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Die
Erfindung bezieht sich auf Spannungsumsetzer beziehungsweise eine
Vorrichtung zur Spanungsumsetzung, in welchem eine Wechselspannung
in eine Gleichspannung umgesetzt wird, wobei dazu eine Übergangseinheit
verwendet wird, welche die Wechselspannung zunächst über eine Steuereinheit in eine Übergangsspannung
und mindestens eine Übergangshilfsspannung
umsetzt.
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Zur
Datenübertragung
in einem digitalen Funkkommunikationssystem, beispielsweise RFID-System,
sind heutzutage eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt. Abhängig vom
jeweiligen System findet dabei die Datenübertragung zwischen einem Transponder,
zum Beispiel als Funketikett realisiert, und einem Lesegerät statt.
Als Übertragungsmedium
dient hierbei ein elektromagnetisches Feld. Speziell in passiven
Funkkommunikationssystemen (RFID-Tags) wird die Betriebsgleichspannung,
zur Betreibung des Transponders aus dem elektromagnetischen Feld
gewonnen. Durch diese Art der Spannungsgewinnung muss keine separate
Spannungsversorgung, beispielsweise in Form einer Batterie, auf
dem Transponder untergebracht werden. Somit ist es möglich, den
Transponder kleiner und leichter zu gestalten und somit ein größeres Einsatzgebiet der
Transponder zu erhalten.
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Zur
Betriebsspannungsgewinnung wird dementsprechend Energie aus dem
elektromagnetischen Feld entnommen. Die Energie des elektromagnetischen
Feldes breitet sich in Form von elektromagnetischen Wellen aus.
Eine elektromagnetische Welle ist eine Welle gekoppelter elektrischer
und magnetischer Felder, welche eine Trägerfrequenz aufweist, die als
Schwingung des elektromagnetischen Feldes definiert ist. In einer
Eingangseinheit eines Transponders wird diese Schwingung des elektromagnetischen
Feldes in eine elektrische Wechselspannung umgesetzt. Dies geschieht
beispielsweise mittels eines Eingangsschwingkreises, in welchem
zwei Energiespeicher derart gestaltet und auf einander abgestimmt
sind, dass sie für
eine Anregung mittels einer eine bestimmte Trägerfrequenz aufweisenden elektromagnetischen
Welle in Resonanz gelangen und die elektromagnetische Welle in eine
elektrische Wechselspannung umsetzen. Um nun zu einer Betriebsgleichspannung
zu gelangen wird diese Wechselspannung in eine stabile Gleichspannung
konvertiert. Der Fachmann spricht hier von Gleichrichtung eines
Wechselspannungssignales. Um eine Wechselspannung gleichzurichten
werden beispielsweise Brückengleichrichteranordnungen
eingesetzt. Diese Brückengleichrichter
weisen Bauteile auf, die Diodencharakteristik besitzen und somit
entsprechend der angelegten Wechselspannungshalbwelle leitend oder
sperrend geschalten sind. Eine so entstehende pulsierende Gleichspannung
wird mittels einer großen
Kapazität
geebnet. Der Fachmann spricht vom Glätten dieser pulsierenden Gleichspannung.
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Elektronische
Schaltungen in zuvor genannten Transpondern, benötigen zusätzlich zum Gleichrichter eine
Ladungspumpe, um eine geeignete Betriebspannung zu erzeugen. Die
Ladungspumpe verschiebt hierbei das Spannungspotential am Ausgang des
Gleichrichters in ein entsprechendes Potentialniveau.
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Aufgrund
der hohen Frequenzen des elektromagnetischen Feldes werden heutzutage
Schottky-Dioden in einer Ladungspumpenanordnung eingesetzt. Durch
ihre Beschaffenheit sind diese Dio den in der Lage, die Wechselspannungen
mit den hohen Trägerfrequenzen
zu schalten. Aufgrund ihrer physikalische Beschaffenheit weisen
sie jedoch bei dieser Umsetzung relativ schlechte Energieeffizienzwerte auf.
Als Effizienz wird hierbei das Verhältnis aus vorhandener Feldenergie
zu gewonnener Gleichspannungsenergie definiert. Die hohen Eingangsfrequenzen
des elektromagnetischen Feldes haben bislang den Einsatz von MOS-Technologien
für die
Anwendung in Ladungspumpen weitestgehend ausgeschlossen.
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Es
ist zur Umsetzung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung ein
Spannungsumsetzer vorgesehen, der aus einer Eingangseinheit, einer Übergangseinheit
und einer Ausgangseinheit besteht. Eine anlegbare Wechselspannung
wird dabei der Übergangseinheit
zugeführt
und in dieser mittels einer Steuereinheit in eine Übergangsspannung
und mindestens eine Übergangshilfsspannung
umgesetzt. Die Übergangsspannung
wird der Ausgangseinheit zugeführt
und dort mittels einer Ladungspumpeneinheit in eine Gleichspannung
umgesetzt.
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In
einer weiteren Ausführung
wird die Ladungspumpeneinheit mittels eines Oszillators betrieben.
Hier wird durch den Oszillator ein Takt im Mittelwellenfrequenzbereich
erzeugt und an die Ladungspumpeneinheit angelegt. Diese niederfrequente
Ansteuerung erlaubt den Einsatz von MOS-Transistoren in der Ladungspumpeneinheit
und somit eine deutliche Spannungsmultiplizierung. Der Oszillator,
der zunächst
mittels eines Schalters an die Übergangsspannung
angelegt ist und dadurch betrieben wird, wird im zeitlich späteren Verlauf
an die bereits stabilisierte Ladungspumpeneinheitsgleichspannungen mittels
eines zweiten Schalters angelegt und betrieben.
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Die
Steuereinheit ist in der Lage eine positive und/oder negative Übergangshilfsspannung
zu erzeugen. Dadurch wird in der Ladungspumpeneinheit eine effiziente
Ansteuerung der darin befindlichen MOS-Transistoren ermöglicht.
Durch diese Ansteuerung ist eine hohe Energieeffizienz erreichbar.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme
auf die Zeichnung erläutert,
wobei in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils
mit den gleichen Bezugszeichen gezeichnet sind. Die dargestellten
Elemente sind nicht als maßstabsgerecht
anzusehen, vielmehr können
einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß beziehungsweise übertrieben
vereinfacht dargestellt sein. Es zeigen:
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1 Blockschaltbild
eines Spannungsumsetzers zur Erzeugung einer Betriebsgleichspannung,
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2 Detailliertes
Blockschaltbild des Spannungsumsetzers aus 1,
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3 Prinzipschaltung
einer Eingangs- und Gleichrichteinheit,
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4 Ausgestaltung
der Schaltung gemäß 3
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5 Mögliche Signalverläufe der
Prinzipschaltung.
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In 1 ist
ein Blockschaltbild eines Spannungsumsetzers dargestellt, wie er
beispielsweise in RFID-Systemen einsetzbar ist. Es ist eine Eingangseinheit 1,
eine Übergangseinheit 2 und
eine Ausgangseinheit 3 dargestellt. Die Eingangseinheit 1 weist
Anschlüsse
zum Anlegen einer Wechselspannung U1 auf.
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Diese
Wechselspannung wird mittels der Eingangseinheit 1 der Übergangseinheit 2 zur
Verfügung
gestellt. Am Ausgang der Übergangseinheit 2 wird
eine Übergangsspannung
U2 sowie eine Übergangshilfsspannung
U4 einer Ladungspumpeneinheit 4 in der Ausgangseinheit 3 zur
Verfügung
gestellt. Am Ausgang der Ausgangseinheit 3 wird eine Gleichspannung
U3 zur Verfügung
gestellt.
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Die
Eingangseinheit 1 stellt die Wechselspannung U1 der Übergangseinheit 2 zur
Verfügung. Innerhalb
der Übergangseinheit 2 wird
eine Übergangsspannung
U2 und eine Übergangshilfsspannung
U4 aus dieser Wechselspannung U1 erzeugt. Diese erzeugten Spannungen
U2 und U4 werden an die Ladungspumpeneinheit 4 in der Ausgangseinheit 3 angelegt.
Mit Hilfe der Übergangsspannung
U2 und der Übergangshilfsspannung
U4 wird die Gleichspannung U3 am Ausgang der Ladungspumpeneinheit 4 bereitgestellt.
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In 2 ist
ein detailliertes Blockschaltbild einer Eingangseinheit 1,
einer Übergangseinheit 2 und
einer Ausgangseinheit 3 nach 1 dargestellt. Die
Eingangseinheit 1 liefert wiederum eine Wechselspannung
an die Übergangseinheit 2.
Die Übergangseinheit 2 weist
einen Eingangskondensator C3 und eine Gleichrichteinheit auf. Diese
Einheit erzeugt eine Übergangs-
sowie eine Übergangshilfsspannung
U2 bzw. U4 und stellt beide Spannungen der Ausgangseinheit 3 zur
Verfügung.
In der Ausgangseinheit 3 ist eine Ladungspumpeeinheit 4 dargestellt, deren
Eingang die Übergangspannung
U2 ist. Der Eingang der Ladungspumpeneinheit 4 ist weiterhin über einen
Schalter S1 mit einem Oszillator 7 verbunden. Der Oszillatorausgang
CLK wiederum ist mit einem weiteren Eingang der Ladungspumpeneinheit 4 verbunden.
Der Ausgang der Ladungspumpeneinheit 4 ist über einen
Schalter S2 mit dem Oszillator 7 und dem Schalter S1 verbunden.
Weiterhin steht am Ausgang der Ladungspumpeneinheit 4 die
Gleichspannung U3 zur Verfügung.
Zusätzlich
ist die Übergangshilfsspannung
U4 mit einem Steuereingang der Ladungspumpeneinheit 4 verbunden.
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Die
Wechselspannung U1, welche in der Eingangseinheit 1 anliegt,
wird der Übergangseinheit 2 zugeführt. Der
Kondensator C3 stellt hierbei einen Eingangskondensator dar. Zusammen
mit einer nicht dargestellten Spule in der Eingangseinheit 1 wird
somit ein Eingangsparallelschwingkreis erzeugt, in welchem ein elektromagnetisches
Feld in eine elektrische Wechselspannung U1 umgesetzt wird. Der Kondensator
C3 ist dabei nicht als extra Bauelement aufgeführt, sondern stellt die parasitäre Kapazität der Gleichrichteinheit
dar. Die Gleichrichteinheit erzeugt aus der Wechselspannung U1 eine Übergangsspannung
U2 sowie eine Übergangshilfsspannung
U4, welche beide der Ladungspumpeneinheit 4 zur Verfügung gestellt
werden. Die Übergangshilfsspannung U2
wird mittels des Schalters S1 an den Oszillator 7 angeschlossen.
Wird also die Spannung U2 erzeugt, so wird mittels des zunächst geschlossenen
Schalters S1 der Oszillator 7 mit der Spannung U2 angesteuert
und ein Taktsignal CLK erzeugt, welches an die Ladungspumpeneinheit 4 geliefert
wird. Im weiteren Verlauf wird die Ladungspumpeneinheit 4 eine Gleichspannung
U3 erzeugen, welche im Wesentlichen stabiler und stärker belastbar
ist als die Übergangsspannung
U2. Um die astabile Übergangsspannung
U2 nicht unnötig
zu belasten, wird in einem weiteren Schritt der Schalter S1 geöffnet und
der Schalter S2 geschlossen. Somit wird das Signal U3 mittels des
Schalters S2 an den Oszillator angelegt. Die Spannung U3 ersetzt
somit die Spannung U2 als Betriebspannung des Oszillators. Das weiterhin
erzeugte Taktsignal CLK wird weiterhin an die Ladungspumpeneinheit
geliefert. Während
U2 an den Oszillator gelegt wird, wird das betreiben der Ladungspumpe
als Hochlaufmodus bezeichnet. Wesentlicher Vorteil ist das Nichtbelasten
des Übergangsspannungssignals
U2. Die Funktion der Ladungspumpeneinheit wird hier nicht näher beschrieben.
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In 3 ist
nun eine Prinzipschaltung der Eingangseinheit 1 und der Übergangseinheit 2 dargestellt. Über die
Eingänge
LA und LB der Eingangseinheit 1 wird wiederum eine Wechselspannung
U1 angelegt. Ein Bezugspotentialtransistor T3 ist mit seinem Drainanschluss
an den Eingang LA angeschlossen. Der Sourceanschluss von T3 ist
an einen weiteren Bezugspotentialtransistor T4 drainseitig angeschlossen.
Der Drainanschluss von T4 ist weiterhin mit dem Bezugspotential
GND verbunden. Sourceseitig ist T4 mit dem Anschluss LB verbunden.
LB ist weiterhin gateseitig mit T3 verbunden, wohingegen LA gateseitig
mit T4 verbunden ist. LA ist darüber
hinaus mit dem Drainanschluss eines PMOS-Transistor T1 verbunden,
welcher fortlaufend als Schalteinheitstransistor bezeichnet wird.
Sourceseitig wird mittels T1 die Übergangsspannung U2 erzeugt.
Gleiches gilt für
den Schalteinheitstransistor T2, welcher sourceseitig mit dem Übergangsspannungspotential und
drainseitig mit LB verbunden ist. Die Übergangseinheit 2 weist
weiterhin zwei Steuereinheiten 6 auf. Beide Steuereinheiten
weisen jeweils eine Verbindung zu LA und LB auf. Die Steuereinheiten 6 sind
jeweils mit einem der Gateanschlüsse
von T1 bzw. T2 verbunden. Dabei weisen die Gateanschlüsse der Transistoren
T1 und T2 das Potential U5 auf. Beide Steuereinheiten 6 weisen
Verbindungen zu Transistor T5 und T6 jeweils drainseitig auf. T5
und T6 werden fortlaufend als Übergangshilfstransistoren
bezeichnet. Das Gate von T5 ist auf Masse verbunden. Der sourceseitige
Anschluss wird mit U4a bezeichnet und stellt eine positive Übergangshilfsspannung
dar. Der Transistor T6 ist ein PMOS-Transistor und weist sourceseitig das
Potential U4b auf, welches als negative Übergangshilfsspannung bezeichnet
wird.
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Die
anliegende Wechselspannung U1 wird nun in Halbwellen unterteilt.
Betrachten wir zunächst die
positive Halbwelle von U1, so wird der Eingangseinheitanschluss
LA ein höheres
Potential aufweisen als LB. Dieses höhere Potential macht den Transistor T4
leitend. Dadurch wird das Bezugspotential GND mit dem Potential
LB verknüpft.
Für die
Betrachtung der positiven Halbwellen gilt also, dass der Eingang LA
positiv und der Eingang LB Bezugspotential GND hat. Wird nun in
den Steuereinheiten 6 eine diesem Bezugspotential gegenüber negativere
Spannung U5 erzeugt, welche an das Gate von Transistor T1 gelegt wird,
so ist schon bei geringen Eingangsspannungen am Anschluss LA der
Transistor T1 leitend und erzeugt eine Übergangsspannung U2. Gleiches
gilt respektive für
die negative Halbwelle. Im Wesentlichen wird dabei T3 leitend und
somit der Bezugspunkt LA auf das Bezugspotential GND gelegt. Erzeugt
nun die Steuereinheit 6 eine wiederum negativere Gatespannung
U5 am Transistor T2, wird auch hier schon bei kleinen Eingangsspannungen
LB auf U2 durchgesteuert. Zusätzlich
erzeugen die Steuereinheiten 6 Übergangshilfsspannungen U4a
und U4b, welche ein negatives und/oder ein positives Vorzeichen
aufweisen können.
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4 zeigt
wiederum die Eingangseinheit 1, aufgebaut wie in 3 und
eine Ausgestaltungsmöglichkeit
der Übergangseinheit 2.
Dieses Ausführungsbeispiel
beinhaltet im Unterschied zur 3 eine detaillierte
Darstellung der Steuereinheiten 6. Inhaltlich ist Steuereinheit 6 durch
einen Steuerkondensator C1 und einen Steuertransistor T7 beziehungsweise
einen Steuerkondensator C2 und einen Steuertransistor T8 aufgebaut.
Der Transistor T7 ist sourceseitig mit Massepoten tial und gateseitig
mit dem Kondensator C1 und dem Eingangsanschluss LB verbunden. Der
zweite Anschluss des Kondensators C1 ist mit dem Gateanschluss von
T1 verbunden, weist somit das Bezugspotential U5 auf und ist mit
dem Drainanschluss des Transistors T7 sowie mit dem Drainanschluss
von T5 verknüpft.
Wird LB positiv, dann ist LA auf Bezugspotential GND, siehe dazu Figurbeschreibung 3.
Daraus folgt, dass C1 auf Potential U5 aufgeladen wird. Der Transistor
T7 ist bei angesteuerter positiver LB-Spannung leitend. Der Kondensator
C1 ist somit positiv aufgeladen, da der Punkt U5 auf Bezugspotential
GND liegt. Für
die negative Halbwelle von Wechselspannung U1 wird nun LB auf Bezugspotential
GND gezwungen und LA mit einer positiven Spannung versorgt. Dadurch
dass LB auf Bezugspotential GND liegt und der Kondensator C1 aufgeladen
ist, kommt es zu einer Ladungsverschiebung und somit zu einer negativeren
Spannung U5. Diese wird nun an das Gate vom Transistor T1 gelegt,
welches als negatives Vorspannen bereits beschrieben ist. Dieses
kurzzeitige negative Vorladen verursacht ein Durchschalten des Transistors
T1 bereits bei niedrigeren Wechselspannungen U1 zur Übergangspannung
U2.
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Auf
diese Art und Weise lassen sich auch hochfrequente Eingangswechselspannungen
von mehr als 500 MHz mittels MOS Transistoren verwenden und dementsprechend
eine höhere
Energieeffizienz erreichen. Durch Ansteuerung der Ladungspumpeneinheit 4 mit
einem mittelfrequenten Signal CLK ist auch dort der Einsatz von
Schottky-Dioden nicht mehr nötig.
Zum einen lassen sich ebenfalls effizientere Ladungspumpen realisieren,
darüber
hinaus müssend
die Ladungspumpeneinheiten nicht mehrstufig realisiert werden. Dadurch
ist eine Platzersparnis und somit ein Verkleinern der Schaltung
erreicht.
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In 5 sind
zur Veranschaulichung mögliche
Signalverläufe
der Spannungen U1 (LA und LB) U2, U4a, U4b, U5(T1) und U5(T2) dargestellt.
Die Spannungen LA und LB sind hierbei sinusförmige Spannungen einer Frequenz
von 870 MHz. Mittels den Steuereinheiten 6 werden die Übergangsspannung
U2, die Übergangshilfsspannungen
U4a und U4b sowie die Steuerspannung U5(T1) und U5(T2) erzeugt.
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Die
Spannung U1 wird mittels der Transistoren T3 und T4 in die Spannungen
LA und LB, welche 180 Grad phasenverschoben sind aufgeteilt. Das
für beide
gleiche Bezugspotential GND wird ebenfalls durch die Transistoren
T3 und T4 definiert. Die erzeugte Übergangsspannung U2 ist in
dieser 5 bereits stark gleichgerichtet, da die Kondensatoren C1
und C2 eine geringe Kapazität
aufweisen und aufgrund der hohen Frequenz von 870 MHz sich nur gering
entladen können.
Die Steuerspannung U5 ist wie beschrieben in beiden Fällen wesentlich
negativer als die dazugehörige
Drainspannung der Transistoren T1 bzw. T2, wodurch ein frühes Schalten
dieser Transistoren T1 und T2 erreicht wird.
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Dieser
Gleichrichter arbeitet für
verschiedene Frequenzbänder,
da durch das derartige Verschalten der Gateanschlüsse mit
den Steuereinheiten 6 ein zügiges Schalten erreicht wird.
Zur Optimierung auf die einzelnen Frequenzbänder lässt sich darüber hinaus
ein so genanntes Flächen-Frequenzverhältnis durch
Zuschaltung weiterer Transistoren realisieren und somit eine dem
Frequenzbereich angepasste Durchschaltung ermöglichen.
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- 1
- Eingangseinheit
- 2
- Übergangseinheit
- 3
- Ausgangseinheit
- 4
- Ladepumpeneinheit
- 5
- Schalteinheit
- 6
- Steuereinheit
- 7
- Oszillator
- C1
- Steuerkondensator
- C2
- Steuerkondensator
- C3
- Eingangskondensator
- CLK
- Taktsignal
- GND
- Bezugspotential/Massepotential
- S1
- Schalter
- S2
- Schalter
- T1
- Schalteinheitstransistor
- T2
- Schalteinheitstransistor
- T3
- Bezugspotentialtransistor
- T4
- Bezugspotentialtransistor
- T5
- Übergangshilfstransistor
- T6
- Übergangshilfstransistor
- T7
- Steuertransistor
- T8
- Steuertransistor
- U1
- Wechselspannung
- U2
- Übergangsspannung
- U3
- Gleichspannung
- U4
- Übergangshilfsspannung
- U4a
- positive
erste Übergangshilfsspannung
- U4b
- negative
erste Übergangshilfsspannung
- U5
- Steuerspannung