DE69802207T2

DE69802207T2 - Regelbarer spannungswandler mit ladungspumpe

Info

Publication number: DE69802207T2
Application number: DE69802207T
Authority: DE
Inventors: M. Mansfield
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: CN1258392A; US5841648A; DE69802207D1; EP1016201B1; HK1027684A1; JP2002500858A; AR012869A1; JP3429009B2; CN1134884C; AU7384198A; MY120744A; WO1998054825A1; EP1016201A1

Description

Erfindungsfeld

Die vorliegende Erfindung betrifft eine einstellbare Ausgabeladungspumpe und insbesondere eine Stromversorgungs- und Kontrasteinstellungsschaltung für ein eigensicheres, rückbeleuchtetes Flüssigkristalldisplay unter Verwendung einer einstellbaren Ausgabeladungspumpe.

Problemstellung

Bestimmte Branchen verwenden und schreiben Standards für die "Eigensicherheit" in Bezug auf die Instrumentierung in bestimmten gefährlichen" Bereichen innerhalb einer Prozesssteuerungsanlage vor. Gefährliche Bereiche sind diejenigen Bereiche einer Prozesssteueranlage, bei denen die Möglichkeit einer explosiven Umgebung besteht. Um sicher in einem gefährlichen Bereich verwendet werden zu können, muss eine Prozesssteuerinstrumentierung Schutzmaßnahmen verwenden, um die Entzündung von Materialien in der explosiven Umgebung zu verhindern. Dies kann durch verschiedene Methoden einschließlich von Verkapselung, Druck und die Verwendung einer flammensicheren Umschließung erreicht werden. Diese Verfahren funktionieren, indem sie verhindern, dass die entflammbare Atmosphäre mit der Vorrichtung in Kontakt kommt, deren heiße Oberflächen oder Funken eine Entzündung verursachen könnten. Die Eigensicherheit ist ein anderes Schutzverfahren, bei dem die Atmosphäre in Kontakt mit der Vorrichtung kommen darf, weil die Vorrichtung derart aufgebaut ist, dass sie keine Entzündung in der Atmosphäre verursachen kann, auch wenn Fehler in der Vorrichtung auftreten oder auf dieselbe wirken. Die Erfordernisse der Eigensicherheit werden erfüllt, indem die Energiemenge in einer Schaltung begrenzt wird, so dass keine Funken und Wärme erzeugt werden können, welche die Atmosphäre entzünden könnten.
Die Energiemenge in einer eigensicheren Schaltung (IS-Schaltung) wird sowohl in Bezug auf die augenblickliche Energie als auch in Bezug auf die gespeicherte Energie beschränkt. Die augenblickliche Energie wird durch Sperrschaltungen begrenzt, die in einem flammensicheren Behälter oder einem sicheren Bereich angeordnet sind. Gewöhnlich wird der Hauptteil der Schaltung mit einem Teil der Prozesssteuerinstrumentierung in einem sicheren Bereich oder in einem flammensicheren Behälter innerhalb eines gefährlichen Bereichs untergebracht. Jede Verbindung zwischen der Schaltung innerhalb des flammensicheren Behälters und der IS-Schaltung erfolgt über eine Sperrschaltung, die den maximalen Strom und die maximale Spannung für die IS-Schaltung begrenzt. Die in den Sperrschaltungen verwendeten Komponenten sind relativ groß und relativ teuer, so dass die Produktkosten und Packungsgrößen zunehmen, wenn die Anzahl der Verbindungen zu einer IS-Schaltung zunimmt. Die in der IS-Schaltung gespeicherte Energie wird begrenzt, indem die Größe der Energiespeichereinrichtungen wie etwa der Kondensatoren und Induktionsspulen in der 15- Schaltung minimiert wird.
Es ist vorteilhaft, wenn in Prozessanlagen verwendete Instrumente eine lokale Anzeige von Daten (hier als Vor-Ort-Display bezeichnet) aufweisen. Vor-Ort-Displays sind für die Benutzer der Prozessteuerinstrumentierung vorteilhaft, wobei insbesondere rückbeleuchtete Displays das Lesen der Displays bei schlechten Lichtverhältnissen unterstützen. Die Anforderungen der Eigensicherheit stellen schwierige Implementierungsprobleme für Vor- Ort-Displays und insbesondere für rückbeleuchtete Displays. Ein Vor-Ort-Display kann innerhalb eines transparenten explosionssicheren Behälters eingeschlossen sein, wobei dies aber eine extrem teuere Lösung ist, die für die meisten Anwendungen nicht realistisch ist. Die Anforderungen der Eigensicherheit begrenzen die Leistungsmenge, die dem Vor-Ort- Display zugeführt werden kann. Weiterhin erfordert ein rückbeleuchtetes Flüssigkristalldisplay (LCD-Display) drei Stromversorgungen. Eine Versorgung zum Betreiben der digitalen Schaltung, eine zweite Versorgung für den Displaykontrast und eine dritte Versorgung für die Rückbeleuchtung. Bestehende LCD-Displays in der Prozesssteuerbranche sind deshalb relativ klein (eine oder zwei Zeilen) und sind auch nicht rückbeleuchtet.
Es besteht ein Bedarf für ein eigensicheres, rückbeleuchtetes Flüssigkristall-Display (LCD- Display), das eine minimale Anzahl von Verbindungen zwischen der IS-Schaltung mit dem LCD-Display und der Sicherungsschaltung innerhalb des sicheren Bereichs oder flammensicheren Behälters umfasst.

Lösung

Die oben beschriebenen und andere Probleme werden durch das System zur Stromversorgung und Kontrasteinstellung der vorliegenden Erfindung gelöst, das einen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik darstellt. Das System der vorliegenden Erfindung gibt ein eigensicheres, von hinten beleuchtetes LCD-Display an, das die gesamte Stromversorgung über zwei Verbindungen von einem flammensicheren Behälter empfängt. Zwei zusätzliche Verbindungen sehen ein Signal für das Display vor. Alle drei Stromversorgungen für die IS- Schaltung werden durch eine sorgfältige Verwendung der einzigen angelegten IS-Spannung und die Verwendung einer Ladungspumpe mit einer einzigartigen Architektur erreicht.
Eine einzige eigensichere Spannung (IS_PWR) wird über zwei Verbindungen (zwischen IS_PWR+ und IS_PWR-) von einem sicheren Bereich oder einem flammensicheren Behälter zu der IS-Schaltung zugeführt. Das Display erfordert drei Versorgungsspannungen für den korrekten Betrieb. VCC (+5 V) ist die zum Betreiben der digitalen Schaltung des LCD-Displays verwendete Spannung. VEE ist eine variable negative Spannung, die für die Kontraststeuerung des LCD-Displays verwendet wird. Vbl ist die Versorgung für die Rückbeleuchtung. Die Rückbeleuchtung niedriger Spannung wird durch ein schwebendes Array von Leuchtdioden vorgesehen, so dass die Gleichtaktspannung von Vbl irrelevant ist. In dem System der vorliegenden Erfindung werden alle drei Versorgungsspannungen von IS_PWR abgeleitet. VCC wird unter Verwendung eines Negativreglers abgleitet, um effektiv die "oberen" 5 Volt von IS_PWR als 5V-VCC-Versorgung zu verwenden. Dadurch wird die VCC-Spannung für das Display vorgesehen, was auch den Vorteil hat, dass die Überschussspannung des Reglers nicht verschwendet wird. Tatsächlich wird die Überschussspannung des Negativreglers zu der Ausgabe einer Ladungspumpe addiert, um die VEE-Spannung vorzusehen. Die Rückbeleuchtung wird durch die rohe IS_PWR-Versorgungsspannung vorgesehen, da die Rückbeleuchtungsschaltung aus einem schwebenden Array von Dioden besteht und die Gleichtaktspannung irrelevant ist.
Eine Ladungspumpe wird verwendet, um IS_PWR zu einer variablen, negativen Spannung VEE zum Steuern des LCD-Kontrastes umzuwandeln. Bestehende Kontraststeuerschaltungen verwenden eine fixe negative Versorgungsspannung mit einem einstellbaren sekundären Durchlasselement, z. B. einem Operationsverstärker und einem Transistor, um die Amplitude der am Display angelegten Spannung für die Kontrasteinstellung zu variieren. Das Durchlasselement erfordert jedoch einen Spannungsüberschuss, der in Verbindung mit der erforderten Displaykapazität die Anforderungen der Eigensicherheit in Bezug auf Energiespeicherelemente verletzt.
In dem System der vorliegenden Erfindung wird die im Ladekondensator der Ladungspumpe gespeicherte Spannung gesteuert, so dass die Ausgabe der Ladungspumpe einen gewünschten Spannungspegel aufweist, ohne dass weitere Steuerelemente erforderlich sind. Eine Stufe der Ladungspumpe enthält zwei Kondensatoren. Der Ladekondensator wird auf die Eingangsspannung geladen und dann in den Filterkondensator entladen. Die Ladungspumpe erzeugt eine Ausgangsspannung, die von der über den Ladekondensator gespeicherten Spannung abhängig ist. In der vorliegenden Erfindung wird ein Transistor mit dem Ladekondensator in Reihe geschaltet. Die Impedanz des Transistors wird gesteuert, um Spannung von dem Ladekondensator zu stehlen". Auf diese Weise wird die Ausgabe der Ladungspumpe direkt gesteuert, indem die Impedanz des Transistors mit einer Steuerschleife gesteuert wird, um die gewünschte Ladungspumpenausgabe zu erzeugen. Die Ausgabe der Ladungspumpe wird mit der überzähligen Spannung des negativen Reglers summiert, um eine Spannung VEE zu erzeugen, die von ungefähr -4 V bis ungefähr -12 V variabel ist.
Die Ladungspumpe der vorliegenden Erfindung wird mit einer relativ hohen Frequenz betrieben, um die Größe der Kondensatoren in der Ladungspumpe zu minimieren. Dies erhöht weiterhin die eigensicheren Eigenschaften des Systems der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung verwendet weine einzige Versorgung (IS_PWR) von ungefähr 9 Volt, um VCC (+5 V), VEE (-4 V bis -12 V) und Vbl (+9 V) zu erhalten. Die Steuer- und Speicherelemente von bestehenden Systemen werden durch die sorgfältige Verwendung einer gesteuerten Ladungspumpe und eines Negativreglers beseitigt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Instruments innerhalb eines gefährlichen Bereichs;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Schnittstelle zwischen einer Schaltung in einem sicheren Bereich und einer eigensicheren Schaltung;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer Stromversorgung und einer Kontraststeuerung für ein eigensicheres LCD-Display gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer bestehenden Ladungspumpe;
Fig. 5 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ladungspumpe und einer Kontraststeuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht einer Stromversorgung und einer Kontraststeuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung

Eigensicherheit allgemein - Fig. 1-2

Das Konzept und die Anforderungen für die Eigensicherheit werden im Folgenden mit Bezug auf Fig. 1-2 erläutert. Das allgemeine Konzept der Eigensicherheit bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung, wobei jedoch deren Anforderungen einen Teil der Motivation für die vorliegende Erfindung darstellen. Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Teils einer Prozesssteuerinstrumentierung 101 innerhalb einer gefährlichen Umgebung 100. Die Instrumentierung 101 umfasst einen flammensicheren Behälter 102, der über Verbindungen 104 mit einer eigensicheren Schaltung (IS-Schaltung) 103 verbunden ist. Eine eigensichere Schaltung ist eine Schaltung, in der durch die Schaltung erzeugte Funken oder thermische Effekte keine Entzündung einer bestehenden explosiven Atmosphäre wie etwa der gefährlichen Umgebung 100 verursachen können. Verschiedene Standardisierungsorganisationen auf der Welt haben definiert, was eine gefährliche Umgebung ist, und Standards für den Aufbau einer in derartigen Bereichen zu verwendenden Instrumentierung gesetzt. Der europäische Standard EN 50020 ("Electrical apparatus for potentially explosive atmospheres - Intrinsic safety ,i'") ist ein Beispiel für einen derartigen Standard. Standards wie der europäische Standard EN 50020 definieren die augenblickliche Leistung (in Bezug auf Strom und Spannungspegel) von allen Signalen über die Verbindungen 104 zu der IS-Schaltung 103. Diese Standards definieren auch die gestattete Menge von gespeicherter Energie in der IS-Schaltung 103. Für eine Schaltung, die einen Standard wie den europäischen Standard EN 50020 erfüllen soll, dürfen Fehlanwendungen der IS-Schaltung 103 oder in derartigen Standards vorgeschriebene zählbare und nicht-zählbare Fehler, die in der IS-Schaltung 103 oder in den innerhalb des flammensicheren Behälters 102 enthaltenen Schaltungen auftreten können, nicht zur Folge haben, dass in der IS-Schaltung 103 eine ausreichende Energie vorhanden ist, um die Entzündung einer bestimmten explosiven Atmosphäre in der gefährlichen Umgebung 100 zu verursachen.
Fig. 2 stellt die Schnittstelle zwischen der IS-Schaltung 103 und dem flammensicheren Behälter 102 im größeren Detail dar. Die Elemente 200-205 umfassen eine Stromversorgung die extern zu der IS-Schaltung 103 vorgesehen ist und eine eigensichere Stromversorgung über die Leitungen IS_PWR+ und IS_PWR- zu der IS-Schaltung 103 vorsieht. Der Umsetzer 201 sieht die fundamentale galvanische Isolation für die an der IS-Schaltung 103 angelegte IS_PWR vor. Die Sicherung 200 schützt den Umsetzer 201 vor Wärme und sieht eine Obergrenze für den Strom auf dem Sekundärkreis des Umsetzers 201 vor. Der Gleichrichter 202 richtet die Wechselspannung auf dem Sekundärkreis des Umsetzers 201 gleich. Der Regler 203 nimmt die gleichgerichtete Wechselspannung aus dem Gleichrichter 202 und gibt eine geregelte Gleichspannung ein und aus. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Ausgabe des Spannungsreglers 203 gleich 11 V. Die Eigensicherheits-Sperre (IS-Sperre) 205 umfasst Zener-Dioden, die angeordnet sind, um die Ausgangsspannung der IS-Sperre 205 über IS_PWR+ und IS_PWR- zu begrenzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Ladungspumpe der vorliegenden Erfindung verwendet, um Leistung für ein LCD-Display vorzusehen. IS_PWR wird wie oben beschrieben manipuliert, um die erforderlichen und verschiedenen Stromversorgungen vorzusehen. Die Signale werden zu dem LCD-Display gesendet und von diesem jeweils über die Leitungen IS_TX und IS_RX empfangen. Diese Leitungen sind von der restlichen Schaltung (nicht gezeigt) innerhalb des flammensicheren Behälters 102 durch Optokoppler 206 und 207 sowie Schnittstellen 208 und 209 isoliert. Die Auswahl und der Betrieb der Elemente 200-209 sind für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung. Sie werden hier nur beschrieben, um den Kontext für den Ursprung von IS_PWR zu beschreiben, deren Verwendung in der restlichen Beschreibung erläutert wird.

Stromversorgungs- und Kontraststeuerschaltung allgemein - Fig. 3

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer Stromversorgungs- und Kontraststeuerschaltung 300 innerhalb der IS-Schaltung 103. Ein einzelne fixe und eigensichere Stromversorgung IS_PWR wird über die Leitungen IS_PWR+ und IS_PWR- zugeführt. Wie mit Bezug auf Fig. 2 bemerkt wird IS_PWR extern zu der IS-Schaltung 103 erzeugt. Die von und zu der innerhalb des flammensicheren Behälters 102 enthaltenen Schaltung gesendeten Sende- und Empfangssignale IS_TX und IS_RX werden über die Leitungen 301 durch den Mikroprozessor 302 empfangen. Der Mikroprozessor 302 verarbeitet diese Signale, um eine für den Menschen lesbare Ausgabe auf dem LCD 303 zu erzeugen. Die Operation des Mikroprozessors 302 zum Erzeugen einer Ausgabe auf dem LCD 303 ist dem Fachmann wohlbekannt und ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung.
Das LCD 303 erfordert drei verschiedene Stromversorgungen für den korrekten Betrieb. Alle drei Stromversorgungen VCC, VEE und Vbl werden wie unten beschrieben aus IS_PWR erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird IS_PWR für den nominalen Betrieb mit 150 Milliampere (mA) bei 9 Volt vorgesehen, um sowohl die Eigensicherheitsanforderungen des europäischen Standards EN 50020 sowie die Betriebsanforderungen der Schaltung 300 und des LCDs 303 zu erfüllen. Der europäische Standard EN 50020 spezifiziert den maximal gestatteten Kurzschlussstrom für jeden Wert der Leerlaufspannung, z. B. IS_PWR, VCC, VEE und Vbl, um implizit die augenblickliche Menge der in dem gefährlichen Bereich verfügbaren Energie zu begrenzen. Bei dem nominalen Strom und der nominalen Ausgangsspannung von IS_PWR in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, werden die Werte von verschiedenen Schutzeinrichtungen wie etwa Sicherungen, Strombegrenzungswiderständen und Strombegrenzungsdioden wie z. B. den Elementen 200-205 von Fig. 2 derart bestimmt, dass die maximale Leistungsmenge bei der gewünschten operationalen Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vorgesehen wird, während gleichzeitig die durch den europäischen Standard EN50020 vorgeschriebenen Grenzwerte eingehalten werden.
Es ist vorteilhaft, die an der Schaltung 300 angelegte Spannung zu minimieren, um die Verwendung der größtmöglichen kapazitiven Speicherelemente in der Schaltung 300 zu gestatten, da die in diesen Elementen gespeicherte Energie dem Quadrat der angelegten Spannung proportional ist. Für eine bestimmte Ausgangsspannung, welche die Betriebsanforderungen der Schaltung 300 und des LCDs 303 erfüllt, ist es vorteilhaft, einen Grenzpunkt für den Kurzschlussstrom zu wählen, der möglichst nahe an den durch den europäischen Standard EN50020 vorgeschriebenen Grenzen liegt, so dass die Ausgangsimpedanz der Stromversorgung der Schaltung für z. B. die Elemente 200-205 von Fig. 2 minimiert werden kann, wodurch wiederum die Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Ausgangsstrom minimiert werden kann.
VCC ist die Versorgung für den digitalen Schaltungsaufbau der Schaltung 300. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt Vcc ungefähr 5 V und muss einen maximalen Strom von ungefähr 30 mA zuführen. VEE ist die am LCD 303 angelegte Spannung zum Steuern des Kontrasts des LCDs 303. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist VEE von -4 V bis -12 V variabel und muss einen maximalen Strom von ungefähr 20 mA zuführen. Vbl ist die am LCD 303 angelegte Spannung, um die Rückbeleuchtung 311 des LCDs 303 zu versorgen. Gewöhnlich wird die Rückbeleuchtung für ein LCD-Display mit einem Array 311 aus Dioden bewerkstelligt, die Licht emittieren, wenn eine entsprechende Spannung an dem Array 311 angelegt wird. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt Vbl ungefähr 8,5 V und muss einen maximalen Strom von ungefähr 100 mA zuführen. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung muss IS_PWR also ungefähr 150 mA bei ungefähr 9 V zuführen.
Der Negativspannungsregler 304 ist zwischen IS_PWR+ und IS_PWR- verbunden. Der Spannungsregler 304 erhält effektiv eine Erde von 5 V unter IS_PWR+, um eine VCC von 5 V an dem VCC-Eingang des LCDs 303 vorzusehen. Es sind andere Topologien möglich, mit denen eine Erde erhalten werden kann, wobei jedoch der Negativspannungsregler 304 den Vorteil hat, dass die Überschussspannung des Reglers nicht verschwendet wird. Die strengen Eigensicherheitsanforderungen erfordern, dass IS_PWR sorgfältig innerhalb eines Minimums an verschwendeter Leistung manipuliert wird. Wie weiter unten ausführlicher erläutert, wird der Spannungsüberschuss des Reglers 304 effektiv zu der, Ausgabe der Ladungspumpe 305 addiert, um VEE zu erzeugen.
IS_PWR wird direkt an den Eingängen Vbl+ und Vbl- des LCDs 303 angelegt, um das rückbeleuchtete LCD-Array zu betreiben. Die Rückleuchtsteuerung 306 ist eine geschaltete Stromsenke, die es dem Benutzer gestattet, die Rückbeleuchtung für das LCD 303 ein- und auszuschalten.
Die Kontraststeuerung 307 kann durch einen Benutzer eingestellt werden, um den Kontrastwert auf dem LCD 303 zu steuern. Die Kontraststeuerung empfängt eine digitale Eingabe über den Pfad 310 vom Mikroprozessor 302 und steuert die Amplitude von VEE, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
Zener-Dioden 308-309 funktionieren als Nebenschlussspannungsbegrenzer für die kapazitiven Energiespeicherelemente in der Schaltung 300. Zener-Dioden 308-309 begrenzen die kapazitive Energiespeicherfähigkeit der Schaltung 300 effektiv. Zusätzliche Zener-Dioden (nicht gezeigt) in der IS-Sperre 205 von Fig. 2 sehen denselben Schutz für Vbl vor. Die Verwendung von Zener-Dioden zum Herstellen von "Klemmspannungen" ist dem Fachmann auf dem Gebiet von Eigensicherheit wohlbekannt.

Ladungspumpe und Kontraststeuerung - Fig. 4-6

Fig. 4 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer wohlbekannten Ladungspumpenschaltung 400, wie etwa der in dem US-Patent Nr. 5,410,465 (Tan) beschriebenen Ladungspumpenschaltung. In diesem Beispiel werden Dioden verwendet, um den Stromfluss zu richten, wobei jedoch auch analoge Schalter verwendet werden können. Weiterhin ist diese Implementierung ein invertierender Wandler, wobei jedoch auch eine spannungsverdoppelnde Konfiguration eine äquivalente Anwendbarkeit für die vorliegende Erfindung vorsehen kann. Der Oszillator 401 erzeugt ein Rechteckwellensignal, das während seines Ein-Halbzyklus den Ladekondensator C zu einem Spannungspegel auflädt, der im wesentlichen gleich der Amplitude des Ausgangs des Oszillators 401 ist. Während des Ein- Halbzyklus des Oszillators 401 fließt Strom von dem Oszillator 401 durch den Ladekondensator C1 (wodurch der Kondensator C1 aufgeladen wird) und die Diode D1 zurück zu der negativen Seite des Oszillators 401. Während des Aus-Halbzyklus der Ausgabe des Oszillators 401 wird die im Ladekondensator 401 akkumulierte Ladung zu dem Filterkondensator C2 gegeben. Während des Aus-Halbzyklus des Oszillators 401 fließt Strom von dem Ladekondensator C1 durch den Oszillator 401, durch den Filterkondensator C2 (wodurch der Filterkondensator C2 aufgeladen wird) und durch die Diode D2 zurück zu dem Ladekondensator C1. Wenn C, und C2 die gleiche Kapazität haben, dann wird in jedem Halbzyklus die Ladungsdifferenz zwischen C1 und C2 zu C2 übertragen. Die Schaltung 400 ist eine invertierende Ladungspumpe, so dass sich Vout asymptotisch -VOSC annähert, wobei Vosc die Spannung des Oszillators 401 ist, wobei angenommen wid, dass die Rate des Ladungsverlusts kleiner ist als die Rate, mit welcher der Oszillator 401 Ladung zuführt.
Die Ladungspumpenschaltung 400 sieht einen Mechanismus vor, mit dem eine bestimmte Spannung zu einem anderen Spannungspegel gewandelt wird, indem die Ladung von dem Ladungskondensator C&sub1; zu dem Filterkondensator C&sub2; übertragen wird. Die Ladungsmenge in Coulomb über einen Kondensator ist gleich dem Produkt aus der Kapazität in Farad und der Spannung in Volt. Weil mehr Ladung bei einer bestimmten Spannung auf einem großen Kondensator ist als auf einem kleinen Kondensator, ist es allgemein vorteilhaft, die Größe der Kondensatoren einer Ladungspumpe zu maximieren, um die maximale Ladung zuführen zu können. Die Stromzufuhr (Ladung pro Zeiteinheit) ist eine Funktion der Frequenz des Oszillators 401. Weil eine Minimierung der Kapazität erforderlich ist, um die Eigensicherheitsanforderungen zu erfüllen, wird die Betriebsfrequenz der Ladungspumpenschaltung 400 maximiert, um den maximalen Stromantrieb vorzusehen. Bestehende Kontraststeuerschaltungen verwenden eine fixe Spannung Vout mit einem einstellbaren sekundären Durchlasselement (nicht gezeigt) wie beispielsweise einem Transistor und einem Operationsverstärker, um eine einstellbare Spannung VEE für die Kontrasteinstellung zu erzeugen. Das Durchlasselement erfordert jedoch einen Spannungsüberschuss, der in der Kombination mit der erforderlichen Displaykapazität die Eigensicherheitsanforderungen in Bezug auf Energiespeicherelemente verletzt.
Fig. 5 stellt ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ladungspumpenschaltung 500 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wie mit Bezug auf Fig. 3 bemerkt, wird die Ausgabe der Ladungspumpe 305 (Vout in Fig. 5) zu der Überschussspannung des negativen Reglers 304 addiert, um direkt VEE ohne ein sekundäres Durchlasselement und ohne damit verbundene Probleme bezüglich der Eigensicherheit zu erzeugen. Vout wird eingestellt, indem die Ladungsmenge des Ladekondensators C, und damit die an diesem angelegte Spannung zu steuern. Dies kann auf verschiedene Weise bewerkstelligt werden, wie etwa durch die steuerbare Begrenzung des Stromflusses durch den Ladekondensator C1 während des fixen Ladeintervalls, das durch den Oszillator 401 bestimmt wird. Die Steuerung der im Ladekondensator C1 gespeicherten Ladungsmenge kann auch durch das Einführen eines variablen Elements bewerkstelligt werden, das einen Teil der durch den Oszillator 401 zugeführten Spannung verbraucht, um einen steuerbaren Spannungsrest am Ladekondensator C&sub1; zu lassen. Ein derartiges Element kann beispielsweise aus einem variablen Widerstand, einem variablen Kondensator oder einer abhängigen Spannungsquelle bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient die abhängige Stromsenke 501 dazu, die im Ladekondensator C&sub1; gespeicherte Energie zu begrenzen. Wenn eine abhängige Stromsenke 501 über die Eingabe an der Steuerung 501 eingestellt wird, um einen effektiven Kurzschluss zu erzeugen, wird die Schaltung 500 genauso wie die Schaltung 400 von Fig. 4 betrieben. Die durch die abhängige Stromsenke 501 eingeführte Impedanz "stiehlt" jedoch effektiv Spannung von dem Ladekondensator C&sub1;, was verursacht, dass der Ladekondensator C&sub1; auf eine geringere Spannung als diejenige des Oszillators 503 aufgeladen wird. Wie mit Bezug auf Fig. 4 bemerkt, hängt die Spannung am Filterkondensator C&sub2; (Vout) von der Spannung am Ladekondensator C&sub1; ab. Es muss also weniger Ladung von dem Ladekondensator C&sub1; zu dem Filterkondensator C&sub2; übertragen werden, wodurch folglich Vout, reduziert wird. Ein Regelkreis mit dem Operationsverstärker 504 und der Rückkopplung 505 sieht eine Kontrolle über die Steuerleitung 506 der abhängigen Stromsenke 501 vor, um den Pegel von Vout zu steuern. Die Steuereingabe 502 ist der analoge Kontraststeuerwert, der durch einen Digital-Analog-Wandler gesetzt wird, welcher in Reaktion auf Benutzer- und Umwelteingaben gesteuert wird.
Im Folgenden wird auf Fig. 3 und 5 Bezug genommen. Wenn IS_PWR +9 V ist, dann beträgt die Überschussspannung des 5 V-Negativreglers ungefähr -4 V. Deshalb ist VEE gleich -4 V + Vout (eine negative Spannung). Vout hat einen maximalen Wert von ungefähr -8 V, weshalb VEE von ungefähr -4 V bis ungefähr -12 V einstellbar ist. VEE wird eingestellt, indem direkt die Ausgabe der Ladungspumpenschaltung 500 über die Steuereingabe 502 gesteuert wird.
Fig. 6 ist eins detailliertes schematisches Diagramm einer Stromversorgungs- und Kontraststeuerschältung 600 für ein LCD-Display, das die vorliegende Erfindung verwendet. Die Kondensatoren C1 und C2 sehen jeweils eine Filterung von IS PWR und Vcz~ vor. Die Elemente U1, C3-C5, R1-R3, D1-D2 und Q1-Q2 bilden den Oszillator für die Ladungspumpe der Schaltung 600. Ein Schmitt-Triggerinverter U1, ein Widerstand R1 und ein Kondensator C3 werden als Schmitt-Triggeroszillator betrieben, um eine 5 V-Rechteckwelle von ungefähr 600 kHz am Ausgang des Schmitt-Triggerinverters U1 zu erzeugen. Die 5 V-Rechteckwelle am Ausgang des Schmitt-Triggerinverters U1 ist mit der Basis-Emitter-Diode des Transistors Q1 und IS_PWR+ über eine Diode D1 und einen Kondensator C4 verbunden. Die 5 V- Rechteckwelle am Ausgang des Schmitt-Triggerinverters U1 ist mit der Basis-Emitter-Diode des Transistors Q2 und IS_PWR- über eine Diode D2 und einen Transistor Q2 gleichspannungsgekoppelt. Die eine Rechteckausgabe aus dem Schmitt-Triggerinverter U1 steuert also sowohl den Transistor Q1 als auch den Transistor Q2. Die durch den Kondensator C4 und den Widerstand R2 sowie durch den Kondensator C5 und den Widerstand R3 gebildete Zeitkonstante sollte viel länger als die Oszillatorperiode (ungefähr 1,6 us) sein, so dass eine reine Recheckwelle an den Basen der Transistoren Q1 und Q2 vorgesehen wird. Die Widerstände R2 und R3 dienen weiterhin dazu, den Basisstrom in den Transistoren Q1 und Q2 auf jeweils 1 mA zu begrenzen.
Die Transistoren Q1 und Q2 bilden ein Push-Pull-Ansteuerelement. Weil dieselbe Wellenform die Basis von beiden Transistoren steuert und der Transistor Q2 ein NPN-Transistor und der Transistor Q1 ein PNP-Transistor ist, werden sie während alternierender Halbzyklen der Basisspannung angeschaltet. Um den Betrieb der Ladungspumpe zu beschreiben, soll angenommen werden, dass der Transistor Q3 vollständig eingeschaltet ist. Wenn der Transistor Q1 eingeschaltet ist, wird der Kondensator C6 auf IS_PWR (ungefähr 9 V) minus die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Kondensators Q1 und die Vorwärtsspannung der Diode D3 aufgeladen. Dis Summe der zwei Verluste beträgt ungefähr 0,7 V. Wenn der Transistor Q1 ausschaltet und der Transistor Q2 einschaltet, wird der Kollektor des Transistors Q2 zur Erde gezwungen, und weil kein Strom in der Umkehrrichtung durch die Diode D3 fließen kann, wird die Spannung am Kondensator C6 aufrechterhalten und wird die Kathode der Diode D4 auf -9 V gezwungen. Der Strom kann dann in der Vorwärtsrichtung durch die Diode D4 fließen, so dass Ladung zwischen dem Kondensator C6 und dem Kondensator C7 übertragen wird.
Die Ausgabe der Ladungspumpe VEE ist von der am Kondensator C6 gespeicherten Spannung zum Ladungstakt des Oszillators abhängig. Die Ausgangsspannung VEE kann also reduziert werden, indem man die Spannung am Kollektor des Transistors Q1 über ein zusätzlich zu dem Kondensator C6 vorgesehenes Element abfallen lässt. Im Fall der Schaltung 600 ist der Transistor Q3 das zusätzliche Element, über das die Spannung fallen gelassen wird, um die Spannung über den Kondensator C6 zu steuern. Die Basisspannung des Transistors Q3 wird durch die Ausgabe des Operationsverstärkers U2 über den Widerstand R4 bestimmt. VEE wird durch die Widerstände R5 und R6 als Rückkopplungspfad zum Operationsverstärker U2 nach unten geteilt. Ein digitales Signal von einem Mikroprozessor (nicht gezeigt) über den Pfad LDC_ADJ geht zu einer Verstärker/Filter-Stufe 601, die aus einem Operationsverstärker U3, Widerständen R7-R9 und Kondensatoren C9-C10 besteht. Die Ausgabe der VerstärkerlFilter-Stufe 601 geht zu dem negativen Eingang des Operationsverstärkers U2, während die nach unten geteilte Spannung VEE zu dem positiven Eingang des Operationsverstärkers U2 geht. Der LCD-Kontrast wird also auf einen gewünschten Wert eingestellt, indem der Spannungsabfall über den Transistor Q3 gesteuert wird.
Der Negativspannungsregler VR1 sieht eine Ausgabe von +5 V bei Vcc vor. Wie mit Bezug auf Fig. 3 bemerkt, wird die Überschussspannung (ungefähr -4 V) des Spannungsreglers VR1 zu der Ausgabe der Ladungspumpenschaltung addiert, um VEE zu erzeugen.
Tabelle 1 gibt beispielhafte Werte für die bevorzugte Ausführungsform der Schaltung fi00 an. TABELLE 1

Zusammenfassung

Es wird ein einstellbarer invertierender Spannungswandler beschrieben, durch den die Ausgabe einer invertierenden Ladungspumpe über ein variables Element gesteuert wird, das einen Teil der Spannung verbraucht, die durch einen Ladungspumpenoszillator vorgesehen wird, so dass eine steuerbarer Restspannung am Ladekondensator übrigbleibt. Der invertierende Spannungswandler wird vorteilhaft für die Kontraststeuerung eines LCD-Displays angewendet.

Claims

1. Einstellbarer Spannungswandler mit einem Oszillator (503), der zum Erzeugen eines oszillierenden Signals betrieben werden kann, und mit einer Ladungspumpe (500), die zum Erzeugen einer einstellbaren Ausgangsspannung aus einer im wesentlichen fixen externen Versorgungsspannung in Reaktion auf das oszillierende Signal sowie auf ein Steuersignal betrieben werden kann, wobei der Wandler umfasst:

ein Ladungselement (C1) in der Ladungspumpe (500), das zum periodischen Entwickeln einer Ladungsspannung aus der externen Versorgungsspannung in Übereinstimmung mit dem oszillierenden Signal betrieben werden kann,

ein Filterelement (C2) in der Ladungspumpe (500), das zum Empfangen der Ladung aus dem Ladungselement und zum Entwickeln der Ausgangsspannung aus derselben betrieben werden kann,

eine Spannungssteuereinrichtung (501, 504) in der Ladungspumpe (500), die zusammen mit dem Ladungselement und in Reaktion auf das Steuersignal betrieben werden kann, um die Höhe der Ladungsspannung, die durch das Ladungselement empfangen wird, in Übereinstimmung mit dem Steuersignal einzustellen, um die Höhe der Ausgangsspannung aus dem Filterelement zu steuern.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe umfasst:

eine erste Schalteinrichtung (Q1, Q2) zum Anlegen der externen Versorgungsspannung an dem Ladungselement (C1) während eines ersten Halbzyklus des oszillierenden Signals, wodurch das Ladungselement (C1) auf die Ladungsspannung aufgeladen wird, und

eine zweite Schalteinrichtung (Q1, Q2) zum Verbinden des Ladungselements (C1) mit dem Filterelement (C2) während eines zweiten Halbzyklus des oszillierenden Signals, um das Filterelement (C2) aufzuladen und dadurch die Ausgangsspannung an dem Filterelement (C2) zu erzeugen.

3. Spannungswandler nach Anspruch 2, wobei die erste und die zweite Schalteinrichtung jeweils einen ersten und einen zweiten Transistor (Q1, Q2) umfassen.

4. Spannungswandler nach Anspruch 2, wobei die erste und die zweite Schalteinrichtung jeweils einen ersten und einen zweiten analogen Schalter (U1, U2) umfassen.

5. Spannungswandler nach Anspruch 2:

wobei die erste Schalteinrichtung einen PNP-Transistor (Q1) umfasst, dessen Emitter für die Verbindung mit einer ersten Leitung einer externen Stromversorgung konfiguriert ist, dessen Basis mit einem ersten Ausgang des Oszillators verbunden ist und dessen Kollektor mit einem Anschluss des Ladungselements verbunden ist, und

wobei die zweite Schalteinrichtung einen NPN-Transistor (Q2) umfasst, dessen Emitter für die Verbindung mit einer zweiten Leitung der externen Stromversorgung konfiguriert ist, dessen Basis mit einem zweiten Ausgang des Oszillators verbunden ist und dessen Kollektor mit dem Anschluss des Ladungselements verbunden ist.

6. Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei die Spannungssteuereinrichtung umfasst:

eine Einrichtung (504) zum Vergleichen der Ausgangsspannung mit einer Sollwertspannung, um ein Ausgabesteuersignal zu erzeugen, und

eine Einrichtung (501), die auf die Vergleichseinrichtung reagiert, indem sie die Höhe der Ladungsspannung in Übereinstimmung mit dem Ausgabesteuersignal einstellt.

7. Spannungswandler nach Anspruch 6, wobei die Spannungssteuereinrichtung eine abhängige Stromsenke (501) umfasst, die in Reihe mit dem Ladungselement (C1) geschaltet ist.

8. Spannungswandler nach Anspruch 7, wobei die abhängige Stromsenke (501) einen Steuertransistor (Q3) umfasst, der in Reihe mit dem Ladungselement (G1) verbunden ist und auf das Ausgabesteuersignal reagiert, um die Spannung über den Steuertransistor zu variieren, so dass eine Erhöhung der Spannung über den Steuertransistor die Ladungsspannung reduziert.

9. Spannungswandler nach Anspruch 6, wobei die Spannungsteuereinrichtung wenigstens einen variablen Widerstand (R4), einen variablen Kondensator (C6) und eine abhängige Spannungsquelle umfasst, die in Reihe mit dem Ladungselement verbunden sind.

10. Spannungswandler nach Anspruch 6, der weiterhin eine Zener-Diode (D4) umfasst, die betrieben werden kann, um das Fließen von Ladung zu dem Ladungselement (C1) zu verhindern, wenn die zweite Schalteinrichtung geschlossen ist, wobei die Zener-Diode eine Anode, die mit dem Ladungselement verbunden ist, und eine Kathode aufweist, die mit der Spannungssteuereinrichtung verbunden ist.

11. Spannungswandler nach Anspruch 1, der weiterhin eine Erdableitungseinrichtung zum Ableiten einer Erde in Bezug auf die externe Versorgungsspannung umfasst.

12. Spannungswandler nach Anspruch 11, wobei die Erdungsableitungseinrichtung umfasst:

einen Spannungsregler, der konfiguriert ist, um die externe Versorgungsspannung zu empfangen und um eine geregelte Gleichstromspannung zu erzeugen, deren Erde eine fixe Spannung in Bezug auf die externe Versorgungsspannung aufweist.

13. Spannungswandler nach Anspruch 6, der weiterhin eine Erdableitungseinrichtung zum Ableiten einer Erde auf einem kontrollierten Pegel in Bezug auf die externe Stromversorgung umfasst, wobei die Erdableitungseinrichtung eine Überschussspannung erzeugt, die zu der Ausgabespannung addiert wird, um eine negative Spannung zu erzeugen, die zwischen der Überschussspannung und der Summe aus der Überschussspannung und der Ausgangsspannung eingestellt werden kann.