DE102011052533B4

DE102011052533B4 - Circuit arrangement for protecting memory contents

Info

Publication number: DE102011052533B4
Application number: DE201110052533
Authority: DE
Inventors: Otto Jünemann; Dieter Schmidt
Original assignee: ESW GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: DE102011052533A1

Abstract

Batterieversorgte Elektronik enthaltend eine Batterie (6), die über Kontakte (K1, K2) verbunden ist mit einer keine weiteren Batterien aufweisende Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines flüchtigen Speichers und zum Schutz von Speicherinhalten des flüchtigen Speichers bei kurzzeitigen Unterbrechungen an mindestens einem der Kontakte (K1 oder K2), wobei die Schaltungsanordnung einen Stromschalter (2) aufweist, dessen Eingänge mit einem Komparator (3) über dessen Ausgänge, von denen zueinander inverse Schaltspannungen (Vs) und (Vsneg) geliefert werden, in Verbindung stehen, wobei der Komparator (3) eingangsseitig mit der zu überwachenden Batteriespannung (Vb) und mit einer Schwellspannung (Vsch), die von einer Konstantspannungsquelle (5) erzeugt wird, beschaltet ist und der Komparator (3), die Konstantspannungsquelle (5) und der Stromschalter (2) zur Betriebsspannungsversorgung mit einem Pufferkondensator (Cmem) beschaltet sind.Battery-powered electronics comprising a battery (6), which is connected via contacts (K1, K2) with a circuit having no further batteries for powering a volatile memory and protecting memory contents of the volatile memory in case of brief interruptions at least one of the contacts (K1 or K2) K2), the circuit arrangement having a current switch (2) whose inputs are connected to a comparator (3) via its outputs, from which inverse switching voltages (Vs) and (Vsneg) are supplied, the comparator (3) On the input side with the battery voltage to be monitored (Vb) and with a threshold voltage (Vsch), which is generated by a constant voltage source (5) is connected and the comparator (3), the constant voltage source (5) and the power switch (2) to the operating voltage supply a buffer capacitor (Cmem) are connected.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz von Speicherinhalten bei kurzzeitigem Spannungsausfall, insbesondere von batterieversorgten Elektroniken.The invention relates to a circuit arrangement for protecting memory contents in the event of a momentary power failure, in particular of battery-powered electronics.

Moderne, batteriegestützte, miniaturisierte Sensoren sind oft mit einem Mikrocontroller zur Datenverarbeitung und einem RAM-Speicher zur Datenspeicherung ausgestattet. Diese kostengünstigen Sensoren werden direkt von der Batterie gespeist, arbeiten sehr stromarm und sind bestens für den Langzeiteinsatz geeignet. Infolge starker Schwing- und Stoßbelastung (z. B. Entfernungssensor am Gewehr) kann es beim Abheben der Batteriekontaktierung zu kurzzeitigen Spannungsausfällen kommen, die dann automatisch zum Datenverlust führen können. Bekannte Methoden, den möglichen Datenverlust zu vermeiden, sind Datenspeicherung mittels nichtflüchtiger Speicher und Spannungspufferung. Bei der Datenspeicherung auf nichtflüchtigen Speichern werden aktuelle Daten ständig zwischengespeichert, um diese nach einem Spannungsausfall wieder aufrufen zu können. Die ständige Zwischenspeicherung und die Interruptbehandlung kosten Zeit. Nichtflüchtige Speicher können aus Ladungsspeicherzellen (Flash) bestehen, die eine nur begrenzte Anzahl von Programmierzyklen (ca. 100 T) haben und sich deshalb für die ständige Zwischenspeicherung nicht eignen. Mit der US 2003/0200382 A1 wird eine Schaltungsanordnung zur Pufferung des Speicherinhaltes eines computerbasierten Systems vorgestellt, indem neben der Spannungsversorgung des Systems eine Batterie zur Pufferung genutzt wird, um bei Ausfall der Spannungsversorgung über einen längeren Zeitraum den flüchtigen Speicher mit Spannung zu versorgen. Nachteilig ist der hohe Aufwand zur Spannungsversorgung des flüchtigen Speichers bei Ausfall der Systemspannung sowie die Notwendigkeit einer Batterie, die neben der Systemspannungsversorgung vorhanden sein muss. Bei der Spannungspufferung wird ein Pufferkondensator verwendet, der von der Batterie aufgeladen wird und im Moment des Spannungsausfalls wenigstens den Datenspeicher mit seiner Betriebsspannung über die Zeitspanne des Spannungsausfalls versorgt ( DD 276 998 A3 ). Damit die Ladung des Pufferkondensators nicht zu schnell von anderen Schaltungsfunktionen aufgebraucht wird, sondern dem Datenspeicher zur Verfügung steht, ist es bekannt, den Pufferkondensator mittels einer Diode von den anderen elektrischen Lasten zu trennen. Dazu ist es erforderlich, eine Batteriespannung zu wählen, die um die Flussspannung der Diode höher ist als die Betriebsspannung des Datenspeichers. Hier ist meist keine freie Auswahl möglich und oft kann die Ladung der Batterie nicht bis zur Entladeschlussspannung ausgenutzt werden. Außerdem entsteht beim Stromfluss in den Datenspeicher eine erhöhte Verlustleistung in der Diode, so dass die Energiebilanz der Elektronik reduziert ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, durch die bei einem kurzzeitigen Spannungsausfall der Pufferkondensator und der zu versorgende RAM-Speicher sehr schnell von der übrigen elektronischen Last getrennt werden, um die Ladung des Pufferkondensators effektiv auszunutzen und dessen Kapazität minimieren zu können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz von Speicherinhalten in einem flüchtigen Speicher bei kurzzeitigen Spannungsausfällen, wobei der Betriebsspannungsanschluss des Speichers mit einem Pufferkondensator beschaltet ist, dadurch gelöst, dass ein elektronischer Schalter verwendet wird, der im Wesentlichen aus einem Stromschalter, einem Komparator mit Schwellspannungserzeugung und einer Diode besteht. Der Stromschalter selbst besteht aus der Parallelschaltung eines NMOS-Transistors und eines PMOS-Transistors. Deren Eingänge werden dabei mit zueinander inversen Schaltspannungen angesteuert. Der besondere Vorteil dieser Parallelschaltung mit inverser Ansteuerung besteht darin, dass ein niedriger Einschaltwiderstand, ein hoher Ausschaltwiderstand, ein geringer Spannungsabfall im großen Eingangsspannungs- und Strombereich und eine hohe Schaltgeschwindigkeit realisiert werden können. Die inverse Ansteuerung der Eingänge wird mit Hilfe eines Komparators mit zueinander inversen und phasensynchronen Ausgängen erreicht. Der Komparator ist eingangsseitig beschaltet mit einerseits der zu kontrollierenden Betriebsspannung und andererseits der Schwellspannung, die aus einer ausgangsseitigen Konstantspannungsquelle erzeugt wird. Wesentlich ist ebenfalls, dass der Komparator, die Konstantspannungsquelle und der Stromschalter zur Betriebsspannungsversorgung mit dem Pufferkondensator beschaltet sind. Die Betriebsspannung der Schaltungsanordnung wird vorzugsweise von einer Batterie, insbesondere von einer Lithium-Batterie mit einer Nennspannung von 3,7 V und einer Entladeschlussspannung von 2,5 V bereitgestellt. Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht in dem Austausch der im Stand der Technik üblicherweise verwendeten Diode gegen einen neuartigen elektronischen Schalter. Gegenüber der Diode bildet sich bei Stromfluss über dem elektronischen Schalter nur ein minimaler Spannungsabfall aus. Im Fall eines kurzzeitigen Spannungsausfalls (im Millisekundenbereich) kann der Pufferkondensator und der zu versorgende flüchtige Speicher besonders schnell von der übrigen elektronischen Last getrennt werden. Somit kann die Ladung des Pufferkondensators besonders effizient ausgenutzt werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kapazität des einzusetzenden Pufferkondensators minimiert werden kann, was stetig mit einer kleineren Bauform und geringeren Kosten einhergeht.Modern, battery-backed, miniaturized sensors are often equipped with a microcontroller for data processing and a RAM memory for data storage. These cost-effective sensors are powered directly by the battery, work very low-current and are ideally suited for long-term use. As a result of strong vibration and shock loads (eg distance sensor on the rifle), when power is removed from the battery, short-term power failures can occur, which can then automatically lead to data loss. Well-known methods to avoid the possible loss of data are data storage by means of non-volatile memory and voltage buffering. When saving data to non-volatile memories, current data is constantly buffered so that it can be recalled after a power failure. Constant caching and interrupt handling take time. Non-volatile memories can consist of charge storage cells (flash), which have a limited number of programming cycles (about 100 T) and are therefore not suitable for permanent caching. With the US 2003/0200382 A1 a circuit arrangement for buffering the memory contents of a computer-based system is presented by a battery is used for buffering in addition to the power supply of the system to provide the volatile memory with voltage over a longer period of time in the event of power failure. A disadvantage is the high cost of powering the volatile memory in case of failure of the system voltage and the need for a battery that must be present in addition to the system voltage supply. In the voltage buffering, a buffer capacitor is used, which is charged by the battery and at the moment of power failure supplies at least the data memory with its operating voltage over the period of the power failure ( DD 276 998 A3 ). So that the charge of the buffer capacitor is not consumed too quickly by other circuit functions, but is available to the data memory, it is known to separate the buffer capacitor by means of a diode from the other electrical loads. For this purpose, it is necessary to select a battery voltage which is higher by the forward voltage of the diode than the operating voltage of the data memory. Here, usually no free choice is possible and often the charge of the battery can not be exploited until the final discharge voltage. In addition, an increased power dissipation in the diode occurs during the flow of current into the data memory, so that the energy balance of the electronics is reduced. The invention has for its object to provide an arrangement by which the buffer capacitor and the RAM to be supplied are separated very quickly from the rest of the electronic load at a short-term power failure to effectively exploit the charge of the buffer capacitor and to minimize its capacity. According to the invention the object is achieved with a circuit arrangement for protecting memory contents in a volatile memory during temporary power failures, wherein the operating voltage terminal of the memory is connected to a buffer capacitor, characterized in that an electronic switch is used, which consists essentially of a current switch, a comparator Threshold voltage generation and a diode exists. The current switch itself consists of the parallel connection of an NMOS transistor and a PMOS transistor. Their inputs are controlled with mutually inverse switching voltages. The particular advantage of this parallel connection with inverse control is that a low on-resistance, a high turn-off, a low voltage drop in the large input voltage and current range and a high switching speed can be realized. The inverse control of the inputs is achieved by means of a comparator with mutually inverse and phase-synchronous outputs. The comparator is connected on the input side with on the one hand the operating voltage to be controlled and on the other hand the threshold voltage, which is generated from an output-side constant-voltage source. It is also essential that the comparator, the constant voltage source and the power switch for operating voltage supply are connected to the buffer capacitor. The operating voltage of the circuit arrangement is preferably provided by a battery, in particular by a lithium battery with a rated voltage of 3.7 V and a discharge voltage of 2.5 V. The main advantage of the circuit arrangement according to the invention is the replacement of the diode commonly used in the prior art for a novel electronic switch. Compared to the diode, only a minimal voltage drop is formed when there is a current flow across the electronic switch. In the case of a momentary power failure (in the millisecond range), the buffer capacitor and the volatile memory to be supplied can be separated from the remaining electronic load very quickly. Thus, the charge of the buffer capacitor can be exploited particularly efficiently. A further advantage of the invention is that the capacity of the buffer capacitor to be used can be minimized, which is constantly accompanied by a smaller design and lower costs.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Dabei zeigt The invention will be explained below with reference to an exemplary embodiment. It shows

1 eine prinzipielle Schaltungsanordnung. 1 a basic circuit arrangement.

Der elektronische Schalter 1 besteht gemäß 1 aus dem Stromschalter 2, dem Komparator 3 mit Schwellspannungserzeugung und der Diode 4. Der Stromschalter 2 besteht seinerseits aus der Parallelschaltung eines NMOS-Transistors Tn und eines PMOS-Transistors Tp. Deren Eingänge werden mit zueinander inversen Schaltspannungen Vs und Vsneg angesteuert. Diese Parallelschaltung mit inverser Ansteuerung lässt den niedrigen Einschaltwiderstand, den hohen Ausschaltwiderstand, den geringen Spannungsabfall im großen Eingangsspannungs- und Strombereich und die hohe Schaltgeschwindigkeit zu.The electronic switch 1 exists according to 1 from the power switch 2 , the comparator 3 with threshold voltage generation and the diode 4 , The power switch 2 consists in turn of the parallel connection of an NMOS transistor Tn and a PMOS transistor Tp. Their inputs are driven with mutually inverse switching voltages Vs and Vsneg. This parallel connection with inverse control allows the low on-resistance, the high off resistance, the low voltage drop in the large input voltage and current range and the high switching speed.

Die inverse Ansteuerung der Eingänge wird mit Hilfe des Komparators 3 mit zueinander inversen und phasensynchronen Ausgängen erreicht. Der Komparator 3 ist eingangsseitig mit der zu kontrollierenden Batteriespannung Vb und mit einer Schwellspannung Vsch (z. B. Entladeschlussspannung < Vsch < Nennspannung), die aus der ausgangsseitigen Konstantspannungsquelle 5, bestehend aus dem Widerstand Rk und der Zenerdiode Zk, erzeugt wird, belegt. Die Batteriespannung Vbat kommt von einer Lithium-Batterie 6, die gemäß 1 über die Kontakte K1 und K2 mit der Schaltungsanordnung verbunden ist. Die Entladeschlussspannung beträgt dabei ca. 2,5 V und die Nennspannung 3,7 V. Im Betriebsfall sind die im Fall mechanischer Belastung unsicheren Kontakte K1 und K2 geschlossen. Die Batteriespannung Vbat = Vb liegt somit über der Schwellspannung Vsch und der elektronische Schalter 1 ist niederohmig geschaltet. Damit hat der Pufferkondensator Cmem die Ladespannung Vcc = Vbat = Vb. Über dem Pufferkondensator Cmem liegt die Betriebsspannung Vcc für den flüchtigen Speicher, z. B. ein RAM, dessen elektrische Last Rmem ist, aber auch die Betriebsspannung Vcc für den elektronischen Schalter 1 und den Komparator 3 an. Der elektronische Schalter 1 sowie der Komparator 3 werden wie aus 1 zu entnehmen ist, nicht direkt von der Lithium-Batterie 6 versorgt. Im Fall eines Spannungsausfall, z. B. durch Erschütterung der Schaltungsanordnung, so dass die Kontakte K1 und/oder K2 kurzeitig unterbrochen sind, wird die über der elektrischen Last der übrigen Elektronik Re liegende Eingangsspannung Vb unterschritten, während die Schwellspannung Vsch durch den Pufferkondensator Cmem gestützt wird. Die Ausgänge des Komparators 3 schalten den Stromschalter 2 mit einer Geschwindigkeit im ns-Bereich in den Aus-Zustand, so dass sich der Pufferkondensator Cmem nicht rückwärts über die elektrischen Last der übrigen Elektronik Re entladen kann. Jetzt wird der flüchtige Speicher mit der elektrischen Ladung aus dem Pufferkondensator Cmem versorgt. Dabei kann sich der Pufferkondensator Cmem über die Spannungsausfallzeit von einigen 10 Millisekunden bis auf die untere Betriebsspannungsgrenze des flüchtigen Speichers von z. B. 1,8 V entladen. Während der Spannungsausfallzeit ist der elektronische Schalter 1 aktiv und kann Vb = 0 V am Komparatoreingang detektieren. Damit bleibt er hochohmig, bis einer oder beide der Kontakte K1, K2 wieder geschlossen sind und Vbat = Vb > Vs wird. In wenigen Nanosekunden schaltet der elektronische Schalter 1 in den Ein-Zustand und der Pufferkondensator Cmem lädt sich wieder bis Vcc = Vb = Vbat auf. Voraussetzung dafür, dass der elektronische Schalter 1 auch während des Spannungsausfalls aktiv ist, um die Betriebsspannung Vb kontrollieren zu können und auch im Nanosekunden-Bereich ein- und ausschalten zu können, ist die ständige eigene Spannungsversorgung Vcc trotz Spannungsausfall Vb = 0 V. Dazu wird der elektronische Schalter 1 aus dem Pufferkondensator Cmem versorgt. Im Fall eines Batteriewechsels ist die Spannungsausfallzeit zu groß und der Pufferkondensator Cmem wird sich vollständig entladen. Damit ist die Betriebsspannung Vcc = 0 V und der elektronische Schalter 1 befindet sich im Aus-Zustand. Hier kann das Anlegen der Batteriespannung Vbat = Vb nicht erkannt werden, ohne dass eine Anlaufhilfe vorgesehen wird. Diese besteht aus der Diode 4 zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Stromschalters 2, so dass nach dem Anlegen der zu kontrollierenden Batteriespannung Vb der Pufferkondensator Cmem über die Diode 4 aufgeladen werden kann. Damit steigt die Betriebsspannung Vcc des elektronischen Schalters 1 bis auf Vcc = Vbat – Vd (mit Vd = Flussspannung der Diode 4), der sich dann wegen Vb > Vs niederohmig schaltet und der Pufferkondensator Cmem bis auf Vcc = Vbat weiter auflädt.The inverse control of the inputs is done with the help of the comparator 3 achieved with mutually inverse and phase-synchronous outputs. The comparator 3 is on the input side with the battery voltage Vb to be controlled and with a threshold voltage Vsch (eg discharge end voltage <Vsch <rated voltage), which is from the output-side constant-voltage source 5 , consisting of the resistor Rk and the Zener diode Zk, is generated, occupied. The battery voltage Vbat comes from a lithium battery 6 according to 1 is connected via the contacts K1 and K2 to the circuit arrangement. The discharge end voltage is approx. 2.5 V and the rated voltage 3.7 V. In the case of operation, the contacts K1 and K2, which are insecure in the case of mechanical load, are closed. The battery voltage Vbat = Vb is thus above the threshold voltage Vsch and the electronic switch 1 is switched to low impedance. Thus, the buffer capacitor Cmem has the charging voltage Vcc = Vbat = Vb. Above the buffer capacitor Cmem is the operating voltage Vcc for the volatile memory, z. B. a RAM whose electrical load is Rmem, but also the operating voltage Vcc for the electronic switch 1 and the comparator 3 at. The electronic switch 1 as well as the comparator 3 be like out 1 it can be seen, not directly from the lithium battery 6 provided. In the case of a power failure, z. B. by vibration of the circuit so that the contacts K1 and / or K2 are briefly interrupted, the voltage lying below the electrical load of the other electronics Re input voltage Vb is exceeded, while the threshold voltage Vsch is supported by the buffer capacitor Cmem. The outputs of the comparator 3 turn on the power switch 2 at a rate in the ns-range in the off-state, so that the buffer capacitor Cmem can not discharge backwards over the electrical load of the remaining electronics Re. Now the volatile memory is supplied with the electric charge from the buffer capacitor Cmem. In this case, the buffer capacitor Cmem over the voltage failure time of a few 10 milliseconds to the lower operating voltage limit of the volatile memory of z. B. discharged 1.8V. During the power failure time is the electronic switch 1 active and can detect Vb = 0V at the comparator input. Thus, it remains high impedance until one or both of the contacts K1, K2 are closed again and Vbat = Vb> Vs. In a few nanoseconds, the electronic switch switches 1 into the on state and the buffer capacitor Cmem again charges up to Vcc = Vb = Vbat. Prerequisite for the electronic switch 1 is also active during the power failure, to be able to control the operating voltage Vb and also in the nanosecond range on and off, the constant own power supply Vcc despite power failure Vb = 0 V. This is the electronic switch 1 supplied from the buffer capacitor Cmem. In the case of a battery change, the voltage outage time is too long and the buffer capacitor Cmem is completely discharged. Thus, the operating voltage Vcc = 0 V and the electronic switch 1 is in the off state. Here, the application of the battery voltage Vbat = Vb can not be detected without a start-up aid is provided. This consists of the diode 4 between the input and the output of the power switch 2 in that, after the application of the battery voltage Vb to be controlled, the buffer capacitor Cmem is passed across the diode 4 can be charged. Thus, the operating voltage Vcc of the electronic switch increases 1 to Vcc = Vbat - Vd (with Vd = forward voltage of the diode 4 ), which then turns low due to Vb> Vs and the buffer capacitor Cmem continues to charge up to Vcc = Vbat.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: elektronischer Schalterelectronic switch
22: Stromschalterpower switch
33: Komparatorcomparator
44: Diodediode
55: KonstantspannungsquelleConstant voltage source
66: Batteriebattery
TnTn: NMOS-TransistorNMOS transistor
Tptp: PMOS-TransistorPMOS transistor
K1K1: KontaktContact
K2K2: KontaktContact
CmemCmem: Pufferkondensatorbuffer capacitor
Rmemrmem: elektrische Last des flüchtigen Speicherselectrical load of the volatile memory
RkRk: Widerstandresistance
Zkzk: ZenerdiodeZener diode
Rere: elektrischen Last der übrigen Elektronikelectrical load of the remaining electronics
VbVb: zu kontrollierenden Batteriespannungto be controlled battery voltage
VbatVbat: Batteriespannungbattery voltage
VccVcc: Betriebsspannungoperating voltage
Vschsch: Schwellspannungthreshold
Vsvs: Schaltspannungswitching voltage
VsnegVsneg: inverse Schaltspannunginverse switching voltage

Claims

Battery-powered electronics containing a battery ( 6 ), which is connected via contacts (K1, K2) with non-battery-powered circuitry for powering a volatile memory and protecting memory contents of the volatile memory in the event of momentary interruptions on at least one of the contacts (K1 or K2), the circuitry comprising a Power switch ( 2 ) whose inputs are connected to a comparator (3) via its outputs from which mutually inverse switching voltages (Vs) and (Vsneg) are supplied, the comparator ( 3 ) on the input side with the battery voltage to be monitored (Vb) and with a threshold voltage (Vsch), which from a constant voltage source ( 5 ) is connected, and the comparator ( 3 ), the constant voltage source ( 5 ) and the power switch ( 2 ) are connected to the operating voltage supply with a buffer capacitor (Cmem).

Battery-powered electronics according to claim 1, characterized in that the power switch ( 2 ) consists of an NMOS transistor (Tn) and a PMOS transistor (Tp) connected in parallel.

Battery-powered electronics according to claim 1 or 2, characterized in that between the input and output of the power switch ( 2 ) a diode ( 4 ) is arranged.

Battery-powered electronics according to claim 1 to 3, characterized in that the constant voltage source ( 5 ) consists of a resistor (Rk) and a Zener diode (Zk).