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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Ladungspumpe und ein Verfahren zum Betreiben
einer Ladungspumpe.
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HINTERGRUND
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Eine
herkömmliche
Ladungspumpe kann wie in 1 gezeigt ausgebildet sein.
Ein Pumpenkondensator C ist mit einer ersten Seite an eine alternierende
Spannung VCLK gekoppelt. Die alternierende Spannung VCLK kann periodisch
zwischen zwei Spanungspegeln schalten. Die zweite Seite des Kondensators
C ist am Knoten VP an die Anode einer Diode D1 gekoppelt. Die Diode
D1 ist in Durchlassrichtung an den Ausgangsknoten OUT gekoppelt.
Eine weitere Diode D2 ist in Durchlassrichtung zwischen dem Versorgungsspannungspegel
VSUP und dem Knoten VP gekoppelt.
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Wenn
die erste Seite des Pumpenkondensators C mit der Spannung VCLK steigt,
folgt die zweite Seite. Wenn der Spannungspegel bei VP hoch genug ist,
strömt
eine Ladung von dem Kondensator C durch die Diode D1 zum Ausgangsknoten
OUT. Wenn VCLK sinkt, folgt wiederum die Spannung am Knoten VP,
und ein Strom ISUP durch die Diode D2 lädt den Kondensator C. Der Strom
ISUP kann ein wie in 2 gezeigtes Verhalten haben.
Mit einer fallenden Flanke von VCLK ist eine abrupte Spitze des Stroms
ISUP zu sehen.
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Plötzliche Änderungen
und weitere Veränderungen
des Versorgungsstroms ISUP erzeugen jedoch elektromagnetische Störungen,
die im Allgemeinen bei elektronischen Schaltungen unerwünscht sind.
Um die die Menge der Störungen
zu verringern, kann ein Kondensator CD an den Eingang der Ladungspumpe
gekoppelt werden. Der Kondensator dient dazu, bei ISUP-Stromspitzen
eine Ladung bereitzustellen, die eine Verringerung der Störungen unterstützt. Doch auch
bei einem Buffer-Kondensator CD können die Störungen nicht ausreichend verringert
werden.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ladungspumpe
und ein Verfahren zum Betreiben einer Ladungspumpe bereitzustellen, die
weniger elektromagnetische Störungen
erzeugt als eine herkömmliche
Ladungspumpe.
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Bei
einem Aspekt der Erfindung ist eine elektronische Vorrichtung vorgesehen,
die eine Ladungspumpe aufweist. Die Ladungspumpe empfängt eine Versorgungsspannung
und einen Versorgungsstrom von einer Spannungsversorgung. Die Ladungspumpe
erzeugt eine Ladungspumpe-Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten.
Die Ladungspumpe weist mehrere Kondensatoren und Dioden auf. Jeder Kondensator
ist mit einer Seite an eine Diode gekoppelt, und jede Diode ist
in Durchlassrichtung an den Ausgangsknoten gekoppelt. Es können ferner
Dioden vorgesehen sein, die jeweils diese Seite des Kondensators
in Sperrrichtung an einen Versorgungsspannungsknoten koppeln. Die
anderen Seiten der Kondensatoren sind an alternierende Spannungen
gekoppelt, die zueinander phasenverschoben sind. Dadurch werden
Versorgungsstromspitzen verringert, da die Höhe der Versorgungsströme für jede Diode-Kondensator-Kombination
kleiner sein kann als für
einen einzelnen Kondensator. Da außerdem der Zeitpunkt der Versorgungsstromspitze
für jeden Diode-Kondensator-Pfad
unterschiedlich (phasenverschoben) ist, kann die Stromnachfrage
gleichmäßig über die
Zeit verteilt werden und somit gleichmäßiger sein als für einen
einzelnen Kondensator. Stromspitzen können verringert werden, wodurch
die Störungen
reduziert werden, die sich andernfalls durch die Versorgungsleitungen
durch die Vorrichtung ausbreiten.
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Die
alternierenden Spannungen können
vorteilhaft periodische Signale sein, wie etwa Taktsignale. Die
Taktperiode von allen alternierenden Spannungen kann vorzugsweise
die Gleiche sein. Die alternierenden Spannungen können dann
zueinander phasenverschoben sein. Bei einer Ausführungsform ist die Phasenbeziehung
der alternierenden Spannungen derart, dass die steigenden und fallenden Flanken
der alternierenden Spannung nicht zusammenfallen. Die fallenden
und steigenden Flanken der alternierenden Spannung können optimalerweise über eine
Taktperiode einer gemeinsamen Taktperiode der alternierenden Spannungen
verteilt sein.
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Bei
einer Ausführungsform
kann die elektronische Vorrichtung einen Ringoszillator aufweisen. Die
alternierenden Spannungen können
dann mit einem Ringoszillator erzeugt werden. Der Ringoszillator
kann mehrere Verzögerungselemente
aufweisen. Die alternierenden Spannungen können dann die Abgriffspannungen
zwischen den Verzögerungselementen
sein. Die anderen Seiten der Kondensatoren können dann an die Abgriffknoten
zwischen den Verzögerungselementen
gekoppelt sein. Dies stellt eine Selbsttaktungskonfiguration bereit,
bei der die Phasenbeziehung zwischen den alternierenden Spannungen
immer optimal auf eine Taktperiode des Ringoszillators verteilt
ist.
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Der
Ringoszillator kann eine variable Schwingfrequenz haben. Dadurch
kann die Taktperiode der alternierenden Spannungen angepasst werden.
Die Verzögerungselemente
können
Wechselrichter mit einer variablen Anstiegsgeschwindigkeit zum Einstellen
der Schwingfrequenz sein.
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Bei
einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die elektronische Vorrichtung
in einer Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis ausgeführt sein,
um die Schwingfrequenz des Ringoszillators in Reaktion auf eine
Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom (z. B. Ladestrom) der
Ladungspumpe zu steuern. Bei einer Ausführungsform können die Verzögerungselemente
des Ringoszillators dann so ausgeführt sein, dass sie eine Verzögerung haben, die
in Abhängigkeit
von einer Ausgangsspannung und/oder einem Ausgangsstrom der Ladungspumpe gesteuert
wird.
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Bei
einer Ausführungsform
kann die Ladungspumpe mindestens einen ersten und einen zweiten
Kondensator und eine erste und eine zweite Diode aufweisen. Der
erste Kondensator kann so gekoppelt sein, dass er an einer ersten
Seite eine erste alternierende Spannung empfängt. Der erste Kondensator
kann mit einer zweiten Seite an eine erste Diode gekoppelt sein.
Die erste Diode kann in Durchlassrichtung vorgespannt an einen Ausgangsknoten gekoppelt
sein. Das bedeutet, dass die Anode der Diode an den Kondensator
und die Kathode an den Ausgangsknoten gekoppelt sind. Ein zweiter
Kondensator kann so gekoppelt sein, dass er an einer ersten Seite
eine zweite alternierende Spannung empfängt. Eine zweite Seite des
zweiten Kondensators kann dann an eine zweite Diode gekoppelt sein, die
in Durchlassrichtung vorgespannt an den Ausgangsknoten gekoppelt
ist. Es können
zwei weitere Dioden vorgesehen sein, um die zweiten Seiten des ersten
und zweiten Kondensators in Sperrrichtung an einen Versorgungsspannungsknoten
zu koppeln. Die Kopplung in Sperrrichtung bedeutet, dass die Kathode
dieser Dioden an die entsprechenden ersten Seiten der Kondensatoren
und die jeweiligen Anoden dieser Dioden an den Versorgungsspannungspegel gekoppelt
sind.
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Bei
einer Ausführungsform
kann ein erster Wechselrichter (als eine Art von Verzögerungselement)
zwischen dem ersten Knoten des ersten Kondensators und dem ersten
Knoten des zweiten Kondensators gekoppelt sein, um die erste alternierende Spannung
als Eingangssignal zu empfangen und die zweite alternierende Spannung
als Ausgangssignal für
die erste Seite des zweiten Kondensators bereitzustellen. Es können ein
dritter Kondensator, eine dritte Diode und ein zweiter Wechselrichter
vorgesehen sein. Der dritte Kondensator kann dann so gekoppelt sein,
dass er an einer ersten Seite eine dritte alternierende Spannung
empfängt.
Eine zweite Seite des dritten Kondensators kann an die dritte Diode
gekoppelt sein, die in Durchlassrichtung vorgespannt an den Ausgangsknoten
gekoppelt ist. Darüber
hinaus kann dann ein zweiter Wechselrichter zwischen dem ersten
Knoten des zweiten Kondensators und dem ersten Knoten des dritten
Kondensators gekoppelt sein, um die zweite alternierende Spannung
als Eingangssignal zu empfangen und die zweite alternierende Spannung
als Ausgangssignal für
die erste Seite des dritten Kondensators bereitzustellen. Es kann
ein dritter Wechselrichter vorgesehen sein, der mit einem Eingang
an die erste Seite des dritten Kondensators und mit einem Ausgang
an die erste Seite des ersten Kondensators gekoppelt ist, um mit
dem ersten und dem zweiten Wechselrichter einen Ringoszillator zu
bilden. Drei weitere Dioden können
zwischen einem Spannungsversorgungsknoten (z. B. Eingangsspannung
der Ladungspumpe, Versorgungsspannung, Versorgungsstrom) und den
entsprechenden zweiten Seiten des ersten, zweiten und/oder dritten
Kondensators (Vielzahl von Kondensatoren) gekoppelt sein, um die
zweiten Seiten der Kondensatoren für ein Aufladen mit einem Versorgungsstrom
zu versorgen. Dies sorgt für
einen selbstgetakteten Ladungspumpenbetrieb ohne externes Taktsignal
wie im Stand der Technik.
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Der
erste, zweite und/oder dritte Wechselrichter können eine variable Anstiegsgeschwindigkeit und
einen Steuereingang zum Steuern der Anstiegsgeschwindigkeit haben.
Bei einem Aspekt der Erfindung kann ein geschlossener Regelkreis
implementiert sein, bei dem die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom
der Ladungspumpe bestimmt und dazu verwendet wird, die Verzögerungselemente,
d. h. zum Beispiel die Wechselrichter, zu steuern. Die Verzögerung der
Verzögerungselemente
kann dann für
eine abnehmende Ladungspumpe-Ausgangsspannung verringert werden,
und die Verzögerung kann
für eine
steigende Ladungspumpe-Ausgangsspannung erhöht werden. Ein Operationsverstärker kann
dann vorgesehen sein, der so gekoppelt sein kann, dass er die Verzögerungselemente
entsprechend steuert. Die variable Anstiegsgeschwindigkeit der Wechselrichter
kann dazu verwendet werden, diesen Steuermechanismus zu implementieren.
Weitere Parameter, wie etwa die Kapazitätswerte der Kondensatoren oder
der Versorgungsspannungspegel, können
dennoch verändert
werden, um die Ladungspumpe-Ausgangsspannung zu steuern.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Erzeugung einer Ausgangsspannung
(an einem Ausgangsknoten) aus einer Eingangsspannung bereit. Eine
zweite Seite von mehreren Kondensatoren kann mit mehreren phasenverschobenen
alternierenden Spannungen angesteuert werden. Jeder Kondensator
der mehreren Kondensatoren kann dann über eine Diode an einen Ausgangsknoten
gekoppelt sein. Jeder Kondensator der mehreren Kondensatoren kann
auch über
eine Diode so gekoppelt sein, dass er die Eingangsspannung (z. B.
eine Versorgungsspannung) empfängt.
Vorteilhafterweise können
die mehreren phasenverschobenen alternierenden Spannungen durch
Abgriffspannungen eines Ringoszillators bereitgestellt werden. Dementsprechend
kann ein selbsteinstellendes, optimiertes Ladungspumpenverfahren
bereitgestellt werden, das verringerte Versorgungsstromspitzen und
somit weniger Störungen hat.
Bei einer Ausführungsform
der Erfindung kann eine Schwingfrequenz des Ringoszillators in Reaktion
auf eine Ausgangsspannung und/oder einen Ausgangsstrom der Ladungspumpe
gesteuert werden. Das bedeutet, dass eine Konfiguration mit geschlossenem
Regelkreis bereitgestellt wird, bei der der Ringoszillator in Abhängigkeit
von einem Signal eines Ausgangs der Ladungspumpe gesteuert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 ein
vereinfachtes Schaltbild einer Ladungspumpe gemäß dem Stand der Technik;
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2 Signalverläufe einer
alternierenden Spannung und eines Versorgungsstroms, die sich auf
die Ladungspumpe aus 1 beziehen;
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3 ein
vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; und
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4 Signalverläufe, die
sich auf die Ausführungsform
aus 3 beziehen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER
BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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3 zeigt
ein Schaltbild einer Ausführungsform
der Erfindung. Eine elektronische Vorrichtung 1, wie etwa
eine integrierte Schaltung oder ein Halbleiterchip, kann eine Ladungspumpe,
wie in 3 gezeigt, aufweisen. Mehrere Kondensatoren C1,
C2, C3 sind mit einer ersten Seite an Knoten V1, V2, V3 gekoppelt.
Die Spannungen V1, V2 und V3 sind alternierende Spannungen. Die
Kondensatoren C1, C2 und C3 sind mit einer zweiten Seite an Knoten
V1P, V2P und V3P gekoppelt, wo jeder der Kondensatoren an eine Anode
einer entsprechenden Diode D1, D2 und D3 gekoppelt ist. Die Kathoden
der Dioden D1, D2 und D3 sind alle an den gleichen Ausgangsknoten OUT
gekoppelt. Der Ausgangsknoten OUT stellt die Ladungspumpe-Ausgangsspannung
und den Ladungspumpe-Ausgangstrom bereit, was mit einer Ladungsstromquelle
IL angegeben ist. Ein Buffer- oder Speicherkondensator CS kann an
den Ausgangsknoten OUT gekoppelt sein, um die Ausgangsspannung OUT
zwischenzuspeichern und zu stabilisieren. Der Versorgungsspannungsknoten
VSUP ist über
drei weitere Dioden D11, D21, D31 an die Knoten V1P, V2P und V3P
gekoppelt, an die die zweiten Seiten der mehreren Kondensatoren
C1, C2 und C3 auch gekoppelt sind.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind die alternierenden Spannungen V1, V2 und V3 die Abgriffspannungen
eines Ringoszillators. Der Ringoszillator weist drei Wechselrichter
INV1, INV2, INV3 auf. Der Wechselrichter INV1 ist mit einem Eingang
an die erste Seite V1 des ersten Kondensators C1 und mit einem Ausgang
an die erste Seite V2 des zweiten Kondensators C2 gekoppelt. Der
Wechselrichter INV2 ist mit einem Eingang an die erste Seite V2
des zweiten Kondensators C2 und mit einem Ausgang an die erste Seite
V3 des dritten Kondensators C3 gekoppelt. Der Wechselrichter INV3
ist mit einem Eingang an die erste Seite V3 des dritten Kondensators C3
und mit einem Ausgang an die erste Seite V1 des ersten Kondensators
C3 gekoppelt. Die alternierenden Spannungen haben die gleiche Taktfrequenz oder
Taktperiode. Sie haben eine Phasenbeziehung, die durch den Ringoszillator
definiert wird. Die Phasenbeziehung ist dahingehend selbsteinstellend, dass
die Phasen immer automatisch optimal auf eine Taktperiode verteilt
sind.
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Die
Wechselrichter haben eine variable Anstiegsgeschwindigkeit zum Einstellen
der Taktperiode (Schwingfrequenz) des Ringoszillators. Der Steuermechanismus
basiert auf einem Strom I0, der in die Wechselrichter eingespeist
wird. Ein höherer
Strom I0 erhöht
die Schwingfrequenz (verringert die Taktperiode), und ein niedrigerer
Strom I0 verringert die Schwingfrequenz. Der Strom I0 (und somit
die Anstiegsgeschwindigkeit und Schwingfrequenz) kann über externe
oder interne Steuersignale gesteuert werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform kann
die elektronische Vorrichtung 1 nicht in einem offenen
Regelkreis (Betrieb in Durchlassrichtung) konfiguriert sein, sondern
als geregelte Ladungspumpe mit geschlossenem Regelkreis. Bei dieser Ausführungsform
(mit gestrichelten Linien angegeben) können die Ströme I0 dann
in Abhängigkeit
von der Ausgangsspannung OUT oder von einem Ladestrom IL der Ladungspumpe
eingestellt werden. Er kann auch in Abhängigkeit von einer Kombination aus
Ausgangsspannung und Ausgangsstrom IL gesteuert werden. Wenn die
Ausgangsspannung OUT aufgrund eines steigenden Ladestroms IL fällt, kann der
Strom I0 (z. B. für
jede Stromquelle und somit für jedes
Verzögerungselement,
d. h. Wechselrichter INV1, INV2, INV3) erhöht werden. Dadurch kann die Verzögerung der
Verzögerungselemente
(oder Wechselrichter) INV1, INV2, INV3 verringert werden. Durch
die Verringerung der Verzögerung
der Verzögerungselemente
steigt die Schwingfrequenz des Ringoszillators. Dies erhöht jedoch
die Ladungsmenge (in Zeit), die am Ladungspumpe-Ausgangsknoten OUT
verfügbar
ist. Ein plötzlicher
Abfall der Ausgangsspannung kann somit vermieden werden. Darüber hinaus kann die Ladungspumpe eine genauere und
stabilere Ausgangsspannung am Knoten OUT als bei der Konfiguration
mit offenem Regelkreis bereitstellen. Es gibt weniger Schwankungen
der Ausgangsspannung, und die Ausgangsimpedanz ist verringert. Bei
einer Ausführungsform
kann dies mit einem Operationsverstärker (oder Fehlerverstärker) AMP
implementiert werden, der so gekoppelt ist, dass er den Strom I0
für eine
sinkende Ladungspumpe-Ausgangsspannung am Knoten OUT erhöht. Bei einer
weiteren Ausführungsform
können
auch andere Parameter in Reaktion auf die Ausgangsspannung am Knoten
OUT und/oder auf einen Ausgangsstrom verändert werden. Diese weiteren
Parameter können dann
die Kapazitätswerte
der Kondensatoren C1 bis C3 oder der Versorgungsspannungspegel VSUP
in Abhängigkeit
von der Ladungspumpe-Ausgangsspannung OUT und/oder dem Ausgangsstrom
IL sein.
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Die
in 3 gezeigte Schaltung sieht vor, dass drei phasenverschobene
Teilströme
I1, I2 und I3 von der Versorgungsspannung VSUP gezogen werden. Der
erforderliche Versorgungsstrom ISUP ist somit in drei Fälle oder
Teile I1, I2 und I3 geteilt. Die Spannungsversorgung erfährt eine Überlagerung
der drei Fälle
I1, I2 und I3 statt einer plötzlichen
Spitze des Stroms ISUP, wie bei der Ladungspumpe aus dem Stand der
Technik. Dies ist in 4 veranschaulicht.
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4 zeigt
Signalverläufe
von alternierenden Spannungen V1, V2 und V3 und Strömen I1,
I2 und I3, wie sie bei der Ausführungsform
aus 3 auftreten können.
Die alternierenden Spannungen V1, V2 und V3 sind zueinander phasenverschoben. Sie
sind gleichmäßig über ihre
gemeinsame Taktperiode verteilt. V1 hat eine Phasenverschiebung
von 120° mit
Bezug auf V2, und V2 hat eine Phasenverschiebung von 120° mit Bezug
auf V3. Die Phasenverteilung der alternierenden Spannungen V1, V2 und
V3 bringt eine ähnliche
Phasenverteilung der Versorgungsstromkomponenten I1, I2 und I3 mit sich.
Sie sind auch um 120° zueinander
phasenverschoben. Der kombinierte Versorgungsstrom ISUP, der von
den Versorgungsleitungen bereitzustellen ist, ist dann wie in 4 angegeben.
Er ist gleichmäßiger und
konstanter als in 2 für den Stand der Technik gezeigt.
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Die
Erfindung wurde im Vorhergehenden zwar anhand einer besonderen Ausführungsform
beschrieben, sie ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und
der Fachmann wird zweifellos weitere Alternativen finden, die im
Umfang der Erfindung, wie sie beansprucht ist, liegen.