DE102005030123B4

DE102005030123B4 - Stromversorgungsanordnung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102005030123B4
Application number: DE102005030123.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pauritsch Manfred; Peter Trattler
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams AG
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: EP1897200A2; DE102005030123A1; US20090167260A1; WO2007000272A2; WO2007000272A3; US8716987B2

Abstract

Stromversorgungsanordnung, aufweisend – einen Eingang (1) zum Anschließen einer Spannungsquelle (2), – einen Kondensator (3) mit einem Innenwiderstand, der kleiner ist als ein Innenwiderstand der Spannungsquelle (2), – ein Mittel (4) zum Aufladen des Kondensators (3), das diesen mit dem Eingang (1) der Stromversorgungsanordnung koppelt, – Mittel (7) zum Anschließen einer elektrischen Last (8), – einen Laststromregler (9, 14, 21), der den Kondensator (3) mit dem Mittel (7) zum Anschließen der elektrischen Last koppelt und der einen induktiven Boost-Konverter (17, 18, 19) umfasst, und – einen Rückführungszweig, der ein mit dem Mittel zum Anschließen der elektrischen Last gekoppeltes Mittel zur Laststromerfassung (10) mit dem Laststromregler (9, 14, 21) koppelt, – wobei die Stromversorgungsanordnung eingerichtet ist, selektiv in einer ersten Betriebsphase, einer zweiten Betriebsphase oder einer dritten Betriebsphase betrieben zu werden, und – wobei die Stromversorgungsanordnung eingerichtet ist, in der ersten Betriebsphase den Kondensator (3) über die Mittel (4) zum Aufladen des Kondensators (3) aufzuladen, in der zweiten Betriebsphase den Kondensator (3) über den Laststromregler (9, 14, 21) zu entladen, und in der dritten Betriebsphase einen ein- und abschaltbaren Bypass-Zweig (12) einzuschalten, der das Mittel (4) zum Aufladen des Kondensators (3) mit dem Mittel (7) zum Anschließen der elektrischen Last verbindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanordnung und deren Verwendung in einem Mobilfunkgerät.
Zur Stromversorgung in Mobilfunkgeräten dient normalerweise eine wiederaufladbare Batterie, ein sogenannter Akkumulator, Solche Akkumulatoren haben eine Batteriespannung von beispielsweise 3,3 Volt bis 4,2 Volt, abhängig von ihrem Ladezustand. Außerdem haben solche Akkumulatoren, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Metall-Hydrid-Akkumulatoren oder Nickel-Cadmium-Akkumulatoren einen verhältnismäßig großen Innenwiderstand von typisch circa 200 Milliohm.
Der Trend der Integration von Digitalkamerafunktionalität in Mobiltelefone führt zu dem Bestreben, auch leistungsstarke Blitzlicht-Geräte in das Mobilfunkgerät zu integrieren.
Um mit der gegebenen, maximalen Stromtreiberfähigkeit des Akkumulators auszukommen, könnten beispielsweise sagenannte Xenon-Blitzlichtlampen verbaut werden. Diese haben jedoch verhältnismäßige große Betriebsspannungen von beispielsweise 300 Volt, die aufgrund des deutlichen Überschreitens der in vielen Ländern vorgegebenen Grenzen für die Schutzkleinspannung zusätzliche Schutzmaßnahmen vor einem Berühren spannungsführender Teile erfordern. Dies wäre jedoch mit einem verhältnismäßig großen Aufwand verbunden.
Leuchtdioden können ebenfalls eine Blitzlicht-Funktion ausführen, ohne hierfür die Grenze für Schutzkleinspannung von 60 Volt zu überschreiten. Problematisch dabei ist jedoch, dass solche Leuchtdioden zum Erzielen einer ausreichenden Blitzlicht-Helligkeit verhältnismäßig große Ströme von bis zu 5 Ampere als Spitzenlast bei einer Durchlassspannung von 5 Volt benötigen. Solche hohen Ströme können jedoch von den oben genannten Akkumulatorentypen aufgrund ihres verhältnismäßig hohen Innenwiderstands nicht, auch nicht kurzfristig bereitgestellt werden, da der Spannungseinbruch einen Reset des Mobiltelefons hervorrufen würde.
Dokument WO 02/071 815 A2 betrifft einen Treiberschaltkreis für eine Lampe. Ein Bauteil mit gemeinsamen Windungen dient sowohl als Induktivität, als auch zum Triggern der Lampe. Die Entladung eines Kondensators durch die Induktivität und die Lampe wird von einem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter gesteuert und steuert damit den mittleren Strom durch die Lampe.
Dokument EP 0 798 840 A2 betrifft eine Batterie-Stromversorgung für eine Last mit einer parallel zur Last geschalteten Kapazität. Ein Hochsetzsteller dient zum Aufladen der Kapazität und ein der Kapazität nachgeschalteter Tiefsetzsteller ist zur Versorgung der Last vorgesehen.
Das Dokument US 2001/0 033 503 A1 beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Batterie, die über einen Schalter an einen Eingang eines Boost-Konverters geschaltet werden kann. An den Ausgang des Boost-Konverters sind Leuchtdioden angeschlossen. An den Eingang des Boost-Konverters ist ein Kondensator geschaltet, welcher beim Zuschalten der Batterie aufgeladen wird. Gleichzeitig dient der Kondensator als Spannungsquelle und Energiespeicher für den Boost-Konverter. Aufgrund des begrenzten Energieinhalts von Akkumulatoren mit vorgegebenem Gewicht und Volumen ist es wünschenswert, hohe Wirkungsgrade der Verbraucher in mobilen Geräten zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromversorgungsanordnung anzugeben, welche für die Anwendung in Mobilfunkgeräten und zur Ansteuerung von Leuchtdioden mit Blitzlicht-Funktionalität geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Stromversorgungsanordnung mit den Merkmalen des geltenden Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorgeschlagene Stromversorgungsanordnung hat einen Eingang zum Anschließen einer Spannungsquelle. Ein Kondensator mit niedrigem Innenwiderstand ist über ein Mittel zum Aufladen des Kondensators mit dem Eingang der Stromversorgungsanordnung gekoppelt. Ein Laststromregler koppelt den Kondensator mit einem Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last. Der Laststromregler hat einen Rückführeingang, an den das Mittel zum Anschließen der elektrischen Last über einen Rückführungszweig und ein Mittel zur Laststromerfassung gekoppelt ist.
Der Kondensator dient als vorübergehender Energiespeicher, um den Spitzenstrom, den die elektrische Last benötigt, und den ansonsten die Batterie selbst bereitstellen müsste, zu reduzieren. Dadurch wird vermieden, dass sich beispielsweise ein Mobilfunkgerät, in dem die Stromversorgungsanordnung untergebracht ist, aufgrund der zusammengebrochenen Batteriespannung selbsttätig abschaltet.
In einer Aufladephase des Kondensators wird dieser mit einem geringen Strom, beispielsweise einem halben Ampere für eine bestimmte Zeitdauer, beispielsweise eine Sekunde lang aus der Spannungsquelle auf seine Nennspannung aufgeladen.
In einer anschließenden Entladephase wird der Kondensator nicht über einen einfachen Widerstand an die elektrische Last entladen, sondern es findet nach dem vorgeschlagenen Prinzip eine kontrollierte Entladung mit geregeltem Strom statt. Hierfür ist der Laststromregler vorgesehen, bei dem in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Laststrom, der mit dem Mittel zur Laststromerfassung gemessen werden kann, in einer geschlossenen Regelschleife mittels des Laststromreglers eine Regelung des Laststroms erfolgt.
Der Eingang zum Anschließen einer Spannungsquelle ist insbesondere zum Anschließen an einen Akkumulator ausgebildet, der einen verhältnismäßig großen Innenwiderstand hat.
Die beschriebene Stromversorgungsanordnung ist bevorzugt zur Verwendung in Mobilfunkgeräten, insbesondere zur Ansteuerung einer oder mehrerer Leuchtdioden als elektrische Last ausgebildet.
Der Innenwiderstand des Kondensators ist bevorzugt kleiner als der Innenwiderstand der Spannungsquelle.
Besonders bevorzugt ist der Innenwiderstand des Kondensators kleiner als 50 Milliohm.
Das Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last ist bevorzugt als Mittel zum Anschließen einer Leuchtdiode ausgebildet, insbesondere einer Blitzlicht-Leuchtdiode, englisch: Flash-LED, light-emitting diode.
In einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Prinzips ist eine Leuchtdiode an das Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last angeschlossen.
Der Kondensator ist bevorzugt ein so genannter Supercap.
Der Kapazitätswert des Kondensators liegt vorteilhafter Weise in einem Bereich von 0,1 Farad bis 10 Farad. Besonders bevorzugt liegt der Kapazitätsbereich zwischen 1 und 2 Farad.
Der Supercap hat beispielsweise eine Nennspannung von 2,5 Volt, 4,5 Volt oder 5 Volt.
Das Mittel zur Laststromerfassung umfasst bevorzugt eine Stromquelle. Aufgrund ihrer Position in der Schaltung kann die Stromquelle auch als Stromsenke verstanden werden. Im einfachsten Fall ist beispielsweise ein Widerstand in Serie zur elektrischen Last geschaltet, wobei die über den Widerstand abfallende Spannung gemessen wird. Bei Kenntnis dieser Spannung und des a priori bekannten Widerstandswertes kann auf den tatsächlichen Laststrom geschlossen werden. Die Stromquelle kann dabei in einem gemeinsamen Strompfad entweder zwischen den Laststromregler und die elektrische Last oder zwischen die elektrische Last und einen Bezugspotentialanschluss geschaltet sein.
Das Mittel zum Aufladen des Kondensators umfasst bevorzugt eine Ladungspumpe. Die Ladungspumpe stellt an ihrem Ausgang eine Spannung bereit, die größer sein kann als die Spannung an ihrem Eingang. Dabei arbeitet die Ladungspumpe normalerweise mit einem oder mehreren kleinen Kondensatoren. Dadurch ist es möglich einen Supercap einzusetzen, dessen Spannung im aufgeladenen Zustand größer ist als die Spannung einer am Eingang der Anordnung angeschlossenen Batterie. Somit kann der Energieinhalt des Kondensators erhöht werden. Außerdem ist das Aufladen des Kondensators unabhängig vom Ladezustand der Batterie möglich.
Der Laststromregler umfasst bevorzugt ein Mittel zur Laststrombegrenzung.
Der Laststromregler kann beispielsweise als DC/DC-Konverter ausgebildet sein, der einen Rückführungseingang hat.
Das Mittel zum Aufladen des Kondensators und der Laststromregler können eine gemeinsam genutzte Induktivität haben. Somit ist nur eine Induktivität für die gesamte Stromversorgungsanordnung erforderlich, welche sowohl beim Aufladen der Kapazität als Teil des Mittels zum Aufladen, als auch in einem Entladebetrieb als Teil des Laststromreglers genutzt wird. Insbesondere bei Ausbildung der Schaltung in integrierter Schaltungstechnik ergibt sich durch diese doppelte Nutzung der Induktivität eine deutliche Flächen- und damit Kostenersparnis.
Das Mittel zum Aufladen des Kondensators umfasst bevorzugt einen Buck-Konverter. In diesem Fall braucht eine Ladungspumpe nicht notwendigerweise dem Buck-Konverter vorgeschaltet sein. Buck-Konverter werden auch als Abwärtswandler oder Tiefsetzsteller bezeichnet.
Der Laststromregler umfasst bevorzugt einen Boost-Konverter. Solche Boost-Konverter werden auch als Aufwärtswandler oder Hochsetzsteller bezeichnet.
Besonders bevorzugt sind der Buck-Konverter und der Boost-Konverter in dem Laststromregler zu einer Einheit zusammengefasst. In diesem Fall ist mit besonderem Vorteil die Mehrfachnutzung einzelner Bauteile wie beispielsweise einer Induktivität möglich.
In einer bevorzugten Weiterbildung des vorgeschlagenen Prinzips ist ein zu- und abschaltbarer Bypass-Zweig vorgesehen, der das Mittel zum Aufladen des Kondensators mit dem Mittel zum Anschließen der elektrischen Last koppelt. Dadurch kann der Kondensator überbrückt werden. Dies dient insbesondere dazu, eine elektrische Last wie beispielsweise eine Leuchtdiode in einem Bypass-Betrieb nicht als Blitzlicht-Lampe zu betreiben, sondern in einem Dauerbetrieb beispielsweise in einer Taschenlampenfunktion oder als Videolampe zu betreiben.
Der Kondensator kann in einem Aufladebetrieb über das Mittel zum Aufladen parallel an die Spannungsquelle gekoppelt sein. In einem Entladebetrieb ist der Kondensator bevorzugt über den Laststromregler parallel an einen Strompfad angeschlossen, der die elektrische Last oder zumindest das Mittel zum Anschließen der elektrischen Last umfasst.
Alternativ kann der Kondensator im Entladebetrieb zur Spannungsquelle in Serie geschaltet sein. Letzteres hat den Vorteil einer höheren Ausgangsspannung im Entladefall, während im Falle des parallelen Entladens ein höherer Spitzenstrom bereitgestellt werden kann. Die Wahl der Verschaltung im Entladebetrieb hängt dabei von der Applikation und den Kenndaten der elektrischen Last und des Kondensators ab.
In einer Weiterbildung ist der Kondensator sowohl in dem Aufladebetrieb als auch in dem Entladebetrieb seriell zur Spannungsquelle geschaltet. Für den Aufladebetrieb kann ein Boost-Converter eingesetzt sein. Es ist ein Vorteil dieser Weiterbildung, dass die Anordnung ohne diejenigen Schalter aufgebaut sein kann, die zum Umschalten von der parallelen Schaltung zu der seriellen Schaltung des Kondensators zu der Spannungsquelle nötig sind.
Besonders bevorzugt ist die beschriebene Stromversorgungsanordnung in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Stromversorgungsanordnung in einem Mobilfunkgerät zur Kopplung einer als Blitzlicht-Leuchtdiode ausgeführten elektrischen Last mit einer als Akkumulator ausgebildeten Spannungsquelle.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Stromversorgungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
2 eine beispielhafte Weiterbildung der Schaltung von 1,
3 eine beispielhafte Weiterbildung der Schaltung von 2,
4 eine andere, beispielhafte Weiterbildung der Schaltung von 1,
5 eine beispielhafte Weiterbildung der Schaltung von 4,
6 ein Beispiel einer Aufladephase bei der Schaltung von 5,
7 ein Beispiel eines Entladephase bei der Schaltung von 5 und
8 ein Beispiel für einen Taschenlampenbetrieb bei der Schaltung von 5.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stromversorgungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Ein Eingang 1 der Stromversorgungsanordnung ist zum Anschließen einer Spannungsquelle ausgelegt. Vorliegend ist eine Batterie 2 als Spannungsquelle an den Eingang 1 angeschlossen. Weiterhin ist ein Kondensator 3 vorgesehen, der einen niedrigen Innenwiderstand von beispielhaft 50 mΩ hat. Dieser Kondensator 3 ist als so genannter Supercap ausgebildet. Zwischen dem Eingang 1 und dem Kondensator 3 ist ein Mittel zum Aufladen 4 des Kondensators geschaltet, welches vorliegend als Ladungspumpe ausgebildet ist. Diese umfasst zwei Kondensatoren 5, 6, die es der Ladungspumpe ermöglichen, an ihrem Ausgang eine höhere Spannung als die Batteriespannung am Eingang 1 bereit zu stellen. An ein Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last 7 mit zwei Anschlussklemmen ist eine Leuchtdiode 8 angeschlossen. Der Kondensator 3 ist mit dem Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last 7 über einen Laststromregler 9 verbunden. Der Laststromregler 9 umfasst ein Mittel zur Strombegrenzung. Außerdem ist an das Mittel 7 zum Anschließen einer elektrischen Last ein Mittel zur Laststromerfassung 10 angeschlossen. Das Mittel zur Laststromerfassung 10 hat zwei Klemmen, die unter Bildung eines Rückführungszweigs mit einem Rückführeingang 11 des Laststromreglers verbunden sind. Somit ist ein Regelkreis zur Regelung des Laststroms durch die Diode 8 gebildet. Die Diode 8 ist mit dem vorliegend als Widerstand ausgebildeten Mittel zur Laststromerfassung in einem gemeinsamen Stromzweig in Serie verschaltet.
Zur Überbrückung des Kondensators 3 ist ein Bypass-Zweig 12 vorgesehen, der einen Schalter 13 umfasst. Der Bypass-Zweig 12 mit dem Schalter 13 verbindet zu- und abschaltbar einen Ausgang der Ladungspumpe mit einem Eingang des Laststromreglers 9.
Die Funktionsweise der Schaltung nach 1 ist durch zwei Phasen gekennzeichnet. In einer ersten Phase, nämlich der Aufladephase, wird der Kondensator 3 mittels der Batterie 2 und der Ladungspumpe aufgeladen, bevorzugt auf seine maximale Spannung. In einer zweiten Phase, der Entladephase, wird der Laststromregler 9 benutzt, um den Kondensator 3 schnell zu entladen und seinen Energieinhalt auf die Blitzlicht-Leuchtdiode 8 zu übertragen. In der Entladephase kann die Ladungspumpe weiterhin Energie auf den Kondensator 3 übertragen, um die Dauer des Blitzlichts zu verlängern.
Der als Supercap ausgeführte Kondensator 3 wird demnach zur vorübergehenden Speicherung von elektrischer Energie in Form von Ladung benutzt, um den Spitzenstrom aus der Batterie 2 zu reduzieren. Der Spitzenstrom aus der Batterie muss deswegen begrenzt werden, um ein Abschalten der Anwendung auszuschließen, in der die vorgeschlagene Stromversorgungsanordnung eingebettet ist, beispielsweise ein Mobiltelefon. Ein Mobiltelefon wurde bei einbrechender Versorgungsspannung, wie sie ohne Stützen durch den Supercap auftreten würde, ein Abschalten der Lastkreise von der Batterie bewirken.
Während die Batterie typischerweise einen verhältnismäßig großen Innenwiderstand von beispielsweise 200 mΩ hat, ist der Innenwiderstand des Kondensators 3 sehr viel kleiner, und beträgt beispielsweise kleiner oder gleich 50 mΩ. Die Kapazität des Kondensators 3 beträgt bevorzugt zwischen 1 und 2 Farad bei einer Nennspannung des Kondensators von 5 Volt.
Das Aufladen des Kondensators 3 aus der Batterie erfolgt in einem verhältnismäßig langen Zeitintervall von beispielsweise einer Sekunde mit einem verhältnismäßig geringen Strom von beispielsweise einem halben Ampere. Im Entladebetrieb, das heißt zum Betreiben der Blitzlicht-Leuchtdiode 8, wird für einen Bruchteil einer Sekunde ein hoher Strom von beispielsweise bis zu 5 Ampere durch die Leuchtdiode 8 getrieben, der das Blitzlicht erzeugt.
Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften der vorgeschlagenen Schaltung wie kostengünstige Implementierbarkeit, Bedarf an lediglich ein oder zwei kleinen Kondensatoren 5, 6 in der Ladungspumpe zum Aufladen des Supercap 3 und dem optionalen Parallelpfad 12 zum Betrieb der Blitzlicht-Leuchtdiode 8 in einer Taschenlampen- oder Videolichtfunktion ist die vorgeschlagene Anordnung besonders zur Anwendung in Mobiltelefonen geeignet, die eine Digitalkamera haben.
Eine Besonderheit ist dabei, dass aufgrund des Regelkreises des Laststromreglers 9 zusammen mit dem Mittel zur Laststromerfassung 10 und dem Rückführungszweig ein kontrolliertes Entladen des Kondensators mit einem geregelten Strom erfolgt. Insbesondere ist der Laststromregler vorteilhafter Weise so ausgelegt, dass die elektrische Last 8 mit konstantem Entladestrom betrieben wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann der zweite Kondensator 6 entfallen.
2 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung von 1, die einander in den verwendeten Bauteilen, deren vorteilhafter Verschaltung und Funktionsweise weitgehend entsprechen und die insoweit nicht noch einmal beschrieben wird. Anstelle des Laststromreglers 9 ist als Laststromregler bei 2 ein DC/DC-Wandler 14 umfassend eine Induktivität 15 vorgesehen. Der Laststromregler 14 hat zusätzlich eine Strombegrenzungsfunktion. Außerdem ist am Ausgang des DC/DC-Wandlers 14 eine Stützkapazität 16 gegen Masse angeschlossen. Der Bypass-Zweig 12 umfassend den Schalter 13 ist bei dem Beispiel nach 2 von einem Ausgang des Mittels zum Aufladen des Kondensators 4 auf den mit der Stützkapazität 16 verbundenen Ausgang des DC/DC-Wandlers 14 gelegt.
Wie oben bereits erläutert, kann die Kapazität 3 zur Bereitstellung einer Taschenlampen- oder Videolichtfunktion überbrückt werden, um in diesem Fall ein unnötiges Aufladen des Kondensators zu vermeiden. In diesem Fall ist bevorzugt die Ausgangsstufe des bevorzugt als Ladungspumpe ausgeführten Mittels zum Aufladen des Kondensators verdoppelt vorgesehen, beispielsweise zwei Ausgangstreibertransistoren mit gemeinsamer Ansteuerung. Somit hat die Ladungspumpe zwei Ausgänge, nämlich einen, der mit dem Kondensator 3 verbunden ist und einen, der im eingeschalteten Zustand des Bypass-Zweigs 12 unmittelbar mit der Leuchtdiode 8 verbunden ist. Dieser Zweig wird ebenso strombegrenzt ausgeführt.
Die Schaltung nach 2 hat folgende Vorteile: Die Ausnutzung des Energiegehalts des Kondensator 3 im Blitzlichtbetrieb ist verbessert. Aufgrund der verbesserten Ausnutzung des Kondensators 3 kann der Kondensator 3 mit geringerer Baugröße und geringeren Kosten realisiert werden. Zum Aufladen des Kondensators kann eine sehr einfach aufgebaute Ladungspumpe verwendet werden, die keine zusätzliche Induktivität sondern lediglich ein bis zwei kleine externe Kondensatoren benötigt. Die Schaltung ist besonders für Supercaps mit einer Nennspannung von 4,5 oder 5 Volt geeignet. Der Bypass-Zweig kann mit lediglich einem zusätzlichen Transistor als zusätzliche Ausgangsstufe der Ladungspumpe und einem weiteren Transistor als Schalter 13 und somit mit besonders geringem Zusatzaufwand realisiert werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Stützkapazität 16 entfallen.
3 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung von 2, wobei sich beide Schaltungen weitgehend in den verwendeten Bauteilen und der vorteilhaften Funktion entsprechen und in soweit an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben werden.
Zusätzlich ist bei 3 zur Regelung des Laststroms durch die Leuchtdiode 8 ein DC/DC-Wandler vorgesehen, der eine Spule 17 umfasst, die zwischen einen Anschluss des Kondensators 3 und einen Anschluss einer gesteuerten Strecke eines Transistors 18 geschaltet ist. Ein weiterer Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors 18 ist mit dem Stützkondensator 16 und der Leuchtdiode 8 verbunden. Ein weiterer Transistor 19 verbindet den Ausgangsanschluss der Induktivität 17 mit einem Bezugspotenzialanschluss. Außerdem ist eine Steuereinheit 20 zur Steuerung der Transistoren 18, 19 vorgesehen, die Bezugszeichen 20 trägt. Ausgänge der Steuereinheit 20 sind mit Steueranschlüssen der beiden Transistoren 18, 19 verbunden. Eingangsanschlüsse der Steuereinheit 20 sind mit dem Ausgangsanschluss der Induktivität 17 sowie den beiden Abgriffsknoten am Widerstand 10 verbunden.
Die Messung des Laststroms durch die Leuchtdiode 8 kann bei der Schaltung nach 3 entweder mit dem Widerstand 10 durchgeführt werden oder alternativ mit der Strommessung durch den Transistor 18. Der durchschnittliche Strom durch den Transistor 18 ist identisch mit dem durchschnittlichen Strom durch den Widerstand 10. Dabei kann der Widerstand 10 entfallen. Eine zusätzliche Spannungsrückführung 24 von Punkt 16 garantiert eine Spannungsbegrenzung unter allen Bedingungen, zum Beispiel bei offener Diode. Unter offener Diode wird beispielsweise eine Unterbrechung einer Leiterbahn oder ein abgerissener Banddraht verstanden.
4 zeigt bezüglich der Ausgestaltungen nach 2 und 3 eine andere Weiterbildung der Schaltung von 1. Insoweit die Schaltung nach 4 derjenigen von 1 in den verwendeten Bauteilen und deren vorteilhafter Verschaltung entspricht, wird diese Beschreibung an dieser Stelle nicht wiederholt.
Bei der Schaltung nach 4 ist der Ausgang des Schaltungsblocks 4 unmittelbar mit einem Eingang des DC/DC-Wandlers 21 verbunden, der den Laststromregler bildet. Der Kondensator 3 ist an einen weiteren Anschluss des DC/DC-Wandlers 21 angeschlossen, nicht jedoch unmittelbar mit dem Schaltungsblock 4. verbunden, In der Schaltung nach 4 kann die Ladungspumpe in alternativen Ausführungen entfallen, das bedeutet, dass der Eingang 1 unmittelbar mit dem Eingang des DC/DC-Wandlers 21 verbunden ist. Somit ist das eigentliche Mittel zum Aufladen des Kondensators von dem DC/DC-Wandler 21 umfasst.
Der DC/DC-Wandler 21 ist als so genannter Buck-Konverter ausgebildet, um in einer Aufladephase den Kondensator 3 aufzuladen. Für die Entladephase, also die Blitzphase, ist außerdem in dem DC/DC-Wandler 21 ein Boost-Konverter integriert. Vorteilhafterweise teilen sich der Buck-Konverter und der Boost-Konverter in dem DC/DC-Wandler 21 eine gemeinsame Induktivität. Zur Bereitstellung eines Taschenlampen- oder Videolichtbetriebs ist wiederum ein Bypass-Zweig 12 vorgesehen, der den Ausgang der optionalen Ladungspumpe 4 mit der Leuchtdiode 8 über einen Schalter strombegrenzt verbindet.
Buck-Konverter werden auch als Abwärtswandler und Boost-Konverter als Aufwärtswandler bezeichnet. Beide Gleichspannungskonverter gehören zu den sogenannten sekundär getakteten Schaltreglern.
Wie sich der Aufwärts- und der Abwärtswandler im DC/DC-Wandler 21 von 4 im einzelnen die gemeinsame Induktivität 15 teilen, wird nachfolgend beispielhaft anhand von 5 im Detail beschrieben, die eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltung von 4 ist.
Die Verschaltung der Spule 17, des Längstransistors 18 und des Quertransistors 19 miteinander, mit der Steuereinheit 20 und mit der Stützkapazität 16 entspricht der Schaltung von 3 und wird daher an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben. Allerdings ist derjenige Anschluss der Spule 17, der nicht mit den Transistoren 18, 19 verbunden ist, bei der Schaltung von 5 nur mit dem Kondensator 3, nicht jedoch mit dem Eingang 1 der Anordnung gekoppelt. Hierfür ist vielmehr ein weiterer Transistor 22 vorgesehen, dessen gesteuerte Strecke den Ausgangsanschluss der Induktivität 17 mit dem Ausgang der optionalen Ladungspumpe 4 verbindet.
Man erkennt, dass sowohl die Induktivität 17 Bestandteil des Abwärtswandlers und des Aufwärtswandler ist, als auch eine doppelte Nutzung des Transistors 22 vorgesehen ist. Während der Transistor 22 der Ausgangstransistor der Ladungspumpe 4 ist, ist er zugleich im DC/DC-Konverter mitbenutzt. Hierfür ist mit Vorteil der DC/DC-Konverter mit der Ladungspumpe synchronisiert.
Die Steuerung des Laststroms durch die Diode 8 kann entweder wie in 5 gezeigt mit dem Widerstand 10 erfolgen oder durch eine Strommessung des Stroms durch den Transistor 18, da der mittlere Strom durch den Transistor 18 dem mittleren Strom durch den Widerstand 10 entspricht.
Alternativ kann der Widerstand 10 entfallen.
Anhand der 6 bis 8 sollen drei unterschiedliche Betriebsarten der Schaltung von 5 näher erläutert werden. Die Schaltungen der 6 bis 8 entsprechen dabei in ihrem Aufbau und der vorteilhaften Funktionsweise der Schaltung von 5 und werden diesbezüglich an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben.
6 zeigt eine erste Betriebsphase, nämlich die Aufladephase des Kondensators 3. In diesem Fall ist der DC/DC-Wandler als Abwärtswandler betrieben. Der Abwärtswandler umfasst dabei die Bauteile Transistor 22, Induktivität 17 und Transistor 19.
7 zeigt eine zweite Arbeitsphase, nämlich die Entladephase. In diesem Fall arbeitet der Laststromregler als Aufwärtswandler. Hierfür dienen die Induktivität 17, der Transistor 19 und der Transistor 18. Mit einem Schalter 23 kann die Ladungspumpe 4 weiterhin Energie auf den Kondensator 3 übertragen, um die Dauer des Blitzlichtes zu verlängern.
8 schließlich zeigt noch eine dritte Betriebsart, nämlich die Betriebsart als Taschenlampe oder Videolicht anstelle eines Blitzlichtbetriebs wie in 6 und 7 beschrieben. In diesem Fall treibt der Ausgang der Ladungspumpe 4 direkt die Leuchtdiode 8. Hierfür dienen die Transistoren 22 und 18.
Die Ausführungsbeispiele nach 4 bis 8 sind besonders für Supercaps mit einer Nennspannung von 2,5 Volt geeignet, können aber auch dazu verwendet werden, um den Wirkungsgrad der Aufladephase bei Supercaps mit 4,5 oder 5 Volt Nennspannung zu verbessern.
Die Vorteile der Schaltungen nach 4 bis 8 umfassen insbesondere die folgenden: Der Transistor 22 kann für zwei Aufgaben verwendet werden, nämlich Ausgangsstufe der Ladungspumpe und Schalter im DC/DC-Wandler. Mit nur zwei zusätzlichen Transistoren 18, 19 ist ein vollständiger Aufwirtswandler, Abwärtswandler oder Bypassbetrieb unmittelbar aus der Ladungspumpe in umschaltbarer Weise und dynamisch möglich. Die Spule 17 ist sowohl als Induktivität im Aufwärtswandler, wie auch als Induktivität im Abwärtswandler mitbenutzt. Insgesamt führen die beschriebenen Vorteile zu einer minimalen Chipfläche aufgrund der Mehrfachverwendung zahlreicher Bauteile.
Die Ausführungsbeispiele gemäß 1 bis 8 sind insbesondere dazu geeignet, in den folgenden Anwendungsgebieten Verwendung zu finden: In tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen können hohe kurzzeitige Ausgangsleistungen und -ströme von beispielsweise 5 Ampere durch eine LED mittels Supercap mit einer Durchlassspannung von beispielsweise 4,5 oder 5 Volt betrieben werden. Somit können Xenonblitze, die aufgrund ihrer hohen Spannungen einen zusätzlichen Aufwand erfordern, in Mobiltelefonen vermieden werden. wenn nur mittlere Ausgangsleistungen und -ströme von beispielsweise 2 Ampere durch die LED benötigt werden, können mit Vorteil 2,5 Volt-Supercaps angesteuert werden. In allen Fällen sind die Größe der Schaltung und die benötigte Chipfläche sehr gering.
Die Ladungspumpe ist insbesondere bei den Ausführungen nach 2 und 3 dazu ausgelegt, den Kondensator mit einer Strombegrenzungsfunktion aufzuladen. In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Kondensator mit Strombegrenzung durch den Laststromregler entladen.
Bei den Ausführungsbeispielen nach 2 und 3 ist vorgesehen, mit einer Ladungspumpe den Supercap aufzuladen und mit einem induktiven DC/DC-Wandler im Blitzlichtbetrieb zu entladen. In diesem Fall wird der Supercap mit einer Ladungspumpe mit Strombegrenzungsfunktion aufgeladen. Das Entladen des Supercap in die LED erfolgt mit einem strombegrenzenden DC/DC-Wandler. Mit einem strombegrenzenden Aufwärtswandler als DC/DC-Wandler können auch Supercaps mit kleinen Nennspannungen zum Einsatz kommen.
Bei der Schaltung nach 4 kann in alternativen Ausführungen die Ladungspumpe am Eingang entfallen. Der DC/DC-Wandler ist als kombinierter Aufwärts- und Abwärtswandler ausgebildet, wobei mit einem Abwärtswandler das Aufladen des Supercap und mit einem Aufwärtswandler das Entladen des Supercap erfolgt. Mit einem strombegrenzten Aufwärts-DC/DC-Wandler können auch Supercaps mit geringer Nennspannung verwendet werden.
Insbesondere bei der Schaltung nach 5 können sowohl der Ausgangstransistor 22, als auch die Spule 17 wie erläutert für verschiedene Aufgaben mehrfach verwendet werden je nach gewählter Betriebsart, siehe 6 bis 8. Für die vollständige Realisierung des Laststromreglers einschließlich Bypasszweig sind lediglich drei Transistoren erforderlich.
In allen Ausführungen ist es in der Entladephase möglich, den Kondensator 3 nicht im Wesentlichen parallel zur Batterie zu schalten, sondern in Serie, wie in allen Figuren anhand der gestrichelten Linie angedeutet ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nicht besonders hohe Ströme, sondern hohe Spannungen benötigt werden.
Bezugszeichenliste

1: Eingang
2: Batterie
3: Kondensator
4: Mittel zum Aufladen
5: Kondensator
6: Kondensator
7: Anschlussmittel
8: Leuchtdiode
9: Laststromregler
10: Widerstand
11: Rückführeingang
12: Bypass-Zweig
13: Schalter
14: DC/DC-Wandler
15: Induktivität
16: Kapazität
17: Induktivität
18: Transistor
19: Transistor
20: Steuereinheit
21: DC/DC-Wandler
22: Transistor
23: Schalter
24: Spannungsrückführeingang

Claims

Stromversorgungsanordnung, aufweisend – einen Eingang (1) zum Anschließen einer Spannungsquelle (2), – einen Kondensator (3) mit einem Innenwiderstand, der kleiner ist als ein Innenwiderstand der Spannungsquelle (2), – ein Mittel (4) zum Aufladen des Kondensators (3), das diesen mit dem Eingang (1) der Stromversorgungsanordnung koppelt, – Mittel (7) zum Anschließen einer elektrischen Last (8), – einen Laststromregler (9, 14, 21), der den Kondensator (3) mit dem Mittel (7) zum Anschließen der elektrischen Last koppelt und der einen induktiven Boost-Konverter (17, 18, 19) umfasst, und – einen Rückführungszweig, der ein mit dem Mittel zum Anschließen der elektrischen Last gekoppeltes Mittel zur Laststromerfassung (10) mit dem Laststromregler (9, 14, 21) koppelt, – wobei die Stromversorgungsanordnung eingerichtet ist, selektiv in einer ersten Betriebsphase, einer zweiten Betriebsphase oder einer dritten Betriebsphase betrieben zu werden, und – wobei die Stromversorgungsanordnung eingerichtet ist, in der ersten Betriebsphase den Kondensator (3) über die Mittel (4) zum Aufladen des Kondensators (3) aufzuladen, in der zweiten Betriebsphase den Kondensator (3) über den Laststromregler (9, 14, 21) zu entladen, und in der dritten Betriebsphase einen ein- und abschaltbaren Bypass-Zweig (12) einzuschalten, der das Mittel (4) zum Aufladen des Kondensators (3) mit dem Mittel (7) zum Anschließen der elektrischen Last verbindet.
Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (7) zum Anschließen einer elektrischen Last als Mittel zum Anschließen einer Leuchtdiode ausgebildet ist.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leuchtdiode an das Mittel (7) zum Anschließen einer elektrischen Last angeschlossen ist.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) einen Innenwiderstand kleiner 100 Milliohm hat.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) einen Innenwiderstand kleiner 60 Milliohm hat.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) ein Supercap ist.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) einen Kapazitätswert in einem Bereich von 0,1 bis 10 Farad hat.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) einen Kapazitätswert in einem Bereich von ein bis zwei Farad hat.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Laststromerfassung (10) eine Stromquelle umfasst.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Laststromerfassung (10) einen Widerstand umfasst.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (4) zum Aufladen des Kondensators eine Ladungspumpe umfasst, derart, dass die Spannung am Ausgang der Ladungspumpe größer als die Spannung am Eingang der Ladungspumpe ist.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laststromregler (9, 14, 21) ein Mittel zur Laststrombegrenzung umfasst.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laststromregler (9, 14, 21) ein DC/DC-Konverter ist.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Aufladen des Kondensators und der Laststromregler eine gemeinsam genutzte Induktivität (17) haben.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Aufladen des Kondensators einen Buck-Konverter (17, 19, 22) umfasst.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel zur Kopplung des Kondensators (3) mit dem Eingang (1) zum Anschließen einer Spannungsquelle vorgesehen sind, derart, dass in einer Aufladephase des Kondensators (3) eine Parallelschaltung des Kondensators mit der Spannungsquelle (2) und in einer Entladephase des Kondensators (3) eine Serienschaltung des Kondensators (3) mit der Spannungsquelle (2) bereitgestellt ist.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Kopplung des Kondensators (3) mit dem Eingang (1) zum Anschließen einer Spannungsquelle vorgesehen sind, derart, dass in einer Aufladephase und in einer Entladephase des Kondensators (3) eine Serienschaltung des Kondensators (3) mit der Spannungsquelle (2) bereitgestellt ist.
Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungsanordnung in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut ist.
Verwendung einer Stromversorgungsanordnung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche in einem Mobilfunkgerät zur Kopplung einer als Blitzlicht-Leuchtdiode ausgeführten elektrischen Last (8) mit einer als Akkumulator ausgebildeten Spannungsquelle (2).