DE4312766A1

DE4312766A1 - Schaltung zur Spannungsüberhöhung

Info

Publication number: DE4312766A1
Application number: DE19934312766
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Rauter
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1993-04-20
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2013-04-21
Also published as: DE4312766C2

Description

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und leicht zu realisierende Schaltung zur Spannungs überhöhung anzugeben, mit der sich - im Prinzip - be liebige Spannungswerte erreichen 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 Kondensatoren und zwei Schaltelementen, so daß der Schaltungsaufbau sehr einfach ist.
- Durch Verknüpfung einzelner Schaltungsglieder - die über dritte Schaltelemente hintereinanderge schaltet werden - läßt sich eine kaskadierte Schaltung realisieren, mit der sich beliebig hohe Maximalwerte der Ausgangsspannung erzeugen lassen. Bei entsprechender Wahl bzw. Ansteuerung der Schaltelemente können auch kontinuierlich abge stufte Spannungswerte gewonnen werden; diese Span nungen können an der jeweiligen Stelle der Schal tung stabil abgegriffen werden.
- Die Kondensatoren und die Schaltelemente können beliebig ausgebildet sein: als Schaltelemente sind beispielsweise mechanische, elektrische oder elek tronische Schalter möglich; die ersten und zweiten Kondensatoren können beliebige unipolare Kondensa toren, die dritten Kondensatoren beliebige polare oder unipolare Kondensatoren 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.

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 Kondensatoren C₁, C₂, C₃ und zwei Schaltelementen S₁, S₂. Das erste Schaltelement S₁ verbindet die ersten An schlüsse A₁₁, A₂₁ des ersten und zweiten Kondensators C₁, C₂; das zweite Schaltelement S₂ verbindet den er sten Anschluß A₂₁ des zweiten Kondensators C₂ mit dem zweiten Anschluß A₃₂ des dritten Kondensators C₃. Die beiden ersten Anschlüsse A₁₁, A₃₁ des ersten und drit ten Kondensators C₁, C₃ sind direkt miteinander verbun den. Der zweite Anschluß A₁₂ des ersten Kondensators C₁ ist mit der ersten Signalleitung SL₁, der zweite An schluß A₂₂ des zweiten Kondensators C₂ mit der zweiten Signalleitung SL₂ verbunden; die beiden Signalleitungen SL₁, SL₂ leiten das an den beiden Schaltungseingängen IN₁, IN₂ anstehende Wechselspannungs-Eingangssignal U_E weiter. Die Schaltelemente S₁, S₂ können über Taktlei tungen mit externen Taktgeneratoren verbunden werden, die das Öffnen und Schließen der Schaltelemente S₁, S₂ synchronisieren. Die beiden Schaltelemente S₁ und S₂ werden asynchron angesteuert, wobei bei "geschlossenem" Schaltelement S₁ das Schaltelement S₂ geöffnet ist und umgekehrt beim Schließen des Schaltelements S₂ das Schaltelement S₁ geöffnet wird.

Unter der Annahme, daß die Schaltelemente S₁, 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, S₂ durch Dioden D₁, D₂ realisiert sind -, werden (bei "geschlossenem" Schaltelement S₁ und geöffnetem Schaltelement S₂) die beiden Kondensato ren C₁ und C₂ in der ersten Halbwelle des Wechselspan nungs-Eingangssignals U_E aufgeladen; die Eingangsspan nung U_E wird dabei abhängig von den Kapazitätswerten der Kondensatoren C₁ und C₂ auf diese Kondensatoren aufgeteilt. In der zweiten Halbwelle des Wechselspan nungs-Eingangssignals U_E wird das Schaltelement S₁ "ge öffnet" (die Diode D₁ der Fig. 2 sperrt) und das Schaltelement S₂ wird geschlossen (die Diode D₂ der Fig. 2 ist leitend); hierdurch wird der dritte Kondensa tor C₃ von der Eingangsspannung U_E und der Spannung auf dem ersten Kondensator C₁ und dem zweiten Kondensator C₂ aufgeladen. Als Ausgangsspannung U_A, die zwischen den beiden Anschlüssen A₃₁ und A₃₂ des dritten Konden sators C₃ abgegriffen werden kann, erhält man den dop pelten Wert (2·U_E) der Eingangsspannung U_E. Die Auf ladegeschwindigkeit und damit die Zeit, nach der der Maximalwert der Spannung bzw. die gesamte Energie zur Verfügung steht, hängt einerseits vom Verhältnis der Kapazitätswerte des ersten und zweiten Kondensators C₁, C₂ zum dritten Kondensator C₃ und andererseits von der Frequenz des Wechselspannungs-Eingangssignals U_E ab.

In der Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung aus über dritte Schaltelemente S₃ hintereinandergeschalteten Schaltungsgliedern 1, 2 . . . N dargestellt; die dritten Schaltelemente S₃ verbinden jeweils den zweiten An schluß A₃₂ des dritten Kondensators C₃ eines Schal tungsglieds mit dem ersten Anschluß A₁₁ des ersten Kon densators C₁ des nachfolgenden Schaltungsglieds, so daß die dritten Kondensatoren C₃ aller Schaltungsglieder 1, 2 . . . N hintereinandergeschaltet sind. Die Signallei tung SL₁ ist jeweils mit den zweiten Anschlüssen A₁₂ der ersten Kondensatoren C₁ jedes Schaltungsglieds 1, 2 . . . N, die Signalleitung SL₂ jeweils mit dem zweiten Anschluß A₂₂ der zweiten Kondensatoren C₂ jedes Schal tungsglieds 1, 2 . . . N verbunden.

Die ersten und zweiten Kondensatoren C₁, C₂ aller Schaltungsglieder 1, 2 . . . N werden bei geschlossenen Schaltelementen S₁ und geöffneten Schaltelementen S₂ durch das Wechselspannungs-Eingangssignal U_E aufgela den; beim Öffnen der Schaltelemente S₁ werden die Schaltelemente S₂ gleichzeitig geschlossen und demzu folge die dritten Kondensatoren C₃ der Schaltungsglie der 1, 2 . . . N aufgeladen. Beim Schließen der dritten Schaltelemente S₃ werden die Schaltungsglieder hinter einandergeschaltet, wobei durch jedes der Schaltungs glieder - wie anhand der Fig. 1 beschrieben - die Spannung um den doppelten Betrag (2·U_E) der Eingangs spannung U_E erhöht wird; die maximale Ausgangsspannung U_max - diese steht zwischen dem Anschluß A₁₁ des ersten Kondensators C₁ des ersten Schaltungsglieds 1 und dem zweiten Anschluß A₃₂ des dritten Kondensators C₃ des letzten Schaltungsglieds N an - beträgt bei N-Schal tungsgliedern somit U_max = 2N·U_E. Der Kapazitätswert der Kondensatoren bestimmt die mögliche speicherbare Energie, wobei der Kapazitätswert der Kondensatoren C₁ und C₂ zur kurzzeitigen Bereitstellung großer Energie werte groß sein kann (beispielsweise 10 µF) und für den Kondensator 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.

Bei einer Integration der Schaltung müssen die Konden satoren C₁, C₂, C₃ relativ kleinflächig ausgebildet werden. Zur Speicherung der hohen Energiewerte kann da her ein externer Puffer-Kondensator C_B vorgesehen wer den (siehe Fig. 3), der mit den beiden Kondensatoran schlüssen derjenigen Schaltungsglieder verbunden ist, zwischen denen die Ausgangsspannung U_A ansteht; hierbei kann der Puffer-Kondensator C_B auch - über einen Schal ter S - getaktet angesteuert werden.

Die Schaltelemente S₁, S₂, S₃ können beliebig ausgebil det 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 U_A beeinflußt werden; je nach Relation bzw. Phasenlage des Steuersignals zur Phase der Eingangs spannung kann die Polarität und der Wert der Ausgangs spannung verändert werden. Hierbei ist allerdings zu beachten, daß bei geschlossenen ersten Schaltelementen die dritten Schaltelemente S₃ geöffnet sein müssen. Werden die Schaltelemente S₁, S₂, S₃ allerdings durch Dioden realisiert - wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 mit den Dioden D₁, D₂, D₃ dargestellt - schalten sie bereits synchron zur Phase der Eingangsspannung U_E; eine externe Taktansteuerung der Schaltelemente ist bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich.

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, und die Erzeugung von Gasentladungs-Spannungen oder die Ansteuerung von Glimmlampen genannt.

Claims

1. Schaltung zur Spannungsüberhöhung eines an zwei Schaltungseingängen (IN₁, IN₂) anstehenden Wechselspan nungs-Eingangssignals (U_E) mit einer beliebigen Anzahl von Schaltungsgliedern (1, 2 . . . N), wobei

a) ein einzelnes Schaltungsglied (1) aus drei Konden satoren (C₁, C₂, C₃) und zwei Schaltelementen (S₁, S₂) besteht,
b) das erste Schaltelement (S₁) die ersten Anschlüsse (A₁₁, A₂₁) des ersten Kondensators (C₁) und des zweiten Kondensators (C₂) verbindet,
c) die ersten Anschlüsse (A₁₁, A₃₁) des ersten Kon densators (C₁) und des dritten Kondensators (C₃) direkt miteinander verbunden sind,
d) das zweite Schaltelement (S₂) den ersten Anschluß (A₂₁) des zweiten Kondensators (C₂) mit dem zwei ten Anschluß (A₃₂) des dritten Kondensators (C₃) verbindet,
e) das Wechselspannungs-Eingangssignal (U_E) über eine erste Signalleitung (SL₁) am zweiten Anschluß (A₁₂) des ersten Kondensators (C₁) und über eine zweite Signalleitung (SL₂) am zweiten Anschluß (A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) anliegt,
f) zwischen den beiden Anschlüssen (A₃₁, A₃₂) des dritten Kondensators (C₃) eine Ausgangsspannung (U_A) ansteht, die eine größere Amplitude als das Wechselspannungs-Eingangssignal (U_E) besitzt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schaltungsglieder (1, 2 . . . N) über dritte Schaltelemente (S₃) hintereinandergeschaltet sind, wobei

a) die dritten Schaltelemente (S₃) den zweiten An schluß (A₃₂) des dritten Kondensators (C₃) eines Schaltungsglieds mit dem ersten Anschluß (A₁₁) des ersten Kondensators (C₁) des nachfolgenden Schal tungsglieds verbinden,
b) die zweiten Anschlüsse (A₁₂) der ersten Kondensa toren (C₁) aller Schaltungsglieder (1, 2 . . . N) mit der vom ersten Schaltungseingang (IN₁) herfüh renden ersten Signalleitung (SL₁) verbunden sind,
c) die zweiten Anschlüsse (A₂₂) der zweiten Kondensa toren (C₂) aller Schaltungsglieder (1, 2 . . . N) mit der vom zweiten Schaltungseingang (IN₂) her führenden zweiten Signalleitung (SL₂) verbunden sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden ersten Schaltelemente (S₁, S₂) derart entgegengesetzt angesteuert werden, daß in der ersten Halbwelle des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) das erste Schaltelement (S₁) geschlossen ist, das zweite Schaltelement (S₂) und das dritte Schaltelement (S₃) geöffnet sind und die beiden mit dem ersten Schaltelement (S₁) verbundenen Kondensatoren (C₁, C₂) aufgeladen werden, und daß in der zweiten Halbwelle des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) das erste Schalt element (S₁) geöffnet und das zweite Schaltelement (S₂) geschlossen ist und der dritte Kondensator (C₃) aufge laden wird.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂, S₃) mit Steuerleitungen verbunden sind, und daß die Schaltelemente (S₁, S₂, S₃) durch auf den Steuerleitungen anstehende Schaltsignale steuerbar sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert und die Polarität der Ausgangsspannung (U_A) in Abhängigkeit der Phasenlage der Schaltsignale bezüglich der Phase des Wechselspannungs-Eingangssi gnals (U_E) veränderbar ist.

6. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂, S₃) als Dioden (D₁, D₂, D₃) realisiert sind und 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) als elektronische Schalter realisiert sind.

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

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

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines oder mehrerer der Schaltungsglieder mit den beiden Schaltungseingängen (IN₁, IN₂) zu einer Rückkoppelschleife verbunden ist und dadurch der Wert der abgegriffenen Ausgangsspannung (U_A) stabilisierbar ist.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß sie diskrete Bauelemente auf weist.

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

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß ein externer Puffer-Kondensa tor (C_B) vorgesehen ist, der mit dem ersten Anschluß (A₁₁) des ersten Kondensators (C₁) und dem zweiten An schluß (A₃₂) des dritten Kondensators (C₃) derjenigen Schaltungsglieder (1, N) verbunden ist, zwischen denen die Ausgangsspannung (U_A) ansteht.

14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Puffer-Kondensator (C_B) mit einem der Kondensa tor-Anschlüsse (A₁₁, A₃₂) über ein Schaltelement (S) verbunden ist.