SE511382C2 - Krets och förfarande för alstring av en spänning samt användning av sådan krets - Google Patents

Description

Miu: v vÄ-u-f .www .så n. mini h. m. » min. .x I' .m .mn nu m. . r-au 1 àfdli 10 15 20 25 511 382 användas i någon typ av radionät, såsom till exempel cellulära nät, satellit nät eller mindre lokala nåt.

Det år känt att använda en så kallad laddningspump (“charge- pump”) för att åstadkomma spänningar med ovan beskrivna egenskaper.

Ett exempel pà detta beskrivs i en patentansökan GB 2, 023, 949.

I nämnda ansökan åstadkommes en negativ matningsspänning med en innefattar en krets som operationsförstärkare, en bufferförstärkare och en diodpumpförstärkare.

Operationsförstärkaren styr bufferförstärkaren så att den omväxlande är “till” och “från”, vilket medför att en laddning pumpas in i en kondensator hos diodpumpförstärkaren och att en negativ spänning erhålles.

En nackdel med konstruktionen enligt nämnda kända teknik är utnyttjandet av operationsförstärkaren och diodpumpförstärkaren, eftersom oscillatorfrekvensen hos operationsförstärkaren kan komma att ligga som ett rippel på den alstrade spänningen. För att undvika nämnda rippel behövs extra komponenter, t ex filter, hålla svårt att ripplet och det kan trots detta vara tillräckligt lågt, såsom år allmänt känt av fackmannen.

Då en oscillator utnyttjas föreligger också problem att erhålla en snabb och väl definierad uppstartstid.

Ytterligare en nackdel hos konstruktionen enligt nämnda kända teknik är att spänningen alstras kontinuerligt, det vill säga även då den inte behövs, eftersom laddning hela tiden påförs till kondensatorn. nnnoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN 10 15 20 25 _., p 511382 Föreliggande uppfinning angriper ett problenx hur en spänning omväxlande kan alstras på ett enkelt sätt.

Ett annat problem är hur spänningen kan alstras utan att rippel uppkommer på den alstrade spänningen. Ännu ett problem är hur snabba och väl definierade omslagstider erhålles. Ännu ett problem är hur spänningen alstras endast under de tidsperioder då den behöver utnyttjas.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är således att angripa ovanstående problem. Ännu ett ändamål är att åstadkomma en enkel och billig krets för alstring av spänningen.

En lösning enligt uppfinningen är att ladda upp en kondensator under den tid som spänningen inte behövs. När spänningen behövs laddas kondensatorn ur, varvid en spänning erhålles.

Lösningen innefattar att en styrspänning och en inspänning ansluts till kretsen. Styrspänningen omkopplar kretsen. mellan aktiva och inaktiva tidsperioder. En DC/DC-omvandlare omvandlar inspänningen till den önskade utspänningen under de aktiva tidsperioderna. Utspänningen alstras wædelst en laddningsmängd som lagrats i ett lagringsorgan, varvid lagringsorganet uppladdas med laddningsmängden under de inaktiva tidsperioderna. ström som alstras av en Laddningsmängden genereras av en strömgenerator.

Föreliggande uppfinning har flera fördelar. En spänning kan omväxlande alstras på ett enkelt sätt, varvid spänningen kan alstras utan att rippel uppkommer pà den alstrade spänningen. 5 w:fi:fimfiimhwMn~W-v 10 15 20 25 511 382 Ännu en fördel är att snabba och väl definierade omslagstider erhålles och att spänningen alstras endast under de tidsperioder dä den behöver utnyttjas. Ännu en fördel är att en enkel och billig krets för alstring av spänningen erhålles med uppfinningen.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hjälp av föredragna utföringsformer och med hänvisning till bifogade ritning.

FIGURBESKRIVNING Figur la visar en krets för alstring av en spänning och illustrerar principen enligt uppfinningen.

Figur lb visar en utföringsform av kretsen enligt uppfinningen.

Figur lc visar ännu en utföringsform av kretsen enligt uppfinningen.

Figur 2 visar ytterligare en utföringsform av en krets enligt uppfinningen.

Figur 3 visar styrspänning och utspänning fràn kretsen enligt uppfinningen som funktion av tiden.

Figur 4 visar ett schematiskt flödesschema över ett förfarande för alstring av en spänning enligt uppfinningen.

FÖREDRAGNA UTFöRINGsFommR I figur la visas en krets för alstring av en spänning. Kretsen är schematisk och illustrerar' principen för ^uppfinningen. En strömgenerator I är seriekopplad med en parallellkoppling innefattande en första gren som innefattar en kondensator Cl i 10 15 20 25 s 511 382 serie med en diod Dl och en andra gren som innefattar en transistor Tl, varvid kondensatorn Cl och dioden Dl är parallellkopplade med transistorn Tl.

En matningsspänning Væmmy tillförs kretsen vid en ingång IN. En styrspänning V¿u1 tillförs transistorn Tl vid en styringång CTRL. Styrspänningen kan karakteriseras av en viss frekvens och en viss arbetscykel. Arbetscykeln kan t ex vara 1:8.

En utspänning Van erhålles vid en utgång OUT såsom kommer att förklaras nedan. Utspänningen utnyttjas under aktiva tidsperioder och utnyttjas inte under inaktiva tidsperioder.

Antag först att kretsen befinner sig i en inaktiv tidsperiod.

Enligt uppfinningen är då styrspänningen Vmïl låg, varvid transistorn Tl är strypt. En ström kommer att genereras av strömgeneratorn I för att sedan ledas till jord genom kondensatorn Cl och dioden D1. Kondensatorn kommer att laddas upp mer och mer, under det att strömmen successivt avtar mot noll då kondensatorn är fulladdad.

På detta sätt kommer kondensatorn att fungera som ett lagringsorgan för den laddningsmängd som byggs upp hos kondensatorn.

Antag sedan att den inaktiva tidsperioden övergår till en aktiv tidsperiod. När detta sker är kondensatorn Cl fulladdad. Övergången eller omkopplingen mellan inaktiva och aktiva tidsperioder' bestäms av styrspänningen \Qtn. Vid omkopplingen tillförs en hög styrspänning V“fl_vid styringången CTRL. Härvid kommer transistorn Tl att bli fullt ledande och potentialen i punkten 1 nællan strömgeneratorn I och kondensatorn Cl kommer att bli O V. Samtidigt kommer potentialen i punkten 2 att gå -j-ï-yi ...nu a.........a| ...s 1 sim älmnmfl [ií I 511582 i 6 från x V (spänningsfallet över dioden Dl) till -(V x) V, supply varvid även utspänningen Van antager värdet -(V - x) V. supply Värdet på x är beroende av 'vilken typ av' diod som används.

Exempelvis kan 'värdet vara 0,3 V för en Schottkeydiod eller 0,7 V för en PN-diod. I den följande beskrivningen antages att dioden är en PN-diod, varvid x är ungefär lika med 0,7 V.

Under den aktiva tidsperioden kommer kondensatorn Cl att successivt tömmas på den laddningsmängd som tillfördes under den inaktiva tidsperioden. Laddningen leds till jord genom transistorn T1 och Vout antager värdet -Wsupply - x) V såsom förklarats ovan.

Då den aktiva tidsperioden är över antager styrspänningen Varl återigen ett lågt värde, varvid transistorn Tl stryps och kondensatorn börjar laddas upp igen.

När styrspänningen är låg är det strömgeneratorn I som levererar den ström som behövs för att ladda upp kondensatorn Cl.

Strömgeneratorn I i figur la kan åstadkommas på olika sätt. Ett sätt är att ansluta en resistor Rl mellan ingången IN och punkten 1, såsom visas i figur lb. Generellt kan då sägas att matningsspänningen V som tillförs ingången IN, och Supply ' resistorn R1 bildar strömgeneratorn I i figur la. Laddningstiden bestäms av RC-konstanten hos resistorn Rl och kondensatorn Cl.

Ett annat sätt att åstadkomma strömgeneratorn I visas i figur lc. En MESFET-transistor T2 är ansluten wællan ingången IN och punkten 1. Drain-anslutningen. hos transistorn 'T2 är ansluten till ingången IN, Source-anslutningen är ansluten till punkten 1 och Gate-anslutningen är sammankopplad med Source-anslutningen. 10 15 20 25 v 511 382 På detta sätt kan en nàttnadsström Iis” erhållas, vilken kan utnyttjas för att ladda kondensatorn Cl såsom förklarats ovan.

MESFET-transistorn T2 begränsar strömmen under de aktiva tidsperioderna. Under de inaktiva tidsperioderna då kondensatorn är i det närmaste fulladdad fungerar transistorn T2 som ett lågt motstånd.

Owl utspänningen från. kretsen enligt uppfinningen används som matningsspänning till exempelvis en effektförstärkare, vilken tillverkas i en MESFET-process, uppnås en enkel lösning med hjälp av' MESFET-transistorn T2. MESFET-transistorn T2 kan då integreras i samma tillverkningsprocess som effektförstärkaren och placeras på samma chips som effektförstärkaren. Även dioden D1 kan tillverkas i en MESFET-process och integreras på samma chips som effektförstärkaren och transistorn.

I figur 2 visas ytterligare en utföringsform av uppfinningen.

Strömgeneratorn I, som generellt visas i figur la, innefattar i denna utföringsform resistorerna Rl, R2, R3 och R4, kondensatorn C2 och transistorn T3. Transistonn T3 utnyttjas för att åstadkomma en till/från-funktion hos strömgeneratorn.

Under de inaktiva tidsperioderna är transistorn T3 fullt ledande och strömgeneratorn levererar således ström för att ladda upp kondensatorn Cl. Under de aktiva tidsperioderna är transistorn T3 strypt, varvid ingen ström levereras.

Resistorerna R3 och R4 används för att erhålla det önskade värdet på Gate-strömmen till transistorn T3. Med hjälp av kondensatorn C2 säkerställs att transistorn T3 slår till och från med hjälp av styrspänningen Vctrl. Resistorn R2 fungerar som ett säkerhetsmotstånd för att begränsa den ström som kan gå genom transistorn T3. 10 15 20 25 511382 DC/DC-omvandlaren som generellt visas i figur la-lc innefattar i denna utföringsform även resistorn RS och zenerdioden Zl.

Resistorn R5 kan användas för att åstadkomma en möjlighet att variera basspänningen pà transistorn Tl.

Dioden Zl kan användas till att undvika variationer i utspänningen Van när utgången OUT belastas med en last, t ex en effektförstärkare. Zenerdioden ska enligt uppfinningen anslutas mellan transistorns Tl styringàng och punkten 2 säsom visas i figuren, varvid den stabiliserar spänningar mindre än zenerspänningen minus spänningsfallet över dioden D1. Om till exempel zenerspänningen är 4,8 V och diodspänningen 0,7 V, kan utspänningen aldrig bli mindre än -4,1 V. Pà detta sätt erhàlles alltsà en spänningsstabiliserande funktion hos kretsen enligt uppfinningen.

Transistorn T1 och dioden D1 kan generellt sägas vara en DC/DC- omvandlare som är möjlig att omkoppla mellan två lägen, ett aktivt läge och ett inaktivt läge och kondensatorn Cl kan generellt sett sägas vara ett lagringsorgan, i vilket en laddningsmängd lagras för att utnyttjas för alstring av utspänningen Vmm under de aktiva tidsperioderna.

När omkoppling sker mellan aktiva och inaktiva tidsperioder sker en växling av polariteten i punkten 2. Under de inaktiva tidsperioderna är polariteten positiv i punkten 2, men under de aktiva negativ. Av denna tidsperioderna är polariteten anledning blir även utspänningen Vmm en negativ utspänning.

I figur 3 visas styrspänningen Vmxl och utspänningen V¿m från kretsen enligt uppfinningen som funktion av tiden t. 10 15 20 25 g 511 382, Styrspänningen kan karakteriseras av en viss frekvens f och en viss arbetscykel. Arbetscykeln kan t ex vara 1:8, vilket innebär att styrspänningen är hög en åttondel av periodtiden T.

Antag att kondensatorn Cl är helt urladdad vid tiden t=0.

Styrspänningen Vgul är låg, varvid kondensatorn laddas upp under de första sju åttondelarna av periodtiden T. Utspänningen Vgm är lika med spänningen över dioden D1, vilken är ungefär lika med 0,7 V om dioden är till exempel en PN-diod.

Under den sista àttondelen av periodtiden T är styrspänningen hög, varvid det sker en polaritetsomkastning i punkten 2 såsom förklarats med hänvisning till figur la-lc. När detta sker är kondensatorn fulladdad. Utspänningen Vmm är nu lika med -(Vmmmy - 0,7) V. Utspänningen kommer att hållas av den laddning som finns lagrad i kondensatorn Cl. Laddningen leds till jord genom transistorn T1. Spänningen kommer att stiga något under den aktiva tidsperioden, men genom en lämplig dimensionering av de ingående komponenterna i kretsen kan denna variation hållas inom specificerade zenerdiod kan också värden Vmin och Vmax. En anslutas såsom beskrivits med hänvisning till figur 2 för åstadkommande av en spänningsstabiliserande funktion.

I figur 4 visas ett schematiskt flödesschema över ett förfarande för alstring av utspänningen (Vmm), vilken utspänning utnyttjas under aktiva tidsperioder och vilken utspänning inte utnyttjas under inaktiva tidsperioder, såsom beskrivits ovan.

I steg 41 ansluts en styrspänning Varl till kretsen enligt uppfinningen, vilken styrspänning omkopplar mellan de aktiva och inaktiva tidsperioderna.

I steg 42 ansluts en inspänning Vmmmy till kretsen.

H "I ~.\ »nwwu- I.. um-'ahJn .lliml Mim. » I uflrhu; .x x |. i ich- âšâiliií .E ...r i; ii 10 15 511 382 i 10 I steg 43 omvandlas inspänningen Vgmmy till utspänningen Vgm medelst en DC/DC-omvandlare Tl, Dl.

I steg 44 alstras utspänningen. Van, vilket innefattar uppladdning av ett lagringsorgan Cl med en laddningsmängd under vilken laddningsmängd alstrar inaktiva tidsperioder, utspänningen Van under aktiva tidsperioder.

Steg 44 innefattar även att DC/DC-omvandlaren omkopplas fràn det inaktiva läget till det aktiva läget i beroende av styrspänningen VaflJ varvid utspänningen Vmm erhålles som spänningen mellan en punkt 2, mellan kondensatorn Cl och dioden Dl, och jord, varvid potentialen i punkten 2 antar värdet - (inspänningen Vmmmy- [spänningsfallet över dioden D11) Volt.

I steg 45 alstras en ström medelst en strömgenerator I, vilken laddningsmängden som uppladdar nämnda ström genererar lagringsorgan Cl.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till de ovan beskrivna och pà ritningen visade utföringsformerna, utan kan modifieras inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (12)

10 15 20 25 11 511 382 PATENTKRAV

1. l. Krets för alstring av en utspänning (Vax) för utnyttjande k ä n n e t e c k n a d av att kretsen innefattar för anslutning av en styrspänning (Varg organ (CTRL, Tl) till kretsen, för omkoppling mellan de aktiva och inaktiva tidsperioderna, organ (IN) för anslutning av en inspänning (Vflmmy) till kretsen, en DC/DC-omvandlare (T1, Dl) för omvandling av inspänningen (Vmmwy) till utspänningen (vgn), organ för alstring av utspänningen (vgu), innefattande ett lagringsorgan (Cl), varvid nämnda “lagringsorgan (Cl) är uppladdningsbart med en laddningsmängd under inaktiva tidsperioder, för alstring av utspänningen (Vmm) under aktiva tidsperioder, en strömgenerator (I, Rl, T2) för alstring' av en ström, för generering av laddningsmängden som uppladdar nämnda lagringsorgan (Cl).

2. Krets enligt krav 1, varvid nämnda laggringsorgan (Cl) utgörs av en första kondensator (Cl) och varvid strömgeneratorn (I) innefattar en första resistor (R1) som är seriekopplad med en parallellkoppling innefattande en första gren som innefattar den första kondensatorn (Cl) och en andra i serie med en diod (Dl) gren som innefattar en första transistor (Tl), varvid den första kondensatorn (Cl) och dioden (Dl) är parallellkopplade med den första transistorn (Tl). FIÉÜÜ Uli ixix ilhwfl-»in htmui...~ißxvun|i|d»xni MAN-H. »ml (i .H lO 15 20 25 511 382 i 12

3. Krets enligt krav 2, varvid nämnda organ för alstring av utspänningen (Vom) vidare innefattar dioden (Dl) och den första resistorn (Rl), vilken resistor är ansluten till den första kondensatorn (Cl) så att en RC-krets (Rl, Cl) erhålles.

4. Krets enligt krav l, varvid nämnda laggringsorgan (Cl) utgörs av en första kondensator (Cl) och varvid strömgeneratorn (I) innefattar en andra transistor (T2), vilken har en Drain- anslutning ansluten till nämnda organ (IN) för anslutning av inspiänningen (Vsupply), en Source-anslutning ansluten till en parallellkoppling, innefattande en första gren som innefattar den första kondensatorn (Cl) i serie med en diod (Dl) och en andra gren som innefattar en första transistor (Tl) , varvid den första kondensatorn (Cl) och dioden (Dl) är parallellkopplade med den första transistorn (Tl), och en Gate-anslutning sammankopplad med Source-anslutningen, varvid en mättnadsström (Idßat) erhålles för laddning av den första kondensatorn (Cl).

5. Krets enligt krav l, varvid nämnda laggringsorgan (Cl) utgörs av en första kondensator (Cl) och varvid strömgeneratorn (I) innefattar en första resistor (Rl) , en andra resistor (R2), en tredje resistor (RB) och en fjärde resistor (R4), en andra kondensator (C2) och en tredje transistor (TB) , varvid den tredje transistorns (T3) kollektoranslutning, via den första resistorn (Rl) , är ansluten till en parallellkoppling innefattande en första gren som innefattar den första kondensatorn (Cl) i serie med en diod (Dl) och en andra gren som innefattar den första transistorn (Tl), varvid den första kondensatorn (Cl) och dioden (Dl) är parallellkopplade med den första transistorn (Tl) , 10 15 20 25 lg, 511 sszii varvid den tredje transistorns (R2), (T3) emitteranslutning, via den andra resistorn är ansluten till nämnda organ (IN) för anslutning av inspànningen (Vmmmy), och varvid den tredje transistorns (T3) basanslutning, via den tredje och fjärde resistorn (R3, (CTRL, Tl) R4), är ansluten till nämnda (vctrl) I är ansluten parallellt med organ för anslutning av styrspänningen varvid den andra kondensatorn (C2) den fjärde resistorn (R4).

6. Krets enligt något av krav 2, 4 och 5, (Rs) vilken innefattar en femte resistor och en zenerdiod varvid zenerdioden (Zl), är ansluten till en punkt mellan dioden (D1) och den första kondensatorn (Cl) och till den första transistorns (Tl) basanslutning, och varvid den femte resistorn (RS) är ansluten till den första transistorns (Tl) basanslutning och till nämnda organ (CTRL) för anslutning av styrspänningen (vurfi.

7. Krets enligt något av föregående krav, varvid DC/DC- omvandlaren är omkopplingsbar mellan ett aktivt läge och ett inaktivt läge i beroende av styrspänningen (lgui).

8. Krets enligt nàgot av föregàende krav, varvid styrspânningen (vaxfl tillförs den första transistorn (Tl) vid en styringàng CTRL.

9. Krets enligt något av föregående krav, varvid utspänningen (Vmm) erhålles som spänningen mellan en punkt (2), mellan den första kondensatorn (Cl) och dioden (D1), och jord, varvid potentialen i punkten (2) antar värdet - (inspänningen (VmWmy)- [spänningsfallet över dioden (D1)]) V. mmmxu-uu-J NÅN. n MI) m Hm m .mm 10 15 20 25 511 382 i 14

10. Förfarande för alstring av en utspänning (Vän), vilken utspänning utnyttjas under aktiva tidsperioder och vilken utspänning inte utnyttjas under inaktiva tidsperioder, vilket förfarande innefattar anslutning av en styrspänning (Van) till kretsen, vilken styrspänning omkopplar mellan de aktiva och inaktiva tidsperioderna, anslutning av en inspänning (Vmmwy) till kretsen, omvandling av inspänningen (Vmmwy) till utspänningen (Vmm) medelst en DC/DC-omvandlare (Tl, D1), alstring av utspänningen (Vmm), innefattande uppladdning av ett lagringsorgan (Cl) med en laddningsmängd under inaktiva tidsperioder, vilken laddningsmängd alstrar utspänningen (Van) under aktiva tidsperioder, alstring av en ström medelst en strömgenerator (I), vilken ström genererar laddningsmängden sonl uppladdar nämnda lagringsorgan (G1).

11. ll. Förfarande enligt krav 10, varvid alstringen av utspänningen (Vax) under aktiva tidsperioder innefattar omkoppling av DC/DC-omvandlaren från det inaktiva läget till det aktiva läget i beroende av styrspänningen (Varg, varvid utspänningen (Van) erhålles som spänningen mellan en punkt (2), mellan nämnda lagringsorgan (Cl) och en diod (Dl), och jord, varvid potentialen i punkten (2) antar värdet - (inspänningen (Vmm@n)- [spänningsfallet över dioden (D1)]) V. m' 15 511 382

12. Användning av kretsen enligt något av krav 1-9, vid en radiosändare innefattad i en portabel radioutrustning, där radioutrustningen används i ett radiosystem där sändningarna sker skurvis, varvid utspànningen (V¿m) används som matningsspänning till radiosändarens effektförstârkare.