DE102004032465A1

DE102004032465A1 - Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung

Info

Publication number: DE102004032465A1
Application number: DE102004032465A
Authority: DE
Inventors: Vincent Thiery
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2005-05-25
Also published as: JP3996147B2; US20050007076A1; JP2005032260A; US6924626B2

Abstract

Eine Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung umfasst einen Bootstrap-Kondensator (CBS), einen Halbleiterschalter (QBS), der durch einen Steueranschluss gesteuert wird, wobei der Steueranschluss mit einer Ladestromquelle für den Bootstrap-Kondensator (CBS) gekoppelt ist und der Halbleiterschalter (QBS) zwei Hauptanschlüsse aufweist, wobei der erste Hauptanschluss mit der Ladestromquelle und der zweite Hauptanschluss mit dem Bootstrap-Kondensator gekoppelt ist, und mit einem Spannungsregel-Bauteil (DZ), das eine Regelspannung aufweist, und mit dem Steueranschluss des Halbleiterschalters (QBS) gekoppelt ist, wobei der Halbleiterschalter abschaltet, wenn eine Spannung längs des Kondensators angenähert gleich der Regelspannung des Spannungsregel-Bauteils ist, wodurch der Ladestrom in dem Bootstrap-Kondensator begrenzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung sowie auf ein Verfahren zum Laden eines Bootstrap-Kondensators der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 8 genannten Art.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung mit begrenztem Ladestrom.
Bootstrap-Kondensatoren werden in vielen Fällen in elektronischen Schaltungen verwendet, um eine Leistungsquelle abzuleiten, üblicherweise für Schaltungen, die eine Versorgung mit niedrigem Strom erfordern. In vielen Fällen wird die Bootstrap-Leistungsversorgung von einem Signal abgeleitet, das in der elektronischen Schaltung vorhanden ist, wie z. B. von einem Ansteuersignal, und die Ladung wird in einem Bootstrap-Kondensator zur Verwendung bei der Leistungsversorgung eines anderen Teils der elektronischen Schaltung gespeichert. In vielen Fällen ist die Spannung eine andere Spannung, als die Haupt-Versorgungsspannung der Schaltung. 1 zeigt eine typische bekannte Bootstrap-Schaltung. Eine integrierte Schaltung IC weist einen Anschluss 10 auf, an dem ein Signal, beispielsweise ein pulsierendes Ansteuer- oder Steuersignal, anliegen kann. Während der Zeiten, zu denen ein Impuls vorhanden ist, wird ein Strom durch einen Widerstand R und eine Bootstrap-Diode DBS an einen Ladungsspeicher-Kondensator oder einen Bootstrap-Kondensator CBS geliefert. Eine Zener-Diode DZ kann verwendet werden, um die Spannung zu begrenzen, die längs CBS erzeugt werden kann, wodurch sich eine geregelte Bootstrap-Spannungsquelle VBS für Schaltungen innerhalb der integrierten Schaltung oder außerhalb der integrierten Schaltung ergibt. In 1 ist die Diode DZ innerhalb der integrierten Schaltung gezeigt, obwohl sie ein getrenntes externes Bauteil sein kann. In ähnlicher Weise können der Widerstand R und die Diode DBS innerhalb der integrierten Schaltung angeordnet sein, oder sie können außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet sein. Im Allgemeinen ist jedoch der Bootstrap-Kondensator CBS aufgrund seiner Größe ein externes Bauteil.
Ein Problem bei der bekannten Konstruktion besteht darin, dass der Bootstrap-Kondensator CBS zu allen Zeiten geladen wird, wenn der Impuls an dem Versorgungsleitungsanschluss 10 anliegt. Dies kann eine Vergeudung von Leistung darstellen. In Abhängigkeit von den von CBS gespeisten Schaltungen kann es unnötig sein, CBS zu allen Zeiten zu laden, wenn ein Impuls an der Leitung 10 vorhanden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung bzw. ein Verfahren zum Laden eines Bootstrap-Kondensators zu schaffen, die bzw. das den Ladestrom in den Bootstrap-Kondensator so begrenzt, wie dies Schaltungen benötigen, die mit dem Bootstrap-Kondensator gekoppelt sind, wodurch die Effizienz vergrößert und der Leistungsbedarf verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. 8 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird eine Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung geschaffen, die einen Bootstrap-Kondensator, einen Halbleiterschalter, der durch einen Steueranschluss gesteuert ist, wobei der Steueranschluss mit einer Quelle von Ladestrom für den Bootstrap-Kondensator gekoppelt ist und der Schalter zwei Hauptanschlüsse aufweist, von denen der erste Hauptanschluss mit der Quelle des Ladestroms gekoppelt ist, während der zweite Hauptanschluss mit dem Bootstrap-Kondensator gekoppelt ist, und ein Spannungsregler-Bauteil umfasst, das eine Regelspannung aufweist und mit dem Steueranschluss des Schalters gekoppelt ist, wobei der Schalter abgeschaltet wird, wenn eine Spannung längs des Kondensators angenähert gleich der Regelspannung des Spannungsregel-Bauteils wird, wodurch der Ladestrom in den Bootstrap-Kondensator begrenzt wird.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Laden eines Bootstrap-Kondensators geschaffen, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Ladestroms für den Bootstrap-Kondensator an einem Steueranschluss eines Halbleiterschalters, und Bereitstellen des Ladestroms über einen Leitungspfad, der die Hauptanschlüsse des Halbleiterschalters zum Bootstrap-Kondensator umfasst, Abschalten des Schalters zum Verhindern des Fließens eines Ladestroms in dem Bootstrap-Kondensator, wenn der Bootstrap-Kondensator eine vorgegebene Spannung erreicht hat, und Einschalten des Schalters, wenn die Spannung des Bootstrap-Kondensators unter die vorgegebene Spannung abgesunken ist.

Die Erfindung spart somit Leistung und kann insbesondere für die sogenannte „Mikroleistungs-Betriebsart" nützlich sein.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.

Die Erfindung wird nunmehr mit weiteren Einzelheiten in der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine bekannte Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung zeigt;
2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeschaltung zeigt;
3 eine weitere Ausführungsform der Ladeschaltung gemäß der Erfindung zeigt; und
4 Schwingungsformen zeigt, die die Erläuterung der Erfindung unterstützen.
In 2 eine Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die den Ladestrom in den Bootstrap-Kondensator nach Bedarf begrenzt, um den Leistungsbedarf zu verringern. Die Schaltung gemäß der Erfindung schließt einen Widerstand R, einen Transistor QBS, eine Zener-Diode DZ und einen Bootstrap-Kondensator CBS ein. Wenn eine Spannung oder ein Impuls an der Leitung 10 anliegt, fließt ein Strom über den Widerstand R durch die Zener-Diode DZ. Wenn die Spannung ausreichend ist, ergibt sich an der Zener-Diode DZ ein Lawinendurchbruch bei deren Zener-Spannung. Der Transistor QBS schaltet ein, sobald die VBE-Schwellenwertspannung, typischerweise 0,7 Volt, überschritten wird. Ein Strom fließt entsprechend von dem Anschluss 10 durch den Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors QBS, wodurch der Bootstrap-Kondensator CBS geladen wird. In Abhängigkeit von dem Leistungsbedarf der von dem Bootstrap-Kondensator CBS mit Leistung versorgten elektronischen Schaltung wird, wenn der Kondensator CBS bis auf die Zener-Spannung der Zener-Diode DZ aufgeladen wird, der Transistor QBS abgeschaltet, weil die Basis-Emitter-Spannung unterhalb des Schwellenwertes zum Einschalten des Transistors QBS liegt. Sollte die Spannung längs des Kondensators CBS um die Schwellenwertspannung des Transistors QBS unter die Zener-Spannung absinken, so schaltet der Transistor CBS wieder ein und es fließt erneut ein Strom in den Kondensator CBS. Entsprechend wird der Ladestrom in den Kondensator CBS begrenzt, und ein Strom fließt lediglich in den Kondensator CBS so weist, wie dies in Abhängigkeit von der Last erforderlich ist, die von der in dem Kondensator CBS gespeicherten Ladung mit Leistung versorgt wird.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform unter Verwendung eines MOSFET Q'BS. Diese Schaltung arbeitet im Wesentlichen in der gleichen Weise. Die Einschalt-Schwellenwertspannung eines MOSFET hängt von der Hauptkörper- oder Substrat-Verbindung ab und kann groß sein, wenn das Substrat nicht mit der Source verbunden ist. Wenn beispielsweise das Substrat mit der Source verbunden ist, so kann V_TH bei ungefähr 1 Volt liegen. Wenn das Substrat nicht mit der Source verbunden ist, so kann V_TH ungefähr 3V betragen. Bipolare Bauteile stehen nicht immer zur Verfügung, so dass die Verwendung eines MOSFET erforderlich sein kann.
4 zeigt einen Vergleich der Betriebsweise der bekannten Schaltung und der Schaltung gemäß der Erfindung. Wie dies gezeigt ist, ist der von dem Kondensator bei der bekannten Schaltung gezogene Strom bei Fehlen irgendeiner Last und unter der Annahme der Zuführung einer Gleichspannung an dem Anschluss 10 konstant. Im Gegensatz hierzu wird bei der Schaltung gemäß der Erfindung unter der Annahme einer konstanten Gleichspannung an dem Anschluss 10 und fehlender Last der Kondensator aufgeladen und der Strom durch den Kondensator wird verringert, sobald dieser eine Spannung erreicht hat, die angenähert gleich der Zener-Dioden-Durchbruchspannung ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, sind viele andere Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann naheliegend. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht durch die spezielle vorstehende Beschreibung sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung mit einem Bootstrap-Kondensator, gekennzeichnet durch einen Halbleiterschalter (QBS), der durch einen Steueranschluss gesteuert ist, wobei der Steueranschluss mit einer Ladestromquelle für den Bootstrap-Kondensator (CBS) gekoppelt ist, wobei der Schalter zwei Hauptanschlüsse aufweist, von denen der erste Hauptanschluss mit der Quelle des Ladestroms und der zweite Hauptanschluss mit dem Bootstrap-Kondensator gekoppelt ist, und ein Spannungsregler-Bauteil (DZ) mit einer Regelspannung, das mit dem Steueranschluss des Schalters (QBS) gekoppelt ist, wobei der Schalter abschaltet, wenn eine Spannung längs des Kondensators (CBS) angenähert gleich der Regelspannung des Spannungsregel-Bauteils (DZ) ist, wodurch der Ladestrom in dem Bootstrap-Kondensator (CBS) begrenzt wird.
Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen einen Spannungsabfall hervorrufenden Widerstand (R), der zwischen der Ladestromquelle und dem Steueranschluss des Halbleiterschalters (QBS) eingeschaltet ist.
Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsregel-Bauteil eine Zener-Diode (DZ) umfasst.
Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (QBS) einen bipolaren Transistor umfasst.
Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter ein MOSFET (Q'BS) ist.
Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung nach Anspruch 1, bei der der Halbleiterschalter (QBS) und die Zener-Diode (DZ) in einer integrierten Schaltung angeordnet sind.
Bootstrap-Kondensator-Ladeschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (QBS), die Zener-Diode (DZ) und der Widerstand (R) in einer integrierten Schaltung angeordnet sind.
Verfahren zum Laden eines Bootstrap-Kondensators mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Ladestroms für den Bootstrap-Kondensator (CBS) an einem Steueranschluss eines Halbleiterschalters (QBS) und Liefern des Ladestroms über einen Leitungspfad, der die Hauptanschlüsse des Halbleiterschalters umfasst, an den Bootstrap-Kondensator; Abschalten des Halbleiterschalters zum Verhindern des Fließens eines Ladestroms in den Bootstrap-Kondensator, wenn der Bootstrap-Kondensator eine vorgegebene Spannung erreicht hat; und Einschalten des Halbleiterschalters, wenn die Spannung an dem Bootstrap-Kondensator unter eine vorgegebene Spannung abgesunken ist.>
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Ausschaltens und Einschaltens des Halbleiterschalters durch ein Spannungsregel-Bauteil (DZ) gesteuert werden, der mit dem Ladestrom gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Ausschalten des Schalters zum Einsparen von Leistung und für einen Betrieb in einer Mikroleistungs-Betriebsart.