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Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen zum Betreiben von Stromverbrauchern. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen für Stromverbraucher.
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Elektronische Systeme weisen im Allgemeinen eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen auf, die von verschiedenen Funktionseinheiten bereitgestellt werden. Jede Funktionseinheit stellt einen Stromverbraucher dar, der mit einer Versorgungsspannung als Betriebsspannung zur Durchführung eines bestimmungsgemäßen Betriebs versorgt werden muss.
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Derartige elektronische Systeme sind beispielsweise Mobilfunkgeräte, die heutzutage neben der Sprachübermittlung eine Vielzahl weiterer Funktionen aufweisen. Neben Funktionseinheiten, wie beispielsweise Leistungsverstärkern, einem Basisband-Prozessor, einem Applikationsprozessor, einem Bild- und CMOS-Sensor, kann als weitere Funktionseinheit in Mobilfunkgeräten beispielsweise eine Kamera integriert sein. Bei hochwertigen Geräten kann die Kamera mit einem Blitzlicht ausgestattet sein kann.
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Zur Versorgung der einzelnen Funktionseinheiten kann eine Versorgungsspannung als Betriebsspannung zum Betreiben der verschiedenen Funktionsblöcke von einer Batterie beziehungsweise einem Akku bereitgestellt werden. Insbesondere wenn mehrere solcher Stromverbraucher gleichzeitig aktiviert sind, wird eine Spannungsquelle, die die Betriebsspannungen der einzelnen Funktionseinheiten bereitstellt, stark belastet. zur Gewährleistung eines einwandfreien Betriebs der einzelnen Funktionseinheiten muss sichergestellt werden, dass trotz des erhöhten Strombedarfs die Spannung der Spannungsquelle nicht unter einen Schwellwert absinkt. Das Absinken der Versorgungsspannung unter einen bestimmten Schwellwert hat im Allgemeinen einen unerwünschten Neustart (Reset) des gesamten Systems zur Folge.
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Es ist wünschenswert, eine integrierte Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen anzugeben, wobei die integrierte Schaltung sicherstellt, dass bei einem hohen Stromverbrauch von einzelnen Stromverbrauchseinrichtungen, insbesondere bei einem gleichzeitigen Aktivieren der einzelnen Verbraucher, ein einwandfreier Betrieb der Stromverbrauchseinheiten gewährleistet ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Bereitstellen von Versorgungspannungen angegeben werden, mit dem sichergestellt werden kann, dass auch bei gleichzeitigem Betrieb von mehreren Stromverbrauchern die Versorgung der einzelnen Stromverbraucher mit einer ausreichend hohen Versorgungsspannung zur Gewährleistung eines einwandfreien, bestimmungsgemäßen Betriebs der Stromverbraucher sichergestellt ist.
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Eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen umfasst eine Spannungsquelle zum Erzeugen einer ersten Versorgungsspannung, einen Ladungsspeicher zum Erzeugen einer zweiten Versorgungsspannung, eine erste Stromverbrauchseinrichtung und eine zweite Stromverbrauchseinrichtung, wobei die erste Stromverbrauchseinrichtung im bestimmungsgemäßen Betrieb einen niedrigeren Stromverbrauch als die zweite Stromverbrauchseinrichtung aufweist. Die integrierte Schaltung umfasst des Weiteren eine Steuerschaltung zur Steuerung des Bereitstellens der ersten und zweiten Versorgungsspannung für die erste und zweite Stromverbrauchseinrichtung. Die Steuerschaltung ist derart ausgebildet, dass sie für ein zeitgleiches Betreiben der ersten und zweiten Stromverbrauchseinrichtung in dem jeweiligen bestimmungsgemäßen Betrieb die erste Versorgungsspannung für die zweite Stromverbrauchseinrichtung und die zweite Versorgungsspannung für die erste Stromverbrauchseinrichtung bereitstellt.
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Gemäß der Ausführungsform der integrierten Schaltung ist neben der Spannungsquelle, die beispielsweise als eine Batterie oder ein Akku ausgebildet sein kann, noch ein weiterer Ladungsspeicher vorgesehen. Der Ladungsspeicher kann ein Kondensator, insbesondere ein Superkondensator, sein.
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Die integrierte Schaltung kann mehrere Betriebszustände aufweisen. In einem ersten Betriebszustand wird der Ladungsspeicher durch ein Ankoppeln an die Spannungsquelle aufgeladen. Der Ladevorgang erfolgt so lange, bis der Ladungsspeicher die zweite Versorgungsspannung mit einem Pegel, der über dem Pegel der von der Spannungsquelle bereitgestellten ersten Versorgungsspannung liegt, aufweist. Während des Aufladens des Ladungsspeichers wird die erste Stromverbrauchseinrichtung in dem bestimmungsgemäßen Betriebszustand betrieben. Dazu wird die erste Stromverbrauchseinrichtung an die Spannungsquelle gekoppelt. Von der Spannungsquelle wird die erste Versorgungsspannung als Betriebsspannung für ein bestimmungsgemäßes Betreiben der ersten Stromverbrauchseinrichtung bereitgestellt. Wenn die erste Stromverbrauchseinrichtung als Mobilfunksystemeinheit zu einer drahtlosen Datenübertragung ausgebildet ist, kann sie Funktionsblöcke, wie beispielweise Leistungsverstärker, Audio-, Basisband- und Applikations-Prozessoren umfassen.
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Die integrierte Schaltung kann in einem zweiten Betriebszustand betrieben werden, in dem die erste Stromverbrauchseinrichtung, beispielsweise die Mobilfunksystemeinheit, als auch die zweite Stromverbrauchseinrichtung, beispielsweise die Blitzlichteinheit einer Kamera, aktiviert sind. In dem aktivierten Zustand befinden sich die erste und zweite Stromverbrauchseinrichtung in einem bestimmungsgemäßen Betriebszustand. Im bestimmungsgemäßen Betriebszustand führt die erste Stromverbrauchseinrichtung beispielsweise eine drahtlose Datenübertragung durch. Die zweite Stromverbrauchseinrichtung löst in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb beispielsweise einen Lichtpuls, insbesondere ein Blitzlicht aus.
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In dem zweiten Betriebszustand wird die Spannungsquelle von der ersten Stromverbrauchseinrichtung getrennt. Anstelle der Spannungsquelle wird der Ladungsspeicher zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für die erste Stromverbrauchseinrichtung mit derselben gekoppelt. Die zweite Stromverbrauchseinrichtung wird mit der Spannungsquelle gekoppelt. Somit wird die Versorgungs- beziehungsweise Betriebsspannung zum bestimmungsgemäßen Betreiben der ersten Stromverbrauchseinrichtung für die erste Stromverbrauchseinrichtung von dem Ladungsspeicher und die Versorgungsspannung zum Betreiben der zweiten Stromverbrauchseinrichtung in einem bestimmungsgemäßen Betrieb von der Spannungsquelle bereitgestellt.
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Wenn die erste Stromverbrauchseinrichtung im Vergleich zu der zweiten Stromverbrauchseinrichtung einen geringeren Strombedarf hat, kann der Ladungsspeicher kleiner ausgeführt werden, als es für eine integrierte Schaltung erforderlich wäre, bei der die erste Stromverbrauchseinrichtung mit der von der Spannungsquelle erzeugten ersten Versorgungsspannung und die zweite Stromverbrauchseinrichtung mit der von dem Ladungsspeicher erzeugten zweiten Versorgungsspannung versorgt würden. Der Ladungsspeicher kann beispielsweise als ein Superkondensator ausgebildet sein.
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Da die Spannungsquelle einen größeren Strompegel als der Ladungsspeicher zur Verfügung stellen kann, ist sichergestellt, dass der Stromverbrauch der zweiten Stromverbrauchseinrichtung von der Spannungsquelle gedeckt werden kann. Des Weiteren kann der geringere Stromverbrauch der ersten Stromverbrauchseinrichtung von dem Ladungsspeicher gedeckt werden. Da somit jeder Stromverbraucher auch bei gleichzeitigem Betrieb ausreichend mit einer jeweiligen Versorgungsspannung versorgt ist und die von der Spannungsquelle bereitgestellte erste Versorgungsspannung sowie die von dem Ladungsspeicher bereitgestellte zweite Versorgungsspannung nicht unter einen Schwellwert absinken, ist sichergestellt, dass bei gleichzeitigem Betrieb der ersten und zweiten Stromverbrauchseinrichtung ein Neustart (Reset) der integrierten Schaltung verhindert werden kann.
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Des weiteren kann die integrierte Schaltung in einem dritten Betriebszustand betrieben werden, in dem die erste Stromverbrauchseinrichtung aktiviert und die zweite Stromverbrauchseinrichtung deaktiviert ist. In diesem Fall steuert die Steuerschaltung die integrierte Schaltung derart, dass die erste Stromverbrauchseinrichtung an die Spannungsquelle gekoppelt ist. Die von der Spannungsquelle bereitgestellte erste Versorgungsspannung wird als Betriebsspannung zum Betreiben der ersten Stromverbrauchseinrichtung in dem bestimmungsgemäßen Betrieb verwendet. Der Ladungsspeicher, der sich im dritten Betriebszustand der integrierten Schaltung in einem aufgeladenen Zustand befindet, kann im dritten Betriebszustand von der Spannungsquelle, der ersten Stromverbrauchseinrichtung und der zweiten Stromverbrauchseinrichtung entkoppelt sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Ladungsspeicher im dritten Betriebszustand von der Spannungsquelle und der zweiten Stromverbrauchseinrichtung entkoppelt, während er mit der ersten Stromverbrauchseinrichtung gekoppelt ist. Die erste Stromverbrauchseinrichtung, beispielsweise die Mobilfunksystemeinheit, ist somit mit der Spannungsquelle und dem Ladungsspeicher gekoppelt. Die Versorgungsspannung zum Betreiben der ersten Stromverbrauchseinrichtung in dem bestimmungsgemäßen Betrieb wird dann im Wesentlichen von der Spannungsquelle bereitgestellt. Der Ladungsspeicher kann zur Pufferung der Spannungsquelle verwendet werden.
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Eine derartige Ausführungsform der integrierten Schaltung ist insbesondere bei einer Mobilfunksystemeinheit von Vorteil, bei der ein Superkondensator als Ladungsspeicher zur Pufferung einer als Batterie ausgeführten Spannungsquelle verwendet werden kann. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen bewirkt der Innenwiderstand der Batterie einen hohen Spannungsabfall, wenn von der ersten Stromverbrauchseinrichtung, insbesondere von Leistungsverstärkern der Mobilfunksystemeinheit, aus der Batterie ein hoher Strom gezogen wird. Aufgrund des Spannungsabfalls am Innenwiderstand der Spannungsquelle kann dann ein Schwellwert der ersten Versorgungsspannung unterschritten werden, was zu einem Neustart des Systems führen kann.
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Bei niedrigen Temperaturen und einem niedrigen Pegel der ersten Versorgungsspannung, beispielsweisen infolge abnehmender Batteriespannung, kann zur Verhinderung eines Neustarts des Systems die Leistung der Leistungsverstärker der Mobilfunksystemeinheit reduziert werden. Diese Leistungsreduktion hat jedoch eine verminderte Sprachqualität während eines Telefonats zur Folge.
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Durch die Pufferung der Spannungsquelle mit dem Ladungsspeicher kann ein Absinken der zum Betreiben der ersten Stromverbrauchseinrichtung notwenigen Versorgungsspannung verhindert werden.
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Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen umfasst das Bereitstellen einer ersten Stromverbrauchseinrichtung und einer zweiten Stromverbrauchseinrichtung, wobei die erste Stromverbrauchseinrichtung in einem bestimmungsgemäßen Betrieb einen niedrigeren Stromverbrauch als die zweite Stromverbrauchseinrichtung aufweist. In einem ersten Betriebszustand der integrierten Schaltung wird zum Betreiben der ersten Stromverbrauchseinrichtung in dem bestimmungsgemäßen Betrieb eine erste Versorgungsspannung bereitgestellt, indem eine Spannungsquelle mit der ersten Stromverbrauchseinrichtung gekoppelt wird. Zum Bereitstellen einer zweiten Versorgungsspannung wird ein Ladungsspeicher auf eine Ladung aufgeladen, indem der Ladungsspeicher mit der Spannungsquelle in dem ersten Betriebszustand der integrierten Schaltung gekoppelt wird. In einem zweiten Betriebszustand der integrierten Schaltung wird zum Betreiben der ersten Stromverbrauchseinrichtung in dem bestimmungsgemäßen Betrieb die zweite Versorgungsspannung durch Koppeln des Ladungsspeichers mit der ersten Stromverbrauchseinrichtung bereitgestellt. In dem zweiten Betriebszustand der integrierten Schaltung wird zum Betreiben der zweiten Stromverbrauchseinrichtung in dem bestimmungsgemäßen Betrieb die erste Versorgungsspannung durch Koppeln der Spannungsquelle mit der zweiten Stromverbrauchseinrichtung bereitgestellt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert, Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen,
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2 eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen in einem ersten Betriebszustand,
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3 eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen in einem zweiten Betriebszustand,
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4 eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen,
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5 eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen in einem ersten Betriebszustand,
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6 eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen in einem zweiten Betriebszustand,
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7 eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen in einem dritten Betriebszustand.
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1 zeigt eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung 1 zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen VBAT und VCAP für eine Stromverbrauchseinrichtung 30 und eine Stromverbrauchseinrichtung 40. Die Stromverbrauchseinrichtung 30 kann beispielsweise eine Mobilfunksystemeinheit sein, die im bestimmungsgemäßen Betrieb zur drahtlosen Übertragung von Bild- und Sprachsignalen ausgebildet ist. Die Stromverbrauchseinrichtung 40 kann eine Blitzlichteinheit sein, die im bestimmungsgemäßen Betrieb ein Blitzlicht erzeugt. Zur Erzeugung eines Lichtpulses umfasst die Stromverbrauchseinrichtung 40 Lichtquellen 41, 42. Die Lichtquellen können als Leuchtdioden ausgebildet sein. In ihrem jeweiligen bestimmungsgemäßen Betrieb weist die Stromverbrauchseinrichtung 30 einen niedrigeren Stromverbrauch als die Stromverbrauchseinrichtung 40 auf.
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Die integrierte Schaltung 1 umfasst weiter eine Spannungsquelle 10, die in 1 als Reihenschaltung aus einer ideale Spannungsquelle 11 und einem Innenwiderstand 12 ausgebildet ist. Des Weiteren ist ein Ladungsspeicher 20, der Kondensatoren 21, 22 umfassen kann, vorgesehen. Eine Steuervorrichtung 50 zur Steuerung eines Aufladevorgangs des Ladungsspeichers 20 sowie zur Steuerung des Auslösens eines Blitzlichtsignals ist zwischen den Ladungsspeicher 20 und die Spannungsquelle 10 geschaltet. Die Spannungsquelle 10 ist zwischen einen Eingangsanschluss E1 der Steuervorrichtung und einen Bezugsspannungsanschluss M geschaltet. Der Ladungsspeicher 20 ist zwischen einen Ausgangsanschluss A1 der Steuervorrichtung und einen Bezugsspannungsanschluss M geschaltet.
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Die Steuervorrichtung 50 umfasst des Weiteren eine Steuerschaltung 51, der an einem Eingangsanschluss E2 der Steuervorrichtung 50 ein Steuersignal S zur Steuerung eines Ladevorgangs des Ladungsspeichers 20 beziehungsweise zur Steuerung des Auslösens eines Blitzlichts zugeführt wird. Ein Gleichspannungswandler 52, der beispielsweise als ein induktiver DC/DC-Wandler ausgebildet sein kann, ist zwischen den Eingangsanschluss E1 und den Ausgangsanschluss A1 geschaltet. Der Gleichspannungswandler ist über Stromquellen 53 mit Ausgangsanschlüssen A3 und A4 der Steuervorrichtung 50 verbunden. Die Lichtquellen 41 und 42 sind zwischen den Ausgangsanschluss A3 beziehungsweise den Ausgangsanschluss A4 und einen Bezugsspannungsanschluss M geschaltet. Ein Ausgangsanschluss A2 der Steuervorrichtung ist mit einem zwischen dem Kondensator 21 und dem Kondensator 22 liegenden Knoten verbunden. An dem Ausgangsanschluss A2 kann eine Steuerspannung bereitstellt werden, durch die gewährleistet wird, dass die Kondensatoren 21 und 22 auf nahezu die gleiche Spannung aufgeladen werden.
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Die in 1 gezeigte integrierte Schaltung 1 kann in verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden, die in den 2 und 3 erläutert sind. Gleiche Komponenten wie in 1 sind in den 2 und 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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2 zeigt einen ersten Betriebszustand der integrierten Schaltung 1. Zur Steuerung der integrierten Schaltung in den ersten Betriebszustand wird die Steuervorrichtung 50 an dem Eingangsanschluss E2 von einem Zustand des Steuersignals S angesteuert. Die Steuerschaltung 51 koppelt im ersten Betriebszustand den Ladungsspeicher 20 über den Gleichspannungswandler 52 mit der Spannungsquelle 10. Somit wird im ersten Betriebszustand der integrierten Schaltung in dem Ladungsspeicher 20 eine Ladung gespeichert. Die Ladungsspeicherung erfolgt so lange, bis der Ladungsspeicher 20 eine Versorgungsspannung VCAP bereitstellt.
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Des Weiteren ist im ersten Betriebszustand der integrierten Schaltung 1 die Stromverbrauchseinrichtung 30 direkt mit der Spannungsquelle 10 gekoppelt. Die Spannungsquelle 10 stellt somit die Versorgungsspannung VBAT als Betriebsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 30 bereit. Wenn die Stromverbrauchseinrichtung 30 als eine Mobilfunksystemeinheit ausgebildet ist, kann somit im ersten Betriebszustand mittels der Stromverbrauchseinrichtung 30 eine Funkdatenübertragung stattfinden, während gleichzeitig der Ladungsspeicher 20 von der Spannungsquelle 10 und dem Gleichspannungswandler 52 auf eine Ladung aufgeladen wird, sodass der Ladungsspeicher 200 die Versorgungsspannung VCAP bereitstellt.
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3 zeigt eine Ausführungsform der integrierten Schaltung 1 in dem zweiten Betriebszustand. Im zweiten Betriebszustand werden der erste und der zweite Stromverbraucher 30, 40 zeitgleich in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb betrieben. Zum Aktivieren des zweiten Betriebszustands wird an den Eingangsanschluss E2 ein entsprechender Zustand des Steuersignals S angelegt. Die Steuerschaltung 51 entkoppelt daraufhin den Ladungsspeicher 20 von dem Eingangsanschluss E1 und somit von der Spannungsquelle 10. Die Stromverbrauchseinrichtung 30 bleibt weiterhin mit der Spannungsquelle 10 verbunden, die die Versorgungsspannung VBAT als Betriebsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 30 im bestimmungsgemäßen Betrieb bereitstellt. Zum Aktivieren der Stromverbrauchseinrichtung 40, beispielsweise zum Auslösen eines Blitzlichts, wird der Ladungsspeicher 20 über die Stromquelle 53 mit den Lichtquellen 41 und 42 verbunden. Der Ladungsspeicher 20 stellt somit die Versorgungsspannung VCAP als Betriebsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 40 in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb bereit.
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Bei der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform der integrierten Schaltung 1 wird die Versorgungsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 30 von der Spannungsquelle 10 bereitgestellt. Die nach dem Aufladen des Ladungsspeichers 20 von dem Ladungsspeicher bereitgestellte Versorgungsspannung VCAP wird als Betriebsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 40 verwendet. Die Stromverbrauchseinrichtung 40 weist gegenüber der Stromverbrauchseinrichtung 30 einen deutlich größeren Stromverbrauch auf. Beispielsweise können die Stromverbrauchseinrichtungen 30 und 40 in einem Nobilfunkgerät integriert sein. Die Stromverbrauchseinrichtung 30 kann zur drahtlosen Sprachdaten- und Bilddaten-Verarbeitung/-Übertragung geeignet ausgebildet sein. Die Stromverbrauchseinrichtung 40 kann zur Erzeugung eines Blitzlichts ausgebildet sein.
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Der Ladungsspeicher 20 kann beispielsweise als ein Superkondensator ausgebildet sein. Zum Bereitstellen der Versorgungsspannung für eine als Blitzlichteinheit ausgebildete Stromverbrauchseinrichtung 40 weist der Superkondensator beispielsweise eine Kapazität von zirka 550 mF auf.
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Da die Versorgungsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 40 von dem Ladungsspeicher 20 bereitgestellt wird, ist sichergestellt, dass die von der Spannungsquelle 10 bereitgestellte Versorgungsspannung bei gleichzeitigem Aktivieren der Stromverbrauchseinrichtung 30 und der Stromverbrauchseinrichtung 40 nicht unter einen Schwellwert sinkt, der einen Neustart (Reset) des Systems auslösen würde. Im Unterschied zu einer Ausführungsform, bei der die Betriebsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 40 und die Versorgungsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 30 von der Spannungsquelle 10 bereitgestellt werden, sinkt bei der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform der Pegel der Versorgungsspannung VBAT nicht unter den Schwellwert.
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4 zeigt eine Ausführungsform einer integrierten Schaltung 2 zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen für eine Stromverbrauchseinrichtung 300 und eine Stromverbrauchseinrichtung 400. Die integrierte Schaltung kann eine Komponente eines Mobilfunkgerätes sein. Die Stromverbrauchseinrichtung 300 kann beispielsweise als eine Mobilfunksystemeinheit ausgebildet sein, die zur Sprachendaten- und Bilddatenverarbeitung und/oder zur drahtlosen Sprach- und Bildübertragung geeignet ausgebildet ist. Die Stromverbrauchseinrichtung 300 kann zu diesen Zwecken beispielsweise einen Leistungsverstärker, einen Audio-Prozessor, einen Basisband-Prozessor, einen Applikations-Prozessor, einen Bild-Prozessor und einen CMOS-Prozessor, umfassen. Die Stromverbrauchseinrichtung 400 kann als eine Blitzlichteinrichtung mit Lichtquellen 410, 420 ausgebildet sein.
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Zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung VBAT umfasst die integrierte Schaltung 2 eine Spannungsquelle 100, die eine ideale Spannungsquelle 110 und einen Innenwiderstand 120 aufweist. Die Spannungsquelle 100 kann beispielsweise eine Batterie oder ein Akku sein. Des Weiteren umfasst die integrierte Schaltung 2 eine Ladungsspeicher 200, der Kondensatoren 210 und 220 aufweist. Nach Speicherung einer Ladung auf den Kondensatoren 210 und 220 kann von dem Ladungsspeicher 200 eine Versorgungsspannung VCAP bereitgestellt werden. Weiter umfasst die integrierte Schaltung 2 eine Steuervorrichtung 500. Die Steuervorrichtung 500 ist zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtungen 300 in einem bestimmungsgemäßen Betrieb und zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 400 in einem bestimmungsgemäßen Betrieb ausgebildet. Die Steuervorrichtung 500 ist insbesondere dazu ausgebildet, die Versorgungsspannung VBAT, die von der Spannungsquelle 100 erzeugt wird, und die Versorgungsspannung VCAP, die von dem Ladungsspeicher 200 erzeugt wird, für die Stromverbrauchseinrichtungen 300 und 400 bereitzustellen.
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Die Steuerung des Bereitstellens der Versorgungsspannungen erfolgt mittels einer Steuerschaltung 510 der Steuervorrichtung 500. Die Steuerschaltung 510 steuert dazu einen steuerbaren Schalter 550, der zwischen einen Eingangsanschluss E11 der Steuervorrichtung und einen Ausgangsanschluss A11 geschaltet ist, und einen steuerbaren Schalter 560, der zwischen den Ladungsspeicher 200 und die Stromverbrauchseinrichtung 300 geschaltet ist. Im leitenden Zustand verbindet der steuerbare Schalter 550 die Stromverbrauchseinrichtung 300 mit der Spannungsquelle 100. Der steuerbare Schalter 560 verbindet im leitenden Zustand die Stromverbrauchseinrichtung 300 mit dem Ladungsspeicher 200.
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Die Steuervorrichtung 500 umfasst des Weiteren einen Gleichspannungswandler 520, der zwischen einen Eingangsanschluss E12 und einen Ausgangsanschluss A14 der Steuervorrichtung geschaltet ist. Der Gleichspannungswandler 520 ist über eine Stromquelle 540 mit einem Ausgangsanschluss A12 verbunden.
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Die Spannungsquelle 100 ist zwischen den Eingangsanschluss E11 der Steuervorrichtung 500 und einen Anschluss M zum Anlegen eines Bezugspotentials angeschlossen. Die Spannungsquelle 100 kann über eine Induktivität 800 mit dem Eingangsanschluss E12 der Steuervorrichtung 500 verbunden sein. Des Weiteren ist ein Kondensator 600 zwischen den Eingangsanschluss E11 und einen Bezugsspannungsanschluss M geschaltet. Die Stromverbrauchseinrichtung 300 ist an einen Ausgangsanschluss A11 der Stromverbrauchseinrichtung 500 angeschlossen, Der Ladungsspeicher 200 ist zwischen den Ausgangsanschluss A12 und einen Bezugsspannungsanschluss M angeschlossen.
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Der Ladungsspeicher 200 kann als ein Superkondensator ausgeführt sein. Ein Superkondensator beziehungsweise Doppelschichtkondensator umfasst im Wesentlichen zwei Elektroden, die mit einem Elektrolyt benetzt werden. Als Elektrolyt können organische Lösungen aus speziellen Salzen mit einer Dissoziationsspannung über 2,5 V oder wässrige Elektrolyte mit KOH oder Schwefelsäure verwendet werden. Ein ionendurchlässiger Separator verhindert, dass sich die Elektroden berühren, wenn EDLCS wie konventionelle Kondensatoren als Wickel hergestellt werden. Bei organischen Elektrolyten können auch Kunststoffe als Trenner, etwa Polypropylen, bei den wässrigen Elektrolyten Glasfasern oder Keramik verwendet werden. Beim Anlegen einer Spannung, die kleiner ist als die Zersetzungsspannung des Elektrolyten, sammeln sich an beiden Elektroden Ionen umgekehrter Polarität. Sie bilden eine Zone von unbeweglichen Ladungsträgern, deren Schichtdicke nur wenige Moleküllagen beträgt. Die Elektroden mit der Ladungsträgerschicht als Dielektrikum verhalten sich wie zwei Kondensatoren, die über den elektrisch leitenden Elektrolyten in Reihe geschaltet sind. Mit einem derartigen Superkondensator lassen sich Kapazitäten in der Größenordnung von 1 F bis 50 F bei einer Spannungsfestigkeit von 2,3 V bis 2,75 V erreichen.
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Der Ladungsspeicher 200 kann die Kondensatoren 210 und 220, die zwischen den Ausgangsanschluss A12 und den Bezugsspannungsanschluss M geschaltet sind, aufweisen. Der in 4 gezeigte Bezugsspannungsanschluss M kann als ein Masseanschluss ausgeführt sein. Eine Verstärkerschaltung 570 der Steuervorrichtung 500 ist über einen Ausgangsanschluss A13 zwischen den Kondensator 210 und den Kondensator 220 geschaltet. Die Verstärkerschaltung 570 kann eine Differenzverstärkerschaltung sein, die dazu ausgebildet ist, dass beim Laden des Ladungsspeichers 200 auf beiden Kondensatoren annähernd die gleiche Ladung gespeichert wird.
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Der Ausgangsanschluss A14 ist über einen Kondensator 700 mit einem Bezugsspannungsanschluss M verbunden. Des Weiteren ist die Stromverbrauchseinrichtung 400 mit den Lichtquellen 410 und 420 an den Ausgangsanschluss A14 geschaltet. Die Lichtquellen 410 und 420 können als Leuchtdioden ausgebildet sein. Die Lichtquelle 410 ist zwischen den Ausgangsanschluss A14 und einen Eingangsanschluss E14 der Steuervorrichtung 500 geschaltet. Die Lichtquelle 420 ist zwischen den Ausgangsanschluss A14 und einen Eingangsanschluss E15 der Steuerschaltung 500 geschaltet.
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Des Weiteren weist die Steuerschaltung 500 Stromquellen 530 auf, wobei eine der Stromquellen zwischen den Eingangsanschluss E14 und einen Bezugsspannungsanschluss M und eine weitere Stromquelle zwischen den Eingangsanschluss E15 und einen Bezugsspannungsanschluss M geschaltet ist.
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Die integrierte Schaltung 10 ist in einem ersten, einem zweiten und einem dritten Betriebszustand betreibbar. 5 zeigt den ersten Betriebszustand der integrierten Schaltung 10. 6 zeigt den zweiten Betriebszustand und 7 den dritten Betriebszustand der integrierten Schaltung 10. In den 5, 6 und 7 sind gleiche Elemente der integrierten Schaltung 2 mit gleichen Bezugszeichen wie in 4 bezeichnet.
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Zum Betreiben der integrierten Schaltung 2 in dem ersten Betriebszustand wird an den Eingangsanschluss E13 ein Zustand eines Steuersignals S angelegt. Im ersten Betriebszustand wird in dem Ladungsspeicher 200 eine Ladung gespeichert. Die Steuerschaltung 510 ist derart ausgebildet, dass sie in dem ersten Betriebszustand den Ladungsspeicher 200 zur Speicherung einer Ladung über den Gleichspannungswandler 520 mit der Spannungsquelle 100 koppelt. Die Stromquelle 540 dient als Strombegrenzer, die verhindert, dass beim Aufladen des Ladungsspeichers 200 die Versorgungsspannung VBAT unter einen Schwellwert absinkt. Die Steuerschaltung 510 steuert den Ladevorgang des Ladungsspeichers 200 in der Weise, dass die von dem Ladungsspeicher nach dem Ladevorgang bereitgestellte Versorgungsspannung VCAP höher als die Versorgungsspannung VBAT ist. Die Aufladung auf ein höheres Potential als das der Versorgungsspannung VBAT erfolgt durch den Gleichspannungswandler 520, der als ein induktiver Aufwärtswandler ausgeführt sein kann. Der steuerbare Schalter 560 kann nichtleitend geschaltet sein, so dass der Ladungsspeicher 200 von der Stromverbrauchseinrichtung 300 entkoppelt ist.
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Im ersten Betriebszustand der integrierten Schaltung ist die Stromverbrauchseinrichtung 300 aktiviert und arbeitet in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb. Dazu steuert die Steuerschaltung 510 den steuerbaren Schalter 550 in den leitenden Zustand, so dass die Stromverbrauchseinrichtung 300 mit der Spannungsquelle 100 gekoppelt ist. Somit stellt die Spannungsquelle 100 im ersten Betriebszustand die Versorgungsspannung VBAT zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 300 im bestimmungsgemäßen Betrieb bereit.
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6 zeigt die integrierte Schaltung 2 in dem zweiten Betriebszustand, in dem die Stromverbrauchseinrichtung 300 und die Stromverbrauchseinrichtung 400 zeitgleich betrieben werden. Zum Schalten der integrierten Schaltung 2 in den zweiten Betriebszustand wird ein entsprechender Zustand des Steuersignals S an den Eingangsanschluss E13 der Steuervorrichtung 500 angelegt. Die Steuerschaltung 510 ist derart ausgebildet, dass sie in dem zweiten Betriebszustand den Ladungsspeicher 200 zum Bereitstellen der Versorgungsspannung VCAP über den steuerbaren Schalter 560 mit der Stromverbrauchseinrichtung 300 koppelt. Dazu wird der steuerbare Schalter 560 in einen leitenden Zustand geschaltet. Des Weiteren wird der steuerbare Schalter 550 in den nichtleitenden beziehungsweise hochohmigen Zustand geschaltet. Somit ist der Strompfad zwischen dem Eingangsanschluss E11 und dem Ausgangsanschluss A11 unterbrochen. Im zweiten Betriebszustand der integrierten Schaltung wird somit von dem Ladungsspeicher 200 die Versorgungsspannung VCAP zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 300 im bestimmungsgemäßen Betrieb bereitgestellt.
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Die Steuerschaltung 510 ist derart ausgebildet, dass sie in dem zweiten Betriebszustand zum Betreiben des Stromverbrauchers 400 im bestimmungsgemäßen Betrieb die Stromverbrauchseinrichtung 400 mit der Spannungsquelle 100 koppelt. Somit stellt die Spannungsquelle 100 die Spannung VBAT als Versorgungsspannung für die Stromverbrauchseinrichtung 400 bereit.
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Die Stromquellen 530 verhindern, dass von der Stromverbrauchseinrichtung 400 ein zu großer Strom gezogen wird, der zu einer Reduktion der Versorgungsspannung VBAT unter einen Schwellwert führen würde. Die Stromquellen 530 dienen somit als Strombegrenzer, durch die eine Zerstörung des Stromverbrauchers 400 infolge eines zu hohen Stroms verhindert wird.
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Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten zweiten Betriebszustand der integrierten Schaltung 1 wird bei dem in 6 gezeigten zweiten Betriebszustand der integrierten Schaltung 2 die von dem Ladungsspeicher 200 bereitgestellte Spannung VCAP als Versorgungsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 300 verwendet. Die zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 400 im bestimmungsgemäßen Zustand benötigte Versorgungsspannung wird von der Spannungsquelle 100 bereitgestellt. Da die Stromverbrauchseinrichtung 300 von dem Ladungsspeicher 200 mit der Betriebsspannung VCAP versorgt wird, kann die Stromverbrauchseinrichtung 400 einen deutlich größeren Strom aus der Spannungsquelle 100 ziehen. Dennoch sinkt dabei die Versorgungsspannung VBAT nicht unter einen Schwellwert ab, sodass ein Neustart (Reset) des Systems verhindert wird.
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Wenn die Stromverbrauchseinrichtung 300 als eine Schaltung zur drahtlosen Datenübertragung ausgebildet ist und die Stromverbrauchseinrichtung 400 als Blitzlicht ausgeführt ist, wird im zweiten Betriebszustand der integrierten Schaltung über die erste Stromverbrauchseinrichtung eine Datenübertragung abgewickelt, während gleichzeitig mittels der zweiten Stromverbrauchseinrichtung ein Lichtpuls eines Blitzlichts ausgelöst wird. Während die Stromverbrauchseinrichtung 400 aktiviert ist, beispielsweise während des Auslösens des Blitzlichtes, ist die Spannungsquelle 100 von der Stromverbrauchseinrichtung 300 getrennt. Die Stromverbrauchseinrichtung 300 wird ausschließlich von dem Ladungsspeicher 200, beispielsweise einem Superkondensator, mit der zu ihrem Betreiben notwendigen Versorgungsspannung VCAP versorgt.
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Da der Stromverbrauch der Stromverbrauchseinrichtung 300 niedriger als der Stromverbrauch der Stromverbrauchseinrichtung 400 ist, kann bei der integrierten Schaltung 2 der Ladungsspeicher 200 deutlich kleiner ausgeführt werden und eine geringere Kapazität aufweisen, als dies bei der integrierten Schaltung 1 erforderlich ist. Während zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 40 durch den Ladungsspeicher 20 bei der integrierten Schaltung 1 ein Superkondensator in der Größenordnung von 550 mF erforderlich ist, ist bei der in 6 gezeigten Ausführungsform lediglich ein Ladungsspeicher in der Größe von zirka 100 mF erforderlich. Bei einer Ausführungsform des Ladungsspeichers als Superkondensator kann der Ladungsspeicher 200 gegenüber dem Ladungsspeicher 20 um einen Faktor 5 bis 10 kleiner ausgeführt werden.
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7 zeigt den dritten Betriebszustand der integrierten Schaltung 2, in dem lediglich die Stromverbrauchseinrichtung 300 in dem bestimmungsgemäßen Betrieb betrieben wird, während die Stromverbrauchseinrichtung 400 deaktiviert ist. Zum Schalten der integrierten Schaltung in den dritten Betriebszustand wird an den Eingangsanschluss E13 ein entsprechender Zustand des Steuersignals S angelegt. Die Steuerschaltung 510 kann derart ausgebildet sein, dass sie in dem dritten Betriebszustand die Spannungsquelle 100 zum Bereitstellen der Spannung VBAT als Versorgungsspannung für den Stromverbraucher 300 mit der Stromverbrauchseinrichtung 300 koppelt. Dazu wird der steuerbare Schalter 550 in den leitenden Zustand geschaltet. Des Weiteren kann die Steuerschaltung 510 derart ausgebildet sein, dass sie in dem dritten Betriebszustand den Ladungsspeicher 200 von der Spannungsquelle 100, dem Stromverbraucher 300 und dem Stromverbraucher 400 entkoppelt. Zu diesem Zweck wird der steuerbare Schalter 560 in den nichtleitenden beziehungsweise hochohmigen Zustand geschaltet.
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Die Steuerschaltung 510 kann auch derart ausgebildet sein, dass sie in dem dritten Betriebszustand der integrierten Schaltung den steuerbaren Schalter 550 und den steuerbaren Schalter 560 in den leitenden Zustand schaltet. Bei dieser Ausführungsform wird weiterhin lediglich die Stromverbrauchseinrichtung 300 in dem bestimmungsgemäßen Betriebq betrieben. Die Stromverbrauchseinrichtung 400 ist deaktiviert und von der Spannungsquelle 100 und dem Ladungsspeicher 200 entkoppelt. Die Versorgungsspannung zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 300 wird von der Spannungsquelle 100 bereitgestellt, während gleichzeitig der Ladungsspeicher 200 zur Pufferung der Stromverbrauchseinrichtung 300 verwendet wird.
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Wenn die integrierte Schaltung 2 Bestandteil eines Mobilfunkgerätes ist, ist eine derartige Pufferung der Spannungsquelle 100, beispielsweise einer Batterie, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, vorteilhaft. Bei niedrigen Temperaturen führt der von den Leistungsverstärkern der Mobilfunksystemeinheit 300 aus der Batterie 100 gezogene Strom am Innenwiderstand 110 zu einem Spannungsabfall der Versorgungsspannung VBAT, die dazu führen kann, dass ein Neustart des Systems (Reset) ausgelöst wird. Durch die Pufferung der Spannungsquelle 100 mit dem Ladungsspeicher 200 kann eine Reduktion der zum Betreiben der Stromverbrauchseinrichtung 300 notwendigen Versorgungsspannung verhindert werden, sodass kein Reset-Zustand auftritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- integrierte Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen
- 2
- integrierte Schaltung zum Bereitstellen von Versorgungsspannungen
- 100
- Spannungsquelle
- 110
- Innenwiderstand
- 200
- Ladungsspeicher
- 210
- Kondensator
- 220
- Kondensator
- 300
- Stromverbrauchseinrichtung
- 400
- Stromverbrauchseinrichtung
- 410
- Lichtquelle
- 500
- Steuervorrichtung
- 510
- Steuerschaltung
- 520
- Gleichspannungswandler
- 530
- Stromquelle
- 540
- Stromquelle
- 550
- steuerbarer Schalter
- 560
- steuerbarer Schalter
- 570
- Differenzverstärker
- 600
- Kondensator
- 700
- Kondensator
- 800
- Induktivität
- E
- Eingangsanschluss
- A
- Ausgangsanschluss
- VBAT
- Batteriespannung
- VCAF
- Spannung des Ladungsspeichers
