DE19931059C2 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet und mindestens einen Ladungspumpenkondensator und mehrere damit verbundene steuerbare Schalter umfaßt. Die Schalter werden von einer Steuerschaltung mit Oszillator betätigt. Ein Skip-Mode-Komparator schaltet die Ladungspumpe je nach dem Zustand der Ausgangsspannung des Wandlers wechselweise ein und aus. Bisherige Wandler wiesen hohe Stromspitzen des Ausgangsstroms und eine starke Welligkeit der Ausgangsspannung auf. Der erfindungsgemäße Wandler verringert diese Probleme durch eine Regelschaltung, die das Steuersignal des Komparators empfängt und in ein das gerade vorliegende Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe charakterisierendes Signal umwandelt, mit dem sie den ON-Widerstand eines der Ladungspumpenschalter so steuert, daß das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe auf einen vorbestimmten Sollwert eingestellt wird, bei dem die Stromspitzen des Ausgangsstroms der Ladungspumpe reduziert sind. Parallel zu diesem Schalter ist ein weiterer kleiner Schalter vorgesehen, dessen ON-Widerstand nicht gesteuert wird, um auch bei geringer Last einen kleinen Ruhestrom der Ladungspumpe zu garantieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet, mit mindestens einem Ladungspumpkondensator und mehreren damit verbundenen steuerbaren Schaltern, die während des Ladungspumpenbetriebs von einer Steuerschaltung mit Oszillator betätigt werden, um auf einem am Ausgang des Wandlers liegenden Speicherkondensator eine von der Eingangsspannung des Wandlers abweichende Ausgangsspannung zu erzeugen, und einem Komparator, der eine Referenzspannung mit einer zur Ausgangsspannung des Wandlers proportionalen Spannung vergleicht und ein Steuersignal zur Steuerschaltung abgibt, das einen ersten Pegel aufweist, wenn die Ausgangsspannung unter einem vorherbestimmten Sollwert liegt und einen zweiten Pegel aufweist, wenn die Ausgangsspannung über dem Sollwert liegt, wobei die Steuerschaltung dann, wenn das Steuersignal vom zweiten zum ersten Pegel wechselt die Ladungspumpe einschaltet und dann, wenn es vom ersten zum zweiten Pegel wechselt, die Ladungspumpe abschaltet.

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 Bereistellung dieser weiteren Spannungen stellen Gleichspannungswandler 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 Ladungspumpkondensator und vier steuerbaren Schaltern (z. B. MOS-FETs), wobei eine Elektrode des Ladungspumpkondensators 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 Ladungspumpkondensator 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 Ladungspumpkondensator mit der Eingangsspannung in Serie geschaltet ist, was an einem am Ausgang der Schaltung liegenden Glättungs- und Speicherkondensator einen Spannungswert ergibt, der ungefähr dem Zweifachen der Eingangsspannung entspricht.

In entsprechender Weise sind Ladungspumpen denkbar, die ein beliebiges Vielfaches der Eingangsspannung erzeugen, die Eingangsspannung invertieren oder vermindern.

Bei dem beschriebenen nach dem Ladungspumpenprinzip arbei­ tenden Gleichspannungswandler fällt jedoch die Ausgangs­ spannung schon bei kleinen Lastströmen in unerwünschter Weise stark ab. Da bei den meisten Anwendungen die Ausgangs­ spannung, die z. B. bei digitalen elektronischen Schaltungen häufig bei 3, 3 oder 5 Volt liegt, fest vorgegeben ist und nur in einem engen Bereich schwanken darf, hat man geregelte Wandler entwickelt, die die Ausgangsspannung auf einen festen gewünschten Spannungswert einstellen.

Die Regler der Gleichspannungswandler umfassen in der Regel einen Komparator, der die Istausgangsspannung oder eine zur Istausgangsspannung proportionale Spannung (die z. B. über einen Spannungsteiler von der Ausgangsspannung abgeleitet sein kann) mit einer vorgegebenen Referenzspannung ver­ gleicht, die die Sollausgangsspannung repräsentiert, und dann, wenn eine Abweichung festgestellt wird, ein Steuer­ signal abgibt, mit Hilfe dessen dann die Istausgangsspannung an den vorgegebenen Sollausgangsspannungswert angepaßt wird.

In der japanischen Patentschrift JP 10-208489 A (= US 5940283) ist ein nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitender Gleichspannungswandler beschrieben, der einen Ladungspum­ penkondensator und mehrere damit verbundene steuerbare Schalter aufweist, die während des Ladungspumpenbetriebs von einer Steuerschaltung mit Oszillator betätigt werden, um auf einem am Ausgang des Wandlers liegenden Speicherkondensator eine von der Eingangsspannung des Wandlers abweichende Ausgangsspannung zu erzeugen. Der Komparator vergleicht eine Referenzspannung mit einer zur Ausgangsspannung des Wandlers proportionalen Spannung und gibt ein Steuersignal zur Steuerschaltung ab, das einen ersten Pegel aufweist, wenn die Ausgangsspannung unter einem vorherbestimmten Sollwert liegt und einen zweiten Pegel aufweist, wenn die Ausgangs­ spannung über dem Sollwert liegt, wobei die Steuerschaltung dann, wenn das Steuersignal vom zweiten zum ersten Pegel wechselt, die Ladungspumpe einschaltet, und dann, wenn es vom ersten zum zweiten Pegel wechselt, die Ladungspumpe abschaltet. Bei dem Gleichspannungswandler erfolgt zwecks Reduzierung der Welligkeit der Ausgangsspannung eine Beein­ flussung des Eingangsstromes des Wandlers.

In der Patentschrift US 5 680 300 sind zwei bei nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandlern verwendete Reglertypen, der sogenannte Linearregler und der sogenannte Skip-Mode-Regler beschrieben.

Beim Linearregler ändert das Steuersignal des Komparators z. B. über ein Gate eines der MOS-FET-Schalter den ON-Wider­ stand des MOS-FETs, so daß sich der Spannungsabfall an dem Schalter erhöht bzw. vermindert, was zur Verminderung bzw. Erhöhung der Istausgangsspannung des Wandlers führt. Der Linearregler hat jedoch den Nachteil, daß die Verluste, die durch das Schalten der Schalter der Ladungspumpe auftreten, relativ groß sind, da die Ladungspumpe beim Linearregler ständig in Betrieb ist. Er eignet sich daher nur für konti­ nuierlich auftretende relativ große Lastströme.

Diese Nachteile treten beim sogenannten Skip-Mode-Regler (von engl.: "to skip" = überspringen) nicht auf, da er das Steuersignal des Komparators dazu verwendet, die Ladungspumpe wechselweise ein- und auszuschalten, so daß nur dann Ladung auf den am Ausgang der Schaltung liegenden Glättungs- und Speicherkondensator gepumpt wird, wenn die Spannung am Kondensator unter den Sollausgangsspannungspegel gefallen ist. Der Skip-Mode-Regler arbeitet also in besonders energiesparender Weise und eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen mal kleine und mal große Lastströme auftreten können.

Zur Veranschaulichung ist in der Fig. 1 ein zum Stand der Technik gehörender Gleichspannungswandler mit Skip-Mode-Regler dargestellt. Der dargestellte Wandler vereint die genannte von Horowitz beschriebene Ladungspumpenanordnung mit der in der US 5 680 300 beschriebenen Skip-Mode-Regelung. Ein solcher Wandler ist auch in einem unter der Adresse http:/ /www.maxim-ic.com im Mai 1999 verfügbaren Produktkatalog der Firma Maxim Integrated Products unter der Produktbezeichnung MAX679 beschrieben worden.

Bisherige derartige Wandler mit Skip-Mode-Regelung haben jedoch den Nachteil, daß der Ausgangsstrom der Ladungspumpe während des Betriebs des Wandlers bei Normalbedingungen unter Last relativ große Stromspitzen aufweist. Das liegt daran, daß die Ladungspumpe so ausgelegt werden muß, daß sie auch dann noch einen vorgegebenen Mindestausgangsstrom liefern kann, wenn sich ihre Einsatzbedingungen, etwa durch Absinken der Eingangsspannung, Erhöhung der Temperatur oder prozeßbedingt schlechte MOS-FET-Schalttransistoren verschlechtern.

Die hohen Stromspitzen haben eine Reihe von negativen Konsequenzen, zu denen z. B. die relativ große Dimensionierung des Ausgangskondensators gehört. Zudem führen die Stromspitzen zu einer hohen Störabstrahlung. Wird die Eingangsspannung des Wandlers von einer Batterie, z. B. einer Li-Ionen-Zelle, geliefert, so führen die hohen Spitzenströme zu einer Verminderung der Batterielebensdauer. Darüber hinaus ist mit den großen Stromspitzen auch eine starke Welligkeit der Ausgangsspannung verbunden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen eingangs genannten nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandler so zu verbessern, daß die Stromspitzen des Ausgangsstroms der Ladungspumpe und die Welligkeit der Ausgangsspannung stark vermindert sind.

Diese Aufgabe wird durch einen eingangs genannten Gleichspannungswandler erfüllt, der durch eine Regelschaltung, die das Steuersignal des Komparators empfängt und in ein das gerade vorliegende Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe charakterisierendes Signal umwandelt, mit dem sie den ON-Widerstand eines der Schalter so steuert, daß das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe auf einen vorherbestimmten Sollwert geregelt werden kann, und einen weiteren steuerbaren Schalter gekennzeichnet ist, der parallel zu dem Schalter, dessen ON-Widerstand gesteuert wird, geschaltet ist, entsprechend diesem von der Steuerschaltung gesteuert wird und im Vergleich zu diesem eine geringe Schaltungsfläche einnimmt und einen großen ON-Widerstand aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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

Fig. 1 einen zum Stand der Technik gehörenden nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandler mit einem Skip-Mode-Regler;

Fig. 2a und 2b Graphen, die die Abhängigkeit zwischen dem Ausgangsstrom eines zum Stand der Technik gehörenden und nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandlers unter Normalbedingungen bzw. unter erschwerten Bedingungen zeigen, um das erfindungsgemäße Prinzip zu erläutern;

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandlers; und

Fig. 4a und 4b Graphen, die den Ausgangsstrom eines zum Stand der Technik gehörenden und eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers in Abhängigkeit von der Zeit bei sich ändernder Last darstellen.

Fig. 1 zeigt den Schaltplan eines zum Stand der Technik gehörenden und in der Beschreibungseinleitung beschriebenen nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandlers mit Skip-Mode-Regler.

Die Fig. 2a zeigt beispielhaft die bei einem zum Stand der Technik gehörenden Gleichspannungswandler gemäß Fig. 1 auftretenden Stromspitzen des Ausgangsstroms laus seiner Ladungspumpe unter normalen Einsatzbedingungen und unter Lastbetrieb.

Es ist dabei angenommen worden, daß der Gleichspannungswandler einen durchschnittlichen Laststrom ILast am Ausgang von 50 mA liefern soll, was durch die durchgezogene gestrichelte Linie gekennzeichnet ist. Dieser durchschnittliche Laststrom sei der Strom, den die Ladungspumpe für die konkrete Anwendung mindestens zu liefern in der Lage sein muß. Der Skip-Mode- Regler wird bei fehlender Last am Ausgang die Ladungspumpe einige Arbeitszyklen "überspringen" lassen, so daß während dieser Zeit kein Strom zum Ausgangskondensator C2 fließt und keine Stromspitzen auftreten. Wenn z. B. die Mindestlast von 50 mA am Ausgang verlangt wird, wird die Ladungspumpe in einem bestimmten Rhythmus ein- und ausgeschaltet, was in der Fig. 2a zu erkennen ist. Die Höhe der Stromspitzen, die während der Einschaltdauer tein der Ladungspumpe auftreten, berechnet sich dabei nach der folgenden Formel:

Ispitze = 2.ILast.(taus + tein)/tein = 2.ILast.((taus/tein) + 1) (1)

Dabei ist Ispitze die Höhe der Stromspitzen, tein die Einschaltdauer der Ladungspumpe und taus die Ausschaltdauer der Ladungspumpe. Natürlich ist diese Formel nur dann sinnvoll anzuwenden, wenn die Ladungspumpe unter Last betrieben wird und nicht im Leerlauf läuft, da sonst taus "unendlich" wird. Die Formel ergibt, daß die Höhe der Stromspitzen nur vom durchschnittlichen Laststrom und vom Verhältnis zwischen Ausschalt- und Einschaltdauer der Ladungspumpe abhängt. Der Faktor 2 ergibt sich dabei aus der Tatsache, daß die Ladungspumpe während des Betriebs wechselweise ein- und ausgeschaltet ist, so daß sie nur während der Hälfte ihrer Einschaltdauer tatsächlich einen Strom zum Ausgang liefert.

In der Fig. 2a beträgt bei normalen Einsatzbedingungen, d. h. bei normaler Eingangsspannung Vcc, "guten" Schalttransistoren und einer normalen Betriebstemperatur, das Verhältnis zwischen taus und tein 4 : 1, woraus sich bei einem durchschnittlichen Laststrom von 50 mA eine Höhe der Stromspitzen von 2.50 mA.(4 + 1) = 500 mA ergibt. Es ist hier angenommen worden, daß die Ladungspumpe während der Zeit, in der sie durch den Skip-Mode- Regler eingeschaltet ist, durch die Steuerschaltung mit Oszillator jeweils zweimal hin- und hergeschaltet wird, d. h. den Zyklus Ladephase, Entladephase, Ladephase, Entladephase durchläuft. Dabei wird nur während der Entladephasen Strom zum Ausgang geliefert, was durch die schwarzen Balken markiert ist. Es ist anzumerken, daß der Anschaulichkeit halber die Balkenform des Stromverlaufs natürlich idealisiert ist und in der Realität je nach der Qualität der verwendeten Bauteile anders verlaufen wird.

Unter normalen Einsatzbedingungen muß bei herkömmlichen Ladungspumpen die Einschaltdauer im Verhältnis zur Ausschaltdauer bei Betrieb unter Last relativ groß sein, damit die Ladungspumpe auch unter erschwerten Einsatzbedingungen, z. B. bei verminderter Eingangsspannung Vcc, schlechten Transistoren (mit z. B. prozeßbedingt schlechter Steilheit) oder erhöhten Temperaturen, noch den von der jeweiligen Anwendung geforderten durchschnittlichen Mindestausgangsstrom, in unserem Beispiel also 50 mA, zu liefern in der Lage ist.

In der Fig. 2b ist dargestellt, wie die Stromspitzen unter den erschwerten Einsatzbedingungen aussehen könnten. Hier muß die durch den Skip-Mode-Regler eingestellte Einschaltdauer der Ladungspumpe im Verhältnis zur Ausschaltdauer größer sein, um den gleichen Ausgangsstrom zu liefern. Ein Grund dafür kann z. B. eine verminderte Eingangsspannung Vcc der Ladungspumpe sein. In dem gewählten Beispiel beträgt das Verhältnis zwischen Aus- und Einschaltdauer der Ladungspumpe 1 : 1, was zu verminderten Stromspitzen (Ispitze = 200 mA) und damit auch zu einer geringeren Welligkeit der Ausgangsspannung des Wandlers im Verhältnis zu dem Fall mit Normalbedingungen führt.

Die Erfindung nutzt nun die Tatsache aus, daß sich bei herkömmlichen Gleichspannungswandlern mit Skip-Mode-Regelung unter "erschwerten Einsatzbedingungen" Vorteile in bezug auf die Höhe der Stromspitzen des Ausgangsstroms der Ladungspumpe und die Welligkeit der Ausgangsspannung der Ladungspumpe ergeben, indem sie über eine Regelschaltung versucht, die "erschwerten Einsatzbedingungen" zum Normalfall zu machen und das Verhältnis zwischen Aus- und Einschaltdauer der Ladungspumpe des Gleichspannungswandlers unabhängig von den Einsatzbedingungen auf einen günstigen Wert einzuregeln, bei dem die Stromspitzen und die Welligkeit der Ausgangsspannung im Vergleich zu herkömmlichen Wandlern stark vermindert sind.

Ein Gleichspannungswandler gemäß der Erfindung ist in der Fig. 3 dargestellt. Er ist ähnlich dem in der Fig. 1 dargestellten und zum Stand der Technik gehörenden Gleichspannungswandler aufgebaut.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler besitzt einen Ladungspumpkondensator C1, dessen eine Elektrode über einen ersten MOS-FET S1 mit dem Eingang 1 des Wandlers verbunden ist, an dem eine Eingangsgleichspannung Vcc liegt.

Der bei dem nach dem Stand der Technik bekannten Wandler gemäß Fig. 1 vorgesehene MOS-FET-Schalter S2, der die eine Elektrode des Ladungspumpkondensators C1 mit Masse verbin­ det, ist bei dem erfindungsgemäßen Wandler durch zwei parallel geschaltete MOS-FETs S2a und S2b ersetzt. Dabei sind auch die beiden Gate-Treiber 2 bzw. 3 der MOS-FETs S2a und S2b in der Fig. 3 eingezeichnet, wobei die Versorgungs­ spannung des Gate-Treibers des Schalters S2a über die später besprochene und durch eine gestrichelte Umrandung markierte Regelschaltung 4 gesteuert wird, während die Versorgungs­ spannung des Gate-Treibers des Schalters S2b nicht gesteuert wird und der Ausgangsspannung Vaus des Wandlers entspricht. Der MOS-FET S2a ist bei der bevorzugten Herstellung der Schaltung in integrierter Form dabei um einen Faktor N, der z. B. bei 30 liegen kann, in seiner Fläche größer als der MOS-FET S2b.

Die andere Elektrode des Ladungspumpkondensators C1 ist wie beim Wandler gemäß dem Stand der Technik der Fig. 1 über einen MOS-FET S3 mit dem Eingang 1 des Wandlers und über einen vierten MOS-FET S4 mit dem Ausgang 5 des Wandlers verbunden. Sämtliche Schalter der Ladungspumpe, also auch die Schalter S1, S3 und S4 sollen Gate-Treiber umfassen, die in der Fig. 3 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Die Schalter S1, S3 und S4 bestehen bei dem gewählten Beispiel aus selbstleitenden P-MOS-FETs, während S2a und S2b selbstleitende N-MOS-FETs sind.

Es ist ferner ein Glättungs- und Speicherkondensator C2 vorgesehen, der zwischen den Ausgang 5 des Wandlers und Masse geschaltet ist.

Darüber hinaus ist ein Komparator 6 vorgesehen, der an einem Eingang eine Referenzspannung Vref empfängt und am anderen Eingang eine der Ausgangsspannung Vaus des Gleichspannungs­ wandlers proportionale Spannung empfängt, die von einem Spannungsteiler abgeleitet wird, den die Widerstände R1 und R2 bilden. Der Ausgang 7 des Komparators 6 ist mit einer Steuerschaltung 8 mit Oszillator verbunden, die im Ladungs­ pumpenbetrieb die Schaltsignale S1, S2a/S2b, S3 und S4 zu den Gate-Treibern der Ladungspumpenschalter liefert, um die Schalter so zu schalten, daß in einer Ladephase der Ladungs­ pumpe der Ladungspumpkondensator C1 auf die Eingangsspannung Vcc aufgeladen wird und in der Entladephase der Ladungspumpe der Ladungspumpkondensator C1 mit der Eingangsspannung Vcc eine Reihenschaltung bildet, die mit dem Ausgangskondensator C2 verbunden ist, so daß dieser aufgeladen werden kann. Die Schalterstellungen in der Ladephase und Entladephase wurden bereits in der Beschreibungseinleitung in Verbindung mit der von Horowitz beschriebenen Schaltung erläutert, weshalb im folgenden nicht näher darauf eingegangen wird.

Im Gegensatz zu den bisherigen Gleichspannungswandlern mit Skip-Mode-Regelung umfaßt der erfindungsgemäße Gleichspan­ nungswandler eine Regelschaltung 4, die mit dem Ausgang des Komparators 6 verbunden ist. Die Regelschaltung 4 dient dazu, das Verhältnis zwischen der Einschaltdauer tein und der Ausschaltdauer Taus der Ladungspumpe unabhängig von den Einsatzbedingungen (wie Temperatur, Eingangsspannung Vcc, Zustand der Transistoren (Steilheit etc..)) der Ladungspumpe konstant zu halten. Sie umfaßt zwei in Serie zwischen die Ausgangsspannung Vaus und Masse geschaltete Stromquellen 13 und 9, die auf einen ersten Strom I1 bzw. einen zweiten Strom I2 eingestellt sind. Die Stromquellen werden dabei jeweils über einen (nicht dargestellten) steuerbaren Schal­ ter ein- bzw. ausgeschaltet. Die beiden Schalter werden von dem durch den Inverter 10 invertierten Steuersignal des Komparators 6 bzw. dem nichtinvertierten Steuersignal des Komparators 6 gesteuert. Die Stromquellen 13 und 9 können z. B. aus schaltbaren MOS-Stromspiegeln bestehen, wie sie z. B. in der DE 42 01 155 beschrieben sind. Der Verbindungs­ punkt der beiden Stromquellen 13 und 9 ist über einen der Stabilisierung dienenden Widerstand R3 mit einer Elektrode eines Kondensators C3 verbunden, dessen andere Elektrode an Masse liegt. R3 und C3 bilden einen Tiefpaß. Der Verbin­ dungspunkt 12 zwischen dem Widerstand R3 und den Stromquel­ len 13 und 9 ist mit dem Gate-Anschluß eines selbstleitenden MOS-FETs M verbunden, der vom N-Typ ist und dessen Source- Drain-Strecke zwischen die Ausgangsspannung und einen Ein­ gangsanschluß der Versorgungsspannung des Gate-Treibers 2 des MOS-FET-Schalters S2a der Ladungspumpe geschaltet ist. Der andere Eingangsanschluß der Versorgungsspannung des Gate-Treibers 2 liegt an Masse.

Die Regelschaltung 4 empfängt das vom Ausgang 7 kommende Ausgangssignal des Komparators 6 des Skip-Mode-Reglers. Das Ausgangssignal weist dabei einen ersten Signalpegel auf, wenn die aktuelle Ausgangsspannung Vaus am Ausgang 5 des Gleichspannungswandlers unter einem vorherbestimmten Soll­ wert liegt, auf den der Wandler geregelt ist und einen zweiten Signalpegel auf, der sich von dem ersten Signalpegel unterscheidet, wenn die aktuelle Ausgangsspannung Vaus am Ausgang 5 des Gleichspannungswandlers über dem Sollwert liegt. Der erste Signalpegel ist bei dem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel ein H-Pegel und der zweite Signalpegel ein L-Pegel. Wechselt der Pegel des Steuersignals des Kompara­ tors 6 vom L- zum H-Pegel, so schaltet die Steuerschaltung 8, die das Steuersignal des Komparators 6 empfängt, die Ladungspumpe ein. Wechselt der Pegel des Steuersignals des Komparators 6 vom H- zum L-Pegel, so schaltet die Steuer­ schaltung 8 die Ladungspumpe ab. Daraus ergibt sich, daß das Steuersignal des Komparators dann, wenn es den H-Pegel (erster Pegel) aufweist, die Einschaltdauer tein der La­ dungspumpe charakterisiert und dann, wenn es den L-Pegel (zweiter Pegel) aufweist, die Ausschaltdauer taus der Ladungspumpe charakterisiert.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Gleichspannungswand­ lers wird im folgenden erläutert. Der Wandler arbeitet wie bisherige Wandler auch im Skip-Modus, der durch den Kompara­ tor 6 gesteuert wird. Das Steuersignal des Komparators wird nun aber nicht nur zur Steuerschaltung 8 gesendet, die die Ladungspumpe in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Vaus des Wandlers aktiviert oder deaktiviert, sondern auch zur Regelschaltung 4.

Die Regelschaltung 4 verändert den ON-Widerstand des Schal­ ters S2a so, daß das Verhältnis zwischen der Ausschaltzeit taus und der Einschaltzeit tein der Ladungspumpe beim Be­ trieb des Wandlers unter Last konstant bleibt. Dabei wird das gewünschte vorherbestimmte Verhältnis zwischen tein und taus durch Wahl der Ströme I1 und I2 der Stromquellen 13 bzw. 9 eingestellt, was unten näher erläutert wird.

Wenn das Steuersignal des Komparators 6 H-Pegel aufweist, also die Einschaltdauer tein der Ladungspumpe symbolisiert, so wird über das Gate des nicht dargestellten Schalters der zweiten Stromquelle 9 die zweite Stromquelle 9 eingeschal­ tet, und wenn das Steuersignal des Komparators 6 L-Pegel aufweist, also die Ausschaltdauer taus der Ladungspumpe symbolisiert, so wird über das Gate des nicht dargestellten Schalters der ersten Stromquelle 13 die erste Stromquelle 13 eingeschaltet. Je nach dem Verhältnis zwischen dem Strom I1 der ersten Stromquelle 13 und dem Strom I2 der zweiten Stromquelle 9 ergibt sich auf dem Kondensator C3 eine andere Spannung. Die Spannung am Kondensator C3 und damit auch die Spannung am Gate-Anschluß des N-MOS-FETs M ist dabei dem momentanen Verhältnis zwischen der Einschaltdauer tein und der Ausschaltdauer taus der Ladungspumpe des Wandlers pro­ portional.

Nimmt nun die Ausschaltdauer taus der Ladungspumpe zu, so sinkt die Gate-Source-Spannung des der Entkopplung dienenden MOS-FETs M und der ON-Widerstand von M steigt. Der Gate- Treiber des MOS-FET-Schalters S2a bekommt dann eine gerin­ gere Versorgungsspannung geliefert, weshalb die Gate-Source- Spannung des N-MOS-FETs S2a sinkt. Dadurch steigt der ON- Widerstand des N-MOS-FETs S2a an. D. h. aber, daß nun im Vergleich zu vorher in der gleichen Zeit weniger Strom von der Ladungspumpe geliefert wird, was den Skip-Mode-Kompa­ rator 6 bei Annahme konstanter Last dazu zwingt, die Aus­ schaltdauer taus der Ladungspumpe zu verringern und die Einschaltdauer tein der Ladungspumpe zu vergrößern, um die Ausgangsspannung Vaus auf dem gewünschten Sollwert zu halten.

Nimmt die Einschaltdauer tein der Ladungspumpe zu, so steigt die Gate-Source-Spannung des MOS-FETs M und der ON-Wider­ stand von M sinkt. Der Gate-Treiber des MOS-FET-Schalters S2a bekommt dann eine größere Versorgungsspannung geliefert, weshalb die Gate-Source-Spannung des N-MOS-FETs S2a steigt. Dadurch sinkt der ON-Widerstand des N-MOS-FETs S2a. D. h. aber, daß nun im Vergleich zu vorher in der gleichen Zeit mehr Strom von der Ladungspumpe geliefert wird, was den Skip-Mode-Komparator 6 bei Annahme konstanter Last dazu zwingt, die Ausschaltdauer taus der Ladungspumpe zu ver­ größern und die Einschaltdauer tein der Ladungspumpe zu verringern.

Auf diese Weise wirkt also die Regelschaltung 4 Änderungen der Ausschaltdauer taus bzw. der Einschaltdauer tein ent­ gegen und stabilisiert das Verhältnis zwischen Einschalt­ dauer tein und Ausschaltdauer taus der Ladungspumpe unab­ hängig von den Einsatzbedingungen des Wandlers (wie Tempera­ tur, Transistormodelle, Eingangsspannung Vcc, Last) auf einen vorherbestimmten Wert, der durch geeignete Wahl der Ströme I1 und I2 der Stromquellen 13 bzw. 9 eingestellt wird. Je größer I1 und je kleiner I2 gewählt wird, um so größer wird dabei die Einschaltdauer tein der Ladungspumpe im Verhältnis zur Ausschaltdauer. Das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer tein/taus wird dabei so eingestellt, daß einerseits die Stromspitzen des Ausgangsstroms der Ladungspumpe in hinreichender Weise vermindert werden und andererseits ein ausreichender Dynamikbereich der Ladungs­ pumpe gesichert bleibt. Ein typischer Wert für das Verhält­ nis tein/taus wäre z. B. 7/3. Dann wären die Stromspitzen gemäß der obigen Formel (1) auf (20/7).ILast vermindert.

Bei sehr geringen Lastströmen, bei denen der Skip-Mode- Regler die Ladungspumpe nur hin und wieder einschaltet, ist die Regelschaltung 4 deaktiviert, damit auch in diesem Fall ein geringer Ruhestrom der Ladungspumpe garantiert werden kann. Da die Ausschaltzeit taus der Ladungspumpe in diesem Fall aus der Sicht der Regelschaltung 4 praktisch unendlich groß wird, wird die Regelschaltung den ON-Widerstand des Schalters S2a so groß einstellen, daß der Strom nur noch über den ungeregelten und parallel zum MOS-FET S2a geschal­ teten kleinen MOS-FET S2b fließen kann, der mittels der Steuerschaltung 8 von dem gleichen Steuersignal gesteuert wird wie der Schalter S2a.

Das ist in der Fig. 4 dargestellt, die den Ausgangsstrom laus der Ladungspumpe bei einem zum Stand der Technik gehörenden Gleichspannungswandler (Fig. 4a) und bei einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler (Fig. 4b) darstellt, wobei sich der linke Teil der Figuren auf den Fall geringen Laststroms und der rechte Teil der Figuren auf den Fall größeren Laststroms bezieht. Die bei dem erfindungsgemäßen Wandler auftretenden Stromspitzen in der Fig. 4b sind dabei wesentlich kleiner als die in der Fig. 4a dargestellten Stromspitzen des herkömmlichen Wandlers, wobei die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind, sondern nur der Veranschaulichung des prinzipiellen Verlaufs der Ausgangsströme der Ladungspumpe dienen sollen. Auch die Welligkeit der Ausgangsspannung ist wegen der reduzierten Höhe der Stromspitzen im Vergleich zu bisherigen Wandlern bei dem erfindungsgemäßen Wandler stark vermindert. In der Fig. 4b ist darüber hinaus zu erkennen, daß die Höhe der Stromspitzen bei geringer Last durch den Strom IS2b durch den MOS-FET-Schalter S2b bestimmt wird. Bei Zunahme der Last am Ausgang des Wandlers steigt der durch die Ladungspumpe gelieferte Strom nach einer gewissen Einregelzeit auf einen Strom an, der sich aus der Summe der Ströme durch den geregelten MOS-FET-Schalter S2a und den ungeregelten MOS-FET- Schalter S2b ergibt. Das Verhältnis zwischen der Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe ist dabei konstant, was an den konstanten Abständen zwischen den Impulsen zu erkennen ist. Die Ladephasen und Entladephasen der Ladungspumpe sind im Gegensatz zur Fig. 2 in der Fig. 4 nicht dargestellt, wobei die einzelnen dargestellten Impulse der Fig. 4 ein oder mehrere Entlade- und Ladephasen umfassen können.

Es ist für den Fachmann klar, daß es für die Realisierung des erfindungsgemäßen Prinzips nicht auf die genaue Ausgestaltung der Ladungspumpe ankommt. Sie kann einen oder mehrere Ladungspumpkondensatoren und eine beliebige Anzahl von damit verbundenen steuerbaren Schaltern umfassen. Die Ladungspumpe kann die Spannung erhöhen, vermindern oder invertieren. Auch die dargestellte Ausgestaltung der Regelschaltung 7 ist nur beispielhaft zu sehen. Es ist jede Schaltung dafür geeignet, die das Steuersignal des Komparators in ein das gerade vorliegende Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe charakterisierendes Signal umwandelt, mit dem sie den ON-Widerstand mindestens eines der Schalter so steuert, daß das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe auf einen vorherbestimmten Sollwert eingestellt werden kann.

Claims (7)

1. Gleichspannungswandler, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet,
mit mindestens einem Ladungspumpkondensator (C1) und mehreren damit verbundenen steuerbaren Schaltern (S1, S2a, S3, S4), die während des Ladungspumpenbetriebs von einer Steuerschaltung (8) mit Oszillator betätigt werden, um auf einem am Ausgang (5) des Wandlers liegenden Speicherkon­ densator (C2) eine von der Eingangsspannung (Vcc) des Wandlers abweichende Ausgangsspannung (Vaus) zu erzeugen, und
einem Komparator (6), der eine Referenzspannung (Vref) mit einer zur Ausgangsspannung (Vaus) des Wandlers propor­ tionalen Spannung vergleicht und ein Steuersignal zur Steuerschaltung (8) abgibt, das einen ersten Pegel aufweist, wenn die Ausgangsspannung unter einem vorherbestimmten Sollwert liegt und einen zweiten Pegel aufweist, wenn die Ausgangsspannung über dem Sollwert liegt, wobei die Steuer­ schaltung (8) dann, wenn das Steuersignal vom zweiten zum ersten Pegel wechselt, die Ladungspumpe einschaltet, und dann, wenn es vom ersten zum zweiten Pegel wechselt, die Ladungspumpe abschaltet,
gekennzeichnet durch eine Regelschaltung (4), die das Steuersignal des Komparators (6) empfängt und in ein das gerade vorliegende Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe charakterisierendes Signal umwandelt, mit dem sie den ON-Widerstand eines der Schalter (S2a) so steuert, daß das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe auf einen vorherbestimmten Sollwert gere­ gelt werden kann,
und einen weiteren steuerbaren Schalter (S2b), der parallel zu dem Schalter (S2a), dessen ON-Widerstand ge­ steuert wird, geschaltet ist, entsprechend diesem von der Steuerschaltung gesteuert wird und im Vergleich zu diesem eine geringe Schaltungsfläche einnimmt und einen großen ON- Widerstand aufweist.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, der in integrier­ ter Form ausgeführt ist.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schalter (S1, S2a, S2b, S3, S4) MOS-FETS sind.

4. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Regelschaltung (4) eine erste auf einen bestimmten ersten Strom (I1) eingestellte Stromquelle (13) und eine zweite auf einen bestimmten zweiten Strom (I2) eingestellte Stromquelle (9), die zwischen die Ausgangs­ spannung (Vaus) und Masse in Serie geschaltet sind, wobei die erste Stromquelle (13) durch einen von dem Steuersignal gesteuerten Schalter dann eingeschaltet wird, wenn das Steuersignal den zweiten Pegel aufweist, und dann ausge­ schaltet wird, wenn das Steuersignal den ersten Pegel aufweist, und die zweite Stromquelle (9) durch einen wei­ teren von dem Steuersignal gesteuerten Schalter dann ein­ geschaltet wird, wenn das Steuersignal den ersten Pegel aufweist, und dann ausgeschaltet wird, wenn das Steuersignal den zweiten Pegel aufweist, und einen Kondensator (C3) um­ faßt, der zwischen den Verbindungspunkt (11) der beiden Stromquellen (13, 9) und Masse geschaltet ist, wobei die sich auf dem Kondensator (C3) ergebende Spannung zum Ver­ hältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe proportional ist.

5. Gleichspannungswandler nach Anspruch 4, bei dem der vor­ herbestimmte Sollwert des Verhältnisses zwischen Ein- und Ausschaltdauer durch den ersten Strom und den zweiten Strom eingestellt wird.

6. Gleichspannungswandler nach Anspruch 3 und Anspruch 4 oder 5, bei dem die Spannung am Kondensator (C3) an dem Gate eines MOS-FETs (M) liegt, dessen Source-Drain-Strecke zwi­ schen die Ausgangsspannung (Vaus) und den Versorgungsspan­ nungseingang eines Gate-Treibers (2) geschaltet ist, der mit dem Gate des MOS-FET-Schalters (S2a) verbunden ist, dessen ON-Widerstand durch die Schaltung gesteuert wird.

7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die geschalteten Stromquellen durch schaltbare MOS-Stromspiegel realisiert sind.