DE2365581A1 - Spannungsueberhoehungsschaltung - Google Patents

Spannungsueberhoehungsschaltung

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DE2365581A1 DE2365581*A DE2365581A DE2365581A1 DE 2365581 A1 DE2365581 A1 DE 2365581A1 DE 2365581 A DE2365581 A DE 2365581A DE 2365581 A1 DE2365581 A1 DE 2365581A1
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Description

Citizen Watch. Go«,, Ltd.
1-9-18, Mshishinjuku Shinjuku-ku, Iokyo? Japan
Spannungsboosterschaltung ( Spannungsub er hö* hung s s cha."\tung)
Die Erfindung betrifft eine Boosterschaltung und. insbesondere eine Boosterscbaltung mit einem MOS ΡΞΤ.
Beinahe alle bereits vorgeschlagenen Boosterschaltungen verwenden eine Spule und einen bipolaren !Transistor,, Diese Boosterschaltungen verbrauchen eine beachtlich, große Leistung in jeder Schaltungsanordnung und sind daher zur Pegelhaltung einer kleinen Leistung nut niedriger Spannung ungeeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Boosterschaltung zu schaffen, die eine niedrige Spannung auf eine mehr oder weniger hohe Spannung anzuheben vermag, die dann als Eingangssignal an eine Gock-Croft-Booaterschaltung angelegt wird und die den Spannungswert, d.er je Schaltungselement angehoben wird, zu vergrößern vermag, während die Leistungsverlust-Rate reduziert wird, welche durch den Spannungsabfall der Torwartsspannung aufgrund der Gock-Groft-Boosterschaltung auftritt.
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Weiterhin soll eine Booster-Schaltung mit mehreren bzw. einer Yielzafal von Stufen aus MOS S1EE geschaffen werden, welch© in Reihenschaltung angeordnet sind und eine niedrige Spannung auf eine gewünschte höher® Spannung bzw. hohe Spannung anzuheben vermag, wobei die notwendige Zahl "der Schaltungselemente reduziert wird.
Die vorletzte Stufe der Booster-Schaltung, die von der Art einer Cock-Groft-Booster-Schaltung ist, enthält vorzugsweise eine MQS-Peldeffekt-Transistor-Dioden-Anordnung oder eine
'Cock-Croft-Booster-Schaltung. Vorzugsweise wird bei der Verwendung einer derartigen Booster-Sehaltung eine derartige Schaltung benützt, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist« Die Booster-Schaltung gemäß der Erfindung liefert ein Ausgangs-Impulssignal und/oder ein Gleichstromsignal.'Das Impulssignal kann in ein .Gleichstrom-Ausgangssignal gleichgerichtet werden. Das Impuls-Ausgangs signal wird mit Hilfe eines Pegel-Einstellglieds erhalten. Diese Ausgangssignale können leicht als Eingangs— signale für die nachfolgende Boosterschaltungsstufe verwendet werden.
Die Booster-Schaltung gemäß der Erfindung ermöglicht es, eine Ausgangsspannung zu erhalten, die um den Faktor a.., a«, .<>« a höher ist als die Eingangsspannung. Wenn die Booster-Schaltungen, deren Zahl η ist, in Serienschaltung miteinander verbunden werden, ist das Endausgangssignal um den Faktor a^ χ a2 x ... x an größer als die Eingangsspannung. Somit vermag eine Booster-Schaltung gemäß der Erfindung die Eingangsspannung im Gegensatz zu den bereits vorgeschlagenen Booster-Schaltungen zu multiplizieren, wobei die bereits vorgeschlagenen Booster-Schaltungen die Eingangsspannung in additiver Weise anheben.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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_ 3 —>
Pig. 1 eine Cock-Croft-Booster-
sehaltung,
Pig. 2 eine erfindungsgemäße Boosterschaltung mit zwei Schaltungsblöcken, von denen jeder eine
■Cock-Oroft~Boosterscbaltung enthält,
eine erfindungsgemäße Booster-Schaltung zur Lieferung eines Ausgangsimpulssignalesj das dreimal so groß ist wie das Eingangsimpulssignal und die lait einer Coek-Oroft-
Booster-Schaltung kombiniert ist,
Pigo 4- eine erfindungsgeraäße Booster-Schaltung 9 die zwei MOS Peldeffekt-Wandlerstufen und eine
Stufe, der Cock-Oroft-Booster-Sehaltung aufweist,
Fig· 5 A eine verbesserte Cock-Groft-Booeter-Scbaltung geraäß äer Erfindung,
Pig. 5 B äen Signalverlauf der Schaltung gemäß Pig. 31A,
Pig. 6 eine verbesserte Cock-Croft-Booster-Schaltung gemäß der Erfindung mit parallel geschalteten Kondensatoren,
Pig. 7 eine verbesserte Cock-Groft-Booster-Sehaltung gemäß der Erfindung mit einer Serienschaltung von Kondensatoren,
Pig. 8 eine erfindungsgemäß verbesserte Oock-Croft-Booster-Sc.haltung mit einer Serien-Parallel-Schal-■fcung von Kondensatoren,
Pig· 9 eine erfindungsgemäß verbesserte Cock-Croft-BoosterSchaltung, die nur das negative Eingangssignal anheben kann,
Pig. 10 eine erfindungsgemäß verbesserte Oock-Croft-Booster-Schaltung, die positive und negative Eingangssignale anheben kann und
Pig9 11 eine erfindungsgemäße Booster-Schaltung, die eine
Cock-Croft-Booster-Schaltung
aittels komplementärer MQS-Peldeffekt-Wandler-Kreise ansteuern kann.
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Uach.steb.end werden Aus flihrungs formen von Boosterschal tungen erläutert, die eine Boosterschaltung mit einem MOS FET gemäß der Erfindung aufweisen, wobei der MOS FET eine Kombina/bion mit einer Boosters chaltung vom Cock-Croft-Typ (d.h. Sperrfeld-Typ) darstellt; die Wirkungsweise wird nachstehend näher erläutert. Diese sogenannte "Cock-Croft •'-Typ-Boosterschaltung verwendet eine Diode, so daß der auf die
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Diode zurückzuführende Vorwärtsspannungsabfall im Bereich, von 0,5 V liegt, wenn der Pegel einer niedrigen Spannung von etwa 1,5 V angehoben werden soll, wobei dies einem Spannungsverlust bzw. Spannungsabfall von etwa 30?ί entspricht. Wenn die Zahl der Blockscbaltungsstufen zum Zwecke der Anhebung einer niedrigen Spannung auf einen gewünschten höheren Spannungswert vergrößert wird, wird der erwähnte Spannungsabfall bzw.. Spannungsverlust zum Leistungsverlust hinzuaddiert, welcher seinerseits durch die Stufenvergrößerung verursacht wird. Bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen weist die Booster-Schaltung einen MOS PET auf, der die Spannung rechtzeitig auf einen bestimmten Pegel anhebt und diese hohe Spannung bzw. angehobene Spannung als Eingangsspannung für die Booster-Schaltung vom Cock-Croft-Typ verwendet werden kann; somit kann eine Booster-Schaltung verwendet werden, die den Spannungswert zu vergrößern vermag, wobei dieser Spannungswert in Abhängigkeit von der Zahl der Schaltungselemente angehoben wird, "and die die Rate des VorwärtsSpannungsabfalls, verursacht durch die Diode, erniedrigen kann und somit die Zahl der Schaltungselemente verringert, wodurch die Arbeitswirkung verbessert wird.
Pig. 1 zeigt eine Cock-Croft-Booster-
Schaltung, deren Eingang ein Signal zugeführt wird, dessen Phase umgekehrt wurde. Die Pig.2 bis 4 veranschaulichen Booster-Schaltungen gemäß der Erfindung, die die Niederspannung von etwa 15V einer Spannungsquelle auf eine Spannung von etwa 25 V anheben können.
Die in Pig. 1 gezeigte Cock-Croft-
Booster-Schaltung besitzt eine Vielzahl von Schaltungselementen, um die gewünschte hohe Spannung zu erhalten. Außerdem verursacht eine Diode einen Vorwärtsspannungsabfall im Bereich von 0,5 V je Diode, so daß eine Diode nur um 17 anheben kann, so daß 20 Dioden erforderlich sind, um eine Erhöhung von 25 V zu erreichen. Somit ist die Schaltung
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gemäß Pig. 1 als Booster-Schaltung ungeeignet, welche die Spannung von 1,5 V einer Spannungsquelle anheben soll.
Die Booster-Schaltung gemäß Pig. 2 verwendet zwei Cock-Croft-Booster-Schaltungen. Bei der vorliegenden Ausführungsform enthält die Blockschaltung 2001 eine erste Booster-Schaltung, die eine Spannungsquelle von 1,5 V auf ein Gleichstrom-Ausgangssignal von etwa 5 V anzuheben vermag. Eine Blockschaltung 2002,
die aus einem Pegeleinstellglied und einem Inverter besteht, kann ein Impulssignal mit einer Amplitude von 5 "V lief ern e Eine Blockschaltung .2003 bildet eirie zweite Boosterschaltung, wobei an deren Eingang ein Impulssignal mit einer"Amplitde von 5 V anliegt. Die erste Blockschaltung 2001 kann .den Pegel je Kondensator 2022 um 1 V und die Diode 2023 um 1 V anheben. Die dritte Blockschaltung 2003 kann den Pegel um 4,5 V anheben? auch, wenn ein -Spannungsabfall von 0,5 V der Vorwärtsspannung je Kondensator 2034 und je Diode 2033 vorliegt. Wie sich aus einem Vergleich der Pig. 1 mit der Pig. 2 ergibt, kann die Schaltung gemäß Pig. 2 die Zahl der Schaltungselemente, welche zur Lieferung eines Ausgangssignals mit einer Ausgangsspannung, die derjenigen durch die Schaltung gemäß Pig. 1 erreichten Spannung entspricht, notwendig sind, wesentlich erniedrigen.
Dies bedeutet, daß die Booster-Schaltung gemäß Pig. 1 25 Dioden verwendet, um eine Spannung von 25 V zu erhalten, während die Schaltung gemäß Pig. 2 14 Dioden und MOS PET verwendet, um eine Spannung von 6 V"=27 V zu erhalten, wobei V"' etwa 4,5 V beträgt.
In Pig. 3 ist eine erfindungsgemäße Booster-Schaltung veranschaulicht, die aus zwei Booster-Schaltkreisen besteht, welche miteinander verbunden sind. Der erste Booster-Schaltkreis verwendet einen MOS PET und ermöglicht eine Herabsetzung des Leistungsverlustes, welcher durch den Vorwärtsspannungsabfall über der Diode verursacht wird. Somit bildet die Blockschaltung 3004 eine erste Booster-Schaltung, die
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ein Impulsausgangssignal obne Leistungsverlust zu liefern vermag", wobei die Amplitude des Impulsausgangs signals dreimal größer ist als die Amplitude der Spannungsquelle.
Eine Blockschaltung 3005 bildet eine zweite Booster-Schaltung, die aus einer Cock-Croft-Schaltung
besteht. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung ermöglicht die direkte Verwendung des Ausgangssignals der Blockschaltung 3004 als Eingangssignal für die Blockschaltung 3005, so daß die Blockschaltung zur Einstellung des Pegels, wie sie durch die Blockschaltung 2002 in Fig.2 dargestellt wird, nicht erforderlich ist.
In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Booster-Schaltung gezeigt, die aus drei Booster-Schaltkreisen besteht, welche jeweils miteinander verbunden sind. Eine Blockschaltung 4006 bildet eine erste Booster-Schaltung, eine Blockschaltung 4007 eine zweite Booster-Schaltung und eine dritte Blockschaltung 4008 eine dritte Booster-Schaltung. Die Blockschaltung 4006 entspricht voll der Blockschaltung 3004 in Fig. 3 und besitzt keinen Diodenverlust, jedoch weist sie zusätzlich eine Gleiehrichterschaltung 4041 und 4042 zur Bildung einer Spannungsquelle und Lieferung eines Gleichstrom-Ausgangssignals an die Blockschaltung 4007 auf. Wenn die Spannung der Spannungsquelle 1,5 "V beträgt, kann die B]ockschaltung 4006 ein Gleichstrom-Ausgangssignal von +3 V .an eine Leitung 4043 und ein Gleicbstrom-Ausgangssignal von -1,5 V an eine Leitung 4044 liefern, so daß ein Impulssignal an eine Leitung 4045 gelegt wird, dessen Potentialdifferenz 4,5 "V beträgt, wobei der Maximalwert der Amplitude -1,5 V darstellt» Wenn dieses Impulssignal von der Leitung' 4045 an die Blockschaltung 4007 als deren Eingangssignal angelegt wird, erzeugt die Blockschaltung 4007 zwei Impulssignale mit einer Potentialdifferenz von 15,5 V, die dreimal so groß ist wie das Impulssignal der Leitung 4045 und deren Phasen einander entgegengesetzt sind, wobei diese beiden Signale über die Leitungen 4046 und 4047 geliefert werden; außerdem
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wird ein Gleichstrom-Ausgangssignal von -6 V an eine leitung 4048 angelegt. Diese Ausgangsimpulse dienen als Eingangssignal für die dritte Booster-Schaltung oder die Blockschaltung 4008. Auf diese Weise wird an die die Cock-Croft-Scbaltung darstellende Blockschaltung 4008 ein Impulssignal angelegt, dessen Amplitude 13,5 V beträgt und dieses Signal das Eingangssignal der Blockschaltung.4008 darstellt, so daß-ausschließlich dem durch die Diode verursachten Vorwärtsspannungsabfall von 0,5 V-eine Pegelerhöhung von 13,0 V je Kondensator 4053 und je Diode 4054 möglich ist. Ein Impulsausgangssignal von 26,0 Y wird somit an den leitungen 4047 und 4048 erzeugt. Die Schaltung gemäß Fig.4 kann die Zahl der Dioden oder MOS FET auf 17 derartige Elemente reduzieren, ohne daß ein .Spannungsverlust am MOS FET auftritt.
Wie vorstehend festgestellt wurde9 besitzt eine erfindungsgemäße Booster-Schaltung eine große Booster-Vergrößerung bzw. Pegelerhöhung bei einer kleinen Zahl von Schaltelementen, so daß der Leistungsverlust während der Pegel-Erhöhung reduziert werden kann. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Booster-Schaltung besonders als Booster-Schaltung bei einer elektronischen Armbanduhr od.dgl., die eine geringe Spannung und kleine leistung braucht.
Die Fig. 5 bis 11 zeigen erfindungsgemäß verbesserte Cock-Croft-Booster-Scbaltungen, die als Eingangssignal zwei Impulssignale verwenden, deren Phasen jeweils entgegengesetzt zueinander stehen.
In der Booster-Schaltung gemäß Fig.5 A ergibt qicb am Zeitpunkt t.j die^Spannung der leitung 5005 zu V Volt und die Spannung der Leitung 5006 zu 0 Volt, so daß ein Kondensator C51 über eine Diode D^1 mit V Volt und mit der in Fig. .31A gezeigten Polarität aufgeladen wird, wenn Impulssignale 5OO5S und 5OO6S (Fig.5 B) an die Leitungen 5005 bzw. 5006 angelegt werden. Bei den Schaltungen der Fig. 6 bis 11 wird ein Spannungsabfall einer Diode in Durchlaßrichtung .nicht berücksichtigt. Am Zeitpunkt t2 ergibt sieh das Potential der Leitung 5006 zu V Volt, so daß" das Potential der leitung 5007 2V Volt ergibt,
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während das Potential der Leitung 5005 0 Volt beträgt, so daß .ein Kondensator C,.. über eine Diode D^2 mit 2V YoIt und der in Pig.5 A gezeigten Polarität aufgeladen wird.
Bei t., beträgt das Potential der leitung 5005 T Volt, so daß das Potential der Leitung 5008 sich zu 3V Volt ergibt; da das Potential der Leitung 5006 0 Volt beträgt, wird ein Kondensator G^? über eine Diode D^, mit 3V Volt und der in Pig. 5 A gezeigten Polarität aufgeladen.
In ähnlicher Weise werden die Kondensatoren CUp und O·*, über Dioden D-- und D« mit 2V bzw» 5V Volt und der in Pig.5 A gezeigten Polarität aufgeladen.
Das Potential der Leitung 5009 wird durch das Signal angegeben, das der Leitung 5006 zugeführt wird und das auf 5V Volt angehoben wird;· dieses Potential ist in Fig.5 B durch den Signalverlauf 5OO9S dargestellt. Dieses Potential wird durch eine gleichrichtende Diode 5036 gleichgerichtet, so daß ein gleichrichtender Kondensator 5037 mit 6V Volt und der in Pig.5 A gezeigten Polarität aufgeladen wird, um einen Gleichstromsignal von 6V Volt zu liefern.
In Pig. 6 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, in der alle Kondensatoren, die mit Gleichrichtern verbunden sind, zueinander parallel geschaltet sind. In Pig. 7 wird eine weitere Ausführungsform veranschaulicht, in der alle Kondensatoren zueinander in Serie liegen. Werden die Kondensatoren jeweils parallel zueinander geschaltet, so ist es notwendig, einen Kondensator mit hoher Durchbruchspannung zu verwenden, jedoch ist eine Reduzierung der Ausgangsimpedanz möglich.
Werden alle Kondensatoren in Serie zueinander geschaltet, so ergibt sich eine vergrößerte Ausgangsimpedanz, jedoch ist es möglich, einen Kondensator mit geringer Durchschlagspannung zu benützen. Die Pig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Kondensatoren an Gleichrichter angeschlossen sind und die Kondensatoren jeweils in
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Serien-Parallelschaltung angeordnet sind. Wenn die Zahl der parallel zueinander angeschlossenen Kondensatoren vergrößert wird, läßt sieb, der durch die Kondensatoren gespeicherte Spannungswert klein halten. Infolgedessen erlaubt die Änderung der Kondensatorenzahl,welche in Serien-Parallel-Schal tung angeordnet sind, eine Einstellung der Durchbruchspannung, wobei dies für den Kondensator und die Ausgangsimpedanz notwendig ist.
In Pig. 9 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, .in der das Ausgangspotential in Richtung auf das negative Potential einer Spannungsquelle pegelmäßig angehoben werden kann. Die Pig. 10 veranschaulicht eine weitere Abwandlung, bei der das Ausgangspotential in positiver wie auch negativer Richtung angehoben bzw«, geändert werden kann.
Sämtliche vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erhalten als Eingang. Impulssignale, deren Phasen gegenphasig zueinander liegen. Die gleiche Arbeitsweise ist bei der Verwendung von ImpulsSignalen möglich, deren Phasen voneinander verschieden sind.
Die vorstehend beschriebene Erfindung verwendet Impulseignale, deren Phasen jeweils unterschiedlich sind, und diese Impulssignale als Eingangssignale bei einer bereits vorgeschlagenen Cock-Croft-Booster-Schaltung dienen; die Erfindung gibt somit eine praktische Wirkung zum Erreichen eines Pegelsteigerungswirkungsgrades (Boosting-Wirkungsgrades), der im wesentlichen zweimal so groß ist1 wie der Wirkungsgrad bereits vorgeschlagener Anordnungen mit gleicher .Zahl an Schaltungselementen.
Die Pig.11 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine komplementäre MOS FET-Schaltung zur Ansteuerung einer
Cock-Croft-Booster-Schaltung verwendet ist. In der vorliegenden Aus führungs form bezeichnen 6091 und 6092 MOS PET Inverter. Die Verwendung dieses Steuersystems ermöglicht, daß im wesentlichen keine Leistung verbraucht wird
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außer für den Ubergangsbereich. der komplementären MOS FET-Schaltung, und liefert eine Booster-Schaltung, die die unter lastfreier Bedingung verbrauchte Leistung erheblich reduziert und die wirksam über einen weiten Lastbereich arbeiten kann, indem der veränderliche Leitwert groß gemacht wird.
Außerdem ist die vorliegende Booster-Schaltung imstande, eine Gleichspannung erhalten zu lassen bzw. zu liefern, die im wesentlichen zweimal so groß ist wie die entsprechende Spannung bei einer bereits vorgeschlagenen Booster-Schaltung mit gleicher Zahl an Schaltungselementen.
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Claims (3)

P 25-65 581.4 Citizen Watch Co., ltd. »M* 267/35 Patentansprüche
1. Spannungsboosterschaltung (Spannungsüberhöhungsschaltung), gekennzeichnet durch eine Cock-Croft-Boosterschaltung mit zwei Eingangsanschlüssen, an die zwei Impulse mit zueinander unterschiedlicher Phase angelegt werden.
2. Schaltung nach·Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Cock-Croft-Boosterschaltung mit zwei Eingangsanschlüssen in der letzten Stufe angeordnet ist und daß eine oder mehrere Boosterschaltungen, von denen jede eine Cock-öroft-Boosterschaltung oder einen MOS-Feldeffekttransistor enthält, in der vorangehenden Stufe angeordnet sinde
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 29 gekennzeichnet durch einen komplementären MOS-Feldeffekttransistor zum Steuern der Cock-Croft-Boosterschaltung.
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DE2365581A 1972-09-20 1973-09-20 Spannungsvervielfachungsschaltung Expired DE2365581C3 (de)

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