DE60201501T2

DE60201501T2 - Spannungswandlerschaltung

Info

Publication number: DE60201501T2
Application number: DE60201501T
Authority: DE
Inventors: Jurjen Anne OSINGA; Jochem Welvaadt
Original assignee: True Solar Autonomy Holding BV
Current assignee: True Solar Autonomy Holding BV
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: US6984951B2; CA2369306C; CN100361378C; KR100860397B1; ATE279043T1; AU2002232290A1; US7081739B2; US20040070380A1; AU1470102A; JP2004520792A; WO2002061929A3; WO2002061929A2; ES2229106T3; US6781335B2; US20020158595A1; US20040155614A1; EP1356576A2; CN1593002A; KR20030089695A; AU781900B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungswandlerschaltung, die mit einer veränderlichen Spannungs- oder Stromquelle verbunden sein kann, die eine kleine und veränderliche Eingangsspannung erzeugt, die selbststartend ist und die eine erhöhte Versorgungsspannung erzeugt.
US-A-5 659 241 offenbart eine Spannungswandlerschaltung mit.

– einem Eingangsanschluß zum Verbinden mit einer veränderlichen Spannungs- oder Stromquelle und einem Ausgangsanschluß mit einer Versorgungsspannung;
– einem induktiven Element, das mittels eines ersten Anschlusses mit dem Eingangsanschluß verbunden ist und mittels eines zweiten Anschlusses mit einem kapazitiven Element und mit dem Ausgangsanschluß verbunden ist, wobei das kapazitive Element mittels eines Anschlusses mit einer Referenzspannung verbunden ist;
– einem ersten Schalter, der mittels eines ersten Anschlusses mit dem zweiten Anschluß des induktiven Elements verbunden ist und mittels eines zweiten Anschlusses mit der Referenzspannung verbunden ist, wobei der erste Schalter aufweist: eine erste Gate-Elektrode zum Öffnen und Schließen des ersten Schalters, wenn eine Steuerspannung mit einem ersten Pegel an die erste Gate-Elektrode angelegt wird;
– einem ersten Oszillator mit einem Stromeingang, der mit dem Ausgangsanschluß verbunden ist, einem Einschalt-Ausgang, der mit der ersten Gate-Elektrode des ersten Schalters verbunden ist, um ein impulsartiges Signal an die erste Gate-Elektrode zu liefern, und einem Oszillatorausgang und
– einem zweiten Schalter, der mit dem ersten Schalter parallelgeschaltet ist, wobei eine zweite Gate-Elektrode des zweiten Schalters mit dem Oszillatorausgang verbunden ist, wobei der erste Schalter geöffnet bleibt, wenn die Versorgungsspannung am Ausgangsanschluß einen vorbestimmten Pegel erreicht, und der zweite Schalter durch den Oszillatorausgang mit einem zweiten Spannungspegel betätigt wird, der höher ist als der erste Spannungspegel. Diese bekannte Spannungswandlerschaltung ist ein Gleichspannungswandler, der eine niedrigere Gleichspannung in eine höhere Gleichspannung umwandelt. Die niedrigere Spannung ist mit etwa 1,5 V angegeben. Die höhere Spannung ist in der Größenordnung von etwa 3 bis 5 V angegeben. Der erste Schalter, der ein Bipolartransistor sein kann, steuert den Gleichspannungswandler am Anfang, wenn die Ausgangsspannung nicht ihren hohen Endpegel erreicht hat. Wenn die Ausgangsspannung eine vorbestimmte Grenze erreicht, wird der Wandler vom zweiten Schalter gesteuert, der ein MOS-Transistor sein kann. Ähnliche Wandlerschaltungsausführungen lassen sich aus JP-A-3 074 169 und EP-A-685 921 ableiten.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen Gleichspannungs-Aufwärtswandler, der insbesondere mit niedrigen Spannungen betrieben werden kann, die von einer Solarzelle erzeugt werden, und der verwendet werden kann, um relativ kleine Spannungen, z. B. Spannungen unter 1 V, insbesondere unter 0,5 V, in Gleichspannungen zwischen 1 bis 20 V umzuwandeln, um eine Batterie zu laden oder eine elektrische Vorrichtung zu betreiben.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Gleichspannungs-Aufwärtswandler bereitzustellen, der mit niedrigen Eingangsspannungen arbeitet, der selbststartend ist und der eine relativ kleine Anzahl von Bauelementen verwendet.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Aufwärtswandler bereitzustellen, bei dem Leistungsverluste minimiert werden und der einen kompakten Aufbau hat.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Gleichspannungs-Aufwärtswandler bereitzustellen, der am oder nahe dem maximalen Leistungspunkt einer Solarzelle arbeiten kann.
Hierzu weist die erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung die Merkmale auf, wie sie in Anspruch 1 definiert sind.
Die veränderliche Eingangsspannung wird einem induktiven Element zugeführt, das durch Öffnen eines ersten Schalters unter Steuerung des Einschalt-Ausgangs des Oszillators periodisch mit einer Referenzspannung verbunden wird. Der Leistungseingang des Oszillators ist mit dem Versorgungsspannungsanschluß verbunden, der beim Einschalten eine sehr kleine Spannung empfängt. Die resultierende Einschalt-Ausgangsspannung ist entsprechend klein, z. B. 0,2 V oder weniger. Wenn der erste Schalter geöffnet und wieder geschlossen wird, wird im induktiven Element ein steigender Strom erzeugt, der das kapazitive Element lädt, so daß die Versorgungsspannung schrittweise erhöht wird. Der erste Schalter ist besonders geeignet, mit einer niedrigen Gate-Steuerspannung vom Einschalt-Ausgang des Oszillators gesteuert zu werden. Wenn sich die Versorgungsspannung erhöht, erhöht sich das Einschalt-Ausgangssignal des Oszillators, was zu einer besseren Steuerung des ersten Schalters und dazu führt, daß mehr Leistung vom induktiven Element zum kapazitiven Element übertragen wird, so daß ein Eigenverstärkungseffekt dazu führt, daß die Versorgungsspannung und das Einschalt-Ausgangssignal des Oszillators erhöht werden. Wenn die Versorgungsspannung einen vorbestimmten Wert erreicht, wird der erste Schalter deaktiviert (geöffnet), und der zweite Schalter wird vom zweiten Oszillatorausgang gesteuert, mit einer Gate-Steuerspannung, die über der Gate-Steuerspannung des ersten Schalters liegt. Der Betrieb des zweiten Schalters führt zu einer weiteren Erhöhung der Versorgungsspannung. Der erste Schalter kann beispiels weise aus einem bipolaren pnp-Transistor mit einer Gate-Steuerspannung von 0,6 V über der Referenzspannung, einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce von 600 mV bei einem Kollektorstrom Ic von 100 mA bestehen. Der zweite Schalter kann aus einem Kleinleistungs-Logikpegel-MOSFET mit einer Gate-Steuerspannung Vgs (Gate-Schwellspannung) bestehen, die bei einer Quellenspannung Vds von 2 V und einem Strom Ids von 0,3 bis 1,2 A im allgemeinen im Bereich von 1 bis 2 V liegt.
Unter Verwendung der beiden erfindungsgemäßen Schalter, die jeweils mit einem anderen Gate-Steuerspannungspegel arbeiten, entsteht ein selbststartender Aufwärtswandlers.
Eine Klemmdiode ist zwischen den zweiten Anschluß des induktiven Elements und die Gate-Elektrode des ersten Schalters geschaltet. Wenn dem Eingangsanschluß eine veränderliche Versorgungsspannung von etwa 0,4 V angeboten wird und die Versorgungsspannung etwa 0,4 V ist, so bleibt am Steueranschluß des ersten Schalters durch die positive Klemmung, die die Diode bildet, eine Vorspannung von 0,4 V erhalten. Wenn der erste Schalter aus einem bipolaren pnp-Transistor besteht, ist daher nur eine veränderliche Steuerspannung von 0,2 V am Gate notwendig, um den Transistor leitend zu machen. Die veränderliche Spannung von 0,2 V wird vom Oszillator bezogen, wenn dieser an seinem Eingang mit einem Versorgungsspannungspegel von 0,4 V versorgt wird.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Ausgänge des Oszillators mit den Gates über jeweilige kapazitive Elemente verbunden. Durch Kopplung der kapazitiven Elemente wird dem Gleichspannungspegel der Klemmdiode von 0,4 V eine kleine Steuergleichspannung vom Einschalt-Ausgang des Oszillators hinzugefügt.
Eine Spannungswandlungseinheit kann dadurch entstehen, daß eine zweite Wandlungsstufe an die Spannungswandlungsschaltung angehängt wird, wobei die zweite Wandlungsstufe ein induktives Element hat, das mittels eines ersten Anschlusses mit der veränderlichen Spannungsquelle verbindbar ist und mittels eines zweiten Anschlusses mit einem ersten Anschluß eines elektrischen Elements, z. B. eines Akkumulators, verbunden ist, wobei der Akkumulator mittels eines zweiten Anschlusses mit der Referenzspannung verbunden ist, ein dritter Schalter zwischen den zweiten Anschluß des induktiven Elements und die Referenzspannung geschaltet ist und mittels einer Gate-Elektrode mit einem Oszillatorausgang eines zweiten Oszillators verbunden ist, wobei die Versorgungsspannung des Ausgangsanschlusses der Spannungswandlerschaltung mit dem zweiten Anschluß des induktiven Elements und mit einem Leistungseingang des zweiten Oszillators verbunden ist. Der dritte Schalter kann aus einem Leistungs-MOSFET mit mehreren Drain- und mehreren Source-Elektroden bestehen, um die Gleichspannung von der Wandlungsschaltung in Pegel zwischen 3 bis 15 V umzuwandeln.
Die erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung kann in Kombination mit einer Solarzelle, einer Brennstoffzelle oder einer anderen veränderlichen Spannungs- oder Stromquelle mit relativ kleinem Strom und kleinen Spannungen an ihrem Ausgang als Stromquelle verwendet werden. Die erfindungsgemäße Spannungswandlereinheit kann Teil einer Viehtränkeinheit, einer Landstraßenbeleuchtung oder eines elektrischen Zaunes auf dem Land sein, wenn eine Solarzelle als Spannungsquelle verwendet wird. Weitere Anwendungen in Kombination mit einer Solarzelle sind digitale Anzeigen, Anzeigenbeleuchtung, Straßenbeleuchtung und Informationspunkte.
Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden, um elektrische Geschwindigkeitskontrollvorrichtungen an Straßen, Straßenrandreflektoren und Straßenmarkierungen (Katzenaugen), Nothilfepunkte usw. zu versorgen.
Als Alternative kann die Spannungswandlerschaltung in Anwendungen auf See als Generator auf Booten, für Bootsbeleuchtung, als Navigationsvorrichtung oder GPS-System verwendet werden.
Mobiltelefone, Laptops, elektronische Notizbücher und andere Geräte können durch die Spannungswandlerschaltung versorgt werden, die lediglich eine kleine Eingangsspannung benötigt.
Ferner können Digitalkameras, Batterieladegeräte, Fahrradbeleuchtung, Warndreiecke, Lawinen-Funkrufgeräte, Blitzlichter, Fernsehapparate, Mikrowellen und andere Haushaltsgeräte, Gartenbeleuchtung, Gartensprenger und Lichtregulierungsvorrichtungen für Fenster, z. B. Fensterjalousien, Markisen usw. durch die erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung versorgt werden.
Die Erfindung ist für kleine Geräte dadurch sehr vorteilhaft, daß sie eine weitgehende Reduzierung der Oberfläche der Solarzellen ermöglicht.
Bestimmte erfindungsgemäße Ausführungsformen der Spannungswandlereinheit werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. In den Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
1 zeigt schematisch eine Anordnung einer erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung in Kombination mit einem Gleichspannungs-Aufwärtswandler, der mit einer elektrischen Vorrichtung verbunden ist.
2 zeigt ausführlich die Bauelemente der Spannungswandlerschaltung und des Gleichspannungswandlers aus 1;
3 zeigt eine alternative erfindungsgemäße Ausführungsform einer Spannungswandlerschaltung, wobei der zweite Schalter von einem Mikroprozessor gesteuert wird;
4 zeigt ein schematisches Diagramm der Eingangs- und Ausgangsspannungen der Inverters U_1C und U_1E
5 zeigt eine Eingangsspannung des Inverters U_1C während des Einschaltens; und
6 zeigt eine Ausgangsspannung des Inverters U_1C während des Einschaltens.
1 zeigt eine Spannungswandlereinheit 1 mit einer Spannungswandlerschaltung oder Niederspannungswandlerstufe 2, die mit einer zweiten Wandlerstufe 3 verbunden ist. Die Niederspannungswandlerstufe 2 weist einen Eingangsanschluß 4, ein induktives Element 5, einen ersten und zweiten Schalter 6, 7 und ein kapazitives Element 8, z. B. einen Kondensator, auf. Die Schalter 6 und 7 sind mittels eines ersten Anschlusses mit dem induktiven Element 5 und mittels eines zweiten Anschlusses mit einer Referenzspannungsleitung 9 verbunden. Der zweite Anschluß des kapazitiven Elements 8 ist mit dem Ausgang einer Diode 11 und mit dem Versorgungsspannungsanschluß 12 verbunden. Der Versorgungsspannungsanschluß ist mit einem Leistungseingang 14 eines ersten Oszillators 13 verbunden. Ein Einschalt-Ausgang 15 des Oszillators 13 ist mit der Gate-Elektrode 31 des Schalters 6 verbunden, während der Oszillatorausgang 16 mit der Gate-Elektrode 32 des Schalters 7 verbunden ist. Der Versorgungsspannungsanschluß 12 der Niederspannungswandlerstufe 2 ist mit dem zweiten Anschluß des induktiven Elements 28 und einem Leistungseingang 22 des Oszillators 17 der zweiten Wandlerstufe 3 verbunden. Der Oszillatorausgang 18 ist mit der Gate-Elektrode 33 des Schalters 19 verbunden. Eine Diode 20 und ein kapazitives Element 21, z. B. ein Kondensator, sind zwischen das induktive Element 15 und eine Referenzspannungsleitung 23 geschaltet. Eine elektrische Vorrichtung 24 ist an die Ausgangsanschlüsse 25, 26 der zweiten Wandlerstufe 3 angeschlossen.
Wenn beim Einschalten eine veränderliche Niederspannungsversorgung, z. B. eine Solarzelle, mit Eingangsanschlüssen 4 und 27 der Spannungswandlereinheit 1 verbunden ist und die Schalter 6, 7 geschlossen sind, wird das kapazitive Element 8 geladen, wobei eine kleine Spannung am Ausgangsanschluß 12 und am Oszillatorleistungseingang 14 entsteht. Die in den ersten Oszillator 13 eingegebene kleine Spannung führt zu einem impulsförmigen Signal am Einschalt-Ausgang 15 mit einem niedrigen Gate-Steuerspannungspegel V_c1, der das Mehrfache von 10 V haben kann, wobei der Schalter 6 mit einer Frequenz von beispielsweise 100 kHz periodisch geöffnet und geschlossen wird. Dies bewirkt einen periodischen Strom im Schalter 6, der zu einem ansteigenden Strom im induktiven Element 5 und im Ladekondensator 8 führt, der durch die Diode 11 gleichgerichtet wird, und führt zu einer steigenden Spannung am Versorgungsspannungsanschluß 12 und folglich am Leistungseingang 14 des ersten Oszillators 13. Dieser Effekt setzt sich fort, bis der Spannungspegel am Versorgungsanschluß 12 einen vorbestimmten Pegel erreicht hat, woraufhin der niederspannungsgesteuerte Schalter 6 deaktiviert (geöffnet) wird und der hochspannungsgesteuerte Schalter 7 vom Oszillatorausgang 16 gesteuert wird. Der zweite Schalter 7 wird mit einem Steuerspannungspegel V_c2 gesteuert, bis die Versorgungsspannung am Versorgungsspannungsanschluß 12 beispielsweise wenige Volt beträgt. Die Versorgungsspannung wird in die zweite Wandlerstufe 3 am zweiten Anschluß des induktiven Elements 28 und in den Leistungseingang 22 des zweiten Oszillators 17 eingegeben. Am Oszillatorausgang 18 wird ein pulsierendes Steuersignal erzeugt, das die Gate-Elektrode 33 des Schalters 19 steuert. Durch Ein- und Ausschalten des Schalters 19 wird die im induktiven Element 28 gespeicherte Energie an den Kondensator 21 übertragen, bis ein vorbestimmter Spannungspegel erreicht ist. Bei diesem vorbestimmten Spannungspegel, z. B. Spannungspegel zwischen 1,5 bis 12 V, wird der Schalter 19 geöffnet, so daß elektrische Energie im induktiven Element 28 gespeichert wird, um beim Schließen des Schalters 19 wieder freigegeben zu werden.
Da die Aufwärtsspannungswandlereinheit 1 ihre eigene Versorgungsspannung aus einer Ruhesituation erzeugt, wird der Aufwärtswandler selbststartend.

2 zeigt ausführlich die erfindungsgemäßen Bauelemente der Spannungswandlerstufe 2 und der zweiten Wandlerstufe 3. Die folgenden Bezugszeichen bedeuten:

T1:	Kleinleistungs-Logigpegel-MOSFET;
T2:	Schalt-MOSFET; Leistungs-MOSFET;
L1:	Schaltspule mit hoher Induktivität;
L4:	Schaltspule
D1, D2:	Gleichrichtdioden
C9, C21, C1:	elektrisch steuerbare Glättungskondensatoren (Elektrolytkondensator)
U1A–U1F; U1C:	Niederspannungsinverterschaltungen, hergestellt von Philips Electronics unter der Typenbezeichnung 74LV14;
T4:	bipolarer Schalttransistor;
D2, D4:	Schottky-Dioden;
C3:	relativ kleiner Kondensator.

Die zweite Wandlerstufe 3 arbeitet nach den bekannten Prinzipien des Gleichspannungswandlers, nach denen eine kleine fluktuierende Spannung V-solar am Eingang der Spule 28 in der Spule gespeichert wird, wenn der Schalt-MOSFET 19 geöffnet ist. Beim Schließen des Schalt-MOSFET 19 wird die Energie von der Spule 28 freigegeben und über eine Gleichrichterdiode 20 Glättungskondensatoren 21 zugeführt, was zu einer erhöhten Spannung an den Ausgangsanschlüssen 25, 26 führt. Um selbststartend zu sein, ist eine Spannungswandlerschaltung oder Aufwärtsschaltung 2 vorgesehen, wobei der Oszillator 13 aus einem aktiven Bauelement nach der Art von U_1C und U_1E Niederspannungsinverterports von Philips besteht. Die Inverterports können ihre Ausgangsspannungen mit einer Eingangsspannung V_cc von unter 0,4 V beim Einschalten erzeugen.
Bei niedrigen Versorgungsspannungen V_cc wird der Transistor T3 ausgeschaltet, und eine sehr niedrige Wechselspannung wird über den Einschalt-Ausgang 15 des Oszillators 13 an einen Koppelkondensator C₂ und von dort zur Basis 31 des Transistors T₄ geliefert. Eine Schottky-Diode D₄ wird als positive Klemme verwendet, so daß eine kleine Wechselspannung an der Basis 31 mit einer Offset-Spannung von 0,4 V auftritt. Die Solarzellenspannung beträgt etwa 0,4 V. Der Transistor T₄ geht bei einer Gate-Spannung von etwa 0,6 V in den leitenden Zustand, so daß die Gate-Spannung nur 0,2 V betragen muß, um den Transistor T₄ leitend zu machen. Es hat den Anschein, daß das oszillierende Inverter-Gate U_1C des Oszillators 13 genügend Energie liefern kann, um den Transistor T₄ leitend zu machen. Dies bewirkt einen periodischen Strom im Kollektor c des Transistors T₄. Da der Transistor T₄ mit einer Schaltspule mit einer relativ hohen Induktivität L₁ und mit einem relativ kleinen Kondensator C₃ gekoppelt ist, führt der periodische Strom im Kollektor c zu einer Wechselspannung an der Spule 5. Diese Wechselspannung wird durch die Schottky-Diode D₂ gleichgerichtet und erscheint am Versorgungsspannungsanschluß 12 und wird zur Versorgung der Niederspannungsinverter-Gates U_1C bis U_1F zurückgeführt. Immer wenn V_cc steigt, steigt der Spannungspegel am Einschalt-Ausgang 15 des Oszillators 13, was zu einer besseren Steuerung des Schalttransistors T₄ führt. Die richtige Steuerung des Transistors T₄ führt dazu, daß mehr Leistung in der Spule 5 gespeichert wird, was die Versorgungsanschlußspannung V_cc usw. erhöht. Am Ausgang 30 des Oszillators U_1C ist ein Koppelkondensator C₄ vorgesehen, der ein Niederspannungsinverter-Gate U_1E betreibt. Der Ausgang des Oszillators U_1E ist mit dem Steuer-Gate 32 des Kleinleistungs-Logikpegels des MOSFET T₁ verbunden. Der Koppelkondensator C₄ stellt sicher, daß sich der MOSFET T₁ am Anfang oder beim Einschalten phasengleich mit dem Transistor T₄ schaltet.
Wenn die Versorgungsspannung V_cc über den Schwellpegel des Logikpegel-MOSFET T₁ steigt, wird der Transistor T₃ leitend und zieht den Eingang des Oszillators U_1C auf Masse her unter, so daß der erste Transistor T₄ ausgeschaltet wird und der Logikpegel MOSFET T₁ übernimmt. Nun kann V_cc beispielsweise auf 3 V steigen, wobei die endgültige Leistungsumwandlung durch den Leistungs-MOSFET T₂ der zweiten Wandlerstufe 3 bis zu Spannungen erfolgt, die von 1,5 bis 12,0 V reichen. Wenn V_cc seinen gewünschten Endpegel erreicht, setzt der veränderliche Spannungspegel V-solar den Transistor T₅ in den leitenden Zustand und zieht den Eingang des Oszillators U_1F auf Masse herunter und deaktiviert dabei den Schalter T₂.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Niederspannungssolarwandlers mit einem Aufwärts-Gleichspannungswandler (mitunter auch als spannungserhöhender Zerhacker bezeichnet). Die Hauptbauelemente des Aufwärtswandlers sind:
Spule/Induktivität L₄; Halbleiterschalter T₄ und ergänzender N-Kanal-MOSFET T₂; Diode D₁ (Schottky ZHCS 750) und Kondensator/Kapazität in Form eines Elco C₂₃ mit hoher Kapazität, der den niedrigen Widerstand durch zusätzliche Kondensatoren C₁₉ und C₂₀ kompensiert. Der Halbleiterschalter T₄ steuert den Aufwärtswandler immer dann, wenn die Spannung zu niedrig ist, um den MOSFET-Schalter T₂ zu steuern. Der Schalter T₄ wird von einer Oszillatorschaltung gesteuert, wie in 3 durch ein gestricheltes Kästchen angezeigt. Der Ausgang des Oszillators ist mit dem Einschalt-Oszillatoranschluß des Aufwärtswandlers verbunden, wobei eine Schottky-Diode D₃ (ZHCS 750) der pulsierenden Spannung, die vom Oszillator erzeugt wird, die Ausgangsspannung der Solartafel 425a hinzufügt. Die resultierende Spannung wird der Basis von T₄ angeboten. Sobald die dem Aufwärtswandler angebotene Spannung so hoch ist, daß der MOSFET-Schalter T₂ arbeiten kann, wird der Oszillatorausgang über den Halbleiter T₃ der Oszillatorschaltung geerdet. Dann wird der MOSFET T₂ vom "N-Gate"-Ausgang des zentralen Mi kroprozessors 471 gesteuert, und ein weiterer P-Kanal-MOSFET T₁ wird vom "P-Gate"-Ausgang des Prozessors 471 gesteuert, um die Schottky-Diode D₁ abzulösen. Das P- und N-Gate des Prozessors 471 sind softwaregesteuert. Auf diese Weise entsteht ein besonders vorteilhafter Aufwärtswandler. Die alternative Verwendung der Halbleiterschalter T₄ und T₂ stellt ein zusammengesetzten Aufwärtswandler-Register dar, das eine optimale Charakteristik sowohl für niedrige Spannung als auch für höhere Spannung hat. Die Einbeziehung der Schottky-Diode D₃ ermöglicht es, der Basis des Niederspannungshalbleiterschalters T₄ eine möglichst hohe Spannung anzubieten. Der zusätzliche MOSFET-Schalter T₁, der parallel zur Diode D₁ geschaltet ist, ermöglicht die Beseitigung der Verluste, die normalerweise bei solchen Dioden wie etwa D₁ auftreten.
4 zeigt die Eingangs- und Ausgangsspannungen V₁, V₀ der Inverterports U_1C und U_1E, die die Schmitt-Trigger-Inverterports invertieren. Im allgemeinen ist bei einer Versorgungsspannung V_cc von 1 V die Abfallschwelle V_T1 etwa 0,5 V, wobei die Anstiegsschwelle V_T2 um das Mehrfache von 10 V höher ist. Die Ausgangsspannung V₀ wird auf ein Maximum der Versorgungsspannung V_cc begrenzt. Die Erfinder haben festgestellt, daß es bei Versorgungsspannungen V_cc unterhalb der Vorgabe des Herstellers einen Bereich des Inverterports unter V_T1 gibt, in dem bei einer niedrigen Versorgungsspannung V_cc dennoch eine Hysterese im Ausgangssignal vorliegt, so daß durch Rückführung des Ausgangssignals zum Eingang über den Widerstand R₂ ein Oszillator entstehen kann. Bei einer Versorgungsspannung V_cc von 0,4 V ist das Eingangssignal des Inverter-Gates U_1C in 5 gegeben mit einem Pegel von etwa 300 mV bei einer Frequenz von etwa 4 kHz.
In 6 ist das Ausgangssignal am Inverter-Gate U_1C mit einem Pegel von 400 mV bei einer Frequenz von etwa 20 kHz gegeben. Überraschenderweise ist es bei niedrigen Versorgungsspannungen V_cc und bei niedrigen Eingangspegeln unter der Abfallschwelle V_T1 entsprechend den Vorgaben dennoch möglich, einen Oszillator unter Verwendung des Inverter-Gates U_1C zu erhalten, so daß das Einschalten des Aufwärtswandlers mittels dieses Bauelements erfolgen kann.

Claims

Spannungswandlerschaltung (2) mit: – einem Eingangsanschluß (4) zum Verbinden mit einer veränderlichen Spannungs- oder Stromquelle und einem Ausgangsanschluß (12) mit einer Versorgungsspannung, – einem induktiven Element (5), von dem ein erster Anschluß mit dem Eingangsanachluß und ein zweiter Anschluß mit einem kapazitiven Element (8) und dem Ausgangsanschluß (12) verbunden ist, wobei das kapazitive Element (8) einen Anschluß mit einer Referenzspannung (9) verbunden hat, – einem ersten Schalter (6), von dem ein erster Anschluß mit dem zweiten Anschluß des induktiven Elements (5) und ein zweiter Anschluß mit der Referenzspannung (9) verbunden ist, wobei der erste Schalter (6) eine erste Gate-Elektrode (31) zum Öffnen und Schließen des ersten Schalters aufweist, wenn eine Steuerspannung mit einem ersten Pegel an die erste Gate-Elektrode (31) angelegt wird; – einem ersten Oszillator (13), der aufweist: einen Stromeingang (14), der mit dem Ausgangsanschluß (12) verbunden ist, einen Einschalt-Ausgang (15), der mit der ersten Gate-Elektrode (31) des ersten Schalters (6) verbunden ist, um ein impulsartiges Signal an die erste Gate-Elektrode (31) zu liefern, und einen Oszillatorausgang (16) und – einem parallel zu dem ersten Schalter (6) geschalteten zweiten Schalter (7), wobei eine zweite Gate-Elektrode (32) des zweiten Schalters mit dem Oszillatorausgang (16) verbunden ist, wobei der erste Schalter (6) geöffnet bleibt, wenn die Versorgungsspannung an dem Ausgangsanschluß (12) einen vorbestimmten Pegel erreicht, und der zweite Schalter (7) durch den Oszillatorausgang (16) auf einem zweiten Spannungspegel betätigt wird, welcher höher als der erste Spannungspegel ist, gekennzeichnet dadurch, daß der erste Oszillator (13) Niederspannungsumkehranschlüsse aufweist, die fähig sind, Ausgangsspannungen für den Einschalt-Ausgang (15) zu erzeugen, wenn der Stromeingang (14) eine Eingangsspannung von unter 0,4 V empfängt, und daß eine Klemmdiode (D₄) zwischen den zweiten Anschluß des induktiven Elements (5) und die erste Gate-Elektrode (31) geschaltet ist.
Spannungswandlerschaltung (2) nach Anspruch 1, wobei der erste Schalter (6) einen Bipolartransistor (T₄) aufweist und der zweite Schalter (7) einen Feldeffektransistor (T₁) aufweist.
Spannungswandlerschaltung (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ausgang (15) des Oszillators (13) über ein jeweiliges kapazitives Element (C₂) mit der ersten Gate-Elektrode (31) verbunden ist.
Spannungswandlereinheit (1), die eine Spannungswandlerschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei eine zweite Wandlerstufe (3) mit einem induktiven Element (28) vorgesehen ist, dessen erster Anschluß mit der veränderlichen Spannungsquelle verbunden werden kann und dessen zweiter Anschluß mit einem ersten Anschluß (25) eines elektrischen Elements, wie etwa einem Akku, verbunden werden kann, wobei das elektrische Element (24) mit einem zweiten Anschluß (26) mit der Referenzspannung (23) verbunden ist, wobei ein dritter Schalter (19) zwischen den zweiten Anschluß des induktiven Elements (28) und die Referenzspannung (23) geschaltet ist und mit einer Gate-Elektrode (33) mit einem Oszillatorausgang (18) eines zweiten Oszillators (17) verbunden ist, wobei der Ausgangsanschluß (12) der Spannungswandlerschaltung (2) mit dem zweiten Anschluß des induktiven Elements (28) der zweiten Wandlerstufe (3) und mit einem Stromeingang (22) des zweiten Oszillators (17) verbunden ist.
Spannungswandlereinheit (1) nach Anspruch 4, wobei der dritte Schalter (19) einen MOSFET mit mehreren Drains und mehreren Sources aufweist.
Spannungswandlereinheit (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das zweite induktive Element (28) mit seinem zweiten Anschluß über eine Diode (20) mit dem elektrischen Element (24) verbunden ist, wobei der erste Anschluß des elektrischen Elements (24) über ein kapazitives Element (21) mit der Referenzspannung (23) verbunden ist.