DE69316630T2 - Gleichspannungserhöher um eine kapazitive Ladung zu Treiben - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Spannungsumsetzer, der insbesondere zum direkten Treiben einer kapazitiven Last mit einer relativ hohen Spannung geeignet ist. Die Schaltung ist insbesondere geeignet zur Integration und kann eine Spannung liefern, die im wesentlichen das doppelte der eigenen Durchbruchspannung derjenigen integrierten Strukturen beträgt, die die Schaltung bilden.
• Die Notwendigkeit zum Treiben oder Versorgen von Komponenten wie z. B. Elektrolumineszenzdioden-Anzeigevorrichtungen (EL-Lampen) und anderen im allgemeinen leistungsarmen Betätigungselementen oder Anzeigevorrichtungen, die bei relativ hoher Spannung von z. B. zwischen 60 und 120 V betrieben werden, ist bei elektronischen Geräten häufig vorhanden.
• Die Reduzierung des Energieverbrauchs ist eine geforderte Eigenschaft, die in batteriebetriebenen tragbaren Geräten wie z. B. elektronischen Uhren, Taschenrechnern, Computern und dergleichen eine grundlegende Bedeutung erhält.
• Die Verwendung von Spannungsmultiplizierern zum Erzeugen hoher Spannungen ausgehend von besonders niedrigen Versorgungsspannungen, wie z. B. einer 1,2 V Batteriespannung, ist aufgrund der progressiven Zunahme der Verluste mit der Anzahl der Stufen praktisch unmöglich. In diesen Fällen werden Gleichspannungs-Umsetzerschaltungen verwendet, die allgemein als Spannungsumsetzer bezeichnet werden.
• Ein Spannungsumsetzer besteht funktionell aus einer energiespeichernden Induktivität, die mit der Stromversorgung verbunden ist und mittels eines Schalters während einer Aufladephase kurzfristig nach Masse verbunden wird. Die in der Induktivität gespeicherte Energie wird anschließend in einer folgenden Entladephase über eine Diode in einen Ausgangskondensator entladen, an dessen Anschlüssen als Funktion der Anzahl der Entladezyklen der in der Induktivität gespeicherten reaktiven Energie eine zunehmend erhöhte Spannung entwickelt wird. Normalerweise wird ein Spannungsumsetzer mit einer Steuerschaltung vervollständigt, die die am Ladungsspeicherkondensator entwickelte Spannung regelt, indem sie den Schalter geeignet ansteuert. Der Ladekondensator oder die Kondensatoren stellen eine Hochspannungsversorgung für Nutzschaltungen oder für Komponenten zur Verfügung, die normalerweise eine hohe Spannung benötigen.
• Im Fall von Komponenten, die mit einer hohen Spannung betrieben werden können und von denen angenommen werden kann, daß sie elektrisch äquivalent zu einem Kondensator mit einem geringeren Verlustfaktor sind, wie z. B. Elektrolumineszenzdioden, ist es allgemein üblich, durch Invertieren, durch die Verwendung von Schalterpaaren, die mit komplementären Antriebssignalen mit relativ niedriger Frequenz gegenphasig angesteuert werden, und durch Verbinden der zwei Anschlüsse der Last (die als Kondensator betrachtet werden kann) mit der Katode der Entladediode der Induktivität und mit Masse das Lastelement direkt an der Umsetzerschaltung zu betreiben.
• Eine solche direkte Ansteuerungsschaltung für eine Elektrolumineszenzdiode ist z. B. in der US-A-4,527,096 offenbart. Durch Festlegen der Anzahl der Schaltimpulse, die dem Steueranschluß des zum Laden der Induktivität verwendeten Schalters zugeführt werden, während einer Phase der Konfiguration der Verbindungen der Elektrolumineszenzdiode, ist es möglich, die maximale Spitzen-Spitzen-Spannung vorzugeben, die an die kapazitive Last am Ende jeder Konfigurationsphase angelegt wird. In der Praxis wird an die Last eine Folge von gestuften Spannungsrampen mit abwechselnden Vorzeichen angelegt.
• Der Umsetzer kann ein Hochspannungsverstärkungsverhältnis mit kleinen Energieverlusten und somit mit einem hohen Wirkungsgrad bieten, was bei batteriebetriebenen Anwendungen ein Aspekt von grundlegender Bedeutung ist.
• Eine solche Gleichspannungs-Umsetzerschaltung kann verwirklicht werden durch Verwenden diskreter Komponenten und/oder durch Verwenden elektromechanischer Relais zum Implementieren der Schalter, die für die zyklische Invertierung der Lastverbindungen erforderlich sind. Alternativ kann die Umsetzerschaltung in Form einer integrierten Schaltung verwirklicht werden, indem elektronische Schalter in Form von Bipolar- oder Feldeffekttransistoren mit offensichtlichen Vorteilen hinsichtlich der Miniaturisierungsfähigkeit verwendet werden.
• Diese Möglichkeit ist in der US-A-4,527,096 offenbart, in der die Notwendigkeit der Implementierung der integrierten Schaltung mittels eines Herstellungsprozesses für Hochspannungsvorrichtungen angegeben ist, aufgrund der Tatsache, daß die relativen integrierten Strukturen einer Umkehrspannung gleich der maximalen Spitzenspannung standhalten müssen, die vom Spannungsumsetzer an der kapazitiven Last erzeugt wird. Mit anderen Worten, die integrierte Schaltung muß Durchbrucheigenschaften aufweisen, die wesentlich höher sind als der Wert der Spitze- Spitze-Spannung, die von der Schaltung erzeugt wird.
• Die WO 91/17537 offenbart eine integrierte BIMOS-Schaltung zum Betreiben einer Elektrolumineszenz-Anzeigevorrichtung aus einer Niedrigspannungsquelle, wobei Bipolartransistoren verwendet werden, um effizientere MOS-Transistoren freizugeben, bevor sie beim Einschalten gesperrt werden.
• Es ist bekannt, daß die Architektur von integrierten Schaltungen angepaßt werden kann, um besonders hohe Durchbruchspannungen zu erreichen, die von Entwurfsanforderungen gefordert werden und die im speziellen Fall einer Spannungsumsetzerschaltung, die zum direkten Treiben einer kapazitiven Last verwendet wird wie z. B. derjenigen, die durch eine Elektrolumineszenzdiode dargestellt wird, außerordentlich hohe Werte erreichen können. Obwohl diese Anforderung nicht die Möglichkeit der Realisierung des Spannungsverstärkers in Form einer monolithisch integrierten Schaltung vorgibt, schlägt sie die Realisierung ausreichend robuster integrierter Strukturen vor, um einer Umkehrspannung standzuhalten, die bis zu 120 V erreichen kann. Dies erfordert angemessene Abmessungen, Dicken, Tiefen der Übergänge und/oder der Implementierung bestimmter Strukturen und Anordnungen, die geeignet sind, um die Durchbruchspannungen zu erhöhen. Diese Anforderungen bestimmten im allgemeinen die Grenzen der Miniaturisierung der integrierten Schaltung selbst, die normalerweise die gesamte funktionelle Schaltung der Vorrichtung neben dem Umsetzer zum Treiben einer externen Last enthält.
• Es besteht daher Bedarf an einem Spannungsumsetzer, der zum direkten Treiben einer relativ hohen Spannung einer kapazitiven Last geeignet ist, eine vereinfachte Schaltung aufweist und gleichzeitig leicht integrierbar ist und, in einer solchen monolithisch integrierten Form, auch eine erhebliche Miniaturisierung der gesamten integrierten Schaltung zuläßt.
• Die Spannungsumsetzerschaltung zum Treiben einer kapazitiven Last, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verwendet vier Schalter um an die Anschlüsse einer kapazitiven Last eine abwechselnde Folge von positiven und negativen Spannungsrampen mit einer festen Steuerfrequenz anzulegen. Jede Spannungsrampe wird erzeugt durch eine bestimmte Anzahl von Ladungen und Entladungen einer Induktivität an der kapazitiven Last mit einer zweiten Schaltfrequenz. Eine Steuerschaltung erzeugt die Steuersignale mit der ersten Steuerfrequenz und der zweiten Schaltfrequenz. Die erste Steuerfrequenz kann in der Größenordnung von 20-100 Hz liegen, während die zweite Schaltfrequenz in der Größenordnung von kHz liegen kann.
• In der Praxis ist jeder Anschluß der Induktivität mit einem Ladeschalter und mit einem Entladungsweg verbunden, der einen Schalter und eine Diode enthält, die elektrisch in Serie geschaltet sind und zwischen dem Anschluß der Induktivität und dem Ausgangsknoten angeschlossen sind. Die zwei Entladungswege werden abwechselnd durch ein Paar von komplementären Signalen mit der ersten Frequenz freigegeben, die den einen oder anderen der zwei Schalter schließt, der den jeweiligen Entladungsweg in Richtung zum Ausgangsknoten freigibt, an dem eine externe kapazitive Last angeschlossen ist. Entsprechend wird der Ladeschalter der Induktivität so angesteuert, daß er mit einer relativ hohen Frequenz (der zweiten Schaltfrequenz) schaltet, während ein weiterer Ladeschalter während der gesamten Halbperiode geöffnet bleibt. Während der folgenden Halbperiode wird die Schaltungskonfiguration umgekehrt, so daß eine Rampe mit zur vorangehenden Rampe entgegengesetzter Polarität erzeugt wird.
• Die erzeugten Spannungsrampen weisen eine hohe Frequenz welligkeit auf, die der Schaltfrequenz des entsprechenden Ladeschalters der Induktivität entspricht.
• Die unterschiedlichen Aspekte und Vorteile der Schaltung der Erfindung werden deutlich durch die folgende Beschreibung einer wichtigen Ausführungsform und durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
• Fig. 1 ein Schaltbild eines Spannungsumsetzers der Erfindung ist;
• Fig. 2 ein Zeitablaufdiagramm der Schaltung der Fig. 1 ist;
• Fig. 3 die funktionelle Konfiguration der Schaltung während einer Phase der Erzeugung einer negativen Spannungsrampe an einer kapazitiven Last zeigt;
• Fig. 4 die funktionelle Konfiguration der Schaltung während einer Phase der Erzeugung einer positiven Spannungsrampe an der Last zeigt.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Induktivität L über die Ladeschalter SWA und SWB jeweils mit der Stromversorgungsschiene VDD und Masse verbunden werden. Außerdem kann jeder der zwei Anschlüsse der Induktivität L abwechselnd über die zwei unterschiedlichen Wege SWC-D1 und SWD-D2 mit dem Ausgangsknoten VOUT verbunden werden.
• Das Ansteuern der Schalter SWA, SWB, SWC und SWD kann bewerkstelligt werden durch geeignete Generatoren der Steuerschaltungen IA, IB, IC und ID.
• In Fig. 2 sind die Steuersignale der Schaltung unter der Annahme gezeigt, daß herkömmlicherweise einem logischen Hochpegel des entsprechenden Steuersignals ein Zustand des Schließens des zugehörigen Schalters entspricht.
• Selbstverständlich können die Steuersignale von einer geeigneten Steuerschaltung (in den Figuren nicht gezeigt) erzeugt werden, die das komplementäre Paar von Niedrigfrequenzsignalen IC und ID sowie die Hochfrequenzschaltsignale IA und IB erzeugen kann, die die Ladeschalter SWA und SWB ansteuern, indem diese unter Verwendung von Frequenzteilerschaltungen von einem Systemtaktsignal abgeleitet werden.
• Im Betrieb ist während einer Phase (Halbperiode) der Steuersignale IC und ID die funktionelle Schaltung wie in Fig. 3 gezeigt konfiguriert, wobei an der Last C wie gezeigt eine negative Spannungsrampe entwickelt wird. Während einer anschließenden Phase (Halbperiode) ist die funktionelle Schaltung wie in Fig. 4 gezeigt konfiguriert, wobei an der Last C eine positive Spannungsrampe entwickelt wird.
• Die gesamte Schaltung mit Ausnahme der Speicherinduktivität L und selbstverständlich der externen Last C, kann integriert werden. Obwohl die Struktur der vier Schalter SWA, SWB, SWC und SWD im wesentlichen aus Bipolartransistoren zusammengesetzt gezeigt ist, kann sie ferner durch Verwenden eines Feldeffekttransistors verwirklicht werden, z. B. durch Verwendung integrierter CMOS-Strukturen.
• Wie einem Fachmann klar ist, wird der Knoten VOUT der Schaltung selbstverständlich einer negativen Spannung ausgesetzt, d. h. in der Praxis einer integrierten Schaltung, die für eine einzelne Versorgungsspannung wie z. B. eine positive Versorgungsspannung ausgelegt ist, wird der Knoten VOUT einer Sogenannten "Spannung unterhalb der Masse" ausgesetzt, weshalb die integrierten Strukturen, die direkt mit dem Ausgangsknoten VOUT verbunden sind, insbesondere die Dioden D1 und D2, so verwirklicht werden müssen, daß sie eine bestimmte negative Spannung bezüglich des Massepotentials (Substrat) der integrierten Schaltung aushalten.
• Dies kann einfach erreicht werden durch Verwenden einer integrierten Struktur sowohl für D1 als auch für D2, die als Niedrigleckstromdiode (LDD) allgemein bekannt ist und die ferner in einem einfachen CMOS-Herstellungsprozeß verwirklicht werden kann, wie im Italienischen Patent Nr. 1,188,609 desselben Anmelders beschrieben ist.

Claims (5)

1. Gleichspannungs-Umsetzer zum direkten Treiben einer kapazitiven Last (C), der eine Energiespeicherinduktivität (L), einen zwischen einem ersten Anschluß der Induktivität (L) und Masse angeschlossenen ersten Schalter (swB), einen Entladeweg der Induktivität (L) von ihrem ersten Anschluß über die zwischen einem Ausgangsknoten (VOUT) und Masse angeschlossenen Last (C), der eine erste Diode (D2) und einen zweiten Schalter (swD) enthält, die funktionell in Serie geschaltet sind, umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß er enthält:

einen dritten Schalter (swA), der zwischen einem zweiten Anschluß der Induktivität (L) und der Versorgungsspannungsschiene (Vdd) angeschlossen ist;

einen zweiten Entladeweg vom zweiten Anschluß der Induktivität (L) zum Ausgangsknoten (VOUT), der eine zweite Diode (D1) und einen vierten Schalter (swC) enthält, die funktionell in Serie geschaltet sind;

eine Steuerschaltung zum Ansteuern der ersten und dritten Schalter (swB, swA) in entgegengesetzter Phase mit einer Schaltfrequenz, die wesentlich höher liegt als die Frequenz, mit der die zweiten und vierten Schalter (swD, swC) in entgegengesetzter Phase ansteuert werden, während einer Halbperiode des Schließens des vierten Schalters (swC) und während einer Halbperiode des Schließens des zweiten Schalters (swD).

2. Spannungsumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Last (C) eine Elektrolumineszenzdiode ist.

3. Spannungsumsetzer nach Anspruch 1, bei dem die hohe Schaltfrequenz zwischen 20 und 100 Hz liegt und die niedrigere Schaltfrequenz über 1 kHz liegt.

4. Spannungsumsetzer nach Anspruch 1, bei dem die Schalter (swA, swB, swC, swD) Bipolartransistoren sind.

5. Spannungsumsetzer nach Anspruch 1, bei dem die Schalter (swA, swB, swC, swD) Feldeffekttransistoren sind.