DE19935249C2 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet, eine Eingangsspannung empfängt und auf eine fest vorgegebene Ausgangsspannung geregelt ist.

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.

Bei dem beschriebenen nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandler fällt jedoch die Ausgangsspannung schon bei kleinen Lastströmen in unerwünschter Weise stark ab. Da bei den meisten Anwendungen die Ausgangsspannung, 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 vergleicht, die die Sollausgangsspannung repräsentiert, und dann, wenn eine Abweichung festgestellt wird, ein Steuersignal abgibt, mit Hilfe dessen dann die Istausgangsspannung an den vorgegebenen Sollausgangsspannungswert angepaßt wird.

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-Widerstand des MOS-FETs, so daß sich der Spannungsabfall an dem Schalter erhöht bzw. verindert, 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 kontinuierlich 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.

Ein Problem bei den beschriebenen auf eine fest vorgegebene Ausgangsspannung geregelten und nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandlers bestand nun aber darin, daß ihr Wirkungsgrad bei über die Zeit auftretenden Änderungen der Eingangsspannung, wie sie sich z. B. bei mit einer Batterie oder einem Akku betriebenen Geräten ergeben, nicht über den gesamten Eingangsspannungsbereich optimal ist.

Bei einem ähnlichen Wandler der Firma National Semiconductor mit der Typenbezeichnung LM 3352, der in einem im Juni 1999 im Internet unter der Adresse http://www.national.com aufzufindenden Produktkatalog beschrieben worden ist, wird der Wert der Ausgangsspannung des Wandlers verwendet, um den geeigneten Verstärkungsmodus des Wandlers auszuwählen. Dieser Ansatz zur Auswahl des geeigneten Modus hat verschiedene Nachteile. So ist die Ausgangsspannung nicht unabhängig vom Verstärkungsmodus. Bei dem beschriebenen Wandler ändert sich mit steigender Eingangsspannung der Verstärkungsmodus und die Ausgangsspannung fällt ab. Ein besonders schwerwiegender Nachteil besteht jedoch darin, daß sich die Ausgangsspannung dann, wenn von einem Verstärkungsmodus in den anderen geschaltet wird, auch hier augenblicklich sprunghaft ändert. Das bringt gleichzeitig eine große Stromspitze am Ausgang des Wandlersystems mit sich und verursacht starke elektromagnetische Störungen. Diese sind insbesondere bei Geräten, die mit derartigen Ladungspumpenwandlern bestückt sind, unerwünscht, die zu Zwecken der Telekommunikation eingesetzt werden, z. B. bei Mobilfunktelefonen.

In der US-Patentschrift Nr. 5,414,614 ist ein Gleichspannungs­ wandler beschrieben, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbei­ tet. Der Gleichspannungswandler weist zwei Netzwerke aus Kon­ densatoren auf, die über steuerbare Schalter in verschiedenen Schaltungsanordnungen zusammengeschaltet werden können. Dabei ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die die mit dem Eingang des Spannungswandlers verbundene Eingangsspannung empfängt, in ein digitales Signal umwandelt und einer Steuerlogik zuführt, die die steuerbaren Schalter des Kondensatorennetzwerkes so steuert, daß der Wirkungsgrad des Wandlers in Abhängigkeit von der Eingangsspannung optimiert werden kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden, geregelten und verschiedene Verstärkungsmodi aufweisenden Gleichspannungswandler so zu gestalten, daß die Umschaltung zwischen den Modi so verbessert wird, daß die oben beschriebenen Nachteile und insbesondere die bei bisherigen derartigen Gleichspannungswandlern bei der Umschaltung auftretenden Stromspitzen und Spannungsprünge am Ausgangs des Gleichspannungswandlers vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungswandler erfüllt, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet und auf eine vorgegebene Ausgangsspannung geregelt ist, und
eine erste Schaltungseinheit, die aus einem ersten Ladungspumpkondensator, dessen eine Elektrode über einen ersten Schalter mit dem Eingang des Wandlers und über einen zweiten Schalter mit Masse verbindbar ist und dessen andere Elektrode über einen dritten Schalter mit dem Eingang des Wandlers und über einen vierten Schalter mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist;
eine entsprechend der ersten Schaltungseinheit aufgebaute zweite Schaltungseinheit, bei der die eine Elektrode ihres Kondensators mit der anderen Elektrode des Kondensators der ersten Schaltungseinheit über einen weiteren Schalter verbindbar ist, wobei alle Schalter steuerbare Schalter sind;
eine Steuerschaltung, die die Schalter so steuern kann, daß die Ladungspumpe zwischen einer Ladephase und einer Entladephase umgeschaltet wird, und die die Ladungspumpe in zwei Modi betreiben kann, wobei in der Ladephase in dem ersten Modus der dritte Schalter der zweiten Schaltungseinheit, der zweite Schalter der ersten Schaltungseinheit und der weitere Schalter und in dem zweiten Modus jeweils der zweite und dritte Schalter der beiden Schaltungseinheiten durchgeschaltet sind, und in der Entladephase der beiden Modi jeweils der erste und vierte Schalter der beiden Schaltungseinheiten durchgeschaltet sind, wobei die jeweils nicht erwähnten Schalter gesperrt sind;
eine Regelschaltung, die bei aktiver Ladungspumpe in der Ladephase im ersten Modus den ON-Widerstand eines sich im Ladepfad der Ladungspumpkondensatoren befindlichen Schalters bzw. im zweiten Modus die ON-Widerstände von zweien sich jeweils in einem der Ladepfade des ersten bzw. des zweiten Ladungspumpkondensators befindlichen Schaltern so einstellen kann, daß die Ladespannung an den Ladungspumpkondensatoren in der Ladephase den jeweils bei einer bestimmten Eingangsspannung des Wandlers minimal möglichen Wert annimmt;
eine Meßschaltung, die die an einem definierten Zeitpunkt der Ladephase an einem der Ladungspumpkondensatoren auftretende Spannung bestimmen kann; und
einen Komparator umfaßt, der die gemessene Spannung mit einer vorherbestimmten Spannung vergleichen kann und dann, wenn erstere letztere erreicht, die Ladungspumpe in den jeweils anderen Modus umschaltet;
wobei die vorherbestimmte Spannung so gewählt ist, daß der Wirkungsgrad des Wandlers optimiert und der Ladungszustand der Ladungspumpkondensatoren beim Umschalten nicht verändert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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

Fig. 1 die bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler verwendete Schaltermatrix der Ladungspumpe mit den Ladungspumpkondensatoren;

Fig. 2a-c die verschiedenen Schalterstellungen der Schalter der in der Fig. 1 dargestellten Schaltermatrix in der Ladephase und Entladephase der beiden Modi des Wandlers;

Fig. 3 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers, bei der ein Linearregler verwendet wird, um die Spannung am Ausgang des Wandlers zu regeln;

Fig. 4 einen Graphen, der die an einem der Ladungspumpkondensatoren des in der Fig. 3 dargestellten Wandlers auftretende Spannung im Vergleich zur Eingangsspannung und zur Hälfte der Eingangsspannung des Wandlers darstellt, um die Umschaltung des Wandlers zu veranschaulichen;

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers, bei der ein Skip-Mode-Regler verwendet wird, um die Spannung am Ausgang des Wandlers zu regeln.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler enthält eine in der Fig. 1 dargestellte Schaltungseinheit, die aus einem Ladungspumpkondensator Cpump1 und vier steuerbaren Schaltern S1, S2, S3 und S4 besteht. Die eine Elektrode des Kondensators C1 läßt sich über den ersten Schalter S1 mit dem Eingang 1 des Wandlers verbinden, an dem eine Gleichspannung Vein anliegt, die z. B. von einer oder mehreren Batteriezellen geliefert wird, und über den zweiten Schalter S2 mit Masse verbinden. Die andere Elektrode des Ladungspumpkondensators Cpump1 läßt sich über den dritten Schalter S3 mit dem Eingang 1 des Wandlers und über den vierten Schalter S4 mit dem Ausgang 2 des Wandlers verbinden, an dem die Ausgangsspannung Vaus liegt.

Darüber hinaus enthält der Wandler eine zweite Schaltungseinheit, die entsprechend der ersten Schaltungseinheit aufgebaut ist und einen zweiten Ladungspumpkondensator Cpump2 sowie vier steuerbare Schalter S5, S6, S7 und S8 umfaßt. Dabei ist wie bei der ersten Schaltungseinheit die eine Elektrode des Ladungspumpkondensators Cpump2 über den ersten Schalter S5 der zweiten Schaltungseinheit mit dem Eingang 1 des Wandlers und über den zweiten Schalter S6 der zweiten Schaltungseinheit mit Masse verbindbar, während die andere Elektrode des Ladungspumpkondensators Cpump2 der zweiten Schaltungseinheit über den dritten Schalter S7 der zweiten Schaltungseinheit mit dem Eingang 1 des Wandlers und über den vierten Schalter S8 der zweiten Schaltungseinheit mit dem Ausgang 2 des Wandlers verbindbar ist.

Die eine Elektrode des Ladungspumpkondensators Cpump1 der ersten Schaltungseinheit ist über den weiteren steuerbaren Schalter S9 mit der anderen Elektrode des Ladungspumpkondensators Cpump2 der zweiten Schaltungseinheit verbindbar.

Sämtliche steuerbaren Schalter des Gleichspannungswandlers, der bevorzugt in integrierter Form hergestellt ist, bestehen vorzugsweise aus MOS-FETs.

Zwei der Schalter, nämlich die Schalter S2 und S6, sind so eingerichtet, daß sich ihr ON-Widerstand variabel einstellen läßt, was z. B. Beispiel durch MOS-FETs, bei denen sich die an ihren Gate-Treibern anliegende Versorgungsspannung einstellen läßt, realisiert werden kann. Dabei werden die ON-Widerstände der Schalter S2 und S6 parallel durch ein Steuersignal 3 eingestellt, dessen Funktion unten näher beschrieben werden wird.

Am Ausgang des Wandlers ist - wie bei derartigen Wandlern üblich - ein ebenfalls nicht dargestellter Speicherkondensator vorgesehen.

Der Gleichspannungswandler umfaßt ferner eine in der Fig. 1 nicht dargestellte Steuerschaltung, die sämtliche Schalter S1- S9 steuert. Die Steuerschaltung enthält einen Oszillator, dessen Taktsignal die Umschaltung der Schalter zwischen einer Lade- und einer Entladephase der Ladungspumpe bewirkt, die beide unten beschrieben sind.

Die Steuerschaltung kann die Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 durch unterschiedliche Wahl der Schalterstellungen der steuerbaren Schalter S1-S9 in drei verschiedenen Kondensatorschaltungsanordnungen schalten, die in den Fig. 2a bis 2c dargestellt sind. Dabei ergeben sich durch unterschiedliche Zuordnung entsprechender Kondensatorschaltungsanordnungen auf die Lade- und Entladephase zwei verschiedene Betriebsmodi des Gleichspannungswandlers, ein erster Modus mit einem maximalen Spannungsverstärkungsfaktor von 1,5 und ein zweiter Modus mit einem maximalen Spannungsverstärkungsfaktor von 2. Beide Modi werden im folgenden erläutert.

Bei der ersten Kondensatorschaltungsanordnung, die in der Fig. 2a dargestellt ist, sind die Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 in Reihe zwischen den Eingang 1 des Gleichspannungswandlers und Masse geschaltet. Hier sind der zweite Schalter S2 der ersten Schaltungseinheit, der dritte Schalter S7 der zweiten Schaltungseinheit und der weitere Schalter S9 durchgeschaltet, während die übrigen Schalter gesperrt sind.

Bei der zweiten Anordnung, die in der Fig. 2b dargestellt ist, sind die Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 parallel zwischen den ersten Anschluß des Wandlers und Masse geschaltet. Hier sind der zweite Schalter S2 und der dritte Schalter S3 der ersten Schaltungseinheit durchgeschaltet, während die übrigen Schalter gesperrt sind.

Bei der dritten Anordnung, die in der Fig. 2c dargestellt ist, sind die Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 parallel zwischen den Eingang 1 und den Ausgang 2 des Wandlers geschaltet. Hier sind der erste Schalter S1 und der vierte Schalter S4 der ersten Schaltungseinheit und der erste Schalter S5 und der vierte Schalter S8 der zweiten Schaltungseinheit durchgeschaltet, während die übrigen Schalter gesperrt sind.

Im ersten Modus des Wandlers wird nun in der Ladephase die erste und in der Fig. 2a dargestellte Anordnung gewählt, während in der Entladephase auf die dritte und in der Fig. 2c dargestellte Anordnung umgeschaltet wird. Dadurch werden die Ladungspumpkondensatoren in der Ladephase jeweils auf maximal Vein/2 aufgeladen. Dadurch, daß dann in der Entladephase die Parallelschaltung aus den beiden Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 in Reihe zur Eingangsspannung geschaltet wird, läßt sich im ersten Modus am Ausgang 2 des Wandlers maximal eine Verstärkung der Eingangsspannung um den Faktor 1,5 erzielen.

Im zweiten Modus des Wandlers wird in der Ladephase die zweite und in der Fig. 2b dargestellte Anordnung gewählt, während in der Entladephase wie beim ersten Modus auf die dritte und in der Fig. 2c dargestellte Anordnung umgeschaltet wird. Dadurch werden die Ladungspumpkondensatoren in der Ladephase jeweils auf maximal Vein aufgeladen. Dadurch, daß dann in der Entladephase die Parallelschaltung aus den beiden Ladungspumpkondensatoren Cpump2 und Cpump2 in Reihe zur Eingangsspannung geschaltet wird, läßt sich im zweiten Modus am Ausgang 2 des Wandlers maximal eine Verstärkung der Eingangsspannung um den Faktor 2 erzielen.

Der erfindungsgemäße Wandler soll nun den jeweiligen Modus stets so auswählen, daß der Wirkungsgrad η des Wandlers stets optimal eingestellt ist. Dabei ist die folgende Beziehung zu beachten, die den Wirkungsgrad eines auf eine vorgegebene Ausgangsspannung Vaus geregelten und nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandlers beschreibt:

η = Vaus/(Vein . F) (1)

wobei F der Verstärkungsfaktor der Schaltung ist. Hierbei ist die für das Funktionieren der Ladungspumpe notwendige Zwangsbedingung

Vein < (1/F) . Vaus (2)

zu beachten.

Soll z. B. am Ausgang des Wandlers eine geregelte Spannung von 3,3 Volt erzeugt werden und sinkt die am Eingang des Wandlers von einer oder mehreren Batterien gelieferte Spannung während der Lebensdauer der Batterie(n) von 2,5 auf 1,8 Volt ab, so wird ein optimaler Wirkungsgrad des Wandlers über die gesamte Batterielebensdauer gemäß den Beziehungen (1) und (2) dann erzielt, wenn der Wandler zwischen 2,5 und 2,2 Volt im Modus 1,5 und zwischen 2,2 und 1,8 Volt im Modus 2 betrieben wird. Die Optimierung des Wirkungsgrades bei einem derartigen Wandler ist in der oben genannten Patentanmeldung Nr. 19924047.7 ausführlich beschrieben.

Bei dem in der Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler ist die Umschaltung zwischen den beiden Modi nun so gestaltet, daß während der Umschaltung keine Strom- oder Spannungsspitzen am Ein- oder Ausgang des Wandlers auftreten, was unten detaillisert beschrieben wird.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltermatrix 4 des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers ist in der Fig. 3 nur schematisch wiedergegeben, wobei lediglich die beiden Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 eingezeichnet sind.

Der Gleichspannungswandler der Fig. 3 ist ein linear geregelter Wandler. Dabei wird die Regelschaltung durch einen ersten Komparator 5 gebildet, der an einem Eingang die Istausgangsspannung Vaus des Wandlers empfängt und an seinem anderen Eingang eine Referenzspannung Vref empfängt, die die Sollausgangsspannung des Wandlers repräsentiert. Der erste Komparator 5 vergleicht nun die Istausgangsspannung Vaus mit der Referenzspannung Vref und gibt ein Steuersignal ab, durch das im ersten Modus der ON-Widerstand des zweiten Schalters S2 der ersten Schaltungseinheit und im zweiten Modus die ON-Widerstände des zweiten Schalters S2 der ersten Schaltungseinheit und des zweiten Schalters S6 der zweiten Schaltungseinheit jeweils so eingestellt werden, daß die während der Ladephase an den Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 auftretenden Spannungen in Abhängigkeit von der Eingangsspannung den jeweils minimal möglichen Wert annehmen und die Spannung am Ausgang 2 des Wandlers auf den gewünschten Sollwert geregelt wird. Je höher die Eingangsspannung des Wandlers in einem bestimmten Modus ist, umso größer wird in der Ladephase die Zeitkonstante R . C des betreffenden Ladungspumpkondensators, so daß die Aufladungscharakterisik des Kondensators abflacht. Je geringer die Eingangsspannung des Wandlers in einem bestimmten Modus, umso geringer wird dabei der ON-Widerstand eingestellt werden. Durch die lineare Regelung wird dabei die Zeitkonstante der Aufladungskurve größer als die (ungeregelte) Zeitkonstante der Entladungskurve des bzw. der Ladungspumpkondensatoren.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler umfaßt ferner eine Meßschaltung, die an einem definierten Zeitpunkt der Ladephase die am ersten Ladungspumpkondensator Cpump1 auftretende Spannung Vcpump1 bestimmen kann. Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Meßschaltung durch ein Abtast- und Halteglied 6 gebildet, das die am Ladungspumpkondensator anliegende Spannung während der Ladephase (des Modus 1 oder 2) abtastet und am Ende der Ladephase festhält. Das Abtast- und Halteglied kann dabei durch den Taktoszillator der oben erwähnten Steuerschaltung des Gleichspannungswandlers gesteuert werden.

Der Ausgang des Abtast- und Halteglieds 6 ist mit dem ersten Eingang eines zweiten Komparators 7, dem sogenannten Modusauswahlkomparator, verbunden. Am zweiten Eingang des zweiten Komparators 7 liegt eine vorherbestimmte Spannung, die beim gewählten Ausführungsbeipsiel Vein/2 beträgt und von dem aus den gleich großen Widerständen R1 und R2 gebildeten Spannungsteiler aus der Eingangsspannung abgeleitet wird.

Die vorherbestimmte Spannung ist dabei so gewählt, daß der Wirkungsgrad des Wandlers optimiert und der Ladungszustand der Ladungspumpkondensatoren beim Umschalten zwischen den beiden Modi des Wandlers nicht verändert wird, was unten näher erläutert wird.

Der Komparator gibt ein Steuersignal 8, ein sogenanntes Modusauswahlsignal, zur Steuerschaltung des Wandlers ab, wenn die am Abtast- und Halteglied 6 gemessene Spannung am Ladungspumpkondensator Cpump1 in einem Modus den Wert Vein/2 erreicht. Die Steuerschaltung schaltet daraufhin den Wandler in den jeweils anderen Modus um.

Anhand der Fig. 4 wird nun der Prozeß des Umschaltens und die Auswahl des vorbestimmten Spannungswerts näher erläutert. In der Fig. 4 ist der typische Verlauf einer im Laufe der Zeit variierenden Wandlereingangsspannung 8, die z. B. von einer Batterie geliefert werden kann, dargestellt. Eine zweite Kurve 9 zeigt den entsprechenden Wert der halben Eingangsspannung Vein/2, der der vorherbestimmten Vergleichsspannung des Modusauswahlkomparators 7 entspricht. Die Kurve 10 zeigt beispielhaft, wie die Spannung Vcpump1 am ersten Ladungspumpkondensator Cpump1 verlaufen könnte, wobei die sich zyklisch wiederholenden typischen Aufladungs- und Entladungskurventeile, die sich aus den Lade- bzw. Entladephasen der Ladungspumpe ergeben, zu erkennen sind. Es ist dabei angenommen worden, daß die Last am Ausgangs des Wandlers konstant ist. In der Kurve 10 sind der Übersichtlichkeit halber nur einige Ladungspumpenzyklen dargestellt, wobei für den Fachmann klar ist, daß sich in Wirklichkeit z. B. über den Entladungszeitraum einer Batterie viele Millionen von Zyklen ergeben können.

Im linken Teil der Zeitachse, d. h. bis zum Zeitpunkt t1, wird die Ladungspumpe im ersten Modus 1, d. h. mit dem Verstärkungsfaktor 1,5 betrieben. Hier ist es nicht nötig, die Ladungspumpenkondensatoren Cpump1 und Cpump2 in der Ladephase auf den im ersten Modus maximal möglichen Wert von Vein/2 aufzuladen, da die Eingangsspannung größer als Vaus/1,5 ist. Die Spannung an den Ladungspumpenkondensatoren wird ja wie oben beschrieben, in der Ladephase durch die Regelschaltung 5 auf den minimal bei einer bestimmten Eingangsspannung möglichen Wert eingestellt. Sinkt die Eingangsspannung ab, so wird die Regelschaltung 5 den ON-Widerstand des Schalters S2 stetig vermindern, bis die am Ende einer Ladephase von dem Abtast- und Halteglied 6 ermittelte Spannung am Ladungspumpkondensator Cpump1 den Wert Vein/2 erreicht, was in der Fig. 4 beim Zeitpunkt t1 eintritt. Dieser Wert stellt für den ersten Modus mit dem Verstärkungsfaktor 1,5 einen Grenzwert dar, da sich bei weiterem Absinken der Eingangsspannung über diesen Wert hinaus die vorgegebene Ausgangsspannung nicht mehr erzielen läßt. Also muß der Modusauswahlkomparator 7 hier in den zweiten Modus mit dem Verstärkungsfaktor 2 umschalten. Die Umschaltung erfolgt bei dem gewählten Ausführungsbeispiel zum Zeitpunkt t2 am Ende des Zyklusses, d. h. nach der der Messung folgenden Entladephase der Ladungspumpe, da die Zeitdauer der Entladephase zur Auswertung der Messung benötigt wird.

Die vorherbestimmte und am zweiten Eingang des Modusauswahlkomparators 7 anliegende Spannung Vein/2 ist deshalb günstig, weil sich beim Umschalten von einem Modus in den anderen der Ladungszustand der Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 nicht ändert. Dadurch werden Stromspitzen und sprunghafte Änderungen der Ausgangsspannung des Wandlers vermieden.

Wird, wie in der Fig. 4 dargestellt, beim Zeitpunkt t2 in den zweiten Modus mit einem Verstärkungsfaktor 2 umgeschaltet, so stellt die Regelschaltung 5 die ON-Widerstände der Schalter S2 und S6 jetzt so hoch ein, daß die Spannung an den Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 jeweils Vein/2 beträgt. Mit weiter sinkender Eingangsspannung Vein werden dann die ON-Widerstände weiter vermindert, so daß sich die Spannung an den Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 ihrem Maximalwert Vein nähert.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers ergeben sich natürlich in gleicher Weise auch bei dem in analoger Weise zu dem oben beschriebenen Umschaltvorgang erfolgenden Umschalten vom zweiten Modus in den ersten Modus.

In der Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers dargestellt. Dieser Wandler umfaßt anstelle der in der Fig. 3 dargestellten Regelschaltung 5 einen in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Skip-Mode-Regler, der durch den Komparator 11 gebildet wird. Der Komparator 11 vergleicht die Istausgangsspannung Vaus des Wandlers mit einer vorgegebenen die Sollausgangsspannung repräsentierenden Referenzspannung Vref und gibt dann, wenn Vaus die Sollausgangsspannung unterschreitet, ein Steuersignal zur (nicht dargestellten) Steuerschaltung des Wandlers ab, woraufhin diese die Ladungspumpe aktiviert. Bei Überschreiten der Sollausgangsspannung wird die Ladungspumpe entsprechend deaktiviert. Dabei ist ein aus einem Widerstand Rtp1 und einem Kondensator Ctp1 bestehender Tiefpaß mit dem Ausgang des Skip- Mode-Komparators 11 verbunden, der ein das gerade vorliegende Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltdauer der Ladungspumpe charakterisierendes Signal erzeugt, mit dem während der aktiven Phase der Ladungspumpe im ersten Modus der ON-Widerstand des Schalters S2 und im zweiten Modus die ON-Widerstände der Schalter S2 und S5 so gesteuert werden, daß die Ladespannung an den Ladungspumpkondensatoren in der Ladephase in Abhängigkeit von der Eingangsspannung den minimal möglichen Wert annimmt. Es handelt sich also um eine Skip-Mode-Regelung mit unterlagerter Linearregelung. Eine entsprechende Regelung ist auch in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 199 312 059.9 beschrieben. Die Skip-Mode-Regelung hat gegenüber der oben in Verbindung mit der Fig. 3 beschriebenen reinen Linearregelung den Vorteil, daß die Ladungspumpe nicht ständig in Betrieb ist, so daß die Schaltverluste beträchtlich vermindert werden können, was insbesondere bei Anwendungen wichtig ist, die nur gelegentlich im Normalbetrieb und ansonsten in einem Standby- Modus laufen.

Da die beiden Ladungspumpkondensatoren Cpump1 und Cpump2 als einzige außerhalb der ansonsten in integrierter Form ausgebildeten Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers liegen, kann es sein, daß sie hinsichtlich ihrer Kennwerte nicht genau übereinstimmen. Daher ist bei der in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers ein zweites Abtast- und Halteglied 12 vorgesehen, das die Spannung am zweiten Ladungspumpkondensator Cpump2 am Ende einer Ladephase in der oben beschriebenen Weise ermittelt. Mittels eines Mittelwertbildners 13 wird dann aus den beiden von den Abtast- und Haltegliedern 6 und 12 abgegebenen Spannungswerten ein Mittelwert gebildet, der einem Eingang des Modusauswahlkomparators 7 als die vorherbestimmte Vergleichsspannung zugeführt wird.

Der am zweiten Eingang des Modusauswahlkomparators 7 anzulegende vorherbestimmte Spannungswert entspricht nur dann genau Vein/2, wenn die Verluste in den Schaltern vernachlässigbar klein sind. Das ist dann nicht mehr der Fall, wenn die Last am Ausgang des Wandlers ein bestimmtes Maß überschreitet. Daher ist die vorherbestimmte Spannung, die in der Fig. 5 mit Vkorr (korrigierte Spannung) bezeichnet ist, bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers kein feststehender, sondern ein von der Last abhängiger Wert. Ein Maß für die Last die dabei das vom Skip-Mode-Komparator 11 abgeleitete Steuersignal. Je größer die Last ist, umso größer ist der in einem bestimmten Zeitintervall auftretende Anteil eines den Einschaltzustand repräsentierenden Zustands dieses Steuersignals und umso kleiner ist der Anteil des den Ausschaltzustand repräsentierenden Zustands dieses Steuersignals.

Es ist ein aus drei zwischen die Eingangsspannung Vein des Wandlers und Masse in Reihe geschalteten Widerständen R1, Rx und R2 gebildeter Spannungsteiler vorgesehen, wobei der Korrekturwiderstand Rx wesentlich kleiner als die gleichen Widerstände R1 und R2 ist. Die an dem Verbindungspunkt 14 von R1 und Rx auftretende Spannung beträgt dabei z. B. 1,1 Volt, während die am Verbindungpunkt 15 von Rx und R2 auftretende Spannung 1,0 Volt beträgt.

Mit dem den aktuellen Lastzustand des Wandlers repräsentierenden Ausgangssignal des Skip-Mode-Komparators 11 wird nun ein weiterer steuerbarer Schalter Sx gesteuert (siehe die gestrichelte Linie in der Fig. 5), der wahlweise einen mit einem Anschluß des Schalters verbundenen und aus dem Widerstand Rtp2 und dem Kondensator Ctp2 bestehenden Tiefpaß mit dem Schaltungspunkt 14 oder dem Schaltungspunkt 15 verbindet. Dabei wird der Schalter dann, wenn die Ladungspumpe aktiviert ist, mit dem Schaltungspunkt 14, und dann, wenn die Ladungspumpe deaktiviert ist, mit dem Schaltungspunkt 15 verbunden. Durch die Steuerung des Schalters Sx wird so am Tiefpaß Rtp2, Ctp2 eine korrigierte vorherbestimmte Spannung Vkorr an einem Eingang des Modusauswahlkomparators 7 erzeugt, die bei einer Verminderung des Laststroms ansteigt und bei einer Erhöhung des Laststroms abfällt. Das führt zu einer kleinen Korrektur des oben in Verbindung mit der Fig. 3 angegebenen für die Optimierung des Wirkungsgrades des Wandlers idealen Umschaltpunkts Vein/2, wobei die Korrektur den größeren Spannungsabfall an den Schaltern bei steigenden Lastströmen kompensiert. In der Praxis beträgt die Korrektur z. B. Werte im Bereich von 0,1 . Vein/2.

Die Arbeitsweise des in der Fig. 5 beschriebenen Gleichspannungswandlers entspricht im übrigen der oben in Verbindung mit dem in der Fig. 3 dargestellten Wandler beschriebenen.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die Steuerschaltung die Umschaltung zwischen den Modi auch erst nach einer gewissen Anzahl hintereinanderfolgender von dem Modusauswahlkomparator gelieferter Umschaltsignale vornehmen kann, um den Wandler noch zuverlässiger zu machen.

Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen Wandler prinzipiell egal, an welchem Zeitpunkt der Aufladungsphase des Wandlers die Spannung an einem bzw. beiden Ladungspumpkondensatoren gemessen wird. Es muß nicht unbedingt das Ende der Aufladungsphase sein, sondern kann ein anderer beliebiger genau definierter Zeitpunkt innerhalb des Aufladungszeitintervalls sein, der sich z. B. durch den Taktoszillator der Steuerschaltung bequem einstellen läßt.

Auch ist es prinzipiell egal, bei welchem bzw. welchen Schaltern der ON-Widerstand der Schaltung eingestellt wird, solange im ersten Modus dieser Schalter im Ladepfad der Ladungspumpkondensatoren liegt bzw. solange im zweiten Modus die Schalter jeweils in einem der Pfade zum Aufladen des ersten bzw. des zweiten Ladungspumpkondensators liegen.

Claims (11)

1. Gleichspannungswandler, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet und auf eine vorgegebene Ausgangsspannung geregelt ist, mit
einer ersten Schaltungseinheit, die aus einem ersten La­ dungspumpkondensator (Cpump1), dessen eine Elektrode über ei­ nen ersten Schalter (S1) mit dem Eingang (1) des Wandlers und über einen zweiten Schalter (S2) mit Masse verbindbar ist und dessen andere Elektrode über einen dritten Schalter (S3) mit dem Eingang (1) des Wandlers und über einen vierten Schalter (S4) mit dem Ausgang (2) des Wandlers verbindbar ist;
einer entsprechend der ersten Schaltungseinheit aufgebau­ ten zweiten Schaltungseinheit, bei der die eine Elektrode ih­ res Kondensators mit der anderen Elektrode des Kondensators der ersten Schaltungseinheit über einen weiteren Schalter (S9) verbindbar ist, wobei alle Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9) steuerbare Schalter sind;
einer Steuerschaltung, die die Schalter so steuern kann, daß die Ladungspumpe zwischen einer Ladephase und einer Entla­ dephase umgeschaltet wird, und die die Ladungspumpe in zwei Modi betreiben kann, wobei in der Ladephase in dem ersten Mo­ dus der dritte Schalter (S7) der zweiten Schaltungseinheit, der zweite Schalter (S2) der ersten Schaltungseinheit und der weitere Schalter (S9) und in dem zweiten Modus jeweils der zweite (S2, S6) und dritte (S3, S7) Schalter der beiden Schal­ tungseinheiten durchgeschaltet sind, und in der Entladephase der beiden Modi jeweils der erste (S1, S5) und vierte (S4, S8) Schalter der beiden Schaltungseinheiten durchgeschaltet sind, wobei die jeweils nicht erwähnten Schalter gesperrt sind;
einer Regelschaltung, die bei aktiver Ladungspumpe in der Ladephase im ersten Modus den ON-Widerstand eines sich im La­ depfad der Ladungspumpkondensatoren befindlichen Schalters bzw. im zweiten Modus die ON-Widerstände von zweien sich je­ weils in einem der Ladepfade des ersten bzw. des zweiten La­ dungspumpkondensators befindlichen Schaltern so einstellen kann, daß die Ladespannung an den Ladungspumpkondensatoren (Cpump1, Cpump2) in der Ladephase den jeweils bei einer be­ stimmten Eingangsspannung des Wandlers minimal möglichen Wert annimmt;
einer Meßschaltung, die die an einem definierten Zeitpunkt der Ladephase an einem der Ladungspumpkondensatoren auftretende Spannung bestimmen kann; und
einem Komparator (7), der die gemessene Spannung mit einer vorherbestimmten Spannung vergleichen kann und dann, wenn er­ stere letztere erreicht, die Ladungspumpe in den jeweils ande­ ren Modus umschaltet;
wobei die vorherbestimmte Spannung so gewählt ist, daß der Wirkungsgrad des Wandlers optimiert und der Ladungszustand der Ladungspumpkondensatoren (Cpump1, Cpump2) beim Umschalten nicht verändert wird.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, bei dem die Meß­ schaltung aus einem Abtast- und Halteglied (6) besteht, das die an dem Ladungspumpkondensator (Cpump1) anliegende Spannung während der Ladephase abtasten und am Ende der Ladephase fest­ halten kann, wobei die Steuerschaltung das Abtast- und Hal­ teglied steuern kann.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, der darüber hinaus ein zweites Abtast- und Halteglied (12), das die an dem ande­ ren Ladungspumpkondensator (Cpump2) anliegende Spannung während der Ladephase abtasten und am Ende der Ladephase festhal­ ten kann, und einen mit den Ausgängen der beiden Abtast- und Halteglieder verbundenen Mittelwertbildner (13) umfaßt, der den Mittelwert aus den beiden Kondensatorspannungen bilden und dem Komparator (7) zuführen kann, der den Mittelwert mit der vorherbestimmten Spannung vergleicht.

4. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vorherbestimmte Spannung im wesentlichen der Hälfte der momentan am Eingang des Wandlers anliegenden Spannung entspricht.

5. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ladungspumpe ständig aktiv ist und die Regelschaltung auch die Regelung der Ausgangsspannung des Wandlers übernimmt.

6. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, bei dem die Regel­ schaltung aus einem Komparator (5) besteht, der an einem Ein­ gang die Istausgangsspannung des Wandlers und am anderen Aus­ gang eine die Sollausgangsspannung repräsentierende Referenz­ spannung empfängt.

7. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der darüber hinaus einen Skip-Mode-Regler umfaßt, der aus ei­ nem Komparator (11) besteht, der die Istausgangsspannung mit einer die Sollausgangsspannung repräsentierenden Referenzspan­ nung vergleicht und dann, wenn die Istausgangsspannung unter die Sollausgangsspannung fällt, ein erstes Steuersignal zur Steuerschaltung abgibt, worauf diese die Ladungspumpe akti­ viert, und dann, wenn die Istausgangsspannung die Sollaus­ gangsspannung überschreitet, ein zweites Steuersignal zur Steuerschaltung abgibt, worauf diese die Ladungspumpe deakti­ viert.

8. Gleichspannungswandler nach Anspruch 7, bei dem die Regel­ schaltung aus einem mit dem Ausgang des Komparators des Skip- Mode-Reglers verbundenen Tiefpaß (R + p2, C + p2) besteht, der ein das Verhältnis zwischen Einschaltzeit und Ausschaltzeit der Ladungspumpe charakterisierendes Signal erzeugt, mit dem der ON-Widerstand des entsprechenden Schalters bzw. die ON-Wider­ stände der entsprechenden Schalter gesteuert werden.

9. Gleichspannungswandler nach Anspruch 8, bei dem eine Schaltung vorgesehen ist, die die vorherbestimmte Spannung in Abhängigkeit vom Laststrom einstellt, wobei sie das Ausgangssignal des Komparators des Skip-Mode-Reglers als Maß für die Höhe des Laststroms verwendet.

10. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen sämtliche Bauteile bis auf die Ladungspumpkondensatoren in integrierter Form hergestellt sind.

11. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Schalter aus MOS-FETs bestehen.