DE10118158A1 - Energiesparende Stromversorgungsanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanordnung zur geeigneten Stromversorgung von elektrischen Schaltkreisen (4, 5) bei gegebenen Verhältnissen. Die Stromversorgungsanordnung umfaßt eine Hauptstromversorgung (2), eine Nebenstromversorgung (3) sowie Schaltmittel (6). Die Schaltmittel (6) sind derart ausgelegt, daß sie in Abhängigkeit von den gegebenen Verhältnissen, welches insbesondere ein Bereitschaftsbetrieb sein kann, eine Ausschaltung der Hauptstromversorgung (2) oder eine Entkopplung der Hauptstromversorgung (2) von den Schaltktreisen (4, 5) bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanordnung, mit welcher die Stromversorgung von elektrischen Schaltkreisen dem Betriebsmodus angepaßt werden kann.

Integrierte CMOS-Schaltkreise weisen häufig das Problem auf, daß Leckströme in den Schaltkreisen unvermeidbar sind. Leck­ ströme treten besonders in solchen Bereichen der Schaltkreise auf, die im aktiven Betrieb mit einer hohen Taktfrequenz be­ trieben werden und somit auf schnelle Schaltgeschwindigkeit optimiert sind. Die Folge davon sind Leckströme auch während Betriebszeiten, während denen keine Schaltvorgänge vorgesehen sind.

Insbesondere bei tragbaren, batteriebetriebenen Geräten, wie z. B. Mobiltelefonen, schnurlosen Fernsprechgeräten oder Chip­ karten, die über längere Zeiträume im Bereitschaftsbetrieb gehalten werden müssen, wird durch Leckströme ein erheblicher Teil der von der Batterie zur Verfügung gestellten Energie verbraucht. Um eine lange Betriebsdauer derartiger Geräte oh­ ne ein erneutes Aufladen der Batterie zu ermöglichen, ist es besonders bei diesen Geräten erwünscht, die Leckströme zu mi­ nimieren.

Bisherige Lösungen zur Reduzierung der Ströme im Bereit­ schaftsbetrieb sehen eine Abschaltung des Takts oder eine Re­ duzierung der Taktfrequenz vor. Allerdings führen diese Maß­ nahmen beispielsweise nicht zu einer Reduzierung der Leck­ ströme während des Bereitschaftsbetriebs des betreffenden Ge­ räts, da Leckströme in einem Schaltkreis bei einer anliegen­ den Versorgungsspannung stets fließen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strom­ versorgungsanordnung für elektrische Schaltkreise zu schaffen, welche insbesondere im Bereitschaftsbetrieb der Schalt­ kreise einen geringen Energieverbrauch ermöglicht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, daß ei­ ne Stromversorgungsanordnung, die zur geeigneten Stromversor­ gung einer Mehrzahl von elektrischen Schaltkreisen bei gege­ benen Verhältnissen dient, eine Hauptstromversorgung, eine Nebenstromversorgung sowie Schaltmittel aufweist. Die Schalt­ mittel sind derart ausgelegt, daß sie unter Berücksichtigung der gegebenen Verhältnisse eine Ausschaltung der Hauptstrom­ versorgung bewirken oder alternativ dazu Verbindungen der Hauptstromversorgung zu den Schaltkreisen unterbrechen. Eine Ausschaltung der Hauptstromversorgung bzw. Entkopplung der Hauptstromversorgung von den Schaltkreisen kann beispielswei­ se während eines Bereitschaftsbetriebs erfolgen. Nach der er­ folgten Ausschaltung bzw. Entkopplung der Hauptstromversor­ gung liegt an den Schaltkreisen keine von der Hauptstromver­ sorgung generierte Versorgungsspannung an. Dadurch kann auch kein von der Hauptstromversorgung verursachter Leckstrom fließen. Lediglich Schaltkreise, die mit der Nebenstromver­ sorgung verbunden sind, weisen in diesem Fall noch Leckströme auf. Je mehr Schaltkreise ausschließlich an die Hauptstrom­ versorgung gekoppelt sind, desto größer ist der Wegfall von Leckströmen im Fall eines Ausschaltens oder Entkoppelns der Hauptstromversorgung. Dadurch werden die Leckströme unter Um­ ständen in einen beträchtlichen Umfang reduziert und es kann der von der Stromversorgungsanordnung verursachte Energiever­ brauch minimiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die gegebenen Verhältnisse von einem Betriebsmodus der Schaltkreise bestimmt. Beispielsweise wird während eines Bereitschaftsbetriebs die Hauptstromversorgung ausgeschaltet oder von den Schaltkreisen entkoppelt. Der Bereitschaftsbe­ trieb kann auch das Gerät betreffen, in welches die Schalt­ kreise integriert sind.

Während des Bereitschaftsbetriebs werden einige Schaltkreise nicht benötigt. Sofern ausschließlich solche Schaltkreise von der Hauptstromversorgung betrieben werden, auf deren Funktion während des Bereitschaftsbetriebs verzichtet werden kann, kann die Hauptstromversorgung während des Bereitschaftsbe­ triebs ausgeschaltet oder von diesen Schaltkreisen entkoppelt werden. Diejenigen Schaltkreise, deren Betrieb während des Bereitschaftsbetriebs aufrecht erhalten werden muß, werden von der Nebenstromversorgung mit Spannung versorgt. Als Folge des Ausschaltens oder Entkoppelns der Hauptstromversorgung können im Bereitschaftsbetrieb keine Leckströme durch die an die Hauptstromversorgung angeschlossenen Schaltkreise flie­ ßen. Dieses reduziert insgesamt den Leistungsbedarf der Schaltkreise erheblich. Insbesondere gilt dieses für Schalt­ kreise, die sich über längere Zeitabschnitte im Bereit­ schaftsbetrieb befinden.

Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Nebenstromversor­ gung einen geringen Ruhestrom aufweist. Dieses ist von Vor­ teil, da die Nebenstromversorgung während der gesamten Be­ triebsdauer der Stromversorgungsanordnung betrieben wird. Falls während eines Betriebsabschnitts die von der Neben­ stromversorgung mit Spannung versorgten Schaltkreise einen geringen Energiebedarf aufweisen, ist der Energieverbrauch der Nebenstromversorgung während dieser Zeit aufgrund ihres geringen Ruhestroms ebenfalls gering.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist da­ durch gekennzeichnet, daß die Hauptstromversorgung als Schaltregler ausgelegt ist. Schaltregler zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade von mehr als 90% aus. Dieses ist insbeson­ dere bei hohen Lastströmen der Fall. Da die Hauptstromversorgung zweckmäßigerweise an solche Schaltkreise gekoppelt ist, die einen hohen Eingangsstrom benötigen, ist diese Ausgestal­ tung besonders vorteilhaft.

Vorteilhafterweise kann der Schaltregler, der für die Haupt­ stromversorgung verwendet wird, ein Schaltregler mit Pulswei­ tenmodulation sein. Diese Maßnahme hat über den hohen Wir­ kungsgrad des Schaltreglers hinaus zum Vorteil, daß das Stör­ spektrum, welches von dem Schaltregler abgestrahlt wird, be­ grenzt ist. Insbesondere gewährleistet die spektrale Begren­ zung des Störspektrums bei einer Implementierung der erfin­ dungsgemäßen Stromversorgungsanordnung in ein Mobiltelefon eine von der Stromversorgungsanordnung weitgehend unbeein­ trächtigte Empfangsempfindlichkeit des Mobiltelefons.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung kann die Neben­ stromversorgung als Linearregler ausgelegt sein. Der Wir­ kungsgrad eines Linearreglers liegt zwar nur im Bereich von 25 bis 50%, ein Linearregler zeichnet sich dafür aber durch einen sehr geringen Ruhestrom aus. In der Regel werden von der Nebenstromversorgung nur die Schaltkreise betrieben, de­ ren Betrieb auch während eines Bereitschaftsbetriebs erfor­ derlich ist. Der Gesamtleistungsbedarf dieser Schaltkreise ist im Vergleich zu dem Gesamtleistungsbedarf der übrigen Schaltkreise gering. Daher überwiegt in diesem Fall der Vor­ teil des geringen Ruhestroms des Linearreglers den Nachteil seines kleinen Wirkungsgrads.

Ein erfindungsgemäßes Schaltkreissystem umfaßt mindestens ei­ nen ersten Schaltkreis, mindestens einen zweiten Schaltkreis und eine Stromversorgungsanordnung, welche eines oder mehrere der oben beschriebenen Merkmale aufweist. Der mindestens eine erste Schaltkreis kann von der Hauptstromversorgung mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt werden. Der mindestens eine zweite Schaltkreis wird von der Nebenstromversorgung betrie­ ben. Beispielsweise benötigt der mindestens eine erste Schaltkreis im Mittel einen höheren Eingangsstrom als der mindestens eine zweite Schaltkreis. Diese Maßnahme ist von Vorteil, wenn beispielsweise ein elektrisches Gerät eine Mehrzahl von Schaltkreisen aufweist, und nicht grundsätzlich sämtliche Schaltkreise während der gesamten Betriebsdauer be­ trieben werden müssen. Diejenigen Schaltkreise, die nicht grundsätzlich ständig mit Spannung versorgt werden müssen, gehören in dieser Ausgestaltung zu den ersten Schaltkreisen. Die übrigen Schaltkreise gehören zu der Gruppe der zweiten Schaltkreise und ihre Stromversorgung wird während des Be­ triebs des betreffenden Geräts von der Nebenstromversorgung stets aufrecht erhalten.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, daß das Schaltkreis­ system eine Trennlogik umfaßt. Die Aufgabe der Trennlogik ist es, bei ausgeschalteter oder entkoppelter Hauptstromversor­ gung den mindestens einen ersten Schaltkreis von dem minde­ stens einen zweiten Schaltkreis zu entkoppeln. Insbesondere gewährleistet die Trennlogik, daß bei ausgeschalteter oder entkoppelter Hauptstromversorgung Eingänge des mindestens ei­ nen zweiten Schaltkreis sich auf definierten Logikpegeln, welches insbesondere 0 und 1 sind, befinden. Dadurch verhin­ dert die Trennlogik, daß im mindestens einen zweiten Schalt­ kreis durch den mindestens einen ersten Schaltkreis im ausge­ schalteten Zustand von undefinierten Signalausgangspegeln verursachte Leckströme fließen. Solche Leckströme können bei­ spielsweise bei digitalen CMOS-Schaltungen dadurch hervorge­ rufen werden, daß sich der Eingang eines logischen Gatters weder auf einem niedrigen, einer 0 entsprechenden Pegel noch auf einem hohen, einer 1 entsprechenden Pegel befindet, son­ dern auf einem dazwischenliegenden Pegel. In diesem Fall wer­ den die Eingänge des mindestens einen ersten Schaltkreises bei einer Ausschaltung oder Entkopplung der Hauptstromversor­ gung durch ein geeignetes Steuersignal von der Trennlogik auf einen definierten Pegel, welcher entweder 0 oder 1 sein kann, geschaltet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltkreissystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltkreissystem eine Steuerlogik zur Ausschaltung der Hauptstromversorgung oder zur Entkopplung der Hauptstromver­ sorgung von dem mindestens einen ersten Schaltkreis aufweist. Die Steuerlogik kann die Ausschaltung bzw. Entkopplung der Hauptstromversorgung beispielsweise während eines Bereit­ schaftbetriebs steuern. Dazu ist es notwendig, daß die Steu­ erlogik Informationen über den Beginn und das Ende des Be­ reitschaftsbetriebs erhält. Diese Informationen können von dem mindestens einen ersten Schaltkreis, von dem mindestens einen zweiten Schaltkreis oder von einem externen Schaltkreis vorgegeben werden.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Steuerlogik auch zur Steuerung der Trennlogik dient. Dieses gewährleistet ein zeitgleiches Entkoppeln des mindestens einen ersten Schalt­ kreises von dem mindestens einen zweiten Schaltkreis mit dem Ausschalten oder Entkoppeln der Hauptstromversorgung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zumindest der mindestens eine erste Schaltkreis und der mindestens eine zweite Schaltkreis auf einem gemeinsamen Sub­ strat monolithisch integriert. Beispielsweise weist der min­ destens eine erste Schaltkreis einen Mikrocontroller auf. Darüber hinaus kann der Mikrocontroller vorteilhafterweise auf einen Speicherbereich im mindestens einen zweiten Schalt­ kreis zugreifen. In dem Speicherbereich des mindestens einen zweiten Schaltkreises können Daten während einer Ausschalt- oder Entkopplungsphase der Hauptstromversorgung zwischenge­ speichert werden. Nach dem Ende der Ausschalt- oder Entkopp­ lungsphase können die Daten von dem Mikrocontroller zu dem mindestens einen ersten Schaltkreis zurücktransferiert wer­ den. Dort können die Daten dazu herangezogen werden, den Mi­ krocontroller oder Speicherbereiche und Register, die sich in dem mindestens einen ersten Schaltkreis befinden, wieder in die Zustände zurückzuversetzen, in denen sie sich vor der Ausschalt- oder Entkopplungsphase befunden haben. Zu diesem Zweck muß der Mikrocontroller vor dem Beginn der Ausschalt- oder Entkopplungsphase sämtliche erforderlichen Daten in dem Speicherbereich des mindestens einen zweiten Schaltkreises ablegen.

Des weiteren kann vorteilhafterweise das erfindungsgemäße Schaltkreissystem in einem tragbaren Kommunikationsendgerät, wie z. B. einem Mobiltelefon, eingesetzt werden. Ein wesentli­ ches Qualitätsmerkmal eines Mobiltelefons ist seine netzunab­ hängige Betriebsdauer, d. h. der Zeitraum, über welchen das Mobiltelefon ohne erneutes Aufladen der Batterie eingesetzt werden kann. Während des Betriebs befindet sich das Mobilte­ lefon die meiste Zeit im Bereitschaftsbetrieb. Daher ist hier der Einsatz eines erfindungsgemäßen Schaltkreissystems beson­ ders günstig, da ein solches Schaltkreissystem eine hohe Energieeinsparung während des Bereitschaftsbetriebs ermög­ licht.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die einzige Figur zeigt schematisch ein erfin­ dungsgemäßes Schaltkreissystem.

Die Figur zeigt eine elektrisches Gerät 1. Das Gerät 1 weist eine Hauptstromversorgung 2, eine Nebenstromversorgung 3, Schaltkreise 4 und 5, eine Steuerlogik 6 und eine Trennlogik 7 auf. Die Hauptstromversorgung 2 stellt für die Schaltkreise 4 eine Versorgungsspannung zur Verfügung. Die Schaltkreise 5 werden von der Nebenstromversorgung 3 mit Spannung versorgt. Sofern das Gerät 1 von dem aktiven Betrieb in einen Bereit­ schaftsbetrieb umgeschaltet wird, schaltet die Steuerlogik 6 die Hauptstromversorgung 2 aus. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, daß die Steuerlogik 6 die Hauptstromversor­ gung 2 nicht ausschaltet, sondern lediglich die Verbindungen zwischen der Hauptstromversorgung 2 und den Schaltkreisen 4 unterbricht. Im Gegensatz zu der Hauptstromversorgung 2 wird der Betrieb der Nebenstromversorgung 3 auch während des Be­ reitschaftsbetriebs weiter aufrecht erhalten. Die Schaltkrei­ se 5 umfassen demnach die Schaltkreise, deren Funktion auch während des Bereitschaftsbetriebs benötigt wird. Demgegenüber ist die Funktion der Schaltkreise 4 während des Bereit­ schaftsbetriebs entbehrlich. Dieses hat zur Folge, daß an den Schaltkreisen 4 während des Bereitschaftsbetriebs keine von der Hauptstromversorgung 2 generierte Spannung anliegt. Daher kann es in den Schaltkreisen 4 zu keinen Leckströmen während des Bereitschaftsbetriebs kommen, wodurch eine Energieeinspa­ rung des Geräts 1 während des Bereitschaftsbetriebs erzielt wird.

Die Trennlogik 7 unterbricht während des Bereitschaftsbe­ triebs die Verbindungen zwischen den Schaltkreisen 4 und 5. Dieses ist notwendig, damit während des Bereitschaftsbetriebs keine über die Verbindungen übertragenen Potentiale an den Schaltkreisen 5 anliegen. Ansonsten würden die Ausgangspegel der abgeschalteten Schaltkreise 4 möglicherweise Leckströme in den Schaltkreisen 5 verursachen, da die Eingänge der Schaltkreise 5 auf undefinierten Pegeln lägen und damit in den Eingangsstufen Querströme erzeugt würden. Die Trennlogik 7 wird ebenfalls von der Steuerlogik 6 gesteuert.

Nach Beendigung des Bereitschaftsbetriebs wird von der Steu­ erlogik 6 die Hauptstromversorgung 2 wieder eingeschaltet bzw. die Steuerlogik 6 stellt die Verbindungen zwischen der Hauptstromversorgung 2 und den Schaltkreisen 4 wieder her. Des weiteren wird ein Steuersignal von der Steuerlogik 6 an die Trennlogik 7 übermittelt, so daß die Trennlogik 7 die Verbindungen zwischen den Schaltkreisen 4 und 5 wieder her­ stellt.

Claims (16)

1. Stromversorgungsanordnung zur geeigneten Stromversorgung einer Mehrzahl von elektrischen Schaltkreisen bei gegebenen Verhältnissen, welche eine Hauptstromversorgung (2), eine Ne­ benstromversorgung (3) sowie Schaltmittel (6) aufweist, wobei die Schaltmittel (6) derart beschaffen sind, daß durch sie in Abhängigkeit von den gegebenen Verhältnissen eine Ausschal­ tung der Hauptstromversorgung (2) oder eine Entkopplung der Hauptstromversorgung (2) von den Schaltkreisen erfolgt.

2. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (6) derart beschaffen sind, daß durch sie in Abhängigkeit von einem gegebenen Betriebsmodus der Schaltkreise die Ausschaltung der Hauptstromversorgung (2) oder die Entkopplung der Hauptstromversorgung (2) von den Schaltkreisen erfolgt.

3. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (6) derart beschaffen sind, daß durch sie während eines Bereitschaftbetriebs die Ausschaltung der Hauptstromversorgung (2) oder die Entkopplung der Hauptstromversorgung (2) von den Schaltkreisen erfolgt.

4. Stromversorgungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenstromversorgung (3) einen geringen Ruhestrom aufweist.

5. Stromversorgungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromversorgung (2) als Schaltregler ausge­ legt ist.

6. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromversorgung (2) als Schaltregler mit Pulsweitenmodulation ausgelegt ist.

7. Stromversorgungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenstromversorgung (3) als Linearregler ausge­ legt ist.

8. Schaltkreissystem mit mindestens einem ersten Schaltkreis (4), mindestens einem zweiten Schaltkreis (5) und einer Stromversorgungsanordnung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine erste Schaltkreis (4) durch die Hauptstromversorgung (2) mit einer Versorgungsspannung beaufschlagbar ist und der mindestens ei­ ne zweite Schaltkreis (5) durch die Nebenstromversorgung (3) mit der Versorgungsspannung beaufschlagbar ist.

9. Schaltkreissystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine erste Schaltkreis (4) im Mittel einen höheren Leistungsbedarf als der mindestens eine zweite Schaltkreis (5) aufweist.

10. Schaltkreissystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltkreissystem eine Trennlogik (7) umfaßt, wel­ che bei ausgeschalteter oder von dem mindestens einen er­ sten Schaltkreis (4) entkoppelter Hauptstromversorgung (2) den mindestens einen ersten Schaltkreis (4) von dem minde­ stens einen zweiten Schaltkreis (5) entkoppelt.

11. Schaltkreissystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennlogik (7) derart ausgelegt ist, daß die Trennlogik (7) bei ausgeschalteter oder von dem mindestens einen ersten Schaltkreis (4) entkoppelter Hauptstromver­ sorgung (2) sicherstellt, daß Eingänge des mindestens ei­ nen zweiten Schaltkreis (5) sich auf definierten Logikpe­ geln, welches insbesondere 0 und 1 sind, befinden.

12. Schaltkreissystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltkreissystem eine Steuerlogik (6) zur Steue­ rung der Ausschaltung der Hauptstromversorgung (2) oder zur Entkopplung der Hauptstromversorgung (2) von dem min­ destens einen ersten Schaltkreis (4) und insbesondere zur Steuerung der Trennlogik (7) umfaßt.

13. Schaltkreissystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der mindestens eine erste Schaltkreis (4) und der mindestens eine zweite Schaltkreis (5) auf einem gemeinsamen Substrat monolithisch integriert sind.

14. Schaltkreissystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine erste Schaltkreis (4) einen Mikro­ controller aufweist.

15. Schaltkreissystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller Zugriff auf einen Speicherbereich im mindestens einen zweiten Schaltkreis (5) hat, welcher zur Zwischenspeicherung von Daten während einer Ausschalt- oder Entkopplungsphase der Hauptstromversorgung (2) dient.

16. Tragbares Kommunikationsendgerät mit einem Schaltkreissy­ stem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 15.