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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur gepufferten Spannungsversorgung für Speichermodule nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1. Solche Schaltungsanordnungen kommen zum Einsatz,
wenn Speichermodule auch nach dem Abschalten der regulären Spannungsversorgung
ihren Inhalt nicht verlieren sollen.
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In vielen Bereichen der Technik sind
elektronische Schaltungen üblich,
die Daten in digitaler Form verarbeiten. Hierzu ist die Speicherung
der Daten in Speichermodulen eine wichtige Aufgabe. Es sind dazu
verschiedenste Speichermodule bekannt. Sogenannte Flash-Speicher
behalten ihren Inhalt, auch wenn sie mit keinerlei Betriebsspannung
versorgt werden. Dieser Speichertyp ist aber relativ langsam und
teuer, so daß sich
dessen Einsatz nicht immer als die günstigste Lösung erweist. Speichermodule
vom Typ DRAM (Dynamic Raudom Access Memory) benötigen jederzeit die volle Betriebsspannung,
da der Inhalt der Speicherzellen in kurzen Intervallen ausgelesen
und neu eingeschrieben werden muß. Solche Speichermodule vom
Typ DRAM eigenen sich nicht, um ein Gerät in einen stromsparenden Modus
zu versetzen, in dem gespeicherte Daten erhalten bleiben.
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Eine weitere Alternative stellen
Speichermodule vom Typ SRAM (Static Random Access Memory) dar. Bei
diesen Speichermodulen entfällt
die Notwendigkeit zum Auffrischen der Speicherzellen. Zum Erhalt
des Speicherinhalts genügt
ein Spannungsniveau, das etwas unter dem des zum regulären Betrieb
des Speichermoduls notwendigen Spannungsniveaus liegt. Zum Erhalt
der Daten ist außerdem
nur ein geringer Strom nötig,
so daß sich
beispielsweise über
eine Batterie der Erhalt der Daten sicherstellen läßt, wenn
die reguläre
Spannungsversorgung abgeschaltet wird.
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Als Beispiel sei ein SRAM Speichermodul der
Firma Samsung genannt, das unter der Typenbezeichnung K6F80161J6B
angeboten wird. Zum Betrieb dieses Speichermoduls ist ein Spannungsbereich
von 2.7 V bis 3.3 V spezifiziert, bei einem maximalen Betriebsstrom
von 28 mA. Für
den sogenannten Data Retention Mode, also zum Erhalt der Daten, kann
die Betriebsspannung bis auf 1.5 V absinken, so daß hier ein
Bereich von 1.5 V bis 3.3 V erlaubt ist. Der Strom beträgt im Data
Retention Mode typischerweise 0.5 μA, maximal 6 μA. Es läßt sich
also mit einer geeigneten Batterie ein Erhalt der Daten im Speichermodul
erreichen, auch wenn die reguläre
Spannungsversorgung nicht zur Verfügung steht.
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Es sind bereits Schaltungen bekannt,
die diese Aufgabe erfüllen.
So zeigt die
JP 10032941
A eine Schaltung, die verhindert, daß eine Batterie zur Pufferung
der regulären
Versorgungsspannung unzulässig
durch die reguläre
Versorgungsspannung geladen wird. Dazu ist die externe Versorgungsspannung über ein
erstes Halbleiterbauelement, hier einer ersten Diode, in Durchlaßrichtung
mit dem Speichermodul verbunden. Die zur Pufferung der Versorgungsspannung
vorgesehene Batterie ist über
eine Reihenschaltung eines Widerstandes und einer zweiten Diode
in Durchlaßrichtung
gleichfalls mit dem Speichermodul verbunden. Beim Anlegen einer
externen Versorgungsspannung wird diese durch die zweite Diode von
der Batterie abgeblockt, die Batterie wird also nicht geladen. Bei
Ausfall der externen Versorgungsspannung liegt über den Widerstand und die zweite
Diode die Spannung der Batterie am Speichermodul an. Da im Data
Retention Mode wie erwähnt
nur kleine Ströme
fließen,
ist der Spannungsabfall am Widerstand unbedeutend.
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Nachteilig an dieser Schaltung ist
aber, daß die
Batterie ein zum Speichermodul passendes Spannungsniveau abgeben
muß. Batterien
(oder andere zur Pufferung eingesetzte Spannungsversorgungen wie
z.B. Kondensatoren) mit einem Spannungsniveau oberhalb des zur Versorgung
des Speichermoduls zulässigen
Bereiches können
nicht eingesetzt werden, da sonst eine Zerstörung des Speichermoduls droht.
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Da es aber Speichermodule mit unterschiedlichen
Spezifikationen für
die Spannungsversorgung gibt, die es bereits notwendig machen, für den Betrieb
der Speichermodule unterschiedliche reguläre Spannungsversorgungen mit
Spannungsniveaus von z.B. 3 V und 5 V vorzuhalten, macht es eine
Schaltung nach dem Stand der Technik notwendig, auch zur Pufterung
unterschiedliche Systeme, z.B. mit unterschiedlichen Batterien einzusetzen.
Dies wirkt sich besonders dann Nachteilig aus, wenn ein komplexeres
System aus verschiedenen modularen Karten mit unterschiedlichen
Baugruppen zusammengesetzt wird, und auf den Karten jeweils unterschiedliche
Typen von Speichermodulen eingesetzt werden. Karten mit Speichermodulen
in 3 V – Technik
können
nach dem Stand der Technik nicht mit der Pufferbatterie versorgt
werden, die für
die Karten in 5 V – Technik vorgesehen
sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der eine gepufferte Spannungsversorgung
für Speichermodule möglich ist,
wobei für
Speichermodule mit unterschiedlichen Spezifikationen bezüglich der
Versorgungsspannung eine zusätzliche
Spannungsversorgung genügt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
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Es wird vorgeschlagen, die oben beschriebe Schaltung
zur gepufferten Spannungsversorgung eines Speichermoduls zu ergänzen durch
ein spannungsbegrenzendes Element, das die Spannung zwischen Widerstand
und zweiter Diode, deren Reihenschaltung die zusätzliche Spannungsversorgung mit
dem Speichermodul verbindet, gegenüber dem Erdpotential begrenzt.
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So kann bei richtiger Auslegung der
Schaltungsanordnung auch ein Speichermodul in 3 V Technik mit einer
zusätzlichen
Spannungsversorgung mit einem Spannungsniveau von 5 V versorgt werden.
Das Vorsehen eigener zusätzlicher
Spannungsversorgungen kann vermieden werden.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
anhand der Figuren. Dabei zeigt
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1 eine
Schaltungsanordnung zur gepufferten Spannungsversorgung, und
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2 ein
komplexes System mit mehreren funktionellen Einheiten.
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In 1 erkennt
man ein Speichermodul M vom Typ SRAM, das über ein in Durchlaßrichtung
gepoltes erstes Halbleiterbauelement, etwa eine Schottky – Diode
D1, mit einer regulären
Spannungsversorgung B1 verbunden ist. Schottky – Dioden eignen sich in dieser
Anwendung besonders gut, da der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung
(ca. 0.3 V) recht gering ist etwa im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterdioden
(ca. 0.7 V). Einen noch geringeren Spannungsabfall erzielt man,
wenn die Diode D1 durch ein anderes Halbleiterbauelement ersetzt
wird. So kann ein Transistor durch ein Reset-Signal der regulären Spannungsversorgung B1
durchgeschaltet werden. Dieses Reset-Signal zeigt dabei die Verfügbarkeit
der regulären
Spannungsversorgung an. Ist diese nicht verfügbar, sperrt auch der Transistor.
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In 1 erkennt
man weiter eine zusätzliche Spannungsversorgung
B2, die zur Pufferung der ersten Spannungsversorgung B1 dient. Über eine
Reihenschaltung eines Widerstandes R und einer zweiten Schottky – Diode
D2 ist auch diese zusätzliche Spannungsversorgung
B2 mit dem Speichermodul M verbunden. Der besseren Lesbarkeit halber
werden die beschriebenen Bauteile im Folgenden lediglich mit D1,
D2 und R bezeichnet.
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Die beiden Dioden D1 und D2 blocken
die beiden Spannungsversorgungen B1 und B2 voneinander ab. So verhindert
D2 eine unzulässige
Aufladung der zusätzlichen
Spannungsversorgung B2, bei der es sich üblicherweise um eine Batterie
handelt, die nicht aufgeladen werden darf. Fällt die reguläre Spannungsversorgung
B1 aus und geht deren Spannungsniveau U1 daher gegen Erdpotential,
so verhindert D1, daß von
der zusätzlichen
Spannungsversorgung B2 ein Strom über R und D2 Richtung Erdpotential
fließt.
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Um nun zu ermöglichen, daß ein Speichermodul in 3 V – Technik
auch mit einer zusätzlichen Spannungsversorgung
B2 auf höherem
Spannungsniveau U2 (beispielsweise 5 V) versorgt werden kann, wird
eine Zener – Diode
D3 in Sperrichtung vom Verbindungspunkt zwischen R und D2 zum Erdpotential
geschaltet. Zener – Dioden
eignen sich hier besonders gut, da diese für einen Betrieb in Sperrichtung
gedacht sind und mit einer großen
Bandbreite bzgl. ihrer Durchbruchsspannung angeboten werden.
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Die Durchbruchspannung der D3 begrenzt
in der vorliegenden Schaltungsanordnung im wesentlichen die Spannung,
die von der zusätzlichen
Spannungsversorgung B2 an das Speichermodul M im Batteriebetrieb
angelegt wird. Im Normalbetrieb verhindert die D2, daß z.B. bei
einem Spannungsniveau U1 von ca. 3V ein Strom von B1 über D3 fließen kann,
die eine Durchbruchspannung von ebenfalls 3V aufweist.
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Geht man nämlich von einem Speichermodul M
mit einem zulässigen
Spannungsbereich von 2.7 V bis 3.3 V aus, wird man eine Zener – Diode
D3 wählen,
die eine Durchbruchspannung bei 3 V aufweist, etwa aus der Familie
BZV55 der Firma Philips. Berücksichtigt
man den Temperaturkoeffizient dieser speziellen Zener – Diode
D3 und einen gewünschten Temperaturbereich
der Anwendung (0°C–70°C), so ergibt
sich für
R ein Widerstand von ca. 0.4 kΩ,
wenn die zusätzliche
Spannungsversorgung B2 ein Spannungsniveau U2 von 5 V liefert. D3
begrenzt dieses Spannungsniveau U2 dann auf einen für das Speichermodul
M zulässigen
und unschädlichen
Wert. Der Spannungsabfall an R spielt keine Rolle, da Ströme lediglich
im Bereich von wenigen μA
zum Speichermodul M fließen.
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Die gezeigte Schaltungsanordnung
ist auch sehr tolerant gegenüber
Schwankungen im Spannungsniveau U2 der zusätzlichen Spannungsquelle B2.
Besteht diese beispielsweise aus einer durch einen Kondensator gepufferten
5 V – Spannung,
so wird sich der Kondensator etwa nach Ausfall der Netzspannung
entladen und damit das Spannungsniveau U2 senken. Unterschreitet
U2 dabei die Durchbruchspannung der D3, so wird diese wirkungslos. Da
die Durchbruchspannung aber für
den spezifizierten Bereich des Speichermoduls ausgelegt ist, spielt dies
keine Rolle mehr.
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Dank der beschriebenen Schaltungsanordnung
kann das Speichermodul M seinen Speicherinhalt im Data Retention
Mode behalten, auch wenn das Spannungsniveau U2 der zusätzlichen
Spannungsversorgung B2 von 5 V auf unter 2 V abfällt. Dabei wird verhindert,
daß ein
Spannungsniveau U2 oberhalb des für das Speichermodul M spezifizierten Bereichs
das Speichermodul zerstört.
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In komplexeren Systemen können, wie
es schematisch in 2 dargestellt
ist, funktionelle Einheiten 1, 2, 3, 4 mit
unterschiedlichen Spezifikationen bezüglich der Versorgungsspannung
der in diesen Einheiten 1, 2, 3, 4 eingesetzten
Speichermodule M mit einer einzigen zusätzlichen Spannungsversorgung
B2 gepuffert werden. Hierzu ist in 2 die
beschriebene Schaltungsanordnung in den funktionellen Einheiten 3 und 4 anzuwenden.
Die dort eingesetzten Speichermodule M in 3 V – Technik können dann mit dem höheren Spannungsniveau
U2 von 5V aus der zusätzlichen
Spannungsversorgung B2 gespeist werden.
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Ein Beispiel für ein solches komplexes System
stellt eine Numerische Steuerung für eine Werkzeugmaschine dar,
in der unterschiedlichste funktionelle Einheiten wie Stromregler,
Lageregler oder auch Bedieneinheiten Speicherbausteine M unterschiedlicher
Spezifikation für
die Versorgungsspannung aufweisen können. Dank der beschriebenen Schaltung
genügt
in einem solchen System eine einzige zusätzliche Spannungsversorgung
B2 mit einem Spannungsniveau U2, das ausreichend ist auch für die Speichermodule
M mit der höchsten
benötigten Versorgungsspannung.
Speichermodule M, für
die dieses Spannungsniveau U2 oberhalb des spezifizierten Bereiches
liegt, werden dank der oben beschriebenen Schaltung nicht beschädigt.