DE69423121T2

DE69423121T2 - Temperaturkompensierter Spannungsregler

Info

Publication number: DE69423121T2
Application number: DE69423121T
Authority: DE
Inventors: Sreeraman Venkitasubrahmanian; Stephen Wong
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-04-06
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2014-03-31
Also published as: EP0620514A2; DE69423121D1; EP0620514A3; EP0620514B1; JPH06309049A; US5519313A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Spannungsregler, präziser gesagt, auf einen temperaturkompensierten Spannungsregler, welcher aus einer hohen Eingangsspannung eine niedrige Ausgangsspannung vorsehen kann.
Spannungsregelkreise werden derzeit dazu verwendet, eine stabilisierte Versorgungsspannung bei vielen verschiedenartigen Schaltkreisen und für verschiedene Einsatzmöglichkeiten integrierter Schaltungen vorzusehen. In U. S. Patent Nr. 5 023 543 und 4 792 749 sowie in der Europäischen Patentschrift Nr. 0 183 185 sind mehrere unterschiedliche Spannungsregelkreise dargestellt. Die Regelkreise nach dem Stande der Technik weisen jedoch etliche Nachteile auf, wie zum Beispiel: sie verfügen nicht über die Möglichkeit, bei extrem hohen Eingangsspannungen zu arbeiten; übermäßige Schaltungskomplexität und übermäßiger Aufwand; es kann keine automatische Erzeugung der Gittervorspannung und kein Selbstanlauf vorgesehen werden; Instabilität; hoher Energieverbrauch; Verwendung von Bauelementen, welche zu integrieren mit Schwierigkeiten und hohem Kostenaufwand verbunden ist.
Folglich wäre es wünschenswert, einen Spannungsregler vorzusehen, welcher bei extrem hohen Eingangsspannungen arbeiten kann, welcher auf einfache Weise und kostengünstig herzustellen ist und welcher eine hohe Leistung bei einem einfachen und kompakten Schaltungsaufbau vorsieht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen temperaturkompensierten Spannungsregler vorzusehen, welcher über die Möglichkeit verfügt, aus einer sehr hohen Eingangsspannung eine niedrige Ausgangsspannung vorzusehen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spannungsregler vorzusehen, welcher eine hohe Leistung bei einem geringen Energieverbrauch garantiert und über die Möglichkeit ver fügt, eine automatische Erzeugung der Gittervorspannung und einen Selbstanlauf bei einem stabilen, kompakten und wirtschaftlichen Aufbau vorzusehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben durch einen neuen, temperaturkompensierten Spannungsregler gelöst, welcher einen Spannungspuffer aufweist, um eine hohe Eingangsspannung aufzunehmen und eine niedrige Ausgangsspannung vorzusehen, sowie einen Spannungsgenerator zur Erzeugung einer Referenzspannung vorsieht, welcher zwischen dem Niederspannungsausgang des Spannungspuffers und einem Eingang eines Stromspiegels geschaltet ist, wobei der Ausgang des Stromspiegels an einen Steuereingang des Puffers und über einen Widerstand an den Niederspannungsausgang des Spannungspuffers gekoppelt ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Spannungspuffer durch einen Feldeffekttransistor, wie zum Beispiel einen JFET oder einen MOSFET vom Verarmungstyp, dargestellt, und der Spannungsgenerator ist durch eine Reihenschaltung aus einer Zener-Diode und zumindest einer pn-Flächendiode vorgesehen. Der Stromspiegel, welcher den Spannungsgenerator mit dem Steuereingang des Feldeffekttransistors und mit dem Widerstand verbindet, besteht aus einem diodengeschalteten Transistor, dessen Steuerelektrode an den Spannungsgenerator und ebenfalls an die Steuerelektrode eines zweiten Transistors gekoppelt ist, dessen Ausgang mit dem Widerstand und dem Steuereingang des Spannungspuffers verbunden ist.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dient die Reihenschaltung aus der Zener-Diode und zumindest einer Flächendiode nicht nur als Spannungsgenerator, sondern, indem die Schaltung so ausgelegt wird, dass der effektive Temperaturkoeffizient der Diodenreihenschaltung (einschließlich des diodengeschalteten Stromspiegeltransistors) praktisch Null ist, ebenfalls als Temperaturausgleichsmechanismus dient.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 - zum Teil ein Schaltschema und zum Teil ein Blockschaltbild eines temperaturkompensierten Spannungsreglers gemäß der Erfindung; sowie
Fig. 2 - ein Schaltschema eines temperaturkompensierten Spannungsreglers gemäß der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt zum Teil als Schaltschema und zum Teil als Blockschaltbild einen temperaturkompensierten Spannungsregler 10. Der Spannungsregler 10 weist einen Spannungspuffer 20 mit einem Hochspannungseingang HVIN, einem Steuereingang V0 und einem Niederspannungsausgang VREG auf. Zwischen dem Niederspannungsausgang des Spannungspuffers und einem Eingang eines Stromspiegels 24 ist ein Spannungsgenerator 22 zur Erzeugung einer Referenzspannung geschaltet. Der Stromspiegel weist ebenfalls einen gemeinsamen Anschluss, typischerweise Masse, sowie einen Ausgang auf, welcher an den Steuereingang VG des Spannungspuffers 20 gekoppelt ist. Die Anordnung von Fig. 1 wird durch einen Widerstand RL geschlossen, welcher den Ausgang des Stromspiegels 24 mit dem Niederspannungsausgang VREC verbindet, wobei die geregelte Ausgangsspannung zwischen dem Niederspannungsausgang VREG des Spannungspuffers und dem gemeinsamen Anschluss (Masse) erzeugt wird.
Fig. 2 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Spannungsreglers in schematischer Form dar. Der Spannungspuffer des Spannungsreglers 10 wird in Fig. 2 durch einen Sperrschichtfeldeffekttransistor (JFET) 30 gebildet, dessen Hauptstrombahn zwischen dem Hochspannungseingang HVIN und dem Niederspannungsausgang VREG geschaltet ist. Der Spannungsgenerator weist eine Reihenschaltung einer Zener-Diode 32 und zumindest einer (in diesem Falle drei) pn-Flächendiode 34, 36, 38 auf. Die Diode 38 ist durch Anschluss an den Kollektor und die Basis des diodengeschalteten Transistors 40, dessen Emitter an Masse gelegt ist, an den Stromspiegel gekoppelt, wobei der Ausgang des Stromspiegels am Kollektor eines Transistors 42 an das Gate eines Puffertransistors 30 (VG) angeschlossen ist. Die Basis von Transistor 42 ist mit der Basis von Transistor 40 verbunden, und der Emitter von Transistor 42 ist an Erde gelegt. Die Schaltungsanordnung wird durch Ankopplung des Kollektors von Transistor 42 und des Gates von Transistor 30 (VG) über einen Lastwiderstand 44 (RL) an den Niederspannungsausgang VREG geschlossen. Obgleich der Wert von Widerstand RL nicht kritisch ist, handelt es sich typischerweise um einen hochohmigen Wert, wie zum Beispiel 100 kOhm, um den Energieverbrauch zu minimieren.
Die Stärke der geregelten Ausgangsspannung VREG wird durch geeignete Wahl der Zener-Spannung von Zener-Diode 32 und durch Wahl der Anzahl reihengeschalteter, zwischen Zener-Diode 32 und Transistor 40 gekoppelter Dioden bestimmt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Zener-Diode 32 eine Zener-Spannung von 9,5 Volt auf, wobei zwischen Zener-Diode und diodengeschaltetem Transistor 40 drei pn- Dioden (34, 36 und 38) geschaltet sind. Somit entspricht in diesem Ausführungsbeispiel die geregelte Ausgangsspannung VREC bei einer gesamten, geregelten Ausgangsspannung von etwa 12,3 Volt einer Spannung von 9,5 Volt plus insgesamt vier Spannungsabfällen von jeweils etwa 0,7 Volt in Durchlassrichtung (d. h. den Spannungsabfällen an pn-Dioden 34, 36 und 38 zuzüglich des Spannungsabfalles an dem diodengeschalteten Transistor 40). Überdies beträgt der Wert: für den Temperaturkoeffizienten der Zener-Diode in diesem Ausführungsbeispiel etwa. +8 mV/ºC, während jede pn-Flächendiode einen Temperaturkoeffizienten von circa -2 mV/ºC aufweist. Der effektive Temperaturkoeffizient der drei pn- Dioden zuzüglich des diodengeschalteten Transistors ist daher etwa -8 mV/ºC, wobei somit der +8 mV/ºC-Temperaturkoeffizient der Zener-Diode im Wesentlichen auf eine erste Ordnung abgeglichen und ein effektiver Temperaturkoeffizient von Null vorgesehen wird. Selbstverständlich können in Übereinstimmung mit den Zielen, eine gewünschte Ausgangsspannung in Verbindung mit einem Nullpunkt-Temperaturkoeffizienten erster Ordnung vorzusehen, auch weitere Kombinationen aus Zener-Diodenspannung, Temperaturkoeffizienten und Anzahlen von pn-Flächendioden verwendet werden.
Bei Betrieb wird an den Hochspannungseingang HVIN eine hohe Eingangsspannung (in Abhängigkeit des Aufbaus des Puffertransistors 30 bis etwa 500 Volt) angelegt. Der Transistor 30 wirkt sodann als Leiter, wodurch bewirkt wird, dass Strom durch die reihengeschalteten Dioden 32, 34, 36 und 38 und den diodengeschalteten Transistor 40 des Stromspiegels zur Masse fließt. Die Spannungsabfälle an diesen Bauelementen erzeugen an dem Niederspannungsausgang VREG eine Ausgangsspannung von etwa 12 Volt gegenüber Erde. Zudem wird der in den Transistor 40 fließende Strom durch den Stromspiegel reflektiert, um einen proportionalen Stromfluss durch Widerstand 44 und Transistor 42 zu bewirken. Dieser Stromfluss durch Widerstand 44 erzeugt am Gate von Puffertransistor 30 eine Gatespannung VG, welche der geregelten Ausgangsspannung abzüglich des, durch den durch Widerstand 44 fließenden Strom hervorgerufenen Spannungsabfalles entspricht. Sollte die geregelte Ausgangsspannung VREG die Tendenz haben, über ihren Nennwert hinaus zu steigen, nimmt der Strom durch die reihengeschalteten Dioden und in den Stromspiegel zu, wodurch der reflektierte Strom in Widerstand 44 ebenfalls zunimmt. Hierdurch wird wiederum ein größerer Spannungsabfall an Widerstand 44 hervorgerufen, wodurch die dem Puffertransistor 30 zugeführte Gatespannung VG reduziert wird. Die Leitfähigkeit von Transistor 30 nimmt sodann ab, was in einer Reduzierung der Stützung der geregelten Aus gangsspannung gegenüber dem Nennwert resultiert. Bei Abfallen der Ausgangsspannung unter den Konstantnennwert nimmt der Strom durch die reihengeschalteten Dioden und in den Stromspiegel ab, was eine Abnahme gleicher Größe in dem reflektierten Strom durch Widerstand 44 bewirkt und einen Anstieg der Gatespannung zu Transistor 3 sowie einen Anstieg der Ausgangsspannungsstützung gegenüber dem Konstantnennwert zur Folge hat, wodurch eine effektive Spannungsregelung vorgesehen wird.
Trotz seiner Einfachheit bietet der in Fig. 2 dargestellte Schaltkreis mehrere wichtige Vorteile gegenüber komplexeren Schaltkreisen nach dem Stande der Technik. Der Schaltkreis sieht sowohl einen Selbstanlauf als auch eine automatische Erzeugung der Gittervorspannung und damit eine zuverlässige Leistungsfähigkeit vor und verfügt über die Möglichkeit, bei entsprechender Wahl des Puffertransistors 30 Eingangsspannungen bis zu 500 Volt zu verarbeiten. Des Weiteren verfügt der offenbarte Schaltkreis trotz seiner Einfachheit über die Möglichkeit, eine gewünschte, geregelte Ausgangsspannung nebst gutem Temperaturausgleich vorzusehen. Zudem ist der Schaltkreis bezeichnend für einen geringen Energieverbrauch und bietet auf Grund seiner Einfachheit die zusätzlichen Vorteile der Stabilität, Kompaktheit und Wirtschaftlichkeit und kann unter Anwendung konventioneller Technologie integrierter Schaltungen auf einfache Weise hergestellt werden.
Obgleich die Erfindung besonders in Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt und gewünscht wird, versteht es sich für Fachkundige von selbst, verschiedene Änderungen in Form und Detail vorzunehmen, ohne dabei von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Somit kann zum Beispiel ein Puffertransistor 30 durch einen MOSFET vom Verarmungstyp anstelle eines JFETs dargestellt sein, und es können MOS-Transistoren anstelle von Bipolartransistoren als Transistoren 40 und 42 des Stromspiegels eingesetzt werden. Schließlich können, wie bereits oben erwähnt, verschiedene Typen und Anzahlen reihengeschalteter Dioden verwendet werden, um eine gewünschte, geregelte Ausgangsspannung und gewünschte, temperaturkompensierte Charakteristiken vorzusehen.

Claims

1. Temperaturkompensierter Spannungsregler, welcher aufweist:

Spannungspuffermittel (20) mit einem Hochspannungseingang (HVIN), einem Steuereingang (VG) und einem Niederspannungsausgang (VREC);

Spannungserzeugungsmittel (22) zur Erzeugung einer Referenzspannung, welche einen, an den Niederspannungsausgang (VREC) der Spannungspuffermittel (20) gekoppelten, ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen;

Stromspiegelmittel (24), welche einen, an den zweiten Anschluss gekoppelten Eingang, einen, an den Steuereingang (VG) der Spannungspuffermittel (20) gekoppelten Ausgang und einen gemeinsamen Anschluss aufweisen; sowie

Widerstandsmittel (RL), um den Ausgang des Stromspiegels mit dem Niederspannungsausgang (VREG) der Spannungspuffermittel (20) zu verbinden, wobei bei Betrieb eine temperaturkompensierte, geregelte Ausgangsspannung zwischen dem ersten Anschluss und dem gemeinsamen Anschluss erzeugt wird.

2. Temperaturkompensierter Spannungsregler nach Anspruch 1, wobei die Spannungserzeugungsmittel (22) eine Reihenschaltung aus einer Zener-Diode (32) und zumindest einer pn-Flächendiode (34, 36, 38) aufweisen.

3. Temperaturkompensierter Spannungsregler nach Anspruch 1, wobei die Spannungspuffermittel (20) einen Feldeffekttransistor (30) mit einer, zwischen dem Hochspannungseingang (HVID) und dem Niederspannungsausgang (VREG) gekoppelten Hauptstrombahn und einer, an den Steuereingang (VG) gekoppelten Gateelektrode aufweisen.

4. Temperaturkompensierter Spannungsregler nach Anspruch 3, wobei der Feldeffekttransistor (30) durch einen JFET dargestellt ist.

5. Temperaturkompensierter Spannungsregler nach Anspruch 3, wobei der Feldeffekttransistor (30) durch einen MOSFET vom Verarmungstyp dargestellt ist.

6. Temperaturkompensierter Spannungsregler nach Anspruch 1, wobei die Stromspiegelmittel (24) einen ersten, diodengeschalteten Transistor (40) mit einer Steuerelektrode und einer Hauptstrombahn, welche zwischen dem zweiten Anschluss und dem gemeinsamen Anschluss gekoppelt ist, sowie einen zweiten Transistor (42) mit einer Steu erelektrode und einer Hauptstrombahn, welche zwischen dem Steuereingang (VG) der Spannungspuffermittel (20) und dem gemeinsamen Anschluss gekoppelt ist, aufweisen, wobei die Steuerelektroden zusammengeschaltet sind.

7. Temperaturkompensierter Spannungsregler nach Anspruch 2, wobei die Stromspiegelmittel (24) einen ersten, diodengeschalteten Transistor (40) mit einer Steuerelektrode und einer Hauptstrombahn, welche zwischen dem zweiten Anschluss und dem gemeinsamen Anschluss gekoppelt ist, sowie einen zweiten Transistor (42) mit einer Steuerelektrode und einer Hauptstrombahn, welche zwischen dem Steuereingang (VG) der Spannungspuffermittel (20) und dem gemeinsamen Anschluss gekoppelt ist, aufweisen, wobei die Steuerelektroden zusammengeschaltet sind.

8. Temperaturkompensierter Spannungsregler nach Anspruch 7, wobei die Anzahl pn-Flächendioden so ausgewählt wird, dass die Summe der Spannungsabfälle der Zener-Diode (32), der mindestens einen pn-Flächendiode (34, 36, 38) und des ersten diodengeschalteten Transistors (40) im Wesentlichen der geregelten Ausgangsspannung entspricht, und wobei der Temperaturkoeffizient der Zener-Diode (32) im Wesentlichen der Summe der Temperaturkoeffizienten der Anzahl pn-Flächendioden (34, 36, 38) und des ersten, diodengeschalteten Transistors (40), jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen, entspricht.