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Anordnung zur Notstromversorgung von Halbleiterspeichern
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Notstromversorgung
von Halbleiterspeichern, die bei Ausfall der von der Netzspannung gewonnenen Betriebsspannung
von einer Batterie mit einem für die Aufrechterhaltung des Speicherinhalts erforderlichen
Strom versorgt werden.
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Eine derartige Anordnung ist bereits bekannt (DE-OS 24 22 285).
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Bei dieser Anordnung sind ein Notstromregler für den Halbleiterspeicher
sowie eine Entkopplungsdiode in Sperrichtung des Notstroms zwischen Akkumulator
und Treiberstufe und eine weitere Entkopplungsdiode in Sperrichtung des Notstroms
zwischen Akkumulator und Masse vorgesehen.
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Es ist auch eine Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Notstromversorgung
von Halbleiterspeichern bekannt, die einen zur Betriebsspannungsquelle parallel
geschalteten Akkumulator enthält. Der Akkumulator speist die Halbleiterspeichermatrix,
wenn die Betriebsspannung ausfällt. Die gespeicherten Daten bleiben daher erhalten.
Bei länger andauerndem Ausfall der Versorgungsspannung kann infolge der Entladung
des Akkumulators die Versorgungsspannung für die Halbleitermatrix so weit absinken,
daß die gespeicherten Daten teilweise oder ganz verlorengehen (Zeitschrift "ELECTRONICS",
May 8, 1972, S. 102, 103).
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Bekannt ist ferner ein gegen Spannungsausfall gesichertes Speichersystem,
bei dem die Netzspannung durch eine Schaltung überwacht wird. Bei den Speichern
handelt es sich um Flipflops, deren Ein- und Ausgänge über Dioden mit dem Ausgang
der Überwachungsschaltung verbunden sind, die bei vorhandener Netzspannung die Flipflops
mit einer Betriebsspannung versorgt. Unterschreitet die Netzspannung einen vorgegebenen
Pegel, dann gibt die überwachungsschaltung an ihrem Ausgang Massepotential ab, durch
das die Ein-und Ausgänge der Flipflops über die in Sperrichtung gepolten Dioden
gegen die Ein- und Ausgabe von Signalen gesperrt werden. Zugleich übernimmt eine
Batterie die Spannungsversorgung für die Flipflops.
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Diese Batterie ist durch eine in Sperrichtung gepolte Diode gegen
die Stromentnahme in Richtung des Ausgangs der Spannungsüberwachungsschaltung gesichert
(DE-OS 24 15 029).
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Schließlich ist ein in MOS-Technik ausgebildeter Speicher bekannt,
dessen Daten bei Netzausfall gesichert werden. Es handelt sich um einen dynamisch
arbeitenden MOS-Speicher, dessen Versorgungsspannung von einem Impulsgenerator erzeugt
wird, der durch eine Notstrombatterie gepuffert ist. Die Notstrombatterie, die eine
um 3 Volt niedrigere Ausgangsspannung als die Betriebsspannung abgibt, wird durch
in Sperrichtung gepolte Dioden bei vorhandener Betriebsspannung gesperrt (Electronik
1972, H. 9, S. 295, 296, 297).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs
beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß einerseits eine längere Notstromversorgung
möglich ist und andererseits lange vor Erschöpfung der Versorgungskapazität eine
Warnmeldung hervorgerufen wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen
Maßnahmen gelöst. Entfällt die von der Netzspannung gewonnene Betriebsspannung,
dann übernimmt die erste Batterie die Notstromversorgung, die sich je nach dem Stronverbrauch
des Halbieiterspeichers und der espazitQt der Batterie uber Tage, Wochen oder Monate
einziehen kann. Wenn aie Batterie erschöpft ist, übernimmt die zwei te batterie
die Notstromversorgung. Durch entsprechende Bemessung der
weiteren
Batterie kann die Notstromversorgung um Tage, Wochen oder Monate verlängert werden.
Zugleich wird gemeldet, daß die erste Batterie erschöpft ist und mit der Erschöpfung
der weiteren Batterie, d. h. dem Verlust der gespeicherten Daten,zu rechnen ist.
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Die im Anspruch 1 erläuterte Anordnung eignet sich insbesondere für
mit Halbleiterspeichern ausgerüstete Geräte, deren Daten auch bei sehr langer Unterbrechung
der Netzspannungszufuhr erhalten bleiben sollen. Es kann sich um industrielle Steuer-
und Regelgeräte handeln, die im Rahmen eines Fertigungs- oder überwachungsprozesses
eingesetzt werden, der beispielsweise durch Abschaltung der Netzspannung unterbrochen
und durch Einschaltung der Netzspannung wieder in dem Stadium in Betrieb genommen
werden kann, das zum Zeitpunkt der Abschaltung vorhanden war. Derartige Prozesse
werden z. B.
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nach Ablauf der täglichen oder wöchentlichen Arbeitszeit durch Abschalten
der Netzspannung stillgesetzt. Es kann aber auch vorkommen, daß eine Stillsetzung
wegen Betriebsferien oder anderweitiger Ursachen erfolgt. Mit der im Anspruch 1
beschriebenen Anordnung läßt sich ein solcher relativ langer Zeitraum ohne Verlust
des Inhalts des Halbleiterspeichers überbrücken, so daß eine Wiederaufnahme des
Prozesses unter den zum Zeitpunkt der Unterbrechung vorhandenen Bedingungen möglich
ist. Da nach der Erschöpfung der ersten Batterie eine Warnung erzeugt wird, kann
die erste Batterie ausgewechselt werden, um die mögliche Notstromversorgungszeit
zu verlängern. Für eine Batterie bestimmter Kapazität ist im allgemeinen die Zeitdauer
bekannt, in der die in einem vorgegebenen Halbleiterspeicher enthaltenen Daten aufrechterhalten
werden können. Falls bei Auftreten der Warnmeldung die Zeit bis zur Wiederaufnahme
des unterbrochenen oder noch zu unterbrechenden Prozesses kürzer als die mit der
Batterie überbrückbare Zeitdauer ist, kann mit dem Ersatz oder mit den: Aufladen
der Batterien bis zur Wiederaufnahme des Prozesses gewartet werden. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform ist die erste Batterie über eine Diode und die weitere Batterie
über zwei in Reihe geschaltete Dioden mit dem Speisespannungsanschluß des Halbleiterspeichers
verbunden, wobei zweckmäßigerweise ein Komparator eingangsseitig an die erste Batterie
und an die gemeinsame berbindungstelle der beiden in Reihe gelegten Dioden angeschlossen
ist. Die weitere Batterie speist infolge der beiden in Reihe geschalteten Dioden
so
lange keinen Strom in den Halbleiterspeicher ein, bis die Spannung
der ersten Batterie auf einen niedrigen Wert abgesunken ist, der um die Schwellenspannungen
einen der beiden in Reihe geschalteten Dioden kleiner als die Spannung der weiteren
Batterie ist.
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Vorzugsweise sind die Dioden Schottky-Dioden. Schottky-Dioden haben
kleine Schwellenspannungen. Die Nennspannungen der Batterien können daher niedriger
gewählt werden. Wenn die Batteriespannung entsprechend hoch bzw. die Schwelle der
Datenerhaltungsspannung niedrig ist, können normale Dioden verwendet werden, die
einen geringen Sperrstrom haben. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind
die Batterien Lithium-Zellen, wobei hochohmige Widerstände jeweils parallel zu den
Anschlüssen der ersten Batterie und parallel zu der Reihenschaltung der zweiten
Batterie und einer Diode gelegt sind. Die hochohmigen Widerstände verhindern, daß
die Sperrströme der Dioden mit zu den Speiseströmen entgegengesetzter Polarität
über die Lithium-Zellen fließen und diese beschädigen. Außerdem ergibt sich ein
definiertes Potential zwischen den beiden Dioden zur Meldung, daß die erste Batterie
leer ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Merkmale sowie Vorteile
ergeben.
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Es zeigen Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zur Notstromversorgung
von Halbleiterspeichern, Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der bei Notstromversorgung
des Halbleiterspeichers am Speisespannungsanschluß auftretenden Spannungen.
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Ein C-MOS-Halbleiterspeicher 1 ist mit seinem Speisespannungsanschluß
2 an den Ausgang eines Netzgeräts 3 angeschlossen, dessen Eingang 4 von der Netzspannung
beaufschlagt ist. Zur Notstromversorgung des Halbleiterspeichers 1 ist eine erste
Batterie 5
vorgesehen, die über eine Diode 6 mit dem Speisespannungsanschluß
2 verbunden ist. Die Diode 6 ist in Bezug auf die Batterie 5 in Durchlaßrichtung
gepolt. Eine weitere Batterie 7 ist über zwei in Reihe geschaltete Dioden 8, 9 ebenfalls
mit dem Speisespannungsanschluß 2 verbunden. Die Dioden 8, 9 sind bezüglich der
Batterie 7 in Durchlaßrichtung gepolt. Bei den Batterien 5, 7 handelt es sich vorzugsweise
um Lithium-Zellen. Die Dioden 6, 8, 9 sind-zweckmäßigerweise Schottky-Dioden.
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Parallel zu der Batterie 5 ist ein Widerstand 10 angeordnet.
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Ein weiterer Widerstand 11 ist parallel zu der Reihenschaltung der
Batterie 7 und der Diode 8 angeordnet. Ein Komparator 12 ist mit seinem nichtinvertierenden
Eingang an den positiven Pol der Batterie und mit seinem invertierenden Eingang
an die gemeinsame Verbindungsstelle der Dioden 8, 9 angeschlossen. Ein weiterer
Komparator 13 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang an den Speisespannungsanschluß
2 und mit dem invertierenden Eingang an den Pol 14 einer Referenzspannungsquelle
gelegt, deren Spannung gleich der unteren Schwellenspannung ist, unterhalb der die
gespeicherten Daten des Halbleiterspeichers verlorengehen.
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Wenn Netzspannung vorhanden ist, speist das Netzgerät 3 eine Gleichspannung
von z. B. + 5 V in den Speisespannungsanschluß 2 ein. Fällt die Netzspannung aus,
dann fließt ein Strom von der Batterie 5 über die Diode 6 in den Speisespannungsanschluß
2. Die Batterie 5 hat z. B. 3,6 V Ausgangsspannung. An der Diode 6 tritt ein Spannungsabfall
von etwa 0,3 V auf, so daß der Speisespannungsanschluß 2 mit 3,3 V beaufschlagt
wird. Die Batterie 7 hat ebenfalls eine Ausgangsspannung von 3,6 V. Auf Grund der
Summe der Schleusenspannungen der beiden Dioden 8, 9 von 0,6 V fließt so lange kein
Strom über die Dioden 8, 9, wie die Spannung am Speisespannungsanschluß 3,3 V beträgt.
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Lithium-Zellen halten ihre Ausgangsspannung nahezu während der gesamten
Entladung auf einem gleichbleibenden Wert. Erst kurz vor Erschöpfung der Batterie
sinkt die Ausgangsspannung stark ab und
geht danach in kurzer Zeit
auf den Wert Null zurück. Nach einer Unterbrechung der Netzspannung zum Zeitpunkt
t steht am Speisespannungsanschluß 2 daher eine Spannung von 3,3 V an, bis zum Zeitpunkt
t1 die Erschöpfung der Batterie 5 einsetzt. Dies macht sich durch einen starken
Abfall der Ausgangsspannung der Batterie 5 bemerkbar. Bei dem Zeitabschnitt t0 bis
t1 kann es sich, je nach der Kapazität der Batterie 5 und dem Stromverbrauch des
Halbleiterspeichers 1 um mehrere Wochen bzw. Monate handeln. Während dieser Zeit
ist bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung noch keine Meldung notwendig.
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Wenn die Spannung am Speisespannungsanschluß 2 auf 2,9 V zurückgegangen
ist, speist die Batterie 7 Strom über die Dioden 8, 9 in den Halbleiterspeicher
1 ein. Auf Grund der Erschöpfung der Batterie 5 sinkt die Spannung am nichtinvertierenden
Eingang des Komparators 12 unter die Spannung am invertierenden Eingang ab. Der
Komparator 12 wechselt daher sein Ausgangssignal, was als Warnung für die Notstromversorgung
mit der weiteren Batterie 7 optisch und/oder akustisch gemeldet werden kann.
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Die Kapazität der weiteren Batterie 7 ist beispielsweise unter Abstimmung
auf den für die Aufrechterhaltung der gespeicherten Daten notwendigen Stromverbrauch
des Halbleiterspeichers 1 so bemessen, daß die Daten bis zum Zeitpunkt t2 , d. h.
etwa bis zu einem weiteren Monat, gespeichert werden können. Damit lassen sich Betriebsurlaubszeiten
oder auf anderweitigen Gründen beruhende Stillegungen überbrücken.
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An Stelle von Lithium-Zellen können auch Nickel-Cadmium-Akkumulatoren
verwendet werden, wobei eine entsprechende Ladeschaltung vorzusehen ist, die sicherstellt,
daß vor der Einschaltung der Ladeströme eine eventuell vorhandene Warnungsmeldung
erfasst wird.
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Die beiden Widerstände 10 und 11, die etwa 1 MR aufweisen, verhindern,
daß
in die Batterien 5, 7 Ströme entgegen der Richtung der Speiseströme für den Halbleiterspeicher
1 fließen. Die Widerstände 10 und 11 leiten z. B. die in Sperrichtung der Dioden
6 und 9 fließenden Ströme ab.
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Der Komparator 13 überwacht die Spannung am Speisespannungsanschluß
2 auf eine für die Aufrechterhaltung der Daten im Halbleiterspeicher notwendige
untere Schwelle, die z. B. bei 2,2 V liegt.
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