DE19834428C2 - Spannungsvervielfacherschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsvervielfacherschaltung.

Spannungsvervielfacherschaltungen werden in elektronischen Systemen angewendet, in denen eine bestimmte Mindestversor­ gungsspannung zum Betrieb erforderlich ist und ein Absinken der Systemversorgungsspannung unter diese Mindestversorgungs­ spannung zu einem Ausfall des elektronischen Systems führt. Beispielsweise dürfen elektronische Systeme in Automobilen aus Sicherheitsgründen bei einem Absinken der Bordnetzspan­ nung nicht ausfallen. Ein weiterer Anwendungsbereich von Spannungsvervielfacherschaltungen sind elektronische Systeme, bei denen einige Systemkomponenten eine höhere Betriebsspan­ nung als die zur Verfügung stehende Systemversorgungsspannung benötigen, wie beispielsweise Highside-Schalter. In solchen Anwendungen werden Spannungsvervielfacherschaltungen zur Er­ zeugung der benötigten höheren Versorgungsspannung in dem System eingesetzt.

Spannungsvervielfacherschaltungen werden üblicherweise als Ladungspumpen ausgeführt, die an der zur Verfügung stehenden Systemversorgungsspannung betrieben werden und die Systemver­ sorgungsspannung durch eine Serienschaltung von Pumpstufen auf die erforderliche Ausgangsspannung "hochpumpen". Eine Pumpstufe besteht dabei aus einer Diode und einem Kondensa­ tor. Gepumpt wird mit einem Oszillator, der über Inverter­ schaltungen die Pumpstufen ansteuert. Das Grundprinzip und die Funktionsweise einer Ladungspumpe ist in S. Wirsum, "DC- Stromversorgung", Pflaum Verlag München, 1993, auf den Seiten 18 bis 19 beschrieben.

Ein großer Nachteil dieser Lösung ist dabei die ständige Stromaufnahme der Ladungspumpe, wobei die aufgenommene Leistung in den Dioden der Pumpstufen teilweise wieder vernichtet wird. Zusätzlich treten am Eingang der Ladungspumpe Strom­ oberwellen aufgrund der gepulsten Stromaufnahme auf, die Störstrahlungen hervorrufen können und dadurch die anderen Komponenten des gesamten Systems stören und die Stromveror­ gung des Systems beeinträchtigen können.

In DE 196 39 701 ist eine Regelschaltung für Ladungspumpen beschrieben, bei der über Treiberschaltungen, die zwischen den Taktgenerator und die Takteingänge der Ladungspumpe ge­ schaltet sind, der Ladestrom der Ladungspumpe stetig geregelt wird. Nach Erreichen der erforderlichen Ausgangsspannung wird der Ladestrom heruntergeregelt. Es werden allerdings pro Takteingang der Ladungspumpe eine Treiberschaltung benötigt, so daß der Schaltungsaufwand bei Ladungspumpen mit einer Vielzahl von Takteingängen größer wird.

In der US 5,132,895 ist ein DC/DC-Wandler beschrieben, der die Umschaltung von Parallel- zu Serienschaltung von Konden­ satoren zur Spannungserhöhung nutzt. In der dort beschriebe­ nen Schaltungsanordnung wird zwar keine Ladungspumpe verwen­ det, jedoch wird hier zur Regelung der Ausgangsspannung in die Stromversorgung eingegriffen. Die schaltungstechnische Ausgestaltung einer solchen von der Ausgangsspannung gesteu­ erten Stromquelle ist in der US 5,132,895 nicht beschrieben.

In der EP 0 655 872 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Er­ zeugung einer Konstantspannung mit einer Ladungspumpenanord­ nung beschrieben. Insbesondere in Fig. 4 dieses Dokumentes wird bei der dort angegebenen Schaltungsanordnung die Aus­ gangsspannung mittels Stromspiegel und Zenerdioden erfasst.

In der EP 257 810 A2 ist ebenfalls eine Spannungsvervielfach­ erschaltung beschrieben, bei der überschüssige Energie des DC/DC-Wandlers nicht in einer Zenerdiode verbraucht wird. Bei der dort beschriebenen Schaltungsanordnung wird die Aufladung bzw. Entladung der Kondensatoren abhängig von der Ausgangs­ spannung über eine Regeleinrichtung gesteuert.

Zur Regelung der Stromaufnahme und zur Spannungsbegrenzung wird innerhalb der Ladungspumpe eingegriffen.

In der US 5,483,434 ist ebenfalls eine Ladungspumpenanordnung beschrieben.

Ausgehend vom nächstliegenden Stand der Technik der US 5,132,895 liegt der vorliegenden Erfindung die objektiv tech­ nische Aufgabe zugrunde, eine Spannungsvervielfacherschaltung weiter zu bilden, die auf sehr einfache aber nicht desto trotz sehr effektive Weise eine sehr exakte Regelung des La­ destromes der Ladungspumpe ermöglicht.

Dieses Problem wird durch eine Spannungsvervielfacherschal­ tung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen der Spannungsvervielfacherschaltung er­ geben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Spannungs­ vervielfacherschaltung, die eine Ladungspumpe sowie eine Re­ geleinrichtung und eine Strombegrenzereinrichtung aufweist. Dabei mißt die Regeleinrichtung die Ausgangsspannung der La­ dungspumpe und regelt über einen Steuerstrom, der an die Strombegrenzereinrichtung abgegeben wird, den Ladestrom der Ladungspumpe. Die Strombegrenzereinrichtung kann den Lade­ strom auf der Versorgungsspannungsseite oder auf der Bezugs­ potentialseite begrenzen. Vorteilhaft für einen schnellen Anstieg der Ausgangsspannung der Ladungspumpe erweist sich al­ lerdings eine Strombegrenzung auf der Bezugspotentialseite. Besonders vorteilhaft ist bei der vorliegenden Erfindung, daß der Ladestrom nach Erreichen der erforderlichen Ausgangsspan­ nung vollständig durch die Strombegrenzereinrichtung abge­ schaltet wird und nur eine Regeleinrichtung und Strombe­ grenzereinrichtung benötigt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Strombe­ grenzereinrichtung einen ersten und einen zweiten Stromspie­ gel sowie eine Stromquelle auf, wobei der Steuerstrom von der Regeleinrichtung die Transistordiode des zweiten Stromspie­ gels speist und in einen Strom gespiegelt wird, der von der Stromquelle geliefert wird, die zusätzlich die Transistordi­ ode des ersten Stromspiegels speist. Der in die Transistordi­ ode des ersten Stromspiegels eingespeiste Strom wird in den Ladestrom der Ladungspumpe spiegelt. Damit ist der Ladestrom abhängig vom Steuerstrom und die Stromaufnahme der Ladungs­ pumpe kann somit vorteilhafterweise durch den Steuerstrom eingestellt werden.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der Strombe­ grenzereinrichtung, bei der die beiden Stromspiegel n-Kanal- MOSFET's aufweisen, die vorteilhafterweise jeweils den Spie­ gelstrom sehr genau einstellen, da über die Gates der MOSFET's ein vernachlässigbar geringer Strom fließt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Spannungsvervielfacherschaltung als integrierte Schaltung ausgeführt und läßt sich demnach sehr kostengünstig realisie­ ren.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Ladungspumpe nach dem Stand der Technik; und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Span­ nungsvervielfacherschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte Ladungspumpe weist einen Taktgene­ rator 1, fünf Inverterschaltungen 2, 3, 4, 5, 6 sowie vier Kondensatoren 7, 8, 9, 10, vier npn-Bipolar-Transistoren 12, 13, 14, 15 und zwei als Diode geschaltete pnp-Bipolar- Transistoren 11 und 16 auf. Der Oszillator schaltet die mit den Inverterschaltungen verbundenen Anschlüsse der Kondensa­ toren abwechselnd auf eine erste Versorgungsspannung VDD, die mit der Ladungspumpe über einen Versorgungsspannungsanschluß 21 verbunden ist, und auf ein Bezugspotential VSS, das über einen Bezugspotentialanschluß 22 mit der Ladungspumpe verbun­ den ist. Über die in Reihe geschalteten Dioden 11, 12, 13, 14 und 15 werden die Kondensatoren auf jeweils ein Vielfaches der ersten Versorgungsspannung aufgeladen, wobei am Ende der Diodenkette die vervielfachte Spannung VCP an einem Ausgang der Ladungspumpe zur Verfügung steht. Eine zu der Diodenreihe parallel geschaltete Vorladediode 16 bewirkt, daß unmittelbar nach dem Einschalten der ersten Versorgungsspannung der Aus­ gang der Ladungspumpe nahezu die Versorgungsspannung auf­ weist. Die Ladungspumpe nimmt im Betrieb ständig Leistung auf, die in den Dioden teilweise vernichtet wird.

In Fig. 2 wird die Ladungspumpe in einer Spannungsvervielfa­ cherschaltung nach der Erfindung eingesetzt, die an einem Ausgang 36 die vervielfachte Spannung zur Verfügung stellt. Über eine Leitung 32, die den Versorgungsspannungsanschluß 21 der Ladungspumpe mit einem ersten Anschluß 41 einer Strombe­ grenzereinrichtung 30 verbindet, wird die Ladungspumpe mit der ersten Versorgungsspannung VDD verbunden. Der Bezugspo­ tentialanschluß 22 der Ladungspumpe ist mit einem zweiten An­ schluß 40 der Strombegrenzereinrichtung über eine Leitung 33 verbunden. Über einen Steuereingang 39 nimmt die Strombe­ grenzereinrichtung einen Steuerstrom auf, der die Strombegrenzung einstellt und über eine Leitung 34 von einer Rege­ leinrichtung 31 geliefert wird.

Die Strombegrenzereinrichtung weist einen ersten aus den Transistoren M1, M2 bestehenden Stromspiegel und einen zwei­ ten aus den Transistoren M3, M4 bestehenden Stromspiegel auf, die in einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit n- Kanal-MOSFET's aufgebaut sind. Die Transistordiode M1 des er­ sten Stromspiegels wird von einer Stromquelle I1, die mit der ersten Versorgungsspannung VDD verbunden ist, gespeist. Der erste Stromspiegel nimmt über den zweiten Anschluß 40 einen Strom I2 von der Ladungspumpe auf, der dem gespiegelten Spei­ sestrom der ersten Stromspiegels entspricht. Die Transistor­ diode M3 des zweiten Stromspiegels nimmt über den Steuerein­ gang 39 einen Steuerstrom I5 auf. Der erste Stromspiegel weist ein Spiegelverhältnis 1 : X und der zweite Stromspiegel ein Verhältnis 1 : Y auf. Der über den Steuereingang 39 in die Strombegrenzereinrichtung fließende Strom I5 wird von dem zweiten Stromspiegel in einen Strom I6 = I4 . Y gespiegelt, der von der Stromquelle I1 geliefert wird. Der in die Transistor­ diode M1 des ersten Stromspiegels fließende Strom verringert sich dadurch auf I1-I4 . Y und wird in den Strom I2 = X . (I1- I4 . Y) gespiegelt, der aus der Ladungspumpe in den ersten Stromspiegel fließt. Dadurch kann der Ladestrom I2 der La­ dungspumpe über den Strom I4 gesteuert und durch die Spiegel­ verhältnisse 1 : X und 1 : Y sowie die Stromquelle I1 begrenzt werden.

Der Ausgang 23 der Ladungspumpe ist über eine Leitung 35 mit einem Eingang 37 der Regeleinrichtung 31 verbunden. Der Ein­ gang 37 ist mit den Emitteranschlüssen zweier Transistoren T1 und T2 verbunden, die beide einen Stromspiegel bilden. Zu der Transistordiode T1 des Stromspiegels sind zwei Zener-Dioden D1 und D2 sowie einen Widerstand R1 in Serie geschaltet. Der n-Anschluß der Zener-Diode D1 ist dabei mit dem Kollektor des pnp-Bipolartransistors T1 des Stromspiegels verbunden. Der Widerstand R1 verbindet den p-Anschluß der Zener-Diode D2 mit der ersten Versorgungsspannung VDD. Die Durchbruchspannung der beiden Zener-Dioden ist abhängig von der verwendeten Ze­ ner-Diode und beträgt bevorzugterweise jeweils 7 V. Der Span­ nungsabfall zwischen Emitter und Basis der Transistors T1 be­ trägt typischerweise ca. 0,7 V, so daß eine Referenzspannung VREF ca. 14,7 V + VDD beträgt und eine vervielfachte Aus­ gangsspannung am Ausgang 36 der Spannungsvervielfacherschal­ tung ca. 14,7 V über der ersten Versorgungsspannung VDD lie­ gen muß bzw. größer als die Referenzspannung VREF sein muß, damit über die Laststrecke des Transistors T1 ein Strom I3 fließt. Der Strom I3 wird durch den Stromspiegel in einen Spiegelstrom I4 gespiegelt, der durch den Spiegeltransitor T2 in einen Ausgang 38 fließt. Durch Zener-Dioden mit anderen Durchbruchspannungen oder Erhöhung bzw. Verringerung der An­ zahl von Zener-Dioden läßt sich die Referenzspannung VREF einstellen und damit der Einsatzpunkt der Strombegrenzung. Der Widerstand flacht die Zener-Dioden-Kennlinien ab und be­ wirkt damit eine geringere Stromverstärkung sowie Schwingnei­ gung der Spannungsvervielfacherschaltung. Über das Spiegel­ verhältnis des Stromspiegels kann der Spiegelstrom I4 einge­ stellt werden, der als Steuerstrom in die Strombegrenzerein­ richtung fließt. Ein bevorzugtes Spiegelverhältnis beträgt 1 : 1. Durch andere Verhältnisse kann der Spiegelstrom I4 vari­ iert werden.

Die folgenden kurzen Rechenbeispiele verdeutlichen die Funk­ tionsweise der Spannungsvervielfacherschaltung im Betrieb: Wählt man Y = 1 für das Spiegelverhältnis 1 : Y und eine Strom­ quelle mit I1 = 10 µA in der Strombegrenzereinrichtung, so ge­ nügt ein Strom I4 von 10 µA zur Begrenzung der Ladestroms auf 0 A wie aus der Formel I2 = X . (I1-I4 . Y) ersichtlich. Bei einem Verhältnis von 1 : 10 für 1 : Y genügt bereits ein Strom I4 von 1 µA zur Abschaltung des Ladestroms.

Sobald die Ausgangsspannung der Ladungspumpe unter einen Wert absinkt, der unterhalb der Referenzspannung VREF liegt, sper­ ren die Zener-Dioden und der Strom I4 wird 0 A, so daß der aus der Ladungspumpe fließende Strom auf I2 = X . I1 steigt und die Ladungspumpe wieder die Ausgangsspannung auf den erfor­ derlichen Wert vervielfacht.

Claims (5)

1. Spannungsvervielfacherschaltung
mit einer Ladungspumpe (20),
die mindestens einen Eingang (22), in den ein ein­ stellbares Ladestrom (I2) einkoppelbar ist, und minde­ stens einen Ausgang (23), an dem eine vervielfachte Span­ nung (VCP) abgreifbar ist, aufweist,
mit einer der Ladungspumpe (20) nachgeschalteten, externen Regeleinrichtung (31),
die einen mit dem Ausgang (23) der Ladungspumpe (20) verbundenen Stromspiegel (T1, T2) und mindestens eine in Reihe zur Transistordiode (T1) des Stromspiegels (T1, T2) angeordnete Zenerdiode (D1, D2) zur Einstellung einer Re­ ferenzspannung aufweist,
die die vervielfachte Spannung (VCP) mißt und die ab­ hängig vom Wert der vervielfachten Spannung (VCP) ein Re­ gelsignal (I5) an ihrem Ausgang (38) bereitstellt,
und bei der bei Unterschreiten der vervielfachten Spannung (VCP) unter die Referenzspannung die Zenerdioden (D1, D2) sperren,
mit einer der Ladungspumpe (20) vorgeschalteten, externen Strombegrenzereinrichtung (30),
die eingangsseitig mit dem Ausgang (38) der Regelein­ richtung (31) und die ausgangsseitig mit dem Eingang (22) der Ladungspumpe (20) verbunden ist,
die eine Stromquelle (I1) sowie einen ersten (M1, M2) und einen zweiten (M3, M4) Stromspiegel aufweist, die derart miteinander verschaltet sind,
dass das Regelsignal (I5) eine Transistordiode (M3) des zweiten Stromspiegels speist und in einen Strom (I6), der von der Stromquelle (I1) bereitgestellt wird, gespie­ gelt wird,
wobei die Stromquelle (I1) zusätzlich eine Tran­ sistordiode (M1) des ersten Stromspiegels (M1, M2) speist, der den in sie eingespeisten Strom (I1-I6) in den einstellbaren Ladestrom (I2), der in einen Eingang der Ladungspumpe (20) einkoppelbar ist, spiegelt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsignal (I5) ein Strom (I5) ist und dass bei ge­ sperrten Zenerdioden (D1, D2) der Wert des Stromes (I5) Null ist.

3. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu den Zenerdioden (D1, D2) und der Transistor­ diode (T1) des Stromspiegels (T1, T2) ein Widerstand (R1) zur Verringerung der Stromverstärkung und der Schwingungsnei­ gung der Spannungsvervielfacherschaltung geschaltet ist.

4. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren der Stromspiegel (M1, M2; M3, M4) der Strombegrenzereinrichtung (30) als n-Kanal-MOSFETs ausgebil­ det sind.

5. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvervielfacherschaltung als integrierte Schaltung ausgebildet ist.