DE102009043216A1

DE102009043216A1 - Schnittstellenschaltung

Info

Publication number: DE102009043216A1
Application number: DE102009043216A
Authority: DE
Inventors: Alexander Frey; Djordje Marinkovic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein energieautarkes Mikrosystem, bspw. einen Funktsensor, mit einem Mikrogenerator und einem elektrischen Verbraucher sowie mit einer Schnittstellenschaltung, die die vom Mikrogenerator erzeugte elektrische Leistung an den elektrischen Verbraucher prozessiert. Die erzeugte Leistung wird zunächst einem Energiespeicher zugeführator überwacht die Spannung VY des Energiespeichers und erzeugt ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spannung VY. Ein Schalter, über den der erste Energiespeicher mit dem elektrischen Verbraucher elektrisch verbunden ist, wird in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal in einen geöffneten oder in einen geschlossenen Zustand überführt. Die Überwachung der Spannung VY im Spannungsregulator erfolgt nicht kontinuierlich sondern getaktet, so dass gewährleistet ist, dass dem Energiespeicher durch den Spannungsregulator nur eine vergleichsweise geringe Energiemenge entnommen wird, so dass dem elektrischen Verbraucher eine ausreichend große Energiermenge zur Verfügung gestellt werden kann.

Description

Ein energieautarkes Mikrosystem, bspw. ein Funksensor, weist üblicherweise einen Mikrogenerator, d. h. einen Generator zur Leistungserzeugung im Mikro- oder Milliwattbereich, einen Mikrocontroller, einen Transceiver, einen Sensor, Energiespeicherelemente wie bspw. Kondensatoren oder Akkus und eine ASIC-Schaltung (Application Specific Integrated Circuit bzw. Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung) auf. Der Mikrogenerator ist dabei ausgebildet, um eine Energieform aus der Umgebung des Mikrosystems in eine zum Betrieb des Systems verwendbare Energieform, in der Regel elektrische Energie, umzuwandeln.
Bspw. kann ein solcher Mikrogenerator ein Piezowandler sein, der Schwingungen bzw. Vibrationen in elektrische Pulse umwandelt. Alternativ kann der Generator bspw. auch induktiver Generator oder ein Solargenerator sein, der eine vorhandene Umgebungsenergie in die für die Systemversorgung nutzbare Energie wandelt. Das Design des Mikrogenerators bestimmt die für das System verfügbare Energie und Leistung sowie den Spannungspegel am Eingang des Systems und beeinflusst stark die gesamte Systemarchitektur.
Üblicherweise benötigen die zu versorgenden elektrischen Verbraucher des Mikrosystems, bspw. im Falle eines Funksensors dessen Controller, Transceiver und Sensor, für ihren Betrieb einen Spannungspegel, der in der Regel größer ist als der Spannungspegel, der vom Mikrogenerator erzeugt werden kann. Bestimmte Systemkomponenten, wie z. B. der Transceiver, haben einen deutlich größeren Leistungsverbrauch als im Mittel in Form von Eingangsleistung zur Verfügung steht.
Im Mikrowattbereich wurden bisher nur einfache Systeme mit unterschiedlicher Architektur aufgebaut. Deren Unterschiede liegen in der Art des Mikrogenerators, in seiner Spannungsamplitude, der Art des benötigten Gleichrichters und des DC-DC Wandlers. Konventionelle energieautarke Systeme, die Leistungen im Milliwattbereich liefern, basieren in der Regel auf einem Generator im mesoskopischen Bereich und können nicht als Mikrosysteme bezeichnet werden. Einige Mikrosysteme benutzen externe Komponenten (sog. ”off-chip” Komponenten) wie Spulen und/oder Kondensatoren für die DC-DC Wandlung, nutzen passive Dioden für den Einschaltvorgang und haben entsprechende Anforderungen an die Spannungsamplituden am Eingang. Off-Chip Kondensatoren haben vernachlässigbare Streukapazitäten und ermöglichen damit eine größere Effizienz. Große (d. h. mehrere Megaohm) und präzise externe Widerstände ermöglichen bei einem Spannungsteiler Betrieb in Submikrowattbereich mit präziser Einstellung des Spannungsverhältnisses.
Diese bekannten Systeme sind jedoch vergleichsweise groß und weisen wie erwähnt externe Komponenten auf. Voll integrierte Systeme sind nicht bekannt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, einen oder mehrere elektrische Verbraucher eines Mikrosystems mit Hilfe eines Mikrogenerators mit Energie zu versorgen.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung ist eine integrierte Schnittstellenschaltung, deren Funktion es ist, die vom Mikrogenerator gewonnene Energie zu prozessieren, d. h. eine DC-DC Wandlung zu verrichten und die für die elektrischen Verbraucher erforderliche Versorgung zum richtigen Zeitpunkt bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße integrierte Schnittstellenschaltung zum Prozessieren einer von einem Mikrogenerator erzeugten elektrischen Leistung an einen elektrischen Verbraucher weist einen ersten Energiespeicher, einen ersten Spannungsregulator und einen ersten Schalter auf, wobei die vom Mikrogenerator erzeugte Energie dem ersten Energiespeicher zuführbar und dort zwischenspeicherbar ist. Der erste Energiespeicher ist über den Schalter, der in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Spannungsregulators einen geöffneten oder einen geschlossenen Zustand einnehmen kann, mit dem Verbraucher elektrisch verbunden. Bei geschlossenem Zustand des Schalters kann elektrische Energie vom ersten Energiespeicher zum elektrischen Verbraucher fließen.
Dabei weist der Spannungsregulator einen ersten Schaltungszweig mit einem ersten Eingang und einen zweiten Schaltungszweig mit einem zweiten Eingang auf und ist mit dem Energiespeicher elektrisch verbunden, um eine Spannung VY des ersten Energiespeichers zu überwachen und das Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spannung VY zu erzeugen. Die Spannung VY liegt an dem ersten und an dem zweiten Eingang an und ist im ersten Schaltungszweig mit einer ersten Spannungsschwelle VY1 sowie im zweiten Schaltungszweig mit einer zweiten Spannungsschwelle VY2 vergleichbar ist, wobei gilt VY1 < VY2. An dem ersten und an dem zweiten Eingang ist jeweils ein Taktschalter vorgesehen, welcher taktgesteuert abwechselnd einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand einnimmt. Durch diese Taktung ist vorteilhafterweise gewährleistet, dass dem Energiespeicher durch den Spannungsregulator nur eine vergleichsweise geringe Energiemenge entnommen wird, so dass dem elektrischen Verbraucher eine ausreichend große Energiemenge zur Verfügung gestellt werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Spannungsregulator ausgebildet, um das Ausgangssignal derart zu erzeugen, dass der Schalter einen geschlossenen Zustand annimmt, wenn die Spannung VY die zweite Spannungsschwelle VY2 erreicht, und dass der Schalter einen geöffneten Zustand annimmt, wenn die Spannung VY eine erste Spannungsschwelle VY1 erreicht, wobei gilt VY1 < VY2.
Vorteilhafterweise weist die Schnittstellenschaltung einen weiteren Energiespeicher, einen weiteren Spannungsregulator und einen weiteren Schalter auf. Dabei ist die vom Mikrogenerator erzeugte Energie zunächst, d. h. bevor sie zum ersten Energiespeicher gelangt, dem weiteren Energiespeicher zuführbar und dort zwischenspeicherbar. Der weitere Energiespeicher ist über den weiteren Schalter mit dem ersten Energiespeicher elektrisch verbunden, wobei der weitere Schalter in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des weiteren Spannungsregulators einen geöffneten oder einen geschlossenen Zustand einnimmt.
Weiterhin weist der weitere Spannungsregulator einen ersten Schaltungszweig mit einem ersten Eingang und einen zweiten Schaltungszweig mit einem zweiten Eingang auf. Der weitere Spannungsregulator ist mit dem weiteren Energiespeicher elektrisch verbunden, um eine Spannung VX des weiteren Energiespeichers zu überwachen und das Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spannung VX zu erzeugen. Die Spannung VX liegt an dem ersten und an dem zweiten Eingang an und ist im ersten Schaltungszweig mit einer ersten Spannungsschwelle VX1 sowie im zweiten Schaltungszweig mit einer zweiten Spannungsschwelle VX2 vergleichbar ist, wobei gilt VX1 < VX2. An dem ersten und an dem zweiten Eingang ist jeweils ein weiterer Taktschalter vorgesehen ist, welcher taktgesteuert abwechselnd einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand einnimmt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Ladungspumpe zwischen den weiteren Schalter und den ersten Energiespeicher geschaltet ist.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Prozessieren einer von einem Mikrogenerator erzeugten elektrischen Leistung an einen elektrischen Verbraucher wird die erzeugte elektrische Leistung einem ersten Energiespeicher zugeführt und dort zwischengespeichert wird. Ein Spannungsregulator überwacht eine Spannung VY des ersten Energiespeichers und erzeugt ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spannung VY. Ein Schalter, über den der erste Energiespeicher mit dem elektrischen Verbraucher elektrisch verbunden ist, wird in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal in einen geöffneten oder in einen geschlossenen Zustand überführt wird, wobei bei geschlossenem Zustand des Schalters elektrische Energie vom ersten Energiespeicher zum elektrischen Verbraucher fließen kann. Die Überwachung der Spannung VY im Spannungsregulator erfolgt getaktet.
Vorteilhafterweise wird die Spannung VY im Spannungsregulator mit einem ersten Schwellenwert VY1 und mit einem zweiten Schwellenwert VY2 verglichen, wobei gilt VY1 < VY2. Der Schalter wird mit Hilfe des Ausgangssignals geschlossen, wenn die Spannung VY den Schwellenwert VY2 erreicht, und wieder geöffnet, wenn die Spannung VY den ersten Schwellenwert VY1 erreicht.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die von dem Mikrogenerator erzeugte elektrische Leistung zunächst einem weiteren Energiespeicher zugeführt und dort zwischengespeichert. Ein weiterer Spannungsregulator überwacht eine Spannung VX des weiteren Energiespeichers und erzeugt ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spannung VX erzeugt. Ein weiterer Schalter, über den der weitere Energiespeicher mit dem ersten Energiespeicher verbunden ist, wird in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des weiteren Spannungsregulators in einen geöffneten oder in einen geschlossenen Zustand überführt, wobei bei geschlossenem Zustand des Schalters elektrische Energie vom weiteren Energiespeicher zum ersten Energiespeicher fließen kann. Die Überwachung der Spannung VX im weiteren Spannungsregulator erfolgt getaktet.
Die Spannung VX im weiteren Spannungsregulator wird mit einem ersten Schwellenwert VX1 und mit einem zweiten Schwellenwert VX2 verglichen, wobei gilt VX1 < VX2 und wobei der weitere Schalter mit Hilfe des Ausgangssignals geschlossen wird, wenn die Spannung VX den Schwellenwert VX2 erreicht, und wieder geöffnet wird, wenn die Spannung VX den ersten Schwellenwert VX1 erreicht.
Es wird weiterhin eine Ladungspumpe verwendet, um elektrische Energie vom weiteren Energiespeicher zum ersten Energiespeicher zu befördern.
Die getaktete Überwachung der Spannung erfolgt mit einem Tastgrad g ≤ 5%, insbesondere g ≤ 3%.
Mit der erfindungsgemäßen Schnittstellenschaltung ergeben sich die folgenden Vorteile:

– Die Schaltung erfüllt eine Schnittstellenfunktion zwischen Mikrogenerator und elektrischen Verbrauchern, die eine effiziente Energieumwandlung und die intermittierende Bereitstellung der Versorgungsspannung für die elektrischen Verbraucher ermöglicht.
– Die Schnittstellenschaltung ermöglicht einen effizienten und robusten Betrieb hinsichtlich Frequenz- und Amplitudenschwankungen der vom Mikrogenerator am Eingang der Schaltung zur Verfügung stehenden Energie. In der Realität sind die Frequenzen aus der Umgebungsenergie weder stetig noch konstant. Dementsprechend ist eine hohe Systemzuverlässigkeit vonnöten.
– Die Schnittstellenschaltung erlaubt einen Betrieb mit einem Mikrogenerator, der nur niedrige Spannungen liefert, d. h. Spannungen, die deutlich kleiner sind, als die für die elektrischen Verbraucher benötigte Betriebsspannung. Das betrifft vor allem Analogschaltungen, von denen viele nicht mehr in der Form herkömmlicher Lösungen realisierbar sind.
– Die Schnittstellenschaltung ermöglicht einen ”Ultra-low-power”-Betrieb. Da das Leistungsbudget des Systems extrem klein ist und nur einige Mikrowatt betragen kann, ist für alle Schaltungsblöcke ein Betrieb im Submikrowattbereich notwendig.
– Die Architektur und Konzeption der Schnittstellenschaltung ermöglicht einen sehr hohen Integrationsgrad. Die Einsatzgebiete solcher Systeme erfordern möglichst kleine Dimensionen. Zusätzlich können integrierte Systeme zu günstigen Kosten realisiert werden.
– Die Schnittstellenschaltung erlaubt die Einstellung von Spannungsschwellen und damit die Anpassung an die zur Verfügung stehende Umgebungsenergie und an die von den elektrischen Verbrauchern benötigte Energie.
– Die Erfindung beschreibt eine neue Architektur und Implementierung einer Schnittstellenschaltung, die einen effizienten, robusten und zuverlässigen Systembetrieb ermöglicht. Zusätzlich ermöglicht die vorgeschlagene Architektur eine vollständige Integration aller Komponenten.
– Das System ermittelt selbstständig, wann genug Energie bzw. Leistung zur Versorgung der elektrischen Verbraucher zur Verfügung steht. Eine hohe Robustheit wird erreicht. Dadurch werden Situationen verhindert, in denen ein Verbraucher angesprochen wird, obwohl nicht ausreichend Energie zur Verfügung steht, z. B. durch temporären Abbruch der Mikrogeneratorleistung.

Das Design der Schaltungen, insbesondere die des Spannungsregulators, die ein Taktsignal benötigen, ist derart realisiert, dass relativ große Toleranzen hinsichtlich der Taktfrequenz erlaubt sind. Damit bestehen geringe Anforderungen an den benötigten Oszillator. Externe Elemente können so vermieden und folglich integrierte Lösungen verwendet werden.
Somit erlaubt die Erfindung eine robuste, voll integrierte Schnittstellenschaltung, die im Submikrowatt-Bereich betrieben werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
1 ein Mikrosystem in schematischer Darstellung,
2 eine erfindungsgemäße Schnittstellenschaltung,
3 einen Spannungsregulator und
4 eine Verstärkungsschaltung.
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Weiterhin wird definiert, dass im Folgenden, wenn von Schalterzuständen oder -stellungen ”offen” bzw. ”geschlossen” die Rede ist, mit ”offen” gemeint ist, dass der Schalter die Leitung, in die er integriert ist, unterbricht, während ein ”geschlossener” Schalter bewirkt, dass ein Strom fließen kann.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrosystems 1, bspw. ein Funksensor, das die zu seinem Betrieb benötigte Energie aus der Umgebung bezieht, der also energieautark ist. Der Funksensor 1 weist auf:

– einen Mikrogenerator 100,
– eine erfindungsgemäße Schnittstellenschaltung 200 mit
– Energiespeichern 210 sowie
– elektrische Verbraucher 310–330.

Die Schnittstellenschaltung 200 kann bspw. in CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor bzw. komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) realisiert werden.
Der Mikrogenerator 100 kann bspw. als piezoelektrischer Generator ausgebildet sein. Als Energiespeicher 210 sind bspw. aufgrund ihrer kleinen Dimensionen und der geringen Leckströme Tantalkondensatoren geeignet. Typische elektrische Verbraucher 300 eines Funksensors sind bspw. ein Transceiver 310, ein Sensor 320 und ein Mikrocontroller 330. Im Folgenden wird jedoch ganz allgemein vom elektrischen Verbraucher gesprochen.
Die elektrischen Verbraucher 300 benötigen für ihre Versorgung einen Spannungspegel, der in der Regel größer ist als der Spannungspegel, der vom Mikrogenerator 100 erzeugt werden kann. Bspw. der Transceiver 310 hat in der Regel einen deutlich größeren Leistungsverbrauch als im Mittel in Form von Eingangsleistung vom Mikrogenerator 100 zur Verfügung gestellt werden kann.
Die Funktion der idealerweise voll integrierten Schnittstellenschaltung 200 liegt darin, die vom Mikrogenerator 100 gewonnene Energie zu prozessieren, d. h. eine DC-DC Wandlung zu verrichten und die für die elektrischen Verbraucher 300 erforderliche Energieversorgung zum richtigen Zeitpunkt bereitzustellen.
Die 2 zeigt das energieautarke Mikrosystem 1 und insbesondere die Schnittstellenschaltung 200 im Detail. Der Piezowandler 100 erzeugt in bekannter Weise elektrische Energie bzw. Leistung im Milli- oder Mikrowattbereich, die über einen Gleichrichter 220 in einen ersten Kondensator 211 der Schnittstellenschaltung 200 gelangt und dort gespeichert wird. Wie oben erläutert reicht die vom Piezowandler 100 zur Verfügung gestellte Leistung bzw. Spannung jedoch nicht aus, um die bereits erwähnten elektrischen Verbraucher 300 sowie weitere elektrische Verbraucher 240, 260, 270, 280, 290 der Schnittstellenschaltung 200, die zum Betrieb der Schaltung 200 benötigt werden, direkt zu versorgen.
Die Spannung VX des ersten Kondensators 211 ändert sich mit der vom Piezogenerator 100 zugeführten Energie und wird in einem Knoten X von einem Spannungsregulator 240 überwacht. Wie im Folgenden beschrieben wird VX zwischen zwei Spannungsschwellen VX1 und VX2 reguliert (mit VX2 > VX1), wenn VX aufgrund der vom Piezowandler 100 zufließenden Energie die untere Spannungsschwelle VX1, die bspw. bei VX1 = 1,5 V liegen kann, überschreitet. Neben der Regulierung von VX werden zunächst, d. h. bspw. nach dem Einschalten des Mikrogenerators 100 oder sobald der Mikrogenerator 100 Energie liefert, durch einen Trigger 230 der Schnittstellenschaltung 200 ein Oszillator 270, ein Taktgeber 280 und ein VREF/IREF-Generator 290 eingeschaltet, sobald die Spannung VX im Knoten X eine Spannungsschwelle VX0 überschreitet. VX0 kann bspw. VX0 = 1 V betragen. Die entsprechende Überwachung von VX kann bspw. durch den Trigger 230 erfolgen. Der VREF/IREF-Generator 290 erzeugt in bekannter Weise einen Stromreferenzwert IREF sowie einen Spannungsreferenzwert VREF. Der Taktgeber 280 erzeugt unter Verwendung eines Ausgangssignals des Oszillators 270 in bekannter Weise mehrere Taktsignale CLK1a, CLK1b und CLK2, die bspw. in einer Größenordnung CLK1a = CLK1b = 1 MHz und CLK2 = 10 kHz liegen, wobei die Amplituden der einzelnen Pulse der Spannung VX entsprechen.
Die Referenzwerte IREF, VREF sowie das Taktsignal CLK2 werden dem Spannungsregulator 240 zugeführt, der detailliert in der 3 dargestellt ist. Der Spannungsregulator 240 ist seinerseits mit einem Schalter S1 verbunden. Der Spannungsregulator 240 überwacht die Spannung bzw. das Potential im Knoten X (im Folgenden wird einheitlich der Begriff ”Spannung” verwendet). Sobald die Spannung VX im Knoten X die Spannungsschwelle VX2 = 1,8 V erreicht, wird der Schalter S1 geschlossen, d. h. die im ersten Kondensator 211 gespeicherte Energie kann abfließen und gelangt so über den Schalter S1 in eine Ladungspumpe 250. Dementsprechend fällt die Spannung VX im Kondensator 211 und im Knoten X mit der Zeit ab. Sobald die Spannung VX unter die Spannungsschwelle VX1 = 1,5 V gefallen ist, wird der Schalter S1 vom Spannungsregulator 240 geöffnet, so dass keine Energie mehr vom Kondensator 211 über den Schalter S1 zur Ladungspumpe 250 abfließen kann.
Die getaktete Ladungspumpe 250, der die Taktsignale CLK1a und CLK1b zugeführt werden und die in bekannter Weise arbeitet, transportiert die Energie zu einem Energiespeicher 212, der ebenfalls als Kondensator ausgebildet ist. Die Ladungspumpe kann bspw. mit einem integrierten Ring-Oszillator arbeiten, dessen Frequenz besonders in Betrieb mit sehr niedrigen Spannungen durch Prozessschwankungen stark vom Nominalwert abweichen kann.
Ein zweiter Spannungsregulator 260, dem wie auch dem ersten Spannungsregulator 240 die Referenzwerte IREF, VREF sowie das Taktsignal CLK2 zugeführt werden, überwacht die im zweiten Kondensator 212 gespeicherte Energie über die Überwachung der Spannung VY im Knoten Y.
Sobald die Spannung VY einen Schwellenwert VY2 = 2,5 V erreicht, schließt der zweite Spannungsregulator 260 einen weiteren Schalter S2, so dass die im zweiten Kondensator 212 gespeicherte Energie den elektrischen Verbrauchern 300 zur Verfügung gestellt wird. Sobald in Folge dessen die Spannung VY unter einen Schwellwert VY1 = 2,0 V fällt, wird der Schalter S2 wieder geöffnet, so dass keine Energie mehr fließen kann.
Der Schalter 92 wird also prinzipiell vom zweiten Spannungsregulator 260 in gleicher Weise betrieben, wie der Schalter S1 vom ersten Spannungsregulator 240, mit dem Unterschied, dass die Schwellenwerte VY1, VY2 größer gewählt werden als die Schwellenwerte VX1, VX2. Die konkreten Werte von VY1 und VY2 richten sich natürlich nach den für den Betrieb der elektrischen Verbraucher 300 benötigten Leistungen bzw. Betriebsspannungen.
Der Energietransfer zwischen den Knoten X und Y sowie zwischen dem Knoten Y und dem Ausgang bzw. den Verbrauchern 300 spielt sich in Paketen ab, da die Schalter S1 und S2 je nach Spannung VX bzw. VY öffnen oder schließen. Die Energieversorgung der Verbraucher 300 erfolgt dementsprechend nicht ununterbrochen bzw. kontinuierlich, sondern nur in bestimmten Zeitfenstern.
Die Energiemenge, die ein Paket enthält, das vom ersten Kondensator 211 abfließt, ist durch die Spannungsschwellen VX1 und VX2 sowie durch die Kapazität CX des ersten Kondensators 211 bestimmt. Entsprechendes gilt für die Energiemenge der Pakete, die vom zweiten Kondensator 212 zu den elektrischen Verbrauchern 300 gelangen: Hier sind die Energieschwellen VY1 und VY2 sowie die Kapazität CY des zweiten Kondensators 212 ausschlaggebend. Auf diese Art und Weise kann für eine kurze Zeitdauer deutlich höhere Leistung bereitgestellt werden, wie sie am Ausgang der Schnittstellenschaltung 200 für die elektrischen Verbraucher 300 benötigt wird.
Neben der oben beschriebenen Aufgabe der Spannungsregulierung am Knoten X hat diese eine weitere Funktion: Die Effizienz des Gleichrichters 220 am Eingang der Schnittstellenschaltung 200 ist stark von der Spannung VX abhängig. Durch ihre Regulierung kann gewährleistet werden, dass der Betrieb im optimalen Arbeitsbereich erfolgt und damit eine hohe Systemeffizienz erzielbar ist.
Die 3 zeigt die Bauweise eines Spannungsregulators, nach der die beiden Spannungsregulatoren 240, 260 der Schnittstellenschaltung 200 konstruiert sind. Das gezeigte Beispiel und die im Folgenden aufgeführten Erläuterungen zum Spannungsregulator beziehen sich auf den ersten Spannungsregulator 240, mit dem die Spannung VX im Knoten X überwacht wird, d. h. die Spannung VX liegt an zwei Eingängen 241, 242 des Spannungsregulators 240 an. Der Ausgang 249 des Spannungsregulators 240 ist mit dem Schalter S1 verbunden. Die Eingänge 241, 242 des Spannungsregulators 240 bilden die Eingänge zweier Zweige 240-VX1, 240-VX2 des Spannungsregulators 240, wobei den beiden Spannungsschwellen VX1, VX2 jeweils ein Zweig zugeordnet ist.
Im Spannungsregulator 240 werden mehrere Spannungsteiler benötigt, die die interne (”On-Chip”) Referenzspannung VREF nutzen, um die benötigten Spannungsschwellen VX1, VX2 zu definieren.
Im ersten Zweig 240-VX1 wird die am Eingang 241 anliegende Spannung VX mit dem ersten Schwellenwert VX1 verglichen. Im zweiten Zweig 240-VX2 wird die am Eingang 242 anliegende Spannung VX mit dem zweiten Schwellenwert VX2 verglichen. Jeder Zweig weist im Wesentlichen Standardbauteile wie bspw. Widerstände R1, R2 im ersten Zweig, Widerstände R3, R4 im zweiten Zweig, D- bzw. RS-Flip-Flops 247, 248 sowie einen mit CLK2 getakteten gelachten Komparator 245, 246 auf. Die grundsätzliche Funktionsweise eines derartigen Zweiges eines Spannungsregulators, der eine Eingangsspannung mit einer Referenzspannung bzw. einem Spannungsschwellwert vergleicht und in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs einen digitalen Wert ausgibt, ist an sich bekannt. Auch die Kombination zweier derartiger Zweige, die in der 3 dargestellt ist und die darin resultiert, dass am Ausgang 249 ein Signal anliegt, das von zwei Schwellenwerten abhängt, ist bekannt.
Im Folgenden wird daher nur auf die gegenüber dieser bekannten Funktionsweise durchgeführten Änderungen eingegangen, die im Hinzufügen jeweils eines Schalters 243, 244 in jedem der beiden Zweige des Spannungsregulators 240 liegen. Deren Funktion wird anhand des Schalters 243 im ersten Zweig 240-VX1 des ersten Spannungsregulators 240 beschrieben. Der Schalter 244 bzw. der Zweig 240-VX2 funktioniert analog hierzu.
Damit der Leistungsverbrauch des Spannungsregulators im Nanowattbereich bleibt und keine zusätzlichen externen Komponenten wie bspw. Widerstände verwendet werden müssen, ist für jeden Zweig 240-VX1, 240-VX1 als Schalter 243, 244 ein getakteter, voll integrierter Spannungsteiler implementiert, der nur für eine kurze Zeitdauer Δt aktiv ist. Der Komparator ist ebenfalls nur intermittierend aktiv.
Der Schalter 243 arbeitet erfindungsgemäß getaktet. D. h. der Schalter 243 wird geöffnet – einhergehend mit einer Unterbrechung der Leitung, in die der jeweilige Schalter integriert ist – wenn das den Schalter 243 steuernde Taktsignal CLKsw bspw. eine ”0” ist (hierbei entspricht CLKsw der Taktung CLK2). Umgekehrt wird der Schalter 243 geschlossen, wenn das Taktsignal CLKsw eine ”1” ist. Demzufolge wird das am Eingang 241 anliegende Spannungssignal VX nur während Zeitfenstern Δt, in denen CLKsw = 1 gilt, an den Komparator 245 weitergeleitet. Typischerweise wird hier mit einem Tastgrad g (auch al Tastverhältnis bezeichnet) in einer Größenordnung von etwa g = 2–3% gearbeitet. Dabei ist der Tastgrad g definiert als Quotient aus der Zeitdauer Δt, die sich der Schalter in geschlossenem Zustand befindet, und dem zeitlichen Abstand ΔT zwischen zwei aufeinander folgenden geschlossenen Zuständen bzw. zwischen zwei Zeiträumen, in denen gilt CLKsw = 1, d. h. g = Δt/ΔT = 2–3%. Die Überwachung der Spannung VX erfolgt demnach nicht ununterbrochen oder kontinuierlich, sondern getaktet, d. h. in vorzugsweise regelmäßigen Abständen ΔT für kurze Zeitdauern Δt.
Je nach Anwendung und zur Verfügung stehender Energie kann verallgemeinert werden, dass ein Tastgrad g ≤ 5%, insbesondere g ≤ 3%, geeignet ist.
Die Taktsignale des Schalters 243 und des zugeordneten Komparators 245 sind aufeinander abgestimmt, insbesondere, evtl. bis auf die Amplitude der Pulse der Taktsignale, identisch.
Konkret bestehen die Schalter 243, 244 jeweils aus einem Transistor MP10, MP11. Die Kombination aus dem Schalter 243 mit dem Spannungsteiler R1, R2 im ersten Zweig bildet somit einen getakteten Spannungsteiler. Gleiches gilt für die Kombination aus den Widerständen R3, R4 und dem Schalter 244 im zweiten Zweig.
Diese Modifikation gegenüber einem handelsüblichen Spannungsregulator hat vorteilhafterweise zur Folge, dass an den Eingängen 241, 242 nur dann ein Strom fließen kann, wenn das Taktsignal CLKsw aktiv ist (d. h. CLKsw = 1), wenn also ein Puls an den Schaltern 243, 244 anliegt. Dies resultiert darin, dass in der Summe aufgrund des niedrigen Duty Cycle nur ein sehr geringer Teil der in den Kondensatoren 211, 212 gespeicherten Energie in den Spannungsregulator 240 fließt.
Die übliche Funktionsweise eines Spannungsregulators sieht am Eingang keinen Schalter vor, d. h. die Eingangsspannung liegt kontinuierlich an und es flieht ein ununterbrochener Strom. Dies hat nachteilig zur Folge, dass der Energiequelle, die den Strom zur Verfügung stellt, ständig Energie entzogen wird, die in der Folge nicht mehr zum Betrieb der elektrischen Verbraucher nutzbar ist. Im vorliegenden Beispiel, bei dem wie einleitend erläutert nur sehr geringe Energiemengen zur Verfügung stehen, wäre ein derartiger handelsüblicher Spannungsregulator nicht einsetzbar. Das Vorsehen der getakteten Schalter 243, 244 an den Eingängen des Spannungsregulators 240 gewährleistet demgegenüber, dass eine ausreichend große Energiemenge zur Versorgung der elektrischen Verbraucher 300 zur Verfügung steht.
Der zweite Spannungsregulator 260 ist baugleich zum ersten Spannungsregulator 240 ausgeführt und arbeitet entsprechend, d. h. die obigen Erläuterungen, die anhand des ersten Spannungsregulators 240 und mit Hilfe der Bezugszeichen 241–249, 240-VX1, 240-VX2 und Parameter VX, VX1, VX2 erfolgten, können auf den zweiten Spannungsregulator 260 übertragen werden. Die genannten Bezugszeichen und Parameter könnten für den zweiten Spannungsgenerator 260 also ohne weiteres durch Bezugszeichen 261–269, 260-VY1, 260-VY2 und Parameter VY, VY1, VY2 ersetzt werden, um in der 2 den zweiten Spannungsgenerator 260 darzustellen.
Zu den diversen Taktsignalen CLK2, CLK1a, CLK1b ist anzumerken, dass die Taktsignale bzw. Pulse für den ersten Spannungsregulator 240 die Amplitude VX aufweisen. Die Taktfrequenz von CLKsw entspricht derjenigen des im Taktgenerator erzeugten Taktsignals CLK2.
Die Eingänge der Spannungsregulatoren sind jeweils an den Knoten angeschlossen, dessen Spannung überwacht und reguliert werden soll, d. h. für den ersten Spannungsregulator 240 an den Knoten X und für den zweiten Spannungsregulator an den Knoten Y (vgl. 2). Da insbesondere die Spannung VY im zweiten Spannungsregulator 260 von der Schaltspannung der Transistoren MP10, MP11 abweichen kann, die zum Betätigen der Schalter 263, 264 benötigt wird, kann evtl. ein Verstärker bzw. ein sog. Level-Shifter nötig werden, damit die Transistoren in den Spannungsteilern MP10, MP11 als Schalter funktionieren können. Die Amplitude der Pulse des Taktsignals CLKsw, das am jeweiligen Gate der Transistoren der Schalter 263, 264 anliegt und das diese Transistoren schaltet, sollte je nach Transistorbauart an die Amplitude des Signals angepasst sein, das vom Transistor durchgeschaltet werden soll. Im Falle des zweiten Spannungsregulators bedeutet dies, dass die Amplitude von CLKsw zumindest im Wesentlichen VY entsprechen sollte.
Um dies zu erreichen wird der bereits erwähnte Level-Shifter benötigt. Eine entsprechende Schaltung 400 ist in der 4 dargestellt. Im Wesentlichen wird durch diese Schaltung 400 mit Hilfe des Level-Shifters 402 die Amplitude der Pulse des Taktsignals CLK2 von einem niedrigen Wert (VX) auf einen höheren Wert (VY) verstärkt, wobei die Taktfrequenz nicht verändert wird. D. h. das der Schaltung 400 entnehmbare Taktsignal CLKsw weist eine Amplitude VY und dieselbe Taktfrequenz wie CLK2 auf. Die in 4 eingezeichneten Inverter 401 dienen als Buffer, die eingesetzt werden können, wenn die Leitung, über die das Taktsignal übertragen werden soll, vergleichsweise lang ist.
Im zweiten Spannungsregulator 260 hat das Taktsignal CLKsw der Schalter 263, 264 demnach die Amplitude VY und dieselbe Frequenz wie CLK2.
Eine verlässliche Systemdimensionierung kann natürlich nur dann erreicht werden, wenn die für die Spannungsüberwachung nötigen Spannungsschwellen präzis definiert sind. Sämtliche im Zusammenhang mit den Figuren genannten Zahlenwerte, insbesondere Schwellwerte und Taktfrequenzen, sind exemplarisch zu verstehen und natürlich an die jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten anzupassen.

Claims

Integrierte Schnittstellenschaltung (200) zum Prozessieren einer von einem Mikrogenerator (100) erzeugten elektrischen Leistung an einen elektrischen Verbraucher (300) mit einem ersten Energiespeicher (212), einem ersten Spannungsregulator (260) und einem ersten Schalter (S2), wobei die vom Mikrogenerator (100) erzeugte Energie dem ersten Energiespeicher (212) zuführbar und dort zwischenspeicherbar ist und der erste Energiespeicher (212) über den Schalter (S2), der in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Spannungsregulators (260) einen geöffneten oder einen geschlossenen Zustand einnimmt, mit dem Verbraucher (300) elektrisch verbunden ist, wobei im geschlossenem Zustand des Schalters (S2) elektrische Energie vom ersten Energiespeicher (212) zum elektrischen Verbraucher (300) fließen kann, wobei – der Spannungsregulator (260) einen ersten Schaltungszweig (260-VY1) mit einem ersten Eingang (261) und einen zweiten Schaltungszweig (260-VY2) mit einem zweiten Eingang (262) aufweist, – der Spannungsregulator (260) mit dem Energiespeicher (212) elektrisch verbunden ist, um eine Spannung VY des ersten Energiespeichers (212) zu überwachen und das Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spannung VY zu erzeugen, – die Spannung VY an dem ersten und an dem zweiten Eingang (261, 262) anliegt und im ersten Schaltungszweig (260-VY1) mit einer ersten Spannungsschwelle VY1 sowie im zweiten Schaltungszweig (260-VY2) mit einer zweiten Spannungsschwelle VY2 vergleichbar ist, wobei gilt VY1 < VY2, und wobei – an dem ersten und an dem zweiten Eingang (261, 262) jeweils ein Taktschalter (263, 264) vorgesehen ist, welcher taktgesteuert abwechselnd einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand einnimmt.
Schnittstellenschaltung (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregulator (260) ausgebildet ist, um das Ausgangssignal derart zu erzeugen, dass – der Schalter (S2) einen geschlossenen Zustand annimmt, wenn die Spannung VY die zweite Spannungsschwelle VY2 erreicht, und – der Schalter (S2) einen geöffneten Zustand annimmt, wenn die Spannung VY eine erste Spannungsschwelle VY1 erreicht, wobei gilt VY1 < VY2.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen weiteren Energiespeicher (211), einen weiteren Spannungsregulator (240) und einen weiteren Schalter (S1) aufweist, wobei – die vom Mikrogenerator (100) erzeugte Energie zunächst dem weiteren Energiespeicher (211) zuführbar und dort zwischenspeicherbar ist und – der weitere Energiespeicher (211) über den weiteren Schalter (S1) mit dem ersten Energiespeicher (212) elektrisch verbunden ist, wobei der weitere Schalter (S1) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des weiteren Spannungsregulators (240) einen geöffneten oder einen geschlossenen Zustand einnimmt.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der weitere Spannungsregulator (240) einen ersten Schaltungszweig (240-VX1) mit einem ersten Eingang (241) und einen zweiten Schaltungszweig (240-VX2) mit einem zweiten Eingang (242) aufweist, – der weitere Spannungsregulator (240) mit dem weiteren Energiespeicher (211) elektrisch verbunden ist, um eine Spannung VX des weiteren Energiespeichers (211) zu überwachen und das Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spannung VX zu erzeugen, – die Spannung VX an dem ersten und an dem zweiten Eingang (241, 242) anliegt und im ersten Schaltungszweig (240-VX1) mit einer ersten Spannungsschwelle VX1 sowie im zweiten Schaltungszweig (240-VX2) mit einer zweiten Spannungsschwelle VX2 vergleichbar ist, wobei gilt VX1 < VX2, und wobei – an dem ersten und an dem zweiten Eingang (241, 242) jeweils ein weiterer Taktschalter (243, 244) vorgesehen ist, welcher taktgesteuert abwechselnd einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand einnimmt.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladungspumpe (250) zwischen den weiteren Schalter (S1) und den ersten Energiespeicher (212) geschaltet ist.
Verfahren zum Prozessieren einer von einem Mikrogenerator (100) erzeugten elektrischen Leistung an einen elektrischen Verbraucher (300), bei dem – die erzeugte elektrische Leistung einem ersten Energiespeicher (212) zugeführt und dort zwischengespeichert wird, – ein Spannungsregulator (260) eine Spannung VY des ersten Energiespeichers (212) überwacht und ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spannung VY erzeugt, – ein Schalter (S2), über den der erste Energiespeicher (212) mit dem elektrischen Verbraucher (300) elektrisch verbunden ist, in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal in einen geöffneten oder in einen geschlossenen Zustand überführt wird, wobei bei geschlossenem Zustand des Schalters (S2) elektrische Energie vom ersten Energiespeicher (212) zum elektrischen Verbraucher (300) fließen kann, wobei die Überwachung der Spannung VY im Spannungsregulator (260) getaktet erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung VY im Spannungsregulator (260) mit einem ersten Schwellenwert VY1 und mit einem zweiten Schwellenwert VY2 verglichen wird, wobei gilt VY1 < VY2 und wobei der Schalter (S2) mit Hilfe der Ausgangssignals – geschlossen wird, wenn die Spannung VY den Schwellenwert VY2 erreicht, und – wieder geöffnet wird, wenn die Spannung VY den ersten Schwellenwert VY1 erreicht.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die von dem Mikrogenerator (100) erzeugte elektrische Leistung zunächst einem weiteren Energiespeicher (211) zugeführt und dort zwischengespeichert wird, – ein weiterer Spannungsregulator (240) eine Spannung VX des weiteren Energiespeichers (211) überwacht und ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spannung VX erzeugt, – ein weiterer Schalter (S1), über den der weitere Energiespeicher (211) mit dem ersten Energiespeicher (212) verbunden ist, in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des weiteren Spannungsregulators (240) in einen geöffneten oder in einen geschlossenen Zustand überführt wird, wobei bei geschlossenem Zustand des Schalters (S1) elektrische Energie vom weiteren Energiespeicher (211) zum ersten Energiespeicher (212) fließen kann, wobei die Überwachung der Spannung VX im weiteren Spannungsregulator (240) getaktet erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung VX im weiteren Spannungsregulator (240) mit einem ersten Schwellenwert VX1 und mit einem zweiten Schwellenwert VX2 verglichen wird, wobei gilt VX1 < VX2 und wobei der weitere Schalter (S1) mit Hilfe des Ausgangssignals – geschlossen wird, wenn die Spannung VX den Schwellenwert VX2 erreicht, und – wieder geöffnet wird, wenn die Spannung VX den ersten Schwellenwert VX1 erreicht.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladungspumpe (250) verwendet wird, um elektrische Energie vom weiteren Energiespeicher (211) zum ersten Energiespeicher (212) zu befördern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die getaktete Überwachung der Spannung mit einem Tastgrad g ≤ 5%, insbesondere g ≤ 3%, erfolgt.