise in "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 9. Auflage, Springer Verlag, Seiten 570/571 beschrieben. Mit Hilfe dieses Spannungswandlers kann aus einer Batteriespannung eine Spannung gewonnen werden, deren Wert nahezu verdoppelt ist. Die Ladungspumpe enthält dabei Schalter, die mit Hilfe eines Taktgenerators mit gegenphasigen Signalen gesteuert werden. Die Schalter sind dabei von Feldeffekttransistoren gebildet, die mit Hilfe der Taktsignale abwechselnd periodisch in den leitenden Zustand versetzt und gesperrt werden. Die Wirkungsweise solcher Ladungspumpen ist bekannt, so daß hier nicht näher darauf eingegangen wird.

Eine Anwendung einer Spannungsverdopplungsschaltung der eingangs angegebenen Art findet sich in der integrierten Schaltung TMS37121B der Firma Texas Instruments. Diese integrierte Schaltung wird zur Verarbeitung analoger Signale in einem Transponder eingesetzt. Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild der Spannungsverdopplungsschaltung, wie sie in dieser integrierten Schaltung angewendet wird. Der Taktgenera tor 10 ist herkömmlich aufgebaut und liefert zwei sich nicht überlappende Taktphasen Φ und Φ; mit diesen Taktphasen werden CMOS- Transistoren in der Ladungspumpe 12 gesteuert, die die Funktion der Schalter übernehmen. Die Ladungspumpe 12 erzeugt aus ihrer Versorgungsspannung V_Bat eine Ausgangsspannung V_A, die etwa den doppelten Wert der Versorgungsspannung hat. Am Kondensator C_L kann diese Ausgangsspannung V_A abgegriffen werden.

Die p-Kanal-Feldeffekttransistoren in der Ladungspumpe (12) können nur dann vollständig gesperrt werden, wenn die Taktphasen Φ und Φ zumindest den Spannungswert der Ausgangsspannung V_A erreichen. Dies ist kein Problem, wenn die Schaltung in Betrieb ist, da der Takt generator 10 als Versorgungsspannung die Ausgangsspannung V_A der Ladungspumpe 12 erhält, die höher als die Batteriespannung V_Bat ist. Bei der Inbetriebnahme der Schaltung gibt es hierbei jedoch Probleme, da die Ladungspumpe 12 nicht "anläuft", was in anderen Worten heißt, daß sie anfänglich keine höhere Ausgangsspannung erzeugen kann, solange die Taktphasen Φ und Φ nicht den notwendigen Spannungswert erreicht haben. Als Abhilfemaßnahme wird daher eine Diode D verwendet, die dem Taktgenerator 10 zunächst als Versorgungsspannung die Batte riespannung V_Bat zuführt, wodurch erreicht wird, daß die Ladungspumpe 12 ihren Betrieb aufnehmen kann. Sobald die Ladungspumpe 12 ar beitet, erzeugt sie an ihrem Ausgang eine zunehmend größer werdende Spannung V_A, wobei dann die Diode D dafür sorgt, daß die Verbindung zwischen Ladungspumpenausgang und der Batterie unterbrochen wird, sobald die Ausgangsspannung V_A größer als die Batteriespannung V_Bat geworden ist.

Wie zu erkennen ist, nimmt die Versorgungsspannung des Taktgenerators 10 bei Beginn des Betriebs höchstens den um die Durchlaßspannung der Diode D verminderten Wert der Batteriespannung V_Bat an. Wenn die Batteriespannung aber bereits relativ niedrig und auch noch niedrige Temperaturen von beispielsweise -40°C vorliegen, kann die Schaltung ihren Betrieb nicht mehr aufnehmen, da aufgrund des negativen Tem peraturkoeffizienten der Diodendurchlaßspannung und der Schwellen spannungen der Feldeffekttransistoren im Taktgenerator die am Ausgang der Ladungspumpe abgegebene Spannung hierfür nicht mehr ausreicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs anordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die bei niedrigen Batteriespannungen und tiefen Temperaturen den Betrieb einwandfrei aufnimmt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in die Verbindung zwischen dem Ausgang der Ladungspumpe und der Batterie anstatt der Diode die Source-Drain-Strecke eines Feldeffektgenerators eingefügt ist, der leitend ist, wenn seine Gate-Spannung kleiner als seine Source-Spannung ist, daß mit dem Gate-Anschluß dieses Feldeffekttransistors der Ausgangsschaltungszweig einer Strom spiegelschaltung verbunden ist, durch den ein begrenzter kleiner Strom von dem Gate-Anschluß nach Masse ableitbar ist, und daß eine Hilfs ladungspumpe vorgesehen ist, die ihre Versorgungsspannung vom Ausgang der Ladungspumpe erhält und die ebenfalls von dem Taktgenerator gesteuert ist, wobei die von dieser Hilfsladungspumpe erzeugte Spannung an den Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors gelegt ist.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird durch die Verwendung eines Feldeffekttransistors zum Anlegen der Batteriespannung an den Ausgang der Ladungspumpe und damit an den Versorgungsspannungseingang des Taktgenerators erreicht, daß bei Inbetriebnahme der Schaltung die volle Batteriespannung als Versorgungsspannung zur Verfügung steht. Der Spannungsabfall durch die beim Stand der Technik verwendete Diode wird dadurch vermieden. Gleichzeitig wird durch die Verwendung der Stromspiegelschaltung gewährleistet, daß der Feldeffekttransistor vor Inbetriebnahme der Schaltung vollständig leitend ist, während die zusätzlich benutzte Hilfsladungspumpe dafür sorgt, daß dieser Feld effekttransistor in den gesperrten Zustand geschaltet wird, sobald der Taktgenerator 10 einwandfrei arbeitet und die Taktphasen zur Steuerung der Ladungspumpen liefert. Die Schaltungsanordnung kann daher auch bei niedriger Batteriespannung und sehr niedrigen Temperaturen einwandfrei ihren Betrieb aufnehmen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik

Der Taktgenerator 10 ist mit seinem Versorgungsspannungsanschluß 14 mit dem Ausgang 16 der Ladungspumpe 12 verbunden, an der diese die Ausgangsspannung V_A abgibt. An seinen Ausgängen 18 und 20 gibt er die Taktphasen Φ bzw. Φ ab. Diese Taktphasen steuern die Ladungspumpe 12 sowie eine Hilfsladungspumpe 22. Die Ladungspumpe 12 empfängt an ihrem Versorgungsspannungseingang 24 die von einer Batterie 26 gelieferte Batteriespannung V_Bat, während die Hilfs ladungspumpe 22 an ihrem Versorgungsspannungseingang 28 die Aus gangsspannung V_A der Ladungspumpe 12 empfängt.

Die beiden Ladungspumpen 12 und 22 sind gleichartig aufgebaut. Sie enthalten jeweils vier Feldeffekttransistoren, deren Source-Drain- Strecken in Serie geschaltet sind. Bei den Feldeffekttransistoren P1, P2, P3 und P1', P2', P3' handelt es sich um p-Kanal-Feldeffekt transistoren, während die Transistoren N und N1' n-Kanal-Transistoren sind. Die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren P1, P3 in der Ladungspumpe 12 und die Feldeffekttransistoren P1', P3' in der Hilfsladungspumpe 22 sind miteinander und mit dem Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors N1 bzw. N1' verbunden. In jeder Ladungspumpe liegt parallel zu dem Feldeffekttransistoren P2, P3 bzw. P2', P3' ein Kondensator C1 bzw. C1'. Die Versorgungsspannung wird den Ladungs pumpen am Verbindungspunkt der Source-Drain-Strecken der Feldeffekt transistoren P2, P3 bzw. P2', P3' zugeführt. In jeder Ladungspumpe wird der Feldeffekttransistor P2 bzw. P2' von der Taktphase Φ gesteuert, während die drei anderen Feldeffekttransistoren in ihrer Ladungspumpe von der Taktphase Φ gesteuert werden.

Mit dem Ausgang 30 der Hilfsladungspumpe 22 ist der Gate-Anschluß eines p-Kanal-Feldeffekttransistors P4 verbunden, dessen Source-Drain- Strecke zwischen der Batterie 26 und dem Ausgang 16 der Ladungs pumpe 12 liegt.

Die Schaltungsanordnung von Fig. 1 enthält ferner eine Stromspiegel schaltung 32, die im Eingangszweig einen Widerstand R und einen damit in Serie geschalteten n-Kanal-Transistor N3 enthält, während der Ausgangszweig einen weiteren n-Kanal-Feldeffekttransistor N2 enthält. Die Stromspiegelschaltung 32 erzeugt einen durch die Source-Drain- Strecke des n-Kanal-Feldeffekttransistors N2 fließenden kleinen begrenzten Strom, dessen Wert durch den Widerstand R festgelegt werden kann, der mit einem Ende an der Batteriespannung V_Bat liegt.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Wenn an die Schaltungsanordnung von Fig. 1 die Batteriespannung V_Bat angelegt wird, gelangt diese Spannung auch an den Versorgungs spannungseingang 24 der Ladungspumpe 12 und über den Feldeffekt transistor P4 an den Versorgungsspannungseingang 14 des Taktgenerators 10. Ebenso gelangt diese Spannung an den Versorgungsspannungseingang 28 der Hilfsladungspumpe 22. Die Stromspiegelschaltung 32 erzeugt einen begrenzten kleinen Strom, durch den Feldeffekttransistor N2, der dafür sorgt, daß der Feldeffekttransistor P4 sicher in leitenden Zustand gehalten wird und somit die volle Batteriespannung V_Bat an den Taktgenerator 10 gelangt. Der Taktgenerator 10 beginnt an seinen Ausgängen 18 und 20 die Taktphasen Φ und Φ zur Steuerung der Ladungspumpe 12 abzugeben. Da der Ausgang 16 der Ladungspumpe 12 mit dem Versorgungsspannungseingang 14 des Taktgenerators 10 verbunden ist, und auf dem Spannungswert V_Bat liegt, ist sichergestellt, daß die Spannungswerte der Taktphasen Φ und Φ nicht kleiner als die von der Ladungspumpe 12 am Ausgang 16 abgegebene Spannung sind. Die in Ladungspumpe 12 enthaltenen Feldeffekttransistoren können daher sauber vom voll leitenden in den voll gesperrten Zustand geschaltet werden, was eine Voraussetzung dafür ist, daß die Ladungspumpe 12 an ihrem Ausgang 16 eine bis auf den doppelten Wert der Batteriespannung V_Bat ansteigende Spannung V_A abgeben kann.

Für den weiteren Betrieb der Schaltungsanordnung ist es aber not wendig, daß der Feldeffekttransistor P in den gesperrten Zustand über geht, sobald die Ladungspumpe 12 ihre Ausgangsspannung V_A auf einen Wert "gepumpt" hat, der größer als die Batteriespannung V_Bat ist. Um dies sicherzustellen, enthält die Schaltungsanordnung die Hilfs ladungspumpe 22, die ebenso wie die Ladungspumpe 12 vom Taktgenerator 10 gesteuert wird. Diese Hilfsladungspumpe 22 ist wesentlich kleiner dimensioniert, sie liefert an ihrem Ausgang 30 lediglich einen kleinen Strom, der ausreicht, die Gate-Kapazität des Feldeffekttransistors P4 zu laden, während die entsprechende Spannung an seinem Gate-Anschluß so weit ansteigt, daß er vollständig gesperrt wird.

Die Sperrwirkung des Feldeffekttransistors P4 tritt immer erst dann ein, wenn der Taktgenerator 10 bereits einwandfrei arbeitet, da, wie erwähnt, die Hilfsladungspumpe 22 von den gleichen Taktphasen wie die Ladungspumpe 12 angesteuert wird. Das Sperren des Feldeffekt transistors P4 setzt daher genau zum richtigen Zeitpunkt, weder zu früh noch zu spät, ein.

Claims

Schaltungsanordnung zur Verdoppelung der Spannung einer Batterie mittels einer durch die Batteriespannung gespeisten Ladungspumpe, die von einem Taktgenerator gesteuert ist, dessen Versorgungsspannung die vom Ausgang der Ladungspumpe abgegebene Ausgangsspannung ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindung zwischen dem Ausgang der Ladungspumpe (12) und der Batterie (26) die Source-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors (P4) eingefügt ist, der leitend ist, wenn seine Gate-Spannung kleiner als seine Source-Spannung ist, daß mit dem Gate- Anschluß dieses Feldeffekttransistors (P4) der Ausgangsschaltungszweig (N2) einer Stromspiegelschaltung (32) verbunden ist, durch den ein begrenzter kleiner Strom von dem Gate-Anschluß nach Masse ableitbar ist, und daß eine Hilfsladungspumpe (22) vorgesehen ist, die ihre Versorgungsspannung vom Ausgang der Ladungspumpe (12) erhält und die ebenfalls von dem Taktgenerator (10) gesteuert ist, wobei die von dieser Hilfsladungspumpe (22) erzeugte Spannung an den Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors (P4) gelegt ist.