FI90606B

FI90606B - Kytkentä akkujännitteen kasvattamiseksi lyhytaikaisen kuormituksen ajaksi

Info

Publication number: FI90606B
Application number: FI916007A
Authority: FI
Inventors: Juha Rapeli
Original assignee: Nokia Mobile Phones Ltd
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1993-11-15
Also published as: FI90606C; EE9400443A; JPH0614530A; EP0547803A2; EP0547803A3; FI916007A0; DE69224602D1; EP0547803B1; FI916007A

Description

1 90606

Kytkentä akkujännitteen kasvattamiseksi lyhytaikaisen kuormituksen ajaksi - En koppling för ökning av en ackumulators spänning för en tidsmässigt kort belastning 5

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen matkapuhelimessa käytettävä kytkentä akkujännitteen kasvattamiseksi .

10 Si- ja GaAs-lähettimet vaativat hyvällä hyötysuhteella toimiakseen 5 - 7 V jännitteen, kun taas tuotteen kannalta muutoin olisi tarkoituksenmukaista käyttää kolmen NiCd- tai NiMH -kennon akkua, joiden jännite on noin 3 V.

15 Tunnetun tekniikan mukaisessa ratkaisussa lähettimelle syötetään viiden tai kuuden kennon akusta saatavaa reguloima-tonta 6 - 8 V jännitettä. Kolmea kennoa käytettäessä perinteinen ratkaisu on jatkuvatoiminen jännitteennostaja, joka voidaan pysäyttää TDMA-kehyksen lähetyksen ajaksi, jolloin 20 lähetin ottaa virtansa suodatinkondensaattorista.

Jännitteen nostamiseksi hakkurikytkentöjen avulla tunnetaan monta menetelmää. Nämä ratkaisut soveltuvat jatkuvasti vir-' taa kuluttaviin tuotteisiin.

' -.--25

Tunnettua tekniikkaa selostetaan seuraavassa viitaten oheiseen kuvaan 1, joka esittää tunnetun tekniikan mukaista kytkentää jännitteen kasvattamiseksi hakkurin avulla. Erilaisia tunnettuja hakkurikytkentöjä on selostettu esimerkiksi jul-30 kaisussa "Advanced Linear European Seminars for Precision Design of the 90's", julkaisija Texas Instruments UK, 1990, sivuilla 59-82.

Kuvassa 1 on esitetty tunnetun tekniikan mukainen kytkentä 35 jännitteen kasvattamiseksi hakkurin avulla. Tehonlähde 1 syöttää tasavirtaa hakkurille 2, joka katkoo virtaa päälle ja pois muodostaen tällä tavoin halutun jännitteistä vaihtovirtaa. Kuvan kondensaattoria on merkitty numerolla 3.

2 90606 Tässä ratkaisussa, samoin kuin esim. GB-julkaisujen 2 245 780 ja 2 245 112 ratkaisuissa, joissa käytetään kapasitanssiin perustuvaa summauskytkentää, ongelmina ovat olleet hakkurista johtuvat häiriöt, koska hakkurin kytkimet avataan ja 5 suljetaan virrallisina. Nostettaessa akun jännite hakkurilla a-kertaiseksi kasvaa akusta otettava virta kuormaan menevään virtaan nähden a-kertaiseksi. Myös tehohäviöt kasvavat.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada sellai-10 nen kytkentä akkujännitteen kasvattamiseksi, jonka avulla edellä esitetyt ongelmat voidaan poistaa. Tämän saavuttamiseksi on keksinnölle tunnusomaista se, että kytkinten avaaminen ja sulkeminen on sovitettu tapahtumaan aina käytännöllisesti katsoen virrattomassa tilassa ja että kasvatettu 15 jännite on tahdistettu kuormituksen, tässä tapauksessa TDMA-kehyspulssin, avulla. Perinteisen hakkurin toiminta-ajatus on tehdä varauspumppaus kymmeniä tai peräti satoja kertoja yhden TDMA-kehyksen aikana.

20 Keksinnön mukaisessa kytkennässä yhden TDMA-kehyksen aikana suoritetaan yksi varauksen pumppaus, minkä jälkeen kondensaattoriin siirretty varaus kytketään sarjaan jännitelähteenä toimivan akun tai pariston kanssa korkeamman jännitteen muodostamiseksi.

25

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisesti viitaten oheisiin kuviin, joista: kuva 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista kytkentää jännitteen kasvattamiseksi hakkurin avulla, 30 kuva 2 esittää keksinnön mukaista kytkentää akkujännitteen kasvattamiseksi kondensaattorin avulla, kuva 3 esittää keksinnön mukaisen kytkennän kytkimien tilatietoja, kasvatettua jännitettä ja akusta otettua virtaa ajan funktiona, 35 kuva 4 esittää keksinnön mukaista kytkentää akkujännitteen kasvattamiseksi induktanssin ja kondensaattorin avulla, kuva 5 esittää keksinnön mukaista kytkentää akkujännitteen kasvattamiseksi ja akkujännitteen vaihtelun kompensoimiseksi .

3 90606

Kuva 1 on selostettu edellä. Keksinnön mukaista ratkaisua kuvataan seuraavassa viitaten kuviin 2-5, jotka esittävät keksinnön mukaisen ratkaisun toteutusta.

5 Kuvassa 2 on esitetty keksinnön mukainen kytkentä akkujännitteen kasvattamiseksi kondensaattorin avulla. TDMA-kehyk-sen aikana suoritettava varauksen pumppaus kondensaattoriin 3 toteutetaan kytkinparien 4, 5 ja 6, 7 avulla. Kytkimet on vuorotellen kytketty johtaviksi siten, että kytkinparit 4, 5 10 ja 6, 7 eivät johda yhtä aikaa.

Kytkinparien 4, 5 ja 6, 7 avulla toteutetaan suora ja hä-viöllinen varausimpulssin siirto kondensaattoriin 3.

15 Kuvan 2 kytkennässä osa siirretystä energiasta menee aina kytkinhäviöihin akun kapasitanssista riippuen. Tälle yksinkertaiselle kytkennälle on myös ominaista, että kondensaattorin 3 ollessa purkautunut alle paristojännitteen kytkimien 4 ja 5 sulkeutuessa johtaviksi virran kulku paristosta kon-20 densaattoriin on äkillinen ja vastaavasti osa siirtyvästä energiasta häviää kytkinhäviöihin. Kondensaattorin varauksen äkillinen palautuminen paristosta on esitetty kuvan 3 virta-pulssina 15. Koska kuormaan menevä virta on yhtä suuri sekä paristosta että kondensaattorista näiden ollessa k.o. ajan-25 kohtana sarjaankytkettyjä, ovat viivoitetut virta/aikapinta- alat 14, 15, 19 ja 20 kuvassa 3 yhtä suuria. Havaitaan, että kuvan 2 tapauksessa kytkinten S3, S4 (kuva 2, viitteet 6, 7) muuttuessa johtaviksi ajanhetkellä 16 virran kasvu on äkillinen ja sen huippuarvo 13 voi olla hyvinkin suuri. Sekä 30 kuvan 2 että kuvan 4 kytkennässä virta kytkinparin S3, S4 muuttuessa johtamattomaksi ajanhetkellä 17 (kuva 3) on pieni. TDMA-lähetyksen päällä/pois-suhteen ollessa pieni, vir-tapulssin huippu 19 (kuva 3) voidaan rajoittaa hyvin matalaksi induktanssin L avulla. Tällainen kytkentä on esitetty 35 kuvassa 4.

Tällä kytkentävaihtoehdolla saavutetaan periaatteessa täydellinen häviöttömyys.

4 9 0 606

Kuvassa 3 on esitetty keksinnön mukaisen kytkennän kytkimien tilatiedot, kasvatettu jännite ja akusta otettu virta ajan funktiona, kun kuormaa syötetään 1/8 ajasta. Kytkimien sl 4 ja s2 5 auki- ja kiinnioloajat ajan funktiona on merkitty 5 numerolla 9 ja kytkimien s3 6 ja s4 7 auki- ja kiinnioloajat ajan funktiona on merkitty numerolla 10. Kasvatettu jännite UTX ajan funktiona on merkitty numerolla 11 ja akusta 1 otettu virta I kuvan 2 kytkennässä ajan funktiona on merkitty numerolla 12 sekä akusta otettu virta kuvan 4 kytkennässä 10 numerolla 18.

Kuvassa 5 on esitetty keksinnön mukainen kytkentä akkujännitteen kasvattamiseksi ja akkujännitteen vaihtelun kompensoimiseksi. Kytkentä poikkeaa kuvan 4 kytkennästä siten, 15 että siinä on kytkintä 4 ohjaava säätömikropiiri 21. Kytkennässä kondensaattori 3 varataan sellaiseen jännitteeseen, jossa kondensaattorin 3 ja akun 1 yhteenlaskettu jännite on vakio.

20 Keksinnön mukaisella tavalla kytkettynä induktanssi L (kuva

4, viite 8) rajoittaa kytkimen sulkeutuessa syntyvän virta-pulssin hyvin pieneksi, koska tunnetusti induktanssissa virran nousunopeus dl/dT

25 di di

Δϋ = —L — eli — = —Δυ/L

dt dt on rajallinen.

30

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa kytkin avataan käytännöllisesti virrattomassa tilassa, jolloin aiheutuu ainoastaan rajallinen sulkemisvirta. Perinteisen tekniikan mukaisessa ratkaisussa virta katkaistaan äkillisesti, mistä aiheutuu 35 huomattavan paljon häiriöitä.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa ei aiheudu virran moninkertaistumista energialähteessä eli akussa tai paristossa. Kek- 5 90606 sinnön mukainen kytkentä on selkeä ja yksinkertainen ja se toimii myös suodattimena.

Kun virrankulutus TDMA-kehyksen lähetysajan dT aikana on ITX/ 5 sen aiheuttama jännitteen aleneminen kondensaattorissa 3 on

dUTX = ( ITX * dT ) / C

Kun keksinnön mukaiselle kytkennälle lasketaan esimerkiksi 10 päälläoloajalla dT = 416 ps ja virrankulutukselle ITK = T200 mA sekä sallitulle jännitteen alenemalle dUTX < 0,5 V vastaava kapasitanssin C arvo, saadaan C >. 160 pF. Tämä arvo voidaan helposti toteuttaa.

15 Keksinnön avulla jännitettä voidaan kasvattaa ja vakioida yksinkertaisesti ilman, että laitteen sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) taso kasvaa liian korkeaksi.

Keksinnön avulla saadaan hyvä hyötysuhde ja häiriöttömyys.

20 Vakioimista käytettäessä TX-hyötysuhde voidaan optimoida.

Kytkentä on mahdollisimman yksinkertainen. Kytkinosa voidaan integroida esimerkiksi lähettimen tehonsäädön kanssa samaksi piiriksi.

25 Selostuksen perusteella on ammattimiehelle ilmeistä, että samaa menetelmää voidaan soveltaa useamman sarjaan kytketyn kondensaattorin avulla jännitteen kertomiseksi suuremmallakin luvulla kuin kaksi ja että keksinnöllä on sovellutuskohteita kaikkialla pulssimaisten kuormien tehonsyötössä.

.30

Lisäksi on ammattimiehelle tunnettua, että keksinnön mukaisen periaatteen soveltaminen käytännössä saattaa edellyttää selostuksessa mainitsemattomien komponenttien, kuten esimerkiksi kytkinsuojadiodien, käyttöä, mutta ne eivät muuta me-:35 netelmän keksinnöllistä periaatetta.

Claims

1. Matkapuhelimessa käytettävä kytkentä akkujännitteen kasvattamiseksi, jossa kytkennässä käytetään kapasitanssiin (3) perustuvaa summauskytkentää, tunnettu siitä, 5 että kytkinten avaaminen ja sulkeminen on sovitettu tapahtumaan aina käytännöllisesti katsoen virrattomassa tilassa ja että kasvatettu jännite on tahdistettu kuormituksen, tässä tapauksessa TDMA-kehyspulssin, avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentä, tunnet - t u siitä, että yhden TDMA-kehyksen aikana suoritetaan yksi varauksen pumppaus, minkä jälkeen kondensaattoriin (3) siirretty varaus kytketään sarjaan jännitelähteen (1) kanssa korkeamman jännitteen muodostamiseksi. 15

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kytkentä, tunnet -t u siitä, että se käsittää ainakin yhden kondensaattorin (3) sekä kaksi kytkinparia (4, 5; 6, 7), jotka on vuorotellen kytketty johtaviksi siten, että kytkinparit eivät johda 20 yhtä aikaa.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kytkentä, tunnet - t u siitä, että se käsittää kondensaattorin (3) kanssa sarjaan kytketyn induktanssin (8) siten, että se on sarjassa 25 myös kuormituksen aikana toimien siten suodattimena käyttö- jännitteelle .

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kytkentä, tunnet -t u siitä, että induktanssin (8) arvo on valittu kytkentä- 30 virran rajoittamiseksi.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen kytkentä, tunnet - t u siitä, että se käsittää kytkintä (4) ohjaavan säätömik-ropiirin (21). 35

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen kytkentä, tunnet -t u siitä, että kondensaattori (3) on sovitettu varattavaksi sellaiseen jännitteeseen, jossa kondensaattorin (3) ja akun (1) yhteenlaskettu jännite on vakio.

6. G 606

7. O 6 06