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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verlängerung
der Pufferzeit eines Uhrenschaltkreises.
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Beispielsweise
in Automatisierungsgeräten besteht
die Notwendigkeit einer Pufferung der aktuellen Uhrzeit. Zu diesem
Zweck wird gewöhnlich
ein Uhrenbaustein eingesetzt, der über einen Doppelschicht-Kondensator
gepuffert wird. Nach einer Unterbrechung der Hauptspannungsversorgung
des Systems aufgrund einer Spannungsabschaltung oder eines Spannungsverlustes
wird der Uhrenbaustein durch eine vom Doppelschicht-Kondensator
abgeleitete Spannung weiter versorgt und kann nach einer Wiederkehr
der Hauptpannungsversorgung die aktuelle Uhrzeit ermitteln. Mittels
heutiger Standard-Uhrenbausteine sind Pufferungszeiten von mehreren
Tagen möglich.
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Aus
der DE-U1-297 13 590 der Anmelderin ist ein elektrischer Schaltkreis
bekannt, der eine zentrale Energieversorgung, einen Anwenderschaltkreis, eine
dezentrale Energieversorgungsschaltung, einen Uhrenbaustein und
einen Schnittstellenbaustein aufweist. Mittels der dezentralen Energieversorgungsschaltung
wird bei einem Ausfall der zentralen Energieversorgungsschaltung
die Energieversorgung des Uhrenbausteins aufrecht erhalten. Der
Schnittstellenschaltkreis ist mit einem Koppelschaltkreis versehen, der
zur Übertragung
von Steuer- und/oder
Datensignalen zwischen dem Anwenderschaltkreis und dem Uhrenbaustein
vorgesehen ist. Bei einem Ausfall der zentralen Energieversorgungsschaltung
wird der Koppelschaltkreis unter Verwendung von elektrischen Steuermitteln
so umgeschaltet, daß der
Uhrenbaustein frei von Kriech- und Querströmen vom Anwenderschaltkreis
getrennt ist.
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Aus
der
DE 693 20 080
T2 ist bereits eine permanent arbeitende Ladungspumpenschaltung bekannt,
mittels derer aus einer vorhandenen Versorgungsspannung durch eine
Spannungsvervielfachung eine benötigte
erhöhte
Betriebsspannung generiert wird, insbesondere für eine Verwendung im Stromquellenabschnitt
innerhalb des Chips einer integrierten Schaltung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Weg aufzuzeigen,
wie die Pufferzeit eines Uhrenschaltkreises vergrößert werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 und eine
Anordnung mit den im Anspruch 3 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen
Ansprüchen.
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Die
Funktionsweise und die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
Erläuterung
eines Ausführungsbeispiels
anhand der Figuren.
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Es
zeigt:
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1 eine
Anordnung zur Spannungsversorgung eines Uhrenbausteins,
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2 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufs bei der Erzeugung
einer erhöhten
Versorgungsspannung für
den Uhrenbaustein und
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3 ein
Schaltbild zur Erläuterung
der Umladungsvorgänge
von Kondensatoren.
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Die 1 zeigt
eine Anordnung zur Spannungsversorgung eines Uhrenbausteins 2,
wie er beispielsweise in Automatisierungsgeräten benutzt wird. Der Uhrenbaustein 2 ist
mit einem Versorgungsspannungsanschluß 4 und einem Masseanschluß 5 versehen.
Der Versorgungsspannungsanschluß 4 des
Uhrenbausteins ist mit einer Spannungsquelle 1 über eine
Reihenschaltung von Dioden D1, D2 und D3 verbunden.
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Die
gezeigte Anordnung weist weiterhin einen Doppelschicht-Kondensator C1 auf,
der zwischen der Kathode der Diode D1 und Masse M vorgesehen ist.
Dieser Doppelschicht-Kondensator wird im Normalbetrieb von der Spannungsquelle 1 über die
Diode D1 aufgeladen und dient nach einem Ausfall der Spannungsquelle 1 als
Hilfsspannungsquelle, aus welcher der Uhrenbaustein 2 mit
Energie versorgt wird.
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Zwischen
der Kathode der Diode D2 und Masse M ist eine Reihenschaltung aus
einem Kondensator C2 und einem ersten Transistor T1 vorgesehen.
Bei diesem Transistor T1 handelt es sich um einen n-Kanal-Transistor,
dem eine Steuerspannung Gn zugeführt
wird.
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Die
Kathode der Diode D1 ist weiterhin über einen zweiten Transistor
T2 mit einem Schaltungspunkt P verbunden, der zwischen dem Kondensator C2
und dem ersten Transistor T1 liegt. Beim Transistor T2 handelt es
sich um einen p-Kanal-Transistor, dem eine Steuerspannung Gp zugeführt wird.
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Zwischen
dem Versorgungsspannungsanschluß 4 des
Uhrenbausteins 2 und Masse M ist ein weiterer Kondensator
C3 sowie eine Komparator- und Steuersignalerzeugungseinheit 3 vorgesehen. Der
Kondensator C3 dient als Zwischenpuffer.
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Der
Eingang 6 der Komparator- und Steuersignalerzeugungseinheit
dient sowohl als Versorgungsspannungsanschluß als auch als Steuereingang
und ist mit dem Versorgungsspannungseingang 4 des Uhrenbausteins 2 verbunden.
An den Ausgängen 8 und 9 werden
die Steuersignale Gn für den
Transistor T1 und Gp für
den Transistor T2 zur Verfügung
gestellt.
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Die
Funktionsweise der gezeigten Anordnung ist wie folgt:
Im Normalbetrieb
wird der Uhrenbaustein 2 aus der Spannungsquelle 1 mit
Energie versorgt, die beispielsweise eine Versorgungsspannung von
5 V zur Verfügung
stellt. Die am Versorgungsspannungseingang 4 des Uhrenbausteins
anliegende Versorgungsspannung beträgt ca. 4,9 V, wobei sich dieser Wert
durch Subtraktion der Durchflußspannungen der
Dioden D1, D2 und D3 von dem von der Spannungsquelle 1 gelieferten
Spannungswert ergibt.
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Weiterhin
wird im Normalbetrieb mittels der aus der Spannungsquelle 1 abgeleiteten
Versorgungsspannung über
die Diode D1 der Doppelschicht-Kondensator C1 aufgeladen. Die an
diesem Kondensator C1 anliegende Spannung beträgt dann 5 V abzüglich der
Flußspannung
der Diode D1.
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Bei
einem Ausfall der Spannungsquelle 1 wird der Uhrenbaustein 2 mittels
einer aus dem Kondensator C1 abgeleiteten Spannung weiter mit Energie
versorgt. Da dieser Uhrenbaustein nur eine geringe Stromaufnahme
von ca. 2 μA
bei Vorliegen eines Standard-Uhrenbausteins in CMOS-Technologie oder
von ca. 250 nA bei Vorliegen eines Uhrenbausteins in Low-Power-Technologie
hat, kann diese Energieversorgung des Uhrenbausteins mittels einer aus
dem Kondensator C1 abgeleiteten Spannung bereits über einen
längeren
Zeitraum von beispielsweise ein bis fünf Wochen erfolgen. Erst nach
dem Ablauf dieser Zeit ist die dem Versorgungsspannungseingang 4 des
Uhrenbausteins 2 zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung
unter einen Wert von 1,2 V abgesunken, wobei dieser Spannungswert
von 1,2 V der Minimalwert der Versorgungsspannung ist, den der Uhrenbaustein
benötigt,
um funktionsfähig zu
sein.
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Mittels
der gezeigten Anordnung wird nun diese genannte Pufferzeit von ein
bis fünf
Wochen weiter verlängert.
Zu diesem Zweck wird die am Eingang 4 des Uhrenbausteins 2 anliegende
Versorgungsspannung der Komparator- und Steuersignalerzeugungseinheit 3 über deren
Eingang 6 zugeführt.
In dieser erfolgt ein Vergleich des Versorgungsspannungswertes mit
einem Referenzspannungswert, der beispielsweise bei 1,2 V liegt.
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Solange
der Versorgungsspannungswert über
dem Referenzspannungswert liegt, werden an den Ausgängen 8 und 9 der
Komparator- und Steuersignalerzeugungseinheit 3 die Steuersignale
Gp und Gn zum Durchschalten der Transistoren T1 und T2 nicht aktiviert.
Folglich bleiben diese beiden Transistoren gesperrt.
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Sinkt
jedoch der Versorgungsspannungswert unter den Referenzspannungswert
ab, dann werden an den Ausgängen 8 und 9 der
Komparator- und Steuersignalerzeugungseinheit 3 die Steuersignale Gp
und Gn nach dem weiter unten beschriebenen Schema aktiv geschaltet,
aufgrund derer die zwischen dem Doppelschicht-Kondensator C1 und
dem Uhrenschaltkreis 2 angeordnete Teilschaltung mit den
Dioden D2 und D3, dem Kondensator C2 und den Transistoren T1 und
T2 als Ladungspumpen-Schaltkreis wirkt, mittels dessen eine erhöhte Versorgungsspannung
für den
Uhrenschaltkreis erzeugt wird.
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Zu
diesem Zweck wird nach einem Absinken des Versorgungsspannungswertes
unter den Referenzspannungswert zunächst mittels des Steuersignals
Gn der n-Kanal-Transistor T1 leitend geschaltet. Dies bewirkt, daß sich der
Ladungspumpenkondensator C2 auf die an der Kathode der Diode D2
anliegende Spannung auflädt.
Ist dies geschehen, wird der Transistor T1 abgeschaltet und der
p-Kanal-Transistor T2 mittels des Steuersignals Gp eingeschaltet. Dies
führt dazu,
daß die
Wirkung des Kondensators C2 aufgehoben wird und die Anode der Diode
D3 einen Spannungshub von 1,2 V erfährt.
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Sind
die Kapazitäten
der Kondensatoren C2 und C3 gleich groß und betragen sie beispielsweise 5 μF, dann wird
der genannte Spannungshub auf die beiden Kondensatoren C2 und C3
etwa zu gleichen Teilen aufgeteilt. Folglich steht am Versorgungsspannungseingang 4 des
Uhrenbausteins 2 eine erhöhte Versorgungsspannung von
1,2 V + 0,6 V = 1,8 V zur Verfügung.
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Sinkt
die genannte Versorgungsspannung danach wiederum unter den Referenzspannungswert von
1,2 V ab, dann wird der Ladungspumpenschaltkreis erneut aktiviert,
um eine erhöhte
Versorgungsspannung für
den Uhrenschaltkreis 2 zu erzeugen.
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Dabei
werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt bzw. Schaltphasen realisiert:
Phase
1: Abschalten des p-Kanal-Transistors T2 zur Trennung der Serienschaltung
der Kondensatoren C1 und C2;
Phase 2: Zuschalten des n-Kanal-Transistors
T1 zur Aufladung des Kondensators C2;
Phase 3: Abschalten des
n-Kanal-Transisors T1 als Vorbereitung zur Durchführung des
Ladungspumpenvorgangs und
Phase 4: Zuschalten des p-Kanal-Transistors
T2 zur Erzeugung des Spannungshubs aufgrund der Serienschaltung
der Kondensatoren C1 und C2.
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Die 2 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufs bei dieser
Erhöhung
der Versorgungsspannung für
den Uhrenbaustein. Der gesamte in 2 veranschaulichte
Vorgang mit den vier Phasen P1, P2, P3 und P4 kann beispielsweise
einige Hundert ms andauern. Die Abschaltphasen P1 und P3 der Transistoren
können
relativ kurz gehalten werden. Die Phase P2 der Aufladung des Kondensators
C2 hingegen muß hinreichend
groß bemessen
sein, um einen guten Ladungsausgleich zwischen den Kondensatoren
C1 und C2 sicherzustellen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein 16 Hz-Takt zur Realisierung
der oben angegebenen vier Schaltphasen bzw. Verfahrensschritte verwendet.
Grundsätzlich
können
die erste und die dritte Phase auch auf Kosten des Leistungsverbrauches
verkürzt
werden. Um den Leistungsverbrauch zu verbessern, wird die Generierung
der genannten vier Phasen erst dann aktiviert, wenn die Versorgungseingangsspannung
des Uhrenschaltkreises unter den genannten Referenzspannungswert
abgefallen ist. Bis dahin bleiben die beiden Transistoren T1 und
T2 abgeschaltet. Dadurch bleibt der Kondensator C2 isoliert und
sein Leckstrom eliminiert.
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Mittels
der vorstehend beschriebenen Anordnung kann nach einem Ausfall der
Spannungsquelle 1 der Uhrenschaltkreis 2 so lange
betrieben werden, bis die am Doppelschicht-Kondensator C1 anliegende
Spannung den Wert von 0,6 V unterschreitet. Erst dann kann mittels
des gezeigten Ladungsschaltkreises die am Versorgungsspannungseingang 4 des
Uhrenschaltkreises erzeugte Versorgungsspannung nicht mehr auf den
erforderlichen Minimalwert von 1,2 V gebracht werden.
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Die 3 zeigt
ein Schaltbild zur Erläuterung
der Umladungsvorgänge
von Kondensatoren. Jede Umladung eines Kondensators ist mit einem Energieverlust
verbunden. Um eine quantitative Aussage über diesen Energieverlust zu
gewinnen, sind in 3 zwei Kondensatoren vorgesehen,
deren Kapazitäten
zu C und Cn = C/n gewählt
sind. Die Kapazität C,
bei der es sich um die Quellkapazität handelt, soll entladen, und
die Kapazität
Cn, die die Arbeitskapazität
bzw. den Zwischenspeicher repräsentiert,
wird aufgeladen und soll ihre Ladung für die weitere Verwendung bereitstellen.
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Am
Anfang befindet sich die gesamte Energie E0 in
der Kapazität
C. Cn ist zu Beginn ungeladen, d. h. spannungslos. Der Schalter
S befindet sich im offenen Zustand. Die Gesamtenergie E0 beträgt 1/2 CU0 2. Dabei ist U0 diejenige Spannung, mit der die Kapazität C zu Beginn
aufgeladen wurde.
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Wird
der Schalter S geschlossen, dann findet ein Ladungsausgleich zwischen
den Kapazitäten
C und Cn statt. Die Kapazität
Cn wird auf eine Spannung U aufgeladen, während die Spannung an der Kapazität C auf
die Spannung U abfällt.
Da C = C/n gewählt
wurde, ergibt sich: U
= [n/(n + 1)]U0. (1)
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Für die Gesamtenergie
E nach der Umladung gilt: E = 1/2 CU2 +
1/2 CnU2 E = [n/(n + 1)]E0. (2)
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Die
Gleichung (2) besagt, daß die
Gesamtenergie nach der Umladung stets kleiner ist als beim Beginn
der Umladung. Durch die Umladung geht folglich ein Teil der Energie
durch die Wärme
in den Widerständen
der Leitungsführung
verloren. Ist Cn = C, d. h. n = 1, dann geht die Hälfte der
Energie durch Wärme
in der Leitungsführung
verloren. Ist hingegen Cn wesentlich kleiner als C, d. h. der Wert
für n groß, dann
ist der Energieverlust relativ niedrig. Er beträgt E0/(n
+ 1). Ist Cn wesentlich größer als
C, d. h. der Wert für
n klein, dann ist der Energieverlust groß und sogar gleich E0 für
n = 0. Dies bedeutet, daß bei
n = 0 sämtliche
verfügbare
Energie während
der Umladung verlorengeht.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind Kondensatoren
C1, C2 und C3 vorgesehen. Dabei dient der Kondensator C1 als Quellkapazität für den Kondensator
C2. Er ist mit einem hohen Kapazitätswert ausgestattet. Das Verhältnis von
C2 zu C1 wird klein gewählt,
so daß der
durch die Umladung von C1 entstehende Energieverlust gering ausfällt.
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Andererseits
wirkt der Kondensator C2 als Quellkapazität für den Kondensator C3. Um bei
der Umladung von C2 entstehende Energieverluste gering zu halten,
ist auch das Verhältnis
von C3 zu C2 klein gewählt.
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Allerdings
muß sichergestellt
sein, daß C3
so groß dimensioniert
ist, daß in
ca. 300 ms nicht mehr als 50 mV Spannungsabfall an C3 entsteht.
Wenn von den in 2 gezeigten ersten drei Schaltphasen P1
und P3 jeweils einen 16 Hz-Takt und P2 zwei bis drei 16 Hz-Takte
benötigen,
dann entspricht dies einer Zeitdauer von maximal 312,5 ms. Um die
Funktion des Uhrenbausteins 2 in dieser Zeit nicht zu beeinträchtigen,
darf die Spannung am Eingang 4 des Uhrenbausteins in der
Endphase nicht mehr als 50 mV abfallen. Denn erst in der Phase P4
erfährt
der Kondensator C2 einen Spannungshub und sorgt für ein ausreichendes „Aufpumpen" der Versorgung des Uhrenschaltkreises.
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Würde die
Kapazität
C3 allein den Uhrenbaustein mit 250 nA versorgen, so ergibt sich
rechnerisch ein Kapazitätswert
von 1,5 μF
für C3.
Um den Energieverlust so klein wie möglich zu halten, muß C2 mindestens
um einen Faktor 10 größer bemessen sein
als C3. Bei einem Verhältnis
von C3 zu C2 von 1 zu 20 beträgt
der Energieverlust 5 %, falls die Kapazität C2 vollständig umgeladen wird. In der
Praxis verliert die Kapazität
C2 nur einen Bruchteil ihrer Ladung, bevor sie erneut aufgeladen
wird. So fällt
der tatsächliche
Energieverlust wesentlich kleiner aus als die oben genannten 5 %.
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Kleinere
Kapazitäten
bieten außerdem
wirtschaftliche und räumliche
Vorteile. Unabhängig
davon nimmt der Leckstrom einer Kapazität mit abnehmender Größe der Kapazität ab. Aufgrund
der kleineren Abmessungen weisen kleine Kapazitäten einen geringeren Leckstrom
und damit auch einen geringeren Energieverlust auf.
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Vorzugsweise
werden aus den vorstehend beschriebenen Gründen die Kapazitäten wie
folgt gewählt:
C3
liegt zwischen 0,5 und 1 μF.
C2
liegt zwischen 5 und 10 μF.
C1
liegt je nach Pufferzeit bei einigen Hundert mF.
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Mittels
dieser Dimensionierung wird erreicht, daß der Uhrenbaustein ohne großen Energieverlust bis
zu einer Spannung am Doppelschicht-Kondensator C1 von 0,6 V betreibbar
ist. Dies bedeutet im Vergleich zum Stand der Technik, daß etwa die
Hälfte der "Restladung" dieses Kondensators
zur Verlängerung
der Pufferzeit eines Uhrenschaltkreises genutzt werden kann.
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Ohne
die Ladungspumpe steht eine Ladungsmenge von 3,8 × C1 zur
Versorgung des Uhrenschaltkreises 2 zur Verfügung. Durch
den Einsatz der beschriebenen Ladungspumpe steht nun eine Ladungsmenge
von 4,4 × C1
zur Verfügung.
Dies führt
zu einer Verlängerung
der Pufferzeit um mindestens 15 %. Die tatsächliche Verlängerung
der Pufferzeit ist jedoch größer, da
der Uhrenbaustein in der Endphase stets mit einer Spannung betrieben
wird, die im Bereich von 1,2 V liegt. Dies ist der Bereich, in welchem
der Uhrenbaustein einen minimalen Strom benötigt.
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Alternativ
zu der oben beschriebenen Erhöhung
der Betriebsspannung des Uhrenschaltkreises kann mittels eines Ladungspumpen-Schaltkreises auch
eine Spannungsvervierfachung durchgeführt werden, wenn man den damit
verbundenen Bauteilemehraufwand in Kauf nimmt. Der daraus gewonnene Nutzen
steht aber in einem relativ schlechten Verhältnis zum Aufwand, so daß eine derartige
Spannungsvervierfachung wirtschaftlich nicht attraktiv ist.