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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Pegelumsetzer zur Ansteuerung einer Last und einem Spannungsregler zur Versorgung der Last.
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Pegelumsetzer dienen in hinlänglich bekannter Weise dazu, ein auf ein erstes Potential bezogenes erstes Signal auf ein zweites Signal umzusetzen, das auf ein höheres zweites Potential bezogen ist. Verschiedene Ausgestaltungen von Pegelumsetzern sind beispielsweise in der
US 5 539 334 A oder der
US 2003/0 107 425 A1 beschrieben.
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Pegelumsetzer finden beispielsweise Anwendung bei der Ansteuerung von Leistungstransistoren, die als sogenannte High-Side-Schalter verschaltet sind, und dienen dazu, ein auf ein erstes Potential, beispielsweise Bezugspotential, bezogenes Signal auf ein Ansteuersignal mit einem zur Ansteuerung des Transistors geeigneten Pegel umzusetzen. Eine Verschaltung eines Transistors als High-Side-Schalter liegt bekanntlich dann vor, wenn die Laststrecke des Transistors in Reihe zu der Last zwischen Klemmen für Versorgungspotentiale geschaltet ist und wenn die Laststrecke des Transistors dabei zwischen dem positiveren der beiden Versorgungspotentiale und der Last liegt. Bei Verwendung eines n-Kanal-MOSFET als Leistungstransistor ist zur leitenden Ansteuerung des Transistors eine Ansteuerspannung bereitzustellen, die mindestens um den Wert der Einsatzspannung des Transistors oberhalb des Potentials an dem der Last und dem Transistor gemeinsamen Knoten liegt.
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Eine Schaltungsanordnung mit einem als High-Side-Schalter eingesetzten n-Kanal-MOSFET und einem Pegelumsetzer, der ein auf Bezugspotential bezogenes Ansteuersignal auf ein geeignetes Ansteuersignal für eine Treiberstufe, die den High-Side-Schalter ansteuert, umsetzt, ist beispielsweise in der
US 5 933 034 A beschrieben. Die Versorgungsspannung der Treiberstufe wird bei dieser bekannten Schaltung durch eine sogenannte Bootstrap-Schaltung erzeugt, und ist auf das Potential an einem dem High-Side-Schalter und der Last gemeinsamen Knoten bezogen.
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Abhängig von der konkreten Ausgestaltung der Treiberstufe und gegebenenfalls weiterer zur Ansteuerung des High-Side-Schalters vorhandener Logikschaltungen kann es erforderlich sein, aus einer beispielsweise von einer Bootstrap-Schaltung erzeugten Versorgungsspannung eine geregelte Versorgungsspannung zu erzeugen, was den Einsatz eines Spannungsreglers erforderlich macht.
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Dieser Spannungsregler sollte dabei so dimensioniert sein, dass er eine möglichst geringe Ruhestromaufnahme besitzt, um die beispielsweise als Bootstrap-Schaltung ausgebildete Spannungsquelle nicht unnötig zu belasten, dass er im Bedarfsfall jedoch eine ausreichende Stromergiebigkeit besitzt, um auch bei hoher Stromaufnahme der an den Regler angeschlossenen Schaltung die gewünschte Versorgungsspannung zuverlässig zur Verfügung zu stellen, d. h. Änderungen der Leistungsaufnahme der angeschlossenen Schaltung rasch auszuregeln.
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Grundsätzlich widersprechen sich die Forderung nach einer geringen Ruhestromaufnahme und einer hohen Stromergiebigkeit bei Spannungsreglern. Es gibt allerdings Spannungsregler, bei denen die Stromergiebigkeit adaptiv abhängig von dem momentanen Strombedarf einer angeschlossenen Last eingestellt wird, um bei hohen Stromaufnahmen der Last die Stromergiebigkeit zu erhöhen, bzw. den Ausgangswiderstand des Reglers zu verringern, und dadurch den Pegel der bereitgestellten Versorgungsspannung auch bei hohem Strombedarf konstant zu halten. Ein als Spannungsregler dienender Differenzverstärker mit adaptiver Anpassung der Stromergiebigkeit ist beispielsweise in Degrauwe, Marc et al: ”Adaptive Biasing CMOS Amplifiers”, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-17, No. 3, June 1982, Seiten 522–528, 2 beschrieben. Bei diesem Verstärker wird der Grundstrom (Bias-Strom) des Differenzverstärkers abhängig vom Strombedarf am Ausgang des Spannungsreglers eingestellt.
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Nachteil einer adaptiven Anpassung der Stromergiebigkeit eines Spannungsreglers abhängig vom Strombedarf einer an den Ausgang des Reglers angeschlossenen Last ist, dass eine Anpassung erst dann auftreten kann, wenn bereits eine Änderung des Strombedarfs eingetreten ist, was die Ausregelung von Laständerungen langsam macht.
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Die
WO 95/06 972 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einer Halbbrückenschaltung mit einem High-Side-Transistor und einem Low-Side-Transistor sowie mit einer Ansteuerschaltung für die beiden Transistoren. Zur Ansteuerung des High-Side-Transistors sind vier Stromquellen vorgesehen, die beim Ein- oder Ausschalten des Transistors für eine kurze Zeitdauer vergleichsweise hohe Ströme (100 mA) und anschließend vergleichsweise geringe Ströme (10 μA) an den Gateanschluss des Transistors liefern.
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Die
DE 694 22 254 T2 beschreibt eine dynamische Speicheranordnung mit einer Zeitsteuerschaltung, die abhängig von Eingangssignalen ein Steuersignal für eine Speicherschaltung
100 erzeugt und die abhängig von den Eingangssignalen Steuersignale für eine Leistungsversorgungsschaltung bzw. eine Spannungsversorgungsschaltung erzeugt.
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Die
US 5 399 992 A beschreibt einen Differenzverstärker mit einem Stromausgang, dessen Stromergiebigkeit durch Hinzuschalten oder Abschalten einer Stromquelle einstellbar ist.
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Die
US 5 189 316 A beschreibt einen Spanungsregler mit einem Regeltransistor, der zwischen ein Versorgungspotential und einen Ausgang geschaltet ist. Ein Differenzverstärker, dessen einer Eingang an den Ausgang des Spannungsreglers angeschlossen ist und dessen anderem Eingang ein Referenzpotential zugeführt ist, steuert den Regeltransistor.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit einem Pegelumsetzer zur Ansteuerung einer Last und einem Spannungsregler zur Spannungsversorgung der Last zur Verfügung zu stellen, bei der der Spannungsregler rasch auf Änderungen der Stromaufnahme der Last reagiert.
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Dieses Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist folgende Merkmale auf:
- – einen Pegelumsetzer, dem ein erstes Signal zugeführt ist und der ein pegelverschobenes zweites Signal bereitstellt,
- – wenigstens eine Last, der das zweite Signal als Ansteuersignal zugeführt ist,
- – wenigstens ein Spannungsregler, zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für die wenigstens eine Last, der einen Anschluss zur Zuführung eines die Stromergiebigkeit des Spannungsreglers einstellenden Signals aufweist und dem ein von dem wenigstens einen ersten Signal abhängiges Signal als Einstellsignal zugeführt ist.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die Stromaufnahme der von dem Spannungsregler versorgten Last, von dem ersten Signal bzw. dem pegelverschobenen zweiten Signal, das die Last ansteuert, abhängig ist, wobei die Stromaufnahme beispielsweise dann besonders hoch ist, wenn der Signalpegel des ersten bzw. zweiten Signals wechselt. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird der Spannungsregler prädiktiv über wenigstens ein von dem ersten Signal abhängiges Signal angesteuert, um die Stromergiebigkeit des Spannungsreglers während solcher Zeitabschnitte erhöhter Stromaufnahme der Last anzuheben. Die von dem Spannungsregler versorgte Last ist beispielsweise eine integrierte Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter. Solche integrierten, üblicherweise in CMOS-Technologie realisierte Ansteuerschaltungen, verursachen in bekannter Weise bedingt durch Querströme beim Schalten einen starken Anstieg des Stroms am Ausgang des Spannungsreglers.
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Die Last ist beispielsweise eine Treiberschaltung oder ein Teil einer Treiberschaltung für einen als High-Side-Schalter eingesetzten Leistungstransistor. Aufgabe einer solchen Treiberschaltung ist es, den Leistungstransistor nach Maßgabe des aus dem ersten Signal abgeleiteten zweiten Signals anzusteuern. Die Stromaufnahme der Treiberschaltung ist dabei am größten, wenn eine Änderung des Schaltzustandes des Leistungstransistors abhängig von dem zweiten Signal erfolgen soll.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Pegelumsetzer wenigstens ein differentielles Signal aus dem ersten Signal erzeugt, das einer Ausgangsstufe des Pegelumsetzers zur Erzeugung des zweiten Signals zugeführt ist. Das wenigstens eine von dem ersten Signal abhängige differentielle Signal ist dabei dem Spannungsregler zugeführt. Das aus dem ersten Signal erzeugte differentielle Signal weist jeweils nach einer steigenden oder einen fallenden Flanke des ersten Signals einen Signalimpuls auf und bewirkt für die Dauer dieses Signalimpulses für eine erhöhte Stromergiebigkeit des Spannungsreglers. Die Erzeugung des differentiellen Signals in dem Pegelumsetzer erfolgt vorzugsweise angepasst an die Dauer erhöhten Strombedarfs in der Last nach einer Flanke des ersten bzw. zweiten Signals, um für diese Dauer erhöhten Strombedarfs die Stromergiebigkeit des Spannungsreglers zu erhöhen.
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Dem wenigstens einen Spannungsregler ist zur Erzeugung der Last-Versorgungsspannung eine Regler-Versorgungsspannung mit einem unteren Versorgungspotential und einem oberen Versorgungspotential zugeführt, wobei der Spannungsregler abhängig vom Anwendungsfall dazu ausgebildet sein kann, die Last-Versorgungsspannung bezogen auf das untere Versorgungspotential oder bezogen auf das obere Versorgungspotential zu erzeugen.
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Der wenigstens eine Spannungsregler weist vorzugsweise ein Spannungsbegrenzungselement, über dem die Last-Versorgungsspannung abgreifbar ist, und eine in Reihe zu dem Spannungsbegrenzungselement geschaltete Widerstandsanordnung mit veränderlichem Widerstand, der das wenigstens eine Einstellsignal zugeführt ist, auf. Die Reihenschaltung mit dem Spannungsbegrenzungselement und der Widerstandsanordnung ist dabei zwischen Klemmen für die Regler-Versorgungsspannung geschaltet.
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Das Spannungsbegrenzungselement ist beispielsweise eine Zenerdiode und die Widerstandsanordnung umfasst beispielsweise ein Widerstandselement und eine parallel zu dem Widerstandselement geschaltete, nach Maßgabe des wenigstens einen Einstellsignals angesteuerte Schalteranordnung aufweist.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Pegelumsetzer, einer durch den Pegelumsetzer angesteuerten Last sowie einem Spannungsregler zur Spannungsversorgung der Last.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Spannungsreglers mit einstellbarer Stromergiebigkeit.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Pegelumsetzer, einer durch den Pegelumsetzer angesteuerten Last und einem Spannungsregler zur Spannungsversorgung der Last.
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4 zeigt eine Abwandlung der in 3 dargestellten Schaltungsanordnung mit einem im Detail dargestellten Pegelumsetzer.
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5 veranschaulicht die Funktionsweise des Pegelumsetzers gemäß 4 anhand zeitlicher Verläufe ausgewählter, in dem Pegelumsetzer vorkommender Signale.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit zwei Spannungsreglern, von denen einer eine auf ein oberes Versorgungspotential bezogene Last-Versorgungsspannung und ein anderer eine auf ein unteres Versorgungspotential bezogene Last-Versorgungsspannung erzeugt.
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7 zeigt schaltungstechnische Realisierungsbeispiele für die in 5 dargestellten Spannungsregler.
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8 veranschaulicht ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer Schaltung zur Ansteuerung eines als High-Side-Schalter eingesetzten Leistungstransistors.
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In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt im Blockschaltbild ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Pegelumsetzer 10, der zwischen ein Bezugspotential GND und ein erstes Potential V1 geschaltet ist und dem ein auf Bezugspotential GND bezogenes erstes Signal S1 zugeführt ist. Der Pegelumsetzer 10 ist dazu ausgebildet, dieses auf Bezugspotential GND bezogene erste Signal S1 auf eine pegelverschobenes zweites Signal S2 umzusetzen, das als Ansteuersignal einer Lastschaltung 30 zugeführt ist.
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Zur Spannungsversorgung dieser Lastschaltung 30 ist ein Spannungsregler 20 vorgesehen, dem eine Regler-Versorgungsspannung V32 zugeführt ist. Diese Regler-Versorgungsspannung V32 ist auf ein zweites Potential V2 bezogen, das das Bezugspotential des Spannungsreglers 20 darstellt. Dieses Bezugspotential V2 des Spannungsreglers 20 kann über der Zeit variieren, wie nachfolgend noch anhand von 8 erläutert werden wird, und ist wenigstens zeitweise unterschiedlich zu dem Bezugspotential GND des Pegelumsetzers 10. Der Spannungsregler 20 stellt eine geregelte Versorgungsspannung V20 für die Last 30 zur Verfügung, die in dem Beispiel gemäß 1 auf das Bezugspotential V2 des Spannungsreglers 20 bezogen ist.
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Aufgabe des Spannungsreglers 20 ist es dabei, die Versorgungsspannung V20 wenigstens annäherungsweise unabhängig von der Stromaufnahme der Last 30 konstant zu halten. Um auf eine plötzliche hohe Stromaufnahme der Last reagieren zu können, ohne dass die Versorgungsspannung V20 nennenswert absinkt, ist eine hohe Stromergiebigkeit des Spannungsreglers 20 erforderlich. Eine dauerhaft hohe Stromergiebigkeit eines Spannungsreglers bedingt jedoch eine hohe Ruhestromaufnahme bzw. eine hohe Leistungsaufnahme im Ruhezustand auch dann, wenn die Stromaufnahme der Last 30 gering ist.
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Zur Vermeidung dieses Problems ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehen, die Stromergiebigkeit des Spannungsreglers 20 bedarfsabhängig über das Ansteuersignal S2 der Lastschaltung 30 einzustellen. Hierzu ist dem Spannungsregler 20 bei dem Beispiel gemäß 1 das als Ansteuersignal der Lastschaltung 30 dienende zweite Signal S2 zugeführt.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die Stromaufnahme der durch das Ansteuersignal S2 angesteuerten Lastschaltung 30 dann besonders hoch ist, wenn ein Pegelwechsel des Ansteuersignals S2 vorliegt. Der Spannungsregler 20 ist daher so ausgebildet, dass für eine vorgegebene Zeitdauer nach einem solchen Pegelwechsel des Ansteuersignals S2 die Stromergiebigkeit erhöht ist, um auf eine erhöhte Stromaufnahme der Lastschaltung 30 zu reagieren.
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Spannungsregler, wie beispielsweise der in Tietze, Schenk: ”Halbleiterschaltungstechnik”, 11. Auflage, Springer Verlag, auf Seite 963 in beschriebene Spannungsregler, besitzen in hinlänglich bekannter Weise eine Stromquelle zur Bereitstellung eines Grundstromes (Bias-Strom) des Spannungsreglers, wobei vom Wert dieses Bias-Stromes die Ruhestromaufnahme und die Stromergiebigkeit des Spannungsreglers abhängig ist. Ein herkömmlicher Spannungsregler kann zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß 1 auf einfache Weise dadurch modifiziert werden, dass die den Grundstrom (Bias-Strom) bereitstellende Stromquelle eine einstellbare Stromquelle ist, der das von dem zweiten Signal S2 abhängige Signal als Steuersignal zugeführt ist, um während Zeitabschnitten mit erhöhter Stromaufnahme der Last den Grundstrom anzuheben und dadurch die Stromergiebigkeit zu erhöhen.
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Ein derart modifizierter Spannungsregler mit einer bekannten Grundstruktur ist in 2a dargestellt. Der dargestellte Spannungsregler weist eine Differenzverstärkerstufe mit zwei Transistoren T201, T202 und einer den Grundstrom bereitstellenden Stromquelle Iq auf. An einen der Eingänge der Differenzverstärkerstufe T201, T202, Iq, der durch den Steueranschluss des Transistors T201 gebildet ist, ist dabei eine Referenzspannung Vref angelegt, die den Wert der geregelten, durch den Spannungsregler bereitgestellten Versorgungsspannung V20 vorgibt. Diese Versorgungsspannung V20 wird durch einen Ausgangstransistor gegen das Bezugspotential V2 des Spannungsreglers 20 geliefert. Zur Regelung dieser Versorgungsspannung V20 ist der zweite Eingang der Differenzverstärkerstufe, der durch den Steueranschluss des Transistors T202 gebildet ist, an den Ausgang angeschlossen. Die Ansteuerung des Ausgangstransistors T205 erfolgt über die Differenzverstärkerstufe T201, T202 in Verbindung mit einem Stromspiegel T203, T204. Diese Grundstruktur eines Spannungsreglers mit einem Differenzverstärker, einem Ausgangstransistor und einem Stromspiegel ist hinlänglich bekannt.
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Diese Grundstruktur kann zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auf einfache Weise dadurch modifiziert werden, dass die den Grundstrom Ib bereitstellende Stromquelle Iq abhängig von dem zweiten Signal S2 derart angesteuert ist, dass der Grundstrom Ib für eine vorgegebene Zeitdauer nach steigenden oder fallenden Flanken des Ansteuersignals S2 erhöht ist. Zur Ansteuerung dieser Stromquelle Iq ist in dem Beispiel gemäß 2a ein Flankendetektor 25 vorhanden, der ein Signal erzeugt, das nach jeder steigenden und fallenden Flanke des Ansteuersignals S2 einen Signalimpuls für eine vorgegebene Zeitdauer erzeugt. Dieses Signal steuert die Stromquelle Iq an, um den Grundstrom Ib für die vorgegebene Zeitdauer des Signalimpulses nach einer steigenden oder fallenden Flanke des Ansteuersignals S2 zu erhöhen.
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Die von dem Spannungsregler 20 erzeugte Versorgungsspannung V20 kann abhängig von den Anforderungen der Last 30 sowohl auf das untere Versorgungspotential V2, auf welches die Regler-Versorgungsspannung V32 bezogen ist, bezogen sein, oder diese Versorgungsspannung V20 kann auf das obere Versorgungspotential V3 der Regler-Versorgungsspannung V32 bezogen sein, wie dies für das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in 3 dargestellt ist.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der als Pegelumsetzer 10 ein differentieller Pegelumsetzer verwendet ist. In dem differentiellen Pegelumsetzer werden differentielle Signale S11_2, S12_2 erzeugt, die jeweils steigende und fallende Flanken des ersten Signals S1 anzeigen und die dem Spannungsregler 20 unmittelbar als Einstellsignale für die Stromergiebigkeit zugeführt sind.
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Der dargestellte Pegelumsetzer weist eine Eingangsstufe 15 auf, der das erste Signal S1 zugeführt ist und die differentielle Signale S11_1, S12_1 aus dem ersten Signal S1 erzeugt. Diese differentiellen Signale S11_1, S12_1 steuern einen ersten und zweiten Transistor T11, T12 an, deren Laststrecken in Reihe zu Widerständen R11, R12 zwischen das Bezugspotential GND und das erste Potential V1 geschaltet sind. Zwischen die durch die differentiellen Signale S11_1, S12_1 angesteuerten Transistoren T11, T12 und die Widerstände R11, R12 sind Kaskode-Transistoren T13, T14 geschaltet, die durch eine Vorspannung Vb angesteuert sind und die die über den Transistoren T11, T12 anliegende Spannung begrenzen. An diesen den Widerständen R11, R12 und den Kaskode-Transistoren T13, T14 gemeinsamen Knoten sind das erste und das zweite differentielle Signal S11_2, S12_2 abgreifbar, die dem Spannungsregler 20 zur Einstellung der Stromergiebigkeit zugeführt sind.
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In dem Pegelumsetzer 10 sind diese differentiellen Signale S11_2, S12_2 einer Ausgangsstufe 16 zugeführt, die in dem Beispiel als RS-Flip Flop ausgeführt ist und an deren Ausgang das gegenüber dem ersten Signal S1 pegelverschobene zweite Signal S2 zur Verfügung steht. Zur Erzeugung dieses zweiten Signals S2 ist das erste differentielle Signal S11_2 dem Setz-Eingang S des Flip Flops 16 zugeführt, und das zweite differentielle Signal S12_2 ist dem Rücksetz-Eingang des Flip Flops 16 zugeführt.
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Die Funktionsweise dieses Pegelumsetzers 10 wird anhand der in 5 dargestellten zeitlichen Verläufe des ersten Signals S1, der am Ausgang der Eingangsstufe 15 zur Verfügung stehenden differentiellen Signale S11_1, S12_1, der ersten und zweiten differentiellen Signale S11_2, S12_2 und des zweiten Signals S2 deutlich, wobei in dieser zeitlichen Darstellung Signallaufzeiten innerhalb des Pegelumsetzers nicht berücksichtigt sind. Die Eingangsstufe 15 ist derart ausgebildet, dass das dem ersten Transistor T11 zugeführte differentielle Signal S11_1 jeweils nach einer steigenden Flanke des ersten Signals S1 einen Signalimpuls einer vorgegebenen Dauer aufweist, und dass das dem zweiten Transistor T12 zugeführte differentielle Signal jeweils nach einer fallenden Flanke des ersten Signals S1 einen Signalimpuls einer vorgegebenen Dauer aufweist.
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Eine leitende Ansteuerung des ersten Transistors T11 durch den Signalimpuls S11_1 führt während der Dauer des Signalimpulses S11_1 zu einem negativen Signalimpuls des ersten differentiellen Signals S11_2, und eine leitende Ansteuerung des zweiten Transistors T12 durch das Signal S12_1 führt zu einem negativen Signalsimpuls des zweiten differentiellen Signals S12_2 während der Zeitdauer des Signalsimpulses S12_1.
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Das Flip Flop 16 gemäß 4 ist ein negativflankengetriggertes Flip Flop, das jeweils bei einer fallenden Flanke eines der differentiellen Signale S11_2, S12_2 gesetzt oder zurückgesetzt wird. Der Ausgang, an dem das zweite Signal S2 anliegt, ist in diesem Fall der invertierende Ausgang des Flip-Flops 16.
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Es sei darauf hingewiesen, dass neben einem flankengetriggerten Flip-Flop selbstverständlich auch ein pegelgetriggertes Flip-Flop verwendet werden kann.
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Der Spannungsregler 20 ist in dem Beispiel gemäß 4 derart ausgebildet, dass dessen Stromergiebigkeit während der Zeitdauer, während der die differentiellen Signale S11_2, S12_2 jeweils negative Signalimpulse besitzen, erhöht ist. Betrachtet man einen Spannungsregler mit einer Grundstruktur gemäß 2a, so könnte die Ansteuerung der den Grundstrom bereitstellenden Stromquelle Iq bezugnehmend auf 2b in diesem Fall so erfolgen, dass die beiden differentiellen Signale S11_2, S12_2 jeweils invertiert und anschließend einem Oder-Gatter zugeführt werden, das die Stromquelle ansteuert. Die Stromquelle ist dabei so ausgebildet, dass sie während positiver Signalimpulse des Ausgangssignals des Oder-Gatters 27 einen erhöhten Grundstrom bereitstellt. Die von den Invertern erzeugten Signale sind beispielsweise entsprechend der differentiellen Signale S11_2, S12_2 Signale, die auf die Vorspannung Vb bezogen sind.
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Die von dem Spannungsregler 20 bereitgestellte Versorgungsspannung V34, die auf das obere Versorgungspotential V3 des Reglers 20 bezogen ist, ist in dem Ausführungsbeispiel neben der Last 30 auch dem als Ausgangsstufe des Pegelumsetzers 10 dienenden Flip Flops 16 zugeführt. Das erste Potential V1 des Pegelumsetzers 10 und das obere Versorgungspotential V3 des Reglers 20 stimmen in dem Ausführungsbeispiel überein.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der zwei Spannungsregler 21, 22 vorhanden sind, von denen ein erster Spannungsregler 21 eine erste Last-Versorgungsspannung V21 für eine erste Last 31 zur Verfügung stellt und von denen ein zweiter Spannungsregler 22 eine zweite Last-Versorgungsspannung V22 für eine zweite Last 32 erzeugt. Beiden Reglern 21, 22 ist dabei eine Regler-Versorgungsspannung V32 über Versorgungsspannungsanschlüsse zugeführt. Die von dem ersten Regler 21 erzeugte erste Last-Versorgungsspannung V21 ist dabei auf ein oberes Potential V3 dieser Regler-Versorgungsspannung V32 bezogen, und die von dem zweiten Regler 22 erzeugte zweite Last-Versorgungsspannung V22 ist auf das untere Versorgungspotential V2 dieser Regler-Versorgungsspannung V32 bezogen. Die erste Last-Versorgungsspannung V21 dient in dem Beispiel neben der Versorgung der ersten Last 31 auch zur Spannungsversorgung des Flip Flops 16 des Pegelumsetzers 10. Beiden Spannungsreglern 21, 22 sind zur Einstellung der Stromergiebigkeit die in dem Pegelumsetzer erzeugten, von dem ersten Signal S1 abhängigen differentiellen Signale S11_2, S12_2 zugeführt.
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Eine besonders einfache schaltungstechnische Realisierung der Spannungsregler 21, 22 gemäß 6 wird nachfolgend anhand von 7 erläutert.
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Beide Spannungsregler 21, 22 weisen eine Reihenschaltung mit einem Spannungsbegrenzungselement Z21, Z22 und einer durch die differentiellen Signale S11_2, S12_2 angesteuerten Widerstandsanordnung mit einstellbarem Widerstand auf. Die Ausgangsspannung des jeweiligen Spannungsreglers, d. h. die Last-Versorgungsspannung V21, V22 ist dabei jeweils über dem Spannungsbegrenzungselement Z21, Z22, das in dem Beispiel als Zenerdiode ausgebildet ist, abgreifbar.
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Das Spannungsbegrenzungselement Z22 des zweiten Spannungsreglers 22 ist zwischen eine Ausgangsklemme K22 dieses Spannungsreglers und eine Klemme K2 für das untere Versorgungspotential V2 geschaltet. Die Widerstandsanordnung, die in Reihe zu diesem Spannungsbegrenzungselement Z22 geschaltet ist, liegt zwischen der Ausgangsklemme K22 und der Klemme K3 für das obere Versorgungspotential V3. Diese Widerstandsanordnung weist einen zwischen die Klemme K3 für das obere Versorgungspotential V3 und die Ausgangsklemme K22 geschalteten ohmschen Widerstand R22 und eine parallel zu diesem ohmschen Widerstand R22 geschaltete Schalteranordnung, die durch die differentiellen Signale S11_2, S12_2 angesteuert ist, auf. Diese Schalteranordnung umfasst in dem Beispiel zwei Transistoren T221, T222, die als p-leitende MOSFET ausgebildet sind, und deren Laststrecken parallel zu dem ohmschen Widerstand R22 geschaltet sind. Einer dieser Transistoren T221 ist dabei durch das erste differentielle Signal S11_2 angesteuert, und der zweite Transistor T222 ist durch das zweite differentielle Signal S12_2 angesteuert. Jeweils dann, wenn die differentiellen Signale ihren Ruhewert annehmen, der einem High-Pegel entspricht, sperren die beiden Transistoren T221, T222. Eine Stromversorgung einer zwischen die Ausgangsklemme K22 und die Klemme K2 für das untere Versorgungspotential V2 geschaltet Last kann dann ausschließlich über den ohmschen Widerstand R22 erfolgen. Dieser ohmsche Widerstand R22 ist so gewählt, dass die Stromaufnahme des Spannungsreglers 22 während dieses Betriebszustandes gering ist, wobei die Stromergiebigkeit des Spannungsreglers 22 während dieses Betriebszustandes jedoch ebenfalls entsprechend gering ist.
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Während der Zeitdauer, während der eines der beiden differentiellen Signale S11_2, S12_2 einen Low-Pegel annimmt, leitet einer der beiden Transistoren T221, T222 wodurch der ohmsche Widerstand R22 im Wesentlichen kurzgeschlossen ist und der Widerstandswert der Widerstandsanordnung erheblich reduziert ist. Die Stromaufnahme des Spannungsreglers 22 ist während dieses Betriebszustandes erhöht, allerdings kann ein wesentlich größerer Strom an die Ausgangsklemme K22 zur Versorgung einer daran angeschlossenen Last geliefert werden, wobei dieser Strom durch die Stromtragfähigkeit der beiden Transistoren T221, T222 begrenzt ist.
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Das Spannungsbegrenzungselement Z21 des ersten Spannungsreglers 21 ist zwischen die Klemme K3 für das obere Versorgungspotential V3 und eine Ausgangsklemme K21 des ersten Spannungsreglers 21 geschaltet. Die Widerstandsanordnung dieses ersten Spannungsreglers 21 umfasst einen ohmschen Widerstand R21, der in Reihe zu dem Spannungsbegrenzungselement Z21 und zwischen die Ausgangsklemme K21 und die Klemme K2 für das untere Versorgungspotential V2 geschaltet ist. Eine parallel zu diesem ohmschen Widerstand R21 geschaltete Schalteranordnung umfasst einen ersten Transistor T214, dessen Laststrecke parallel zu dem ohmschen Widerstand R21 geschaltet ist und der über zwei Transistoren T211, T212, die den Transistoren T221, T222 des zweiten Reglers entsprechen, eine weiteren als Diode verschalteten Transistor T213 sowie einen Widerstand R23 angesteuert ist. Der als Diode verschaltete Transistor T213 ist dabei in Reihe zu den Laststrecken der Transistoren T211, T212 zwischen die Klemmen K3, K2 für die Regler-Versorgungsspannung V32 geschaltet.
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Dieser Transistor T213 bildet mit dem Transistor T214 einen Stromspiegel, wobei dieser Transistor T213 optional ist, wenn ein Widerstand R23 zur Ansteuerung des Transistors T214 vorhanden ist. Auf den Widerstand R23 kann hingegen bei Vorhandensein des Stromspiegeltransistors T213 verzichtet werden.
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Je einer der beiden Transistoren T211, T212 ist durch eines der differentiellen Signale S11_2, S12_2 angesteuert. Ist bei diesem Spannungsregler 21 einer der beiden Transistoren T211, T212 leitend angesteuert, so führt der Stromfluss durch einen dieser beiden Transistoren T211, T212 zu einen Spannungsabfall über dem Widerstand R23, durch den der parallel zu dem Widerstand R21 geschaltete Transistor T214 leitend angesteuert wird, um den Widerstandswert der in Reihe zu dem Spannungsbegrenzungselement Z21 geschalteten Widerstandsanordnung R21, T214 zu verringern und dadurch die Stromergiebigkeit dieses ersten Spannungsreglers 21 zu erhöhen.
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Ein Anwendungsbeispiel für die zuvor erläuterte Schaltungsanordnung mit einem Pegelumsetzer und einem Spannungsregler mit gesteuerter Stromergiebigkeit wird nachfolgend anhand von 8 erläutert. Die zuvor erläuterten Lastschaltungen 31, 32, denen die erste Last-Versorgungsspannung V21 des ersten Spannungsreglers und die zweite Last-Versorgungsspannung V22 des zweiten Spannungsreglers zugeführt ist, sind in dem Anwendungsbeispiel Teil einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines als High-Side-Schalter eingesetzten Leistungstransistors T. Die Laststrecke dieses Leistungstransistors T ist in Reihe zu einer Last Z zwischen ein Versorgungspotential V4 für die Last Z und Bezugspotential GND geschaltet, wobei der Transistor zwischen dem Versorgungspotential V4 und der Last Z liegt. Eine Bootstrap-Schaltung mit einer Diode D und einem Kondensator C, die in Reihe zueinander und parallel zu der Laststrecke des Leistungstransistors T geschaltet sind, sorgt für die Bereitstellung der Regler-Versorgungsspannung V32. Diese Regler-Versorgungsspannung V32 liegt über dem Kondensator C an. Das untere Versorgungspotential V2 ist dabei das Potential an dem dem Leistungstransistor T und der Last Z gemeinsamen Knoten und entspricht in dem Beispiel dem Source-Potential des Leistungstransistors T. Dieses Source-Potential V2 variiert abhängig vom Schaltzustand des Transistors T zwischen annäherungsweise Bezugspotential GND bei sperrendem Transistor und annäherungsweise Versorgungspotential V4 bei leitendem Transistor T.
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Die durch die Last-Versorgungsspannungen V21, V22 versorgten Schaltungen 31, 32 sind Ansteuerschaltungen für Treibertransistoren P31, N32 der Treiberschaltung. Der durch die Schaltung 31 angesteuerte Transistor P31 ist in dem Beispiel ein p-Kanal-Transistor P31, dessen Laststrecke zwischen den Drain-Anschluss und den Gate-Anschluss des Leistungstransistors T geschaltet ist. Der durch die zweite Schaltung 32 angesteuerte Transistor N32 ist ein n-Kanal-Transistor, der zwischen den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des Leistungstransistors T geschaltet ist. Die Reihenschaltung der beiden Treibertransistoren P31, N32 liegt parallel zu dem als Versorgungsspannungsquelle dienenden Bootstrap-Kondensator C. Die Steuerschaltungen 31, 32 sind so ausgebildet, dass nach Maßgabe des von dem Pegelumsetzer bereitgestellten Ansteuersignals S2 nur jeweils einer der beiden Treibertransistoren P31, N32 zu einem Zeitpunkt leitet. Bei leitendem Transistor P31 und sperrendem Transistor N32 ist der Leistungstransistor T leitend angesteuert, das untere Versorgungspotential V2 der Spannungsregler (vgl. 6 und 7) entspricht dann annähernd dem Versorgungspotential V4 der Last Z, das obere Versorgungspotential V3 liegt um den Wert der Bootstrap-Spannung V32 oberhalb dieses Potentials. Bei sperrendem Transistor P31 und leitendem Transistor N32 sperrt der Leistungstransistor T, wodurch das untere Versorgungspotential V2 annähernd Bezugspotential GND entspricht und der Boostrap-Kondensator C über die Diode D aufgeladen wird. Die Regler-Versorgungsspannung V32 entspricht somit im wesentlichen der Versorgungsspannung V4 abzüglich des Spannungsabfalls über der Diode D.
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Die Steuerschaltungen 31, 32 und die Treibertransistoren P31, N32 sind vorzugsweise als integrierte Schaltung ausgebildet. Bei Ein- oder Ausschalten des Leistungstransistors nach Maßgabe des Ansteuersignals S2 kann es in den integrierten Schaltungen aufgrund des sich verändernden Bezugspotentials V2 für die Versorgungsspannung V21, V22 zu kapazitiven Umladeströmen kommen, die gerade während des Schaltvorganges zu einer erhöhten Stromaufnahme der Steuerschaltungen 31, 32 führen. Diese erhöhte Stromaufnahme wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung durch den abhängig von dem ersten bzw. zweiten Signal S1, S2 angesteuerten Spannungsregler, der nach steigenden oder fallenden Flanken des Ansteuersignals S2 eine erhöhte Stromergiebigkeit besitzt, ausgeglichen.
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Bezugszeichenliste
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- C
- Bootstrap-Kondensator
- D
- Bootstrap-Diode
- GND
- Bezugspotential
- P31, N32
- Treibertransistoren
- R11, R12
- Widerstände
- R21, R22
- Widerstand
- R23
- Widerstand
- RS
- Flip Flop
- S1
- erstes Signal
- S11_1, S12_1
- differentielle Signale
- S11_2, S12_2
- differentielle Signale
- S2
- zweites Signal, Ansteuersignal
- T
- Leistungstransistor, High-Side-Schalter
- T11, T12
- Eingangstransistoren des Pegelumsetzers
- T13, T14
- Kaskode-Transistoren
- T201, T202, T205
- n-Kanal-Transistoren
- T203, T204
- p-Kanal-Transistoren
- T211, T212
- p-Kanal-Transistoren
- T213, T214
- n-Kanal-Transistoren
- T221, T222
- p-Kanal-Transistoren
- V1
- erstes Potential
- V2, V3
- Regler-Versorgungspotentiale
- V20, V21, V22
- Versorgungsspannungen
- V32
- Regler-Versorgungsspannung, Bootstrap-Spannung
- Vref
- Referenzspannungsquelle
- Z
- Last
- Z21, Z22
- Spannungsbegrenzungselemente, Zenerdioden
- 10
- Pegelumsetzer
- 15
- Eingangsstufe des Pegelumsetzers
- 16
- Ausgangsstufe des Pegelumsetzers
- 25
- Flankendetektor
- 30
- Last
- 21, 22
- Spannungsregler
- 31, 32
- Last-, Steuerschaltung
