DE10132811A1

DE10132811A1 - Voltage generator for semiconductor circuits

Info

Publication number: DE10132811A1
Application number: DE10132811A
Authority: DE
Inventors: Andre Albsmeier; Wolf-Eckhart Bulst; Klaus Pistor; Frank Schmidt; Oliver Sczesny; Claus Seisenberger; Martin Vossiek
Original assignee: Enocean GmbH
Current assignee: Enocean GmbH
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-23
Also published as: WO2003005317A1

Abstract

The invention relates to a supply device (GEN), comprising at least one pyroelectric voltage generator (l), which is characterised in that a highly-resistive threshold circuit (2) and a voltage transformer circuit (3) are provided in ULP-technology for transforming a voltage signal (Uprim) produced by a voltage generator (1) into a voltage signal (Uuse) which is essentially constant, whereby the voltage transformer is connected to the voltage generator (1) by the threshold circuit (2), the voltage transformer (3) being suitable for connecting a consumer (V).

Description

Die Erfindung betrifft eine pyroelektrisch antreibbare Versorgungseinrichtung, ein Schaltungssystem umfassend eine solche Versorgungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Ablaufsteuerung. The invention relates to a pyroelectrically drivable Supply device, a circuit system comprising a such supply facility and a method of operation a sequence control.

Aus WO 98/36395 A2 ist eine Anordnung zur Erzeugung kodierter Hochfrequenzsignale beschrieben, bei der zur Spannungserzeugung ein pyroelektrisches Element zur Umwandlung thermischer Prozessenergie in elektrische Energie verwendet wird. Diese elektrische Energie wird mittels eines Elements mit nichtlinearer Kennlinie in hochfrequente Energie umgesetzt; ein solches Element kann eine Funkenstrecke oder ein Halbleiterbauelement sein. Das hochfrequente Signal wird sodann mittels einer Kodierungseinrichtung kodiert. Als Kodierungseinrichtung werden Wandler und Filter, z. B. OFW-Filter, beschrieben. Auch beschrieben ist die Möglichkeit, die Anordnung abhängig von einem Umgebungsparameter, z. B. der Umgebungstemperatur, auszulösen. From WO 98/36395 A2 an arrangement for generating coded is High-frequency signals described in the Voltage generation a pyroelectric element for converting thermal Process energy is used in electrical energy. This electrical energy is generated by means of an element non-linear characteristic converted into high-frequency energy; on such element can be a spark gap or a Be semiconductor device. The high-frequency signal is then by means of a coding device. As Coding device converters and filters, for. B. SAW filter, described. The possibility of the arrangement is also described depending on an environmental parameter, e.g. B. the Ambient temperature.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur flexibleren Nutzung einer pyroelektrisch antreibbaren Versorgungseinrichtung bereitzustellen, insbesondere zur Nutzung als Spannungsquelle für eine Ablaufsteuerung, insbesondere für eine Ablaufsteuerung in Form einer Halbleiterschaltung. It is the object of the present invention, a Possibility of more flexible use of a pyroelectric provide drivable supply device, in particular for Use as a voltage source for a sequence control, especially for a sequence control in the form of a Semiconductor circuit.

Diese Aufgabe wird mittels einer Versorgungseinrichtung nach Anspruch 1, ein Schaltungssystem nach Anspruch 4 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Ablaufsteuerung in ULP-Technik nach Anspruch 8 gelöst. This task is accomplished by means of a utility facility Claim 1, a circuit system according to claim 4 and a Process for operating a sequential control system in ULP technology solved according to claim 8.

Die Versorgungseinrichtung weist mindestens einen pyroelektrischen Spannungsgenerator auf. Weiterhin sind mindestens eine hochohmige Schwellwertschaltung und ein Spannungswandler vorhanden. Der Spannungswandler dient dazu, aus einem kurzzeitig auftretenden Entladevorgang des pyroelektrischen Spannungswandlers eine für den Betrieb des Verbrauchers geeignete, im wesentlichen konstante Spannung zu erzeugen. Eine im wesentlichen konstante Spannung bedeutet, dass sie innerhalb eines Toleranzbereichs zur Stromversorgung des Verbrauchers bzw. der Halbleiterschaltung liegt. The supply device has at least one pyroelectric voltage generator. Furthermore, at least a high-resistance threshold circuit and a voltage converter available. The voltage converter is used from a briefly occurring discharge process of the pyroelectric Voltage converter one for the operation of the consumer generate suitable, substantially constant voltage. One in essentially constant voltage means that they are within a tolerance range for power supply to the consumer or the semiconductor circuit.

Der Spannungswandler ist mit dem Spannungsgenerator über die Schwellwertschaltung verbunden. Die Stellwertschaltung dient dazu, die elektrische Spannung am pyroelektrischen Spannungsgenerator möglichst leistungsarm zu überwachen und beim Erreichen einer konstruktiv oder schaltungstechnisch vorgegebenen Schwelle der Spannungswandler und einen damit gegebenenfalls verbundenen Verbraucher zuzuschalten bzw. abzukoppeln. Wenn dies geschieht, entlädt sich der Spannungsgenerator, und der Entladestrom treibt kurzzeitig den Spannungswandler. Der Schwellwertschalter ist zur Reduzierung von Verlusten hochohmig ausgeführt. The voltage converter is connected to the voltage generator Threshold switching connected. The control circuit serves addition, the electrical voltage at the pyroelectric To monitor the voltage generator with as little power as possible and Achieve a constructive or circuitry predetermined threshold of the voltage transformers and a so if necessary, connect or disconnect connected consumers. When this happens, the voltage generator will discharge, and the discharge current briefly drives the voltage converter. The Threshold switch is used to reduce losses high impedance.

An den Spannungswandler ist ein Verbraucher anschließbar; der Verbraucher ist die elektrische/elektronische Vorrichtung oder Schaltung, die kurzzeitig mit der erzeugten im wesentlichen konstanten Spannung, insbesondere Gleichspannung, betrieben werden kann, z. B. ein Mikrochip mit implementierter Ablaufsteuerung. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Versorgungseinrichtung mit einem Verbraucher mit niedriger Leistungsaufnahme in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, z. B. der Messdatenabfrage, betrieben werden kann. A consumer can be connected to the voltage converter; the The consumer is the electrical / electronic device or circuit that briefly with the generated in essentially constant voltage, in particular direct voltage, can be operated, e.g. B. a microchip with implemented Flow control. This has the advantage that the Supply facility with a consumer with lower Power consumption in a variety of application areas, z. B. the measurement data query can be operated.

Der pyroelektrische Spannungsgenerator ist zur Aufrechterhaltung eines hohen Isolationswiderstandes und damit einer geringen Verlustleistung auf geeignete Weise elektrisch isolierend gekapselt, z. B. durch Einbringung in ein hermetisch dichtes Gehäuse oder den gasdichten Verguss mit geeigneten Kunststoffen. Er wird vorzugsweise in gutem thermischen Kontakt mit der zu nutzenden Quelle der Temperaturschwankung, z. B. einer Heizungsrippe, gebracht. Eine Temperaturänderung ΔT bewirkt die Trennung von elektrischen Ladungen im Pyromaterial. so dass sich aufgrund der geringen elektrischen Kapazität an elektrisch leitfähigen, typischerweise metallisierten, Endflächen eine elektrische Spannung aufbaut. The pyroelectric voltage generator is for Maintaining a high insulation resistance and thus one low power dissipation in a suitable manner encapsulated in an insulating manner, e.g. B. by incorporation in a hermetic tight housing or the gas-tight potting with suitable Plastics. It is preferably in good thermal Contact with the source of temperature fluctuation to be used, e.g. B. a heating rib brought. A temperature change ΔT causes the separation of electrical charges in the Pyromaterial. so because of the low electrical capacity on electrically conductive, typically metallized, End surfaces builds up an electrical voltage.

Der pyroelektrische Spannungsgenerator umfasst bevorzugt einen monolithischen pyroelektrischen Einkristall, z. B. aus Lithiumtantalat, eine pyroelektrische Keramik oder pyroelektrische Kunststoffe, insbesondere vorliegend als Folien. Im Fall von pyroelektrischen Folien können diese durch Aufrollen oder Falten auf eine kleine Baugröße gebracht werden. Ebenfalls möglich ist der Einsatz von geschichteten pyroelektrischen Materialien, wobei die pyroelektrischen Schichten ähnlich wie bei einem Plattenkondensator durch leitfähige Schichten, die an Elektroden zusammengeführt werden, getrennt sind. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in einer größeren elektrischen Kapazität des Wandlers, wodurch die generierte elektrische Spannung geringer und somit besser an elektronische Verbraucher angepasst ist. The pyroelectric voltage generator preferably comprises a monolithic pyroelectric single crystal, e.g. B. from Lithium tantalate, a pyroelectric ceramic or pyroelectric plastics, in particular in the present case as foils. In the case of pyroelectric foils, these can be Rolling up or folding can be brought to a small size. The use of layered is also possible pyroelectric materials, the pyroelectric layers similar to a plate capacitor through conductive Layers that are brought together on electrodes are separated are. The advantage of this arrangement is that it is larger electrical capacity of the converter, which generates the electrical voltage lower and therefore better electronic consumer is adapted.

Der Schwellwertschalter ist vorzugsweise ausgeführt als Funkenstrecke, als Halbleiter mit entsprechendem Schaltverhalten, z. B. als Tyristor, als elektrostatisch wirkender Schalter, insbesondere in mikromechanisch ausgeführten Varianten oder als Halbleiterschaltung mit Feldeffekttransistoren, welche eine Rückkopplung nutzt. The threshold switch is preferably designed as Spark gap, as a semiconductor with corresponding Switching behavior, e.g. B. as a tyristor, as an electrostatic Switches, especially in micromechanical versions or as a semiconductor circuit with field effect transistors, which uses feedback.

Als Spannungswandlerschaltung wird bevorzugt ein Schaltwandler oder ein Transformator mit anschließender Spannungskonstanthalteschaltung eingesetzt. A is preferably used as the voltage converter circuit Switching converter or a transformer with subsequent Constant voltage circuit used.

Als Verbraucher sind insbesondere funktionell vorgesehen:

- Sensorschaltungen, welche eine Messgröße per Drahtverbindung, Funk, Schall oder Infrarot oder eine andere optische Verbindung weiterleiten oder optisch sichtbar machen,
- Schaltungen zur Übermittlung von Verbrauchsdaten über die oben genannten Kanäle,
- Anzeigeschaltungen, welche abgespeicherte Werte anzeigen,
- Alarmgeber.

In particular, the following are functionally provided as consumers:

- sensor circuits which transmit a measured variable by wire, radio, sound or infrared or another optical connection or make it optically visible,
- circuits for the transmission of consumption data via the above-mentioned channels,
- display circuits which display stored values,
- alarm.

Diese Liste ist nicht vollständig und soll lediglich einen Ausschnitt auf das Potential der vorgestellten Methode andeuten. This list is not exhaustive and is only intended to be one Excerpt of the potential of the presented method suggest.

Es wird besonders bevorzugt, wenn der Verbraucher eine Logikbaugruppe in Form einer Ablaufsteuerung umfasst. Dadurch lässt sich beispielsweise ein sich zeitlich änderndes Messsignal eines Sensors aufnehmen und weiterverarbeiten. Zusätzlich kann beispielsweise ein durch die Ablaufsteuerung abrufbarer Identcode mit den Messsignalen oder auch alleine abgerufen und ausgesendet werden. Die Verwendung der Ablaufsteuerung besitzt zusätzlich den Vorteil, dass die in der Ablaufsteuerung generierten Sendetelegramme flexibel codierbar sind. Es wird weiterhin bevorzugt, wenn ein in der Ablaufsteuerung erzeugtes Sendetelegramm in einem nachgeschalteten Sender einem Sendesignal, beispielsweise einem Hochfrequenzsignal, aufgeprägt und dann abgesandt wird. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das ausgesandte Signal möglichst breitbandig ist, weil sich so zusammen mit der Ablaufsteuerung eine hohe Informationsdichte ergibt. Die Bandbreite ist bevorzugt größer als 100 kHz, insbesondere zwischen 300 kHz und 600 kHz. Die Signallänge eines Sendetelegramms entspricht bevorzugt 32 bit bis 512 bit, die Sendedauer liegt bevorzugt im Bereich von Millisekunden, insbesondere zwischen 0,2 ms und 5 ms, speziell zwischen 0,3 und 2 ms. It is particularly preferred if the consumer receives a Logic module in the form of a sequence control comprises. Thereby For example, you can change the time Record and process the measurement signal from a sensor. In addition, for example, by the sequence control Callable identity code with the measurement signals or alone called up and sent out. The use of the Sequence control also has the advantage that the in the Sequence control generated transmit telegrams can be flexibly coded are. It is further preferred if one in the Sequence control generated send telegram in one downstream transmitter a transmission signal, for example a High-frequency signal, stamped and then sent. It is particularly advantageous when the transmitted signal is as broadband as possible, because together with the Sequence control results in a high density of information. The Bandwidth is preferably greater than 100 kHz, in particular between 300 kHz and 600 kHz. The signal length of a Send telegram preferably corresponds to 32 bit to 512 bit Transmission duration is preferably in the range of milliseconds, in particular between 0.2 ms and 5 ms, especially between 0.3 and 2 ms.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Versorgungseinrichtung einen Kondensator oder ein gleichwirkendes Stromspeicherelement zur kurzfristigen Speicherung eines Teils des vom Spannungsgenerator erzeugten Spannungssignals zur zeitlichen Verlängerung des konstanten Spannungssignals enthält. Durch den Kondensator wird somit eine relativ zum konstanten Ausgangssignal der Spannungswandlerschaltung erhöhtes Spannungssignal gespeichert und bei Unterschreiten der zum Betrieb des Verbrauchers nutzbaren Spannung wieder abgegeben; dadurch wird die Zeit, die für eine ausreichende bzw. im wesentlichen konstante Spannungsversorgung des Verbrauchers nutzbar ist, verlängert. It is also advantageous if the supply device a capacitor or equivalent Power storage element for short-term storage of part of the Voltage generator generated voltage signal for temporal Extension of the constant voltage signal contains. By the The capacitor thus becomes a relative to the constant Output signal of the voltage converter circuit increased voltage signal saved and when falling below the to operate the Consumer usable voltage released again; thereby is the time required for a sufficient or essentially constant power supply of the consumer can be used, extended.

Aufgrund der durch eine Temperaturänderung zur Verfügung stehenden vergleichsweise geringen Energiemengen ist es äußerst vorteilhaft, wenn der Verbraucher in ULP-("Ultra Low Power"- )Technik ausgeführt ist. Nur dann ist es für viele Anwendungen mit entsprechend kleinem Platzbedarf möglich, einen Verbraucher, insbesondere eine Ablaufsteuerung, über eine ausreichende Zeitdauer zu betreiben. Als ULP-Technik wird eine Leistungsaufnahme von weniger als 20 mW, insbesondere weniger als 10 mW, speziell zwischen 3 mW und 8 mW verstanden. Due to the change in temperature available it is extremely low advantageous if the consumer in ULP - ("Ultra Low Power" - ) Technology is executed. Only then is it for many Applications with a correspondingly small space requirement possible, one Consumers, in particular a sequence control, via a to operate for a sufficient period of time. As ULP technology is a power consumption of less than 20 mW, in particular less than 10 mW, specifically understood between 3 mW and 8 mW.

Als Anwendungsbeispiele für die Versorgungseinrichtung und/oder das Schaltungssystem sind die Temperatursensorik in der Industrie, im Auto oder an Heizungen/Heizkörpern zur Kostenerfassung bevorzugt. Beispielsweise kann bei jeder Temperaturänderung von ΔT = 1° kurzfristig eine Ablaufsteuerung, insbesondere in Form einer Halbleiterschaltung, aktiviert werden, welche die Temperaturen misst; die Weiterleitung der Messdaten wird vorzugsweise drahtlos über Funk realisiert. Insbesondere wird es bevorzugt, wenn das Schaltungssystem in eine Steueranlage integriert ist. Insbesondere ist es günstig, wenn die Messdaten mittels PLC ("Power Line Communication") weitervermittelt werden. As application examples for the supply facility and / or the circuit system are the temperature sensors in in industry, in the car or on heaters / radiators Preferred cost entry. For example, with each Temperature change of ΔT = 1 ° for a short time a sequence control, activated in particular in the form of a semiconductor circuit which measures the temperatures; forwarding the Measurement data is preferably implemented wirelessly via radio. In particular, it is preferred if the circuit system in a control system is integrated. In particular it is Favorable if the measurement data via PLC ("Power Line Communication ").

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Versorgungseinrichtung schematisch näher dargestellt: In the following exemplary embodiments, the Supply device shown schematically:

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Schaltungssystems, Fig. 1 is a schematic diagram showing a circuit system,

Fig. 2 zeigt ein an der Spannungswandlerschaltung abgreifbares Spannungssignal. Fig. 2 shows a can be tapped at the voltage converter circuit voltage signal.

Fig. 1 zeigt als Prinzipskizze ein Schaltungssystem mit einer Versorgungseinrichtung GEN und einem nachgeschalteten Verbraucher V. Fig. 1 shows a schematic diagram of a circuit system having a supply device GEN and a downstream consumer V.

Die Versorgungseinrichtung GEN umfasst einen pyroelektrischen Spannungsgenerator 1 und einen nachgeschalteten Spannungswandler 3. Zwischen Spannungsgenerator 1 und Spannungswandler 3 ist ein hochohmiger Schwellwertschalter 2 zur Überwachung der Spannung des Spannungsgenerators 1 und, bei Erreichen eines ausreichenden Spannungswertes, und Zuschaltung des Spannungswandlers 3 gegeben. Dem Spannungswandler 3 nachgeschaltet ist ein Kondensator 4, an dem vom Verbraucher V die Versorgungsspannung Unnutz abgegriffen wird. The supply device GEN comprises a pyroelectric voltage generator 1 and a downstream voltage converter 3 . Between the voltage generator 1 and the voltage converter 3 there is a high-resistance threshold switch 2 for monitoring the voltage of the voltage generator 1 and, when a sufficient voltage value is reached, and switching on the voltage converter 3 . The voltage converter 3 is followed by a capacitor 4 , on which the supply voltage Unnutz is tapped by the consumer V.

Der Verbraucher V ist eine Halbleiter-Ablaufsteuerung mit einem HF-Sender TX und Sendeantenne ANT. Angeschlossen ist ein Sensor S. Das Sendetelegramm des Verbrauchers V ist durch einen Identcode identifizierbar. Der Verbraucher ist in ULP- Technik mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 50 mW ausgeführt und sendet im Bereich von Millisekunden ein bis zu 512 bit langes Sendetelegramm aus. Das Sendetelegramm kann aber auch länger sein. The consumer V is a semiconductor sequence control with an HF transmitter TX and transmitting antenna ANT. A is connected Sensor S. The transmission telegram from consumer V is through an identifiable code. The consumer is in ULP Technology with a power consumption of less than 50 mW executed and sends in the range of milliseconds from one to 512 bit long send telegram. The send telegram can but also be longer.

Fig. 2 zeigt die Versorgungsspannung U_nutz, aufgetragen gegen die Zeit t. Fig. 2 shows the supply voltage U _util , plotted against time t.

Zu einem Zeitpunkt t0 schaltet der Schwellwertschalter 2 den Spannungswandler 3 zu ("ein"), wenn ein oberer Schwellwert UP erreicht ist. Die Spannung Unnutz fällt dann zwischen t1 und t2 ab, bis ein unterer Schwellwert LOW erreicht ist. Der Spannungsbereich zwischen UP und LOW ist die durch den Verbraucher V nutzbare Spannungsbreite. Bei Unterschreiten von LOW wird der Spannungswandler 3 vom Spannungsgenerator 1abgekoppelt ("aus"). Die Aktivierungszeit t2-t0 liegt im Bereich von Millisekunden. At a point in time t0, the threshold switch 2 switches the voltage converter 3 on (“on”) when an upper threshold value UP is reached. The voltage useless then drops between t1 and t2 until a lower threshold value LOW is reached. The voltage range between UP and LOW is the voltage range that can be used by the consumer V. If the voltage falls below LOW, the voltage converter 3 is decoupled from the voltage generator 1 (“off”). The activation time t2-t0 is in the range of milliseconds.

Claims

1. Supply device (GEN) with at least one pyroelectric voltage generator ( 1 ), characterized in that
a high-resistance threshold circuit ( 2 ) and
a voltage converter circuit ( 3 ) in ULP technology for converting a voltage signal (U _prim ) generated by the voltage generator ( 1 ) into an essentially constant voltage signal (U _util ),
are present, whereby
the voltage converter is connected to the voltage generator ( 1 ) via the threshold circuit ( 2 ),
the voltage converter ( 3 ) is suitable for connecting a consumer (V).

2. Supply device (GEN) according to claim 1, in which the pyroelectric voltage generator is electrical is encapsulated in an insulating manner.

3. Supply device (GEN) according to one of claims 1 or 2, in which a capacitor for storing a Part of that generated by the voltage generator Voltage signal is present.

4. Circuit system, having
a supply device (GEN) according to one of claims 1 to 3,
an electrically drivable consumer (V) which is connected to the supply device (GEN) for the voltage supply.

5. A circuit system according to claim 4, wherein the consumer (V) comprises a semiconductor circuit, in particular includes a sequence control in ULP technology.

6. Circuit system according to one of claims 4 or 5, that of the consumer (V) with at least one sensor (S) connected is.

7. Circuit system according to one of claims 5 to 6, the at least one downstream of the consumer (V) Transmitter (S) for sending a transmission telegram comprises.

8. Method for operating a sequence control in ULP technology, in particular in the form of a semiconductor circuit, in which
when a sufficient temperature difference (ΔT) is reached, a high-resistance threshold switch ( 2 ) connects a voltage converter circuit ( 3 ) to a pyroelectric voltage generator ( 1 ),
with the connection of the voltage converters ( 3 ), a voltage signal provided by the pyroelectric voltage generator ( 1 ) is prepared in such a way that the sequence control can be operated with it,
a transmission telegram is created by means of the sequence control, which is then emitted via a transmitter (TX).