DE2638045A1 - Integrierte stromversorgungsschaltung - Google Patents

Integrierte stromversorgungsschaltung

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DE2638045A1 DE19762638045 DE2638045A DE2638045A1 DE 2638045 A1 DE2638045 A1 DE 2638045A1 DE 19762638045 DE19762638045 DE 19762638045 DE 2638045 A DE2638045 A DE 2638045A DE 2638045 A1 DE2638045 A1 DE 2638045A1
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    • H01L27/0203—Particular design considerations for integrated circuits
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München VPA 76 P 7 1 0 3 BRD
Integrierte Stromversorgungsschaltung
Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Stromversorgungsschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Solche Stromversorgungen sind bekannt. Dabei verwenden diese bekannten Stromversorgungen Transformatoren, Gleichrichter und Glättungsschaltungen, die beinahe ausschliSlich mit diskreten" Bauelementen bestückt sind.
Für eine Reihe von Massenanwendungen für einzelne integrierte Schaltungen sind solche bekannten Lösungen für die Stromversorgung jedoch zu kostspielig. Dies gilt beispielsweise für elektronisch lösbare Aufgaben in der Konsumindustrie, bei einfachen elektrischen Haushaltsgeräten, bei Synchronuhren, bei Erweiterungen zum Telefonhausapparat, bei Spielzeugen und in der Installationstechnik. Aus dem oben genannten Grund werden daher häufig den elektronischen Lösungen elektromechanische Lösungen mit diskreten oder integrierten Bauelementen vorgezogen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, eine kostengünstige integrierte Stromversorgung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs bereits genannte Stromversorgung gelöst, die durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gekenn-
17.8.1976 / vP 17 Htr
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zeichnet ist.
Weitere Erläuterungen zur Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Figuren hervor.
Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen integrierten Stromversorgung mit einer Gleichrichterspannung und einer Glättungsschaltung auf einem Halbleiterchip.
Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen integrierten Stromversorgung, bei der auf einem Chip die Gleichrichter, Glättungs, Stabilisierungs- und Nutzschaltung aufgebracht sind.
Die Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung mit ohmschen Spannungsteiler.
Die Fig. 4 zeigt eine einfache Ausführungsform einer Glättungsschaltung mit einem ohmschen Spannungsteiler.
Die Fig. 5 zeigt das Schaltbild einer symmetrischen Ausbildung des Spannungsteilers, der den Schutz eines Menschen bei einer unbeabsichtigten Berührung eines Ausganges erlaubt.
Die Fig. 6 zeigt eine Mehrweg-Gleichrichterschaltung.
Die Fig. 7 zeigt eine integrierte Stromversorgung mit einem kapazitiven Spannungsteiler.
Die Fig. 8 zeigt ein vollständiges Schaltungsbeispiel einer integrierten Stromversorgung mit kapazitiven Spannungsteiler und mit einer einfachen Glättungsschaltung.
Die Fig. 9 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ströme und Spannungen des Sehaltungsbeispiels nach der Fig. 8.
In der Fig. 1 ist der Chip, der die Gleichrichter-, Glättungsund Stabilisierungsschaltungen enthält mit 1 bezeichnet. Eine externe , mit dem Chip 1 verbundene Schaltung, is't mit 2 be-
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zeichnet. An den Eingängen 21 dieser externen Schaltungen 2 liegt die Netzspannung an. Auf dem Chip 1 angeordnet sind eine Gleichrichterschaltung 10 und eine damit verbundene Glättungsund Stabilisierungsschaltung 11. Diese Glättungs- und Stabilisierungsschaltung 11 weist die Ausgänge 111, 112 ....114 auf.
Bei der in der Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Stromversorgung befindet sich auf dem Chip 1 neben der Gleichrichterschaltung 10 und der Glättungs- und Stabilisierungsschaltung 11 noch die Nutzschaltung 12. Dabei kann die Nutzschaltung 12 ihre Eingangssignale von elektrischen Eingängen 121 bis 122 oder von auf dem Chip befindlichen Eingangswandlern empfangen. Die Ausgangssignale der Nutzschaltung können als elektrische Größaiüber die Ausgänge 123 bis 124 oder über Ausgangswandler abgegeben werden. Beispielsweise können als Eingangswandler Temperaturfühler oder lichtempfindliche Elemente verwendet werden. Als Ausgangswandler können beispielsweise hybrid auf dem Halbleiterchip integrierte Lumineszenzdioden Verwendung finden.
In der Fig. 3 ist eine einfache Ausführungsform einer Gleichrichterschaltung 10 mit einem ohmschen Spannungsfeiler dargestellt. Dabei besteht die externe Beschaltung 2, an deren'Eingängen 21 die Netzspannung anliegt, aus einem Ladekondensator 22. Die Integration dieses Kondensators auf dem Chip 1 ist nicht möglich, da sie zu viel Fläche erfordern würde. Bei größeren Leistungen, das sind Leistungen die größer als etwa 1 Watt sind, ist der Vorwiderstand vorteilhafterweise aufgeteilt. Er besteht dann, wie in der Fig. 3 dargestellt ist, aus einem externen Vorwiderstand 23 und aus einem internen, dazu in Reihe geschalteten Widerstand. Dieser interne Widerstand ist auf dem Chip 1 integriert. Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, kann der interne in der Gleichrichterschaltung 10 auf dem Chip enthaltene Vorwiderstand aus einem Widerstand 101 und aus dem Durdiaßwiderstand der Serienschaltung von Dioden 102 dargestellt sein. Beispielsweise kann der Vorwiderstand auch allein aus dem Durchlaßwiderstand der Serienschaltung der Dioden 102 bestehen.
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Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, ist. der eine Eingang 21 der externen Schaltung 2 . über den externen Vorwiderstand 23 mit dem einen Anschluß des internen Widerstandes 101, 102 der Gleichrichterschaltung 10 verbunden. Der andere Anschluß des internen Widerstandes 101, 102 ist mit einem Eingang der Glättungsschaltung 11 verbunden. Der andere Eingang der Glättungssehaltung 11 ist mit dem anderen Anschluß 21 der externen Spannungsquelle verbunden. Parallel zu den Eingängen der Glättungssehaltung 11 liegt der Ladekondensator 22, der in der externen Schaltung 2 angeordnet ist.
In der Fig. 4 ist in Verbindung mit der Schaltung nach der Fig. 3 eine Glättungssehaltung 11 dargestellt. Einzelheiten der Fig. 4, die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 3 beschrieben wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Durch die Glättungssehaltung 11 wird die Spannung am Ladekondensator 22 durch die parallel geschaltete Serienschaltung von Zenerdioden 111 begrenzt. Im Beispiel nach der Fig. 4 sind drei Zenerdioden dargestellt. Diese Zenerdioden können noch als Teil des Spannungsteilers verstanden werden. Die eigentliche Glättungssehaltung besieht aus einem Feldeffekttransistor 112, der die Ausgangsspannung amWiderstand 113 begrenzt. In aus der Figur ersichtlichen Weise ist parallel zu der Serienschaltung der Zenerdioden 111 eine Serienschaltung aus einem Widerstand 114 und wenigstens einer Zenerdiode 115 geschaltet. Der Source- und Drainanschluß des Feldeffekttransistors 112 ist mit dem einen Punkt verbunden, in dem die Serienschaltung der Zeneudioden 111 und die Serienschaltung des Widerstandes
114 und der Zenerdiode 115 zusammengeschaltet sind. Mit dem Punkt, in dem der Widerstand 111 mit der Zenerdiode 115 zusammengeschaltet ist, ist der Gateanschluß des Transistors verbunden. Parallel zu dem anderen Anschluß der Zenerdiode
115 und zu dem Drain- bzw. Sourceanschluß des Transistors ist der Widerstand 113, der seinerseits parallel zum Ausgang 116, 117 der.Glättungssehaltung liegt, verbunden.
In der Fig. 5 ist eine erfindungsgemäße Stromversorgung beschrieben, bei der der Vorwiderstand 23, 101, 102 (Fig. 4) des
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Spannungsteilers in zwei etwa gleiche Teile 23'» 101', 1021 aufgeteilt ist. Eine sOlche Schaltung bietet' Schutz beim Berühren der elektrischen Ausgänge. Der im ungünstigsten Fall bei einer Berührung zwischen der Phasenleitung R des Netzes und dem Massepunkt Mp über den Berührenden dann fließende Strom I wird damit auf einen geringen Wert begrenzt.
In der Fig. 6 ist eine Stromerzeugung dargestellt, bei der die Gleichrichterschaltung 10 aus einer an sich bekannten Graetz-Schaltung 103 besteht. In der aus der Figur ersichtlichen Weise ist der Eingang der Graetz-Schaltung mit den Wechselstromanschlüssen 21 verbunden. Der Ausgang der Graetz-Schaltung 103 ist mit der bereits beschriebenen Glättungsschaltung 11 verbunden. Parallel zum Ausgang der Graetz-Schaltung 103 liegt der Ladekondensator 22, der Teil der externen Schaltung 2 ist. Infolge der Anwendung der Graetz-Schaltung 103 wird für den Ladekondensator 22 bei gleicher Restwelligkeit der Spannung eine geringe Kapazität benötigt.
Bei den Stromerzeugungsschaltungen nach den Fig. 7 und 8 ist ein kapazitiver Spannungsteiler vorgesehen. Diese Schaltungen weisen den Vorteil einer geringen Verlustleistung auf. Auf dem Chip 1 sind wieder die Gleichrichterschaltung 10, die Glättungsschaltung 11, und die Nutzschaltung 12 angeordnet. Die Netzanschlüsse 21 sind ,jeweils mit der auf dem Chip 1 befindlichen Gleichrichterschaltung 10 verbunden. Die externe Schaltung 2 besteht aus dem Vorschaltkondensator 24, der zwischen einen Anschluß der Wechselspannungsquelle und einem Eingangsanschluß der Gleichrichterschaltung 10 geschaltet ist und aus dem Ladekondensator 22 der Glättungsschaltung 11. Der Vorschaltkondensator 24 ist einer auf dem Chip 1 befindlichen Ableitdiode 104 und der zu dieser Ableitdiode 104 parallel geschalteten Glättungsschaltung 11 vorgeschaltet. Die Glättungsschaltung 11 besteht im einfachsten Fall aus einem Gleichrichter 116 im Längszweig und aus dem Ladekondensator 22 im Querzweig (Fig. 8). Es können dieser Anordnung übliche Stabilisierungsschaltungen mit Zenerdioden und Längstransistoren nachgeschaltet sein.
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In der Fig. 9 ist eine solche Schaltung mit einer nachgeschalteten Zenerdiode 117 dargestellt. Die Funktion dieser Schaltung wird im Zusammenhang mit den Fig. 10 und 11 beschrieben. Es wird dabei die Eingangsspannung an der Diode auf dem Chip 1 als sehr klein gegenüber der anliegenden Wechselspannung angesehen. Damit wird die Leistung auf dem Chip 1 über den eingeprägten Strom U1 = U . 2 f . C2^ gegeben. Die negative Halbwelle dieses Stromes I.. wird ohne nennenswerten Spannungsabfall über die Diode 104 abgeleitet. Die positive Halbwelle fällt, wie in der Fig. 10 dargestellt ist, am Innenwiderstand 118 der Glättungsschaltung ab.
Die erfindungsgemäße, integrierte Stromversorgung mit einem kapazitiven Spannungsteiler kann auch zur Begrenzung des in einem Kurzschlußfall fließenden Stromes entsprechend der in der Fig. 5 dargestellten Schaltung symmetrisch ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäßen, auf dem Chip 1 integrierten Teile der erfindungsgemäßen Stromversorgung können in verschiedenen Technologien ausgeführt sein. Beispielsweise können die auf dem Chip 1 integrierten Schaltungen 10, 11 und 12 in einer ESFI-SOS-Technologie, einer Beam-Lead-Technologie, einer Technologie mit polykristallinem Siliziumträger (Harris-Verfahren) oder in Sondertechnologien in Massiv-Silizium mit hochohmigen dicken Epitaxie-Schichten ausgeführt sein. Solche Technologien sind 'bekannt. Es sind aber auch alternative Technologien mit aus-reichenden Isolationseigenschaften einsetzbar und anwendbar.
Besonders zu bevorzugen ist die ESFI-SOS-Technologie und eine Technologie in Massiv-Silizium mit hochohmiger, dicker Epitaxie-Schicht. Eine solche Technologie ist jedoch nicht immer anwendbar, da beispielsweise für die erforderliche Sperrspannung von mehr als 300 V beim Betrieb aus dem 220 V Wechsel-
14 -3 stromnetz Epitaxie-Schichten mit Dotierungen von 10 cm (spezifischer Widerstand etwa 100-ß.cm) und Epitaxie- und Diffusionstiefen von 25 /um erforderlich sind. Diese Dicken und Dotierungen werden für die bei Massiv-Silizium-Schaltungen angewandten Sperrschichtisolationen benötigt.
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Ein besonderer 'Vorteil der Stromversorgung mit kapazitiven Spannungsteiler besteht neben der geringen Leistungsaufnahme darin, daß für den Halbleiterchip 1 eine der üblichen integrierten Schaltungstechnologien herangezogen werden kann, da die Anforderungen an die Sperrspannungen nur im üblichen Spannungsbereich zwischen 10 und 30 V liegen.
Die integrierten Stromversorgungen mit einem ohmschen Spannungsteiler zeichnen sich dadurch aus, daß ein geringerer externer Schaltmittelaufwand benötigt wird.
11 Patentansprüche
11 Figuren
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L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. -*- 76Ρ 7 103 BRD
    Patentansprüche
    Q. stromversorgungsschaltung mit einer Gleichrichterschaltung und einer Glättungsschaltung mit einem Ladekondensator, dadurch gekennzeichnet , daß sie zusammen mit der mit Strom zu versorgenden Nutzschaltung (12) auf einem Halbleiterchip (1) integriert ist.
    2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ladekondensator (22) der Glättungsschaltung (11) außerhalb des Chips (1) angeordnet ist.
    3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen ohmschen Spannungsteiler mit einem ersten Widerstand (101, 102) und mit einem zweiten Widerstand (111) aufweist, wobei die Glättungsschaltung
    (II) parallel zu dem zweiten Widerstand (111) angeordnet ist.
    4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet , daß der ohmsche Spannungsteiler aus zueinander in Reihe geschalteten Dioden (102) und aus zueinander in Reihe geschalteten Zenerdioden (111) besteht, daß die Glättungsschaltung (11) einen Widerstand (114) und eine dazu in Reihe geschaltete Zenerdiode (115) aufweist, wobei die Reihenschaltung aus dem Widerstand (114) und der Zenerdiode (115) parallel zu den in Reihe geschalteten Zenerdioden
    (III) angeordnet ist , daß ein Source- bzw. Drainanschluß eines Feldeffekttransistors (112) mit dem Punkt verbunden ist, in dem die Reihenschaltung aus dem Widerstand (114) und der Zenerdiode (115) mit der Reihenschaltung auf den Zenerdioden (111) verbunden ist, daß der Punkt, in dem der Widerstand (114) und die Zenerdiode (115) zueinander in Reihe geschaltet sind, mit dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors (112) verbunden ist, daß der Drain- bzw. SourceanSchluß des Feldeffekttransistors (112) mit dem Ausgang (116) der Glättungsschaltung (11) verbunden ist, daß der Punkt, in dem die Reihenschaltung aus dem Widerstand (114) und der Zenerdiode (115) und die Reihen-
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    schaltung aus den Zenerdioden (111) miteinander verbunden sind, mit dem Ausgang (t<!^7) der Glättungsrchaltung (11) verbunden ist, und daß zwischen den Ausgängen (116, 117) der Glättungsschaltung (11) ein weiterer Widerstand (113) vorgesehen ist, dessen Ausgangsspannung durch den Feldeffekttransistor (112) begrenzt wird.
    5. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß zusätzlich zu dem ersten Widerstand (101, 102) des ohmschen Spannungsteilers außerhalb des Chips (1) ein Vorwiderstand (23) in Reihe geschaltet ist.
    6. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet , daß der erste Widerstand (101, 102, 23) des ohmschen Spannungsteilers in etwa 2 gleiche Teile (101», 102', 23') aufgeteilt ist, wobei jeweils ein Eingang der Glättungsschaltung (11) über eine Hälfte des Vorwiderstandes mit einem Netzanschlußpunkt (21) verbunden ist.
    7. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Graetz-Schältung (103) vorgesehen ist, wobei zwei gegenüberliegende Anschlüsse dieser Graetz-Schaltung (103) mit dem Netzanschlußpunkt (21) verbunden ist, und wobei jeweils einer der anderen beiden sich gegenüberliegenden Punkte der Graetz-Schaltung (103) mit jeweils einem Eingang der Glättungsschaltung (11) verbunden ist.
    $. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein kapazitiver Spannungsteiler vorgesehen ist, daß die externe Schaltung (2) aus einem Vorschalt-Kondensator (24), der zwischen einem Netzanschluß (21) und einem Eingangsanschluß der Gleichrichterschaltung (10) angeordnet ist und aus dem Ladekondensator (22), der Glättungsschaltung (12) besteht, wobei dieser Ladekondensator (22) paraDLel zu den 'Eingängen der Glättungsschaltung (11) geschaltet ist, daß die Gleichrichterschaltung (10) aus einer paraTLel zu den Eingängen der Glättungsschaltung geschalteten Diode (104) besteht .
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    9. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch g e kennzeichnet , daß die Glättungs schaltung (11) aus einer Diode (116) und dem externen Ladekondensator (22) besteht, daß die Diode (116) einerseits mit dem einen Eingang der Glättungsschaltung und andererseits mit dem einen Ausgang der Glättungsschaltung (11) verbunden ist, daß der andere Eingang der Glättungsschaltung (11) mit dem anderen Ausgang der Glättungsschaltung (11) verbunden ist, und daß der Ladekondensator (22) zwischen den Ausgängen der Glättungsschaltung (11) angeordnet ist.
    10. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet , daß parallel zu den Ausgängen der Glättungsschaltung (11) eine Zenerdiode (117) als Stabilisierungsschaltung vorgesehen ist.
    11. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß als Stabilisierungsschaltung wenigstens ein Längstransistor vorgesehen ist.
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DE19762638045 1976-08-24 1976-08-24 Integrierte stromversorgungsschaltung Withdrawn DE2638045A1 (de)

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