DE2740763A1

DE2740763A1 - Integrierte stromversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE2740763A1
Application number: DE19772740763
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl Ing Leipold; Ruediger Dr Ing Mueller; Michael Dipl Ing Pomper
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1977-09-09
Filing date: 1977-09-09
Publication date: 1979-03-29
Also published as: BE870328A; FR2402900B1; GB2004138A; GB2004138B; IT7827365A0; US4174535A; IT1098525B; JPS5450859A; FR2402900A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT 3 Unser Zeichen

Berlin und München VPA 77 P 7 1 2 2 BRO

Integrierte Stromversorgungsschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Stromversorgungsschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Schaltung wurde bereits in der Deutschen Patentanmeldung P 26 38 086.9 vorgeschlagen. Dabei wurde die im Oberbegriff des Anspruchs 1 erwähnte Teilschaltung, die eine Lambdaförmige Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist, als Zweipol ausgebildet, dessen Anschlüsse den endseitigen Anschlüssen der Serienschaltung entsprechen. Dieser Zweipol wurde in Serie mit dem Kondensator an eine Wechselspannungsquelle angeschaltet, wobei die Anschlüsse des Kondensators gleichzeitig einen Schaltungsausgang bildeten, der zu einer mit Gleichstrom zu versorgenden Schaltung

15 führte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgeschlagene Schaltung im Hinblick auf eine größere Betriebssicherheit und einen kleineren Leistungsverbrauch zu verbessern. 20

Dies wird durch eine Anwendung der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Wirkungsweise der Stromversorgungsschaltung von der Größe des Eingangswiderstandes der mit Gleichstrom zu versorgenden Schaltung weitgehend unabhängig ist und daß auch bei hochohmigen

St 1 CKa / 31.08.1977

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Werten dieses Eingangswiderstandes eine von der Amplitude der eingangsseitig an die Stromversorgungsschaltung gelegten Spannung abhängige Unterbrechung des den Kondensator aufladenden Stroms erfolgt, so daß die Verlustleistung der Stromversorgungsschaltung klein gehalten wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der bereits vorgeschlagenen Strom-Versorgungsschaltung,

Fig. 2 die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Teilschaltung von Fig.1, Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 4 das Prinzipschaltbild eines zweiten AusfUhrungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 Strom-Spannungs-Kennlinien von Teilschaltungen der Aus-

fiihrungsbeispiele nach den Figuren 3 und 4, Fig. 6 eine Weiterbildung einer Teilschaltung der Erfindung, Fig. 7 eine andere Weiterbildung derselben Teilschaltung der Erfindung,

Fig. 8 ein drittes Ausflihrungsbeispiel der Erfindung und Fig. 9 die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Teilschaltung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 8.

Die in Fig. 1 dargestellte, bereits vorgeschlagene, integrierte Stromversorgungsschaltung weist einen Schaltungseingang mit den Anschlüssen 1 und 2 auf, denen eine Spannung U zugeführt wird. Eine Teilschaltung, die zwischen dem Anschluß 1 und einem Schaltungspunkt 3 als Zweipol eingefügt ist, besteht aus einem ersten Feldeffekttransistor TS vom Anreicherungstyp, zu dessen Source-Drain-Strecke eine erste Serienschaltung parallel geschaltet ist, die aus der Source-Drain-Strecke eines zweiten Feldeffekttransistors TR vom Anreicherungstyp und einem Lastelement 4 besteht. Das Gate des Feldeffekttransistors TS ist mit dem Verbindungspunkt 5 der Serienschaltung TR,4 verbunden, während das Gate des Feldeffekttransistors TR an den Verbindungspunkt 6 einer weiteren Serienschaltung geführt ist, die aus zwei Widerstandselementen 7

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und TD besteht und mit ihren endseitigen Anschlüssen der ersten Serienschaltung TR,4 parallel geschaltet ist. TD bedeutet dabei einen als Lastelement geschalteten Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps, dessen Gate mit den an den Eingangsanschluß 1 geschalteten, endseitigen Anschlüssen beider Serienschaltungen verbunden ist.

Bezeichnet man den bei 1 in die Schaltung fließenden Strom mit I-j und die zwischen den Punkten 1 und 3 gemessene Spannung als U, so ergibt sich zwischen diesen Größen eine Abhängigkeit entsprechend der in Figur 2 dargestellten Kennlinie. Danach sind die beiden Feldeffekttransistoren TS und TR bei kleinen Werten von U solange gesperrt, bis die Einsatzspannung U_m von TS erreicht ist. Oberhalb von U_m ergibt sich ein ansteigender Ast 8 der Kennlinie 1,./U , der nach dem Erreichen eines Spannungswertes U_m ^f und nach dem Überschreiten eines maximalen Stromwertes I-j_max in einen fallenden Ast 9 übergeht. Bei einer Abschaltspannung U., wird der Strom I^ dann schließlich unterbrochen. Der Ast 9 der Kennlinie erklärt sich daraus, daß der bei kleinen Spannungen U₀ gesperrte Feldeffekttransistor TR beim Überschreiten von U_m' in den leitenden Zustand gelangt und zusammen mit dem Lastelement 4 einen Inverter darstellt, der über seinen Ausgang 5 die Spannung am Gate des Feldeffekttransistors TS mit steigender Spannung U immer mehr verringert. Bei dem dargestellten Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie nach Fig. 2 spricht man von einer Lambda-Form. Die aus den Elementen TD und 7 gebildete Serienschaltung hat dabei die Aufgabe, die Spannung U₃ zu teilen, wobei die im Schaltungspunkt 6 abgegriffene Teilspannung dem Gate des Feldeffekttransistors TR zugeführt wird. Daher ergibt sich trotz strukturell bedingter gleicher Einsatzspannungen der Feldeffekttransistoren TS und TR eine Einschaltung des letzteren bei der in Fig. 2 dargestellten Spannung U_m'. Weisen die Feldeffekttransistoren TS und TR strukturell bedingte unterschiedliche Einsatzspannungen der Werte U_m und U_m' auf, so kann die Spannungsteilerschaltung TD,7 auch entfallen und durch eine Verbindung zwischen dem Gate von TR und dem Schaltungspunkt 1 ersetzt werden, die in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet ist.

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Der gemäß Fig. 2 impulsförmig auftretende Strom I.. lädt einen Kondensator C auf, der seinerseits über eine mit seinen Anschlüssen 3 und 10 verbundene Nutzschaltung 11 wieder entladen wird. Dabei wird der Nutzschaltung 11 ein Gleichstrom I₂ zugeführt. 5

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine an dem Schaltungseingang £1, E2 liegende Spannung U den endseitigen Anschlüssen der Serienschaltung TR, 4 zugeführt, die in Fig. 3 und in den weiteren Figuren mit 13 und 14 bezeichnet sind. Die als Spannungsteiler wirkende Serienschaltung 7, 15 entspricht dabei der aus den Teilen 7 und TD bestehenden Serienschaltung nach Fig. 1, wobei lediglich der als Lastelement geschaltete Feldeffekttransistor TD durch ein allgemeineres, mit 15 bezeichnetes Widerstandssymbol ersetzt ist. Weitere bereits anhand von Fig. 1 erläuterte Einzelheiten tragen in Fig. 3 dieselben Bezugszeichen. Die Anschlüsse des Kondensators C sind mit 15 und 16 bezeichnet.

Im Gegensatz zu Fig. 1 ist in Fig. 3 die aus dem Feldeffekttransistor TR und dem Lastelement 4 bestehende Serienschaltung parallel zum Schaltungseingang E1, E2 vorgesehen. Der Kondensator C ist mit seinen Anschlüssen 15 und 16 in die Verbindung zwischen dem Sourceanschluß des ersten Feldeffekttransistors TS und dem Anschluß 14 der Serienschaltung TR,4 eingeschaltet. Dabei liegt die Nutzschaltung 11 im Sourcekreis des Feldeffekttransistors TS. An die Stelle der Spannung U_, die in Fig. 1 als Spannung an den Schaltungspunkten 1 und 3 definiert wurde und die Feldeffekttransistoren TS und TR steuerte, tritt nunmehr die Spannung U, die an dem Eingang E1, E2 anliegt. Damit hat die Größe des Eingangswiderstandes der Schaltung 11, die die Spannung IL in Fig. 1 beeinflüssen konnte, in Fig. 3 keinen Einfluß auf das Verhalten der Schaltung. Während in Fig. 1 beispielsweise bei einem hochohmigen Eingangswiderstand der Schaltung 11 auch bei hohen Werten der Eingangs spannung U durch die entstehende Spannungsteilung eine relativ kleine Spannung U entstand, die z. B. einen maximalen Strom I-|_max und damit eine große Verlustleistung verursachte, ist bei der Schaltung gemäß Fig. 3 sichergestellt, daß bei Eingangs-

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spannungen, die oberhalb der Abschaltspannung U_A, liegen, kein Strom I₁ fließt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich von Fig. 3 lediglich dadurch, daß der Kondensator C mit seinen Anschlüssen 15 und 16 zwischen den Drainanschluß des ersten Feldeffekttransistors TS und den Anschluß 13 der Serienschaltung TR, 4 eingeschaltet ist.

Die Abhängigkeit des bei E1 in die Schaltung fließenden Stromes I₁ von der bei E1, E2 anliegenden Spannung U, die die Feldeffekttransistoren TS und TR unmittelbar und belastungsunabhängig steuert, ist für die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 3 und 4 durch die in Fig. 5 dargestellten Strom-Spannungs-Kennlinien dargestellt, wobei die zu Fig. 3 gehörige Kennlinie mit a und die zu Fig. 4 gehörige mit b bezeichnet sind. Wie hieraus hervorgeht, wird bei einem Spannungswert U^ der Spannung U mit der Schaltung nach Fig. 3» bei der die Last 11 im Sourcekreis von TS liegt, ein maximaler Strom I_{1max a} erreicht, während bei der Schaltung nach Fig. 4, bei der die Last 11 im Drainkreis von TS liegt, unter sonst gleichen Verhältnissen ein größerer Strom I_{1max b} erreicht wird.

In den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 und 4 ist es zweckmäßig, dem Eingang E1, E2 der Stromversorgungsschaltung eine Gleichrichteranordnung 12, insbesondere einen Doppelweggleichrichter oder einen Brückengleichrichter, vorzuschalten. Dem mit E1· und E2' bezeichneten Eingang der Gleichrichteranordnung 12 wird dann eine Wechselspannung U zugeführt, während der Eingang

E1, E2 vom Ausgang der Anordnung 12 mit einer Spannung U beaufschlag
steht.

schlagt wird, die aus den gleichgerichteten Halbwellen von U be·

In Fig. 6 ist eine bevorzugte Ausbildung der zwischen den Schaltungspunkten 13 und 14 liegenden Serienschaltungen dargestellt. Dabei besteht das Widerstandselement 7 aus einem Feldeffekttransistor TD₁ vom Verarmungstyp, dessen Gate mit seinem Sourcean-

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Schluß verbunden ist, während das Lastelement 4 in analoger Weise durch einen Feldeffekttransistor TD₂ gebildet wird. Das Widerstandselement 15 ist als eine Serienschaltung mehrerer Zenerdioden ausgebildet und mit ZD bezeichnet. Hierdurch wird die Abschaltspannung U_At) nach Fig. 5 durch die Zenerspannung eindeutig bestimmt, während sie in der Schaltungsausführung nach den Figuren 3 und 4 durch das Widerstandsverhältnis der Widerstandselemente 7 und 15 eingestellt werden muß.

Die Schaltung nach Fig. 6 kann dann gemäß Fig. 7 für eine hohe Spannung U ausgelegt werden. Hierzu wird ein weiterer Feldeffekttransistor TD, des Verarmungstyps mit einer leitenden Verbindung zwischen seinem Gate und seinem SourceanSchluß in Serie zu der Zenerdiodenschaltung ZD vorgesehen. An diesem fällt dann ein großer Teil der Spannung U ab, so daß die übrigen Teile der Schaltung vor Überspannungen geschützt sind. Für eine Begrenzung der Gate-Source-Spannung an TR ist es dabei zweckmäßig, eine oder mehrere Zenerdioden, die in Fig. 7 mit ZD^ bezeichnet sind, oder andere spannungsbegrenzende Elemente, z. B. in Flußrichtung gepolte Dioden zwischen das Gate und den Sourceanschluß von TR zu schalten.

In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das von einer Schaltung gemäß Fig. 4 ausgeht und entsprechend Fig. 6 ausgebildete, zwischen den Schaltungspunkten und 14 liegende Serienschaltungen aufweist. Zusätzlich ist ein Feldeffekttransistor TK mit seiner Source-Drain-Strecke der Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors TR parallel geschaltet. Zwischen dem Schaltungspunkt 14 und dem Sourceanschluß von TS ist ein weiteres Widerstandselement 17 vorgesehen, an dessen sourceseitiges Ende das Gate des Feldeffekttransistors TK geschaltet ist. Die zusätzlichen Schaltelemente ergeben die Wirkung einer Stromgegenkopplung, die den Strom I* innerhalb eines großen Teiles des Durchlaßbereiches Um bis U., auf einen Wert I„ be-

l ad imax,c

grenzt. Beim Überschreiten von I-j_{max c} wird der Feldeffekttransistor TK durch den dann größer werdenden Spannungsabfall an 17 weiter geöffnet, so daß eine dem Anstieg von I«j entgegengerichtete Absenkung der Gatespannung von TS erfolgt.

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Die angegebenen Ausführungsbeispiele der Stromversorgungsschaltung nach der Erfindung gelten für positive Spannungen U und sind in N-Kanal-Technik ausgeführt. Ebensogut eignen sich aber auch Schaltungen mit P-Kanal-Transistoren bei entsprechender Umkehrung der Spannungspolaritäten.

Die mit einem Widerstandssymbol gekennzeichneten Widerstandselemente können, soweit sie nicht als Feldeffekttransistoren des Verarmungstyps mit einer leitenden Verbindung zwischen dem Gate und dem Sourceanschluß ausgeführt sind, in beliebiger, dem Fachmann bekannter Weise realisiert sein, so z. B. als diffundierte oder implantierte Widerstandsschichten oder dergleichen. Die Schaltung nach der Erfindung eignet sich mit besonderem Vorteil für eine Realisierung in MOS-Technologie. Dabei ist es zweck-

> mäßig, alle dargestellten Schaltungsteile einschließlich der Nutzschaltung 11 auf einem Halbleiter-Chip zu integrieren, wobei lediglich der Kondensator C als ein zuschaltbares, externes Bauelement ausgebildet wird.

9 Patentansprüche
9 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1.) Integrierte Stromversorgungsschaltung mit einer eine Lambda-

örmige Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisenden Teilschaltung, die einen ersten Feldeffekttransistor enthält, mit dessen Source-Drain-Strecke eine aus einem Lastelement und der Source-Drain-Strecke eines zweiten Feldeffekttransistors gebildete Serienschaltung verbunden ist, wobei das Gate des ersten Feldeffekttransistors an den Verbindungspunkt des Lastelements und des zweiten Feldeffekttransistors geschaltet ist, während dessen .Gate direkt oder über einen Spannungsteiler an den drainseitigen Anschluß der Serienschaltung geführt ist, und mit einem als externes, zuschaltbares Bauelement ausgebildeten Kondensator, dessen Anschlüsse einen Schaltungsausgang bilden, der zu einer mit Gleichstrom zu versorgenden Schaltung führt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (E1, E2) der Stromversorgungsschaltung zu den endseitigen Anschlüssen (13, 14) der Serienschaltung (TR,4) parallel geschaltet ist, die gegebenenfalls mit den endseitigen Anschlüssen des Spannungsteilers (7, 15) verbunden sind, und daß der Kondensator (C) mit seinen Anschlüssen (15, 16) in die Verbindung zwischen dem einen Anschluß der Source-Drain-Strecke des ersten Feldeffekttransistors (TS) und dem auf derselben Seite der Source-Drain-Strecke liegenden, endseitigen Anschluß (13 bzw. 14) der Serienschaltung (TR,4) eingefügt ist.

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) zwischen dem Sourceanschluß des ersten Feldeffekttransistors (TS) und dem sourceseitigen Anschluß (14) der Serienschaltung (TR,4) eingefügt ist.

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) zwischen dem Drainanschluß des ersten Feldeffekttransistors (TS) und dem drainseitigen Anschluß (13) der Serienschaltung (TR,4) eingefügt ist.

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4. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichent, daß dem Eingang (E1, E2) der Stromversorgungsschaltung eine Gleichrichteranordnung (12) vorgeschaltet ist.

5. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Teilerwiderstände des Spannungsteilers (7, 15) einen als Lastelement geschalteten Feldeffekttransistor (TD,.) aufweist.

6. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Teilerwiderstände des Spannungsteilers (7, 15) eine oder mehrere in Serie zueinander geschaltete Zenerdioden (ZD, ZD₁) aufweist.

7. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem drainseitigen Anschluß (13) der Serienschaltung (TR,4) verbundene Teilerwiderstand (15) aus der Serienschaltung eines als Lastelement geschalteten Feldeffekttransistors (TD,) mit einer oder mehreren in Serie zueinander liegenden Zenerdioden (ZD) besteht.

8. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem sourceseitigen Ende (14) der Serienschaltung (TR,4) verbundene Teilerwiderstand (7) aus der Parallelschaltung eines als Lastelement geschalteten Feldeffekttransistors (TD..) mit einer oder mehreren in Serie zueinander liegenden Zenerdioden (ZD₁) besteht.

9. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Feldeffekttransistor (TK) mit seiner Source-Drain-Strecke parallel zur Source-Drain-Strecke des zweiten Feldeffekttransistors (TR) geschaltet ist, daß ein zusätzliches Widerstandselement (17) zwischen dem sourceseitigen Anschluß (14) der Serienschaltung (TR, TDp) und dem Sourceanschluß des ersten Feldeffekttransistors (TS) eingefügt ist und daß das Gate des weiteren Feldeffekttransistors (TK) mit dem Sourceanschluß des ersten Feldeffekttransistors (TS) verbunden ist.

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