DE60107767T2

DE60107767T2 - Gleichstrom/Gleichstrom Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE60107767T2
Application number: DE60107767T
Authority: DE
Inventors: Erich Bayer; Hans Schmeller
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP2002051537A; US20020017898A1; CN1334637A; DE10030795B4; DE10030795A1; EP1168587B1; EP1168587A2; US6534963B2; DE60107767D1; EP1168587A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandlerschaltung mit einer Spannungswandelungsschaltung, die im aktiven Betrieb die Eingangsspannung der Gleichspannungswandlerschaltung in eine Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlerschaltung wandeln kann, die sich von der Eingangsspannung unterscheidet, und einer zur Regelung der Ausgangsspannung auf einen vorherbestimmten Sollwert vorgesehenen Regelungsschaltung, die eine Referenzspannungserzeugungsschaltung und einen Komparator umfaßt, an dessen erstem Eingang eine die Ausgangsspannung charakterisierende Spannung und an dessen zweitem Eingang die von der Referenzspannungserzeugungsschaltung erzeugte Referenzspannung liegt und der ein Steuersignal zur Aktivierung bzw. Deaktivierung der Spannungswandelungsschaltung in Abhängigkeit davon abgibt, ob die Ausgangsspannung den Sollwert unter- bzw. überschreitet.
Eine solche Gleichspannungswandlerschaltung ist aus dem Stand der Technik bekannt und z.B. aus der Beschreibungseinleitung des US-Patents 5 680 300 ersichtlich ("Regulated charge pump DC/DC converter"). Die Spannungswandelungsschaltung der beschriebenen Gleichspannungswandlerschaltung umfaßt eine Ladungspumpschaltung.
Ein Nachteil der eingangs erwähnten Schaltung besteht darin, daß dann, wenn der Strombedarf am Ausgang der Schaltung relativ klein oder null ist, z.B. im sogenannten Standby-Betrieb, ein relativ großer Stromverbrauch entsteht. Das liegt daran, daß die Regelungsschaltung selbst, d.h. die Referenzspannungserzeugungsschaltung und der Komparator, weiterhin Strom verbrauchen. Wird eine Bandabstands-Referenz als Referenzspannungserzeugungsschaltung verwendet, so kann ferner ein Spannungsteiler vorgesehen sein, der von der Ausgangsspannung eine Spannung abteilt, die an die Referenzspannung angepaßt ist und als die die Ausgangsspannung charakterisierende Spannung an den ersten Eingang des Komparators angelegt wird. Auch der Spannungsteiler verbraucht während des Ruhezustands der Gleichspannungswandlerschaltung Strom.
Um den Stromverbrauch derartiger Schaltungen während des Ruhezustands, d.h. bei nicht vorhandenem oder sehr geringem Stromverbrauch am Ausgang der Schaltung, zu vermindern, ist von der Fa. Linear Technology bei dem von ihr entwickelten Gleichspannungswandler LTC1516 eine Gleichspannungswandlerschaltung vorgeschlagen worden, bei der über ein von außen der Schaltung zugeführtes Signal zwischen einem Ruhestrombetrieb und einem Normalbetrieb umgeschaltet wird. Diese Schaltung wurde auf der z.B. am 10. Juni 2000 verfügbaren Homepage der Fa. Linear Technology unter der Adresse "www.linear-tech.com" beschrieben. Das Signal zur Umschaltung zwischen Ruhestrombetrieb und Normalbetrieb wird der Gleichspannungswandlerschaltung von einem Mikroprozessor geliefert. Dabei wird einem Einschaltpin der Schaltung während des Ruhestrombetriebs ein Signal mit einem hohen Tastgrad (z.B. 95 bis 98%) zugeführt, das an einen vorher festgelegten maximalen Ruhestrom von z.B. 100 μA angepaßt wurde, indem die bei diesem Ruhestrom maximal zulässige Ausschaltzeit und die minimale Einschaltzeit bei der Bestimmung des Tastgrads in Beziehung gesetzt wurden. Beträgt die Einschaltzeit z.B. 0,2 ms und die maximal zulässige Ausschaltzeit 10 ms, so verbraucht die Schaltung im Vergleich zum Normalbetrieb während des Ruhestrombetriebs nur während 2% der Betriebszeit Strom.
Ein Nachteil der beschriebenen Schaltung besteht darin, daß sie die Umschaltung zwischen Normalbetrieb und Ruhestrombetrieb nicht selbständig vornehmen kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß während des Ruhestrombetriebs das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltzeit starr festgelegt ist und nicht an den wirklich am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung gerade benötigten Strombedarf angepaßt ist, was zu einem relativ hohen Ruhestromverbrauch der Gleichspannungswandlerschaltung führt.
Bezugnehmend auf 1 ist in Form eines Blockschaltbilds eine im Stand der Technik bekannte Gleichspannungswandlerschaltung gezeigt, wobei die übli cherweise in Form einer integrierten Schaltung zusammengefaßten Bausteine 1, 2, 3, 4 und 5 in einem Rechteck zusammengefaßt sind.
Die bekannte Gleichspannungswandlerschaltung umfaßt eine Spannungswandelungsschaltung, die in diesem Fall aus einer Ladungspumpschaltung besteht. Die Ladungspumpschaltung besteht aus einem Ladungspumpkondensator Cpump, einer Ausgangsstufe 1, die die steuerbaren Schalter der Ladungspumpe umfaßt und mit der Eingangsspannung Vcc der Schaltung verbunden ist, und einer Steuerschaltung 2 mit Oszillator und Treiber zum Ansteuern der steuerbaren Schalter, die z.B. aus MOS-FETs bestehen können. Die Steuerschaltung 2 wird von der Eingangsspannungsquelle Vcc mit Strom versorgt. Im aktiven Betrieb steuert die Steuerschaltung 2 die Schalter der Ladungspumpschaltung periodisch so, daß der Ladungspumpkondensator zunächst in einer ersten Phase so geschaltet wird, daß er auf die Eingangsspannung Vcc der Gleichspannungswandlerschaltung aufgeladen wird, und dann in einer zweiten Phase so geschaltet wird, daß er in Reihe zur Eingangsspannung Vcc liegt, so daß am Ausgang der Schaltung eine Spannung entsteht, die größer als die Eingangsspannung Vcc ist und im Maximum in etwa dem Doppelten der Eingangsspannung Vcc entsprechen kann. Derartige Ladungspumpschaltungen, die eine Eingangsspannung in eine größere, kleinere oder invertierte Spannung am Ausgang wandeln können, sind im Stand der Technik bekannt und z.B. in dem Lehrbuch "The an of electronics" von Paul Horowitz und Winfried Hill, 2. Aufl., Cambridge University Press, 1989, S. 377 ff. beschrieben.
Die bekannte Gleichspannungswandlerschaltung umfaßt ferner am Ausgang einen Speicherkondensator Caus, auf dem die Ausgangsspannung Vaus der Schaltung gespeichert wird. Parallel zu diesem ist in der 1 ein Widerstand R1 eingezeichnet, der die am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung anliegende Last symbolisiert.
Die bekannte Gleichspannungswandlerschaltung weist darüber hinaus eine Regelungsschaltung auf, die aus einem Komparator 3, einer Bandabstands-Referenzspannungserzeugungsschaltung 4 und einem Spannungsteiler 5 besteht.
Der Komparator 3 empfängt dabei an seinem ersten Eingang 6 einen vom Spannungsteiler abgeteilten Teil der Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung, der an die von der Bandabstands-Referenzspannungserzeugungsschaltung erzeugte Referenzspannung Vref angepaßt ist, die an dem zweiten Eingang 7 des Komparators liegt.
Der Komparator, dessen Ausgang mit der Steuerschaltung 2 verbunden ist, regelt die Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlerschaltung nach dem Skip-Mode-Prinzip (Übersprungsmodus) auf einen vorherbestimmten Sollwert, indem er ein Steuersignal zur Aktivierung und ein Steuersignal zur Deaktivierung der Spannungswandelungsschaltung (1, 2, Cpump) in Abhängigkeit davon abgibt, ob die Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung den Sollwert über- bzw. unterschreitet. Dadurch ist die Ladungspumpschaltung nur dann in Betrieb, wenn die Ausgangsspannung Vaus den vorherbestimmten Sollwert unterschritten hat.
Wie oben bereits erläutert, hat die in der 1 dargestellte Schaltung den Nachteil, daß sie relativ viel Strom verbraucht, da die Regelungsschaltung auch dann in Betrieb ist, wenn sich die Schaltung im Ruhezustand befindet. Dabei ist in der eigentlichen Praxis der Komparator der größte Stromverbraucher (z.B. Icc = 20 μA), gefolgt von der Referenzspannungserzeugungsschaltung (z.B. Icc = 10 μA) und dem Spannungsteiler (z.B. Icc = 6 μA).
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Gleichspannungswandlerschaltung zu schaffen, die die erwähnten Nachteile überwindet und im Vergleich zu derartigen Schaltungen aus dem Stand der Technik einen geringeren Ruhestromverbrauch aufweist.
Dieser Gesichtspunkt wird durch eine eingangs erwähnte Gleichspannungswandlerschaltung erreicht, bei der die Gleichspannungswandlerschaltung darüber hinaus eine Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung umfaßt, die einen Komparator, an dessen erstem Eingang eine weitere die Ausgangsspan nung charakterisierende Spannung und an dessen zweitem Eingang eine an einem Kondensator liegende Spannung liegt, und eine Steuerschaltung mit einem oder mehreren steuerbaren Schaltern umfaßt, wobei die Steuerschaltung das Steuersignal des Komparators der Regelungsschaltung und das Ausgangssignal des Komparators der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung empfängt sowie ein Signal bzw. Signale zum Steuern des bzw. der Schalter abgibt, während der Einschaltzeit der Regelungsschaltung den bzw. die Schalter so steuert, daß der Kondensator mit einer von der Regelungsschaltung definierten Spannung verbunden wird, so daß er auf eine Spannung aufgeladen wird, die sich um einen vorherbestimmten Betrag von der die Ausgangsspannung charakterisierenden Spannung unterscheidet, und wenn ihr der Komparator der Regelungsschaltung signalisiert, daß die Spannung den Sollwert erreicht hat, das Signal zum Ausschalten der Regelungsschaltung abgibt und den bzw. die Schalter so steuert, daß der Kondensator von der Aufladespannung getrennt wird, so daß er allmählich entladen wird, wobei der Komparator der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung dann, wenn sich die weitere die Ausgangsspannung charakterisierende Spannung und die am Kondensator anliegende Spannung treffen, ein Signal zur Steuerschaltung abgibt, wodurch diese veranlaßt wird, das Signal zum Einschalten der Regelungsschaltung abzugeben.
Die Erfindung erreicht eine beträchtliche Verringerung des Ruhestromverbrauchs, indem sie zunächst bei Erreichen des Sollwerts am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung sämtliche Stromverbraucher der Regelungsschaltung ausschaltet. Nach dem Ausschalten der Regelungsschaltung wird die Überwachung der Ausgangsspannung von der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung übernommen. Deren Komparator empfängt im Gegensatz zum Komparator der Regelungsschaltung keine absolut präzise Referenzspannung, sondern an einem Eingang eine an einen Kondensator kurzzeitig angelegte und durch die Regelungsschaltung mit ausreichender Genauigkeit definierte Spannung, die sich um einen vorherbestimmten Betrag von der an seinem anderen Eingang liegenden Spannung, die die momentane Ausgangsspannung charakterisiert, unterscheidet. Die auf dem Kondensator befindliche Spannung wird dabei immer dann aufgefrischt, wenn der Komparator der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung das Einschaltsignal abgibt. Im Ruhezustand paßt die erfindungsgemäße Schaltung den Ruhestromverbrauch der Schaltung dynamisch an den am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung benötigten Ausgangsstrom an. Dadurch kann die erfindungsgemäße Gleichspannungswandlerschaltung im Vergleich zu derartigen Schaltungen aus dem Stand der Technik den Ruhestromverbrauch der Schaltung in einfacher und effizienter Weise deutlich reduzieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhalber erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer zum Stand der Technik gehörenden Gleichspannungswandlerschaltung;
2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlerschaltung;
3 einen Schaltplan einer Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung der in 2 gezeigten Gleichspannungswandlerschaltung;
4 ein Prinzipschaltbild der in der 3 dargestellten Schaltung zur Veranschaulichung ihrer Arbeitsweise; und
5 zur Erläuterung der Arbeitsweise der Gleichspannungswandlerschaltung über die Zeit aufgetragene Verläufe der Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlerschaltung sowie der an den beiden Eingängen des Komparators der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung anliegenden Spannungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die 2 ist in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlerschaltung dargestellt. Da die meisten Bauteile dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlerschaltung mit denjenigen der in der 1 dargestellten Schaltung übereinstimmen, werden nur diejenigen Bauteile und Verbindungen beschrieben, die gegenüber der in der 1 dargestellten Schaltung neu sind.
Die in der 2 dargestellte Gleichspannungswandlerschaltung weist eine Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung auf. Dabei ist der Ausgang 15 der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung mit den einzelnen Elementen 3, 4 und 5 der Regelungsschaltung sowie mit der Steuerschaltung 2 verbunden. Die Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung schaltet die Regelungsschaltung, d.h. den Komparator 3, die Bandabstands-Referenzspannungserzeugungsschaltung 4 und den Spannungsteiler 5 aus, wenn sich die Gleichspannungswandlerschaltung im Ruhezustand befindet, d.h., wenn die Ausgangsspannung Vaus über dem Sollwert liegt. Wahlweise kann auch die Spannungswandelungsschaltung (Steuerschaltung 2) ausgeschaltet werden. Unter "Ausschalten" wird hier die Trennung von der Versorgungsspannung Vcc (bzw. von der Ausgangsspannung Vaus beim Spannungsteiler 5) und unter "Einschalten" die erneute Verbindung mit der Versorgungsspannung Vcc (bzw. mit der Ausgangsspannung Vaus beim Spannungsteiler 5) verstanden.
Während des Ruhezustands übernimmt die Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung bei niedrigem Ausgangsstrombedarf die Überwachung der Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung. Hierzu empfängt sie an einem Eingang 14 die Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung. Ferner empfängt sie an einem weiteren Eingang 16 vom Komparator 3 der Regelungsschaltung das Steuersignal, das anzeigt, ob sich die Ausgangsspannung Vaus über oder unter dem Sollwert befindet. Das Ausschalten der Regelungsschaltung kann nur dann erfolgen, wenn dieses Signal anzeigt, daß sich die Ausgangsspannung über dem Sollwert befindet. Die Schal tung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung weist wahlweise einen weiteren Eingang auf, über den ein Mikroprozessor (μP) ein Steuersignal eingeben kann, dessen Funktion später erläutert wird.
Die 3 zeigt exemplarisch einen möglichen Aufbau der in der 2 dargestellten Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung. Die Funktion der einzelnen in der 3 dargestellten MOS-FETs ergibt sich aus dem in der 4 dargestellten Schaltbild, in dem die MOS-FETs durch Bauelemente ersetzt sind, deren Funktion sie erfüllen.
Anhand der 3 und 4 wird im folgenden der Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung näher beschrieben.
Die Schaltung 13 umfaßt einen Komparator 20, der zwei P-MOS-FETs MP2 und MP3, an deren Gateanschlüssen die zu vergleichenden Spannungen anliegen, einen aus den N-MOS-FETs MN2 und MN3 bestehenden Stromspiegel und eine durch den P-MOS-FET MP4 gebildete Stromquelle aufweist, die den Stromverbrauch des Komparators 20 bestimmt. Da die Funktionsweise eines in der 3 dargestellten Komparators 20 im Stand der Technik bekannt ist, wird dies nicht im Detail erläutert.
Der Sourceanschluß des die Stromquelle des Komparators 20 bildenden P-MOS-FETs MP4 ist mit der Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung, sein Drainanschluß mit den Sourceanschlüssen der P-MOS-FETs MP2 und MP3, sein Gateanschluß mit Masse und sein Substratanschluß mit der Ausgangsspannung Vaus verbunden.
Der Drainanschluß des P-MOS-FETs MP2 ist mit dem Drainanschluß des N-MOS-FETs MN2 und sein Substratanschluß mit der Ausgangsspannung Vaus verbunden. Der Drainanschluß des P-MOS-FETs MP3 ist mit dem Drainanschluß des N-MOS-FETs MN3 und sein Substratanschluß mit der Ausgangsspannung Vaus verbunden.
Die Source- und Substratanschlüsse der beiden den Stromspiegel bildenden N-MOS-FETs MN2 und MN3 liegen an Masse, während ihre Gateanschlüsse miteinander verbunden sind. Gate- und Sourceanschluß des N-MOS-FETs MN3 sind miteinander verbunden.
Aus P-MOS-FETs gebildete Dioden MP6 und MP8 sind vorgesehen, die der Einstellung des Arbeitspunktes des Komparators 20 dienen. Die Sourceanschlüsse und die Substratanschlüsse der Dioden MP6 und MP8 sind dabei mit der Ausgangsspannung Vaus verbunden, während ihre Gateanschlüsse mit ihren jeweiligen Drainanschlüssen verbunden sind. Die aus den P-MOS-FETs gebildeten Dioden MP8 und MP6 sind in der 4 mit D1 bzw. D2 gekennzeichnet.
Die Gateanschlüsse der P-MOS-FETs MP2 und MP3 bilden die Differenzeingänge des Komparators und sind jeweils mit einem als Kondensator fungierenden MOS-FET (MN1 bzw. MP1 in 3; C2 bzw. C1 in 4) verbunden.
Dabei liegen Source-, Drain- und Substratanschluß des den Kondensator C2 bildenden N-MOS-FETs MN1 an Masse, während sein Gateanschluß mit dem Gateanschluß des P-MOS-FETs MP2, d.h. dem einen Differenzeingang des Komparators 20, verbunden ist.
Source-, Drain- und Substratanschluß des den Kondensator C1 bildenden P-MOS-FETs MP1 liegen an der Ausgangsspannung Vaus, während sein Gateanschluß mit dem Gateanschluß des P-MOS-FETs MP3, d.h. dem anderen Differenzeingang des Komparators 20, verbunden ist.
Die MOS-FETs MN5, MP9 (S2, S1 in 4) und MN4, MP7 (S4, S3 in 4) bilden Schalter, mit denen sich die Knotenpunkte Kvdiff (Gate des als Kondensator C2 wirkenden N-MOS-FETs MN1 und Gate des P-MOS-FETs MP2 (erster Differenzeingang des Komparators 20)) bzw. Kvaus (Gate des als Kondensator C1 wirkenden P-MOS-FETs MP1 und Gate des P-MOS-FETs MP3 (zweiter Differenzeingang des Komparators 20)) isolieren lassen. Alle vier Schalter MN5, MP9, MN4 und MP7 werden durch eine Steuerschaltung 17, die in dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Flip-Flop-Schaltung (z.B. RS-Flip-Flop) besteht, gesteuert.
Die vier Schalter sind wie folgt geschaltet: Der Sourceanschluß des P-MOS-FETs MP7 ist mit dem Drainanschluß des P-MOS-FETs MP6 verbunden, sein Drainanschluß über einen Widerstand R mit dem Gateanschluß des als Kondensator C2 wirkenden N-MOS-FETs MN1, sein Substratanschluß mit der Ausgangsspannung Vaus und sein Gateanschluß mit dem Ausgang 32 der Steuerschaltung 17.
Der Sourceanschluß des N-MOS-FETs MN4 ist über die Stromquelle I1 mit Masse, sein Drainanschluß mit dem Gateanschluß des P-MOS-FETs MP2, sein Substratanschluß mit seinem Sourceanschluß und sein Gateanschluß mit dem Ausgang 31 der Steuerschaltung 17 verbunden.
Der Sourceanschluß des P-MOS-FETs MP9 ist mit dem Drainanschluß des P-MOS-FETs MP8, sein Drainanschluß mit dem Gateanschluß des P-MOS-FETs MP3, sein Substratanschluß mit der Ausgangsspannung Vaus und sein Gateanschluß mit einem Ausgang 32 der Steuerschaltung 17 verbunden.
Der Sourceanschluß des N-MOS-FETs MN5 ist über die Stromquelle I2 mit Masse, sein Substratanschluß mit seinem Sourceanschluß und sein Gateanschluß mit dem Ausgang 31 der Steuerschaltung 17 verbunden.
Der P-MOS-FET MP5, dessen Source- und Substratanschluß an der Ausgangsspannung Vaus liegen und dessen Gateanschluß mit seinem Drainanschluß verbunden ist, der wiederum mit dem Schaltungspunkt KVdiff verbunden ist, dient dazu, einen genau definierten Leckstrom zwischen Vaus und dem Schaltungspunkt Kvdiff (Gate des als Kondensator C2 wirkenden N-MOS-FETs MN1 und Gate des P-MOS-FETs MP2 (erster Differenzeingang des Komparators 20)) einzustellen.
Der Ausgang 21 des Komparators 20 ist mit einem invertierenden Verstärker 19, der von der Ausgangsspannung Vaus versorgt wird, verbunden, an dessen Ausgang ein Signal erzeugt wird, das zum Einschalten der Regelungsschaltung verwendet wird, was unten näher erläutert wird.
Der Ausgang des invertierenden Verstärkers 19 ist mit einem Eingang 33 des Flip-Flops (RS-Flip-Flop) verbunden, das die Steuerschaltung 17 bildet. Am anderen Eingang 34 des Flip-Flops der Steuerschaltung 17 liegt das vom Komparator 3 der Regelungsschaltung gelieferte Steuersignal (16 in 2), das anzeigt, ob sich die Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung gerade über oder unter dem Sollwert befindet.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der in den 3 und 4 dargestellten Schaltung 13 sowie der in der 2 dargestellten Gleichspannungswandlerschaltung beschrieben.
Dabei wird zur Vereinfachung der Beschreibung zunächst angenommen, daß die Steuerschaltung 17 gerade ein Einschaltsignal 18 zum Einschalten der Regelungsschaltung abgegeben hat (weiter unten wird erläutert, unter welchen Bedingungen dieses Einschaltsignal abgegeben wird und wie dieses erzeugt wird).
Das Einschaltsignal 18 wird abgegeben, wenn am Set-Eingang (S) der Steuerschaltung 17 ein Signal vom Komparator der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung geliefert wird, was unten erläutert wird.
Dadurch werden die Signale an den beiden Ausgängen (Q und Qquer) des Flip-Flops 17 geändert, die die oben erwähnten Schalter steuern. Dadurch werden MN4 (S4), MP7 (S3), MP9 (S1) und MN5 (S2) durchgeschaltet, wodurch die beiden Kondensatoren C1 (MP1) und C2 (MN1) aufgeladen werden.
Der Kondensator C2 (MN1) wird dabei dann, wenn die Ausgangsspannung des Wandlers wieder ihren Sollwert erreicht hat, auf eine Spannung VC2 = Vaus(soll) – Vgs – Voff (1)aufgeladen, wobei Vaus(soll) der gerade von der Regelungsschaltung auf ihren Sollwert Vaus(soll) eingestellten Spannung, Vgs der an der Diode D2 (MP6) ab fallenden Spannung und Voff (= R*I) der an dem vorherbestimmten Widerstand R abfallenden Spannung entspricht. Die Spannung VC2 liegt am ersten Eingang (KVdiff) des Komparators 20 der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung.
Der Kondensator C1 (MP1) wird gleichzeitig auf eine Spannung VC1 = Vaus – Vgs (2)aufgeladen, wobei davon ausgegangen wurde, daß die MOS-Dioden D1 und D2 (MP8 bzw. MP6) gleich sind, so daß der daran auftretende Spannungsabfall identisch ist. Die Spannung VC2 liegt am zweiten Eingang (KVaus) des Komparators 20.
Die Differenz der Eingangsspannungen des Komparators 20 beträgt dann am Ende der Aufladephase VC2 – VC1 = Voff. Sie läßt sich durch entsprechende Einstellung des Widerstands R auf einen gewünschten Wert einstellen.
Beim Einschalten der Regelungsschaltung lassen sich zwei Fälle unterscheiden, die auftreten können:
Im ersten Fall liegt die Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung beim Einschalten der Regelungsschaltung immer noch über ihrem Sollwert, so daß eine Aktivierung der Ladungspumpe nicht erforderlich ist. Eine (nicht dargestellte) erste Verzögerungsschaltung (z.B. ein R-C-Glied), die mit dem Komparator der Regelungsschaltung in Verbindung steht, sorgt dafür, daß dieser erst dann ein Steuersignal am Ausgang abgibt (welches zum Eingang R des Flip-Flops 17 geleitet wird), wenn eine erste Verzögerungszeit (z.B. 30 Mikrosekunden) abgelaufen ist. Diese erste Verzögerungszeit dient dazu, sicherzustellen, daß die für die Regelung wichtigen Elemente eingeschwungen sind, um einen sinnvollen Spannungsvergleich durch den Komparator der Regelungsschaltung zu ermöglichen, und zum anderen sorgt sie im ersten Fall dafür, daß ausreichend Zeit vorhanden ist, um die Kondensatoren voll auf die gewünschten Spannungen aufzuladen.
Danach gibt der Komparator 3 der Regelungsschaltung sein Steuersignal ab, das zum Eingang R des Flip-Flops 17 der Steuerschaltung geleitet wird, wodurch die Signale an den Ausgängen des Flip-Flops (Q und Qquer) ihre Zustände ändern und die MOS-FET-Schalter MN4 (S4), MP7 (S3), MP9 (S1) und MN5 (S2) gesperrt werden, so daß die beiden Eingänge (KVdiff, KVaus) des Komparators 20 isoliert werden. Gleichzeitig wird das Ausschaltsignal 18 vom Ausgang Q des Flip-Flops zur Regelungsschaltung geführt. Dieses Ausschaltsignal gelangt zum Komparator 3, zur Referenzspannungserzeugungsschaltung 4, zum Spannungsteiler 5 und zur Steuerschaltung 2 und schaltet diese (z.B. durch Ansteuerung nicht dargestellter Schalter) aus.
Im zweiten Fall liegt beim Einschalten der Gleichspannungswandlerschaltung die Ausgangsspannung unter ihrem Sollwert, so daß nach Ablauf der ersten Verzögerungszeit der Komparator der Regelungsschaltung feststellt, daß Vaus < Vsoll ist. Nun gibt er ein Steuersignal zur Steuerschaltung 2 der Ladungspumpe ab, durch das die Ladungspumpe aktiviert wird. Sobald der Sollwert der Ausgangsspannung durch den Pumpbetrieb wieder erreicht ist, wird über eine zweite (ebenfalls nicht dargestellte) Verzögerungsschaltung, die mit dem Komparator in Verbindung steht, nach einer zweiten Verzögerungszeit (z.B. 3–5 Mikrosekunden) sichergestellt, daß die Ladungspumpe weiterhin in Betrieb gehalten wird, um zu gewährleisten, daß die Kondensatoren wieder voll auf ihre gewünschten und oben angegebenen Werte aufgeladen werden können.
Nach Ablauf dieser zweiten Verzögerungszeit gibt der Komparator 3 der Regelungsschaltung wieder sein Steuersignal ab, das zum Eingang R des Flip-Flops 17 der Steuerschaltung geleitet wird, wodurch die Signale an den Ausgängen des Flip-Flops (Q und Qquer) ihre Zustände ändern und die MOS-FET-Schalter MN4 (S4), MP7 (S3), MP9 (S1) und MN5 (S2) gesperrt werden, so daß die beiden Eingänge (KVdiff KVaus) des Komparators 20 isoliert werden. Gleichzeitig wird das Ausschaltsignal 18 vom Ausgang Q des Flip-Flops zur Regelungsschaltung geführt. Dieses Ausschaltsignal gelangt zum Komparator 3, zur Bandabstand-Referenzspannungserzeugungsschaltung 4, zum Spannungsteiler 5 und zur Steu erschaltung 2 und schaltet diese (z.B. durch Ansteuerung nicht dargestellter Schalter) aus.
Durch die Aufladung der Kondensatoren C1 und C2 ist an den Eingängen des Komparators 20 eine Spannungsdifferenz entstanden.
Läßt man nun zunächst den Leckstrom über den MOS-FET MP5 außer acht, so würde die Spannung am ersten Eingang (KVdiff) des Komparators 20 während der Ausschaltzeit der Regelungsschaltung auf dem Wert Vaus(soll) – Vgs – Voff verharren, während die Spannung am zweiten Eingang (KVaus) des Komparators 20 Vaus – Vgs betragen würde. Da die Spannung am ersten Eingang (KVdiff) kapazitiv an Masse und die Spannung am zweiten Eingang (KVaus) kapazitiv an die aktuelle Ausgangsspannung Vaus gekoppelt ist, würde eine Verminderung der tatsächlichen Ausgangsspannung Vaus um mehr als die Spannungsdifferenz Voff den Pegel des Ausgangssignals des Komparators 20 ändern, so daß er am Ausgang ein Signal abgeben würde, das über den invertierenden Verstärker 19 zum S-Eingang des Flip-Flops der Steuerschaltung 17 gelangt und durch das sich schließlich die Ausgangpegel an den Ausgängen Q und Qquer des Flip-Flops ändern, wodurch vom Ausgang Q des Flip-Flops ein Einschaltsignal abgegeben wird, durch das die Regelungsschaltung (Komparator 3, Bandabstands-Referenzspannungserzeugungsschaltung 4) erneut eingeschaltet werden würde, d.h. der Spannungsteiler 5 würde erneut mit der Spannungsversorgung Vaus verbunden werden. Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform würde dann auch die Steuerschaltung 2 mit Oszillator und Treibern wieder eingeschaltet, d.h. mit der Spannungsversorgung Vcc verbunden.
Da bei der Erzeugung des zum S-Eingang des Flip-Flops der Steuerschaltung 17 geleiteten Ausgangssignals des Komparators der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung sich die beiden Ausgangssignale Q und Qquer des Flip-Flops ändern, wird gleichzeitig mit dem Einschalten der Regelungsschaltung auch die Spannung auf den Kondensatoren C1 und C2 durch Schließen der Schalter S1 bis S4 durch das Steuersignal in der oben beschriebenen Weise aktualisiert. Der Gesamtablauf wiederholt sich dann periodisch.
Der bisher nicht in der Darstellung berücksichtigte Leckstrom IL, der über den MOS-FET MP5 fließt, ist erforderlich, um den Leckstrom, der an den zwei kapazitiv gekoppelten Eingängen KVdiff und KVaus des Komparators 20 der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung unweigerlich auftritt, in die richtige Richtung zu zwingen. Dabei ist der über MP5 fließende Leckstrom so eingestellt, daß er die an den Eingängen der Komparators 20 zwangsläufig auftretenden Leckströme ("junction leakages") betragsmäßig dominiert. Dadurch wird verhindert, daß die Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren C1 und C2 in unerwünschter Weise auseinanderläuft, was im ungünstigen Fall dazu führen könnte, daß die Regelungsschaltung nicht wieder eingeschaltet wird. Durch den definierten Leckstrom wird ein periodisches Wiedereinschalten der Regelungsschaltung sichergestellt, was in der 5 dargestellt ist.
Die 5 zeigt in ihrem oberen Teil den Verlauf der Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung bei zwei verschiedenen Ruheströmen (100 μA und 250 μA) am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung. Im unteren Teil der 5 sind die Verläufe der an den beiden Eingängen des Komparators 20 der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung anliegenden Kondensatorspannungen Vc1 und Vc2 dargestellt. Vc1 ist dabei die Spannung am Kondensator C1. Die Spannung Vc1 verläuft parallel zur Ausgangsspannung Vaus. Der Verlauf der am Kondensator C2 anliegenden Spannung Vc2 wird durch den Leckstrom IL definiert, der über den MOS-FET MP5 fließt. Durch den Leckstrom IL wird die Spannung Vc2 dazu gezwungen, sich allmählich in zeitlich definierter Weise der die Ausgangsspannung Vaus charakterisierenden Spannung Vc1 anzunähern. Es wird dadurch verhindert, daß die Spannungen Vc1 und Vc2 auseinanderlaufen und die Schaltung in einen undefinierten Zustand gerät.
Kurz vor dem in der 5 dargestellten Zeitpunkt t1 haben sich die beiden an den Kondensatoren C1 und C2 anliegenden Spannungen Vc1 bzw. Vc2 getroffen, so daß der Komparator 20 ein Signal abgibt, durch das dann über die Steuerschaltung 17 in der oben beschriebenen Weise die Regelungsschaltung (bzw. die Spannungswandelungsschaltung) wieder eingeschaltet wird. Ist die Ausgangsspannung zwischenzeitlich unter ihren Sollwert gefallen, so wird die Ladungspumpe durch den Komparator 3 und die Steuerschaltung 2 in der oben beschriebenen Weise "angeworfen" und pumpt solange Ladung auf den Ausgangskondensator Caus, bis der Sollwert wieder erreicht wird. Dabei bleiben die Schalter S1 bis S4 bis zum Ablauf der Nachlaufzeit durchschaltet, so daß die Kondensatoren C1 und C2 aufgeladen werden. Die Kondensatoren C1 und C2 erreichen dann zu dem in der 5 dargestellten Zeitpunkt t1 wieder ihre Ausgangszustände (siehe oben die Gleichungen (1) und (2)), wobei die Spannungsdifferenz Voff an den Eingängen des Komparators 20 der Regelungsschaltung auftritt. Danach wird die Regelungsschaltung durch den Komparator 3 der Regelungsschaltung in Zusammenwirkung mit der Steuerschaltung 17 erneut ausgeschaltet und der gesamte Ablauf wiederholt sich in periodischer Weise.
Es kann, wie oben beschrieben, auch sein, daß nach Einschalten der Regelungsschaltung durch die Schaltung 13 ein Einschalten der Ladungspumpe nicht erforderlich ist, weil die Ausgangsspannung Vaus immer noch über dem Sollwert liegt. In diesem Fall werden wie oben beschrieben nur die Kondensatoren C1 und C2 erneut auf ihre definierten Spannungen Vc1 bzw. Vc2 aufgeladen, ohne daß die Ladungspumpe angeworfen wird.
Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandlerschaltung ist in der Lage, den Ruhestromverbrauch in dynamischer Weise an den am Ausgang der Gleichspannungswandlerschaltung gerade benötigten Ruhelaststrom anzupassen, was im rechten Teil der 5 dargestellt ist. Wird der Ruhelaststrom größer (in der 5 von 100 μA auf 250 μA), so entlädt sich der Kondensator C1 schneller, so daß die Einschaltfrequenz der Regelungsschaltung zunimmt (siehe in der 5 die Einschaltzeitpunkte t2 bis t6). Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandlerschaltung kann so automatisch zu jedem Ruhestrom eine optimale Einschaltfrequenz einstellen, was bisher bei derartigen Gleichspannungswandlerschaltungen aus dem Stand der Technik nicht möglich war. Die Einschaltfrequenz ist dabei vorzugsweise proportional zum Ruhestrom. Ein Einschalten der Regelungsschaltung wird dabei nicht nur bei linearem Absinken der Ausgangsspannung Vaus, sondern auch bei sprunghaftem Absinken der Ausgangsspannung Vaus gewährleistet.
Der Komparator 20 der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung ist vorzugsweise so aufgebaut, daß er im Vergleich zum Komparator 3 der Regelungsschaltung einen wesentlich geringeren Stromverbrauch aufweist, z.B. im Verhältnis von 20 μA zu 100 μA. Dabei wird in der Praxis bei der Auslegung des Komparators 20 ein Kompromiß zwischen Schaltgeschwindigkeit des Komparators und Stromverbrauch gemacht werden müssen. Je schneller der Komparator sein muß, um so größer ist also sein Stromverbrauch.
Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandlerschaltung ist vorzugsweise als integrierte Schaltung aufgebaut.
Ferner wird sie in der Regel eine oben nicht beschriebene Start-up-Schaltung umfassen, die dafür sorgt, daß die Kondensatoren der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung beim Einschalten der Gleichspannungswandlerschaltung erstmals aufgeladen werden.
Wie bereits beschrieben, kann die Aktivierung und Deaktivierung der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung auch unabhängig von der Ist-Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung durch einen Mikroprozessor gesteuert werden (siehe hierzu den in der 2 dargestellten Mikroprozessoreingang μP), der durch einen Tastendruck aktiviert wird. Man denke sich z.B. ein Mobilfunktelefon, bei dem dann, wenn der Bediener eine Taste drückt, der Mikroprozessor von einem Ruhemodus, in dem die Überwachung der Ausgangsspannung von der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung übernommen wird und die Regelungsschaltung die meiste Zeit über ausgeschaltet ist, in einen Aktivmodus geschaltet wird, in dem die Regelungsschaltung selbst die Ausgangsspannung Vaus überwacht.
Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandlerschaltung kann in einen Gleichspannungswandler integriert sein. Sie kann ferner auch in eine Batterie integriert sein.
Für den Fachmann ist ohne weiteres ersichtlich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen nur beispielhaft gewählt sind. Viele andere Ausführungsformen sind im Rahmen der beigefügten Ansprüche denkbar.
So braucht die Spannungswandelungsschaltung nicht notwendigerweise aus einer Ladungspumpschaltung zu bestehen. Sie kann aus einer beliebigen Spannungswandelungsschaltung bestehen, die in Abhängigkeit von dem Zustand der Ausgangsspannung Vaus der Gleichspannungswandlerschaltung wechselweise ein- und ausgeschaltet wird. Es kann z.B. auch eine Drosselwandlerschaltung sein.
Ferner ist klar, daß die Spannung, auf die der Kondensator der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung aufgeladen wird, welcher eine Spannung trägt, die sich um einen bestimmten Betrag von der weiteren die Ausgangsspannung charakterisierenden Spannung unterscheidet, nicht notwendigerweise die durch die Regelungsschaltung definierte Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlerschaltung sein muß. Beispielsweise könnte es sich dabei auch um die von der Referenzspannungserzeugungsschaltung erzeugte Referenzspannung oder eine aus dieser erzeugte Spannung handeln. Wichtig ist nur, daß die Regelungsschaltung dazu verwendet wird, die Spannung an einem der Kondensatoren der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung zu definieren, wobei sie danach ausgeschaltet wird und der diese Spannung tragende Kondensator dazu dient, während des Ausschaltzustandes der Regelungsschaltung die Funktion einer Referenzspannungsquelle in der Schaltung 13 zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung zu übernehmen.

Claims

Gleichspannungswandlerschaltung mit einer Spannungswandelungsschaltung, die im aktiven Betrieb die Eingangsspannung (Vcc) der Gleichspannungswandlerschaltung in eine Ausgangsspannung (Vaus) der Gleichspannungswandlerschaltung wandeln kann, die sich von der Eingangsspannung (Vcc) unterscheidet, und einer zur Regelung der Ausgangsspannung (Vaus) auf einen vorherbestimmten Sollwert vorgesehenen Regelungsschaltung, die eine Referenzspannungserzeugungsschaltung (4) und einen Komparator (3) umfaßt, an dessen erstem Eingang (6) eine die Ausgangsspannung charakterisierende Spannung und an dessen zweitem Eingang (7) die von der Referenzspannungserzeugungsschaltung (4) erzeugte Referenzspannung liegt und der ein Steuersignal zur Aktivierung bzw. zur Deaktivierung der Spannungswandelungsschaltung in Abhängigkeit davon abgibt, ob die Ausgangsspannung den Sollwert unter- bzw. überschreitet, bei der die Gleichspannungswandlerschaltung darüber hinaus eine Schaltung (13) zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung umfaßt, die einen Komparator (20), an dessen erstem Eingang eine weitere die Ausgangsspannung charakterisierende Spannung und an dessen zweitem Eingang eine an einem Kondensator (C2) liegende Spannung liegt, und eine Steuerschaltung (17) mit einem oder mehreren steuerbaren Schaltern umfaßt, wobei die Steuerschaltung das Steuersignal des Komparators (3) der Regelungsschaltung und das Ausgangssignal des Komparators (20) der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung empfängt sowie ein Signal bzw. Signale (18) zum Steuern des Schalters bzw. der Schalter abgibt, während der Einschaltzeit der Regelungsschaltung den bzw. die Schalter so steuert, daß der Kondensator (C2) mit einer von der Regelungsschaltung definierten Spannung verbunden wird, so daß er auf eine Spannung aufgeladen wird, die sich um einen vorherbestimmten Betrag von der die Ausgangsspannung charakterisierenden Spannung unterscheidet, und wenn ihr der Komparator (3) der Regelungsschaltung signalisiert, daß die Spannung den Sollwert erreicht hat, das Signal (18) zum Ausschalten der Regelungs schaltung abgibt und den bzw. die Schalter so steuert, daß der Kondensator (C2) von der Aufladespannung getrennt wird, so daß er allmählich entladen wird, wobei der Komparator (20) der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung dann, wenn sich die weitere die Ausgangsspannung charakterisierende Spannung und die am Kondensator (C2) anliegende Spannung treffen, ein Signal zur Steuerschaltung abgibt, wodurch diese veranlaßt wird, das Signal (18) zum Einschalten der Regelungsschaltung abzugeben.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Kondensator (C2) mit einem Strompfad (IL) verbunden ist, über den ein vorherbestimmter Leckstrom vom Kondensator (C2) fließen kann, so daß sich die daran anliegende Spannung während der Entladung des Kondensators in zeitlich definierter Weise der weiteren die Ausgangsspannung charakterisierenden Spannung nähert.
Schaltung nach Anspruch 2, bei der der Leckstrom so gewählt ist, daß er die an den Eingängen des Komparators (20) der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung zwangsläufig auftretenden Leckströme dominiert.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Spannungswandelungsschaltung aus einer Ladungspumpenschaltung besteht.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Spannungswandelungsschaltung aus einer induktiven Wandlerschaltung besteht.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Spannungsteiler (5) vorgesehen ist, um von der Ausgangsspannung die am ersten Eingang des Komparators (3) der Regelungsschaltung anliegende, die Ausgangsspannung charakterisierende Spannung so abzuteilen, daß die Ausgangsspannung an die von der Referenzspannungserzeugungsschaltung erzeugte Referenzspannung angepaßt ist, und bei der das Signal zum Ausschalten der Regelungsschaltung auch zum Trennen des Spannungsteilers (5) von der Ausgangsspannung verwendet wird, wobei der Spannungsteiler (5) durch das Einschaltsignal wieder mit der Ausgangsspannung verbunden wird.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Referenzspannungserzeugungsschaltung (4) eine Bandabstands-Referenz ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Komparator (20) der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung im Vergleich zum Komparator (3) der Regelungsschaltung so aufgebaut ist, daß er einen geringeren Stromverbrauch als der Komparator (3) der Regelungsschaltung aufweist, und bei der der Komparator (20) der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung aus einem aus MOS-FETs aufgebauten Differenzverstärker besteht.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die durch die Regelungsschaltung definierte Spannung, auf die der Kondensator aufgeladen wird, von der Ausgangsspannung abgeleitet wird, der vorherbestimmte Spannungsbetrag durch einen in Reihe zur Ausgangsspannung und zum Kondensator (C2) geschalteten Widerstand (R) eingestellt wird, an dem dieser Betrag beim Aufladen des Kondensators (C2) abfällt, und bei der die durch die Regelungsschaltung definierte Spannung, auf die der Kondensator aufgeladen wird, von der durch die Referenzspannungserzeugungsschaltung (4) erzeugten Referenzspannung abgeleitet wird.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerschaltung (17) aus einem Flip-Flop besteht, der Kondensator (C2) aus einem MOS-FET besteht, und bei der ein weiterer aus einem MOS-FET bestehender Kondensator (C1) vorgesehen ist, der die weitere die Ausgangsspannung charakterisierende Spannung trägt und mit dem ersten Eingang des Komparators (20) der Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Regelungsschaltung verbunden ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Signal (18) zum Ausschalten der Regelungsschaltung auch zum Ausschalten der Spannungswandelungsschaltung verwendet wird und das Signal zum Einschalten der Regelungsschaltung auch zum Einschalten der Spannungswandelungsschaltung verwendet wird.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine mit dem Komparator (3) der Regelungsschaltung verbundene Verzögerungsschaltung vorgesehen ist.