DE19928309A1 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet und einen ersten Kondensator C1 umfaßt, der abwechselnd über vier MOS-FETs M1-M4 auf die Eingangsspannung auf- und dann in Serie mit der Eingangsspannung über einen am Ausgang der Schaltung liegenden zweiten Kondensator C2 entladen wird. Um den Startstrom zum Aufladen der noch leeren Kondensatoren auf einen genau definierten kleinen Wert einzustellen, wird ein schaltbarer Stromspiegel M3, M5 verwendet, der einen der vier MOS-FETs (M3) und einen weiteren kleinen MOS-FET (M5) umfaßt, der mit einer Stromquelle 4 verbunden ist. Ein Komparator 5 übernimmt die Umschaltung zwischen der Startphase und dem normalen Ladungspumpenbetrieb anhand des Vergleichs zwischen der Ausgangsspannung Vaus des Wandlers und einer Referenzspannung Vref. Er schaltet den Stromspiegel und über zwei mit den Gates von zweien der vier MOS-FETs verbundene kleine Schalter S2 und S3 auch zwei der vier MOS-FETs so, daß die Kondensatoren in energiesparender Weise aufgeladen werden können. Der neue Gleichspannungswandler läßt sich im Vergleich zu bisherigen aufwendigeren Lösungen in integrierter Form auf einer kleineren Schaltungsfläche herstellen. Er berücksichtigt zudem den Fall des Kurzschlusses des Wandlers. Bei einer besonderen Ausführungsform läßt sich über einen parallel zur Stromquelle geschalteten weiteren MOS-FET, dessen Gate mit dem Ausgang des Wandlers verbunden ist, ein "Foldback"-Effekt realisieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet, mit einem ersten Kondensator, dessen eine Elektrode über einen ersten MOS-FET mit dem Eingang des Wandlers und über einen zweiten MOS-FET mit Masse verbindbar ist und dessen andere Elektrode über einen dritten MOS-FET mit dem Eingang des Wandlers und über einen vierten MOS-FET mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist, einem zweiten Kondensator, der zwischen den Ausgang des Wandlers und Masse geschaltet ist, und einer Steuerschaltung mit Oszillator, die mit den Gates der vier MOS-FETs verbunden ist und bei aktiver Ladungspumpe dazu dient, in der Ladephase der Ladungspumpe den zweiten und den dritten MOS-FET und in der Entladephase der Ladungspumpe den ersten und den vierten MOS- FET durchzuschalten.

Viele elektronische Schaltungen benötigen neben der Versorgungsspannung weitere Spannungen, deren Pegel zum Teil über dem der Versorgungsspannung liegt. Eine preiswerte, einfache und insbesondere im Vergleich zu Spulenwandlern sehr platzsparende Lösung zur Bereitstellung dieser weiteren Spannungen stellen Spannungswandler dar, die nach dem Ladungspumpenprinzip arbeiten. Solche Wandler werden z. B. in dem Lehrbuch "The Art of Electronics" von Paul Horowitz, 2. Auflage, Cambridge University Press, New York 1991 auf den Seiten 377 bis 379 beschrieben.

Horowitz beschreibt auch einen einfachen nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandler, mit dem sich eine maximal ungefähr dem Zweifachen der Eingangsspannung entsprechende Ausgangsspannung erzielen läßt. Die Grundschaltung des Wandlers besteht im wesentlichen aus einem Kondensator und vier steuerbaren Schaltern (z. B. MOS- FETs), wobei eine Elektrode des Kondensators über einen ersten Schalter mit dem Eingangsspannungsanschluß des Wandlers und über einen zweiten Schalter mit Masse verbindbar ist, und die andere Elektrode des Kondensators über den dritten Schalter mit dem Eingangsspannungsanschluß und über den vierten Schalter mit dem Ausgangsspannungsanschluß des Wandlers verbindbar ist. Der Wandler umfaßt ferner eine Steuerschaltung mit Taktoszillator, die die Schalter so ansteuert, daß in einer ersten Phase eines Taktzyklusses, der sogenannten Ladephase, der zweite Schalter und der dritte Schalter durchgeschaltet werden, während die anderen Schalter gesperrt werden, so daß der Kondensator auf die Eingangsspannung aufgeladen wird, und in einer zweiten Phase eines Taktzyklusses, der sogenannten Entladephase, der erste Schalter und der vierte Schalter durchgeschaltet werden, während die anderen Schalter gesperrt werden, so daß nun der aufgeladene Kondensator mit der Eingangsspannung in Serie geschaltet ist, was an einem am Ausgang der Schaltung liegenden Glättungskondensator einen Spannungswert ergibt, der ungefähr dem Zweifachen der Eingangsspannung entspricht. In der Praxis wird der Wandler durch einen Regelungsmechanismus je nach den Erfordernissen der konkreten Anwendung auf eine fest vorgegebene Ausgangsspannung geregelt sein, die zwischen der Eingangsspannung und dem Zweifachen der Eingangsspannung liegt.

Da die nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandler häufig als integrierte Schaltung in kleinen portablen Geräten, z. B. Mobilfunktelefonen, untergebracht werden müssen, welche von einer Batterie oder einem Akku gespeist werden, ist man für diese Anwendungen bestrebt, die Wandler erstens so klein wie möglich, d. h. unter minimalem Verbrauch von Schaltungsfläche, herzustellen und zweitens den Energieverbrauch der Wandler so gering wie möglich zu halten, um die Batterie oder den Akku zu schonen.

Ein grundsätzliches Problem bereitet in diesem Zusammenhang die Startphase der Gleichspannungswandler, da die Wandler hier einen besonders starken Strom aus der am Eingang des Wandlers liegenden Stromquelle ziehen, um sowohl den noch leeren Kondensator der Ladungspumpe als auch den noch leeren Glättungskondensator am Ausgang des Wandlers aufzuladen. Bei dem von Horowitz beschriebenen Wandler wird dabei z. B. der Startstrom nur durch die Eingangsspannung und den ON-Widerstand der MOS-FET-Schalter begrenzt. Da somit die gesamte Eingangsspannung an den Schalttransistoren anliegt, ergibt sich ein starker Spitzenstrom, der dann, wenn die Eingangsspannung von einer Batterie geliefert wird, diese erheblich belastet. Zudem sind die auftretenden ohmschen Verluste hier beträchtlich.

Entsprechende Verhältnisse treten auch dann auf, wenn der Wandler an seinem Ausgang kurzgeschlossen wird, d. h., wenn der Ausgangsanschluß des Wandlers mit Masse verbunden wird. Auch hier liegt die gesamte Eingangsspannung an den Schalttransistoren.

Die Firma Maxim Integrated Products beschreibt in einem unter der Adresse http://www.maxim-ic.com im Mai 1999 verfügbaren Produktkatalog einen dem oben beschriebenen Gleichspannungwandler entsprechenden und die Produktbezeichnung MAX679 tragenden Wandler, der darüber hinaus eine besondere Schaltung für die Startphase und den Kurzschlußfall des Wandlers beinhaltet, die dazu dient, den Strom während der Startphase und im Fall des Kurzschlusses am Ausgang des Wandlers zu vermindern.

Die dargestellte Schaltung umfaßt dabei als wesentliches Element einen Timer, mit dessen Hilfe eine Startzeit definiert wird. Bis zum Ablauf der Startzeit wird der Strom zum Aufladen des Ladungspumpenkondensators über einen separaten Schalter geleitet, dessen Fläche 1/10 der Fläche eines der vier Schalttransistoren der Ladungspumpe entspricht. In der Praxis wird, da die Schaltungen in integrierter Form ausgeführt werden, kein zusätzlicher Schalter eingebaut, sondern es werden während der Starphase einfach nur 10% der Fläche des entsprechenden Schalttransistors verwendet. Um den Ausgangskondensator aufzuladen, wird ein zusätzlicher MOS-FET- Schalter, der in dem Dokument mit P4 bezeichnet ist, verwendet. Dieser zusätzliche MOS-FET verbindet in der Startphase den Eingang des Wandlers mit dem Ausgang des Wandlers, an dem der Ausgangskondensator liegt.

Diese Schaltung für die Startphase und den Kurzschlußfall des Gleichspannungswandlers hat jedoch den Nachteil, daß sie relativ aufwendig ist und eine relativ große Schaltungsfläche in Anspruch nimmt. Sie benötigt einen Timer und einen zusätzlichen "großen" MOS-FET, der ein beträchtliches Ausmaß an Schaltungsfläche einnimmt, da über ihn in der Startphase des Wandlers der Strom zum Aufladen des am Ausgang der Schaltung liegenden Kondensators fließen muß. Außerdem können mit diesem Aufbau weder der Startstrom noch der Kurzschlußstrom besonders gut kontrolliert werden, da sie nur durch den ON-Widerstand des zusätzlichen MOS-FETs bestimmt sind.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleichspannungswandler der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der eine Schaltung für die Startphase und den Kurzschlußfall besitzt, die so aufgebaut ist, daß die oben genannten Nachteile überwunden werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen eingangs genannten Gleichspannungwandler erfüllt, der durch einen fünften MOS-FET, dessen Drain mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist, wobei seine Source über eine Stromquelle mit Masse und sein Gate mit der Source verbunden ist sowie über einen ersten steuerbaren Schalter mit dem Gate des dritten MOS- FETs verbindbar ist, einen mit dem Gate des zweiten MOS-FETs verbundenen zweiten steuerbaren Schalter und einen mit dem Gate des vierten MOS-FETs verbundenen dritten steuerbaren Schalter und einen Komparator gekennzeichnet ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Wandlers und dessen anderer Eingang mit einer Referenzspannung verbunden ist, wobei der Komparator dann, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die Referenzspannung ist, ein erstes Steuersignal zu den steuerbaren Schaltern und zur Steuerschaltung abgibt, durch das der erste steuerbare Schalter durchgeschaltet wird, der zweite und dritte steuerbare Schalter so betätigt werden, daß der zweite MOS-FET und der vierte MOS-FET durchgeschaltet werden und die Ladungspumpe deaktiviert wird und dann, wenn die Ausgangsspannung größer als die Referenzspannung ist, ein zweites Steuersignal zu den steuerbaren Schaltern und zur Steuerschaltung abgibt, durch das der erste steuerbare Schalter gesperrt wird, der zweite und dritte steuerbare Schalter so betätigt werden, daß der zweite MOS-FET und der vierte MOS-FET gesperrt werden und die Ladungspumpe aktiviert wird.

Die erfindungsgemäße Lösung kommt ohne zusätzlichen "großen" Schalttransistor aus, da bei ihr der in der Startphase fließende Strom zum Aufladen der beiden Kondensatoren ausschließlich über die bereits vorhandenen MOS-FETs (zweiter, dritter und vierter MOS-FET) der Ladungspumpe fließt. Sie benötigt daher weniger Schaltungsfläche als die oben beschriebene bisherige Lösung. Dabei fallen die zusätzlichen steuerbaren Schalter sowie der fünfte MOS-FET flächenmäßig nicht ins Gewicht, da sie sich in integrierter Form wesentlich kleiner als die den Ladungsstrom führenden MOS-FETs ausführen lassen. So beträgt z. B. die Fläche des fünften MOS-FETs bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers nur 1/1000 der Fläche des dritten MOS- FETs. Außerdem läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler der Strom sowohl in der Startphase als auch im Kurzschlußfall genau einstellen, was mittels eines schaltbaren Stromspiegels bewirkt wird, der von dem dritten und dem fünften MOS-FET gebildet wird, wenn der erste steuerbare Schalter durch das Komparatorsteuersignal die Gates des dritten und fünften MOS-FETs miteinander verbindet. Ein aufwendiger Timer ist bei der erfindungsgemäßen Lösung überflüssig, da ein einfacher Komparator die Umschaltung zwischen der Startphase und dem normalem Ladungspumpenbetrieb übernimmt.

Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers ist ein sechster MOS-FET vorgesehen, dessen Drain mit der Source des fünften MOS-FETs verbunden ist, wobei seine Source über einen Widerstand mit Lasse und sein Gate mit dem Ausgang des Wandlers verbunden ist. Hierdurch läßt sich ein sanftes Ansteigen des Startstromes realisieren, da der Strom zunächst durch den gespiegelten Strom der mit dem fünften MOS-FET verbundenen Stromquelle bestimmt wird, wobei er sich dann allmählich um das gespiegelte Äquivalent des Stroms erhöht, der durch den sechsten MOS-FET fließt. Eine die Eingangsspannung liefernde Batterie wird so weniger belastet. Im Kurzschlußfall nimmt bei dieser Ausführungsform der Strom mit abnehmender Ausgangsspannung ab, so daß sich ein besonderer Kurzschlußschutz ergibt, der auch als "Foldback"-Effekt bezeichnet wird.

Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers werden die Gatetreiber des ersten MOS-FETs und des zweiten MOS-FETs von der Ausgangsspannung des Wandlers gespeist. Hierdurch erfolgt im Falle des Kurzschlusses ein noch schnelleres Abschalten der Ladungspumpe.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielshalber erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers;

Fig. 3 einen Graphen, der den in der Startphase bei einem gemäß der Fig. 2 aufgebauten Gleichspannungswandler auftretenden Strom in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Wandlers darstellt.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ist vorzugsweise in integrierter Form ausgebildet und besitzt gemäß Fig. 1 einen ersten Kondensator C1, dessen eine Elektrode über einen ersten MOS-FET M1 mit dem Eingang 1 des Wandlers, an dem eine Eingangsgleichspannung Vcc anliegt, und über einen zweiten MOS- FET M2 mit Masse verbindbar ist und dessen andere Elektrode über einen dritten MOS-FET M3 mit dem Eingang des Wandlers 1 und über einen vierten MOS-FET M4 mit dem Ausgang 2 des Wandlers verbindbar ist. Der erste PMOS-FET M1 und der zweite MOS-FET M2 sind vom N-Kanal-Typ, während der dritte MOS-FET M3 und der vierte MOS-FET M4 vom P-Kanal-Typ sind.

Zwischen dem Ausgang 2 der Schaltung und Masse liegt ein zweiter Kondensator C2, der der Glättung und Ladungsspeicherung dient.

Eine Steuerschaltung 3 mit Oszillator ist mit den Gates der vier MOS-FETs über nicht dargestellte Treiberschaltungen verbunden, was in der Fig. 1 durch die auf die Gates von M1-M4 zulaufenden Pfeile und die von dem Steuerschaltungssymbol 3 abgehenden vier Pfeile dargestellt ist. Die Steuerschaltung 3 steuert die vier MOS-FETs während des Ladungspumpenbetriebs. Sie schaltet in der Ladephase des Wandlers den zweiten MOS-FET M2 und den dritten MOS-FET M3 durch und sperrt den ersten MOS- FET M1 und den vierten MOS-FET M4, so daß der Kondensator C1 auf die Eingangsspannung Vcc aufgeladen wird. In der Ladephase des Wandlers werden der erste MOS-FET M1 und der vierte MOS-FET M4 durchgeschaltet und der zweite MOS-FET M2 und der dritte MOS-FET M3 gesperrt, so daß die Eingangsspannung Vcc mit dem Kondensator in Reihe geschaltet wird. Dadurch läßt sich der zweite Kondensator C2 am Ausgang der Schaltung auf eine Spannung aufladen, die maximal ungefähr dem Doppelten der Eingangsspannung Vcc entspricht. Der dargestellte Gleichspannungswandler soll einen (nicht dargestellten) Regler umfassen, der die Ausgangsspannung auf einen für eine gewünschte Anwendung passenden Sollwert regelt, der zwischen der Eingangsspannung und dem Doppelten der Eingangsspannung liegt. Ein solcher Regler ist z. B. in der Patentschrift US 5 680 300 beschrieben.

Während des Ladungspumpenbetriebs schaltet der Oszillator der Steuerschaltung 3 die vier MOS-FETs laufend zwischen der Ladephase und der Entladephase um.

Die weiteren Elemente der Schaltung sind für den Fall des Startens oder des Kurzschlusses des Gleichspannungswandlers vorgesehen.

So ist ein fünfter MOS-FET M5 vom P-Kanal-Tvp vorgesehen, dessen Drain mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist. Die Source des fünften MOS-FETs M5 ist über eine auf einen bestimmten Strom eingestellte Stromquelle 4 mit Masse verbunden. Die Stromquelle läßt sich z. B. durch einen MOS-FET oder einen Stromspiegel in bekannter Weise realisieren. Das Gate des fünften MOS-FETs M5 ist mit der Source verbunden und läßt sich über einen ersten steuerbaren Schalter S1 mit dem Gate des dritten MOS-FETs M3 verbinden. In diesem Fall bilden M5 und M3 einen Stromspiegel, wobei der durch den dritten MOS- FET fließende Strom durch die Stromquelle 4 und das Flächenverhältnis der beiden Transistoren bestimmt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Fläche des fünften MOS-FETs M5 nur 1/1000 der Fläche des MOS-FETs M3.

Ein zweiter steuerbarer Schalter S2 ist zwischen den Gate- Anschluß des vierten MOS-FETs M4 und Masse geschaltet und ein dritter steuerbarer Schalter S3 ist zwischen die Eingangsspannung Vcc und den Gate-Anschluß des zweiten MOS-FETs M2 geschaltet. Die steuerbaren Schalter S1, S2 und S3 können ebenfalls aus MOS-FETs bestehen, die allerdings im Vergleich zu den vier MOS-FETs M1-M4 der Ladungspumpe nur sehr wenig Schaltungsfläche beanspruchen.

Es ist ein weiterer steuerbarer Schalter SS vorgesehen, der dazu dient, den Substratanschluß des dritten MOS-FETs M3 zwischen der Eingangsspannung Vcc und dem Source-Anschluß des dritten MOS-FETs M3 umzuschalten.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler umfaßt darüber hinaus einen Komparator 5, an dessen einem Eingang eine Referenzspannung Vref liegt, die so gewählt ist, daß sie um einen bestimmten Betrag unter der Eingangsspannung Vcc des Gleichspannungswandlers liegt. Vref kann z. B. 0.85*Vcc betragen. Am anderen Eingang des Komparators 5 liegt die Ausgangsspannung Vaus des Wandlers. Der Ausgang des Komparators ist mit der Steuerschaltung 3 und sämtlichen steuerbarem Schaltern S1, S2, S3 und SS verbunden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des in der Fig. 1 dargestellten Gleichspannungswandlers insbesondere unter Berücksichtigung der Startphase des Wandlers erläutert.

Der Gleichspannungswandler der Fig. 1 läßt sich in zwei Phasen betreiben, einer Startphase, während der die beiden Kondensatoren C1, C2 aufgeladen werden, und einer Ladungspumpphase, während der der Wandler in dem oben beschriebenen normalen Ladungspumpbetrieb arbeitet.

Die Umschaltung zwischen den beiden Phasen übernimmt der Komparator 5, der die Ausgangsspannung Vaus überwacht. Gilt Vaus < Vref, so befindet sich der Wandler in der Startphase.

Jetzt gibt der Komparator 5 ein erstes Steuersignal, in detn gewählten Ausführungsbeispiel ein Signal mit L-Pegel, ab, das der Steuerschaltung 3 und den (nicht dargestellten) Steueranschlüssen der vier steuerbaren Schalter S1, S2, S3 und SS zugeführt wird.

Die Steuerschaltung 3 deaktiviert beim Empfang des ersten Steuersignals die Ladungspumpe.

Die drei steuerbaren Schalter S1, S2 und S3 werden beim Empfang des einen L-Pegel aufweisenden ersten Steuersignals durchgeschaltet.

So werden mittels des zweiten steuerbaren Schalters S1 die Gate-Anschlüsse des dritten MOS-FETs M3 und des fünften MOS- FETs M5 miteinander verbunden, so daß M3 und M5 einen Stromspiegel bilden. Bei einem Stromspiegel entsprechen die durch die MO5-FETs des Stromspiegels fließenden Ströme in ihrem Verhältnis zueinander dem Flächenverhältnis der beiden MOS- FETs, so daß der durch den fünften MOS-FET M5 fließende Strom hier 1/1000 des Stroms beträgt, der durch den dritten MOS-FET M3 fließt.

Der gewünschte Startstrom wird dabei über die Stromquelle 4 eingestellt, die einen Strom Istart liefert. Dieser durch den fünften MOS-FET M5 fließende Strom wird um den Faktor 1000 auf den dritten MOS-FET M3 gespiegelt.

Durch das Durchschalten des zweiten steuerbaren Schalters S2 wird der vierte MOS-FET durchgeschaltet, so daß ein durchgehender Strompfad "Wandlereingang 1 (Vcc), M3, 144, C2, Masse" für das Laden des zweiten Kondensators C2 gebildet wird, und durch das Durchschalten des dritten steuerbaren Schalters S3 wird der fünfte MOS-FET M5 durchgeschaltet, so daß auch ein durchgehender Strompfad "Wandlereingang 1 (Vcc), M3, C1, M2, Masse für das Laden des ersten Kondensators C1 gebildet wird.

Da sowohl der erste Kondensator C1 als auch der zweite Kondensator C2 über den über den dritten MOS-FET M3 aufgeladen werden, wobei sich der Aufladungsstrom zwischen den beiden Kondensatoren aufteilt, kann durch den Stromspiegel M3, M5 in Verbindung mit der Stromquelle 4 der Aufladungsstrom in der Startphase in beiden Stromzweigen genau auf ein gewünschtes Niveau eingestellt werden.

Durch das vom Komparator 5 gelieferte Steuersignal wird auch der vierte steuerbare Schalter SS betätigt, der dann, wenn das Komparatorsignal L-Pegel aufweist, den Substratanschluß des dritten MOS-FETs M3 mit der Eingangsspannung Vcc des Gleichspannungswandlers verbindet. Hierdurch wird sichergestellt, daß die zwischen Drain und Source dieses Transistors gebildete Diode während des Aufladens der Kondensatoren in Sperrichtung liegt.

Am Ende der Startphase sind die beiden Kondensatoren C1 und C2 jeweils auf eine Spannung von ungefähr 0,85*Vcc aufgeladen worden.

Gilt nun Vaus < Vref = 0,85*Vcc, so gibt der Komparator ein zweites Steuersignal ab, das im gewählten Beispiel ein Signal mit H-Pegel ist und den Wandler von der Startphase in die Ladungspumpphase umschaltet. Durch das Steuersignal werden die steuerbaren Schalter S1, S2 und S3 geöffnet, so daß der vorher aus M3 und M5 gebildete Stromspiegel abgeschaltet wird und der zweite MOS-FET M2 und der vierte MOS-FET M4 der Steuerung durch die Steuerschaltung 3 überlassen werden. Die Steuerschaltung 3 aktiviert beim Empfang des zweiten Steuersignals mit H-Pegel die Ladungspumpe, so daß nun - wie bereits oben beschrieben - abwechselnd M2, M3 und M1, M4 durchgeschaltet werden.

Durch das zweite Steuersignal wird der vierte steuerbare Schalter SS mit dem Source-Anschluß des dritten MOS-FETs M3 verbunden. Das ist erforderlich, da nun die am Schaltungspunkt 6 auftretende Spannung beim Ladungspumpenbetrieb in der Ladephase über der Eingangsspannung Vcc liegt, wobei sie maximal ca. 2Vcc betragen kann. Aufgrund der umgekehrten Spannungsverhältnisse muß die zwischen Drain-Source des dritten MOS-FETs M3 gebildete Diode nun im Vergleich zur Startphase in umgekehrter Richtung gepolt werden, damit ein störender Stromfluß über das Substrat des dritten MOS-FETs M3 vermieden wird.

Wird der Gleichspannungswandler an seinem Ausgang kurzgeschlossen, so sinkt am Ausgang 2 die Spannung Vaus unter die Referenzspannung Vref, so daß der Wandler wieder in die Startphase geschaltet wird, weshalb für den weiteren Ablauf auf die obigen Erläuterungen Bezug genommen werden kann.

In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers dargestellt. Da der Wandler gemäß dieser Ausführungsform im Prinzip wie der oben beschriebene Wandler gemäß Fig. 1 funktioniert, werden nur die Unterschiede zu dem in der Fig. 1 dargestellten Wandler erläutert werden.

Bei dieser Ausführungsform ist ein sechster MOS-FET M6 vom N-Kanal-Typ vorgesehen, dessen Drain mit der Source des fünften MOS-FETs M5 verbunden ist, wobei seine Source über einen Widerstand R mit Masse und sein Gate mit dem Ausgang 2 des Wandlers verbunden ist.

Da der sechste MOS-FET M6 parallel zur Stromquelle 4 geschaltet ist, bringt er in der Startphase einen Zusatzstrom I(M6) ein, der wiederum zusammen mit Istart über den MOS-FET M5 auf den dritten MOS-FET M3 gespiegelt wird. Da der Gate-Anschluß des sechsten MOS-FETs M6 mit der Ausgangsspannung Vaus verbunden ist, wird der Zusatzstrom mit zunehmender Ausgangsspannung. gemäß der Formel

I (M6) = (Vaus - Vschw)/R

zunehmen, wobei Vschw die Schwellenspannung des sechsten MOS- FETs M6 ist.

Wie die sich dadurch in der Startphase ergebende Abhängigkeit zwischen dem Kondensatorladestrom I und der Ausgangsspannung Vaus beispielsweise aussehen kann, ist in der Fig. 3 zu erkennen. Zu Beginn der Startphase wird der Aufladungsstrom I allein durch die einen vorherbestimmten konstanten Strom Istart liefernde Stromquelle 4 bestimmt. In dem gewählten Beispiel beträgt dieser Strom 10 mA. Wird nun der zweite Kondensator C2 am Ausgang des Wandlers allmählich aufgeladen, so steigt die Ausgangsspannung Vaus an, die wiederum über das Gate des sechsten MOS-FETs M6 den durch diesen fließenden Zusatzstrom I(M6) erhöht. Dadurch erhöht sich über den Stromspiegel M3, M5 auch der Strom zum Aufladen der Kondensatoren C1 und C2, der - wie in der Fig. 3 zu erkennen ist - allmählich auf seinen Endwert von 50 mA ansteigt.

Durch das sanfte Ansteigen des Startstroms wird eine die Eingangsspannung Vcc liefernde Batterie geringer belastet als bei abrupt einsetzendem Strom. Zudem treten bei einem sanft ansteigendem Startstrom im Vergleich zu einem abrupt ansteigenden Startstrom weniger elektromagnetische Störungen (EMI) auf.

Im Kurzschlußfall nimmt bei dieser Ausführungsform der Strom mit abnehmender Ausgangsspannung ab, so daß sich ein besonderer Kurzschlußschutz ergibt, bei dem die sonst beim Kurzschluß auftretende starke Zunahme der Verlustleistung deutlich nicht auftritt. Dieser Effekt ist auch als "Foldback"-Effekt (Zurückklappen der Ausgangsspannungs-Strom-Kennlinie bei sinkender Ausgangsspannung) bekannt. Er kann in seinem Ausmaß durch geeignete Wahl des Widerstands R eingestellt werden. Der "Foldback"-Effekt ist z. B. in Tietze/Schenk "Halbleiterschaltungstechnik", 11. Aufl., Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999 auf der Seite 963 erläutert.

Bei der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers werden darüber hinaus zwei der Gatetreiber, nämlich die Gatetreiber 7 und 8 des ersten MOS-FETs 1 bzw. des zweiten MOS-FETs 2 von der Ausgangsspannung Vaus gespeist. Das hat den Vorteil, daß dadurch im Falle eins Kurzschlusses am Ausgang des Wandlers die Ladungspumpe sofort abgeschaltet wird, da jeweils ein MOS-FET des Ladepfades und ein MOS-FET des Entladepfades der Ladungspumpe abgeschaltet wird. Das oben in Verbindung mit der Fig. 2 beschriebene Abschalten der Ladungspumpe durch die Steuerschaltung 3 über das an die Steuerschaltung 3 abgegebene Steuersignal des Komparators 5 erfolgt nämlich nur mit einer gewissen Laufzeitverzögerung von einigen Mikrosekunden. Durch die schnellere Abschaltung der Ladungspumpe kann die sich durch den während des Kurzschlusses sonst kurzfristig weiterhin erfolgenden Betrieb der Ladungspumpe ergebende Verlustleistung verringert werden.

Schließlich zeigt die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform noch eine spezielle Ausführung des vierten steuerbaren Schalters SS. Hier umfaßt der vierte Schalter einen ersten P-Kanal-MOS-FET M7 und einen zweiten P-Kanal-MGS-FET M8 umfaßt, deren Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind, wobei der Drain-Anschluß des ersten P-Kanal-MOS-FETs M7 mit dem Eingang 1 des Wandlers und der Drain-Anschluß des zweiten P- Kanal-MOS-FETs M8 mit der Source des dritten MOS-FETs M3 verbunden ist, der Ausgang des Komparators 5 mit dem Gate des zweiten P-Kanal-MOS-FETs M8 und über einen Inverter 9 mit dem Gate des ersten P-Kanal-MOS-FETs M7 verbunden ist und der Substratanschluß des dritten MOS-FETs M3 mit den Source- Anschlüssen sowie den Substrat-Anschlüssen der beiden P-Kanal- MOS-FETs M7, M8 verbunden ist.

Gibt der Komparator 5 ein Signal mit L-Pegel ab, so empfängt der erste P-Kanal-MOS-FET M7 an seinem Gate über den Inverter 9 ein Signal mit H-Pegel, so daß M7 durchgeschaltet wird, während der zweite P-Kanal-MOS-FET M8 ein Signal mit L-Pegel empfängt, so daß er gesperrt bleibt. Dadurch wird der Substratanschluß des dritten MOS-FETs M3 mit der Eingangsspannung Vcc verbunden. Gibt der Komparator 4 nun ein Signal mit H-Pegel ab, so empfängt der erste P-Kanal-MOS-FET M7 an seinem Gate über den Inverter 9 ein Signal mit L-Pegel, so daß M7 gesperrt wird, während der zweite P-Kanal-MOS-FET MB durchgeschaltet wird. Dadurch wird der Substratanschluß des dritten MOS-FETs M3 mit dem Sourceanschluß des dritten MCS-FETs M3 verbunden.

Insgesamt ist noch einmal hervorzuheben, daß der erfindungsgemäße Wandler im Vergleich zu bisherigen Lösungen einfacher aufgebaut ist und mit weniger Schaltungsfläche auskommt, da die vier bereits in der Ladungspumpe vorhandenen MOS-FETs (M1-M4) gleichzeitig die Aufgabe übernehmen, den Aufladungsstrom in der Startphase zu leiten. Sämtliche darüber hinaus bei dem erfindungsgemäßen Wandler vorgesehenen Schalter beanspruchen jedoch im Vergleich zu diesen MOS-FETs nur eine zu vernachlässigende zusätzliche Schaltungsfläche.

Claims (11)

1. Gleichspannungswandler, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet, mit
einem ersten Kondensator, dessen eine Elektrode über einen ersten MOS-FET mit dem Eingang des Wandlers und über einen zweiten MOS-FET mit Masse verbindbar ist und dessen andere Elektrode über einen dritten MOS-FET mit dem Eingang des Wandlers und über einen vierten MOS-FET mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist,
einem zweiten Kondensator, der zwischen den Ausgang des Wandlers und Masse geschaltet ist, und
einer Steuerschaltung mit Oszillator, die mit den Gates der vier MOS-FETs verbunden ist und bei aktiver Ladungspumpe dazu dient, in der Ladephase der Ladungspumpe den zweiten und den dritten MOS-FET und in der Entladephase der Ladungspumpe den ersten und den vierten MOS-FET durchzuschalten,
gekennzeichnet durch
einen fünften MOS-FET, dessen Drain mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist, wobei seine Source über eine Stromquelle mit Masse und sein Gate mit der Source verbunden ist sowie über einen ersten steuerbaren Schalter mit dem Gate des dritten MOS-FETs verbindbar ist,
einen mit dem Gate des zweiten MOS-FETs verbundenen zweiten steuerbaren Schalter und einen mit dem Gate des vierten MOS-FETs verbundenen dritten steuerbaren Schalter und
einen Komparator, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Wandlers und dessen anderer Eingang mit einer Referenzspannung verbunden ist,
wobei der Komparator dann, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die Referenzspannung ist, ein erstes Steuersignal zu den steuerbaren Schaltern und zur Steuerschaltung abgibt, durch das der erste steuerbare Schalter durchgeschaltet wird, der zweite und dritte steuerbare Schalter so betätigt werden, daß der zweite MOS-FET und der vierte MOS-FET durchgeschaltet werden und die Ladungspumpe deaktiviert wird und dann, wenn die Ausgangsspannung größer als die Referenzspannung ist, ein zweites Steuersignal zu den steuerbaren Schaltern und zur Steuerschaltung abgibt, durch das der erste steuerbare Schalter gesperrt wird, der zweite und dritte steuerbare Schalter so betätigt werden, daß der zweite MOS-FET und der vierte MOS-FET gesperrt werden und die Ladungspumpe aktiviert wird.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, der darüber hinaus einen sechsten MOS-FET umfaßt, dessen Drain mit der Source des fünften MOS-FETs verbunden ist, wobei seine Source über einen Widerstand mit Masse und sein Gate mit dem Ausgang des Wandlers verbunden ist.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der erste MOS-FET und der zweite MOS-FET Gatetreiber aufweisen, die von der Ausgangsspannung des Wandlers gespeist werden.

4. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in integrierter Form hergestellt ist.

5. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle MOS-FETs MOS-FETs vom Verarmungstyp sind, wobei der erste MOS-FET, der zweite MOS-FET und der sechste MOS-FET N-Kanal-MOS-FETs sind, während die übrigen MOS- FETs P-Kanal-MOS-FETs sind, und bei dem der zweite steuerbare Schalter zwischen dem Gate des vierten MOS-FETs und Masse liegt und der dritte steuerbare Schalter zwischen dem Gate des zweiten MOS-FETs und der Eingangsspannung des Wandlers liegt.

6. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, der einen vierten durch den Komparator steuerbaren Schalter umfaßt, der den Substratanschluß des dritten MOS-FETs mit dem Eingang des Wandlers verbindet, wenn der Komparator das erste Steuersignal abgibt, und den Substratanschluß des dritten MOS-FETs mit der Source des dritten MOS-FETs verbindet, wenn der Komparator das zweite Steuersignal abgibt.

7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 6, bei dem der vierte Schalter einen ersten P-Kanal-MOS-FET und einen zweiten P- Kanal-MOSFET umfaßt, deren Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind, wobei der Drain-Anschluß des ersten P-Kanal- MOS-FETs mit dem Eingang des Wandlers und der Drain-Anschluß des zweiten P-Kanal-MOS-FETs mit der Source des dritten MOS- FETs verbunden ist, der Ausgang des Komparators mit dem Gate des zweiten P-Kanal-MOS-FETs und über einen Inverter mit dem Gate des ersten P-Kanal-MOS-FETs verbunden ist und der Substratanschluß des dritten MOS-FETs mit den Source- Anschlüssen sowie den Substrat-Anschlüssen der beiden P-Kanal- MOS-FETs verbunden ist.

8. Gleichspannungwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auch der erste steuerbare Schalter, der zweite steuerbare Schalter und der dritte steuerbare Schalter MOS-FETs sind.

9. Gleichspannungswandler nach Anspruch 4 und Anspruch 8, bei dem die von dem ersten, zweiten, dritten und vierten MOS-FET jeweils beanspruchten Flächen im Vergleich zu den von den anderen MOS-FETs beanspruchten Flächen groß sind.

10. Gleichspannungswandler nach Anspruch 9, bei dem der fünfte MOS-FET um einen Faktor 1000 kleiner als der dritte MOS-FET ist.

11. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Referenzspannung kleiner als die Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers ist.