EP1897200A2 - Stromversorgungsanordnung für einen led-blitz in einem mobiltelefon - Google Patents

Stromversorgungsanordnung für einen led-blitz in einem mobiltelefon

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EP1897200A2
EP1897200A2 EP06754481A EP06754481A EP1897200A2 EP 1897200 A2 EP1897200 A2 EP 1897200A2 EP 06754481 A EP06754481 A EP 06754481A EP 06754481 A EP06754481 A EP 06754481A EP 1897200 A2 EP1897200 A2 EP 1897200A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capacitor
power supply
supply arrangement
arrangement according
load current
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06754481A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Pauritsch
Peter Trattler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram AG
Original Assignee
Austriamicrosystems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Austriamicrosystems AG filed Critical Austriamicrosystems AG
Publication of EP1897200A2 publication Critical patent/EP1897200A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
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    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/375—Switched mode power supply [SMPS] using buck topology
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Details of circuit arrangements for charging or discharging batteries or supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter
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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the present invention relates to a power supply arrangement and its use in a mobile radio device.
  • accumulator For power supply in MobiIfunkön is usually a rechargeable battery, a so-called accumulator.
  • accumulators have a battery voltage of, for example, 3.3 volts to 4.2 volts, depending on their state of charge.
  • accumulators such as lithium ion accumulators, metal hydride accumulators or nickel-cadmium accumulators have a relatively large internal resistance of typically approximately 200 milliohms.
  • Light-emitting diodes can also perform a flash function without exceeding the limit of 60 V safety extra-low voltage.
  • the problem is, however, such light emitting diodes require relatively large currents of up to 5 amperes to achieve sufficient flash brightness, as peak load at a forward voltage of 5 volts.
  • high currents can not be provided by the abovementioned types of accumulator due to their relatively high internal resistance, not even in the short term, since the voltage dip would cause a reset of the mobile phone.
  • the object of the present invention is to specify a power supply arrangement which is suitable for use in mobile radio devices and for driving light-emitting diodes with flash-light functionality.
  • the proposed power supply arrangement has an input for connecting a voltage source.
  • a capacitor having a low internal resistance is coupled via a means for charging the capacitor to the input of the power supply arrangement.
  • a load current regulator couples the capacitor to a means for connecting an electrical load.
  • the load current regulator has a return input to which the Means for connecting the electrical load via a return branch and a means for load current detection is coupled.
  • the capacitor acts as a transient energy store to reduce the peak current needed by the electrical load that would otherwise have to supply the battery itself. This avoids that, for example, a mobile radio device, in which the power supply arrangement is accommodated, automatically switches off due to the collapsed battery voltage.
  • a charging phase of the capacitor this is charged with a small current, for example, half an ampere for a certain period of time, for example one second from the voltage source to its nominal voltage.
  • the capacitor In a subsequent discharge phase, the capacitor is not discharged via a simple resistor to the electrical load, but it takes place according to the proposed principle, a controlled discharge with controlled current.
  • the load current regulator is provided, in which, depending on the actual load current, which can be measured with the means for detecting the load current, in a closed control loop by means of the load current regulator, a regulation of the load current.
  • the input for connecting a voltage source is designed in particular for connection to an accumulator, which has a relatively large internal resistance.
  • the described power supply arrangement is preferred for use in mobile radios, in particular for the control one or more light-emitting diodes designed as an electrical load.
  • the internal resistance of the capacitor is preferably smaller than the internal resistance of the voltage source.
  • the internal resistance of the capacitor is less than 50 milliohms.
  • the means for connecting an electrical load is preferably designed as a means for connecting a light emitting diode, in particular a flash light emitting diode, English: Flash LED, light-emitting diode.
  • a light-emitting diode is connected to the means for connecting an electrical load.
  • the capacitor is preferably a so-called supercap.
  • the capacitance value of the capacitor is advantageously in a range of 0.1 Farad to 10 Farad. Particularly preferably, the capacity range is between 1 and 2 farads.
  • the supercap has a nominal voltage of 2.5 volts, 4.5 volts or 5 volts.
  • the means for load current detection preferably comprises a current source. Due to their position in the circuit, the power source can also be understood as a current sink. In the simplest case, for example, a resistor is connected in series with the electrical load, wherein the voltage drop across the resistor is measured. With knowledge of this Voltage and the a priori known resistance value can be closed to the actual load current.
  • the current source can be connected in a common current path either between the load current regulator and the electrical load or between the electrical load and a reference potential connection.
  • the means for charging the capacitor preferably comprises a charge pump.
  • the charge pump provides at its output a voltage which may be greater than the voltage at its input.
  • the charge pump normally works with one or more small capacitors. This makes it possible to use a supercap, the voltage in the charged state is greater than the voltage of a battery connected to the input of the device. Thus, the energy content of the capacitor can be increased.
  • the charging of the capacitor regardless of the state of charge of the battery is possible.
  • the load current regulator preferably comprises a means for limiting the load current.
  • the load current regulator can be designed, for example, as a DC / DC converter, which has a feedback input.
  • the means for charging the capacitor and the load current regulator may have a shared inductance.
  • only one inductance is required for the entire power supply arrangement, which is used as part of the load current regulator both during charging of the capacitor as part of the means for charging, as well as in a discharge operation.
  • this double tion of the inductance a significant space and thus cost savings.
  • the means for charging the capacitor preferably comprises a Bück converter.
  • a charge pump does not necessarily have to be connected upstream of the Bück converter.
  • Bück converters are also referred to as downconverters or step downsamplers.
  • the load current regulator preferably comprises a boost converter.
  • boost converters are also referred to as boost converters or boost converters.
  • the Bück converter and the boost converter are combined in the load current controller into one unit.
  • the multiple use of individual components such as an inductance is particularly advantageous.
  • a bypass branch which can be switched on and off is provided which couples the means for charging the capacitor with the means for connecting the electrical load. This allows the capacitor to be bypassed. This is used in particular to operate an electrical load such as a light emitting diode in a bypass operation not as a flashlamp, but to operate in a continuous operation, for example in a flashlight function or as a video lamp.
  • the capacitor may be coupled in parallel to the voltage source in a charging operation via the means for charging.
  • the capacitor In a discharge operation, the capacitor is preferably connected in parallel to a current path via the load current regulator. sen, which includes the electrical load or at least the means for connecting the electrical load.
  • the capacitor can be connected in series to the voltage source in the discharge mode.
  • the latter has the advantage of a higher output voltage in the discharge case, while in the case of parallel discharge, a higher peak current can be provided.
  • the choice of the interconnection in the unloading operation depends on the application and the characteristics of the electrical load and the capacitor.
  • the capacitor is connected in series with the voltage source both in the charging mode and in the discharging mode.
  • a Boost Converter can be used for charging purposes. It is an advantage of this development that the arrangement can be constructed without those switches which are necessary for switching from the parallel circuit to the serial circuit of the capacitor to the voltage source.
  • the power supply arrangement described is constructed using integrated circuit technology.
  • the power supply arrangement in a mobile radio device for coupling an electrical load designed as a flashlamp light-emitting diode with a voltage source designed as an accumulator.
  • Show it: 1 shows an embodiment of a power supply arrangement according to the proposed principle
  • FIG. 2 shows an exemplary development of the circuit of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an exemplary development of the circuit of FIG. 2
  • FIG. 4 shows another exemplary development of the circuit of FIG. 1,
  • FIG. 5 shows an exemplary development of the circuit of FIG. 4,
  • FIG. 6 shows an example of a charging phase in the circuit of FIG. 5,
  • FIG. 7 shows an example of a discharge phase in the circuit of FIG. 5 and FIG.
  • FIG. 8 shows an example of a flashlight operation in the circuit of FIG. 5.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a power supply arrangement according to the proposed principle.
  • An input 1 of the power supply arrangement is designed to connect a voltage source.
  • a battery 2 is connected as a voltage source to the input 1.
  • a capacitor 3 is provided which has a low internal resistance of 50 m ⁇ by way of example. This capacitor 3 is designed as a so-called supercap.
  • a means for charging 4 of the Kon- connected denators which is designed in this case as a charge pump.
  • This comprises two capacitors 5, 6, which allow the charge pump to provide at its output a higher voltage than the battery voltage at the input 1 ready.
  • a light-emitting diode 8 is connected.
  • the capacitor 3 is connected to the means for connecting an electrical load 7 via a load current regulator 9.
  • the load current regulator 9 comprises a means for limiting the current.
  • a means for load current detection 10 is connected to the means 7 for connecting an electrical load.
  • the means for load current detection 10 has two terminals, which are connected to form a feedback branch with a return input 11 of the load current regulator.
  • a control circuit for controlling the load current through the diode 8 is formed.
  • the diode 8 is connected in series with the means for load current detection in the form of a resistor in a common current branch.
  • a bypass branch 12 is provided which comprises a switch 13.
  • the bypass branch 12 with the switch 13 connects and disconnects an output of the charge pump with an input of the load current regulator.
  • the operation of the circuit of Figure 1 is characterized by two phases.
  • a first phase namely the charging phase
  • the capacitor 3 is charged by means of the battery 2 and the charge pump, preferably to its maximum voltage.
  • the discharge phase the Laststromregier 9 is used to quickly discharge the capacitor 3 and to transfer its energy content to the flash LED 8.
  • the load continue to transfer energy to the capacitor 3 to extend the duration of the flash.
  • the capacitor 3 designed as a supercap is therefore used for the temporary storage of electrical energy in the form of charge, in order to reduce the peak current from the battery 2.
  • the peak current from the battery must therefore be limited in order to preclude switching off the application in which the proposed power supply arrangement is embedded, for example a mobile telephone.
  • a mobile phone would cause the load circuits to be disconnected from the battery when the supply voltage drops, as would occur without support from the supercap.
  • the internal resistance of the capacitor 3 is much smaller, for example less than or equal to 50 milliohms.
  • the capacitance of the capacitor 3 is preferably between 1 and 2 Farad at a nominal voltage of the capacitor of 5 volts.
  • the charging of the capacitor 3 from the battery takes place in a relatively long time interval of for example one second with a relatively low current of, for example, half a ampere.
  • a high current of, for example, up to 5 amperes is driven through the light emitting diode 8, which generates the flash light for a fraction of a second.
  • the proposed circuit Due to the advantageous properties of the proposed circuit such as cost-effective implementability, need for only one or two small capacitors 5, 6 in the La tion pump for charging the supercap 3 and the optional parallel path 12 for operating the flash light emitting diode 8 in a flashlight or video light function, the proposed arrangement is particularly suitable for use in mobile phones that have a digital camera.
  • a special feature is that due to the control loop of the load current regulator 9 together with the means for load current detection 10 and the return branch, a controlled discharge of the capacitor with a regulated current.
  • the load current controller is advantageously designed so that the electrical load 8 is operated with a constant discharge current.
  • the second capacitor 6 can be omitted.
  • FIG. 2 shows a further development of the circuit of FIG. 1, which largely corresponds to one another in the components used, their advantageous interconnection and mode of operation and which, to that extent, will not be described again.
  • a DC / DC converter 14 comprising an inductance 15 is provided as the load current regulator in FIG.
  • the load current regulator 14 additionally has a current limiting function.
  • a support capacitance 16 is connected to ground at the output of the DC / DC converter 14.
  • the bypass branch 12 comprising the switch 13 is laid in the example of FIG. 2 from an output of the means for charging the capacitor 4 to the output of the DC / DC converter 14 connected to the backup capacitance 16.
  • the capacity 3 can be used to provide a flashlight or video light function. be bridged, in order to avoid unnecessary charging of the capacitor in this case.
  • the output stage of the means preferably designed as a charge pump, for charging the capacitor is preferably doubled, for example two output driver transistors with common control.
  • the charge pump has two outputs, namely one which is connected to the capacitor 3 and one which is directly connected to the light-emitting diode 8 in the switched-on state of the bypass branch 12. This branch is also running current limited.
  • the circuit of Figure 2 has the following advantages: The utilization of the energy content of the capacitor 3 in flash mode is improved. Due to the improved utilization of the capacitor 3, the capacitor 3 can be realized with a smaller size and lower cost. To charge the capacitor, a very simple charge pump can be used, which requires no additional inductance but only one or two small external capacitors. The circuit is particularly suitable for supercaps with a rated voltage of 4.5 or 5 volts. The bypass branch can be realized with only one additional transistor as an additional output stage of the charge pump and a further transistor as a switch 13 and thus with a particularly low additional cost.
  • the support capacity 16 may be omitted.
  • Figure 3 shows a development of the circuit of Figure 2, wherein both circuits largely correspond to the components used and the advantageous function and will not be described again in so far at this point.
  • a DC / DC converter is provided in Figure 3 for controlling the load current through the light emitting diode 8, which comprises a coil 17 which is connected between a terminal of the capacitor 3 and a terminal of a controlled path of a transistor 18. Another connection of the controlled path of the transistor 18 is connected to the backup capacitor 16 and the light emitting diode 8. Another transistor 19 connects the output terminal of the inductor 17 to a reference potential terminal.
  • a control unit 20 for controlling the transistors 18, 19 is provided, the reference numeral 20 carries. Outputs of the control unit 20 are connected to control terminals of the two transistors 18, 19. Input terminals of the control unit 20 are connected to the output terminal of the inductor 17 and the two tap nodes on the resistor 10.
  • the measurement of the load current through the light emitting diode 8 can be carried out in the circuit of Figure 3 either with the resistor 10 or alternatively with the current measurement by the transistor 18.
  • the average current through the transistor 18 is identical to the average current through the resistor 10th In this case, the resistor 10 can be omitted.
  • An additional voltage feedback 24 from point 16 guarantees a voltage limitation under all conditions, for example with the diode open. Under open diode is understood, for example, an interruption of a conductor or a torn off bonding wire.
  • FIG. 4 shows, with respect to the embodiments according to FIGS. 2 and 3, another development of the circuit of FIG. 1. Inasmuch as the circuit of FIG. 4 corresponds to that of FIG. 1 in the components used and their advantageous circuitry. tion, this description will not be repeated here.
  • the output of the circuit block 4 is connected directly to an input of the DC / DC converter.
  • Transducer 21 connected, which forms the load current controller.
  • the capacitor 3 is connected to another terminal of the DC / DC converter 21, but not directly connected to the circuit block 4.
  • the charge pump can be omitted in alternative embodiments, that is, the input 1 is directly connected to the input of the DC / DC converter 21.
  • the actual means for charging the capacitor from the DC / DC converter 21 is included.
  • the DC / DC converter 21 is designed as a so-called Bück converter to charge the capacitor 3 in a charging phase.
  • a boost converter is integrated.
  • the buck converter and the boost converter in the DC / DC converter 21 share a common inductance.
  • a bypass branch 12 is provided, which connects the output of the optional charge pump 4 to the light-emitting diode 8 via a switch current-limited.
  • Buck converters are also referred to as down-converters and boost converters as up-converters. Both DC voltage converters belong to the so-called secondary clocked switching regulators.
  • connection of the coil 17, which is not connected to the transistors 18, 19, is coupled in the circuit of FIG. 5 only to the capacitor 3, but not to the input 1 of the device.
  • a further transistor 22 is provided, whose controlled path connects the output terminal of the inductor 17 to the output of the optional charge pump 4.
  • both the inductance 17 is part of the down converter and the up converter, as well as a double use of the transistor 22 is provided.
  • the transistor 22 is the output transistor of the charge pump 4, it is also shared in the DC / DC converter.
  • the DC / DC converter is advantageously synchronized with the charge pump.
  • the control of the load current through the diode 8 can either be as shown in Figure 5 with the resistor 10 or by a current measurement of the current through the transistor 18, since the average current through the transistor 18 corresponds to the average current through the resistor 10.
  • the resistor 10 can be omitted.
  • Reference to the figures 6 to 8 three different modes of the circuit of Figure 5 will be explained in more detail.
  • the circuits of Figures 6 to 8 correspond in their construction and the advantageous operation of the circuit of Figure 5 and will not be described again in this regard at this point.
  • FIG. 6 shows a first operating phase, namely the charging phase of the capacitor 3.
  • the DC / DC converter is operated as a down converter.
  • the down converter comprises the components transistor 22, inductor 17 and transistor 19.
  • FIG. 7 shows a second working phase, namely the discharge phase.
  • the load current regulator works as an up-converter.
  • the inductance 17, the transistor 19 and the transistor 18 are used for this purpose.
  • the charge pump 4 can continue to transfer energy to the capacitor 3 in order to extend the duration of the flash light.
  • FIG. 8 shows a third operating mode, namely the operating mode of a flashlight or video light instead of a flashlight operation as described in FIGS. 6 and 7.
  • the output of the charge pump 4 drives the light-emitting diode 8 directly.
  • the transistors 22 and 18 serve for this purpose.
  • the embodiments of Figures 4 to 8 are particularly suitable for supercaps with a nominal voltage of 2.5 volts, but can also be used to improve the efficiency of the charging phase in supercaps with 4.5 or 5 volts rated voltage.
  • the advantages of the circuits according to FIGS. 4 to 8 include in particular the following:
  • the transistor 22 can be used for two purposes, namely the output stage of the charge pump and switches in the DC / DC converter. With only two additional transistors 18, 19, a full boost converter, down converter, or bypass operation directly from the charge pump is reversibly and dynamically possible.
  • the coil 17 is shared both as inductance in the boost converter, as well as inductance in the buck converter. Overall, the advantages described lead to a minimum chip area due to the multiple use of numerous components.
  • FIGS. 1 to 8 are particularly suitable for use in the following fields of application:
  • high short-term output powers and currents of, for example, 5 amperes can be passed through an LED using a supercap with a forward voltage of, for example, 4. 5 or 5 volts are operated.
  • xenon flashes which require additional effort due to their high voltages, can be avoided in mobile phones.
  • 2.5 volt supercaps can be advantageously driven. In all cases, the size of the circuit and the required chip area are very small.
  • the charge pump is designed, in particular in the embodiments according to FIGS. 2 and 3, to charge the capacitor with a current-limiting function.
  • the capacitor is discharged with current limiting by the Laststromregier.
  • it is provided to charge the supercap with a charge pump and to discharge it with an inductive DC / DC converter in flash mode.
  • the supercap is charged with a charge pump with current limiting function.
  • the unloading of the supercap into the LED takes place with a current-limiting DC / DC converter.
  • With a current-limiting boost converter as a DC / DC converter and supercaps can be used with low nominal voltages.
  • the charge pump at the input can be dispensed with in alternative embodiments.
  • the DC / DC converter is designed as a combined up- and down-converter, with a down-converter, the charging of the supercap and with an up-converter, the unloading of the supercap.
  • With a current-limited up-DC / DC converter supercaps with a low nominal voltage can also be used.
  • both the output transistor 22 and the coil 17 can be used several times for different tasks depending on the operating mode selected, see FIGS. 6 to 8.
  • the load current regulator including the bypass branch only three are used Transistors required.

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Abstract

Es ist eine Stromversorgungsanordnung angegeben, bei der ein Kondensator mit niedrigem Innenwiderstand, insbesondere ein Supercap (3), über ein Mittel zum Aufladen (4) an einen Eingang (1) und über einen Laststromregler (9) an ein Anschlussmittel (7) für eine elektrische Last (8) angeschlossen ist. Gemeinsam mit einem Rückführungszweig ist ein Regelkreis für den Laststrom durch die elektrische Last (8) gebildet. Damit ist es möglich, einen Blitzlichtbetrieb in Anwendungen wie Mobiltelefonen bei Akkumulatoren mit hohem Innenwiderstand zu ermöglichen, wobei eine hohe Energieausnutzung des Kondensators bei kontrolliertem Entladen mit geregeltem Strom vorgesehen ist.

Description

Beschreibung
Stromversorgungsanordnung und deren Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanordnung und deren Verwendung in einem Mobilfunkgerät .
Zur Stromversorgung in MobiIfunkgeräten dient normalerweise eine wiederaufladbare Batterie, ein sogenannter Akkumulator. Solche Akkumulatoren haben eine Batteriespannung von beispielsweise 3,3 Volt bis 4,2 Volt, abhängig von ihrem Ladezustand. Außerdem haben solche Akkumulatoren, wie beispielsweise Lithium- Ionen-Akkumulatoren, Metall -Hydrid-Akkumulatoren oder Nickel -Cadmium-Akkumulatoren einen verhältnismäßig gro- ßen Innenwiderstand von typisch circa 200 Milliohm.
Der Trend der Integration von Digitalkamerafunktionalität in Mobiltelefone führt zu dem Bestreben, auch leistungsstarke Blitzlicht-Geräte in das MobiIfunkgerät zu integrieren.
Um mit der gegebenen, maximalen Stromtreiberfähigkeit des Akkumulators auszukommen, könnten beispielsweise sogenannte Xenon-Blitzlichtlampen verbaut werden. Diese haben jedoch verhältnismäßige große Betriebsspannungen von beispielsweise 300 Volt, die aufgrund des deutlichen Überschreitens der in vielen Ländern vorgegebenen Grenzen für die Schutzkleinspannung zusätzliche Schutzmaßnahmen vor einem Berühren spannungsführender Teile erfordern. Dies wäre jedoch mit einem verhältnismäßig großen Aufwand verbunden.
Leuchtdioden können ebenfalls eine Blitzlicht-Funktion ausführen, ohne hierfür die Grenze für Schutzkleinspannung von 60 Volt zu überschreiten. Problematisch dabei ist jedoch, dass solche Leuchtdioden zum Erzielen einer ausreichenden Blitzlicht -Helligkeit verhältnismäßig große Ströme von bis zu 5 Ampere als Spitzenlast bei einer Durchlassspannung von 5 Volt benötigen. Solche hohen Ströme können jedoch von den o- ben genannten Akkumulatorentypen aufgrund ihres verhältnismäßig hohen Innenwiderstands nicht, auch nicht kurzfristig bereitgestellt werden, da der Spannungseinbruch einen Reset des Mobiltelefons hervorrufen würde.
Aufgrund des begrenzten Energieinhalts von Akkumulatoren mit vorgegebenem Gewicht und Volumen ist es wünschenswert, hohe Wirkungsgrade der Verbraucher in mobilen Geräten zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromversorgungsanordnung anzugeben, welche für die Anwendung in Mobil - funkgeräten und zur Ansteuerung von Leuchtdioden mit Blitzlicht-Funktionalität geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Stromversorgungsanordnung mit den Merkmalen des geltenden Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Prin- zips sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorgeschlagene Stromversorgungsanordnung hat einen Eingang zum Anschließen einer Spannungsquelle. Ein Kondensator mit niedrigem Innenwiderstand ist über ein Mittel zum Aufla- den des Kondensators mit dem Eingang der Stromversorgungsanordnung gekoppelt. Ein Laststromregler koppelt den Kondensator mit einem Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last. Der Laststromregier hat einen Rückführeingang, an den das Mittel zum Anschließen der elektrischen Last über einen Rückführungszweig und ein Mittel zur Laststromerfassung gekoppelt ist.
Der Kondensator dient als vorübergehender Energiespeicher, um den Spitzenstrom, den die elektrische Last benötigt, und den ansonsten die Batterie selbst bereitstellen müsste, zu reduzieren. Dadurch wird vermieden, dass sich beispielsweise ein MobiIfunkgerät , in dem die Stromversorgungsanordnung unterge- bracht ist, aufgrund der zusammengebrochenen Batteriespannung selbsttätig abschaltet.
In einer Aufladephase des Kondensators wird dieser mit einem geringen Strom, beispielsweise einem halben Ampere für eine bestimmte Zeitdauer, beispielsweise eine Sekunde lang aus der Spannungsquelle auf seine Nennspannung aufgeladen.
In einer anschließenden Entladephase wird der Kondensator nicht über einen einfachen Widerstand an die elektrische Last entladen, sondern es findet nach dem vorgeschlagenen Prinzip eine kontrollierte Entladung mit geregeltem Strom statt. Hierfür ist der Laststromregler vorgesehen, bei dem in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Laststrom, der mit dem Mittel zur Laststromerfassung gemessen werden kann, in einer ge- schlossenen Regelschleife mittels des Laststromreglers eine Regelung des Laststroms erfolgt.
Der Eingang zum Anschließen einer Spannungsquelle ist insbesondere zum Anschließen an einen Akkumulator ausgebildet, der einen verhältnismäßig großen Innenwiderstand hat.
Die beschriebene Stromversorgungsanordnung ist bevorzugt zur Verwendung in MobiIfunkgeräten, insbesondere zur Ansteuerung einer oder mehrerer Leuchtdioden als elektrische Last ausgebildet.
Der Innenwiderstand des Kondensators ist bevorzugt kleiner als der Innenwiderstand der Spannungsquelle.
Besonders bevorzugt ist der Innenwiderstand des Kondensators kleiner als 50 Milliohm.
Das Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last ist bevorzugt als Mittel zum Anschließen einer Leuchtdiode ausgebildet, insbesondere einer Blitzlicht-Leuchtdiode, englisch: Flash-LED, light-emitting diode .
In einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Prinzips ist eine Leuchtdiode an das Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last angeschlossen.
Der Kondensator ist bevorzugt ein so genannter Supercap .
Der Kapazitätswert des Kondensators liegt vorteilhafter Weise in einem Bereich von 0,1 Farad bis 10 Farad. Besonders bevorzugt liegt der Kapazitätsbereich zwischen 1 und 2 Farad.
Der Supercap hat beispielsweise eine Nennspannung von 2,5 Volt, 4,5 Volt oder 5 Volt.
Das Mittel zur Laststromerfassung umfasst bevorzugt eine Stromquelle. Aufgrund ihrer Position in der Schaltung kann die Stromquelle auch als Stromsenke verstanden werden. Im einfachsten Fall ist beispielsweise ein Widerstand in Serie zur elektrischen Last geschaltet, wobei die über den Widerstand abfallende Spannung gemessen wird. Bei Kenntnis dieser Spannung und des a priori bekannten Widerstandswertes kann auf den tatsächlichen Laststrom geschlossen werden. Die Stromquelle kann dabei in einem gemeinsamen Strompfad entweder zwischen den Laststromregler und die elektrische Last o- der zwischen die elektrische Last und einen Bezugspotential - anschluss geschaltet sein.
Das Mittel zum Aufladen des Kondensators umfasst bevorzugt eine Ladungspumpe. Die Ladungspumpe stellt an ihrem Ausgang eine Spannung bereit, die größer sein kann als die Spannung an ihrem Eingang. Dabei arbeitet die Ladungspumpe normalerweise mit einem oder mehreren kleinen Kondensatoren. Dadurch ist es möglich einen Supercap einzusetzen, dessen Spannung im aufgeladenen Zustand größer ist als die Spannung einer am Eingang der Anordnung angeschlossenen Batterie. Somit kann der Energieinhalt des Kondensators erhöht werden. Außerdem ist das Aufladen des Kondensators unabhängig vom Ladezustand der Batterie möglich.
Der Laststromregler umfasst bevorzugt ein Mittel zur Laststrombegrenzung .
Der Laststromregler kann beispielsweise als DC/DC-Konverter ausgebildet sein, der einen Rückführungseingang hat.
Das Mittel zum Aufladen des Kondensators und der Laststromregler können eine gemeinsam genutzte Induktivität haben. Somit ist nur eine Induktivität für die gesamte Stromversorgungsanordnung erforderlich, welche sowohl beim Aufladen der Kapazität als Teil des Mittels zum Aufladen, als auch in einem Entladebetrieb als Teil des Laststromreglers genutzt wird. Insbesondere bei Ausbildung der Schaltung in integrierter Schaltungstechnik ergibt sich durch diese doppelte Nut- zung der Induktivität eine deutliche Flächen- und damit Kostenersparnis.
Das Mittel zum Aufladen des Kondensators umfasst bevorzugt einen Bück-Konverter . In diesem Fall braucht eine Ladungspumpe nicht notwendigerweise dem Bück-Konverter vorgeschaltet sein. Bück-Konverter werden auch als Abwärtswandler oder Tiefsetzsteiler bezeichnet.
Der Laststromregler umfasst bevorzugt einen Boost-Konverter . Solche Boost-Konverter werden auch als Aufwärtswandler oder Hochsetzsteller bezeichnet.
Besonders bevorzugt sind der Bück-Konverter und der Boost - Konverter in dem Laststromregler zu einer Einheit zusammenge- fasst . In diesem Fall ist mit besonderem Vorteil die Mehrfachnutzung einzelner Bauteile wie beispielsweise einer Induktivität möglich.
In einer bevorzugten Weiterbildung des vorgeschlagenen Prinzips ist ein zu- und abschaltbarer Bypass-Zweig vorgesehen, der das Mittel zum Aufladen des Kondensators mit dem Mittel zum Anschließen der elektrischen Last koppelt. Dadurch kann der Kondensator überbrückt werden. Dies dient insbesondere dazu, eine elektrische Last wie beispielsweise eine Leuchtdiode in einem Bypass-Betrieb nicht als Blitzlicht-Lampe zu betreiben, sondern in einem Dauerbetrieb beispielsweise in einer Taschenlampenfunktion oder als Videolampe zu betreiben.
Der Kondensator kann in einem Aufladebetrieb über das Mittel zum Aufladen parallel an die Spannungsquelle gekoppelt sein. In einem Entladebetrieb ist der Kondensator bevorzugt über den Laststromregler parallel an einen Strompfad angeschlos- sen, der die elektrische Last oder zumindest das Mittel zum Anschließen der elektrischen Last umfasst .
Alternativ kann der Kondensator im Entladebetrieb zur Span- nungsquelle in Serie geschaltet sein. Letzteres hat den Vorteil einer höheren Ausgangsspannung im Entladefall, während im Falle des parallelen Entladens ein höherer Spitzenstrom bereitgestellt werden kann. Die Wahl der Verschaltung im Entladebetrieb hängt dabei von der Applikation und den Kenndaten der elektrischen Last und des Kondensators ab.
In einer Weiterbildung ist der Kondensator sowohl in dem Aufladebetrieb als auch in dem Entladebetrieb seriell zur Spannungsquelle geschaltet. Für den Aufladebetrieb kann ein Bo- ost-Converter eingesetzt sein. Es ist ein Vorteil dieser Weiterbildung, dass die Anordnung ohne diejenigen Schalter aufgebaut sein kann, die zum Umschalten von der parallelen Schaltung zu der seriellen Schaltung des Kondensators zu der Spannungsquelle nötig sind.
Besonders bevorzugt ist die beschriebene Stromversorgungsanordnung in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut .
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Stromversor- gungsanordnung in einem MobiIfunkgerät zur Kopplung einer als Blitzlicht -Leuchtdiode ausgeführten elektrischen Last mit einer als Akkumulator ausgebildeten Spannungsquelle.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Stromversorgungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
Figur 2 eine beispielhafte Weiterbildung der Schaltung von Figur 1,
Figur 3 eine beispielhafte Weiterbildung der Schaltung von Figur 2,
Figur 4 eine andere, beispielhafte Weiterbildung der Schaltung von Figur 1,
Figur 5 eine beispielhafte Weiterbildung der Schaltung von Figur 4 ,
Figur 6 ein Beispiel einer Aufladephase bei der Schaltung von Figur 5,
Figur 7 ein Beispiel eines Entladephase bei der Schaltung von Figur 5 und
Figur 8 ein Beispiel für einen Taschenlampenbetrieb bei der Schaltung von Figur 5.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stromversorgungs- anordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Ein Eingang 1 der Stromversorgungsanordnung ist zum Anschließen einer Spannungsquelle ausgelegt. Vorliegend ist eine Batterie 2 als Spannungsquelle an den Eingang 1 angeschlossen. Weiterhin ist ein Kondensator 3 vorgesehen, der einen niedrigen Innenwiderstand von beispielhaft 50 mΩ hat. Dieser Kondensator 3 ist als so genannter Supercap ausgebildet. Zwischen dem Eingang 1 und dem Kondensator 3 ist ein Mittel zum Aufladen 4 des Kon- densators geschaltet, welches vorliegend als Ladungspumpe ausgebildet ist. Diese umfasst zwei Kondensatoren 5, 6, die es der Ladungspumpe ermöglichen, an ihrem Ausgang eine höhere Spannung als die Batteriespannung am Eingang 1 bereit zu stellen. An ein Mittel zum Anschließen einer elektrischen
Last 7 mit zwei Anschlussklemmen ist eine Leuchtdiode 8 angeschlossen. Der Kondensator 3 ist mit dem Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last 7 über einen Laststromregler 9 verbunden. Der Laststromregier 9 umfasst ein Mittel zur Strombegrenzung. Außerdem ist an das Mittel 7 zum Anschließen einer elektrischen Last ein Mittel zur Laststromerfassung 10 angeschlossen. Das Mittel zur Laststromerfassung 10 hat zwei Klemmen, die unter Bildung eines Rückführungszweigs mit einem Rückführeingang 11 des Laststromreglers verbunden sind. Somit ist ein Regelkreis zur Regelung des Laststroms durch die Diode 8 gebildet. Die Diode 8 ist mit dem vorliegend als Widerstand ausgebildeten Mittel zur Laststromerfassung in einem gemeinsamen Stromzweig in Serie verschaltet .
Zur Überbrückung des Kondensators 3 ist ein Bypass-Zweig 12 vorgesehen, der einen Schalter 13 umfasst. Der Bypass-Zweig 12 mit dem Schalter 13 verbindet zu- und abschaltbar einen Ausgang der Ladungspumpe mit einem Eingang des Laststromreglers 9.
Die Funktionsweise der Schaltung nach Figur 1 ist durch zwei Phasen gekennzeichnet. In einer ersten Phase, nämlich der Aufladephase, wird der Kondensator 3 mittels der Batterie 2 und der Ladungspumpe aufgeladen, bevorzugt auf seine maximale Spannung. In einer zweiten Phase, der Entladephase, wird der Laststromregier 9 benutzt, um den Kondensator 3 schnell zu entladen und seinen Energieinhalt auf die Blitzlicht- Leuchtdiode 8 zu übertragen. In der Entladephase kann die La- dungspumpe weiterhin Energie auf den Kondensator 3 übertragen, um die Dauer des Blitzlichts zu verlängern.
Der als Supercap ausgeführte Kondensator 3 wird demnach zur vorübergehenden Speicherung von elektrischer Energie in Form von Ladung benutzt, um den Spitzenstrom aus der Batterie 2 zu reduzieren. Der Spitzenstrom aus der Batterie muss deswegen begrenzt werden, um ein Abschalten der Anwendung auszuschließen, in der die vorgeschlagene Stromversorgungsanordnung ein- gebettet ist, beispielsweise ein Mobiltelefon. Ein Mobiltele- fon würde bei einbrechender Versorgungsspannung, wie sie ohne Stützen durch den Supercap auftreten würde, ein Abschalten der Lastkreise von der Batterie bewirken.
Während die Batterie typischerweise einen verhältnismäßig großen Innenwiderstand von beispielsweise 200 mΩ hat, ist der Innenwiderstand des Kondensators 3 sehr viel kleiner, und beträgt beispielsweise kleiner oder gleich 50 mΩ. Die Kapazität des Kondensators 3 beträgt bevorzugt zwischen 1 und 2 Farad bei einer Nennspannung des Kondensators von 5 Volt.
Das Aufladen des Kondensators 3 aus der Batterie erfolgt in einem verhältnismäßig langen Zeitintervall von beispielsweise einer Sekunde mit einem verhältnismäßig geringen Strom von beispielsweise einem halben Ampere. Im Entladebetrieb, das heißt zum Betreiben der Blitzlicht-Leuchtdiode 8, wird für einen Bruchteil einer Sekunde ein hoher Strom von beispielsweise bis zu 5 Ampere durch die Leuchtdiode 8 getrieben, der das Blitzlicht erzeugt.
Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften der vorgeschlagenen Schaltung wie kostengünstige Implementierbarkeit , Bedarf an lediglich ein oder zwei kleinen Kondensatoren 5 , 6 in der La- dungspumpe zum Aufladen des Supercap 3 und dem optionalen Parallelpfad 12 zum Betrieb der Blitzlicht-Leuchtdiode 8 in einer Taschenlampen- oder Videolichtfunktion ist die vorgeschlagene Anordnung besonders zur Anwendung in Mobiltelefonen geeignet, die eine Digitalkamera haben.
Eine Besonderheit ist dabei, dass aufgrund des Regelkreises des Laststromreglers 9 zusammen mit dem Mittel zur Laststromerfassung 10 und dem Rückführungszweig ein kontrolliertes Entladen des Kondensators mit einem geregelten Strom erfolgt. Insbesondere ist der Laststromregler vorteilhafter Weise so ausgelegt, dass die elektrische Last 8 mit konstantem Entladestrom betrieben wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann der zweite Kondensator 6 entfallen.
Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung von Figur 1, die einander in den verwendeten Bauteilen, deren vorteilhaf- ter Verschaltung und Funktionsweise weitgehend entsprechen und die insoweit nicht noch einmal beschrieben wird. Anstelle des Laststromreglers 9 ist als Laststromregler bei Figur 2 ein DC/DC-Wandler 14 umfassend eine Induktivität 15 vorgesehen. Der Laststromregler 14 hat zusätzlich eine Strombegren- zungsfunktion. Außerdem ist am Ausgang des DC/DC-Wandlers 14 eine Stützkapazität 16 gegen Masse angeschlossen. Der Bypass- Zweig 12 umfassend den Schalter 13 ist bei dem Beispiel nach Figur 2 von einem Ausgang des Mittels zum Aufladen des Kondensators 4 auf den mit der Stützkapazität 16 verbundenen Ausgang des DC/DC-Wandlers 14 gelegt.
Wie oben bereits erläutert, kann die Kapazität 3 zur Bereitstellung einer Taschenlampen- oder Videolichtfunktion über- brückt werden, um in diesem Fall ein unnötiges Aufladen des Kondensators zu vermeiden. In diesem Fall ist bevorzugt die Ausgangsstufe des bevorzugt als Ladungspumpe ausgeführten Mittels zum Aufladen des Kondensators verdoppelt vorgesehen, beispielsweise zwei Ausgangstreibertransistoren mit gemeinsamer Ansteuerung. Somit hat die Ladungspumpe zwei Ausgänge, nämlich einen, der mit dem Kondensator 3 verbunden ist und einen, der im eingeschalteten Zustand des Bypass-Zweigs 12 unmittelbar mit der Leuchtdiode 8 verbunden ist. Dieser Zweig wird ebenso strombegrenzt ausgeführt.
Die Schaltung nach Figur 2 hat folgende Vorteile: Die Ausnutzung des Energiegehalts des Kondensator 3 im Blitzlichtbetrieb ist verbessert. Aufgrund der verbesserten Ausnutzung des Kondensators 3 kann der Kondensator 3 mit geringerer Baugröße und geringeren Kosten realisiert werden. Zum Aufladen des Kondensators kann eine sehr einfach aufgebaute Ladungs- pumpe verwendet werden, die keine zusätzliche Induktivität sondern lediglich ein bis zwei kleine externe Kondensatoren benötigt. Die Schaltung ist besonders für Supercaps mit einer Nennspannung von 4,5 oder 5 Volt geeignet. Der Bypass-Zweig kann mit lediglich einem zusätzlichen Transistor als zusätzliche Ausgangsstufe der Ladungspumpe und einem weiteren Transistor als Schalter 13 und somit mit besonders geringem Zu- satzaufwand realisiert werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Stützkapazität 16 entfallen.
Figur 3 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung von Figur 2, wobei sich beide Schaltungen weitgehend in den verwendeten Bauteilen und der vorteilhaften Funktion entsprechen und in soweit an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben werden. Zusätzlich ist bei Figur 3 zur Regelung des Laststroms durch die Leuchtdiode 8 ein DC/DC-Wandler vorgesehen, der eine Spule 17 umfasst, die zwischen einen Anschluss des Kondensators 3 und einen Anschluss einer gesteuerten Strecke eines Transistors 18 geschaltet ist. Ein weiterer Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors 18 ist mit dem Stützkondensator 16 und der Leuchtdiode 8 verbunden. Ein weiterer Transistor 19 verbindet den Ausgangsanschluss der Induktivität 17 mit einem Bezugspotenzialanschluss . Außerdem ist eine Steuereinheit 20 zur Steuerung der Transistoren 18, 19 vorgesehen, die Bezugszeichen 20 trägt. Ausgänge der Steuereinheit 20 sind mit Steueranschlüssen der beiden Transistoren 18, 19 verbunden. Eingangsanschlüsse der Steuereinheit 20 sind mit dem Ausgangsanschluss der Induktivität 17 sowie den beiden Abgriffsknoten am Widerstand 10 verbunden.
Die Messung des Laststroms durch die Leuchtdiode 8 kann bei der Schaltung nach Figur 3 entweder mit dem Widerstand 10 durchgeführt werden oder alternativ mit der Strommessung durch den Transistor 18. Der durchschnittliche Strom durch den Transistor 18 ist identisch mit dem durchschnittlichen Strom durch den Widerstand 10. Dabei kann der Widerstand 10 entfallen. Eine zusätzliche Spannungsrückführung 24 von Punkt 16 garantiert eine Spannungsbegrenzung unter allen Bedingungen, zum Beispiel bei offener Diode. Unter offener Diode ist beispielsweise eine Unterbrechung einer Leiterbahn oder ein abgerissener Bonddraht verstanden.
Figur 4 zeigt bezüglich der Ausgestaltungen nach Figuren 2 und 3 eine andere Weiterbildung der Schaltung von Figur 1. Insoweit die Schaltung nach Figur 4 derjenigen von Figur 1 in den verwendeten Bauteilen und deren vorteilhafter Verschal- tung entspricht, wird diese Beschreibung an dieser Stelle nicht wiederholt .
Bei der Schaltung nach Figur 4 ist der Ausgang des Schal - tungsblocks 4 unmittelbar mit einem Eingang des DC/DC-
Wandlers 21 verbunden, der den Laststromregler bildet. Der Kondensator 3 ist an einen weiteren Anschluss des DC/DC- Wandlers 21 angeschlossen, nicht jedoch unmittelbar mit dem Schaltungsblock 4 verbunden. In der Schaltung nach Figur 4 kann die Ladungspumpe in alternativen Ausführungen entfallen, das bedeutet, dass der Eingang 1 unmittelbar mit dem Eingang des DC/DC-Wandlers 21 verbunden ist. Somit ist das eigentliche Mittel zum Aufladen des Kondensators von dem DC/DC-Wand- ler 21 umfasst .
Der DC/DC-Wandler 21 ist als so genannter Bück-Konverter ausgebildet, um in einer Aufladephase den Kondensator 3 aufzuladen. Für die Entladephase, also die Blitzphase, ist außerdem in dem DC/DC-Wandler 21 ein Boost -Konverter integriert. Vor- teilhafterweise teilen sich der Buck-Konverter und der Boost- Konverter in dem DC/DC-Wandler 21 eine gemeinsame Induktivität. Zur Bereitstellung eines Taschenlampen- oder Videolichtbetriebs ist wiederum ein Bypass-Zweig 12 vorgesehen, der den Ausgang der optionalen Ladungspumpe 4 mit der Leuchtdiode 8 über einen Schalter strombegrenzt verbindet.
Buck-Konverter werden auch als Abwärtswandler und Boost- Konverter als Aufwärtswandler bezeichnet . Beide Gleichspannungskonverter gehören zu den sogenannten sekundär getakteten Schaltreglern.
Wie sich der Aufwärts- und der Abwärtswandler im DC/DC- Wandler 21 von Figur 4 im einzelnen die gemeinsame Induktivi- tät 15 teilen, wird nachfolgend beispielhaft anhand von Figur 5 im Detail beschrieben, die eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltung von Figur 4 ist .
Die Verschaltung der Spule 17, des Längstransistors 18 und des Quertransistors 19 miteinander, mit der Steuereinheit 20 und mit der Stützkapazität 16 entspricht der Schaltung von Figur 3 und wird daher an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben. Allerdings ist derjenige Anschluss der Spule 17, der nicht mit den Transistoren 18, 19 verbunden ist, bei der Schaltung von Figur 5 nur mit dem Kondensator 3, nicht jedoch mit dem Eingang 1 der Anordnung gekoppelt. Hierfür ist vielmehr ein weiterer Transistor 22 vorgesehen, dessen gesteuerte Strecke den Ausgangsanschluss der Induktivität 17 mit dem Ausgang der optionalen Ladungspumpe 4 verbindet.
Man erkennt, dass sowohl die Induktivität 17 Bestandteil des Abwärtswandlers und des Aufwärtswandler ist, als auch eine doppelte Nutzung des Transistors 22 vorgesehen ist. Während der Transistor 22 der Ausgangstransistor der Ladungspumpe 4 ist, ist er zugleich im DC/DC-Konverter mitbenutzt. Hierfür ist mit Vorteil der DC/DC-Konverter mit der Ladungspumpe synchronisiert .
Die Steuerung des Laststroms durch die Diode 8 kann entweder wie in Figur 5 gezeigt mit dem Widerstand 10 erfolgen oder durch eine Strommessung des Stroms durch den Transistor 18, da der mittlere Strom durch den Transistor 18 dem mittleren Strom durch den Widerstand 10 entspricht.
Alternativ kann der Widerstand 10 entfallen. Anhand der Figuren 6 bis 8 sollen drei unterschiedliche Betriebsarten der Schaltung von Figur 5 näher erläutert werden. Die Schaltungen der Figuren 6 bis 8 entsprechen dabei in ihrem Aufbau und der vorteilhaften Funktionsweise der Schaltung von Figur 5 und werden diesbezüglich an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben.
Figur 6 zeigt eine erste Betriebsphase, nämlich die Aufladephase des Kondensators 3. In diesem Fall ist der DC/DC- Wandler als Abwärtswandler betrieben. Der Abwärtswandler um- fasst dabei die Bauteile Transistor 22, Induktivität 17 und Transistor 19.
Figur 7 zeigt eine zweite Arbeitsphase, nämlich die Entlade- phase. In diesem Fall arbeitet der Laststromregler als Aufwärtswandler. Hierfür dienen die Induktivität 17, der Transistor 19 und der Transistor 18. Mit einem Schalter 23 kann die Ladungspumpe 4 weiterhin Energie auf den Kondensator 3 übertragen, um die Dauer des Blitzlichtes zu verlängern.
Figur 8 schließlich zeigt noch eine dritte Betriebsart, nämlich die Betriebsart als Taschenlampe oder Videolicht anstelle eines Blitzlichtbetriebs wie in Figuren 6 und 7 beschrieben. In diesem Fall treibt der Ausgang der Ladungspumpe 4 di- rekt die Leuchtdiode 8. Hierfür dienen die Transistoren 22 und 18.
Die Ausführungsbeispiele nach Figuren 4 bis 8 sind besonders für Supercaps mit einer Nennspannung von 2,5 Volt geeignet, können aber auch dazu verwendet werden, um den Wirkungsgrad der Aufladephase bei Supercaps mit 4,5 oder 5 Volt Nennspannung zu verbessern. Die Vorteile der Schaltungen nach Figuren 4 bis 8 umfassen insbesondere die folgenden: Der Transistor 22 kann für zwei Aufgaben verwendet werden, nämlich Ausgangsstufe der Ladungspumpe und Schalter im DC/DC-Wandler . Mit nur zwei zusätzli- chen Transistoren 18, 19 ist ein vollständiger Aufwärtswandler, Abwärtswandler oder Bypassbetrieb unmittelbar aus der Ladungspumpe in umschaltbarer Weise und dynamisch möglich. Die Spule 17 ist sowohl als Induktivität im Aufwärtswandler, wie auch als Induktivität im Abwärtswandler mitbenutzt. Ins- gesamt führen die beschriebenen Vorteile zu einer minimalen Chipfläche aufgrund der Mehrfachverwendung zahlreicher Bauteile .
Die Ausführungsbeispiele gemäß Figuren 1 bis 8 sind insbeson- dere dazu geeignet, in den folgenden Anwendungsgebieten Verwendung zu finden: In tragbaren Geräten wie Mobiltelefone können hohe kurzzeitige Ausgangsleistungen und -ströme von beispielsweise 5 Ampere durch eine LED mittels Supercap mit einer DurchlassSpannung von beispielsweise 4,5 oder 5 Volt betrieben werden. Somit können Xenonblitze, die aufgrund ihrer hohen Spannungen einen zusätzlichen Aufwand erfordern, in Mobiltelefonen vermieden werden. Wenn nur mittlere Ausgangsleistungen und -ströme von beispielsweise 2 Ampere durch die LED benötigt werden, können mit Vorteil 2,5 Volt-Supercaps angesteuert werden. In allen Fällen sind die Größe der Schaltung und die benötigte Chipfläche sehr gering.
Die Ladungspumpe ist insbesondere bei den Ausführungen nach Figuren 2 und 3 dazu ausgelegt, den Kondensator mit einer Strombegrenzungsfunktion aufzuladen. In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Kondensator mit Strombegrenzung durch den Laststromregier entladen. Bei den Ausführungsbeispielen nach Figuren 2 und 3 ist vorgesehen, mit einer Ladungspumpe den Supercap aufzuladen und mit einem induktiven DC/DC-Wandler im Blitzlichtbetrieb zu entladen. In diesem Fall wird der Supercap mit einer Ladungspumpe mit Strombegrenzungsfunktion aufgeladen. Das entladen des Supercap in die LED erfolgt mit einem strombegrenzenden DC/DC- Wandler. Mit einem strombegrenzenden Aufwärtswandler als DC/DC-Wandler können auch Supercaps mit kleinen Nennspannungen zum Einsatz kommen.
Bei der Schaltung nach Figur 4 kann in alternativen Ausführungen die Ladungspumpe am Eingang entfallen. Der DC/DC- Wandler ist als kombinierter Aufwärts- und Abwärtswandler ausgebildet, wobei mit einem Abwärtswandler das Aufladen des Supercap und mit einem Aufwärtswandler das Entladen des Supercap erfolgt. Mit einem strombegrenzten Aufwärts-DC/DC- Wandler können auch Supercaps mit geringer Nennspannung verwendet werden .
Insbesondere bei der Schaltung nach Figur 5 können sowohl der Ausgangstransistor 22, als auch die Spule 17 wie erläutert für verschiedene Aufgaben mehrfach verwendet werden je nach gewählter Betriebsart, siehe Figuren 6 bis 8. Für die vollständige Realisierung des Laststromreglers einschließlich By- passzweig sind lediglich drei Transistoren erforderlich.
In allen Ausführungen ist es in der Entladephase möglich, den Kondensator 3 nicht im Wesentlichen parallel zur Batterie zu schalten, sondern in Serie, wie in allen Figuren anhand der gestrichelten Linie angedeutet ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nicht besonders hohe Ströme, sondern hohe Spannungen benötigt werden. Bezugszeichenliste
1: Eingang
2: Batterie
3: Kondensator
4: Mittel zum Aufladen
5: Kondensator
6: Kondensator
7: Anschlussmittel
8: Leuchtdiode
9: Laststromregier
10 : Widerstand
11 : Rückführeingang
12 : Bypass-Zweig
13 : Schalter
14 : DC/DC-Wandler
15 : Induktivität
16 : Kapazität
17 : Induktivität
18 : Transistor
19 : Transistor
20 : Steuereinheit
21 : DC/DC-Wandler
22 : Transistor
23 : Schalter
24 : Spannungsrückführeingang

Claims

Patentansprüche
1. Stromversorgungsanordnung, aufweisend
- einen Eingang (1) zum Anschließen einer Spannungsquel- Ie (2),
- einen Kondensator (3) mit niedrigem Innenwiderstand, insbesondere ein Supercap oder ein Goldcap,
- ein Mittel (4) zum Aufladen des Kondensators (3), das diesen mit dem Eingang (1) der Stromversorgungsanordnung kop- pelt,
- Mittel (7) zum Anschließen einer elektrischen Last (8) ,
- einen Laststromregler (9, 14, 21), der den Kondensator (3) mit dem Mittel (7) zum Anschließen der elektrischen Last koppelt, - einen Rückführungszweig, der ein mit dem Mittel zum Anschließen der elektrischen Last gekoppeltes Mittel zur Laststromerfassung (10) mit dem Laststromregler (9, 14, 21) koppelt.
2. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand des Kondensators (3) kleiner ist als der Innenwiderstand der Spannungsquelle (2) .
3. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (7) zum Anschließen einer elektrischen Last als Mittel zum Anschließen einer Leuchtdiode ausgebildet ist.
4. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leuchtdiode an das Mittel (7) zum Anschließen einer e- lektrischen Last angeschlossen ist.
5. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) einen Innenwiderstand kleiner 100 Milli- ohm hat .
6. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) einen Innenwiderstand kleiner 60 Milliohm hat.
7. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) ein Supercap ist.
8. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) einen Kapazitätswert in einem Bereich von 0,1 bis 10 Farad hat.
9. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) einen Kapazitätswert in einem Bereich von ein bis zwei Farad hat.
10. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Laststromerfassung (10) eine Stromquelle um- fasst .
11. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Laststromerfassung (10) einen Widerstand um- fasst .
12. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (4) zum Aufladen des Kondensators eine Ladungspumpe umfasst, derart, dass die Spannung am Ausgang der Ladungspumpe größer als die Spannung am Eingang der Ladungspumpe ist.
13. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laststromregler (9, 14, 21) ein Mittel zur Laststrombe- grenzung umfasst.
14. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laststromregler (9, 14, 21) ein DC/DC-Konverter ist.
15. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Aufladen des Kondensators und der Laststromregler eine gemeinsam genutzte Induktivität (17) haben.
16. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Aufladen des Kondensators einen Buck-Konver- ter (17, 19, 22) umfasst .
17. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Laststromregler einen Boost-Konverter (17, 18, 19) um- fasst.
18. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu- und abschaltbarer Bypass-Zweig (12, 13,- 18, 22) vorgesehen ist, der das Mittel zum Aufladen des Kondensators mit dem Mittel zum Anschließen der elektrischen Last koppelt.
19. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass
Schaltmittel zur Kopplung des Kondensators (3) mit dem Eingang (1) zum Anschließen einer Spannungsquelle vorgesehen sind, derart, dass in einer Aufladephase des Kondensators (3) eine Parallelschaltung des Kondensators mit der Spannungsquelle (2) und in einer Entladephase des Kondensators (3) eine Serienschaltung des Kondensators (3) mit der Spannungs- quelle (2) bereitgestellt ist.
20. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Kopplung des Kondensators (3) mit dem Eingang (1) zum Anschließen einer Spannungsquelle vorgesehen sind, derart, dass in einer Aufladephase und in einer Entladephase des Kondensators (3) eine Serienschaltung des Kondensators (3) mit der Spannungsquelle (2) bereitgestellt ist.
21. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungsanordnung in integrierter Schaltungstech- nik aufgebaut ist.
22. Verwendung einer Stromversorgungsanordnung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche in einem MobiIfunkgerät zur Kopplung einer als Blitzlicht- Leuchtdiode ausgeführten elektrischen Last (8) mit einer als Akkumulator ausgebildeten Spannungsquelle (2) .
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