DE102008044404A1

DE102008044404A1 - Schaltung zum Ausgleich von Ladungsunsymmetrien in Speicherzellen

Info

Publication number: DE102008044404A1
Application number: DE102008044404A
Authority: DE
Inventors: Jens Barrenscheen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2028-12-06
Also published as: US20090195079A1; DE102008044404B4

Abstract

Beschrieben ist eine Schaltungsanordnung zum Ladungsaustausch zwischen kapazitiven Speicherzellen und ein Verfahren zum Ladungsaustausch zwischen kapazitiven Speicherzellen.

Description

HINTERGRUND
In aufladbaren Speicheranordnungen, wie z. B. Akkumulatoren (Akkus), die eine Anzahl in Reihe geschalteter kapazitiver Speicherzellen aufweisen können während des Ladens der Speicheranordnung oder während des Betriebs Ladungsunsymmetrien auftreten. Eine solche Ladungsunsymmetrie liegt dann vor, wenn sich die Ladezustände einzelner Speicherzellen voneinander unterscheiden. Ein solcher Unterschied tritt dann auf, wenn bei einem Entladevorgang einzelne Zellen stärker entladen werden als andere Zellen oder wenn bei einem Ladevorgang einzelne Zellen stärker geladen werden als andere Zellen.
Solche Ladungsunsymmetrien können die nutzbare Speicherkapazität der Speicheranordnung erheblich beeinflussen. Denn, es gibt Arten von Akkus, wie z. B. Lithium-Ionen-Akkus, bei denen die Speicherzellen beschädigt werden können, wenn sie bis über eine obere Speichergrenze hinaus aufgeladen werden oder wenn Sie bis unter eine untere Speichergrenze entladen werden. Es ist bekannt, solche Ladungsunsymmetrien auszugleichen. Hierdurch wird verhindert, dass ein Ladevorgang beendet werden muss, weil eine der Zellen die obere Speichergrenze erreicht hat, obwohl die anderen Zellen noch geladen werden könnten, oder dass ein Entladevorgang beendet werden muss, weil eine der Zellen die untere Speichergrenze erreicht hat, obwohl die anderen Zellen noch weiter entladen werden dürften. Bei einem solchen Ausgleich werden stärker geladene Zellen zugunsten schwächer geladener Zellen entladen, bzw. schwächer geladene Zellen werden zu Lasten stärker geladener Zellen geladen. Hierdurch gleichen sich die Ladezustände der einzelnen Zellen einander an.
Für einen solchen Ladungsaustausch kann ein Sperrwandler vorgesehen sein, der eine an die Anschlussklemmen der Akkumulatoranordnung angeschlossene Primärwicklung und mehrere, jeweils an die Akkumulatoren angeschlossene Sekundärwicklungen aufweist, wobei die Sekundärwicklungen über einen Transformatorkern an die Primärwicklung gekoppelt sind. Ein solcher Sperrwandler ist allerdings kostenintensiv und wegen des erforderlichen Transformatorkerns platzaufwändig.
Zum Ladungsausgleich können darüber hinaus auch passive Bauelemente, wie beispielsweise Widerstände, verwendet werden, die parallel zu einer oder zu mehreren Zellen geschaltet werden können, um stärker geladene Zellen auf das Niveau schwächer geladener Zellen zu entladen. Hierbei findet kein Ladungsausgleich zwischen einzelnen Zellen statt, sondern stärker geladenen Zellen wird hierbei Energie entzogen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein erster Aspekt der vorliegenden Beschreibung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ladungsaustausch zwischen kapazitiven Speicherzellen, die aufweist: ein erstes Anschlussklemmenpaar zum Anschließen einer ersten Speicherzelle; ein zweites Anschlussklemmenpaar zum Anschließen einer zweiten Speicherzelle; ein induktives Ladungsspeicherelement; und eine Schalteranordnung, die dazu ausgebildet ist, das induktive Speicherelement während zeitlich aufeinanderfolgender Schaltperioden, jeweils für eine erste Zeitdauer zwischen Anschlussklemmen des ersten Anschlussklemmenpaars und für eine zweite Zeitdauer zwischen Anschlussklemmen des zweiten Anschlussklemmenpaars zu schalten.
Ein zweiter Aspekt betrifft ein Verfahren zum Ladungsaustausch zwischen kapazitiven Speicherzellen, das aufweist: Vorsehen eines induktives Ladungsspeicherelements; und, während zeitlich aufeinanderfolgender Schaltperioden, Parallelschalten des induktiven Speicherelements jeweils für eine erste Zeitdauer zu der ersten Speicherzelle und für eine zweite Zeitdauer zu der zweiten Speicherzelle.
Ein dritter Aspekt betrifft eine Schaltungsanordnung, die aufweist: eine erste kapazitive Speicherzelle und eine zweite kapazitive Speicherzelle; ein induktives Ladungsspeicherelement; eine Schalteranordnung, die dazu ausgebildet ist, das induktive Speicherelement während zeitlich aufeinanderfolgender Schaltperioden jeweils für eine erste Zeitdauer parallel zu der ersten Speicherzelle und für eine zweite Zeitdauer parallel zu der zweiten Speicherzelle zu schalten.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass lediglich die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Komponenten dargestellt sind. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Ladungsaustausch zwischen kapazitiven Speicherzellen.
2 veranschaulicht verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für die Speicherzellen.
3 veranschaulicht die Funktionsweise der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung anhand von Zeitverläufen für den Fall, dass die Speicherzellen gleiche Ladezustände aufweisen.
4 veranschaulicht die Funktionsweise der Schaltungsanordnung für den Fall, einer ersten Ladungsunsymmetrie.
5 veranschaulicht die Funktionsweise der Schaltungsanordnung für den Fall einer zweiten Ladungsunsymmetrie.
6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für Schaltelemente in der Schaltungsanordnung.
7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung zur Erzeugung der Ansteuersignale.
8 veranschaulicht die Funktionsweise der Ansteuerschaltung gemäß 7 anhand zeitlicher Signalverläufe.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung zur Erzeugung der Ansteuersignale.
10 veranschaulicht die Funktionsweise der in 9 dargestellten Ansteuerschaltung anhand zeitlicher Signalverläufe.
11 zeigt ein Beispiel einer Freigabeschaltung zur Erzeugung eines Freigabesignals für die Schaltungsanordnung.
12 zeigt ein weiteres Beispiel einer Freigabeschaltung zur Erzeugung eines Freigabesignals.
13 zeigt ein weiteres Beispiel einer Freigabeschaltung zur Erzeugung eines Freigabesignals.
14 zeigt ein Schaltungsdetail für die in 9 dargestellte Ansteuerschaltung.
15 zeigt eine Ladungsspeicheranordnung mit mehreren in Reihe geschalteten Speicherzellen und mit mehreren Schaltungsanordnungen zum Ladungsaustausch zwischen einzelnen Speicherzellen.
16 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung mit mehreren in Reihe geschalteten Speicherzellen und mit mehreren Schaltungsanordnungen zum Ladungsaustausch zwischen einzelnen Speicherzellen.
17 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schaltungsanordnung zum Ladungsaustausch zwischen kapazitiven Speicherzellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung 20 zum Ladungsaustausch zwischen kapazitiven Speicherzellen einer wiederaufladbaren Ladungsspeicheranordnung. Diese Ladungsspeicheranordnung ist beispielsweise ein Akkumulator (Akku), wie zum Beispiel ein Lithum-Ionen-Akku, und weist mehrere in Reihe geschaltete Speicherzellen 11, 12 auf. In 1 sind lediglich zwei solcher in Reihe geschalteter Speicherzellen 11, 12 dargestellt. Die Ladungsspeicheranordnung kann selbstverständlich mehr als zwei in Reihe geschalteter Speicherzellen aufweisen, wie dies in 1 graphisch durch Punkte veranschaulicht ist. Die Speicherzellen 11, 12 sind zwischen Anschlussklemmen 101, 102 der Ladungsspeicheranordnung geschaltet. Diese Anschlussklemmen 101, 102 dienen zum Anschließen der Ladungsspeicheranordnung an eine zu versorgende Last (nicht dargestellt) oder zum Anschließen der Ladungsspeicheranordnung an eine Ladeschaltung (nicht dargestellt). Die einzelnen Speicherzellen 11, 12 besitzen jeweils zwei Anschlüsse, zwischen denen eine Versorgungsspannung V1, V2 zur Verfügung steht. Die Summe der Versorgungsspannungen der in Reihe geschalteten Speicherzellen entspricht hierbei der durch die gesamte Ladeschaltung zwischen den Anschlussklemmen 101, 102 für die Last zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung.
Die einzelnen Speicherzellen 11, 12 können bezugnehmend auf 2A jeweils ein kapazitives Speicherelement aufweisen. Das in 2A dargestellte Kondensator-Schaltsymbol repräsentiert hierbei eine solche Speicherzelle. Bezugnehmend auf 2B kann eine Speicherzelle 11, 12 auch mehrere parallel geschaltete Speicherelemente aufweisen. Darüber hinaus kann eine Speicherzelle 11, 12 auch mehrere in Reihe geschaltete Speicherelemente aufweisen, wie dies in 2C dargestellt ist.
Die einzelnen in Reihe geschalteten Speicherzellen sind insbesondere so aufeinander abgestimmt, dass sie die gleiche Nennspannung besitzen. Unter "Nennspannung" ist hierbei die Versorgungsspannung zu verstehen, die eine Speicherzelle in vollständig geladenem Zustand zur Verfügung stellt. Bei den in den 2A und 2B dargestellten Realisierungsvarianten entspricht die Nennspannung einer Speicherzelle 11, 12 der Nennspannung der jeweils verwendeten Speicherelemente. Bei der Realisierungsvariante gemäß 2C entspricht die Nennspannung einer Speicherzelle der Summe der Nennspannung der in Reihe geschalteten Speicherelemente.
Aufgrund fertigungsbedingter Toleranzen können die einzelnen Speicherzellen 11, 12 sich hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften dahingehend unterscheiden, dass sie beispielsweise unterschiedliche Kapazitäten aufweisen. Dies kann dazu führen, dass während eines Ladevorgangs, bei dem die Speicheranordnung durch eine Ladeschaltung mit einem Ladestrom Ic geladen wird, einzelne Speicherzellen rascher bis zu einer bestimmten Spannung, beispielsweise die Nennspannung, aufgeladen werden, als andere Speicherzellen. In entsprechender Weise kann es vorkommen, dass bei einem Entladevorgang, bei dem die Ladungsspeicheranordnung mit einem Entladestrom Id entladen wird, einzelne Speicherzellen rascher bis zu einer vorgegebenen Spannung entladen werden, als andere Speicherzellen. Es gibt Arten von Speicherzellen, wie beispielsweise Speicherzellen von Lithium-Ionen-Akkus, die nicht bis über eine obere Spannungsgrenze hinaus geladen werden sollten, und die nicht bis unter eine untere Spannungsgrenze entladen werden sollten, um eine Beschädigung der Speicherzellen zu vermeiden. Diese obere Spannungsgrenze wird nachfolgend als Ladegrenze, und die untere Spannungsgrenze wird nachfolgend als Entladegrenze bezeichnet. Darüber hinaus können sich die einzelnen Speicherzellen auch hinsichtlich ihres Innenwiderstands unterscheiden.
Für die nachfolgende Erläuterung sei angenommen, dass ein Ladezustand einer Speicherzelle durch die über der Speicherzelle anliegende Versorgungsspannung repräsentiert wird. Sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Ladungsspeicheranordnung ist es dabei erstrebenswert, wenn alle Speicherzellen wenigstens annähernd gleiche Ladezustände aufweisen. In diesem Fall ist eine optimale Nutzung der Gesamtspeicherkapazität der Ladungsspeicheranordnung gewährleistet.
Zum Ausgleich bestehender Ladungsunsymmetrien bzw. zum Angleichen der Ladezustände zweier Speicherzellen 11, 12 aneinander ist eine Schaltungsanordnung 20 vorgesehen, die nachfolgend als Ausgleichsschaltung bezeichnet wird. Die in dem Beispiel dargestellte Ausgleichsschaltung 20 weist ein erstes Anschlussklemmenpaar mit zwei Anschlussklemmen 21, 23 zum Anschließen einer ersten Speicherzelle 11 und ein zweites Anschlussklemmenpaar mit Anschlussklemmen 22, 24 zum Anschließen einer zweiten Speicherzelle 12 auf. Die beiden Speicherzellen 11, 12 sind in dem dargestellten Beispiel unmittelbar in Reihe geschaltet. Eine zweite Anschlussklemme 23 des ersten Anschlussklemmenpaars 21, 23 und eine erste Anschlussklemme 22 des zweiten Anschlussklemmenpaars 22, 24 sind in diesem Fall durch einen gemeinsamen Anschluss realisiert, der an einem den beiden Speicherzellen 11, 12 gemeinsamen Schaltungsknoten angeschlossen ist.
Die Ausgleichsschaltung 20 weist außerdem ein induktives Speicherelement 30 und eine Schaltanordnung 40 auf. Die Schaltanordnung 40 ist dazu ausgebildet, das induktive Speicherelement 30 während aufeinanderfolgender Schaltperioden jeweils für eine erste Zeitdauer zwischen die Anschlussklemmen des ersten Anschlussklemmenpaars 21, 23, und damit parallel zu der ersten Speicherzelle 11 zu schalten, und das induktive Speicherelement 30 während einer nachfolgenden zweiten Zeitdauer zwischen die Anschlussklemmen 22, 24 des zweiten Anschlussklemmenpaars, und damit parallel zu der zweiten Speicherzelle 12 zu schalten.
Das induktive Speicherelement 30 ist in dem dargestellten Beispiel an den den Anschlussklemmenpaaren gemeinsamen Anschluss 22, 23 angeschlossen. Die Schaltanordnung 40 weist in diesem Fall ein erstes Schaltelement 41, das zwischen die erste Anschlussklemme 21 des ersten Anschlussklemmenpaars und das induktive Speicherelement 30 geschaltet ist, und ein zweites Schaltelement 42, das zwischen die zweite Anschlussklemme 24 des zweiten Anschlussklemmenpaars und das induktive Speicherelement 30 geschaltet ist, auf. Das induktive Speicherelement 30 ist bei leitend angesteuertem ersten Schaltelement 41 und sperrend angeordnetem zweiten Schaltelement 42 parallel zu der ersten Speicherzelle 11 geschaltet und ist bei sperrend angesteuertem ersten Schaltelement 41 und leitend angesteuertem zweiten Schaltelement 42 parallel zu der zweiten Speicherzelle 12 geschaltet.
Die Schaltelemente 41, 42 können beliebige Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschaltelemente, wie z. B. MOSFETs, IGBTs oder Bipolartransistoren, sein. Die ersten und zweiten Schaltelemente 41, 42 leiten und sperren nach Maßgabe eines ersten und zweiten Ansteuersignals S1, S2. Für die nachfolgende Erläuterung sei angenommen, dass die Schaltelemente 41, 42 bei einem oberen Signalpegel (High-Pegel) des jeweiligen Ansteuersignals leiten und bei einem unteren Signalpegel (Low-Pegel) des jeweiligen Ansteuersignals sperren. Zur Ansteuerung der einzelnen Schaltelemente können – je nach Realisierung der Schaltelemente 41, 42 – Treiberschaltungen erforderlich sein, die die Ansteuersignale S1, S2 auf zur Ansteuerung der Schaltelemente 41, 42 geeignete Signalpegel umsetzen. Solche Treiberschaltungen sind grundsätzlich bekannt und in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die Funktionsweise der in 1 dargestellten Ausgleichsschaltung 20 wird nachfolgend anhand von 3 unter Verwendung von Signalverläufen des ersten und zweiten Ansteuersignals S1, S2 sowie eines Stromes I durch das induktive Speicherelement 30 erläutert. 3 zeigt das erste und zweite Ansteuersignal S1, S2 während mehrerer aufeinanderfolgender Schaltperioden, die jeweils eine gleiche Periodendauer T aufweisen. Die beiden Schaltelemente 41, 42 sind hierbei so angesteuert, dass während einer Schaltperiode das erste Schaltelement 41 für eine erste Einschaltdauer T1 leitend und das zweite Schaltelement 42 sperrend angesteuert ist und für eine zweite Einschaltdauer T2 das erste Schaltelement 41 sperrend und das zweite Schaltelement 42 leitend angesteuert wird.
Für die nachfolgende Erläuterung sei angenommen, dass ein erster Duty-Cycle definiert ist durch das Verhältnis zwischen der ersten Einschaltdauer T1 und einer Periodendauer T der Schaltperiode und dass ein zweiter Duty-Cycle definiert ist durch das Verhältnis zwischen der zweiten Einschaltdauer T2 und der Periodendauer T. Zu Zwecken der Erläuterung sei zunächst angenommen, dass der erste und zweite Duty-Cycle jeweils gleich groß sind und jeweils 50% betragen.
Während der ersten Einschaltdauer T1 ist das induktive Speicherelement 30 parallel zu der ersten Speicherzelle 11 geschaltet. Vernachlässigt man parasitäre Widerstände, so gilt für eine zeitliche Änderung dI/dt des Stromes I durch das in duktive Speicherelement 30 während dieser ersten Einschaltdauer T1:
V1 bezeichnet hierbei die Spannung über der ersten Speicherzelle 11 und L bezeichnet die Induktivität des induktiven Speicherelements 30. Während der zweiten Einschaltdauer T2 ist das induktive Speicherelement 30 parallel zu der zweiten Speicherzelle 12 geschaltet. Für eine zeitliche Änderung dI/dt des Stromes I gilt in diesem Fall:
V2 bezeichnet hierbei die Spannung über der zweiten Speicherzelle 12.
Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass die ersten und zweiten Spannungen V1, V2 jeweils positive Spannungen sind, die zwischen der ersten und zweiten Anschlussklemme des jeweiligen Anschlussklemmenpaares anliegen. In diesem Fall steigt der Strom I durch das induktive Speicherelement während der ersten Einschaltdauer T1 proportional zu der ersten Spannung V1 an, und sinkt während der zweiten Einschaltdauer T2 proportional zu der zweiten Spannung V2 ab.
Der in 3 dargestellte zeitliche Verlauf des Stromes I durch das induktive Speicherelement 30 entspricht dem zeitlichen Verlauf bei gleichen Spannungen V1, V2 in eingeschwungenem Zustand. Die Steilheit des Stromanstiegs während der ersten Einschaltdauer T1 entspricht hierbei der Steilheit des Stromabfalls während der zweiten Einschaltdauer T2. Im eingeschwungenen Zustand, also nachdem bereits eine Anzahl von Schaltperioden erfolgt sind, wechselt der Strom I jeweils zur Mitte der ersten und zweiten Einschaltdauer T1, T2 seine Polarität. Der Mittelwert des Stromes I betrachtet über eine Schaltperiode T ist in diesem Fall Null. Betrachtet über eine gesamte Schaltperiode T findet damit keine Änderung der in den Speicherzellen 11, 12 gespeicherten Ladungen statt. Bei gleichen Spannungen V1, V2 über den Speicherzellen 11, 12 findet somit – betrachtet über eine gesamte Schaltperiode T – kein Ladungsaustausch statt. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die Induktivität des induktiven Speicherelementes 30 und die Schaltperiode T so auf die Speicherkapazitäten der Speicherzellen 11, 12 abgestimmt sind, dass die durch das induktive Speicherelement 30 während einer Schaltperiode aufgenommene elektrische Energie nur einen geringen Bruchteil der in den Speicherzellen 11, 12 speicherbaren elektrischen Energie darstellt. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich die elektrische Spannung einer Speicherzelle während einer Schaltperiode so stark ändert, dass es insgesamt zu einem unerwünschten Schwingungsverhalten kommen kann. Diese während einer Schaltperiode umgeladene Energie ist beispielsweise durch den Duty-Cycle des Ansteuersignals beeinflussbar.
Besitzen beide Speicherzellen 11, 12 gleiche Ladezustände, und damit gleiche Spannungen V1, V2, wenn ein Ausgleichsvorgang begonnen wird, so wird während erster Schaltperioden (nicht dargestellt) zunächst eine der Speicherzellen zu Lasten der anderen der Speicherzellen etwas aufgeladen, wodurch die Spannung über dieser Speicherzelle gegenüber der Spannung über der anderen Speicherzelle zunächst ansteigt. Wird zu Beginn eines solchen Ausgleichvorganges beispielsweise das erste Schaltelement 41 zunächst leitend angesteuert, so wird die erste Speicherzelle 11 zunächst entladen, während die zweite Speicherzelle 12 zunächst geladen wird. Nach einigen Schaltperioden gleicht sich diese, sich zu Beginn des Ausgleichsvorgangs einstellende Ladungssymmetrie jedoch aus, bis die in 3 dargestellte Situation erreicht ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass dem Zeitverlauf in 3 und den Zeitverläufen in den noch zu erläuternden 4 und 5, die lediglich zur Erläuterung des Grundprinzips dienen, die idealisierende Annahme zugrunde liegt, dass keine parasitären Widerstände vorhanden sind, dass also weder die Verbindungsleitungen zwischen den Speicherzellen 11, 12 noch die Schaltelemente 41, 42 widerstandsbehaftet sind. Aus dieser idealisierenden Annahme resultieren die in 3 dargestellten dreieckförmigen Signalverläufe des Stromes durch die Induktivität 30. Tatsächlich sind solche Widerstände unvermeidlich vorhanden. Mit dem Bezugszeichen 31 ist in 1 ein ohmscher Widerstand bezeichnet, der die ohmschen Widerstände repräsentiert, die in dem jeweils leitenden Strompfad zwischen den Zellen 11, 12 vorhanden sind. Das induktive Speicherelement und diese ohmschen Widerstände bilden in dem jeweils leitenden Strompfad ein RL-Glied, das bewirkt, dass die tatsächlichen Zeitverläufe exponentielle Zeitverläufe sind, wie dies gestrichelt in 3 dargestellt ist. Der ohmsche Anteil dieses RL-Glieds wirkt sich hierbei um so stärker auf den Zeitverlauf aus, je höher der fließende Strom ist.
4 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf des Stromes I durch das induktive Speicherelement 30 zu Beginn eines Ausgleichsvorganges für den Fall, dass die erste Speicherzelle 11 stärker geladen ist als die Speicherzelle 12. Die erste Spannung V1 ist in diesem Fall größer ist als die zweite Spannung V2. Davon ausgehend, dass der Strom durch das induktive Speicherelement 30 zu Beginn des Ausgleichsvorganges Null ist, steigt der Strom zu Beginn des Ausgleichsvorganges ausgehend von Null mit einer Steigung an, die der Spannung V1 über der ersten Speicherzelle 11 entspricht. Aufgrund der niedrigeren Spannung der zweiten Speicherzelle 12 sinkt der Strom während der nachfolgenden zweiten Einschaltdauer T2 nicht bis auf Null ab. Zu Beginn dieses Ausgleichsvorganges kann ein Mittelwert des Stromes I zunächst über mehrere Schaltperioden ansteigen. Dieser Stromanstieg bzw. die Anzahl der Schaltperioden, über welche der Strom ansteigt, ist dabei abhängig von dem Unterschied der Ladezustände der Speicher zellen 11, 12 bzw. abhängig von einer Differenz zwischen der ersten und zweiten Spannung V1, V2. Mit zunehmender Entladung der ersten Speicherzelle beginnt der Mittelwert des Stromes nach einigen Schaltperioden in nicht näher dargestellter Weise wieder abzusinken, bis sich die in 3 dargestellte Situation einstellt. Bedingt durch die ohmschen Widerstände, bzw. bedingt durch das Vorhandensein des RL-Glieds werden Schwingungsvorgänge dahingehend vermieden, dass die zweite Speicherzelle zeitweilig über den Ladezustand der ersten Speicherzelle 11 hinaus aufgeladen wird.
5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Stromes I zu Beginn eines Ausgleichsvorganges für den Fall, dass die erste Speicherzelle 11 schwächer als die zweite Speicherzelle 12 geladen ist. Die erste Spannung V1 ist in diesem Fall kleiner als die zweite Spannung V2. Unter der Annahme, dass der erste Schalter S1 zunächst geschlossen wird, besitzt der Mittelwert des Stromes I dabei zunächst ein positives Vorzeichen, ändert während weiterer Schaltperioden jedoch seine Polarität und regelt sich nach Ablauf noch weiterer Schaltperioden in nicht näher dargestellter Weise auf Null ein, so dass sich die in 3 dargestellte Situation ergibt. Ein Schwingungsverhalten dahingehend, dass der Mittelwert des Stromes mehrfach seine Polarität ändert bis er sich auf Null einregelt, wird durch die unvermeidlich vorhandenen ohmschen Widerstände verhindert.
Die Erzeugung der ersten und zweiten Ansteuersignale S1, S2 derart komplementär zueinander, dass sie abwechselnd einen Einschaltpegel (High-Pegel) und einen Ausschaltpegel (Low-Pegel) annehmen, und dass beide Signale nie gleichzeitig einen Einschaltpegel annehmen, kann durch beliebige Ansteuerschaltungen erfolgen. Ein Bespiel einer solchen Ansteuerschaltung 50 zur Erzeugung der beiden Ansteuersignale S1, S2 ist in 6 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung weist einen Taktgenerator 51 auf, der ein Taktsignal CLK bereitstellt, das die Dauer der Ansteuerperiode T vorgibt. Diesem Taktgenerator 51 ist ein D-Flip-Flop nachgeschaltet, dessen Takteingang das Taktsignal CLK zugeführt ist und das einen nicht-invertierenden Ausgang Q und einen invertierenden Ausgang Q' aufweist, von denen der invertierende Eingang Q' auf den Dateneingang D zurückgekoppelt ist. Die an den Ausgängen Q, Q' zur Verfügung stehenden Signale sind komplementär zueinander. Eines dieser Signale – in dem Beispiel das Signal am nicht-invertierenden Ausgang Q – entspricht dabei dem ersten Ansteuersignal S1, während das andere dieser Signale – in dem Beispiel das Signal am invertierenden Ausgang Q' – dem zweiten Ansteuersignal S2 entspricht. Diese Ausgangssignale wechseln ihre Signalpegel im Takt des Taktsignals CLK. Die Periodendauer einer Schaltperiode entspricht in diesem Fall zwei Periodendauern Tclk des Taktsignals.
Die 8A und 8B veranschaulichen zeitliche Verläufe des ersten und zweiten Ansteuersignals S1, S2 abhängig vom zeitlichen Verlauf des Taktsignals CLK für die in 6 dargestellte Ansteuerschaltung. Die ersten und zweiten Einschaltdauern T1, T2 sind hierbei jeweils gleich groß, woraus erste und zweite Duty-Cycle von jeweils 50% resultieren, und entsprechen einer Periodendauer Tclk des Taktsignals.
Um sicherzustellen, dass die beiden Schaltelemente 41, 42 niemals gleichzeitig leitend angesteuert sind, und um damit einen Kurzschluss der beiden in Reihe geschalteten Speicherzellen 11, 12 zu vermeiden, können die beiden Schaltelemente 41, 42 zeitlich versetzt zueinander leitend angesteuert werden. Ein Einschaltpegel eines der beiden Ansteuersignale wird dabei erst nach Ablauf einer Verzögerungsdauer Td erzeugt, nachdem das andere der beiden Ansteuersignale einen Ausschaltpegel angenommen hat. Zumindest während eines Teils dieser Verzögerungsdauer Td können in diesem Fall beide Schaltelemente 41, 42 sperren. Eine Zeitdauer, während der beide Schaltelemente sperren, wird auch als Totzeit bezeichnet.
Um während solcher Zeitdauern, während der beide Schaltelemente 41, 42 sperren, zu verhindern, dass es bedingt durch eine zuvor in dem induktiven Speicherelement 30 gespeicherte elektrische Energie zu Überspannungen kommt, können parallel zu den Schaltelementen 41, 42 Freilaufelemente 43, 44 vorgesehen sein. Ein erstes Freilaufelement 43 ist dabei parallel zu dem ersten Schaltelement 41 geschaltet und ein zweites Freilaufelement 44 ist parallel zu dem zweiten Schaltelement 42 geschaltet. Die Freilaufelemente, die in 1 gestrichelt dargestellt sind, sind beispielsweise als Dioden realisiert, die so verschaltet sind, dass deren Kathode unmittelbar – wie im Beispiel des Freilaufelements 43 – oder mittelbar über das induktive Speicherelement 30 – wie im Beispiel des Freilaufelements 44 – an den positiven Anschluss der jeweiligen Speicherzelle 11, 12 angeschlossen sind. Die positiven Anschlüsse sind in dem dargestellten Beispiel jeweils die ersten Anschlussklemmen 21, 22 der Speicherzellen. Nimmt das induktive Speicherelement 30 beispielsweise bei geschlossenem ersten Schaltelement 41 Energie auf, so ermöglicht das zweite Freilaufelement 44 ein Abkommutieren des induktiven Speicherelements 30 durch Aufladen der zweiten Speicherzelle 12. Nimmt im umgekehrten Fall das induktive Speicherelement 30 bei geschlossenem zweiten Schaltelement 42 Energie auf, so ermöglicht das erste Freilaufelement 43 bei anschleißend gesperrtem zweiten Schaltelement 42 und noch nicht leitendem ersten Schaltelement 41, dass das induktive Speicherelement 30 durch Aufladen der ersten Speicherzelle 11 abkommutiert. Hierdurch werden Überspannungen verhindert, die ansonsten zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Ausgleichsschaltung 20 führen könnten.
Als Schaltelemente können insbesondere solche Schaltelemente verwendet werden, die bereits eine integrierte Freilaufdiode aufweisen. Solche Schaltelemente sind beispielsweise Leistungs-MOSFET. Leistungs-MOSFET verfügen über eine integrierte Bodydiode, die bei n-Kanal-MOSFET in Flussrichtung zwischen einen Source- und einen Drainanschluss geschaltet ist und die als Freilaufelement verwendet werden kann. Der MOSFET ist dabei so in der Schaltanordnung 40 zu verschalten, dass die gewünschte Polung der Freilaufdiode erreicht wird.
7 zeigt ein Beispiel einer Ansteuerschaltung die die ersten und zweiten Ansteuersignale S1, S2 derart erzeugt, dass ein Einschaltpegel eines Ansteuersignals erst nach Ablauf einer Verzögerungsdauer Td erzeugt wird, nachdem das andere der Ansteuersignale einen Ausschaltpegel angenommen hat. Diese Ansteuerschaltung 50 unterscheidet sich von der in 6 dargestellten dadurch, dass den Ausgängen Q, Q' des Flip-Flops 52 asymmetrische Verzögerungsglieder 53, 54 nachgeschaltet sind, die fallende Flanken der Ausgangssignale S1', S2' des Flip-Flops 52 unverzögert passieren lassen und die steigende Flanke dieser Ausgangssignale S1', S2' zeitverzögert mit einer Verzögerungsdauer Td passieren lassen. Fallende Flanken repräsentieren hierbei einen Übergang des jeweiligen Ausgangssignals von einem Einschaltpegel auf einen Ausschaltpegel, während steigende Flanken jeweils einen Übergang des jeweiligen Ausgangssignals von einem Ausschaltpegel aufeinen Einschaltpegel repräsentieren.
8B veranschaulicht zeitliche Verläufe der Ausgangssignale S1', S2' des Flip-Flops 42 für die Ansteuerschaltung gemäß 7. 8C zeigt die aus diesen Ausgangssignalen S1', S2' resultierenden Ansteuersignale S1, S2, die an den Ausgängen der asymmetrischen Verzögerungsglieder 53, 54 anliegen. Bezugnehmend auf 8C führt eine steigende Flanke eines Ausgangssignals S1' am nicht-invertierenden Ausgang des Flip-Flops 52 erst mit einer Zeitverzögerung Td zu einer steigenden Flanke des ersten Ansteuersignals S1, während eine steigende Flanke eines Ausgangssignals S2' am invertierenden Ausgang Q' des Flip-Flops 52 erst nach einer Verzögerungsdauer Td zu einer steigenden Flanke des zweiten Ansteuersignals S2 führt.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung 60 zur Erzeugung der Ansteuersignale S1, S2. Diese in 9 dargestellte Ansteuerschaltung ist als Pulsweitenmodulator realisiert und weist einen Taktgenerator 61 zur Erzeugung eines Taktsignals CLK, einen Rampensignalgenerator 62 zur Erzeugung eines Rampensignals nach Maßgabe des Taktsignals CLK, eine Referenzspannungsquelle 64, einen Komparator 63 und ein Flip-Flop 65 auf. Ein Ausgangssignal S62 des Rampensignalgenerators 62 ist hierbei einem ersten Eingang – in dem Beispiel dem nicht-invertierenden Eingang – des Komparators 63 zugeführt. Einem zweiten Eingang – in dem Beispiel dem invertierenden Eingang – des Komparators 63 ist eine von der Referenzspannungsquelle 64 bereitgestellte Referenzspannung Vref zugeführt. Das Flip-Flop 65 ist in dem dargestellten Beispiel als RS-Flip-Flop realisiert und weist einen Setz-Eingang S auf, dem das Taktsignal CLK zugeführt ist, und weist einen Rücksetz-Eingang R auf, dem ein Ausgangssignal S63 des Komparators zugeführt ist. Das Flip-Flop 65 weist außerdem einen ersten – in dem Beispiel nicht-invertierenden – Ausgang Q und einen zweiten – in dem Beispiel invertierenden – Ausgang Q' auf. Ein Ausgangssignal am nichtinvertierenden Ausgang Q entspricht in dem dargestellten Beispiel dem ersten Ansteuersignal S1, während ein Ausgangssignal am invertierenden Ausgang Q' in dem dargestellten Beispiel dem zweiten Ansteuersignal S2 entspricht.
Die Funktionsweise der in 9 dargestellten Ansteuerschaltung 60 wird deutlich anhand in 10 dargestellter zeitlicher Verläufe des Taktsignals CLK, des Rampensignals S62 sowie der ersten und zweiten Ansteuersignale S1, S2. Das Flip-Flop 65 wird jeweils im Takt des Taktsignals CLK gesetzt, wobei mit jedem Takt des Taktsignals CLK das erste Ansteuersignal S1 einen Einschaltpegel und das zweite Ansteuersignal S2 einen Ausschaltpegel annehmen. Der Rampensignalgenerator 62 ist so realisiert, dass ein Ausgangssignal S62 mit jedem Takt des Taktsignals CLK ausgehend von einem Anfangswert, beispielweise Null, rampenförmig ansteigt. Der Komparator 63 vergleicht das Ausgangssignal S62 des Rampensignalgenerators 62 mit der Referenzspannung Vref und setzt das Flip-Flop 65 jeweils dann zurück, wenn das Rampensignal S62 den Wert der Referenzspannung Vref erreicht. Zu diesem Zeitpunkt nimmt das erste Ansteuersignal S1 einen Ausschaltpegel und das zweite Ansteuersignal S2 einen Einschaltpegel an. Der Duty-Cycle der beiden Ansteuersignale S1, S2 ist bei dieser Ansteuerschaltung abhängig von dem Referenzsignal Vref. Dieses Referenzsignal Vref ist beispielsweise so gewählt, dass sein Wert 50% der Amplitude entspricht, die das Rampensignal während einer Taktperiode Tclk annimmt. Ein Duty-Cycle der beiden Ansteuersignale S1, S2 entspricht in diesem Fall 50%. Über das Referenzsignal Vref ist bei dieser Ansteuerschaltung somit der Duty-Cycle der Ansteuersignale S1, S2 und damit auch ein gewünschtes Verhältnis der Spannungen V1, V2 über den Speicherzellen einstellbar.
Die in 9 dargestellte Ansteuerschaltung 60 kann entsprechend der Ansteuerschaltung gemäß 7 dahingehend modifiziert werden, dass den Ausgängen Q, Q' des Flip-Flops 65 asymmetrische Verzögerungsglieder nachgeschaltet werden. Die Erzeugung der ersten und zweiten Ansteuersignale S1, S2 erfolgt in diesem Fall derart, dass ein zeitlicher Versatz zwischen einer fallenden Flanke des einen Ansteuersignals und der nachfolgenden steigenden Flanke des Ansteuersignals vorliegt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, einen Ladungsaustausch zwischen den Speicherzellen 11, 12 nur dann durchzuführen, wenn ein solcher Ladungsaustausch erforderlich ist, bzw. einen Ladungsausgleich nur so lange durchzuführen, solange ein solcher Ladungsausgleich erforderlich ist. Auf diese Weise können Verluste, die unvermeidlich bei jedem Ausgleichsvorgang auftreten, reduziert werden. Bezugnehmend auf 1 kann hierzu ein Freigabesignal EN vorgesehen sein, das eine leitende Ansteuerung der Schaltelemente 41, 42 verhindert, wenn kein Ladungsausgleich stattfinden soll. Um eine leitende Ansteuerung der Schaltelemente 41, 42 zu verhindern, kann beispielsweise ein Ansteuersignalpfad zu Steueranschlüssen der Schaltelemente 41, 42 unterbrochen werden. Zwei in 1 dargestellte, durch das Freigabesignal EN angesteuerte Schaltelemente repräsentieren hierbei Mittel für eine solche Unterbrechung der Ansteuersignalstrompfades abhängig von dem Freigabesignal EN.
Bei den in 6 und 7 dargestellten Ansteuerschaltungen können UND-Gatter 55, 56 vorgesehen sein, die die Ansteuersignale S1, S2 jeweils mit dem Freigabesignal EN verknüpfen. Eine getaktete Ansteuerung der Schaltelemente 41, 42 erfolgt in diesem Fall nur dann, wenn das Freigabesignal EN einen Freigabepegel – in dem dargestellten Beispiel einen High-Pegel – annimmt. In entsprechender Weise können UND-Gatter 66, 67 bei der in 9 dargestellten Ansteuerschaltung 60 vorgesehen sein, die Ausgangssignale des Flip-Flops 65 mit dem Freigabesignal EN verknüpfen.
Die Erzeugung des Freigabesignals EN erfolgt bezugnehmend auf 11 beispielsweise durch eine Freigabesignalerzeugungsschaltung 70, die dazu ausgebildet ist, den Strom I durch das induktive Speicherelement 30 über die Periodendauer T einer Schaltperiode zu mitteln, einen Betrag dieses Mittelwertes mit einem Referenzwert Vref2 zu vergleichen und das Freigabesignal EN abhängig von diesem Vergleich zu erzeugen. Die dargestellte Freigabesignalerzeugungsschaltung 70 weist eine Strommessanordnung 71 auf, die dazu ausgebildet ist, den Strom I durch das induktive Speicherelement 30 zu erfassen und ein von diesem Strom abhängiges Strommesssignal S71 zur Verfügung zu stellen. Dieses Strommesssignal S71 ist einem Integrierer 72 zugeführt, der dazu ausgebildet ist, das Strommesssignal S71 während einer Schaltperiode aufzuintegrieren. Eine Information über die Dauer der Schaltperiode ist dem Integrierer 72 hierbei über das Taktsignal CLK zugeführt. Je nach verwendeter Ansteuerschaltung integriert der Intergrierer 72 das Strommesssignal S71 über eine Taktperiode oder über zwei Taktperioden des Taktsignals CLK auf, wodurch eine Integration des Strommesssignal S71 über die Schaltperiode erreicht wird.
Ein Ausgangssignal S72 des Integrierers 72, das abhängig ist vom Integral des Strommesssignals 71 über die Schaltperiode, ist einer Betragsbildungseinheit 73 zugeführt, die den Betrag des Integrator-Ausgangssignals S72 bildet. Ein Vergleicher 74 vergleicht das Betragssignal S73 mit dem Referenzwert Vref2. Am Ausgang dieses Vergleichers 74 steht das Freigabesignal EN zur Verfügung. Ein Freigabesignal EN zur getakteten Ansteuerung der Schaltelemente 41, 42 wird hierbei nur dann erzeugt, wenn der Betrag des Mittelwertes des Stromes I über eine Schaltperiode größer ist als der zweite Referenzwert Vref2. Hierdurch wird erreicht, dass ein Ladungsausgleich nur dann stattfindet, wenn ein solcher Ladungsausgleich auch notwendig ist. Denn, bezugnehmend auf die Ausführungen zu 3 ist der Betrag des Mittelwertes des Stromes I Null, wenn die beiden Speicherzellen 11, 12 gleiche Ladezustände besitzen. Optional ist dem Komparator 74 ein D-Flip-Flop nachgeschaltet, dessen Dateneingang D das Komparatorausgangssignal zugeführt ist und dessen Takteingang das Taktsignal CLK zugeführt ist. Das Freigabesignal EN steht in diesem Fall synchronisiert zu dem Taktsignal CLK zur Verfügung, nach dessen Maßgabe die Ansteuersignale Si, S2 erzeugt werden.
Um sicherzustellen, dass abweichende Ladezustände der ersten und zweiten Speicherzellen 11, 12 rechtzeitig detektiert werden, nachdem ein Ausgleichsvorgang beendet wurde, ist bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, einen Ausgleichsvorgang in regelmäßigen Zeitabständen zu starten, das Freigabesignal EN in regelmäßigen Zeitabständen also (in nicht näher dargestellter Weise) auf einen Freigabepegel zu setzen und den Ausgleichsvorgang jeweils dann zu beenden, wenn das Freigabesignal EN einen Ausschaltpegel annimmt.
12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Freigabesignalerzeugungsschaltung. Diese Freigabesignalerzeugungsschaltung 80 ermittelt den Betrag einer Differenz zwischen der ersten Spannung V1 und der zweiten Spannung V2, vergleicht diesen Betrag mit einem zweiten Referenzwert Vref3 und erzeugt das Freigabesignal EN abhängig von diesem Vergleich. Zur Ermittlung der ersten und zweiten Spannung V1, V2 sind erste und zweite Spannungsmessanordnungen 81, 82 vorgesehen, die jeweils zwischen die Anschlussklemmen eines der Anschlussklemmenpaare geschaltet sind und die jeweils ein Spannungsmesssignal S81, S82 bereitstellen. Ein Subtrahierer 83 ermittelt eine Differenz zwischen einem die erste Spannung V1 repräsentierenden ersten Spannungsmesssignals S81 und einem die zweite Spannung V2 repräsentierenden zweiten Spannungsmesssignal S82. Am Ausgang dieses Subtrahierers 83 steht ein Differenzsignal S83 zur Verfügung, das einer Betragsbildungseinheit 84 zugeführt ist. Diese Betragsbildungseinheit 84 bildet den Betrag des Differenzsignals S83. Ein Komparator 85, der ein am Ausgang der Betragsbildungseinheit 84 zur Verfügung stehendes Betragssignal S84 und das zweite Referenzsignal Vref3 von einer Referenzspannungsquelle zugeführt sind, stellt an seinem Ausgang das Freigabesignal EN zur Verfügung. Dieses Freigabesignal weist in dem dargestellten Beispiel einen Freigabepegel EN auf, wenn das Betragssignal S84 größer ist als der zweite Referenzwert Vref3. Dies ist gleichbedeutend damit, dass eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Spannung V1, V2 größer ist als ein vorgegebener durch die zweite Referenzspannung Vref3 repräsentierter Schwellenwert.
13 zeigt eine gegenüber der Freigabesignalerzeugungsschaltung gemäß 12 abgewandelte Freigabesignalerzeugungsschaltung. Diese Freigabesignalerzeugungsschaltung weist anstatt einer Betragsbildungseinheit und eines Komparators zwei Komparatoren 85, 87 auf, denen jeweils das Differenzsignal S83 und das zweite Referenzsignal Vref3 derart zugeführt sind, dass das Ausgangssignal eines der beiden Komparatoren dann einen High-Pegel annimmt, wenn das Differenzsignal S83 positiv und betragsmäßig größer als das zweite Referenzsignal Vref3 ist, und dass das Ausgangssignal des anderen der beiden Komparatoren dann einen High-Pegel annimmt, wenn das Differenzsignal S83 negativ und betragsmäßig kleiner als das zweite Referenzsignal Vref3 ist. Ausgangssignale S85, S87 der beiden Komparatoren 85, 87 sind einem ODER-Gatter 88 zugeführt, an dessen Ausgang das Freigabesignal EN zur Verfügung steht.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, den Duty-Cycle der Ansteuersignale variabel zu gestalten, und zwar abhängig von einem Unterschied der Ladezustände der beiden Speicherzellen 11, 12. Bei einem Beispiel ist hierbei vorgesehen, dasjenige der beiden Schaltelemente, das dazu dient, das induktive Speicherelement 30 parallel zu der Speicherzelle zu schalten, die stärker geladen ist, während einer Schaltperiode länger anzusteuern. Bei einem Beispiel ist dabei vorgesehen, den Duty-Cycle nicht kontinuierlich zu variieren, sondern lediglich eine Anzahl diskreter Duty-Cycles vorzusehen und einen dieser Duty-Cycle abhängig vom Unterschied der Ladezustände auszuwählen.
Um Ansteuersignale S1, S2 mit variablem Duty-Cycle zur Verfügung zu stellen, kann beispielsweise die Ansteuerschaltung 60 gemäß 9 dahingehend modifiziert werden, dass als Referenzspannungsquelle 64 eine einstellbare Spannungsquelle verwendet wird, die ein Einstellsignal S64 zur Einstellung des Referenzspannungswertes Vref zugeführt ist. Das Einstellsignal S64, das den Duty-Cycle bestimmt wird bezugnehmend auf 14 durch eine Einstellsignalerzeugungsschaltung 68 beispielsweise abhängig vom Mittelwert des Stromes I durch das induktive Speicherelement 30 oder abhängig von einer Differenz zwischen der ersten und zweiten Spannung V1, V2 erzeugt. Als Maß für den Mittelwert des Stromes bzw. die Spannungsdifferenz können beispielsweise die Betragssignale S73, S84 gemäß der 11 und 12 verwendet werden. Die Ansteuersig nalerzeugungsschaltung 68 ist dazu ausgebildet, diese Betragssignale mit einem oder mehreren vorgegebenen Schwellenwerten zu vergleichen und abhängig von diesem Vergleichsergebnis die Referenzspannung auf einen von mehreren diskreten Referenzspannungswerten einzustellen, von denen jeder einen Duty-Cycle repräsentiert.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, vor Beginn eines Ausgleichsvorgangs die Speicherzelle zu ermitteln, die einen höheren Ladezustand besitzt, über der im Vergleich zu der anderen Speicherzelle also eine höhere Spannung anliegt. Nachdem diese Speicherzelle mit der höheren Spannung ermittelt wurde, wird dasjenige der beiden Schaltelemente 41, 42 während einer ersten Schaltperiode zuerst geschlossen, das parallel zu der Speicherzelle liegt, die eine höhere Spannung aufweist, die also einen höheren Ladezustand besitzt. Ein Einschwingvorgang, der im Zusammenhang mit 5 erläutert wurde und bei dem der Mittelwert des Ausgleichsstromes kurz nach Beginn des Ausgleichsvorgangs seine Polarität ändert, kann auf diese Weise verhindert werden, wodurch ein rascherer Ladungsausgleich erreicht wird.
Eine Information darüber, welche der Speicherzellen 11, 12 stärker geladen ist, kann bei Verwendung einer Freigabesignalerzeugungsschaltung gemäß 13 beispielsweise aus den Ausgangssignalen der beiden Komparatoren 85, 87 erhalten werden. Bei der dargestellten Schaltung liegt am Ausgang des ersten Komparators 85 ein High-Pegel an, wenn die erste Speicherzelle stärker als die zweite Speicherzelle geladen ist (und wenn die Spannungsdifferenz größer ist als der zweite Referenzwert Vref3), und am Ausgang des zweiten Komparators 87 liegt ein High-Pegel an, wenn die zweite Speicherzelle stärker als die erste Speicherzelle geladen ist (und wenn die Spannungsdifferenz größer ist als der zweite Referenzwert Vref3).
In nicht näher dargestellter Weise können Versorgungsspannungen der zuvor erläuterten Ansteuerschaltungen und Freigabesignalerzeugungsschaltungen direkt durch die Speicherzellen zur Verfügung gestellt werden, so dass keine weiteren Versorgungsspannungsquellen benötigt werden.
In einer mehrere in Reihe geschaltete Speicherzellen aufweisenden Ladungsspeicheranordnung können selbstverständlich mehrere der zuvor erläuterten Ausgleichsschaltungen vorgesehen sein. 14 zeigt ein Beispiel einer Ladungsspeicheranordnung, die mindestens vier in Reihe geschaltete Speicherzellen 11–14 aufweist. Bei dieser Ladungsspeicheranordnung sind drei Ausgleichsschaltungen 20₁ , 20₂ , 20₃ vorgesehen, die gemeinsam dazu dienen, die Ladezustände aller vier in Reihe geschalteter Speicherzellen einander anzugleichen. Die erste Ausgleichsschaltung 20₁ dient hierbei zum Ladungsausgleich zwischen einer ersten und einer zweiten Speicherzelle 11, 12, eine zweite Ausgleichsschaltung 20₂ dient zum Ladungsausgleich zwischen einer dritten und einer vierten Speicherzelle 13, 14. Eine dritte Ausgleichsschaltung 20₃ dient zum Ladungsausgleich zwischen der zweiten und der dritten Speicherzelle 12, 13. Bei dieser Anordnung können die erste und zweite Ausgleichschaltung 20₁ , 20₂ synchron zueinander betrieben werden, indem beispielsweise jeweils die ersten Schaltelemente der Ausgleichsschaltungen 20₁ , 20₂ gleichzeitig angesteuert werden und indem jeweils die zweiten Schaltelemente der Ausgleichsschaltungen 20₁ , 20₂ gleichzeitig angesteuert werden.
Die in 15 dargestellte Kaskadierung von Ausgleichsschaltungen ermöglicht ein Angleichen der Ladezustände aller Speicherzellen aneinander. Die Spannungsfestigkeit der in den Ausgleichsschaltungen 20₁ , 20₂ , 20₃ verwendeten Schaltelemente (41, 42 in 1) muss dabei lediglich so hoch sein, dass die Schaltelemente die Spannung über zwei in Reihe geschalteten Speicherzellen, d. h. die Spannung zwischen den Anschlüssen 21 und 24 bei der Schaltung gemäß 1, aushalten. Es werden somit keine hochspannungsfesten Bauelemente benötigt, wodurch die Ausgleichsschaltung kostengünstig realisierbar ist.
16 zeigt eine weitere Anordnung mit einer Ladungsspeicheranordnung mit drei Ausgleichsschaltungen 20₁ –20₃ . Diese Anordnung unterscheidet sich von der in 14 dargestellten dadurch, dass die dritte Ausgleichsschaltung 20₃ zum Ladungsausgleich zwischen einer ersten kombinierten Speicherzelle, die durch eine Reihenschaltung der ersten und zweiten Speicherzelle 11, 12 gebildet ist, und einer zweiten kombinierten Speicherzelle, die durch eine Reihenschaltung der dritten und vierten Speicherzelle 13, 14 gebildet ist, dient. In diesem Zusammenhang sei noch angemerkt, dass die einzelnen Anschlüsse der in den 14 und 15 dargestellten Ausgleichsschaltungen 20₁ –20₄ mit den gleichen Bezugszeichen wie die Ausgleichsschaltung 20 gemäß 1 bezeichnet sind, um das Verständnis der Funktionsweise zu erleichtern. Gleiche Anschlüsse der jeweiligen Ausgleichsschaltungen unterscheiden sich hierbei durch die Indizes 1, 2 und 3.
Für die bisherige Erläuterung wurde davon ausgegangen, dass zwei Speicherzellen, deren Ladzustände anzugleichen sind, einen gemeinsamen Anschluss aufweisen, dass also die zweite Anschlussklemme einer der Speicherzellen mit der ersten Anschlussklemme der anderen der Speicherzellen übereinstimmt. Bezugnehmend auf 17 ist ein Ladungsausgleich zwischen zwei Speicherzellen selbstverständlich auch dann möglich, wenn die beiden Speicherzellen nicht unmittelbar aneinander angeschlossen sind. In diesem Fall sind zwei weitere Schaltelemente vorzusehen: ein erstes weiteres Schaltelement 45, das zwischen das induktive Speicherelement 30 und die erste Anschlussklemme 22 der zweiten Speicherzelle 12 geschaltet ist und das synchron zu dem ersten Schaltelement 41 durch das erste Ansteuersignal S1 angesteuert ist; und ein zweites weiteres Schaltelement 46, das zwischen das induktive Speicherelement 30 und die zweite Anschlussklemme 23 der ersten Speicherzelle 11 geschaltet ist und das synchron zu dem zweiten Schaltelement 42 durch das zweite Ansteuersignal S2 angesteuert ist.
Ein Ladungsausgleich durch die zuvor erläuterte Ausgleichsschaltung kann während aller Betriebsphasen der Ladungsspeicheranordnung erfolgen, also während eines Ladevorgangs, bei dem ein Ladestrom Ic in die Ladungsspeicheranordnung fließt, während eines Entladevorgangs, bei dem ein Entladestrom Id aus der Ladungsspeicheranordnung fließt, oder während eines Ruhezustands, bei dem außer den Ausgleichsströmen kein Strom fließt. In diesem Zusammenhang sei noch darauf hingewiesen, dass die erläuterte Ausgleichsschaltung einen Ladungsausgleich durchführt mit dem Ziel, die über den einzelnen Speicherzellen anliegenden Spannungen einander anzugleichen. Besitzen alle Speicherzellen gleiche Innenwiderstände, so führt dies unmittelbar zu einem Angleichen der Ladezustände. Unterscheiden sich die Innenwiderstände so kann es insbesondere dann zu unterschiedlichen Ladezuständen der einzelnen Speicherzellen kommen, wenn ein Ausgleichsvorgang während der Lade- oder Entladephase erfolgt, da sich während dieser Phasen, während der ein im Vergleich zum Ausgleichsstrom hoher Strom fließt, der Innenwiderstand besonders auf die über den Speicherzellen anliegende Spannung auswirkt.

Claims

Schaltungsanordnung zum Ladungsaustausch zwischen kapazitiven Speicherzellen, die aufweist: ein erstes Anschlussklemmenpaar (21, 23) zum Anschließen einer ersten Speicherzelle (11), ein zweites Anschlussklemmenpaar (22, 24) zum Anschließen einer zweiten Speicherzelle (12), ein induktives Ladungsspeicherelement (30), eine Schalteranordnung, die dazu ausgebildet ist, das induktive Speicherelement (30) während zeitlich aufeinanderfolgender Schaltperioden (T) jeweils für eine erste Zeitdauer (T1) zwischen Anschlussklemmen des ersten Anschlussklemmenpaars und für eine zweite Zeitdauer (12) zwischen Anschlussklemmen des zweiten Anschlussklemmenpaars zu schalten. (T2) parallel zu der zweiten Speicherzelle (12) zu schalten.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei dem die Schalteranordnung aufweist: ein erstes Schaltelement (41), das mit dem induktiven Speicherelement (30) eine erste Reihenschaltung bildet, die zwischen das erste Anschlussklemmenpaar geschaltet ist, ein zweites Schaltelement (41), das mit dem induktiven Speicherelement (30) eine zweite Reihenschaltung bildet, die zwischen das zweite Anschlussklemmenpaar geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei dem ein erstes Freilaufelement (43) parallel zu dem ersten Schaltelement (41) geschaltet ist und bei dem ein zweites Freilaufelement (43) parallel zu dem zweiten Schaltelement (41) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, die einen aktivierten und einen deaktivierten Zustand annehmen kann und die im aktivierten Zustand das induktive Speicherelement während einer Zeitdauer jeweils für die erste Zeitdauer (T1) parallel zu der ersten Speicherzelle (11) und für die zweite Zeitdauer (T2) parallel zu der zweiten Speicherzelle (12) schaltet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, die eine Strommessanordnung aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Mittelwert eines Stromes durch die Spule während einer Schaltperiode zu ermitteln, und die den deaktivierten Zustand annimmt, wenn ein Betrag dieses Mittelwertes kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, die eine Spannungsmessanordnung aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine Differenz zwischen einer ersten Spannung (V1), die zwischen dem ersten Anschlussklemmenpaar anliegt, und einer zweiten Spannung (V2), die zwischen dem zweiten Anschlussklemmenpaar anliegt, zu ermitteln, und die den deaktivierten Zustand annimmt, wenn ein Betrag dieser Differenz kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei dem die erste Zeitdauer gleich der zweiten Zeitdauer ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei dem die erste und zweite Zeitdauer variabel sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, die eine Strommessanordnung aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Mittelwert eines Stromes durch die Spule während einer Schaltperiode zu ermitteln, und bei der die ersten und zweite Zeitdauer von diesem Mittelwert abhängig sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, die eine Spannungsmessanordnung aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine Differenz zwischen einer ersten Spannung (V1), die zwischen dem ersten Anschlussklemmenpaar anliegt, und einer zweiten Spannung (V2), die zwischen dem zweiten Anschlussklemmenpaar anliegt, zu ermitteln, bei der die ersten und zweite Zeitdauer von dieser Differenz abhängig sind.
Verfahren zum Ladungsaustausch zwischen kapazitiven Speicherzellen, das aufweist: Vorsehen eines induktives Ladungsspeicherelement (30), während zeitlich aufeinanderfolgender Schaltperioden (T), Parallelschalten des induktiven Speicherelements jeweils für eine erste Zeitdauer (T1) zu der ersten Speicherzelle (11) und für eine zweite Zeitdauer (T2) zu der zweiten Speicherzelle (12).
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin aufweist: Ermitteln eines Mittelwertes eines Stromes durch die Spule während einer Schaltperiode, und Unterbrechen des Ladungsausgleichs, wenn ein Betrag dieses Mittelwertes kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin aufweist: Ermitteln einer Differenz zwischen einer ersten Spannung (V1), die zwischen dem ersten Anschlussklemmenpaar anliegt, und einer zweiten Spannung (V2), die zwischen dem zweiten Anschlussklemmenpaar anliegt, Unterbrechen des Ladungsausgleichs, wenn ein Betrag dieser Differenz kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die erste Zeitdauer gleich der zweiten Zeitdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die erste und zweite Zeitdauer variabel sind.
Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin aufweist: Ermitteln eines Mittelwertes eines Stromes durch die Spule während einer Schaltperiode, und Einstellen der ersten und zweiten Zeitdauer abhängig von diesem Mittelwert.
Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin aufweist: Ermitteln einer Differenz zwischen einer ersten Spannung (V1), die zwischen dem ersten Anschlussklemmenpaar anliegt, und einer zweiten Spannung (V2), die zwischen dem zweiten Anschlussklemmenpaar anliegt,
Einstellen der ersten und zweiten Zeitdauer abhängig von dieser Differenz.
Schaltungsanordnung, die aufweist: eine erste kapazitive Speicherzelle (11) und eine zweite kapazitive Speicherzelle, ein induktives Ladungsspeicherelement (30), eine Schalteranordnung, die dazu ausgebildet ist, das induktive Speicherelement (30) während zeitlich aufeinanderfolgender Schaltperioden (T), das induktive Speicherelement jeweils für eine erste Zeitdauer (T1) parallel zu der ersten Speicherzelle (11) und für eine zweite Zeitdauer (T2) parallel zu der zweiten Speicherzelle (12) zu schalten.