EP4670264A1 - Pegel hochsetzende schaltungsanordnung mit einer ladungspumpe - Google Patents

Pegel hochsetzende schaltungsanordnung mit einer ladungspumpe

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Publication number
EP4670264A1
EP4670264A1 EP24706953.7A EP24706953A EP4670264A1 EP 4670264 A1 EP4670264 A1 EP 4670264A1 EP 24706953 A EP24706953 A EP 24706953A EP 4670264 A1 EP4670264 A1 EP 4670264A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
comparator
voltage
diode
potential
circuit arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP24706953.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Natalie Butz
Armin Taschwer
Max EICKENSCHEIDT
Oscar Cota
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.)
Neuroloop GmbH
Original Assignee
Neuroloop GmbH
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 Neuroloop GmbH filed Critical Neuroloop GmbH
Publication of EP4670264A1 publication Critical patent/EP4670264A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02M3/072—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps adapted to generate an output voltage whose value is lower than the input voltage

Definitions

  • the invention relates to an electrical circuit arrangement with a charge pump, with which it is possible to generate preferably electrical direct voltages in the form of operating voltages for the control or operation of different electrical components as required.
  • Electrical circuit arrangements also known as voltage converters, are fed with an input voltage and can be used to generate electrical output voltages of varying levels using electrical capacitors whose charging is coordinated by periodically switching switches. Depending on the type of circuit, either higher output voltages with the same polarity or a negative output voltage compared to the input voltage can be generated. An oscillator is typically used to periodically switch the switches.
  • the invention is based on the object of developing an electrical circuit arrangement with a charge pump in such a way that at least one property underlying the above-mentioned design goals, relating to operational reliability, energy efficiency and miniaturizability, is to be significantly improved compared to previously realized, generic circuit arrangements.
  • the electrical circuit arrangement provides a charge pump with at least two connection contacts, of which a first connection contact is connected to a first voltage potential and a second connection contact is connected to a second voltage potential that is higher than the first voltage potential via a series circuit that has at least a first capacitance, a second capacitance and a first diode arranged between the two capacitances.
  • the second voltage potential is connected to the first capacitance via a switching unit.
  • the charge pump also has a third connection contact that is connected to an output of a first comparator. which has two, ie a first and a second comparator input.
  • the first comparator input of the comparator is connected to an anode potential of a second diode to which the second voltage potential is applied and which is further connected in series with the first diode and parallel to the second capacitor.
  • the second comparator input of the comparator is connected to a cathode potential of a third diode to whose associated anode the second voltage potential is applied.
  • the circuit arrangement according to the solution is based on a novel arrangement concept, according to which the charge pump is arranged within the circuit arrangement in a low voltage domain that corresponds to a predetermined voltage potential, i.e. the input voltage.
  • all of the electrical components that are responsible for regulating the charge pump are arranged in the area of a higher voltage domain within the circuit arrangement, i.e. the voltage domain that is established by means of voltage conversion by means of the charge pump.
  • the circuit arrangement according to the solution also makes it possible to create a numerically lower voltage domain by inverted voltage conversion, starting from a given negative voltage domain. This case is also covered by the circuit arrangement according to the solution.
  • a voltage difference of, for example, 1.8 V must be transferred from a low voltage domain to a higher voltage domain, whereby it must be ensured that the voltage difference of 1.8 V converted or transformed into the higher voltage domain is maintained, i.e. the voltage conversion by means of the charge pump must be regulated in such a way that the charge pump remains activated until the voltage difference of, for example, 1.8 V is completely mapped or converted into a higher voltage domain.
  • the Voltage difference in the lower voltage domain for example, potential values from 0 V to 1.8 V and in the upper voltage domain, for example, 11 V to 12.8 V.
  • the reference points of the lower and higher voltage domains can preferably differ from each other by up to 18 V and more, ie up to 60 V, but they can also overlap. In the above example, the reference points are 0 V and 11 V.
  • the control or activation and deactivation of the charge pump takes place in a controlled manner within the framework of a first control loop, which essentially consists of the first comparator and the second and third diodes, which primarily serve as reference potential generators, all of which are arranged in the region of the higher voltage domain of the circuit arrangement, which is formed by the successive accumulation of charge in the second capacitor.
  • the charge pump itself is arranged in the lower voltage domain.
  • the so-called first comparator determining the first control circuit has two operating voltage contacts, of which one operating voltage contact is connected to the cathode associated with the second diode and the other operating voltage contact is connected to the second voltage potential.
  • the first comparator If an overvoltage is detected by the first comparator, it generates a corresponding comparator signal, which is transformed from the upper to the lower voltage domain and is applied to a connection contact of the charge pump, deactivating or switching it off, whereby the Overvoltage is reduced by self-consumption of the consumers connected to this voltage domain.
  • a known level shifter or level converter is suitable, which is connected between the first comparator and the charge pump or is part of the comparator and/or the charge pump.
  • a second control loop is optionally provided in the upper voltage domain of the circuit arrangement in addition to the first ON-OFF control loop. If the overvoltage exceeds a maximum value, a switch is activated, which instantly reduces the voltage difference.
  • the operating voltage contacts of a second comparator which has a first and a second comparator input, are connected in parallel to the operating voltage contacts of the first comparator.
  • the comparator input of the second comparator is connected to the anode potential of the second diode, similar to the first comparator input of the first comparator.
  • the second comparator input of the second comparator is connected to a reference potential that is formed between a load and the first supply potential, the load being a constant load that is connected between the third diode and the first voltage potential.
  • the output of the second comparator controls a switch in the form of a transistor, the associated source-drain path of which is connected in parallel to the operating voltage contacts of the first and second comparators.
  • the second comparator and the transistor controlled by it form an active diode, which serves autonomously outside the first control circuit as a safety element.
  • the active diode is supplied with or operated by bipolar reference voltages from two diodes, each of which is supplied with a constant current, which ensures the reliability of this function implemented by the active diode. Safety precaution is very high.
  • the provision of passive protection elements is in principle an alternative protection option to the proposed active diode, but is highly dependent on the current, so that a set voltage limit could still be exceeded.
  • the active diode switches i.e. the transistor short-circuits, allowing the electrical charge accumulated in the second capacitor to flow through the transistor, thereby reducing the overvoltage.
  • Fig. 1 Circuit topology with electrical potential information.
  • Figure 1 shows a circuit topology of an electrical circuit arrangement with a charge pump NCP, whose operation, ie its activation and deactivation, is controlled by means of two redundantly coordinated control circuits.
  • a charge pump NCP whose operation, ie its activation and deactivation, is controlled by means of two redundantly coordinated control circuits.
  • electrical Voltage or potential values are shown along a voltage axis.
  • a first voltage potential V1 is located at OV, which also corresponds to the ground potential GND.
  • the positive potential values plotted upwards along the voltage axis extend up to a predetermined second voltage potential V2 of 18 V.
  • the aim is to use the charge pump NCP to convert or transform a voltage difference of 1.8 V from a lower voltage domain VD_base, e.g. from 0 V to 1.8 V, into a higher voltage domain VD_hv, e.g. from 16.2 V to 18 V.
  • VD_base lower voltage domain
  • VD_hv higher voltage domain
  • negative potential values are also shown, OV to -18V, to illustrate that with an appropriately designed circuit arrangement it is also possible to carry out voltage transformations in a negative voltage domain.
  • the further description is limited to the voltage transformation in the positive potential range.
  • the charge pump NCP has an oscillator 01 with an input and output as well as an electronic driver T1, whereby the input of the oscillator 01 is connected to a third connection contact a3 of the charge pump NCP and its output is connected to the driver T1.
  • An output assigned to the driver T1 forms the second connection contact a2, which is directly connected to the first capacitor C1.
  • the third connection contact a3 of the charge pump NCP is connected to an output AK1 of a first comparator K1. Since the first comparator K1 is arranged in the higher voltage domain and the charge pump NCP is arranged in the lower voltage domain, a level converter, i.e. a level shifter, is arranged between the connection contact a3 of the charge pump NCP and the output AK1 of the first comparator K1, which can optionally also be part of the comparator K1 and/or the charge pump NCP.
  • a level converter i.e. a level shifter
  • the first comparator K1 has two comparator inputs K1-, K1+, of which the first comparator input K1- is connected to an anode potential refP of a second diode D2, to which the second voltage potential V2 is applied and which is connected in series with the first diode D1 and parallel to the second capacitor C2.
  • the second comparator input K1+ of the first comparator K1 is connected to the cathode potential refN of a third diode D3, to whose associated anode the second voltage potential V2 is applied and whose cathode is connected to the first voltage potential V1 via a constant load R.
  • a first constant current source KS1 is arranged between the constant load R and the first voltage potential V1.
  • a further constant current source KST mirrored to the first constant current source KS1, is connected to the anode of the second diode D2, the cathode of which is connected to the anode assigned to the first diode D1.
  • the first comparator K1 has two operating voltage contacts B1, B2, of which a first operating voltage contact B1 is connected to the cathode of the second diode D2 and the second operating voltage contact B2 is connected to the second voltage potential V2.
  • the first control circuit R1 controlling the charge pump NCP is thus composed of the first comparator K1, the charge pump NCO and the first and second capacitors C1, C2 connected to it, with the cathode potential refN of the third diode D3 and the anode potential refP of the second diode D2 being the control variables underlying the control.
  • a second comparator K2 is provided, the operating voltage contacts B3, B4 of which are connected in parallel to the operating voltage contacts B1, B2 of the first comparator K1.
  • the second comparator K2 has two comparator inputs K2-, K2+, of which the first comparator input K2- is connected to the anode potential refP of the second diode D2 and the second comparator input K2+ is connected to a reference potential refL that builds up between the load R and the first constant current source KS1.
  • the second comparator K2 controls a transistor T via its output AK2, the associated source-drain path of which is connected in parallel to the operating voltage contacts B1, B2, B3, B4 of the first and second comparators K1, K2.
  • a load RL connected in parallel to the second capacitor C2 and to all operating voltage contacts B1, B2, B3, B4 of the first and second comparator K1, K2 represents a circuit arrangement and is a local consumer that ensures instantaneous charge equalization and a related voltage reduction at the second capacitor, which reduces VD_hv.
  • the first comparator K1 detects this voltage reduction and then switches on the oscillator 01 to supply additional electrical charge.
  • the first comparator K1 connected to the charge pump NCP represents the only signal connection between the lower and upper voltage domains.
  • the first comparator K1 allows the oscillator 01 in the charge pump NCP to start and is put into the ON state, i.e. electrical charge is drawn from the second capacitance C2 via the driver T1 and the first capacitance C1 - it is "pumped".
  • the driver T 1 which charges the first capacitor C1, is connected to the battery voltage domain VBAT / VSSBAT, i.e. a square wave signal between VSSBAT and VBAT is present at the second connection contact a2 of the charge pump NCP.
  • connection point of the fourth diode D4 with the first capacitor C1 and the diode D1 represents a high-impedance node in the balanced state
  • the reset circuit POR monitors the states in the first and second comparators K1, K2. Only when a certain "ramp-up" speed (transients in V/s) is reached and a voltage difference VD of approximately 1 V or more does the reset circuit POR transfer regular operation to the first and second comparators K1, K2 for further control of the charge pump.
  • the voltage difference VD is already so high that the reference voltage refP also supplies a measurably correct voltage, which now increases linearly with VD.
  • the first comparator K1 is activated and transfers the charge pump NCP to the OFF state.
  • refN and refL represent the references and refP the sensor. This means that if no consumer RL is active (i.e. RL is high-resistance), a change to ON operation (due to the internal consumption) is delayed as long as possible.
  • the consumer RL connected in parallel to the second capacitor C2 is synonymous with a circuit arrangement that is arranged between V2 and V3 and draws current from the second capacitor C2, thereby reducing the voltage difference VD. Since the reference voltage refP follows the voltage difference VD linearly, the intersection point between the potentials refN and refP is also reached and refP falls below the reference voltage refN, so that the first comparator K1 returns the charge pump NCP to the ON state.
  • the dynamics of the so-called “ramp-up” and “ramp-down” phases depend on various factors, such as the capacities C1 and C2 as well as on the frequency of the oscillator 01, depending on this, the transient is formed at the second capacitance C2, with which voltage changes take place over time.
  • the active diode AD ie the second comparator K2 in conjunction with the transistor T, serves as a protective mechanism that allows the voltage VD to collapse by switching the transistor T via the second capacitor C2.
  • the transistor T opens and forces a short circuit through which the charge flows through the transistor T. The transistor T switches until the hysteresis of the second comparator K2 is again undershot.
  • V1 , V2, V3, V4 First, second, third, fourth voltage potential

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Abstract

Beschrieben wird eine elektrische Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe (NCP), die über wenigstens zwei Anschlusskontakte (a1, a2) verfügt, von denen ein erster Anschlusskontakt (a1) mit einem ersten Spannungspotenzial (V1) und ein zweiter Anschlusskontakt (a2) über eine Serienschaltung, die wenigstens eine erste Kapazität (C1), eine zweite Kapazität (C2) sowie eine zwischen beiden Kapazitäten angeordnete erste Diode (D1) besitzt, mit einem gegenüber dem ersten Spannungspotenzial (V1) höheren zweiten Spannungspotenzial (V2) verbunden ist, das zudem über ein Schaltelement mit der ersten Kapazität (C1) verbunden ist, wobei die Ladungspumpe (NCP) einen dritten Anschlusskontakt (a3) besitzt, der mit einem Ausgang (AK1) eines ersten Komparators (K1) verbunden ist, der über einen ersten und zweiten Komparatoreingang (K1-, K1+) verfügt, von denen der erste Komparatoreingang (K1-) mit einem Anodenpotenzial (refP) einer zweiten Diode (D2) verbunden ist, an der das zweite Spannungspotenzial (V2) anliegt und die in Serie mit der ersten Diode (D1) und parallel zur zweiten Kapazität (C2) geschaltet ist, und von denen der zweite Komparatoreingang (K1+) mit einem Kathodenpotenzial (refN) einer dritten Diode (D3) verbunden ist, an deren zugeordneten Anode das zweite Spannungspotenzial (V2) anliegt.

Description

Elektrische Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe, mit der es möglich ist, vorzugsweise elektrische Gleichspannungen in Form von Betriebsspannungen für die Ansteuerung bzw. den Betrieb unterschiedlicher elektrischer Komponenten bedarfsgerecht zu erzeugen.
Stand der Technik
Gattungsgemäß auch als Spannungswandler bezeichnete elektrische Schaltungsanordnungen werden mit einer Eingangsspannung gespeist und mit Hilfe von elektrischen Kondensatoren, deren Aufladung durch periodisches Umschalten von Schaltern aufeinander abgestimmt ist, können unterschiedlich hohe elektrische Ausgangsspannungen erzeugt werden. Je nach Schaltungstyp sind entweder höhere Ausgangsspannungen mit gleicher Polarität oder eine negative Ausgangsspannungen im Vergleich zur Eingangsspannung erzeugbar. Zum periodischen Umschalten der Schalter wird typischerweise ein Oszillator eingesetzt.
In dem Buch “On-chip High-Voltage Generator Design: Design Methodology for Charge Pumps”, Tanzawa, Springer 2015 ist eine Vielzahl bekannter Schaltungsanordnungen mit einer Ladungspumpe erläutert, unter der im Weiteren insbesondere die sogenannte „Dickson-Ladungspumpe“ aufgrund ihrer einfachen Ansteuerung für integrierte Schaltungen von besonderem Interesse ist. Ein besonders bevorzugter Anwendungsbereich, der den Einsatz von gattungsgemäßen Ladungspumpen erfordert, betrifft implantierbare elektronische Geräte, die zur Behandlung verschiedener Arten von neurologischen Funktionsstörungen durch Stimulation der Nerven mit elektrischer Ladung dienen. Die diesen Implantaten zugrundeliegenden elektrischen Schaltungsanordnungen stellen multifunktionale, hochintegrierte Schaltungen dar, die unter Maßgabe höchster Betriebssicherheit, maximaler Energieeffizienz sowie größtmöglicher Miniaturisierbarkeit konzeptioniert sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine elektrische Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe derart weiterzubilden, so dass zumindest eine Eigenschaft, die den vorstehend genannten Konzeptionszielen zugrunde liegt, betreffend die Betriebssicherheit, Energieeffizienz sowie Miniaturisierbarkeit, deutlich gegenüber bisher realisierten, gattungsgemäßen Schaltungsanordnungen verbessert werden soll.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren zu entnehmen.
Die lösungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung sieht eine Ladungspumpe mit wenigstens zwei Anschlusskontakten vor, von denen ein erster Anschlusskontakt mit einem ersten Spannungspotenzial und ein zweiter Anschlusskontakt über eine Serienschaltung, die wenigstens eine erste Kapazität, eine zweite Kapazität sowie eine zwischen beiden Kapazitäten angeordnete erste Diode besitzt, mit einem gegenüber dem ersten Spannungspotenzial höheren zweiten Spannungspotenzial verbunden ist. Das zweite Spannungspotenzial ist über eine Schalteinheit mit der ersten Kapazität verbunden. Ferner besitzt die Ladungspumpe einen dritten Anschlusskontakt, der mit einem Ausgang eines ersten Komparators verbunden ist, der über zwei, d.h. einen ersten und zweiten Komparatoreingang verfügt. Der erste Komparatoreingang des Komparators ist mit einem Anodenpotenzial einer zweiten Diode verbunden, an der das zweite Spannungspotenzial anliegt und die ferner in Serie mit der ersten Diode und parallel zur zweiten Kapazität geschaltet ist. Der zweite Komparatoreingang des Komparators ist hingegen mit einem Kathodenpotenzial einer dritten Diode verbunden, an deren zugeordneten Anode das zweite Spannungspotenzial anliegt.
Der lösungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt ein neuartiges Anordnungskonzept zugrunde, gemäß dem die Ladungspumpe innerhalb der Schaltungsanordnung in einer niedrigen Spannungsdomäne angeordnet ist, die einem vorgegebenen Spannungspotenzial, d.h. der Eingangsspannung entspricht. Hingegen sind all jene elektrischen Komponenten, die für die Regelung der Ladungspumpe verantwortlich sind, im Bereich einer höheren Spannungsdomäne innerhalb der Schaltungsanordnung angeordnet, d.h. jener Spannungsdomäne, die sich im Wege der Spannungswandlung mittels der Ladungspumpe einstellt.
Im Weiteren ist zwar die Rede von einer niedrigen und einer höheren Spannungsdomäne, gleichwohl ist es mit der lösungsgemäßen Schaltungsanordnung ebenso möglich, ausgehend von einer vorgegebenen negativen Spannungsdomäne eine durch invertierte Spannungswandlung numerisch niedrigere Spannungsdomäne zu schaffen. Auch dieser Fall ist von der lösungsgemäßen Schaltungsanordnung umfasst.
Um ein wesentliches Funktionsziel der Schaltungsanordnung zu realisieren, gilt es eine Spannungsdifferenz von bspw. 1 ,8 V aus einer niedrigen Spannungsdomäne in eine höhere Spannungsdomäne überzuführen, wobei es sicherzustellen gilt, dass die in die höhere Spannungsdomäne gewandelte bzw. transformierte Spannungsdifferenz von 1 ,8 V erhalten bleibt, d.h. die Spannungswandlung mittels der Ladungspumpe ist dahingehend zu regeln, dass die Ladungspumpe solange aktiviert bleibt, bis die Spannungsdifferenz von bspw. 1 ,8 V in einer höheren Spannungsdomäne vollständig abgebildet bzw. gewandelt ist. So betrifft die Spannungsdifferenz in der unteren Spannungsdomäne beispielsweise Potenzialwerte von OV bis 1 ,8 V und in der oberen Spannungsdomäne bspw. 11 V bis 12,8 V. Die Bezugspunkte der jeweils niedrigen und höheren Spannungsdomäne können sich vorzugsweis bis zu 18 V und mehr, d.h. bis zu 60 V, voneinander unterscheiden, sie können sich jedoch auch überlappen. Im vorstehenden Beispiel betragen die Bezugspunkte 0 V und 11 V.
Die Regelung bzw. Aktivierung und Deaktivierung der Ladungspumpe erfolgt kontrolliert im Rahmen eines ersten Regelkreises, der sich im Wesentlichen aus dem ersten Komparator und den vornehmlich als Referenzpotenzialgeneratoren dienenden zweiten und dritten Dioden zusammensetzt, die allesamt im Bereich der höheren Spannungsdomäne der Schaltungsanordnung angeordnet sind, die sich durch die sukzessive Ladungsanhäufung in der zweiten Kapazität ausbildet.
Hingegen ist die Ladungspumpe selbst im Bereich der niedrigeren Spannungsdomäne angeordnet.
Daraus ergibt sich, dass der für die Regelung notwendige Stromfluss zwischen der niedrigen und höheren Spannungsdomäne minimal ist, lediglich ein kleiner Strombias ist für die Regelung erforderlich. Damit können die einzelnen Schaltungsbereiche - . „ON“, d.h. Ladungspumpe ist aktiviert, und „OFF“, d.h. Ladungspumpe ist deaktiviert - mit minimaler Versorgungsspannung arbeiten und sind damit sehr leistungseffizient.
Vorzugsweise weist der für den ersten Regelkreis bestimmende, sogenannte erste Komparator zwei Betriebsspannungskontakte auf, von denen ein Betriebsspannungskontakt mit der der zweiten Diode zugeordneten Kathode und der andere Betriebsspannungskontakt mit dem zweiten Spannungspotenzial verbunden sind.
Wird eine Überspannung vom ersten Komparator festgestellt, so generiert dieser ein entsprechendes Komparatorsignal, das von der oberen in die untere Spannungsdomäne transformiert wird und an einem Anschlusskontakt der Ladungspumpe anliegt und diese deaktiviert bzw. ausschaltet, wodurch sich die Überspannung durch Eigenverbrauch an den dieser Spannungsdomäne angeschlossenen Verbrauchern verringert. Zum Zwecke der Überführung des Komparatorsignals von der oberen in die untere Spannungsdomäne eignet sich ein an sich bekannter Levelshifter bzw. Pegelumsetzer, der zwischen dem ersten Komparator und der Ladungspumpe geschaltet oder Teil des Komparators und/oder der Ladungspumpe ist.
Sollte die Ladungspumpe fehlerhafterweise oder gewollt weiterpumpen oder ein anderes Ereignis vergrößert die Überspannung ungewollt, so muss die Spannung begrenzt werden.
Um die Betriebssicherheit der Schaltungsanordnung weiter zu verbessern ist optional zusätzlich zur ersten, ON-OFF- Regelschleife eine weitere, zweite Regelschleife in der oberen Spannungsdomäne der Schaltungsanordnung vorgesehen. Sollte die Überspannung eine maximale Größe überschreiten, wird ein Schalter aktiviert, durch den die Spannungsdifferenz instantan verringert wird.
Hierzu sind parallel zu den Betriebsspannungskontakten des ersten Komparators die Betriebsspannungskontakte eines zweiten Komparators geschaltet, der über einen ersten und zweiten Komparatoreingang verfügt. Der erste
Komparatoreingang des zweiten Komparators ist mit dem Anodenpotenzial der zweiten Diode verbunden, gleichsam dem ersten Komparatoreingang des ersten Komparators. Der zweite Komparatoreingang des zweiten Komparators ist mit einem Referenzpotenzial verbunden sind, das sich zwischen einer Last und dem ersten Versorgungspotenzial ausbildet, wobei die Last eine konstante Last ist, die zwischen der dritten Diode und dem ersten Spannungspotenzial geschaltet ist.
Der Ausgang des zweiten Komparators steuert einen Schalter in Form eines Transistors, dessen zugeordnete Source-Drain-Strecke parallel zu den Betriebsspannungskontakten des ersten und zweiten Komparators geschaltet ist. Der zweite Komparator und der durch diesen gesteuerten Transistor bilden eine aktive Diode, die autonom außerhalb des ersten Regelkreises als Sicherheitselement dient. Die aktive Diode wird mit jeweils bipolaren Referenzspannungen zweier Dioden beaufschlagt bzw. betrieben, die jeweils mit einem konstanten Strom versorgt werden, wodurch die Zuverlässigkeit dieser durch die aktive Diode realisierte Sicherheitsvorkehrung sehr hoch ist. Das Vorsehen von passiven Schutzelementen bilden zwar grundsätzlich eine alternative Schutzmöglichkeit zur vorgeschlagenen aktiven Diode, sind aber stark vom Strom abhängig, so dass ein gesetztes Spannungslimit trotzdem überschritten werden könnte.
Tritt der Fall ein, dass die vorgegebene Spannungsdifferenz bspw. von 1 ,8 V überschritten wird und der erste Regelkreis nicht aktiviert wird oder vermag trotz Aktivierung die sich ausbildende Überspannung nicht effektiv abzubauen, so schaltet die aktive Diode, d.h. der Transistor schließt kurz, wodurch die in der zweiten Kapazität kumulierte elektrische Ladung über den Transistor abfließen und sich dadurch die Überspannung abbauen kann.
Alle weiteren die lösungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung vorteilhaft weiterbildende Komponenten und Merkmale sowie auch deren Funktionsweise werden nachstehend unter Bezugnahme auf eine konkrete Schaltungstopologie erläutert.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 Schaltungstopologie mit elektrischen Potenzialangaben.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt eine Schaltungstopologie einer elektrischen Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe NCP, deren Betrieb, d.h. deren Aktivierung und Deaktivierung mittels zweier redundant aufeinander abgestimmter Regelkreise kontrolliert wird. Unmittelbar neben der dargestellten Schaltungstopologie sind elektrische Spannungs- bzw. Potenzialwerte längs einer Spannungsachse gezeigt. So liegt ein erstes Spannungspotenzial V1 auf OV, das zugleich dem Massepotenzial GND entspricht. Die längs der Spannungsachse nach oben angetragenen positiven Potenzialwerte reichen bis zu einem vorgegebenen zweiten Spannungspotenzial V2 von 18 V.
Ziel ist es mit Hilfe der Ladungspumpe NCP eine Spannungsdifferenz von 1 ,8 V von einer unteren Spannungsdomäne VD_base bspw. von 0 V bis 1 ,8 V, in eine höhere Spannungsdomäne VD_hv, bspw. von 16,2 V bis 18 V zu wandeln bzw. zu transformieren. Nur der Vollständigkeit halber sind auch negative Potenzialwerte dargestellt, OV bis -18V, um zu verdeutlichen, dass es mit einer entsprechend konzipierten Schaltungsanordnung auch möglich ist Spannungstransformationen in einer negativen Spannungsdomäne vornehmen zu können. Die weitere Beschreibung beschränkt sich auf die Spannungstransformation im positiven Potenzialbereich.
Die Ladungspumpe NCP weist zwei Anschlusskontakte a1 , a2 auf, von denen ein erster Anschlusskontakt a1 mit dem ersten Spannungspotenzial V1 = OV und der zweite Anschlusskontakt a2 über eine Serienschaltung aus einer ersten Kapazität C1 , einer zweiten Kapazität C2 sowie einer zwischen beiden Kapazitäten C1 , C2 angeordneten ersten Diode D1 mit einem gegenüber dem ersten Spannungspotenzial V1 höheren zweiten Spannungspotenzial V2 = 18 V verbunden sind. Ferner ist zu Zwecken eines gesteuerten Ladungsablusses von der ersten Kapazität C1 ein Strompfad mit einem Schalter, in Form einer Diode D4, parallel zur zweiten Kapazität C2 und der ersten Diode D1 , zwischen der ersten Kapazität C1 und dem höheren Spannungspotenzial vorgesehen, vergleichbar mit einer üblichen Dickson-Ladungspumpe .
Die Ladungspumpe NCP weist einen Oszillator 01 mit einem Ein- und Ausgang sowie einen elektronischen Treiber T1 auf, wobei der Eingang des Oszillators 01 mit einem dritten Anschlusskontakt a3 der Ladungspumpe NCP und dessen Ausgang mit dem Treiber T1 verbunden sind. Ein dem Treiber T1 zugeordneter Ausgang bildet den zweiten Anschlusskontakt a2, der unmittelbar mit der ersten Kapazität C1 verbunden ist.
Der dritte Anschlusskontakt a3 der Ladungspumpe NCP ist mit einem Ausgang AK1 eines ersten Komparators K1 verbunden. Da der erste Komparator K1 in der höheren Spannungsdomäne und die Ladungspumpe NCP in der unteren Spannungsdomäne angeordnet sind, ist zwischen dem Anschlusskontakt a3 der Ladungspumpe NCP und dem Ausgang AK1 des ersten Komparators K1 ein Pegelumsetzer, d.h. ein Levelshifter angeordnet, , der optional auch Teil des Komparators K1 und/oder der Ladungspumpe NCP sein kann.
Der erste Komparator K1 verfügt über zwei Komparatoreingänge K1-, K1 +, von denen der erste Komparatoreingang K1- mit einem Anodenpotenzial refP einer zweiten Diode D2 verbunden ist, an der das zweite Spannungspotenzial V2 anliegt und die in Serie mit der ersten Diode D1 und parallel zur zweiten Kapazität C2 geschaltet ist. Der zweite Komparatoreingang K1 + des ersten Komparators K1 ist mit dem Kathodenpotenzial refN einer dritten Diode D3 verbunden, an deren zugeordneten Anode das zweite Spannungspotenzial V2 anliegt und deren die Kathode über eine konstante Last R mit dem ersten Spannungspotenzial V1 verbunden ist. Zwischen der konstanten Last R und dem ersten Spannungspotenzial V1 ist eine erste Konstantstromquelle KS1 angeordnet. Eine zur ersten Konstantstromquelle KS1 gespiegelte weitere Konstantstromquelle KST ist mit der Anode der zweiten Diode D2 verbunden, deren Kathode mit der der ersten Diode D1 zugeordneten Anode verbunden ist. Zudem besitzt der erste Komparator K1 zwei Betriebsspannungskontakte B1 , B2, von denen ein erster Betriebsspannungskontakt B1 mit der Kathode der zweiten Diode D2 und der zweite Betriebsspannungskontakt B2 mit dem zweiten Spannungspotenzial V2 verbunden sind.
Schließlich ist der erste Komparator K1 über einen weiteren Steuereingang mit dem Ausgang APOR einer Reset-Schaltung (POR = power on reset) verbunden, die ihrerseits zwei Betriebsspannungskontakte B5, B6 aufweist, die parallel zu den Betriebsspannungskontakten B1 , B2 des ersten Komparators K1 geschaltet sind. Der die Ladungspumpe NCP kontrollierende erste Regelkreis R1 setzt sich somit aus dem ersten Komparator K1 , der Ladungspumpe NCO und den mit dieser verbundenen ersten und zweiten Kapazitäten C1 , C2 zusammen, wobei als Regelgrößen das Kathodenpotenzial refN der dritten Diode D3 und das Anodenpotenzial refP der zweiten Diode D2 der Regelung zugrunde liegen.
Zur Realisierung eines die Aktivität der Ladungspumpe NCP zusätzlich kontrollierenden zweiten Regelkreises R2, der in einem Fall aktiv wird, in dem der erste Regelkreises R1 nicht zufriedenstellend arbeitet, ist ein zweiter Komparator K2 vorgesehen, dessen Betriebsspannungskontakte B3, B4 parallel zu den Betriebsspannungskontakten B1 , B2 des ersten Komparators K1 geschaltet sind. Der zweite Komparator K2 verfügt über zwei Komparatoreingänge K2-, K2+, von denen der erste Komparatoreingang K2- mit dem Anodenpotenzial refP der zweiten Diode D2 und der zweite Komparatoreingang K2+ mit einem Referenzpotenzial refL verbunden sind, das sich zwischen der Last R und der ersten Konstantstromquelle KS1 aufbaut.
Der zweite Komparator K2 steuert über seinen Ausgang AK2 einen Transistor T an, dessen zugeordnete Source-Drain-Strecke parallel zu den Betriebsspannungskontakten B1 , B2, B3, B4 des ersten und zweiten Komparators K1 , K2 geschaltet ist.
Eine zur zweiten Kapazität C2 sowie zu allen Betriebsspannungskontakten B1 , B2, B3, B4 des ersten und zweiten Komparators K1 , K2 parallel geschaltete Last RL repräsentiert eine Schaltungsanordnung und stellt einen lokalen Verbraucher dar, der für einen instantanen Ladungsausgleich und einer damit verbundenen Spannungsabsenkung an der zweiten Kapazität sorgt, wodurch VD_hv sinkt. Diese Spannungsabsenkung erkennt der erste Komparator K1 und schaltet daraufhin den Oszillators 01 ein um elektrische Ladung nachzuliefern.
Zur Funktionsweise der Schaltungsanordnung:
Beim Einschalten der Ladungspumpe NCP wird davon ausgegangen, dass sich eine obere Spannungsdomäne noch nicht aufgebaut hat, d.h. VD_hv ~ OV. Das Einschalten selbst beinhaltet als Vorgang nur eine Aktivierung eines Biasstroms durch die Stromquelle KS1. Durch diesen Strom werden die Referenzspannungen refN und refL erzeugt. Die weitere Referenzspannung refP bildet sich noch nicht aus, zumal die Spannungsdifferenz VD noch kleiner als eine Diodenspannung von etwa 0.8 V ist.
Der mit der Ladungspumpe NCP verbundene erste Komparator K1 stellt die einzige Signalverbindung zwischen der unteren und oberen Spannungsdomäne dar. Damit ein korrekter Einschaltvorgang (start-up oder ramp-up) erfolgreich durchgeführt werden kann, wird der erste Komparator K1 durch ein globales Resetsignal vorkonfiguriert, das der erste Komparator K1 von der Reset-Schaltung (POR = power on reset) erhält. Der erste Komparator K1 erlaubt dem Oszillator 01 in der Ladungspumpe NCP zu starten und wird in den ON-Zustand versetzt, d.h. über den Treiber T1 und der ersten Kapazität C1 wird elektrische Ladung aus der zweiten Kapazität C2 abgezogen - es wird „gepumpt“.
Die Ladungspumpe NCP arbeitet als negative Ladungspumpe und wird von zwei unterschiedlichen Spannungsdomänen versorgt. Zum einen die Basisdomäne (VDD- VSS=1.8V), die der unteren Spannungsdomäne VD_base entspricht, und zum anderen von der Batteriespannungsdomäne VBAT-VSSBAT= 3 bis 4.2V. VSSBAT ist stets VSS und entspricht dem Massepotenzial GND. Der Treiber T 1 , der die erste Kapazität C1 lädt, ist an die Batteriespannungsdomäne VBAT / VSSBAT angeschlossen, d.h. am zweiten Anschlusskontakt a2 der Ladungspumpe NCP liegt ein Rechtecksignal zwischen VSSBAT und VBAT an. Da der Verbindungspunkt der vierten Diode D4 mit der ersten Kapazität C1 und der Diode D1 im ausgeglichenen Zustand einen hochohmigen Knoten darstellt, ändert sich dort das Potenzial V4 bei den Übergängen kurzfristig mit annähernd gleicher Amplitude wie das Potenzial am Anschlusskontakt a2 der Ladungspumpe NCP. Erst, wenn das Potenzial V4 das zweite Spannungspotenzial V2 zuzüglich einer der vierten Diode D4 zugeordneten Schwellspannung erreicht oder überschreitet, öffnet die vierte Diode D4, wodurch überflüssige Ladung von der ersten Kapazität C1 nach V2 abfließen kann. Dadurch kann in der nachfolgenden Phase ein Ladungsfluss zustande kommen, der Ladung von der zweiten Kapazität C2 abpumpt Durch das Abfließen der Ladungen, entsteht bei der neuerlichen Potentialverschiebung in der Kapazität C1 ein Ladungsungleichgewicht zwischen der ersten Kapazität C1 und zweiten Kapazität C2, das die treibende Kraft für den Ladungsausgleich ist, wodurch Ladungen von der zweiten Kapazität C2 auf die erste Kapazität C1 gelangen und sich zudem die Spannungsdifferenz zwischen V2 und V3 vergrößert.
Durch das Abpumpen von Ladung aus der zweiten Kapazität C2 vergrößerst sich die Spannungsdifferenz VD über die zweite Kapazität C2. Während dieser „ramp-up“- Phase überwacht die Reset-Schaltung POR die Zustände im ersten und zweiten Komparator K1 , K2. Erst bei Erreichen einer bestimmten „ramp-up“-Geschwindigkeit (Transienten in V/s) und einer Spannungsdifferenz VD ab etwa 1 V gibt die Reset- Schaltung POR den regulären Betrieb an den ersten und zweiten Komparator K1 , K2 zur weiteren Regelung der Ladungspumpe ab.
Die Spannungsdifferenz VD ist bereits so hoch, dass auch die Referenzspannung refP eine messbar korrekte Spannung liefert, die nun mit VD linear ansteigt. Überschneidet die Referenzspannung refP die Referenzspannung refN, so wird der erste Komparator K1 aktiv und überführt die Ladungspumpe NCP in den OFF- Zustand. Generell fließt im oberen Spannungsbereich VD_hv nur ein kleiner bias- Strom für die Referenz, Sensor und die Komparatoren K1 , K2. Hierbei stellen refN und refL die Referenzen und refP der Sensor dar. Somit kann erreicht werden, dass, sollte kein Verbraucher RL aktive sein (d.h. RL ist hochohmig), ein Wechsel in den ON-Betrieb (durch den Eigenverbrauch) möglichst lange hinausgezögert wird.
Der zur zweiten Kapazität C2 parallel geschaltete Verbraucher RL, steht synonym für eine Schaltungsanordnung, die zwischen V2 und V3 angeordnet ist und Strom aus der zweiten Kapazität C2 zieht, wodurch sich die Spannungsdifferenz VD verringert. Da die Referenzspannung refP der Spannungsdifferenz VD linear folgt, wird auch der Schnittpunkt zwischen den Potentialen refN und refP erreicht und refP unterschreitet die Referenzspannung refN, so dass der erste Komparator K1 die Ladungspumpe NCP wieder in den ON-Zustand überführt.
Die Dynamik der sogenannten „ramp-up“ und „ramp-down“ Phasen hängt von verschiedenen Faktoren ab, so beispielsweise von den Kapazitäten C1 und C2 sowie von der Frequenz des Oszillators 01 , je nachdem bildet sich die Transiente an der zweiten Kapazität C2 aus, mit der sich Spannungsänderungen zeitlich vollziehen.
Sollte durch eine zu schnelle Transiente und/oder durch einen ständigen ON-Betrieb, die Spannungsdifferenz VD den üblichen Betriebsbereich verlassen und der erste Komparator K1 vermag dies dennoch nicht zu verhindern, könnte es zur Zerstörung von einzelnen Bauelementen kommen. In diesem Fall dient die aktive Diode AD, d.h. der zweite Komparator K2 i.V.m. dem Transistor T, als Schutzmechanismus, der die Spannung VD durch Schalten des Transistors T über die zweite Kapazität C2 zusammenbrechen lässt. Der Transistor T öffnet in diesem Fall und erzwingt einen Kurzschluss, durch den die Ladung über den Transistor T abfließt. Das Schalten des Transistors T erfolgt so lange, bis die Hysterese des zweiten Komparators K2 wieder unterschritten wird.
Bezugszeichenliste
R1 Erster Regelkreis
R2 Zweiter Regelkreis
NCP Ladungspumpe
C1 Erste Kapazität
C2 Zweite Kapazität
D1 , D2, D3, D4 Erste, zweite dritte, vierte Diode refN, refP, refL Referenzspannung
B1 , B2, B3, B4, B5, B6 Betriebsspannungskontakte
K1 , K2 Erster, Zweiter Komparator a1 , a2, a3 Anschlusskontakte
K1 -, K1 +; K2-, K2+ Komparatoreingänge
AK1 , AK2 Komparatorausgänge
KS1 , KST Konstantstromquellen
POR Reset-Schaltung
APOR Ausgang Reset-Schaltung
AD Aktive Diode
R, RL Lasten
V1 , V2, V3, V4 Erstes, zweites, drittes, viertes Spannungspotenzial
01 Oszillator
T1 Treiber
T Transistor

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrische Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe (NCP), die über wenigstens zwei Anschlusskontakte (a1 , a2) verfügt, von denen ein erster Anschlusskontakt (a1) mit einem ersten Spannungspotenzial (V1 ) und ein zweiter Anschlusskontakt (a2) über eine Serienschaltung, die wenigstens eine erste Kapazität (C1 ), eine zweite Kapazität (C2) sowie eine zwischen beiden Kapazitäten angeordnete erste Diode (D1) besitzt, mit einem gegenüber dem ersten Spannungspotenzial (V1 ) höheren zweiten Spannungspotenzial (V2) verbunden ist, das zudem über ein Schaltelement mit der ersten Kapazität (C1 ) verbunden ist, wobei die Ladungspumpe (NCP) einen dritten Anschlusskontakt (a3) besitzt, der mit einem Ausgang (AK1) eines ersten Komparators (K1 ) verbunden ist, der über einen ersten und zweiten Komparatoreingang (K1-, K1 +) verfügt, von denen der erste Komparatoreingang (K1-) mit einem Anodenpotenzial (refP) einer zweiten Diode (D2) verbunden ist, an der das zweite Spannungspotenzial (V2) anliegt und die in Serie mit der ersten Diode (D1 ) und parallel zur zweiten Kapazität (C2) geschaltet ist, und von denen der zweite Komparatoreingang (K1 +) mit einem Kathodenpotenzial (refN) einer dritten Diode (D3) verbunden ist, an deren zugeordneten Anode das zweite Spannungspotenzial (V2) anliegt.
2. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode der dritten Diode (D1) über eine konstante Last (R) mit dem ersten Spannungspotenzial (V1 ) verbunden ist.
3. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der konstanten Last (R) und dem ersten Spannungspotenzial (V1 ) eine erste Konstantstromquelle (KS1 ) angeordnet ist.
4. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der zweiten Diode (D2) zugeordnete Anode über eine Konstantstromquelle (KS1 ‘) mit dem zweiten Spannungspotenzial (V2) und deren Kathode mit der der ersten Diode (D1 ) zugeordneten Anode verbunden ist.
5. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungspumpe (NCP) einen Oszillator (01) mit einem Ein- und Ausgang sowie einen elektronischen Treiber (T1 ) umfasst, dass der Eingang des Oszillators (01 ) mit dem dritten Anschlusskontakt (a3) und dessen Ausgang mit dem Treiber (T1 ) verbunden sind, und dass ein dem Treiber (T1 ) zugeordneter Ausgang dem zweiten Anschlusskontakt (a2) der Ladungspumpe (NCP) entspricht.
6. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Komparator (K1 ) zwei Betriebsspannungskontakte (B1 , B2) besitzt, von denen ein Betriebsspannungskontakt (B1 ) mit der der zweiten Diode (D2) zugeordneten Kathode und der andere Betriebsspannungskontakt (B2) mit dem zweiten Spannungspotenzial (V2) verbunden sind.
7. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannungskontakte (B1 , B2) des ersten Komparators (K1 ) parallel zu Betriebsspannungskontakten (B3, B4) eines zweiten Komparators (K2) geschaltet sind, der über einen ersten und zweiten Komparatoreingang (K2-, K2+) verfügt, von denen der erste Komparatoreingang (K2-) mit dem Anodenpotenzial (refP) der zweiten Diode (D2), an der das zweite Spannungspotenzial (V2) anliegt, und von denen der zweite Komparatoreingang (K2+) mit einem Referenzpotenzial (refL) verbunden sind, das sich zwischen der Last (R) und dem ersten Versorgungspotenzial (V1 ) aufbaut, und dass ein dem zweiten Komparator (K2) zugeordneter Ausgang (AK2) einen Transistor (T) steuert, dessen zugeordnete Source-Drain-Strecke parallel zu den Betriebsspannungskontakten (B1 , B2, B3, B4) des ersten und zweiten Komparators (K1 , K2) geschaltet ist.
8. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Komparator (K1 ) mit einem Ausgang (APOR) einer Reset-Schaltung (POR = power on reset) verbunden ist, die zwei Betriebsspannungskontakte (B5, B6) aufweist, die parallel zu den Betriebsspannungskontakten (B1 , B2) des ersten Komparators (K1) geschaltet sind.
9. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Spannungspotenzial (V2) und der zweiten Diode (D2) eine zweite Konstantstromquelle (KST) angeordnet ist.
10. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement parallel zur ersten Diode (D1 ) und der zweiten Kapazität (C2) zwischen dem zweiten Spannungspotenzial (V2) und der ersten Kapazität (C1 ) geschaltet ist.
11 . Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement als vierte Diode (D4) ausgebildet ist, die zur Entladung der ersten Kapazität (C1 ) in Durchflussrichtung mit dem zweiten Spannungspotenzial (V2) verbunden ist.
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