DE102004011458B4 - Circuit arrangement for providing a regulated operating voltage for a data carrier and method for driving a NMOS longitudinal control transistor - Google Patents

Circuit arrangement for providing a regulated operating voltage for a data carrier and method for driving a NMOS longitudinal control transistor Download PDF

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Abstract

Schaltungsanordnung (1) zur Bereitstellung einer geregelten Betriebsspannung für einen Datenträger mit
– einem Eingang (2) für eine Eingangsspannung (Vin),
– einem NMOS-Längsregeltransistor (3), der mit einem ersten Lastanschluss (4) mit dem Eingang (2) verbunden ist und an einem zweiten Lastanschluss (5) einen Ausgang für die geregelte Betriebsspannung (VCC) bildet, und
– einer Ladungspumpenschaltung (6) zur Bereitstellung einer gegenüber der Eingangsspannung (Vin) erhöhten und von der Betriebsspannung (VCC) abhängigen Ansteuerspannung (VST) für den Steueranschluss (7) des Längsregeltransistors (3),
dadurch gekennzeichnet,
– dass die Ladungspumpenschaltung (6) einen ersten und einen zweiten Abgriff (8, 9) aufweist, wobei der erste Abgriff (8) mit dem Steueranschluss (7) verbunden ist und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abgriff (8, 9) mindestens eine zusätzliche Ladungspumpenstufe angeordnet ist und
– dass eine Steuerschaltung (10, 11) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, die geregelte Betriebsspannung (VCC) auf das Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes zu...
Circuit arrangement (1) for providing a regulated operating voltage for a data carrier with
An input (2) for an input voltage (V in ),
A longitudinal NMOS transistor (3) which is connected to the input (2) with a first load terminal (4) and forms an output for the regulated operating voltage (VCC) at a second load terminal (5), and
- A charge pump circuit (6) for providing a relation to the input voltage (V in ) increased and the operating voltage (VCC) dependent drive voltage (V ST ) for the control terminal (7) of the longitudinal control transistor (3),
characterized,
- That the charge pump circuit (6) has a first and a second tap (8, 9), wherein the first tap (8) is connected to the control terminal (7) and wherein between the first and the second tap (8, 9) at least an additional charge pump stage is arranged and
- That a control circuit (10, 11) is provided and adapted to the regulated operating voltage (VCC) to fall below a predetermined threshold to ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung einer geregelten Betriebsspannung für einen Datenträger mit einem Eingang für eine Eingangsspannung, einem NMOS-Längsregeltransistor, der mit einem ersten Lastanschluss mit dem Eingang verbunden ist und an einem zweiten Lastanschluss einen Ausgang für die geregelte Betriebsspannung bildet, und eine Ladungspumpenschaltung zur Bereitstellung einer gegenüber der Eingangsspannung erhöhten und von der Betriebsspannung abhängigen Ansteuerspannung für den Steueranschluss des Längsregeltransistors. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines NMOS-Längsregeltransistors.The The invention relates to a circuit arrangement for providing a regulated operating voltage for a disk with an entrance for an input voltage, a longitudinal NMOS transistor, which with a first load terminal is connected to the input and to a second load terminal an output for the regulated operating voltage forms and a charge pump circuit for providing a across from increased the input voltage and dependent on the operating voltage Drive voltage for the control terminal of the longitudinal control transistor. Furthermore The invention relates to a method for driving a NMOS longitudinal control transistor.

Derartige Schaltungsanordnungen werden insbesondere für die Spannungsversorgung kontaktloser Datenträger, beispielsweise kontaktloser Chipkarten, eingesetzt. Ist die Betriebsspannung eines integrierten Schaltkreises eines Datenträgers kleiner als die Versorgungsspannung, die beispielsweise in einer Empfangsspule des Datenträgers erzeugt wird, wird ein DC/DC-Umsetzer benötigt. Es können Schaltregler oder lineare Regler eingesetzt werden. Wenn die erwartete Variation der Eingangsspannung hoch ist und das vom Regler erzeugte Rauschen gering sein soll, wird vorzugsweise ein Linearregler eingesetzt. Insbesondere bei kontaktlosen Anwendungen ist die Eingangsspannung sehr dynamisch. Die Ausgangsspannung muss hingegen konstant bleiben. Diese Forderungen werden in besonders ge eigneter Weise durch einen NMOS-Regler in CMOS-Technologie erfüllt.such Circuit arrangements become more contactless, in particular for the power supply disk, For example, contactless smart cards used. Is the operating voltage an integrated circuit of a data carrier smaller than the supply voltage, which generates, for example, in a receiving coil of the data carrier becomes a DC / DC converter needed. There may be switching regulators or linear regulators are used. If the expected variation the input voltage is high and the noise generated by the controller should be low, preferably a linear regulator is used. Especially in contactless applications, the input voltage very dynamic. The output voltage, however, must remain constant. These demands are made in a particularly suitable manner by a ge NMOS regulator in CMOS technology met.

NMOS-Transistoren sind besonders gut für die Regelung einer Spannung geeignet. Am Steueranschluss, d. h. dem Gate des NMOS-Transistors, muss eine Steuerspannung angelegt werden, die größer als die Spannungen an den beiden Lastanschlüssen des Transistors ist. Um dies zu ermöglichen, wird eine Ladungspumpenschaltung eingesetzt, die eine gegenüber der Eingangsspannung erhöhte Spannung erzeugt. Am Ausgang der Ladungspumpenschaltung befindet sich ein Kondensator, der auf die Pumpspannung aufgeladen wird, indem Ladung auf ihn verschoben wird, und auf diese Weise die Ansteuerspannung für den Steueranschluss des Transistors bereitstellt. Geeignete Ladungspumpenschaltungen besitzen in der Regel einen Steuereingang, der mit der geregelten Betriebsspannung verbunden ist. Bei einem Abfallen der Betriebsspannung wird die gepumpte Spannung erhöht, so dass der Längsregeltransistor weiter durchgesteuert wird, wodurch sich eine Erhöhung der Betriebsspannung ergibt.NMOS transistors are especially good for that Control of a voltage suitable. At the control terminal, d. H. the Gate of the NMOS transistor, a control voltage must be applied, the bigger than the voltages at the two load terminals of the transistor. Around to enable this a charge pump circuit is used which is one opposite the Input voltage increased Voltage generated. Located at the output of the charge pump circuit a capacitor that is charged to the pumping voltage by moving charge on it, and in this way the drive voltage for the Provides control terminal of the transistor. Suitable charge pump circuits usually have a control input, which is with the regulated Operating voltage is connected. When the operating voltage drops increases the pumped voltage, so that the longitudinal control transistor is further controlled, causing an increase in the Operating voltage results.

Problematisch ist bei bekannten Schaltungen aus dem Stand der Technik, wenn die nominelle Betriebsspannung schon sehr tief und nur geringfügig höher als eine Unterspannungsgrenze ist, unterhalb derer ein Betrieb des Datenträgers nicht mehr möglich oder erlaubt ist. Bei Lastsprüngen besteht die Gefahr, dass die Betriebsspannung kurzzeitig absinkt und unter die Unterspannungsgrenze fällt. Der oben beschriebene Regelungsmechanismus ist zu langsam, um solche Unterschwinger auszugleichen.Problematic is in known circuits of the prior art, when the nominal operating voltage already very low and only slightly higher than an undervoltage limit is below which an operation of the data carrier is not more is possible or allowed. At load jumps there is a risk that the operating voltage drops briefly and falls below the undervoltage limit. The one described above Control mechanism is too slow to compensate for such undershoots.

Eine erste bekannte Möglichkeit zur Behebung dieses Problems besteht darin, die Dimensionierung des Längsreglers erheblich zu erhöhen. Dies führt jedoch zu einem erhöhten Stromverbrauch und zu höheren Kosten. Auch ist es möglich, den Grundverbrauch der Schaltung bei der Dimensionierung höher als den maximalen dynamischen Stromverbrauch anzusetzen. Bei dieser Lösung ist zwar die Dynamik des Stromverbrauchs unkritisch, jedoch ist diese Lösung in vielen Anwendungsfällen, zum Beispiel im Batteriebetrieb, nicht sinnvoll einsetzbar.A first known possibility To fix this problem is sizing of the longitudinal regulator significantly increase. this leads to however, to an increased Power consumption and higher Costs. It is also possible the basic consumption of the circuit in the dimensioning higher than to set the maximum dynamic power consumption. At this solution While the dynamics of power consumption is not critical, it is solution in many applications, for example, in battery mode, not useful.

Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, bei dem Erkennen eines schnellen Absinkens der Betriebsspannung ein Taktsignal eines digitalen Verbrauchers sofort anzuhalten bzw. zu reduzieren. Dies führt jedoch zu Einschränkungen des Betriebsverhaltens und ist deswegen in der Regel keine bevorzugte Lösung.A another known possibility consists in recognizing a rapid drop in the operating voltage to stop immediately a clock signal of a digital consumer to reduce. this leads to however, to restrictions of operating behavior and is therefore usually not preferred Solution.

Eine zumindest theoretisch mögliche Lösung besteht darin, die Auslegung des Regelkreises dynamisch zu ändern. Die Regelgeschwindigkeit wird im wesentlichen durch den Bias-Strom bestimmt. Je größer der Bias-Strom ist, desto höher ist auch die Regelgeschwindigkeit. Der Bias-Strom lässt sich so einstellen, dass er im Normalfall sehr gering ist, was zur Ausregelung langsamer Laständerungen ausreicht. Wenn eine höhere Regelgeschwindigkeit erforderlich wird, wird der Bias-Strom erhöht. Oft ist es im voraus bekannt, wenn Operationen auf dem Datenträger vorgenommen werden sollen, die einen hohen Leistungsverbrauch zur Folge haben. Vor der Durchführung solcher Operationen wird deswegen der Bias-Strom erhöht, sodann die Operation durchgeführt und nachfolgend der Bias-Strom wieder abgesenkt. Die Auslegung einer solchen Schaltungsanordnung ist jedoch außerordentlich schwierig, so dass ein in allen Betriebssituationen zuverlässiger Betrieb nicht gewährleistet werden kann.A at least theoretically possible Solution exists to dynamically change the design of the control loop. The Control speed is essentially determined by the bias current. The bigger the Bias current is the higher is also the speed of control. The bias current can be adjusted so that it is normally very low, which is to compensate slower load changes sufficient. If a higher one Control speed is required, the bias current is increased. Often It is known in advance when making operations on the disk should be, which have a high power consumption result. Before the implementation Because of such operations, the bias current is increased, then the surgery was done and subsequently lowered the bias current again. The interpretation of a However, such circuitry is extremely difficult, so that a reliable operation in all operating situations is not guaranteed can be.

Aus der US 2003/0111986 A1, der US 6,275,395 B1 und dem Datenblatt SDVS026C, REG101 der Firma Texas Instruments, Juli 2001 sind jeweils Schaltungsanordnungen zur Bereitstellung einer geregelten Betriebsspannung bekannt. NMOS-Transistoren werden als Längsstransistoren eingesetzt, wobei eine Ladungspumpenschaltung für eine gegenüber der Ein- und Ausgangsspannung erhöhte Ansteuerspannung sorgt, die lastabhängig ist.From US 2003/0111986 A1, the US 6,275,395 B1 and the data sheet SDVS026C, REG101 from Texas Instruments, July 2001, circuit arrangements are known for providing a regulated operating voltage. NMOS transistors are used as longitudinal transistors, wherein a charge pump circuit for a relation to the input and output voltage he increased drive voltage ensures that is load-dependent.

Spannungsversorgungsschaltung mit Längsregelern sind aus der EP 0 326 968 A1 und der US 5,682,093 A bekannt. Eine Steuerschaltung ist vorgesehen, um das Ansteuersignal für den Längstransistor bei größeren Lasten zusätzlich zur Regelung in einem normalen Betriebsmodus zu erhöhen.Power supply circuit with longitudinal regulators are from EP 0 326 968 A1 and the US 5,682,093 A known. A control circuit is provided to increase the drive signal for the series transistor at higher loads in addition to regulation in a normal operating mode.

Eine Spannungsversorgungsschaltung mit zwei parallelen MOS-Ausgangsstufen ist in der DE 400 63 06 C2 beschrieben. Die Spannungsversorgungsschaltung wird über eine Ladungspumpenschaltung angesteuert. Die zweite Stufe wird zugeschaltet, wenn die Ausgangsspannung unter einen bestimmten Wert sinkt.A power supply circuit with two parallel MOS output stages is in the DE 400 63 06 C2 described. The power supply circuit is driven by a charge pump circuit. The second stage is switched on when the output voltage drops below a certain value.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung einer geregelten Betriebsspannung für einen Datenträger anzugeben, die einen geringen Stromverbrauch aufweist und trotzdem zuverlässig Lastsprünge ausregelt. Zudem soll ein dazu geeignetes Verfahren angegeben werden.task The invention is a circuit arrangement for providing specify a regulated operating voltage for a data carrier, the has a low power consumption and still reliably correct load jumps. In addition, a suitable method should be specified.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ladungspumpenschaltung einen ersten und einen zweiten Abgriff aufweist, wobei der erste Abgriff mit dem Steueranschluss verbunden ist und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abgriff mindestens eine zusätzliche Ladungspumpenstufe angeordnet ist, und dass eine Steuerschaltung vorgesehen und dazu eingerichtet ist, die geregelte Betriebsspannung auf das Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes zu überwachen und bei Unterschreiten des Schwellwertes den zweiten Abgriff mit dem Steueranschluss zu verbinden.These The object is achieved by a circuit arrangement of the aforementioned Sort of solved, characterized in that the charge pump circuit a first and a second tap, wherein the first Tap is connected to the control terminal and being between the first and the second tap at least one additional Charge pump stage is arranged, and that a control circuit provided and adapted to the regulated operating voltage to monitor for falling below a predetermined threshold and falls below the threshold value with the second tap to connect to the control terminal.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 3 gelöst.Regarding the The procedure becomes the task by a procedure with the characteristics of claim 3 solved.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird also eine Spannung erzeugt, die größer ist als die Steuerspannung in einer Normalbetriebssituation der Schaltungsanordnung. Im Bedarfsfall, wenn die Betriebsspannung einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, wird diese am zweiten Abgriff der Ladungspumpe zur Verfügung stehende höhere Spannung dazu eingesetzt, direkt die Spannung am Steueranschluss des Längsregeltransistors zu erhöhen, ohne dass der Regelkreis der Schaltungsanordnung verwendet wird. Ein solcher, den Regelkreis verstimmender Eingriff, der im klassischen Modell einer Regelung als Störgröße bezeichnet werden würde, ermöglicht einen schnellen Ausgleich der durch einen Lastsprung abgefallenen Betriebsspannung.at the circuit arrangement according to the invention Thus, a voltage is generated which is greater than the control voltage in a normal operating situation of the circuit arrangement. If necessary, if the operating voltage falls below a predetermined threshold, This becomes the second tap of the charge pump available higher voltage used to directly supply the voltage at the control terminal of the series-locked transistor increase, without the control circuit of the circuit arrangement being used. Such, the control circuit detuning intervention in the classic Model of a scheme referred to as disturbance would be allows one quick compensation of the dropped by a load jump operating voltage.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The Invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.

Die 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.The 1 shows a block diagram of a circuit arrangement according to the invention.

Die 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1 zur Bereitstellung einer geregelten Betriebsspannung für einen kontaktlosen Datenträger. Eine Last 13 wird in der Regel durch einen integrierten Schaltkreis gebildet, der beispielsweise einen Controller und/oder einen Speicher enthält. Je nach Art und Betriebsweise der Last 13 ist der Stromverbrauch verhältnismäßig gleichmäßig oder aber stark schwankend. Dies stellt an eine Betriebsspannung VCC, mit der die Last 13 versorgt wird, besondere Anforderungen. Die Betriebsspannung VCC muss trotz großer Laständerungen verhältnismäßig konstant bleiben. Dies ist vor allem deswegen problematisch, weil Datenträger oft an einer unteren Betriebsspannungsgrenze betrieben werden, um möglichst stromsparend zu arbeiten. Die untere Betriebsspannungsgrenze wird beispielsweise durch die Spezifikationen des integrierten Schaltkreises 13 festgelegt, da unterhalb der unteren Betriebsspannungsgrenze der integrierte Schaltkreis 13 oder der Speicher nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren. Zwar ist, wie auch in der Figur gezeigt, zur Stützung der Betriebsspannung VCC ein Kondensator C3 vorgesehen. Die Bauweise von Datenträgern erlaubt es jedoch oft nicht, den Stützkondensator so groß auszulegen, dass er bei Lastsprüngen die Betriebsspannung VCC in ausreichender Weise stützen kann.The 1 shows a circuit arrangement 1 for providing a regulated operating voltage for a contactless data carrier. A burden 13 is usually formed by an integrated circuit containing, for example, a controller and / or a memory. Depending on the type and mode of operation of the load 13 the power consumption is relatively even or fluctuates greatly. This is connected to an operating voltage V CC , with which the load 13 is supplied, special requirements. The operating voltage V CC must remain relatively constant despite large load changes. This is especially problematic because data carriers are often operated at a lower operating voltage limit in order to work as energy efficient as possible. The lower operating voltage limit, for example, by the specifications of the integrated circuit 13 determined because below the lower operating voltage limit of the integrated circuit 13 or the memory stops working properly. Although, as shown in the figure, a capacitor C3 is provided to support the operating voltage V CC . The design of data carriers, however, often does not allow the support capacitor to be designed so large that it can support the operating voltage VCC sufficiently in the event of load jumps.

Die Spannungsversorgung von Datenträgern ist auch in einer zweiten Hinsicht problematisch, denn bei den vielfach eingesetzten kontaktlosen Datenträgern wird die Betriebsspannung durch ein elektrisches Feld in Verbindung mit einer auf dem Datenträger vorgesehenen, in der Figur aber nicht dargestellten Spulenantenne bereitgestellt. Das elektrische Feld induziert in der Spulenantenne eine elektrische Spannung, die stark von der Stärke des Feldes abhängig ist. Je nachdem, wie weit der Datenträger von dem Schreib-/Lesegerät entfernt ist, das das elektrische Feld erzeugt, ist die induzierte Spannung sehr groß oder sehr klein.The Power supply of data carriers is also problematic in a second respect, because in many cases used contactless data carriers is the operating voltage by an electric field in conjunction with an on-disk provided provided in the figure but not shown coil antenna. The electric field induces an electrical voltage in the coil antenna, the strong of the strength dependent on the field is. Depending on how far away the data carrier is from the read / write device that generates the electric field is the induced voltage very tall or tiny.

Um aus den entsprechend stark schwankenden, gleichgerichteten Eingangsspannungen Vin eine konstante Betriebsspannung VCC zu erzeugen, ist ein Längsregler vorgesehen, der gemäß der Erfindung durch einen NMOS-Längsregeltransistor 3 gebildet ist. Der Regeltransistor 3 weist aufgrund der Ausführung als NMOS-Regler einen Selbstregelungsmechanismus auf. Bei einer Lastvariation ist ein NMOS-Regler selbststeuernd, wenn das Gate-Potenzial konstant bleibt. Wird die Belastung kleiner, so wird der Laststrom kleiner, und die Gate-Source-Spannung wird auch geringer werden. Aus diesem Grund steigt die Ausgangsspannung, d. h. die für den Betrieb des Datenträgers benötigte Betriebsspannung. In dem Fall, dass die Belastung größer wird, wird der Laststrom größer, und die Gate-Source-Spannung UGS muss entsprechend größer werden. Der Zusammenhang wird durch die Formel beschrieben:

Figure 00070001
mit W: Weite des Transistors, L: Länge des Transistors, β = μn·c'ox mit μn : Mobilität, c'ox : Kapazitätsbelag UGS: Gate-Source-Spannung und VTH: Abschnürspannung.In order to generate from the correspondingly strongly fluctuating, rectified input voltages V in a constant operating voltage V CC , a longitudinal regulator is provided, which according to the invention by a NMOS-Längsregeltransistor 3 is formed. The control transistor 3 has a self-regulating feature due to the design as NMOS regulator on. For a load variation, an NMOS regulator is self-controlling if the gate potential remains constant. As the load becomes smaller, the load current will be smaller and the gate-to-source voltage will also be lower. For this reason, the output voltage increases, ie the operating voltage required for the operation of the data carrier. In the case that the load becomes larger, the load current becomes larger, and the gate-source voltage U GS must be correspondingly larger. The relationship is described by the formula:
Figure 00070001
with W: width of the transistor, L: length of the transistor, β = μ n · c ' ox with μ n : mobility, c' ox : capacitance U GS : gate-source voltage and V TH : pinch-off voltage.

Es ist eine Ladungspumpenschaltung 6 vorgesehen, die aus der Eingangsspannung Vin oder der Betriebsspannung VCC eine gegenüber diesen erhöhte Steuerspannung VST erzeugt, die zur Ansteuerung des Steueranschlusses 7 des Regeltransistors 3 benötigt wird. Als Eingangsspannung für die Ladungspumpenschaltung 6 wird vorzugsweise die Betriebsspannung VCC eingesetzt, da deren Schwankungen wesentlich geringer sind als die Schwankungen der Eingangsspannung Vin.It is a charge pump circuit 6 provided, which generates from the input voltage V in or the operating voltage V CC with respect to these increased control voltage V ST , which is used to control the control terminal 7 the control transistor 3 is needed. As input voltage for the charge pump circuit 6 Preferably, the operating voltage V CC is used, since their fluctuations are substantially lower than the fluctuations of the input voltage V in .

Die Ladungspumpenschaltung 6 ist zusätzlich in einen Regelkreis aufgenommen, um die Betriebsspannung VCC weiter zu stabilisieren. Dazu wird über einen Spannungsteiler mit zwei Widerständen R1 und R2 ein Messwert gewonnen, der proportional zur aktuellen Betriebsspannung VCC ist. Die Messspannung wird einem Regler 12 zugeführt, wo sie mit einer Referenzspannung VREF1 verglichen wird. In Abhängigkeit des Vergleichs wird die Ladungspumpenschaltung 6 in einer geeigneten Weise angesteuert. Bei sinkender Betriebsspannung VCC kann beispielsweise die Pumpfrequenz f der Ladungspumpenschaltung 6 erhöht werden. Die erhöhte Pumpfrequenz resultiert in einer höheren Spannung an einem ersten Kondensator C1 an einem ersten Abgriff 8 der Ladungspumpenschaltung 6, da mehr Ladung transportiert wird und nach U = Q/C die Spannung proportional zur Ladung ist.The charge pump circuit 6 is additionally included in a control loop to further stabilize the operating voltage V CC . For this purpose, a measured value is obtained via a voltage divider with two resistors R1 and R2, which is proportional to the current operating voltage V CC . The measuring voltage becomes a regulator 12 where it is compared with a reference voltage V REF1 . Depending on the comparison, the charge pump circuit 6 controlled in a suitable manner. With decreasing operating voltage V CC , for example, the pumping frequency f of the charge pump circuit 6 increase. The increased pumping frequency results in a higher voltage across a first capacitor C1 at a first tap 8th the charge pump circuit 6 because more charge is transported and after U = Q / C the voltage is proportional to the charge.

Die Ladungspumpenschaltung 6 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel mehrere Stufen, wobei n Stufen für die Erzeugung einer Spannung am ersten Abgriff 8 vorgesehen sind und weitere m Stufen, die eingangsseitig mit dem Ausgang der n Stufen verbunden sind, zur Erzeugung einer Spannung vorgesehen sind, die an einem zweiten Abgriff 9 bereitgestellt wird. Der Abgriff 9 ist dazu mit einem zweiten Kondensator C2 verbunden.The charge pump circuit 6 has in this embodiment, several stages, where n stages for the generation of a voltage at the first tap 8th are provided and further m stages, which are connected on the input side to the output of the n stages, are provided for generating a voltage at a second tap 9 provided. The tap 9 is connected to a second capacitor C2.

Der zweite Abgriff 9 ist über einen Schalter 11 mit dem Steueranschluss 7 des Regeltransistors 3 verbindbar. Der Schalter 11 ist durch einen Unterspannungssensor 10 gesteuert, der eingangsseitig mit der Betriebsspannung VCC verbunden ist.The second tap 9 is over a switch 11 with the control terminal 7 the control transistor 3 connectable. The desk 11 is through an undervoltage sensor 10 controlled, the input side is connected to the operating voltage V CC .

In einer Normalbetriebssituation kann die Betriebsspannung VCC über die Selbstregelung des NMOS-Längsregeltransistors 3 sowie die Zusatzregelung über den Regler 12 konstant gehalten werden. Die ersten n Stufen der Ladungspumpenschaltung 6 werden dabei zur Erzeugung der Steuerspannung VST eingesetzt. Die weiteren m Stufen der Ladungspumpenschaltung 6 erzeugen zwar eine Spannung am zweiten Abgriff 9, jedoch wird diese Spannung nicht zur Ansteuerung des Regeltransistors 3 eingesetzt. Der Schalter 11, der in einer konkreten Realisierung als Schalttransistor ausgeführt ist, ist geöffnet, da der Unterspannungssensor 11 keine zu niedrige Spannung detektiert.In a normal operating situation, the operating voltage V CC via the self-regulation of the NMOS longitudinal control transistor 3 as well as the additional control via the controller 12 kept constant. The first n stages of the charge pump circuit 6 are used to generate the control voltage V ST . The other m stages of the charge pump circuit 6 Although generate a voltage on the second tap 9 However, this voltage is not used to drive the control transistor 3 used. The desk 11 , which is designed in a concrete realization as a switching transistor is open because the undervoltage sensor 11 no voltage too low detected.

Bei einem Lastsprung erhöht sich der Strom iL in so starker Weise, dass durch die Selbstregelung des Längsregeltransistors 3 die Betriebsspannung VCC nicht mehr über einem vorbestimmten Schwellwert gehalten werden kann. Eine Absenkung der Betriebsspannung VCC kann zwar prinzipiell durch eine erhöhte Pumpfrequenz der Ladungspumpenschaltung 6 ausgeglichen werden, jedoch ist dieser Regelkreis zu langsam, um auf schnelle Änderungen des Laststroms iL reagieren zu können.With a load jump, the current i L increases in such a strong way that by the self-regulation of the longitudinal control transistor 3 the operating voltage V CC can no longer be maintained above a predetermined threshold. Although a reduction in the operating voltage V CC can in principle by an increased pumping frequency of the charge pump circuit 6 however, this control loop is too slow to respond to rapid changes in the load current i L.

In dieser Betriebssituation erkennt der Unterspannungssensor 10 das Unterschreiten des vorbestimmten Schwellwertes. Der Unterspannungssensor 10 ist im folgenden Ausführungsbeispiel so ausgestaltet, dass an einem Gate eines NMOS-Transistors 16 eine Referenzspannung VREF2 anliegt. Bei einem Absinken der Betriebsspannung VCC am Source-Anschluss des Transistors 16 erhöht sich die Gate-Source-Spannung UGS, so dass der Tran sistor 16 leitend wird und den Schalter 11 derart ansteuert, dass dieser leitend wird.In this operating situation, the undervoltage sensor detects 10 the undershooting of the predetermined threshold value. The undervoltage sensor 10 is configured in the following embodiment such that at a gate of an NMOS transistor 16 a reference voltage V REF2 is applied. With a drop in the operating voltage V CC at the source terminal of the transistor 16 increases the gate-source voltage U GS , so that the Tran sistor 16 becomes conductive and the switch 11 such that it becomes conductive.

Daraufhin wird die im Kondensator C2 gespeicherte Ladung teilweise auf den Kondensator C1 umgeladen, wodurch sich die Spannung über dem Kondensator C1 und damit am Steueranschluss 7 des Längsregeltransistors 3 erhöht. Durch die erhöhte Spannung am Steueranschluss 7 des Transistors 3 wird dieser weiter durchgesteuert, so dass sich die Betriebsspannung VCC erhöht.Then, the charge stored in the capacitor C2 is partially transferred to the capacitor C1, whereby the voltage across the capacitor C1 and thus at the control terminal 7 the longitudinal control transistor 3 elevated. Due to the increased voltage at the control connection 7 of the transistor 3 this is further controlled, so that the operating voltage V CC increases.

Der Betrag der Spannungserhöhung am Kondensator C1 hängt unter anderem von dem Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C2 ab. Je größer die Kapazität des Kondensators C1 gegenüber der Kapazität des Kondensators C2 ist, desto geringer ist die resultierende Spannungserhöhung beim Schließen des Schalters 11.The amount of voltage increase across the capacitor C1 depends inter alia on the ratio of the capacitances of the capacitors C1 and C2. The larger the capacitance of the capacitor C1 compared to the capacitance of the capacitor C2, the lower the resulting increase in voltage when closing the switch 11 ,

Nachdem die Betriebsspannung VCC wieder über den vorbestimmten Schwellenwert angestiegen ist, erkennt dies der Unterspannungssensor 10 und öffnet den Schalter 11, d. h. der verwendete Schalttransistor wird hochohmig. Der Ladungsfluss vom Kondensator C2 zum Kondensator C1 wird dadurch unterbrochen.After the operating voltage V CC has again risen above the predetermined threshold, detects the undervoltage sensor 10 and opens the switch 11 , ie the switching transistor used is high impedance. The charge flow from the capacitor C2 to the capacitor C1 is thereby interrupted.

In einem rein exemplarisch angegebenen Beispiel liegt der Sollwert der Betriebsspannung VCC bei 2 V. Durch die ersten n Stufen der Ladungspumpenschaltung 6 wird am ersten Abgriff eine Spannung erzeugt, die typischerweise bei 3 V liegt. Durch die weiteren m Stufen der Ladungspumpenschaltung 6 wird am Abgriff 9 eine Spannung erzeugt, die bei 4 V liegt. Beim Schließen des Schalters 11 wird die Ladung des Kondensators C2 teilweise auf den Kondensator C1 umgeladen, so dass die Spannung am Steueranschluss 7 des Transistors 3 um 200 mV an steigt. Dies genügt, um die Betriebsspannung VCC über den vorbestimmten Schwellwert zu heben.In an example given purely by way of example, the setpoint value of the operating voltage V CC is 2 V. Through the first n stages of the charge pump circuit 6 At the first tap, a voltage is generated which is typically 3V. Through the other m stages of the charge pump circuit 6 is at the tap 9 generates a voltage that is 4V. When closing the switch 11 the charge of the capacitor C2 is partially transferred to the capacitor C1, so that the voltage at the control terminal 7 of the transistor 3 rises by 200 mV. This is sufficient to raise the operating voltage V CC above the predetermined threshold.

Die genannten Spannungswerte sind rein beispielhaft zu verstehen. Die in einer praktischen Realisierung auftretenden Werte hängen von den jeweiligen Randbedingungen und der Dimensionierung der eingesetzten Komponenten ab.The Voltage values mentioned are to be understood as purely exemplary. The values occurring in a practical implementation depend on the respective boundary conditions and the dimensioning of the used Components off.

Die erfindungsgemäße Schaltung und somit das durch sie realisierte Verfahren sind besonders vorteilhaft, da nur ein minimaler zusätzlicher Flächenbedarf erforderlich ist. Da sich durch die weiteren m Stufen der Ladungspumpenschaltung 6 am Kondensator C2 eine definierte maximale Ladung ergibt, ist die durch Schließen des Schalters vorgenommene Verstimmung des Regelkreises genau definierbar. Das Öffnen und Schließen des Schalters 11 kann sehr schnell erfolgen, so dass eine sehr schnelle Reaktion auf Änderungen der Betriebsspannung VCC möglich ist. Durch die schnelle Reaktion kann der Umladevorgang vom Kondensator C2 auf den Kondensator C1 auch vorzeitig abgebrochen werden, wenn die teilweise Umladung bereits zu einer ausreichenden Erhöhung der Betriebsspannung VCC geführt hat. Der zusätzliche Energiebedarf der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 ist sehr gering.The circuit according to the invention and thus the method implemented by it are particularly advantageous since only a minimal additional space requirement is required. Because of the other m stages of the charge pump circuit 6 On the capacitor C2 results in a defined maximum charge, the detuning of the control loop made by closing the switch is precisely defined. Opening and closing the switch 11 can be done very quickly, so that a very fast response to changes in the operating voltage V CC is possible. As a result of the rapid reaction, the charge-reversal process from the capacitor C2 to the capacitor C1 can also be terminated prematurely if the partial charge-reversal has already led to a sufficient increase in the operating voltage V CC . The additional energy requirement of the circuit arrangement according to the invention 1 is very low.

Die Anzahl der in der Ladungspumpenschaltung 6 eingesetzten Pumpenstufen ist von den gewünschten Spannungen an den Abgriffen 8 und 9 abhängig. Für die Erzeugung der gegenüber der Spannung am Abgriff 8 erhöhten Spannung am Abgriff 9 kann auch eine einzige zusätzliche Pumpenstufe ausreichend sein.The number of times in the charge pump circuit 6 used pump stages is of the desired voltages at the taps 8th and 9 dependent. For generating the opposite to the voltage at the tap 8th increased voltage at the tap 9 Also, a single additional pump stage may be sufficient.

11
Datenträgerdisk
22
Eingangentrance
33
NMOS-LängsregeltransistorNMOS transistor longitudinal control
44
erster Lastanschlussfirst load connection
55
zweiter Lastanschlusssecond load connection
66
LadungspumpenschaltungCharge pump circuit
77
Steueranschlusscontrol connection
88th
erster Abgrifffirst tap
99
zweiter Abgriffsecond tap
1010
UnterspannungssensorUnder voltage sensor
1111
Schalterswitch
1212
Reglerregulator
1313
Lastload
1616
Transistortransistor
VREF1, VREF2 V REF1 , V REF2
Referenzspannungenreference voltages
R1, R2 R1, R2
Widerständeresistors
C1, C2, C3C1, C2, C3
Kondensatorencapacitors
VCC V CC
Betriebsspannungoperating voltage
VST V ST
Steuerspannungcontrol voltage
iL i L
Laststromload current
Vin V in
Eingangsspannunginput voltage

Claims (4)

Schaltungsanordnung (1) zur Bereitstellung einer geregelten Betriebsspannung für einen Datenträger mit – einem Eingang (2) für eine Eingangsspannung (Vin), – einem NMOS-Längsregeltransistor (3), der mit einem ersten Lastanschluss (4) mit dem Eingang (2) verbunden ist und an einem zweiten Lastanschluss (5) einen Ausgang für die geregelte Betriebsspannung (VCC) bildet, und – einer Ladungspumpenschaltung (6) zur Bereitstellung einer gegenüber der Eingangsspannung (Vin) erhöhten und von der Betriebsspannung (VCC) abhängigen Ansteuerspannung (VST) für den Steueranschluss (7) des Längsregeltransistors (3), dadurch gekennzeichnet, – dass die Ladungspumpenschaltung (6) einen ersten und einen zweiten Abgriff (8, 9) aufweist, wobei der erste Abgriff (8) mit dem Steueranschluss (7) verbunden ist und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abgriff (8, 9) mindestens eine zusätzliche Ladungspumpenstufe angeordnet ist und – dass eine Steuerschaltung (10, 11) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, die geregelte Betriebsspannung (VCC) auf das Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes zu überwachen und bei Unterschreiten des Schwellwertes den zweiten Abgriff (9) mit dem Steueranschluss (7) zu verbinden.Circuit arrangement ( 1 ) for providing a regulated operating voltage for a data carrier with - an input ( 2 ) for an input voltage (V in ), - an NMOS longitudinal control transistor ( 3 ) connected to a first load terminal ( 4 ) with the entrance ( 2 ) and connected to a second load terminal ( 5 ) forms an output for the regulated operating voltage (VCC), and - a charge pump circuit ( 6 ) for providing a control voltage (V ST ) for the control terminal which is higher than the input voltage (V in ) and dependent on the operating voltage (VCC) ( 7 ) of the longitudinal control transistor ( 3 ), characterized in that - the charge pump circuit ( 6 ) a first and a second tap ( 8th . 9 ), wherein the first tap ( 8th ) with the control connection ( 7 ) and wherein between the first and the second tap ( 8th . 9 ) at least one additional charge pump stage is arranged and - that a control circuit ( 10 . 11 ) is provided and is set up to monitor the regulated operating voltage (VCC) for falling below a predetermined threshold value and falls below the threshold value of the second tap ( 9 ) with the control connection ( 7 ) connect to. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung durch einen Unterspannungssensor (10) und einen Schalter (11) gebildet ist.Circuit arrangement ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the control circuit is controlled by an undervoltage sensor ( 10 ) and a switch ( 11 ) is formed. Verfahren zur Ansteuerung eines NMOS-Längsregeltransistors (3) mit den Schritten – Versorgen eines mit einem ersten Kondensator (C1) verbundenen Steueranschlusses (7) des Transistors (3) mit einer in einer Normalbetriebssituation von einer Betriebsspannung an einem Ausgang des Transistors (3) abhängigen Steuerspannung (Vst), – Laden eines Kondensators (C2) auf eine Spannung, die größer als die Steuerspannung in der Normalbetriebssituation ist, und – zumindest teilweises Umladen des zweiten Kondensators (C2) auf den ersten Kondensator (C1), wenn die Betriebsspannung unter einen vorbestimmten Schwellwert fällt.Method for driving a NMOS longitudinal control transistor ( 3 ) comprising the steps of supplying a control terminal connected to a first capacitor (C1) ( 7 ) of the transistor ( 3 ) with a in a normal operating situation of an operating voltage at an output of the transistor ( 3 ) Dependent control voltage (V st), - charging a capacitor (C2) to a voltage that is greater than the control voltage in the normal operating situation, and - at least partial reloading of the second capacitor (C2) to the first capacitor (C1) when the Operating voltage falls below a predetermined threshold. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Spannung am zweiten Kondensator (C2) durch eine Ladungspumpe erzeugt wird.Method according to claim 3, characterized that the increased Voltage on the second capacitor (C2) generated by a charge pump becomes.
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