DE19928309C2 - Gleichspannungswandler - Google Patents
GleichspannungswandlerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler,
der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet, mit einem ersten
Kondensator, dessen eine Elektrode über einen ersten MOS-FET
mit dem Eingang des Wandlers und über einen zweiten MOS-FET mit
Masse verbindbar ist und dessen andere Elektrode über einen
dritten MOS-FET mit dem Eingang des Wandlers und über einen
vierten MOS-FET mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist,
einem zweiten Kondensator, der zwischen den Ausgang des
Wandlers und Masse geschaltet ist, und einer Steuerschaltung
mit Oszillator, die mit den Gates der vier MOS-FETs verbunden
ist und bei aktiver Ladungspumpe dazu dient, in der Ladephase
der Ladungspumpe den zweiten und den dritten MOS-FET und in der
Entladephase der Ladungspumpe den ersten und den vierten MOS-
FET durchzuschalten.
Viele elektronische Schaltungen benötigen neben der
Versorgungsspannung weitere Spannungen, deren Pegel zum Teil
über dem der Versorgungsspannung liegt. Eine preiswerte,
einfache und insbesondere im Vergleich zu Spulenwandlern sehr
platzsparende Lösung zur Bereistellung dieser weiteren
Spannungen stellen Spannungswandler dar, die nach dem
Ladungspumpenprinzip arbeiten. Solche Wandler werden z. B. in
dem Lehrbuch "The Art of Electronics" von Paul Horowitz,
2. Auflage, Cambridge University Press, New York 1991 auf den
Seiten 377 bis 379 beschrieben.
Horowitz beschreibt auch einen einfachen nach dem
Ladungspumpenprinzip arbeitenden Gleichspannungswandler, mit
dem sich eine maximal ungefähr dem Zweifachen der
Eingangsspannung entsprechende Ausgangsspannung erzielen läßt.
Die Grundschaltung des Wandlers besteht im wesentlichen aus
einem Kondensator und vier steuerbaren Schaltern (z. B. MOS-
FETs), wobei eine Elektrode des Kondensators über einen ersten
Schalter mit dem Eingangsspannungsanschluß des Wandlers und
über einen zweiten Schalter mit Masse verbindbar ist, und die
andere Elektrode des Kondensators über den dritten Schalter mit
dem Eingangsspannungsanschluß und über den vierten Schalter mit
dem Ausgangsspannungsanschluß des Wandlers verbindbar ist. Der
Wandler umfaßt ferner eine Steuerschaltung mit Taktoszillator,
die die Schalter so ansteuert, daß in einer ersten Phase eines
Taktzyklusses, der sogenannten Ladephase, der zweite Schalter
und der dritte Schalter durchgeschaltet werden, während die
anderen Schalter gesperrt werden, so daß der Kondensator auf
die Eingangsspannung aufgeladen wird, und in einer zweiten
Phase eines Taktzyklusses, der sogenannten Entladephase, der
erste Schalter und der vierte Schalter durchgeschaltet werden,
während die anderen Schalter gesperrt werden, so daß nun der
aufgeladene Kondensator mit der Eingangsspannung in Serie
geschaltet ist, was an einem am Ausgang der Schaltung liegenden
Glättungskondensator einen Spannungswert ergibt, der ungefähr
dem Zweifachen der Eingangsspannung entspricht. In der Praxis
wird der Wandler durch einen Regelungsmechanismus je nach den
Erfordernissen der konkreten Anwendung auf eine fest
vorgegebene Ausgangsspannung geregelt sein, die zwischen der
Eingangsspannung und dem Zweifachen der Eingangsspannung liegt.
In dem US-Patent 5,581,455 und in der europäischen Patent
anmeldung 0 257 810 A2 sind nach dem Ladungspumpenprinzip
arbeitende Gleichspannungswandler beschrieben, die einen
ersten Kondensator, dessen eine Elektrode über einen ersten
steuerbaren Schalter mit dem Eingang des Wandlers und über
einen zweiten steuerbaren Schalter mit Masse verbindbar ist
und dessen andere Elektrode über einen dritten steuerbaren
Schalter mit dem Eingang des Wandlers und über einen vierten
steuerbaren Schalter mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar
ist, einen zweiten Kondensator, der zwischen den Ausgang des
Wandlers und Masse geschaltet ist, und eine Steuerschaltung
mit Oszillator umfassen, die mit den Steueranschlüssen der
vier Schalter verbunden ist und bei aktiver Ladungspumpe
dazu dient, in der Ladephase der Ladungspumpe den zweiten
und den dritten steuerbaren Schalter und in der Entladephase
der Ladungspumpe den ersten und den vierten steuerbaren
Schalter durchzuschalten.
Aus dem US-Patent 5,767,736 ist es bei Ladungspumpen be
kannt, durch die Verbindung der Gates von MOS-FETs über
steuerbare Schalter mit Stromquellen Stromspiegelanordnungen
zu schaffen und so den Ladungspumpenstrom steuerbar zu
machen.
Da die nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitenden
Gleichspannungswandler häufig als integrierte Schaltung in
kleinen portablen Geräten, z. B. Mobilfunktelefonen,
untergebracht werden müssen, welche von einer Batterie oder
einem Akku gespeist werden, ist man für diese Anwendungen
bestrebt, die Wandler erstens so klein wie möglich, d. h. unter
minimalem Verbrauch von Schaltungsfläche, herzustellen und
zweitens den Energieverbrauch der Wandler so gering wie möglich
zu halten, um die Batterie oder den Akku zu schonen.
Ein grundsätzliches Problem bereitet in diesem Zusammenhang die
Startphase der Gleichspannungswandler, da die Wandler hier
einen besonders starken Strom aus der am Eingang des Wandlers
liegenden Stromquelle ziehen, um sowohl den noch leeren
Kondensator der Ladungspumpe als auch den noch leeren
Glättungskondensator am Ausgang des Wandlers aufzuladen. Bei
dem von Horowitz beschriebenen Wandler wird dabei z. B. der
Startstrom nur durch die Eingangsspannung und den ON-Widerstand
der MOS-FET-Schalter begrenzt. Da somit die gesamte
Eingangsspannung an den Schalttransistoren anliegt, ergibt sich
ein starker Spitzenstrom, der dann, wenn die Eingangsspannung
von einer Batterie geliefert wird, diese erheblich belastet.
Zudem sind die auftretenden ohmschen Verluste hier
beträchtlich.
Entsprechende Verhältnisse treten auch dann auf, wenn der
Wandler an seinem Ausgang kurzgeschlossen wird, d. h., wenn der
Ausgangsanschluß des Wandlers mit Masse verbunden wird. Auch
hier liegt die gesamte Eingangsspannung an den
Schalttransistoren.
Die Firma Maxim Integrated Products beschreibt in einem unter
der Adresse http:/ / www.maxim-ic.com im Mai 1999 verfügbaren
Produktkatalog einen dem oben beschriebenen
Gleichspannungwandler entsprechenden und die Produktbezeichnung
MAX679 tragenden Wandler, der darüber hinaus eine besondere
Schaltung für die Startphase und den Kurzschlußfall des
Wandlers beinhaltet, die dazu dient, den Strom während der
Startphase und im Fall des Kurzschlusses am Ausgang des
Wandlers zu vermindern.
Die dargestellte Schaltung umfaßt dabei als wesentliches
Element einen Timer, mit dessen Hilfe eine Startzeit definiert
wird. Bis zum Ablauf der Startzeit wird der Strom zum Aufladen
des Ladungspumpenkondensators über einen separaten Schalter
geleitet, dessen Fläche 1/10 der Fläche eines der vier
Schalttransistoren der Ladungspumpe entspricht. In der Praxis
wird, da die Schaltungen in integrierter Form ausgeführt
werden, kein zusätzlicher Schalter eingebaut, sondern es werden
während der Startphase einfach nur 10% der Fläche des
entsprechenden Schalttransistors verwendet. Um den
Ausgangskondensator aufzuladen, wird ein zusätzlicher MOS-FET-
Schalter, der in dem Dokument mit P4 bezeichnet ist, verwendet.
Dieser zusätzliche MOS-FET verbindet in der Startphase den
Eingang des Wandlers mit dem Ausgang des Wandlers, an dem der
Ausgangskondensator liegt.
Diese Schaltung für die Startphase und den Kurzschlußfall des
Gleichspannungswandlers hat jedoch den Nachteil, daß sie
relativ aufwendig ist und eine relativ große Schaltungsfläche
in Anspruch nimmt. Sie benötigt einen Timer und einen
zusätzlichen "großen" MOS-FET, der ein beträchtliches Ausmaß an
Schaltungsfläche einnimmt, da über ihn in der Startphase des
Wandlers der Strom zum Aufladen des am Ausgang der Schaltung
liegenden Kondensators fließen muß. Außerdem können mit diesem
Aufbau weder der Startstrom noch der Kurzschlußstrom besonders
gut kontrolliert werden, da sie nur durch den ON-Widerstand des
zusätzlichen MOS-FETs bestimmt sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Gleichspannungswandler der eingangs beschriebenen Art zu
schaffen, der eine Schaltung für die Startphase und den
Kurzschlußfall besitzt, die so aufgebaut ist, daß die oben
genannten Nachteile überwunden werden.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen eingangs
genannten Gleichspannungwandler erfüllt, der durch einen
fünften MOS-FET, dessen Drain mit dem Eingang des Wandlers
verbunden ist, wobei seine Source über eine Stromquelle mit
Masse und sein Gate mit der Source verbunden ist sowie über
einen ersten steuerbaren Schalter mit dem Gate des dritten MOS-
FETs verbindbar ist, einen mit dem Gate des zweiten MOS-FETs
verbundenen zweiten steuerbaren Schalter und einen mit dem Gate
des vierten MOS-FETs verbundenen dritten steuerbaren Schalter
und einen Komparator gekennzeichnet ist, dessen einer Eingang
mit dem Ausgang des Wandlers und dessen anderer Eingang mit
einer Referenzspannung verbunden ist, wobei der Komparator
dann, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die
Referenzspannung ist, ein erstes Steuersignal zu den
steuerbaren Schaltern und zur Steuerschaltung abgibt, durch das
der erste steuerbare Schalter durchgeschaltet wird, der zweite
und dritte steuerbare Schalter so betätigt werden, daß der
zweite MOS-FET und der vierte MOS-FET durchgeschaltet werden
und die Ladungspumpe deaktiviert wird und dann, wenn die
Ausgangsspannung größer als die Referenzspannung ist, ein
zweites Steuersignal zu den steuerbaren Schaltern und zur
Steuerschaltung abgibt, durch das der erste steuerbare Schalter
gesperrt wird, der zweite und dritte steuerbare Schalter so
betätigt werden, daß der zweite MOS-FET und der vierte MOS-FET
gesperrt werden und die Ladungspumpe aktiviert wird.
Die erfindungsgemäße Lösung kommt ohne zusätzlichen "großen"
Schalttransistor aus, da bei ihr der in der Startphase
fließende Strom zum Aufladen der beiden Kondensatoren
ausschließlich über die bereits vorhandenen MOS-FETs (zweiter,
dritter und vierter MOS-FET) der Ladungspumpe fließt. Sie
benötigt daher weniger Schaltungsfläche als die oben
beschriebene bisherige Lösung. Dabei fallen die zusätzlichen
steuerbaren Schalter sowie der fünfte MOS-FET flächenmäßig
nicht ins Gewicht, da sie sich in integrierter Form wesentlich
kleiner als die den Ladungsstrom führenden MOS-FETs ausführen
lassen. So beträgt z. B. die Fläche des fünften MOS-FETs bei
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandlers nur 1/1000 der Fläche des dritten MOS-
FETs. Außerdem läßt sich bei dem erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandler der Strom sowohl in der Startphase als
auch im Kurzschlußfall genau einstellen, was mittels eines
schaltbaren Stromspiegels bewirkt wird, der von dem dritten und
dem fünften MOS-FET gebildet wird, wenn der erste steuerbare
Schalter durch das Komparatorsteuersignal die Gates des dritten
und fünften MOS-FETs miteinander verbindet. Ein aufwendiger
Timer ist bei der erfindungsgemäßen Lösung überflüssig, da ein
einfacher Komparator die Umschaltung zwischen der Startphase
und dem normalem Ladungspumpenbetrieb übernimmt.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandlers ist ein sechster MOS-FET vorgesehen,
dessen Drain mit der Source des fünften MOS-FETs verbunden ist,
wobei seine Source über einen Widerstand mit Masse und sein
Gate mit dem Ausgang des Wandlers verbunden ist. Hierdurch läßt
sich ein sanftes Ansteigen des Startstromes realisieren, da der
Strom zunächst durch den gespiegelten Strom der mit dem fünften
MOS-FET verbundenen Stromquelle bestimmt wird, wobei er sich
dann allmählich um das gespiegelte Äquivalent des Stroms
erhöht, der durch den sechsten MOS-FET fließt. Eine die
Eingangsspannung liefernde Batterie wird so weniger belastet.
Im Kurzschlußfall nimmt bei dieser Ausführungsform der Strom
mit abnehmender Ausgangsspannung ab, so daß sich ein besonderer
Kurzschlußschutz ergibt, der auch als "Foldback"-Effekt
bezeichnet wird.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers werden die
Gatetreiber des ersten MOS-FETs und des zweiten MOS-FETs von
der Ausgangsspannung des Wandlers gespeist. Hierdurch erfolgt
im Falle des Kurzschlusses ein noch schnelleres Abschalten der
Ladungspumpe.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhalber
erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandlers;
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandlers;
Fig. 3 einen Graphen, der den in der Startphase bei einem
gemäß der Fig. 2 aufgebauten Gleichspannungswandler
auftretenden Strom in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des
Wandlers darstellt.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ist vorzugsweise in
integrierter Form ausgebildet und besitzt gemäß Fig. 1
einen ersten Kondensator C1, dessen eine Elektrode über einen
ersten MOS-FET M1 mit dem Eingang 1 des Wandlers, an dem eine
Eingangsgleichspannung Vcc anliegt, und über einen zweiten MOS-
FET M2 mit Masse verbindbar ist und dessen andere Elektrode
über einen dritten MOS-FET M3 mit dem Eingang des Wandlers 1
und über einen vierten MOS-FET M4 mit dem Ausgang 2 des
Wandlers verbindbar ist. Der erste MOS-FET M1 und der zweite
MOS-FET M2 sind vom N-Kanal-Typ, während der dritte MOS-FET M3
und der vierte MOS-FET M4 vom P-Kanal-Typ sind.
Zwischen dem Ausgang 2 der Schaltung und Masse liegt ein
zweiter Kondensator C2, der der Glättung und Ladungsspeicherung
dient.
Eine Steuerschaltung 3 mit Oszillator ist mit der Gates der
vier MOS-FETS über nicht dargestellte Treiberschaltungen
verbunden, was in der Fig. 1 durch die auf die Gates von M1-M4
zulaufenden Pfeile und die von dem Steuerschaltungssymbol 3
abgehenden vier Pfeile dargestellt ist. Die Steuerschaltung 3
steuert die vier MOS-FETs während des Ladungspumpenbetriebs.
Sie schaltet in der Ladephase des Wandlers den zweiten MOS-FET
M2 und den dritten MOS-FET M3 durch und sperrt den ersten MOS-
FET M1 und den vierten MOS-FET M4, so daß der Kondensator C1
auf die Eingangsspannung Vcc aufgeladen wird. In der Ladephase
des Wandlers werden der erste MOS-FET M1 und der vierte MOS-FET
M4 durchgeschaltet und der zweite MOS-FET M2 und der dritte
MOS-FET M3 gesperrt, so daß die Eingangsspannung Vcc mit dem
Kondensator in Reihe geschaltet wird. Dadurch läßt sich der
zweite Kondensator C2 am Ausgang der Schaltung auf eine
Spannung aufladen, die maximal ungefähr dem Doppelten der
Eingangsspannung Vcc entspricht. Der dargestellte
Gleichspannungswandler soll einen (nicht dargestellten) Regler
umfassen, der die Ausgangsspannung auf einen für eine
gewünschte Anwendung passenden Sollwert regelt, der zwischen
der Eingangsspannung und dem Doppelten der Eingangsspannung
liegt. Ein solcher Regler ist z. B. in der Patentschrift US 5 680 300
beschrieben.
Während des Ladungspumpenbetriebs schaltet der Oszillator der
Steuerschaltung 3 die vier MOS-FETs laufend zwischen der
Ladephase und der Entladephase um.
Die weiteren Elemente der Schaltung sind für den Fall des
Startens oder des Kurzschlusses des Gleichspannungswandlers
vorgesehen.
So ist ein fünfter MOS-FET M5 vom P-Kanal-Typ vorgesehen,
dessen Drain mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist. Die
Source des fünften MOS-FETs M5 ist über eine auf einen
bestimmten Strom eingestellte Stromquelle 4 mit Masse
verbunden. Die Stromquelle läßt sich z. B. durch einen MOS-FET
oder einen Stromspiegel in bekannter Weise realisieren. Das
Gate des fünften MOS-FETs M5 ist mit der Source verbunden und
läßt sich über einen ersten steuerbaren Schalter S1 mit dem
Gate des dritten MOS-FETs M3 verbinden. In diesem Fall bilden
M5 und M3 einen Stromspiegel, wobei der durch den dritten MOS-
FET fließende Strom durch die Stromquelle 4 und das
Flächenverhältnis der beiden Transistoren bestimmt wird. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Fläche des
fünften MOS-FETs M5 nur 1/1000 der Fläche des MCS-FETs M3.
Ein zweiter steuerbarer Schalter S2 ist zwischen den Gate-
Anschluß des vierten MOS-FETs M4 und Masse geschaltet und ein
dritter steuerbarer Schalter S3 ist zwischen die
Eingangsspannung Vcc und den Gate-Anschluß des zweiten MOS-FETs
M2 geschaltet. Die steuerbaren Schalter S1, S2 und S3 können
ebenfalls aus MOS-FETs bestehen, die allerdings im Vergleich zu
den vier MOS-FETs M1-M4 der Ladungspumpe nur sehr wenig
Schaltungsfläche beanspruchen.
Es ist ein weiterer steuerbarer Schalter SS vorgesehen, der
dazu dient, den Substratanschluß des dritten MOS-FETs M3
zwischen der Eingangsspannung Vcc und dem Source-Anschluß des
dritten MOS-FETs M3 umzuschalten.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler umfaßt darüber
hinaus einen Komparator 5, an dessen einem Eingang eine
Referenzspannung Vref liegt, die so gewählt ist, daß sie um
einen bestimmten Betrag unter der Eingangsspannung Vcc des
Gleichspannungswandlers liegt. Vref kann z. B. 0.85 . Vcc
betragen. Am anderen Eingang des Komparators 5 liegt die
Ausgangsspannung Vaus des Wandlers. Der Ausgang des Komparators
ist mit der Steuerschaltung 3 und sämtlichen steuerbarem
Schaltern S1, S2, S3 und SS verbunden.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des in der Fig. 1
dargestellten Gleichspannungswandlers insbesondere unter
Berücksichtigung der Startphase des Wandlers erläutert.
Der Gleichspannungswandler der Fig. 1 läßt sich in zwei Phasen
betreiben, einer Startphase, während der die beiden
Kondensatoren C1, C2 aufgeladen werden, und einer
Ladungspumpphase, während der der Wandler in dem oben
beschriebenen normalen Ladungspumpbetrieb arbeitet.
Die Umschaltung zwischen den beiden Phasen übernimmt der
Komparator 5, der die Ausgangsspannung Vaus überwacht. Gilt
Vaus < Vref, so befindet sich der Wandler in der Startphase.
Jetzt gibt der Komparator 5 ein erstes Steuersignal, in dem
gewählten Ausführungsbeispiel ein Signal mit L-Pegel, ab, das
der Steuerschaltung 3 und den (nicht dargestellten)
Steueranschlüssen der vier steuerbaren Schalter S1, S2, S3 und
SS zugeführt wird.
Die Steuerschaltung 3 deaktiviert beim Empfang des ersten
Steuersignals die Ladungspumpe.
Die drei steuerbaren Schalter S1, S2 und S3 werden beim Empfang
des einen L-Pegel aufweisenden ersten Steuersignals
durchgeschaltet.
So werden mittels des zweiten steuerbaren Schalters S1 die
Gate-Anschlüsse des dritten MOS-FETs M3 und des fünften MOS-
FETs M5 miteinander verbunden, so daß M3 und M5 einen
Stromspiegel bilden. Bei einem Stromspiegel entsprechen die
durch die MOS-FETs des Stromspiegels fließenden Ströme in ihrem
Verhältnis zueinander dem Flächenverhältnis der beiden MOS-
FETs, so daß der durch den fünften MOS-FET M5 fließende Strom
hier 1/1000 des Stroms beträgt, der durch den dritten MOS-FET
M3 fließt.
Der gewünschte Startstrom wird dabei über die Stromquelle 4
eingestellt, die einen Strom Istart liefert. Dieser durch den
fünften MOS-FET M5 fließende Strom wird um den Faktor 1000 auf
den dritten MOS-FET M3 gespiegelt.
Durch das Durchschalten des zweiten steuerbaren Schalters S2
wird der vierte MOS-FET durchgeschaltet, so daß ein
durchgehender Strompfad "Wandlereingang 1 (Vcc), M3, M4, C2,
Masse" für das Laden des zweiten Kondensators C2 gebildet wird,
und durch das Durchschalten des dritten steuerbaren Schalters
S3 wird der fünfte MOS-FET M5 durchgeschaltet, so daß auch ein
durchgehender Strompfad "Wandlereingang 1 (Vcc), M3, C1, M2,
Masse für das Laden des ersten Kondensators C1 gebildet wird.
Da sowohl der erste Kondensator C1 als auch der zweite
Kondensator C2 über den über den dritten MOS-FET M3 aufgeladen
werden, wobei sich der Aufladungsstrom zwischen den beiden
Kondensatoren aufteilt, kann durch den Stromspiegel M3, M5 in
Verbindung mit der Stromquelle 4 der Aufladungsstrom in der
Startphase in beiden Stromzweigen genau auf ein gewünschtes
Niveau eingestellt werden.
Durch das vom Komparator 5 gelieferte Steuersignal wird auch
der vierte steuerbare Schalter SS betätigt, der dann, wenn das
Komparatorsignal L-Pegel aufweist, den Substratanschluß des
dritten MOS-FETs M3 mit der Eingangsspannung Vcc des
Gleichspannungswandlers verbindet. Hierdurch wird
sichergestellt, daß die zwischen Drain und Source dieses
Transistors gebildete Diode während des Aufladens der
Kondensatoren in Sperrichtung liegt.
Am Ende der Startphase sind die beiden Kondensatoren C1 und C2
jeweils auf eine Spannung von ungefähr 0,85 . Vcc aufgeladen
worden.
Gilt nun Vaus < Vref = 0,85 . Vcc, so gibt der Komparator ein
zweites Steuersignal ab, das im gewählten Beispiel ein Signal
mit H-Pegel ist und den Wandler von der Startphase in die
Ladungspumpphase umschaltet. Durch das Steuersignal werden die
steuerbaren Schalter S1, S2 und S3 geöffnet, so daß der vorher
aus M3 und M5 gebildete Stromspiegel abgeschaltet wird und der
zweite MOS-FET M2 und der vierte MOS-FET M4 der Steuerung durch
die Steuerschaltung 3 überlassen werden. Die Steuerschaltung 3
aktiviert beim Empfang des zweiten Steuersignals mit H-Pegel
die Ladungspumpe, so daß nun - wie bereits oben beschrieben -
abwechselnd M2, M3 und M1, M4 durchgeschaltet werden.
Durch das zweite Steuersignal wird der vierte steuerbare
Schalter SS mit dem Source-Anschluß des dritten MOS-FETs M3
verbunden. Das ist erforderlich, da nun die am Schaltungspunkt
6 auftretende Spannung beim Ladungspumpenbetrieb in der
Ladephase über der Eingangsspannung Vcc liegt, wobei sie
maximal ca. 2 Vcc betragen kann. Aufgrund der umgekehrten
Spannungsverhältnisse muß die zwischen Drain-Source des dritten
MOS-FETs M3 gebildete Diode nun im Vergleich zur Startphase in
umgekehrter Richtung gepolt werden, damit ein störender
Stromfluß über das Substrat des dritten MOS-FETs M3 vermieden
wird.
Wird der Gleichspannungswandler an seinem Ausgang
kurzgeschlossen, so sinkt am Ausgang 2 die Spannung Vaus unter
die Referenzspannung Vref, so daß der Wandler wieder in die
Startphase geschaltet wird, weshalb für den weiteren Ablauf auf
die obigen Erläuterungen Bezug genommen werden kann.
In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers dargestellt. Da der
Wandler gemäß dieser Ausführungsform im Prinzip wie der oben
beschriebene Wandler gemäß Fig. 1 funktioniert, werden nur die
Unterschiede zu dem in der Fig. 1 dargestellten Wandler
erläutert werden.
Bei dieser Ausführungsform ist ein sechster MOS-FET M6 vom
N-Kanal-Typ vorgesehen, dessen Drain mit der Source des fünften
MOS-FETs M5 verbunden ist, wobei seine Source über einen
Widerstand R mit Masse und sein Gate mit dem Ausgang 2 des
Wandlers verbunden ist.
Da der sechste MOS-FET M6 parallel zur Stromquelle 4 geschaltet
ist, bringt er in der Startphase einen Zusatzstrom I(M6) ein,
der wiederum zusammen mit Istart über den MOS-FET M5 auf den
dritten MOS-FET M3 gespiegelt wird. Da der Gate-Anschluß des
sechsten MOS-FETs M6 mit der Ausgangsspannung Vaus verbunden
ist, wird der Zusatzstrom mit zunehmender Ausgangsspannung
gemäß der Formel
I(M6) = (Vaus - Vschw)/R
zunehmen, wobei Vschw die Schwellenspannung des sechsten MOS-
FETs M6 ist.
Wie die sich dadurch in der Startphase ergebende Abhängigkeit
zwischen dem Kondensatorladestrom I und der Ausgangsspannung
Vaus beispielsweise aussehen kann, ist in der Fig. 3 zu
erkennen. Zu Beginn der Startphase wird der Aufladungsstrom I
allein durch die einen vorherbestimmten konstanten Strom Istart
liefernde Stromquelle 4 bestimmt. In dem gewählten Beispiel
beträgt dieser Strom 10 mA. Wird nun der zweite Kondensator C2
am Ausgang des Wandlers allmählich aufgeladen, so steigt die
Ausgangsspannung Vaus an, die wiederum über das Gate des
sechsten MOS-FETs M6 den durch diesen fließenden Zusatzstrom
I(M6) erhöht. Dadurch erhöht sich über den Stromspiegel M3, M5
auch der Strom zum Aufladen der Kondensatoren C1 und C2, der -
wie in der Fig. 3 zu erkennen ist - allmählich auf seinen
Endwert von 50 mA ansteigt.
Durch das sanfte Ansteigen des Startstroms wird eine die
Eingangsspannung Vcc liefernde Batterie geringer belastet als
bei abrupt einsetzendem Strom. Zudem treten bei einem sanft
ansteigendem Startstrom im Vergleich zu einem abrupt
ansteigenden Startstrom weniger elektromagnetische Störungen
(EMI) auf.
Im Kurzschlußfall nimmt bei dieser Ausführungsform der Strom
mit abnehmender Ausgangsspannung ab, so daß sich ein besonderer
Kurzschlußschutz ergibt, bei dem die sonst beim Kurzschluß
auftretende starke Zunahme der Verlustleistung deutlich nicht
auftritt. Dieser Effekt ist auch als "Foldback"-Effekt
(Zurückklappen der Ausgangsspannungs-Strom-Kennlinie bei
sinkender Ausgangsspannung) bekannt. Er kann in seinem Ausmaß
durch geeignete Wahl des Widerstands R eingestellt werden. Der
"Foldback"-Effekt ist z. B. in Tietze/Schenk
"Halbleiterschaltungstechnik", 11. Aufl., Springer-Verlag
Berlin Heidelberg 1999 auf der Seite 963 erläutert.
Bei der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers werden darüber hinaus
zwei der Gatetreiber, nämlich die Gatetreiber 7 und 8 des
ersten MOS-FETs 1 bzw. des zweiten MOS-FETs 2 von der
Ausgangsspannung Vaus gespeist. Das hat den Vorteil, daß
dadurch im Falle eins Kurzschlusses am Ausgang des Wandlers die
Ladungspumpe sofort abgeschaltet wird, da jeweils ein MOS-FET
des Ladepfades und ein MOS-FET des Entladepfades der
Ladungspumpe abgeschaltet wird. Das oben in Verbindung mit der
Fig. 2 beschriebene Abschalten der Ladungspumpe durch die
Steuerschaltung 3 über das an die Steuerschaltung 3 abgegebene
Steuersignal des Komparators 5 erfolgt nämlich nur mit einer
gewissen Laufzeitverzögerung von einigen Mikrosekunden. Durch
die schnellere Abschaltung der Ladungspumpe kann die sich durch
den während des Kurzschlusses sonst kurzfristig weiterhin
erfolgenden Betrieb der Ladungspumpe ergebende Verlustleistung
verringert werden.
Schließlich zeigt die in der Fig. 2 dargestellte
Ausführungsform noch eine spezielle Ausführung des vierten
steuerbaren Schalters SS. Hier umfaßt der vierte Schalter einen
ersten P-Kanal-MOS-FET M7 und einen zweiten P-Kanal-MOS-FET M8
umfaßt, deren Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind,
wobei der Drain-Anschluß des ersten P-Kanal-MOS-FETs M7 mit dem
Eingang 1 des Wandlers und der Drain-Anschluß des zweiten P-
Kanal-MOS-FETs M8 mit der Source des dritten MOS-FETs M3
verbunden ist, der Ausgang des Komparators 5 mit dem Gate des
zweiten P-Kanal-MOS-FETs M8 und über einen Inverter 9 mit dem
Gate des ersten P-Kanal-MOS-FETs M7 verbunden ist und der
Substratanschluß des dritten MOS-FETs M3 mit den Source-
Anschlüssen sowie den Substrat-Anschlüssen der beiden P-Kanal-
MOS-FETs M7, M8 verbunden ist.
Gibt der Komparator 5 ein Signal mit L-Pegel ab, so empfängt
der erste P-Kanal-MOS-FET M7 an seinem Gate über den Inverter 9
ein Signal mit H-Pegel, so daß M7 durchgeschaltet wird, während
der zweite P-Kanal-MOS-FET M8 ein Signal mit L-Pegel empfängt,
so daß er gesperrt bleibt. Dadurch wird der Substratanschluß
des dritten MOS-FETs M3 mit der Eingangsspannung Vcc verbunden.
Gibt der Komparator 4 nun ein Signal mit H-Pegel ab, so
empfängt der erste P-Kanal-MOS-FET M7 an seinem Gate über den
Inverter 9 ein Signal mit L-Pegel, so daß M7 gesperrt wird,
während der zweite P-Kanal-MOS-FET M8 durchgeschaltet wird.
Dadurch wird der Substratanschluß des dritten MOS-FETs M3 mit
dem Sourceanschluß des dritten MOS-FETs M3 verbunden.
Insgesamt ist noch einmal hervorzuheben, daß der
erfindungsgemäße Wandler im Vergleich zu bisherigen Lösungen
einfacher aufgebaut ist und mit weniger Schaltungsfläche
auskommt, da die vier bereits in der Ladungspumpe vorhandenen
MOS-FETs (M1-M4) gleichzeitig die Aufgabe übernehmen, den
Aufladungsstrom in der Startphase zu leiten. Sämtliche darüber
hinaus bei dem erfindungsgemäßen Wandler vorgesehenen Schalter
beanspruchen jedoch im Vergleich zu diesen MOS-FETs nur eine zu
vernachlässigende zusätzliche Schaltungsfläche.
Claims (11)
1. Gleichspannungswandler, der nach dem Ladungspumpenprinzip
arbeitet, mit
einem ersten Kondensator (C1), dessen eine Elektrode über einen ersten MOS-FET (M1) mit dem Eingang des Wandlers und über einen zweiten MOS-FET (M2) mit Masse verbindbar ist und dessen andere Elektrode über einen dritten MOS-FET (M3) mit dem Eingang des Wandlers und über einen vierten MOS-FET (M4) mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist,
einem zweiten Kondensator (C2), der zwischen den Ausgang (2) des Wandlers und Masse geschaltet ist, und
einer Steuerschaltung (3) mit Oszillator, die mit den Gates der vier MOS-FETs (M1, M2, M3, M4) verbunden ist und bei aktiver Ladungspumpe dazu dient, in der Ladephase der Ladungspumpe den zweiten und den dritten MOS-FET (M2, M3) und in der Entladephase der Ladungspumpe den ersten und den vierten MOS-FET (M1, M4) durchzuschalten,
gekennzeichnet durch
einen fünften MOS-FET (M5), dessen Drain mit dem Eingang (1) des Wandlers verbunden ist, wobei seine Source über eine Stromquelle (4) mit Masse und sein Gate mit der Source verbunden ist sowie über einen ersten steuerbaren Schalter (S1) mit dem Gate des dritten MOS-FETs (M3) verbindbar ist,
einen mit dem Gate des zweiten MOS-FETs (M2) verbundenen zweiten steuerbaren Schalter (S3) und einen mit dem Gate des vierten MOS-FETs verbundenen dritten steuerbaren Schalter (S2) und
einen Komparator (5), dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Wandlers und dessen anderer Eingang mit einer Referenzspannung verbunden ist,
wobei der Komparator (5) dann, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die Referenzspannung ist, ein erstes Steuersignal zu den steuerbaren Schaltern (S1, S3, S2) und zur Steuerschaltung (3) abgibt, durch das der erste steuerbare Schalter (S1) durchgeschaltet wird, der zweite und dritte steuerbare Schalter (S3, S2) so betätigt werden, daß der zweite MOS-FET (M2) und der vierte MOS-FET (M4) durchgeschaltet werden und die Ladungspumpe deaktiviert wird und dann, wenn die Ausgangsspannung größer als die Referenzspannung ist, ein zweites Steuersignal zu den steuerbaren Schaltern (S1, S3, S2) und zur Steuerschaltung (3) abgibt, durch das der erste steuerbare Schalter (S1) gesperrt wird, der zweite und dritte steuerbare Schalter (S3, S2) so betätigt werden, daß der zweite MOS-FET (M2) und der vierte MOS-FET (M4) gesperrt werden und die Ladungspumpe aktiviert wird.
einem ersten Kondensator (C1), dessen eine Elektrode über einen ersten MOS-FET (M1) mit dem Eingang des Wandlers und über einen zweiten MOS-FET (M2) mit Masse verbindbar ist und dessen andere Elektrode über einen dritten MOS-FET (M3) mit dem Eingang des Wandlers und über einen vierten MOS-FET (M4) mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist,
einem zweiten Kondensator (C2), der zwischen den Ausgang (2) des Wandlers und Masse geschaltet ist, und
einer Steuerschaltung (3) mit Oszillator, die mit den Gates der vier MOS-FETs (M1, M2, M3, M4) verbunden ist und bei aktiver Ladungspumpe dazu dient, in der Ladephase der Ladungspumpe den zweiten und den dritten MOS-FET (M2, M3) und in der Entladephase der Ladungspumpe den ersten und den vierten MOS-FET (M1, M4) durchzuschalten,
gekennzeichnet durch
einen fünften MOS-FET (M5), dessen Drain mit dem Eingang (1) des Wandlers verbunden ist, wobei seine Source über eine Stromquelle (4) mit Masse und sein Gate mit der Source verbunden ist sowie über einen ersten steuerbaren Schalter (S1) mit dem Gate des dritten MOS-FETs (M3) verbindbar ist,
einen mit dem Gate des zweiten MOS-FETs (M2) verbundenen zweiten steuerbaren Schalter (S3) und einen mit dem Gate des vierten MOS-FETs verbundenen dritten steuerbaren Schalter (S2) und
einen Komparator (5), dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Wandlers und dessen anderer Eingang mit einer Referenzspannung verbunden ist,
wobei der Komparator (5) dann, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die Referenzspannung ist, ein erstes Steuersignal zu den steuerbaren Schaltern (S1, S3, S2) und zur Steuerschaltung (3) abgibt, durch das der erste steuerbare Schalter (S1) durchgeschaltet wird, der zweite und dritte steuerbare Schalter (S3, S2) so betätigt werden, daß der zweite MOS-FET (M2) und der vierte MOS-FET (M4) durchgeschaltet werden und die Ladungspumpe deaktiviert wird und dann, wenn die Ausgangsspannung größer als die Referenzspannung ist, ein zweites Steuersignal zu den steuerbaren Schaltern (S1, S3, S2) und zur Steuerschaltung (3) abgibt, durch das der erste steuerbare Schalter (S1) gesperrt wird, der zweite und dritte steuerbare Schalter (S3, S2) so betätigt werden, daß der zweite MOS-FET (M2) und der vierte MOS-FET (M4) gesperrt werden und die Ladungspumpe aktiviert wird.
2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, der darüber hinaus
einen sechsten MOS-FET (M6) umfaßt, dessen Drain mit der
Source des fünften MOS-FETs (M5) verbunden ist, wobei seine
Source über einen Widerstand mit Masse und sein Gate mit dem
Ausgang (2) des Wandlers verbunden ist.
3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei
dem der erste MOS-FET (M1) und der zweite MOS-FET (M2)
Gatetreiber (7, 8) aufweisen, die von der Ausgangsspannung des
Wandlers gespeist werden.
4. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, der in integrierter Form hergestellt ist.
5. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem alle MOS-FETs MOS-FETs vom Verarmungstyp
sind, wobei der erste MOS-FET (M1), der zweite MOS-FET (M2)
und der sechste MOS-FET (M6) N-Kanal-MOS-FETs sind, während
die übrigen MOS-FETs (M3, M4, M5) P-Kanal-MOS-FETs sind, und
bei dem der zweite steuerbare Schalter (S3) zwischen dem Gate
des vierten MOS-FETs (M4) und Masse liegt und der dritte
steuerbare Schalter (S2) zwischen dem Gate des zweiten MOS-
FETs (M2) und der Eingangsspannung des Wandlers liegt.
6. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, der einen vierten
durch den Komparator steuerbaren Schalter (SS) umfaßt, der den
Substratanschluß des dritten MOS-FETs (M3) mit dem Eingang des
Wandlers verbindet, wenn der Komparator (5) das erste
Steuersignal abgibt, und den Substratanschluß des dritten MOS-
FETs (M3) mit der Source des dritten MOS-FETs (M3) verbindet,
wenn der Komparator (5) das zweite Steuersignal abgibt.
7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 6, bei dem der vierte
Schalter (SS) einen ersten P-Kanal-MOS-FET und einen zweiten
P-Kanal-MOS-FET umfaßt, deren Source-Anschlüsse miteinander
verbunden sind, wobei der Drain-Anschluß des ersten P-Kanal-
MOS-FETs mit dem Eingang des Wandlers und der Drain-Anschluß
des zweiten P-Kanal-MOS-FETs mit der Source des dritten MOS-
FETs verbunden ist, der Ausgang des Komparators mit dem Gate
des zweiten P-Kanal-MOS-FETs und über einen Inverter mit dem
Gate des ersten P-Kanal-MOS-FETs verbunden ist und der
Substratanschluß des dritten MOS-FETs mit den Source-
Anschlüssen sowie den Substrat-Anschlüssen der beiden P-Kanal-
MOS-FETs verbunden ist.
8. Gleichspannungwandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem auch der erste steuerbare Schalter (S1),
der zweite steuerbare Schalter (S3) und der dritte steuerbare
Schalter (S2) MOS-FETs sind.
9. Gleichspannungswandler nach Anspruch 4 und Anspruch 8, bei
dem die von dem ersten, zweiten, dritten und vierten MOS-FET
(M1, M2, M3, M4) jeweils beanspruchten Flächen im Vergleich zu
den von den anderen MOS-FETs beanspruchten Flächen groß sind.
10. Gleichspannungswandler nach Anspruch 9, bei dem der fünfte
MOS-FET (M5) um einen Faktor 1000 kleiner als der dritte MOS-
FET (M3) ist.
11. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem die Referenzspannung kleiner als die
Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers ist.
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