DE3021890C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Spannungswandler- Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, die aus der DE-OS 25 33 894 bekannt sind.

Die DE-OS 25 33 894 betrifft einen netzunabhängigen Störgene­ rator zum Prüfen der Störfestigkeit von elektronischen Gerä­ ten, der einen batteriegespeisten, induktiv rückgekoppelten LC-Oszillator mit einem Transistor, einem Kondensator und einem die Schwingkreis- und Rückkopplungsinduktivität bilden­ den Transformator enthält, über den der Oszillator mit einer Greinacher-Spannungsvervielfacherschaltung gekoppelt ist. Der Kondensator des Oszillators ist nicht Bestandteil der Vervielfacherschaltung.

Die Greinacher-Vervielfacherschaltung ist beispielsweise in dem Buch von D. Kind "Einführung in die Hochspannungs- Versuchstechnik", 2. Auflage, Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden 1978, S. 18-20 bekannt.

Für die Energieversorgung zahlreicher Geräte, welche elektro­ nische Schaltungen enthalten, steht in der Praxis nur eine einzige Gleichspannung zur Verfügung. Ein typischer Fall ist die Akkumulatorenbatterie eines Kraftfahrzeuges. Eine einzige Speisespannung genügt jedoch nicht für den Betrieb von Halbleitervorrichtungen, die eine Betriebsspannung ent­ gegengesetzter Polarität oder eine höhere Spannung als die zur Verfügung stehende Speisespannung benötigen. Zum Beispiel kann man bei Leistungs-Feldeffekttransistoren nur dadurch höhere Stromstärken erreichen, daß man eine hohe Spannung zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors anlegt.

Aus Gründen des Raumbedarfs, der Kosten und der Betriebssi­ cherheit ist man bestrebt, elektronische Schaltungen mit integrierten Schaltkreisen aufzubauen. Die aus der oben be­ reits diskutierten DE-OS 25 33 894 bekannte Schaltung und die bekannten Zerhacker-Spannungswandler eignen sich jedoch nicht für eine Integration, da sie Transformatoren enthalten, die nach dem derzeitigen Stand der Technik in einem integrier­ ten Schaltkreis nicht realisiert werden können.

Die bekannten Spannungswandlerschaltungen, die Dioden und Kondensatoren enthalten, wie z. B. die Greinacher-Spannungs­ vervielfacherschaltung, eignen sich dagegen besser zur mono­ lithischen Integration und können in integrierten Schalt­ kreisen eingesetzt werden. Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungs­ form einer solchen Schaltung ermöglicht es, eine negative Spannung aus einer positiven Speisespannung zu erzeugen. Sie weist zwei Eingangsklemmen 1 und 2 und zwei Ausgangsklemmen 3 und 4 auf. Ein erster Kondensator 5 ist zwischen die Ein­ gangsklemme 1 und die Kathode einer Diode 6 geschaltet, deren Anode mit der Ausgangsklemme 3 verbunden ist. Ein zweiter Kondensator 7 ist zwischen die Ausgangsklemme 3 und die Ausgangsklemme 4 geschaltet. Die Kathode einer zweiten Diode 8 ist mit der Eingangsklemme 2 verbunden, während ihre Anode mit der Kathode der Diode 6 verbunden ist. Die Klemmen 2 und 4 sind miteinander verbunden. Ein nur schematisch dar­ gestellter Generator 9, der eine variable Ausgangsspannung liefert, weist zwei Speiseklemmen 10 und 11 und zwei Aus­ gangsklemmen 12 und 13 auf, welche mit den Eingangsklemmen 1 und 2 verbunden sind. Ein an die Ausgangsklemmen 3 und 4 angeschlossener Widerstand 14 stellt schematisch die Last der Vorrichtung dar.

Der Generator 9 liefert zwischen seinen Ausgangsklemmen 12 und 13 eine Ausgangsspannung, welche zwischen der Spannung Null und einer maximalen Spannung VE variiert, die höchstens gleich der an der Klemme 10 vorhandenen Speisespannung ist. Der Kondensator 5 lädt sich bei der Spannung VE über die Diode 8 auf. Wenn die Spannung des Generators auf Null zurückfällt, entlädt sich der Kondensator 5 über die Diode 6 in den Kondensator 7. Nach einer bestimmten Anzahl von Betriebszyklen tendiert die am Ausgang zvischen den Aus­ gangsklemmen 3 und 4 erhaltene Spannung gegen -VE. Da nun Zusammen mit der Betriebsspannung +VE des Oszillators eine Spannung des Betrages 2 VE zur Verfügung steht, kann die Schaltung gem. Fig. 1 auch als Spannungsvervielfacherschal­ tung bezeichnet werden.

Fig. 3 zeigt eine Spannungswandler-Vorrichtung mit einer Spannungsvervielfacherschaltung, welche zwischen den Ausgangsklemmen 3 und 4 eine höhere positive Spannung als die Speisespannung der Vorrichtung liefern kann. Bei dieser Ausführungsform ist die Diode 6 im Vergleich zu Fig. 1 umgepolt, d. h. ihre Kathode und Anode sind vertauscht. Die Kathode der Diode 8 ist dann mit der Anode der Diode 6 verbunden, während ihre Anode mit der Speiseklemme 10 ver­ bunden ist. Die Anordnung der anderen Elemente der Vorrich­ tung, wie der Kondensatoren 5 und 7, der Last 14 und des Generators 9, sind die gleichen wie in Fig. 1. Die Vorrich­ tung der Fig. 3 liefert eine Ausgangsspannung gleich der Summe der Spannung VE des Generators 9 und der Speisespan­ nung.

Diese bekannten Spannungswandlerschaltungen erfordern einen Generator 9, der eine variable Ausgangsspannung liefert. Im Fall eines logischen Schaltkreises, der über einen außer­ halb der Vorrichtung befindlichen Taktgeber verfügt, kann man die Impulse dieses Taktgebers verwenden. Zahlreiche Systeme besitzen jedoch keinen Generator von Taktimpulsen. Es ist dann unvermeidbar, einen internen Oszillator vorzu­ sehen. Derartige Kippschwingungsgeneratoren enthalten min­ destens einen Kondensator, so daß die den Generator und die Spannungsvervielfacherschaltung umfassende Spannungswandlerschaltung mehrere Kondensatoren enthalten muß.

Auf dem Gebiet der integrierten Schaltkreise sind die Kon­ densatoren Elemente mit sehr großem Raumbedarf, deren Zahl man möglichst gering halten möchte.

Aufgabe der Erfindung ist es, Schaltkreise für Spannungswandler der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen die Zahl und Abmessung der Kondensatoren möglichst klein sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gattungsgemäße Spannungswandler-Vorrichtung mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bei deren Verwendung mit einer kapazitiven Last ist vorgesehen, daß ein zweiter Kondensator von der äquivalenten Kapazität der Last gebildet wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Oszillator so ausgebildet, daß sich eine maximale Ausgangsspannung für eine gegebene Eingangs-Speisespannung ergibt und dabei eine sehr sichere Betriebsweise gewährleistet ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Die Erfindung wird weiter erläutert durch die folgende Be­ schreibung von besonderen Ausführungsformen zu den beigefüg­ ten Figuren. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Vorrich­ tung, auf die oben bereits Bezug genommen wurde;

Fig. 2 eine Wellenform zur Erläuterung der Arbeitsweise des Schaltkreises der Fig. 1;

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer bekannten Vorrich­ tung, auf die oben ebenfalls bereits Bezug genommen wurde;

Fig. 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltkreises und

Fig. 5 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalt­ kreises.

Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltkreises enthält eine einstufige Greinacher-Vervielfacherschaltung mit negativer Ausgangsspannung, wie sie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde. Die allgemeine Anordnung des Spannungsvervielfacher-Schaltkreises ist die gleiche wie in Fig. 1 dargestellt. Fig. 4 zeigt außerdem eine genauere Darstellung des erfindungsgemäßen Oszillators 9. Der Oszillator enthält einen ersten pnp-Flächen-Transistor 41, dessen Emitter mit der Speisespannungsklemme 10 über einen Wider­ stand 42 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 41 ist mit der Speisespannungsklemme 11 über einen Widerstand 43 verbunden. Bei einem zweiten npn-Flächentransistor 44 ist der Emitter mit der Speisespannungsklemme 11, der Kollektor mit der Basis des Transistors 41 und die Basis mit dem Kollek­ tor des Transistors 41 verbunden. Widerstände 45 und 46 sind in Reihe zwischen die Klemmen 10 und 11 geschaltet und an ihrem gemeinsamen Punkt 47 über einen Widerstand 48 mit der Basis des Transistors 41 verbunden. Es sei bemerkt, daß der beschriebene Oszillator 9 den Kondensator 5 und Dioden 8 und 6 benutzt, um die Schwingungen zu erzeugen.

Der Schaltkreis arbeitet wie folgt:
Zu Beginn sind die Transistoren 41 und 44 gesperrt. Das Poten­ tial am Punkt 47 ist durch den Wert der Widerstände 45 und 46 auf einem bestimmten Wert VT festgelegt. Der Kondensator 5 lädt sich über den Widerstand 42 und die Diode 8 bis auf eine Spannung etwas höher als VT auf. Der Transistor 41 wird nun leitend, was das Leitendwerden des Transistors 44 und die Entladung des Kondensators 5 über die Transistoren 41 und 44 und über die Diode 6 und den Kondensator 7 zur Folge hat. Wenn die Spannung an den Klemmen des Kondensators 5 genügend abgefallen ist, sperren die Transistoren 41 und 44, und der Zyklus beginnt von neuem. Im Verlauf der Entladung des Kondensators 5 tritt an den Klemmen des Kondensators 7 eine Spannung von nahezu dem Wert der Spannung VT und von entgegengesetztem Vorzeichen auf.

Der in Fig. 4 dargestellte Oszillator verwendet also den Kondensator 5 der Vervielfacherschaltung als Relaxations- Kapazität. Man erhält so einen Oszillator-Schaltkreis, der keinen eigenen Kondensator benötigt, sondern mit dem Konden­ sator seiner Last arbeitet, welche hier die Vervielfacher­ schaltung ist.

Es sei bemerkt, daß dieser Schaltkreis verschiedene Abwand­ lungen aufweisen kann, besonders was den Kondensator 7 be­ trifft. Im Fall einer Verwendung der Vorrichtung mit einer kapazitiven Last, kann der Kondensator 7 weggelassen und durch die äquivalente Kapazität der Last in der Vervielfacher­ schaltung ersetzt werden. Bei der beschriebenen Vorrichtung werden bipolare Transistoren 41 und 44 verwendet, jedoch sind auch Feldeffekttransistoren geeignet.

Die verschiedenen Widerstände des Schaltkreises müssen be­ stimmte Bedingungen erfüllen, insbesondere um ein wirksames Durchschalten der Transistoren 41 und 44 zu gewährleisten, damit die Spannung an den Klemmen des Kondensators 5 ihren Höchstwert erreicht. So darf die durch die Widerstände 45 und 46 festgelegte Spannung VT nicht zu nahe bei dem Wert der zwischen den Klemmen 10 und 11 verfügbaren Speisespannung liegen. Die Ausgangsspannung, welche von dieser Spannung VT abhängt, würde dann wesentlich verringert, was jedoch für Anwendungen, die keine hohe Ausgangsspannung erfordern, nicht stört. Jedoch wird erfindungsgemäß für solche Anwen­ dungen, wo die Ausgangsspannung bezüglich der Speisespannung besonders hoch sein soll, eine andere Ausführungsform des Spannungsvervielfacher-Schaltkreises vorgesehen, deren Ele­ mente im folgenden mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben werden.

Die in Fig. 5 gezeigte Spanngswandler-Vorrichtung verwendet eine Vervielfacherschaltung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, welche also eine Ausgangsspannung von posi­ tivem und höherem Wert als die Speisespannung liefert. Der Kondensator 5 und die Dioden 6 und 8 bilden eine Verviel­ facherschaltung zwischen den Eingangsklemmen 1 und 2, den Ausgangsklemmen 3 und 4 und der Speisespannungsklemme 10. Der Oszillator 9 enthält bipolare Transistoren, die eine sogenannte Stromspiegelschaltung bilden, nämlich npn-Flächen­ transistoren 51 und 52. Die beiden Emitter und die beiden Basen der Transistoren sind jeweils miteinander verbunden und die Basis des ersten Transistors 51 ist mit seinem Kol­ lektor verbunden. Wenn diese Transistoren genügend nahe be­ nachbart und gleichartig sind, hängt der durch den Transistor 52 fließende Strom nur von dem durch den Transistor 51 fließen­ den Strom und praktisch nicht vom Rest des Schaltkreises ab.

Im gezeigten Schaltkreis sind die Emitter der Transistoren 52 und 51 mit der Eingangsspeisespannungsklemme 11, der Kol­ lektor des Transistors 51 mit dem Kollektor eines pnp-Tran­ sistors 53 und der Emitter des Transistors 53 mit der Aus­ gangsklemme 12 des Oszillators verbunden. Die Basis des Tran­ sistors 53 ist einerseits mit dem Kollektor des Transistors 52 und andererseits mit dem Emitter eines pnp-Transistors 54 verbunden. Der Kollektor des Transistors 54 ist mit der Klemme 11 verbunden. Ein Widerstand 55 ist zwischen die Basis und den Kollektor des Transistors 54 geschaltet. Die drei pnp- Transistoren 56, 57 und 58 sind als Stromspiegel geschaltet. Ihre drei Emitter sind mit der Speiseklemme 10, ihre drei Basen miteinander und die Basis des Transistors 56 mit dessen Kollektor verbunden. Der Kollektor des Transistors 56 ist außerdem über die beiden in Reihe liegenden Dioden 59 und 60 mit der Klemme 61 verbunden, die mit der Basis des Transis­ tors 54 verbunden ist. Die beiden Dioden 59, 60 sind so ge­ schaltet, daß ihre Kathoden sich auf der Seite der Klemme 61 befinden. Der Kollektor des Transistors 57 ist mit der Basis des Transistors 53 verbunden und der Kollektor des Transistors 58 ist mit dem Emitter des Transistors 53 ver­ bunden.

Dieser Schaltkreis arbeitet wie folgt:
Der Transistor 56 ist leitend und die Spannung zwischen sei­ ner Basis und seinem Emitter ist gering gegenüber der Speise­ spannung. Die Spannung VT an der Klemme 61 liegt daher nahe bei der Speisespannung, wobei der Unterschied nur auf dem Spannungsabfall im Transistor 56 und in den beiden leitenden Dioden 59 und 60 beruht. Der Strom im Transistor 56 wird daher praktisch bestimmt durch den Wert der Speisespannung und durch die Größe des Widerstandes 55. Zu einem ersten Zeitpunkt sind die Transistoren 51, 52 und 53 gesperrt. Der Kondensator 5 lädt sich daher über den Transistor 58, die Diode 6 und die Last auf. Wenn die Spannung an der Klemme 12 die Spannung VT etwas übersteigt, wird der Transistor 53 leitend. Der Transistor 51 leitet dann einen bestimmten Strom und zwingt den Transistor 52, im wesentlichen den gleichen Strom zu leiten, was dazu führt, einerseits den Transistor 54 zu sperren und andererseits die Sättigung des Transistors 53 herbeizuführen. Während dieses Leitens entlädt sich der Kondensator 5 über die Diode 8 bis die Spannung an der Klemme 12 einen Mindestwert der Sperrspannung VB erreicht. In diesem Augenblick sperren die Transistoren 53, 51 und 52, und der Transistor 54 wird leitend. Der Kondensator 5 lädt sich nun von neuem über den Transistor 58, und der Zyklus beginnt von neuem.

Die Ausbildung dieses Schaltkreises hat mehrere Vorteile bezüglich des Schaltkreises der Fig. 4. Vor allem wird die Spannung VT, welche die maximale Spannung des Kondensators 5 und damit die maximale Ausgangsspannung festlegt, so nahe wie möglich am Wert der Speisespannung gehalten. Ferner hängen die Werte beim Sperren und beim Durchschalten der Transistoren des Oszillators nicht mehr von den Widerstandswerten des Schaltkreises ab. Die Arbeitsweise des Schaltkreises wird daher viel weniger durch eine Veränderung der Speisespannung beeinflußt.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform besteht die Last aus einem Feldeffekttransistor 70 und seinem Steuerkreis, der aus einem Widerstand 71, einem npn-Transistor 72 und einer Steuervorrichtung 73 besteht. Das Gate des Feldeffekttransis­ tors 70 ist mittels des Widerstandes 71 mit der Klemme 3 ver­ bunden; die Souce des Feldeffekttransistors ist mit der Aus­ gangsklemme 4 verbunden. Sein Drain ist mit einer Verbraucher­ klemme 74 verbunden. Der Emitter des Transistors 72 ist mit der Ausgangsklemme 4 verbunden, während sein Kollektor mit dem Gate des Feldeffekttransistors 70 verbunden ist. Der Block 73 zeigt schematisch die Steuervorrichtung, welche der Basis des Transistors 72 die Steuerspannung liefert. Die ge­ strichelt dargestellte Kapazität 7 ist die Gatekapazität des Feldeffekttransistors. Diese Kapazität wird für die Verviel­ facherschaltung verwendet.

Die Schaltung gem. Fig. 5, die zum Steuern eines Leistungs­ Feldeffekttransistors vom Typ D-MOS verwendet wird, weist also nur einen einzigen diskreten Kondensator 5 auf. Sie ist daher leicht in integrierter Form zu realisieren. Der Schaltkreis ermöglicht es, eine Ausgangsspannung im wesentlichen gleich dem doppel­ ten der Speisespannung zu erzeugen. Eine Verdoppelung der Speisespannung reicht für zahlreiche Anwendungen aus. Jedoch kann man sie in üblicher Weise erweitern, indem man eine mehr­ stufige Vervielfacherschaltung verwendet. Die sich dabei er­ gebende Erhöhung der Zahl der Kondensatoren erschwert jedoch eine Realisierung in Form eines integrierten Schaltkreises.

Die Erfindung umfaßt außer den beschriebenen Ausführungsbei­ spielen auch verschiedene Abwandlungen. Besonders können die Dioden 6 und 8 Schottky-Dioden sein, wodurch man die Umwand­ lungsleistung der Vorrichtung noch verbessern kann, da der Gleichspannungsabfall dieses Dioden-Typs deutlich geringer als der der gewöhnlich verwendeten diffundierten pn-Dioden ist.

Claims (9)

1. Spannungswandler-Vorrichtung mit einem selbstschwingen­ den Transistor-Oszillator, der aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz durch minde­ stens einen dem Oszillator zugehörigen Kondensator bestimmt wird und mit einer dem Oszillator nachgeschalteten Verviel­ facherschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kondensator (5) des Oszillators (9) zugleich ein Element der Vervielfacherschaltung (5, 6, 7, 8) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (9) nur einen einzigen Kondensator (5) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Speisung einer kapazitiven Last (70), dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (7) der Last zugleich ein Element der Vervielfa­ cherschaltung (5, 6, 7, 8) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur einen einzigen diskreten Kondensator (5) aufweist und zum Vorspannen des Gates eines MOS-Feldeffekttransistors (70) verwendet wird, wobei die parasitäre Kapazität (7) der Gatezone des Feldeffekttransistors (70) als kapazitive Last dient (Fig. 5).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vervielfacherschaltung für die Erzeugung einer negativen Ausgangsspannung ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vervielfacherschaltung für die Erzeugung einer positiven Ausgangsspannung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator Flächentransistoren enthält, deren Emitterstrom durch eine Stromspiegelschal­ tung bestimmt ist und durch einen in Reihe mit einem Widerstand an eine Speisespannungsquelle geschalteten Transistor fließt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösespannung des Oszillators durch die Klemmen­ spannung des Widerstandes bestimmt ist, so daß der Scheitel­ wert der Ausgangsspannung des Oszillators nahe bei der Speisespannung liegt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie als integrierte Schaltung ausgebil­ det ist.