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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, der eine Ladungspumpenschaltung
enthält,
und auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers.
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Zusätzlich zur Versorgungsspannung
erfordern viele elektronische Schaltungen weitere Spannungen, deren
Pegel manchmal höher
als jener der Versorgungsspannung ist. Eine kostengünstige,
einfache und – vor
allem im Vergleich zu Spulenumsetzern – hochkompakte Lösung zur
Lieferung dieser weiteren Spannungen sind Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer,
die nach dem Ladungspumpenprinzip arbeiten. Solche Umsetzer sind
z. B. im Lehrbuch "The
Art of Electronics" von
Paul Horowitz, 2. Ausgabe, Cambridge University Press, New York
1991, S. 377 bis 379 beschrieben.
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Horowitz beschreibt auch einen einfachen, nach
dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer,
mit dem eine Ausgangsspannung erzielbar ist, die etwa der zweifachen
Eingangsspannung entspricht. Die Grundschaltung des Umsetzers besteht
im wesentlichen aus einem Ladungspumpenkondensator und vier steuerbaren
Schaltern (z. B. MOSFETs), wobei eine Elektrode des Ladungspumpenkondensators über einen
ersten Schalter an den Eingangsspannungsanschluß des Umsetzers und über einen
zweiten Schalter an GND schaltbar ist, während die andere Elektrode
des Kondensators über
den dritten Schalter an den Eingangsspannungsanschluß und über den
vierten Schalter an den Ausgangsspannungsanschluß des Umsetzers schaltbar ist.
Der Umsetzer umfaßt ferner
eine Steuerschaltung, die einen Taktgeber enthält, der die Schalter so taktet,
daß in
einer ersten Phase eines Taktzyklus, der sogenannten Ladephase,
der zweite Schalter und der dritte Schalter geschlossen sind, während die
anderen Schalter geöffnet
sind, damit der Ladungspumpenkondensator auf die Eingangsspannung
aufgeladen wird, und in der zweiten Phase eines Taktzyklus, der
sogenannten Entladephase, der erste Schalter und der vierte Schalter
geschlossen sind, während
die anderen Schalter geöffnet
sind, damit der Ladungspumpenkonden sator dann mit der Eingangsspannung
in Reihe geschaltet wird und einen Spannungswert an den Abgleich-
und Speicherkondensator, der sich am Ausgang der Schaltung befindet,
ausgibt.
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Dementsprechend sind Ladungspumpen vorstellbar,
die ein optimales Vielfaches der Eingangsspannung erzeugen, die
die Eingangsspannung invertieren oder die die Eingangsspannung reduzieren.
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Jedoch fällt die Ausgangsspannung in
dem nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
selbst bei kleinen Ladeströmen
leider ab. Da die Ausgangsspannung, die in digitalen elektronischen
Schaltungen häufig
3,3 oder 5 V beträgt,
in den meisten Anwendungen fest definiert ist, wobei nur eine Schwankung in
einem engen Bereich zugelassen ist, sind geregelte Umsetzer entwickelt
worden, die die Ausgangsspannung auf einen festen Soll-Spannungswert
festlegen.
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Diese Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer-Regler
umfassen in der Regel einen Komparator, der die Ist-Ausgangsspannung
oder eine zur Ist-Ausgangsspannung proportionale Spannung (die z.
B. an einem Spannungsteiler von der Ausgangsspannung abgeleitet
werden kann) mit einer definierten Referenzspannung, die die Nenn-Ausgangsspannung
repräsentiert,
vergleicht und dann, wenn eine Abweichung erfaßt wird, ein Steuersignal ausgibt, durch
das die Ist-Ausgangsspannung an den definierten Nenn-Ausgangsspannungswert
angepaßt wird.
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Im US-Patent 5.680.300 sind zwei
Typen von Reglern, die zusammen mit Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzern,
die nach dem Ladungspumpenprinzip arbeiten, verwendet werden, die
sogenannten linearen Regler und die sogenannten Skip-Modus-Regler,
beschrieben.
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Beim linearen Regler verändert das
Steuersignal des Komparators, z. B. über ein Gate eines der MOSFET-Schalter,
den Widerstand des durchgeschalteten MOSFET, so daß der Spannungsabfall
am Schalter erhöht
oder gesenkt wird, was zu einer Abnahme oder Zunahme der Ist-Ausgangsspannung des
Umsetzers führt.
Der lineare Regler besitzt jedoch den Nachteil, daß die aus
dem Umschalten der Schalter der Ladungspumpe resultierenden Spannungsverluste
relativ hoch sind, da die Ladungspumpe im Fall des linearen Reglers
immer in Betrieb ist. Diese Energieverluste resultieren aus den
Strömen, die
zum Laden der Gates der MOS-Leistungstransistoren
mit einer konstanten Frequenz erforderlich sind, selbst dann, wenn
kein Strom am Ausgang des Umsetzers fließt.
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Dieser Nachteil tritt beim Skip-Modus-Regler,
der das Steuersignal des Komparators verwendet, um die Ladungspumpe
in Abhängigkeit
vom Ausgangsstromanforderung und der resultierenden Ist-Ausgangsspannung
des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers zyklisch ein-/auszuschalten,
damit nur dann Ladung an den am Ausgang der Schaltung angeordneten
Abgleich- und Speicherkondensator gepumpt wird, wenn die Spannung
am Kondensator unter den Nenn-Ausgangsspannungspegel
gefallen ist, nicht auf. Der Skip-Modus-Regler arbeitet somit besonders
energiesparend und ist für
Anwendungen, bei denen sich kleine Ladeströme mit großen Ladeströmen abwechseln, besonders geeignet,
d. h., daß er
einen unbedeutenden Ruhestrom des Umsetzers gewährleistet. Der Nachteil des
Skip-Modus-Regler ist jedoch, daß die Ein-/Ausschaltzeiten
der Ladungspumpe von dem mittleren Ausgangsstrom abhängen, der
in jedem Fall von dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer zu liefern
ist, d. h., daß das
Frequenzspektrum, das sich am Ausgang des Umsetzers ergibt, völlig undefiniert
ist. Außerdem
ist der Brumm der Ausgangsspannung relativ stark, da der Ausgangsstrom
beim Skip-Modus-Regler
nicht kontinuierlich fließt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht somit darin, einen nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden
Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer bereitzustellen, der den Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzern,
die bisher entweder nach dem Skip-Modus-Regler-Prinzip oder nach
dem Prinzip des linearen Reglers geregelt worden sind, überlegen
ist und den obenbeschriebenen Nachteil wenigstens teilweise beseitigt.
Außerdem
besteht die Erfindung darin, ein entsprechende Verfahren zum Betreiben
eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers bereitzustellen, das besser
als das bisherige Verfahren ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
erfüllt,
der eine Ladungspumpenschaltung enthält, die umfaßt:
einen
oder mehrere Ladungspumpen-Kondensatoren und mehrere damit verbundene
steuerbare Schalter, wobei die steuerbaren Schalter durch eine Steuerschaltung
steuerbar sind, derart, daß der
(die) Ladungspumpenkondensator(en) abwechselnd in eine Lade- und
eine Entladephase geschaltet wird (werden), so daß am Ausgang
des Umsetzers eine Ausgangsspannung, die von einer Eingangsspannung
des Umsetzers abweicht, erzeugt wird;
eine erste Stromquelle,
die auf einen vorgegebenen Basisstrom eingestellt ist und entweder
in dem Entladepfad der Ladungspumpenschaltung, über den der Entladephasen-Strom
dem Ausgang des Umsetzers zugeführt
wird, oder in dem Ladepfad der Ladungspumpenschaltung, über den
der (die) Ladungspumpen-Kondensator(en)
in der Ladephase der Ladungspumpenschaltung geladen wird (werden),
angeordnet ist; und
eine zweite Stromquelle, die zu der ersten
Stromquelle parallelgeschaltet ist, wobei der Strom der zweiten
Stromquelle steuerbar ist; und
eine Ausgangsspannung-Regulierungsschaltung,
die
ein erstes Steuersignal erzeugt, das die Differenz zwischen einer
Spannung, die die Ausgangsspannung kennzeichnet, und einer ersten
Referenzspannung repräsentiert
und die zweite Stromquelle steuert, wenn die Ladungspumpenschaltung
aktiv ist, so daß der
steuerbare Strom bei einer Zunahme bzw. einer Abnahme der Differenz
verringert bzw. erhöht wird,
um der die Ausgangsspannung kennzeichnenden Spannung in Übereinstimmung
mit der ersten Referenzspannung zu folgen; und
die ein zweites
Steuersignal erzeugt, das der Steuerschaltung zugeführt wird,
wobei dieses Signal einen ersten Zustand annimmt, wenn die die Ausgangsspannung
kennzeichnende Spannung eine zweite Referenzspannung, die auf einen
vorgegebenen Pegel über
der ersten Referenzspannung liegt, übersteigt, woraufhin die Steuerschaltung
die Ladungspumpenschaltung deaktiviert, und einen zweiten Zustand
annimmt, wenn die die Ausgangsspannung kennzeichnende Spannung unter
die zweite Referenzspannung abfällt,
woraufhin die Steuerschaltung die Ladungspumpenschaltung aktiviert.
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Außerdem wird diese Aufgabe erfüllt durch ein
Verfahren zum Betreiben eines Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers,
der eine Ladungspumpenschaltung enthält, die einen oder mehrere Ladungspumpen-Kondensatoren
und mehrere damit verbundene steuerbare Schalter umfaßt, das
die folgenden Schritte umfaßt:
zyklisches
Ansteuern des Ladungspumpenkondensators (der Ladungspumpenkondensatoren)
durch die steuerbaren Schalter in einer Lade- und Entladephase während des
Betriebs der Ladungspumpenschaltung, so daß am Ausgang des Umsetzers
eine Ausgangsspannung, die von einer Eingangsspannung des Umsetzers
abweicht, erzeugt wird;
Einstellen eines steuerbaren Stroms,
der parallel zu einem vorgegebenen Basisstrom fließt, wenn
die Ladungspumpenschaltung in dem Entlade- oder Ladepfad der Ladungspumpenschaltung
aktiv ist, in Abhängigkeit
von der Differenz zwischen einer die Ausgangsspannung kennzeichnenden
Spannung und einer ersten Referenzspannung, so daß der steuerbare Strom
bei einer Zunahme bzw. Abnahme der Differenz verringert bzw. erhöht wird,
um der die Ausgangsspannung kennzeichnenden Spannung in Übereinstimmung
mit der ersten Referenzspannung zu folgen; und
Deaktivieren
der Ladungspumpenschaltung, wenn die die Ausgangsspannung kennzeichnende
Spannung eine zweite Referenzspannung auf einem vorgegebenen Pegel über der
ersten Referenzspannung übersteigt
und
Aktivieren der Ladungspumpenschaltung, wenn die die Ausgangsspannung
kennzeichnende Spannung unter die zweite Referenzspannung auf einem
vorgegebenen Pegel über
der ersten Referenzspannung abfällt.
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Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer
gemäß der Erfindung
nutzt die von den zwei unterschiedlich geregelten Umsetzern gebotenen
Vorteile geschickt aus, indem er im Skip-Modus geregelt wird, wenn
der Umsetzer-Ausgangsstrom niedrig ist, und linear geregelt wird,
wenn der Umsetzer-Ausgangsstrom höher ist, wobei das Auswählen des
einen oder des anderes Regelungsmodus automatisch geschieht und
einfach durchführbar
ist. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer gemäß der Erfindung bietet sowohl
einen hohen Wirkungsgrad bei niedrigen Ausgangsströmen als
auch ein definiertes Ausgangsfrequenzspektrum bei hohen Ausgangsströmen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nun verdeutlicht
anhand von exemplarischen Ausführungsformen,
wie sie in der Zeichnung gezeigt sind, worin:
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1 ein
Stromlaufplan einer ersten Ausführungsform
des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers gemäß der Erfindung ist;
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2 ein
Stromlaufplan einer zweiten Ausführungsform
des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers gemäß der Erfindung ist.
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In 1 ist
nun ein Stromlaufplan einer ersten Ausführungsform des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
gemäß der Erfindung
gezeigt, deren Konfiguration zuerst beschrieben wird.
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Der in 1 gezeigte
Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer gemäß der Erfindung umfaßt im wesentlichen
eine Ladungspumpenschaltung und eine Regulierungsschaltung, die
die Ausgangsspannung des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers auf einen Nennwert regelt.
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Die Ladungspumpenschaltung umfaßt einen Ladungspumpenkondensator
Cpump und vier steuerbare Schalter S1, S2, S3, S4, die vorzugsweise
auf MOSFETs bestehen, wie in 1 gezeigt
ist. Die eine Elektrode des Ladungspumpenkondensators Cpump ist über einen
ersten steuerbaren Schalter S1 mit dem Ein gang 1 des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
und über
den zweiten steuerbaren Schalter S2 mit GND verbindbar, während die
andere Elektrode des Ladungspumpenkondensators Cpump über den
dritten steuerbaren Schalter S3 mit dem Eingang 1 des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers und über den
vierten steuerbaren Schalter mit dem Ausgang 2 des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers verbindbar
ist.
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Die Ladungspumpenschaltung umfaßt weiterhin
eine erste Stromquelle 3, die sich zwischen dem Eingang 1 des
Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers und dem ersten steuerbaren Schalter
S1 befindet und einen vorgegebenen und konstanten Basisstrom Ib
liefert, und eine zweite Stromquelle 4, die zur ersten
Stromquelle 3 parallelgeschaltet ist und einen zusätzlichen
Strom Ir liefert, dessen Amperezahl steuerbar ist. Am Ausgang 2 des
Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers befindet sich, wie es bei Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzern üblich ist,
ein Speicherkondensator Cout.
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Die Ausgangsspannung-Regulierungsschaltung
umfaßt
einen Operationsverstärker 5,
der an seinem nichtinvertierenden Eingang eine Referenzspannung
Vref empfängt,
die z. B. von einer (nicht im Detail gezeigten) Referenzspannung-Generatorschaltung
stammen kann. Der Operationsverstärker empfängt an seinem invertierenden
Eingang eine Spannung, die zur Ausgangsspannung Vout des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
proportional ist, wobei diese proportionale Spannung am Widerstand R2
des Spannungsteilers mit den zwei Widerständen R1 und R2, mit dem die
Ausgangsspannung Vout des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers verbunden
ist, abgegriffen wird. Der Operationsverstärker 5 ist ein sogenannter
Transduktanzverstärker
(VC-OPV) und liefert an seinem Ausgang einen Strom Ic, der von der
Differenz zwischen den an seine Eingänge angelegten Spannungen abhängt. Dieser
Strom führt
zu einer Spannung Vk, die am Ausgangs-RC-Kompensationsglied mit
dem Widerstand Rk und dem Kondensator Ck erzeugt wird, wobei die
Spannung Vk zur Differenz zwischen der die Ausgangsspannung kennzeichnenden
Spannung (R2/(R1 + R2)) Vout und der Referenz spannung proportional
ist. Diese Spannung Vk wird, wie weiter unten erläutert wird, verwendet,
um den Strom der steuerbaren Stromquelle 4 zu steuern.
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Die Ausgangsspannung-Regulierungsschaltung
umfaßt
weiterhin einen Komparator 6, der an seinem invertierenden
Eingang die zur Ausgangsspannung Vout proportionale Spannung (R2/(R1
+ R2)) Vout und an seinem nichtinvertierenden Eingang eine zweite
Referenzspannung Voff, die der ersten Referenzspannung zuzüglich einer
von der Spannungsquelle 7 erzeugten kleinen Offsetspannung ΔVoff entspricht: Voff = Vref + ΔVoff (1)
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Der Komparator 6 gibt ein
Steuersignal an die Steuerschaltung 8 aus, das einen von
zwei möglichen
Ausgangszustand besitzt; einen ersten Ausgangszustand, wenn die
die Ausgangsspannung kennzeichnende Spannung kleiner als die Referenzspannung
Voff ist, und einen zweiten Ausgangszustand, wenn die die Ausgangsspannung
kennzeichnende Spannung größer als
die zweite Referenzspannung Voff ist.
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Die Steuerschaltung 8, die
dazu dient, die steuerbaren Schalter S1, S2, S3 und S4 der Ladungspumpenschaltung
zu steuern, umfaßt
als zentrales Element in herkömmlicher
Weise einen Taktgeber, von dem die Signale "CLK" und
NCLK" hergeleitet
werden, die an die Gates der steuerbaren Schalter S1, S3 oder S1,
S4 angelegt werden. Bei dieser Anordnung ist die Phase des "CLK"-Signals zu jener des "NCLK"-Signals entgegengesetzt.
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Nun wird die Arbeitsweise des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers,
wie er in 1 gezeigt
ist, näher
beschrieben:
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Die Ladungspumpenschaltung mit dem
Ladungspumpenkondensator Cpump und vier steuerbaren Schaltern S1,
S2, S3, S4 arbeitet mit der Steuerschaltung 8 in herkömmlicher
Weise zusammen, d. h., daß die
MOSFETs S2, S3 und die MOSFETs S1, S4 durch die Taktsignale "CLK" und "NCLK" zyklisch durchgeschaltet
werden, so daß die
jeweils anderen MOSFETs gesperrt sind. Somit wird der La dungspumpenkondensator
Cpump auf die Eingangsspannung Vin aufgeladen, wenn die MOSFETs
S2, S3 durchschalten und die MOSFETs S1, S4 sperren (Ladephase),
während
der Ausgangskondensator Cout durch die Ausgangsspannungsquelle,
die die Spannung Vin liefert, und durch den Ladungspumpenkondensator
Cpump aufgeladen wird, wenn die MOSFETs S1, S4 durchschalten und
die MOSFETs S2, S3 sperren (Entladephase). Am Ausgangskondensator Cout
ist maximal die zweifache Eingangsspannung Vin erreichbar. Die Ladephase
und die Entladephase wiederholen sich, von der Steuerschaltung 8 gesteuert,
zyklisch.
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Der in der Entladephase fließende Strom, der
den Ausgangsstrom des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers repräsentiert,
ist durch die Summe der Ströme
aus der ersten Stromquelle 3 und der steuerbaren zweiten
Stromquelle 4 festgelegt. Bei dieser Anordnung ist der
mittlere Ausgangsstrom Iout durch die folgende Gleichung gegeben: Iout = (Ir + Ib)/2, (2)wobei Ib
der von der ersten Stromquelle 3 gelieferte konstante Basisstrom
ist und Ir der von der zweiten Stromquelle 4 gelieferte
steuerbare Strom ist. Der Faktor 1/2 rührt daher, daß die Ladungspumpenschaltung
nur während
der Entladephase einen Strom liefert (wobei angenommen wird, daß die Ladephase
und die Entladephase gleich lang sind). Solange die Ausgangsspannung
Vout kleiner als die zweite Referenzspannung Voff ist, wird die
Regelung der Ausgangsspannung Vout von dem Operationsverstärker 5 in
Verbindung mit dem RC-Kompensationsglied Rk, Ck und der steuerbaren
zweiten Stromquelle 4 vorgenommen. Wenn z. B. am Ausgang
des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers eine Laständerung eintritt und somit
der am Ausgang des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers fließende Strom,
der als Mittelwert gebraucht wird, abfällt, steigt die Ausgangsspannung
Vout an, bis die die Ausgangsspannung kennzeichnende Spannung (R2/(R1
+ R2)) Vout zu einem bestimmten Zeitpunkt den Wert der ersten Referenzspannung
Vref übersteigt.
Diesem Ansteigen wirkt der "lineare
Regelmechanismus",
der den Operationsverstärker 5,
das RC-Glied Rk, Ck und die steuerbare zweite Stromquelle 4 umfaßt, entgegen,
was durch die Differenz zwischen der Referenzspannung Vref und der
die Ausgangsspannung kennzeichnenden Spannung an den Eingängen des Operationsverstärkers 5 bedingt
ist, der an seinem Ausgang einen dieser Differenz entsprechenden Strom
Ic erzeugt, der am RC-Glied
eine entsprechende Spannung Vk hervorruft, wobei die spannungsgesteuerte
Stromquelle Ir dann so gesteuert wird, daß der Strom Ir verringert wird.
Als Ergebnis davon empfängt
der Ausgangskondensator Cout weniger Strom in der Entladephase des
Ladungspumpenzyklus, was dazu führt,
daß die
Ausgangsspannung Vout schließlich
wieder den gewünschten
Nennspannungswert Vref (R1 + R2)/R2 erreicht. Die lineare Regelung
läuft dementsprechend
umgekehrt ab, wenn der als Mittelwert gebrauchte Strom am Ausgang 2 des
Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers zunimmt, wobei die steuerbare
Stromquelle Ir dann so gesteuert wird, daß der Strom Ir ansteigt.
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Sobald der am Ausgang des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
fließende
Strom an einem Zeitmittelwert den Wert Ib/2 erreicht, schaltet der
obenbeschriebene "lineare
Regelmechanismus" die
zweite Stromquelle 4 vollständig ab, so daß überhaupt
kein Strom mehr fließt,
d. h., bei einem weiteren Abfall des mittleren Ausgangsstroms keine
weitere Regelung der Ausgangsspannung Vout durch den Operationsverstärker 5 und
das RC-Glied Rk, Ck mehr möglich
ist.
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Wenn der mittlere Ausgangsstrom des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
unter den Wert Ib/2 abfällt,
wird von der Ladungspumpenschaltung mehr Ladung pro Zeiteinheit,
als in diesem Fall erforderlich ist, an den Ausgang 2 des
Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers geliefert, was zu einer Zunahme
der Ausgangsspannung Vout des Umsetzers führt. Sobald die Ausgangsspannung
Vout den Wert der zweiten Referenzspannung Voff überschreitet, nimmt der Komparator 6 – der nun
nach dem Skip-Modus-Prinzip arbeitet – eine Regelung der Ausgangsspannung
Vout des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers durch ein Steuersignal
mit dem ersten Zustand (z. B. Hochpegel) vor, das an die Steuerschaltung 8 ausgeben
wird, um diese anzuweisen, die Ladungspumpenschaltung zu deaktivieren
(wobei das von dem Komparator 6 ausgegebene Steuersignal
dann den obenerwähnten
zweiten Zustand (z. B. Tiefpegel), der sich vom ersten Zustand unter scheidet,
annimmt, wenn die Ausgangsspannung Vout kleiner als die zweite Referenzspannung
Voff ist). Die Steuerschaltung 8 deaktiviert dann die Ladungspumpenschaltung
(z. B. durch Deaktivieren des Taktgebers), was dazu führt, daß der Ausgangskondensator
Cout für
eine bestimmte Zeit keine Ladung mehr empfängt und die Ausgangsspannung Vout
am Ausgangskondensator Cout abnimmt, bis sie zu einem bestimmten
Zeitpunkt unter den Wert der zweiten Referenzspannung Voff abfällt. Der
Komparator 6 gibt dann das zweite Steuersignal 12 an
die Steuerschaltung 8 aus und aktiviert im Ergebnis die Ladungspumpenschaltung 8,
indem wieder begonnen wird, die MOSFETs S1, S4 und S2, S3 in der obenbeschriebenen
Weise zyklisch durchzuschalten bzw. zu sperren.
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Im Vergleich zu Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzern,
die wie bisher gemäß dem Ladungspumpenprinzip
arbeiten, besitzt der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer gemäß der Erfindung mehrere Vorteile.
Wenn die Ausgangsströme
des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers, mit denen er im linearen
Regelungsmodus arbeitet, im Mittel größer sind, liefert er ein definiertes
Frequenzspektrum, das durch die bekannte Schaltfrequenz des Steuerschaltungstaktgebers
bedingt ist. Wenn die Ausgangsströme des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers,
mit denen er im Skip-Modus arbeitet, im Mittel kleiner sind, besitzt
er einen hohen Wirkungsgrad, da die Ladungspumpenschaltung nur dann
aktiviert wird, wenn Energie am Ausgang wirklich erforderlich ist. Im
Vergleich zu existierenden Lösungen
ist der Brumm der Ausgangsspannung im Skip-Modus stark verringert.
In dieser Anordnung wird der Brumm der Ausgangsspannung im Skip-Modus
dadurch begrenzt, daß die
Ausgangsstromspitzen durch den vorgegebenen konstanten Basisstrom
Ib begrenzt sind. Der während
der Skip-Modus-Regelung gelieferte Basisstrom ist genau definiert,
wodurch sichergestellt ist, daß die
Wahl zwischen den beiden Regelungsmodi stets beim selben Ausgangsstrom
getroffen wird. Überdies
wird der maximale Ausgangsstrom der Ladungspumpenschaltung durch
die Anordnung der zwei Stromquellen auf einen Wert von (Ib + Irmax)/2
begrenzt.
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In 2 ist
nun ein Stromlaufplan einer zweiten Ausführungsform des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers
gemäß der Erfindung
gezeigt. Die Ausführungsform
unterscheidet sich, wie aus 2 hervorgeht,
von jener, die in 1 gezeigt
ist, lediglich darin, daß in
diesem Fall die zweite Ladungspumpenschaltung (Cpump2, S5, S6, S7,
S8, erste Stromquelle 10 (Ib2), wobei Ib1 = Ib2, steuerbare zweite
Stromquelle 11 (Ir2), die in ähnlicher Weise vom Operationsverstärker 5 in
Verbindung mit dem RC-Glied Rk, Ck gesteuert wird) vorgesehen ist,
die wie die erste Ladungspumpenschaltung (Cpump1, S1, S2, S3, S4,
erste Stromquelle 3 (Ib1), steuerbare zweite Stromquelle 4 (Ir1))
konfiguriert und verschaltet ist. Die zweite Ladungspumpenschaltung,
die den Ladungspumpenkondensator Cpump2 und die vier Schalter S5,
S6, S7, S8 umfaßt,
ist zur ersten Ladungspumpenschaltung parallelgeschaltet, wobei
sie durch die Steuerschaltung 8 gegenphasig zur ersten Ladungspumpenschaltung
gesteuert wird, so daß dann,
wenn die erste Ladungspumpenschaltung (Cpump1, S1–S4) in
der Entladephase ist (S1, S4 geschlossen; S2, S3 geöffnet),
die zweite Ladungspumpenschaltung (Cpump2, S5–S8) in der Ladephase ist (S6,
S7 geschlossen; S5, S8 geöffnet)
und umgekehrt. Dies führt
zu einem kontinuierlichen Fließen von
Strom zum Ausgang 2 des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers,
wenn die Ladungspumpenschaltungen aktiv sind, wodurch der Brumm
der Ausgangsspannung Vout im Vergleich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform verringert wird.
Die Gegenphasigkeitssteuerung geht in 2 aus
der unterschiedlichen Verteilung der beiden Schaltsignale "CLK" und "NCLK" an den Gates der
MOSFETs der beiden Ladungspumpenschaltungen hervor.
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Die verschiedenen Ausführungsformen
des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers gemäß der Erfindung sind vorzugsweise
in Form von integrierten Schaltungen hergestellt.
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Weiterhin kann die Schaltung auch
so vereinfacht werden, daß die
MOSFETs als erste und als zweite Stromquelle (3, 4 bzw. 10, 11)
verwendet werden können,
da sie als steuerbare Schalter der Ladungspumpenschaltung in dem
Entladepfad, über den
in der Entladephase der Ladungspumpenschaltung Strom zum Ausgang
des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers fließt, bereits vorgesehen sind.
So können
die MOSFETS S1, S4, S5 oder S8 in der in 2 gezeigten Ausführungsform als Stromquellen verwendet
werden, was dann, wenn die Schaltung als integrierte Schaltung gefertigt
ist, zu einer Verkleinerung des erforderlichen Chipflächenbereichs
führt.
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Der Fachmann erkennt leicht, daß die als
exemplarische Ausführungsformen
gewählten
Schaltungen in verschiedener Weise modifiziert werden können, ohne
von dem durch die angehängten
Ansprüche
verliehenen Schutzumfang zu abzuweichen. So können beispielsweise die zwei
Stromquellen in der Ladungspumpenschaltung an einer anderen Stelle
angeordnet sein, als dies in den Ausführungsformen gezeigt ist, z.
B. im Ladepfad der Ladungspumpenschaltung, über den der (die) Ladungspumpenkondensator(en)
in der Ladephase der Ladungspumpenschaltung geladen wird (werden).
Selbst eine Änderung
der konkreten Konfiguration der Ladungspumpenschaltung auf verschiedene
Weise – wobei die
Schaltung natürlich
mehrere Ladungspumpenkondensatoren und mehr oder weniger steuerbare Schalter
umfassen kann, als dies bei den gewählten Ausführungsformen der Fall ist – liegt
dementsprechend noch immer Umfang der Erfindung, wobei dasselbe
gilt, wenn Ladungspumpenschaltungen verwendet werden, die die Eingangsspannung
des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers erhöhen, invertieren oder herabsetzen.