DE4110878C2

DE4110878C2 -

Info

Publication number: DE4110878C2
Application number: DE19914110878
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 7100 Heilbronn De Rauter
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 1991-04-04
Filing date: 1991-04-04
Publication date: 1993-08-19
Also published as: DE4110878A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Spannungs überhöhung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Schaltung ist aus der DD-PS 91 088 be kannt.

Für viele Anwendungszwecke ist es erforderlich, aus ei ner zur Verfügung stehenden Spannung - beispielsweise einer geringen Betriebsspannung oder Eingangssignal spannung - benötigte höhere Spannungswerte zu erzeugen; beispielsweise ist der Löschvorgang eines EE-PROMs nicht mit dem "normalen" TTL-Schaltungspegel von 5 V möglich.

Daneben müssen beispielsweise zur Ansteuerung von Lei stungsbauelementen oft kurzzeitig hohe Spannungsspit zenwerte bzw. Ansteuerimpulse zur Verfügung gestellt werden, obwohl nur kleine Spannungen vorhanden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und leicht zu realisierende Schaltung zur Spannungs überhöhung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der sich - im Prinzip - beliebige Spannungswerte und hohe Stromspitzen bei hohen Spannungen erzeugen lassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Schaltung vereinigt mehrere Vor teile in sich:

- Ein Schaltungsglied besteht lediglich aus drei - über drei Schaltelemente miteinander verbundenen - hintereinandergeschalteten Kondensatoren, so daß der Schaltungsaufbau sehr einfach ist.
- Durch Verknüpfung einzelner Schaltungsglieder - die über Verbindungsleitungen hintereinanderge schaltet werden - läßt sich eine kaskadierte Schaltung realisieren, mit der sich beliebig hohe Maximalwerte der Ausgangsspannung bzw. Spannungs spitzen erzeugen lassen. Bei entsprechender Wahl bzw. Ansteuerung der Schaltelemente können auch kontinuierlich abgestufte Spannungswerte gewonnen werden; diese Spannungen können an der jeweiligen Stelle der Schaltung stabil abgegriffen werden.
- Da die einzelnen Schaltungsglieder über die Ver bindungsleitungen niederohmig miteinander verbun den sind, hat die Schaltung einen geringen Innen widerstand; daher können hohe Ströme fließen und große Leistungen entnommen werden.
- Die Kondensatoren und die Schaltelemente können beliebig ausgebildet sein: als Schaltelemente sind beispielsweise mechanische, elektrische oder elek tronische Schalter möglich, die Kondensatoren kön nen unipolare oder bipolare Kondensatoren mit un terschiedlichen Kapazitätswerten sein. Da der Ka pazitätswert des mittleren Kondensators - bei spielsweise als Elektrolyt-Kondensator - groß ge wählt werden kann, steht sehr kurzfristig eine große Energie zur Verfügung; die Kapazitätswerte der beiden äußeren Kondensatoren können demgegen über recht klein sein, so daß auch der Flächenbe darf eingeschränkt wird.
- Die Schaltung läßt sich entweder diskret aus dis kreten Bauelementen, integriert in einer inte grierten Schaltung - wobei eine Integration auf grund der Schaltungsanordnung sehr einfach möglich ist - oder mit einer Kombination aus diskreten und integrierten Bauelementen aufbauen.
- Mit der beschriebenen Schaltung können "Grundele mente" zur Spannungsüberhöhung realisiert werden; mehrere derartige Grundelemente - mit einer belie bigen Zahl von Schaltungsgliedern - können je nach Bedarf oder Anwendungsfall auf vielfältige Weise miteinander verknüpft werden.

Die erfindungsgemäße Schaltung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 4 näher beschrieben werden.

In der Fig. 1 ist ein einzelnes Schaltungsglied darge stellt, die Fig. 2 zeigt ein Schaltungsglied mit Di oden als Schaltelemente, die Fig. 3 beschreibt die Kaskadierung mehrerer Schaltungsglieder, und die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Fig. 3 mit Di oden als Schaltelemente.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Schaltungsglied 1 aus drei hintereinandergeschalteten Kondensatoren C₁, C₂ und C₃. Die ersten Anschlüsse A₁₁, A₃₁ der beiden äußeren Kon densatoren C₁, C₃ sind durch Schaltelemente S₁, S₂ ei nerseits mit jeweils einem Anschluß A₂₁ bzw. A₂₂ des mittleren Kondensators C₂ und andererseits direkt mit einander über das dritte Schaltelement S₃ verbunden. Der zweite Anschluß A₁₂, A₃₂ der beiden äußeren Konden satoren C₁, C₃ ist jeweils mit einer der beiden Signal leitungen SL₁, SL₂ verbunden, die das an den beiden Eingängen IN₁, IN₂ anstehende Wechselspannungs-Ein gangssignal U_E weiterleiten. Die Schaltelemente S₁, S₂ und S₃ können über Taktleitungen mit externen Taktgene ratoren verbunden werden, die das Öffnen und Schließen der Schaltelemente S₁, S₂ und S₃ synchronisieren. Die beiden Schaltelemente S₁ und S₂ werden synchron ange steuert, wobei bei "geschlossenen" Schaltelementen S₁ und S₂ das Schaltelement S₃ geöffnet wird und umgekehrt beim Schließen des Schaltelements S₃ die beiden Schalt elemente S₁ und S₂ geöffnet werden.

Unter der Annahme, daß die Schaltelemente S₁, S₂ und S₃ mit der Phase des Wechselspannungs-Eingangssignals U_E geschaltet werden - dies ist beispielsweise automatisch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 der Fall, wo die Schaltelemente S₁, S₂ und S₃ durch Dioden D₁, D₂ und D₃ realisiert sind - werden - bei "geschlossenen" Schalt elementen S₁ und S₂ und geöffnetem Schaltelement S₃ - die beiden Kondensatoren C₁ und C₃, deren Kapazität sehr viel kleiner als diejenige des Kondensators C₂ ist, in der ersten Halb welle der Eingangsspannung U_E aufgeladen; die Eingangs spannung U_E wird dabei je nach Verhältnis der Kapazi tätswerte der beiden Kondensatoren C₁ und C₃ auf diese Kondensatoren aufgeteilt. In der zweiten Halbwelle der Eingangsspannung U_E werden die Schaltelemente S₁ und S₂ "geöffnet" (die Dioden D₁, D₂ der Fig. 2 sperren) und das Schaltelement S₂ wird geschlossen (die Diode D₃ der Fig. 2 ist leitend); an den beiden äußeren Kondensato ren C₁ und C₃, überlagert sich die Eingangsspannung U_E zu der bereits auf diesen Kondensa toren C₁, C₃ vorhandenen Spannung U_E, so daß der mitt lere Kondensator C₂ mit der doppelten Eingangsspannung 2 · U_E aufgeladen wird. Die Aufladung des mittleren Kondensators C₂ erfolgt demnach sukzessive und stufen weise durch die beiden äußeren Kondensatoren C₁ und C₃; die Aufladegeschwindigkeit und damit die Zeit, nach der der Maximalwert der Spannung bzw. die gesamte Energie zur Verfügung steht, hängt einerseits vom Verhältnis der Kapazitätswerte der Kondensatoren C₁, C₃ zu C₂ und andererseits von der Frequenz des Wechselspannungs-Ein gangssignals U_E ab. Als Ausgangsspannung U_A, die nach vollständiger Aufladung des Kondensators C₂ an den bei den Anschlüssen A₂₁ und A₂₂ des mittleren Kondensa tors C₂ abgegriffen werden kann, erhält man den doppel ten Wert (2 · U_E) der Eingangsspannung U_E.

In der Fig. 3 ist eine Schaltung aus - über Verbin dungsleitungen VL - hintereinandergeschalteten Schal tungsgliedern 1 . . . N dargestellt; die Verbindungslei tungen VL verbinden jeweils den ersten Anschluß A₂₁ des mittleren Kondensators C₂ eines Schaltungsglieds mit dem zweiten Anschluß A₂₂ des mittleren Kondensators C₂ des nachfolgenden Schaltungsglieds, so daß die mittle ren Kondensatoren C₂ aller Schaltungsglieder 1 . . . N hintereinandergeschaltet sind. Die beiden Signalleitun gen SL₁, SL₂ sind jeweils mit dem zweiten Anschluß A₁₂ bzw. A₃₂ der äußeren Kondensatoren C₁ bzw. C₃ jedes Schaltungsglieds 1 . . . N verbunden, so daß die in einem Schaltungsglied hintereinandergeschalteten Kondensato ren C₁, C₂, C₃ verschiedener Schaltungsglieder zueinan der parallelgeschaltet sind.

Die äußeren Kondensatoren C₁ und C₃ aller Schaltungs glieder 1 . . . N werden bei geschlossenen Schaltelemen ten S₁ und S₂ und geöffneten Schaltelementen S₃ durch das Wechselspannungs-Eingangssignal U_E aufgeladen; beim Öffnen der Schaltelemente S₁ und S₂ (synchron) werden die Schaltelemente S₃ gleichzeitig geschlossen und dem zufolge alle - in Serie geschalteten - mittleren Kon densatoren C₂ aufgeladen. Durch jedes der Schaltungs glieder wird - wie anhand der Fig. 1 beschrieben - die Spannung um den doppelten Betrag (2 · U_E) der Eingangs spannung U_E erhöht; die maximale Ausgangsspannung U_max - diese steht zwischen einem Anschluß A₂₁ bzw. A₂₂ des mittleren Kondensators C₂ des ersten Schaltungsglieds 1 und dem anderen Anschluß A₂₂ bzw. A₂₁ des mittleren Kondensators C₂ des letzten Schaltungsglieds N an - be trägt bei N-Schaltungsgliedern somit U_max = 2N · U_E.

Der Kapazitätswert der Kondensatoren bestimmt die mög liche speicherbare Energie, wobei der Kapazitätswert von C₂ zur kurzzeitigen Bereitstellung großer Energie werte groß sein kann - beispielsweise 10 µF -, und für die Kondensatoren C₁ und C₃ beliebige Kapazitätswerte gewählt werden können - beispielsweise 10 pF.

Falls eine geringere Ausgangsspannung U_A als die maxi male Ausgangsspannung U_max benötigt wird, können belie bige Vielfache der doppelten Eingangsspannung (2 · U_E) an der entsprechenden Stelle der Schaltung (beim jewei ligen Schaltungsglied) abgegriffen werden.

Die Schaltelemente S₁, S₂ und S₃ können beliebig ausge bildet sein und sind über Taktleitungen mit einem oder mehreren externen Taktgeneratoren verbunden. Mit Hilfe der Schaltphase des Steuersignals zur Ansteuerung der Schaltelemente (EIN-AUS-Steuerung) kann die Ausgangs spannung beeinflußt werden; je nach Relation bzw. Pha senlage des Steuersignals zur Phase der Eingangsspan nung kann die Polarität und der Wert der Ausgangsspan nung verändert werden.

Werden die Schaltelemente S₁, S₂ und S₃ allerdings durch Dioden realisiert - wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 dargestellt - schalten sie bereits synchron zur Phase der Eingangsspannung U_E; eine externe Taktan steuerung der Schaltelemente ist bei dieser Ausfüh rungsform nicht nötig.

Die Ausgangsspannung kann optional auch auf die Schal tungseingänge zurückgeführt werden, so daß Spannungsre gelschleifen entstehen; damit ist eine Spannungsrege lung zur Konstanthaltung der Spannung über die Regelung der Impulsbreite bzw. Impulsfrequenz der Schaltimpulse möglich.

Einsetzen läßt sich die erfindungsgemäße Schaltung überall dort, wo höhere Spannungen als die zur Verfü gung stehenden Spannungswerte benötigt werden. Als ex emplarische Anwendungsbeispiele seien die Löschspan nungserzeugung für EE-PROMs (ca. 12 V bei einem TTL-Pe gel von 5 V), die Ansteuerung von Lumineszenz-Displays (ca. 70 V), die Bereitstellung der benötigten Spannung bei Schnittstellen-ICs (± 12 V), die Erzeugung von Ab stimmspannungen für Kapazitätsdioden, die Erzeugung von beliebig hohen Ansteuerimpulsen für Leistungsbauelemen te aus kleinen Impulsspannungen (auch mit Polaritäts wechsel), die getaktete Spannungsverstärkung sowohl ne gativer als auch positiver Spannungen, und die Erzeu gung von Gasentladungs-Spannungen oder die Ansteuerung von Glimmlampen genannt.

Claims

1. Schaltung zur Spannungsüberhöhung eines Wechselspan nungs-Eingangssignals (U_E), das an zwei Schaltungsein gängen (IN₁, IN₂) ansteht, mit einer beliebigen Anzahl von Schaltungsgliedern (Stufen), wobei ein einzelnes Schaltungsglied aus drei Kondensatoren und mehreren Schaltelementen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Kondensatoen (C₁, C₂, C₃) und zwei (S₁, S₂) von insgesamt drei (S₁, S₂, S₃) Schaltelementen eine Reihenschaltung bilden, wobei die ersten Anschlüsse (A₁₁, A₃₁) der beiden äußeren Kondensatoren (C₁, C₃) über die zwei Schaltelemente (S₁, S₂) jeweils mit einem Anschluß (A₂₁ bzw. A₂₂) des mittleren Kondensators (C₂) und parallel dazu über das dritte Schaltelement (S₃) direkt miteinander verbunden sind, daß das Wechselspan nungs-Eingangssignal (U_E) über zwei Signalleitungen (SL₁, SL₂) an den zweiten Anschlüssen (A₁₂, A₃₂) der beiden äußeren Kondensatoren (C₁, C₃) anliegt, und daß an den beiden Anschlüssen (A₂₁ bzw. A₂₂) des mittleren Kondensators (C₂) eine Ausgangsspannung (U_A) ansteht, deren Amplitude größer als die des Wechselspannungs- Eingangssignals (U_E) ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schaltungsglieder (1, 2 . . . N) über Verbindungsleitungen (VL) hintereinandergeschaltet sind, wobei die Verbindungsleitungen (VL) den ersten Anschluß (A₂₁) des mittleren Kondensators (C₂) eines Schaltungsglieds mit dem zweiten Anschluß (A₂₂) des mittleren Kondensators (C₂) des nachfolgenden Schal tungsglieds verbinden, und daß die zweiten Anschlüsse (A₁₂ bzw. A₃₂) der beiden äußeren Kondensatoren (C₁, C₃) aller Schaltungsglieder (1 . . . N) jeweils über die beiden von den Eingängen (IN₁, IN₂) herführenden Si gnalleitungen (SL₁ bzw. SL₂) miteinander verbunden sind.

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerleitungen zu den Schaltele menten (S₁, S₂, S₃) der Schaltungsglieder (1, 2 . . . N) vorgesehen sind, über die die Schaltelemente (S₁, S₂, S₃) durch Schaltsignale gesteuert werden.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂, S₃) durch die Schaltsi gnale derart gesteuert werden, daß die ersten beiden Schaltelemente (S₁, S₂) in der ersten Halbwelle des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) zum Aufladen des mittleren Kondensators (C₂) geschlossen sind und das dritte Schaltelement (S₃) geöffnet ist, und daß in der zweiten Halbwelle des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) zum Umladen der beiden äußeren Kondensatoren (C₁, C₃) die beiden ersten Schaltelemente (S₁, S₂) geöffnet sind und das dritte Schaltelement (S₃) geschlossen ist.

5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Wert und die Polarität der Ausgangs spannung (U_A) in Abhängigkeit der Phasenlage der Schaltsignale bezüglich der Phase des Wechselspannungs- Eingangssignals (U_E) veränderbar sind.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂, S₃) durch Dioden realisiert sind, die in Abhängigkeit der Polarität des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) schalten.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂, S₃) elektronische Schalter sind.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂, S₃) Transistoren sind.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂, S₃) me chanische Schalter sind.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines oder mehrerer der Schaltungsglieder mit den Schaltungseingängen (IN₁, IN₂) zu einer Rückkoppelschleife verbunden ist, und daß durch diese Rückkoppelschleife der Wert der abgegriffe nen Ausgangsspannung stabilisiert wird.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß sie aus diskreten Bauelemen ten aufgebaut ist.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß sie als integrierte Schaltung aufgebaut ist.