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WO2003005317A1 - Spannungsgenerator für halbleiterschaltungen - Google Patents

Spannungsgenerator für halbleiterschaltungen Download PDF

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WO2003005317A1
WO2003005317A1 PCT/DE2002/002499 DE0202499W WO03005317A1 WO 2003005317 A1 WO2003005317 A1 WO 2003005317A1 DE 0202499 W DE0202499 W DE 0202499W WO 03005317 A1 WO03005317 A1 WO 03005317A1
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WO
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voltage
circuit
voltage generator
consumer
supply device
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PCT/DE2002/002499
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andre Albsmeier
Wolf-Eckardt Bulst
Klaus Pistor
Frank Schmidt
Oliver Sczesny
Claus Seisenberger
Martin Vossiek
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Enocean GmbH
Original Assignee
Enocean GmbH
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/26—Power supply means, e.g. regulation thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/10—Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point

Definitions

  • the invention relates to a pyroelectrically drivable supply device, a circuit system comprising such a supply device and a method for operating a sequence control.
  • WO 98/36395 A2 describes an arrangement for generating coded high-frequency signals in which a pyroelectric element for converting thermal process energy into electrical energy is used for generating the voltage. This electrical energy is converted into high-frequency energy by means of an element with a non-linear characteristic; such an element can be a spark gap or a semiconductor component. The high-frequency signal is then encoded using a coding device. Transducers and filters, e.g. SAW filter. Also described is the possibility of changing the arrangement depending on an environmental parameter, e.g. the ambient temperature.
  • the supply device has at least one pyroelectric voltage generator. Furthermore, there is at least a high-resistance threshold circuit and a voltage converter. The voltage converter is used to generate a substantially constant voltage suitable for the operation of the consumer from a briefly occurring discharge process of the pyroelectric voltage converter. An essentially constant voltage means that it lies within a tolerance range for the power supply of the consumer or the semiconductor circuit.
  • the voltage converter is connected to the voltage generator via the threshold circuit.
  • the control circuit is used to monitor the electrical voltage at the pyroelectric voltage generator with as little power as possible and to connect or disconnect the voltage transformers and any consumers connected to them when a threshold in terms of design or circuitry is reached. When this happens, the voltage generator discharges and the discharge current briefly drives the voltage converter.
  • the threshold switch is designed to reduce losses with high impedance.
  • a consumer can be connected to the voltage converter; the consumer is the electrical / electronic device o the circuit, which can be operated for a short time with the generated essentially constant voltage, in particular direct voltage, e.g. a microchip with implemented sequential control.
  • This has the advantage that the supply device with a consumer with low power consumption in a variety of application areas, e.g. the measurement data query can be operated.
  • the pyroelectric voltage generator is encapsulated in a suitable manner in an electrically insulating manner in order to maintain a high insulation resistance and thus a low power loss, for example by incorporation into a hermetic tight housing or gas-tight potting with suitable plastics. It is preferably in good thermal contact with the source of temperature fluctuation to be used, e.g. B. a heating rib brought. A change in temperature .DELTA.T causes the separation of electrical charges in the pyromaterial, so that an electrical voltage builds up on the electrically conductive, typically metallized, end faces due to the low electrical capacity.
  • the pyroelectric voltage generator preferably comprises a monolithic pyroelectric single crystal, e.g. made of lithium tantalate, a pyroelectric ceramic or pyroelectric plastics, in particular in the present case as foils.
  • a monolithic pyroelectric single crystal e.g. made of lithium tantalate, a pyroelectric ceramic or pyroelectric plastics, in particular in the present case as foils.
  • these can be brought to a small size by rolling up or folding.
  • layered pyroelectric materials the pyroelectric layers being separated by conductive layers which are brought together on electrodes, similar to a plate capacitor.
  • the advantage of this arrangement is a greater electrical capacity of the converter, as a result of which the generated electrical voltage is lower and is therefore better adapted to electronic consumers.
  • the threshold switch is preferably designed as a spark gap, as a semiconductor with appropriate switching behavior, e.g. as a tyristor, as an electrostatically acting switch, in particular in micromechanically implemented variants or as a semiconductor circuit with field effect transistors, which uses feedback.
  • a switching converter or a transformer with subsequent voltage constant-hold circuit is preferably used as the voltage converter circuit.
  • Sensor circuits which transmit a measurement variable by wire, radio, sound or infrared or another optical connection or make it optically visible, circuits for transmitting consumption data via the above-mentioned channels,
  • Display circuits which display stored values, alarm devices.
  • the consumer comprises a logic module in the form of a sequence control.
  • a logic module in the form of a sequence control.
  • This allows, for example, a time-changing measurement signal from a sensor to be recorded and processed further.
  • an identification code that can be called up by the sequential control system can be called up and sent out with the measurement signals or also alone.
  • the use of the sequential control system has the additional advantage that the send telegrams generated in the sequential control system can be flexibly coded.
  • a transmission telegram generated in the sequence control is impressed on a transmission signal, for example a high-frequency signal, in a downstream transmitter and then sent. It is particularly advantageous if the transmitted signal is as broadband as possible, because this results in a high information density together with the sequence control.
  • the bandwidth is preferably greater than 100 kHz, in particular between 300 kHz and 600 kHz.
  • the signal length of a transmission telegram preferably corresponds to 32 bits to 512 bits, the transmission duration is preferably in the range of milliseconds, in particular between 0.2 ms and 5 ms, especially between 0.3 and 2 ms.
  • the supply device has a capacitor or an equivalent current storage element for the short-term storage of part of the voltage signal generated by the voltage generator for temporal Extension of the constant voltage signal contains.
  • the capacitor thus stores a voltage signal which is increased relative to the constant output signal of the voltage converter circuit and is emitted again when the voltage which can be used to operate the consumer is undershot; this extends the time that can be used for a sufficient or substantially constant voltage supply to the consumer.
  • ULP Ultra Low Power
  • ULP technology is understood to mean a power consumption of less than 20 mW, in particular less than 10 mW, especially between 3 mW and 8 mW.
  • temperature sensors in industry, in the car or on heaters / radiators are preferred for cost recording.
  • a sequence control in particular in the form of a semiconductor circuit, which briefly measures the temperatures, can be activated;
  • the forwarding of the measurement data is preferably implemented wirelessly via radio.
  • the circuit system is integrated in a control system.
  • the measurement data are forwarded by means of PLC ("Power Line Communication").
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a circuit system
  • FIG. 2 shows a voltage signal that can be tapped at the voltage converter circuit.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a circuit system with a supply device GEN and a downstream consumer V.
  • the supply device GEN comprises a pyroelectric voltage generator 1 and a downstream voltage converter 3. Between the voltage generator 1 and the voltage converter 3 there is a high-resistance threshold switch 2 for monitoring the voltage of the voltage generator 1 and, when a sufficient voltage value is reached, and connecting the voltage converter 3. Tet connected downstream of the voltage transformer 3, a capacitor 4, the supply voltage U payload is tapped at the consumer V.
  • the consumer V is a semiconductor sequence controller with an HF transmitter TX and transmitting antenna ANT.
  • a sensor S is connected.
  • the send telegram from consumer V can be identified by an identity code.
  • the consumer is implemented in ULP technology with a power consumption of less than 50 mW and sends a transmission telegram up to 512 bits long in the range of milliseconds. The send telegram can also be longer.
  • FIG. 2 shows the supply voltage U used / plotted against time t.
  • the threshold switch 2 switches the voltage converter 3 on (“on”) when an upper threshold value UP is reached.
  • the voltage U util then drops between tl and t2 until a lower threshold value LOW is reached.
  • the voltage range between UP and LOW is the voltage range that can be used by the consumer V. If the voltage falls below LOW, the voltage converter 3 is switched off by the voltage generator 1 uncoupled ("off").
  • the activation time t2 -tO is in the range of milliseconds.

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Abstract

Versorgungseinrichtung (GEN) mit mindestens einem pyroelektrischen Spannungsgenerator (l),dadurch gekennzeichnet, dass eine hochohmige Schwellwertschaltung (2) und eine Spannungswandlerschaltung (3) in ULP-Technik zur Wandlung eines vom Spannungsgenerator (1) erzeugten Spannungssignals (Uprim) in ein im wesentlichen konstantes Spannungssignal (Unutz), vorhanden sind, wobei der Spannungswandler über die Schwellwertschaltung (2) mit dem Spannungsgenerator (1) verbunden ist, der Spannungswandler (3) zum Anschluss eines Verbrauchers (V) geeignet ist.

Description

Beschreibung
Spannungsgenerator für Halbleiterschaltungen
Die Erfindung betrifft eine pyroelektrisch antreibbare Versorgungseinrichtung, ein Schaltungssystem umfassend eine solche Versorgungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Ablaufsteuerung.
Aus WO 98/36395 A2 ist eine Anordnung zur Erzeugung kodierter Hochfrequenzsignale beschrieben, bei der zur Spannungserzeugung ein pyroelektrisches Element zur Umwandlung thermischer Prozessenergie in elektrische Energie verwendet wird. Diese elektrische Energie wird mittels eines Elements mit nichtlinearer Kennlinie in hochfrequente Energie umgesetzt; ein solches Element kann eine Funkenstrecke oder ein Halbleiterbauelement sein. Das hochfrequente Signal wird sodann mittels einer Kodierungseinrichtung kodiert. Als Kodierungseinrich- tung werden Wandler und Filter, z.B. OFW-Filter, beschrieben. Auch beschrieben ist die Möglichkeit, die Anordnung abhängig von einem Umgebungsparameter, z.B. der Umgebungstemperatur, auszulösen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur flexibleren Nutzung einer pyroelektrisch antreibbaren Versorgungseinrichtung bereitzustellen, insbesondere zur Nutzung als Spannungsquelle für eine Ablaufsteuerung, insbesondere für eine Ablaufsteuerung in Form einer Halbleiter- Schaltung.
Diese Aufgabe wird mittels einer Versorgungseinrichtung nach Anspruch 1, ein Schaltungssystem nach Anspruch 4 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Ablaufsteuerung in ULP-Technik nach Anspruch 8 gelöst . Die Versorgungseinrichtung weist mindestens einen pyroelektrischen Spannungsgenerator auf. Weiterhin sind mindestens eine hochohmige Schwellwertschaltung und ein Spannungswandler vorhanden. Der Spannungswandler dient dazu, aus einem kurz- zeitig auftretenden Entladevorgang des pyroelektrischen Spannungswandlers eine für den Betrieb des Verbrauchers geeignete, im wesentlichen konstante Spannung zu erzeugen. Eine im wesentlichen konstante Spannung bedeutet, dass sie innerhalb eines Toleranzbereichs zur Stromversorgung des Verbrauchers bzw. der Halbleiterschaltung liegt.
Der Spannungswandler ist mit dem Spannungsgenerator über die Schwellwertschaltung verbunden. Die Stellwertschaltung dient dazu, die elektrische Spannung am pyroelektrischen Spannungs- generator möglichst leistungsarm zu überwachen und beim Erreichen einer konstruktiv oder schaltungstechnisch vorgegebenen Schwelle der Spannungswandler und einen damit gegebenenfalls verbundenen Verbraucher zuzuschalten bzw. abzukoppeln. Wenn dies geschieht, entlädt sich der Spannungsgenerator, und der Entladestrom treibt kurzzeitig den Spannungswandler. Der Schwellwertschalter ist zur Reduzierung von Verlusten hochoh- mig ausgeführt .
An den Spannungswandler ist ein Verbraucher anschließbar; der Verbraucher ist die elektrische/elektronische Vorrichtung o- der Schaltung, die kurzzeitig mit der erzeugten im wesentlichen konstanten Spannung, insbesondere Gleichspannung, betrieben werden kann, z.B. ein Mikrochip mit implementierter Ablaufsteuerung. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Versorgungseinrichtung mit einem Verbraucher mit niedriger Leistungsaufnahme in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, z.B. der Messdatenabfrage, betrieben werden kann.
Der pyroelektrische Spannungsgenerator ist zur Aufrechterhal- tung eines hohen Isolationswiderstandes und damit einer geringen Verlustleistung auf geeignete Weise elektrisch isolierend gekapselt, z.B. durch Einbringung in ein hermetisch dichtes Gehäuse oder den gasdichten Verguss mit geeigneten Kunststoffen. Er wird vorzugsweise in gutem thermischen Kontakt mit der zu nutzenden Quelle der Temperaturschwankung, z. B. einer Heizungsrippe, gebracht. Eine Temperaturänderung ΔT bewirkt die Trennung von elektrischen Ladungen im Pyromateri- al , so dass sich aufgrund der geringen elektrischen Kapazität an elektrisch leitfähigen, typischerweise metallisierten, Endflächen eine elektrische Spannung aufbaut.
Der pyroelektrische Spannungsgenerator umfasst bevorzugt einen monolithischen pyroelektrischen Einkristall, z.B. aus Lithiumtantalat , eine pyroelektrische Keramik oder pyroelektrische Kunststoffe, insbesondere vorliegend als Folien. Im Fall von pyroelektrischen Folien können diese durch Auf- rollen oder Falten auf eine kleine Baugröße gebracht werden. Ebenfalls möglich ist der Einsatz von geschichteten pyroelektrischen Materialien, wobei die pyroelektrischen Schichten ähnlich wie bei einem Plattenkondensator durch leitfähige Schichten, die an Elektroden zusammengeführt werden, getrennt sind. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in einer größeren elektrischen Kapazität des Wandlers, wodurch die generierte elektrische Spannung geringer und somit besser an elektronische Verbraucher angepasst ist.
Der Schwellwertschalter ist vorzugsweise ausgeführt als Funkenstrecke, als Halbleiter mit entsprechendem Schaltverhalten, z.B. als Tyristor, als elektrostatisch wirkender Schalter, insbesondere in mikromechanisch ausgeführten Varianten oder als Halbleiterschaltung mit Feldeffekttransistoren, wel- ehe eine Rückkopplung nutzt.
Als Spannungswandlerschaltung wird bevorzugt ein Schaltwandler oder ein Transformator mit anschließendender Spannungs- konstanthalteschaltung eingesetzt .
Als Verbraucher sind insbesondere funktionell vorgesehen: Sensorschaltungen, welche eine Messgröße per Drahtverbindung, Funk, Schall oder Infrarot oder eine andere optische Verbindung weiterleiten oder optisch sichtbar machen, Schaltungen zur Übermittlung von Verbrauchsdaten über die oben genannten Kanäle,
Anzeigeschaltungen, welche abgespeicherte Werte anzeigen, Alarmgeber.
Diese Liste ist nicht vollständig und soll lediglich einen Ausschnitt auf das Potential der vorgestellten Methode andeuten.
Es wird besonders bevorzugt, wenn der Verbraucher eine Logikbaugruppe in Form einer Ablaufsteuerung umfasst . Dadurch lässt sich beispielsweise ein sich zeitlich änderndes Mess- signal eines Sensors aufnehmen und weiterverarbeiten. Zusätzlich kann beispielsweise ein durch die Ablaufsteuerung abrufbarer Identcode mit den Messsignalen oder auch alleine abgerufen und ausgesendet werden. Die Verwendung der Ablaufsteuerung besitzt zusätzlich den Vorteil, dass die in der Ab- laufSteuerung generierten Sendetelegramme flexibel codierbar sind. Es wird weiterhin bevorzugt, wenn ein in der Ablaufsteuerung erzeugtes Sendetelegramm in einem nachgeschalteten Sender einem Sendesignal, beispielsweise einem Hochfrequenzsignal, aufgeprägt und dann abgesandt wird. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das ausgesandte Signal möglichst breitbandig ist, weil sich so zusammen mit der Ablaufsteuerung eine hohe Informationsdichte ergibt. Die Bandbreite ist bevorzugt größer als 100 kHz, insbesondere zwischen 300 kHz und 600 kHz. Die Signallänge eines Sendetele- gramms entspricht bevorzugt 32 bit bis 512 bit, die Sendedauer liegt bevorzugt im Bereich von Millisekunden, insbesondere zwischen 0,2 ms und 5 ms, speziell zwischen 0,3 und 2 ms.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Versorgungseinrichtung einen Kondensator oder ein gleichwirkendes stromspeicherele- ment zur kurzfristigen Speicherung eines Teils des vom Spannungsgenerator erzeugten Spannungssignals zur zeitlichen Ver- längerung des konstanten Spannungssignals enthält. Durch den Kondensator wird somit eine relativ zum konstanten Ausgangs- signal der Spannungswandlerschaltung erhöhtes Spannungssignal gespeichert und bei Unterschreiten der zum Betrieb des Verbrauchers nutzbaren Spannung wieder abgegeben; dadurch wird die Zeit, die für eine ausreichende bzw. im wesentlichen konstante Spannungsversorgung des Verbrauchers nutzbar ist, verlängert .
Aufgrund der durch eine Temperaturänderung zur Verfügung stehenden vergleichsweise geringen Energiemengen ist es äußerst vorteilhaft, wenn der Verbraucher in ULP- ("Ultra Low Power" - ) Technik ausgeführt ist. Nur dann ist es für viele Anwendungen mit entsprechend kleinem Platzbedarf möglich, einen Verbraucher, insbesondere eine Ablaufsteuerung, über eine ausreichende Zeitdauer zu betreiben. Als ULP-Technik wird eine Leistungsaufnahme von weniger als 20 mW, insbesondere weniger als 10mW, speziell zwischen 3 mW und 8 mW verstanden.
Als Anwendungsbeispiele für die Versorgungseinrichtung und/oder das Schaltungssystem sind die Temperatursensorik in der Industrie, im Auto oder an Heizungen/Heizkörpern zur Kostenerfassung bevorzugt. Beispielsweise kann bei jeder Temperaturänderung von ΔT = 1° kurzfristig eine Ablaufsteuerung, insbesondere in Form einer Halbleiterschaltung, aktiviert werden, welche die Temperaturen misst; die Weiterleitung der Messdaten wird vorzugsweise drahtlos über Funk realisiert. Insbesondere wird es bevorzugt, wenn das Schaltungssystem in eine Steueranlage integriert ist. Insbesondere ist es güns- tig, wenn die Messdaten mittels PLC ("Power Line Communicati- on") weitervermittelt werden.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Versorgungseinrichtung schematisch näher dargestellt :
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Schaltungssystems, Figur 2 zeigt ein an der Spannungswandlerschaltung abgreifbares Spannungssignal .
Figur 1 zeigt als Prinzipskizze ein Schaltungssystem mit ei- ner Versorgungseinrichtung GEN und einem nachgeschalteten Verbraucher V.
Die Versorgungseinrichtung GEN umfasst einen pyroelektrischen Spannungsgenerator 1 und einen nachgeschalteten Spannungs- wandler 3. Zwischen Spannungsgenerator 1 und Spannungswandler 3 ist ein hochohmiger Schwellwertschalter 2 zur Überwachung der Spannung des Spannungsgenerators 1 und, bei Erreichen eines ausreichenden Spannungswertes, und Zuschaltung des Spannungswandlers 3 gegeben. Dem Spannungswandler 3 nachgeschal- tet ist ein Kondensator 4, an dem vom Verbraucher V die Versorgungsspannung Unutz abgegriffen wird.
Der Verbraucher V ist eine Halbleiter-Ablaufsteuerung mit einem HF-Sender TX und Sendeantenne ANT. Angeschlossen ist ein Sensor S. Das Sendetelegramm des Verbrauchers V ist durch einen Identcode identifizierbar. Der Verbraucher ist in ULP- Technik mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 50 mW ausgeführt und sendet im Bereich von Millisekunden ein bis zu 512 bit langes Sendetelegramm aus. Das Sendetelegramm kann aber auch länger sein.
Figur 2 zeigt die Versorgungsspannung Unutz/ aufgetragen gegen die Zeit t.
Zu einem Zeitpunkt tO schaltet der Schwellwertschalter 2 den Spannungswandler 3 zu ("ein"), wenn ein oberer Schwellwert UP erreicht ist. Die Spannung Unutz fällt dann zwischen tl und t2 ab, bis ein unterer Schwellwert LOW erreicht ist. Der Spannungsbereich zwischen UP und LOW ist die durch den Verbraucher V nutzbare Spannungsbreite. Bei Unterschreiten von LOW wird der Spannungswandler 3 vom Spannungsgenerator 1 abgekoppelt ("aus") . Die Aktivierungszeit t2 -tO liegt im Bereich von Millisekunden.

Claims

Patentansprüche
1. Versorgungseinrichtung (GEN) mit mindestens einem pyroelektrischen Spannungsgenerator (1) , dadurch gekennzeichnet, dass
-eine hochohmige Schwellwertschaltung (2) und
-eine Spannungswandlerschaltung (3) in ULP-Technik zur Wandlung eines vom Spannungsgenerator (1) erzeugten Spannungssignals (Uprim) in ein im wesentlichen konstan- tes Spannungssignal (Unutz) , vorhanden sind, wobei
-der Spannungswandler über die SchwellwertSchaltung (2) mit dem Spannungsgenerator (1) verbunden ist, -der Spannungswandler (3) zum Anschluss eines Verbrau- chers (V) geeignet ist.
2. Versorgungseinrichtung (GEN) nach Anspruch 1, bei der der pyroelektrische Spannungsgenerator elektrisch isolierend gekapselt ist.
Versorgungseinrichtung (GEN) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der ein Kondensator zur Speicherung eines Teils des vom Spannungsgenerator erzeugten Spannungssignals vorhanden ist.
4. Schaltungssystem, aufweisend
-eine Versorgungseinrichtung (GEN) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, -einen elektrisch antreibbaren Verbraucher (V) , der zur Spannungsversorgung mit der Versorgungseinrichtung (GEN) verbunden ist .
5. Schaltungssystem nach Anspruch 4, bei dem der Verbraucher (V) eine Halbleiterschaltung umfasst, ins- besondere eine Ablaufsteuerung in ULP-Technik umfasst.
6. Schaltungssystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem der Verbraucher (V) mit mindestens einem Sensor (S) verbunden ist.
7. Schaltungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 6, das mindestens einen dem Verbraucher (V) nachgeschalteten Sender (S) zur Aussendung eines Sendetelegramms umfasst.
8. Verfahren zum Betrieb einer Ablaufsteuerung in ULP- Technik, insbesondere in Form einer Halbleiterschaltung, bei dem
-bei Erreichen einer ausreichenden Temperaturdifferenz (ΔT) ein hochohriger Schwellwertschalter (2) eine Spannungswandlerschaltung (3) einem pyroelektrischen Span- nungsgenerator (1) zuschaltet,
-mit der Zuschaltung der Spannungswandler (3) ein vom pyroelektrischen Spannungsgenerator (1) bereitgestelltes Spannungssignal so aufbereitet, dass die Ablaufsteuerung damit betreibbar ist, -mittels der Ablaufsteuerung ein Sendetelegramm erstellt wird, das dann über einen Sender (TX) abgestrahlt wird.
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AL Designated countries for regional patents

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