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Die Erfindung betrifft eine Boost-Converter-Schaltung. Gattungsgemäße Boost-Converter-Schaltungen weisen eine Induktivität, eine Diode, welche auch als Freilaufdiode bezeichnet werden kann, einen Ladekondensator, einen Halbleiterschalter und eine Regelung zum Steuern des Halbleiterschalters auf. Hierbei ist die Regelung ausgebildet, um den Halbleiterschalter nach dem Start des Boost-Converters zu steuern.
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Ein Boost-Converter wird auch als Step-Up-Converter, als Aufwärtswandler oder als Aufwärtsregler bezeichnet. Er stellt eine bestimmte Form eines Gleichwandlers dar, bei dem der Betrag der Ausgangsspannung größer ist als der Betrag der Eingangsspannung.
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Ein einfacher prinzipieller Aufbau eines Boost-Converters wird nun unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
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Der Boost-Converter weist eine Induktivität 763, eine Diode 705, einen Ladekondensator 706 und einen Halbleiterschalter 703 auf.
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In einer grundlegenden Funktionsweise, wird zuerst der Halbleiterschalter 703 geschlossen. Hierauf erfolgt ein Stromfluss aufgrund einer Spannungsquelle 701 durch die Induktivität 763. Dadurch baut sich in der Induktivität 763 ein Magnetfeld auf, in dem Energie gespeichert wird. Wird nun der Schalter 703 geöffnet, tendiert die Induktivität 763 dazu, den Stromfluss aufrecht zu erhalten. Dadurch steigt die Spannung am zur Diode 705 gerichteten Ende der Induktivität 763 schnell an, bis sie die am Kondensator 706 anliegende Spannung übersteigt. In diesem Fall öffnet die Diode 705 und der Stromfluss fließt im ersten Moment weiter und lädt dadurch den Kondensator 706 auf. Das Magnetfeld der Induktivität 763 wird dadurch abgebaut und gibt die in ihm gespeicherte Energie über die Diode 705 an den Ladekondensator 706 weiter. Die in dem Ladekondensator 706 gespeicherte Energie kann dann zum Betreiben einer Last verwendet werden.
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Die in Bezug auf 7 ausgeführte Version eines Boost-Converters ist eine allgemeine Form, wobei von einer externen Regelung des Halbleiterschalters 703 ausgegangen wird. In gängigen Boost-Converter-Schaltungen ist jedoch die Regelung integriert vorgesehen, da anderenfalls eine separate Regelung mit Energieversorgung benötigt würde.
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Ein derartiger Schaltungsaufbau ist exemplarisch in 6 gezeigt. Hierbei sind gleiche beziehungsweise ähnliche Bauteile wie in 7 mit Bezugszeichen bezeichnet, die sich jeweils lediglich um die erste Ziffer als Bezugnahme auf die jeweilige Figur unterscheiden.
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Im Gegensatz zu der Prinzipskizze aus 7 ist in der Schaltung, wie sie in 6 gezeigt ist, eine Regelung 614 zur Steuerung der Transistoren 603 und 617 vorgesehen. Hierbei wird der zuvor erwähnte Halbleiterschalter durch den Transistor 603 ausgebildet. Der Transistor 617 ist nicht zwingend erforderlich, dient jedoch zur Effizienzsteigerung des Boost-Converters. Des Weiteren ist in der Schaltung ein Start-Oszillator 661 vorgesehen, welcher zum Starten des Boost-Converters mit integrierter Regelung insbesondere bei kleinen Eingangsspannungen benötigt wird. Um zwischen dem Startvorgang und dem eigentlichen Boost-Converter-Betrieb umschalten zu können, sind zwei Schalter 612 und 613 vorgesehen, die mittels eines Komparators 611 gesteuert werden. Die prinzipielle Funktionsweise dieser Schaltung wird im Folgenden beschrieben.
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Um den Startvorgang in Gang zu setzen ist es notwendig, dass die Eingangsspannung Vin über der Schwellenspannung (threshold voltage Vt) des Transistors 603, welcher als NMOS-Transistor ausgeführt ist, liegt. Nach dem Start des Startoszillators 661 wird über einen Treiber 662 der selbstsperrende NMOS-Transistor 603 geschlossen. Hierdurch wird ein Stromfluss durch die Spule 663 ermöglicht, wodurch sich ein magnetisches Feld aufbaut, in dem die Energie gespeichert wird. Beim anschließenden Öffnen des Transistors 603 entsteht, wie zuvor in Bezug auf 7 beschrieben, an der Diode 605 eine Spannungserhöhung, was zur Folge hat, dass der Kondensator 606 über die Diode 605 aufgeladen wird.
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Im Folgenden wird der Umschaltvorgang zwischen Startbetrieb und Boost-Converter-Betrieb beschrieben. Unter der Annahme, dass die vorgesehenen Widerstände 607, 608, 609 beispielsweise einen Wert von 100 kΩ aufweisen, und eine Referenzspannungsquelle 610 Uref eine Referenzspannung von 1,2 V liefert, schaltet der Komparator 611 bei ca. 1,8 V um. Dies bedeutet, dass er von einem Low- auf ein Highsignal wechselt. Dies hat zur Folge, dass dadurch die Schalter 612 und 613 jeweils von der Position B auf A geschaltet werden, und auch die Regelung 614 in Betrieb gesetzt wird.
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Diese Regelung 614 kann eine Regelung des Boost-Converters mittels Pulsweiten-Modulation (PWM), Pulsfrequenz-Modulation (PFM) oder einer Kombination der beiden Modulationen durchführen. Selbstverständlich sind dem Fachmann auch weitere geeignete Modulationsverfahren bekannt.
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In der Schaltung nach 6 wird die Ausgangsspannung Vout auf den dreifachen Wert der Referenzspannung Uref geregelt. Dies bedeutet, dass Vout einen Betrag von 3,6 V erreichen soll. Zu diesem Zweck steuert die Regelung 614 über die Treiber 615 und 616 die beiden Transistoren 603 und 617 entsprechend an.
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Wie zuvor ausgeführt, ist grundsätzlich der Transistor 617 nicht zwingend notwendig. Sollte die Regelung 614 jedoch im reinen Pulsweiten-Modulationsverfahren mit einer konstanten Frequenz betrieben werden, ist das Vorsehen des Transistors 617 insbesondere bei sehr niedrig anliegenden Lasten an dem Boost-Converter vorteilhaft, da der Strom durch die Induktivität 663 hierbei auch negativ werden muss, damit die Ausgangsspannung Vout nicht zu hoch wird. Alternativ hierzu kann dies durch einen Pulse-Skip-Mode oder Burst-Mode vermieden werden. Unabhängig hiervon kann durch die Verwendung des Transistors 617 die Effizienz des Boost-Converters jedoch grundsätzlich erhöht werden.
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In einer Ausführungsvariante kann die Diode 605 auch als die parasitäre Diode des Transistors 617 ausgeführt sein.
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Ein grundlegendes Problem bei derartigen Boost-Converter-Schaltungen, wie sie in 6 gezeigt sind, ist, dass damit die Boost-Converter-Schaltung selbständig anläuft, eine gewisse Eingangsspannung anliegen muss. Diese wird durch die minimal benötigte Spannung des Halbleiterschalters definiert. Sie liegt bei konventionellen Boost-Converter-Schaltungen, ähnlich wie in 6 gezeigt, bei mindestens 0,5 V. Derartige Boost-Converter-Schaltungen weisen nur zwei externe Bauelemente, nämlich die Induktivität 663 und den Ladekondensator 606, auf. Hierbei kann unter externem Bauelement verstanden werden, dass die restliche Schaltung auf Halbleiterebene realisiert werden kann und nur dieses Bauteil nicht.
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Eine andere Möglichkeit als einen Start-Oszillator zum Starten des eigentlichen Boost-Converters einzusetzen ist eine von Seiko Instruments Inc. unter S-8822 Series vertriebene Ladungspumpe für extrem geringe Spannungen zu verwenden. Bei diesem IC wird mithilfe eines Spezialprozesses eine minimale Startspannung von 0,3 V erreicht. Nachteilig hieran ist jedoch, dass es im Vergleich eine sehr teure Schaltung ist, da zwei integrierte Schaltungen benötigt werden, sowie insgesamt 4 externe Bauteile, da zwei zusätzliche Kondensatoren zu dem Ladekondensator und der Induktivität verbaut werden müssen.
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Eine weitere bekannte Möglichkeit ist es, den Boost-Converter mittels Oszillatoren mit Step-Up-Transformatoren zu starten. Dies ermöglicht ein Starten des Boost-Converters ab ca. 20 mV. Derartige Schaltungen sind im Vergleich jedoch sehr teuer. Außerdem werden wiederum 4 externe Bauelemente benötigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Boost-Converter-Schaltung zu schaffen, welche günstig zu realisieren ist und eine geringe Startspannung benötigt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Boost-Converter-Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren und deren Beschreibung angegeben.
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Gemäß Anspruch 1 wird die Boost-Converter-Schaltung dadurch weitergebildet, dass ein Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung vorgesehen ist, welche gegensätzlich verschaltet sind. Hierbei ist die Induktivität des Boost-Converters als eine Induktivität, insbesondere als Sekundärwicklung des Transformators ausgeführt. Ferner ist ein Joule-Thief-Transistor vorgesehen, der zusammen mit dem Transformator einen Joule-Thief zum Starten des Boost-Converters ausbildet.
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Grundsätzlich kann im Rahmen der Erfindung eine Boost-Converter-Schaltung als Boost-Converter mit vorgesehener Start-Schaltung angesehen werden. Ferner kann im Rahmen der Erfindung die Sekundärwicklung eines Transformators als die Wicklung des Transformators verstanden werden, die die Ausgangsspannung erzeugt.
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Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, zum Starten des Boost-Converters einen Joule-Thief zu verwenden. Die grundlegende Funktionsweise eines Joule-Thiefs wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 5 genauer erläutert.
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Ein Joule-Thief ist eine Schaltung eines selbstschwingenden Oszillators. Sie ist eine sehr einfache Spannungs-Boost-Schaltung, die selbstoszillierend ausgelegt ist. Durch die geringe Anzahl von Bauelementen ist sie kostengünstig aufzubauen. Sie hat allerdings den Nachteil, dass die Schaltfrequenz und der maximale Laststrom von vielen Parametern abhängig sind, was gegenüber einem geregelten Boost-Converter zu schlechteren Betriebseigenschaften führt.
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Zentrale Elemente des Joule-Thiefs sind ein Transformator 502, eine Diode 505 sowie ein Transistor 503. Außerdem ist in der in 5 dargestellten Schaltung ein Ladekondensator 506 sowie eine Zenerdiode 551 vorgesehen. Sobald die Spannung Vin einer Spannungsquelle 501 die Schwellenspannung Vt des selbstsperrenden NMOS-Transistors 503 erreicht, beginnt eine aufschwingende Oszillation der Schaltung, bedingt durch die gegensätzlich geschalteten Spulen des Transformators 502. Unter Umständen kann diese aufschwingende Oszillation bereits vor Erreichen der Schwellenspannung Vt aufgrund der sogenannten schwachen Inversion (weak inversion) des Transistors 503 beginnen. Durch die Oszillation wird der Transistor 503 zeitweise abgeschaltet, wodurch die gespeicherte Energie in der sekundären Wicklung des Transformators 502 eine Spannungserhöhung an der Diode 505 bewirkt. Analog, wie bereits in Bezug auf den Boost-Converter in 6 und 7 beschrieben, wird bei ausreichender Spannung der Ladekondensator 506 über die Diode 505 aufgeladen.
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In der Schaltung nach 5 wird die Spannung in dem Ladekondensator 506 über eine Zenerdiode 551 begrenzt. Da Zenerdioden bei integrierten Schaltungen nicht oder nur schwer möglich sind, würde man bei einer integrierten Ausführung dieser Schaltung alternativ beispielsweise eine aktive Limiter-Schaltung verwenden.
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Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist es, den Boost-Converter, der detailliert betrachtet ein DCDC-Boost-Ccnverter ist, nicht lediglich über den Joule-Thief zu starten, sondern aufgrund von Kostenersparnissen die einzelnen Bauteile des Joule-Thiefs und des Boost-Converters ineinander zu integrieren beziehungsweise Bauteile doppelt zu verwenden.
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Hierzu wird die Sekundärwicklung des Transformators als Induktivität für den Boost-Converter verwendet.
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Hierdurch kann zumindest eine Spule des Transformators auch für den Boost-Converter selbst verwendet werden, wodurch diese nur einmal vorzusehen ist. Dies ist insbesondere relevant, da Spulen nur schwierig in integrierten Schaltungen integriert ausgeführt werden können und meist durch externe Bauteile realisiert werden. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus ist es, dass durch die Verwendung einer Joule-Thief-Schaltung, welche lediglich zusätzlich einen Transformator und einen Joule-Thief-Transistor benötigt, kaum höhere Herstellungskosten für eine derartige Schaltung anfallen, insbesondere im Vergleich zu konventionellen Boost-Converter-Schaltungen.
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Außerdem ist es durch die Integration eines Joule-Thiefs in einer Boost-Converter-Schaltung beziehungsweise die Verwendung eines Joule-Thiefs zum Starten des Boost-Converters möglich, die Boost-Converter-Schaltungen bereits mit einer Startspannung im Bereich zwischen 100 mV und 500 mV, abhängig von der exakten Ausführung der Schaltung zu starten.
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Somit kann eine relativ geringe Startspannung für die Boost-Converter-Schaltung verbunden mit geringen Kosten erreicht werden, verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten.
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In der allgemeinen Form der Erfindung muss der Boost-Converter lediglich eine Spule und der Joule-Thief einen gegensinnig geschalteten Transformator aufweisen, wobei eine Spule des Transformators als Spule für den Boost-Converter verwendet wird. Der gegensinnig geschaltete Transformator, kann durch eine entsprechende Verschaltung eines gleich- oder gegensinnig gewickelten Transformators realisiert werden.
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Grundsätzlich kann die Boost-Converter-Schaltung in beliebiger Art und Weise aufgebaut sein. Eine einfache Form ergibt sich jedoch, wenn die erste Seite der Spule mit einer Spannungsquelle verbindbar ist und die zweite Seite der Spule mit einer Anode der Diode verbunden ist. Die Kathode der Diode kann dann mit einer ersten Seite des Ladekondensators verbunden sein. Meistens ist vorgesehen, dass die zweite Seite des Ladekondensators auf Masse gelegt ist und somit parallel zu einer mit der Schaltung verbundenen Energiequelle liegt. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Halbleiterschalter ausgebildet ist, um die zweite Seite der Spule auf Masse zu legen.
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Wie bereits ausgeführt, dient der Joule-Thief lediglich zum Starten des eigentlichen Boost-Converters, welches dann erfolgen kann, wenn eine Spannung zur Verfügung steht, die hoch genug ist. Um dies zu erkennen, kann ein Komparator vorgesehen sein. Dieser kann beispielsweise anhand einer Referenzspannung eine ausreichende Spannung am Ausgang des Joule-Thiefs erkennen und anschließend den Joule-Thief abschalten und den Boost-Converter im normalen Betrieb betreiben.
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Vorteilhaft ist es, wenn ein Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 ausgebildet ist. Je nach exakter Auslegung des Joule-Thiefs zur Optimierung der notwendigen Startspannung ist auch ein anderes Verhältnis möglich, welches beispielsweise in Richtung eines Übersetzungsverhältnisses von 2:1 tendieren kann.
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Um den Trafo zu verbilligen, ist es möglich, die Primärwicklung hochohmiger und somit kleiner zu gestalten.
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Des Weiteren kann ein Widerstand ausgangsseitig an der Primärwicklung des Transformators zur Begrenzung der Ströme im Boost-Converter-Betrieb vorgesehen sein. Da die Primärwicklung des Transformators im Boost-Converter-Betrieb nicht mehr benötigt wird, bietet der Widerstand so eine Möglichkeit, Ströme durch diese Primärwicklung zu minimieren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Joule-Thief-Transistor durch den Halbleiterschalter ausgeführt. Mit anderen Worten werden der Joule-Thief-Transistor und der Halbleiterschalter durch denselben Transistor realisiert. Dies ermöglicht eine weitere Einsparung von Bauteilen beim Aufbau der Boost-Converter-Schaltung. Es ist hierbei auch möglich, diese durch separate Bauteile vorzusehen. Dies kann eine erhöhte Effizienz der Schaltung mit sich bringen.
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Der Joule-Thief-Transistor kann beispielsweise als selbstsperrender CMOS-Transistor und low threshold device ausgebildet sein. Hierbei kann die Schwellenspannung Vt des Transistors in einem Bereich von 300 mV liegen.
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In einer anderen Ausführung kann der Joule-Thief-Transistor als selbstsperrender CMOS native threshold-Transistor ausgebildet sein, welcher eine Schwellenspannung Vt im Bereich von 40 mV aufweist.
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Ein low threshold device kann mit VGS von 0 V hochohmig geschaltet werden. Bei einem native threshold-Transistor ist hierfür eine negative Spannung notwendig.
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Alternativ oder zusätzlich zu den oben genannten Auslegungen des Joule-Thief-Transistors kann dieser auch parallel zum Halbleiterschalter vorgesehen sein. In diesem Fall werden der Joule-Thief-Transistor und der Halbleiterschalter getrennt voneinander angesteuert. Grundsätzlich kann der Halbleiterschalter als Transistor ausgebildet sein.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Regelung auch zum Steuern des Joule-Thief-Transistors nach dem Start des Boost-Converters ausgelegt ist. Hierdurch kann eine effiziente Regelung der Boost-Converter-Schaltung erreicht werden.
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Um die Ströme durch die Primärwicklung des Transformators weiter zu minimieren kann ein weiterer Transistor vorgesehen sein, der den Joule-Thief-Transistor deaktivieren kann. Hierdurch werden auch die Ströme durch die Primärwicklung größtenteils unterbunden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Zeichnungen erläutert. In diesen Zeichnungen zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Boost-Converter-Schaltung;
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2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Boost-Converter-Schaltung;
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3: eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Boost-Converter-Schaltung;
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4: eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Boost-Converter-Schaltung;
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5: ein Beispiel für einen Joule-Thief;
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6: ein Beispiel für eine Boost-Converter-Schaltung mit Startoszillator; und
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7: einen vereinfachten Boost-Converter.
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In den Figuren werden gleiche beziehungsweise ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, wobei jeweils die erste Ziffer unterschiedlich ist, und die jeweilige Figur anzeigt.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Boost-Converter-Schaltung dargestellt. Diese gleicht im Wesentlichen dem Boost-Converter, welcher in Bezug auf 6 beschrieben wurde. Der Boost-Converter weist wiederum eine Diode 105 und einen Kondensator 106 auf. Über einen Abgriff der in Serie geschalteten Widerstände 107, 108 und 109 sowie eine Referenzspannung 110 kann mittels eines Komparators 111 erkannt werden, wenn eine ausreichende Eingangsspannung vorhanden ist, um eine Regelung 114 des Boost-Converters zu betreiben. Unter der Annahme, dass die drei Widerstände 107, 108 und 109 jeweils einen Widerstand von 100 kΩ) haben und die Referenzspannungsquelle 110 eine Referenzspannung von 1,2 V liefert, schaltet der Komparator 111 bei einer Ausgangsspannung vor Ort von 1,8 V. Hierdurch kann zum einen die Regelung 114 in Betrieb gesetzt werden. Zum anderen werden hierdurch die Schalter 112 und 113 betätigt, so dass die Regelung 114 die vorhandenen Transistoren 103 und 117 steuern kann. Die Steuerung eines Transistors 123 erfolgt direkt ohne Umschaltung der Schalter 112 oder 113.
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Der Vollständigkeit halber ist noch zu erwähnen, dass für den Transistor 103 ein Treiber 121, für den Transistor 117 ein Treiber 115 und für den Transistor 123 ein Treiber 116 vorgesehen ist.
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Die Boost-Converter-Schaltung nach 1 unterscheidet sich von dem Boost-Converter nach 6 dadurch, dass anstelle des Startoszillators hier ein Joule-Thief vorgesehen ist. Dieser wird im Wesentlichen durch einen Transformator 102, einen Widerstand 104 und einen Transistor 103 ausgebildet. Wie später genauer erläutert, fungiert die sekundäre Wicklung des Transformators 102 auch als Induktivität für den Boost-Converter. Der Transformator 102 ist mit seinem Eingang mit einer Spannungsquelle 101 verbunden. Diese kann beispielsweise eine Gleichspannungsquelle in Form einer Batterie, einer Solarzelle oder eines thermoelektrischen Generators sein.
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Im Folgenden werden der Startvorgang und die Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Boost-Converter-Schaltung beschrieben. Grundsätzlich wird beim Starten nur der Joule-Thief in einer analogen Weise, wie bereits in Bezug auf 5 beschrieben, verwendet. Sobald eine ausreichende Spannung erreicht ist, schaltet die Boost-Converter-Schaltung auf den Boost-Converter-Betrieb, wobei, wie angedeutet, die sekundäre Wicklung des Transformators 102 als Spule verwendet wird. Die primäre Wicklung wird in diesem Fall nicht mehr zwingend benötigt.
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Während des Startvorganges wird durch den Transformator 102, den Widerstand 104 und den Transistor 103 ein Joule-Thief ausgebildet, der bei einer vorhandenen Eingangsspannung mit einer aufschwingenden Oszillation aufgrund der gegensätzlich geschalteten Spulen des Transformators 102 beginnt. Hierbei wird jeweils beim Abschalten des Transformators 103 die in der sekundären Wicklung des Transformators 102 gespeicherte Energie über die Diode 105 auf den Kondensator 106 geladen. Wie bereits in Bezug auf 5 ausgeführt, ist der Widerstand 104 nicht zwingend notwendig.
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Sobald der Komparator 111 das Vorliegen einer ausreichenden Spannung Vout bei einem Wert der Widerstände 107, 108, 109 von jeweils 100 kΩ und einer Referenzspannung Uref von 1,2 V im vorliegenden Fall bei 1,8 V, erkennt, schaltet er. Hierdurch werden die Schalter 112 und 113 von B nach A geschaltet, wodurch grundsätzlich die Regelung der Transistoren 103 und 117 durch die Regelung 114 ermöglicht wird. Zusätzlich wird dann im Boost-Converter-Betrieb auch der Transistor 123 über die Regelung gesteuert.
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Bei der Regelung 114 kann es sich um eine Pulsweiten-Modulation, eine Pulsfrequenz-Modulation oder um eine Kombination der beiden handeln. Ebenso sind andere Modulationsverfahren möglich. In der hier dargestellten Ausführungsform wird die Ausgangsspannung Vout auf das Dreifache der Referenzspannung Vref geregelt. Dies bedeutet, dass Vout einen Wert von 3,6 V erreicht.
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Diese Regelung erfolgt in der Art, dass über die Steuerung der Transistoren 103, 117 und 123 der Boost-Converter derart betrieben wird, so dass die gewünschte Ausgangsspannung Vout erzeugt wird.
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Da die Primärwicklung des Transformators 112 im Boost-Converter-Betrieb nicht mehr benötigt wird, ist der Widerstand 104 vorgesehen. Dieser kann beispielsweise einen Wert im Bereich von 10 kΩ aufweisen und kann die durch die Primärwicklung auftretenden Ströme begrenzen.
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Der Transistor 103 kann als low threshold Transistor ausgebildet sein. Hierbei kann der Boost-Converter mit dem Transistor 103 geregelt werden. Es kann aber auch sinnvoll sein den Transistor 103 nicht zu niederohmig auszulegen, um den Strom durch den Transformator 102 im Joule-Thief-Betrieb zu begrenzen. In diesem Fall arbeiten die Transistoren 103 und 123 im Boost-Converter-Betrieb parallel. Bei dieser Auslegung kann die Schaltung bereits bei 300 mV bis 400 mV gestartet werden.
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Der Transistor 103 kann aber auch als natural NMOS-Transistor ausgebildet sein. Derartige Transistoren werden auch als native oder zero threshold-Transistoren bezeichnet. Beispielsweise kann hierzu ein Transistor mit einer Schwellenspannung Vt von 40 mV verwendet werden.
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Beim Abschalten des Transistors 103, wobei sein Gate auf Masse gelegt wird, und dem Abschalten des Transistors 123, wobei sein Gate ebenfalls auf Masse gelegt wird, sowie dem Einschalten des Transistors 117, dessen Gate ebenfalls auf Masse gelegt wird, ist es notwendig, dass der Transistor 103 einen derartigen Widerstand besitzt, dass ein Querstrom, der über den Transistor 117 und den Transistor 103 fließt, nicht zu groß ist. Andernfalls würde sich der Wirkungsgrad verschlechtern. Sobald anschließend die Spannung der Sekundärwicklung des Transformators 102 steigt, kann der Treiber 121 hochohmig geschaltet werden, was zur Folge hat, dass am Gate des Transistors 103 eine negative Spannung anliegt, welche den Transistor 103 komplett abschaltet. Dieses Umschalten des Treibers 121 kann nach wenigen Nanosekunden erfolgen.
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Ebenso ist es möglich, dass beim Abschalten des Transistors 117 und dem Einschalten des Transistors 123 der Treiber 121 hochohmig bleiben kann, da durch den Transformator 102 eine positive Spannung am Gate des Transistors 103 entsteht. Diese schaltet den Transistor 103 ein.
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Die Boost-Converter-Schaltung nach dieser Ausführungsform startet bereits mit einer Eingangsspannung von ca. 100 mV bis 200 mV.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Boost-Converter-Schaltung dargestellt. Hier wird als Transistor 203 ein NMOS-Transistor mit zero threshold verwendet.
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Dieser Transistor benötigt zum Abschalten eine negative Spannung. Um diese zu erreichen, sind zusätzlich eine Diode 218, ein Kondensator 219 und eine Zenerdiode 220 vorgesehen. Die Zenerdiode 220 kann auch durch eine beliebige andere Begrenzer- oder Limiter-Schaltung ausgeführt sein. Die benötigte negative Spannung entsteht in dem Moment in dem an der Diode 205 eine positive Spannung entsteht. Dann wird der Kondensator 219 über die Diode 218 geladen. Die Begrenzerschaltung ist grundsätzlich für die Begrenzungen der negativen Spannung Vout im Boost-Converter-Betrieb vorgesehen. Grundsätzlich kann die Diode 218 auch durch einen Transistor oder die Kombination eines Transistors und einer Diode realisiert werden.
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Für die in 2 dargestellte Boost-Converter-Schaltung bieten sich drei verschiedene Möglichkeiten für den Boost-Converter-Betrieb an. Entsprechend Möglichkeit 1 wird der Transistor 203 zum Steuern des Boost-Converter-Betriebes verwendet. In diesem Fall ist der Transistor 223 nicht mehr notwendig. In einer zweiten Möglichkeit wird der Transistor 203 über die negative Spannung Vout- abgeschaltet. Dementsprechend wird der Transistor 223 zur Regelung des Boost-Converters verwendet. Schließlich besteht noch eine dritte Möglichkeit, in der die beiden Transistoren 203 und 223 zur Regelung des Boost-Converters verwendet werden.
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Die Boost-Converter-Schaltung nach dieser Ausführungsform startet bereits bei einer Eingangsspannung von 100 mV bis 200 mV.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Boost-Converter-Schaltung dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Ausführung nach 1 dadurch, dass ein weiterer Transistor 324 vorgesehen ist. Dieser dient dazu, nach dem Joule-Thief-Betrieb, im Boost-Converter-Betrieb den Transistor 303 wegzuschalten. Dies hat zur Folge, dass nur mehr Umladungsströme bzw. Ströme zum Umladen der Kapazität durch die Primärwicklung des Transformators 302 fließen. In diesem Fall ist der Widerstand 304 nicht mehr zwingend notwendig. Die Serienschaltung der Transistoren 303 und 324 kann auch in umgekehrter Reihenfolge implementiert werden.
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Bei der Ausführungsform nach 3 ist es notwendig, dass der Transistor 324, welcher eine niedrige Schwellenspannung ausweist (low threshold device), bereits ausreichend leitend ist, damit der Joule-Thief funktionieren kann. Dies erhöht die notwendige Spannung in geringer Weise gegenüber der Ausführungsform nach 1.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist jedoch, dass hierbei eine leichte Erweiterung für ein An- und Ausschalten der kompletten Schaltung realisiert werden kann. Ein entsprechendes Eingangssignal kann direkt auf den Eingang B des Schalters 312 vorgesehen sein. Selbstverständlich müsste ein derartiges Eingangssignal auch von der Regelung 314 ausgewertet werden.
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Die Boost-Converter-Schaltung nach dieser Ausführungsform startet bereits bei einer Eingangsspannung im Bereich von 400 mV bis 500 mV.
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Die weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Boost-Converter-Schaltung nach 4 stellt eine Kombination der beiden Ausführungsformen dar, wie sie in den 2 und 3 gezeigt sind. Der Transistor 403 ist wiederum als native threshold NMOS-Transistor ausgeführt. Allerdings ist im Gegensatz zur Ausführung nach 3 in der Ausführung nach 4 der Transistor 424 als selbstleitender Transistor realisiert. Er kann beispielsweise als ein Transistor ausgeführt sein, der zum Abschalten eine negative Spannung von mindestens –1,5 V benötigt, welche durch die Ergänzungen, wie sie bereits in Bezug auf 2 beschrieben wurden, realisiert werden kann.
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Wie bereits in Bezug auf 3 ausgeführt, kann die Serienschaltung der beiden Transistoren 403 und 424 auch in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt sein. Dies kann von Vorteil sein, wenn der Transistor 424 eine höhere Drain-Source-Spannung als der Transistor 403 aushält.
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Grundsätzlich ist es möglich, den Anschluss B des Schalters 412 auf Masse zu legen. Allerdings leitet der Transistor 424 besser, wenn der Anschluss B auf die Eingangsspannung Vin geschaltet ist und somit die Spannung am Gate des Transistors 424 definiert.
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Der Vorteil der Ausführungsform der 4 gegenüber der Ausführungsform der 2 kann darin gesehen werden, dass nur noch Umladungsströme über den Widerstand 404 fließen. Daher kann unter Umständen auf den Widerstand 404 verzichtet werden. Diese Ausführungsform bietet also die Vorteile der beiden Ausführungen nach 2 und 3.
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Die nach den Ausgestaltungen der 2 und 4 vorhandenen negativen Ausgangsspannungen können auch von angeschlossenen Verbrauchern genutzt werden.
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Ähnlich wie die Ausführungsform nach 2 benötigt diese Ausführungsform lediglich eine Startspannung im Bereich von 100 mV bis 200 mV.
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Die 5 bis 7 wurden bereits an anderer Stelle der Beschreibung beschrieben.
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Mit der erfindungsgemäßen Boost-Converter-Schaltung wurde eine kostengünstig zu realisierende Boost-Converter-Schaltung angegeben, die dennoch nur eine geringe Startspannung benötigt.
