DE102007008519A1

DE102007008519A1 - Treiberschaltkreis

Info

Publication number: DE102007008519A1
Application number: DE102007008519A
Authority: DE
Inventors: Jan-Erik Eklund; Joakim Alvbrant
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2007-09-06
Also published as: US20070200615A1; CN101043177A; SE0600439L; CN100539369C

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Treiberschaltkreis für das Versorgen eines elektronischen Gerätes. Der Treiberschaltkreis umfasst eine Spannungsquelle und zwei Ladungspumpenanordnungen, jede umfassend eine Diode, die in Serie mit einem Kondensator geschaltet ist. Die Ladungspumpenanordnungen sind mit der Spannungsquelle verbunden und die Kondensatoren werden während einer ersten Phase auf einen positiven Spannungspegel ungefähr gleich dem Spannungspegel der Spannungsquelle geladen. Weiterhin werden Schaltmittel für das Schalten der Ladungspumpenanordnungen auf eine zweite Phase bereitgestellt, wobei sie gleichzeitig geladen werden, einer der Kondensatoren auf eine positive Spannung ungefähr des doppelten Spannungspegels, der durch die Spannungsquelle bereitgestellt wird, und ein anderer der Kondensatoren auf einen negativen Spannungspegel, der eine Größe hat, welche ungefähr gleich einer Größe der Spannungsquelle ist. Ein verbesserter und kostengünstiger Treiberschaltkreis wird dadurch geschaffen, der nur wenige Komponenten besitzt. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein solches Verfahren.

Description

Feld der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Treiberschaltkreis für das Versorgen eines elektronischen Gerätes, wie zum Beispiel eine Leuchtdiode. Die Erfindung bezieht sich auch auf solch ein Verfahren für das Versorgen eines elektronischen Gerätes.
Hintergrund der Erfindung
In tragbaren elektronischen Geräten, wie zum Beispiel Mobiltelefonen und Laptops, werden DC-DC-Wandler benötigt, um verschiedene Unterschaltkreise innerhalb des elektronischen Gerätes mit einem passenden Spannungspegel, am häufigsten unterschiedlich zu dem von einer Batterie des Gerätes gelieferte Spannungspegel, zu speisen. Der passende Spannungspegel kann höher oder niedriger als die Batteriespannung sein.
Viele tragbare, batteriebetriebene elektronische Geräte umfassen zum Beispiel eine farbige Flüssigkristallanzeige, und eine weiße Leuchtdiode wird üblicherweise als Hintergrundbeleuchtung in derartigen farbigen LCD-Anwendungen benutzt. Einige Anwendungen, zum Beispiel DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), verwenden eine Niederspannungsversorgung wie zum Beispiel ein Zweizellen NiMH (nickel-metal hydride) anstelle einer Li-Ionen-Batterie (Lithium battery), welche üblicherweise in GSM Telefonen benutzt wird. Allerdings liefert ein Zweizellen NiMH nur 2 V, während eine weiße LED typischerweise eine Versorgungsspannung von 4–5 V benötigt, um richtig betrieben zu werden. Eine offensichtliche Lösung würde darin bestehen, Batteriezellen hinzuzufügen, um die benötigte Spannung bereit zu stellen. Jedoch sind die Kosten und die Größe eines tragbaren elektronischen Gerätes normalerweise wichtige Belange und das Hinzufügen von Batteriezellen summiert sowohl die Kosten als auch die Größe. Der erforderliche Spannungspegel der LED ist auf diese Art höher als die Spannung, die von der Batterie des Gerätes geliefert wird, und ein DC-DC-Wandler ist deshalb erforderlich.

Eine mögliche Lösung ist, einen DC-DC-Wandler zu verwenden, der die Ausgangsspannung der Batterie auf 3,3 V anhebt, und dann wird eine Ladungspumpe verwendet, um etwa 5 V zu liefern. Eine Ladungspumpe ist ein elektronischer Schaltkreis, der Kondensatoren als Energiespeicherelemente verwendet, um eine Eingangsgleichspannung in die erforderliche Gleichspannung umzuwandeln. Kurz gesagt beinhaltet eine erste Stufe einen Kondensator, der über eine Spannung verbunden und aufgeladen wird, um eine höhere Spannung zu generieren. In der zweiten Stufe wird der Kondensator von der ursprünglichen Ladespannung getrennt und mit seinem negativen Anschluss wieder mit der ursprünglichen positiven Ladespannung verbunden und, da ein Kondensator seine Spannung beibehält, wird die positive Anschlussspannung dem Original hinzugefügt, wodurch die Spannung verdoppelt wird.

Eine andere mögliche Lösung ist, einen DC-DC-Wandler alleine zu verwenden, aber dann würde ein sehr fortschrittlicher und teurer Konverter verwendet werden müssen, welcher die Gesamtkosten eines elektronischen Geräts vergrößern würde.

Ein Nachteil der Verwendung einer Lösung, die einen DC-DC-Wandler und eine Ladungspumpe umfasst, ist, dass der DC-DC-Wandler den hohen Strom für die LED bewältigen muß. Dies verursacht die Verwendung von teuren Komponenten und noch teureren, sollte eine mehr als verdoppelte Spannung erforderlich sein. Es gibt Anwendungen, in welchem die LED 40% der DC-DC-Wandlerkapazität verbraucht.

Weiterhin verwenden Ladungspumpen Schalter, um die Verbindung von Spannungen zu den Kondensatoren zu steuern. Die Schalter, die z. B. als Transistoren ausgeführt sind und die in solchen Kleinleistungsanwendungen verwendet werden, sind am häufigsten begrenzt, um Lasten von ungefähr 3,6 V zu bewältigen.

Wenn höhere Spannungen angewendet werden, gehen die Schalter defekt.

Es wäre deswegen wünschenswert, in der Lage zu sein, einen verbesserten Treiber für Niederspannungsanwendungen bereit zu stellen, der vor allem ein verbessertes DC-DC-Konversionsmittel hat.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der Erfindung ist es, einen verbesserten Treiber für das Versorgen eines elektronischen Gerätes bereit zu stellen, wie zum Beispiel das Versorgen weißer LED-Anwendungen in tragbaren elektronischen Geräten, um eine verbesserte Anordnung für das Laden eines Ladegerätes wie zum Beispiel eines Kondensators zu haben, um dadurch die Nachteile des Standes der Technik wenigstens zu mildern.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen preiswerten Treiberschaltkreis bereit zu stellen, der nur wenige Komponenten benötigt und immer noch einen adäquaten Wirkungsgrad besitzt.

Unter anderem werden diese Merkmale durch einen Treiberschaltkreis entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und durch ein Verfahren entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 11 erreicht.

Gemäß der Erfindung wird ein Treiberschaltkreis für das Leistungsversorgen eines elektronischen Gerätes bereitgestellt. Der Treiberschaltkreis umfasst eine Spannungsquelle, von der ein erster Anschluss mit einem Referenzpotenzial an einem Knoten N0 und ein zweiter Anschluss mit einem Knoten N3 verbunden ist, der ein Potential des Wertes der Spannungsquelle aufweist. Der Treiberschaltkreis umfasst weiterhin zwei Ladungspumpenanordnungen, wobei jede einen Gleichrichter, der in Reihe mit einem Kondensator geschaltet ist, umfasst. Die Ladungspumpenanordnungen sind mit der Spannungsquelle verbunden und die Kondensatoren werden in einer ersten Phase derart angeordnet, um geladen zu werden, sodass ein Knoten N1, der zwischen dem Gleichrichter und dem Kondensator einer der Ladungspumpenanordnungen liegt, näherungsweise ein gleiches Potential erhält wie der Knoten N3, und ein Knoten N2, der zwischen dem Gleichrichter und dem Kondensator der anderen Ladungspumpenanordnungen liegt, erhält näherungsweise das gleiche Potential wie Knoten N0, sodass die Spannung über den Kondensatoren näherungsweise gleich der Potenzialdifferenz zwischen Konten N0 und N3 ist. Schaltmittel sind für das Schalten der Ladungspumpenanordnungen von der ersten Phase zu einer zweiten Phase bereitgestellt, wobei sie angeordnet sind, um während dieser zweiten Phase gleichzeitig geladen zu werden, sodass das Potenzial am Knoten N1 ungefähr dem doppelten Potenzial am Knoten N3 ist und sodass Knoten N2 ein negatives Potenzial von ungefähr der selben Größe wie das Potenzial am Knoten N3 hat, um dadurch ein Potenzialunterschied zwischen den Knoten N1 und N2 von ungefähr der dreifachen Spannung zwischen den Knoten N0 und N3 zu liefern. Gemäß der Erfindung wird die Ladung folglich in +V_in und in –V_in gleichzeitig gepumpt und eine Spannung der dreifachen Batteriespannung kann erhalten werden. Der erfinderische Treiberschaltkreis benötigt sehr wenig Komponenten und der Preis und die Chipflächenanforderung können niedrig gehalten werden, um einen kosteneffizientesten und kleinen Treiberschaltkreis bereit zu stellen. Weiterhin überschreitet die Spannung, die an die verwendeten Schalter angelegt wird, niemals die angewendete Batteriespannung und Schalterausfälle können deswegen vermieden werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die zwei Ladungspumpenanordnungen zwischen den positiven und den negativen Verbindungsendpunkten der Spannungsquelle geschaltet, und die Schalter werden angeordnet bzw. vorgesehen, um die Verbindung des Kondensators der ersten Ladungspumpenanordnung zum negativen Verbindungsende der Spannungsversorgung und zum positiven Verbindungsende der Spannungsversorgung zu ermöglichen, um so den Kondensator zu laden. Ein erster Schalter ist zwischen dem positiven Verbindungsende der Spannungsquelle, einem dritten Schalter und dem Kondensator der ersten Ladungspumpenanordnung geschaltet; ein zweiter Schalter ist zwischen dem Kondensator einer ersten Ladungspumpenanordnung, dem Kondensator der zweiten Ladungspumpenanordnung und dem negativen Verbindungsende der Spannungsquelle geschaltet; der dritte Schalter ist zwischen dem positiven Verbindungsende der Spannungsversorgung, dem Kondensator der ersten Ladungspumpenanordnung und dem Kondensator der zweiten Ladungspumpenanordnung geschaltet; ein vierter Schalter ist zwischen den Kondensatoren der Ladungspumpenanordnungen und dem negativen Verbindungsende der Batterie geschaltet; ein fünfter Schalter ist zwischen der Diode der zweiten Ladungspumpenanordnung und dem zweiten und dem vierten Schalter geschaltet. Ein einfacher Schaltkreis ist dadurch ausgeführt, der nur wenige Komponenten besitzt und dennoch eine Ausgangsspannung von der dreifachen Spannung der verwendeten Spannungsquelle ermöglicht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Lastgerät bereitgestellt, das ein Ende mit einem Knoten N1 und das andere Ende mit einem Knoten N2 verbunden hat, wobei die Knoten die Knoten zwischen der Diode und dem Kondensator jeder Ladungspumpenanordnung sind. Wo die Ausgangsspannung die dreifache Spannung der Spannungsquelle beträgt, ist dies eine Spannung, geeignet um beispielsweise eine Leuchtdiode zu treiben. Andere Spannungspegel können auch bereitgestellt werden, dadurch werden verschiedene Ausgangsspannungen mittels eines relativ einfachen und preisgünstigen Schaltkreises ermöglicht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Treiberschaltkreis für das Treiben von Leuchtdioden verwendet. Gewöhnlich werden solche Leuchtdioden zum Beispiel für die Bereitstellung einer Hintergrundbeleuchtung einer Flüssigkristallanzeige verwendet und deswegen stellt die Erfindung eine kostengünstige Lösung für die Verwendung in allgemeinen Anwendungen dar.

Gemäß noch einer anderen Ausführungsform werden eine oder möglicherweise mehrere Leuchtdioden oder andere elektronische Geräte mit einem jeweiligen Widerstand in Reihe geschaltet. Dadurch werden Unterschiede in den Schwellenspannungen der Leuchtdioden ausgeglichen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Spannungsquelle zwei Nickel-Metallhydrid-Zellen. Jede andere Spannungsquelle, die Anpassungsfähigkeit bereitstellt, könnte alternativ verwendet werden, aber Nickel-Metallhydrid Batterien sind z. B. für das Treiben einer Leuchtdiode eine angemessene Wahl.

Gemäß noch einer anderen Ausführungsform werden die Kondensatoren und Dioden außerhalb des Chips angeordnet, während die Schalter auf dem Chip angeordnet werden. Deswegen wird einem Schaltungsdesigner bei der Umsetzung des Schaltkreises Entwurfsflexibilität geliefert.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren für das Treiben eines Kleinleistungsgerätes, wobei die Vorteile, die dem oben Genannten entsprechen, erreicht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Blockdiagramm über eine konventionelle Ladungspumpe.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung.
Die 3a–3b zeigen Blockdiagramme von unterschiedlichen Phasen des Treiberschaltkreises von 2.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Simulationsmodells, das verwendet wird, um die vorliegende Erfindung zu verifizieren.
5 zeigt ein Simulationsergebnis, das erhalten wird, wenn man das Simulationsmodell von 2 verwendet.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In der folgenden Beschreibung werden die Begriffe Treiber und Treiberschaltkreis verwendet, um eine elektronische Komponente zu bezeichnen (z. B. ein integrierter Schaltkreis), die verwendet wird, um eine andere elektronische Komponente zu steuern (z. B. eine weiße Leuchtdiode).
Es ist schwierig eine Leuchtdiode direkt von einer Batterie zu betrieben, weil der Entladungszustand der meisten Batterien unter der minimal benötigten Vorwärtsspannung der Leuchtdioden ist, und daher wird eine Ladungspumpe verwendet. Um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird zuerst die allgemeine Funktion einer Ladungspumpe kurz beschrieben. 1 zeigt ein Blockdiagramm, dass das Prinzip der Ladungspumpe veranschaulicht. Der Schaltkreis 1 umfasst eine Anzahl von Schaltern 2, 3, 4, 5 und mindestens zwei Kondensatoren 6, 8, die normalerweise jeweils „fliegender Kondensator" oder „Übertragungskondensator" und „Speicherkondensator" genannt werden. Der Schaltkreis 1 arbeitet in zwei Phasen, eine Ladungsphase und eine Übertragungsphase. Während der Ladungsphase, die in der Figur veranschaulicht ist, sind die Schalter 2 und 5 geöffnet und die Schalter 3 und 1 sind geschlossen. Die Batterie 7 lädt den fliegenden Kondensator 6 bis zum Eingangsspannungspegel V_in. Während der Übertragungsphase sind 2 und 5 geschlossen und 3 und 4 geöffnet. Die Spannung über den Kondensator 6 ist in Reihe mit der Eingangsspannung V_in. Die Batterie und der Kondensator werden beide in den Ausgangskondensator 8 entladen und die elementare Ladungspumpe arbeitet deswegen als ein Spannungsverdoppler, der eine Ausgangsspannung von V_out = 2· V_in generiert. Durch das Hinzufügen zusätzlicher „fliegender Kondensatoren" und Schaltern können vielfache Spannungen erreicht werden. Wenn allerdings mehrere Stufen von Ladungspumpen verwendet werden, in welchen die in einer der Stufen eingegebene Spannung, die eine Diode enthalten, eine bestimmte Spannung übersteigt, zum Beispiel die Batteriespannung, geht der Schalter defekt, wie zuvor erwähnt wurde. Ein Oszillator wird im Allgemeinen verwendet, um die Schalter zu steuern, und die erste Phase des Taktzyklusses des Oszillators wird verwendet, um die Schalter in der Ladungsphase zu steuern, und eine zweite Phase des Taktzyklusses wird verwendet, um die Schalter in der Übertragungsphase zu steuern.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform dervorliegenden Erfindung. Wie im Folgenden beschrieben wird, umfasst der Treiberschaltkreis 10 gemäß der Erfindung, zwei Ladungspumpenanordnungen 11, 12, wobei jede einen Gleichrichter, wie zum Beispiel eine Diode D₁, D₂, die in Reihe mit einem Kondensator C₁, C₂ geschaltet ist, umfasst. Es versteht sich, dass, obwohl Dioden in der Beschreibung verwendet werden, um die Erfindung zu erläutern, andere Gleichrichtergeräte auch verwendet werden dürfen, die zum Beispiel eine oder mehrere halbleitende Bausteine umfassen. Der Treiberschaltkreis 10 umfasst weiterhin eine Stromversorgung, zum Beispiel, wie in der Figur dargestellt, eine NiMH-Batterie mit zwei Zellen B₁, B₂, die eine Spannung V_bat von typischerweise ungefähr 2 V liefern kann. Die Spannung zwischen den Anschlüssen der Versorgungsspannung, das heißt zwischen den Knoten N0 und N3, kann jeden geeigneten Wert haben. Weiterhin wird realisiert, dass andere Leistungsquellen verwendet werden können, z. B. alkalische Batterien oder Nickel-Cadmium-Batterien. In der Figur ist der Knoten N0 als geerdet gezeigt, das heißt er hat ein Potenzial von 0 V, jedoch können natürlich auch andere Referenzpotenziale verwendet werden. Der tatsächliche Wert des Knotens N0 wird verwendet, um die Potenziale an den anderen Knoten in Relation zu setzen und jeder Wert kann verwendet werden, wenn das Referenzpotenzial woanders definiert wird. Demgemäß müssen in einem solchen Fall die Potenziale an den anderen Knoten selbstverständlich neu berechnet werden.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform umfasst der Treiberschaltkreis 10 fünf Schalter S₁, S₂, S₃, S₄ und S₅, zum Beispiel Halbleiterschalter. Die periodische Schaltung der Schalter S₁, S₂, S₃, S₄, S₅ wird vorzugsweise mittels eines integrierten Frequenzoszillators (nicht dargestellt), der eine Taktfolge erzeugt, durchgeführt.
Der Treiberschaltkreis 10 umfasst weiterhin Dioden D₁ und D₂, die mit der Stromversorgung B₁, B₂ verbunden sind und Kondensatoren C₁ und C₂, die in Reihe mit einer jeweiligen Diode D₁, D₂ geschaltet sind. Die Dioden D₁ und D₂ sind vorzugsweise extern platzierte Halbleiterdioden wie zum Beispiel Schottkydioden, die einen niedrigen Vorwärtsspannungsabfall haben und eine sehr schnelle Schaltaktion besitzen. In einer alternativen Ausführungsform werden die Dioden D₁ und D₂ auf dem Chip platziert. Zwischen der Diode und dem Kondensator beider Diode-Kondensator-Paare, bezeichnet als Knoten N1 und N2, kann ein elektronisches Gerät angeschlossen werden. In der beispielhaften Ausführungsform der 1 ist das elektronische Gerät eine Leuchtdiode (LED) D₃, welche zum Beispiel für die Verwendung zur Hintergrundbeleuchtung in LCDs geeignet ist. Im Folgenden wird die LED D₃ als Illustrierung verwendet, aber es wird festgestellt, dass jedes elektronische Gerät mit den Knoten N1 und N2 verbunden werden könnte, zum Beispiel ein Funksenderschaltkreis, ein elektromechanisches Gerät oder Ähnliches, was eine höhere Spannung benötigt.
In einer ersten Phase leiten die Schalter S₂, S₃ und S₅, wie in 3a dargestellt, während die Schalter S₁ und S₄ nicht leiten. Wenn angenommen wird, dass die Dioden D₁ und D₂ als ideale Dioden mit einem Spannungsabfall von 0 V leiten, werden die Kondensatoren C₁ und C₂ bis ungefähr zur Quellenspannung geladen, das heißt die Spannung über beide Kondensatoren C₁ und C₂ ist dann V_bat. Die Spannung über der LED D₃ ist zu niedrig für eine maßgebliche und ordentliche Lichtemission, da die benötigten Vorwärtsspannungen einer weißen LED typisch ungefähr 4 V beträgt.
In einer zweiten Phase leiten die Schalter S₁, S₄ und S₅, wie in 3b dargestellt, während die Schalter S₂ und S₃ nicht leiten. Da der Schalter S₂ nicht leitet, ist der Kondensator C₁ mit seinem negativen Anschluss mit der positiven Ladespannung V_bat verbunden, und da ein Kondensator die Spannung V_bat der ersten Phase darüber aufrecht erhält, verursacht diese Verbindung den Kondensator C₁ auf die doppelte positive Spannung geladen zu werden, das heißt der Knoten N1 wird auf die Spannung 2·V_bat verschoben.
Gleichzeitig wird, da der Schalter S₄ nicht leitet, die positive Seite des geladenen Kondensators C₂ von +V_bat verschoben und mit Erde verbunden und dadurch die Referenzspannung auf die positive Seite des Kondensators C₂ geändert, das heißt der Knoten N2 wird zur Spannung –V_bat verschoben. Die zwischen den Knoten N1 und N2 erhältliche Spannung, d. h. über der weißen LED D₃, wird idealerweise zu 2·V_bat – (–V_bat) = 3·V_bat Nun ist die Spannung über D₃ groß genug für Lichtemission und die Kondensatoren C₁ und C₂ werden durch die LED D₃ entladen. Vorzugsweise wird ein Widerstand bereitgestellt, um den Strom durch die LED D₃ zu begrenzen.
Es wird festgestellt, dass es Verluste in einem Schaltkreis gibt und dass die Potenziale an den Knoten N1 und N2 jeweils näherungsweise gleich 2·Vb_at und –V_bat sind. Auf diese Art wird der Ausdruck „näherungsweise gleich mit" einem bestimmten Potenzial verwendet, um Verluste im Gleichrichter und den Schaltern zu berücksichtigen.
In den meisten Fällen ist eine einzige weiße LED nicht ausreichend für die Beleuchtung und mehrere LED's müssen zusammen betrieben werden. Deswegen werden in einer alternativen Ausführungsform mehrere parallele LED-Bausteine verwendet; ein solcher zusätzlicher LED-Baustein, der eine LED D_i und einen Widerstand R_i umfasst, ist in 2 mit gestrichelten Linien angedeutet. Vorzugsweise hat jeder Zweig einen Widerstand, der in Reihe R_i mit der jeweiligen LED D_i geschaltet ist, wodurch die Widerstände R₁, ..., R_i, ..., R_n die Differenzen der Schwellenspannungen ausgleichen, das heißt die benötigte Vorwärtsspannung in den n parallelen Bausteinen. Solche Unterschiede in den Schwellenspannungen können zum Beispiel durch die Unterschiede in der Größe der LED, dem Herstellungsprozess der LED und der Temperatur der LED in einer entsprechenden Lichtquelle entstehen. Idealerweise wird der gleiche Strom durch alle parallel geschalteten LEDs gespeist, sodass alle LEDs die gleiche Helligkeit haben, wodurch eine gleichmäßige Beleuchtung bereitgestellt werden kann.
Der Schalter S₅ wird für die Ladungspumpfunktion nicht benötigt, aber der Signalpfad durch D1, D3 und D2 muss ausgeschaltet werden und dies wird vorzugsweise mittels des Schalters S₅ erreicht. In einer anderen Ausführungsform kann der Schalter S₅ weggelassen werden, aber dann kann es einen Leistungsverbrauch geben, zum Beispiel kann die LED ein bisschen leuchten.
Der Strom durch eine LED ist empfindlich auf die Batteriespannung und eine durch Batterieentladungen verursachte Veränderung der Betriebsspannung kann die Farbe oder Intensität ändern, da eine Änderung der Betriebsspannung den Vorwärtsstrom ändert. Deswegen können vorzugsweise einige Mittel zum Bewältigen der veränderlichen Spannungen beinhaltet sein. Zum Beispiel könnten Strombegrenzer am Schalter S₄ und/oder Schalter S₁ (nicht dargestellt) hinzugefügt werden. Alternativ kann die Batteriespannung mit einer on-chip-Batteriemesseinheit gemessen werden und jegliche Spannungsveränderung könnte durch Anpassung der Pumpfrequenz des Oszillators kompensiert werden.
In 2 deuten die umrahmten Kreuze Pads (Anschlussflächen) eines Chips an, und, wie gezeigt, sind die Schalter vorzugsweise auf dem Chip platzierte interne Komponenten, während die Dioden und Kondensatoren außerhalb des Chips platziert werden. Die Größe der benötigten Kondensatoren ist im Allgemeinen zu groß für die Standard IC-Technologie (Integrated Circuit technology). Weiterhin sind die Spannungen an den Konten N1 und N2 typischerweise zu hoch für die IC-Technologie.
In 4 ist ein Blockdiagramm eines Simulationsmodells gezeigt, das zum Prüfen der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, in welchem die gleichen Bezugszeichen, die in 2 verwendet wurden, übereinstimmende Elemente bezeichnen. Eine einzelne LED wurde bei der Simulation verwendet.
5 ist ein Schaubild von Simulationsergebnissen, das beim Ausführen der Simulationen in Übereinstimmung mit dem Simulationsmodell von 4 erhalten wird. Die y-Achse bildet die Spannung zwischen den Knoten N1–N2 ab und die x-Achse bildet die Zeitskala ab. Die Ergebnisse zeigten, dass die Spannung über der LED D₃ ungefähr 4,1 V war, wenn eine 2 V Batteriequelle verwendet wurde.
Auf diese Art umfasst der Treiberschaltkreis gemäß der Erfindung eine Spannungsquelle, zwei Ladungspumpenanordnungen und Schaltmittel. Jede Ladungspumpenanordnung umfasst einen Gleichrichter, zum Beispiel eine Diode, die in Reihe mit einem Kondensator geschaltet ist, und die Ladungspumpenanordnungen sind mit der Spannungsquelle verbunden. Während einer ersten Phase werden die Kondensatoren angeordnet, um zu einem positiven Spannungspegel, der ungefähr gleich des Spannungspegels der Spannungsquelle ist, geladen zu werden. Die Schaltmittel werden bereitgestellt, um die Ladungspumpenanordnungen von der ersten Phase auf eine zweite Phase zu schalten, wodurch die Ladungspumpenanordnungen angeordnet werden, um während der zweiten Phase gleichzeitig geladen zu werden. Einer der Kondensatoren wird auf eine positive Spannung des ungefähr doppelten Spannungspegels, der durch die Spannungsquelle bereitgestellt wird, geladen und der Andere der Kondensatoren wird auf einen negativen Spannungspegel geladen, der eine Größe hat, die ungefähr gleich der Größe der Spannungsquelle ist. Dadurch wird eine Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren des ungefähr dreifachen Spannungspegels der Spannungsquelle bereitgestellt.
Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung einen verbesserten Treiberschaltkreis für Kleinleistungsanwendungen bereit. Gemäß der Erfindung wird die Ladung in beide Richtungen gleichzeitig gepumpt, das heißt +V_in und –V_in, und eine Spannung der dreifachen Batteriespannung kann erhalten werden. Der erfinderische Treiberschaltkreis benötigt sehr wenige Komponenten und der Preis und die Chipflächenanforderung kann niedrig gehalten werden, um einen kostengünstigsten und kleinen Treiberschaltkreis bereit zu stellen. Weiterhin überschreitet die Spannung, die an die verwendeten Schalter angelegt wird, niemals die Batteriespannung, und Schalterausfälle können deswegen vermieden werden.

Claims

Treiberschaltkreis (10) zum Leistungsversorgen eines elektronischen Gerätes, wobei der Treiberschaltkreis (10) eine Spannungsquelle (B₁, B₂) umfasst, von welcher ein erster Anschluss mit einem Referenzpotenzial an einem Knoten N0 verbunden und ein zweiter Anschluss mit einem Knoten N3 verbunden ist, der ein Potenzial des Wertes der Spannungsquelle hat, gekennzeichnet durch: – zwei Ladungspumpenanordnungen (11, 12), die beide einen Gleichrichter (D₁, D₂) umfassen, der in Reihe mit einem Kondensator (C₁, C₂) geschaltet ist, wobei die Ladungspumpenanordnung (11, 12) mit der Spannungsquelle (B₁, B₂) verbunden und die Kondensatoren (C₁, C₂) vorgesehen sind, während einer ersten Phase geladen zu werden, sodass ein Knoten N1, der zwischen Gleichrichter und Kondensator einer ersten der Ladungspumpenanordnungen (11, 12) liegt, ungefähr ein gleiches Potenzial wie Knoten N3 erhält, und ein Knoten N2, der zwischen dem Gleichrichter und Kondensator einer zweiten der Ladungspumpenanordnungen (11, 12) liegt, ungefähr das gleiche Potenzial wie Knoten N0 erhält, sodass die Spannung über den Kondensatoren (C₁, C₂) ungefähr gleich der Potenzialdifferenz zwischen Knoten N0 und N3 ist, und – Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄), um Ladungspumpenanordnungen (11, 12) von der ersten Phase auf eine zweite Phase zu schalten, wodurch die Ladungspumpenanordnungen (11, 12) eingerichtet werden, um während der zweiten. Phase gleichzeitig geladen zu werden, sodass das Potenzial am Knoten N1 ungefähr das doppelte Potenzial am Knotens N3 ist, und sodass Knoten N2 ein negatives Potenzial von ungefähr gleicher Größe wie das Potenzial am Knoten N3 hat, um dadurch eine Potenzialdifferenz zwischen den Knoten N1 und N2 von ungefähr der dreifachen Spannung zwischen den Knoten N0 und N3 bereit zu stellen.
Treiberschaltkreis (10) nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpenanordnungen (11, 12) zwischen den positiven und negativen Verbindungsenden der Spannungsquelle (B₁, B₂) geschaltet sind, die Schalter (S₁, S₂) eingerichtet sind, um eine Verbindung des Kondensators (C₁) der ersten Ladungspumpenanordnung (11) mit dem negativen Verbindungsende der Spannungsversorgung (B₁, B₂) und mit dem positiven Verbindungsende der Spannungsversorgung (B₁, B₂) zu ermöglichen, um den Kondensator (C₁) zu laden, wobei ein erster Schalter (S₁) zwischen das positive Verbindungsende der Spannungsquelle (B₁, B₂), einem dritten Schalter (S₃) und dem Kondensator (C₁) einer ersten Ladungspumpenanordnung (11) geschaltet ist; ein zweiter Schalter (S₂) zwischen dem Kondensator (C₁) der ersten Ladungspumpenanordnung (11), dem Kondensator (C₂) einer zweiten Ladungspumpenanordnung (12) und dem negativen Verbindungsende der Spannungsquelle (B₁, B₂) geschaltet ist; der dritte Schalter (S₃) zwischen das positive Verbindungsende der Spannungsquelle, dem Kondensator (C₁) der ersten Ladungspumpenanordnung (11) und dem Kondensator (C₂) der zweiten Ladungspumpenanordnung (12) geschaltet ist; ein vierter Schalter (S₄) zwischen den Kondensatoren der Ladungspumpenanordnungen (11, 12) und dem negativen Verbindungsende der Batterie geschaltet ist.
Treiberschaltkreis nach Anspruch 2, ferner umfassend einen fünften Schalter (S₅), der zwischen einem Gleichrichter (D₂) der zweiten Ladungspumpenanordnung (12) und den zweiten und vierten Schaltern (S₂, S₄) geschaltet ist.
Treiberschaltkreis (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Lastgerät (D₃), das mit einem Ende mit dem Knoten N1 und mit dem anderen Ende mit dem Knoten N2 verbunden ist, wobei die Knoten (N1, N2) die Knoten zwischen dem Gleichrichter (D₁, D₂) und dem Kondensator (C₁, C₂) einer jeden Ladungspumpenanordnung (11, 12) sind.
Treiberschaltkreis (10) nach Anspruch 4, wobei das elektronische Gerät eine Leuchtdiode (D₃) ist.
Treiberschaltkreis (10) nach Anspruch 5, wobei die Leuchtdiode (D₃) in Reihe mit einem Widerstand (R₁) geschaltet ist.
Treiberschaltkreis (10) nach einem der Ansprüche 4–6, wobei zwei oder mehr Leuchtdioden parallel zwischen den Knoten (N1, N2) geschaltet sind.
Treiberschaltkreis (10) nach einem der Ansprüche 4–7, wobei die eine oder mehrere Leuchtdioden mit einem jeweiligen Widerstand in Reihe geschaltet sind, wobei Unterschiede in den Schwellenspannungen der Leuchtdioden ausgeglichen werden.
Treiberschaltkreis (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungsquelle zwei Nickel-Metallhydrid-Zellen umfasst.
Treiberschaltkreis (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kondensatoren und die Gleichrichter außerhalb des Chips angeordnet sind, während die Schalter auf dem Chip angeordnet sind.
Verfahren zum Leistungsversorgen eines elektronischen Gerätes mittels eines Treiberschaltkreises (10), umfassend eine Spannungsquelle (B1, B2) mit einem ersten Anschluss, der mit einem Knoten N0 verbunden ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einem Knoten N3, der ein Potenzial des Wertes der Spannungsquelle hat, verbunden ist, gekennzeichnet durch die Schritte: – während einer ersten Phase Laden von zwei Ladungspumpenanordnungen, wobei jede einen Gleichrichter (D₁, D₂) umfasst, der in Reihe mit einem Kondensator (C₁, C₂) geschaltet ist, sodass ein Knoten N1, der zwischen dem Gleichrichter und dem Kondensator von einer der Ladungspumpenanordnungen liegt, ungefähr ein gleiches Potenzial wie der Knoten N3 erhält, und ein Knoten N2, der zwischen dem Gleichrichter und dem Kondensator von einer anderen der Ladungspumpenanordnungen liegt, ungefähr das gleiche Potenzial wie Knoten N0 erhält, sodass die Spannung über den Kondensatoren ungefähr gleich der Potenzialdifferenz zwischen Knoten N0 und N3 ist, wobei die Ladungspumpen anordnungen (11, 12) zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen der Spannungsquelle (B₁, B₂) verbunden sind, – Schalten durch Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) von der ersten Phase auf eine zweite Phase, und – während der zweiten Phase gleichzeitiges Laden der Ladungspumpenanordnungen (11, 12), sodass das Potenzial am Knoten N1 ungefähr dem doppelten Potenzial am Knoten N3 ist, und sodass Knoten N2 ein negatives Potenzial von ungefähr der gleichen Größe wie das Potenzial am Knoten N3 hat, um dadurch eine Potenzialdifferenz zwischen den Knoten N1 und N2 von ungefähr der dreifachen Spannung zwischen den Knoten N0 und N3 bereit zu stellen.
Treiberschaltkreis (10) für die Versorgung eines elektronischen Gerätes, wobei der Treiberschaltkreis (10) eine Spannungsquelle (B₁, B₂) mit einer Spannung V_bat umfasst, gekennzeichnet durch: – zwei Ladungspumpenanordnungen (11, 12), wobei jede einen Gleichrichter (D₁, D₂), der in Reihe mit einem Kondensator (C₁, C₂) geschaltet ist, umfasst, die Ladungspumpenanordnungen (11, 12) mit der Spannungsquelle (B₁, B₂) verbunden sind und die Kondensatoren (C₁, C₂) angeordnet sind, um in einer ersten Phase auf V_bat geladen zu werden, und – Schaltmittel (S₁, S₂, S₃, S₄) für das Schalten der Ladungspumpenanordnungen (11, 12) von der ersten Phase auf eine zweite Phase, wobei die Ladungspumpenanordnungen (11, 12) angeordnet sind, um während der zweiten Phase gleichzeitig geladen zu werden, einer der Kondensatoren (C₁) auf 2·V_bat und ein anderer der Kondensatoren (C₂) auf –V_bat, um dadurch eine Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren von ungefähr 3·V_bat bereit zu stellen.