DE69213187T2

DE69213187T2 - Spannungsreglerssteuerschaltung

Info

Publication number: DE69213187T2
Application number: DE69213187T
Authority: DE
Inventors: David William Eddowes; Neil Anthony Quarmby
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1991-12-18
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2012-12-19
Also published as: EP0547916A2; EP0547916A3; GB9126789D0; EP0547916B1; US5467010A; DE69213187D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsregler-Steuerschaltung.
Ein Spannungsregler enthält eine Steuerschaltung und ein Mittel zum Regeln der Ausgangsspannung. Im Betrieb steuert die Spannungsregler-Steuerschaltung das Mittel zum Regeln der Ausgangsspannung, und das Mittel zum Regeln der Ausgangsspannung liefert die Ausgangsspannung von dem Regler. Die Spannungsregler-Steuerschaltung vergleicht im Betrieb entweder die Ausgangsspannung oder einen Anteil der Ausgangsspannung mit einem konstanten Bezugssignal und steuert das Mittel zum Regeln der Ausgangsspannung so, daß die Ausgangsspannung auf einem Pegel gehalten wird, bei dem die zwei Spannungen, die verglichen werden, im wesentlichen gleich sind.
Eine Signalspannungs-Teilerschaltung ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 065 219 offenbart. Diese Signalspannungs-Teilerschaltung enthält zwei geschaltete Kondensatoren und einen Haltekondensator, die in der Lage sind, auf einem der geschalteten Kondensatoren einen Anteil eines an die zwei geschalteten Kondensatoren angelegten Eingangssignals zu liefern. Die Signalspannungs-Teilerschaltung, die in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 065 219 offenbart ist, könnte möglicherweise bei einer bekannten Spannungsregler-Steuerschaltung Anwendung finden.
Es gibt einige Mängel der bekannten Spannungsregler- Steuerschaltungen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wenigstens einige dieser Mängel zu reduzieren.
Die Erfindung schafft eine Spannungsregler-Steuer schaltung, enthaltend:
ein Steuersignal-Erzeugungsmittel,
ein Schalternetzwerk, dessen Schaltelemente im Betrieb durch das Steuersignal-Erzeugungsmittel gesteuert werden,
ein Kondensatornetzwerk, in dem Schaltelemente des Schalternetzwerkes so geschaltet sind, daß sie in der Lage sind, unter dem Einfluß des Steuersignal-Erzeugungsmittels das Kondensatornetzwerk zu verändern und das Kondensatornetzwerk mit dem Steuersignal-Erzeugungsmittel zu verbinden,
Mittel, die mit dem Steuersignal-Erzeugungsmittel verbunden sind, um eine Speisespannung zu empfangen, die im Betrieb die Eingangsenergie für das Steuersignal-Erzeugungsmittel und für eine Bezugsspannungsquelle für das Steuersignal-Erzeugungsmittel liefert,
ein Regelspannungstor, mit dem Schaltelemente des Schalternetzwerkes so verbunden sind, daß sie in der Lage sind, das Regelspannungstor unter dem Einfluß des Steuersignal-Erzeugungsmittels mit dem Kondensatornetzwerk zu verbinden, wobei das Regelspannungstor im Betrieb ein Regelspannungssignal führt, dessen Polarität der Spannung der Bezugsspannungsquelle entgegengesetzt ist,
wobei das Schalternetzwerk unter der Steuerung des Steuersignal-Erzeugungsmittels so betrieben werden kann, daß das Kondensatornetzwerk dazu veranlaßt wird, ein invertiertes Regelspannungssignal zu liefern, das das Steuersignal- Erzeugungsmittel mit der Bezugsspannung vergleichen kann, um ein Ausgangssteuersignal zu erzeugen, das ein Maß für die Differenz zwischen der Bezugsspannung und dem Regelspannungssignal ist.
Vorzugsweise ist das Kondensatornetzwerk in der Lage, einen Anteil des Regelspannungssignals zum Vergleich mit der Bezugsspannung zu liefern.
Bei einem ersten Beispiel der Spannungsregler-Steuerschaltung enthält das Kondensatornetzwerk einen Knotenpunkt, der allen Kondensatoren des Netzwerks gemeinsam ist, das Schalternetzwerk enthält ein Schalterelement, das zwischen einem Eingangsanschluß eines Vergleichsmittels und dem Knotenpunkt, der allen Kondensatoren des Netzwerks gemeinsam ist, geschaltet ist, und, beim Betrieb der Spannungsregler- Steuerschaltung wird eine Ladung, die von dem Regelspannungseingangssignal abhängt, durch das Kondensatornetzwerk zum Eingangsanschluß des Vergleichsmittels über den Knotenpunkt geliefert, der den Kondensatoren des Kondensatornetzwerks gemeinsam ist.
Das Vergleichsmittel ist vorzugsweise in der Lage, die Ladung zu akkumulieren, die es von dem Kondensatornetzwerk empfängt, und das Kondensatornetzwerk enthält vorzugsweise drei Kondensatoren, die mit dem gemeinsamen Knotenpunkt verbunden sind.
Bei einem zweiten Beispiel der Spannungsregler-Steuerschaltung enthält das Kondensatornetzwerk einen Abtastkondensator, das Schalternetzwerk kann so betrieben werden, daß der Abtastkondensator mit dem Regelspannungstor verbunden wird, um auf dem Abtastkondensator ein Maß für das Regelspannungssignal zu liefern, und das Schalternetzwerk kann darüber hinaus so betrieben werden, daß der Abtastkondensator von dem Regelspannungstor abgetrennt wird und der Abtastkondensator mit einem Eingangsanschluß eines Vergleichsmittels verbunden wird.
Vorzugsweise ist ein Steuereingangskondensator mit dem Eingangsanschluß des Vergleichsmittels verbunden, um einen Anteil der gespeicherten Ladung von dem Abtastkondensator zu entfernen.
Vorzugsweise enthält das Kondensatornetzwerk wenigstens einen Zwischenkondensator, den das Schalternetzwerk mit dem Abtastkondensator verbinden kann, um einen Anteil der gespeicherten Ladung von dem Abtastkondensator zu entfernen.
Vorzugsweise bilden ein Kondensator des Kondensatornetzwerkes und ein Element des Steuersignal-Erzeugungsmittels ein Schalter-Kondensator-Filter, das die Schleifenverstärkung des Steuersignal-Erzeugungsmittels bestimmt. Vorzugsweise enthält das Steuersignal-Erzeugungsmittel einen Impulsgenerator, der im Betrieb Steuerimpulse zum Schalternetzwerk liefert.
Die Erfindung schafft auch eine Spannungsregler- Steuerschaltung mit Mehrfachausgang, die mehrere Spannungsregler-Steuerschaltungen enthält, die mit jeweiligen Regelspannungstoren verbunden sind und durch einen gemeinsamen Impulsgenerator gesteuert werden.
Die Spannungsregler-Steuerschaltung kann als monolithische integrierte Schaltung hergestellt werden, und die Spannungsregler-Steuerschaltung mit Mehrfachausgang kann ebenfalls als monolithische integrierte Schaltung hergestellt werden.
Eine erfindungsgemäße Spannungsregler-Steuerschaltung kann in einen Spannungsregler integriert werden, bei dem ein Ausgangsschalterelement des Spannungsreglers so geschaltet ist, daß es durch das Ausgangssteuersignal von dem Steuersignal-Erzeugungsmittel gesteuert wird und das Regelspannungsausgangstor mit dem Ausgangsanschluß des Spannungsreglers verbunden wird.
Der Einsatz von Kondensatoren zum Abtasten und Skalieren der Ausgangsspannung liefert eine Anordnung, die leicht als Komponenten einer integrierten Halbleiterschaltung hergestellt werden kann. Der Skalierungsfaktor hängt von den Verhältnissen der verwendeten Kapazitäten ab, und Kondensatoren in integrierten Schaltungen mit bestimmten Kapazitäts verhältnissen können präzise hergestellt werden.
Vorzugsweise besteht jedes Schalterelement des Schaltnetzwerkes aus einem komplementären MOSFET. Diese Anordnung liefert einen Schalter, der komplementäre Komponenten umfaßt, die entgegengesetzte Kontaktspannungen erzeugen, die den Ladungszustand des Kondensatornetzwerks beeinflussen.
Drei Beispiele von Spannungsregler-Steuerschaltungen gemäß der Erfindung werden nun, nur beispielshalber, beschrieben werden, wobei Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, in denen:
Fig. 1 ein Schaltplan eines Spannungsreglers mit einem ersten Beispiel einer Spannungsregler-Steuerschaltung mit Einfachausgang ist,
Fig. 2 ein Schaltplan eines Spannungsreglers mit einem zweiten Beispiel einer Spannungsregler-Steuerschaltung mit Einfachausgang ist und
Fig. 3 ein Schaltplan eines Spannungsreglers ist, der eine Spannungsregler-Steuerschaltung mit Mehrfachausgang enthält.
In Fig. 1 der begleitenden Zeichnungen enthält der Spannungsregler einen Steuergenerator 1, einen Impulsbreitenmodulator 2, einen Transistor 3 mit isoliertem Gateanschluß, eine Induktivität 41 eine Diode 5, einen Speicherkondensator 6, einen Schalter-Controller 7, eine Abtaststufe 8, eine Umsetzerstufe 9, ein Bezugsspannungselement 100, Versorgungsanschlüsse 101 und 102 und Ausgangsanschlüsse 101 und 103.
Der Steuergenerator 1 enthält einen Steueroszillator 10, Widerstände 11 und 12 und einen Zeitsteuerungskondensator 13. Die Widerstände 11 und 12 und der Zeitsteuerungskondensator 13 sind in Reihe zwischen die Versorgungsanschlüsse 101 und 102 geschaltet. Einer der Anschlüsse des Kondensators 13 ist mit dem Versorgungsanschluß 102 verbunden, und sein anderer Anschluß ist mit dem Widerstand 12 verbunden. Die Widerstände 11 und 12 und der Kondensator 13 sind so mit dem Steueroszillator 10 verbunden, daß sie als ein Zeitsteuerungsnetzwerk für den Steueroszillator 10 wirken. Der Zeitsteuerungsoszillator 10 wirkt so, daß er ein sägezahnförrniges Ausgangssignal und ein rechteckförmiges Ausgangssignal liefert. Die Rechteck-Signalform ist während des ansteigenden Teils der Sägezahn-Signalform auf einem ersten ihrer zwei Pegel, und sie ist während des abfallenden Teils der Sägezahn-Signalform auf dem anderen ihrer zwei Pegel.
Der Impulsbreitenmodulator 2 enthält einen Komparator 20 und ein UND-Gatter 21 mit zwei Eingängen. Ein Eingangsanschluß des UND-Gatters 21 ist mit dem Ausgang des Komparators 20 verbunden.
Der Schalter-Controller 7 enthält ein bistabiles Kippglied 70, ein erstes NOR-Gatter 71 mit zwei Eingängen und ein zweites NOR-Gatter 72 mit zwei Eingängen. Der Ausgang Q des bistabilen Kippgliedes 70 ist mit einem Eingang des NOR-Gatters 71 verbunden, und der Ausgang Q des bistabilen Kippgliedes 70 ist mit einem Eingang des NOR-Gatters 72 verbunden.
Die Abtaststufe 8 enthält einen ersten Kondensator 80, einen zweiten Kondensator 81, Schalterelemente 82, 83 und 86, die zu einem ersten Schalternetzwerk gehören, und Schalterelemente 84 und 85, die zu einem zweiten Schalternetzwerk gehören. Die Schalterelemente bestehen aus komplementären MOSFETS. Jedes Schalterelement hat zwei Übertragungsanschlüsse und einen Steueranschluß, und die an den Steueranschluß angelegte Spannung entscheidet, ob die Ubertragungsanschlüsse miteinander verbunden werden oder voneinander abgetrennt werden. Ein Anschluß des ersten Kondensators 80 ist mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 82 und mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 84 verbunden. Der andere Anschluß des ersten Kondensators 80 ist mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 83 und mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 85 verbunden. Ein Anschluß des zweiten Kondensators 81 ist mit dem anderen Übertragungsanschluß des Schalterelementes 84, mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 86 und mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 94 verbunden. Der andere Anschluß des zweiten Kondensators 81 ist mit dem anderen Übertragungsanschluß des Schalterelementes 85 und mit dem anderen Übertragungsanschluß des Schalterelementes 86 verbunden. Der andere Übertragungsanschluß des Schalterelementes 82 ist mit dem Anschluß 103 verbunden, und der andere Übertragungsanschluß des Schalterelementes 83 ist mit dem Anschluß 101 verbunden.
Die Umsetzerstufe 9 enthält einen dritten Kondensator 90, einen vierten Kondensator 91, einen fünften Kondensator 92, einen sechsten Kondensator 93, Schalterelemente 95 und 96, die zu dem ersten Schalternetzwerk gehören, Schalterelemente 94 und 971 die zu dem zweiten Schalternetzwerk gehören, und einen Verstärker 98. Ein Anschluß des dritten Kondensators 90 ist mit dem anderen Übertragungsanschluß des Schalterelementes 94 und mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 95 verbunden. Der andere Anschluß des dritten Kondensators 90 ist mit einem Anschluß des vierten Kondensators 91, mit einem Anschluß des sechsten Kondensators 93 und mit dem Anschluß 102 verbunden. Der andere Anschluß des vierten Kondensators 91 ist mit dem anderen Übertragungsanschluß des Schalterelementes 95, einem-Anschluß des fünften Kondensators 92 und dem invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 98 verbunden. Der andere Anschluß des fünften Kondensators 92 ist mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 96 verbunden. Der andere Anschluß des sechsten Kondensators 93 ist mit dem anderen Übertragungsanschluß des Schalterelementes 96 und mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 97 verbunden. Der andere Übertragungsanschluß des Schalterelementes 97 ist mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 98 verbunden.
Die Versorgungsleistungseingangsanschlüsse 101 und 102 des Spannungsreglers dienen zum Empfangen der Gleichstrom- Eingangsleistung, die den Eingangsanschluß 102 relativ zum Eingangsanschluß 101 negativ macht, und der Schaltmodus- Spannungsregler liefert eine Ausgangsspannung, die den Anschluß 103 im Verhältnis zum Anschluß 101 positiv macht. Die Arbeitsweise des Spannungsreglers ist wie folgt: Der Steuergenerator 2 liefert ein rechteckförmiges Ausgangssignal, das an einen Eingangsanschluß eines jeden der NOR-Gatter 71 und 72 und an den Kipp(T)-Eingangsanschluß der bistabilen Kippstufe 70 angelegt wird. Die NOR-Gatter 71 und 72 liefern alternierende, nichtüberlappende Impulse PH1 und PH2. Der Impuls PH1 schaltet die Schalterelemente 82, 83, 86, 95 und 96 ein, wenn er sich auf seinem hohen Pegel befindet, und der Impuls PH2 schaltet die Schalterelemente 84, 85, 94 und 97 ein, wenn er sich auf seinem hohen Pegel befindet.
Wenn die Schalterelemente 82, 83, 86, 95 und 96 leitend sind, sind die Schalterelemente 84, 85, 94 und 97 nichtleitend, was dazu führt, daß der Kondensator 80 nur mit den Anschlüssen 101 und 103 verbunden ist und auf die Ausgangsspannung der Spannungsversorgung aufgeladen wird; zur gleichen Zeit schaltet der Schalter 86 den Kondensator 81 parallel und entlädt ihn. Die Ladung auf dem Kondensator 90 wird mit den Kondensatoren 91, 92 und 93 geteilt, da die Schal terelemente 95 und 96 leitend sind, und die resultierende gemeinsame Spannung der Kondensatoren 90 und 91 an den invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 98 angelegt wird.
Wenn die Schalterelemente 84, 85, 94 und 97 leitend sind, sind die Schalterelemente 82, 83, 86, 95 und 96 nichtleitend, was dazu führt, daß der Kondensator 80 von den Anschlüssen 101 und 102 abgetrennt wird und parallel zu den Kondensatoren 81 und 90 geschaltet wird. Die Bezugsspannung der Kondensatoren 80, 81 und 90 ist der Anschluß 102; die ursprüngliche Bezugsspannung des Kondensators 80 war der Anschluß 101.
Die auf dem Kondensator 80 während des leitenden Zustands der Schalterelemente 82 und 83 akkumulierte Ladung beträgt C&sub8;&sub0; Vout, wobei C&sub8;&sub0; die Kapazität des Kondensators 80 und Vout die Ausgangsspannung ist, d.h., die Spannung zwischen den Anschlüssen 101 und 103. Wenn der Kondensator 80 parallel zu den Kondensatoren 81 und 90 geschaltet wird, wird die Ladung C&sub8;&sub0; Vout zwischen den drei Kondensatoren geteilt und führt zu einer gemeinsamen Spannung Vcom, so daß Vcom = Vout C&sub8;&sub0;/(C&sub8;&sub0;+C&sub8;&sub1;+C&sub9;&sub0;). Somit wurde die Spannung Vout um einen Faktor C&sub8;&sub0;/(C&sub8;&sub0;+C&sub8;&sub1;+C&sub9;&sub0;) verkleinert, was im wesentlichen C&sub8;&sub0;/(C&sub8;&sub0;+C&sub8;&sub1;) entspricht, da C&sub8;&sub0; und C&sub9;&sub0; viel größer als C&sub9;&sub0; sind, wobei C&sub8;&sub1; und C&sub9;&sub0; die Kapazitäten der Kondensatoren 81 bzw. 90 sind, und der Bezug der verkleinerten Spannung nun der Anschluß 102 ist. Die auf dem Kondensator 90 gespeicherte Ladung beträgt Vcom C&sub9;&sub0;, und diese Ladung wird mit den Kondensatoren 91, 92 und 93 bei der nächsten Gelegenheit geteilt, bei der die Schalterelemente 95 und 96 leitend sind, wobei das die nächste Gelegenheit ist, bei der sich PH1 auf seinem hohen Wert befindet. Der Kondensator 93 teilt auch seine Ladung mit den Kondensatoren 90, 91 und 92. Die aus dem Teilen der Ladungen resultierende Spannung, die von den Kondensatoren 90 und 93 gehalten wird, wird an den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 98 angelegt, der die Differenz zwischen der Spannung, die von den Kondensatoren 90 und 91 geliefert wird, und der Spannung, die an den nicht invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 98 von dem Spannungsbezugselement 100 angelegt wird, verstärkt. Bei der nächsten Gelegenheit, bei der das Schalterelement 97 leitend und das Schalterelement 96 nichtleitend ist, wird die Ausgangsspannung des Verstärkers 98 abgetastet und von dem Kondensator 93 gehalten.
Die Ausgangsspannung von dem Verstärker 98 repräsentiert die Differenz zwischen einem Anteil der Ausgangsspannung zwischen den Anschlüssen 101 und 103 und der Bezugsspannung von dem Bezugselement 100. Die Ausgangsspannung von dem Verstärker 98 wird durch die Kondensatoren 80, 81, 91 und 92 verkleinert, die wesentlich größere Kapazitäten als die Kondensatoren 90 und 93 besitzen. Die Kondensatoren 90 und 93, die relativ kleine Kapazitäten besitzen, dienen als hochohmige Widerstände mit Wirkwiderständen, die durch ihre Kapazitäten und die Arbeitsfrequenz der Schalterelemente bestimmt werden. Die Kondensatoren 90, 91, 92 und 93 dienen als ein Filternetzwerk, in dem die kleineren geschalteten Kondensatoren tatsächlich als Widerstände mit hohen Widerstandswerten wirken.
Die Ausgangsspannung von dem Verstärker 98 wird an den nicht invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 20 angelegt, der in bekannter Weise eine Ausgangsspannung mit breitenmodulierter Rechtecksignalform zur Steuerung der Längen der leitfähigen Perioden des Transistors 3 liefert.
Die Schalterelemente werden in zwei Gruppen betrieben. Jede Gruppe wird durch einen einzelnen Taktimpuls gesteuert, und die zwei Taktimpulse sind komplementär und nichtüberlappend.
Die Spannungsregler-Steuerschaltung besteht aus den Komponenten, die innerhalb der gestrichelten Linien in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind, d.h., aus dem Steuergenerator 1, dem Impulsbreitenmodulator 2, dem Schalter- Controller 7, der Abtaststufe 8 und der Umsetzerstufe 9.
Die Spannungsregler-Steuerschaltung verwendet Differenzspannungsurnsetzung der Ausgangsspannung von dem Spannungsregler, verfügbar am Speicherkondensator 6, unter Verwendung des Netzwerks geschalteter Kondensatoren, das in dem Schalter-Controller 7 enthalten ist, der Abtaststufe 8 und der Umsetzerstufe 9. Das Netzwerk geschalteter Kondensatoren nimmt einen Differenzabtastwert der Ausgangsspannung durch Abtrennen beider Anschlüsse des Abtastkondensators 80, nachdern der Abtastwert erhalten wurde, verkleinert den Abtastwert durch Ladungsteilung zwischen den Kondensatoren 80, 81, 90 und 91, und bewirkt die Übertragung des verkleinerten Abtastwertes durch die Übertragung eines feststehenden Anteils der ursprünglich von dem Kondensator 80 gehaltenen Ladung zum Kondensator 91. Die zum Kondensator 91 übertragene Ladung wird mit der Bezugsspannung von dem Bezugselement 100 verglichen, die von der Eingangsspannung erhalten wird, und die Differenz wird durch den Verstärker 98 verstärkt und zu einem Filternetzwerk mit geschalteten Kondensatoren (Schalter 96 und 97, Kondensatoren 92 und 93) geführt, das mit dem Verstärker 98 verbunden ist. Das Filternetzwerk geschalteter Kondensatoren steuert die Verstärkung des Regelkreises und wirkt so, daß dessen Stabilität gesichert wird. Das Filternetzwerk geschalteter Kondensatoren enthält nur kleine Kondensatoren und führt die Funktionen durch, die bei herkömmlichen aktiven Filternetzwerken durch sehr große Widerstände durchgeführt werden. Die Funktionen des Abtastens und Skalierens werden in einer einzigen Operation durchgeführt; das Abtasten ist Differenzspannungsabtasten, und das Skalieren ist präzise und reproduzierbar, wenn die Kondensatoren in einer integrierten Halbleiterschaltung hergestellt wurden, da Kondensatoren, die durch Halbleiterherstellungsprozesse hergestellt werden, bezüglich ihres Wertes genau angepaßt werden können.
In Fig. 2 der begleitenden Zeichnungen enthält der Spannungsregler einen Steuergenerator 201, einen Impulsbreitenmodulator 202, einen Transistor 203 mit isoliertem Gateanschluß, eine Induktivität 204, eine Diode 205, einen Speicherkondensator 206, einen Schalter-Controller 207, eine kombinierte Abtastungs- und Umsetzerstufe 208, ein Bezugsspannungselement 2100, Versorgungsanschlüsse 2101 und 2102 und Ausgangsanschlüsse 2101 und 2103.
Der in Fig. 2 dargestellte Spannungsregler entspricht im wesentlichen dem, der in Fig. 1 dargestellt ist, mit der Ausnahme, daß in Fig. 2 die kombinierte Abtastungs- und Umsetzerstufe 208 den Platz der Abtastungsstufe 8 und der Umsetzerstufe 9 der Fig. 1 einnimmt.
Die kombinierte Abtastungs- und Umsetzerstufe 208 enthält einen ersten Satz von Schalterelementen 281, 283, 286 und 288, deren Steueranschlüsse miteinander verbunden sind, und einen zweiten Satz von Schalterelementen 282, 284, 285 und 287, deren Steueranschlüsse miteinander verbunden sind. Die Steueranschlüsse des ersten Satzes von Schalterelementen sind mit einem ersten Ausgangsanschluß des Schalter-Controllers 207 verbunden, und dieser erste Ausgangsanschluß liefert einen ersten Schaltimpuls PH1. Die Steueranschlüsse des zweiten Satzes von Schalterelementen sind so geschaltet, daß sie einen zweiten Schaltimpuls PH2 von dem Schalter- Controller 207 empfangen. Die Impulse PH1 und PH2 überlappen einander nicht. Die kombinierte Abtastungs- und Umsetzerstufe 208 enthält auch Kondensatoren 289, 290, 291 und 292 und einen Verstärker 293. Ein Anschluß des Kondensators 289 ist mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 283 und mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 284 verbunden. Der andere Anschluß des Kondensators 289 ist mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 285, mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 286, mit einem Anschluß des Kondensators 290 und mit einem Anschluß des Kondensators 291 verbunden. Der andere Anschluß des Kondensators 290 ist mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 281 und einem Anschluß des Schalterelementes 282 verbunden. Der andere Anschluß des Kondensators 291 ist mit einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 287 und einem Übertragungsanschluß des Schalterelementes 288 verbunden. Der Kondensator 292 ist zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 293 geschaltet, und der invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 293 ist mit dem anderen Übertragungsanschluß des Schalterelementes 286 verbunden. Der nicht invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 293 ist mit dem Bezugsspannungsausgangsanschluß des Bezugsspannungselementes 2100 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Verstärkers 293 ist mit dem Impulsbreitenmodulator 202 verbunden. Der andere Übertragungsanschluß eines jeden der Schalterelemente 282, 283, 285 und 286 ist mit dem Bezugsspannungsausgangsanschluß des Spannungsbezugselements 2100 verbunden, der andere Übertragungsanschluß des Schalterelementes 281 ist mit dem Ausgangsanschluß 2103 verbunden, der andere Übertragungsanschluß des Schalterelementes 284 ist mit dem Anschluß 2101 verbunden, und der andere Übertragungsanschluß des Schalterelementes 288 ist mit dem Anschluß 2102 verbunden. Die Schalterelemente sind komplementäre MOSFETS.
Die kombinierte Abtastungs- und Umsetzerstufe 208 weist eine erste Konfiguration auf, wenn sich der Schaltimpuls PH2 auf seinem hohen Pegel befindet (zu dem Zeitpunkt, an dem sich der Schaltimpuls PH1 auf seinem niedrigen Pegel befindet). Bei der ersten Konfiguration der kombinierten Abtastungs- und Umsetzerstufe 208 sind die Schalterelemente 282, 284, 285 und 287 leitend. Der Schaltimpuls PH1 befindet sich auf seinem niedrigen Pegel, und die Schalterelemente 281, 283, 286 und 288 sind nichtleitend. Der Kondensator 290 wird durch die leitenden Schalterelemente 282 und 285 entladen, und der Kondensator 291 wird durch die leitenden Schalterelemente 285 und 287 entladen. Während dieser Zeit ist der Kondensator 289 zwischen den Anschluß 2101 und den Bezugsspannungsausgangsanschluß des Spannungsbezugselementes 2100 durch die leitenden Schalter 284 und 285 geschaltet und wird auf die Bezugsspannung aufgeladen.
Die kombinierte Abtastungs- und Umsetzerstufe 208 weist eine zweite Konfiguration auf, wenn sich der Schaltimpuls PH1 auf seinem hohen Pegel befindet (zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der Schaltimpuls PH2 auf seinem niedrigen Pegel befindet). Bei der zweiten Konfiguration der kombinierten Abtastungs- und Umsetzerstufe 208 sind die Schalterelemente 281, 283, 286 und 288 leitend, und die anderen Schalterelemente sind nichtleitend. Während dieser Zeit ist der invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 293 mittels des Schalterelementes 286 mit dem Anschluß des Kondensators 289 verbunden, der mit einem Anschluß des Kondensators 290 und einem Anschluß des Kondensators 291 verbunden ist. Der Kon densator 289 ist nun zwischen den invertierenden Anschluß des Verstärkers 293 und den Bezugsspannungsausgangsanschluß des Spannungsbezugselements 2100 (das eine Spannung VREF liefert) mittels des Schalterelementes 283 geschaltet, der Kondensator 290 ist nun zwischen den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 293 und den Ausgangsanschluß 2103 (der eine Spannung VOUT liefert) mittels des Schalterelementes 281 geschaltet und der Kondensator 291 ist nun zwischen den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 293 und den Anschluß 2102 (der eine Spannung VBATT liefert) mittels des Schalterelementes 288 geschaltet. Der Kondensator 292 ist direkt zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierenden Anschluß des Verstärkers 293 geschaltet; auch der nicht invertierende Anschluß des Verstärkers 293 ist direkt mit dem Bezugsspannungsausgangsanschluß des Spannungsbezugselements 2100 verbunden, und er wird somit auf VREF gehalten.
Die Kondensatoren 290 und 291 werden während des Impulses PH2 in entladenem Zustand gehalten, und der Kondensator 289 wird auf die Spannung VREF aufgeladen. Während des Impulses PH1 fließt in dem Kondensatornetzwerk Strom, und der Durchschnittsstrom IAV, aufgrund der Kondensatoren 289, 290 und 291, am invertierenden Anschluß des Verstärkers 293 kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
Iav = 1/T(V&sub1; x C&sub2;&sub9;&sub0; - V&sub2; x C&sub2;&sub8;&sub9; + V&sub3; x C&sub2;&sub9;&sub1;),
wobei T die Dauer des Impulses PH1 ist, V&sub1;, V&sub2; und V&sub3; die Ausgangsspannung, die Massespannung bzw. die Batteriespannung relativ zur Bezugsspannung VREF sind, und C&sub2;&sub8;&sub9;, C&sub2;&sub9;&sub0; und C&sub2;&sub9;&sub1; die jeweiligen Kapazitäten der Kondensatoren 289, 290 und 291 sind.
Wenn in Fig. 2 die Kapazitäten C&sub2;&sub8;&sub9; und C&sub2;&sub9;&sub0; gleich sind, dann lautet der Ausdruck für IAV:
Iav = 1/T[(V&sub1;-V&sub2;) C&sub2;&sub8;&sub9; + V&sub3; x C&sub2;&sub9;&sub1;],
was ausgedrückt werden kann:
Iav T = (Vout x C&sub2;&sub8;&sub9; - Vref x C&sub2;&sub9;&sub1;),
wobei VOUT die Ausgangsspannung in bezug auf Masse ist, und VREF die Bezugsspannung in bezug auf die Batteriespannung
ist.
Es kann angenommen werden, daß die Ladung IAV T eine Ausgangsspannung Vcont von dem Verstärker 293 und dem Kondensator 292 liefert, die folgendermaßen ausgedrückt werden kann:
Vcont = Iav T/C&sub2;&sub9;&sub2; = Vout x C&sub2;&sub8;&sub9;/C&sub2;&sub9;&sub2; - Vref x C&sub2;&sub9;&sub1;/C&sub2;&sub9;&sub2;, wobei C&sub2;&sub9;&sub2; der Wert des Kondensators 292 ist.
Die Spannung Vcont repräsentiert die Differenz zwischen dem Anteil C&sub2;&sub8;&sub9;/C&sub2;&sub9;&sub1; der Ausgangsspannung VOUT und dem Anteil C&sub2;&sub9;&sub0;/C&sub2;&sub9;&sub1; der Bezugsspannung VREF.
Aus dem Ausdruck für Vcont wird Vcont = Vout x C&sub2;&sub8;&sub9;/C&sub2;&sub9;&sub2; - Vref, wenn C&sub2;&sub9;&sub1; = C&sub2;&sub9;&sub2;.
Die Ausgangsspannung von dem Verstärker 293 wird an den Sägezahngenerator 201 angelegt und steuert die Ausgangsspannung VOUT.
Ein Filternetzwerk mit geschalteten Kondensatoren kann zwischen dem Verstärker 293 und die Impulsbreitenmodulatorstufe 202 als ein Mittel zur Steuerung der Schleifenverstärkung des Systems integriert werden.
In Fig. 3 der begleitenden Zeichnungen enthält der Spannungsregler alles von der zweiten Form der Spannungsregler-Steuerschaltung und dazu eine zusätzliche Abtastungsund Umsetzerstufe 308, und einen zusätzlichen Impulsbreitenmodulator 302. Der Spannungsregler enthält auch die in Fig. 2 dargestellten Ausgangskomponenten des Spannungsreglers, und einen zusätzlichen Satz von Ausgangskomponenten 303, 304, 305 und 306, die eine zweite Ausgangsspannung an einem zweiten Ausgangsanschluß 3103 liefern.
Die zusätzliche Abtastungs- und Umsetzerstufe 308 empfängt die Schaltimpulse PH1 und PH2, die durch den Schalter-Controller 207 geliefert werden, und sie ist mit dem Bezugsspannungsanschluß des Bezugsspannungselements 2100 verbunden. Der zusätzliche Impulsbreitenmodulator 302 empfängt das Sägezahnausgangssignal und einen Steuerimpuls von dem Steuergenerator 201, und er liefert breitenmodulierte Steuerimpulse zum Transistor 303. Die Werte der Kondensatoren der zusätzlichen Abtastungs- und Umsetzerstufe 308 weichen von den Werten der entsprechenden Kondensatoren bei der Abtastungs- und Umsetzerstufe 208 ab, was zur Folge hat, daß die zweite Ausgangsspannung, die an dem Anschluß 3103 verfügbar ist, von der Ausgangsspannung abweicht, die an dem Anschluß 2103 verfügbar ist. Abgesehen von den Differenzen in den Werten ihrer Kondensatoren sind die Abtastungs- und Umsetzerstufen 208 und 308 identisch. Die Impulsbreitenmodulatoren 202 und 302 sind ebenfalls identisch.
Die Anzahl der Ausgangsanschlüsse kann über die zwei in Fig. 3 dargestellten durch Hinzufügen von weiteren Abtastungs- und Umsetzerstufen und Impulsbreitenmodulatoren erhöht werden, die mit weiteren Ausgangskomponenten und mit der Abtastungs- und Umsetzerstufe 208, dem Steuergenerator 201 und dem Bezugsspannungselement 2100 verbunden sind, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Ausgangsspannungen brauchen nicht alle verschieden zu sein, da es unter gewissen Umständen wünschenswert sein kann, daß die gleiche Spannung an mehr als einem Ausgangsanschluß verfügbar ist, z.B., wo ein einziges Ausgangssignal nicht den erforderlichen Strom liefern kann, oder es wünschenswert ist, die gegenseitige Beeinflussung zwischen Teilen eines Systems zu reduzieren, das lediglich eine Speisespannung erfordert.
Die dritte Spannungsregler-Steuerschaltung besteht aus den Komponenten 201, 202, 207, 208, 2100, 302 und 308.
Mehrere Ausgangsspannungen lassen sich von dem Spannungsregler unter Verwendung der dritten Spannungsregler- Steuerschaltung, wie in Fig. 3 dargestellt, erhalten, wobei ein einziges Spannungsbezugselement 2100 eingesetzt wird. Diese Anordnung hat das wünschenswerte Merkmal, daß bei integrierten Schaltungsformen der Spannungsregler-Steuerschaltungen lediglich ein Bezugsspannungselement abgeglichen werden muß.
Die oben beschriebenen Spannungsregler-Steuerschaltungen weisen alle das wünschenswerte Merkmal auf, daß in integrierter Schaltungsform die Schalterelemente und Kondensatoren relativ geringe Mengen an Halbleitermaterial erfordern.

Claims

1. Spannungsregler-Steuerschaltung enthaltend:

ein Steuersignal-Erzeugungsmittel (10 bis 13, 70 bis 72, 98),

ein Schalternetzwerk (82 bis 86, 94 bis 97), dessen Schaltelemente im Betrieb durch das Steuersignal-Erzeugungsmittel (10 bis 13, 70 bis 72, 98) gesteuert werden,

ein Kondensatornetzwerk (80, 81, 90 bis 93), in dem Schaltelemente des Schalternetzwerkes (82 bis 86, 94 bis 97) so geschaltet sind, daß sie in der Lage sind, unter dem Einfluß des Steuersignal-Erzeugungsmittels (10 bis 13, 70 bis 72, 98) das Kondensatornetzwerk (80, 81, 90 bis 93) zu verändern und das Kondensatornetzwerk (80, 81, 90 bis 93) mit dem Steuersignal-Erzeugungsmittel (10 bis 13, 70 bis 72, 98) zu verbinden,

Mittel (101, 102), die mit dem Steuersignal-Erzeugungsmittel (10 bis 13, 70 bis 72, 98) verbunden sind, um eine Speisespannung zu empfangen, die im Betrieb die Eingangsenergie für das Steuersignal-Erzeugungsmittel (10 bis 13, 70 bis 72, 98) und für eine Bezugsspannungsquelle (100) für das Steuersignal-Erzeugungsmittel (10 bis 13, 70 bis 72, 98) liefert,

ein Regelspannungstor (101, 103), mit dem Schaltelemente des Schalternetzwerkes (82 bis 86, 94 bis 97) so verbunden sind, daß sie in der Lage sind, das Regelspannungstor (101, 103) unter dem Einfluß des Steuersignal-Erzeugungsmittels (10 bis 13, 70 bis 72, 98) mit dem Kondensatornetzwerk (80, 81, 90 bis 93) zu verbinden, wobei das Regelspannungstor (101, 103) im Betrieb ein Regelspannungssignal führt, dessen Polarität der Spannung der Bezugsspannungsquelle (100) entgegengesetzt ist,

wobei das Schalternetzwerk (80 bis 86, 90 bis 97) unter der Steuerung des Steuersignal-Erzeugungsmittels (10 bis 13, 70 bis 72, 98) so betrieben werden kann, daß das Kondensatornetzwerk (80, 81, 90 bis 93) dazu veranlaßt wird, ein invertiertes Regelspannungssignal zu liefern, das das Steuersignal-Erzeugungsmittel (10 bis 13, 70 bis 72, 98) mit der Bezugsspannung vergleichen kann, um ein Ausgangssteuersignal zu erzeugen, das ein Maß für die Differenz zwischen der Bezugsspannung und dem Regelspannungssignal ist.

2. Spannungsregler-Steuerschaltung nach Anspruch 1, bei der das Kondensatornetzwerk (80, 81, 90 bis 93) einen Anteil des Regelspannungssignals zum Vergleich mit der Bezugsspannung liefern kann.

3. Spannungsregler-Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Kondensatornetzwerk (289 bis 291) einen Knotenpunkt enthält, der allen Kondensatoren (289 bis 291) des Netzwerks gemeinsam ist, das Schalternetzwerk (291 bis 288) ein Schalterelement (286) enthält, das zwischen einem Eingangsanschluß eines Vergleichsmittels (292, 293) und dem Knotenpunkt, der allen Kondensatoren (289 bis 291) des Netz-werks gemeinsam ist, geschaltet ist, und, beim Betrieb der Spannungsregler-Steuerschaltung, eine Ladung, die von dem Regelspannungssignal abhängt, durch das Kondensatornetzwerk (289 bis 291) zum Eingangsanschluß des Vergleichsmittels (292, 293) über den Knotenpunkt geliefert wird, der den Kon-densatoren (289 bis 291) des Kondensatornetzwerks gemeinsam ist.

4. Spannungsregler-Steuerschaltung nach Anspruch 3, bei dem das Vergleichsmittel (292, 293) in der Lage ist, die Ladung zu akkumulieren, die es von dem Kondensatornetzwerk (289 bis 291) empfängt.

5. Spannungsregler-Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Kondensatornetzwerk drei Kondensatoren (289 bis 291) enthält, die mit dem gemeinsamen Knotenpunkt verbunden sind.

6. Spannungsregler-Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Kondensatornetzwerk einen Abtastkondensator (80) enthält, das Schalternetzwerk (82 bis 86, 94 bis 97) so betrieben werden kann, daß der Abtastkondensator (80) mit dem Regelspannungstor (101, 103) verbunden wird, um auf dem Abtastkondensator (80) ein Maß für das Regelspannungssignal zu liefern, und das Schalternetzwerk (82 bis 86, 94 bis 97) darüber hinaus so betrieben werden kann, daß der Abtastkondensator (80) von dem Regelspannungstor (101, 103) abgetrennt wird, und um den Abtastkondensator (80) mit einem Eingangsanschluß eines vergleichsmittels (98) zu verbinden.

7. Spannungsregler-Steuerschaltung nach Anspruch 6, die einen Steuereingangskondensator (91) enthält, der mit dem Eingangsanschluß des Vergleichsmittels (98) verbunden ist, um einen Anteil der gespeicherten Ladung von dem Abtastkondensator (80) zu entfernen.

8. Spannungsregler-Steuerschaltung nach Anspruch 6 oder 7, bei der das Kondensatornetzwerk (80, 81, 90 bis 93) wenigstens einen Zwischenkondensator (81, 90) enthält, den das Schalternetzwerk (82 bis 86, 94 bis 97) mit dem Abtastkondensator (80) verbinden kann, um einen Anteil der gespeicherten Ladung von dem Abtastkondensator (80) zu entfernen.

9. Spannungsregler-Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der ein Kondensator (93) des Kondensatornetzwerkes (80, 81, 90 bis 93) und ein Element (98) des Steuersignal-Erzeugungsmittels (10 bis 13, 70 bis 72, 98) ein Schalter-Kondensator-Filter bilden, das die Schleifenverstärkung des Steuersignal-Erzeugungsmittels (10 bis 13, 70 bis 72, 98) bestimmt.

10. Spannungsregler-Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Steuersignal-Erzeugungsmittel (10 bis 13, 70 bis 72, 98) einen Impulsgenerator (10) enthält, der im Betrieb Steuerimpulse zum Schalternetzwerk (82 bis 86, 94 bis 97) liefert.

11. Spannungsregler-Steuerschaltung mit Mehrfachausgang, die mehrere Spannungsregler-Steuerschaltungen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 enthält, die mit jeweiligen Regelspannungstoren (2101, 2103; 2101, 3103) verbunden sind und durch einen gemeinsamen Impulsgenerator gesteuert werden.

12. Spannungsregler-Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die als monolithische integrierte Schaltung hergestellt ist.

13. Spannungsregler-Steuerschaltung mit Mehrfachausgang nach Anspruch 11, die als monolithische integrierte Schaltung hergestellt ist.

14. Spannungsregler mit einer Spannungsregler-Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem ein Ausgangsschaltelement (3) des Spannungsreglers so geschaltet ist, daß es durch das Ausgangssteuersignal von dem Steuersignal-Erzeugungsmittel (10 bis 13, 70 bis 72, 98) gesteuert wird, und das Regelspannungstor (101, 103) mit dem Ausgangsanschluß des Spannungsreglers verbunden ist.