DE3829557A1

DE3829557A1 - Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE3829557A1
Application number: DE3829557A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Sakurai; Masahiro Kojima
Original assignee: Nippon Motorola Ltd; Motorola Japan Ltd
Current assignee: Motorola Solutions Japan Ltd
Priority date: 1987-09-10
Filing date: 1988-08-31
Publication date: 1989-03-30
Anticipated expiration: 2008-09-01
Also published as: JPS6469264A; JPH0444507B2; DE3829557C2; US4816739A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler und speziell auf einen solchen mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad, selbst wenn eine Spannungsquelle niedriger Spannung verwendet wird, durch Verwendung mehrerer Gleichspannungswandlereinheiten.

Ein konventioneller Gleichspannungswandler erzeugt eine Gleichspannung größerer Spannung, als die zugeführte Eingangsspannung, indem beispielsweise ein Strom, der durch eine Spule fließt, mittels eines Schalterelements, beispielsweise eines MOS-Transistors geschaltet wird und dann die in der Spule erzeugte Gegen-EMK gleichgerichtet wird.

Ein solcher gewöhnlicher Gleichspannungswandler enthält jedoch üblicherweise eine einzige Gleichspannungswandlereinheit. Er ist daher insofern nachteilig, als er den Einsatz eines Bauteils mit niedriger Schwellenspannung als Schalterelement verlangt, wenn die Eingangsspannung relativ niedrig ist. In diesem Falle kann eine hohe Ausgangsspannung nicht erhalten werden, weil die Durchbruchspannung des Schalterelements niedrig wird, und dementsprechend kann dieser Gleichspannungswandler kein hohes Stufenverhältnis zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung haben. Wenn andererseits ein Schalterelement verwendet wird, das eine hohe Schwellenspannung und eine hohe Durchbruchspannung hat, dann bringt die Erzeugung einer hohen Ausgangsspannung das Problem mit sich, daß der Umwandlungswirkungsgrad der Schaltung klein wird und der Gleichspannungswandler nicht in einer stabilen Betriebsart zu arbeiten beginnt.

Der vorliegenden Erfindung liegt angesichts dieser Probleme bekannter Wandlerschaltungen die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler anzugeben, der ein hohes Ausgangs/Eingangs-Spannungsübersetzungsverhältnis hat, ohne den Umwandlungswirkungsgrad zu vermindern, selbst im Falle, daß die Eingangsspannung niedrig ist, und der eine stabile und zuverlässige Startfunktion des Wandlers sicherstellt.

Ein Gleichspannungswandler, der diese Aufgabe löst, ist im Anspruch 1 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Wenn einem solchen Gleichspannungswandler eine Versorgungsspannung, nämlich eine Eingangsspannung zugeführt wird, dann schaltet das Schalterelement der ersten Gleichspannungswandlereinheit in Abhängigkeit von einem von außen zugeführten Schaltsignal oder von einem im Gleichspannungswandler vorgesehenen Oszillator zugeführten Schaltsignal. Daher erzeugt die erste Gleichspannungswandlereinheit eine höhere Ausgangsspannung (V ₁) und führt diese der Pegelverschiebungsschaltung zu. Die Pegelverschiebungsschaltung wird daher betriebsbereit und führt das pegelverschobene Schaltsignal dem Schalterelement der zweiten Gleichspannungswandlereinheit zu, was diese veranlaßt, den Schaltbetrieb auszuführen. Die zweite Gleichspannungswandlereinheit erzeugt daher beim Betrieb ihres Schalterelements die zweite Ausgangsspannung (V ₂), die höher als die erste Ausgangsspannung (V ₁) der ersten Gleichspannungswandlereinheit ist, und führt diese zweite Ausgangsspannung (V ₂) der anderen Schaltung beispielsweise als Ausgang des Gleichspannungswandlers zu. Wenn die zweite Ausgangsspannung (V ₂) einen vorbestimmten Pegel überschreitet, dann führt die Pegelverschiebungsschaltung eine Pegelverschiebung auf der Grundlage der zweiten Ausgangsspannung (V ₂) anstelle der von der ersten Gleichspannungswandlereinheit gelieferten ersten Ausgangsspannung (V ₁) durch. Anschließend wird der Betrieb der ersten Gleichspannungswandlereinheit unterbrochen, um einen unnötigen Stromverbrauch zu vermeiden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Gleichspannungswandlers, der die vorliegende Erfindung verkörpert, und

Fig. 2 ein Schaltbild des Prinzipaufbaus des in dem Blockschaltbild nach Fig. 1 dargestellten Gleichspannungswandlers.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Der Gleichspannungswandler enthält einen Oszillator 1 zum Erzeugen eines Schaltsignals, einen Vor-Gleichspannungswandler 3 als erste Gleichspannungswandlereinheit, einen Abschaltkreis 5, einen Haupt-Gleichspannungswandler 7 als zweite Gleichspannungswandlereinheit und eine Pegelverschiebungsschaltung 9. Ein Ausgang des Haupt-Gleichspannungswandlers 7 ist mit einer Last 11 verbunden. Der Oszillator 1 kann in dem Gleichspannungswandler enthalten sein oder es kann ein Oszillatorsignal, nämlich ein Schaltsignal, von einer äußeren Schaltung zugeführt werden. Darüber hinaus verwendet der Vor-Gleichspannungswandler 3 ein Schalterelement, das eine niedrige Schwellenspannung hat, während der Haupt-Gleichspannungswandler 7 ein Schalterelement verwendet, das eine vergleichsweise hohe Schwellenspannung hat.

In der Schaltung nach Fig. 1 beginnt der Oszillator 1 bei Zuführung einer Eingangsspannung V _B zunächst den Betrieb, um ein Schaltsignal zu erzeugen, und er führt dieses einem jeden Gleichspannungswandler zu. Da zu Beginn die Ausgangsspannung V ₁ des Vor-Gleichspannungswandlers 3 fast null oder niedriger als der vorbestimmte Wert ist, arbeitet der Abschaltkreis 5 nicht, und das Oszillatorsignal des Oszillators 1, nämlich das Schaltsignal, wird deshalb dem Vor-Gleichspannungswandler 3 zugeführt. Dementsprechend führt das Schalterelement des Vor-Gleichspannungswandlers 3 einen Schaltbetrieb aus, und ein dadurch erhaltenes Wechselstromsignal wird gleichgerichtet, um eine Ausgangsspannung V ₁ zu erhalten. Wenn die Ausgangsspannung V ₁ auf einen gewissen Wert ansteigt, arbeitet die Pegelverschiebungsschaltung 9 und verschiebt den Pegel des Schaltsignalausgangs vom Oszillator 1, was bewirkt, daß das Schalterelement des Haupt-Gleichspannungswandlers 7 einen Schaltbetrieb ausführt. Hierdurch wird vom Haupt-Gleichspannungswandler 7 eine Ausgangsspannung V ₂ an die Last 11 abgegeben, die höher als die Ausgangsspannung V ₁ ist. Diese Ausgangsspannung V ₂ wird außerdem der Pegelverschiebungsschaltung 9 zugeführt, und diese führt daher den Betrieb mit der Ausgangsspannung V ₂ anstelle mit der Ausgangsspannung V ₁ fort. Da die Ausgangsspannung V ₁ nun nicht mehr benötigt wird, kann der Betrieb des Vor-Gleichspannungswandlers 3 eingestellt werden, um Energie zu sparen. Wenn die Ausgangsspannung V ₁ einen vorbestimmten Wert übersteigt oder wenn die Ausgangsspannung V ₂ einen vorbestimmten Wert übersteigt, dann arbeitet daher der Abschaltkreis 5, um zu verhindern, daß das Schaltsignal vom Oszillator 1 dem Vor-Gleichspannungswandler 3 zugeführt wird.

Wie oben erläutert, erhöht die Verwendung mehrerer Gleichspannungswandlereinheiten die Erzeugung einer hohen Ausgangsspannung aus einer niedrigen Eingangsspannung. Darüber hinaus kann in der Schaltung nach Fig. 1 der Gleichspannungswandler mit beachtlicher Stabilität in Betrieb gesetzt werden, da ein Schalterelement vergleichsweise niedriger Schwellenspannung für den Vor-Gleichspannungswandler 3 verwendet werden kann. Da außerdem der Haupt-Gleichspannungswandler 7 in der Lage ist, ein Schalterelement höherer Schwellenspannung zu verwenden, kann die Ausgangsspannung V ₂ ausreichend hoch gesteigert werden. Bei dieser Ausführungsform werden zwei Gleichspannungswandlereinheiten in der Schaltung nach Fig. 1 benutzt, jedoch kann die Ausgangsspannung auch sequentiell gesteigert werden, indem die Anzahl der Gleichspannungswandlereinheiten vergrößert wird. In diesem Falle kann eine höhere Ausgangsspannung mit gutem Wirkungsgrad erzeugt werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus des Gleichspannungswandlers nach Fig. 1. Diese Schaltung enthält einen Oszillator 1, MOS-Transistoren Q 1, Q 2 und Q 3, Spulen L ₁, L ₂, und L ₃, Dioden D 1 und D 2, Kondensatoren C 1 und C 2 und einen Widerstand R 1. Ein Widerstand R _L ist ein Lastwiderstand. Der Transistor Q 1, die Spule L 1 und die Diode D 1 bilden eine erste Gleichspannungswandlereinheit entsprechend dem Vor-Gleichspannungswandler 3 nach Fig. 1. Der Transistor Q 2 und der Widerstand R 1 bilden eine Pegelverschiebungsschaltung, und der Transistor Q 3, die Spulen L 2 und L 3, die Diode D 2 und die Kondensatoren C 1 und C 2 bilden eine zweite Gleichspannungswandlereinheit entsprechend dem Haupt-Gleichspannungswandler 7 nach Fig. 1. Der Kondensator C 2 dient als Glättungskondensator gemeinsam für die erste Gleichspannungswandlereinheit und die zweite Gleichspannungswandlereinheit. In der vorliegenden Ausführungsform wird als Stromversorgungsquelle V _B eine Batterie mit einer Spannung von 0,9 Volt verwendet. Außerdem sind die Transistoren Q 1 und Q 2 mit niedriger Betriebsspannung arbeitende MOS-Transistoren, deren Schwellenspannung etwa nur 0,3 Volt beträgt. Der Transistor Q 3 ist ein solcher mit hoher Durchbruchspannung mit einer Schwellenspannung von etwa 1 Volt.

Im Betrieb der Schaltung nach Fig. 2 wird der Transistor Q 1 mit dem von dem Oszillator 1 zugeführten Schaltsignal ein- und ausgeschaltet, wenn die Versorgungsspannung V _B anliegt. Hierdurch wird eine Gegen-EMK durch die in der Spule L 1 gespeicherte elektrische Energie erzeugt. Diese Gegen-EMK wird durch die Diode D 1 gleichgerichtet und den Kondensator C 2 geglättet, was zu einer ersten Ausgangsspannung V ₁ führt. Diese Ausgangsspannung V ₁ hat eine Größe von beispielsweise etwa 3,0 Volt.

Wenn die Ausgangsspannung V ₁ steigt, dann wird die Pegelverschiebungsschaltung aus dem Transistor Q 2 und dem Widerstand R 1 betriebsbereit. Der Transistor Q 2 wird mit dem vom Oszillator 1 erzeugten Schaltsignal ein- und ausgeschaltet, und dadurch wird ein Schaltsignal mit vergrößerter Amplitude erzeugt und dann dem Transistor Q 3 zugeführt. Dementsprechend wird auch der Transistor Q 3, der eine hohe Schwellenspannung hat, betriebsbereit und schaltet einen in die Spule L 2 fließenden Strom ein und aus, wodurch eine Gegen-EMK erzeugt wird. Diese Gegen-EMK wird durch die Diode D 2 gleichgerichtet und die Kondensatoren C 1 und C 2 und die Spule L 3 geglättet, um eine Ausgangsspannung V ₂ zu entwickeln, die der Last R _L zugeführt wird. Die Ausgangsspannung V ₂ ist eine Spannung im Bereich zwischen beispielsweise 5 Volt und 12 Volt bei dieser Ausführungsform. Wenn die Ausgangsspannung V ₂ einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird sie als Versorgungsspannung für die Pegelverschiebungsschaltung anstelle der Ausgangsspannung V ₁ verwendet (siehe den Abschaltkreis 5 nach Fig. 1). Anschließend wird der Betrieb der ersten Gleichspannungswandlereinheit ausgesetzt. Der Betrieb der ersten Gleichspannungswandlereinheit kann beispielsweise dadurch ausgesetzt werden, daß der Abschaltkreis mit dem Gate des Transistors Q ₁ verbunden wird (nicht dargestellt in Fig. 2), wodurch der Ausgang vom Oszillator 1 vom Gate des Transistors Q 1 getrennt wird. Der Abschaltkreis kann beispielsweise von einer Vergleichsschaltung gebildet sein, die die Pegel der Ausgangsspannungen V ₁ und V ₂ miteinander vergleicht, und aus einer UND-Schaltung, dieses Ausgangssignal des Oszillators 1 entsprechend dem Ausgang dieser Vergleichsschaltung durchläßt oder sperrt.

Claims

1. Gleichspannungswandler, bestehend aus einer ersten Gleichspannungswandlereinheit (3) mit einem Schalterelement (Q 1), das mit vergleichsweise niedriger Schwellenspannung arbeitet und eine erste Ausgangsspannung (V ₁) erzeugt, einer zweiten Gleichspannungswandlereinheit (7) mit einem Schalterelement (Q 3), das mit einer höheren Schwellenspannung arbeitet, als das der ersten Gleichspannungswandlereinheit und eine zweite Ausgangsspannung (V ₂) erzeugt, die größer als die erste Ausgangsspannung (V ₁) ist, und einer Pegelverschiebungsschaltung (9), die die erste Ausgangsspannung erhält und ein Schaltsignal an das Schalterelement der zweiten Gleichspannungswandlereinheit (7) für den Betrieb derselben in Übereinstimmung mit der Erzeugung der ersten Ausgangsspannung (V ₁) liefert.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelverschiebungsschaltung (9) in Abhängigkeit davon, daß die von der zweiten Gleichspannungswandlereinheit (7) erzeugte zweite Ausgangsspannung (V ₂) einen vorbestimmten Wert übersteigt, den Pegelverschiebungsbetrieb auf der Grundlage der zweiten Ausgangsspannung (V ₂) anstelle der ersten Ausgangsspannung (V ₁) bewirkt.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gleichspannungswandlereinheit (3) einen Abschaltkreis (5) enthält, der so angeschlossen ist, daß er die zweite Ausgangsspannung (V ₂) erhält und den Betrieb der ersten Gleichspannungswandlereinheit (3) aussetzt, nachdem die zweite Ausgangsspannung (V ₂) von der zweiten Gleichspannungswandlereinheit (7) zur Verfügung gestellt wird.

4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem eine gemeinsame Schwingungsquelle (1) enthält, die einen Ausgang hat, der mit jedem der Schalterelemente der ersten und zweiten Gleichspannungswandlereinheiten (3, 7) verbunden ist, und wobei jedes Schalterelement der ersten und zweiten Gleichspannungswandlereinheiten (3, 7) den Schaltbetrieb mit einem von der gemeinsamen Schwingungsquelle (1) zugeführten Signal ausführt.