DE102009025478A1

DE102009025478A1 - Circuit arrangement for switching capacitor in e.g. switching power supply, has switching element controlling switch device, such that switch device cancels short-circuit of capacitor when preset charge state of capacitor is reached

Info

Publication number: DE102009025478A1
Application number: DE102009025478A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dobretsberger
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2011-01-05

Abstract

The arrangement has a full-bridge circuit comprising a capacitor (C) and a switch device for short-circuiting the capacitor, where the full-bridge circuit is connected to a supply voltage (Vdd). A switching element (S) controls the switch device in such a manner that the switch device short-circuits the capacitor and cancels the short-circuit when a predetermined charge state of the capacitor is reached. The switching element has a sensor for measuring the charge state of the capacitor, where the sensor is digitally controlled by a control device. An independent claim is also included for a method for switching a capacitor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Schalten einer Kapazität.The The present invention relates to a circuit arrangement and a Method for switching a capacity.

Vollbrückenschaltungen werden häufig zum Schalten von Kapazitäten verwendet und finden diverse Anwendungen in verschiedenen elektronischen Schaltungen, wie etwa Schaltnetzteilen, Motorsteuerungen und Frequenzumrichtern. In einer gängigen Ausführung einer solchen Schaltung wird mittels Schaltern zwischen zwei Schaltzuständen geschalten. Eine solche Schaltabfolge ist mit einem hohen Stromverbrauch verbunden. Wünschenswert für die Verwendung von Vollbrückenschaltungen in sensiblen Anwendungsbereichen, wie etwa Steuerungen von Piezomotoren und Piezo-Transformatoren, ist es, den Stromverbrauch gegenüber herkömmlichen Lösungen zu reduzieren.Full bridge circuits become common for switching capacities used and find diverse applications in various electronic Circuits such as switching power supplies, motor controllers and frequency converters. In a common execution Such a circuit is switched by means of switches between two switching states. Such a switching sequence is associated with a high power consumption. Desirable for the Use of full bridge circuits in sensitive applications, such as control of piezo motors and piezo-transformers, is to power consumption over traditional solutions too to reduce.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die den Stromverbrauch zum Schalten einer Kapazität mit einer Vollbrückenschaltung verringert.task It is the object of the present invention to provide a circuit arrangement and to provide a method that reduces power consumption for switching a capacity with a full bridge circuit reduced.

Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 13 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The The object is with the subject of claim 1 and the claim 13 solved. Further developments and refinements are each the subject of dependent Claims.

In einer Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität eine Vollbrückenschaltung auf, die die Kapazität und eine Schaltervorrichtung umfasst und an eine Spannungsquelle anschließbar ist. Zudem umfasst die Schaltungsanordnung ein Schaltelement, das die Schaltervorrichtung steuert.In an embodiment For example, the circuit for switching a capacitor has a full bridge circuit on that the capacity and a switch device and to a voltage source connectable is. In addition, the circuit arrangement comprises a switching element, the the switch device controls.

Ist die Vollbrückenschaltung an eine Spannungsquelle angeschlossen, lädt sich die Kapazität in einer ersten Stellung der Schaltervorrichtung auf. In einer zweiten Stellung der Schaltervorrichtung wird die Kapazität kurzgeschlossen und die Kapazität entlädt sich in der Folge. Ist ein vorbestimmter Ladezustand der Kapazität erreicht, so hebt das Schaltelement den Kurzschluss auf, indem es eine dritte Stellung der Schaltervorrichtung ansteuert.is the full bridge circuit connected to a voltage source, the capacity is charged in one first position of the switch device. In a second position the switch device short-circuits the capacitance and the capacitance discharges subsequently. Is a predetermined state of charge of the capacity reached, so the switching element cancels the short circuit by adding a third Position of the switch device controls.

Vorteilhafterweise wird durch Kurzschließen der Kapazität in der zweiten Stellung der Schaltervorrichtung ein Entladen der Kapazität ermöglicht. Ein erneutes Aufladen der Kapazität ist dann ohne einen zusätzlichen Stromverbrauch möglich. Dies ist im Wesentlichen dadurch möglich, dass, im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltanordnungen, ein Umladen der Kapazität zwischen den unterschiedlichen Schaltzuständen vermieden wird.advantageously, is by shorting the capacity in the second position of the switch device discharging the capacity allows. Recharging the capacity is then without an additional Power consumption possible. This is essentially possible because, unlike usual Switching arrangements, a reloading of the capacitance between the different switching states avoided becomes.

Die Abfolge von erster Stellung, Kurzschluss in der zweiten Stellung und Schalten in die dritte Stellung ist eine mögliche Schaltabfolge. Die Schaltabfolge kann ebenso ein Zurückschalten aus der dritten Stellung in die erste Stellung umfassen, wenn wiederum über die zweite Stellung der Schaltervorrichtung und Kurzschluss der Kapazität geschalten wird. Die Kapazität enlädt sich so erneut, und das Schaltelement hebt, ist der vorbestimmte Ladezustand erreicht, den Kurzschluss auf, indem es in die erste Stellung der Schaltervorrichtung schaltet. Im Folgenden ist jede Schaltabfolge in diesem Sinne als reversibel zu verstehen. Das heißt insbesondere, dass Schaltabfolgen bestehend aus erster Schalterstellung, zweiter Schalterstellung, dritter Schalterstellung ebenso möglich sind, wie eine Schaltabfolge aus erster Schalterstellung, zweiter Schalterstellung, dritter Schalterstellung, zweiter Schalterstellung, erste Schalterstellung usw. Insbesondere kann die Schaltabfolge als ein Hin- und Zurückschalten in periodischer Abfolge erfolgen.The Sequence of first position, short in the second position and switching to the third position is one possible switching sequence. The switching sequence can also switch back from the third position to the first position, in turn via the switched second position of the switch device and short circuit of the capacity becomes. The capacity enlädt so again, and the switching element lifts, is the predetermined Charge state reaches the short circuit by moving it to the first position the switch device switches. The following is each switching sequence to be understood as reversible in this sense. That means in particular that switching sequences consisting of first switch position, second Switch position, third switch position are also possible like a switching sequence from first switch position, second switch position, third switch position, second switch position, first switch position etc. In particular, the switching sequence may be switched as a toggle in a periodic sequence.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität ist die Vollbrückenschaltung zum Betrieb mit einer Gleichspannung ausgelegt.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitor is the Full bridge circuit designed for operation with a DC voltage.

Vorteilhafterweise erlaubt der Betrieb der Vollbrückenschaltung mit einer Gleichspannung die bevorzugte Integration der Schaltungsanordnung in einem integrierten Schaltkreis.advantageously, allows the operation of the full bridge circuit with a DC voltage, the preferred integration of the circuit arrangement in an integrated circuit.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität umfasst das Schaltelement eine Zeitsteuerung.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitance includes the switching element a time control.

Das Erreichen des vorbestimmten Ladezustandes der Kapazität wird durch ein charakteristisches Zeitintervall, bevorzugt eine oder mehrere Halbwertszeiten der Entladecharakteristik der Kapazität, definiert. In der Folge wird der Kurzschluss der Kapazität aufgelöst, indem die Zeitsteuerung die Schaltervorrichtung steuert.The Reaching the predetermined state of charge of the capacity is through a characteristic time interval, preferably one or more half-lives the discharge characteristic of the capacity defined. Subsequently becomes the short circuit of capacity resolved in that the timing controls the switch device.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität umfasst die Zeitsteuerung eine Relaisschaltung.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitance includes the timer controls a relay circuit.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität umfasst das Schaltelement eine Steuereinrichtung und einen Sensor zum Messen des Ladezustandes der Kapazität.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitance includes the switching element comprises a control device and a sensor for measuring the state of charge of the capacity.

Der Sensor zum Messen des Ladezustandes der Kapazität detektiert den Ladezustand der Kapazität und stellt der Steuereinrichtung ein Sensorsignal bereit. Zeigt das Sensorsignal an, dass die Kapazität einen vorbestimmten Ladezustand erreicht hat, löst die Steuereinrichtung ein Aufheben des Kurzschlusses der Kapazität mittels der Schaltervorrichtung aus.The sensor for measuring the state of charge of the capacitance detects the state of charge of the capacitance and provides the control device with a sensor signal. If the sensor signal indicates that the capacitance has reached a predetermined state of charge, the control device releases the short-circuit Ses the capacity by means of the switch device.

Vorteilhafterweise detektiert der Sensor direkt den Ladezustand der Kapazität und ohne vorherige Annahmen zum Entladeverhalten der Kapazität. Insbesondere ist es so möglich, die Schaltabfolge der Schaltervorrichtung im Ablauf optimal zu wählen und insbesondere kurze Schaltzeiten zu ermöglichen.advantageously, The sensor directly detects the state of charge of the capacity and without previous assumptions about the discharge behavior of the capacity. Especially is it possible to choose the switching sequence of the switch device in the process optimally and in particular to allow short switching times.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität ist die Steuereinrichtung und der Sensor digital steuerbar.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitor is the Control device and the sensor digitally controllable.

Vorteilhafterweise erlaubt die digital steuerbare Steuereinrichtung und der digital steuerbare Sensor die bevorzugte Integration der Schaltungsanordnung in einem integrierten Schaltkreis. Bevorzugt ist die Implementierung der Schaltungsanordnung in einem komplexeren integrierten Schaltkreis, wie eine Motorsteuerung, der durch geeignete Programmierung oder Ausführung mit der Schaltungsanordnung kommuniziert.advantageously, allows the digitally controllable control device and the digital controllable sensor the preferred integration of the circuit arrangement in an integrated circuit. The implementation is preferred the circuitry in a more complex integrated circuit, like a motor control, by suitable programming or execution communicates with the circuitry.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität detektiert der Sensor zum Messen des Ladezustandes der Kapazität einen Entladestrom an der Schaltervorrichtung.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitance detected the sensor for measuring the state of charge of the capacity one Discharge current at the switch device.

Das Entladen der Kapazität erfolgt durch Kurzschließen der Kapazität in der zweiten Stellung der Schaltervorrichtung. Insbesondere fließt in dieser Stellung nur der Entladestrom der Kapazität durch die Schaltervorrichtung. Dabei zeigt der Entladestrom einen charakteristischen Zeitverlauf, der einen Rückschluss auf den Ladezustand der Kapazität erlaubt.The Unloading the capacity done by shorting the capacity in the second position of the switch device. In particular, flows in this position only the discharge current of the capacity through the switch device. The discharge current shows a characteristic time course, a conclusion on the state of charge the capacity allowed.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität detektiert der Sensor zum Messen des Ladezustandes der Kapazität eine Spannung über der Kapazität.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitance detected the sensor for measuring the state of charge of the capacitance, a voltage above the Capacity.

Das Entladen der kurzgeschlossenen Kapazität in der zweiten Stellung der Schaltervorrichtung führt zu einer zeitlich veränderlichen Spannung über der Kapazität. Diese Spannung zeigt einen charakteristischen Zeitverlauf, der einen Rückschluss auf den Ladezustand der Kapazität erlaubt.The Discharging the short-circuited capacity in the second position of Switch device leads to a time-variable Tension over the Capacity. This voltage shows a characteristic time course, the one conclusion on the state of charge of the capacity allowed.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität umfasst die Schaltervorrichtung einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die zu der Vollbrückenschaltung verschaltet sind. Die Kapazität befindet sich im Querzweig der Vollbrückenschaltung.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitance includes the switch device has a first switch, a second switch, a third switch and a fourth switch connected to the full bridge circuit are interconnected. The capacity is in the shunt branch of the full bridge circuit.

Vorteilhafterweise lassen sich durch die Schalter unterschiedliche Schaltabfolgen realisieren. Insbesondere ist der Kurzschluss der Kapazität sowohl über eine angeschlossene Spannungsquelle, als auch über die entsprechende Masse möglich. Bevorzugt lässt sich jeder Schalter individuell ansteuern. Weiterhin erleichtert die Ausführung mit einzelnen Schaltern die bevorzugte Implementierung der Schaltungsanordnung in einem integrierten Schaltkreis.advantageously, can be realized by the switch different switching sequences. Especially is the short circuit of capacity both over a connected voltage source, as well as the corresponding ground possible. Prefers Each switch is individually controlled. Still easier execution with individual switches, the preferred implementation of the circuit arrangement in an integrated circuit.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität sind der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter und der vierte Schalter als ein oder mehrere Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren ausgeführt.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitor are the first switch, the second switch, the third switch and the fourth switches as one or more metal oxide semiconductor transistors executed.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität sind der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter und der vierte Schalter als ein oder mehrere Bipolartransistoren ausgeführt.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitor are the first switch, the second switch, the third switch and the Fourth switch designed as one or more bipolar transistors.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität sind der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter und der vierte Schalter als steuerbare Stromquellen ausgeführt.In a development of the circuit arrangement for switching a capacitor are the first switch, the second switch, the third switch and the fourth switch designed as a controllable power sources.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Schalten einer Kapazität eine Abfolge aus Aufladen der Kapazität mit einer ersten Spannung, Entladen der Kapazität durch Kurzschließen und Aufladen der Kapazität mit einer zweiten Spannung.In an embodiment For example, the method for switching a capacitor includes a sequence of charging the capacity with a first voltage, discharging the capacity by shorting and Charging the capacity with a second voltage.

Das Aufladen der Kapazität mittels der ersten Spannung erzeugt an der Kapazität eine Polarität. Durch den darauf folgenden Kurzschluss entlädt sich die Kapazität. Das erneute Aufladen der Kapazität mit der zweiten Spannung erfolgt so, dass die Kapazität eine zur ersten Spannung entgegengesetzte Polarität aufweist.The Charging the capacity By means of the first voltage, one polarity is produced at the capacitance. By the following short circuit discharges the capacity. The renewed Charging the capacity with the second voltage is done so that the capacity for the first voltage opposite polarity.

Vorteilhafterweise ermöglicht das Kurzschließen der Kapazität das Entladen der Kapazität ohne dass dabei die erste oder die zweite Spannung anliegt und reduziert so den Stromverbrauch des Verfahrens.advantageously, allows shorting the capacity unloading the capacity without that in this case the first or the second voltage is applied and reduced so the power consumption of the process.

In einer Weiterbildung des Verfahrens zum Schalten einer Kapazität wird der Ladezustand der kurzgeschlossenen Kapazität durch eine Messung festgestellt und der Kurzschluß aufgehoben, wenn ein vorbestimmter Ladezustand erreicht ist.In a development of the method for switching a capacity is the Charging state of the short-circuited capacity detected by a measurement and the short circuit is canceled, when a predetermined state of charge is reached.

Vorteilhafterweise erlaubt die Messung des Ladezustandes der Kapazität eine direkte Bestimmung ohne vorherige Annahmen zum Entladeverhalten der Kapazität. Die einzelnen Verfahrensschritte und ihre Abfolge können so entsprechend weiter ausgeführt und optimiert werden.advantageously, allows the measurement of the state of charge of the capacity a direct Determination without previous assumptions regarding the discharge behavior of the capacity. The single ones Process steps and their sequence can continue accordingly accomplished and be optimized.

In einer Weiterbildung des Verfahrens zum Schalten einer Kapazität erfolgt das Entladen der Kapazität in einem vorbestimmten Zeitintervall.In a development of the method for switching a capacity is done unloading the capacity in a predetermined time interval.

Das Erreichen des vorbestimmten Ladezustandes der Kapazität erfolgt in einer für die Kapazität charakteristischen Zeit. Nach Ablauf dieser Zeit wird der Kurzschluß der Kapazität aufgelöst.The Reaching the predetermined state of charge of the capacity takes place in a for the capacity characteristic Time. After this time, the short-circuit of the capacity is resolved.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Insoweit sich Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.The Invention is described below with reference to exemplary embodiments Figures closer explained. in this respect components correspond in their function becomes their description not repeated in each of the following figures.

Es zeigen:It demonstrate:

1A, 1B, 1C eine beispielhafte Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität mit einem Spannungssensor und Schaltern nach dem vorgeschlagenen Prinzip, 1A . 1B . 1C an exemplary circuit arrangement for switching a capacitor with a voltage sensor and switches according to the proposed principle,

1D einen beispielhaften, charakteristischen Spannungsverlauf im Betrieb der Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip gemäß der 1A, 1B und 1C, 1D an exemplary, characteristic voltage curve during operation of the circuit arrangement according to the proposed principle according to the 1A . 1B and 1C .

2A einen beispielhaften, charakteristischen Spannungsverlauf und Leistungsverlauf der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität mit einer herkömmlichen Schaltabfolge gemäß der 1A und 1C, 2A an exemplary, characteristic voltage curve and power curve of the circuit arrangement for switching a capacitor with a conventional switching sequence according to the 1A and 1C .

2B einen beispielhaften, charakteristischen Spannungsverlauf und Leistungsverlauf der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit einer Schaltabfolge gemäß der 1A und 1C, und 2 B an exemplary, characteristic voltage curve and power curve of the circuit arrangement for switching a capacitance according to the proposed principle with a switching sequence according to the 1A and 1C , and

3 eine bespielhafte Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität mit einem Sensor zum Messen des Ladezustandes der Kapazität und eine Steuereinrichtung. 3 an exemplary circuit arrangement for switching a capacitance with a sensor for measuring the state of charge of the capacitance and a control device.

1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität C. Die Schaltungsanordnung umfasst die Kapazität C, einen ersten Schalter 1, einen zweiten Schalter 2, einen dritten Schalter 3 und einen vierten Schalter 4. Die Schalter sind zu einer Vollbrückenschaltung geschalten, wobei der erste Schalter 1 und der vierte 4 Schalter zwischen einer Spannung Vdd und einer Masse GND in Reihe geschalten sind. Ein Verbindungsknoten zwischen dem ersten Schalter 1 und dem vierten Schalter 4 ist an einem ersten Anschluß der Kapazität C angeschlossen. Der zweite Schalter 2 und der dritte Schalter 3 sind zwischen der Spannung Vdd und der Masse GND in Reihe geschalten und ein Verbindungsknoten zwischen dem zweiten Schalter 2 und dem dritten Schalter 3 ist mit einem zweiten Anschluß der Kapazität C verbunden. Ein Schaltelement S detektiert den Ladezustand der Kapazität C über die Spannung V, die an der Kapazität abfällt und steuert die Schalter. 1A shows an exemplary embodiment of a circuit arrangement for switching a capacitance C. The circuit arrangement comprises the capacitance C, a first switch 1 , a second switch 2 , a third switch 3 and a fourth switch 4 , The switches are connected to a full bridge circuit, with the first switch 1 and the fourth 4 switch is connected in series between a voltage Vdd and a ground GND. A connection node between the first switch 1 and the fourth switch 4 is connected to a first terminal of the capacitance C. The second switch 2 and the third switch 3 are connected in series between the voltage Vdd and the ground GND and a connection node between the second switch 2 and the third switch 3 is connected to a second terminal of the capacitance C. A switching element S detects the state of charge of the capacitor C via the voltage V dropping across the capacitor and controls the switches.

In einer ersten Schalterstellung A sind der erste Schalter 1 und der dritte Schalter 3 elektrisch leitend und der zweite Schalter 2 und der vierte Schalter 4 offen geschalten. An der Kapazität C liegt die Spannung V an, gekennzeichnet durch den Pfeil in 1A.In a first switch position A are the first switch 1 and the third switch 3 electrically conductive and the second switch 2 and the fourth switch 4 openly switched. The capacitor C is the voltage V, indicated by the arrow in 1A ,

1B zeigt eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität C mit gegenüber 1A veränderter Schalterstellung. In einer zweiten Schalterstellung X sind der erste Schalter 1 und der zweite Schalter 2 elektrisch leitend und der dritte Schalter und der vierte Schalter offen geschalten. 1B shows an embodiment of a circuit arrangement for switching a capacitor C with respect to 1A changed switch position. In a second switch position X are the first switch 1 and the second switch 2 electrically conductive and the third switch and the fourth switch open.

In der Schalterstellung X ist die Kapazität C kurzgeschlossen und entlädt sich. Das Schaltelement S detektiert den Ladezustand der Kapazität C. Erreicht der Ladezustand einen vorbestimmten Wert, steuert der Schaltelement S die Schalter in eine weitere Schalterstellung B, die den Kurzschluss aufhebt.In the switch position X, the capacitor C is short-circuited and discharges. The switching element S detects the state of charge of the capacitor C. Reached the state of charge a predetermined value, controls the switching element S the switches in another switch position B, which is the short circuit picks.

Alternativ zur Schalterstellung X und in der 1B nicht gezeigt, kann der Kurzschluss der Kapazität C über die Spannung Vdd erfolgen. Dazu sind der erste Schalter 1 und der zweite Schalter 2 offen und der dritte Schalter und der vierte Schalter 4 elektrisch leitend geschalten.Alternatively to switch position X and in the 1B not shown, the short-circuit of the capacitance C via the voltage Vdd can take place. These are the first switch 1 and the second switch 2 open and the third switch and the fourth switch 4 switched electrically conductive.

1C zeigt eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität C mit gegenüber 1A und 1B veränderter Schalterstellung. 1C shows an embodiment of a circuit arrangement for switching a capacitor C with respect to 1A and 1B changed switch position.

In der Schalterstellung B sind der zweite Schalter 2 und der vierte Schalter 4 elektrisch leitend und der erste Schalter 1 und der dritte Schalter 3 offen geschalten.In switch position B, the second switch 2 and the fourth switch 4 electrically conductive and the first switch 1 and the third switch 3 openly switched.

Die Kapazität C wird in der Schalterstellung B mit einer im Vergleich zur Schalterstellung A entgegensetzten Polarität erneut aufgeladen.The capacity C is in the switch position B with a compared to the switch position A opposed polarity recharged.

1D zeigt einen charakteristischen Verlauf der Spannung V an der Kapazität C in einer Aufeinanderfolge der Schalterstellungen gemäß der 1A, 1B und 1C. Aufgetragen im Graphen ist die Spannung V gegen die Zeit t. 1D shows a characteristic curve of the voltage V across the capacitor C in a sequence of switch positions according to the 1A . 1B and 1C , Plotted in the graph, the voltage V is against the time t.

In der Schalterstellung A gemäß 1A ist die Spannung V über der Kapazität C gleich der angeschlossenen Spannung Vdd. Wird zu einer ersten Zeit t1 in die Schalterstellung X gemäß 1B (im Graphen markiert durch die gestrichelten Linien) geschalten, fällt die Spannung V auf Null ab. Die Kapazität C ist dann entladen und das Schaltelement S initiiert zu einer zweiten Zeit t2 die Schalterstellung B gemäß 1C. Die Kapazität C lädt sich erneut auf. Durch die zur Schalterstellung A entgegengesetzte Polarität ist die Spannung V in der Schalterstellung B gleich der negativen Spannung –Vdd. Zu einer dritten Zeit t3 wird in die Schalterstellung A über die Schalterstellung X zurückgeschalten. Die Spannung V fällt zunächst während der Schalterstellung X und der Entladung der Kapazität C wieder auf Null zurück. Dann initiiert das Schaltelement S zu einer vierten Zeit t4 die Schalterstellung A und die Spannung V steigt auf Vdd.In the switch position A according to 1A the voltage V across the capacitor C is equal to the connected voltage Vdd. Is at a first time t1 in the switch position X according to 1B (in the graph marked by the dashed lines) switched, the voltage V drops to zero. The Kapa C is then discharged and the switching element S initiates the switch position B according to at a second time t2 1C , The capacity C recharges again. By opposite to the switch position A polarity, the voltage V in the switch position B is equal to the negative voltage -Vdd. At a third time t3 is switched back to the switch position A via the switch position X. The voltage V initially falls back to zero during the switch position X and the discharge of the capacitance C. Then, the switching element S initiates the switch position A at a fourth time t4 and the voltage V rises to Vdd.

2A zeigt einen charakteristischen Spannungsverlauf und gleichzeitigen Leistungsverlauf der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität gemäß der 1A und 1C. Die Schaltabfolge ist gegenüber den 1A, 1B und 1C dahingehend modifiziert, dass die Schalterstellung X nicht durchlaufen wird und definiert so eine herkömmliche Schaltabfolge. 2A shows a characteristic voltage curve and simultaneous power curve of the circuit for switching a capacitor according to the 1A and 1C , The switching sequence is opposite to the 1A . 1B and 1C modified so that the switch position X is not traversed, thus defining a conventional switching sequence.

Der obere Graph zeigt die Spannung V als Funktion der Zeit t in der herkömmlichen Schaltabfolge. In der Schalterstellung A liegt die Spannung Vdd an der Kapazität C an. Zur ersten Zeit t1 wird direkt in die Schalterstellung B geschalten. Die Polarität der Kapazität C ändert ihr Vorzeichen so, dass an der Kapazität C zur zweiten Zeit t2 die negative Spannung –Vdd anliegt. Zur dritten Zeit t3 wird direkt in die Schalterstellung A zurückgeschalten. Die Polarität der Kapazität ändert erneut ihr Vorzeichen und zur vierten Zeit t3 liegt an der Kapazität C die Spannung Vdd an.Of the upper graph shows the voltage V as a function of the time t in the usual Switching sequence. In switch position A, the voltage Vdd is applied the capacity C on. At the first time t1 is switched directly into the switch position B. The polarity the capacity C changes its sign so that at the capacity C at the second time t2 the negative voltage -Vdd is applied. At the third time t3 goes directly into the switch position A switched back. The polarity of Capacity changes again its sign and for the fourth time t3 is due to the capacity C the Voltage Vdd on.

Im unteren Graphen ist die Leistung P für die herkömmliche Schaltabfolge gegen die Zeit t aufgetragen. Die einzelnen Beiträge zum Stromverbrauch sind schraffiert gekennzeichnet und ergeben sich während des Umladens der Kapazität C aus dem zeitlichen Verlauf der Leistung P. Die Leistung P für die herkömmliche Schaltabfolge ist gegeben durch die folgende Beziehung:

In the lower graph, the power P for the conventional switching sequence is plotted against the time t. The individual contributions to the power consumption are hatched and result during the transfer of the capacity C from the time course of the power P. The power P for the conventional switching sequence is given by the following relationship:

Dabei bedeuten C die Kapazität und V_dd die Versorgungsspannung der Vollbrückenschaltung. Die Schaltfrequenz f der Schaltervorrichtung ist so gewählt, dass sie ein vollständiges Umladen der Kapazität ermöglicht.Where C is the capacitance and V _{dd is} the supply voltage of the full bridge circuit. The switching frequency f of the switching device is chosen so as to allow a complete transfer of the capacity.

2B zeigt einen charakteristischen Spannungsverlauf und gleichzeitigen Leistungsverlauf der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität mit einer Schaltabfolge nach dem vorgeschlagenen Prinzip gemäß der 1A, 1B und 1C. Der Graph in der oberen Hälfte zeigt den Spannungsverlauf gemäß 1D. Im unteren Graphen ist die Leistung P für die Schaltabfolge gegen die Zeit t aufgetragen. 2 B shows a characteristic voltage curve and simultaneous power curve of the circuit arrangement for switching a capacitor with a switching sequence according to the proposed principle according to the 1A . 1B and 1C , The graph in the upper half shows the voltage curve according to 1D , In the lower graph, the power P for the switching sequence is plotted against the time t.

Die einzelnen Beiträge zum Stromverbrauch sind im unteren Graphen schraffiert gekennzeichnet und ergeben sich während des Auf- und Entladens der Kapazität C aus dem zeitlichen Verlauf der Leistung P. Die Leistung P für die Schaltabfolge ist gegeben durch die folgende Beziehung:

The individual contributions to the power consumption are marked hatched in the lower graph and arise during the charging and discharging of the capacity C from the time course of the power P. The power P for the switching sequence is given by the following relationship:

Vorteilhafterweise ergibt die Schaltabfolge gemäß der 1A, 1B und 1C einen reduzierten Stromverbrauch. Dies begründet sich insbesondere in der Tatsache, dass in der Schaltabfolge gemäß der 1A, 1B und 1C keine zusätzliche Leistung P zum Umladen der Kapazität C aufgebracht werden muss.Advantageously, the switching sequence according to the 1A . 1B and 1C a reduced power consumption. This is due in particular to the fact that in the switching sequence according to the 1A . 1B and 1C no additional power P has to be applied for reloading the capacitance C.

Der erfindungsgemäße und vorteilhafte niedrige Stromverbrauch durch die Schaltabfolge zeigt sich in einem Vergleich des Ausdrucks für die Leistung P mit dem entsprechenden Ausdruck für die herkömmliche Schaltabfolge. Der Vergleich zeigt eine Halbierung des Stromverbrauchs für die Schaltfolge gegenüber der herkömmlichen Schaltabfolge.Of the inventive and advantageous low power consumption through the switching sequence is reflected in one Comparison of the expression for the power P with the corresponding expression for the conventional switching sequence. Of the Comparison shows a halving of the power consumption for the switching sequence over the usual Switching sequence.

3 zeigt eine bespielhafte Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität C mit einem Sensor S1 zum Messen des Ladezustandes der Kapazität C und eine Steuereinrichtung S2. Der Sensor S1 ist an zwei Stellen, nämlich zwischen dem ersten Schalter 1 und dem vierten Schalter 4, sowie zwischen dem zweiten Schalter 2 und dem dritten Schalter 3, an die Vollbrückenschaltung gekoppelt. Die Steuereinrichtung umfasst einen Eingang E1, der mit dem Sensor S1 gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang E2. Des Weiteren umfasst die Steuereinheit S2 einen ersten Ausgang A1, der an den ersten Schalter 1 koppelt, einen zweiten Ausgang A2, der an den zweiten Schalter 2 koppelt, einen dritten Ausgang A3, der an den dritten Schalter 3 koppelt und einen vierten Ausgang A4, der an den vierten Schalter 4 koppelt. 3 shows an exemplary circuit arrangement for switching a capacitance C with a sensor S1 for measuring the state of charge of the capacitance C and a control device S2. The sensor S1 is in two places, namely between the first switch 1 and the fourth switch 4 , as well as between the second switch 2 and the third switch 3 , coupled to the full bridge circuit. The control device comprises an input E1, which is coupled to the sensor S1, and a second input E2. Furthermore, the control unit S2 comprises a first output A1, which is connected to the first switch 1 couples a second output A2 to the second switch 2 coupled, a third output A3, which is at the third switch 3 coupled and a fourth output A4, which is at the fourth switch 4 coupled.

Der Sensor S1 zum Messen des Ladezustandes der Kapazität C detektiert die über der Kapazität C abfallende Spannung V. Davon abhängig generiert der Sensor S1 ein Sensorsignal und stellt dieses der Steuereinrichtung S2 am Eingang E1 bereit. Über den ersten Ausgang A1, den zweiten Ausgang A2, den dritten Ausgang A3 und den vierten Ausgang A4 steuert die Steuereinrichtung S2 jeweils den ersten Schalter 1, den zweiten Schalter 2, den dritten Schalter 3 und den vierten Schalter 4, wobei jeder Schalter individuell angesteuert werden kann. Dabei zeigt das Sensorsignal am Eingang E1 den Ladezustand der Kapazität C an und veranlasst die Steuereinheit S2 bei Erreichen des vorbestimmten Ladezustands den Kurzschluss der Schaltervorrichtung aufzuheben.The sensor S1 for measuring the state of charge of the capacitor C detects the voltage V dropping across the capacitor C. Depending on this, the sensor S1 generates a sensor signal and makes it available to the control device S2 at the input E1. The control device S2 controls the first switch via the first output A1, the second output A2, the third output A3 and the fourth output A4 1 , the second switch 2 , the third switch 3 and the fourth switch 4 where each switch can be controlled individually. The sensor signal at the input E1 indicates the state of charge of the capacitor C and causes the control unit S2 on reaching the predetermined state of charge to remove the short circuit of the switch device.

Vorteilhafterweise ist die Implementierung der Schaltungsanordnung in einem integrierten Schaltkreis möglich, insbesondere als individueller Schaltkreis oder als Teil eines komplexeren Schaltkreises, etwa einer Motorsteuerung. Durch geeignete Programmierung oder Ausführung der Steuereinrichtung S2 ist es im Rahmen der Erfindung möglich, geeignete Schaltabfolgen zu definieren oder über den Eingang E2 extern einzubinden.advantageously, is the implementation of the circuitry in an integrated circuit possible, especially as an individual circuit or as part of a more complex one Circuit, such as a motor control. By suitable programming or execution the control device S2, it is possible within the scope of the invention, suitable To define switching sequences or externally connect via the input E2.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: erster Schalterfirst switch
22: zweiter Schalter3 dritter Schaltersecond Switch3 third switch
44: vierter Schalterfourth switch
AA: Schalterstellungswitch position
A1A1: erster Ausgangfirst output
A2A2: zweiter Ausgangsecond output
A3A3: dritter Ausgangthird output
A4A4: vierter Ausgangfourth output
BB: Schalterstellungswitch position
CC: Kapazitätcapacity
E1E1: erster Eingangfirst entrance
E2E2: zweiter Eingangsecond entrance
GNDGND: MasseDimensions
tt: ZeitTime
t1t1: erste Zeitfirst Time
t2t2: zweite Zeitsecond Time
t3t3: dritte Zeitthird Time
t4t4: vierte Zeitfourth Time
SS: Schaltelementswitching element
S1S1: Sensorsensor
S2S2: Steuereinrichtungcontrol device
VV: Spannungtension
VddVdd: Spannungtension
XX: Schalterstellungswitch position

Claims

Circuit arrangement for switching a capacitor, comprising: A full bridge circuit, the capacity (C) and a switch device for short-circuiting the capacitance (C), and which is connectable to a voltage source (Vdd), and - A switching element (S), which controls the switch device so that the switch device the capacity (C) shorts and upon reaching a predetermined state of charge of the capacitance (C) the Short circuit picks up.

Circuit arrangement according to claim 1, wherein the full bridge circuit designed for operation with a DC voltage.

Circuit arrangement according to one of claims 1 or 2, wherein the switching element (S) comprises a timing component, the achievement of the predetermined state of charge of the capacitance (C) sets a fixed time interval.

Circuit arrangement according to claim 3, wherein the timing a relay circuit comprises.

Circuit arrangement according to one of claims 1 or 2, where - the Switching element, a sensor (S1) for measuring the state of charge of capacity (C) and a control device (S2), - the sensor (S1) provides the controller (S2) with a sensor signal that the state of charge of the capacity (C) indicates, and - the Control device (S2) upon reaching the predetermined state of charge the cancellation of the short circuit triggers.

Circuit arrangement according to claim 5, wherein the sensor (S) for measuring the state of charge of the capacitance (C) and by a control device (S2) is digitally controllable.

Circuit arrangement according to claims 5 or 6, wherein the sensor (S1) for measuring the state of charge of the capacitance (C) a Discharge current detected at the switch device.

Circuit arrangement according to claims 5 or 6, wherein the sensor (S1) for measuring the state of charge of the capacitance (C) a Voltage (V) over the capacity (C) detected.

Circuit arrangement according to one of claims 1 to 8, wherein the switch device comprises a first switch ( 1 ), a second switch ( 2 ), a third switch ( 3 ) and a fourth switch ( 4 ), which are interconnected to the full bridge circuit, wherein the capacitance (C) is arranged in the shunt branch of the full bridge circuit.

Circuit arrangement according to claim 9, wherein the first switch ( 1 ), the second switch ( 2 ), the third switch ( 3 ) and the fourth switch ( 4 ) are each designed as metal-oxide-semiconductor field-effect transistors.

Circuit arrangement according to claim 9, wherein the first switch ( 1 ), the second switch ( 2 ), the third switch ( 3 ) and the fourth switch ( 4 ) are each designed as bipolar transistors.

Circuit arrangement according to claim 9, wherein the first switch ( 1 ), the second switch ( 2 ), the third switch ( 3 ) and the fourth switch ( 4 ) are each designed as controllable current sources.

Method for switching a capacity comprising: - charging the capacitor (C) with a first voltage (Vdd), - discharging the capacitor (C) by short-circuiting, and - charging the capacitor (C) with a second voltage (-Vdd) corresponding to the first voltage ( Vdd) has opposite polarity.

A method for switching a capacity according to claim 13, in which the discharge of the capacitance (C) by a measurement of the State of charge of the capacity (C) is determined and the short is canceled when a predetermined state of charge is reached.

A method for switching a capacity according to claim 13, wherein the discharge of the capacity (C) in a predetermined Time interval takes place.