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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, der nach dem Prinzip einer Ladungspumpe
arbeitet, mit wenigstens einem Ladungspumpen-Kondensator und mehreren
steuerbaren Schaltern, die daran angeschlossen sind und während des
Ladungspumpenbetriebs durch eine Steuerschaltung mit einem Oszillator
betätigt
werden, um über
einem Speicherkondensator eine an den Ausgang des Umsetzers angelegte
Ausgangsspannung zu erzeugen, die von der Eingangsspannung des Umsetzers
abweicht, und einem Komparator, der eine Referenzspannung mit einer
zu der Ausgangsspannung des Umsetzers proportionalen Spannung vergleicht
und ein Steuersignal für
die Steuerschaltung ausgibt, das einen ersten Pegel besitzt, wenn
die Ausgangsspannung unter einen vorgegebenen Konzeptwert abfällt, und
einen zweiten Pegel besitzt, wenn die Ausgangsspannung den Konzeptwert übersteigt,
wobei die Steuerschaltung der Ladungspumpe EIN meldet, wenn das
Steuersignal vom zweiten zum ersten Pegel wechselt, und der Ladungspumpe
AUS meldet, wenn das Steuersignal vom ersten zum zweiten Pegel wechselt.
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Viele elektronische Schaltungen erfordern außer der
Versorgungsspannung weitere Spannungen, manchmal auf einem Pegel über dem
der Versorgungsspannung. Eine preiswerte, einfache und in bezug
auf Umsetzer, die eine Spule verwenden, in hohem Grade kompakte
Lösung,
um diese weiteren Spannungen verfügbar zu machen, sind Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer,
die nach dem Ladungspumpenprinzip arbeiten. Umsetzer dieser Art sind
z. B. in dem Lehrbuch "The Art of Electronics" von Paul Horowitz,
2. Auflage, Cambridge University Press, New York, 1991, auf den
Seiten 377 bis 379 beschrieben.
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Horowitz beschreibt außerdem einen
einfachen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, der nach dem Ladungspumpenprinzip
arbeitet, der verwendet werden kann, um die Eingangsspannung im
wesentlichen zu verdoppeln. Die Grundschaltung des Umsetzers besteht
im wesentlichen aus einem Ladungspumpen-Kondensator und vier steuerbaren
Schaltern (z. B. MOSFETs), wodurch eine Elektrode des La dungspumpen-Kondensators über einen
ersten Schalter an den Eingangsspannungs-Anschluß des Umsetzers und über den
zweiten Schalter an Masse anschließbar ist, während die andere Elektrode
des Kondensators über
den dritten Schalter an den Eingangsspannungs-Anschluß und über den
vierten Schalter an den Ausgangsspannungs-Anschluß des Umsetzers
anschließbar
ist. Der Umsetzer umfaßt ferner
eine Steuerschaltung mit einem Taktoszillator, die den Schaltern
meldet, so daß in
einer ersten Phase eines Taktzyklus, der sogenannten Ladephase, der
zweite Schalter und der dritte Schalter EIN sind, während die
anderen Schalter AUS sind, so daß der Ladungspumpen-Kondensator
auf die Eingangsspannung geladen wird, während in einer zweiten Phase
eines Taktzyklus, der sogenannten Entladephase, der erste Schalter
und der vierte Schalter EIN sind, während die anderen Schalter
AUS sind, so daß der
geladene Ladungspumpen-Kondensator
dann mit der Eingangsspannung in Reihe geschaltet ist, dies führt zu einem
Spannungswert an einem Glättungs-
und Speicherkondensator, der sich am Ausgang der Schaltung befindet,
der etwa dem zweifachen der Eingangsspannung entspricht.
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Entsprechend sind Ladungspumpen denkbar,
die irgendein Vielfaches der Eingangsspannung erzeugen, die Eingangsspannung
invertieren oder die Eingangsspannung verringern.
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Im beschriebenen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer,
der entsprechend dem Ladungspumpenprinzip arbeitet, fällt jedoch
selbst bei kleinen Lastströmen
die Ausgangspannung unerwünscht scharf
ab. Weil in der Mehrzahl der Anwendungen die Ausgangsspannung, die
z. B. in digitalen elektronischen Schaltungen oft 3,3 oder 5 V beträgt, fest
ist und nur in einem engen Bereich fluktuieren darf, sind geregelte
Umsetzer entwickelt worden, die die Ausgangspannung auf einen festen
gewünschten
Spannungswert setzen.
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Die Regler der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
umfassen in der Regel einen Komparator, der die tatsächliche
Ausgangspannung oder eine zur tatsächlichen Ausgangspannung proportionalen
Spannung (die proportionale Spannung wird z. B. über einen Spannungsteiler aus
der Ausgangspannung abgeleitet) mit einer vorgegebenen Referenzspannung
vergleicht, die die Konzeptausgangspannung darstellt, und der dann,
wenn eine Abweichung erfaßt
wird, ein Steuersignal ausgibt, mit dessen Hilfe die tatsächliche
Ausgangspannung an den vorgegebenen Konzeptwert der Ausgangspannung angepaßt wird.
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Im US-Patent 5.680.300 sind zwei
Typen von Reglern beschrieben, die Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
verwenden, die nach dem Ladungspumpenprinzip arbeiten, d. h. der
sogenannte lineare Regler und der sogenannte Sprungbetriebsart-Regler.
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Im linearen Regler ändert das
Steuersignal des Komparators z. B. über ein Gate eines der MOSFET-Schalter
den EIN-Widerstand des MOSFET, so daß der Abfall in der Spannung über dem
Schalter vergrößert oder
verkleinert wird, dies führt
zu einer Verringerung oder Zunahme der tatsächlichen Ausgangspannung. Der
lineare Regler besitzt jedoch den Nachteil, daß die beim Schalten der Ladungspumpen-Schalter
auftretenden Verluste relativ groß sind, weil sich die Ladungspumpe
im Fall des linearen Reglers immer in Betrieb befindet; er ist folglich
nur für
kontinuierlich auftretende relativ große Lastströme geeignet.
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Diese Nachteile treten im sogenannten Sprungbetriebsart-Regler
nicht auf, weil er das Steuersignal des Komparators verwendet, um
der Ladungspumpe abwechselnd EIN/AUS zu melden, so daß eine Ladung
nur zu einem Glättungs-
und Speicherkondensator, der sich am Ausgang der Schaltung befindet,
gepumpt wird, wenn die mit ihm verbundene Spannung unter den Konzeptpegel
der Ausgangsspannung gefallen ist. Der Sprungbetriebsart-Regler
arbeitet folglich in einer besonders energiesparenden Weise, wobei
er für
Anwendungen besonders geeignet ist, in denen manchmal kleine und manchmal
große
Lastströme
auftreten können.
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Zur Veranschaulichung zeigt 1 einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
des Standes der Technik, der einen Sprungbetriebsart-Regler enthält, der
die zitierte Ladungspumpen-Anordnung nach Horowitz mit dem Sprungbetriebsart-Regler, wie er im US-Patent
5.680.300 beschrieben ist, kombiniert. Ein derartiger Umsetzer ist
außerdem
als der Typ MAX679 in einem Produktkatalog der Company Maxim Integrated
Products beschrieben, der im Mai 1999 unter der Standortadresse
http://www.maxim-ic.com verfügbar
gewesen ist.
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Derartige vorhandene Umsetzer, die
einen Sprungbetriebsart-Regler enthalten, besitzen jedoch den Nachteil,
daß der
Ausgangsstrom der Ladungspumpe während
des Betriebs des Umsetzers unter normalen Lastbedingungen relativ
große
Stromspitzen enthält.
Der Grund für
dieses ist, daß die
Ladungspumpe so konstruiert sein muß, daß sie außerdem einen vorgegebenen minimalen
Ausgangsstrom liefern können
muß, selbst
wenn sich ihre Arbeitsbedingungen verschlechtern, z. B. zurückzuführen auf einen
Abfall in der Eingangsspannung, eine Zunahme der Temperatur oder
MOSFET-Schalttransistoren mit schlechter Prozeßqualität.
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Diese hohen Stromspitzen besitzen
mehrere negative Folgen, von denen eine z. B. die relativ große Abmessung
des Ausgangskondensators ist. Außerdem führen diese Stromspitzen zu
einer hohen Rauschstrahlung. Wenn die Eingangsspannung des Umsetzers
durch eine Batterie geliefert wird, z. B. eine Li-Ionen-Zelle, führen die
hohen Spitzenströme zu
einer Verringerung der Lebensdauer der Batterie. Noch dazu wird
durch diese hohen Stromspitzen eine starke Welligkeit in der Ausgangsspannung
erzeugt.
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Es ist folglich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, wie er eingangs zitiert
worden ist, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet, zu verbessern,
so daß die
Ausgangsstromspitzen der Ladungspumpe und die Ausgangsspannungs-Welligkeit
in hohem Maße verringert
sind.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer,
wie er eingangs zitiert worden ist, gelöst, der durch eine Regulierungsschaltung,
die das Steuersignal des Komparators empfängt und es in ein Signal umsetzt,
das das momentane EIN/AUS-Dauer-Verhältnis der Ladungspumpe kennzeichnet,
mit dem der EIN-Widerstand einer der Schalter gesteuert wird, so
daß das
EIN/AUS-Dauer-Verhältnis der
Ladungspumpe auf einen vorgegebenen Konzeptwert re guliert werden
kann, und durch einen weiteren steuerbaren Schalter, der zu dem Schalter
parallelgeschaltet ist, dessen EIN-Widerstand gesteuert wird und
der durch die Steuerschaltung entsprechend gesteuert wird, gekennzeichnet ist.
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Vorteilhafte weitere Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.
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Die Erfindung wird nun beispielhaft
unter Bezugnahme auf die Zeichnung erklärt, worin:
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1 ein
Stromlaufplan eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers des Standes
der Technik ist, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet und
einen Sprungbetriebsart-Regler enthält;
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2a und 2b graphische Darstellungen sind, die beim
Erklären
des Prinzips gemäß der Erfindung
veranschaulichen, wie der Ausgangsstrom eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
des Standes der Technik, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet,
in der Zeit auf normale Bedingungen und auf ungünstige Bedingungen reagiert;
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3 ein
Stromlaufplan einer bevorzugten Ausführungsform eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
gemäß der Erfindung
ist, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet; und
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4a und 4b graphische Darstellungen sind, die veranschaulichen,
wie der Ausgangsstrom eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers des
Standes der Technik und eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
gemäß der Erfindung
in der Zeit auf eine Änderung
in der Last reagiert.
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In 1 ist
ein Stromlaufplan eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers des Standes
der Technik veranschaulicht, der entsprechend dem Ladungspumpenprinzip
arbeitet, wie in der Beschreibung des Hintergrundes ausführlich beschrieben
worden ist, und der einen Sprungbetriebsart-Regler enthält.
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2a veranschaulicht
in einem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer des Standes der Technik,
wie er in 1 gezeigt
ist, beispielhaft die Stromspitzen des Ausgangsstroms Iout seiner
Ladungspumpe unter normalen Arbeitsbedingungen und im Lastbetrieb.
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In dieser Anordnung wird angenommen,
daß es
erforderlich ist, daß der
Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer einen mittleren Laststrom Iload
am Ausgang von 50 mA liefert, wie durch die gestrichelte Linie angezeigt
ist. Dieser mittlere Laststrom ist der Strom, den die Ladungspumpe
als ein Minimum in dieser konkreten Anwendung liefern muß. Beim
Fehlen einer Last erlaubt der Sprungbetriebsart-Regler der Ladungspumpe,
einige Arbeitszyklen am Ausgang zu überspringen, so daß während dieser
Zeit kein Strom zum Ausgangskondensator C2 fließt und keine Stromspitzen auftreten.
Wenn z. B. die minimale Last von 50 mA am Ausgang angefordert wird,
wird die Ladungspumpe in einem vorgegebenen Rhythmus EIN/AUS-geschaltet,
wie aus 2 offensichtlich ist. Die
Amplitude der während
der EIN-Dauer ton der Ladungspumpe auftretenden Stromspitzen wird aus
der folgenden Formel berechnet: Ispike = 2 * Iload * (toff + ton)/ton = 2 * Iload
* ((toff/ton) + 1), (1) wobei
Ispike die Amplitude der Stromspitzen ist, ton ist die EIN-Dauer
der Ladungspumpe, während
toff die AUS-Dauer der Ladungspumpe ist. Es ist selbstverständlich nur
sinnvoll, diese Formel anzuwenden, wenn die Ladungspumpe unter Last
betrieben wird und nicht leer läuft,
weil ansonsten toff "unendlich" wird. Die Formel zeigt, daß die Amplitude
der Stromspitzen nur vom mittleren Laststrom und vom EIN/AUS-Dauer-Verhältnis der
Ladungspumpe abhängt.
Der Faktor 2 kommt aus der Tatsache zustande, daß im Betrieb der Ladungspumpe
abwechselnd EIN/AUS gemeldet wird, so daß sie tatsächlich nur während der
Hälfte
ihrer EIN-Dauer einen Strom zum Ausgang liefert.
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Wie aus 2 offensichtlich
ist, beträgt
unter normalen Arbeitsbedingungen, d. h. für eine normale Eingangsspannung
Vcc, "gute" Schalttransistoren und eine normale Betriebstemperatur,
das Verhältnis von
toff zu ton 4 zu 1, dies führt
für einen
mittleren Laststrom von 50 mA zu einer Stromspitzenamplitude von
2 * 50 mA * (4 + 1) = 500 mA. Hier ist angenommen worden, daß die Ladungspumpe
während der
Zeit, in der sie zurückzuführen auf
den Sprungbetriebsart-Regler
EIN ist, jedesmal durch die Steuerschaltung mit dem Oszillator zweimal
hin und her geschaltet wird, d. h., daß sie eine Ladephase, eine
Entladephase, eine Ladephase, eine Entladephase zyklisch durchläuft. In
dieser Anordnung wird nur während
der Entladephasen ein Strom zum Ausgang geliefert, dies wird durch
die dicke schwarze Linie angezeigt, wobei selbstverständlich diese
Darstellung der dicken Linie des Stromprofils idealisiert ist, um
zu einem besseren Verständnis
beizutragen, wohingegen es in Wirklichkeit abhängig von der Qualität der verwendeten
Bauelemente ein anderes Profil besitzen wird.
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Unter normalen Arbeitsbedingungen
für herkömmliche
Ladungspumpen muß das
Verhältnis
der EIN-Dauer zur AUS-Dauer relativ groß sein, wenn unter Last gearbeitet
wird, so daß die
Ladungspumpe trotzdem den mittleren minimalen Ausgangsstrom – d. h.
50 mA in diesem Beispiel – liefern
kann, wie durch die spezielle Anwendung trotz ungünstiger
Arbeitsbedingungen verlangt wird, z. B. bei einer Verringerung der
Eingangsspannung Vcc, bei Transistoren schlechter Qualität (die z.
B. zurückzuführen auf
den beteiligten Prozeß eine
schlechte Steilheit besitzen) oder zurückzuführen auf erhöhte Temperaturen.
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In 2b ist
veranschaulicht, wie die Stromspitzen unter ungünstigen Arbeitsbedingungen
aussehen würden.
In diesem Fall muß das
durch den Sprungbetriebsart-Regler eingestellte EIN/AUS-Dauer-Verhältnis der
Ladungspumpe größer sein,
um den gleichen Ausgangsstrom zu liefern. Ein Grund für dieses
kann z. B. eine verringerte Eingangsspannung Vcc der Ladungspumpe
sein. Im gewählten
Beispiel beträgt
das EIN/AUS-Dauer-Verhältnis
der Ladungspumpe 1 zu 1, dies führt
zu verringerten Stromspitzen (Ispike = 200 mA) und folglich außerdem zu einer
kleineren Welligkeit der Ausgangsspannung des Umsetzers im Vergleich
zu dem Fall unter normalen Bedingungen.
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Es ist hier so, daß die Erfindung
von der Tatsache Gebrauch macht, daß in herkömmlichen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzern,
die die Sprungbetriebsart-Regelung
besitzen, unter "ungünstigen Arbeitsbedingungen"
Vorteile, was die Amplitude der Ausgangsstromspitzen der Ladungspumpe
und die Welligkeit der Ausgangspannung der Ladungspumpe anbelangt,
zustandekommen, wobei in der Regel versucht wird, die "ungünstigen
Arbeitsbedingungen" zum Normalfall zu machen und das EIN/AUS-Dauer-Verhältnis der
Ladungspumpe des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers unabhängig von
den Arbeitsbedingungen auf einen günstigen Wert zu regeln, bei
dem die Ausgangsstromspitzen und die Welligkeit der Ausgangsspannung
im Vergleich zu den herkömmlichen
Umsetzern im hohen Maße
verringert sind.
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In 3 ist
ein Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer gemäß der Erfindung veranschaulicht,
der zum Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer des Standes der Technik,
wie er in 1 gezeigt
ist, ähnlich
konfiguriert ist.
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Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
gemäß der Erfindung
umfaßt
einen Ladungspumpen-Kondensator C1, dessen eine Elektrode über einen
ersten MOS-FET-Schalter
S1 mit dem Eingang 1 des Umsetzers verbunden ist, an den die Eingangs-Gleichspannung
Vcc angelegt ist.
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Der im Umsetzer des Standes der Technik, wie
in 1 gezeigt ist, vorgesehene
MOSFET-Schalter S2, der eine Elektrode des Ladungspumpen-Kondensators
C1 mit Masse verbindet, ist durch zwei MOSFET-Schalter S2a und S2b
ersetzt, die im Umsetzer gemäß der Erfindung
parallelgeschaltet sind. Außerdem
sind zwei Gate-Treiber 2 und 3 der MOSFET-Schalter S2a und S2b aus 3 offensichtlich, wobei
die Versorgungsspannung des Gate-Treibers des Schalters S2a über die
Regulierungsschaltung 4 gesteuert wird, die sich im durch die gestrichelte
Linie gebildeten Fenster befindet und die später erörtert wird, während die
Versorgungsspannung des Gate-Treibers des Schalters Sb2 nicht gesteuert
wird und der Ausgangsspannung Vout des Umsetzers entspricht. In
dieser Anordnung ist der Oberflächenbereich
des MOSFET-Schalters S2a, der in der bevorzugten Produktion der
Schaltung integriert ist, um einen Faktor N, der z. B. in der Größenordnung
von 30 liegen kann, größer als
der des MOSFET-Schalters
S2b.
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Die andere Elektrode des Ladungspumpen-Kondensators
C1 – die
gleiche wie im Umsetzer des Standes der Technik, wie in 1 gezeigt ist – ist über den
MOSFET-Schalter S3 mit dem Eingang 1 des Umsetzers und über einen
vierten MOSFET-Schalter S4 mit dem Ausgang 5 des Umsetzers verbunden.
Alle Schalter der Ladungspumpe, d. h. ebenfalls einschließlich der
Schalter S1, S3 und S4, sollten Gate-Treiber umfassen,
die in 3 um einer nicht überladenen
Veranschaulichung willen nicht gezeigt sind. Die Schalter S1, S3
und S4 umfassen im gewählten
Beispiel P-MOSFETs des Verarmungstyps, während die Schalter S2a und
S2b N-MOSFETs des Verarmungstyps sind.
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Es ist ferner ein Glättungs-
und Speicherkondensator C2 vorgesehen, der zwischen den Ausgang 5
des Umsetzers und Masse geschaltet ist.
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Außer diesem ist ein Komparator
6 vorgesehen, der an einem Eingang eine Referenzspannung Vref und
am anderen Eingang eine Spannung empfängt, die proportional zur Ausgangsspannung
des Umsetzers Vout des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers ist, diese
proportionale Spannung wird von einem durch die Widerstände R1 und
R2 gebildeten Spannungsteiler abgeleitet. Der Ausgang 7 des Komparators
6 ist mit einer Steuerschaltung 7 verbunden, die einen Oszillator
enthält,
der beim Ladungspumpenbetrieb die Schaltsignale S1, S2a/S2b, S3
und S4 an die Gate-Treiber der Ladungspumpen-Auswahleinrichtungen
liefert, um die Schalter auszuwählen, so
daß in
einer Ladephase der Ladungspumpe der Ladepumpen-Kondensator C1 auf
die Eingangsspannung Vcc geladen wird, wobei in der Entladephase
der Ladungspumpe der Ladungspumpen-Kondensator C1 mit der Eingangsspannung
Vcc eine Reihenschaltung bildet, die mit dem Ausgangkondensator
C2 verbunden ist, so daß der
letztere geladen werden kann. Die Schalterpositionen in der Ladephase
und der Entladephase sind bereits in der Beschreibung des Hintergrunds
im Zusammenhang mit der Schaltung, wie sie von Horowitz beschrieben worden
ist, erörtert
worden, wobei es deshalb keine Notwendigkeit gibt, diese irgendwie
weiter ausführlich
zu beschreiben.
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Unähnlich den Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzern,
die bis jetzt eine Sprungbetriebsart-Reglung besessen haben, umfaßt der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
gemäß der Erfindung eine
Regulierungsschaltung 7, die mit dem Ausgang des Komparators 6 verbunden
ist. Die Regulierungsschaltung 7 dient dazu, das Verhältnis der
EIN-Dauer ton zur AUS-Dauer toff der Ladungspumpe unabhängig von
den Arbeitsbedingungen (wie z. B. der Temperatur, der Eingangsspannung
Vcc, der Transistorqualität
(der Steilheit usw.)) der Ladungspumpe konstant aufrechtzuerhalten.
Sie umfaßt
zwei Stromquellen 8 und 9, die zwischen der Ausgangspannung Vout
und Masse in Reihe geschaltet sind, diese Stromquellen sind auf
einen ersten Strom I1 bzw. einen zweiten Strom I2 eingestellt. In
dieser Anordnung wird jede der Stromquellen über einen (nicht gezeigten)
steuerbaren Schalter EIN/AUS geschaltet. Die zwei Schalter werden
durch das Steuersignal des Komparators 6 gesteuert, das entweder
durch den Inverter 10 invertiert wird oder nicht invertiert wird.
Die Stromquellen 8 und 9 können
z. B. schaltbare MOS-Stromspiegel umfassen, wie z. B. im Deutschen
Patent
DE 42 01 155 beschrieben
ist. Der Verbindungspunkt der zwei Stromquellen 8 und 9 ist über einen
Stabilisierungswiderstand 3 mit einer Elektrode eines Kondensators
C3 verbunden, dessen andere Elektrode mit Masse verbunden ist. R3 und
C3 bilden ein Tiefpaßfilter.
Der Verbindungspunkt 12 zwischen dem Widerstand R3 und den Stromquellen
8 und 9 ist mit dem Gate eines N-MOSFET M des Verarmungstyps verbunden,
dessen Source/Drain-Pfad zwischen die Ausgangsspannung und einen
Eingangsanschluß der
Versorgungsspannung des Gate-Treibers
2 des MOSFET-Schalters S2a der Ladungspumpe geschaltet ist. Der
andere Eingangsanschluß der
Versorgungsspannung des Gate-Treibers 2 ist auf Masse gelegt.
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Die Regulierungsschaltung 4 empfängt das Ausgangssignal
des Sprungbetriebsart-Regler-Komparators 6, das vom Ausgang 7 kommt,
wobei das Ausgangssignal eine erste Signalamplitude, wenn die tatsächliche
Ausgangsspannung Vout am Ausgang 5 des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
kleiner als ein vorgegebener Konzeptwert ist, auf den der Umsetzer
geregelt wird, und eine zweite Signalamplitude, die sich von der
ersten Signalamplitude unterscheidet, wenn die tatsächliche
Ausgangspannung Vout am Ausgang 5 des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
den Konzeptwert überschreitet, umfaßt. In der
bevorzugten Ausführungsform
ist der erste Signalpegel HI, während
der zweite Signalpegel LO ist. Wenn sich der Pegel des Steuersignals des
Komparators 7 von LO auf HI ändert,
meldet die Steuerschaltung 8, die das Steuersignal des Komparators
7 empfängt,
der Ladungspumpe EIN. Wenn sich der Pegel des Steuersignals des
Komparators 7 von HI auf LO ändert,
meldet die Steuerschaltung 8 der Ladungspumpe AUS. Demzufolge charakterisiert ein
HI-Pegel (erster Pegel) des Steuersignals des Komparators die EIN-Dauer
ton der Ladungspumpe, während
sein LO (zweiter Pegel) die AUS-Dauer toff der Ladungspumpe charakterisiert.
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Die Art, in der der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
gemäß der Erfindung
arbeitet, wird nun beschrieben. Der Umsetzer arbeitet wie die Umsetzer
bisher außerdem
in der Sprungbetriebsart, die durch den Komparator 6 gesteuert wird,
mit Ausnahme, daß nun
das Steuersignal des Komparators nicht nur zur Steuerschaltung 8
geschickt wird, die die Ladungspumpe als eine Funktion der Ausgangsspannung
Vout des Umsetzers aktiviert oder deaktiviert, sondern außerdem zur
Regulierungsschaltung 4.
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Die Regulierungsschaltung 4 ändert den EIN-Widerstand
des Schalters S2a, so daß das
Verhältnis
der AUS-Zeit toff zur EIN-Zeit ton der Ladungspumpe konstant bleibt,
wenn der Umsetzer unter Lastbedingungen betrieben wird, das gewünschte vorgegebene
Verhältnis
von ton zu toff wird durch geeignete Auswahl der Ströme I1 und
I2 eingestellt, wie im folgenden ausführlich beschrieben ist.
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Wenn das Steuersignal des Komparators
6 HI ist, d. h. die EIN-Dauer ton der Ladungspumpe symbolisiert,
wird der zweiten Stromquelle 9 über
das Gate des (nicht gezeigten) Schalters EIN gemeldet, während, wenn
das Steuersignal des Komparators 6 LO ist, d. h. die AUS-Dauer toff
der Ladungspumpe symbolisiert, der ersten Stromquelle 8 über das
Gate des (nicht gezeigten) Schalters der ersten Stromquelle 8 EIN
gemeldet wird, d. h. über
dem Kondensator C3 erscheint abhängig
vom Verhältnis
des Stromes I1 der ersten Stromquelle 8 zum Strom I2 der zweiten
Stromquelle 9 eine andere Spannung. In dieser Anordnung ist die
Spannung über
dem Kondensator C3 und folglich außerdem die Spannung am Gate-Anschluß des N-MOSFET-Schalters
M proportional zum momentanen Verhältnis der EIN-Dauer ton zur
AUS-Dauer toff der Ladungspumpe des Umsetzers.
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Wenn die AUS-Dauer toff der Ladungspumpe
zunimmt, dann fällt
die Gate/Source-Spannung des MOSFET-Schalters M, der der Entkopplung dient,
ab und der EIN-Widerstand von M nimmt zu. Dem Gate-Treiber des MOSFET-Schalters S2a wird dann
eine kleinere Versorgungsspannung geliefert, dies ist der Grund,
aus dem die Gate/Source-Spannung des N-MOSFET-Schalters S2a abfällt, so
daß der
EIN-Widerstand des N-MOSFET-Schalters S2a zunimmt. Dies bedeutet
jedoch, daß im
Vergleich zu vorher weniger Strom durch die Ladungspumpe in der
gleichen Zeit geliefert wird, dies zwingt den Sprungbetriebsart-Komparator
6, wenn eine konstante Last angenommen wird, die AUS-Dauer toff der
Ladungspumpe zu verringern und die EIN-Dauer ton der Ladungspumpe
zu vergrößern, um
die Ausgangspannung Vout auf dem gewünschten Konzeptwert aufrechtzuerhalten.
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Wenn die EIN-Dauer ton der Ladungspumpe zunimmt,
dann nimmt die Gate/Source-Spannung des MOSFET-Schalters M zu, während der
EIN-Widerstand von M abnimmt. Dem Gate-Treiber des MOSFET-Schalters
S2a wird dann eine größere Versorgungsspannung
geliefert, dies ist der Grund, aus dem die Gate/Source-Spannung
des N-MOSFET-Schalters S2a zunimmt, so daß der EIN-Widerstand des N-MOSFET-Schalters S2a
abnimmt. Dies bedeutet jedoch, daß im Vergleich zu vorher in
der gleichen Zeit durch die Ladungspumpe mehr Strom geliefert wird,
dies zwingt den Sprungbetriebsart-Komparators 6, wenn eine konstante
Last angenommen wird, die AUS-Dauer toff der Ladungspumpe zu vergrößern und
die EIN-Dauer ton der Ladungspumpe zu verkleinern.
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In dieser Weise wirkt die Regulierungsschaltung
7 folglich allen Änderungen
in der AUS-Dauer toff oder in der EIN-Dauer ton entgegen, um das
Verhältnis
der EIN-Dauer ton zur AUS-Dauer toff der Ladungspumpe unabhängig von
den Arbeitsbedingungen des Umsetzers (wie z. B. der Temperatur,
der Transistor qualität,
der Eingangsspannung Vcc, der Last) auf einen vorgegebenen Wert
zu stabilisieren, der durch das geeignete Auswählen der Ströme I1 und
I2 der Stromquellen 8 bzw. 9 eingestellt wird. Je höher I1 und
je niedriger I2 gewählt
wird, desto größer ist
das Verhältnis
der EIN-Dauer ton der Ladungspumpe zur AUS-Dauer. In dieser Anordnung
ist das EIN/AUS-Dauer-Verhältnis
ton/toff so eingestellt, daß einerseits
die Ausgangsstromspitzen der Ladungspumpe ausreichend verringert
werden, und daß andererseits
ein angemessener Dynamikbereich der Ladungspumpe sichergestellt
bleibt. Ein typischer Wert für
das Verhältnis
ton/toff würde
z. B. 7/3 betragen, die Stromspitzen werden dann in Übereinstimmung
mit der obigen Formel (1) auf (20/7)* Iload verringert.
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Wenn sehr niedrige Lastströme einbezogen sind,
die dazu führen,
daß der
Sprungbetriebsart-Regler der Ladungspumpe nur ab und zu EIN meldet,
wird die Regulierungsschaltung 7 deaktiviert, so daß auch in
diesem Fall ein kleiner Leerlaufstrom der Ladungspumpe sichergestellt
werden kann. Weil die AUS-Zeit toff der Ladungspumpe in diesem Fall, wie
sie durch die Regulierungsschaltung 7 "gesehen" wird, praktisch
unendlich lang ist, wird die Regulierungsschaltung den EIN-Widerstand
des Schalters S2a so hoch einstellen, daß der Strom nur über den kleinen
MOSFET-Schalter S2b fließen
kann, der nicht geregelt wird und zum MOSFET-Schalter S2a parallel
geschaltet ist, der kleine MOSFET-Schalter S2b wird mittels der
Steuerschaltung 8 durch das gleiche Steuersignal wie der Schalter
S2a gesteuert.
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Dies ist die Situation, wie sie in 4 veranschaulicht ist, die
den Ausgangsstrom Iout der Ladungspumpe für einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
des Standes der Technik (4a) und für einen
Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer gemäß der Erfindung (4b) darstellt, wobei sich der Abschnitt der
Figur auf der linken Seite auf den Fall eines niedrigen Laststromes
bezieht, während
sich der Abschnitt der Figur auf der rechten Seite auf den Fall
eines höheren
Laststromes bezieht. Es wird angemerkt, daß die im Umsetzer gemäß der Erfindung auftretenden
Stromspitzen, wie in 4b gezeigt ist, im
wesentlichen kleiner als die Stromspitzen des herkömmlichen
Umsetzers sind, wie in 4a gezeigt ist.
In dieser Anordnung ist die Zeichnung nicht maßstabsgerecht, es ist aber
lediglich beabsichtigt, das prinzipielle Profil der Ausgangströme der Ladungspumpe
zu veranschaulichen. Auch die Welligkeit der Ausgangspannung im
Umsetzer gemäß der Erfindung
ist, zurückzuführen auf
die verringerte Amplitude der Stromspitzen im Vergleich zu den Umsetzern des
Standes der Technik, im hohen Maße verringert. Aus 4b ist außerdem offensichtlich, daß die Amplitude
der Stromspitzen für
eine niedrige Last durch den Strom IS2b durch den MOSFET-Schalter
S2b vorgeschrieben wird. Wenn die Last am Ausgang des Umsetzers
zunimmt, nimmt nach einer vorgegebenen Einschwingzeit der durch
die Ladungspumpe gelieferte Strom auf einen Strom zu, der sich aus
der Summe der Ströme
durch den geregelten MOSFET-Schalter S2a und den nicht geregelten
MOSFET-Schalter S2b ergibt. In dieser Anordnung ist das EIN/AUS-Dauer-Verhältnis der
Ladungspumpe konstant, wie aus dem konstanten Abstand zwischen den
Impulsen offensichtlich ist. Die Ladephasen und die Endladephasen
der Ladungspumpe sind in 4 nicht
gezeigt – unähnlich zur
Situation in 2 – wodurch die einzelnen Impulse,
wie sie in 4 gezeigt sind,
eine oder mehrere Entlade- und Ladephasen umfassen können.
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Der Fachmann auf dem Gebiet wird
leicht erkennen, daß die
wichtige Tatsache beim Erreichen des Prinzips gemäß der Erfindung
nicht die genaue Konfiguration der Ladungspumpe ist, die eine oder mehrere
Ladungspumpe-Kondensatoren oder irgendeine Anzahl steuerbarer Schalter,
die mit ihnen verbunden sind, enthalten kann. Die Ladungspumpe kann
die Spannung vergrößern, verkleinern
oder invertieren. In der Tat ist außerdem klar, daß die Konfiguration
der Regulierungsschaltung 7, wie sie gezeigt ist, lediglich ein
Beispiel ist, weil jede Schaltung für diesen Zweck geeignet ist,
die das Steuersignal des Komparators in ein Signal umsetzt, das
das EIN/AUS-Dauer-Verhältnis
der Ladungspumpe charakterisiert, mit dem sie den EIN-Widerstand
von wenigstens einem der Schalter steuert, so daß das EIN/AUS-Dauer-Verhältnis der
Ladungspumpe auf einen vorgegebenen Konzeptwert eingestellt werden kann.