DE102006059993A1

DE102006059993A1 - Spannungskonverter und Verfahren zur Spannungsvervielfachung

Info

Publication number: DE102006059993A1
Application number: DE200610059993
Authority: DE
Inventors: Peter Trattler; Thomas Jessenig
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams AG
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-06-26
Also published as: DE112007003034A5; WO2008074666A1

Abstract

elfachung ist ein Kondensator (2) ankoppelbar. Der Spannungskonverter (1) umfasst einen Ladestromkreis (3) und einen Entladestromkreis (4). Der Ladestromkreis (3) ist zum Aufladen des Kondensators (2) (40) auf. Der Entladestromkreis (4) weist einen zweiten Strombegrenzer (20) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungskonverter zur Spannungsvervielfachung und ein Verfahren zur Spannungsvervielfachung.
Spannungskonverter, im englischen als direct current/direct current converter, abgekürzt DC/DC-converter, bezeichnet, werden häufig dazu eingesetzt, um eine niedrige in eine höhere Spannung umzuwandeln. Dazu kann ein Kondensator verwendet werden, der zuerst in einem Ladestromkreis aufgeladen und anschließend in einem Entladestromkreis entladen wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Spannungskonverter zur Spannungsvervielfachung und ein Verfahren zur Spannungsvervielfachung bereitzustellen, bei dem durch Schaltvorgänge verursachte Stromspitzen vermieden sind.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 und dem Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß umfasst ein Spannungskonverter zur Spannungsvervielfachung einen Ladestromkreis und einen Entladestromkreis. Ein Kondensator ist an den Spannungskonverter ankoppelbar. Der Ladestromkreis weist einen ersten Strombegrenzer und der Entladestromkreis einen zweiten Strombegrenzer auf.
Der Kondensator wird mittels des Ladestromkreises in einer Ladephase aufgeladen, sodass in dem Kondensator elektrische Energie gespeichert ist. In einer Entladephase wird von dem Kondensator mittels des Entladestromkreises elektrische Energie zur Abgabe bereitgestellt.
Mit Vorteil weist der Ladestromkreis den ersten Strombegrenzer auf, sodass eine Höhe eines während der Ladephase im Spannungskonverter fließenden Stroms betragsmäßig nach oben begrenzt ist. Der Entladestromkreis weist mit Vorteil den zweiten Strombegrenzer auf, sodass auch in der Entladephase eine Höhe eines Stroms nach oben betragsmäßig begrenzt ist. Mit Vorteil kann mittels des ersten und des zweiten Strombegrenzers eine Schwankungsbreite einer Ausgangsspannung, die ausgangsseitig am Spannungskonverter abgreifbar ist, reduziert und eine Höhe der Ausgangsspannung eingestellt werden.
Eine Schaltungsanordnung kann den Spannungskonverter sowie weitere Schaltungsteile umfassen, denen eine Eingangsspannung, die dem Spannungskonverter bereitgestellt wird, ebenfalls zugeleitet wird. Mittels des ersten und des zweiten Strombegrenzers können Störungen der Eingangsspannung gering gehalten werden, sodass die weiteren Schaltungsteile der Schaltungsanordnung von den Umschaltvorgängen von der Ladephase zu der Entladephase und von der Entladephase zu der Ladephase im Spannungskonverter in erster Näherung unbeeinflusst sind. Mittels des ersten und des zweiten Strombegrenzers kann vorteilhaft eine Rückwirkung des Spannungskonverters auf die Eingangsspannung und eine gegebenenfalls angeschlossene Batterie reduziert werden.
Mit Vorteil ist aufgrund der Reduktion der Strom- und der Spannungsspitzen der höherfrequente Anteil in der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der im Spannungskonverter fließenden Ströme reduziert, sodass die elektromagnetische Kompatibilität des Spannungskonverters zu anderen Schaltungsteilen und anderen Geräten verbessert ist.
In einer Ausführungsform umfasst ein Halbleiterkörper den Spannungskonverter. In einer bevorzugten Ausführungsform ist an den Halbleiterkörper der Kondensator ankoppelbar. Mit Vorteil sieht der Spannungskonverter zwei Strombegrenzer vor, sodass die bei der Strombegrenzung anfallende Leistung an zwei unterschiedlichen Stellen des Halbleiterkörpers in Wärme umgewandelt wird. Damit ist mit Vorteil eine gleichmäßigere Temperaturverteilung auf dem Halbleiterkörper erzielbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Spannungskonverter als Aufwärtswandler realisiert.
In einer Ausführungsform umfasst der erste Strombegrenzer einen ersten Schalter und der zweite Strombegrenzer einen zweiten Schalter. Im eingeschalteten Zustand des ersten Schalters weist dieser einen ersten Widerstandswert R1 auf. Ebenso weist im eingeschalteten Zustand des zweiten Schalters dieser einen zweiten Widerstandswert R2 auf.
In einer Ausführungsform sind der erste und der zweite Widerstandswert R1, R2 feste Werte. In einer Weiterbildung weist der erste und der zweite Strombegrenzer jeweils einen ohmschen Widerstand auf. Der ohmsche Widerstand kann jeweils als ein Dünnfilmwiderstand realisiert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Widerstandswert R1, R2 einstellbar ausgeführt.
In einer Weiterbildung weist der erste Schalter einen ersten Feldeffekttransistor und der zweite Schalter einen zweiten Feldeffekttransistor auf. Der erste Feldeffekttransistor hat den ersten Widerstandswert R1 als Einschaltwiderstand. Entsprechend hat der zweite Feldeffekttransistor den zweiten Widerstandswert R2 als Einschaltwiderstand. Mit Vorteil sind die Einschaltwiderstände mittels Steuersignalen einstellbar.
In einer Ausführungsform sind zur Einstellung des ersten und des zweiten Widerstandswertes R1, R2 die Steueranschlüsse des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors mit dem Ausgang des Spannungskonverters gekoppelt. Die Ausgangsspannung des Spannungskonverters oder eine von der Ausgangsspannung abgeleitete Spannung wird dazu mit einem Referenzwert verglichen. In Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses werden der erste und der zweite Widerstandswert R1, R2 eingestellt.
In einer Ausführungsform umfasst der Spannungskonverter einen Komparator, dem eingangsseitig die Ausgangsspannung beziehungsweise eine davon abgeleitete Spannung und der Referenzwert zugeleitet werden. Der Komparator ist ausgangsseitig mit den Steueranschlüssen des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors gekoppelt, so dass der erste Widerstandswert R1 zwei einstellbare Werte und der zweite Widerstandswert R2 ebenfalls zwei einstellbare Werte aufweist.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Spannungskonverter einen Verstärker, dem eingangsseitig die Ausgangsspannung beziehungsweise eine davon abgeleitete Spannung und der Referenzwert zugeleitet wird und der ausgangsseitig mit den Steueranschlüssen des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors gekoppelt ist. Der Verstärker kann als Differenzverstärker realisiert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Spannungskonverter einen Transkonduktanzverstärker, englisch operational transconductance amplifier, abgekürzt OTA. Dem OTA werden eingangsseitig die Ausgangsspannung des Spannungskonverters beziehungsweise eine davon abgeleitete Spannung sowie der Referenzwert zugeleitet. Ausgangsseitig ist der Transkonduktanzverstärker mit den Steueranschlüssen des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors verbunden. Der Transkonduktanzverstärker lädt somit eine Gate-Kapazität, welche von dem jeweiligen Feldeffekttransistor umfasst wird, auf. Somit erfolgt eingleitendes und einstellbares Umschalten des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors von einem nicht-leitenden Betriebszustand in einen leitenden Betriebszustand.
In einer Ausführungsform umfasst der Spannungskonverter einen ersten Ladekondensator, der von dem Transkonduktanzverstärker aufgeladen wird. Der erste Ladekondensator kann an einem Anschluss mit dem Steueranschluss des ersten Feldeffekttransistors verbunden sein. In einer Weiterbildung umfasst der Spannungskonverter einen zweiten Ladekondensator, der von dem Transkonduktanzverstärker aufgeladen wird. Der zweite Ladekondensator kann an einem Anschluss mit dem Steueranschluss des zweiten Feldeffekttransistors verbunden sein.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Spannungsvervielfachung ein Aufladen eines Kondensators mittels einer Eingangsspannung über einen Ladestromkreis und ein Bereitstellen einer Ausgangsspannung mittels eines Entladestromkreises. Der Ladestromkreis weist einen ersten Strombegrenzer und der Entladestromkreis einen zweiten Strombegrenzer auf. Mit Vorteil werden der erste und der zweite Strombegrenzer derart angesteuert, dass eine Schwankung der Ausgangsspannung reduziert ist.
Der erste Strombegrenzer kann einen ersten Widerstandswert R1 und der zweite Strombegrenzer einen zweiten Widerstandswert R2 aufweisen. Mit Vorteil kann mittels einer Erhöhung des ersten und des zweiten Widerstandswertes R1, R2 die Höhe der Ausgangsspannung verringert werden. Eine Erhöhung des ersten und des zweiten Widerstandswertes R1, R2 reduziert vorteilhaft eine Schwankungsbreite der Eingangsspannung und eine Schwankungsbreite der Ausgangsspannung. Vorteilhafterweise wird mittels einer Erhöhung des ersten und des zweiten Widerstandswertes R1, R2 ein Wert eines Stroms, der im Ladestromkreis während einer Ladephase fließt, sowie ein Wert eines Stroms, der in einer Entladephase im Entladestromkreis fließt, verringert. Mit Vorteil wird dadurch die maximale Stromdichte, die im Lade- und im Entladestromkreis auftreten kann, gesenkt und somit die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Elektromigration reduziert.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente und Schaltungsteile tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
1A bis 1C zeigen eine beispielhafte Ausführungsform eines Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
2A und 2B zeigen beispielhafte Ausführungsformen eines Strombegrenzers,
3A bis 3C zeigen weitere beispielhafte Ausführungsformen eines Schaltungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit einem ankoppelbaren Kondensator,
4A bis 4C zeigen eine alternative beispielhafte Aus führungsform eines Schaltungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit zwei ankoppelbaren Kondensatoren,
5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Energieversorgungsanordnung, die einen Spannungskonverter nach dem vorgeschlagenen Prinzip umfasst, und
6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Schalters.
1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Spannungskonverters zur Spannungsvervielfachung, der einen Eingangsanschluss 61, einen Ausgangsanschluss 60, einen ersten Anschluss 5 und einen zweiten Anschluss 6 aufweist. Ein Kondensator 2 ist zwischen den ersten Anschluss 5 und den zweiten Anschluss 6 geschaltet. Der Spannungskonverter 1 umfasst einen Eingangsschalter 11, einen ersten Ausgangsschalter 31, einen ersten Strombegrenzer 40 sowie einen zweiten Strombegrenzer 20. Der Eingangsschalter 11 koppelt den Eingangsanschluss 61 mit dem ersten Anschluss 5. Der erste Anschluss 5 ist über den ersten Ausgangsschalter 31 mit dem Ausgangsanschluss 60 gekoppelt. Der zweite Anschluss 6 ist über den ersten Strombegrenzer 40 mit einem Bezugspotentialanschluss 8 gekoppelt. Der Eingangsanschluss 61 ist über den zweiten Strombegrenzer 20 mit dem zweiten Anschluss 6 gekoppelt.
Der erste Strombegrenzer 40 umfasst einen ersten Schalter 41 sowie einen ersten Widerstand 42. Entsprechend umfasst der zweite Strombegrenzer 20 einen zweiten Schalter 21 und einen zweiten Widerstand 22. Der erste und der zweite Widerstand 22, 42 sind einstellbar. Der Spannungskonverter 1 umfasst darüber hinaus einen zweiten Ausgangsschalter 32, der parallel zu dem ersten Ausgangsschalter 31 geschaltet ist. Ein erster Anschluss des zweiten Ausgangsschalters 32 ist mit dem ersten Anschluss 5 gekoppelt. Ein zweiter Anschluss des zwei ten Ausgangsschalters 32 ist über einen Schaltungsknoten 34 und über einen dritten Widerstand 33 mit dem Ausgangsanschluss 60 verbunden, an den ein Ausgangskondensator 7 angekoppelt ist. Der erste und der zweite Schalter 21, 41, der Eingangsschalter 11 sowie der erste und der zweite Ausgangsschalter 31, 32 sind als Feldeffekttransistor realisiert. Diese sind als Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren, abgekürzt MOSFETs, ausgebildet. Der Spannungskonverter 1 umfasst ferner einen Verstärker 51, welcher an einem Ausgang 54 mit einem Steuereingang des ersten Widerstands 42 und einem Steuereingang des zweiten Widerstands 22 verbunden ist. Der Verstärker ist an einem ersten Eingang 52 mit dem Schaltungsknoten 34 verbunden. Der Schaltungsknoten 34 ist über einen Spannungsteiler, welcher einen ersten und einen zweiten Spannungsteilerwiderstand 56, 57 umfasst, mit dem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden. Der erste Eingang 52 ist an einen Knoten zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsteilerwiderstand 56, 57 angeschlossen. Eine Spannungsquelle 55 ist an einen zweiten Eingang 53 des Verstärkers 51 angeschlossen.
Dem Eingangsanschluss 61 wird eine Batteriespannung VBAT zugeleitet. Am Ausgangskondensator 7 und damit am Ausgangsanschluss 60 ist eine Ausgangsspannung VOUT abgreifbar. Eine Funktionsweise des Spannungskonverters 1 wird beispielhaft mittels der 1A und 1B erläutert.
1B zeigt den Spannungskonverter gemäß 1A in einer beispielhaften Ladephase. In der Ladephase sind der Eingangsschalter 11 und der erste Strombegrenzer 40 in einem leitenden, das heißt geschlossenen, Betriebszustand. Der erste und der zweite Ausgangsschalter 31, 32 sowie der zweite Strombegrenzer 20 sind in einem nicht-leitenden, das heißt offenen, Betriebszustand. Somit kann ein Ladestrom IL von dem Eingangsanschluss 61 über den Eingangsschalter 11 und den ersten Anschluss 5 zu einer ersten Elektrode 62 des Kondensators 2 fließen. Ebenfalls ist ein Stromfluss von der zweiten Elektrode 63 des Kondensators 2 über den zweiten Anschluss 6 und den ersten Strombegrenzer 40 zu dem Bezugspotentialanschluss 8 möglich. Während der Ladephase wird somit der Kondensator 2 bis maximal auf die Eingangsspannung VBAT aufgeladen. Dem ersten Eingang 52 des Verstärkers 51 wird eine Spannung V1 zugeleitet, die von der Ausgangsspannung VOUT durch eine Spannungsteilung mittels des dritten Widerstandes 33 sowie des ersten und des zweiten Spannungsteilerwiderstandes 56, 57 abgeleitet ist. Einem zweiten Anschluss 53 des Verstärkers 51 wird ein Referenzwert VR zugeleitet. Ist die Spannung V1 höher als der Referenzwert VR, so wird ein erster Widerstandswert R1 des ersten Strombegrenzers 40 erhöht. Der erste Strombegrenzer 40 dient zur Begrenzung eines während der Ladephase fließenden Stroms.
1C zeigt den Spannungskonverter gemäß 1A in einer beispielhaften Entladephase. In der Entladephase sind im Gegensatz zur Ladephase der Eingangsschalter 11 und der erste Strombegrenzer 40 in einem nicht-leitenden Betriebszustand. Der zweite Strombegrenzer 20 sowie der erste und der zweite Ausgangsschalter 31, 32 sind in einen leitenden Betriebszustand geschaltet. Somit fließt ein Strom von dem Eingangsanschluss 61 über den zweiten Strombegrenzer 20 zu der zweiten Elektrode 63 des Kondensators 2. Die zweite Elektrode 63 des Kondensators 2 wird somit näherungsweise bis maximal auf den Wert der Eingangsspannung VBAT angehoben. An der ersten Elektrode 62 des Kondensators 2 steht näherungsweise im Maximum das Doppelte der Eingangsspannung VBAT zur Verfügung. Während der Entladephase kann ein größerer Teil des Entladestroms IE von der ersten Elektrode 62 des Kondensators 2 über den ersten Ausgangsschalter 31 zu dem Ausgang 60 des Spannungskonverters 1 fließen, sodass während der Entladephase der Kondensator 2 entladen und der Ausgangskondensator 7 geladen werden kann. Ein kleiner Teil des Entladestroms IE kann von der ersten Elektrode 62 des Kondensators 2 auch über den zweiten Ausgangsschalter 32 und den dritten Widerstand 33 zu dem Ausgangsanschluss 60 fließen.
Die Spannung V1, welche dem ersten Eingang 52 des Verstärkers 51 zugeleitet wird, wird aus der Ausgangsspannung VOUT durch Spannungsteilung mittels des ersten und des zweiten Span nungsteilerwiderstandes 56, 57 abgeleitet. Steigt die Spannung V1 über den Referenzwert VR, so wird ein zweiter Widerstandswert R2 des zweiten Strombegrenzers 20 erhöht. Somit wird eine Stromspitze zu Beginn der Entladephase verringert.
Mit Vorteil werden mit jeweils einem Strombegrenzer der Anstieg eines Stroms, welcher durch den Eingangsanschluss 61 fließt, sowie der Anstieg des Stroms, der durch den Ausgangsanschluss 60 fließt, begrenzt.
Mit Vorteil wird mittels des dritten Widerstandes 33 die Stabilität des Spannungskonverters 1 erhöht, da der Widerstand 33 eine Nullstelle in der Rückkoppelschleife bewirkt. Dadurch wird die Stabilität des Spannungskonverters 1 unabhängig von einer Taktfrequenz f des Spannungskonverters 1. Die Taktfrequenz f kann somit auch auf niedrige Frequenzwerte eingestellt werden, um einen besonders effizienten Betrieb bei einem niedrigen Leistungsbedarf zu erzielen.
2A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Strombegrenzers, wie er als erster oder als zweiter Strombegrenzer 20, 40 in den Spannungskonverter gemäß den 1A bis 1C, 3A bis 3C, 4A bis 4C und 5 eingesetzt werden kann. Der Strombegrenzer umfasst einen Transistor 43. Der Ausgang 54 des Verstärkers 51, der als Transkonduktanzverstärker, abgekürzt OTA, realisiert ist, ist mit einem Steueranschluss 44 des Transistors 43 gekoppelt. Der Transistor 43 ist als MOSFET ausgebildet. Der Transistor 43 im ersten Strombegrenzer 40 ist als n-Kanal MOSFET und der Transistor 43 im zweiten Strombegrenzer 20 als p-Kanal MOSFET realisiert. Mit Vorteil ist der Strombegrenzer ausschließlich mit einem Bauelement, nämlich dem Transistor 43, und damit sehr aufwandsarm realisiert. Der Transistor 43 kann in einen nicht-leitenden Betriebszustand und in einen leitenden Betriebszustand, bei dem der Transistor 43 einen mittels des Verstärkers 51 einstellbaren Einschaltwiderstand mit dem ersten beziehungsweise dem zweiten Widerstandswert R1, R2 aufweist, geschaltet werden.
2B zeigt eine beispielhafte Weiterbildung eines Strombegrenzers, wie er als erster oder zweiter Strombegrenzer 20, 40 in den Spannungskonverter gemäß den 1A bis 1C, 3A bis 3C, 4A bis 4C und 5 eingesetzt werden kann. Der Strombegrenzer gemäß 2B umfasst den Transistor 43 und einen Umschalter 47. Ein erster Eingang des Umschalters ist mit dem Ausgang 54 des Verstärkers 51 verbunden. Ein Ausgang des Umschalters 47 ist mit dem Steueranschluss 44 des Transistors 43 verbunden. Der Transistor 43 des ersten Strombegrenzers 40 ist als n-Kanal MOSFET realisiert. Daher ist ein zweiter Eingang des Umschalters 47 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden. Der Umschalter 47 weist einen Steuereingang 49 auf, der mit einer Steuervorrichtung 206 verbunden ist, wie sie beispielsweise in 5 gezeigt ist.
Wird mittels eines Signals SU am Steuereingang 49 des Umschalters 47 der Steueranschluss 44 des Transistors 43 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden, so wird der Transistor 43 in einen nicht-leitenden Betriebszustand geschaltet und die Gate-Kapazität, welche am Steueranschluss 44 des Transistors 43 vorhanden ist, entladen. Wird anschließend mittels des Signals SU der Ausgang 54 des Verstärkers 51 mit dem Steueranschluss 44 verbunden, so wird die Gate-Kapazität mittels des Verstärkers 51 aufgeladen. Aufgrund der Realisierung des Verstärkers 51 als OTA stellt der Verstärker 51 an seinen Ausgang 54 einen Strom zur Verfügung, der zu einem langsamen Aufladen und damit einem langsamen Einschalten des Transistors 43 führt. Somit werden mit Vorteil Stromspitzen bei dem Einschalten des Transistors 43 vermieden.
Im Fall des zweiten Strombegrenzers 20 ist der Transistor 43 als p-Kanal MOSFET realisiert und der zweite Eingang des Umschalters 47 ist mit dem Eingangsanschluss 61 verbunden. Der Transistor 43 kann somit durch Anlegen der am Eingangsanschluss 61 anliegenden Spannung an den Steueranschluss 44 in einen nicht-leitenden Betriebszustand versetzt werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist ein Ladekondensator 48 mit dem Steueranschluss 44 des Transistors 43 verbunden.
Mittels des Ladekondensators 48 kann der Einschaltvorgang des Transistors 43 einstellbar verlangsamt werden. Der Ladekondensator 48 kann zwischen den Steueranschluss 44 und einen Substrat-Anschluss des Transistors 43 geschaltet sein.
3A zeigt eine beispielhafte Weiterbildung des Spannungskonverters, welcher in den 1A bis 1C gezeigt ist. Der Spannungskonverter gemäß 3A umfasst einen Haltekondensator 35, der den Schaltungsknoten 34 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 koppelt. Gemäß 3A ist der in 1A gezeigte dritte Widerstand 33 weggelassen und durch einen Leerlauf ersetzt. Mittels des Haltekondensators 35 liegt am Schaltungsknoten 34 näherungsweise der Wert der Ausgangsspannung VOUT an, der zum Ende der Entladephase bereitgestellt wird. Da der Spannungsteiler 56, 57 hochohmig ausgebildet ist, sinkt während der folgenden Ladephase der Wert der Spannung am Schaltungsknoten 34 nur geringfügig ab. Somit kann auch in der Ladephase der erste Widerstandswert R1 eingestellt werden. Mittels des Einschaltwiderstandes des ersten Ausgangsschalters 31 kann ebenfalls eine Nullstelle in der Rückkoppelschaltung erreicht werden, um eine Stabilität des Spannungskonverters zu erreichen. Der Haltekondensator 35 und der zweite Ausgangsschalter 32 haben die Funktion eines Abtast-/Haltegliedes.
3B zeigt eine beispielhafte Weiterbildung des in den 1A bis 1C gezeigten Spannungskonverters 1. Ein dritter Ausgangsschalter 36 ist parallel zu dem zweiten Ausgangsschalter 32 geschaltet. Ein erster Anschluss des dritten Ausgangsschalters 36 ist mit dem Schaltungsknoten 34 und ein zweiter Anschluss des dritten Ausgangsschalters 36 ist mit dem Ausgangsanschluss 60 verbunden. Der zweite und der dritte Ausgangsschalter 32, 36 können auch zusammen als ein Umschal ter realisiert sein, wobei die beiden Eingänge des Umschalters mit den beiden Anschlüssen des ersten Ausgangsschalters 31 und ein Ausgang des Umschalters mit dem Schaltungsknoten 34 verbunden sind. In der Ladephase sind der zweite Ausgangsschalter 32 in einem offenen und der dritte Ausgangsschalter 36 in einem geschlossenen Betriebszustand. Im Gegensatz dazu sind in der Entladephase der zweite Ausgangsschalter 32 in einem geschlossenen und der dritte Ausgangsschalter 36 in einem offenen Betriebszustand. Somit liegt mit Vorteil am Schaltungsknoten 34 in beiden Phasen näherungsweise die Ausgangsspannung VOUT an.
3C zeigt eine alternative Weiterbildung des in den 1A bis 1C gezeigten Spannungskonverters 1. Gemäß 3C ist der dritte Widerstand 33 als steuerbarer Widerstand ausgebildet. Der dritte Widerstand 33 ist als Transistor realisiert. Ein Steueranschluss des dritten Widerstandes 33 ist mit dem Ausgang 54 des Verstärkers 51 verbunden.
4A zeigt eine Weiterbildung des Spannungskonverters gemäß 1A bis 1C. Der Spannungskonverter 100 umfasst den Spannungskonverter 1, wie er in den 1A bis 1C oder 3A bis 3C gezeigt ist. Darüber hinaus umfasst der Spannungskonverter 100 einen weiteren Spannungskonverter 1', der ebenfalls wie einer der in den 1A bis 1C oder den 3A bis 3C gezeigten Spannungskonverter realisiert ist. Der weitere Spannungskonverter 1' umfasst einen weiteren ersten Anschluss 5', der über einen weiteren Eingangsschalter 11' mit einem weiteren Eingangsanschluss 61' und über einen weiteren ersten und einen weiteren zweiten Ausgangsschalter 31', 32' sowie einen weiteren dritten Widerstand 33' mit einem weiteren Ausgangsanschluss 60' gekoppelt ist. Der weitere Ausgangsanschluss 60' und der Ausgangsanschluss 60 sind mit einander verbunden. Der weitere Spannungskonverter 1' weist einen weiteren zweiten Anschluss 6' auf, der über einen weiteren ersten Strombegrenzer 40' mit dem Bezugspotentialanschluss 8 und über einen weiteren zweiten Strombegrenzer 20' mit dem weiteren Eingangsanschluss 61' gekoppelt ist. Ein weiterer Verstärker 51' ist zur Ansteuerung des weiteren ersten und des weiteren zweiten Strombegrenzers 20', 40' vorgesehen. Ein weiterer Kondensator 2' ist zwischen den weiteren ersten und den weiteren zweiten Anschluss 5', 6' geschaltet.
Weiter umfasst der Spannungskonverter 100 einen Koppelschalter 101, der einen Kopplungsanschluss 23 des Spannungskonverters 1 mit einem weiteren Kopplungsanschluss 23' des weiteren Spannungskonverters 1' verbindet. Der Kopplungsanschluss 23 ist zwischen dem ersten Strombegrenzer 40 und dem zweiten Strombegrenzer 20 angeordnet. Der weitere Kopplungsanschluss 23' ist an den weiteren ersten Anschluss 5' angeschlossen.
4B zeigt eine beispielhafte Phase A eines Verfahrens zum Betrieb des Spannungskonverters 100. In der Phase A sind der Eingangsschalter 11, der Koppelschalter 101 und der weitere erste Strombegrenzer 40' in einen leitenden Betriebszustand geschaltet. Die Eingangsspannung VBAT fällt somit über eine Serienschaltung, welche die beiden Kondensatoren 2, 2' umfasst, ab. Der Wert des Kondensators 2 und der Wert des weiteren Kondensators 2' sind näherungsweise gleich. Somit ist die über dem Kondensator 2 abfallende Spannung näherungsweise bis maximal die Hälfte der Eingangsspannung VBAT. Entsprechend ist ebenfalls die über dem weiteren Kondensator 2' abfallende Spannung näherungsweise bis maximal die Hälfte der Eingangsspannung VBAT.
4C zeigt eine beispielhafte Phase B eines Verfahrens zum Betrieb des Spannungskonverters 100, die auf die Phase A folgt und sich periodisch mit einer Taktfrequenz f mit der Phase A abwechselt. In der Phase B ist der zweite Strombegrenzer 20, der erste und der zweite Ausgangsschalter 31, 32, der weitere erste und der weitere zweite Ausgangsschalter 31', 32' sowie der weitere zweite Strombegrenzer 20' in einen leitenden Betriebszustand geschaltet. Die zweite Elektrode 63 des Kondensators 2 und die zweite Elektrode 63' des weiteren Kondensators 2' sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen 61, 61' verbunden, sodass sie sich näherungsweise auf dem Potential der Eingangsspannung VBAT befinden. Somit liegt sowohl an der ersten Elektrode 62 des Kondensators 2 als auch an der ersten Elektrode 62' des weiteren Kondensators 2' näherungsweise bis maximal das 1,5-fache der Eingangsspannung VBAT an und wird über den Ausgangsanschluss 60 dem Ausgangskondensator 7 zugeleitet. Mit Vorteil kann mittels der Phasen A und B das 1,5-fache der Eingangsspannung VBAT am Ausgangsanschluss 60 als Ausgangsspannung VOUT bereitgestellt werden.
In einem alternativen, nicht gezeigten Verfahren kann auch das Doppelte der Eingangsspannung VBAT am Ausgangsanschluss 60 bereitgestellt werden. Dazu wird der Spannungskonverter 1 in eine Ladephase, wie sie beispielsweise in 1B gezeigt ist, geschaltet. Anschließend wird der Spannungskonverter 1 in eine Entladephase, wie sie in 1C gezeigt ist, geschaltet und der weitere Spannungskonverter 1' in eine Ladephase gemäß 1B geschaltet. In einem weiteren Schritt wird wieder der Spannungskonverter 1 in eine Ladephase und der weitere Spannungskonverter 1' in eine Entladephase geschaltet. Somit arbeiten der Spannungskonverter 1 und der weitere Spannungskonverter 1' um 180 Grad phasenversetzt. Mit Vorteil wird dadurch die Ausgangsspannung VOUT mit nochmals geringerer Schwankungsbreite bereitgestellt.
In einem weiteren alternativen und nicht gezeigten Verfahren sind die Eingangsschalter 11, 11' und die vier Ausgangsschalter 31, 31', 32, 32' in einen leitenden Betriebszustand sowie die vier Strombegrenzer 20, 20', 40, 40' in einen sperrenden Betriebszustand geschaltet. Somit sind die beiden Eingangsanschlösse 61, 61' direkt mit dem Ausgangsanschluss 60 verbunden, sodass am Ausgangsanschluss 60 als Ausgangsspannung VOUT die Eingangsspannung VBAT anliegt. Mit diesem Verfahren kann somit ein Multiplikationsfaktor M = 1 realisiert werden.
In den 4A bis 4C ist somit ein Spannungskonverter 100 gezeigt, welcher je nach Verfahren die Multiplikationsfaktoren M = 1 sowie 1,5 und 2 aufweisen kann. Als Multiplikationsfaktor M wird das Verhältnis aus der Ausgangsspannung VOUT zu der Eingangsspannung VBAT bezeichnet.
5 zeigt eine beispielhafte Energieversorgungsanordnung 200, welche den Spannungskonverter 1 gemäß 1A bis 1C oder 3A bis 3C umfasst. Die Energieversorgungsanordnung 200 umfasst weiter einen ersten Ausgangsanschluss 201, einen zweiten Ausgangsanschluss 202, einen Eingangsanschluss 203, eine Stromsenke 204, einen Vergleicher 205, eine Steuervorrichtung 206 und eine Spannungsquelle 207. Der Eingangsanschluss 61 des Spannungskonverters 1 ist mit dem Eingangsanschluss 203 der Energieversorgungsanordnung 200 verbunden. Der Ausgangsanschluss 60 des Spannungskonverters 1 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss 201 der Energieversorgungsanordnung 200 verbunden, wobei der Ausgangskondensator 7 an den ersten Ausgangsanschluss 201 angeschlossen ist. Der Ausgangsanschluss 61 des Spannungskonverters 1 ist über die Stromsen ke 204 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 202 der Energieversorgungsanordnung 200 verbunden. Eine Leuchtdiode 208 ist zwischen den zweiten Ausgangsanschluss 202 und den Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet. Der erste Ausgangsanschluss 201 ist mit einem ersten Eingang des Vergleichers 205 verbunden. Der zweite Ausgangsanschluss 202 ist über die Spannungsquelle 207 mit einem zweiten Eingang des Vergleichers 205 verbunden. Ein Ausgang des Vergleichers 205 ist an einen Eingang der Steuereinrichtung 206 angeschlossen. Ein Ausgang der Steuervorrichtung 206 ist über einen Steuereingang des Spannungskonverters 1 mit den Steueranschlüssen des Eingangsschalters 11, des ersten und des zweiten Strombegrenzers 20, 40 sowie des ersten und des zweiten Ausgangsschalters 31, 32 verbunden.
Eine Spannungsquelle 209 ist mit dem Eingangsanschluss 203 der Energieversorgungsanordnung 200 gekoppelt. Dabei ist ein Filter 64 zwischen die Spannungsquelle 209 und den Eingangsanschluss 203 geschaltet. Das Filter 64 umfasst eine Induktivität 210 sowie einen ersten und einen zweiten Filterkondensator 211, 212. Die Induktivität 210 ist zwischen der Spannungsquelle 209 und den Eingangsanschluss 203 angeordnet. Die Induktivität 210 ist als Spule realisiert. Der Eingangsanschluss 203 ist über den ersten Filterkondensator 211 und ein Knoten zwischen der Induktivität 210 und der Spannungsquelle 209 ist über den zweiten Filterkondensator 212 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 gekoppelt. Die Energieversorgungsanordnung 200 umfasst einen Zeitgeber 213, englisch Timer. Ein Ausgang des Zeitgebers 213 ist mit einem Steuereingang der Stromsenke 204 verbunden.
Die Steuervorrichtung 206 schaltet den Spannungskonverter 1 mit einer Taktfrequenz f zwischen der Ladephase und der Ent ladephase um. Die Energieversorgungsanordnung 200 ist zum Treiben der Leuchtdiode 208 vorgesehen. Dabei wird die Leuchtdiode 208 mit einem Strom versorgt, der von der Stromsenke 204 bereitgestellt wird. Die Ausgangsspannung VOUT fällt somit über der Stromsenke 204 und der Leuchtdiode 208 ab. Die über der Stromsenke 204 abfallende Spannung wird von dem Vergleicher 205 mit einem Schwellwert VS verglichen, welcher von der Spannungsquelle 207 bereitgestellt wird. Sinkt die Spannung über der Stromsenke 204 unter den Schwellwert VS, so wird von der Steuereinrichtung 206 der Spannungskonverter 1 derart angesteuert, dass die Ausgangsspannung VOUT erhöht wird. Der Vergleicher 205 weist eine Hysterese auf, sodass mit Vorteil ein häufiges Hin- und Herschalten zwischen zwei Werten des Multiplikationsfaktors M vermieden wird. Der Zeitgeber 213 ist zum Ausschalten der Stromsenke 204 und damit zum Abschalten des Stroms durch die Leuchtdiode 208 nach Abgabe eines Blitzes vorgesehen.
Das Filter 64 ist als Tiefpassfilter ausgebildet. Das Filter 64 ist ausgelegt, um Signale zu dämpfen, welche mit der Taktfrequenz f auftreten, da Schaltspitzen, die bei einer höheren Frequenz als die Taktfrequenz f auftreten, bereits durch den Spannungskonverter 1 reduziert sind. Somit wird eine Rückwirkung der Schaltvorgänge im Spannungskonverter 1 auf die Spannungsquelle 209 weiter verringert.
Mit Vorteil ist die Kathode der Leuchtdiode 208 direkt mit dem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden. Da der Bezugspotentialanschluss 8 üblicherweise als Anschluss mit großer Anschlussfläche ausgebildet ist, gewährleistet der Bezugspotentialanschluss 8 eine sehr gute Wärmesenke. Eine Verbindung der Kathode der Leuchtdiode 208 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 führt damit zu einer geringeren Temperaturerhöhung der Leuchtdiode 208 im Betrieb und damit zu einer längeren Lebensdauer der Leuchtdiode 208.
Mit Vorteil wird eine sehr gute elektromagnetische Verträglichkeit mittels der beiden Strombegrenzer 20, 40 und mittels des Filters 64 erzielt. Dies ist für Geräte der Mobilkommunikation von besonderer Bedeutung. Mit Vorteil wird mittels des Zeitgebers eine Überlastung der Leuchtdiode 208 auch dann vermieden, wenn die Ausgangsspannung VOUT des Spannungskonverters 1 nach einem Blitz nicht wie üblich vorgesehen abgesenkt wird.
Alternativ kann die Induktivität 210 als Leiterbahn auf einer Leiterplatte, abgekürzt PCB, realisiert sein.
Alternativ kann in die Energieversorgungsanordnung 200 gemäß 5 als Spannungskonverter auch der Spannungskonverter 100 gemäß den 4A bis 4C eingesetzt werden, an den der weitere Kondensator 2' angeschlossen ist.
6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Schalters, der als Eingangsschalter 11, erster und zweiter Ausgangsschalter 31, 32 sowie erster und zweiter Schalter 21, 41 in den in den obigen Figuren gezeigten Spannungskonvertern eingesetzt werden kann. Der Schalter umfasst eine Parallelschaltung aus dem Transistor 43 und einem weiteren Transistor 43', die als p-Kanal MOSFETs realisiert sind. Ist der zu treibende Strom hoch, so werden mit Vorteil beide Transistoren 43, 43' parallel in einen leitenden und parallel in einen nicht-leitenden Betriebszustand geschaltet. Ist der zu schaltende Strom niedrig, so wird der Transistor 43 abwechselnd in einen leitenden und in einen nicht-leitenden Betriebszustand geschaltet, während sich der weitere Transistor 43' ständig in einem nicht-leitenden Betriebszustand befindet. Sofern der Eingangsschalter 11, der erste und/oder der zweite Ausgangsschalter 31, 32 jeweils die Transistoren 43, 43' umfassen, sind die Steueranschlüsse der Transistoren 43, 43' mit verschiedenen Ausgängen der Steuervorrichtung 206, welche beispielsweise in 5 gezeigt ist, gekoppelt. Sofern der erste und/oder der zweite Schalter 21, 41 jeweils die Transistoren 43, 43' umfassen, ist der Steueranschluss 44 des Transistors 43 mit dem Ausgang des in 2B gezeigten Umschalters 47 und ein Steueranschluss 44' des weiteren Transistors 43' mit einem Ausgang eines weiteren, nicht gezeigten Umschalters verbunden. Die beiden Eingänge des weiteren Umschalters sind an die beiden Eingänge des Umschalters 47 an geschlossen. Die Steuereingänge der beiden Umschalter sind mit verschiedenen Ausgängen der Steuervorrichtung 206 gekoppelt.
In einer Ausführungsform ist das Verhältnis aus Kanalweite W1 und Kanallänge L1 des Transistors 43 verschieden von einem Verhältnis aus Kanalweite W2 und Kanallänge L2 des weiteren Transistors 43'. Mit Vorteil kann durch Wahl des einzuschaltenden Transistors die Stromtreiberfähigkeit des Schalters besser an den zu schaltenden Strom angepasst werden.
Alternativ sind die beiden Transistoren 43, 43' als n-Kanal MOSFETs realisiert. Mit Vorteil umfasst der erste Schalter 41 n-Kanal MOSFETs.
Alternativ ist mindestens ein zusätzlicher Transistor 43'' zu dem Transistor 43 parallel geschaltet.

1, 1': Spannungskonverter
2' 2,: Kondensator
3: Ladestromkreis
4: Entladestromkreis
5, 5': erster Anschluss
6' 6,: zweiter Anschluss
7: Ausgangskondensator
8: Bezugspotentialanschluss
11, 11: Eingangsschalter
20, 20': zweiter Strombegrenzer
21, 21': zweiter Schalter
22, 22': zweiter Widerstand
23, 23': Kopplungsanschluss
31, 31': erster Ausgangsschalter
32, 32': zweiter Ausgangsschalter
33, 33': dritter Widerstand
34, 34': Schaltungsknoten
35: Haltekondensator
36: dritter Ausgangsschalter
40, 40': erster Strombegrenzer
41, 41': erster Schalter
42, 42': erster Widerstand
43, 43', 43'': Transistor
44, 44', 44'': Steueranschluss
47: Umschalter
48: Ladekondensator
49: Steueranschluss
51, 51': Verstärker
52, 52': erster Eingang
53, 53': zweiter Eingang
54, 54': Ausgang
55, 55': Spannungsquelle
56, 56': erster Spannungsteilerwiderstand
57, 57': zweiter Spannungsteilerwiderstand
60, 60': Ausgangsanschluss
61, 61': Eingangsanschluss
64: Filter
100: Spannungskonverter
101: Koppelschalter
200: Energieversorgungsanordnung
201: erster Ausgangsanschluss
202: zweiter Ausgangsanschluss
203: Eingangsanschluss
204: Stromsenke
205: Vergleicher
206: Steuervorrichtung
207: Spannungsquelle
208: Leuchtdiode
209: Spannungsquelle
210: Induktivität
211: erster Filterkondensator
212: zweiter Filterkondensator
213: Zeitgeber
f: Taktfrequenz
IE: Entladestrom
IL: Ladestrom
L1, L2, L3: Kanallänge
M: Multiplikationsfaktor
R1: erster Widerstandswert
R2: zweiter Widerstandswert
S1, S2, S3: Steuersignal
SU: Signal
VBAT: Eingangsspannung
VOUT: Ausgangsspannung
W1, W2, W3: Kanalweite

Claims

Spannungskonverter zur Spannungsvervielfachung, an den ein Kondensator (2) ankoppelbar ist und der – einen Ladestromkreis (3), der zum Aufladen des Kondensators (2) ausgebildet ist und einen ersten Strombegrenzer (40) umfasst, und – einen Entladestromkreis (4), der einen zweiten Strombegrenzer (20) umfasst, aufweist.
Spannungskonverter nach Anspruch 1, wobei – der erste Strombegrenzer (40) einen ersten Schalter (41) umfasst und einen ersten Widerstandswert R1 im eingeschalteten Zustand des ersten Schalters (41) aufweist und – der zweite Strombegrenzer (20) einen zweiten Schalter (21) umfasst und einen zweiten Widerstandswert R2 im eingeschalteten Zustand des zweiten Schalters (21) aufweist.
Spannungskonverter nach Anspruch 2, wobei der erste Strombegrenzer (40) und der zweite Strombegrenzer (20) derart steuerbar sind, dass der erste Widerstandswert R1 und der zweite Widerstandswert R2 einstellbar sind.
Spannungskonverter nach Anspruch 2 oder 3, wobei – der erste Schalter (41) einen ersten Feldeffekttransistor (43) umfasst, welcher als einen Einschaltwiderstand den ersten Widerstandswert R1 aufweist, und – der zweite Schalter (21) einen zweiten Feldeffekttransistor umfasst, welcher als einen Einschaltwiderstand den zweiten Widerstandswert R2 aufweist.
Spannungskonverter nach Anspruch 4, umfassend einen Verstärker (51) mit – einem ersten Eingang (52), der mit einem Ausgangsschalter (31) gekoppelt ist, wobei ein Anschluss des Ausgangsschalters (31) mit einem Ausgang (60) des Schaltungskonverters (1) gekoppelt ist, – einem zweiten Eingang (53), dem eine Vergleichsspannung (VS) zuleitbar ist, und – einem Ausgang (54), der mit einem Steueranschluss (44) des ersten Feldeffekttransistors (43) und einem Steueranschluss des zweiten Feldeffekttransistors gekoppelt ist.
Spannungskonverter nach Anspruch 5, wobei der Verstärker (51) als Transkonduktanzverstärker ausgebildet ist.
Spannungskonverter nach Anspruch 5 oder 6, wobei in Abhängigkeit eines Vergleichsergebnisses des Verstärkers (51) eine Erhöhung des ersten und/oder des zweiten Widerstandswertes R1, R2 zur Verringerung einer Schwankung einer Ausgangsspannung (VOUT), die am Ausgang (60) des Schaltungskonverters (1) bereitgestellt ist, erzielt wird, sofern eine Signalspannung (V1), die von der Ausgangsspannung (VOUT) abgeleitet ist, höher als die Vergleichsspannung (VS) ist.
Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, umfassend einen ersten Umschalter (47) mit – einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang (54) des Verstärkers (51) verbunden ist, – einem zweiten Eingang, der mit einem Bezugspotentialanschluss (8) oder einem Versorgungsspannungsanschluss (9) verbunden ist, – einem Ausgang, der mit dem Steueranschluss (44) des ersten Feldeffekttransistors (43) verbunden ist, und – einem Steuereingang (49) zum wahlweisen Verbinden des ersten oder des zweiten Eingangs mit dem Ausgang.
Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei ein weiterer Anschluss des ersten Ausgangsschalter (31) mit einem ersten Anschluss (5) des Spannungskonverters (1), an den eine erste Elektrode (62) des Kondensators (2) ankoppelbar ist, gekoppelt ist und der Spannungskonverter einen zweiten Ausgangsschalter (32) mit – einem ersten Anschluss, der mit dem weiteren Anschluss des ersten Ausgangsschalters (31) verbunden ist, und – einem zweiten Anschluss, der mit einem Schaltungsknoten (34) verbunden ist, welcher mit dem ersten Eingang (52) des Verstärkers (51) gekoppelt ist, umfasst.
Spannungskonverter nach Anspruch 9, umfassend einen Ausgangswiderstand (33), der zwischen den Knoten (34) und den Ausgang (60) des Spannungskonverters (1) geschaltet ist.
Spannungskonverter nach Anspruch 9, umfassend einen Haltekondensator (35), der zwischen den Knoten (34) und einen Bezugspotentialanschluss (8) geschaltet ist.
Spannungskonverter nach Anspruch 9, umfassend einen dritten Ausgangsschalter (36), der zwischen den Knoten (34) und den Ausgang (60) des Spannungskonverters (1) geschaltet ist.
Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend ein Filter (64), das in den Ladestromkreis (3) geschaltet ist.
Verfahren zur Spannungskonversion, umfassend – Aufladen eines Kondensators (2) mittels eines Ladestromkreises (3), der einen ersten Strombegrenzer (40) umfasst, unter Verwendung einer Eingangsspannung (VBAT) und – Bereitstellen einer Ausgangsspannung (VOUT) mittels eines Entladestromkreises (4), der einen zweiten Strombegrenzer (20) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der erste und der zweite Strombegrenzer (20, 40) derart angesteuert werden, dass eine Schwankung der Ausgangsspannung (VOUT) verringert wird.