DE60015882T2 - Spannungsregler - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsregler, der einen Kondensator umfasst, welcher an seiner Anode eine geregelte Spannung liefert, einen Regelschalter, um den Kondensator mit einer Spannungsquelle zu verbinden, und Regelungsmittel, die ausgestaltet sind, um den Schalter zu schließen, wenn die geregelte Spannung niedriger ist als eine erste Referenzspannung.
• Die Spannungsregler finden unterschiedliche Anwendungen auf elektronischem Gebiet, um beispielsweise eine geregelte Spannung zu liefern, die zur elektrischen Versorgung der Anschlüsse eines Mikroprozessors dient.
• 1 stellt einen herkömmlichen Spannungsregler 1 dar, der in einen Mikroprozessor 2 eingebaut ist. Der Mikroprozessor 2 wird durch eine elektrische Batterie 3 mit internem Widerstand r_i, versorgt, die eine Spannung V_DD liefert. Der Regler 1 umfasst einen externen Kondensator C_REG, welcher an seiner Anode eine geregelte Spannung V_REG liefert. Die Anode des Kondensators C_REG ist mit der Anode der Batterie 3 mittels eines Regelschalters SW1 verbunden, welcher einen Serienwiderstandswert R₁ von Null aufweist oder gering ist. Der Schalter SW1 wird durch den Ausgang einer Nachlaufschaltung CP gesteuert, die an ihrem positiven Eingang die geregelte Spannung V_REG und an ihrem negativen Eingang eine Referenzspannung V_REF empfängt. Die Spannung V_REF ist herkömmlicher Weise eine Bandabstand genannte und in Abhängigkeit von der Temperatur eine gute Stabilität aufweisende Spannung, die mittels Flächendioden PN und Stromspiegeln erzeugt wird. Die Nachlaufschaltung CP wird durch ein Signal PDW (Power-Down, Leistungsabsenkung) gesteuert, und die Anode des Kondensators C_REG ist mit der Masse durch einen Schalter SW_OFF verbunden, der durch das Signal PDW gesteuert wird. Wenn das Signal PDW gleich 1 ist, ist die Nachlaufschaltung CP gesperrt und der Schalter SW_OFF ist geschlossen. Der Regler 1 ist abgeschaltet und der Kondensator C_REG ist entladen.
• Der Nachteil eines derartigen Reglers besteht darin, dass er einen starken Stromverbrauch beim Anlaufen aufweist. Wenn das Signal PDW auf 0 gestellt wird, wird infolgedessen der Kondensator C_REG entladen und die Spannung V_REG ist gleich Null. Der Ausgang der Nachlaufschaltung CP geht auf 0 und der Schalter SW1 wird geschlossen. Das Anlegen der Spannung V_DD an den Kondensator C_REG bewirkt eine starke Stromspitze und einen bedeutenden Abfall der Versorgungsspannung V_DD des Mikroprozessors 2 aufgrund des internen Widerstands r_i der Batterie 3. Wenn zu demselben Zeitpunkt weitere Elemente des Mikroprozessors 2 nicht zu vernachlässigenden Strom verbrauchen, dann kann es passieren, dass die Spannung V_DD niedriger als die minimale Funktionsspannung des Mikroprozessors 2 wird, so dass der Mikroprozessor 2 gesperrt wird.
• Die vorliegende Erfindung zielt darauf, diesen Nachteil abzuschaffen.
• Die Patentschrift US-5,861,737 beschreibt einen Regler, bei dem der bei einer Belastung gelieferte Strom aufgrund einer angemessenen Steuerung der angewendeten Gitterspannung begrenzt ist, die an einen Transistorregler MOSFET angelegt wird, der zwischen der Spannungsquelle und der Belastung angeordnet ist. Dieser MOSFET Transistor weist infolgedessen einen Serienwiderstand mit variierbarem Wert auf, der es ermöglicht, den Einschaltstrom zu begrenzen.
• Die vorliegende Erfindung zielt noch genauer darauf, den Einschaltstrom eines Reglers zu begrenzen, ohne den Serienwiderstand des Regelschalters zu erhöhen.
• Dieses Ziel wird durch Bereitstellung eines Reglers gemäß dem Gegenstand von Anspruch 1 erreicht.
• Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine integrierte Schaltung, insbesondere einen Mikroprozessor, der einen Regler gemäß der Erfindung umfasst.
• Diese Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ausführlicher in der nachfolgenden Beschreibung eines Spannungsreglers gemäß der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren erörtert. Es zeigen:
• 1 die vorstehend beschrieben wurde, einen elektrischen Schaltplan eines herkömmlichen Spannungsreglers,
• 2 einen Grundschaltplan eines Spannungsreglers gemäß der Erfindung, und
• 3 einen elektrischen Schaltplan einer Ausführungsform eines Spannungsreglers gemäß der Erfindung.
• 2 stellt einen Spannungsregler gemäß der Erfindung dar. Der Regler 10 umfasst auf herkömmliche Weise einen Kondensator C_REG, dessen Anode über einen Regelschalter SW1, in diesem Fall ein PMOS-Transistor, der einen Serienwiderstandswert R1 von Null umfasst oder gering ist, mit einer Spannungsquelle V_DD verbunden ist. Die Anode des Kondensators C_REG, welche eine geregelte Spannung V_REG liefert, ist durch einen Schalter SW_OFF mit Masse verbunden, der durch ein Signal zum Rückstellen auf Null PDW (Leistungsabsenkung) gesteuert wird.
• Gemäß der Erfindung ist ein Ballastschalter SW2 parallel zu dem Schalter SW1 angeschlossen. Der Schalter SW2 stellt einen nicht zu vernachlässigenden Serienwiderstand R2 dar, beispielsweise in der Größenordnung von einigen Hundert Ohm. Der Schalter SW2 besteht in diesem Fall aus einem PMOS-Transistor und der Widerstand R2 ist der Eigenwiderstand des Transistors, das heißt sein Serienwiderstand (R_ON) im Durchlasszustand. Der Wert des Widerstands R2 wird infolgedessen durch die Wahl des Verhältnisses W/L zwischen der Breite W und der Länge L der Steuerelektrode des Transistors bestimmt.
• Die Schalter SW1, SW2 werden durch eine in diesem Fall in Gestalt eines Blocks dargestellte Schaltung 11 gesteuert, die durch das Signal PDW gesteuert wird. Die Schaltung 11 empfängt am Eingang die Spannung V_REG, eine erste Referenzspannung V_REF1 und eine zweite Referenzspannung V_REF2 Die Spannung V_REF2 ist niedriger als V_REF1 und beträgt beispielsweise 0,75 V_REF1. Die Schaltung 11 liefert ein Signal S1 zur Steuerung des Schalters SW1 und ein Signal S2 zur Steuerung des Schalters SW2 (wobei die Signale S1, S2 in diesem Fall an die Steuerelektroden der PMOS-Transistoren angelegt werden).
• Wenn das Signal PDW auf 1 steht, ist die Schaltung 11 gesperrt und der Schalter SW_OFF ist geschlossen. Der Kondensator C_REG ist entladen und die Spannung V_REG beträgt Null. Wenn das Signal PDW auf 0 gestellt wird, wird die Schaltung 11 eingeschaltet und der Kondensator C_REG lädt sich auf. Die Funktionsweise des Reglers 10 und der Schaltung 11 wird durch die nachfolgende Tabelle 1 beschrieben. Während die Schalter SW1, SW2 in diesem Fall aus den PMOS-Transistoren bestehen, ist der aktive Wert der Signale S1, S2, welcher dem Schließen der Schalter SW1, SW2 entspricht (Durchlasszustand), der Wert 0 (Steuerelektrode der Transistoren an Masse). Wenn die Signale S1, S2 auf 1 stehen (Spannung V_DD), sind die Schalter geöffnet (Transistoren im Sperrzustand).
• Tabelle 1

  
• Auf diese Weise lädt sich der Kondensator C_REG beim Einschalten des Reglers 10 in zwei Zeitabschnitten E1, E2 auf. Während des Zeitabschnittes E1 ist der Ballastschalter SW2 geschlossen und der Regelschalter SW2 ist geöffnet. Das Aufladen des Kondensators C_REG erfolgt mittels des Ballastschalters SW2 und der Einschaltstrom wird durch den Widerstand R2 begrenzt. Auf diese Weise wird die Gefahr ausgeschaltet, dass die Versorgungsspannung V_DD stark abfällt, insbesondere wenn die Spannung V_DD durch eine elektrische Batterie oder einen Spannungsgenerator geliefert wird, welcher einen nicht zu vernachlässigenden internen Widerstand aufweist.
• Der Zeitabschnitt E2 findet statt, wenn die Spannung V_REG die Schwelle V_REF2 überschreitet. Der Schalter SW1 schließt sich und der Ladezyklus des Kondensators C_REG wird schnell beendet, weil der Widerstandswert R1 Null beträgt oder gering ist. Während des Zeitabschnittes E2 kann der Ballastschalter SW2 unterschiedslos geöffnet oder geschlossen bleiben.
• Wenn der Kondensator C_REG aufgeladen ist, funktioniert der Regler 10 auf herkömmliche Weise, wobei der Regelschalter SW1 geschlossen (Zeitabschnitt E2) oder geöffnet ist (Zeitabschnitt E3), je nachdem, ob die Spannung V_REG niedriger oder höher als V_REF1 ist. Die Spannung V_REG wird auf diese Weise mit dem Wechsel der Zeitabschnitte E2 und E3 in der Nähe von V_REF1 eingestellt. Während der Zeitabschnitte der Überschreitung E3 ist der Ballastschalter SW2 immer geöffnet.
• Eine vorteilhafte Ausführungsform der Schaltung 11 ist in 3 dargestellt. Der Regler 10 ist in eine integrierte Schaltung 20 eingebaut dargestellt, beispielsweise einen Mikroprozessor, und die Spannung V_DD wird durch eine elektrische Batterie 21 mit internem Widerstand r_i geliefert.
• Die Schaltung 11 umfasst einen Operationsverstärker CP1, welcher in einer Nachlaufschaltung angeordnet ist, und eine Vergleichsschaltung CP2. Die Nachlaufschaltung CP1 und die Vergleichsschaltung CP2 werden durch das Signal PDW gesteuert. Die Nachlaufschaltung CP1 empfängt an ihrem negativen Eingang die Spannung V_REF1 und an ihrem positiven Eingang die geregelte Spannung V_REG. Der Ausgang der Nachlaufschaltung CP1 liefert das Signal S2, welches an den Steuereingang des Schalters SW2 angelegt wird. Die Vergleichsschaltung CP2 empfängt an ihrem positiven Eingang die Spannung V_REF2 und an ihrem negativen Eingang die Spannung V_REG. Die Spannung V_REF2 wird in diesem Fall durch die Teilung der Spannung V_REF1 mittels einer Teilungsbrücke erhalten, welche zwei Widerstände r_a, r_b umfasst. Der Ausgang der Vergleichsschaltung CP2 liefert ein Signal S3, welches an den Steuereingang eines Schalters SW3 angelegt wird, in diesem Fall an einen PMOS-Transistor, als auch an den Eingang einer NICHT-Schaltung INV1. Der Ausgang der NICHT-Schaltung INV1 ist mit dem Steuereingang eines Schalters SW4 verbunden, in diesem Fall einem PMOS-Transistor. Der Eingang des Schalters SW4 (Quelle des Transistors) empfängt die Spannung V_DD und der Eingang des Schalters SW3 empfängt das Signal S2. Die Ausgänge der Schalter SW3 und SW4 (Senken) sind miteinander verbunden und liefern das Signal S1, welches an den Steuereingang des Schalters SW1 angelegt wird.
• Die Funktionsweise der Schaltung 11, durch die nachfolgende Tabelle 2 beschrieben, entspricht der Funktionsweise, die durch die vorstehende Tabelle 1 beschrieben wird. Während des ersten Ladezeitabschnittes E1 des Kondensators C_REG ist das Signal S2 gleich 0 und das Signal S3 ist gleich 1. Der Ballastschalter SW2 ist geschlossen, der Schalter SW3 ist geöffnet (Transistor gesperrt) und der Schalter SW4 ist geschlossen. Das Signal S1 steht auf 1 (Spannung V_DD) und der Regelschalter SW1 wird geöffnet gehalten. Während des zweiten Ladezeitabschnittes E2 bleibt das Signal S2 auf 0, das Signal S3 geht auf 0, der Schalter SW3 wird geschlossen und der Schalter SW4 wird geöffnet. Das Signal S1 kopiert das Signal S2 mittels des Schalters SW3 und der Regelschalter SW1 schließt.
• Tabelle 2

  
• In Tabelle 2 ist zu sehen, dass der Schalter SW3 ein Verzögerungsschalter ist, welcher es während des ersten Ladezeitabschnittes E1 ermöglicht, dem Schalter SW1 das Regelsignal S2 nicht zu übertragen, so dass der Schalter SW1 nicht schließt. Der Schalter SW4 ist ein Hilfselement, welches ermöglicht, zu vermeiden, dass die Steuerelektrode des Transistors des Schalters SW1 auf ein Schwebepotential gebracht wird (hohe Impedanz), wenn der Schalter SW3 geöffnet ist. Selbstverständlich sind Unterschiedliche Varianten gemäß der Funktionsweise der verwendeten Schalter möglich, welche von der Art sein können, die normalerweise geöffnet sind, von der Art, die normalerweise geschlossen sind, oder der Art, die kein undefiniertes Signal an dem Steuereingang annehmen.
• Diese Ausführungsform der Schaltung 11 kann außerdem Gegenstand unterschiedlicher Varianten hinsichtlich der Steuerung des Verzögerungsschalters SW3 sein. Beispielsweise kann das Signal S3 durch ein Zählwerk geliefert werden, welches beim Anlaufen des Reglers 10 aktiviert wird, oder es kann durch den Mikroprozessor 20 nach Ausführung eines Zeitüberwachungsprogramms geliefert werden. In diesem Fall bleibt der Regelschalter SW1 geöffnet, bis das Signal S3 durch das Zählwerk oder den Mikroprozessor auf 0 gestellt wird. In der Praxis muss die Dauer der Zeitüberwachung in Abhängigkeit von der Kapazität des Kondensators C_REG berechnet werden.
• Diese Ausführungsform der Schaltung 11 bietet jedoch den Vorteil, dass sie eine automatische Inbetriebnahme des Regelschalters SW1 garantiert, wenn die Schwelle V_REF2 erreicht wird, ganz gleich wie hoch die Kapazität C_REG ist und ohne dass es notwendig ist, ein Zeitüberwachungssignal mittels eines Zählwerks oder eines Programms zu erzeugen. Als zusätzlichen Vorteil kann das Signal S3, das durch die Vergleichsschaltung CP2 geliefert wird, durch den Mikroprozessor verwendet werden, um den Zustand des Reglers 10 zu überwachen. Beispielsweise ist der Übergang des Signals S1 auf 1 im Verlaufe des Betriebs typisch für eine Überlastung des Reglers. Schließlich kann das Signal S3 in einigen Anwendungen auf logische Weise mit weiteren Signalen kombiniert werden, die durch den Mikroprozessor ausgegeben werden, bevor sie an den Verzögerungsschalter SW3 angelegt werden, damit der Mikroprozessor den Regelschalter SW1 in den geöffneten oder geschlossenen Zustand bringen kann, wenn sich dies als erforderlich erweisen sollte.
• Schließlich ist es selbstverständlich, obwohl vorstehend darauf hingewiesen wurde, dass der Widerstand R2 der Eigenwiderstand des Ballastschalters SW2 ist, dass der Ausdruck „Ballastschalter" in der Beschreibung und in den Ansprüchen einen Schalter mit Widerstand Null bezeichnen kann, welcher in Serie mit einem Widerstand R2 angeschlossen ist, oder einen Schalter mit Eigenwiderstand R2a, der in Serie mit einem komplementären Widerstand R2b angeschlossen ist.

Claims (10)

1. Spannungsregler (10), einen Kondensator (C_REG) umfassend, der an seiner Anode eine geregelte Spannung (V_REG) liefert, einen Regelschalter (SW1), um den Kondensator (C_REG) an eine Quelle (21) von Spannung (V_DD) anzuschließen, und Regelungsmittel, die ausgestaltet sind, um den Schalter (SW1) zu schließen, wenn die geregelte Spannung (V_REG) niedriger ist als eine erste Referenzspannung ((V_REF1), dadurch gekennzeichnet, dass er umfasst: – mindestens einen Ballastschalter (SW2) parallel zu dem Regelschalter (SW1), wobei der Ballastschalter (SW2) einen Serienwiderstand (R2, R2a, R2b) aufweist, der höher ist als ein Serienwiderstand (R1) des Regelschalters (SW1), und – Mittel (11, CP1, CP2, SW3, SW4), um den Regelschalter (SW1) zu öffnen und den Ballastschalter (SW2) zu schließen, mindestens während einer Anlaufphase des Reglers, bis der Kondensator (C_REG) mindestens teilweise aufgeladen ist.
2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel (11, CP1, CP2, SW3, SW4) umfasst, um den Regelschalter (SW1) zu öffnen und den Ballastschalter (SW2) zu schließen, wenn die geregelte Spannung (V_REG) niedriger ist als eine zweite Referenzspannung (V_REF2), die niedriger ist als die erste Referenzspannung (V_REF1).
3. Regler nach Anspruch 2, wobei die zweite Referenzspannung (V_REF2) einen Bruchteil der ersten Referenzspannung (V_REF1) ausmacht.
4. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein gemeinsames Signal (S2) zur Steuerung des Regelschalters (SW1) und des Ballastschalters (SW2) auf den Regelschalter (SW1) mittels eines Verzögerungsschalters (SW3) angelegt wird.
5. Regler nach Anspruch 4, wobei der Verzögerungsschalter (SW3) durch ein Signal (S3) gesteuert wird, das durch eine Vergleichsschaltung (CP2) geliefert wird, welche die geregelte Spannung (V_REG) am Eingang empfängt und eine zweite Referenzspannung (V_REF2), die niedriger ist als die erste Referenzspannung (V_REF1).
6. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, eine Nachlaufschaltung (CP1) und eine Vergleichsschaltung (CP2) umfassend, bei welchem die Nachlaufschaltung (CP1) die geregelte Spannung (V_REG) und die erste Referenzspannung (V_REF1) am Eingang empfängt, und ein Regelsignal (S2) liefert, wobei die Vergleichsschaltung (CP2) die geregelte Spannung (V_REG) und eine zweite Referenzspannung (V_REF2) am Eingang empfängt, die niedriger ist als die erste Referenzspannung (V_REF1) das Regelsignal (S2) an den Eingang der Steuerung des Ballastschalters (SW2) angelegt wird und mittels eines Verzögerungsschalters (SW3) an den Eingang der Steuerung des Regelschalters (SW1) angelegt wird, und der Ausgang der Vergleichsschaltung (CP2) an den Eingang der Steuerung des Verzögerungsschalters (SW3) angelegt wird.
7. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem der Ballastschalter (SW2) aus einem MOS-Transistor besteht, der einen eigenen nicht zu vernachlässigenden Widerstand (R2, R2a) umfasst, der den ganzen Serienwiderstand des Ballastschalters oder einen Teil davon ausbildet.
8. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Quelle (21) der Spannung (V_DD) aus einer elektrischen Batterie besteht.
9. Integrierte Schaltung (20), einen Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend.
10. Mikroprozessor (20), einen Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend.