DE4442466C1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung aus einer ungeregelten Ein­ gangsspannung mit einem Transistor, dessen Laststrompfad zwi­ schen den Eingangsanschluß zum Zuführen der ungeregelten Ein­ gangsspannung und den Ausgangsanschluß zum Abgriff der gere­ gelten Ausgangsspannung geschaltet ist, und mit einem Regel­ verstärker, dem die geregelte Ausgangsspannung zuführbar ist und dessen Ausgangsanschluß mit dem Steueranschluß des Tran­ sistors gekoppelt ist.

Spannungsregler sind notwendig, wenn eine von außen zuführ­ bare Versorgungsspannung starken Schwankungen unterliegt, die zu versorgenden Funktionseinheiten jedoch eine möglichst kon­ stante Betriebsspannung erfordern. Um einen großen zulässigen Schwankungsbereich der Eingangsspannung zu erhalten, so daß die versorgten Funktionseinheiten auch bei möglichst niedriger Eingangsspannung noch arbeiten, ist es notwendig, daß der Spannungsabfall zwischen Ausgangs- und Eingangsspan­ nung möglichst gering ist. Diese Anforderungen liegen bei­ spielsweise im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik vor.

Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust sind beispiels­ weise im Lehrbuch Tietze, Schenk: "Halbleiterschaltungstech­ nik", 9. Auflage, 1991, Kapitel 18.3.4, Seiten 547 bis 549 beschrieben. Zwischen dem Anschluß für die ungeregelte Ein­ gangsspannung und dem Anschluß für die geregelte Ausgangs­ spannung ist der Laststrompfad eines pnp-Transistors geschal­ tet, wobei dessen Emitter mit dem eingangsseitigen Anschluß und dessen Kollektor mit dem ausgangsseitigen Anschluß ver­ bunden ist. Heutzutage sind die vom Spannungsregler zu ver­ sorgenden Funktionseinheiten üblicherweise in CMOS-Technolo­ gie hergestellt, die einen hohen Integrationsgrad und eine geringe Verlustleistung bei niedrigen Kosten ermöglicht. Wenn der Spannungsregler zum Erreichen einer möglichst hohen In­ tegrationsdichte auf dem CMOS-Schaltkreis zusammen mit den zu versorgenden Funktionseinheiten angeordnet sein soll, be­ stehen Probleme bei der Realisierung des Regeltransistors. Die Herstellung eines derartigen für eine hohe Stromaufnahme ausgebildeten bipolaren pnp-Regeltransistors ist in CMOS-Herstellungsprozessen nicht ohne weiteres möglich.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE-A1-37 16 880 ist eine Spannungsregelschaltung gezeigt, bei der der Laststrompfad eines MOS-Transistors zwischen den Eingangsanschluß zum An­ schluß einer ungeregelten Batteriegleichspannung und den Aus­ gangsanschluß, an dem die geregelte Ausgangsspannung zum An­ schluß einer Last anliegt, geschaltet ist. Eine Regelver­ stärkerschaltung, der die geregelte Ausgangsspannung zuführ­ bar ist, sorgt für die Ansteuerung des MOS-Transistors. Die Versorgungsspannung des Regelverstärkers wird von einer Span­ nungszerhackerschaltung bereitgestellt, die für eine Span­ nungsverdopplung sorgt, so daß der MOS-Transistor voll aus­ gesteuert wird.

In der Literaturstelle Electronic Design, "Microcontroller Switches 5-A, 60-V Current Pulses", 14. Oktober 1993, Seiten 71 bis 79 ist eine Schaltung zur Ansteuerung von MOS-Transi­ storen gezeigt, bei der ein High-Side-Schalter von einer Ladungspumpe angesteuert wird. Die Ladungspumpe erzeugt eine über der Versorgungsspannung des MOS-Transistor liegende Spannung.

In der deutschen Patentschrift DE-C2-30 10 618 ist eine Kon­ stantspannungsschaltung gezeigt, bei der im Eingangs-Aus­ gangsstrompfad die Emitter-Kollektor-Strecke eines Bipolar­ transistors liegt, dessen Basisanschluß von einer Regelschal­ tung gesteuert wird. Eine Anlaufschaltung sorgt für eine si­ chere Inbetriebnahme der Schaltung. Die Anlaufstufe enthält einen Kondensator, dessen erster Anschluß an die ungeregelte Eingangsspannung angeschlossen ist und dessen zweiter An­ schluß über einen Widerstand nach Bezugspotential geschaltet ist. Der zweite Anschluß des Kondensators ist außerdem über einen Widerstand und über eine Diode in die Regelschaltung geführt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsan­ ordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die vollständig in CMOS-Technologie herstellbar ist. Sie soll eine möglichst geringe Verlustleistung bei gutem Regelverhalten aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsan­ ordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die den Ausgang des Regelverstärkers auf den Steueranschluß des Transistors koppelnde Kapazität sorgt dafür, daß die Aus­ gangsspannung auch schnelle ausgangsseitige Laständerungen ausregelt. Die Ladungspumpe sorgt für die relativ langsame, statische Steuerung des Regeltransistors. Die Ladungspumpe kann demnach für eine geringe Stromaufnahme dimensioniert werden. Dies bedeutet außerdem, daß die in der Ladungspumpe bekanntlich notwendigen Kapazitäten relativ klein dimensio­ niert werden können. Die integrierte Realisierung des Span­ nungsreglers benötigt demnach einen geringen Strom und eine geringe Fläche.

Als Regeltransistor kann ein MOS-Transistor verwendet werden, dessen Drain-Source-Strompfad zwischen Eingangs- und Aus­ gangsanschluß geschaltet ist. Alle Schaltungselemente des Spannungsreglers können dann in integrierter CMOS-Technologie mit der Möglichkeit der Integration von MOS-Leistungstransi­ storen hergestellt werden. Vorzugsweise eignet sich ein D-MOS-Leistungstransistor.

Der Regelverstärker weist vorzugsweise eine hohe Bandbreite und einen niedrigen Ausgangswiderstand auf. Der Kapazitäts­ wert der zwischen Regelverstärkerausgang und Steuereingang des Regeltransistors geschalteten Kapazität sollte in der Größenordnung der Eingangskapazität des MOS-Transistors lie­ gen, vorzugsweise im Bereich vom 1/4fachen bis zum Einfachen der Eingangskapazität des MOS-Transistors.

Ladungspumpen arbeiten bekanntlich taktgesteuert. Zur Bereit­ stellung des Arbeitstakts der Ladungspumpe weist die inte­ grierte Halbleiterschaltung eine Taktaufbereitungsschaltung auf, die gegebenenfalls auf einen externen Takt synchroni­ siert ist. Da die Taktaufbereitungsschaltung von der geregel­ ten Ausgangsspannung versorgt wird, steht beim Einschalten der ungeregelten Eingangsspannung kein zuverlässiges Taktsi­ gnal zur Steuerung der Ladungspumpe zur Verfügung. Es ist deshalb erforderlich, daß die geregelte Ausgangsspannung und somit auch die ordnungsgemäße Funktion der Ladungspumpe be­ reits vorliegen, bevor die Takterzeugungsschaltung aktiviert wird. Beim Einschalten des Systems, was beispielsweise durch einen entsprechenden Zustand eines Reset-Signals angezeigt wird, wird die Taktversorgung der Ladungspumpe von einem freischwingenden Oszillator bereitgestellt. Dies ist bei­ spielsweise ein über einen Schmitt-Trigger rückgekoppeltes RC-Glied. Wenn die Ausgangsspannung geregelt vorliegt, wird das Reset-Signal abgeschaltet, und ein vom Reset-Signal ge­ steuerter Multiplexer trennt die Rückkopplung des RC-Glieds auf, so daß nunmehr der stabil vorliegende Systemtakt in die Ladungspumpe eingespeist wird. Dadurch wird außerdem er­ reicht, daß die Ladungspumpe synchron zum Systemtakt arbeitet und keine Störungen durch Überlagerung von Schwingungen ver­ ursacht werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Figur darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt die prinzipielle Realisierung der Spannungsregelungs­ schaltung sowie die Schaltung zur Bereitstellung des Taktsi­ gnals für die Ladungspumpe. Die ungeregelte Eingangsspannung U wird an einem Eingangsanschluß 1 zugeführt. Dieser ist über die Drain-Source-Strecke eines selbstsperrenden n-Kanal-MOS-Tran­ sistors 3 mit einem Ausgangsanschluß 2 zum Abgriff der geregelten Ausgangsspannung VDD verbunden. Die Ausgangsspan­ nung VDD wird dem Minus-Eingang eines Regelverstärkers 4 zu­ geführt. Dessen Plus-Eingang liegt an einer Referenzspannung UR. Der Ausgang des Regelverstärkers 4 ist über einen Konden­ sator 8 auf den Gateanschluß des MOS-Transistors 3 gekoppelt. Eine zwischen den Gateanschluß des MOS-Transistors 3 und Be­ zugspotential (Masse) geschaltete steuerbare Stromquelle 7 wird vom Ausgangssignal des Regelverstärkers 4 invertiert an­ gesteuert. Außerdem ist eine Ladungspumpe 5 vorgesehen, deren Ausgangsanschluß für eine erhöhte Ausgangsspannung mit dem Gateanschluß des MOS-Transistors 3 verbunden ist. In der La­ dungspumpe 5 ist eine Stromquelle 6 vorgesehen, die vom Aus­ gangssignal des Regelverstärkers 4 gleichsinnig angesteuert wird und durch die die Höhe der von der Ladungspumpe 5 er­ zeugten Ausgangsspannung steuerbar ist.

Die Spannungsregelungsschaltung arbeitet folgendermaßen: Wenn die geregelte Ausgangsspannung VDD am Anschluß 2 beispiels­ weise aufgrund einer sich ändernden Belastung abfällt, wird die vom Regelverstärker 4 gebildete Regelabweichung erhöht. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers 4 steigt an. Der Spannungsanstieg wird über den Kondensator 8 auf den Gatean­ schluß des MOS-Transistors 3 übertragen. Durch den relativ konstanten Spannungsabfall längs der Gate-Source-Strecke des MOS-Transistors 3 wird die Spannung am Anschluß 2 angehoben. Der Strom durch die den Kondensator 8 entladende Stromquelle 7 wird wegen der gegensinnigen Ansteuerung vom Ausgang des Regelverstärkers 4 verringert. Das dynamische Verhalten des Regelkreises bei schnellen Belastungsänderungen der Ausgangs­ spannung wird im wesentlichen durch die kapazitive Kopplung des Regelverstärkerausgangs zum Steuereingang des Regeltran­ sistors bestimmt.

Die statische Einstellung des Gatepotentials des Transistors 3 erfolgt über die Ladungspumpe 5. Der von der Stromquelle 6 eingeprägte Strom wird im vorliegend betrachteten Betriebs zu­ stand durch das ansteigende Ausgangssignal des Regelverstär­ kers 4 erhöht. Dies sorgt dafür, daß die Ausgangsspannung der Ladungspumpe 5 erhöht wird. Die Gatespannung des MOS-Transi­ stors 3 wird dadurch statisch gestützt. Die Stromquelle 6 be­ zieht ihren Strom vom Ausgangsspannungsanschluß, wobei dieser durch die statische Regelung nachgeregelt wird. Da die La­ dungspumpe 5 den Ausgangsspannungsschwankungen am Anschluß 2 nur relativ langsam zu folgen braucht, kann die Ladungspumpe für eine relativ geringe Stromaufnahme dimensioniert werden. Die in der Ladungspumpe 5 vorgesehenen Kapazitäten in Form von mindestens einem Ladekondensator und einem Umladekonden­ sator können relativ klein dimensioniert werden. Da Kondensa­ toren bei der monolithischen Integration flächenkritisch sind, weist die gesamte Spannungsregelungsschaltung einen ge­ ringen Flächenverbrauch auf.

Heutzutage sind Herstellungsprozesse bekannt, bei denen Lo­ gikschaltungen gemeinsam mit MOS-Leistungstransistoren auf einer integrierten Schaltung hergestellt werden können. Mit derartigen MOS-Transistoren wurden bei praktischen Versuchen ein Spannungsabfall am MOS-Transistor und entsprechenderweise ein Unterschied zwischen Ausgangsspannung VDD und Eingangs­ spannung U von etwa 0,4 Volt erreicht. Die Gesamtschaltung kann demnach auch bei relativ niedriger ungeregelter Ein­ gangsspannung U betrieben werden.

Zum Einschwingen der Regelung ist eine zwischen dem Anschluß 1 für die Eingangsspannung U und dem Gateanschluß des MOS-Transistors 3 geschaltete Anlaufschaltung vorgesehen. Diese enthält einen Strombegrenzungswiderstand 9 und eine Diode 10, deren Kathodenanschluß mit dem Gateanschluß des MOS-Transi­ stors 3 verbunden ist. Beim Einschalten der Eingangsspannung U sind der Kondensator 8 sowie die in der Ladungspumpe 5 vor­ liegenden Kondensatoren ungeladen. Die Ausgangsspannung VDD liegt deshalb auf etwa 0 Volt. Durch die Anlaufschaltung wird dann der Gateanschluß des MOS-Transistors 3 über die Diode 10 an die Eingangsspannung U gekoppelt, so daß am Anschluß 2 ei­ ne anfängliche Betriebsspannung vorliegt. Die Eingangsspan­ nung U muß mindestens so groß sein, daß diese anfängliche Be­ triebsspannung ausreicht, damit die Regelschaltung an­ schwingt. Der Strombegrenzungswiderstand 9 ist relativ hochohmig zu dimensionieren, so daß die Stromquelle 7 im ein­ geschwungenen Zustand nicht überlastet wird.

Es hat sich gezeigt, daß mit zunehmender Kapazität des Kon­ densators 8 die Ausgangsspannungsschwankung zunehmend schnel­ ler dynamisch ausgeregelt werden kann. Um den Flächenver­ brauch des Kondensators 8 trotzdem möglichst gering zu hal­ ten, sollte dessen Kapazität zweckmäßigerweise etwa in der Größenordnung der Eingangskapazität des Gateanschlusses des MOS-Transistors 3 liegen. In der Praxis wird auch ein gutes Regelverhalten noch erreicht, wenn der Kondensator 8 einen Kapazitätswert von 1/4 der Eingangskapazität des MOS-Transi­ stors 3 aufweist.

Die Ladungspumpe 5 kann nach herkömmlichen Schaltungsprinzi­ pien realisiert werden. Sie enthält beispielsweise einen La­ dekondensator, an dem die erhöhte Ausgangsspannung abgreifbar ist. Der Ladekondensator wird von einer Umladekapazität aufgeladen und nachgeladen. Diese wird während einer ersten Schaltphase aus der Versorgungsspannung aufgeladen, während einer zweiten Schaltphase wird die gespeicherte Ladung mit umgekehrter Orientierung an den Ladekondensator übertragen. Hierzu ist bekanntlich eine Taktsteuerung notwendig. Im ein­ geschwungenen Zustand wird die Taktsteuerung für die Ladungs­ pumpe 5 von einer üblicherweise in der integrierten Schaltung vorgesehenen Takterzeugungseinrichtung 20 versorgt. Die Ein­ richtung 20 sorgt für die funktionsgerechte Taktaufbereitung und -verteilung an sämtliche Funktionseinheiten der inte­ grierten Schaltung. Sie wird aus der geregelten Versorgungs­ spannung VDD am Anschluß 2 mit Spannung versorgt. Aus diesem Grunde ist die Takterzeugungseinrichtung 20 beim Einschalten der Eingangsspannung U noch nicht aktiv. Der zum Einschwingen der Regelung notwendige Takt für die Ladungspumpe wird des­ halb während der Einschwingphase von einem frei schwingenden Oszillator 21 . . . 23 versorgt. Zur Umschaltung zwischen dem aus dem frei schwingenden Oszillator 21 . . . 23 erzeugten Taktsignal und dem aus der Takterzeugungseinrichtung 20 erzeugten Takt­ signal ist ein Multiplexer 24 vorgesehen. Dessen Eingang zur Steuerung der Schalteinstellung wird von einem Signal R ge­ steuert. Das Signal R ist das üblicherweise vorliegende Re­ set-Signal, das aktiv ist, solange die Einschwingphase vor­ liegt und die geregelte Ausgangsspannung VDD noch nicht ihren Sollwert erreicht hat. Der frei schwingende Oszillator ent­ hält ein RC-Glied 22, 23, dessen Ausgang über einen Schmitt-Trigger 21 auf seinen Eingang rückgekoppelt ist. Wenn die Ausgangsspannung VDD ihren Sollwert erreicht hat, wird das Reset-Signal R deaktiviert, so daß der Multiplexer 24 zur Takterzeugungsschaltung 20 umschaltet und die Rückkopplung des frei schwingenden Oszillators aufgetrennt wird. Die La­ dungspumpe schwingt nun synchron zum Systemtakt. Sie kann dann keine durch Überlagerung von Schwingungen hervorgerufene Störungen verursachen. Während der Einschwingphase kann der frei schwingende Oszillator, insbesondere der Schmitt-Trigger 21, aus der anfänglich anliegenden Betriebsspannung VDD ver­ sorgt werden.

Das aktive Reset-Signal R kann beispielsweise eine bestimmte Zeitspanne lang nach dem Einschalten beispielsweise unter An­ wendung einer Zeitverzögerungsschaltung aktiviert werden. Die Zeitverzögerung muß derart lang bemessen sein, daß die gere­ gelte Ausgangsspannung VDD stabil mit dem Sollwert vorliegt.

Alternativ dazu kann das Reset-Signal R aus dem internen Be­ triebszustand der gezeigten Schaltung abgeleitet werden. Hierzu wird die Spannung VDD am Anschluß 2 abgegriffen und mit einer geeignet gewählten Schwelle verglichen. Wird die Schwelle überschritten, bedeutet dies, daß die Ausgangsspan­ nung VDD stabil vorliegt. Das Reset-Signal R wird dann abge­ schaltet, so daß der Umschalter 24 auf die Takterzeugungsein­ richtung 20 umschaltet.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer geregelten Aus­ gangsspannung aus einer ungeregelten Eingangsspannung, enthaltend:

• - einen Eingangsanschluß (1) zum Zuführen der ungeregelten Eingangsspannung (U) und einen Ausgangsanschluß (2) zum Abgriff der geregelten Ausgangsspannung (VDD),
• - einen Transistor (3), dessen Laststrompfad zwischen den Eingangs- und den Ausgangsanschluß (1, 2) geschaltet ist,
• - einen Regelverstärker (4), dem die geregelte Ausgangsspan­ nung (VDD) zuführbar ist und dessen Ausgangsanschluß mit dem Steueranschluß des Transistors (3) über eine Kapazität (8) gekoppelt ist,
• - eine durch den Regelverstärker (4) steuerbare Stromquelle (7), durch die die Kapazität (8) entladbar ist,
• - eine Ladungspumpe (5), die einen mit dem Steueranschluß des Transistors (3) verbundenen Ausgangsanschluß für eine er­ höhte Spannung aufweist und deren Ausgangsspannung durch den Regelverstärker (4) steuerbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmender Regelabweichung der von der steuerbaren Stromquelle (7) eingeprägte Strom abnimmt und die Ausgangs­ spannung der steuerbaren Ladungspumpe (5) zunimmt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpe (5) eine weitere steuerbare Stromquelle (6) enthält, die zur steuerbaren Stromquelle (7) gegensinnig ge­ steuert wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwischen den Eingangsanschluß (1) und den Steuereingang des Transistors (3) geschaltete Anlaufmittel (9, 10), durch die beim Einschalten der Eingangsspannung (U) der Transistor (3) leitend geschaltet wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Kapazität (8) im Bereich vom 1/4fachen bis zum Einfachen der Eingangskapazität des Transistors (3) liegt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (3) ein MOS-Transistor ist, dessen Drainan­ schluß mit dem Eingangsanschluß (1) für die ungeregelte Ein­ gangsspannung (U) und dessen Sourceanschluß mit dem Aus­ gangsanschluß (2) für die geregelte Ausgangsspannung (VDD) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine von der Ausgangsspannung (VDD) gespeiste Takterzeugungs­ einrichtung (20 . . . 24), durch die die Ladungspumpe (5) mit einem Taktsignal gespeist wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Takterzeugungseinrichtung (20 . . . 24) eine Umschalteinrich­ tung (24) enthält, durch die die Ladungspumpe (5) in Abhän­ gigkeit von einem Eingangssignal (R) entweder von einer Ein­ richtung (20), die weitere auf der gemeinsamen integrierten Schaltung vorhandenen Funktionseinheiten zur Taktsteuerung versorgt, mit einem Taktsignal gespeist wird oder von einem frei schwingenden Oszillator (21, 22, 23).

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Umschalteinrichtung (24) eine im frei schwingenden Oszillator (21, 22, 23) vorhandene Rückkopplung unterbrochen werden kann.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der frei schwingende Oszillator (21, 22, 23) ein RC-Glied (22, 23) enthält, dessen Ausgang über einen Verstärker mit Hysterese (21) auf seinen Eingang rückgekoppelt ist.