J. Knorr Störungsarme integrierte kapazitive Spannungswandler.

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1 J. Knorr Störungsarme integrierte kapazitive Spannungswandler

2 J. Knorr Inhalt  Überblick Kenndaten, Wandlertypen  Theorie des Dickson-Wandlers Stationäre Theorie: Wirkungsgrad, Ersatzschaltbild Dynamisches Verhalten  EMV Ausgangsspannungswelligkeit, Versorgungsstromwelligkeit, Substratstörungen  Realisierung Schaltventile Ansteuerung Regelung  Sonderformen  Schaltungsbeispiel

3 J. Knorr Überblick Grober Vergleich: Induktiver / kapazitiver Energiespeicher BauteilL / C [ nH ] [ nF ] Volumen [ mm3 ] I / U [ mA ] [ V ] f [ MHz ] P [ mW ] p V [ mW / mm3 ] Stabdrossel D x L = 6 x 25 mm 56 00070015000.163009 Integrierte Spule 1,2) D = 125 µm 100.02451000.0120.5 SMD- Kondensator C0805 1,3) 100451055001400 Integrierter 1,3) Kondensator 125100550270 1) Gehäusedicke 2 mm 2) Güte < 103) Teilentladung um 25 %

4 J. Knorr Überblick Leistungsbereich / Wirkungsgrad Integrierte Pumpkapazitäten:0.1.. 10 mW / bis ca. 65% Externe (diskrete) Pumpkondensatoren:10... 1000 mW / bis ca. 90% Eigenschaften Spannungsübersetzungsverhältnis prinzipiell diskret (rational) Prinzipielle Verluste beim Umladen (Innenwiderstand) Einsatz Hilfsschaltung mit integrierten Pumpkapazitäten:EEPROM-Speicher-IC OPV, PIN-Photodiode Spannungsverdoppler-IC (Kapazitäten intern/extern): z.B. 3.3V -> 5V

5 J. Knorr Überblick Wandlertypen und -arten Abwärtswandler (Kondensatoren wechselweise seriell / parallel) Aufwärtswandler Cockroft-Walton-Spannungsvervielfacher (800kV, Atomphysik,1940) Dickson-Spannungsmultiplizierer (einstufig: Spannungsverdoppler) Invertierender Wandler

6 J. Knorr Überblick Aufwärtswandler Dickson – Spannungsmultiplizierer (unsymmetrisch) Gut integrierbar (Streukapazitäten der Pumpkondensatoren!)

7 J. Knorr Inhalt  Überblick Kenndaten, Wandlertypen  Theorie des Dickson-Wandlers Stationäre Theorie: Wirkungsgrad, Ersatzschaltbild Dynamisches Verhalten  EMV Ausgangsspannungswelligkeit, Versorgungsstromwelligkeit, Substratstörungen  Realisierung Schaltventile Ansteuerung Regelung  Sonderformen  Schaltungsbeispiel

8 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Prinzip Auf- und Entladen eines / mehrerer Pump- kondensator(s) /en (C) Störend:  Streukapazitäten  Spannungsverluste (D1,D2)  Nichtidealer Generator (Schaltverluste: C G => C SG, η G ) Einstufiger (Dickson– ) Spannungswandler

9 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Prinzip Q C … Nutzladung Q S, Q SG Streuladungen (Verluste)

10 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Ersatzschaltbild  Innenwiderstand R S  Schaltverluste (R SW ): Streukapazitäten, Generator-Schaltverluste  Konverterwirkungsgrad (η C ): Ventilspannungsabfall, Pumpspannungamplitude, Generatorwirkungsgrad (a) komplett, (b) nach Dickson

11 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Leistungsbilanz Schaltverluste P SW verschieben Wirkungsgradmaximum zur Leistungsanpassung hin Zusammensetzung der Leistungen (a), Wirkungsgrad abhängig v. d. Schaltverlusten (b)

12 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Wirkungsgradmaximierung V S / V O optimieren! Streuzahl κ S : Wirkungsgrad abh. v.d. Streuzahl Ersatzschaltbild

13 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Hilfsgrößen „Generatorwirkungsgrad“ η G Für stromproportionale Verluste in der Ansteuerung (z.B. bei Stromspiegeln) I GL +, I GR +...aus den beiden Generatorausgängen „herausfließender“ Ausgangsstrom Generator und Pumpnetzwerk beim Dickson-Wandler (schematisch)

14 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Hilfsgrößen Streukoeffizienten: α S α SG = α BP + α G C TP, C BP Streukapazitäten der oberen und unteren Kondensatorplatte C G... Fiktive Generator- streukapazität (für Schaltverluste) Zweistufiger Dickson - Wandler (symmetrisch)

15 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Modellparameter  Leerlaufspannung  Innenwiderstand  Konverterwirkungsgrad  Schaltverluste

16 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Modellparameter  Leerlaufspannung  Innenwiderstand  Konverterwirkungsgrad  Schaltverluste

17 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Modellparameter  Leerlaufspannung  Innenwiderstand  Konverterwirkungsgrad  Schaltverluste

18 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Flächenbedarf C·N = C N Konflikt: Flächenminimum (Leistungsanpassung) <> Wirkungsgradmaximum! Maximierter Wirkungsgrad η max, Flächenbedarf C N sowie H = η max / C N (normiert)

19 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Beispiel: Ansteuerung mit Inverter V IN = 2 V ΔV Φ = 2 V V F = 0.75 V C = 10 pF N= 3 α S = 0 α BP = 7.7 % η G = 1

20 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Beispiel: Ansteuerung mit Inverter Ergebnis für ESB (bei 1/T = 10 MHz): V 0 = 5 V R S = 30 k  R SW =14 k  η C = 65 % α G = 16 % κ S = 0.23 Bei 1/T = 40 MHz ist ΔV Φ < 2 V, da Inverter zu schwach. Ausgangsspannung und Eingangsstrom gemessen (gestrichelt) und berechnet

21 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Stationäre Theorie Beispiel: Ansteuerung mit Inverter Ergebnis für ESB (bei 1/T = 10 MHz): V 0 = 5 V R S = 30 k  R SW =14 k  η C = 65 % α G = 16 % κ S = 0.23 Bei 1/T = 40 MHz ist ΔV Φ < 2 V, da Inverter zu schwach. Wirkungsgrad gemessen (gestrichelt) und berechnet

22 J. Knorr  Überblick Kenndaten, Wandlertypen  Theorie des Dickson-Wandlers Stationäre Theorie: Wirkungsgrad, Ersatzschaltbild Dynamisches Verhalten  EMV Ausgangsspannungswelligkeit, Versorgungsstromwelligkeit, Substratstörungen  Realisierung Schaltventile Ansteuerung Regelung  Sonderformen  Schaltungsbeispiel

23 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Dynamisches Verhalten Ersatzschaltbild (Einschaltvorgang) Modellvoraussetzungen:  Vernachlässigbare Streukapazitäten: α S = 0  Voller Generatorspannungshub:  V Φ = V IN  Quasistationarität:Gleicher Ladungstransfer je Taktschritt für alle Kapazitäten Vorgangsweise:  Bestimmung der Ersatzkapazität über die in den Pumpkondensatoren gespeicherte Ladung  Aufstellen einer Rekursionsformel für V OUT (jT)

24 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Dynamisches Verhalten Ersatzschaltbild (Einschaltvorgang) Ersatzschaltbild

25 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Dynamisches Verhalten Einschaltvorgang (Leerlauf) Anfangsbedingung:V OUT (0) = V IN - V F Näherung (τ >> T): Näherung aus ESB (τ >> T): Einschaltvorgang (Leerlauf)

26 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Dynamisches Verhalten Gültigkeit des ESB Getaktete Schaltventile:  Zweiquadrantenbetrieb  ESB allgemeingültig Dioden als Schaltventile:  Einquadrantenbetrieb  ESB gilt bei sinkender Eingangsspannung nur beschränkt Ersatzschaltbild

27 J. Knorr Theorie des Dickson-Spannungswandlers Dynamisches Verhalten Gültigkeit des ESB Dioden als Schaltventile Beispiel: Absinken von Eingangs- und Pumpspannung: Gültigkeit des ESB für Ausgangsspannungsverlauf bei fallender Eingangsspannungsrampe

28 J. Knorr  Überblick Kenndaten, Wandlertypen  Theorie des Dickson-Wandlers Stationäre Theorie: Wirkungsgrad, Ersatzschaltbild Dynamisches Verhalten  EMV  Realisierung Schaltventile Regelung Ansteuerung  Sonderformen  Schaltungsbeispiel

29 J. Knorr EMV Störemission – Problemstellen  Versorgungsstromwelligkeit  Magnetische Kopplung  Ausgangsspannungswelligkeit  Substrate noise

30 J. Knorr EMV Versorgungsstromwelligkeit, magnetische Kopplung Beispiel Inverter: Abhilfe: Stromquellen zur Ansteuerung (Stromquellenbrücke)

31 J. Knorr EMV Ausgangsspannungswelligkeit Beispiel Stromquellenbrücke: ΔV C … Spannungsänderung an C beim Pumpvorgang Abhilfe: C OUT >> C, Filterung

32 J. Knorr EMV Substrate noise:  Substrat ohmsch (bis 2..5 GHz)  Ein-/ Auskopplung meist kapazitiv Beispiel: Pumpkondensator – Substrat – Kollektor eines NPN-Transistors Abhilfe:  Gegentaktsignale in Kombination mit streng symmetrischem Aufbau  Substratkontaktringe um Quelle und Senke mit Masseanschluß als Schirm  Niedrige Spannungssteilheiten-> Stromquellenansteuerung Abhilfe: C OUT >> C, Filterung Koppelmechanismus Hoch- (a) und niederohmiges Substrat (b)

33 J. Knorr  Überblick Kenndaten, Wandlertypen  Theorie des Dickson-Wandlers Stationäre Theorie: Wirkungsgrad, Ersatzschaltbild Dynamisches Verhalten  EMV Ausgangsspannungswelligkeit, Versorgungsstromwelligkeit, Substratstörungen  Realisierung Schaltventile Ansteuerung Regelung  Sonderformen  Schaltungsbeispiel

34 J. Knorr Realisierung Schaltventile  Schaltdioden (unidirektional)Einquadrantenbetrieb  Getaktete SchaltventileZweiquadrantenbetrieb Selbstschaltend Fremdgeschaltet

35 J. Knorr Realisierung Schaltventile Schaltdioden (unidirektional): schnell  Bipolar (Basis-Emitter-Diode) (a, b)  MOSFET (c, d): P-Kanal: parasitäre PNP- Transistoren!

36 J. Knorr Realisierung Schaltventile Getaktete Schaltventile Selbstschaltend (durch Pumpspannung)  Ventilsteuerung über Inverter (a): Gate schaltet mit Spannungsgewinn von zwei Stufen  Umschalten der Bulkspannung bei PMOS (b) auf das jeweils höhere Potential, um Stromfluß über Source-Bulk-Diode bzw. Drain-Bulk-Diode zu vermeiden

37 J. Knorr Realisierung Schaltventile Getaktete Schaltventile Fremdgeschaltet (eigene Ansteuerung) Gegentaktansteuerung: Umschaltung zweier in Serie liegender Transistoren Gatespannungsbereich über Hilfstransistoren festgelegt

38 J. Knorr  Überblick Kenndaten, Wandlertypen  Theorie des Dickson-Wandlers Stationäre Theorie: Wirkungsgrad, Ersatzschaltbild Dynamisches Verhalten  EMV Ausgangsspannungswelligkeit, Versorgungsstromwelligkeit, Substratstörungen  Realisierung Schaltventile Ansteuerung Regelung  Sonderformen  Schaltungsbeispiel

39 J. Knorr Realisierung Ansteuerung  „Niederohmig“, spannungsgesteuert: Inverter + einfach, schnell (> 50 MHz), η G ~ 1, ΔV Φ ~ V IN - Störungen!  „Hochohmig“, stromgesteuert: Stromquellenbrücke + Störarm (kleinere Spannungssteilheit, Konstantstrom) - aufwendige Frequenzregelung, ΔV Φ < V IN,langsamer, η G < 1

40 J. Knorr Realisierung Ansteuerung Stromquellenbrücke  Stromspiegelbrücke: langsam => η G sinkt mit Pumpfrequenz  Brücke mit Kreuzschalter: größere Stromübersetzung => η G höher

41 J. Knorr  Überblick Kenndaten, Wandlertypen  Theorie des Dickson-Wandlers Stationäre Theorie: Wirkungsgrad, Ersatzschaltbild Dynamisches Verhalten  EMV Ausgangsspannungswelligkeit, Versorgungsstromwelligkeit, Substratstörungen  Realisierung Schaltventile Ansteuerung Regelung  Sonderformen  Schaltungsbeispiel

42 J. Knorr Realisierung Regelung Querregler (a): einfach, stabil – hohe Leerlaufverluste Längsregler (b):Verluste maximal bei halber Nennlast Frequenzregler (c):Wirkungsgrad maximal – Stabilität: im LL große Wandlerzeitkonstante τ!

43 J. Knorr  Überblick Kenndaten, Wandlertypen  Theorie des Dickson-Wandlers Stationäre Theorie: Wirkungsgrad, Ersatzschaltbild Dynamisches Verhalten  EMV Ausgangsspannungswelligkeit, Versorgungsstromwelligkeit, Substratstörungen  Realisierung Schaltventile Ansteuerung Regelung  Sonderformen  Schaltungsbeispiel

44 J. Knorr Sonderformen Mehrphasige Ansteuerung  Verringerung der Störungen  Realisierung mit Ringsoszillator (auch stromgesteuert) M Generatoren und Wandler

45 J. Knorr Sonderformen Mehrphasige Ansteuerung Beispiel Versorgungsstrom: Vergleich 1 Wandler - 5 phasenverschobene Wandler: => Dezimierung der Spektralanteile Vorteilhaft bei „breiten“ Strompulsen

46 J. Knorr Sonderformen Wandler mit Ladungsausgleich  Teilweises Umladen der Streukapazitäten ohne Energieaufwand durch Schließen von S2 (S0 offen) nach Erreichen der Aussteuergrenzen  Reduktion der durch Pumpnetzwerks- Streukapazitäten bedingten Schaltverluste auf die Hälfte

47 J. Knorr  Überblick Kenndaten, Wandlertypen  Theorie des Dickson-Wandlers Stationäre Theorie: Wirkungsgrad, Ersatzschaltbild Dynamisches Verhalten  EMV Ausgangsspannungswelligkeit, Versorgungsstromwelligkeit, Substratstörungen  Realisierung Schaltventile Ansteuerung Regelung  Sonderformen  Schaltungsbeispiel

48 J. Knorr Schaltungsbeispiel Wandler mit Ansteuerung durch Stromspiegelbrücke  V IN = 3.3 V (+/- 10 %)  V OUT = 12 V (Frequenzregler)  I OUT,max = 90 μA  C = 3.2 pF  N = 16 (symmetrisch) => Diodensperrspannung 2.2V => η C nur 24 % Prinzipschaltung der Brücke sowie Simulation von Generatorspannung V Φ, Generatorstrom I G und Steuerstrom I C

49 J. Knorr Schaltungsbeispiel Wandler mit Ansteuerung durch Stromspiegelbrücke  V IN = 3.3 V (+/- 10 %)  V OUT = 12 V (Frequenzregler)  I OUT,max = 90 μA  C = 3.2 pF  N = 16 (symmetrisch) => Diodensperrspannung 2.2V => η C nur 24 % Chipgröße: 0.45 x 0.9 mm 2

50 J. Knorr Schaltungsbeispiel Wandler mit Ansteuerung durch Stromspiegelbrücke  Pumpfrequenz 1/T steigt linear mit I OUT bis zum Einsatz der Strombegrenzung  I IN steigt praktisch linear mit 1/T (a)V OUT und I IN, dazu Pumpfrequenz 1/T und η für 3.3V (b)V OUT vergrößert

51 J. Knorr Schaltungsbeispiel Wandler mit Ansteuerung durch Stromspiegelbrücke Spektrum der Ausgangsspannung V OUT,n  Spektralen bei 1/T und 2/T  Störpegel steigen mit I OUT an  „Reglerrauschen“ unterhalb der Strombegrenzung (100 μA) => Regleroptimierung nötig

52 J. Knorr Schaltungsbeispiel Wandler mit Ansteuerung durch Stromspiegelbrücke Spektrum des Versorgungsstroms I IN,n  Spektralen bei 1/T und 2/T  Störpegel steigen mit I OUT an  „Reglerrauschen“ unterhalb der Strombegrenzung (100 μA) => Regleroptimierung nötig

53 J. Knorr Zusammenfassung / Ausblick  Modelle für stationäres und dynamisches Verhalten  Schaltventile, Reglertypen  Sonderformen  Brücke mit Kreuzschalter folgt