DE4115294C2

DE4115294C2 - Schaltung zur Spannungsüberhöhung

Info

Publication number: DE4115294C2
Application number: DE19914115294
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Rauter
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2011-05-11
Also published as: DE4115294A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Spannungsüberhöhung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Schaltung ist aus der GB 2 047 484 bekannt.

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 Leistungsbauelementen oft kurzzeitig hohe Spannungsspitzenwerte bzw. Ansteuerimpulse zur Verfügung gestellt werden, obwohl nur kleine Spannungen vorhanden sind.

Die Schaltung der eingangs genannten gattungsgemäßen Druckschrift GB 2 047 484 A ist als Kombination zweier jeweils in Serie geschalteter Kondensatorgruppen und zweier jeweils parallel geschalteter Kondensatorgruppen ausgebildet. In der DE-PS 28 12 908 wird eine Spannungsvervielfacherschaltung mit als gesteuerte Transistoren ausgebildeten Schaltelementen beschrieben, bei der die Schaltsignale aus einer Rückkoppelschleife gewonnen werden können. Aus der DE-OS 38 39 310 ist ein mehrstufiger Kaskadengleichrichter zur Spannungsverdopplung mit einem spiegelbildlichen Schaltungsaufbau bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Spannungsüberhöhung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die insbesondere niederohmig ist und bei der die maximale Ausgangsspannung schnell erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal 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 zwei - über zwei Schaltelemente miteinander verbundenen - Kondensatoren, so daß der Schaltungsaufbau sehr einfach ist.
- Durch Verknüpfung einzelner Schaltungsglieder läßt sich eine kaskadierte Schaltung realisieren, mit der sich beliebig hohe Maximalwerte der Ausgangs spannung bzw. Spannungsspitzen erzeugen lassen. Bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente ist eine Polaritätsdrehung der Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung möglich.
- Da die ersten Kondensatoren der verschiedenen Schaltungsglieder an einer gemeinsamen Signallei tung angeschlossen und somit allen Kondensatoren der anderen Schaltungsglieder zugeordnet sind, werden alle zweiten Kondensatoren gleichzeitig aufgeladen, so daß die Ausgangsspannung sehr rasch zur Verfügung steht.
- 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.
- 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. Vorzugsweise werden zwei Grundelemente mit gleicher Anzahl an Schal tungsgliedern spiegelsymmetrisch aneinanderge reiht; mit dieser Schaltungsanordnung wird die ge wünschte Ausgangsspannung sehr schnell erreicht.

Die erfindungsgemäße Schaltung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 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 die Kaskadierung mehrerer Schaltungsglieder und in der

Fig. 4 ist die Zusammenschaltung zweier Grundelemente dargestellt.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Schaltungsglied 1 aus zwei Kondensatoren C₁ und C₂. Der erste Anschluß A₁₁ des er sten Kondensators C₁ ist durch die beiden Schaltelemen te S₁ und S₂ mit jeweils einem Anschluß A₂₁ bzw. A₂₂ des zweiten Kondensators C₂ verbunden. Der zweite An schluß A₁₂, A₂₂ der beiden Kondensatoren C₁, C₂ ist je weils mit einer der beiden Signalleitungen SL₁, SL₂ verbunden, die das an den beiden Eingängen IN₁, IN₂ an stehende Wechselspannungs-Eingangssignal U_E weiterlei ten. Die Schaltelemente S₁ und S₂ können über Taktlei tungen mit externen Taktgeneratoren verbunden werden, die das Öffnen und Schließen der Schaltelemente S₁ und S₂ synchronisieren. Die beiden Schaltelemente S₁ und S₂ werden invers angesteuert, wobei bei "geschlossenem" Schaltelement S₁ das Schaltelement S₂ geöffnet ist und umgekehrt beim Schließen des Schaltelements S₂ das Schaltelement S₁ geöffnet wird. Dabei müssen die beiden Schalter S₁ bzw. S₂ nicht während der gesamten Halbwel le des Wechselspannungs-Eingangssignals U_E geöffnet bzw. geschlossen bleiben.

Unter der Annahme, daß die Schaltelemente S₁ und S₂ mit der Phase des Wechselspannungs-Eingangssignals U_E ge schaltet werden - dies ist beispielsweise automatisch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 der Fall, wo die Schaltelemente S₁ und S₂ durch Dioden D₁ und D₂ reali siert sind - wird - bei "geschlossenem" Schaltele ment S₁ und geöffnetem Schaltelement S₂ - der Kondensa tor C₁ in der ersten Halbwelle der Eingangsspannung U_E auf den Spannungswert U_E aufgeladen. In der zweiten Halbwelle der Eingangsspannung U_E wird das Schaltele ment S₁ "geöffnet" (die Diode D₁ der Fig. 2 sperrt), und das Schaltelement S₂ wird geschlossen (die Diode D₂ der Fig. 2 ist leitend); am Kondensator C₂ überlagert sich die Eingangsspannung U_E zu der bereits auf dem Kondensator C₁ vorhandenen Spannung U_E, so daß der zweite Kondensator C₂ auf die doppelte Eingangsspannung 2·U_E aufgeladen wird. Als Ausgangsspannung U_A, die an den beiden Anschlüssen A₂₁ und A₂₂ des zweiten Kondensa tors C₂ abgegriffen werden kann, erhält man demnach den doppelten Wert (2·U_E) der Eingangsspannung U_E. 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 zu C₂ und anderer seits von der Frequenz des Wechselspannungs-Eingangssi gnals U_E ab.

In der Fig. 3 ist eine kaskadierte Schaltung aus hin tereinandergeschalteten Schaltungsgliedern 1 . . . N dar gestellt; die Verbindungsleitungen VL verbinden jeweils den ersten Anschluß A₂₁ des zweiten Kondensators C₂ ei nes Schaltungsglieds mit dem zweiten Anschluß A₂₂ des zweiten Kondensators C₂ des nachfolgenden Schaltungs glieds, so daß die Kondensatoren C₂ aller Schaltungs glieder 1 . . . N hintereinandergeschaltet sind. Die Si gnalleitung SL₁ ist mit dem zweiten Anschluß A₁₂ der ersten Kondensatoren C₁ jedes Schaltungsglieds 1 . . . N verbunden, so daß die ersten Kondensatoren C₁ verschie dener Schaltungsglieder alle an einer gemeinsamen Lei tung miteinander verbunden sind.

Die Kondensatoren C₁ aller Schaltungsglieder 1 . . . N werden bei geschlossenen Schaltelementen S₁ und geöff neten Schaltelementen S₂ durch das Wechselspannungs- Eingangssignal U_E aufgeladen; beim Öffnen der Schalt elemente S₁ werden die Schaltelemente S₂ gleichzeitig geschlossen und alle - in Serie geschalteten - zweiten Kondensatoren C₂ aufgeladen. Durch jedes der Schal tungsglieder wird - wie anhand der Fig. 1 beschrieben - die Spannung um den doppelten Betrag (2·U_E) der Eingangsspannung U_E erhöht; die maximale Ausgangsspan nung U_max - diese steht zwischen dem zweiten An schluß A₂₂ des zweiten Kondensators C₂ des ersten Schaltungsglieds 1 und dem ersten Anschluß A₂₁ des zweiten Kondensators C₂ des letzten Schaltungsglieds N an - beträgt bei N-Schaltungsgliedern somit U_max = 2N·U_E. Der Kapazitätswert der Kondensatoren C₁ und C₂ bestimmt die mögliche speicherbare Energie, wobei der Kapazitätswert von C₂ diejenige Zeit vorgibt, nach der die gesamte Energie zur Verfügung steht.

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 und S₂ können beliebig ausgebil det sein und sind über Taktleitungen mit einem externen Taktgenerator oder mehreren externen Taktgeneratoren verbunden. Durch die geeignete Wahl der Schaltphase des Steuersignals zur Ansteuerung der Schaltelemente (EIN- AUS-Steuerung) kann die Ausgangsspannung beeinflußt werden; je nach Relation bzw. Phasenlage des Steuersi gnals zur Phase der Eingangsspannung kann die Polarität und der Wert der Ausgangsspannung verändert werden.

Werden die Schaltelemente S₁ und S₂ allerdings durch Dioden realisiert, schalten sie bereits synchron zur Phase der Eingangs-Wechselspannung U_E; eine externe Taktansteuerung der Schaltelemente ist bei dieser Aus führungsform nicht nötig.

Die aus der kaskadierten Schaltung gewonnenen "Grund elemente" GE mit einer beliebigen Zahl von Schaltungs gliedern können auf vielfältige Weise miteinander ver bunden werden.

Die Fig. 4 zeigt beispielsweise die spiegelsymmetri sche Verknüpfung zweier Grundelemente GE₁ und GE₂ mit jeweils der gleichen Zahl von N bzw. N′ Schaltungsglie dern und den Schaltungseingängen IN₁, IN₂ bzw. IN₁′, IN₂′. Die beiden Grundelemente GE₁, GE₂ sind dabei der art aneinandergeschaltet, daß die zweiten Schaltungs eingänge IN₂, IN₂′ und die zweiten Kondensatoren C₂ al ler Schaltungsglieder beiden Grundelementen GE₁, GE₂ gemeinsam sind und die ersten Kondensatoren C₁ bzw. C₁′ mit einem Anschluß über die Signalleitungen SL₁ bzw. SL₁′ mit den Schaltungseingängen IN₁ bzw. IN₁′ verbun den sind. Die Signalleitung SL₂ kann mit dem zweiten Kondensator C₂ des ersten Schaltungsglieds 1 verbunden werden oder aber alternativ ganz entfallen. Die Aus gangsspannung steht bei dieser Schaltungsanordnung sehr schnell zur Verfügung.

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), und die Erzeugung von Gasentladungs-Spannun gen oder die Ansteuerung von Glimmlampen genannt.

Claims

1. Schaltung zur Spannungsüberhöhung eines an zwei Schaltungseingängen (IN₁, IN₂) anstehenden Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E), mit einer beliebigen Anzahl von hintereinandergeschalteten Schaltungsgliedern (1, 2 . . . N), die jeweils aus zwei Kondensatoren (C₁, C₂) und zwei Schaltelementen (S₁, S₂) bestehen, wobei der erste Anschluß (A₁₁) des ersten Kondensators (C₁) über jeweils ein Schaltelement (S₁ bzw. S₂) mit den Anschlüssen A₂₁ bzw. A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) verbunden ist, das Wechselspannungs-Eingangssignal (U_E) über zwei Signalleitungen (SL₁, SL₂) an den zweiten Anschlüssen (A₁₂, A₂₂) der beiden Kondensatoren (C₁, C₂) anliegt, Verbindungsleitungen (VL) den ersten Anschluß (A₂₁) des zweiten Kondensators (C₂) eines Schaltungsglieds mit dem zweiten Anschluß (A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) des nachfolgenden Schaltungsglieds verbinden, und jedes Schaltungsglied (1, 2 . . . N) die maximale Ausgangsspannung (U_max) um den doppelten Spannungswert (2 · U_E) des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) erhöht, die zwischen dem zweiten Anschluß (A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) des ersten Schaltungsglieds (1) und dem ersten Anschluß (A₂₁) des zweiten Kondensators (C₂) des letzten Schaltungsglieds (N) ansteht, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Anschlüsse (A₁₂) der ersten Kondensatoren (C₁) aller Schaltungsglieder (1, 2 . . . N) über die vom ersten Schaltungseingang (IN₁) herführende Signalleitung (SL₁) miteinander verbunden sind.

2. Schaltung nach Ansprruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerleitungen zu den Schaltele menten (S₁, S₂) der Schaltungsglieder (1, 2 . . . N) vor gesehen sind, über die die Schaltelemente (S₁, S₂j durch Schaltsignale gesteuert werden.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂) durch die Schaltsignale derart gesteuert werden, daß während einer bestimmten Zeitdauer in der ersten Halbwelle des Wechselspannungs- Eingangssignals (U_E) beim Aufladen des ersten Kondensa tors (C₁) das erste Schaltelement (S₁) geschlossen und das zweite Schaltelement (S₂) geöffnet ist, und daß während einer bestimmten Zeitdauer in der zweiten Halb welle des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) beim Aufladen des zweiten Kondensators (C₂) das erste Schaltelement (S₁) geöffnet und das zweite Schaltele ment (S₂) geschlossen ist.

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, 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.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂) durch Dioden realisiert sind, die in Abhängigkeit der Polari tät des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) schalten.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂) elek tronische Schalter sind.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂) Transistoren sind.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂) mecha nische Schalter sind.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines oder mehre rer der Schaltungsglieder mit den Schaltungseingängen (IN₁, IN₂) zu einer Rückkoppelschleife verbunden ist, und daß durch diese Rückkoppelschleife der Wert der ab gegriffenen Ausgangsspannung stabilisiert wird.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß sie aus diskreten Bauelemen ten aufgebaut ist.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß sie als integrierte Schaltung aufgebaut ist.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß Grundelemente (GE) zur Span nungsüberhöhung mit einer beliebigen Zahl von Schal tungsgliedern gebildet werden, daß zwei Grundelemente (GE₁, GE₂) mit gleicher Anzahl von Schaltungsgliedern (N, N′) spiegelbildlich aneinan dergefügt werden, wobei die zweiten Kondensatoren (C₂) der Schaltungsglieder für beide Grundelemente (GE₁, GE₂) gemeinsam sind, und daß ein Anschluß der ersten Kondensatoren (C₁, C₁′) aller Schaltungsglieder (N, N′) über erste Signalleitungen (SL₁, SL₁′) mit den ersten Schaltungseingängen (IN₁, IN₁′) verbunden ist.

13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Signalleitung (SL₂) mit dem zweiten An schluß (A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) des ersten Schaltungsglieds (1) verbunden ist.

14. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß (A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) des ersten Schaltungsglieds (1) lediglich mit den beiden ersten Schaltern (S₁) der ersten Schaltungsglie der (1) beider Grundelemente (GE₁, GE₂) verbunden ist.