DE69020100T2

DE69020100T2 - Speiseschaltung für Gleichspannungsregler mit spannungserhöhender Schaltanordnung.

Info

Publication number: DE69020100T2
Application number: DE69020100T
Authority: DE
Inventors: Sergio Palara; Stefano Sueri
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics Inc
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1990-10-20
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2010-10-21
Also published as: EP0425039B1; JPH03180914A; EP0425039A3; KR910008925A; IT1236714B; US5142218A; EP0425039A2; DE69020100D1; IT8906614A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Speiseschaltung für Gleichspannungsregler mit spannungserhöhender Schaltungsanordnung.
Es sind Stromversorgungsschaltungen für Gleichspannungsregler mit einer heruntertransformierenden Schalteranordnung bekannt, deren Ausgangsspannung während einer Anlaufphase aus der Eingangsspannung des Reglers über eine Reihenschaltung gewonnen wird, die einen beträchtlichen Spannungsabfall ergibt, und deren Ausgangsspannung unter Betriebsbedingungen aus der Ausgangsspannung des Reglers erhalten wird. Beispiele für solche Schaltungen finden sich in der US-A-4717867 und der EP-A-167194.
Spannungsregler mit einer spannungserhöhenden Schalteranordnung werden generell mit einer integrierten Schaltung realisiert, deren Versorgungsgleichspannung Vcc üblicherweise vom Ausgang des Reglers selbst abgenommen wird. Da diese Spannung im eingeschwungenen Zustand praktisch einen höheren Wert als die Eingangsspannung Vin hat, kann die Schaltung effizienter arbeiten. Diese Art der Stromversorgung der integrierten Schaltung arbeitet zufriedenstellend, sofern die Ausgangsspannung in jedem Betriebszustand höher bleibt als der Minimalwert Vccm (Überschlagsschwelle des Reglers), den die Versorgungsspannung der integrierten Schaltung haben muß, um deren regulären Betrieb sicherzustellen. Im Augenblick des Einschaltens des Reglers und bis zur Stabilisierung der Ausgangsspannung auf ihren Betriebswert Vout > Vin, hat die Ausgangsspannung selbst einen Anfangswert Vouti, der um einen Wert niedriger als die Eingangsspannung Vin ist, welcher gleich dem Spannungsabfall VFD ist, der an den Anschlüssen einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Diode ist (welcher für eine Siliziumdiode etwa gleich 0,6 V ist); daher kann angenommen werden, daß der oben erwähnte effiziente Betrieb auch während der anfänglichen Anlaufphase sichergestellt ist, sofern die Bedingung Vin - VFD = Vouti ≥ Vccm erfüllt ist.
Einige integrierte Schaltungen werden jedoch mit Technologien hergestellt (wie beispielsweise die CMOS-Metall-Gate-Technologie), welche Überschlagsspannungen erfordern, die zwar kleiner sind als Vin, jedoch höher als die Differenz Vin - VFD, und die daher während der Anlaufphase keinen effizienten Betrieb sicherstellen.
Der Bereich der Erfindung bezieht sich darauf, eine Stromversorgungsregelschaltung zu schaffen, die auch dann getriggert werden kann, wenn eine Spannung Vccm höher als die Differenz Vin - VFD ist, sofern Vccm ≤ Vin ist.
Die erfindungsgemäße Speiseschaltung wird angewandt bei einem Gleichspannungsregler mit einer spannungserhöhenden Schalteranordnung und umfaßt einen integrierten Schalterkreis, dessen Versorgungsspannung im eingeschwungenen Zustand von einer Ausgangsspannung des Reglers abgenommen wird und der Stromimpulse an eine Induktivität liefert, wobei die an den Anschlüssen der Induktivität entstehenden Spannungsimpulse benutzt werden zur Erhöhung der Ladespannung eines Kondensators, und ist gekennzeichnet durch die Kombination von
- einem ersten Festkörperschalter und einem zweiten Festkörperschalter zur jeweiligen Verbindung einer Versorgungsklemme der vorgenannten integrierten Schaltung unmittelbar mit dem Eingangsanschluß oder dem Ausgangsanschluß des Reglers,
- einer über einen Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Reglers verbundene Steuereinheit zur Steuerung des ersten bzw. zweiten Schalters über einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluß, welcher:
- das Schließen des ersten Schalters im Moment des Einschaltens des Reglers bewirkt,
- das Öffnen des ersten Schalters und Schließen des zweiten Schalters bewirkt, wenn die Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluß des Reglers einen gegebenen Schwellenwert (Vout) erreicht, welcher den effizienten Betrieb der integrierten Schaltung sicherstellt.
Andere bevorzugte Ausführungsformen werden weiterhin in den Ansprüchen beschrieben.
Die Merkmale der Erfindung werden sich aus der folgenden Beschreibung einer exemplarischen, jedoch nicht einschränkenden Ausführungsform anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlicher, in denen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Spannungsreglers bekannten Typs zeigt;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Reglers zeigt;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Einheit S in Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Einheit T in Fig. 3 zeigt; und
Fig. 5 ein Beispiel einer Schaltung zeigt, welche die anhand der Figuren 2, 3 und 4 dargestellten Schaltungen enthält.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines bekannten Spannungsreglers, in welchem Vin die Eingangsspannung, Vout die Ausgangsspannung und CI eine integrierte Schaltung ist, die von der Ausgangsspannung Vout über den Eingang 5 gespeist wird. Sie enthält einen Festkörperschalter I, der unter Steuerung durch die Treiberschaltung D intermittierende Impulse der Eingangsspannung Vin an die Anschlüsse der Induktivität L liefert. Die den Anschlüssen L so zugeführten Spannungsimpulse entladen sich uber die Diode D auf den Kondensator C, so daß dessen Ladespannung Vout anwächst.
Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer Stromversorgungseinheit gemäß der Erfindung, bei welcher I1 einen Festkörperschalter darstellt, der eine Steuerelektrode aufweist, und I2 eine elektronische Komponente, die aus einer Diode oder einem weiteren Festkörperschalter mit einer Steuerelektrode besteht, und bei der S eine Steuereinheit darstellt, die über die Leitung 1 mit der Spannung Vin versorgt wird und die Ausgangsspannung Vout über die Leitung 6 bestimmt. Wenn der Regler eingeschaltet wird, bewirkt S das Schließen des Schalters I1 und hält ihn geschlossen, bis die Spannung Vout einen gegebenen Schwellenwert erreicht, bei dem der effiziente Betrieb von CI sichergestellt ist. An diesem Punkt bewirkt S das Öffnen von I1. Es bewirkt auch das gleichzeitige Schließen von I2, falls letzterer ein Schalter mit einer Steuerelektrode ist (während falls I2 eine Diode ist, diese automatisch leitend wird, sobald der Fall Vout > Vin auftritt).
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführung der Einheit S nach Fig. 2. Bei diesem Schaltbild wird angenommen, daß der Schalter I1 dergestalt ist, daß er schließt, wenn die Spannung an seiner Steuerelektrode kleiner als Vin ist, und öffnet, wenn sie höher ist. Wird der Regler eingeschaltet, dann hält die Einheit T ihren Ausgang 9 auf einem Spannungswert, der kleiner oder gleich Vin ist, solange die Diode Q sperrt. Sobald Q leitend wird, erhöht sich der Spannungswert am Ausgang 9 auf Vout; T fühlt das Anwachsen der Spannung auf der Leitung 9 auf den oben genannten Wert und schließt I2 über seinen Ausgang 8, falls I2 keine Diode ist.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für die Einheit T aus Fig. 3. Gemäß dem Diagramm liefert im Moment des Einschaltens die Einheit A über die Leitung 2 Leistung an B und legt gleichzeitig Spannung an den Ausgang 3, so daß I1 schließt. Zur gleichen Zeit gibt A über die Leitung 7 einen Haltebefehl an B. Bei Empfang dieses Befehls gibt B ein Haltesignal an den Ausgang 4, und dieses Signal hält den Schalter I1 geschlossen. Danach macht A seinen Ausgang 3 stromlos.
Wenn der Schaltregler im Schalterbetrieb zu arbeiten beginnt und Vout auf einen Wert steigt, der höher als Vin ist, dann steigt die Spannung auf der Leitung 9 mit Hilfe der Diode Q auf den Wert Vout, und demzufolge öffnet I1. Sobald A über die Leitung 3 fühlt, daß die Spannung auf der Leitung 9 auf den Wert Vout angewachsen ist, schaltet er ab und nimmt gleichzeitig über die Leitung 7 die Erregung von B weg. Sollte I2 keine Diode sein, dann sendet B, sobald er abgeschaltet ist, über die Leitung 8 ein Schließsignal an I2.
Zu diesem Zeitpunkt beginnt der spannungserhöhende Regler normal im eingeschwungenen Zustand zu arbeiten, die Versorgungsschaltung S wird abgeschaltet und nimmt daher in keinerlei Weise mehr am Gesamtenergieverbrauch teil.
Fig. 5 zeigt eine Schaltung, die aus den in den Figuren 2, 3 und 4 veranschaulichten Schaltungen aufgebaut ist und bei der die verschiedenen Komponenten sich folgendermaßen zuammensetzen:
Einheit A: aus den P-Kanal-MOS-Transistoren 10, 11, 16, 20 und 21 und den N-Kanal-MOS-Transistoren 15 und 19;
Einheit B: aus dem Widerstand R1, dem Doppelkollektortransistor 28, den N-Kanal-MOS-Transistoren 13, 14, 18, 22 und 23 und dem P-Kanal-Transistor 17;
Diode Q: aus dem Doppelkollektortransistor 27;
Schalter 1: aus dem N-Kanal-MOS-Transistor 24;
I1 und I2: aus den P-Kanal-MOS-Transistoren 12 bzw. 26.
In dem Moment, wo die Spannung Vin zugeführt wird, wird der Kondensator C1 entladen, und demzufolge wird die gesamte Spannung Vin als Vgs den Transistoren 16 und 21 zugeführt, die zu leiten beginnen.
Der Transistor 16 aktiviert den Transistor 15, der seinerseits den Transistor 12 aktiviert und demzufolge die Spannung Vin zum Eingang 5 von CI abzüglich des kleinen Spannungsabfalls Vds an den Klemmen von 12 gelangen läßt. Durch das Leitendwerden des Transistors 12 werden die Transistoren 10, 11 und 20 getriggert. Die Transistoren 21 und 20 tragen gemeinsam zum Aktivieren des Transistors 18 bei, welcher das Gate des Transistors 14 auf einen niedrigen Spannungswert hält; auf diese Weise wird der Transistor 13 dank des Transistors 11 leitend, und die gesamte Schaltung nimmt einen stabilen Zustand ein und behält diesen auch bei, wenn der Kondensator C geladen ist und die Transistoren 16 und 21 (und demzufolge auch der N-Kanal-MOS-Transistor 15) gesperrt werden.
Unter diesen Bedingungen ist der Transistor 26 abgeschaltet, da sein Gate mit dem des Transistors 18 verbunden ist, an dem ein hoher Spannungspegel liegt. Demzufolge wird Vcc der integrierten Schaltung von Vin aus über den leitenden Transistor 12 zugeführt, während der Transistor 26 gesperrt ist. Sobald der Regler normal zu arbeiten beginnt (und Vout somit auf einen höheren Wert als Vin angestiegen ist) schaltet der Transistor 12 aus, da seine Gate-Spannung über den Transistor 27 auf einen hohen Wert angewachsen ist und seine Drain-Spannung über den Transistor 26 auf einen etwas höheren Wert angestiegen ist (die Spannungen Vgate und Vdrain sind beide höher als Vsource).
Gleichermaßen sperrt die aus den Transistoren 10, 11 und 20 bestehende Spiegelschaltung; das Gate des Transistors 18 entlädt sich auf dem Transistor 28 und R1; der Transistor 26 wird leitend, und das Transistorpaar 14 und 19 wird aktiviert und sperrt das Transistorpaar 13 und 15.
Von diesem Moment an wird die Stromversorgung für die gesamte Schaltung von Vout geliefert abzüglich des kleinen Spannungsabfalls VDS an den Anschlüssen von 26.
Es sei bemerkt, daß dann, wenn erst die Stromversorgung von CI über 26 von Vout aus erfolgt, die Start-Schaltung keinen Strom mehr verbraucht.
Zahlreiche Abwandlungen, Ergänzungen oder Ersetzungen von Teilen mit anderen funktionell äquivalenten können bei der vorbeschriebenen Schaltung erfolgen, ohne daß dadurch der Erfindungsbereich verlassen würde.
Eine solche Abwandlung besteht in der Möglichkeit, den Transistor 26 durch eine Diode oder einen bipolaren Transistor oder einen MOS-Transistor zu ersetzen, wobei die beiden letztgenannten Vorschläge als Diodenschaltung ausgeführt werden. Bei diesem Ersatz kann die Leitung 8 entfallen, da die Ersatzkomponente in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, sobald die Spannung Vout auf einen Wert höher als Vin + VFD des Bauelementes selbst ansteigt.

Claims

1. Speiseschaltung für Gleichspannungsregler mit spannungserhöhender Schaltanordnung, bei welcher der Regler einen integrierten Schalterkreis (CI) aufweist, dessen Speisespannung im eingeschwungenen Zustand von einer Ausgangsspannung des Reglers abgenommen wird und der Stromimpulse an eine Induktivität (L) liefert, und an den Anschlüssen der Induktivität entstehende Spannungsimpulse zur Erhöhung der Ladespannung eines Kondensators (C) benutzt werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- ein erster Festkörperschalter (I1) und ein zweiter Festkörperschalter (I2) zur jeweiligen Verbindung einer Speiseklemme (5) des integrierten Schalterkreises (CI) unmittelbar mit dem Eingangsanschluß oder mit dem Ausgangsanschluß des Reglers, und

- eine Steuereinheit (S), die mit einem Eingangsanschluß (6) an den Ausgangsanschluß des Reglers angeschlossen ist und den ersten bzw. zweiten Schalter (I1 bzw. I2) über einen ersten bzw. einen zweiten Ausgangsanschluß (9 bzw. 10) steuert und

- das Schließen des ersten Schalters (I1) im Augenblick des Einschaltens des Reglers veranlaßt und

- das Öffnen des ersten Schalters (I1) und das Schließen des zweiten Schalters (I2) dann veranlaßt, wenn die Ausgangsspannung am Ausgangsanschluß des Reglers einen gegebenen Schwellwert (Vout) erreicht hat, bei dem der wirksame Betrieb des integrierten Schalterkreises (CI) sichergestellt ist.

2. Speiseschaltung für Gleichspannungsregler mit spannungserhöhender Schaltanordnung, bei welcher der Regler einen integrierten Schalterkreis (CI) aufweist, dessen Speisespannung im eingeschwungenen Zustand von einer Ausgangsspannung des Reglers abgenommen wird und der Stromimpulse an eine Induktivität (L) liefert, und bei welcher an den Anschlüssen der Induktivität entstehende Spannungsimpulse zur Erhöhung der Ladespannung eines Kondensators (C) benutzt werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- ein erster Festkörperschalter (I1) und ein zweiter Festkörperschalter (I2), die jeweils die Speiseklemmen des integrierten Schalterkreises (CI) mit dem Eingangs- bzw. Ausgangsanschluß des Reglers verbinden, wobei der zweite Schalter (I2) eine Diode ist,

- eine Steuereinheit (S), die über einen Eingangsanschluß (6) mit dem Ausgangsanschluß des Reglers verbunden ist und den ersten Schalter (I1) über einen Ausgangsanschluß (9) steuert und die

- das Schließen des ersten Festkörperschalters (I1) im Moment des Einschaltens des Reglers veranlaßt und

- das Öffnen des ersten Schalters (I1) dann veranlaßt, wenn die Spannung am Ausgangsanschluß des Reglers einen gegebenen Schwellwert (Vout) erreicht hat, bei dem der wirksame Betrieb des integrierten Schalterkreises (CI) sichergestellt ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalter (I1) derart ausgebildet ist, daß er schließt, wenn die Spannung an seiner Steuerelektrode niedriger als die Eingangsspannung (Vin) der Schaltung selbst ist, und öffnet, wenn dieselbe Spannung höher als die Eingangsspannung (Vin) ist, und daß die Steuereinheit (S) eine zwischen ihren Eingangsanschluß (6) und ihren ersten Ausgangsanschluß (9) geschaltete Diode (Q) und eine Baugruppe (T) enthält, die dann, wenn die Speiseschaltung eingeschaltet wird, den ersten Ausgangsanschluß (9) auf einem niedrigeren oder dem gleichen Spannungspegel wie die Eingangsspannung (Vin) hält, bis die Diode (Q) leitet, und die den zweiten Schalter (I2) schließt, sobald diese Diode (Q) leitend wird.

4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalter (I1) derart realisiert ist, daß er schließt, wenn die Spannung an seiner Steuerelektrode niedriger als die Eingangsspannung (Vin) der Schaltung selbst ist, und öffnet, wenn dieselbe Spannung höher als die Eingangsspannung (Vin) ist, und daß die Steuereinheit (S) eine zwischen ihren Eingangsanschluß (6) und ihren ersten Ausgangsanschluß (9) geschaltete Diode (Q) und eine Baugruppe (T) enthält, die beim Einschalten der Speiseschaltung die erste Ausgangsspannung (9) auf einem niedrigeren oder dem gleichen Pegel wie die Eingangsspannung (Vin) hält, bis die Diode (Q) leitet.

5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppe (T) eine erste Einheit (A) und eine zweite Einheit (B) aufweist, die mit dem ersten Ausgangsanschluß (9) der Steuereinheit (S) über einen ersten bzw. einen zweiten Ausgang (3 bzw. 4) und untereinander durch einen ersten und einen zweiten Leiter (2,7) verbunden sind und daß

- die erste Einheit (A), wenn sie angeschaltet wird:

- die zweite Einheit (B) über den ersten Leiter (2) speist,

- ihren mit dem ersten Ausgangsanschluß (9) der Steuereinheit (10) verbundenen Ausgangsanschluß (3) aktiviert und damit das Schließen des ersten Schalters (I1) veranlaßt,

- einen Haltebefehl über den zweiten Leiter (7) an die zweite Einheit (B) gibt,

- ihren mit dem ersten Ausgangsanschluß (9) der Steuereinheit (S) verbundenen Ausgangsanschluß (3) entaktiviert, nachdem sie den Haltebefehl an die zweite Einheit (B) abgegeben hat,

- und die zweite Einheit (B) bei Zuführung des Haltebefehls über dem zweiten Leiter (7) ein Signal an ihren mit dem ersten Ausgangsanschluß (9) der Steuereinheit (S) verbundenen Ausgang (4) abgibt, um den ersten Schalter (I1) geschlossen zu halten,

- daß die erste Einheit (A) sich entaktiviert, sobald sie über ihren mit dem ersten Ausgangsanschluß (9) der Steuereinheit verbundenen Ausgang (3) ein Anwachsen des Spannungspegels an diesem Anschluß auf den Wert (Vout), der vom Regler in dessen eingeschwungenem Zustand geliefert wird, fühlt, und gleichzeitig die zweite Einheit (B) über den zweiten Leiter (7) entaktiviert,

- und daß die zweite Einheit (B) bei ihrer Entaktivierung ein Schließsignal an den zweiten Schalter (I2) liefert.

6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppe (T) eine erste Einheit (A) und eine zweite Einheit (B) enthält, die über einen ersten bzw. einen zweiten Ausgang (3 bzw. 4) an den ersten Ausgangsanschluß (9) der Steuereinheit (S) angeschlossen sind und untereinander durch einen ersten und einen zweiten Leiter (2 bzw. 7) verbunden sind, und daß

- die erste Einheit (A), wenn sie eingeschaltet wird,

- die zweite Einheit (B) über den ersten Leiter (2) speist,

- ihren mit dem ersten Ausgangsanschluß (9) der Steuereinheit (S) verbundenen Ausgangsanschluß (3) aktiviert und damit das Schließen des ersten Schalters (I1) veranlaßt,

- über dem zweiten Leiter (7) einen Haltebefehl an die zweite Einheit (B) abgibt,

- und daß die zweite Einheit (B) auf Zuführung des Haltebefehls über den zweiten Leiter (7) hin ein Signal an ihren mit dem ersten Ausgangsanschluß (9) der Steuereinheit (S) verbundenen Ausgang (4) abgibt, um den ersten Schalter (I1) geschlossen zu halten,

- daß die erste Einheit (A) sich entaktiviert, sobald sie über ihren mit dem ersten Ausgangsanschluß (9) der Steuereinheit verbundenen Ausgang (3) ein Anwachsen des Spannungspegels an diesem Anschluß auf den Wert (Vout), der vom Regler in seinem eingeschwungenen Zustand geliefert wird, fühlt, und gleichzeitig die zweite Einheit (B) über den zweiten Leiter (7) entaktiviert.

7. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Schalter (I1,I2) durch P-Kanal-MOS-Transistoren gebildet werden.

8. Schaltung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (I2) ein MOS-Transistor ist, dessen Drain-Elektrode mit seiner Gate-Elektrode verbunden ist.