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Die
Erfindung betrifft eine Ladungspumpe zum Erzeugen einer ersten Ausgangsspannung
zwischen einem ersten Ausgangsanschlusspunkt und einem Bezugsanschlusspunkt
und einer zweiten Ausgangsspannung zwischen einem zweiten Ausgangsanschlusspunkt
und dem Bezugsanschlusspunkt, wobei die Ladungspumpe weiterhin umfasst:
einen ersten Eingangsanschlusspunkt zum Einspeisen einer Gleichspannung,
einen ersten Speicherkondensator, der zwischen dem ersten Ausgangsanschlusspunkt
und dem Bezugsanschlusspunkt geschaltet ist, und einen zweiten Speicherkondensator,
der zwischen dem zweiten Ausgangsanschlusspunkt und dem Bezugsanschlusspunkt
geschaltet ist.
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Ladungspumpen
werden sehr häufig
in tragbaren Vorrichtungen eingesetzt, die aus einer Quelle in der Art
einer Batterie gespeist werden. Sie stellen üblicherweise an ihrem Ausgang
Gleichspannungen bereit, deren Größe von einer Eingangsgleichspannung
abhängt.
Ladungspumpen umfassen Kondensatoren und Schalter, wobei ein EIN-
oder AUS-Zustand jedes Schalters durch Binärsignale gesteuert wird, die
von einem durch ein periodisches Taktsignal angesteuerten Zähler/Decoder
erzeugt werden.
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Die
US-A 5,237,209 beschreibt
eine Ladungspumpe, die eine bipolare Spannungsausgangsleistung erzeugt,
die 11 Schalter und 4 Kondensatoren umfasst. Zwei der Kondensatoren
werden als Speichervorrichtungen für die Ausgangsspannungen eingesetzt.
Die anderen zwei Kondensatoren werden über die Schalter periodisch
mit den Eingangsspannungsanschlusspunkten und Ausgangsanschlusspunkten
verbunden. Die Reihenfolge, in der die Schalter EIN oder AUS sind,
wird durch einen Zähler
bestimmt, wobei der Zähler
durch ein periodisches Binärsignal,
d. h. den Taktgeber angesteuert wird. Am Schaltungseingang wird
eine Gleichspannung V angelegt. Die Schaltung kann eine bipolare
Ausgangsspannung erzeugen, die im Wesentlichen gleich dem Doppelten
der Eingangsspannung V ist, d. h. sie erzeugt die Ausgangsspannungen
+2 V und –2
V. Es wird bemerkt, dass es Vorrichtungen, wie z. B. Anzeigen, gibt,
die mit einer unsymmetrische Spannung, wie z. B. –V, +2 V,
versorgt werden müssen,
die dennoch kostengünstig
sind und möglichst
eine geringe Fläche innerhalb
eines Chips einnehmen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Ladungspumpe
bereitzustellen, die eine symmetrische oder unsymmetrische bipolare
Spannung erzeugt.
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Erfindungsgemäß wird dies
in einer Vorrichtung wie im einleitenden Absatz beschrieben erreicht,
wobei die Ladungspumpe weiterhin umfasst:
- – einen
ersten Anschlusspunkt und einen zweiten Anschlusspunkt zum Verbinden
eines Pumpenkondensators mit einem ersten Tripel von Schaltern und
einem zweiten Tripel von Schaltern,
- – wobei
das erste Tripel von Schaltern den ersten Anschlusspunkt selektiv
entweder mit dem ersten Eingangsspannungsanschlusspunkt oder dem
Bezugsanschlusspunkt oder dem zweiten Ausgangsspannungsanschlusspunkt
verbindet,
- – wobei
das zweite Tripel von Schaltern den zweiten Anschlusspunkt selektiv
entweder mit dem ersten Eingangsspannungsanschlusspunkt oder dem
Bezugsanschlusspunkt oder dem ersten Ausgangsspannungsanschlusspunkt
verbindet.
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Es
wird bemerkt, dass die notwendige Gesamtzahl von Schaltern 6, das
heißt
wesentlich geringer als die Schalterzahl nach dem Stand der Technik,
ist. Weiterhin umfasst die Ladungspumpe nur 3 Kondensatoren statt
4. Zwei Kondensatoren werden als Speichervorrichtungen für die Ausgangsspannungen
eingesetzt, und einer wird zum Erzeugen der Ausgangsspannungen eingesetzt.
Durch den Einsatz von weniger Kondensatoren und Schaltern ist die
erfindungsgemäße Ladungspumpe
billiger und nimmt, wenn sie integriert ist, weniger Fläche ein
als die Schaltung nach dem Stand der Technik.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird periodisch ein Vektor von Signalen erzeugt, wobei
eine Periode durch das periodische Bezugssignal gesteuert wird.
Ein Zyklus zum Erzeugen bipolarer, symmetrischer oder unsymmetrischer
Spannungen ändert
sich von einer Konstruktion zur anderen nicht, und daher werden
die Spannungen mit der gleichen Effektivität erzeugt. Die Schalter könnten vom
elektromagnetischen Typ, durch ein Strahlungssignal gesteuerte Phototransistoren,
durch Spannungen oder Ströme
gesteuerte bipolare Transistoren, durch Spannungen gesteuerte CMOS-Transistoren sein.
Man würde
einen Schaltertyp oder einen anderen abhängig von einer spezifischen
Anwendung auswählen.
Zum Beispiel ist es für
tragbare Handgeräte
wünschenswert,
einen kleinen Spannungsgenerator zu haben, der möglichst in den gleichen Chip wie
die gespeiste Vorrichtung integriert ist. Daher könnte eine
mögliche
Lösung
der Einsatz von CMOS-Transistoren sein, die leicht integrierbar
waren.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird eine erfindungsgemäße Ladungspumpe in einem Versorgungssystem
eingesetzt. Das Versorgungssystem umfasst die Ladungspumpe, die
mit einer Flüssigkristallanzeige
verbunden ist, wobei die Anzeige über die erste Ausgangsspannung
und die zweite Ausgangsspannung gespeist wird. Das Versorgungssystem
ist recht flexibel, da es sowohl bipolare symmetrische als auch
bipolare unsymmetrische Ausgangsspannungen bereitstellen könnte und
leicht an verschiedene Arten von Anzeigen anpassbar wäre, da die
Ausgangsspannungen leicht an jeden der Ausgänge bereitgestellt werden könnten, d.
h. die erste Ausgangsspannung könnte
entweder positiv oder negativ sein und eine Spannungsgröße von entweder
V oder 2 V aufweisen.
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Die
vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind
der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen zu entnehmen,
in denen:
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1 ein
detailliertes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ladungspumpe darstellt,
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2 ein
erfindungsgemäßes Versorgungssystem
darstellt.
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1 stellt
ein detailliertes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ladungspumpe dar.
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Die
Ladungspumpe 1 erzeugt eine erste Ausgangsspannung Vo1
zwischen einem ersten Ausgangsanschlusspunkt E und einem Bezugsanschlusspunkt
D und eine zweite Ausgangsspannung Vo2 zwischen einem zweiten Ausgangsanschlusspunkt
F und dem Bezugsanschlusspunkt D. Die Spannungen haben unterschiedliche
Vorzeichen, d. h. eine ist negativ und die andere ist positiv. Die
Ladungspumpe 1 umfasst weiterhin einen ersten Eingangsanschlusspunkt
C zum Einspeisen einer Gleichspannung V. Die Ladungspumpe 1 schließt einen
ersten Speicherkondensator Cr1, der zwischen dem ersten Ausgangsanschlusspunkt
E und dem Bezugsanschlusspunkt D geschaltet ist, und einen zweiten
Speicherkondensator Cr2, der zwischen dem zweiten Ausgangsanschlusspunkt
F und dem Bezugsanschlusspunkt D geschaltet ist, ein. Die Ladungspumpe 1 schließt auch
einen ersten Anschlusspunkt A und einen zweiten Anschlusspunkt B
zum Verbinden eines Pumpenkondensators Cp mit einem ersten Tripel
von Schaltern S1, S2, S5 und einem zweiten Tripel von Schaltern
S3, S4, S6 ein. Das erste Tripel von Schaltern S1, S2, S5 verbindet
den ersten Anschlusspunkt A selektiv entweder mit dem ersten Eingangsanschlusspunkt
C oder dem Bezugsanschlusspunkt D oder dem zweiten Ausgangsanschlusspunkt
F. Das zweite Tripel von Schaltern S3, S4, S6 verbindet den zweiten
Anschlusspunkt B selektiv entweder mit dem ersten Eingangsanschlusspunkt
C oder dem Bezugsanschlusspunkt D oder dem ersten Ausgangsanschlusspunkt
E. Ein Phasengenerator/-decoder 10 erzeugt einen Vektor
von Signalen P (Phase), synchronisiert mit einem periodischen Bezugssignal
Ck, wobei der Vektor von Signalen einen Zustand der Schalter, d.
h. EIN oder AUS, steuert. Die Ladungspumpe 1 erzeugt eine
der Kombinationen (–V,
2 V), (–2
V, 2 V), (–V,
V), (V, –V),
(2 V, –2
V), (2 V, –V)
für die
erste Ausgangsspannung Vo1 bzw. die zweite Ausgangsspannung Vo2.
Es wird bemerkt, dass die Ladungspumpe 1 nur 3 Kondensatoren
Cp, Cr1 und Cr2 einsetzt, d. h. einen weniger als nach dem erwähnten Stand
der Technik. Weiterhin ist die Gesamtzahl der Schalter 6,
d. h. geringer als nach dem erwähnten
Stand der Technik. Daher bietet die Ladungspumpe 1 der vorliegenden
Anmeldung eine billigere Lösung
als die nach dem erwähnten
Stand der Technik eingesetzte. Der Phasengenerator/-decoder 10 erzeugt
einen Vektor von Signalen mit vier Bestandteilen, d. h. Phase 1,
Phase 2, Phase 3 und Phase 4.
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In
Tabelle 1 ist die Schaltfolge der Schalter zusammengestellt.
| Vo2 | Vo1 | Phase
1 | Phase
2 | Phase
3 | Phase
4 |
| –V | +2
V | S2,
S3 | S1,
S4 | S2,
S3 | S5,
S6 |
| –2V | +2
V | S2,
S3 | S1,
S4 | S2,
S4 | S5,
S6 |
| –V | +V | S2,
S3, S4 | S5,
S6 | S2,
S3, S4 | S5,
S6 |
| +V | –V | S1,
S5, S6 | S2,
S4 | S1,
S5, S6 | S2,
S4 |
| +2
V | –2 V | S1,
S6 | S3,
S5 | S5,
S6 | S2,
S4 |
| +2
V | –V | S1,
S6 | S3,
S5 | S1,
S6 | S2,
S4 |
Tabelle
1
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In
Tabelle 1 sind in jeder Zeile die Spannungswerte der ersten Ausgangsspannung
Vo1 und der zweiten Ausgangsspannung Vo2 angegeben. In jeder Spalte
von Tabelle 1 ist angegeben, welche der Schalter in einem EIN-Zustand
sind, wobei alle anderen Schalter in einem AUS-Zustand sind. Lassen
Sie uns erwägen, dass
wir Vo1 = +2 V und Vo2 = –V
erreichen wollen. Aus Tabelle 1 ergibt sich, dass der erste Bestandteil
des Vektors von Signalen Phase 1 die Schalter S2 und S3 in einen
EIN-Zustand befiehlt.
Es folgt, dass der Pumpenkondensator Cp mit einer Spannung V geladen
wird, die am Anschlusspunkt B ein Plus und am Anschlusspunkt A ein
Minus aufweist. Wenn der zweite Bestandteil des Vektors von Signalen
Phase 2 angelegt wird, gehen die Schalter S1 und S4 in einen EIN-Zustand über. Daher
wird die erste Ausgangsspannung Vo1 +2V, wobei die Spannung im ersten
Speicherkondensator Cr1 gespeichert wird. Das Signal Phase 3 bestimmt,
dass die Schalter S2 und S3 in einen EIN-Zustand übergehen, wobei der Pumpenkondensator
in der gleichen Weise geladen wird wie bei dem Signal Phase 1. Schließlich, wenn
das Signal Phase 4 angelegt wird, gehen die Schalter S5 und S6 in
einen EIN-Zustand über,
und die Spannung über
dem zweiten Speicherkondensator Cr2 ist –V. Der Vorgang wird mit einem
weiteren Zyklus Phase 1 Phase 4 fortgesetzt und so weiter. Es wird
bemerkt, dass zu einem Zeitpunkt nur ein Bestandteil des Vektors
von Signalen Phase aktiv, d. h. in einem Zustand, der einen EIN-Zustand
eines Schalters bestimmt, ist. Die Steuersignale könnten unter
Einsatz einer Anordnung erzeugt werden, die einen mit einem Decoder
1 von 4 verbundenen Binärzähler umfasst,
wobei die Anordnung an sich bekannt ist.
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Jeder
Schalter weist einen Eingangsanschlusspunkt, einen Ausgangsanschlusspunkt
und einen Steueranschlusspunkt auf. Jeder Schalter könnte entweder
in einem EIN-Zustand oder einem AUS-Zustand sein. In einem EIN-Zustand
verbindet jeder Schalter den Ausgangsanschlusspunkt mit dem Eingangsanschlusspunkt.
In einem AUS-Zustand besteht keine Verbindung zwischen dem Ausgangsanschlusspunkt
und dem Eingangsanschlusspunkt. Der Zustand jedes Schalters wird
durch ein an den Steueranschlusspunkt angelegtes Steuersignal bestimmt.
Jeder Schalter könnte
vom elektromagnetischen Typ, durch eine Strahlung gesteuerte Phototransistoren,
durch Spannungen oder Ströme
gesteuerte bipolare Transistoren, durch Spannungen gesteuerte CMOS-Transistoren sein.
Abhängig
vom Schaltertyp könnte
das Steuersignal, das einen EIN-Zustand
bestimmt, entweder eine logische 1 oder logische 0 sein bzw. eine
logische 0 oder logische 1 einen AUS-Zustand des Schalters bestimmen.
Man würde
einen Schaltertyp oder einen anderen abhängig von einer spezifischen
Anwendung auswählen.
Zum Beispiel ist es für
tragbare Handgeräte
wünschenswert,
einen kleinen Spannungsgenerator zu haben, der möglichst in den gleichen Chip
wie die gespeiste Vorrichtung integriert ist. Daher könnte eine
mögliche
Lösung
der Einsatz von CMOS-Transistoren sein, die sich relativ leicht
integrieren lassen.
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Es
wird weiterhin bemerkt, dass der Vektor von Signalen Phase periodisch
erzeugt wird, wobei eine Periode durch das periodische Bezugssignal
Ck gesteuert wird. Diese Situation ist charakteristisch für einen Stoßbetrieb
der Ladungspumpe 1. Bei einem gesteuerten Betrieb unter
Einsatz bekannter Verfahren könnten mehrere
Parameter, wie z. B. Schaltstopp, Schaltfrequenz und Tastverhältnisänderung
gesteuert werden. In einer Schaltstoppsituation, wenn eine Ausgangsspannung
einen festgelegten Wert erreicht, werden die Schalter, die diesen
Ausgang laden, nicht länger
EIN geschaltet, bis die Ausgangsspannung niedriger wird als die festgelegte
Spannung. Die Ladungsübertragung
zwischen dem Pumpenkondensator Cp und den Speicherkondensatoren
Cr1, Cr2 hängt
von der Frequenz und Dauer des Vektors von Signalen Phase und daher
vom Taktgeber ab. Folglich wäre
durch das Steuern des Taktgebers des Phasengenerators/-decoders 10 die
Ladungsübertragung
steuerbar. Es könnte
ein Tastverhältnis
zwischen dem Laden des Pumpenkondensators Cp, d. h. Phase 1 und
Phase 3, und dem Entladen des Pumpenkondensators, d. h. Phase 2
und Phase 4, definiert werden. Dieser Parameter steuert auch die
Ladungsübertragung
zwischen dem Pumpenkondensator Cp und dem ersten Speicherkondensator
Cr1 und dem zweiten Speicherkondensator Cr2.
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Ladungspumpen,
die bipolare Spannungen erzeugen, werden z. B. auch in der
US-A-5,262,934 und der
US-A-5,461,557 offenbart.
Diese Ladungspumpen setzen 4 Kondensatoren, zwei Pumpenkondensatoren und
zwei Speicherkondensatoren und mehr Schalter als bei der vorliegenden
Erfindung ein. Daher haben sie einen höheren Preis und nehmen mehr
Chipfläche
ein als die erfindungsgemäße Ladungspumpe
1.
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Es
sollte darauf hingewiesen werden, dass Tabelle 1 zum Erzeugen des
Vektors von Signalen Phase für
die dort angegebenen Kombinationen von Ausgangsspannungen eingesetzt
werden könnte.
Dies könnte in
einer Vorrichtung realisiert werden, die zum Beispiel einen mit
einem Speicher verbundenen Zähler
umfasst, wobei der Speicher eine Darstellung von Tabelle 1 speichert.
Es wird weiterhin bemerkt, dass die Signalerzeugung gemäß Tabelle
1 in einem Softwareprogramm implementiert sein könnte. Das Programm könnte auf
einer Steuereinheit laufen, die den Vektor von Signalen Phase gemäß Tabelle
1 erzeugt. Es sollte betont werden, dass die Ausgangsspannungen
entweder positiv oder negativ sein könnten und die Ladungspumpe 1 bipolare Spannungen
erzeugt, die einander entweder gleich sind oder nicht. Folglich
könnte
die Ladungspumpe 1 sowohl in Anwendungen eingesetzt werden,
die eine Versorgung mit symmetrischer bipolarer Spannung verlangen,
und in Anwendungen, die eine Versorgung mit unsymmetrischer Spannung
verlangen.
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Eine
solche Situation ist in 2 dargestellt. Die Ladungspumpe 1 ist
mit einer Batterie 100 verbunden, wobei die Batterie 100 die
Spannung V erzeugt. Die Ladungspumpe 1 erzeugt die Ausgangsspannungen Vo1
und Vo2 zum Speisen einer Flüssigkristallanzeige 200,
wobei die Flüssigkristallanzeige 200 eine
unsymmetrische bipo lare Versorgungsspannung, d. h. +2 V und –1 V, benötigt. Es
wird bemerkt, dass, wenn eine Last der Ladungspumpe 1 symmetrische
bipolare Versorgungsspannungen benötigt, die in Tabelle 1 gefunden
werden könnten,
diese Spannungen unter Einsatz der erfindungsgemäßen Ladungspumpe erzeugt werden
könnten.
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Es
wird bemerkt, dass, abhängig
von der Logikschaltung, die eingesetzt wird, um die Tripel von Schaltern
zu steuern, die Ausgangsspannungen anders sein könnten als die in Tabelle 1
gezeigten, aber eine Leistungseffektivität der Ladungspumpe geringer
wäre. Zusätzliche
Spannungen, andere als die in Anspruch 3 beanspruchten, könnten unter
Einsatz von mehr Pumpenkondensatoren und Schaltern auf einfache
Weise erhalten werden. Weiterhin könnte, abhängig von einer Last, die in
Tabelle 1 beschriebene Ladefolge modifiziert werden, um an einem
jedem Ausgang der Ladungspumpe eine relativ konstante Spannung aufrechtzuerhalten.
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Es
wird angemerkt, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht auf die
hierin beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
ist. Ebenso wenig wird der Schutzumfang der Erfindung durch die
Bezugszeichen in den Ansprüchen
eingeschränkt.
Das Wort „umfasst" bzw. „umfassen" schließt andere
Teile als die in den Ansprüchen
genannten nicht aus. Das Wort „ein(e)" vor einem Element
schließt
eine Mehrzahl dieser Elemente nicht aus. Mittel, die Teil der Erfindung
sind, können
sowohl in Form eigens konstruierter Hardware oder in Form eines
zweckbestimmten Prozessors umgesetzt sein. Die Erfindung liegt in
jedem neuen Merkmal oder in jeder neuen Kombination von Merkmalen.