DE69928496T2

DE69928496T2 - Stromversrgungsgerät, stromversorgungsverfahren, tragbares elektronisches gerät und elektronische uhr

Info

Publication number: DE69928496T2
Application number: DE69928496T
Authority: DE
Inventors: Teruhiko Suwa-shi Fujisawa
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2006-06-08
Also published as: US6366485B1; CN1277750A; JP3460698B2; WO2000017993A1; HK1033045A1; DE69928496T8; EP1056190A4; CN1171375C; EP1056190B1; EP1056190A1; DE69928496D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromversorgungsgerät, ein Stromversorgungsverfahren und ein tragbares elektronisches Gerät und eine elektronische Uhr, welche das Stromversorgungsgerät einsetzen, und insbesondere eine Technik zum wirksamen Gleichrichten von erzeugtem Wechselstrom, um Strom zu liefern, während ein Verluststroms in einem Nichtstromerzeugungszustand konstant gehalten wird.
HINTERGRUND DER TECHNIK
Mit einem eingebauten Generator ist ein kleines tragbares elektronisches Gerät, wie beispielsweise eine Armbanduhr, stets betriebsbereit und erfordert keinen mühseligen Batteriewechsel. Wenn der Strom, der durch den Generator erzeugt wird, ein Wechselstrom ist, ist die Verwendung einer Diodenbrückenschaltung als eine Gleichrichterschaltung vorgesehen. Da jedoch die Diodenbrückenschaltung infolge eines Spannungsabfalls durch zwei Dioden einen Verlust verursacht, ist die Diodenbrückenschaltung zur Verwendung mit dem Generator für das kompakte tragbare elektronische Gerät nicht geeignet, d.h. nicht geeignet als ein Gleichrichter zur Verwendung mit dem Generator, welcher eine Wechselspannung mit kleiner Amplitude erzeugt.
Um dieses Problem zu bewältigen, wurde eine Gleichrichterschaltung vorgeschlagen, welche einen Transistor umfasst, der zwei der vier Dioden in Verwendung ersetzt.
Wenn ein Spannungspegel an einem ersten Anschluss des Generators während der Erzeugung in dieser Anordnung über eine Schwellenspannung eines entsprechenden ersten Transistors steigt, wird der erste Transistor eingeschaltet. Ein Strom fließt durch eine geschlossene Schleife des ersten Anschlusses → einer ersten Diode → eines Kondensators → eines ersten Transistors → eines zweiten Anschlusses. Folglich wird der Kondensator geladen.
Andererseits wird, wenn ein Spannungspegel an einem zweiten Anchluss des Generators über eine Schwellspannung eines entsprechenden zweiten Transistors steigt, der zweite Transistor eingeschaltet, und es fließt ein Strom durch eine geschlossene Schleife des zweiten Anschlusses → einer zweiten Diode → des Kondensators → des zweiten Transistors → des ersten Anschlusses. Folglich wird der Kondensator geladen.
Die Wechselspannung, welche über die Anschlüsse des Generators erzeugt wird, wird vollweggleichgerichtet, und der Verlust infolge des Spannungsabfalls bei einer Vollweggleichrichtung entspricht dem Verlust durch nur eine einzige Diode. Selbst wenn der Generator eine Wechselspannung mit kleiner Amplitude erzeugt, können der geladene Kondensator oder der gleichgerichtete Strom eine Last direkt antreiben.
In der Praxis leiden die ersten und zweiten Dioden unter einem Verluststrom, nämlich einem minimalen Strom, der in einem Nichtstromerzeugungszustand davon fließt. Wenn sich der Generator in einem Ruhezustand davon befindet oder wenn die elektromotorische Kraft davon klein ist, verschiebt sich die Spannung über die Anschlüsse des Generators von einer gemeinsamen Spannung, und der erste oder der zweite Transistor wird nicht komplett ausgeschaltet.
Die Spannung über die Anschlüsse des Generators in diesem Zustand wird durch den Verluststrom, der durch ein Spannungsteilungsverhältnis der Widerstandskomponente der Diode und der Widerstandskomponente des Transistors bestimmt wird und auftritt, wenn der Transistor nicht komplett ausgeschaltet ist, auf einem Pegel stabilisiert. Der Transistor ist infolge des stabilisierten Pegels in einem leichten ON-Zustand (Ein-Zustand). Der wertvolle Strom, der im Kondensator gespeichert ist, wird geladen und demnach umsonst verbraucht.
Da ein äußerst niedriger Strom, so niedrig wie mehrere hundert nA, durch das kompakte tragbare elektronische Gerät verbraucht wird, ist die Wirkung eines Diodenverluststroms, der so hoch wie mehrere zehn nA ist, nicht zu vernachlässigen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht des zuvor erwähnten Problems entwickelt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Stromquellengeräts, eines Stromversorgungsverfahrens, eines tragbaren elektronischen Geräts und einer elektronischen Uhr zum wirksamen Gleichrichten einer erzeugten elektromotorischen Wechselstromkraft, um Strom zu liefern, während ein Verluststrom auf einem Minimum gehalten wird, wenn der Generator in einem Nichtstromerzeugungszustand ist oder wenn die elektromotorische Kraft eine kleine Amplitude aufweist.
Das US-Patent Nr. 5,510972, das am 23. April 1996 erteilt wurde, beschreibt eine Brückengleichrichterschaltung, welche eine erste Reihenschaltung einer ersten Diode und eines ersten MOS-Transistorschalters zwischen ersten und zweiten Stromleitungen und eine zweite Reihenschaltung einer zweiten Diode und eines zweiten MOS-Transistorschalters zwischen denselben Stromleitungen umfasst. Eine Wechselspannung wird über die Übergänge der Diode-Transistor-Paare zugeführt. Darüber hinaus weist ein erster Komparator seine Eingänge zwischen den Übergang des zweiten Diode-Transistor-Paars geschaltet und seinen Ausgang mit der Gateelektrode des ersten Transistors verbunden auf, während ein zweiter Komparator seine Eingänge zwischen den Übergang des zweiten Diode-Transistor-Paars geschaltet und seinen Ausgang mit der Gateelektrode des zweiten Transistors verbunden aufweist. Dadurch agieren die MOS-Transistoren als verhältnismäßig ideale Dioden, welche sowohl einen niedrigeren ON-Widerstand (Ein-Widerstand) als auch schnellere Schaltzeiten als entweder p-n-Übergangsdioden oder -MOS-Transistoren aufweisen, welche durch eine passive Steuerschaltung gesteuert werden, die ihre Eingaben von der Wechselspannungsquelle herleitet.
In der PCT-Patentanmeldung Nr. WO 97/24795, die am 10. Juli 1997 veröffentlicht wurde, wird ein aktiver Gleichrichter mit minimalen Energieverlusten offenbart. Dieses Ziel wird durch einen Aufbau erreicht, der aus einer Diode, die zwischen einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss geschaltet ist; einem Transistor, der in einem Substrat ausgebildet ist und eine Steuerelektrode und zwei leitende Dioden aufweist, welche mit den Eingangs- beziehungsweise Ausgangsanschlüssen verbunden sind; und einem Komparator mit zwei Eingängen, welche mit den Eingangs- beziehungsweise Ausgangsanschlüssen verbunden sind, und einem Ausgang, der mit der Transistorsteuerelektrode verbunden ist.
Die PCT-Patentanmeldung WO 98/21815, die am 22. Mai 1998 veröffentlicht wurde, beschreibt ein Stromversorgungsgerät zum Gleichrichten oder Blockieren des Rückwärtsstroms von einem internen Generator, der in einem tragbaren elektronischen Gerät vorgesehen ist, das auf dem Arm getragen wird, wie beispielsweise eine Uhr. Das Gerät verwendet eine unidirektionale Einheit, welche eine Diode, einen Überbrückungsschalter, der parallel zur Diode geschaltet ist, und eine Steuereinheit zum Einschalten des Überbrückungsschalters, wenn eine Vorwärtsspannung in der Diode erzeugt wird. Dadurch wird der Verlust, der die Vorwärtsspannung begleitet, wenn die Stromversorgung aktiviert wird, im Wesentlichen unterbunden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Stromquellengerät zum Zuführen von Strom durch eine erste Stromleitung und eine zweite Stromleitung bereitgestellt, wobei das Stromquellengerät so ist, wie in Patentanspruch 1 definiert.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Stromversorgungsverfahren eines Stromquellengeräts zum Zuführen von Strom durch eine erste Stromleitung und eine zweite Stromleitung bereit, wobei das Verfahren so ist, wie in Patentanspruch 17 dargelegt.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltbild, welches den Aufbau eines Stromquellengeräts gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Schaltbild, welches ein Beispiel für einen Komparator in der ersten Ausführungsform darstellt.
3 ist ein Zeitdiagramm, welches die Funktionsweise des Stromquellengeräts der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
4(a) und 4(b) sind Ablaufdiagramme, welche die Funktionsweise des Stromquellengeräts der ersten Ausführungsform veranschaulichen.
5 ist ein Schaltbild, welches ein Stromquellengerät einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
6 ist ein Schaltbild, welches ein Beispiel für einen Komparator in der zweiten Ausführungsform darstellt.
7(a) und 7(b) sind Ablaufdiagramme, welche die Funktionsweise des Stromquellengeräts der zweiten Ausführungsform veranschaulichen.
8 ist ein Schaltbild, welches ein Stromquellengerät einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 ist eine Querschnittansicht, welche eine Diode darstellt, die in einem N-Substrat ausgebildet ist.
10 ist ein Schaltbild, welches die Dioden D1 und D2. darstellt, welche als parasitäre bipolare Transistoren fungieren.
11 ist ein allgemeines Blockdiagramm, welches eine elektronische Uhr darstellt, in welcher das Stromerzeugungsgerät jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
12 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der elektronischen Uhr darstellt.
13 ist ein Blockdiagramm, welches eine Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung darstellt.
14 ist ein Diagramm, welches die Funktionsweise der Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung darstellt.
15 ist ein Schaltbild, welches den Aufbau eines typischen Stromquellengeräts darstellt.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erörtert.
[1] Aufbau einer typischen Stromquellenschaltung
Vor der Erörterung der bevorzugten Ausfürungsform der vorliegenden Erfindung wird zum besseren Verständnis der Erfindung ein Stromquellengerät mit einer Gleichrichterschaltung erörtert. Die zwei von vier Dioden, welche eine Diodenbrückenschaltung bilden, die als eine Gleichrichterschaltung dient, werden hier durch Transistoren ersetzt.
15 ist ein Schaltbild eines Stromquellengeräts, welches eine Gleichrichterschaltung verwendet, in welcher die zwei der vier Dioden, welche eine Diodenbrückenschaltung bilden, durch Transistoren ersetzt sind.
Wie dargestellt, ist ein Anschluss AG1 eines Generators 100 über eine Diode D1 mit einer Hochspannung Vdd einer Stromquelle verbunden, und der andere Anschluss AG2 des Generators 100 ist über eine Diode D2 mit der Hochspannung Vdd verbunden. Der Anschluss AG1 ist über einen N-Kanal-Transistor 121 mit einer Niederspannung Vss der Stromquelle verbunden, und der Anschluss AG2 ist über einen Transistor 122 derselben Art mit der Niederspannung Vss verbunden. Die Gateelektrode des Transistors 121 ist mit dem Anschluss AG2 verbunden, und die Gateelektrode des Transistors 122 ist mit dem Anschluss AG1 verbunden.
Ein Kondensator 140 wird mit einem gleichgerichteten Strom geladen, und eine Last 150, welche vom Strom des Kondensators 140 als die Stromquelle davon arbeitet, führt eine Vielfalt von Verarbeitungen im elektronischen Gerät durch.
Wenn der Spannungspegel am Anschluss AG1 während der Erzeugung über die Schwellenspannung des Transistors 122 steigt, wird der Transistor 122 eingeschaltet. Ein Strom fließt in einer geschlossenen Schleife des Anschlusses AG1 → der Diode D1 → des Kondensators 140 → des Transistors 122 → des Anschlusses AG2. Folglich wird der Kondensat 140 geladen.
Wenn der Spannungspegel am Anschluss AG2 während der Erzeugung über die Schwellenspannung des Transistors 121 steigt, wird der Transistor 121 eingeschaltet. Ein Strom fließt in einer geschlossenen Schleife des Anschlusses AG2 → der Diode D2 → des Kondensators 140 → des Transistors 121 → des Anschlusses AG1. Folglich wird der Kondensator 140 geladen.
Der gleichgerichtete Wechselstrom, der über die Anschlüsse AG1 und AG2 auftritt, ist vollweggleichgerichtet, und der Verlust infolge eines Spannungsabfalls bei einer Vollweggleichrichtung ist der von nur einer einzigen Diode.
Folglich wird, auch wenn der Generator 100 eine Wechselspannung mit kleiner Amplitude erzeugt, die Last 150 durch den geladenen Kondensator 140 oder direkt durch den gleichgerichteten Strom angetrieben.
Verlustströme IL fließen, d.h. minimale Ströme fließen durch die Dioden D1 und D2, wie durch die mit einem Pfeil versehenen Strichlinien dargestellt, wie in 15 veranschaulicht.
Genauer gesagt fließt der Verluststrom IL durch die Diode D1 und den Transistor 121 von der Hochspannungsstromquelle (VDD) zur Niederspannungsstromquelle (Vss), oder der Verluststrom IL fließt durch die Diode D2 und den Transistor 122 von der Hochspannungsstromquelle (Vdd) zur Niederspannungsstromquelle (Vss).
Wenn sich der Generator 100 in einem Nichtstromerzeugungszustand befindet oder wenn die elektromotorische Kraft davon eine kleine Amplitude aufweist, werden die Spannungen an den Anschlüssen AG1 und AG2 von einer gemeinsamen Spannung verschoben, und die Transistoren 121 und 122 werden nicht in einen komplett ausgeschalteten Zustand versetzt.
Die Spannung über den Anschluss AG1 (AG2) des Generators in diesem Zustand wird durch den Verluststrom, der durch ein Spannungsteilungsverhältnis der Widerstandskomponenten der Diode D1 (D2) und der Widerstandskomponente des Transistors 121 (122) bestimmt wird und auftritt, wenn der Transistor 121 (122) nicht komplett ausgeschaltet ist, auf einem Pegel stabilisiert. Die Transistoren 121 und 122 sind infolge des stabilisierten Pegels in einem leichten ON-Zustand. Der wertvolle Strom, der im Kondensator 140 gespeichert ist, wird geladen und demnach umsonst verbraucht.
[2] Erste Ausführungsform
[2.1] Aufbau der ersten Ausführungsform
1 ist ein Schaltbild, welches den Aufbau eines Stromquellengeräts einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie dargestellt, ist das Stromquellengerät dieser Ausführungsform mit dem Aufbau des typischen Stromquellengeräts, das in 15 dargestellt ist, darin identisch, dass der eine Anschluss AG1 und der andere Anschluss AG2, welche mit dem Wechselstrom durch den Generator 100 versorgt werden, durch die Dioden D1 beziehungsweise D2 mit der Hochspannung Vdd der Stromquelle verbunden sind.
Das Stromquellengerät der ersten Ausführungsform unterscheidet sich jedoch von dem zuvor erwähnen Stromquellen gerät darin, dass ein Transistor 121 zum Verbinden eines Anschlusses AG1 mit einer Niederspannung Vss einer Stromquelle als Reaktion auf ein invertiertes Vergleichsergebnis eines Komparators 202, das durch einen Inverter 123 bereitgestellt wird, ein- und ausgeschaltet wird.
Das Stromquellengerät der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von dem zuvor erwähnten Stromquellengerät auch darin, dass ein Transistor 122 zum Verbinden eines Anschlusses AG2 mit der Niederspannung Vss der Stromquelle als Reaktion auf ein invertiertes Vergleichsergebnis eines Komparators 201, das durch einen Inverter 124 bereitgestellt wird, ein- und ausgeschaltet wird.
Der Komparator 201 in diesem Fall hat die Funktion, festzustellen, ob ein Vorwärtsstrom durch die Diode D1 fließt.
In der ersten Ausführungsform fließt der Vorwärtsstrom nur dann durch die Diode D1, wenn die Spannung am Anschluss AG1 höher als Spannungspegel ist, der eine Summe der Hochspannung Vdd und der Vorwärtsspannung der Diode D1 ist.
In der ersten Ausführungsform verschiebt ein Pegelschieber 251 die Hochspannung Vdd um eine Spannung Voffset1, welche der Vorwärtsspannung der Diode D1 entspricht, auf eine Hochspannungsseite, und die pegelverschobene Spannung wird in einen positiven Eingangsanschluss (+) des Komparators 201 eingegeben.
In der ersten Ausführungsform wird die Spannung am Anschluss AG1 in einen negativen Anschluss (–) des Komparators 201 eingegeben.
Wenn der Vorwärtsstrom durch die Diode D1 fließt, bleibt das Ausgangssignal des Komparators auf einem „L“-Pegel.
Wenn kein Vorwärtsstrom durch die Diode D1 fließt, wird das Ausgangssignal des Komparators 201 auf einen „H“-Pegel gesetzt.
Der Komparator 202 hat die Funktion, festzustellen, ob ein Vorwärtsstrom durch die Diode D2 fließt, und in der ersten Ausführungsform fließt der Vorwärtsstrom nur dann durch die Diode D1, wenn die Spannung am Anschluss AG2 höher als ein Spannungspegel ist, der eine Summe der Hochspannung Vdd und der Vorwärtsspannung der Diode D2 ist.
In der ersten Ausführungsform verschiebt ein Pegelschieber 252 die Hochspannung Vdd um eine Spannung Voffset2, welche der Vorwärtsspannung der Diode D2 entspricht, auf eine Hochspannungsseite, und die pegelverschobene Spannung wird in einen positiven Eingangsanschluss (+) des Komparators 202 eingegeben.
Wenn der Vorwärtsstrom durch die Diode D2 fließt, bleibt das Ausgangssignal des Komparators 202 auf einem „L“-Pegel.
Wenn kein Vorwärtsstrom durch die Diode D2 fließt, wird das Ausgangssignal des Komparators 202 auf einen „H“-Pegel gesetzt.
In der ersten Ausführungsform sind die Pegelschieber 251 und 252 mit den positiven Eingangsanschlüssen (+) der Komparatoren 201 beziehungsweise 202 verbunden. Alternativerweise können die Pegelschieber 251 und 252 mit den negativen Eingängen (–) der Komparatoren 201 beziehungsweise 202 verbunden werden.
Konkret wird, wenn die Pegelschieber 251 und 252 an den negativen Eingängen (–) der Komparatoren 201 beziehungsweise 202 angeordnet werden, die Spannung am Anschluss AG1 um eine Spannung Voffset3, welche der Vorwärtsspannung der Diode D1 entspricht, auf eine Nieder spannungsseite verschoben, und die pegelverschobene Spannung wird in den negativen Eingangsanschluss (–) des Komparators 201 eingespeist. Die Spannung am Anschluss VG2 wird um eine Spannung Voffset4, welche der Vorwärtsspannung der Diode D2 entspricht, auf eine Niederspannungsseite pegelverschoben, und die pegelverschobene Spannung wird den negativen Eingangsanschluss (–) des Komparators 202 eingespeist.
Zusammenfassend ist es ausreichend genug, wenn die Komparatoren 201 und 202 feststellen, ob die Vorwärtsströme durch die Dioden D1 beziehungsweise D2 fließen, die sich auf die Vorwärtsspannungen der Dioden D1 und D2 beziehen. In dieser Ausführungsform wird die Spannung, die in einen Eingang jedes der Komparatoren 201 und 202 eingespeist wird, verschoben. Alternativerweise können die Spannungen, die in beide Eingänge jedes der Komparatoren 201 und 202 eingespeist werden, pegelverschoben werden.
Wenn die Dioden D1 und D2 von derselben Art sind, gleichen sich die Vorwärtsspannungen davon im Wesentlichen, weshalb Voffset1 = Voffset2 (Voffset3 = Voffset4). Wenn jedoch ein Interesse besteht, Gleichrichtung durchzuführen, werden Voffset1 (Voffset3) und Voffset2 (Voffset4) vorzugsweise auf einer individuellen Basis eingestellt.
Wie in 1 dargestellt, sind die Pegelschieber 251 und 252 außerhalb von den Komparatoren 201 beziehungsweise 202. Alternativerweise werden die Pegelschieber 251 und der Komparator 201 zusammen untergebracht, und der Pegelschieber 252 und der Komparator 202 werden zusammen untergebracht. Außerdem werden die Transistoren 121 und 122 in den Pegelschiebern 251 beziehungsweise 252 integriert. Solch eine Integration dient dem Zweck einer kompakten Konstruktion.
Ein Beispiel für die Komparatoren 201 und 202 wird unter Bezugnahme auf 2 erörtert.
Da der Komparator 201 und der Komparator 202 denselben Aufbau aufweisen, wird hauptsächlich der Komparator 201 erörtert.
Unter Bezugnahme auf 2 besteht der Komparator 201 (202) aus einem Paar von Lasttransistoren 211 und 212, einem Paar von Eingangstransistoren 213 und 214, einem Ausgangstransistor 215 und Konstantstromquellen 216 und 217.
Unter den Elementen des Komparators 201 sind die Lasttransistoren 211 und 212, sowie der Ausgangstransistor 215 P-Kanal-Feldeffekttransistoren, und die Eingangstransistoren 213 und 214 sind N-Kanal-Transistoren.
Die Gateelektroden der Einganstransistoren 213 und 214 dienen als der negative Eingangsanschluss (–) beziehungsweise der positive Eingangsanschluss (+) des Komparators 201 (202), und die Drainelektrode des Ausgangstransistors 215 dient als ein Ausgangsanschluss OUT.
Da die Lasttransistoren 211 und 212 bei diesem Aufbau des Komparators 201 als eine Stromspiegelschaltung fungieren, gleichen einander die Ströme, welche in die Lasttransistoren 211 und 212 eingegeben werden.
Der Eingangsstromunterschied (Eingangsspannungsunterschied) zwischen den Gateelektroden der Eingangstransistoren 213 und 214 wird verstärkt und tritt an einem Anschluss A auf. Die Lasttransistoren 211 und 212, welche den Stromunterschied empfangen, empfangen denselben Stromwert und verstärken den Stromunterschied (Spannungsunterschied) stufenweise und geben ihn dann in die Gateelektrode des Transistors 215 ein.
Die Spannung an der Drainelektrode des Transistors 215, d.h. dem Ausgangsanschluss OUT des Komparators 201, schwingt stark zur Hochspannung Vdd, wenn der Gateelektrodenstrom (die Gateelektrodenspannung) an der Gateelektrode des Transistors 214, nämlich dem positiven Einganganschluss (+), den Gateelktrodenstrom (die Gateelektrodenspannung) an der Gateelektrode des Transistors 213, nämlich dem negativen Eingangsanschluss (–), auch nur leicht überschreitet. Umgekehrt schwingt die Spannung am Ausgangsanschluss OUT stark zur Niederspannung Vss, wenn der Gateelektrodenstrom (die Gateelektrodenspannung) an der Gateelektrode des Transistors 214 unter dem Gateelektrodenstrom (der Gateelektrodenspannung) an der Gateelektrode des Transistors 213, nämlich dem negativen Eingangsanschluss (–), bleibt.
Da der Komparator 201 (202) die Transistoren 211 und 212 als eine aktive Last einsetzt, wird neben den Konstantstromquellen 216 und 217 kein einziger Widerstand verwendet. Dieses Merkmal dient vorteilhafterweise dem Zweck der Integration.
In den Komparatoren 201 und 202 werden die Spannungen eingegeben, nachdem sie durch die Pegelschieber 251 und 252 pegelverschoben wurden. Bei dieser Anordnung werden die Schwellenspannungen Vth der Eingangstransistoren 213 und 214 unterschiedlich gemacht, wie in 2 dargestellt.
Konkret wird, wenn die Schwellenspannung Vth des Transistors 213 am negativen Eingangsanschluss (–) so eingestellt wird, dass sie niedriger als die Schwellenspannung Vth des Transistors 214 am positiven Eingangsanschluss (+) ist, derselbe Vorgang durchgeführt, der durch die Pegelschieber 251 und 252 durchgeführt wird.
Unterschiedliche Schwellenspannungen Vth der Eingangstransistoren 213 und 214 können durch verschiedene Transistorgrößen oder durch einen Herstellungsprozess, wie beispielsweise eine Fremdatomimplantation, erreicht werden.
[2.2] Funktionsweise der ersten Ausfürungsform
Die Funktionsweise des Stromquellengeräts der ersten Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 3 erörtert.
[2.2.1] Spannung am Anschluss AG1 höher als Spannung (Vdd + Voffset1)
Wenn die Spannung am Anschluss AG1 höher als die Spannung (Vdd + Voffset1) ist, welche durch Verschieben der Hochspannung Vdd um die Spannung Voffset1 auf eine Hochspannungsseite erhalten wird, d.h. wenn der Vorwärtsstrom durch die Diode D1 fließt, wird der Ausgang des Komparators 201 auf einen „L“-Pegel gesetzt. Der Ausgang des Inverters 124 wird auf einen „H“-Pegel gesetzt und bewirkt, dass der Transistor 122 eingeschaltet wird. Der Strom fließt in einer geschlossenen Schleife des Anschlusses AG1 → der Diode D1 → des Kondensators 140 → des Transistors 122 → des Anschlusses AG2, wodurch der Kondensator 140 geladen wird.
[2.2.2] Spannung am Anschluss AG2 höher als Spannung (Vdd + Voffset2)
Wenn die Spannung am Anschluss AG2 höher als die Spannung (Vdd + Voffset1) ist, welche durch Verschieben der Hochspannung Vdd um die Spannung Voffset1 auf eine Hochspannungsseite erhalten wird, d.h. wenn der Vorwärtsstrom durch die Diode D2 fließt, wird der Ausgang des Komparators 202 auf einen „L“-Pegel gesetzt. Der Ausgang des Inverters 123 wird auf einen „H“-Pegel gesetzt und bewirkt, dass der Transistor 121 eingeschaltet wird. Der Strom fließt in einer geschlossenen Schleife des Anschlusses AG2 → der Diode D2 → des Kondensators 140 → des Transistors 121 → des Anschlusses AG1, wodurch der Kondensator 140 geladen wird.
[2.2.3] Spannung am Anschluss AG1 niedriger als Spannung (Vdd + Voffset1) und Spannung am Anschluss AG2 niedriger als Spannung (Vdd + Voffset1)
Wenn die Spannung am Anschluss AG1 niedriger als die Spannung (Vdd + Voffset1) ist und die Spannung am Anschluss AG2 niedriger als die Spannung (Vdd + Voffset1) ist, d.h. wenn weder durch die Diode D1 noch durch die Diode D2 Vorwärtsströme fließen, werden die Ausgänge der beiden Komparatoren 201 und 202 auf einen „H“-Pegel gesetzt. Die Ausgänge der Inverter 123 und 124 werden auf einen „L“-Pegel gesetzt und bewirken, dass die Transistoren 121 und 122 ausgeschaltet werden. Die geschlossene Schleife durch den Kondensator 140 wird daher geöffnet, und es wird keine Spannung am Kondensator 140 geladen, weshalb die Entladung durch die Gleichrichterschaltung blockiert wird.
Wenn sich der Generator 100 in einem Nichtstromerzeugungszustand befindet, werden die Spannungen an den Anschlüssen AG1 und AG2 durch die Verlustströme durch die Dioden D1 und D2 auf der gemeinsamen Spannung Vdd stabilisiert, und auch in diesem Fall wird demnach die geschlossene Schleife des Kondensators 140 geöffnet, und es erfolgt keine Entladung durch den Gleichrichter.
[2.2.4] Allgemeine Funktionsweise
Die Funktionsweise des Geräts wird nun unter Bezugnahme auf ein Ablaufdiagramm erörtert, das in 4 dargestellt ist. Der Komparator 201 stellt basierend auf der Feststellung, ob die Spannung am negativen Eingangsanschluss (–) in absoluten Werten größer als die Hochspannung Vdd + die Offsetspannung des Komparators ist, fest, ob der Vorwärtsstrom durch die Diode D1 fließt (Schritt Sa1).
Wenn bei Schritt Sa1 festgestellt wird, dass das Feststellungsergebnis „Ja“ ist, wird der Transistor 122 eingeschaltet (Schritt Sa2).
Wenn bei Schritt Sa1 festgestellt wird, dass das Feststellungsergebnis „Nein“ ist, wird die Ausschaltung des Transistors 122 wiederholt (Schritt Sa3). Der Komparator 202 stellt basierend auf der Feststellung, ob die Spannung am negativen Eingangsanschluss (–) über der Hochspannung Vdd + der Offsetspannung des Komparators ist, fest, ob der Vorwärtsstrom durch die Diode D2 fließt (Schritt Sb1).
Wenn bei Schritt Sb1 festgestellt wird, dass das Feststellungsergebnis „Ja“ ist, wird der Transistor 121 eingeschaltet (Schritt Sb2).
Wenn bei Schritt Sb1 festgestellt wird, dass das Feststellungsergebnis „Nein“ ist, wird die Ausschaltung des Transistors 121 wiederholt (Sb3).
Wenn keine Vorwärtsströme durch die Dioden D1 und D2 im Stromquellengerät dieser Ausführungsform fließen, sind die Transistoren 121 und 122 komplett ausgeschaltet, und es fließt kein Strom von den Anschlüssen AG1 und AG2 zur Niederspannung Vss.
Die Verlustströme der Feldeffekttransistoren 121 und 122 während eines OFF-Zustands (Aus-Zustands) sind wesentlich geringer als die Entsprechungen der Dioden. Aus diesem Grund werden die Verlustströme im Stromquellengerät der ersten Ausführungsform auf einem Minimum gehalten, wenn der Generator sich in einem Nichtstromerzeugungszustand befindet oder die elektromotorische Kraft eine kleine Amplitude aufweist.
Die Sourceelektroden der Transistoren 121 und 122 sind an die der Niederspannung Vss angeschlossen, und die Drainelektroden davon sind an eine Spannung angeschlossen, welche höher als die Niederspannung Vss ist. Parasitäre Dioden D3 und D4 der Transistoren 121 und 122 werden in den Richtungen, die durch Strichlinien in 1 dargestellt sind, erzeugt. Wenn sich zum Beispiel die Komparatoren 201 und 202 aufgrund einer unzureichenden Speicherung im Kondensator 140 bei einer ersten Inbetriebnahme nicht einschalten, ist es immer noch möglich, Ströme von den Sourceelektroden der Transistoren 121 und 122 zu den Drainelektroden davon fließen zu lassen.
Selbst wenn die Spannung, die durch den Generator 100 erzeugt wird, eine kleine Amplitude aufweist, ermöglicht die Gleichrichtung durch eine Diodenbrücke bestehend aus den parasitären Dioden D3 und D4 und den Dioden D1 und D2 es, den Kondensator 140 zu laden.
Wenn Ladeströme durch die parasitären Dioden D3 und D4 fließen, kann Latch-up, eine Eigenschaft von CMOS-LSIs, stattfinden. Das Latch-up kann jedoch durch Realisieren von integralen Schaltungstechniken, wie beispielsweise einem Schutzband oder einer Grabenisolation, verhindert werden.
[2.3] Modifikation der ersten Ausführungsform
Eine Schottky-Diode, welche eine Metallhalbleiterzwischensschicht einsetzt, leidet unter weniger Zeitverzögerung beim Vor- und Rückwärtsschalten als die PN-Übergangsdiode und weist eine geringere Vorwärtsspannung auf, weshalb sie zur Bereitstellung einer hohen Gleichrichtungsleistung gedacht ist.
Andererseits weist die Schottky-Diode einen hohen Verluststrom auf, weshalb sie nicht zur Verwendung in einer Gleichrichterschaltung in einem Stromquellengerät in einem kompakten tragbaren elektronischen Gerät geeignet ist.
Im Stromquellengerät der ersten Ausführungsform werden die Transistoren 121 und 122 komplett ausgeschaltet, und die geschlossen Schleife, welche den Kondensator 140 umfasst, wird geöffnet, wenn keine Vorwärtsströme durch die Dioden D1 und D2 fließen.
Bei dieser Anordnung können Schottky-Dioden mit einem hohen Verluststrom auf zufrieden stellende Weise als die Dioden D1 und D2 fungieren.
Folglich ergibt sich eine hohe Gleichrichtungsleistung.
[3] Zweite Ausführungsform
[3.1] Aufbau der zweiten Ausführungsform
Ein Stromquellengerät einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 5 erörtert.
In der ersten Ausführungsform sind die Dioden D1 und D2, sowie die Komparatoren 201 und 202 an die Site der Hochspannung Vdd angeschlossen, und die Transistoren sind an die Seite der Niederspannung Vss angeschlossen.
Im Stromquellengerät der zweiten Ausführungsform sind im Gegensatz zur Anordnung der ersten Ausführungsform die Dioden D1 und D2, sowie die Komparatoren 203 und 204 an die Niederspannung Vss angeschlossen, und die Transistoren sind an die Niederspannung Vss angeschlossen.
In dieser Ausführungsform ist ein Transistor 126 zum Trennen des Anschlusses AG2 von der Hochspannung Vdd, wenn kein Vorwärtsstrom durch die Diode D1 fließt, ein P-Kanal- Transistor, und ein Transistor 125 zum Trennen des Anschlusses AG1 von der Hochspannung Vdd, wenn kein Vorwärtsstrom durch die Diode D2 fließt, ist ebenfalls ein P-Kanal-Transistor.
Der Vorwärtsstrom fließt durch die Diode D1, wenn die Spannung an AG1 unter der Spannung ist, welche um die Spannung Voffset1, welche der Vorwärtsspannung der Diode D1 entspricht, niedriger als die Niederspannung Vss ist. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform verschiebt ein Pegelschieber 253 die Niederspannung Vss um die Spannung Voffset1 auf eine Niederspannungsseite.
Wenn der Vorwärtsstrom durch die Diode D1 fließt, setzt der Komparator 203 das Ausgangssignal davon auf einen „H“-Pegel und bewirkt, dass der Transistor 126 eingeschaltet wird. Wenn kein Vorwärtsstrom durch die Diode D1 fließt, setzt der Komparator 203 das Ausgangssignal davon auf einen „L“-Pegel und bewirkt, dass der Transistor 126 komplett ausgeschaltet wird.
Der Vorwärtsstrom fließt durch die Diode D2, wenn die Spannung an AG2 unter der Spannung ist, welche um die Spannung Voffset1, welche der Vorwärtsspannung der Diode D2 entspricht, niedriger als die Niederspannung Vss ist. Ein Pegelschieber 254 verschiebt die Niederspannung Vss um die Spannung Voffset2 auf eine Niederspannungsseite.
Wenn der Vorwärtsstrom durch die Diode D2 fließt, setzt der Komparator 204 das Ausgangssignal davon auf einen „H“-Pegel und bewirkt, dass der Transistor 125 eingeschaltet wird. Wenn kein Vorwärtsstrom durch die Diode D2 fließt, setzt der Komparator 204 das Ausgangssignal davon auf einen „L“-Pegel und bewirkt, dass der Transistor 125 komplett ausgeschaltet wird.
[3.1.1] Aufbau der Komparatoren
Die Komparatoren 203 und 204, welche an die Niederspannung Vss angeschlossen sind, werden nun unter Bezugnahme auf 6 erörtert.
Wie dargestellt, umfasst der Komparator 203 (204) ein Paar von Lasttransistoren 231 und 232 ein Paar von Eingangstransistoren 233 und 234, einen Ausgangstransistor 235 und Konstantstromquellen 236 und 237. Die Lasttransistoren 231 und 232, sowie der Ausgangstransistor 235 sind N-Kanal-Transistoren, während die Eingangstransistoren 233 und 234 P-Kanal-Transistoren sind. Die Gateelektroden der Eingangstransistoren 233 und 234 dienen als ein negativer Eingangsanschluss (–) beziehungsweise als ein positiver Eingangsanschluss (+) des Komparators 203 (204), während die Sourceelektrode des Ausgangstransistors 235 als ein Ausgangsanschluss OUT dient.
Der Komparator 203 (204) ist so konfiguriert, dass er eine Polaritätsanordnung aufweist, welche der im Komparator 201 (202), der an die Hochspannung Vdd angeschlossen ist (siehe 2), entgegengesetzt ist.
[3.1.2] Funktionsweise
Die Funktionsweise der Komparatoren wird nun unter Bezugnahme auf 7 erörtert.
7 stellt ein Betriebsablaufdiagramm der Komparatoren dar.
Der Komparator 203 stellt basierend auf der Feststellung, ob die Spannung am negativen Eingangsanschluss (–) in absoluten Werten kleiner als die Niederspannung Vss – die Offsetspannung des Komparators ist, fest, ob der Vorwärtsstrom durch die Diode D1 fließt (Schritt Sa11).
Wenn die Antwort bei Schritt Sa11 „Ja“ ist, wird der Transistor 126 eingeschaltet (Schritt Sa12).
Wenn die Antwort bei Schritt Sa11 „Nein“ ist, wird die Ausschaltung des Transistors 126 wiederholt (Schritt Sa13). Der Komparator 204 stellt basierend auf der Feststellung, ob die Spannung am negativen Eingangsanschluss (–) über der Niederspannung Vss – der Offsetspannung des Komparators ist, fest, ob der Vorwärtsstrom durch die Diode D2 fließt (Schritt Sb11).
Wenn die Antwort bei Schritt Sb11 „Ja“ ist, wird der Transistor 125 eingeschaltet (Schritt Sb12).
Wenn die Antwort bei Schritt Sb11 „Nein“ ist, wird die Ausschaltung des Transistors 125 wiederholt (Sb13).
Wenn keine Vorwärtsströme durch die Dioden D1 und D2 im Stromquellengerät der zweiten Ausführungsform fließen, sind die Transistoren 126 und 125 komplett ausgeschaltet, und es fließt kein Strom von den Anschlüssen AG1 und AG2 zur Niederspannung Vss.
Die Verlustströme der Feldeffekttransistoren 125 und 126 während eines Off-Zustands sind wesentlich geringer als jene der Dioden. Aus diesem Grund hält das Stromquellengerät der zweiten Ausführungsform die Verlustströme im Stromquellengerät wie in der ersten Ausführungsform auf einem Minimum, wenn der Generator 100 sich in einem Nichtstromerzeugungszustand befindet oder die elektromotorische Kraft eine kleine Amplitude aufweist.
Da die Sourceelektroden der Transistoren 125 und 126 an die der Niederspannung Vss angeschlossen sind, wobei die Drainelektroden davon an eine Spannung angeschlossen sind, welche höher als die Niederspannung Vss ist, werden in den Richtungen, die durch Strichlinien dargestellt sind, wie in
5 zu sehen, parasitäre Dioden D3 und D4 der Transistoren 125 und 126 erzeugt. Wenn sich die Komparatoren 203 und 204 aufgrund einer unzureichenden Speicherung im Kondensator 140 bei einer ersten Inbetriebnahme nicht einschalten, ist es immer noch möglich, Ströme von den Sourceelektroden der Transistoren 125 und 126 zu den Drainelektroden davon fließen zu lassen.
Selbst wenn die Spannung, die durch den Generator 100 erzeugt wird, eine kleine Amplitude aufweist, ermöglicht die Gleichrichtung durch eine Diodenbrücke bestehend aus den parasitären Dioden D3 und D4 und den Dioden D1 und D2 es, den Kondensator 140 zu laden.
Wenn Ladeströme durch die parasitären Dioden D3 und D4 fließen, kann Latch-up, eine Eigenschaft von CMOS-LSIs, stattfinden. Das Latch-up kann jedoch durch Realisieren von integralen Schaltungstechniken, wie beispielsweise einem Schutzband oder einer Grabenisolation, verhindert werden.
Der Rest der Funktionsweise der zweiten Ausführungsform bleibt von jener der ersten Ausführungsform unverändert. Die Vorteile der zweiten Ausführungsform bleiben ebenfalls mit jenen der ersten Ausführungsform identisch.
[4] Dritte Ausführungsform
[4.1] Aufbau der dritten Ausführungsform
Der Aufbau des Stromquellengeräts einer dritten Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 8 erörtert.
In der ersten Ausführungsform werden die Ausgänge der Komparatoren 201 und 202 durch die Inverter 123 beziehungsweise 124 umgekehrt.
Im Gegensatz dazu verzichtet das Stromquellengerät der dritten Ausführungsform auf die Inverter 123 und 124 durch Umkehren der Eingänge jedes Komparators.
Konkret wird, wie in 8 dargestellt, die Spannung am Anschluss AG1 in den positiven Eingangsanschluss (+) des Komparators 205 eingegeben, und die Spannung, deren Pegel durch den Pegelschieber 251 um die Spannung Voffset1 von der Hochspannung Vdd verschoben wird, wird in den negativen Einganganschluss (–) eingespeist.
Wenn der Vorwärtsstrom durch die Diode D1 fließt, setzt der Komparator 205 das Ausgangssignal davon auf einen „L“-Pegel, wodurch der Transistor 122 eingeschaltet wird.
Wenn kein Strom durch die Diode D1 fließt, setzt der Komparator 205 das Ausgangssignal davon auf einen „H“-Pegel, wodurch der Transistor 122 komplett ausgeschaltet wird.
Auf ähnliche Weise wird die Spannung am AG2 in den positiven Eingangsanschluss (+) des Komparators 206 eingespeist.
Der negative Eingangsanschluss (–) des Komparators 206 wird mit der Spannung versorgt, deren Pegel durch den Pegelschieber 252 um die Spannung Voffset1 von der Hochspannung Vdd auf eine Hochspannungsseite verschoben wird.
Wenn der Vorwärtsstrom durch die Diode D2 fließt, setzt der Komparator 206 das Ausgangssignal davon auf einen „L“-Pegel, wodurch der Transistor 121 eingeschaltet wird. Wenn kein Strom durch die Diode D2 fließt, setzt der Komparator 206 das Ausgangssignal davon auf einen „H“-Pegel, wodurch der Transistor 121 komplett ausgeschaltet wird.
Bei Entfernen der Inverter weist die dritte Ausführungsform einen einfachen Aufbau auf.
Durch Umkehren der Eingänge jedes der Komparatoren 203 und 204 kann auch die zweite Ausführungsform auf die Inverter 123 und 124 verzichten.
[5] Integration der Dioden D1 und D2
In jeder der vorhergehenden Ausführungsformen können die Transistoren 121 und 122 (125 und 126), die Komparatoren 201 und 202 (203 und 204 oder 205 und 206), die Pegelschieber 251 und 252 (253 und 254), sowie die Inverter 123 und 124 (mit Ausnahme der dritten Ausführungsform) integriert werden. Wenn die Dioden D1 und D2 ebenfalls zusammen integriert werden, wird die Größe der Schaltung verkleinert, wodurch eine Herabsetzung der Kosten erreicht wird.
Wenn zusammen integriert, kann es sein, dass die Dioden D1 und D2 in Abhängigkeit von Bedingungen nicht richtig funktionieren. Solche Probleme werden nun untersucht.
Wenn ein Substrat, in welches die Elemente eingebunden werden, ein N-Substrat ist, sind die Dioden normalerweise so ausgebildet, wie in 9 dargestellt. Der Vorwärtsstrom fließt demnach in der Richtung, welche durch (1) dargestellt ist.
Wenn jedoch das N-Substrat in Erwägung gezogen wird, wird ein bipolarer NPN-Transistor parasitär ausgebildet. Wenn der Vorwärtsstrom, wie zu sehen ist, in der Richtung fließt, die durch (1) dargestellt ist, kann dieser Strom als ein Auslöser agieren, um den bipolaren Transistor einzuschalten.
Wenn die Dioden D1 und D2, die in das N-Substrat eingebunden sind, an die Niederspannung Vss angeschlossen werden, werden die Dioden D1 und D2 zu parasitären bipolaren NPN-Transistoren, wie in 10 dargestellt.
Wenn der vorwärtsstrom unter dieser Bedingung in der Richtung fließt, die durch (1) dargestellt ist, fließen Kollektorströme, wie durch (2) dargestellt, und schließen die Hochspannung Vdd zum Anschluss AG1 oder zum Anschluss AG2 kurz. Folglich kann es sein, dass die Gleichrichtung nicht richtig funktioniert.
Wenn das N-Substrat eingesetzt wird, werden die Dioden D1 und D2 vorzugsweise an die Hochspannung Vdd angeschlossen, wie in der ersten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, derart dass keine parasitären bipolaren NPN-Transistoren aufgebaut werden.
Umgekehrt werden die Dioden D1 und D2, wenn das P-Substrat eingesetzt wird, vorzugsweise an die Niederspannung Vss angeschlossen, wie in der zweiten Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, derart dass keine parasitären PNP-Transistoren aufgebaut werden.
[6] Elektronische Uhr
Als Nächstes wird eine elektronische Uhr (Armbanduhr) als ein Beispiel für ein elektronisches Gerät erörtert, in welches das Stromquellengerät der vorliegenden Erfindung eingebaut wird.
[6.1] Allgemeiner Aufbau der elektronischen Uhr
11 stellt den allgemeinen Aufbau einer elektronischen Uhr dar.
Wie dargestellt, umfasst ein Generator 100, der zur Verwendung in einer Armbanduhr geeignet ist, einen Stator 112, um den eine Spule 110 gewickelt ist, und einen scheibenähnlichen Rotor 114, der in zwei Polen magnetisiert ist. Wenn der Benutzer, der die Armbanduhr trägt, seine Hand bewegt, dreht sich eine Schwingmasse 116. Wenn sich die Schwingmasse 116 dreht, wird die Drehbewegung davon durch einen Räderwerkmechanismus 118 auf den Rotor 114 übertragen. Der Generator 100 erzeugt Wechselstrom über die Anschlüsse AG1 und AG2 an beiden Enden der Spule 110, wenn sich die Schwingmasse 116 dreht.
Der Wechselstrom, der durch den Generator erzeugt wird, wird durch eine Ladeschaltung 400 vollweggleichgerichtet und lädt einen Kondensator 160, während er einer Verarbeitungseinheit 600 zugeführt wird.
Gesteuert vom Strom, der in den Kondensator 160 geladen wird, oder Strom, der durch ein Stromquellengerät 500 vollweggleichgerichtet wird, treibt die Verarbeitungseinheit 600 ein Zeitmessgerät 151 an. Das Zeitmessgerät 151 besteht aus einem Kristalloszillator, einer Zählerschaltung, einem Schrittmotor usw. Ein Taktsignal, das durch den Kristalloszillator erzeugt wird, wird durch die Zählerschaltung frequenzgeteilt. Basierend auf dem Frequenzteilungsergebnis misst das Zeitmessgerät 151 die Zeit, während der Schrittmotor angetrieben wird, um die Zeit anzuzeigen.
[6.2] Elektrischer Aufbau der elektronischen Uhr
12 ist ein Blockdiagramm, welches den elektrischen Aufbau der elektronischen Uhr darstellt.
Wie dargestellt, setzt die elektronische Uhr das Stromquellengerät der ersten Ausführungsform ein. Das Stromquellengerät 500 dieser elektronischen Uhr umfasst ferner eine Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300.
Die Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 transformiert die Spannung, die in den Kondensator 140 geladen wird, aufwärts, wie erforderlich, um den Kondensator 160 zu laden, und speist dann Strom in die Last der elektronischen Uhr, und zwar einschließlich der Verarbeitungseinheit 600, der Inverter 123 und 124, der Komparatoren 201 und 202 usw. Konkret erhöht die Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 eine Spannungsaufwärtstransformationsrate um eine Stellung, wenn eine Stromquellenspannung, d.h. eine Leitungsspannung (absoluter Wert) zwischen der Niederspannung Vss als ein Massepotenzial und der Hochspannung Vdd, unter einen unteren Grenzwert (oder nahe zum unteren Grenzwert) abfällt, der Schaltungen befähigt, davon ausgehend zu funktionieren. Die Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 senkt die Spannungsaufwärtstransformationsrate um eine Stellung, wenn die Leitungsspannung über einen oberen Grenzwert (oder nahe zum oberen Grenzwert) ansteigt.
Die Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 wird näher erörtert.
Wie in 13 dargestellt, umfasst die Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 einen Schalter SW1, von dem ein Anschluss mit einem Hochspannungsanschluss des Kondensators 140 verbunden ist, einen Schalter SW2, von dem ein Anschluss mit dem anderen Anschluss des Schalters SW1 verbunden ist und von dem der andere Anschluss mit einem Niederspannungsanschluss einer sekundären Hochkapazitätsstromquelle 48 verbunden ist, einen Kondensator 300a, von dem ein Anschluss an die Verbindungsleitung des Schalter SW1 und des Schalters SW2 angeschlossen ist, einen Schalter SW3, von dem ein Anschluss mit dem anderen Anschluss des Kondensators 300a verbunden ist und von dem der andere Anschluss mit dem Niederspannungsanschluss des Kondensators 140 verbunden ist, einen Schalter SW4, von dem ein Anschluss mit einem Niederspannungsanschluss des Kondensators 160 verbunden ist und von dem der andere Anschluss an die Verbindungsleitung des Kondensators 300a und des Schalters SW3 angeschlossen ist, einen Schalter SW11, von dem ein Anschluss an die Verbindungsleitung des Hochspannungsanschlusses des Kondensators 140 und eines Hochspannungsanschlusses des Kondensators 160 angeschlossen ist, einen Schalter SW12, von dem ein Anschluss mit dem anderen Anschluss des Schalters SW11 verbunden ist und von dem der andere Anschluss mit dem Niederspannungsanschluss des Kondensators 140 verbunden ist, einen Kondensator 300b, von dem ein Anschluss an die Verbindungsleitung des Schalters SW11 und des Schalters SW12 angeschlossen ist, einen Schalter SW13, von dem ein Anschluss mit dem anderen Anschluss des Kondensators 300b verbunden ist und von dem der andere Anschluss an die Verbindungsstelle des Schalters SW12 und des Niederspannungsanschlusses des Kondensators 140 angeschlossen ist, einen Schalter SW14, von dem ein Anschluss an die Verbindungsleitung des Kondensators 300b und des Schalters SW13 angeschlossen ist und von dem der andere Anschluss mit dem Niederspannungsanschluss des Kondensators 160 verbunden ist, und einen Schalter SW21, von dem ein Anschluss an die Verbindungsleitung des Schalters SW11 und des Schalters SW12 angeschlossen ist und von dem der andere Anschluss an die Verbindungsleitung des Kondensators 300a und des Schalters SW3 angeschlossen ist.
Als periphere Schaltungen sind um die Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 in diesem Fall eine Spannungserfassungsschaltung zum Erfassen einer Stromquellenspannung und eine Steuerschaltung zum Steuern des Spannungsauf- und -abwärtstransformationsbetriebs als Reaktion auf das Erfassungsergebnis, das durch die Spannungserfassungsschaltung geliefert wird, angeordnet.
Die Steuerschaltung schaltet die Spannungsaufwärtstransformationsrate gemäß der Stromquellenspannung, welche durch die Spannungserfassungsschaltung erfasst wird, um.
Die Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 spricht auf einen Aufwärts/Abwärtstransformationstakt KUD, der durch eine Referenztakterzeugungsschaltung dazu erzeugt wird, an.
Die Funktionsweise der Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 während einer Spannungsverdreifachungsoperation wird nun unter Bezugnahme auf 14 erörtert.
Die Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 spricht auf den extern zugeführten Aufwärts/Abwärtstransformationstakt KUD an. Wie in 14 dargestellt, wird während der Spannungsverdreifachungsoperation bei einer ersten Spannungsaufwärtstransformationszeitgabe (einer Parallelschaltungszeitgabe) der Schalter SW1 auf ON geschaltet, der Schalter SW2 wird auf OFF geschaltet, der Schalter SW3 wird auf ON geschaltet, der Schalter SW4 wird auf OFF geschaltet, der Schalter SW11 wird auf ON geschaltet, der Schalter SW12 wird auf OFF geschaltet, der Schalter SW13 wird auf ON geschaltet, der Schalter SW14 wird auf OFF geschaltet, und der Schalter SW21 wird auf OFF geschaltet.
In diesem Fall werden in der Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 der Kondensator 300a und der Kondensator 300b mit Strom vom Kondensator 140 versorgt. Die Kondensatoren 300a und 300b werden geladen, bis die Spannung jedes der Kondensatoren 300a und 300b im Wesentlichen gleich jener des Kondensators 140 ist.
Bei einer zweiten Spannungsaufwärtstransformationszeitgabe (einer Reihenschaltungszeitgabe) wird der Schalter SW1 auf OFF geschaltet, der Schalter SW2 wird auf ON geschaltet, der Schalter SW3 wird auf OFF geschaltet, der Schalter SW4 wird auf OFF geschaltet, der Schalter SW11 wird auf OFF geschaltet, der Schalter SW12 wird auf OFF geschaltet, der Schalter SW13 wird auf OFF geschaltet, der Schalter SW14 wird auf ON geschaltet, und der Schalter SW21 wird auf ON geschaltet.
In diesem Fall sind in der Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 der Kondensator 140 und die Kondensatoren 300a und 300b in Reihe geschaltet, und der Kondensator 160 wird mit der Spannung, die dreimal die Spannung des Kondensators 140 ist, geladen. Somit ist die Spannungsverdreifachung durchgeführt.
Auf ähnliche Weise werden eine Spannungsverdoppelungsoperation, eine Operation zur Aufwärtstransformation der Spannung auf 1,5-mal die ursprüngliche Spannung, eine Operation zur Nullaufwärtstransformation der Spannung (ursprüngliche Eingangsspannung) und eine Operation zur Abwärtstransformation der Spannung auf die Hälfte der ursprünglichen Spannung durchgeführt.
Bei eingebauter Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 wird die Stromquellenspannung Vss innerhalb eines betriebsfähigen Spannungsbereichs gehalten, selbst wenn die Ladung des Kondensators 140 unzureichend ist.
Die Komparatoren 201 und 202 können demnach die Transistoren 121 und 122 steuern, wodurch ermöglicht wird, dass eine Wechselspannung mit kleiner Amplitude gleichgerichtet wird.
Die Steuerungsfähigkeit der Inverter 123 und 124, welche die Gateelektrodenspannungen in die Transistoren 121 und 122 einspeisen, wird verbessert, was den ON-Widerstand der Transistoren 121 und 122 verringert und zu einer hohen Gleichrichtungsleistung führt.
Wie bereits erwähnt, wird der Kondensator 140 selbst dann, wenn die Komparatoren 201 und 202 beim unzureichend geladenen Kondensator 140 nicht betriebsfähig sind, durch die Gleichrichtung, welche durch die Diodenbrücke bestehend aus den parasitären Dioden D3 und D4 und den Dioden D1 und D2 ausgeführt wird, ausreichend geladen.
Der Grund, warum die elektronische Uhr das Stromquellengerät der ersten Ausführungsform einbindet, ist folgender. In der elektronischen Uhr ist die gemeinsame Spannung die Hochspannung Vdd. Um eine Spannung Vss von –1,5 V zu erhalten, ist eine Spannung Vss' von –0,5 V mit einer Spannungsaufwärtstransformationsrate von 3 für die Spannungsauf- und -abwärtstransformationsschaltung 300 erforderlich. Wenn das Stromquellengerät der zweiten Ausführungsform als ein Stromquellengerät für die elektronische Uhr eingesetzt wird, werden –0,5 V als Vss' in den Eingang des Komparators 203 (204) eingespeist (nach der Pegelverschiebung in 5).
Da Transistoren zur Verwendung in der Uhr normalerweise eine Schwellenspannung Vth von 0,6 V aufweisen, wird die Konstantstromquelle 236 (siehe 6) in einen nicht gesättigten Zustand versetzt. Aus diesem Grund fließt kein ausreichender Strom dadurch, und der Komparator ist unfähig, eine Vergleichsoperation normal durchzuführen. Dagegen speist das Stromquellengerät der ersten Ausführungsform die Hochspannung Vdd als eine gemeinsame Spannung in den Eingang des Komparators ein (nach der Pegelverschiebung in 1) und ist im Schaltungsbetrieb stabil. Das Stromquellengerät der ersten Ausführungsform ist daher vorzuziehen.
Dagegen ist, wenn die Niederspannung Vss als eine gemeinsame Spannung in der zuvor erwähnten elektronischen Uhr verwendet wird, die Verwendung des Stromquellengeräts der zweiten Ausführungsform vorzuziehen.
[7] Modifikationen der Ausführungsformen
[7.1] Erste Modifikation
In den elektronischen Uhren der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform sind die Transistoren 121, 122, 125 und 126 N-Kanal-Feldeffekttransistoren oder P-Kanal-Feldeffekttransistoren. Alternativerweise können bipolare NPN- oder PNP-Transistoren verwendet werden. Die bipolaren Transistoren weisen normalerweise eine Sättigungsspannung von ungefähr 0,3 V zwischen dem Emitter und dem Kollektor auf. Die Feldeffekttransistoren sind vorzuziehen, wenn die elektromotorische Kraft des Generators 100 gering ist.
[7.2] Zweite Modifikation
In den elektronischen Uhren der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform ist eine Hauptkomponente zum Laden von Strom der Kondensator 140. Jede Komponente ist zulässig, solange sie Strom speichert. Zum Beispiel kann eine Sekundärbatterie eingesetzt werden.
[7.3] Dritte Modifikation
Neben dem einen, der in 10 dargestellt ist, kann der Generator 100 von einer Art sein, welche unter Verwendung einer Rückstellkraft einer Aufzugfeder eine Drehbewegung bewirkt und eine elektromotorische Kraft aus der Drehbewegung erzeugt, oder er kann von einer Art sein, welche zur Stromerzeugung vom piezoelektrischen Effekt Gebrauch macht, indem extern oder auf eine selbststeuernde Weise eine Vibration oder Verlagerung auf ein piezoelektrisches Material angelegt wird. Es ist wichtig, dass der Generator 100 eine Wechselspannung erzeugt, während die Form der Generators 100 nicht wichtig ist.
[7.4] Vierte Modifikation
Neben den elektronischen Uhren kann ein elektronisches Gerät, in welches das Stromquellengerät der zuvor dargelegten Ausführungsformen eingebaut wird, ein Flüssigkristallfernsehapparat, ein Videokassettenrekorder, ein Notebook-Personalcomputer, ein tragbares Telefon, ein PDA (persönlicher digitaler Assistent) oder ein elektronischer Rechner sein. Das Stromquellengerät der vorliegenden Erfindung kann in jeder Art von elektronischem Gerät. Anwendung finden, solange es elektrischen Strom verbraucht.
In solch einem elektronischen Gerät, werden elektrische Schaltungen und ein mechanisches System eher vom Strom, der durch den Generator zugeführt wird, als durch eine Primärbatterie betrieben. Das elektronische Gerät ist jederzeit überall betriebsbereit, bedarf keines mühseligen Batteriewechsels und schafft keine Probleme bezüglich der Batterieentsorgung.
[7.5] Fünfte Modifikation
In der zuvor dargelegten Erörterung umfasst das elektronische Gerät den Generator. Selbst ein tragbares Gerät ohne Generator darin wird mit Strom von einer externen Wechselstromquelle (zum Beispiel einer Versorgungsstromleitung) versorgt, richtet den Strom durch der zuvor erwähnten Gleichrichter gleich und speichert den Strom in einer Speichereinheit (einem Kondensator oder einer Sekundärbatterie).
In diesem Fall wird ein unnötiger Stromverbrauch infolge des Verluststroms während einer Nichtgleichrichtungsperiode konstant gehalten, und somit wird eine Konstruktion mit niedrigem Stromverbrauch realisiert.
[8] Vorteile der Ausführungsformen
Wie bereits erwähnt, schaltet gemäß der zuvor erwähnten Ausführungsformen die Steuereinheit die zweite Schalteinheit aus, wenn kein Vorwärtsstrom durch die erste Gleichrichtereinheit fließt, und sie schaltet die erste Schalteinheit aus, wenn kein Vorwärtsstrom durch die zweite Gleichrichtereinheit fließt.
Wenn weder durch die erste Gleichrichtereinheit noch durch die zweite Gleichrichtereinheit Vorwärtsströme fließen, d.h. keine Gleichrichtung durchgeführt wird, wird sowohl die erste Schalteinheit als auch die zweite Schalteinheit ausgeschaltet, und beide geschlossene Schleifen werden geöffnet. Stromverbrauch infolge des Verluststroms durch die erste Gleichrichtereinheit und die zweite Gleichrichtereinheit wird demnach konstant gehalten, und somit wird eine Konstruktion mit niedrigem Stromverbrauch realisiert.
Gemäß den zuvor erwähnten Ausführungsformen ist die Integration der Blöcke, welche die erste Gleichrichtereinheit und die zweite Gleichrichtereinheit umfassen, einfach, und es ist eine Miniaturisierung des Schaltungsmaßstabs möglich. In dem elektronischen Gerät, wie beispielsweise einer Armbanduhr, die einer räumlichen Einschränkung unterworfen ist, wird der verfügbare Raum wirksam genutzt. Die Integration der Blöcke setzt die Herstellungskosten herab.

Claims

Stromquellengerät zum Zuführen von Strom durch eine erste Stromleitung und eine zweite Stromleitung, umfassend: ein Vollweggleichrichtergerät in Brückenschaltung, wobei das Vollweggleichrichtergerät in Brückenschaltung umfasst: eine erste Diode (D1), welche an einen ersten Anschluss (AG1), dem eine Wechselspannung zugeführt wird, und an die erste Stromleitung (Vdd; Vss) angeschlossen ist; eine zweite Diode (D2), welche an den anderen Anschluss (AG2), dem eine Wechselspannung zugeführt wird, und an die erste Stromleitung (Vdd; Vss) angeschlossen ist, erste Schaltmittel (121; 125), die zwischen den einen Anschluss (AG1) und die zweite Stromleitung (Vss; Vdd) geschaltet sind, und zweite Schaltmittel (122, 126), die zwischen den anderen Anschluss (AG2) und die zweite Stromleitung (Vss; Vdd) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromquellengerät ferner umfasst: ein Steuermittel, welches die zweiten Schaltmittel steuert (201, 124; 203, 124; 205), um die zweiten Schaltmittel auszuschalten, wenn kein Vorwärtsstrom durch die erste Diode fließt, und die ersten Schaltmittel steuert (202, 123; 204; 123; 206), um die ersten Schaltmittel auszuschalten, wenn kein Vorwärtsstrom durch die zweite Diode fließt.
Stromquellengerät nach Anspruch 1, wobei Verluststrom durch jede der ersten und der zweiten Diode, wenn die ersten und die zweiten Schaltmittel jeweils in einem Aus-Zustand sind, im Vergleich zu Verluststrom durch jede der ersten und der zweiten Diode, wenn die ersten und die zweiten Schaltmittel jeweils nicht in einem Aus-Zustand sind, verringert wird.
Stromquellengerät nach Anspruch 1, wobei jede der ersten und der zweiten Diode jeweils in ein P-Substrat oder ein N-Substrat eingebunden ist, und wobei, wenn die Dioden in das N-Substrat eingebunden sind, die erste Stromleitung so ausgelegt ist, dass sie mit einem Potenzial verbunden ist, das höher als das Potenzial ist, mit dem die zweite Stromleitung verbunden ist, um das Auslösen eines parasitären NPN-Transistors, der zwischen der Kathode jeder Diode und dem N-Substrat ausgebildet ist, zu verhindern, und wobei, wenn die Dioden in das P-Substrat eingebunden sind, die erste Stromleitung so ausgelegt ist, dass sie mit einem Potenzial verbunden ist, das niedriger als das Potenzial ist, mit dem die zweite Stromleitung verbunden ist, um das Auslösen eines parasitären PNP-Transistors, der zwischen der Anode jeder Diode und dem P-Substrat ausgebildet ist, zu verhindern.
Stromquellengerät nach Anspruch 1, wobei jedes der ersten und der zweiten Schaltmittel ein Feldeffekttransistor ist.
Stromquellengerät nach Anspruch 4, wobei eine parasitäre Diode (D3) des Feldeffekttransistors als das erste Schaltmittel, eine parasitäre Diode (D4) des Feldteffekttransistors als das zweite Schaltmittel, die erste Diode und die zweite Diode eine Brückenschaltung bilden.
Stromquellengerät nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel umfasst: erste Steuermittel zum Steuern der zweiten Schaltmittel, um die zweiten Schaltmittel auszuschalten, wenn kein Vorwärtsstrom durch die erste Diode fließt, und zweite Steuermittel zum Steuern der ersten Schaltmittel, um die ersten Schaltmittel auszuschalten, wenn kein Vorwärtsstrom durch die zweite Diode fließt.
Stromquellengerät nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel den Spannungspegel, der auf dem einen Anschluss (AG1) basiert, mit dem Spannungspegel, der auf der ersten Stromleitung basiert, vergleicht (201; 203, 205), um festzustellen, ob ein Vorwärtsstrom durch die erste Diode fließt, und den Spannungspegel, der auf dem zweiten Anschluss (AG2) basiert, mit dem Spannungspegel, der auf der ersten Stromleitung basiert, vergleicht (202; 204; 206), um festzustellen, ob ein Vorwärtsstrom durch die zweite Diode fließt.
Stromquellengerät nach Anspruch 7, wobei die erste Stromleitung ein höheres Potenzial als die zweite Stromleitung aufweist, und wobei das Steuermittel basierend auf der Feststellung, ob der Spannungspegel an dem einen Anschluss über den Spannungspegel steigt, der eine Summe eines vorbestimmten Spannungspegels und des Spannungspegels der ersten Stromleitung ist, feststellt, ob ein Vorwärtsstrom durch die erste Diode fließt, und basierend auf der Feststellung, ob der Spannungspegel an dem anderen Anschluss über den Spannungspegel steigt, der eine Summe eines vorbestimmten Spannungspegels und des Spannungspegels der ersten Stromleitung ist, feststellt, ob ein Vorwärtsstrom durch die zweite Diode fließt.
Stromquellengerät nach Anspruch 7, wobei die erste Stromleitung ein niedrigeres Potenzial als die zweite Stromleitung aufweist, und wobei das Steuermittel basierend auf der Feststellung, ob der Spannungspegel an dem einen Anschluss ein niedrigeres Potenzial als der Restspannungspegel aufweist, der durch Subtrahieren eines vorbestimmten Spannungspegels vom Spannungspegel der ersten Stromleitung bestimmt wird, feststellt, ob ein Vorwärtsstrom durch die erste Diode fließt, und basierend auf der Feststellung, ob der Spannungspegel an dem anderen Anschluss ein niedrigeres Potenzial als der Restspannungspegel aufweist, der durch Subtrahieren eines vorbestimmten Spannungspegels vom Spannungspegel der ersten Stromleitung bestimmt wird, feststellt, ob ein Vorwärtsstrom durch die zweite Diode fließt.
Stromquellengerät nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Steuermittel den vorbestimmten Spannungspegel versetzt.
Stromquellengerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der vorbestimmte Spannungspegel gleich einer Vorwärtsspannung der entsprechenden Diode ist.
Stromquellengerät nach Anspruch 1, wobei wenigstens die ersten Schaltmittel, die zweiten Schaltmittel und das Steuermittel in einem einzigen Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
Stromquellengerät nach Anspruch 1, welches Speichermittel zum Speichern von Strom, der durch die erste Stromleitung und die zweite Stromleitung zugeführt wird, wobei das Speichermittel Strom an das Steuermittel liefert.
Stromquellengerät nach Anspruch 1, welches Speichermittel zum Speichern von Strom, der durch die erste Stromleitung und die zweite Stromleitung zugeführt wird, wobei die Ausgangsspannung des Speichermittels erhöht wird und der erhöhte Strom an das Steuermittel geliefert wird.
Stromquellengerät nach Anspruch 14, wobei die erste Stromleitung auf ein Massepotenzial eingestellt ist.
Stromquellengerät nach einen der Ansprüche 1 bis 15, welches Wechselstromerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Wechselstroms, um die Wechselstromleitung zu liefern; umfasst.
Stromversorgungsverfahren eines Stromquellengeräts zum Zuführen von Strom durch eine erste Stromleitung und eine zweite Stromleitung, wobei das Stromquellengerät umfasst: ein Vollweggleichrichtergerät in Brückenschaltung, wobei das Vollweggleichrichtergerät in Brückenschaltung umfasst: eine erste Diode (D1), welche an einen ersten Anschluss (AG1), dem eine Wechselspannung zugeführt wird, und an die erste Stromleitung (Vdd; Vss) angeschlossen ist; eine zweite Diode (D2), welche an den anderen Anschluss (AG2), dem eine Wechselspannung zugeführt wird, und an die erste Stromleitung (Vdd; Vss) angeschlossen ist, erste Schaltmittel (121; 125), die zwischen den einen Anschluss (AG1) und die zweite Stromleitung (Vss; Vdd) geschaltet sind, und zweite Schaltmittel (122, 126), die zwischen den anderen Anschluss (AG2) und die zweite Stromleitung (Vss; Vdd) geschaltet sind, wobei das Stromversorgungsverfahren die zweiten Schaltmittel steuert (201, 124; 203, 124; 205), um die zweiten Schaltmittel auszuschalten, wenn kein Vorwärtsstrom durch die erste Diode fließt, und die ersten Schaltmittel steuert (202, 123; 204; 123; 206), um die ersten Schaltmittel auszuschalten, wenn kein Vorwärtsstrom durch die zweite Diode fließt.
Tragbares Elektrogerät, umfassend: ein Stromquellengerät nach Anspruch 1; Erzeugungsmittel zum Erzeugen der Wechselspannung zwischen dem einen Anschluss (AG1) und dem anderen Anschluss (AG2) davon, und Verarbeitungsmittel, die vom Strom, der durch die erste Stromleitung (Vdd; Vss) und die zweite Stromlei tung (Vss; Vdd) zugeführt wird, zum Durchführen einer vorbestimmten Verarbeitung betrieben werden.
Elektronische Uhr, umfassend: ein Stromquellengerät nach Anspruch 1; Erzeugungsmittel zum Erzeugen der Wechselspannung zwischen dem einen Anschluss (AG1) und dem anderen Anschluss (AG2) davon, und Zeitmessungsmittel, die vom Strom, der durch die erste Stromleitung (Vdd; Vss) und die zweite Stromleitung (Vss; Vdd) zugeführt wird, zum Messen von Zeit betrieben werden.