DE102007014398B4

DE102007014398B4 - Stromversorgungsschaltkreis

Info

Publication number: DE102007014398B4
Application number: DE102007014398A
Authority: DE
Inventors: Christophe Vaucourt; Erich Bayer; Paul Brohlin
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: DE102007014398A1; US7973487B2; US20090174345A1

Abstract

Stromversorgungsschaltkreis für die Stromversorgung eines Paars in Reihe geschalteter, weißer LEDs (LED01, LED02), mit einem Superkondensator (C04), der in einer ersten Betriebsart geladen wird und sich während einer zweiten Betriebsart über das LED-Paar (LED01, LED02) entlädt, und mit einer Steuerstufe zum Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart; dadurch gekennzeichnet, dass er einen DC-DC-Wandler mit einem Stromeingang und einem Stromausgang und eine mit dem Stromausgang des DC-DC-Wandlers gekoppelte Ladungspumpe aufweist und dass der Superkondensator (C04) mit der Ladungspumpe so gekoppelt ist, dass er während der ersten Betriebsart durch die Ladungspumpe auf eine Spannung, die auf die Spannung am Stromausgang des DC-DC-Wandlers aufgesetzt ist, geladen wird und dass der Superkondensator (C04) auf einer Seite mit dem Eingang des LED-Paars (LED01, LED02) und auf einer anderen Seite mit dem Stromausgang des DC-DC-Wandlers gekoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Stromversorgungsschaltkreis. Konkreter, aber nicht ausschließlich, betrifft die vorliegende Erfindung einen Schaltkreis zur Versorgung eines weißen Hochleistungs-LED-Blitzlichts mit Leistung, mit einem minimierten Spitzenstrom von der Stromversorgungsbatterie.
Weiße LEDs werden häufig in Mobiltelefonen zum Beispiel als Blitzlichter für eine in dem Telefon integrierte Digitalkamera verwendet, woraus sich ein hoher Spitzenstrombedarf ergibt. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn sie zur Bereitstellung eines augenblicklichen Blitzlichts verwendet werden. Des Weiteren ist es häufig der Fall, dass mehrere derartige LEDs bereitgestellt werden. Wenn die LEDs eingeschaltet sind, ziehen sie eine große Menge an Strom von der als Stromversorgung bereitgestellten Batterie.
WO 2006/081613 A1 offenbart einen Stromversorgungsschaltkreis für die Stromversorgung von in Reihe geschalteten Blitzlicht-LEDs. Der Schaltkreis umfasst einen Superkondensator, der über einen Spannungsregler aufgeladen wird. Bei der Entladung liegt der Superkondensator parallel zu den LEDs und versorgt diese allein mit seiner Spannung.
JP 07123702 und US 2003/0071602 A1 offenbaren die Kombination von DC-DC-Wandler mit einer Ladungspumpe.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung des oben Erwähnten entwickelt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stromversorgungsschaltkreis zur Verfügung zu stellen, der genügend Strom für weiße LEDs liefert und dabei nur eine minimale Strommenge von einer Stromversorgungsbatterie zieht.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Stromversorgungsschaltkreis zur Versorgung eines Paars in Reihe geschalteter, weißer LEDs mit Strom mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereit. Der Schaltkreis umfasst einen DC-DC-Wandler und eine mit einem Ausgang des DC-DC-Wandlers gekoppelte Ladungspumpe. Ein Superkondensator ist mit der Ladungspumpe gekoppelt und ist so eingerichtet, dass er während einer ersten Betriebsart auf eine Spannung geladen wird, die auf die Spannung an dem Wandlerausgang aufgesetzt ist. In einer zweiten Betriebsart wird der Superkondensator, der zwischen den Eingang des LED-Paars und den Ausgang des DC-DC-Wandlers geschaltet ist, über die LEDs entladen, so dass die LEDs aufblitzen. Eine Steuerstufe schaltet zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart um. Das bedeutet, dass der Stromkreis genug Strom liefert, um die hohen Stromanforderungen weißer LEDs zu erfüllen, während er eine minimale Strommenge von der Stromversorgungsbatterie zieht, was in tragbaren elektronischen Geräten besonders wichtig ist.
Die Ladungspumpe umfasst vorzugsweise einen Inverter mit einem mit dem Ausgang des Wandlers verbundenen Versorgungseingang und einem mit einem Kondensator der Ladungspumpe verbundenen Ausgang. Somit wird die komplette Ausgangsspannung des Wandlers als Eingangssignal für die Ladungspumpe verwendet, und die von der Ladungspumpe erzeugte Spannung wird zu der Ausgangsspannung des Wandlers hinzugefügt.
Es kann durch die Steuerstufe ein Soft-Start-Schema implementiert werden, einschließlich einer Soft-Start-Vorladungsphase, die den Einschaltstrom während dem Einschalten des Stromversorgungsschaltkreises begrenzt. Die Steuerstufe kann so eingerichtet sein, dass sie erst dann von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart umschaltet, nachdem der Wandler die Soft-Start-Vorladungsphase abgeschlossen hat, zum Beispiel wenn die Ausgangsspannung des Wandlers einen vorbestimmten Spannungspegel erreicht. In einer möglichen Konfiguration der Steuerstufe umfasst diese einen ersten Fehlerverstärker mit einem ersten Eingang, der mit einer ersten Referenzspannungsquelle gekoppelt ist, und einem zweiten Eingang, der mit einer Stromsenke in dem Strompfad der LEDs gekoppelt ist. Ein zweiter Fehlerverstärker weist dann einen ersten Eingang, der mit einer zweiten Referenzspannungsquelle gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang auf, der mit dem Ausgang des Wandlers gekoppelt ist. Ein Schaltmittel verbindet dann einen Steuereingang eines Impulsbreitenmodulators in dem Wandler mit dem Ausgang des ersten Fehlerverstärkers in einer Stromregelungsbetriebsart und mit dem Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers in einer Spannungsregelungsbetriebsart.
Vorzugsweise weist der Superkondensator eine Kapazität von 0,1 F oder mehr auf, und es wird in dem Stromversorgungsschaltkreis ein Stromregler bereitgestellt, der so betrieben werden kann, dass er den Strom durch die LEDs während der zweiten "Blitz"-Betriebsart begrenzt.
Der Stromversorgungsschaltkreis gemäß der Erfindung kann in jedem beliebigen elektronischen Gerät verwendet werden, in dem es erforderlich ist, weiße mehr-Chip LEDs zu haben, und er ist besonders nützlich in Mobiltelefonen mit Digitalkamera und Blitz. Die vorliegende Erfindung verwendet lediglich einen begrenzten Spitzenstrom von der Batterie eines derartigen Geräts und stellt somit keine hohen Anforderungen an die Stromversorgung.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus einer untenstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und aus der beigefügten Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Schaltbild eines Stromversorgungsschaltkreises gemäß der Erfindung.
Nun unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine LED-Schaltung die Anschlüsse VIN und GND, die so betrieben werden können, dass sie mit einer Spannungsversorgung (nicht gezeigt) verbunden werden können, bei der es sich um eine Batterie in einem tragbaren elektronischen Gerät handeln kann. Der Anschluss VIN ist mit dem Eingangsknoten eines DC-DC-Wandlers verbunden, und der Anschluss GND ist mit Masse verbunden. Der Wandler umfasst einen Kondensator C05 und eine Induktivität L01, die einen im Fachgebiet wohl bekannten Speicher/Filter-Schaltkreis bilden, der so betrieben werden kann, dass er eine konstante Spannung bereitstellt. Der Kondensator C05 ist zwischen den Ausgangsknoten des Wandlers und Masse geschaltet, und die Induktivität L01 ist zwischen den Eingangsknoten des Wandlers und einen Knoten geschaltet, der mit dem Drain-Anschluss eines MOS-Transistors MN01 und dem Drain-Anschluss eines MOS-Transistors MN02 verbunden ist.
Der Source-Anschluss des Transistors MN01 ist mit Masse verbunden, und der Drain-Anschluss des Transistors MN02 ist mit einer Seite eines Kondensators C05 und einem Eingang einer Steuerstufe verbunden, die untenstehend ausführlich beschrieben wird. Die andere Seite des Kondensators C05 ist mit Masse verbunden. Die Transistoren MN01 und MN02 fungieren als Schalter, und der Wandler kann so betrieben werden, dass er einem Spannungsabgriff V_OUT eine Ausgangsspannung bereitstellt. MN02 weist eine interne Body-Diode BD01 auf. Ein Paar Schottky-Dioden D02 und D03 sind so in Reihe geschaltet, dass die Diode D03 mit demselben Knoten wie der Kondensator C05 verbunden ist, und beide Dioden D03 und D02 sind in einer Richtung weg von dem mit dem Kondensator C05 verbundenen Knoten in Durchlassrichtung vorgespannt.
Ein Knoten, der die Induktivität L01 und den Drain-Anschluss des Transistors MN01 sowie den Source-Anschluss des Transistors MN02 miteinander verbindet, ist mit einer Ladungspumpenanordnung verbunden. Die Ladungspumpe umfasst einen herkömmlichen CMOS-Inverter mit einem n-leitenden MOS-Transistor MN05 und einem p-leitenden MOS-Transistor MP04. Die Drain-Anschlüsse der Transistoren MP04 und MN05 sind miteinander verbunden. Der Source-Anschluss des Transistors MP04 ist mit dem Spannungsabgriff V_OUT verbunden, und der Source-Anschluss des Transistors MN05 ist mit Masse verbunden. Ein Knoten N1, der die Drain-Anschlüsse der Transistoren MP04 und MN05 miteinander verbindet, ist mit einem Kopplungskondensator C02 verbunden, der den Ausgang der Ladungspumpe mit einem Knoten koppelt, der die Dioden D02 und D03 auf einem Spannungsabgriff V_C/P (der Ladungspumpen-Ausgangsspannung) miteinander verbindet. Der die Induktivität L01 und die Transistoren MN01 und MN02 miteinander verbindende Knoten ist mit den Gate-Anschlüssen beider Transistoren MP04 und MN05 über die Widerstände R4 bzw. R3 verbunden. Ein weiteres Paar Schottky-Dioden D04 und D05 ist zwischen einen Knoten, der den Gate-Anschluss des Transistors MP04 und den Widerstand R4 miteinander verbindet, und einen Knoten, der den Gate-Anschluss des Transistors MN05 und den Widerstand R3 miteinander verbindet, in Reihe geschaltet. Die Dioden sind in einer Richtung von dem Gate-Anschluss des Transistors MN05 zu dem Gate-Anschluss des Transistors MP04 in Durchlassrichtung vorgespannt. Ein die Dioden D04 und D05 miteinander verbindender Knoten ist mit einem die Widerstände R4 und R3 verbindenden Knoten verbunden.
Die Kathode der Diode D02 ist mit dem Eingang einer LED LED01 sowie mit einer Seite eines Kondensators C03 und einer Seite eines Kondensators C04 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C03 ist mit Masse verbunden, und die andere Seite des Kondensators C04 ist, wie auch eine Seite des Kondensators C05 und der Drain-Anschluss des Transistors MN02, mit einem Spannungsabgriff V_OUT verbunden. Der Kondensator C04 ist als "Superkondensator" bekannt; das heißt, er hat einen äußerst hohen Kapazitätswert zwischen 0,1 F und 1000 F. Der Kondensator C03 hat eine viel kleinere Kapazität als der Kondensator C04, circa 1 μF, aber die Kondensatoren C03 und C04 sind nahezu parallel geschaltet, so dass sie eine gemeinsame Kapazität bereitstellen.
Der Ausgang der LED LED01 ist mit dem Eingang einer LED LED02 verbunden, so dass beide LEDs LED01 und LED02 miteinander in Reihe geschaltet sind. Der Ausgang der LED LED02 ist mit dem Drain-Anschluss eines MOS-Transistors MN03 verbunden, so dass die LEDs LED01 und LED02 in einer Richtung von der Kathode der Diode D02 zu dem Drain-Anschluss des Transistors MN03 in Durchlassrichtung vorgespannt sind. Die LEDs werden auf einem Chip bereitgestellt, der von dem restlichen Schaltkreis getrennt ist, aber sie sind mit den Kondensatoren C03 und C04 verbunden. Die Zusammenschaltung und Kopplung ist derart, dass die Ladung auf den Kondensatoren C03 und C04 die LEDs LED01 und LED02 speisen kann. Der Source-Anschluss des Transistors MN03 ist mit einem Eingang der untenstehend beschriebenen Steuerstufe verbunden, und der Gate-Anschluss des Transistors MN03 ist mit dem Spannungsabgriff V_OUT verbunden.
Die Steuerstufe für die Steuerung des Stromversorgungsschaltkreises und für das Umschalten zwischen den Betriebsarten ist über die Schalttransistoren MN01, MN02 und einen Kaskodentransistor mit mehreren Knoten auf dem Spannungsabgriff V_OUT verbunden. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren MN01 und MN02 sind mit den Ausgängen der Treiber B1 bzw. B2 verbunden. Der Treiber 62 ist so konfiguriert, dass er ein Signal ausgibt, das im Vergleich zu dem von dem Treiber B1 ausgegebenen Signal invertiert ist, so dass der Schalter MN02 AUS ist, wenn der Schalter MN01 EIN ist. Der Ausgang eines Impulsbreitenmodulators PWM ist mit den Eingängen der Treiber B1 und B2 gekoppelt, so dass beide Treiber B1 und B2 durch Ausgangssignale von dem Impulsbreitenmodulator PWM gesteuert werden.
Ein Knoten auf dem Spannungsabgriff V_OUT, der sich zwischen Knoten befindet, die V_OUT mit dem Drain-Anschluss des Transistors MN02 und dem Ladungskondensator C05 verbinden, ist mit einem Widerstand R1 verbunden. Der Widerstand R1 ist in Reihe mit einem weiteren Widerstand R2 geschaltet, der ebenfalls mit Masse verbunden ist. Ein die Widerstände R1 und R2 miteinander verbindender Knoten ist mit einem Eingang eines ersten Fehlerverstärkers AMP1 verbunden. Der andere Eingang des Verstärkers AMP1 ist mit einer ersten Referenzspannung V_REF1 verbunden. Der Ausgang der LED LED02 ist über den Kaskodentransistor MN03 mit einem Stromregler I1 und mit einem Eingang eines zweiten Fehlerverstärkers AMP2 gekoppelt. Der andere Eingang des Verstärkers AMP2 ist mit einer zweiten Referenzspannungsquelle V_REF2 verbunden. Der Stromregler I1 wird durch einen Schalter S1 auf Masse geschaltet. Praktisch kann an Stelle des Schalters S1 und der Stromquelle I1 auch die Stromquelle I1 selbst ein- und ausgeschaltet werden. Die Ausgänge der Fehlerverstärker AMP1 und AMP2 sind jeweils mit einem Zweiwegeschalter S2 verbunden, der so betrieben werden kann, dass er während der "Ladungs"-Betriebsart des Schaltkreises den Ausgang des ersten Fehlerverstärkers AMP1 mit dem Eingang des Impulsbreitenmodulators PWM verbindet und während der "Blitz"-Betriebsphase den Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers AMP2 mit dem Eingang des Impulsbreitenmodulators PWM verbindet. An einen den Schalter S2 und den Eingang des Impulsbreitenmodulators PWM miteinander verbindenden Knoten ist ein Glättungskondensator C06 angeschlossen.
In der Ladungsbetriebsart ist der Schalter S2 an dem Ausgang des Verstärkers AMP1 geschlossen, so dass der Ausgang des Verstärkers AMP1 mit dem Impulsbreitenmodulator PWM verbunden ist. Der Schalter S1 is geöffnet, und die Steuerstufe ist in eine Spannungsregelschleife geschaltet. Das Ausgangssignal von dem Impulsbreitenmodulator PWM an die Treiber B1 und B2 ist hoch, so dass der Ausgang von B1 hoch und der Ausgang von B2 niedrig ist. Folglich ist das Signal für den Gate-Anschluss des Schalttransistors MN01 hoch, und somit ist MN01 DURCHGESCHALTET ("ON"), und das Signal für den Gate-Anschluss des Transistors MN02 ist niedrig, so dass MN02 SPERRT ("OFF"). Der Impulsbreitenmodulator begrenzt anfänglich den Schaltspitzenstrom des Transistors MN01, so dass der Strom alle 500 ms in Schritten von 250 mA erhöht wird. Hierbei handelt es sich um ein Soft-Start-Schema, das den Einschaltstrom während dem Einschalten des Schaltkreises begrenzt. Das heißt, dass die Ausgangsspannung des Wandlers ebenfalls begrenzt ist. Strom von der Induktivität L01 lädt den Kondensator C05, der die Ausgangsspannung des Wandlers an dem Spannungsabgriff V_OUT erzeugt. Die Anordnung, die aus den Widerständen R3 und R4 und den Dioden D04 und D05, die mit den Gate-Anschlüssen der Transistoren MP04 und MN05 in dem Wandler gekoppelt sind, besteht, dient dazu, hohe Durchzündungsströme ("shoot-through currents") durch den Inverter zu verhindern. Es wird lediglich entweder MN05 oder MP04 durchgeschaltet. Die Spannung an dem Knoten N1 schaltet zwischen zwei Potentialen hin und her: V_OUT und Masse. Diese Spannung wird zu dem über den Kondensator C02 anliegenden Potential hinzugefügt. Die Diode D02 und der Kondensator C03 bilden einen Gleichrichtungsschaltkreis, der zur Erzeugung der V_C/P-Ausgangsspannung verwendet wird.
Das aus dem Inverter ausgegebene Spannungssignal wird über den Kondensator C02 mit der Diode D02 gekoppelt und durch die Diode D02 gleichgerichtet, bevor es an dem Spannungsabgriff V_C/P angelegt wird. Der Kondensator C03 und der Superkondensator C04 werden geladen, und die Spannung an V_OUT wird auf einen Wert von 5,5 V hochtransformiert. Der Spannungspegel an V_OUT, d. h. die Ausgangsspannung des Wandlers wird von dem Verstärker AMP1 mit der Referenzspannung V_REF1 verglichen.
In der Blitz-Betriebsart ist der Schalter S1 geschlossen. Der Kaskodentransistor MN03 ist leitend, und der Schalter S2 schaltet von dem Ausgang des Verstärkers AMP1 zu dem Ausgang des Verstärkers AMP2 um, so dass die Steuerstufe nun in einer Stromregelschleife ist.
Wenn der Schalter S1 geschlossen ist, fließt ein begrenzter Strom durch die LEDs LED01 und LED02, wobei der Strom durch den Stromregler I1 begrenzt wird. Die LED-Ausgangsspannung wird mit der Referenzspannung V_REF2 an dem Verstärker AMP2 verglichen. Da das Ausgangssignal des spannungsgeregelten Wandlers während der "Auslöse"-Betriebsphase mit dem Ausgangssignal des Kondensators mit hohem Kapazitätswert, der während der "Aufladungs"-Betriebsphase mit einem begrenzten Strom aus der Ladungspumpenschaltung geladen wird, kombiniert wird, gestattet es die LED-Schaltung, dass ein Paar weißer LEDs unabhängig von der Batteriespannung als Blitzlicht betrieben werden kann, wenn die LEDs in Reihe geschaltet sind. Die beiden in Reihe geschalteten LEDs haben im Vergleich zu einer Einzel-LED mit gleicher elektrischer Leistung einen höheren Wirkungsgrad.

Claims

Stromversorgungsschaltkreis für die Stromversorgung eines Paars in Reihe geschalteter, weißer LEDs (LED01, LED02), mit einem Superkondensator (C04), der in einer ersten Betriebsart geladen wird und sich während einer zweiten Betriebsart über das LED-Paar (LED01, LED02) entlädt, und mit einer Steuerstufe zum Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart; dadurch gekennzeichnet, dass er einen DC-DC-Wandler mit einem Stromeingang und einem Stromausgang und eine mit dem Stromausgang des DC-DC-Wandlers gekoppelte Ladungspumpe aufweist und dass der Superkondensator (C04) mit der Ladungspumpe so gekoppelt ist, dass er während der ersten Betriebsart durch die Ladungspumpe auf eine Spannung, die auf die Spannung am Stromausgang des DC-DC-Wandlers aufgesetzt ist, geladen wird und dass der Superkondensator (C04) auf einer Seite mit dem Eingang des LED-Paars (LED01, LED02) und auf einer anderen Seite mit dem Stromausgang des DC-DC-Wandlers gekoppelt ist.
Stromversorgungsschaltkreis gemäß Anspruch 1, bei dem die Ladungspumpe einen Inverter (MN05, MP04) mit einem mit dem Ausgang des Wandlers verbundenen Versorgungseingang und einem mit einem Kondensator (C02) der Ladungspumpe verbundenen Ausgang umfasst.
Stromversorgungsschaltkreis gemäß Anspruch 2, bei dem der Inverter (MN05, MP04) in CMOS-Technologie implementiert ist.
Stromversorgungsschaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Steuerstufe ein Soft-Start-Schema aufweist, einschließlich einer Soft-Start-Vorladungsphase zur Begrenzung des Einschaltstroms während des Einschaltens.
Stromversorgungsschaltkreis gemäß Anspruch 4, bei dem die Steuerstufe so eingerichtet ist, dass sie erst dann von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart umschaltet, nachdem der Wandler die Soft-Start-Vorladungsphase abgeschlossen hat.
Stromversorgungsschaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Steuerstufe Folgendes umfasst: einen ersten Fehlerverstärker (AMP1) mit einem ersten Eingang, der mit einer ersten Referenzspannungsquelle (V_REF1) gekoppelt ist, und einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Wandlers gekoppelt ist, einen zweiten Fehlerverstärker (AMP2) mit einem ersten Eingang, der mit einer zweiten Referenzspannungsquelle (V_REF2) gekoppelt ist, und mit einem zweiten Eingang, der mit einer Stromsenke in dem Strompfad der LEDs (LED01, LED02) gekoppelt ist, und ein Schaltmittel (S2) zur Verbindung eines Steuereingangs eines Impulsbreitenmodulators (PWM) in dem Wandler mit dem Ausgang des ersten Fehlerverstärkers (AMP1) in einer Spannungsregelungsbetriebsart und mit dem Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers (AMP2) in einer Stromregelungsbetriebsart.
Stromversorgungsschaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Superkondensator (C04) eine Kapazität von 0,1 F oder mehr aufweist.
Elektronisches Gerät, umfassend einen Stromversorgungsschaltkreis gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das mit weißen mehr-Chip LEDs (LED01, LED02) verbunden ist.