DE102005012662A1

DE102005012662A1 - Anordnung mit Spannungskonverter zur Spannungsversorgung einer elektrischen Last und Verfahren zur Spannungsversorgung einer elektrischen Last

Info

Publication number: DE102005012662A1
Application number: DE102005012662A
Authority: DE
Inventors: Peter Trattler
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams AG
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-19
Also published as: CN101142735A; WO2006097328A3; WO2006097328A2; US20090016084A1; GB2438147B; DE102005012662B4; GB0717501D0; US7778055B2; JP2008533966A; GB2438147A; JP4777412B2

Abstract

Es ist eine Anordnung mit Spannungskonverter (1) zur Spannungsversorgung der elektrischen Last (2) mit einer Stromsenke (3), einem ersten Vergleicher (4) und einem zweiten Vergleicher (5) und einer Auswahllogik (6) angegeben. Die Spannung am Ausgang des Spannungskonverters (1) hat eine Abhängigkeit von einem Multiplikationsfaktor. Die Auswahllogik (6) ermittelt einen neuen Multiplikationsfaktor aus den Ergebnissen des Vergleichs einer Stromsenkenspannung mit einem unteren Schwellwert und mit einem oberen Schwellwert. Ein hoher Wirkungsgrad der Energieausnutzung wird dadurch ermittelt, dass der Multiplikationsfaktor so hoch eingestellt wird, dass die Stromsenkenspannung größer als der untere Schwellwert, aber kleiner als der obere Schwellwert ist und damit der Multiplikationsfaktor so hoch wie nötig, aber nicht höher gewählt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit Spannungskonverter zur Spannungsversorgung einer elektrischen Last und ein Verfahren zur Spannungsversorgung einer elektrischen Last.
Die Anordnung kann bei der Versorgung von Leuchtdioden, englisch light emitting diodes, abgekürzt LEDs, wie sie etwa bei tragbaren Telefonen und Digitalkameras verwendet werden, eingesetzt werden.

Spannungskonverter, im Englischen als direct current/direct current converter, abgekürzt DC/DC converter, bezeichnet, dienen üblicherweise dazu, eine niedrige in eine höhere Spannung umzuwandeln. Das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung lässt sich oft durch Wahl eines Multiplikationsfaktors einstellen. Spannungskonverter finden beispielsweise Anwendung bei dem Erzeugen von Blitzen mit einer LED und der Hintergrundbeleuchtung einer Anzeige.

Tragbare Geräte werden üblicherweise mit einer Batterie betrieben und haben damit keine konstante Spannung für die zu versorgende elektrische Last, wie etwa eine LED. Die Funktion der Last soll aber nicht von einer abnehmenden Eingangsspannung beeinflusst werden. Aus diesem Grund können Spannungskonverter mit einer zusätzlichen Schaltung zum Einstellen des Multiplikationsfaktors betrieben werden.

Wenn mehrere LEDs von unterschiedlichem Typ oder mit Exemplarstreuungen parallel betrieben werden, kann der Fall auftreten, dass der Multiplikationsfaktor erhöht werden muss, um eine LED mit einer hohen Schwellspannung betreiben zu können. Dies hat einen verschlechterten Wirkungsgrad der Gesamtanordnung zur Folge.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Spannungsversorgung einer oder mehrerer Lasten, die eine höhere Spannung benötigen, mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung gelöst, aufweisend:

– einen Spannungskonverter, der an einem Ausgang mit einem Anschluss einer Serienschaltung, umfassend Mittel zum Anschließen der elektrischen Last und eine Stromsenke, verbunden ist und dessen Ausgangsspannung eine Abhängigkeit von einer Eingangsspannung und von einem aktuellen Multiplikationsfaktor aufweist,
– einen ersten Vergleicher, der an einem Abtasteingang mit der Stromsenke zur Zuführung einer Stromsenkenspannung gekoppelt ist und der zum Vergleich der Stromsenkenspannung mit einem unteren Schwellwert eingerichtet ist,
– einen zweiten Vergleicher, der an einem Abtasteingang mit der Stromsenke zur Zuführung der Stromsenkenspannung gekoppelt ist und der zum Vergleich der Stromsenkenspannung mit einem oberen Schwellwert eingerichtet ist, und
– eine Auswahllogik, die mit Ausgängen des ersten und zweiten Vergleichers und mit einem Steuereingang des Spannungskonverters zur Vorgabe des aktuellen Multiplikationsfaktors verbunden und ausgelegt ist zur Vorgabe eines neuen, größeren Multiplikationsfaktors verglichen mit dem aktuellen Multiplikationsfaktor aus einer Menge von auswählbaren Werten des Multiplikationsfaktors, wenn die Stromsenkenspannung den unteren Schwellwert unterschreitet, und zur Vorgabe eines neuen, kleineren Multiplikationsfaktors, wenn die Stromsenkenspannung den oberen Schwellwert überschreitet.

Der Spannungskonverter erzeugt eine Ausgangsspannung, die über der elektrischen Last und der Stromsenke abfällt. Idealisiert gilt somit UOUT = m·UIN und UOUT = USINK + UL,wobei U_OUT die Ausgangsspannung des Spannungskonverters, m der Multiplikationsfaktor, U_IN die Eingangsspannung des Spannungskonverters, USINK die Spannung über der Stromsenke, vorliegend Stromsenkenspannung genannt, und U_L die Spannung über der elektrischen Last ist. Die elektrische Last kann aus mehreren in Serie geschalteten elektrischen Bauelementen bestehen.

Mittels der Stromsenke wird der Strom durch die elektrische Last konstant gehalten. Steigt die Ausgangsspannung des Spannungskonverters, so dient die Stromsenke zur Aufnahme der überschüssigen Spannung. So ist vermieden, dass die Spannung über der elektrischen Last und der Strom durch die elektrische Last erhöht ist. Die Spannung über der elektrischen Last und der Strom durch die elektrische Last sind somit praktisch konstant.

Zur Einstellung des Multiplikationsfaktors ist die Stromsenkenspannung einem Vergleicher zugeführt, der ein Signal gibt, wenn die Stromsenkenspannung unter einen unteren Schwellwert sinkt. Der untere Schwellwert ist abhängig von der Implementierung der gewählten Stromquelle. In diesem Fall ist die elektrische Last nicht mehr ausreichend versorgt und es wird der Multiplikationsfaktor erhöht.

Die Stromsenkenspannung ist ebenso einem zweiten Vergleicher zugeführt, der die Stromsenkenspannung mit einem oberen Schwellwert vergleicht. Übersteigt die Stromsenkenspannung den oberen Schwellwert, so gibt der zweite Vergleicher ein Signal ab, so dass ein niedrigerer Multiplikationsfaktor des Spannungskonverters eingestellt wird. Diese Reduzierung des Multiplikationsfaktors bewirkt eine Steigerung des Wirkungsgrades der Spannungsversorgung, da der Multiplikationsfaktor so hoch wie nötig, aber nicht höher gewählt ist.

Bevorzugt ist der Spannungskonverter so eingerichtet, dass er ohne zusätzlichen Schalteraufwand ganzzahlige Multiplikationsfaktoren erzeugen kann.

Wenn in einer Weiterbildung eine weitere elektrische Last mit einer weiteren Stromsenke verbunden und parallel zu der Serienschaltung, bestehend aus der elektrischen Last und der Stromsenke, vom Spannungskonverter betrieben ist, so tritt ein Spannungsabfall in zwei Stromsenken auf, der in Wärme umgesetzt wird. Durch eine Serienschaltung der weiteren elektrischen Last und der elektrischen Last wird kein Platz für die weitere Stromsenke benötigt und es fällt die weitere Stromsenke als Verbraucher elektrischer Leistung weg. Eine Serienschaltung von Lasten in Kombination mit einem Spannungskonverter mit mehreren Multiplikationsfaktoren erhöht somit den Wirkungsgrad der Anordnung noch weiter.

In einer Ausführungsform ist die elektrische Last mit dem Bezugspotentialanschluss verbunden. Die Stromsenkenspannung resultiert aus der Differenz zwischen dem Potential des Ausgangsspannungsanschlusses des Spannungskonverters und dem Potential eines Schaltungsknoten der Serienschaltung, der zwischen der elektrischen Last und der Stromsenke gebildet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die elektrische Last mit dem Ausgang des Spannungskonverters verbunden sein. Die Stromsenkenspannung ist in diesem Fall die Potentialdifferenz zwischen dem Potential des Schaltungsknoten der Serienschaltung, der zwischen der elektrischen Last und der Stromsenke gebildet ist, und dem Bezugspotential. Der Vorteil liegt in einer einfacheren Durchführung des Vergleichs der Stromsenkenspannung mit dem unteren Schwellwert durch den ersten Vergleicher und des Vergleichs der Stromsenkenspannung mit dem oberen Schwellwert durch den zweiten Vergleicher.

Für den unteren und den oberen Schwellwert ist je ein Wert vorzugeben. Mit Vorteil kann jedoch der obere Schwellwert in Abhängigkeit von dem unteren Schwellwert bestimmt sein. Der untere Schwellwert ist eine Funktion des benötigten Stroms und der Realisierung der Stromsenke.

Mit Vorteil wird der obere Schwellwert wie folgt bestimmt: UOSW = UUSW + UIN·(mAKT – mNEU)wobei U_OSW der obere Schwellwert, U_USW der untere Schwellwert, U_IN die Eingangsspannung, m_AKT der aktuelle Multiplikationsfaktor und m_NEU der neue, kleinere Multiplikationsfaktor ist. Ein Vorteil der Einrichtung nach dieser Vorschrift ist, dass, wenn die Stromsenkenspannung den oberen Schwellwert erreicht, nach dem Umschalten des Multiplikationsfaktors die Stromsenkenspannung identisch mit dem unteren Schwellwert ist.

Sofern die Multiplikationsfaktoren ganze und aufeinanderfolgende Zahlen größer oder gleich 1 sind, ist die Differenz des aktuellen Multiplikationsfaktors und des neuen, kleineren Multiplikationsfaktors gleich 1. Daraus resultiert die einfache Gleichung, dass der obere Schwellwert gleich der Summe des unteren Schwellwertes und der Eingangsspannung ist.

Falls die weitere elektrische Last einen anderen Laststrom benötigt oder sie zeitlich unabhängig von der elektrischen Last betrieben werden soll, ist mit Vorteil die Anordnung in einer bevorzugten Weiterbildung zum Betrieb einer weiteren Serienschaltung, die Mittel zum Anschließen der weiteren elektrischen Last und die weitere Stromsenke aufweist, ausgelegt. Dazu ist die Anordnung mit einem weiteren ersten Vergleicher und einem weiteren zweiten Vergleicher ergänzt. Der weitere erste Vergleicher vergleicht die weitere Stromsenkenspannung mit einem weiteren unteren Schwellwert, der mit Vorteil einen anderen Wert als der untere Schwellwert einnehmen kann. Der weitere zweite Vergleicher vergleicht die weitere Stromsenkenspannung mit einem weiteren oberen Schwellwert. Die Auswahllogik verknüpft nun die Ergebnisse der verschiedenen Vergleicher und ermittelt daraus einen neuen Multiplikationsfaktor.

In einer anderen Weiterbildung können in entsprechender Weise mehrere weitere elektrische Lasten und die dazugehörigen mehreren weiteren Serienschaltungen verschaltet und betrieben sein.

In einer Weiterbildung kann der neue Multiplikationsfaktor dadurch ermittelt werden, dass ein höherer Multiplikationsfaktor eingestellt wird, wenn die Stromsenkenspannung kleiner als der untere Schwellwert und die weitere Stromsenkenspannung kleiner als der weitere untere Schwellwert ist.

In einer Weiterbildung kann der neue Multiplikationsfaktor dadurch ermittelt werden, dass ein niedrigerer Multiplikationsfaktor eingestellt wird, wenn die Stromsenkenspannung größer als der obere Schwellwert und die weitere Stromsenkenspannung größer als der weitere obere Schwellwert ist.

Sind mehrere verschiedene Lasten von diesem Spannungskonverter zu betreiben, so kann es vorteilhaft sein, nicht jede Last gleichwertig, sondern wichtige elektrische Lasten prioritär bei der Vorgabe des neuen Multiplikationsfaktors zu berücksichtigen.

Bevorzugt weist der Spannungskonverter auf:

– eine erste Stufe, die an ihrem Eingang mit einem Eingang des Spannungskonverters gekoppelt ist und einen ersten Kondensator und ein erstes Schaltmittel umfasst,
– eine zweite Stufe, die an ihrem Eingang mit einem Ausgang der ersten Stufe und an ihrem Ausgang mit dem Ausgang des Spannungskonverters gekoppelt ist und einen zweiten Kondensator und ein zweites Schaltmittel umfasst, und
– eine Steuereinheit, die mit dem Steuereingang des Spannungskonverters und mit dem ersten und dem zweiten Schaltmittel verbunden ist.

Der bevorzugte Spannungskonverter hat somit Stufen, die in identischer Weise aufgebaut sind. Die Kopplung der ersten Stufe mit der Eingangsspannung und die Kopplung der zweiten Stufe mit dem Ausgang des Spannungskonverters kann durch weitere Stufen erfolgen. Ist der mit diesen Stufen erreichbare Multiplikationsfaktor ausreichend hoch, kann die Kopplung durch eine einfache Verbindung realisiert sein. Die Kopplung kann ein Schaltmittel umfassen.

Mit Vorteil kann die Kopplung anstelle durch eine einfache Verbindung durch eine glättende Schaltung mit einem Kondensator, die als Tiefpass wirkt, gebildet sein. Mit Vorteil kann die Kopplung durch eine Schaltung, die als Tiefpass höherer Ordnung wirkt, gebildet sein.

Um Energie von einer Spannungsquelle auf einen Kondensator übertragen und anschließend den Kondensator von der Spannungsquelle trennen und die Energie an einer anderen Stelle in einer Schaltung abgeben zu können, sind bis zu vier Schalter notwendig. Mit Vorteil weist ein Schaltmittel für eine Stufe des Spannungskonverters drei Schalter auf. Die erste Elektrode des ersten Kondensators ist dabei über einen ersten Transferschalter mit dem Eingang der ersten Stufe und in einer Verbindung ohne Schalter mit dem Ausgang der ersten Stufe verbunden. Die zweite Elektrode des ersten Kondensators ist mit einem ersten Bezugspotentialschalter mit einem Bezugspotentialanschluss und mit einem ersten Hebeschalter mit dem Eingangsspannungsanschluss des Spannungskonverters verbunden.

Die Steuereinheit schaltet in einer ersten Taktphase den ersten Hebeschalter in einen offenen Schaltzustand und den ersten Transferschalter und den ersten Bezugspotentialschalter in einen geschlossenen Schaltzustand. In einer zweiten Taktphase schaltet die Steuereinheit den ersten Transferschalter und den ersten Bezugspotentialschalter in einen offenen Schaltzustand und den ersten Hebeschalter in einen geschlossenen Schaltzustand.

Mit Vorteil ist das zweite Schaltmittel in analoger Weise wie das erste Schaltmittel aufgebaut. Das zweite Schaltmittel umfasst damit einen zweiten Transferschalter, einen zweiten Bezugspotentialschalter und einen zweiten Hebeschalter. Die Steuereinheit schaltet in der ersten Taktphase den zweiten Transferschalter und den zweiten Bezugspotentialschalter in einen offenen Schaltzustand und den zweiten Hebeschalter in einen geschlossenen Schaltzustand. In der zweiten Taktphase schaltet die Steuereinheit den zweiten Transferschalter und den zweiten Bezugspotentialschalter in einen geschlossenen Schaltzustand und den zweiten Hebeschalter in einen offenen Schaltzustand.

Somit wird in der ersten Taktphase der erste Kondensator aufgeladen, wobei sich die erste Elektrode auf dem Potential der Eingangsspannung und die zweite Elektrode auf dem Bezugspotential befinden. In der zweiten Taktphase wird die zweite Elektrode des ersten Kondensators auf das Potential der Eingangsspannung angehoben. Da die Spannung über einem Kondensator auch bei Schaltvorgängen einen stetigen Verlauf hat, ist somit die erste Elektrode des ersten Kondensators auf dem doppelten Potential der Eingangsspannung. Durch das Öffnen des zweiten Transferschalters kann Ladung vom ersten Kondensator auf den zweiten Kondensator geschoben werden. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, so dass nach einer Reihe von Taktphasen der Ausgang der ersten Stufe auf dem doppelten Wert der Eingangsspannung und der Ausgang der zweiten Stufe auf dem dreifachen Wert der Eingangsspannung liegt.

Es können mehr als zwei Stufen für den Spannungskonverter vorgesehen sein. Um einen Multiplikationsfaktor von N zu erreichen, sind N – 1 Stufen notwendig.

Sollte das zweite Schaltmittel ohne weitere Stufen an den Ausgang des Spannungskonverters gekoppelt sein, so ist mit Vorteil das zweite Schaltmittel mit nur einem Schalter ausgestattet. Die erste Elektrode des zweiten Kondensators ist in Analogie zum ersten Schaltmittel mit einem Transferschalter, der die erste Elektrode des zweiten Kondensators mit dem Eingang der zweiten Stufe verbindet, und einer Verbindung, die die erste Elektrode mit dem Ausgang der zweiten Stufe verbindet, versehen. Die zweite Elektrode des zweiten Kondensators ist an die Eingangsspannung koppelbar. Da die Eingangsspannung Schwankungen unterliegen kann, ist mit Vorteil die zweite Elektrode an den Bezugspotentialanschluss gekoppelt. Die Steuereinheit schaltet den zweiten Transferschalter in der ersten Taktphase in den offenen Schaltzustand und in der zweiten Taktphase in den geschlossenen Schaltzustand. Das zweite Schaltmittel weist bei dieser Verschaltung eine geringere Schwankung der Ausgangsspannung auf als ein Schaltmittel, das mehrere Schalter umfasst.

Mittels der Steuereinheit kann ein neuer, kleinerer Multiplikationsfaktor dadurch eingestellt werden, dass der zweite Transferschalter in der ersten und in der zweiten Taktphase geschlossen ist. In der ersten Taktphase wird nun von der Spannung am Eingang der ersten Stufe sowohl der erste Kondensator wie auch der zweite Kondensator aufgeladen. In der zweiten Taktphase wird durch das parallele Öffnen des ersten und zweiten Bezugspotentialschalters und durch das parallele Schließen des ersten und zweiten Hebeschalters die zweite Elektrode des ersten und des zweiten Kondensators angehoben, so dass vom ersten und vom zweiten Kondensator Ladung am Ausgang der zweiten Stufe abgegeben wird.

Während der zweite Transferschalter in der ersten und in der zweiten Taktphase geschlossen ist, ist mit Vorteil der erste Kondensator stillgelegt. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass zur Stilllegung des ersten Kondensators der erste Hebeschalter und der erste Bezugspotentialschalter offen sind. Damit ist erreicht, dass beim Schalten nicht die zweite Elektrode des ersten Kondensators auf die Eingangsspannung aufgeladen und anschließend diese Ladung dem Bezugspotential zugeführt wird. Durch das Stilllegen des ersten Kondensators ist somit der Wirkungsgrad der Energieausnutzung gesteigert.

Mit Vorteil kann jedoch das Potential der zweiten Elektrode definiert und nicht schwankend gelassen sein, indem der Hebeschalter geschlossen und der Bezugspotentialschalter offen ist. Mit Vorteil kann die Belastung der Eingangsspannung weiter verringert werden, indem anstelle des Bezugspotentialschalters der Hebeschalter offen und anstelle des Hebeschalters der Bezugspotentialschalter geschlossen ist.

In analoger Weise kann auch der zweite Kondensator anstelle des ersten Kondensators stillgelegt werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Das Schließen des zweiten Transferschalters zum Wirksamwerden des neuen, kleineren Multiplikationsfaktors kann im Falle einer größeren Anzahl von Stufen an verschiedenen Stellen in dieser Hintereinanderschaltung der Stufen durchgeführt werden. Vorzugsweise werden diejenigen Stufen stillgelegt, die am nächsten zu dem Ausgang des Spannungskonverters sind.

Um den aktuellen Multiplikationsfaktor auf einen Wert einstellen zu können, der nicht nur um 1, sondern um einen Wert L kleiner als der Wert N ist, wobei der Wert N mit einem N – 1 Stufen umfassenden Spannungskonverter erreichbar ist, müssen die Transferschalter von L Stufen in der ersten und in der zweiten Taktphase geschlossen sein.

Bevor die Transferschalter unmittelbar benachbarter Stufen geschlossen werden, kann mit Vorteil zunächst der Transferschalter nicht unmittelbar benachbarter Stufen geschlossen werden.

Beim Schließen des zweiten Transferschalters zum Wirksamwerden des neuen, kleineren Multiplikationsfaktors werden die Taktphasen der folgenden Stufen von der Steuereinheit vertauscht.

Zum Wirksamwerden eines neuen, größeren Multiplikationsfaktors sind die Maßnahmen zum Einstellen eines neuen, kleineren Multiplikationsfaktors aufzuheben. Der zweite Transferschalter ist in diesem Fall in einer Taktphase offen und in der anderen Taktphase geschlossen geschaltet.

Mit Vorteil sind die verschiedenen Schalter in der zeitlichen Reihenfolge so angesteuert, dass eine hohe Energieeffizienz er reicht wird. Nichtüberlappungszeiten sind einzuhalten, so dass das Öffnen der in einer Taktphase zu öffnenden Transferschalter abgeschlossen ist, bevor das Schließen der in der gleichen Taktphase zu schließenden Transferschalter beginnt. Damit ist vermieden, dass die Energie des Kondensators einer Stufe an den Eingang der Stufe anstelle an den Ausgang der Stufe weitergegeben wird.

Zur Vermeidung eines Kurzschlusses der Eingangsspannung sind der Hebe- und der Bezugspotentialschalter einer Stufe so angesteuert, dass sie nie gleichzeitig geschlossen sind.

Mit Vorteil umfassen die Transfer-, Bezugspotential- und Hebeschalter jeweils einen Feldeffekttransistor. Die Schwellenspannung der Feldeffekttransistoren und der Ladungstyp können mit Vorteil so ausgewählt sein, dass der Stromfluss von der Eingangsspannung über den Hebetransistor und über den Bezugspotentialtransistor zum Bezugspotential äußerst klein gehalten ist. Bei einer Ausführung des Hebe- und des Bezugspotentialsschalters als Inverter, der in der komplementären Metall-Oxid-Halbleiter Technik, englisch Complementary Metal-Oxide Semiconductor Technology, abgekürzt CMOS-Technology, hergestellt ist, ist dies der Fall.

Bezüglich des Verfahrens und Weiterbildungen des Verfahrens wird auf die vorangegangene Beschreibung der Funktionsweise und auf die Ansprüche verwiesen.

Zusammenfassend hat das vorgeschlagene Prinzip als Vorteile:

– eine deutlich verbesserte Effizienz beim Energieeinsatz,
– eine verbesserte Flächenausnutzung auf dem Chip durch den Wegfall von Stromsenken.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert:
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Anordnung mit Spannungskonverter und Spannungsversorgung einer elektrischen Last.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Anordnung mit Spannungskonverter, nämlich zur Versorgung mehrerer elektrischer Lasten.
3 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Stromsenkenspannung bei einer steigenden und einer abnehmenden Eingangsspannung.
4a zeigt einen ersten Schaltzustand einer ersten und einer zweiten Stufe eines beispielhaften Spannungskonverters.
4b zeigt den zweiten Schaltzustand der Stufen von 4a.
5 zeigt eine Stufe, wie sie vorzugsweise als letzte Stufe vor dem Ausgang des Spannungskonverters eingesetzt ist.
6 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform des Spannungskonverters in sieben Stufen.
7a bis 7c zeigen ein Schaltbild einer Ausführungsform des Spannungskonverters mit sieben Stufen an einem Beispiel, wobei die Schalter durch Feldeffekttransistoren ausgebildet sind, und zwei Schaltbilder zu Ausführungsformen eines Bulk-Anschlusses eines Feldeffekttransistors.
1 zeigt einen Spannungskonverter 1, der an einem ersten Eingang an eine Eingangsspannung U_IN anschließbar ist und der an einem Ausgang mit einer Serienschaltung verbunden ist. Die Spannung U_OUT am Ausgang des Spannungskonverters 1 hat eine Abhängigkeit von der Spannung am ersten Eingang U_IN und von einem Multiplikationsfaktor m. Die Serienschaltung umfasst Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last 2 und eine Stromsenke 3. In 1 ist weiter die elektrische Last 2 mit dem Ausgang des Spannungskonverters 1 und die Stromsenke 3 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden.
Die Stromsenkenspannung U_SINK wird von einem ersten Vergleicher 4 mit einem unteren Schwellwert U_USW und von einem zweiten Vergleicher 5 mit einem oberen Schwellwert U_OSW verglichen. Die Ergebnisse der Vergleicher 4 und 5 werden einer Auswahllogik 6 zugeführt, die den aktuellen Multiplikationsfaktor m an den Spannungskonverter 1 weitergibt.
Der obere Schwellwert U_OSW ist eine Funktion des unteren Schwellwerts UUSW, der einstellbaren Multiplikationsfaktoren und einer von der Eingangsspannung U_IN ableitbaren Größe. In 1 wird die Eingangsspannung U_IN dem zweiten Vergleicher 5 zugeführt. Dazu ist der Vergleicher 5 mit der Auswahllogik 6 und die Auswahllogik 6 mit dem ersten Eingang des Spannungskonverters 1 gekoppelt.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Vergleicher 5 direkt mit der Eingangsspannung U_IN gekoppelt sein. Da die Ausgangsspannung U_OUT eine Funktion der Eingangsspannung U_IN ist, kann in einer weiteren alternativen Ausführungsform auch die Ausgangsspannung U_OUT dem Vergleicher 5 zugeführt werden.
Das Einstellen eines kleineren Multiplikationsfaktors m steigert den Wirkungsgrad des Energieverbrauchs der Spannungsversorgung.
Die Anordnung in 2 ist eine Weiterbildung der Anordnung von 1. Die Anordnung von 2 stimmt weitgehend mit der Anordnung gemäß 1 überein und wird insoweit an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben. An den Spannungskonverter 1 sind in der beispielhaften Ausführung gemäß 2 drei Serienschaltungen angeschlossen, umfassend jeweils ein Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last 2, 2', 2'' und eine dazugehörige Stromsenke 3, 3', 3''. Die drei Stromsenkenspannungen sind jeweils einem ersten Vergleicher 4, 4', 4'' und einem zweiten Vergleicher 5, 5', 5'' zugeführt. Die ersten und zweiten Vergleicher 4, 4', 4'', 5, 5', 5'' sind mit der Auswahllogik 6 verknüpft, die den aktuellen Multiplikationsfaktor m dem Spannungskonverter 1 zuführt.
Der Multiplikationsfaktor m wird auf Basis der Signale der Vergleicher 4, 4', 4'', 5, 5', 5'' eingestellt, um die Spannungsversorgung der elektrischen Lasten 2, 2', 2'' sicherzustellen und den Wirkungsgrad zu optimieren. Hierzu können je nach Anwendung unterschiedliche Regeln in der Auswahllogik 6 implementiert sein. Mit Vorteil ist eine Priorisierung der elektrischen Lasten 2, 2', 2'' in den Regeln enthalten.
3 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Eingangsspannung UIN mit einer ansteigenden und dann abnehmenden Flanke. Für den Multiplikationsfaktor m sind in diesem Beispiel ganze Zahlen auswählbar. Der Wert der Stromsenkenspannung U_SINK steigt bei steigender Eingangsspannung U_IN und erreicht den oberen Schwellwert U_OSW. Dies veranlasst die Anordnung, den Multiplikationsfaktor m zurückzuschalten, in diesem Beispiel von 6 auf 5 und im weiteren Verlauf von 5 auf 4.
Auch bei einem linearen Anstieg der Eingangsspannung U_IN wird die Stromsenkenspannung U_SINK bei den verschiedenen Multiplikationsfaktoren zwar ebenfalls abschnittsweise linear, aber mit einer um den Multiplikationsfaktor m größeren Steigung ansteigen. Daher ist trotz einer konstanten Steigung der Eingangsspannung bis zum höchsten Wert der Eingangsspannung die Steigung der Stromsenkenspannung unterschiedlich. Dies ist aus folgender in erster Näherung gültigen Gleichung ersichtlich: USINK = m·UIN – UL,wobei U_SINK die Spannung über der Stromsenke 3, m der Multiplikationsfaktor, U_IN die Eingangsspannung und U_L die Spannung über der elektrischen Last 2 ist. Die Spannung U_L über der elektrischen Last 2 ist im Betrieb praktisch konstant.
Bei der Abnahme der Eingangsspannung U_IN erreicht die Stromsenkenspannung U_SINK den unteren Schwellwert U_USW, so dass der Multiplikationsfaktor m zuerst von 4 auf 5 und dann von 5 auf 6 erhöht wird.
Mit Vorteil ist der obere Schwellwert U_OSW keine Konstante, sondern eine von der Eingangsspannung U_IN in folgender Weise abhängige Größe: UOSW = UUSW + UIN wobei U_OSW der obere Schwellwert, U_USW der untere Schwellwert und U_IN die Eingangsspannung ist. Die Gleichung gilt für einen Multiplikationsfaktor, der aus aufeinanderfolgenden ganzen Zahlen auswählbar ist. So wird bei einem Ansteigen der Eingangsspannung U_IN und dem dadurch ausgelösten Umschalten des Multiplikationsfaktor m die Stromsenkenspannung U_SINK unmittelbar vom oberen Schwellwert U_OSW auf den unteren Schwellwert U_USW absinken.
Der obere Schwellwert kann mit Vorteil etwas höher als in obiger Formel gewählt sein, damit bei einem Umschalten des Multiplikationsfaktors die Stromsenkenspannung nicht exakt auf den unteren Schwellwert absinkt. Damit wird ein Oszillieren des Multiplikationsfaktors zwischen zwei benachbarten Werten vermieden.
4a zeigt beispielhaft eine erste Stufe 11 und eine zweite Stufe 21 des Spannungskonverters 1 von den 1 und 2. Die erste Stufe 11 umfasst einen ersten Kondensator 12, einen ersten Transferschalter 14, einen ersten Bezugspotentialschalter 15 und einen ersten Hebeschalter 16. Eine erste Elektrode des ersten Kondensators 12 ist über den ersten Transferschalter 14 mit einem Eingang der ersten Stufe 11 und über eine Leitung mit dem Ausgang der ersten Stufe 11 verbunden. Eine zweite Elektrode des ersten Kondensators 12 ist über den ersten Potentialanschlussschalter 15 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden. Der zweiten Elektrode wird über den ersten Hebeschalter 16 die Eingangsspannung U_IN zugeführt. Der Eingang der ersten Stufe 11 ist mit dem Eingang des Spannungskonverters 1 verkoppelt.
Die zweite Stufe 21 umfasst einen zweiten Kondensator 22, einen zweiten Transferschalter 24, einen zweiten Bezugspotentialschalter 25 und einen zweiten Hebeschalter 26. Eine erste Elektrode des zweiten Kondensators 22 ist über den zweiten Transferschalter 24 mit einem Eingang der zweiten Stufe 21, die an den Aus gang der ersten Stufe 11 angeschlossen ist, und über eine Leitung mit dem Ausgang der zweiten Stufe 21 verbunden. Eine zweite Elektrode des zweiten Kondensators 22 ist über den zweiten Potentialanschlussschalter 25 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden. Der zweiten Elektrode wird über den zweiten Hebeschalter 26 die Eingangsspannung U_IN zugeführt. Der Ausgang der zweiten Stufe 21 ist mit dem Ausgang des Spannungskonverters 1 verkoppelt.
In 4a ist ein erster Schaltzustand in einer ersten Taktphase eingezeichnet. Bei diesem wird in der ersten Stufe 11 der erste Kondensator 12 über den ersten Transferschalter 14 von der Eingangsspannung U_IN aufgeladen. Die zweite Elektrode des ersten Kondensators 12 befindet sich dabei auf dem Bezugspotential, da der erste Bezugspotentialschalter 15 geschlossen ist. Der erste Hebeschalter 16 ist offen.
Der zweite Transferschalter 24 ist in der ersten Taktphase offen, so dass die erste Elektrode des ersten Kondensators 12 und die erste Elektrode des zweiten Kondensators 22 in der ersten Taktphase nicht leitend verbunden sind. Die Ladung auf dem zweiten Kondensator 22 steht jedoch am Ausgang der zweiten Stufe 21 zur Verfügung. Die untere Elektrode des zweiten Kondensators 22 befindet sich auf dem Eingangsspannungspotential U_IN, da der zweite Hebeschalter 26 geschlossen und der zweite Bezugspotentialschalter 25 geöffnet ist.
Die Steuereinheit 7 ist mit allen Schaltern 14, 15, 16, 24, 25, 26 zur Einstellung des ersten Schaltzustandes verknüpft.
4b zeigt einen zweiten Schaltzustand in einer zweiten Taktphase der Anordnung gemäß 4a. In der zweiten Taktphase ist der erste Kondensator 12 von dem Eingang der ersten Stufe 11 abgetrennt dadurch, dass der erste Transferschalter 14 geöffnet ist. Der erste Hebeschalter 16 ist geschlossen, sodass unmittelbar nach dem Schließen des Hebeschalters die Ladung der ersten Elektrode des ersten Kondensators 12 auf dem Potential der zweifachen Eingangspannung U_IN ist. Der erste Bezugspotentialschalter 15 ist offen.
Da der zweite Transferschalter 24 geschlossen ist, kann Ladung von der ersten Stufe 11 zur zweiten Stufe 21 fließen. Die zweite Elektrode des zweiten Kondensators 22 ist auf dem Bezugspotential, da der zweite Bezugspotentialschalter 25 geschlossen ist. Der zweite Hebeschalter 26 ist offen.
Die Summe der Ladungen auf der ersten Elektrode des ersten Kondensators 12 und der ersten Elektrode des zweiten Kondensators 22 ändert sich beim Öffnen des zweiten Transferschalters 24 in erster Näherung nicht. Nach dem Ausgleichsvorgang ist das Potential der ersten Elektrode des ersten Kondensators 12 und der ersten Elektrode des zweiten Kondensators 22 in erster Näherung identisch. Am Ende des Ausgleichsvorganges ist die Spannung über dem zweiten Kondensator 22 die Summe der Spannung über dem ersten Kondensator 12 und der Eingangsspannung U_IN. Aus der Gleichung für den Ladungserhalt, der Gleichung über die Spannungen und den Bauelementegleichungen für den ersten und den zweiten Kondensator 12 und 22 ergibt sich in erster Näherung die Spannung U₂₂ über dem zweiten Kondensator 22 am Ende der zweiten Taktphase.
Erste und zweite Taktphase wechseln periodisch ab, so dass die Spannung U₁₂ über dem ersten Kondensator 12 asymptotisch und unter Voraussetzung idealer Verhältnisse auf den Wert der Eingangsspannung U_IN und die Spannung U₂₂ über dem zweiten Kondensator 22 auf den zweifachen Wert des Wertes der Eingangsspannung U_IN ansteigt. Am Ausgang der ersten Stufe 11 steht dann im Idealfall bei dem Schließen des zweiten Transferschalters der zwei fache Wert der Eingangsspannung U_IN und am Ausgang der zweiten Stufe bei dem Schließen eines dritten Transferschalters einer dritten Stufe der dreifache Wert der Eingangsspannung U_IN zur Verfügung.
Der Multiplikationsfaktor m wird dem Spannungskonverter 1 zugeführt, wobei in 4a der erste und in 4b der zweite Schaltzustand dargestellt ist, mit denen der maximal mit zwei Stufen erzielbare Multiplikationsfaktor, nämlich 3 erreicht wird.
5 zeigt die zweite Stufe 71, wie sie mit Vorteil als Stufe unmittelbar vor dem Ausgang des Spannungskonverters 1 realisiert ist. Die zweite Stufe 71 umfasst den Transferschalter 74, der im geschlossenen Zustand dazu dient, Ladung von der vorherigen Stufe auf den zweiten Kondensator 72 fließen zu lassen. Die Spannung über dem zweiten Kondensator 72 steht als Ausgangsspannung UOUT zur Verfügung.
6 zeigt ein Blockschaltbild des Spannungskonverters 1 mit sieben Stufen. Die Stufen 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71 umfassen je einen Kondensator 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72 und je ein Schaltmittel 13, 23, 33, 43, 53, 63, 73. Die Schaltmittel 13, 23, 33, 43, 53, 63, 73 werden von der Steuereinheit 7 entsprechend dem aktuellen Multiplikationsfaktor m, der am Steuereingang des Spannungskonverters 1 vorgegeben wird, angesteuert. Zum Erzielen des größten auswählbaren Multiplikationsfaktors wird in der ersten Taktphase der erste, dritte, fünfte und siebte Kondensator 12, 32, 52, 72 aufgeladen und gibt der zweite, vierte und sechste Kondensator 22, 42, 62 jeweils Energie an die folgende Stufe ab. In der zweiten Taktphase gibt der erste, dritte, fünfte und siebte Kondensator 12, 32, 52, 72 Energie ab und wird der zweite, vierte und sechste Kondensator 22, 42, 62 aufgeladen. Die Weitergabe der Energie bzw. der Ladung erfolgt über den Hebeef fekt. Der Hebeeffekt beruht darauf, dass in der ersten Taktphase der erste, dritte, fünfte und siebte Kondensator 12, 32, 52, 72 auf eine Spannung aufgeladen wird, wobei die zweite Elektrode auf Bezugspotential gelegt ist, und dass dann in der zweiten Taktphase durch Anheben des Potentials der zweiten Elektrode auf das Niveau der Eingangsspannung U_IN des Spannungskonverters 1 das Potential der ersten Elektrode mit angehoben wird. Der Grund für das Mitanheben ist, dass sich der Energieinhalt eines Kondensators auch bei Schaltvorgängen nicht sprungartig ändert.
Als Multiplikationsfaktor m ist in dieser Ausführungsform jeder Wert von 1 bis 8 erreichbar, wobei der Wert 8 aus der Zahl der Stufen zuzüglich 1 resultiert.
7 zeigt eine mögliche Weiterbildung der Schaltung von 6. Dabei sind die Transferschalter als Feldeffekttransistoren 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77 vom p-Kanal-Typ und mit einer Schwellenspannung, sodass sie Transistoren vom Anreicherungstyp sind, realisiert. Dies gilt auch für die Feldeffekttransistoren 19, 29, 39, 49, 59, 69, die die Hebeschalter bilden. Die Bezugspotentialschalter sind als Feldeffekttransistoren 18, 28, 38, 48, 58, 68 des n-Kanal-Typs und ebenfalls als Transistoren vom Anreicherungstyp realisiert. Die ausgangsseitige Stufe 71, das heißt die siebte Stufe, ist eine Stufe, die eine besonders niedrige Ausgangsspannungsschwankung bewirkt.
Der Hebe- und der Bezugspotentialschalter einer Stufe können in einer Ausführungsform als CMOS-Inverter realisiert sein.
Feldeffekttransistoren umfassen zwei stromführende Anschlüsse, Source- und Drain-Anschluss genannt, und einen Steueranschluss, Bulk-Anschluss genannt. Da Source und Drain im allgemeinen identisch im Halbleiterkörper ausgebildet werden, unterscheiden sich im allgemeinen der Source- und der Drain-Anschluss erst im Be trieb anhand der angelegten Potentiale. Bei p-Kanal-Feldeffekttransistoren wird Drain und Source den beiden Anschlüssen so zugewiesen, dass der Source-Anschluss auf einem höheren Potential als der Drain-Anschluss liegt.
Gemäß der Ausführungsform in 7a können die Feldeffekttransistoren der Transferschalter 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77 einen nicht angeschlossenen Bulk-Anschluss aufweisen. In diesem Fall wird das Bulk des Feldeffekttransistors durch parasitäre Dioden auf das Potential desjenigen stromführenden Anschlusses gehoben, der sich auf einem höheren Potential befindet.
Einer oder mehrere der Feldeffekttransistor 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77 können auch so geschaltet sein, dass der Bulkanschluss mit demjenigen stromführenden Anschluss verbunden ist, der mit dem Eingang der jeweiligen Stufe gekoppelt ist. Einer oder mehrere der Feldeffekttransistoren 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77 können auch so geschaltet sein, dass der Bulk-Anschluss mit demjenigen stromführenden Anschluss verbunden ist, der mit dem Ausgang der jeweiligen Stufe gekoppelt ist.
7b zeigt eine weitere Ausführungsform für den Bulk-Anschluss eines der Feldeffekttransistoren 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77. Mit Hilfe eines Bulk-Komparators 82 wird derjenige der zwei Bulk-Schalter 80, 81 geschlossen, der das Bulk mit dem stromführenden Anschluss verbindet, der das höhere Potential aufweist. Der weitere der beiden Bulk-Schalter 80, 81 ist in diesem Fall geöffnet.
7c zeigt eine weitere Ausführungsform für den Bulk-Anschluss eines der Feldeffekttransistoren 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77. In dieser werden zwei Bulk-Schalter 80, 81 in Abhängigkeit der anderen Schalter geschaltet. Da im voraus aufgrund der Information, in welcher Taktphase die Schaltung sich befindet, bekannt ist, welcher der stromführenden Anschlüsse ein höheres Potential aufweist, kann der Bulk-Anschluss bereits vor dem Schalten eines der Feldeffekttransistoren 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77 mit demjenigen der beiden Transistoranschlüsse verbunden werden, der das höhere Potential aufweist. Dazu können die beiden Bulk-Schalter 80, 81 mit der Steuereinheit 7 verbunden sei.
Die Bulk-Anschlüsse jedes der Feldeffekttransistoren 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77 können in gleicher Weise nach einer der gezeigten Methoden verschaltet sein. Die Bulk-Anschlüsse können jedoch auch in verschiedener Weise nach einer der gezeigten Methoden verschaltet sein.

1: Spannungskonverter
2: elektrische Last
2': elektrische Last
2'': elektrische Last
3: Stromsenke
3': Stromsenke
3'': Stromsenke
4: Vergleicher zum Vergleich mit dem unteren Schwellwert
4': Vergleicher zum Vergleich mit dem unteren Schwellwert
4'': Vergleicher zum Vergleich mit dem unteren Schwellwert
5: Vergleicher zum Vergleich mit dem oberen Schwellwert
5': Vergleicher zum Vergleich mit dem oberen Schwellwert

5'': Vergleicher zum Vergleich mit dem oberen Schwellwert
6: Auswahllogik
7: Steuereinheit
8: Bezugspotentialanschluss
11: Stufe
12: Kondensator
13: Schaltmittel
14: Transferschalter
15: Bezugspotentialschalter
16: Hebeschalter
17: Transfertransistor
18: Bezugspotentialtransistor
19: Hebetransistor
21: Stufe
22: Kondensator
23: Schaltmittel
24: Transferschalter
25: Bezugspotentialschalter
26: Hebeschalter
27: Transfertransistor
28: Bezugspotentialtransistor
29: Hebetransistor
31: Stufe
32: Kondensator
33: Schaltmittel
37: Transfertransistor
38: Bezugspotentialtransistor
39: Hebetransistor
41: Stufe
42: Kondensator
43: Schaltmittel
47: Transfertransistor
48: Bezugspotentialtransistor
49: Hebetransistor
51: Stufe
52: Kondensator
53: Schaltmittel
57: Transfertransistor
58: Bezugspotentialtransistor
59: Hebetransistor
61: Stufe
62: Kondensator
63: Schaltmittel
67: Transfertransistor
68: Bezugspotentialtransistor
69: Hebetransistor
71: Stufe
72: Kondensator
73: Schaltmittel
74: Transferschalter
77: Transfertransistor
80: Bulk-Schalter
81: Bulk-Schalter
82: Bulk-Komparator
m: Multiplikationsfaktor
U_IN: Eingangsspannung des Spannungskonverters
U_OSW: oberer Schwellwert
U_OSW': oberer Schwellwert
U_OSW'': oberer Schwellwert
U_USW: unterer Schwellwert
U_USW': unterer Schwellwert
U_USW'': unterer Schwellwert
U_OUT: Ausgangsspannung des Spannungskonverters
U_SINK: Stromsenkenspannung

Claims

Anordnung mit einem Spannungskonverter (1) zur Spannungsversorgung einer elektrischen Last (2), aufweisend – den Spannungskonverter (1), der an einem Ausgang mit einem Anschluss einer Serienschaltung, umfassend Mittel zum Anschließen der elektrischen Last (2) und eine Stromsenke (3), verbunden ist und dessen Ausgangspannung eine Abhängigkeit von einer Eingangsspannung und von einem aktuellen Multiplikationsfaktor aufweist, – einen ersten Vergleicher (4), der an einem Abtasteingang mit der Stromsenke (3) zur Zuführung einer Stromsenkenspannung gekoppelt ist und der zum Vergleich der Stromsenkenspannung mit einem unteren Schwellwert eingerichtet ist, – einen zweiten Vergleicher (5), der an einem Abtasteingang mit der Stromsenke (3) zur Zuführung der Stromsenkenspannung gekoppelt ist und der zum Vergleich der Stromsenkenspannung mit einem oberen Schwellwert eingerichtet ist, und – eine Auswahllogik (6), die mit Ausgängen des ersten und zweiten Vergleichers (4, 5) und mit einem Steuereingang des Spannungskonverters (1) zur Vorgabe des aktuellen Multiplikationsfaktors verbunden und ausgelegt ist zur Vorgabe eines neuen, größeren Multiplikationsfaktors verglichen mit dem aktuellen Multiplikationsfaktor aus einer Menge von auswählbaren Werten des Multiplikationsfaktors, wenn die Stromsenkenspannung den unteren Schwellwert unterschreitet, und zur Vorgabe eines neuen, kleineren Multiplikationsfaktors, wenn die Stromsenkenspannung den oberen Schwellwert überschreitet.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Vorgeben des unteren Schwellwertes und Mittel zur Bestimmung des oberen Schwellwertes in Abhängigkeit von dem unteren Schwellwert vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Vergleicher (4) an einem weiteren Abtasteingang ein von der Eingangsspannung abgeleitetes Signal zuführbar ist und der zweite Vergleicher (5) zur Bestimmung des oberen Schwellwertes in Abhängigkeit von dem aktuellen Multiplikationsfaktor, von dem neuen, kleineren Multiplikationsfaktor, von dem vorgegebenen unteren Schwellwert und von dem von der Eingangsspannung abgeleiteten Signal eingerichtet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Vergleicher (5) zur Bestimmung des oberen Schwellwertes nach der Vorschrift UOSW = UUSW + UIN·(mAKT – mNEU)eingerichtet ist, wobei mAKT der aktuelle Multiplikationsfaktor, m_NEU der neue, kleinere Multiplikationsfaktor, U_IN die Eingangsspannung, U_USW der vorgegebene untere Schwellwert und U_OSW der obere Schwellwert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest eine weitere Serienschaltung, umfassend Mittel zum Anschließen einer weiteren elektrischen Last (2') und eine weitere Stromsenke (3'), an einem Anschluss mit dem Ausgang des Spannungskonverters (1) verbunden ist, – zumindest ein weiterer erster Vergleicher (4') an einem Abtasteingang mit der weiteren Stromsenke (3') zur Zuführung einer weiteren Stromsenkenspannung gekoppelt ist und zum Ver gleich der weiteren Stromsenkenspannung mit einem weiteren unteren Schwellwert eingerichtet ist und – zumindest ein weiterer zweiter Vergleicher (5') an einem ersten Abtasteingang mit der weiteren Stromsenke (3') zur Zuführung der weiteren Stromsenkenspannung gekoppelt ist und zum Vergleich der weiteren Stromsenkenspannung mit einem weiteren oberen Schwellwert eingerichtet ist und dass – die Auswahllogik (6) mit Ausgängen des zumindest einen weiteren ersten und des zumindest einen weiteren zweiten Vergleichers (4', 5') verbunden ist und ausgelegt ist zur Vorgabe des neuen Multiplikationsfaktors in Abhängigkeit der Vergleichsergebnisse des ersten und des zweiten Vergleichers (4, 5) sowie des zumindest einen weiteren ersten und des zumindest einen weiteren zweiten Vergleichers (4', 5').
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – der Spannungskonverter (1) eine erste Stufe (11) aufweist, die an ihrem Eingang mit einem Eingang des Spannungskonverters (1) gekoppelt ist und einen ersten Kondensator (12) und ein erstes Schaltmittel (13) umfasst, – dass der Spannungskonverter (1) eine zweite Stufe (21) aufweist, die an ihrem Eingang mit einem Ausgang der ersten Stufe (11) und an ihrem Ausgang mit dem Ausgang des Spannungskonverters (1) gekoppelt ist und einen zweiten Kondensator (22) und ein zweites Schaltmittel (23) umfasst, – und dass der Spannungskonverter (1) eine Steuereinheit (7) aufweist, die mit dem Steuereingang des Spannungskonverters (1) und mit dem ersten und dem zweiten Schaltmittel (13, 23) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltmittel (13) – einen ersten Transferschalter (14), der eine erste Elektrode des ersten Kondensators (12) mit dem Eingang der ersten Stufe (11) verbindet, – einen ersten Bezugspotentialschalter (15), der eine zweite Elektrode des ersten Kondensators (12) mit einem Bezugspotentialanschluss (8) verbindet, – einen ersten Hebeschalter (16), der der zweiten Elektrode des ersten Kondensators (12) die Eingangsspannung zuführt, – und eine Verbindung der ersten Elektrode des ersten Kondensators (12) mit dem Ausgang der ersten Stufe (11) umfasst und dass die Steuereinheit (7) so eingerichtet ist, – dass in einer ersten Taktphase der erste Hebeschalter (16) offen und der erste Transferschalter (14) und der erste Bezugspotentialschalter (15) geschlossen sind, – und dass in einer zweiten Taktphase der erste Transferschalter (14), der erste Bezugspotentialschalter (15) und der erste Hebeschalter (16) in einem komplementären Schaltzustand bezüglich der ersten Taktphase sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltmittel (23) – einen zweiten Transferschalter (24), der eine erste Elektrode des zweiten Kondensators (22) mit dem Eingang der zweiten Stufe (21) verbindet, – einen zweiten Bezugspotentialschalter (25), der eine zweite Elektrode des zweiten Kondensators (22) mit dem Bezugspotentialanschluss (8) verbindet, – einen zweiten Hebeschalter (26), der der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators (22) die Eingangsspannung zuführt, – und eine Verbindung der ersten Elektrode des zweiten Kondensators (22) mit dem Ausgang der zweiten Stufe (21) umfasst und dass die Steuereinheit (7) so eingerichtet ist, – dass in der ersten Taktphase der zweite Transferschalter (24) und der zweite Bezugspotentialschalter (25) offen und der zweite Hebeschalter (26) geschlossen sind, – und dass in der zweiten Taktphase der zweite Transferschalter (24), der zweite Bezugspotentialschalter (25) und der zweite Hebeschalter (26) in einem komplementären Schaltzustand bezüglich der ersten Taktphase sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltmittel (73) – einen zweiten Transferschalter (74), der eine erste Elektrode des zweiten Kondensators (72) mit dem Eingang der zweiten Stufe (71) verbindet, – eine Verbindung einer zweiten Elektrode des zweiten Kondensators (72) mit dem Bezugspotentialanschluss (8), – und eine Verbindung der ersten Elektrode des zweiten Kondensators (72) mit dem Ausgang der zweiten Stufe (71) umfasst, und dass die Steuereinheit (7) so eingerichtet ist, – dass in der ersten Taktphase der zweite Transferschalter (74) offen ist, – und dass in der zweiten Taktphase der zweite Transferschalter (74) in einem komplementären Schaltzustand bezüglich der ersten Taktphase ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) zum Schließen des zweiten Transferschalters (24) in der ersten und in der zweiten Taktphase für ein Wirksamwerden des neuen, kleineren Multiplikationsfaktors eingerichtet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) zum Einstellen unterschiedlicher Schaltzustände des zweiten Transferschalters (24) in der ersten und in der zweiten Taktphase für ein Wirksamwerden des neuen, größeren Multiplikationsfaktors eingerichtet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Transfer-, Bezugspotential- und Hebeschalter (14, 15, 16, 24, 25, 26, 74) je einen Feldeffekttransistor umfassen.
Verfahren zur Spannungsversorgung einer elektrischen Last (2), aufweisend folgende Schritte: – Erzeugen einer Ausgangspannung eines Spannungskonverters (1) zur Spannungsversorgung einer Serienschaltung, aufweisend die an ein Mittel zum Anschließen der elektrischen Last angeschlossene elektrische Last (2) und eine Stromsenke (3), wobei die Ausgangspannung von einer Eingangsspannung und von einem aktuellem Multiplikationsfaktor abhängt, – Vergleichen einer über der Stromsenke (3) abfallenden Stromsenkenspannung mit einem unteren Schwellwert, – Vergleichen der über der Stromsenke (3) abfallenden Stromsenkenspannung mit einem oberen Schwellwert und – Vorgeben eines neuen, größeren Multiplikationsfaktors aus einer Menge von auswählbaren Werten des Multiplikationsfaktors an den Spannungskonverter (1), wenn die Stromsenkenspannung den unteren Schwellwert unterschreitet, und Vorgeben eines neuen, kleineren Multiplikationsfaktors, wenn die Stromsenkenspannung den oberen Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Vorgeben des unteren Schwellwertes und Bestimmen des oberen Schwellwertes in Abhängigkeit von dem unteren Schwellwert.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch Bestimmen des oberen Schwellwertes in Abhängigkeit von dem aktuellen Multiplikationsfaktor, von dem neuen, kleineren Multiplikationsfaktor, von dem vorgegebenen unteren Schwellwert und von einem von der Eingangsspannung abgeleiteten Signal.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch Bestimmen des oberen Schwellwertes nach der Vorschrift VOSW = UUSW + UIN·(mAKT – mNEU),wobei mAKT der aktuelle Multiplikationsfaktor, mNEU der neue, kleinere Multiplikationsfaktor, U_IN die Eingangsspannung, UUSW der vorgegebene untere Schwellwert und U_OSW der obere Schwellwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch – Versorgen zumindest einer weiteren Serienschaltung, aufweisend eine an ein weiteres Mittel zum Anschließen der weiteren elektrischen Last (2') angeschlossene weitere elektrische Last (2') und eine weitere Stromsenke (3'), mit der Ausgangspannung des Spannungskonverters (1) – Vergleichen einer über der weiteren Stromsenke (3') abfallenden weiteren Stromsenkenspannung mit einem weiteren unteren Schwellwert, – Vergleichen der weiteren Stromsenkenspannung mit einem weiteren oberen Schwellwert, – Vorgeben eines neuen Multiplikationsfaktors in Abhängigkeit der Ergebnisse der Vergleiche der Stromsenkenspannung mit dem unteren und dem oberen Schwellwert sowie der Vergleiche der zumindest einen weiteren Stromsenkenspannung mit dem zumindest einen weiteren unteren und dem zumindest einen weiteren oberen Schwellwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch – Auf- und Entladen eines ersten Kondensators (12), der zusammen mit einem ersten Schaltmittel (13) eine erste Stufe (11) des Spannungskonverters (1) bildet, wobei ein Eingang der ersten Stufe mit einem Eingang des Spannungskonverters (1) gekoppelt ist, – Auf- und Entladen eines zweiten Kondensators (22), der zusammen mit einem zweiten Schaltmittel (23) eine zweite Stufe (21) des Spannungskonverters (1) bildet, wobei ein Eingang der zweiten Stufe (21) mit einem Ausgang der ersten Stufe (11) und ein Ausgang der zweiten Stufe (21) mit einem Ausgang des Spannungskonverters (1) gekoppelt ist und – Steuern des ersten und des zweiten Schaltmittels (13, 23) in Abhängigkeit von dem aktuellen Multiplikationsfaktor.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch periodisches Umschalten des ersten Schaltmittels (13) zwischen einer erster und einer zweiter Taktphase so, dass in der ersten Taktphase – ein erster Hebeschalter (16), der einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators (12) die Eingangsspannung zuführt, geöffnet wird, – ein erster Transferschalter (14), der eine erste Elektrode des ersten Kondensators (12) mit dem Eingang der ersten Stufe (11) verbindet, geschlossen wird und – ein erster Bezugspotentialschalter (15), der der zweiten Elektrode des ersten Kondensators (12) das Bezugspotential zuführt, geschlossen wird, dass in der zweiten Taktphase der erste Transferschalter (14), der erste Bezugspotentialschalter (15) und der erste Hebeschalter (16) in einen komplementären Schaltzustand bezüglich der ersten Taktphase versetzt werden und dass ein an der ersten Elektrode des ersten Kondensators (12) auftretendes Potential in der ersten und in der zweiten Taktphase an dem Ausgang der ersten Stufe (11) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch periodisches Umschalten des zweiten Schaltmittels (23) zwischen der ersten und der zweiten Taktphase so, dass in der ersten Taktphase – ein zweiter Transferschalter (24), der eine erste Elektrode des zweiten Kondensators (22) mit dem Eingang der zweiten Stufe (21) verbindet, geöffnet wird und – ein zweiter Bezugspotentialschalter (25), der einer zweiten Elektrode des zweiten Kondensators (22) das Bezugspotential zuführt, geöffnet wird, – ein zweiter Hebeschalter (26), der der zweiten Elektrode des zweiten Kondensators (22) die Eingangsspannung zuführt, geschlossen wird, dass in der zweiten Taktphase der zweite Transferschalter (24), der zweite Bezugspotentialschalter (25) und der zweite Hebeschalter (26) in einen komplementären Schaltzustand bezüglich der ersten Taktphase versetzt werden und dass ein an der ersten Elektrode des zweiten Kondensators (22) auftretendes Potential in der ersten und in der zweiten Taktphase an dem Ausgang der zweiten Stufe (21) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 18 gekennzeichnet durch periodisches Umschalten des zweiten Schaltmittels (73) zwischen der ersten und der zweiten Taktphase so, dass in der ersten Taktphase ein zweiter Transferschalter (74), der eine erste Elektrode des zweiten Kondensators (72) mit dem Eingang der zweiten Stufe (71) verbindet, geöffnet wird und dass in der zweiten Taktphase der zweite Transferschalter (74) in einen komplementären Schaltzustand bezüglich mit der ersten Taktphase versetzt wird und dass ein an der ersten Elektrode des zweiten Kondensators (72) auftretende Potential in der ersten und in der zweiten Taktphase an dem Ausgang der zweiten Stufe (71) anliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet durch Schließen des zweiten Transferschalters (24) in der ersten und in der zweiten Taktphase für ein Wirksamwerden des neuen, kleineren Multiplikationsfaktors.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch Einstellen unterschiedlicher Schaltzustände des zweiten Transferschalters (24) in der ersten und in der zweiten Taktphase für ein Wirksamwerden des neuen, größeren Multiplikationsfaktors.