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 PDFInfo
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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 ...
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
Spannungsversorgungsschaltung
mit Längsregelern
sind aus der
Eine
Spannungsversorgungsschaltung mit zwei parallelen MOS-Ausgangsstufen ist
in der
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
Die
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
Es
ist eine Ladungspumpenschaltung
Die
Ladungspumpenschaltung
Die
Ladungspumpenschaltung
Der
zweite Abgriff
In
einer Normalbetriebssituation kann die Betriebsspannung VCC über
die Selbstregelung des NMOS-Längsregeltransistors
Bei
einem Lastsprung erhöht
sich der Strom iL in so starker Weise, dass
durch die Selbstregelung des Längsregeltransistors
In
dieser Betriebssituation erkennt der Unterspannungssensor
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
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
Nachdem
die Betriebsspannung VCC wieder über den
vorbestimmten Schwellenwert angestiegen ist, erkennt dies der Unterspannungssensor
In
einem rein exemplarisch angegebenen Beispiel liegt der Sollwert
der Betriebsspannung VCC bei 2 V. Durch
die ersten n Stufen der Ladungspumpenschaltung
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
Die
Anzahl der in der Ladungspumpenschaltung
- 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
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2004
- 2004-03-09 DE DE200410011458 patent/DE102004011458B4/en not_active Expired - Fee Related
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Title |
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Datenblatt SBVS026C, REG101, Fa.Texas Instruments * |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |