Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaltungen zum Verarbeiten
von Speisespannung mit Spannungsspitzen und insbesondere auf Schaltregler,
bei denen die Siebkapazität
eine solche Schaltung aufweist.The
The present invention relates to circuits for processing
supply voltage with voltage peaks and in particular switching regulators,
where the sieve capacity
has such a circuit.
7 zeigt
einen bekannten Abwärts-Wandler
mit einem einfachen Schalter, wie er beispielsweise in „Halbleiterschaltungstechnik” U. Tietze,
C. H. Schenk, Springer-Verlag, 9. Auflage, 1989, Abbildung 18.37
auf Seite 564 gezeigt ist. Der Abwärts-Wandler in 7 umfasst
eine ringartige Verschaltung mit einer Spule 400, einem
Kondensator 402 und einer Diode 404. Der Abwärts-Wandler
bzw. Schaltregler in 7 umfasst ferner einen Ladeschalter 406 sowie
eine in 7 nicht gezeigte Steuerung,
die ausgebildet ist, um den Ladeschalter 406 so zu steuern,
dass die Ausgangsspannung des Schaltreglers, die in 7 mit
USR bezeichnet ist, auf einem definierten
Niveau zu halten bzw. in einem Bereich um das definierte Niveau
herum zu halten. Die Frequenz, mit der der Schalter 406 geöffnet bzw.
geschlossen wird, hängt
von einer Last 408 ab, d. h. von dem Stromverbrauch der
Last. Ist der Stromverbrauch der Last hoch, so wird das Tastverhältnis, d. h.
die Zeitdauer in einem Zyklus, in dem der Schalter geschlossen ist,
zu der Zeitdauer in einem Zyklus, in dem der Schalter offen ist,
hoch sein. Dagegen wird im Falle einer Last, die wenig Strom (ISR) zieht, der Schalter in einem Zyklus nur
eine kleinere Zeitdauer lang geschlossen sein. 7 shows a known buck converter with a simple switch, as shown for example in "Semiconductor Circuitry" U. Tietze, CH Schenk, Springer-Verlag, 9th edition, 1989, Figure 18.37 on page 564. The down converter in 7 includes a ring-like interconnection with a coil 400 , a capacitor 402 and a diode 404 , The down converter or switching regulator in 7 further includes a charging switch 406 as well as an in 7 not shown control, which is designed to the charging switch 406 to control so that the output voltage of the switching regulator, the in 7 with U SR is designated to keep at a defined level or to keep in an area around the defined level. The frequency with which the switch 406 is opened or closed depends on a load 408 from, ie of the power consumption of the load. When the power consumption of the load is high, the duty ratio, ie, the period in a cycle in which the switch is closed, will be high at the time in one cycle in which the switch is open. In contrast, in the case of a low-current load (I SR ), the switch will only be closed in one cycle for a shorter period of time.
Die
in 7 gezeigte Schaltung umfasst eine bestimmte Anzahl
von Knoten, die nachfolgend dargelegt werden. An einem ersten Eingangsknoten 410 der
Schaltung wird ein Pol einer Eingangsspannungsquelle U0 angeschlossen,
während
an einem zweiten Eingangsknoten 412 ein anderes Potential der
Eingangsquelle U0 angeschlossen wird. Der zweite
Eingangsknoten 412 ist typischerweise der Masseknoten.
Ein erster Ausgangsknoten 414 wird auch als erste Ausgangsschiene
oder positive Ausgangsschiene bezeichnet, während ein zweiter Ausgangsknoten 416 auch
als zweite Ausgangsschiene bzw. negative Ausgangsschiene bezeichnet
wird, wenn die in 7 gezeigte Konvention für die Ausgangsspannung
des Schaltreglers USR verwendet wird. Der
Schalter 406 ist einerseits zwischen den ersten Eingangsknoten 410 und
einen ersten Zwischenknoten 418 geschaltet. Ferner ist
die Diode 404 so zwischen den ersten Zwischenknoten 418 und den
zweiten Eingangsknoten 412 geschaltet, dass die Anode der
Diode mit dem zweiten Eingangsknoten 412 verbunden ist,
während
die Kathode der Diode mit dem ersten Zwischenknoten 418 verbunden ist.
Ferner ist, wie es in 7 gezeigt ist, der Kondensator 402 zwischen
den ersten Ausgangsknoten 414 und den zweiten Ausgangsknoten 416 geschaltet.
Gemäß der in 7 gezeigten
Konfiguration des Netzwerkes aus Diode, Spule und Kondensator ist die
Spule zwischen den ersten Zwischenknoten 418 und den ersten
Ausgangsknoten 414 geschaltet.In the 7 The circuit shown comprises a certain number of nodes, which are set out below. At a first entrance node 410 the circuit is a pole of an input voltage source U 0 is connected, while at a second input node 412 another potential of the input source U 0 is connected. The second entrance node 412 is typically the ground node. A first exit node 414 is also referred to as a first output rail or positive output rail, while a second output node 416 Also referred to as the second output rail or negative output rail when the in 7 shown convention is used for the output voltage of the switching regulator U SR . The desk 406 is on the one hand between the first entrance node 410 and a first intermediate node 418 connected. Further, the diode 404 so between the first intermediate node 418 and the second input node 412 connected that anode of the diode to the second input node 412 while the cathode of the diode is connected to the first intermediate node 418 connected is. Further, as it is in 7 shown is the capacitor 402 between the first exit nodes 414 and the second output node 416 connected. According to the in 7 shown configuration of the network of diode, coil and capacitor is the coil between the first intermediate node 418 and the first output node 414 connected.
Nachfolgend
wird auf die Funktionalität
der in 7 gezeigten Schaltung eingegangen. So lange der
Schalter 406 geschlossen ist, wird UD gleich
der negativen Eingangsspannung U0. Wenn
er sich öffnet,
behält
der Drosselstrom IL seine Richtung bei, und
UD sinkt betragsmäßig ab, bis die Diode leitend wird,
also ungefähr
auf 0-Potential. Der zeitliche Verlauf des Spulenstroms ergibt sich
aus dem Induktionsgesetz, gemäß dem die
Spannung an der Spule gleich dem Produkt aus der Induktivität L der
Spule und der Ableitung des Spulenstroms nach der Zeit ist. Während der
Einschaltzeit, also wenn die Eingangsspannung U0 an
der Diode 404 anliegt, liegt an der Drossel die Spannung
U0 – USR an. Während
der Ausschaltzeit taus des Schalters 406 liegt
an der Drossel die Spannung UL = –USR an. Daraus ergibt sich eine Stromänderung ΔIL, die folgendermaßen gegeben ist: ΔIL = 1/L·USR·taus. The following will highlight the functionality of the in 7 shown circuit received. As long as the switch 406 is closed, U D is equal to the negative input voltage U 0 . When it opens, the inductor current I L maintains its direction, and U D decreases in magnitude until the diode becomes conductive, that is, approximately at 0 potential. The time course of the coil current results from the law of induction, according to which the voltage across the coil is equal to the product of the inductance L of the coil and the derivative of the coil current with respect to time. During the switch-on time, ie when the input voltage U 0 at the diode 404 is applied to the throttle, the voltage U 0 - U SR . During the switch-off time t from the switch 406 the voltage U L = -U SR is applied to the choke. This results in a current change ΔI L , which is given as follows: .DELTA.I L = 1 / L · U SR · t out ,
Aus
dieser Bilanz lässt
sich wiederum die Ausgangsspannung berechnen, die folgendermaßen definiert
ist: USR = tein/(tein + taus)·U0 = tein/T·U0 = t·U0. From this balance again the output voltage can be calculated, which is defined as follows: U SR = t one / (T one + t out ) · U 0 = t one / T * U 0 = t · U 0 ,
In
der vorstehenden Gleichung ist T = tein + taus = 1/F die Schwingungsdauer, und p = tein/T ist das sogenannte Tastverhältnis. Es
ist zu sehen, dass sich als Ausgangsspannung erwartungsgemäß der arithmetische
Mittelwert von UD ergibt. Typischerweise wird
die Induktivität
L der Spule 400 so gewählt,
dass ein Minimalstrom nicht unterschritten wird, wie es in der Technik
bekannt ist. Ferner ist bekannt, dass mit Erhöhung der Taktfrequenz die Induktivität verkleinert
werden kann. Ferner steigt bei zu hohen Frequenzen der Aufwand für den Schalttransistor
und die Ansteuerschaltung. Außerdem
nehmen dynamische Schaltverluste proportional zur Frequenz zu. Aus
diesen Gründen
werden Schaltfrequenzen zwischen 20 kHz und 200 kHz bevorzugt.In the above equation T = t on + t off = 1 / F, the oscillation period, and p = t on / T is the so-called duty cycle. It can be seen that, as expected, the arithmetic mean of U D is the output voltage. Typically, the inductance L of the coil 400 chosen so that a minimum current is not exceeded, as is known in the art. It is also known that as the clock frequency is increased, the inductance can be reduced. Furthermore, when the frequencies are too high, the cost of the switching transistor and the drive circuit increases. In addition, dynamic switching losses increase in proportion to the frequency. For these reasons, switching frequencies between 20 kHz and 200 kHz are preferred.
Der
Kondensator 402 bestimmt die Welligkeit der Ausgangsspannung.
Die Erzeugung des Schaltsignals zum Schalten des Lade-Transistors 406 erfolgt üblicherweise
durch einen Impulsbreitenmodulator und einen Regler mit Spannungsreferenz.
Im einzelnen wird eine Referenzspannung, die einen Sollwert liefert,
einem Subtrahierer zugeführt,
dem auch die aktuelle Ausgangsspannung USR als Ist-Wert
zugeführt
wird. Das Ausgangssignal des Subtrahierers wird einem Regelverstärker zugeführt, der
einen Komparator speist, in den andererseits ein von einem Sägezahngenerator
erzeugtes Signal zugeführt
wird. Das Ausgangssignal des Komparators ist das Steuersignal für den Schalter 406 in 7. Typischerweise
ist der Regelverstärker
ein PI-Regelverstärker.
Er erhöht
sein Ausgangssignal so lange, bis die Differenz am Ausgang des Subtrahierers
zu 0 wird, bis also die Ausgangsspannung USR gleich
der Soll-Ausgangsspannung ist. Typische Größenordnungen für die Dimensionierung
der Spule sind im zweistelligen Mikro-Henry-Bereich, während typische Werte
für Kondensatoren
im dreistelligen Mikro-Farad-Bereich
liegen, wenn Schaltfrequenzen im Bereich von 50 kHz verwendet werden.The capacitor 402 determines the ripple of the output voltage. The generation of the switching signal for switching the charging transistor 406 is usually done by a pulse width modulator and a regulator with voltage reference. In detail, a reference voltage, which supplies a desired value, is fed to a subtractor, to which the actual output voltage U SR is also supplied as an actual value. The output of the subtractor is fed to a variable gain amplifier which feeds a comparator, on the other hand to the signal generated by a sawtooth generator to be led. The output of the comparator is the control signal for the switch 406 in 7 , Typically, the variable gain amplifier is a PI control amplifier. It increases its output signal until the difference at the output of the subtractor becomes 0, until the output voltage U SR equals the desired output voltage. Typical dimensions for coil sizing are in the two-digit micro-Henry range, while typical values for capacitors are in the three-digit micro Farad range when switching frequencies in the range of 50 kHz are used.
In 7 gezeigte
Schaltregler sollen eine geeignete Spannungsversorgung an eine nachfolgend
angeschlossene Schaltung, wie beispielsweise einen ASIC, liefern.
Die Spannungsversorgung besteht in der Regel aus einer oder mehreren
konstanten Gleichspannungen von beispielsweise +5 V oder ±15 V.
Oft steht diese nicht von vorneherein in der gewünschten Form zur Verfügung und
muss erst durch beispielsweise einen in 7 gezeigten
Schaltregler, der durch einen nachgeschalteten Linearregler ergänzt werden
kann, um die Welligkeit der Ausgangsspannung zu beseitigen, erzeugt
werden. Eingangsseitig an dem in 7 gezeigten
Schaltregler liegt üblicherweise
ein Wechselrichter vor, der aus dem Wechsel- bzw. Drehstromnetz
(230 V bzw. 400 V) der Elektrizitätswerke die Eingangsspannung
U0 erzeugt.In 7 Switching regulators shown to provide a suitable power supply to a subsequently connected circuit, such as an ASIC. The power supply usually consists of one or more constant DC voltages of, for example +5 V or ± 15 V. Often this is not from the outset in the desired form available and must first by, for example, a in 7 shown switching regulator, which can be supplemented by a downstream linear regulator to eliminate the ripple of the output voltage can be generated. At the entrance to the in 7 The switching regulator shown is usually an inverter, which generates the input voltage U 0 from the AC or three-phase network (230 V or 400 V) of the power companies.
So
existieren abweichend von dem in 7 gezeigten
Schaltregler auch andere Regler mit einem Transformator, einem Gleichrichter,
einem Glättungs-Kondensator
und eventuell einem Linearregler zur Spannungs-Stabilisierung. Allerdings
ist der Transformator aufwendig herzustellen und damit teuer. Ferner
benötigt
er viel Platz. Ein weiterer Nachteil des Transformators besteht
in seinem frequenzabhängigen
Arbeitsbereich. Dieser ist z. B. auf die Netzfrequenz von 50 Hz
bzw. 60 Hz eingeschränkt. Weicht
die Frequenz ab, dann hat dies auch eine Abweichung der Ausgangsspannung
des Transformators zur Folge. Bei einer Gleichspannung am Eingang funktioniert
die Spannungs-Übertragung
nicht.So deviate from the in 7 Switching controller shown, other controllers with a transformer, a rectifier, a smoothing capacitor and possibly a linear regulator for voltage stabilization. However, the transformer is expensive to produce and therefore expensive. He also needs a lot of space. Another disadvantage of the transformer is its frequency-dependent working range. This is z. B. restricted to the mains frequency of 50 Hz or 60 Hz. If the frequency deviates, then this also results in a deviation of the output voltage of the transformer. With a DC voltage at the input, the voltage transmission does not work.
Läßt man den
Transformator weg und verwendet nur Gleichrichter, Glättungskondensator
und einen Linearregler, dann geht viel Energie in Form von Wärme verloren.
Außerdem
muss dann für
eine ausreichende Kühlung
des Linearreglers gesorgt werden, die wiederum sehr aufwendig ist
und Platz braucht. Dies alles wird dadurch umgangen, wenn man, wie
es anhand von 7 dargestellt worden ist, anstelle
des Linearreglers einen Schaltregler verwendet. Durch den deutlich
besseren Wirkungsgrad geht wenig Energie in Form von Wärme verloren
und folglich ist der Aufwand für
die Kühlung
deutlich geringer. Der Schaltregler benötigt, wie es ausgeführt worden
ist, eine Drossel (die Induktivität 400 in 7),
die relativ aufwendig in der Herstellung ist. Diese hat jedoch nur
eine Wicklung und ist damit einfacher herzustellen als ein Transformator,
der zwei Wicklungen be sitzt. Außerdem
kann die Drossel durch Wahl einer höheren Arbeits-Frequenz verkleinert
werden.Letting go of the transformer and using only rectifier, smoothing capacitor and a linear regulator, then much energy is lost in the form of heat. In addition, it must then be ensured sufficient cooling of the linear regulator, which in turn is very expensive and needs space. All this is bypassed if, as it is based on 7 has been shown, instead of the linear regulator uses a switching regulator. Due to the significantly better efficiency, little energy is lost in the form of heat, and consequently the cost of cooling is much lower. The switching regulator, as has been stated, requires a choke (the inductance 400 in 7 ), which is relatively expensive to manufacture. However, this has only one winding and is thus easier to manufacture than a transformer, the two windings be sitting. In addition, the choke can be reduced by choosing a higher working frequency.
Viele
bekannte Schalt-Netzteile, so auch das in 7 gezeigte
Schaltnetzteil sind in bestimmter Hinsicht problematisch. Üblicherweise
ist der Eingangsspannungs-Bereich auf ein Verhältnis von UE,max/UE,min ≤ 5
beschränkt,
was aus den Katalogen verschiedener Hersteller zu sehen ist. Dieser
Bereich ist für
manche Anwendungen zu gering und sollte erhöht werden, und zwar auf ein
Verhältnis
von z. B. 20:1.Many well-known switching power supplies, as well as in 7 shown switching power supply are problematic in certain respects. Usually the input voltage range is limited to a ratio of U E, max / U E, min ≤ 5, which can be seen in the catalogs of different manufacturers. This range is too low for some applications and should be increased to a ratio of, for Eg 20: 1.
Die
Spannungsversorgung des Reglers selbst erfolgt entweder über eine
separate Spannungsquelle oder wird aus der Eingangsspannung erzeugt,
was einen zusätzlichen
Spannungsregler und damit zusätzlichen
Aufwand bedeutet.The
Voltage supply of the controller itself takes place either via a
separate voltage source or is generated from the input voltage,
what an extra
Voltage regulator and thus additional
Effort means.
Ferner
wird für
einen flexiblen Einsatz angestrebt, die Eingangsspannung deutlich
größer wählen zu
können,
als die maximale zulässige
Betriebsspannung des Reglers selbst, ohne dass zusätzliche Spannungs-Regler
für die
Erzeugung dieser Betriebsspannung verwendet werden.Further
is for
strived for a flexible use, the input voltage significantly
to choose larger
can,
as the maximum allowable
Operating voltage of the regulator itself, without requiring additional voltage regulator
for the
Generation of this operating voltage can be used.
Ferner
sollte bei Anlegen der Eingangsspannung ein möglichst schnelles, kontrolliertes
Anlaufen des Schaltreglers gewährleistet
sein. Insbesondere für
zeitkritische Anwendungen sollte diese sogenannte Anlauf-Verzögerung so
klein als möglich
sein.Further
should when applying the input voltage as fast as possible, controlled
Starting the switching regulator guaranteed
be. Especially for
Time-critical applications should have this so-called startup delay like this
small as possible
be.
Die DE 199 46 025 A1 die DE 197 00 100 C2 , die DE 195 07 553 A1 oder
die DE 197 06 491
A1 offenbaren Schaltregler, die auf der Basis des in 7 gezeigten
Prinzipschaltbilds arbeiten, wobei je nach Ausführungsform die Spule 400 entweder
zwischen dem ersten Zwischenknoten 418 und dem ersten Ausgangsknoten 414,
wie in 7 gezeigt, angeordnet ist, oder alternativ zwischen
dem zweiten Eingangsknoten 412 und dem zweiten Ausgangsknoten 416 angeordnet
ist. Die Steuerspannung für
den Schalter 406, der als Transistor ausgeführt sein
kann, wird von dem Regler, der das Timing des Schalters 406 bestimmt,
oder extern erzeugt. Dies führt
zu zusätzlichem
Schaltungsaufwand, der im Hinblick auf den Entwurf, das Testen und
die Herstellung zusätzliche
Kosten bedeutet. Zusätzliche
Kosten sind insbesondere deswegen nachteilhaft, da Schaltregler insbesondere,
wenn sie innerhalb von Leuchten vorgesehen sind oder aber auch voll
integriert mit einer zu versorgenden integrierten Schaltung ausgeführt sind,
den Preis des Endprodukts erhöhen
und insbesondere bei Chipanwendungen, bei denen die Chipfläche ein
Kriterium ist, aufgrund des erhöhten
Chipflächen-Verbrauchs
entstehen.The DE 199 46 025 A1 the DE 197 00 100 C2 , the DE 195 07 553 A1 or the DE 197 06 491 A1 reveal switching regulator based on the in 7 shown schematic diagram work, depending on the embodiment, the coil 400 either between the first intermediate node 418 and the first output node 414 , as in 7 is shown, or alternatively between the second input node 412 and the second output node 416 is arranged. The control voltage for the switch 406 , which can be implemented as a transistor, is controlled by the regulator, which controls the timing of the switch 406 determined, or generated externally. This leads to additional circuit complexity, which means additional costs in terms of design, testing and production. Additional costs are disadvantageous, in particular, since switching regulators, in particular if they are provided inside luminaires or are also designed to be fully integrated with an integrated circuit to be supplied, increase the price of the end product and, in particular, in chip applications in which the chip area is a criterion. due to the increased chip area consumption arise.
Insbesondere
beim Hochfahren eines Schaltnetzteils, also beim ursprünglichen
Einschalten der an dem Lastschalter und der Diode anliegenden Eingangsspannung
kann es vorkommen, dass hohe Spannungsspitzen entstehen. Dies liegt
daran, dass dann, wenn eine Spule von einem Strom durchflossen wird,
und der Strom ausgeschaltet wird bzw. auf einen anderen Stromwert
umgesetzt wird, eine hohe Spannungsspitze mit im Vergleich zur vorherigen
Stromrichtung entgegengesetzten Richtung auftritt. Nachdem Schaltnetzteile
bzw. solche Schaltregler, wie sie in 7 dargestellt
sind, darauf basieren, dass ständig
ein Strom durch eine Spule (und einen in Serie geschalteten Kondensator)
ein- bzw. ausgeschaltet wird, können
hierbei bereits Spannungsspitzen entstehen. Insbesondere jedoch
im Hochlaufvorgang, wo die Zustände
nicht derart definiert sind, bzw. wo initiale Steuerungen vorgenommen
werden müssen,
die möglicherweise
einen Strom durch eine Spule auf 0 setzen, können solche Spannungsspitzen
entstehen. Wird die Ausgangsspannung, die eine solche Spannungsspitze
enthält,
dazu verwendet, z. B. bei einem Schaltregler die Steuerung des Schaltreglers
selbst zu versorgen, so kann es sein, dass eine solche Spannungsspitze
in dem Ausgangssignal, das die Steuerung versorgen soll, zu einer
Zerstörung
der Steuerung bzw. von Eingangskomponenten der Steuerung führen kann.
Dem könnte
dadurch entgegengewirkt werden, dass die Eingangsstufen der Steuerung
sehr spannungsfest ausgelegt werden. Diese im Hinblick auf die Spannungsfestigkeit
und im Hinblick auf den normalen Betrieb erforderliche Überdimensionierung
führt jedoch zu
zusätzlichen
Kosten. Dieser Weg wird immer weniger gangbar, wenn sehr hohe Spannungsspitzen und
relativ geringe Ausgangs-Betriebsspannung bzw. Ausgangsspannungs-Sollwert
benötigt
werden. Dann wird das „Missverhältnis” zwischen
Spannungsauslegung der Steuerung einerseits und der eigentlich von
der Steuerung zu bewältigenden
Spannung andererseits immer größer.In particular, when starting up a switched-mode power supply, that is to say when the input voltage applied to the load switch and the diode is initially switched on, high voltage peaks may occur. This is because when a current flows through a coil, and the current is turned off or converted to another current value, a high voltage spike occurs with a direction opposite to the previous current direction. After switching power supplies or such switching regulator, as shown in 7 are based on the fact that constantly a current through a coil (and a capacitor connected in series) is turned on or off, this may already arise voltage spikes. However, in particular in the run-up process, where the states are not defined in such a way, or where initial controls must be made, which may set a current through a coil to 0, such spikes may arise. If the output voltage containing such a voltage spike used to z. B. in a switching regulator to supply the control of the switching regulator itself, so it may be that such a spike in the output signal that should provide the control, can lead to destruction of the control or of input components of the controller. This could be counteracted by designing the input stages of the controller to be very voltage-proof. However, this oversizing required in terms of withstand voltage and normal operation results in additional costs. This approach is becoming less feasible when very high voltage spikes and relatively low output operating voltage or output voltage setpoint are needed. Then the "mismatch" between the voltage design of the controller on the one hand and the actual voltage to be handled by the controller on the other hand, always larger.
Die DE 4007593 A1 offenbart
ein Eingangsstromspitzenvermeidendes Schaltnetzteil. Zur Vermeidung
von Eingangsstromspitzen beim Einstecken bzw. Einschalten eines
Schaltnetzteils oder beim Nachladen des Schaltnetzteils nach einem
Ausfall der Eingangsnetzwechselspannung oder nach einem Einbruch
derselben während
des Betriebs wird der Eingangskondensator eines schnell getakteten Spannungsreglers
eliminiert und wird statt dessen ein Ausgangskondensator an den
Ausgang des Schaltnetzteils verlegt. Gleichzeitig wird der schnell getaktete
Spannungsregler selbst mit einer aktiven Strombegrenzung ausgestattet,
um denselben vor einer Zerstörung
zu schützen.
Der schnell getaktete Spannungsregler wird von einem Gleichrichter
versorgt, der wiederum ge koppelt über ein Eingangsfilter mit
der Netzwechselspannung selbst verbunden ist.The DE 4007593 A1 discloses an input current peaking switching power supply. To avoid input current peaks when plugging in or switching on a switched-mode power supply or when recharging the switching power supply after a failure of the AC input voltage or after a break during the operation of the input capacitor of a fast-clocked voltage regulator is eliminated and instead an output capacitor is routed to the output of the switching power supply. At the same time, the fast clocked voltage regulator itself is equipped with an active current limiter to protect it from destruction. The fast clocked voltage regulator is powered by a rectifier, which in turn is coupled ge via an input filter to the AC line voltage itself.
Nachteilig
an diesen Konzepten der aktiven Strombegrenzung ist die Tatsache,
dass die aktive Strombegrenzung schaltungstechnisch implementiert
werden muss, was insbesondere bei integrierten Ausführungen
zu einem zusätzlichen
Testaufwand und zu einem potentiell erhöhten Ausschussanteil der fertig
integrierten Schaltungen führt,
da sich die Anzahl der Komponenten gegenüber einem Fall ohne aktive
Strombegrenzung deutlich erhöht
hat.adversely
at these concepts of active current limitation is the fact
that the active current limitation implemented by circuitry
must be, especially in integrated designs
to an additional
Test effort and to a potentially increased committee share of finished
leads integrated circuits,
because the number of components compared to a case without active
Current limit significantly increased
Has.
Die
6,335,654 B1 offenbart eine Inrush-Stromsteuerschaltung mit einem Eingangsanschluss,
der mit einer Gleichspannungsversorgung verbunden ist, und mit einem
Ausgangsanschluss, der mit einem Lastkondensator verbunden ist.
Während
des Hochfahrens eines Systems wird der Strom, der die Lastkapazität auflädt, begrenzt.
Hierzu erzeugt die Steuerschaltung eine Spannungsrampe an der Lastkapazität, anstatt
eines abrupten Anlegens einer DC Spannung. Die Spannungsrampe resultiert in
einem konstant niedrigen Strom, um die Lastkapazität zu laden.
Hierzu ist ein eingangsseitiger Spannungsteiler vorgesehen, der
durch ein Potential am mittleren Abgriffspunkt einen seriell geschalteten Transistor
steuert. Zwischen dem Gate des Transistors und dem Ausgangsknoten
ist eine RC-Serienschaltung
angeordnet.The
6,335,654 B1 discloses an inrush current control circuit having an input terminal,
which is connected to a DC power supply, and with a
Output terminal connected to a load capacitor.
While
When booting up a system, the power that charges the load capacity is limited.
For this purpose, the control circuit generates a voltage ramp on the load capacitance, instead
an abrupt application of a DC voltage. The voltage ramp results in
a constant low current to charge the load capacity.
For this purpose, an input-side voltage divider is provided, the
by a potential at the middle tap point a serially connected transistor
controls. Between the gate of the transistor and the output node
is an RC series circuit
arranged.
Die
U 5, 592, 072 A offenbart einen Spannungsregler mit einem Schaltregler
und einer nachgeordneten Reglersteuerung, die eine lineare Reglersteuerung
und einen Treiber für
einen seriell geschalteten Transistor umfasst. Eingangsseitig und ausgangsseitig
bezüglich
des Transistors befinden sich zwei Kapazitäten.The
U 5, 592, 072 A discloses a voltage regulator with a switching regulator
and a downstream regulator controller, which is a linear regulator controller
and a driver for
comprises a serially connected transistor. Input side and output side
in terms of
of the transistor are two capacitors.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein wirtschaftliches
Konzept zum Verarbeiten einer Speisespannung mit Spannungsspitzen und
insbesondere einen preisgünstigeren
Schaltregler, der vor Spannungsspitzen geschützt ist, zu schaffen.The
Object of the present invention is an economical
Concept for processing a supply voltage with voltage spikes and
especially a cheaper
Switching regulator, which is protected against voltage spikes to create.
Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltung zum Verarbeiten einer Speisespannung
nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Verarbeiten einer Speisespannung
mit Spannungsspitzen nach Patentanspruch 14 oder einen Schaltregler
zum Erzeugen einer geregelten Schaltregler-Ausgangsspannung nach
Patentanspruch 15 gelöst.These
The object is achieved by a circuit for processing a supply voltage
according to claim 1, a method for processing a supply voltage
with voltage spikes according to claim 14 or a switching regulator
for generating a regulated switching regulator output voltage
Claim 15 solved.
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine
mit Spannungsspitzen versehene Speisespannung derart verarbeitet
wird, dass die Spannungsspitze nicht einfach abgeschnitten wird,
sondern dass die in der Spannungsspitze enthaltene Energie eingesetzt
wird, um eine Ausgangsspannung schneller auf den Soll-Ausgangsspannungspegel
zu treiben, als wenn die Spannungsspitze einfach abgeschnitten werden
würde,
d. h. die Ener gie derselben nicht ausgenutzt werden würde. Hierzu
werden zwei Kapazitäten über einen steuerbaren
Widerstand gekoppelt. Eine Steuerungseinrichtung zum Ansteuern des
steuerbaren Widerstandes ist ausgebildet, um den steuerbaren Widerstand
auf einen hohen Widerstandswert einzustellen, wenn die Eingangsspannung
unterhalb eines Eingangsspannungs-Sollwerts ist. Wenn die Eingangsspannung
dann den Sollwert überschreitet,
d. h. wenn die an der ersten Kapazität anliegende Spannung, die
gleich der Eingangsspannung ist, größer als der vorbestimmte Wert
wird, wird der Widerstandswert des steuerbaren Widerstands reduziert, derart,
dass die Eingangsspannung konstant bleibt oder langsamer als die
Speisespannung steigt. Durch Reduzieren des Widerstandswerts des
steuerbaren Widerstands wird erreicht, dass Ladung in den zweiten
Kondensator fließt.
Eine Energie der Spannungsspitze wird somit nicht verworfen, sondern
wird dazu verwendet, um den zweiten Kondensator aufzuladen. Sobald
die Spannung an dem zweiten Kondensator einen vorbestimmten Ausgangsspannungs-Sollwert
erreicht hat, wird der steuerbare Widerstand auf einen kleinen Widerstandswert
gesteuert, derart, dass die beiden Kondensatoren im wesentlichen
parallel geschaltet sind, also als resultierende Kapazität mit einem
Kapazitätswert
fungieren, der gleich der Summe der Kapazitätswerte der beiden Einzelkondensatoren
ist. Durch Steuern des Widerstands, wenn die Eingangsspannung größer als der
Eingangsspannungs-Sollwert geworden ist, wird erreicht, dass die
Ladungsaufnahme des ersten Kondensators aufgrund der Speisespannung
und aufgrund der in der Speisespannung möglicherweise bereits vorliegenden
Spannungsspitze reduziert wird, so dass mehr Ladung in die zweite
Kapazität
fließt
als in dem Fall, in dem der steuerbare Widerstand einen hohen Widerstandswert
hatte.The present invention is based on the finding that a voltage spiked supply voltage is processed so that the voltage peak is not simply cut off, but that the energy contained in the voltage spike is used to drive an output voltage to the desired output voltage level faster than if the voltage spike were simply cut off, d. H. the energy of the same would not be exploited. For this purpose, two capacitors are coupled via a controllable resistor. A controller for driving the controllable resistor is configured to set the controllable resistor to a high resistance value when the input voltage is below an input voltage setpoint. If the input voltage then exceeds the setpoint, ie if the voltage applied to the first capacitance equaling the input voltage becomes greater than the predetermined value, the resistance of the controllable resistor is reduced such that the input voltage remains constant or slower than that Supply voltage increases. Reducing the resistance of the controllable resistor causes charge to flow into the second capacitor. An energy of the voltage spike is thus not discarded, but is used to charge the second capacitor. Once the voltage on the second capacitor has reached a predetermined output voltage setpoint, the controllable resistor is controlled to a small resistance value, such that the two capacitors are substantially in parallel, thus acting as the resulting capacitance with a capacitance equal to the sum the capacitance values of the two single capacitors. By controlling the resistance when the input voltage has become greater than the input voltage set point, it is achieved that the charge acceptance of the first capacitor is reduced due to the supply voltage and due to the already present in the supply voltage peak voltage, so that more charge in the second capacity flows as in the case where the controllable resistor had a high resistance value.
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die erste Kapazität, an der die Eingangsspannung
anliegt, eine relativ kleine Kapazität, während die zweite Kapazität, an der
die Ausgangsspannung anliegt, eine relativ große Kapazität ist. Damit wird erreicht,
dass die Eingangsspannung schnell den Eingangsspannungs-Sollwert
erreicht, der vorzugsweise dazu verwendet wird, um die Steuerung
eines Schaltreglers zu versorgen. Durch das erfindungsgemäße Steuern
des Widerstands, derart, dass derselbe immer kleiner wird, wird der
Spannungsanstieg der Eingangsspannung begrenzt und vorzugsweise
sogar konstant gehalten, so dass die Steuerung, die mit der Eingangsspannung versorgt
wird, keine Spannungsspitze erhält
und damit nicht entsprechend spannungsfest dimensioniert werden
muss. Sobald der steuerbare Widerstand vorzugsweise monoton abhängig von
der aktuellen Eingangsspannung geöffnet wird, fließt die in
der Spannungsspitze enthaltene Energie in den großen zweiten
Kondensator und wird somit dazu verwendet, um diesen zweiten Kondensator
schnell aufzuladen. Eine solche schnelle Aufladung des zweiten Kondensators
ist insbesondere für
das schnelle Anlaufen von Schaltreglern vonnöten, da die Last, die der Schaltregler
versorgt, die Ausgangsspannung erhält, also parallel zum zweiten
Kondensator geschaltet ist.at
a preferred embodiment of
present invention is the first capacitance at which the input voltage
is applied, a relatively small capacity, while the second capacity at the
the output voltage is applied, is a relatively large capacity. This is achieved
that the input voltage quickly changes the input voltage setpoint
achieved, which is preferably used to control
to supply a switching regulator. By controlling the invention
of the resistance, in such a way that it becomes ever smaller, becomes the
Voltage rise of the input voltage limited and preferably
even kept constant, allowing the controller to supply the input voltage
gets no voltage spike
and thus not dimensioned accordingly voltage-resistant
got to. As soon as the controllable resistance is preferably monotonically dependent on
the current input voltage is opened, the flows in
the voltage peak energy contained in the large second
Capacitor and is thus used to this second capacitor
to charge quickly. Such a fast charging of the second capacitor
is especially for
the fast start-up of switching regulators, because the load, the switching regulator
supplied, the output voltage receives, ie parallel to the second
Capacitor is connected.
Geht
der Schaltregler dann in den stationären Betrieb über, so
wird der steuerbare Widerstand auf einen kleinen Widerstandswert
gebracht, derart, dass die beiden Kapazitäten parallel geschaltet werden
und als eine einzige Kapazität
mit der Summe der beiden Kapazitätswerte
der beiden Einzelkondensatoren wirken.going
the switching regulator then in the stationary mode over, so
the controllable resistance becomes a small resistance value
brought such that the two capacitors are connected in parallel
and as a single capacity
with the sum of the two capacity values
the two single capacitors act.
Vorzugsweise
wird als steuerbarer Widerstand ein Transistor verwendet, der zu
Beginn, also wenn die Eingangsspannung kleiner als der Eingangsspannungs-Sollwert
ist, gesperrt wird. Wenn der Eingangsspannungs-Sollwert durch die
Eingangsspannung überschritten
wird, geht der Transistor in den Triodenbereich über, um dann, wenn die Ausgangsspannung
den Ausgangsspannungs-Sollwert erreicht hat, in den niederohmig
leitenden Zustand gebracht zu werden.Preferably
is used as a controllable resistor, a transistor to
Beginning, so if the input voltage is less than the input voltage setpoint
is, is locked. When the input voltage reference is set by the
Input voltage exceeded
the transistor goes into the triode region, then when the output voltage
has reached the output voltage setpoint, in the low impedance
to be brought into a conductive state.
Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird der Übergang
des Transistors vom Sperrbereich in den leitenden Bereich, also
das Durchschreiten des Triodenbereichs des Transistors definiert
und abhängig
von der aktuellen Eingangsspannung und/oder der aktuellen Ausgangsspannung
durchgeführt,
derart, dass die Eingangsspannung aufgrund des „langsamen” Durchschaltens des Transistors
gegenüber
dem Wert, wo der Transistor ganz gesperrt war, nicht wesentlich
abnimmt. Damit wird erreicht, dass die Eingangsspannung aufgrund
der kleinen ersten Kapazität
schnell ihren Sollwert erreicht, der, wenn die erfindungsgemäße Schaltung
in einem Schaltregler eingesetzt wird, so bemessen ist, dass eine
Steuerung des Schaltreglers bereits mit einer Spannung, die größer oder
gleich dem Eingangsspannungs-Sollwert ist, arbeiten kann. Für einen
Lastversorgungsbetrieb ist der Schaltregler dann bereit, wenn der
Transistor ganz durchgeschaltet ist und die beiden Kapazitäten zusammen
als eine einzige Kapazität
wirken. In einem üblichen
Schaltregler wird daher der Siebkondensator erfindungsgemäß durch
die Schaltung zum Verarbeiten einer Speisespannung mit Spannungsspitzen
ersetzt. Die Dimensionierung der einzelnen Kapazitäten zueinander
wird so gewählt,
dass die erste Kapazität
so klein gemacht wird, dass sie in einer vorbestimmten Verzögerung nach
dem Einschal ten, also nach dem Anlegen der Eingangsspannung an Ladeschaltung
und Diode auf den für
die Steuerung benötigten
Wert aufgeladen ist, während
die zweite Kapazität
dann so eingestellt wird, dass sie gleich der Differenz zwischen
einem vorbestimmten Kapazitätswert
für den
Siebkondensator, der aufgrund der Welligkeit der Ausgangsspannung
vordefiniert ist, und der Kapazität des ersten Kondensators dimensioniert
ist.In the preferred embodiment of the present invention, the transition of the transistor from the stopband to the conducting region, that is, passing through the triode region of the transistor is defined and performed depending on the current input voltage and / or the current output voltage, such that the input voltage due to the "slow "Turning the transistor off from the value where the transistor was completely off does not significantly decrease. This ensures that the input voltage due to the small first capacitance quickly reaches its target value, which, when the circuit according to the invention is used in a switching regulator, is such that a control of the switching regulator already with a voltage greater than or equal to the input voltage Set point is, can work. For a load supply operation, the switching regulator is ready when the transistor is fully turned on and the two capacitances act together as a single capacitance. In a conventional switching regulator, therefore, the filter capacitor according to the invention is replaced by the circuit for processing a supply voltage with voltage peaks. The dimensioning of the individual capacitances to one another is selected such that the first capacitance is made so small that it is charged to the value required for the control in a predetermined delay after the switch-on, ie after the application of the input voltage to the charging circuit and diode, while the second capacitance is then set to equal the difference between a predetermined one Capacitance value for the filter capacitor, which is predefined due to the ripple of the output voltage, and the capacitance of the first capacitor is dimensioned.
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:preferred
embodiments
The present invention will be described below with reference to FIG
the accompanying drawings explained in detail. Show it:
1 ein
Prinzipblockschaltbild des erfindungsgemäßen Schaltreglers; 1 a schematic block diagram of the switching regulator according to the invention;
2 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Schaltreglers
mit einem selbstsperrenden Transistor als Ladeschalter; 2 A preferred embodiment of the switching regulator according to the invention with a self-locking transistor as a charging switch;
3 ein
alternatives bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem selbstleitenden Transistor
als Ladeschalter; und 3 an alternative preferred embodiment of the present invention with a normally-on transistor as a charging switch; and
4 ein
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung zum Verarbeiten
einer Speisespannung mit Spannungsspitzen; 4 a block diagram of the circuit according to the invention for processing a supply voltage with voltage spikes;
5 ein
Flußdiagramm
zur Erläuterung
der Funktionsweise der Steuerungseinrichtung in 4; 5 a flowchart for explaining the operation of the control device in 4 ;
6a einen
Zeitverlauf der Speisespannung mit einer Spannungsspitze; 6a a time course of the supply voltage with a voltage spike;
6b einen
Zeitverlauf der Eingangsspannung ohne Spannungsspitze; 6b a time course of the input voltage without voltage spike;
6c einen
Zeitverlauf der Ausgangsspannung ohne Spannungsspitze; 6c a time course of the output voltage without voltage spike;
6d einen
Zeitverlauf des Widerstandswerts des steuerbaren Widerstands; und 6d a time course of the resistance value of the controllable resistor; and
7 ein
Blockschaltbild eines bekannten Schaltreglers, der auch als Buck-Converter
bekannt ist. 7 a block diagram of a known switching regulator, which is also known as a buck converter.
Bevor
detailliert auf die erfindungsgemäße Schaltung zum Verarbeiten
einer Speisespannung eingegangen wird, wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 ein
Schaltregler dargestellt, bei dem die erfindungsgemäße Schaltung
zum Verarbeiten einer Speisespannung anstatt des Sieb-Kondensators
(102 in den 2 und 3) einsetzbar
ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Schaltung
zum Verarbeiten einer Speisespannung nicht nur mit dem in den 2 und 3 dargestellten
Schaltreglerkonzept sondern auch bei dem in 7 dargestellten
Schaltreglerkonzept einsetzbar ist. Ferner sei darauf hingewiesen,
dass die erfindungsgemäße Schaltung
zum Verarbeiten jeder Speisespannung einsetzbar ist, die Spannungsspitzen
hat, welche nicht oder nur reduziert an eine Ausgangsseite weitergegeben
werden dürfen,
da ausgangsseitig angeschlossene Schaltungen nicht für derartige
Spannungsspitzen spezifiziert sind.Before going into detail on the circuit for processing a supply voltage according to the invention, will be described below with reference to the 1 to 3 a switching regulator is shown in which the circuit according to the invention for processing a supply voltage instead of the sieve capacitor ( 102 in the 2 and 3 ) can be used. It should be noted, however, that the circuit according to the invention for processing a supply voltage not only with the in the 2 and 3 illustrated switching regulator concept but also in the 7 shown switching regulator concept can be used. It should also be noted that the circuit according to the invention can be used for processing any supply voltage which has voltage peaks which may not be passed on to an output side, or only reduced, since circuits connected on the output side are not specified for such voltage peaks.
1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Schaltregler
zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung USR unter
Verwendung einer Eingangsspannung U0, die
aus Übersichtlichkeitsgründen als
Spannungsquelle U0 10, die in Serie zu einem Innenwiderstand
Ri 12 geschaltet ist, gezeigt ist. Wenn
ein Ein/Aus-Schalter 14 betätigt wird, liegt zwischen einem
ersten Eingangsknoten 110 und einem zweiten Eingangsknoten 112 eine
Spannung an. Zwischen den ersten Eingangsknoten 110 und
den zweiten Eingangsknoten 112 sind gewissermaßen seriell zueinander
ein steuerbarer Schalter 106 und ein Netzwerk 101 geschaltet,
das ein typisches Schaltregler-Netzwerk
mit einer Spule, einem Kondensator und einer Diode ist. Typischerweise
haben solche Schaltregler-Netzwerke 101 auch noch einen Shunt-Widerstand,
um einen Strompfad mit einem definierten Ohmschen Widerstand zu
schaffen. 1 shows a switching regulator according to the invention for generating a regulated output voltage U SR using an input voltage U 0 , the sake of clarity as a voltage source U 0 10, in series with an internal resistance R i 12 is shown is shown. If an on / off switch 14 is actuated, lies between a first input node 110 and a second input node 112 a tension. Between the first entrance node 110 and the second input node 112 are to some extent serially to each other a controllable switch 106 and a network 101 which is a typical switching regulator network with a coil, a capacitor and a diode. Typically, such switching regulator networks have 101 also a shunt resistor to create a current path with a defined ohmic resistance.
Die
Ausgangsspannung, die von dem in 1 gezeigten
erfindungsgemäßen Schaltregler geregelt
wird, liegt zwischen einer ersten Ausgangsschiene, die auch als
positive Ausgangsschiene bezeichnet wird und mit dem ersten Ausgangsknoten 114 identisch
ist, und einer zweiten Ausgangsschiene, die auch als negative Ausgangsschiene
bezeichnet wird und mit dem zweiten Ausgangsknoten 116 identisch
ist, an. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die positive Ausgangsschiene 114 auf ein erstes (positives)
Potential bringbar, während die
negative Ausgangsschiene 116 auf ein zweites Potential
bringbar ist, das kleiner als das erste Potential ist.The output voltage of the in 1 is controlled between a first output rail, which is also referred to as a positive output rail and the first output node 114 is identical, and a second output rail, which is also referred to as negative output rail and with the second output node 116 is identical to. At the in 1 embodiment shown is the positive output rail 114 can be brought to a first (positive) potential, while the negative output rail 116 can be brought to a second potential which is smaller than the first potential.
Das
Netzwerk 101, das eine Spule, einen Kondensator und eine
Diode aufweist, hat die Diode insbesondere so geschaltet, dass sie
mit der positiven Ausgangsschiene gekoppelt ist, wenn die Spule mit
der negativen Ausgangsschiene ge koppelt ist, oder dass sie mit der
negativen Ausgangsschiene gekoppelt ist, wenn die Spule mit der
positiven Ausgangsschiene gekoppelt ist. Typischerweise wird die Diode
also mit einer Ausgangsschiene, entweder der positiven Ausgangsschiene 114 oder
der negativen Ausgangsschiene 116, gekoppelt sein.The network 101 comprising a coil, a capacitor and a diode, in particular, has the diode switched to be coupled to the positive output rail when the coil is coupled to the negative output rail or to be coupled to the negative output rail when the coil is coupled to the positive output rail. Typically, the diode is thus with an output rail, either the positive output rail 114 or the negative output rail 116 be coupled.
Der
Schalter 106, der in 1 gezeigt
ist, wird auch als Ladeschalter bezeichnet, da er zum Laden des
Kondensators in dem Netzwerk 101 vorgesehen ist. Insbesondere
ist er in Serie zu der Diode geschaltet. Der Ladeschalter umfasst
ferner einen Steuereingang 107, über den der Ladeschalter 106 geschlossen
werden kann, was bedeutet, dass die Eingangsspannung nicht an dem
Ladeschalter abfällt,
sondern an dem Netzwerk 101. Ist der Schalter dagegen geöffnet, so
fällt die
Eingangsspannung über
dem Schalter ab, das Netzwerk 101 ist somit (abgesehen
von transienten Zuständen)
nicht mit der Eingangsspannung beaufschlagt.The desk 106 who in 1 is also referred to as a charging switch since it charges the capacitor in the network 101 is provided. In particular, it is connected in series with the diode. The charging switch further includes a control input 107 over which the charging switch 106 can be closed, which means that the input voltage does not drop at the charging switch, but at the network 101 , If the switch is open, the input voltage drops over the switch off, the network 101 is thus (apart from transient states) not charged with the input voltage.
Über den
Steuereingang 107 kann der Ladeschalter somit geöffnet oder
geschlossen werden. Das Netzwerk 101 umfasst ferner einen
Kondensator, der auch als Siebkondensator bezeichnet wird und derart
geschaltet ist, dass an dem Kondensator die geregelte Ausgangsspannung
abgreifbar ist. Ein wesentlicher Teil des Netzwerks 101 ist
ferner die Induktivität,
die nachfolgend auch als Spule bezeichnet wird, welche einerseits
mit der Diode und andererseits mit dem Kondensator gekoppelt ist.About the control input 107 the charging switch can thus be opened or closed. The network 101 further comprises a capacitor, which is also referred to as a filter capacitor and is connected such that the regulated output voltage can be tapped at the capacitor. An essential part of the network 101 is also the inductance, which is also referred to below as a coil which is coupled on the one hand with the diode and on the other hand with the capacitor.
Erfindungsgemäß umfasst
der in 1 gezeigte Schaltregler ferner eine Umschalteinrichtung 109,
die steuerbar ist, um abhängig
von einem Umschaltsteuersignal, das von einer Steuerung 111 bereitgestellt
wird, entweder die erste Aus gangsschiene 114 oder die zweite
Ausgangsschiene 116 über eine
Kopplungseinrichtung 113 mit dem Steuereingang 107 des
Ladeschalters zu koppeln. Insbesondere ist der Ladeschalter 106 derart
ausgebildet, dass er aufgrund eines Potentials an einer Ausgangsschiene
geschlossen ist, und aufgrund eines Potentials an der anderen Ausgangsschiene
geöffnet ist.
Bei nachfolgend dargelegten Ausführungsbeispielen
ist der Ladeschalter 106, wie später noch anhand der 2 und 3 dargestellt
ist, als selbstleitender oder selbstsperrender NMOS-Transistor ausgeführt. In
diesem Fall wird der Ladeschalter 106 durch das Potential
an der positiven Ausgangsschiene geschlossen (leitend gemacht),
während
er durch das Potential an der negativen Ausgangsschiene geöffnet wird
(in den Leerlauf gebracht wird). Für Fachleute ist es klar, dass
dann, wenn der Schalter 106 als PMOS-Transistor ausgeführt ist,
entweder entsprechende Potentialumsetzungen in der Kopplungseinrichtung 113 durchgeführt werden
können,
oder dass das Potential an der negativen Ausgangsschiene dafür verwendet
wird, um den Schalter zu schließen, während das
Potential an der positiven Ausgangsschiene 114 verwendet
wird, um den Schalter 106 zu öffnen, also in den Leerlaufbetrieb
zu bringen.According to the invention comprises in 1 Switching controller shown further a switching device 109 which is controllable in response to a switching control signal from a controller 111 is provided, either the first outgoing rail 114 or the second output rail 116 via a coupling device 113 with the control input 107 to couple the charging switch. In particular, the charging switch 106 is formed such that it is closed due to a potential at an output rail, and is opened due to a potential at the other output rail. In the embodiments set out below is the charging switch 106 , as later still on the basis of 2 and 3 is shown as a self-conducting or self-blocking NMOS transistor. In this case, the charging switch 106 closed by the potential at the positive output rail (made conductive) while being opened by the potential at the negative output rail (is brought to idle). For professionals, it is clear that when the switch 106 is designed as a PMOS transistor, either corresponding potential transformations in the coupling device 113 can be performed, or that the potential at the negative output rail is used to close the switch, while the potential at the positive output rail 114 is used to switch 106 to open, so bring to idle mode.
Üblicherweise
wird die Steuerung 111 einen Regler umfassen, der beliebig
ausgestaltet sein kann, so lange er ein Signal ausgibt, das dazu
führt, dass
durch Öffnen
und Schließen
des Ladeschalters 106 die Ausgangsspannung USR einen
definierten erwünschten
Zeitverlauf hat. Üblicherweise
wird der Regler 111 derart arbeiten, dass er eine Ausgangsspannung
mit einem Mittelwert am Ausgang 114, 116 des Netzwerks 101 sicherstellt,
unabhängig
davon, welche Last angeschaltet ist bzw. welchen Strom eine Last
zieht. Der Zeitverlauf der Spannung USR wird
typischerweise ein Spannungsverlauf mit einer gewissen Welligkeit
um einen Mittelwert herum sein. Die Welligkeit kann durch Dimensionierung
von Spule und Kondensator in vorbestimmte Toleranzbereiche gebracht
werden, wobei in vielen Fällen
ein Signal mit einer Welligkeit um einen Mittelwert herum bereits
ausreichend, und zwar insbesondere dann, wenn die Anforderungen
an das Schaltregler-Ausgangssignal, also die Spannung USR,
nicht so hoch sind, wie beispielsweise für eine Lampe oder etwas ähnliches.
Andererseits wird in dem Fall, in dem der Schaltregler, wie er in 1 gezeigt
ist, zusammen mit einer von ihm zu versorgenden integrierten Schaltung
auf einem Substrat integriert ist, derselbe noch durch einen dem
Ausgang 114, 116 des Schaltreglers nachgeschalteten
Linearregler ergänzt
sein, um Anforderungen an eine Spannung USR zu
erfüllen,
die die Möglichkeiten
des in 1 gezeigten Schaltreglers übersteigen, um mit vernünftigem
Aufwand ein Ausgangssignal USR mit entsprechender
Spezifikation zu liefern.Usually, the controller 111 comprise a regulator which may be of any desired design as long as it outputs a signal which results in opening and closing of the charging switch 106 the output voltage U SR has a defined desired time characteristic. Usually, the controller 111 work in such a way that it produces an output voltage with an average value at the output 114 . 116 of the network 101 ensures regardless of which load is turned on or which current draws a load. The time course of the voltage U SR will typically be a voltage waveform with some ripple around an average. The ripple can be brought into predetermined tolerance ranges by dimensioning of coil and capacitor, in many cases, a signal with a ripple around an average already sufficient, especially if the requirements for the switching regulator output signal, ie the voltage U SR , are not as high as, for example, a lamp or something similar. On the other hand, in the case where the switching regulator as shown in FIG 1 is integrated, together with an integrated circuit to be supplied by it, on a substrate, the same through one of the output 114 . 116 The linear regulator connected downstream of the switching regulator must be supplemented in order to meet requirements for a voltage U SR which corresponds to the possibilities of the in 1 exceed switching regulator shown to deliver at reasonable cost an output signal U SR with appropriate specification.
Die
Einschalt/Ausschalt-Steuerung wird derart vorgenommen, dass dann,
wenn die Steuerung 111 bestimmt, dass der Ladeschalter
geöffnet
werden soll, der Umschalter 109 an die dem Öffnen des Ladeschalters 106 zugeordnete
Ausgangsschiene, in 1 beispielsweise 116,
verbunden wird, während dann,
wenn der Ladeschalter 106 geschlossen werden soll, weil
der Kondensator im Netzwerk 101 wieder nachgeladen werden
soll, die Steuerung 111 den Umschalter 109 aktiviert,
um nunmehr das Potential der oberen Ausgangsschiene 114 an
den Steuereingang 107 des Ladeschalters 106 zu
koppeln.The on / off control is made such that when the controller 111 determines that the charging switch should be opened, the switch 109 to the opening of the charging switch 106 assigned output rail, in 1 for example 116 , is connected while then when the charging switch 106 should be closed, because the capacitor in the network 101 should be recharged, the controller 111 the switch 109 activated to now the potential of the upper output rail 114 to the control input 107 of the charging switch 106 to pair.
2 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem die Spule 100 mit der
Diode 104 und dem Siebkondensator 102 verschaltet
ist. Beim Vergleich von 2 und 7 wird ersichtlich,
dass die Spule 100 nicht mehr, wie in 7,
mit der Kathode der Diode 104 verbunden ist, sondern mit
der Anode der Diode 104 verbunden ist. Ferner wird aus
dem Vergleich von 2 und 7 ersichtlich,
dass nunmehr die positive Ausgangsschiene 114 mit einem
Zwischenknoten 118, über den
der Ladeschalter 106 mit der Diode 104 verbunden
ist, mit dem Ausgangsknoten 114, also der ersten Ausgangsschiene,
zusammenfällt.
Ferner ist in 2 ein Shunt-Widerstand RSh 101 eingezeichnet, der zwischen
die Spule 100 und die negative Ausgangsschiene 116 geschaltet
ist. Ein Knoten 103 zwischen dem Shunt-Widerstand 101 und
der Spule 100 wird auch als unterer Zwischenknoten bezeichnet. 2 shows a preferred embodiment of the present invention, in which the coil 100 with the diode 104 and the filter capacitor 102 is interconnected. When comparing 2 and 7 will be apparent that the coil 100 not anymore, like in 7 , with the cathode of the diode 104 is connected, but with the anode of the diode 104 connected is. Further, from the comparison of 2 and 7 seen that now the positive output rail 114 with an intermediate node 118 over which the charging switch 106 with the diode 104 is connected to the output node 114 , ie the first output rail, coincides. Furthermore, in 2 a shunt resistor R Sh 101 plotted between the coil 100 and the negative output rail 116 is switched. A knot 103 between the shunt resistor 101 and the coil 100 is also called a lower intermediate node.
Insbesondere
ist der Ladeschalter 106 bei dem in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
als selbstsperrender NMOS-Transistor
ausgeführt,
dessen Drain D mit dem ersten Eingangsknoten 110 verbunden
ist, und dessen Source S zunächst
mit einem Bulk-Anschluß B
des Transistors kurzgeschlossen ist, und dessen Source S ferner
direkt mit dem positiven Ausgangsknoten 114, also der positiven
Ausgangsschiene gekoppelt ist. Die Kopplungseinrichtung 113 von 1 umfasst
bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
eine Zener-Diode DZ 113a, einen
parallel geschalteten Kondensator CZ 113b sowie
einen Vorschaltwiderstand RZ 113c.
Der Vorschaltwiderstand dient dazu, um die eine Spannungsabfalleinrichtung
bildende Parallelschaltung des Kondensators 113b und der
Diode 113a über
den ersten Eingangsknoten 110 mit Strom zu versorgen, wie
es später
noch dargelegt wird.In particular, the charging switch 106 at the in 2 embodiment shown as a self-blocking NMOS transistor whose drain D with the first input node 110 is connected, and whose source S is first shorted to a bulk terminal B of the transistor, and its source S further directly to the positive output node 114 , So the positive output rail is coupled. The coupling device tung 113 from 1 includes at the in 2 shown embodiment, a zener diode D Z 113a , a parallel-connected capacitor C Z 113b and a ballast resistor R Z 113c , The ballast resistor serves to connect the capacitor, which forms a voltage dropping device, in parallel 113b and the diode 113a over the first entrance node 110 to supply electricity, as will be explained later.
Für die Betriebsweise
des in 2 gezeigten Schaltreglers bzw. überhaupt
von Schaltreglern sind die transienten Cha rakteristika der Speicherelemente
Spule L und Kondensator CS wichtig, da der Schaltregler,
wie er in 2 gezeigt ist, eine Regelung
der Ausgangsspannung durch ständiges Ein/Aus-Schalten
des Ladeschalters 106 erreicht.For the operation of in 2 shown switching regulator or even of switching regulators, the transient Cha characteristics of the memory elements coil L and capacitor C S are important because the switching regulator, as in 2 is shown, a regulation of the output voltage by constantly turning on / off the charging switch 106 reached.
Eine
Spule ist dadurch charakterisiert, dass die Spannung, die über der
Spule abfällt,
gleich der zeitlichen Ableitung des Stroms ist, der durch die Spule
fließt.
Entsprechend ist ein Kondensator dadurch gekennzeichnet, dass der
Strom, der durch den Kondensator fließt, proportional zur zeitlichen Ableitung
der an dem Kondensator liegenden Spannung ist.A
Coil is characterized by the fact that the voltage across the
Coil falls off,
equal to the time derivative of the current passing through the coil
flows.
Accordingly, a capacitor is characterized in that the
Current flowing through the capacitor, proportional to the time derivative
is the voltage across the capacitor.
Bezüglich der
Spule ist ferner von großer
Bedeutung, dass die an der Spule anliegende Spannung springen kann,
dass jedoch der Strom durch die Spule nicht springen kann. Wird
daher eine Spule eingeschaltet, also wird eine Gleichspannung (über einen
Quelleninnenwiderstand) an die Spule angelegt, so steigt die Spannung
an der Spule schlagartig auf den Wert der angelegten Gleichspannung
an und fällt
dann exponentiell ab. Gleichzeitig beginnt der Strom durch die Spule
von seinem Ursprungswert 0 an langsam anzusteigen, bis er dann irgendwann
einen Wert erreicht hat, der gleich dem Quotienten aus der angelegten
Spannung und dem Innenwiderstand der Quelle ist. Wenn dieser stationäre Zeitpunkt
erreicht ist, ist auch die über
der Spule abfallende Spannung zu 0 geworden.Regarding the
Coil is also great
Meaning that the voltage applied to the coil can jump,
but that the current through the coil can not jump. Becomes
Therefore, a coil is turned on, so a DC voltage (via a
Source internal resistance) applied to the coil, so the voltage increases
on the coil abruptly on the value of the applied DC voltage
on and off
then exponentially. At the same time, the current starts through the coil
from its original value 0 to slowly increase, until at some point
has reached a value equal to the quotient of the applied
Voltage and the internal resistance of the source is. If this stationary time
is reached, is also the over
the coil has fallen voltage to 0.
Entsprechend
umgekehrt ist es beim Kondensator. Wird der Kondensator eingeschaltet,
so steigt die Spannung an dem Kondensator langsam an, während der
Strom durch den Kondensator springen kann.Corresponding
the reverse is the case with the capacitor. If the capacitor is switched on,
so the voltage on the capacitor rises slowly, while the
Power can jump through the capacitor.
Die
Elemente Spule und Kondensator unterscheiden sich somit dadurch,
dass der Strom durch den Kondensator springen kann, während die
Spannung an der Spule springen kann. Die Spannung an dem Kondensator
kann dagegen nicht springen. Dasselbe gilt auch für den Strom
durch die Spule, er kann ebenfalls nicht springen. Dies führt dazu,
da zum Zeitpunkt des Einschaltens, also zum Zeitpunkt t = 0, wenn
beim Zeitpunkt t = 0 das Einschalten stattfindet, die Spule als
Leerlauf wirkt, während
der Kondensator als Kurzschluß wirkt.The
Elements coil and capacitor thus differ in that
that the current can jump through the capacitor while the
Tension on the coil can jump. The voltage on the capacitor
on the other hand can not jump. The same applies to the electricity
through the coil, he also can not jump. This leads to,
since at the time of switching on, ie at the time t = 0, when
at the time t = 0 the switching takes place, the coil as
Idle affects while
the capacitor acts as a short circuit.
Nachfolgend
wird auf das Ausschalten der Elemente Bezug genommen. Wird ein auf
eine Gleichspannung aufgeladener Kondensator von der Gleichspannungsquelle
abgetrennt, so passiert nichts. Er hält die Ladung, wenn er sich
nicht über
einen Widerstand entladen kann. Findet das Ausschalten des Kondensators
jedoch über
einen Kurzschluß statt,
so führt
dies dazu, dass ein sehr hoher Strom fließt, wobei zu diesem Zeitpunkt
der Strom- und der Spannungs-Pfeil an dem Kondensator in entgegengesetzte
Richtung zeigen. Der Kondensator arbeitet also, wenn er ausgeschaltet
wird, als Generator.following
is referred to the switching off of the elements. Will be on
a DC voltage charged capacitor from the DC voltage source
separated, nothing happens. He holds the cargo when he is
no over
can discharge a resistor. Finds the switching off of the capacitor
however over
a short circuit,
so leads
This causes a very high current to flow, at which time
the current and voltage arrow on the capacitor in opposite
Show direction. So the capacitor works when switched off
is, as a generator.
Wird
eine von einem Strom durchflossene Spule ausgeschaltet, so ist wieder
von Bedeutung, wie die Spule ausgeschaltet wird. Wird eine Spule von
einem Strom durchflossen, so existiert ein Magnetfeld, in dem Energie
gespeichert wird. Wird eine Spule von der Quelle dadurch abgetrennt,
dass zwischen Quelle und Spule ein Leerlauf ist, so würde der Strom
durch die Spule eigentlich schlagartig auf 0 gebracht. Die in dem
Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie muss jedoch abfließen können. Daher führt ein
Abschalten einer Spule durch Erzeugen eines Leerlaufs zwischen der Quelle
und der Spule zu einer hohen Spannungsspitze, die dazu führt, dass sich
an dem Schalter ein Lichtbogen bildet, über den die im Magnetfeld gespeicherte
Energie zur Quelle abfließen
kann. Aus diesem Grund wird eine Spule, um die theoretisch unendlich
hohen Spannungsspitzen, die zerstörerisch wirken würden, zu
vermeiden, über
einen Widerstand, eine Diode oder einen Kondensator entladen. Dies
führt zu
einer Spannungsspitze mit reduzierter Höhe. Wird eine Spule ausgeschaltet,
so zeigen wieder der Spannungspfeil und der Strompfeil in unterschiedliche
Richtungen. Die Spule arbeitet somit als Generator.Becomes
a coil through which a current flows is off again
Of importance, how the coil is turned off. Will a coil of
A current flows through it, so there exists a magnetic field in which energy
is stored. When a coil is disconnected from the source,
that between source and coil is an idle, so would the current
actually brought abruptly to 0 through the coil. The in the
However, magnetic energy stored in the coil must be able to drain away. Therefore introduces
Turn off a coil by creating an open circuit between the source
and the coil to a high voltage spike, which causes that
on the switch forms an arc over which the stored in the magnetic field
Drain energy to the source
can. Because of this, a coil becomes theoretically infinite
high voltage spikes that would be destructive, too
avoid over
discharge a resistor, a diode or a capacitor. This
leads to
a spike with reduced height. If a coil is switched off,
Thus, the voltage arrow and the stream arrow again show different
Directions. The coil thus works as a generator.
Ist,
wie es in 2 (oder 3) gezeigt
ist, die Spule in Serie zu einem Kondensator geschaltet, so ist
zum Einschaltzeitpunkt, also wenn eine Spannung von 0 in eine Spannung
mit einem bestimmten Gleichspannungswert umgeändert wird, der Kondensator
ein Kurzschluß und
die Spule ein Leerlauf. Somit liegt die gesamte eingeschaltete Spannung
zunächst
an der Spule an und sinkt dann mit zunehmendem Strom durch den Serienschwingkreis
aus Spule und Kondensator ab. Zum Zeitpunkt des Ausschaltens einer
Spannung an der Spule erzeugt die Spule noch einen Strom, der noch
eine gewisse Zeit lang fließt,
bis die in der Spule gespeicherte Energie (bzw. die in den Kondensator
gespeicherte Energie) abgeflossen ist.Is how it is in 2 (or 3 ), the coil is connected in series with a capacitor, so at the turn-on time, that is, when a voltage of 0 is changed to a voltage having a certain DC value, the capacitor is a short circuit and the coil is an open circuit. Thus, the entire voltage is initially applied to the coil and then decreases with increasing current through the series resonant circuit of coil and capacitor. At the time of turning off a voltage on the coil, the coil still generates a current that continues to flow for some time until the energy stored in the coil (or the energy stored in the capacitor) has drained away.
Die
Funktionalität
des Schaltreglers im stationären
Zustand wird nachfolgend Bezug nehmend auf 2 beschrieben.
Zum Zeitpunkt, zu dem der Schalter 106 geschlossen wird,
liegt die volle Spannung UGl 10, 12 an
der Diode 104 an. Über
den Schalter 106 fließt
ein Strom, der den Kondensator 102 lädt. Das Potential an der positiven
Ausgangsschiene 114 steigt somit an. Dies führt gleichzeitig
zu einem Strom durch die Spule 100.The functionality of the switching regulator in the steady state will be described below with reference to FIG 2 described. At the time when the switch 106 closed, is the full span U Gl 10 . 12 at the diode 104 at. About the switch 106 a current flows to the capacitor 102 invites. The potential at the positive output rail 114 thus increases. This simultaneously leads to a current through the coil 100 ,
Im
Mittel ist der Strom durch die Spule 100 gleich dem Strom,
der an die Last, die zwischen die positive Ausgangsschiene 114 und
die negative Ausgangsschiene 116 angeschaltet ist, abgegeben
wird.On average, the current is through the coil 100 equal to the current flowing to the load between the positive output rail 114 and the negative output rail 116 is turned on, is delivered.
Nachdem
zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalters 106 die volle
Spannung an der Diode 104 liegt, und nachdem, wie es vorstehend
ausgeführt
worden ist, die Spannung an dem Kondensator nicht springen kann,
jedoch an der Spule springen kann, wird gleichzeitig zum Einschaltzeitpunkt
auch das Potential der negativen Ausgangsschiene 116 angehoben.
Unmittelbar zum Einschaltzeitpunkt des Schalters 106 steigt
daher das Potential der negativen Ausgangsschiene, während das
Potential an der positiven Ausgangsschiene 114 noch im
vorherigen Zustand verharrt. Damit nimmt zum Zeitpunkt des Einschaltens
des Schalters die Spannung USR zunächst etwas
ab, bis das positive Potential 114 durch den Ladestrom,
der über
den Ladeschalter 106 fließt, zugenommen hat.After at the time of turning on the switch 106 the full voltage at the diode 104 is located, and after, as has been stated above, the voltage across the capacitor can not jump, but can jump on the coil, the potential of the negative output rail is simultaneously at the switch-on 116 raised. Immediately at the switch-on time of the switch 106 therefore increases the potential of the negative output rail, while the potential at the positive output rail 114 still in the previous state remains. Thus, at the time the switch is turned on, the voltage U SR initially decreases slightly until the positive potential 114 through the charging current, via the charging switch 106 flows, has increased.
Irgendwann
wird die Steuerung 111 den Umschalter 109 betätigen, derart,
dass er nicht mehr mit der positiven Ausgangsschiene 114 sondern
mit der negativen Ausgangsschiene 116 verbunden ist. Dies führt dazu,
dass der Transistor 106 sperrt, und dass kein Strom mehr
von der Quelle 10, 12 in das Netzwerk aus Spule,
Diode und Kondensator fließt.
Dies führt
dazu, dass die Spule als Generator wirkt, dahingehend, dass das
Potential am Knoten 103 abfällt und die Spule einen Strom
abgibt, der über
die Diode 104 den Kondensator 102 lädt, so dass
nach dem Ausschalten des Schalters die Spannung USR noch etwas
weiter ansteigt. Dieser Anstieg wird durch den Strom, der über die
Last fließt,
gebremst und wird dann, wenn der durch die Last gezogene Strom kleiner
wird als der Strom, den die Spule 100 an den Knoten 114 liefert,
zu einem Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall wird immer größer, da
die Spule irgendwann nicht mehr genug Strom nachliefert. Bevor die
Spannung zu klein wird, greift die Steuerung wieder ein und verbindet
den Umschalter 109 wieder mit der positiven Ausgangsschiene,
was dazu führt,
dass der Schalter 106 wieder geschlossen wird und Strom liefert.
Aufgrund der vorstehend ausgeführten
Zusammenhänge
nimmt die Ausgangsspannung USR nach dem
Einschalten noch etwas weiter ab, bis der positive Knoten 114 des
Kondensators „nachgezogen” hat und
die Spannung USR wieder ansteigt. Irgendwann
wird die Steuerung wieder den Umschalter 109 betätigen, dass
er mit der negativen Ausgangsschiene 116 verbunden ist,
so dass der Transistor 107 gesperrt wird, was wiederum
dazu führt, dass
die Spannung noch etwas weiter ansteigt, und zwar aufgrund der in
der Spule (und dem Kondensator) gespeicherten Energie, die zu einem
Strom über die
Diode 104 und in den positiven Knoten 114 führt.Eventually, the controller will 111 the switch 109 Press, so that he no longer with the positive output rail 114 but with the negative output rail 116 connected is. This causes the transistor 106 locks, and that no more power from the source 10 . 12 into the network of coil, diode and capacitor flows. This causes the coil to act as a generator, in that the potential at the node 103 drops and the coil emits a current through the diode 104 the capacitor 102 loads, so that after switching off the switch, the voltage U SR still somewhat increases. This increase is slowed down by the current flowing across the load and becomes when the current drawn by the load becomes smaller than the current that the coil 100 at the node 114 supplies, to a voltage drop. This voltage drop is getting bigger, because the coil eventually no longer supplies enough electricity. Before the voltage becomes too small, the controller intervenes again and connects the switch 109 again with the positive output rail, which causes the switch 106 closed again and supplies power. Due to the above-described relationships, the output voltage U SR decreases after switching on a little further until the positive node 114 of the capacitor has "retightened" and the voltage U SR rises again. Eventually, the controller will again switch 109 Press that he is using the negative output rail 116 is connected so that the transistor 107 is locked, which in turn causes the voltage to rise somewhat further, due to the energy stored in the coil (and capacitor) leading to a current across the diode 104 and in the positive nodes 114 leads.
Der
in 2 gezeigte Schalter 106 ist bei diesem
Ausführungsbeispiel
als selbstsperrender NMOS-Transistor ausgeführt. NMOS-Transistoren leiten
dann, wenn die Spannung zwischen dem Gate, also dem Steueranschluß 107 und
der Source positiv ist. NMOS-Transistoren, die selbstleitend sind,
leiten bereits bei einer Spannung UGS > 0. Bei dem in 2 gezeigten
selbstsperrenden NMOS-Transistor muss dagegen die Spannung zwischen
dem Gate 107 und der Source (Knoten 118 in 2)
größer als
die Schwellenspannung Uth des Transistors 106 sein. Aus
diesem Grund umfasst die Kopplungseinrichtung 113 von 1 die
in 2 gezeigten Elemente Vorschaltwiderstand 113c,
Parallelkondensator 113b und Zener-Diode 113a.The in 2 shown switches 106 is designed as a self-blocking NMOS transistor in this embodiment. NMOS transistors then conduct when the voltage between the gate, so the control terminal 107 and the source is positive. NMOS transistors, which are self-conducting, already conduct at a voltage U GS > 0. At the in 2 On the other hand, the self-blocking NMOS transistor shown must have the voltage between the gate 107 and the source (node 118 in 2 ) greater than the threshold voltage U th of the transistor 106 be. For this reason, the coupling device comprises 113 from 1 in the 2 shown elements ballast resistor 113c , Parallel capacitor 113b and zener diode 113a ,
Die
Zener-Diode 113a ist derart konfiguriert, dass sie ab einer
gewissen Durchbruchspannung, die fest konfiguriert ist, als Kurzschluß wirkt,
was anders ausgedrückt
bedeutet, dass an der Parallelschaltung aus Kondensator 113b und
Diode 113a immer die durch die Zener-Diode bestimmte Durchbruchspannung
UZ abfällt.
Ist der Umschalter 109 mit der positiven Schiene 114 verbunden,
so liegt die an der Zener-Diode
abfallende Spannung UZ direkt zwischen dem
Gate und der Source des Transistors an. Der Steuereingang 107 des
Transistors wird somit mit der positiven Ausgangsschiene über die
Parallelschaltung aus Kondensator und Zener-Diode gekoppelt, dahingehend,
dass der Transistor leitend wird.The zener diode 113a is configured to act as a short circuit from a certain breakdown voltage, which is fixedly configured, which means in other words, that at the parallel circuit of capacitor 113b and diode 113a always the breakdown voltage U Z determined by the zener diode drops. Is the switch 109 with the positive track 114 connected, the voltage drop across the Zener diode voltage U Z is applied directly between the gate and the source of the transistor. The control input 107 of the transistor is thus coupled to the positive output rail via the parallel circuit of capacitor and zener diode, to the effect that the transistor becomes conductive.
Die
einzige Randbedingung hierfür
ist, dass die durch die Zener-Diode bestimmte Durchbruchspannung
größer als
die Schwellenspannung des Transistors ist. Diese Voraussetzung ist
jedoch ohne weiteres zu erfüllen,
da typischerweise Schwellenspannungen von Transistoren nicht besonders
groß sind
und Zener-Dioden mit beliebigen definierten Durchbruchspannungen
vorhanden sind. Ferner muss die Zener-Diode nur sehr lose auf den
Transistor abgestimmt sein, da der Wert der Durchbruchspannung der
Zener-Diode nur größer als
die Schwellenspannung Uth des Transistors
sein muss. Ob sie viel größer ist
oder nicht spielt zunächst
keine Rolle. Damit sind die Anforderungen an die Schwellenspannung
des Transistors 106 und an die Durchbruchspannung der Diode 113a hinsichtlich
der benötigten
Toleranz sehr niedrig, derart, dass preisgünstige Transistoren einerseits
und preisgünstige Dioden
andererseits eingesetzt werden können,
was zum einen die Integrierbarkeit wesentlich erleichtert und was
zum anderen auch preislich eine Rolle spielt. Dies liegt insbesondere
daran, dass bei der Herstellung von integrierten Schaltungen durchaus auf
einem Wafer Abweichungen im Hinblick auf die Schwellenspannung des
Transistors und im Hinblick auf die Durchbruchspannung der Diode
auftreten können.The only constraint for this is that the breakdown voltage determined by the Zener diode is greater than the threshold voltage of the transistor. However, this requirement is readily met because transistor threshold voltages are typically not very large and Zener diodes are present at any defined breakdown voltages. Furthermore, the Zener diode only has to be tuned very loosely to the transistor since the value of the breakdown voltage of the Zener diode only has to be greater than the threshold voltage U th of the transistor. Whether she is much taller or not initially does not matter. Thus, the requirements for the threshold voltage of the transistor 106 and to the breakdown voltage of the diode 113a in terms of the required tolerance is very low, such that low-cost transistors on the one hand and low-cost diodes on the other hand can be used, which on the one hand greatly facilitates the integrability and on the other hand also plays a role in price. This is due in particular to the fact that in the production of integrated circuits quite on a wafer deviations with regard to the Threshold voltage of the transistor and with respect to the breakdown voltage of the diode may occur.
Nachdem
die Anforderungen an den Zusammenhang zwischen Schwellenspannung
des Transistors und Durchbruchspannung der Diode jedoch sehr lose
sind, können
sehr hohe Abweichungen auf einem Wafer in Kauf genommen werden,
ohne dass eine Schaltung zum Ausschuss wird. Das erfindungsgemäße Konzept
ist somit dahingehend besonders vorteilhaft, dass die Ausschussrate
und damit die Kosten des Endprodukts gering gehalten werden können.After this
the requirements for the relationship between threshold voltage
However, the transistor and breakdown voltage of the diode very loose
are, can
very high deviations can be accepted on a wafer,
without a circuit becoming a committee. The inventive concept
is thus particularly advantageous in that the reject rate
and so that the cost of the final product can be kept low.
Stellt
die Steuerung fest, dass der Schalter 106 wieder ausgeschaltet
werden soll, so steuert sie den Wechselschalter 109 derart
an, dass er mit der negativen Ausgangsschiene verbunden wird. Dies führt dazu,
dass das Potential am Gate 107 des Transistors um USR kleiner wird als im eingeschalteten Zustand.
Damit ist die Spannung an der Source des Transistors 118,
die durch das Umschalten zunächst nicht
beeinträchtigt
wird, wesentlich größer als
das Potential am Gateanschluß 107,
was unmittelbar dazu führt,
dass UGS negativ wird und der Transistor ausgeschaltet
wird, also in einen Leerlaufzustand gebracht wird.If the controller detects that the switch 106 is to be switched off again, it controls the changeover switch 109 such that it is connected to the negative output rail. This causes the potential at the gate 107 of the transistor to U SR is smaller than in the on state. This is the voltage at the source of the transistor 118 , which is initially not affected by the switching, much greater than the potential at the gate terminal 107 , which immediately results in U GS becoming negative and the transistor is turned off, ie brought into an idle state.
Ein
besonderer Vorteil der in 2 gezeigten
erfindungsgemäßen Schaltung
besteht darin, dass ein definiertes Anlaufen der Schaltung sichergestellt
wird. Für
das definierte Anlaufen ist es insbesondere zunächst gleichgültig, ob
der Wechselschalter 109 zum Zeitpunkt des Einschaltens
mit der positiven Ausgangsschiene 114 oder der negativen
Ausgangsschiene 116 verbunden ist. Wenn der Umschalter 109 insbesondere
als Multiplexer aus Transistoren oder als Inverter realisiert wird,
ist es undefiniert, ob der Umschalter 109 mit der oberen
Schiene 114 oder der unteren Schiene 116 verbunden
ist, wenn davon ausgegangen wird, dass vor dem Einschalten die gesamte
in 2 gezeigte Schaltung in spannungslosem Zustand
war, dass also alle Potential in der Schaltung auf dem Wert 0 sind.A special advantage of in 2 The inventive circuit shown is that a defined start-up of the circuit is ensured. For the defined start it is especially irrelevant whether the changeover switch 109 at the time of switching on with the positive output rail 114 or the negative output rail 116 connected is. If the switch 109 In particular, as a multiplexer of transistors or as an inverter is realized, it is undefined whether the switch 109 with the upper rail 114 or the lower rail 116 is connected, if it is assumed that before turning on the entire in 2 circuit shown in a de-energized state was that all potential in the circuit are at the value 0.
Von
diesem Ausgangs-Zustand, bei dem alle Potentiale gleich 0 sind,
wird nachfolgend ausgegangen, um einen Anlaufvorgang der Schaltung
in 2 darzustellen. Nachdem alle Potentiale gleich
0 sind, ist auch das Potential zwischen dem Gate 107 und der
Source 118 des Schalters gleich 0. Da der Transistor ein
selbstsperrender Transistor ist, ist der Schalter zunächst gesperrt.
Wird eine positive Spannung 10, 12 zwischen den
ersten Eingangsknoten 110 und den zweiten Eingangsknoten 112,
der typischerweise der Masseknoten sein wird, angelegt, so wird
zunächst
der Kondensator CZ 113b über den Vorwiderstand
RZ aufgeladen, bis die Spannung an dem Kondensator
CZ 113b und der dazu parallelen Z-Diode
DZ die Schwellenspannung Uth des
Transistorschalters 106 erreicht. Hierfür ist es, wie es ausgeführt worden
ist, unerheblich, ob der Umschalter 109 mit dem Knoten 114 oder
dem Knoten 116 verbunden ist.From this output state, in which all potentials are equal to 0, it is assumed below to a start-up of the circuit in 2 display. After all potentials are equal to 0, so is the potential between the gate 107 and the source 118 of the switch is 0. Since the transistor is a self-locking transistor, the switch is initially disabled. Becomes a positive tension 10 . 12 between the first entrance node 110 and the second input node 112 which will typically be the ground node, first the capacitor C z 113b charged via the series resistor R Z until the voltage across the capacitor C Z 113b and the parallel Zener diode D Z, the threshold voltage U th of the transistor switch 106 reached. For this purpose, as it has been stated, it is irrelevant whether the switch 109 with the node 114 or the node 116 connected is.
Ist
der Umschalter 109 mit dem Knoten 114 verbunden,
so fällt
die Spannung UZ an dem Kondensator 113b ohnehin
direkt zwischen dem Gate 107 und der Source 118 des
Transistors ab.Is the switch 109 with the node 114 connected, the voltage U Z falls on the capacitor 113b anyway directly between the gate 107 and the source 118 of the transistor.
Ist
dagegen der Umschalter 109 mit der negativen Schiene 116 verbunden,
so lädt
sich der Kondensator 113b ebenfalls über den Vorwiderstand RZ auf. Das Potential am Knoten 118,
das das Source-Potential des Transistors bestimmt, wird jedoch zunächst nicht
aus seinem 0-Wert gebracht, da noch keine Ladung des Kondensators 102,
durch die das Potential 118 angehoben werden könnte, stattfindet, da
der Umschalter 109 mit der negativen Schiene 116 verbunden
ist.In contrast, the switch 109 with the negative rail 116 connected, so the capacitor charges 113b also on the resistor R Z on. The potential at the node 118 , Which determines the source potential of the transistor, however, is not initially brought out of its 0 value, since there is no charge of the capacitor 102 through which the potential 118 could be raised, because the switch 109 with the negative rail 116 connected is.
In
beiden Fällen
des Schalters 109 steigt somit die Gate-Source-Spannung von einem Wert von 0
zum Zeitpunkt des Einschaltens der Quelle 10, 12 durch
Betätigen
des Schalters 14 in 1 auf einen Wert
an, der gleich der Schwellenspannung des Transistors ist. Sobald
dies der Fall ist, wird die Drain-Source-Strecke dieses Schalters 106 leitfähig, und
der Kondensator CS wird (unabhängig von
der Stellung des Schalters 109) aufgeladen. Der Ladestrom
für den
Kondensator 102 (CS) fließt gleichzeitig über die
Spule 100 zur Masse 112. Dies führt unmittelbar
dazu, dass die Ausgangsspannung USR aufgrund
der Zunahme des Potentials an der positiven Ausgangsschiene 114 gegenüber dem
Potential an der negativen Ausgangsschiene 116 zunimmt.
Dieser Aufladevorgang setzt sich fort, bis die Spannung am Kondensator
CS die Spannung an der Z-Diode minus der
Schwellenspannung des Schalters 106 erreicht.In both cases of the switch 109 Thus, the gate-source voltage increases from a value of 0 at the time of switching on the source 10 . 12 by pressing the switch 14 in 1 to a value equal to the threshold voltage of the transistor. Once this is the case, the drain-source path of this switch 106 conductive, and the capacitor C S is (regardless of the position of the switch 109 ) charged. The charging current for the capacitor 102 (C S ) flows simultaneously through the coil 100 to the mass 112 , This leads directly to the fact that the output voltage U SR due to the increase of the potential at the positive output rail 114 opposite the potential at the negative output rail 116 increases. This charging process continues until the voltage on the capacitor C S is the voltage across the Zener diode minus the threshold voltage of the switch 106 reached.
Würde der
Umschalter 109 mit der positiven Ausgangsschiene 114 verbunden
sein, so würde
der Ladevorgang immer weiter fortgesetzt, da der Transistor 106 geöffnet ist.
Ist der Umschalter 109 dagegen mit der negativen Schiene 116 verbunden,
so wird der Schalter dann wieder geschlossen, wenn das Potential
zwischen Gate und Source gleich der Schwellenspannung ist. Wenn
angenommen wird, dass das Potential an der Source gleich USR ist, und wenn angenommen wird, dass das
Potential am Gate des Transistors gleich dem Spannungsabfall an
der Zener-Diode UZ ist, so ergibt sich ein
Wert USR am Ausgang des Schaltreglers, bei
dem der Transistor wieder sperrt, als Differenz zwischen der Spannung an
der Zener-Diode und der Schwellspannung. Würde nichts weiter unternommen,
so würde
der Transistor wieder schließen
und die Ausgangsspannung würde
auf USR = UZ – Uth verharren.Would the switch 109 with the positive output rail 114 be connected, the charging process would continue to continue, as the transistor 106 is open. Is the switch 109 against it with the negative rail 116 connected, the switch is then closed again when the potential between the gate and source is equal to the threshold voltage. Assuming that the potential at the source is equal to U SR , and assuming that the potential at the gate of the transistor is equal to the voltage drop across the Zener diode U Z , then there will be a value U SR at the output of the switching regulator in which the transistor blocks again, as the difference between the voltage at the Zener diode and the threshold voltage. If nothing else were done, the transistor would close again and the output voltage would remain at U SR = U Z - U th .
Durch
Dimensionierung der Zener-Diode 113a ist dieser „Verharrungswert” der Ausgangsspannung
USR relativ frei wählbar. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die Zener-Diode so dimensioniert, dass USR so groß wird, (wenn im „ungünstigen
Fall” der
Wechselschalter 109 zum Hochfahren mit der negativen Schiene 116 verbunden
ist), dass die Steuerung 111, die vorzugsweise von USR versorgt wird, bereits arbeiten kann.
Die Spannung USR wird somit durch Dimensionierung
der Zener-Diode (und der Schwellenspannung) so groß gemacht,
dass bei Anliegen dieser Spannung an der Steuerung die Zustände an den
Knoten in der Steuerung bereits definiert sind.By dimensioning the zener diode 113a is this "persistence value" of the output voltage U SR relatively freely selectable. In a preferred embodiment of the invention, the Zener diode is dimensioned so that U SR becomes so large (if in the "unfavorable case" of the changeover switch 109 to start up with the negative rail 116 connected), that the control 111 , which is preferably powered by U SR , can already work. The voltage U SR is thus made so large by dimensioning the Zener diode (and the threshold voltage) that when this voltage is applied to the controller, the states at the nodes in the controller are already defined.
Die
Steuerung wird daher einen Wert USR erfassen
und mit einem Grenzwert vergleichen. Sobald die Steuerung feststellt,
dass USR beim Hochfahren den vorbestimmten
Zustand erreicht hat, ist die Steuerung 111 wirksam, um
sicherzustellen, dass der Umschalter 109 mit der positiven
Schiene 114 verbunden ist. War dies bereits beim Anlauf
der Fall, so führt die
Steuerung 111 hier keine Veränderung des Umschalters 109 durch.
War dies jedoch nicht der Fall, also war zum Zeitpunkt des Hochfahrens
der Umschalter 109, wie in 2 gezeigt,
mit der negativen Schiene 116 verbunden, so wird die Steuerung
den Umschalter 109 derart ansteuern, dass nunmehr nicht
mehr die negative Schiene 116 an den Steueranschluß 107 gekoppelt
ist, sondern dass die positive Schiene 114 an den Steuereingang 107 gekoppelt
ist. Damit liegt an der Anode der Z-Diode das Potential der positiven
Ausgangsschiene. Hierdurch steigt die Spannung an dem Sieb-Kondensator CS 102 aufgrund des durch den Ladeschalter 106 fließenden Ladestroms
weiter an, bis eine gewünschte
Ausgangsspannung an CS anliegt. Nun folgt
die eigentliche Spannungsregelung, indem der Wechselschalter 109 durch
die Steuerung 111 hin- und hergeschaltet wird, um den Schalter
T ein- bzw. auszuschalten, und um dadurch die Ausgangsspannung USR nach Spannungs- und Strom-Bedarf einer
Last (in 2 nicht gezeigt) zu regeln.The controller will therefore detect a value U SR and compare it to a limit. Once the controller determines that U SR has reached the predetermined state at power-up, the controller is 111 effective to ensure that the switch 109 with the positive track 114 connected is. If this was already the case during startup, then the controller performs 111 here no change of the switch 109 by. However, this was not the case, so at the time of startup, the switch was 109 , as in 2 shown with the negative rail 116 connected, the controller is the switch 109 in such a way that now no longer the negative rail 116 to the control terminal 107 is coupled, but that the positive rail 114 to the control input 107 is coupled. This is the potential of the positive output rail at the anode of the Zener diode. As a result, the voltage at the filter capacitor C S increases 102 due to the charge switch 106 flowing charging current continues until a desired output voltage at C S is applied. Now follows the actual voltage regulation by the changeover switch 109 through the controller 111 is switched back and forth to turn the switch T on and off, and thereby the output voltage U SR according to voltage and current demand of a load (in 2 not shown).
Die
in 2 gezeigte Schaltung ist somit insbesondere dahingehend
vorteilhaft, dass sie definiert hochfährt, wobei es zum Zeitpunkt
des Hochfahrens unerheblich ist, in welcher Stellung der Schalter 109 steht.
Ferner wird es bevorzugt, die Steuerung 111 derart zu dimensionieren,
dass sie bereits dann definiert arbeitet, wenn die Ausgangsspannung
gleich der Zener-Dioden-Spannung UZ minus
der Schwellenspannung des Transistors 107 ist. Damit kann ohne
eigene Versorgung für
die Steuerung 111 der Hochfahrvorgang definiert fortgesetzt
werden. Dies führt
insbesondere zu einer preisgünstigen
Schaltung, da keine speziellen Hochfahr-Maßnahmen
getroffen werden müssen,
außer
der Sicherstellung, dass der Wechselschalter 109 mit der
positiven Schiene 114 verbunden ist. Nachdem keine speziellen
Maßnahmen
erforderlich sind und insbesondere Spannungsüberprüfungen im Hinblick auf die
Steuerung 111 etc. durchgeführt werden müssen, findet
der Hochfahrvorgang sehr schnell statt.In the 2 The circuit shown is thus particularly advantageous in that it starts up in a defined manner, wherein it is irrelevant at the time of startup, in which position the switch 109 stands. Further, it is preferable to control 111 dimensioned so that it already works defined when the output voltage equal to the zener diode voltage U Z minus the threshold voltage of the transistor 107 is. Thus, without own supply for the control 111 the startup process continues to be defined. This leads in particular to a low-cost circuit, since no special start-up measures must be taken, except to ensure that the changeover switch 109 with the positive track 114 connected is. After no special measures are required and in particular voltage checks with regard to the control 111 etc., the startup process takes place very quickly.
Des
weiteren sei darauf hingewiesen, dass der Spannungsanstieg durch
entsprechende Dimensionierung des Widerstands 113c und
des Kondensators 113b sehr schnell dimensioniert werden
kann. So wird es ohnehin bevorzugt, den Widerstand 113c relativ
klein zu dimensionieren, damit die durch ihn erzeugte Verlustleistung
nicht in erhebliche Größenordnungen
kommt. Ferner wird es bevorzugt, den Kondensator CZ,
der ohnehin nur zur Stabilisierung der Zener-Diode 113a bzw.
zu deren (kleiner) Sperrschichtkapazität dient, ebenfalls klein zu
dimensionieren, damit er schnell auf die Spannung UZ aufgeladen
wird. Das Hochfahren findet somit derart statt, dass keine Zeitkonstanten
berücksichtigt
werden müssten,
die das Hochfahren des Schaltreglers deutlich abbremsen würden.It should also be noted that the voltage increase by appropriate dimensioning of the resistor 113c and the capacitor 113b can be dimensioned very quickly. So it is anyway preferred, the resistance 113c relatively small dimensions, so that the power loss generated by it does not come in significant sizes. Furthermore, it is preferred that the capacitor C Z , anyway only for stabilizing the Zener diode 113a or to the (smaller) junction capacitance, also small to dimension so that it is quickly charged to the voltage U Z. The startup thus takes place in such a way that no time constants would have to be taken into account, which would significantly slow down the startup of the switching regulator.
3 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel,
das sich von 2 dahingehend unterscheidet,
dass der Transistor T 106 nunmehr ein selbstleitender NMOS-Transistor
ist, und dass die Kopplungseinrichtung 113 von 1,
die in 2 durch die Elemente 113a, 113b, 113c realisiert
war, in 3 durch eine einfache Kopplung 113d realisiert ist.
Während
in 2 das Potential an der ersten Ausgangsschiene
oder der zweiten Ausgangsschiene über die Kopplungseinrichtung 113 mit
einem Spannungsabfall beaufschlagt worden ist, wird in 3 das
Potential an der ersten Ausgangsschiene 114 oder der zweiten
Ausgangsschiene 116 durch eine einfache Verbindung unmittelbar
mit dem Steueranschluß 107 des
Schalters 106 gekoppelt. Der Transistor 106 ist
als selbstleitender n-Kanal-MOS-FET oder n-Kanal-JFET ausgeführt. Die Beschaltung
des Transistors, der den Ladeschalter 106 bildet, bezüglich Drain
und Source ist identisch zu dem Fall von 2. 3 shows an alternative embodiment, different from 2 differs in that the transistor T 106 is now a self-conducting NMOS transistor, and that the coupling device 113 from 1 , in the 2 through the elements 113a . 113b . 113c was realized in 3 through a simple coupling 113d is realized. While in 2 the potential at the first output rail or the second output rail via the coupling device 113 with a voltage drop is applied in 3 the potential at the first output rail 114 or the second output rail 116 by a simple connection directly to the control terminal 107 of the switch 106 coupled. The transistor 106 is designed as a normally-on n-channel MOS-FET or n-channel JFET. The wiring of the transistor, the charging switch 106 with respect to drain and source is identical to the case of 2 ,
Die
Spannungsquelle bzw. Spannungsabfalleinrichtung aus der Z-Diode
mit dem Vorwiderstand und dem parallelen Kondensator von 2 entfällt dagegen
bei 3, um eine unmittelbare Potentialkopplung von
einer Ausgangsschiene an den Steueranschluß 107 und des Schalters
zu erreichen. Vorzugsweise wird die Schwellen-Spannung des Transistors
UTh so dimensioniert, dass sie gleich der Z-Spannung der Z-Diode
minus der Schwellen-Spannung des selbstsperrenden MOS-FETs im ersten
Fall ist, damit die Ausgangsspannung USR im
Hochfahrvorgang einen solchen Wert erreicht, durch den die Steuerung 111 bereits
betreibbar ist, um zu einem bestimmten Zeitpunkt des Hochfahrvorgangs
den Umschalter 109 derart ansteuern zu können, dass
er definiert mit der positiven Schiene 114 verbunden ist.The voltage source or Spannungsabfalleinrichtung from the Zener diode with the series resistor and the parallel capacitor of 2 by contrast 3 for an immediate potential coupling from an output rail to the control terminal 107 and the switch to reach. Preferably, the threshold voltage of the transistor UTh is dimensioned to be equal to the Z voltage of the Zener diode minus the threshold voltage of the normally-off MOSFET in the first case, so that the output voltage U SR reaches such a value in the startup process, through the control 111 is already operable to the switch at a certain time of booting 109 to be able to steer in such a way that it is defined with the positive rail 114 connected is.
Schwellenspannungen
bei selbstleitenden NMOS-Transistoren oder N-JFET-Transistoren sind dahingehend
definiert, dass sie eine negative Spannung zwischen Gate und Source
des Transistors definieren, bei der der Transistor 106 gerade
sperrt. Spannungen, die höher
als die negative Schwellenspannung sind, führen dann dazu, dass der Transistor
leitet, während
Spannungen, die noch negativer als die Schwellenspannung sind, dazu
führen,
dass der Transistor sperrt.Threshold voltages in normally-on NMOS transistors or N-JFET transistors are defined as defining a negative voltage between the gate and source of the transistor at which the transistor 106 just locks. Voltages that are higher than the negative threshold voltage will then cause the transistor to conduct, while voltages even more negative than the threshold voltage will cause the transistor to turn off.
Im
nachfolgenden wird der Hochfahrvorgang der in 3 gezeigten
Schaltung erläutert.
Wieder wird davon ausgegangen, dass im Ausgangszustand alle Potentiale
gleich 0 sind. Damit leitet der Schalter (er ist selbstleitend ausgeführt), was
dazu führt,
dass das Potential an der Ausgangsschiene 114 angehoben
wird. Es sei darauf hingewiesen, dass zum Zeitpunkt des Einschaltens
zunächst
sowohl der Knoten 114 als auch der Knoten 116 auf
das Gleichspannungspotential angehoben werden, dass jedoch die Potentialdifferenz
zwi schen den Knoten gleich 0 ist. Die beiden Knoten 114 und 116 werden
schlagartig angehoben, da der Kondensator, wie es ausgeführt worden
ist, zum Zeitpunkt des Einschaltens einer Gleichspannung als Kurzschluß wirkt.
Erst dann, wenn Ladung auf den Knoten 114 über den
Ladeschalter 106 geliefert wird, entsteht eine Potentialdifferenz
zwischen dem Knoten 114 und dem Knoten 116, die
dazu führt,
dass die Ausgangsspannung USR von 0 V auf
Werte größer als
0 V ansteigt. Nach dem Einschalten der Spannung wird somit der Kondensator 102 über den
Transistor, der selbstleitend ist, aufgeladen.In the following, the booting process of in 3 illustrated circuit explained. Again it is assumed that in the initial state all potentials are equal to 0. Thus, the switch conducts (it is self-conducting), which leads to the potential at the output rail 114 is raised. It should be noted that at the time of switching on, both the node 114 as well as the knot 116 be raised to the DC potential, but that the potential difference between tween the node is equal to zero. The two nodes 114 and 116 are abruptly raised because the capacitor, as has been stated, acts as a short circuit at the time of turning on a DC voltage. Only then, when charge on the knot 114 over the charging switch 106 is delivered, a potential difference arises between the node 114 and the node 116 which causes the output voltage U SR to increase from 0 V to values greater than 0 V. After switching on the voltage thus becomes the capacitor 102 charged via the transistor, which is self-conducting.
Würde der
Wechselschalter 109, der wieder derart ausgeführt sein
kann, dass sein Anfangszustand undefiniert ist, mit der positiven
Schiene 114 verbunden sein, so würde der Ladevorgang immer weiter
fortgesetzt werden, da Gate und Source des Transistors kurzgeschlossen
sind, derart, dass UGS gleich 0 V ist, was
beim selbstleitenden Transistor immer einen Kurzschluß zwischen
Drain und Source bedeutet. Würde
dagegen der Umschalter 109 mit der negativen Schiene verbunden
sein, so würde
der Ladezustand irgendwann aufhören,
da das Source-Potential, also das Potential der positiven Schiene 114 immer
weiter zunimmt. Wenn das Source-Potential
größer als
die Schwellenspannung ist, wird der Transistor geschlossen und die
Ausgangsspannung USR steigt nicht mehr weiter
an. Daher wird, wie es ausgeführt
worden ist, die Schwellenspannung des Transistors 106 derart
gewählt,
dass eine dann am Ausgang anliegende Ausgangsspannung USR bereits ausreichend
hoch ist, um die Steuerung 111, die mit der Spannung USR versorgt wird, definiert arbeiten zu lassen,
damit dieselbe dann den Umschalter 109 von der negativen
Schiene 116 trennt und mit der positiven Schiene 114 verbindet,
damit der Transistor wieder geöffnet ist,
so dass der Ladevorgang des Kondensators 102 weiter fortgesetzt
werden kann, bis die Steuerung 111 in den normalen Betrieb übergeht
und eine Schaltersteuerung aufgrund einer tatsächlichen gewünschten
Ausgangsspannung USR vornimmt.Would the changeover switch 109 , which may again be made such that its initial state is undefined, with the positive rail 114 be connected, the charging process would continue to be continued, since the gate and source of the transistor are short-circuited, such that U GS is equal to 0 V, which always means a short circuit between the drain and source in the normally-on transistor. Would, however, the switch 109 be connected to the negative rail, the state of charge would eventually stop because the source potential, so the potential of the positive rail 114 continues to increase. If the source potential is greater than the threshold voltage, the transistor is closed and the output voltage U SR no longer increases. Therefore, as has been stated, the threshold voltage of the transistor 106 chosen such that an output voltage U SR then applied to the output is already sufficiently high to the control 111 , which is supplied with the voltage U SR to let work defined, so that then the switch 109 from the negative rail 116 separates and with the positive track 114 connects, so that the transistor is re-opened, so that the charging process of the capacitor 102 can continue until the controller 111 goes into normal operation and makes a switch control due to an actual desired output voltage U SR .
Zusammenfassend
ist der Hochfahrvorgang in 3 somit
derart, dass zunächst
der Schalter T leitet. Nach Anlegen einer positiven Eingangsspannung
UGl an den Eingang der Schaltung wird der
Kondensator 102 über
den Schalter T und die Drossel L aufgeladen, bis die Spannung am
Kondensator CS die Schwellenspannung des
Schalters T erreicht (wenn der Umschalter 109 mit der negativen
Schiene 116 verbunden war). Dann ist die Spannung am Ausgang
der Schaltung USR bereits so groß, dass
ein kontrolliertes Arbeiten des Reglers gewährleistet ist. Dieser schaltet
nun den Wechselschalter sw so, dass am Gateanschluß des Schalters
die positive Schiene der Ausgangsspannung USR anliegt.
Dadurch steigt die Spannung an CS weiter
an, bis die gewünschte Ausgangsspannung
an CS anliegt. Nun folgt die eigentliche
Spannungsregelung. Durch Umschalten des Wechselschalters sw, durch die Regelschaltung 111 wird
der Schalter T ein- und ausgeschaltet, wodurch die Ausgangsspannung
USR geregelt wird.In summary, the boot process is in 3 thus such that first the switch T is conducting. After applying a positive input voltage U Gl to the input of the circuit, the capacitor 102 charged via the switch T and the inductor L until the voltage across the capacitor C S reaches the threshold voltage of the switch T (when the switch 109 with the negative rail 116 was connected). Then the voltage at the output of the circuit U SR is already so large that a controlled operation of the regulator is guaranteed. This now switches the changeover switch s w so that the positive rail of the output voltage U SR is present at the gate of the switch. As a result, the voltage continues to increase at C S until the desired output voltage is applied to C S. Now follows the actual voltage regulation. By switching the changeover switch s w , by the control circuit 111 the switch T is switched on and off, whereby the output voltage U SR is regulated.
Bezüglich der
Dimensionierung der Schwellenspannung des Transistors 106 im
Fall von 3 bzw. der Schwellenspannung
des Transistors 106 und der Zener-Diodenspannung UZ von 2 sei darauf
hingewiesen, dass diese Wert so dimensioniert werden, dass die Steuerung 111 bei
der automatisch ohne Eingriff in die Schaltung und bei vorausgesetzter
Stellung des Wechselschalters 109 auf der negativen Schiene 116 erreichte
maximale Ausgangsspannungswert USR, der
sich ohne irgendeine Intervention von selbst ergibt, bereits so
groß ist, dass
die Steuerung mit USR versorgt werden kann.Regarding the dimensioning of the threshold voltage of the transistor 106 in case of 3 or the threshold voltage of the transistor 106 and the Zener diode voltage U Z of 2 It should be noted that these values are dimensioned so that the controller 111 in the automatically without intervention in the circuit and in the assumed position of the changeover switch 109 on the negative track 116 reached maximum output voltage value U SR , which results automatically without any intervention, is already so large that the controller can be supplied with U SR .
Wird
die Steuerung 111 bzw. werden die Schwellenspannung bzw.
die Schwellenspannung und die Zener-Diodenspannung derart dimensioniert, dass
die Ausgangsspannung USR, die „automatisch” erreicht
wird, bereits etwas höher
ist als die Spannung, bei der die Steuerung 111 definiert
arbeitet, so kann die Steuerung 111 auch derart ausgestaltet sein,
um sofort, wenn sie definiert arbeiten kann, also wenn die Eingangsspannung
ausreichend groß ist, den
Umschalter 109 nach oben, also auf die positive Ausgangsschiene
zu legen. So ist der Umschaltzeitpunkt nicht darauf begrenzt, dass
immer die maximale automatisch erreichbare Ausgangsspannung vorliegen
muss, um den Schalter umzuschalten. Statt dessen ist es erforderlich,
dass irgendwann im Hochfahrvorgang sichergestellt wird, dass der
Umschalter mit der positiven Ausgangsschiene 114 verbunden ist.Will the controller 111 or the threshold voltage or the threshold voltage and the Zener diode voltage are dimensioned such that the output voltage U SR , which is "automatically" reached, is already slightly higher than the voltage at which the controller 111 defined works, so can the controller 111 also be configured to immediately, if it can work defined, so if the input voltage is sufficiently large, the switch 109 to the top, so to put on the positive output rail. Thus, the switching time is not limited to the fact that always the maximum automatically achievable output voltage must be present in order to switch the switch. Instead, it is necessary that at some point in the startup process it is ensured that the changeover switch with the positive output rail 114 connected is.
Würde dagegen
eine Steuerung verwendet werden, die unabhängig von USR arbeitet,
so könnte von
vornherein, also bereits z. B. zum Zeitpunkt des Einschaltens der
Gleichspannung UGl sichergestellt werden,
dass der Schalter 109 mit der positiven Schiene 114 verbunden
ist. Aufgrund der Einfachheit der Schaltung wird es jedoch bevorzugt,
dass die Steuerung 111 von der Ausgangsspannung USR versorgt wird, wobei in diesem Fall bei
der Dimensionierung des Transistors und gegebenenfalls der Diode eher
an die Grenze gegangen wird, dahingehend, dass z. B. 90% der sich
maximal einstellenden Ausgangsspannung USR bis
zum Umlegen des Wechselschalters 109 verwendet werden,
damit auch die Anforderungen an die Steuerung möglichst gering werden, da typi scherweise
Schaltungen, die mit geringeren Spannungen bereits einsatzfähig sind,
mit den sonstigen Spannungsniveaus der in 2 und 3 gezeigten
Schaltungen eher nicht kompatibel sind, so dass eine möglichst
hohe automatisch sich einstellende Ausgangsspannung USR bevorzugt
wird.If, on the other hand, a controller were used that works independently of U SR , it could from the beginning, so already z. B. at the time of switching on the DC voltage U Gl be ensured that the switch 109 with the positive track 114 connected is. Due to the simplicity of the circuit, however, it is preferred that the controller 111 is supplied from the output voltage U SR , in which case in the dimensioning of the transistor and possibly the diode is rather gone to the limit, to the effect that z. B. 90% of the maximum adjusting output voltage U SR until the changeover of the changeover switch 109 be used so that the requirements for the control as low as possible, typi cally circuits that are already operational with lower voltages, with the other voltage levels of in 2 and 3 shown circuits are rather incompatible, so that as high as possible automatically adjusting output voltage U SR is preferred.
Bei
den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen
wird die Spule nicht, wie in 7, mit der
Kathode der Diode gekoppelt, sondern mit der Anode. Dies hat den
Vorteil, dass dann, wenn der Umschalter 109 mit der positiven
Schiene 114 verbunden ist, das Potential, das zwischen
Gate und Source des Transistors erzeugt wird, nicht durch die transienten
Charakteristika der Spule beeinträchtigt wird. Wenn jedoch genügend Sicherheit
und genügend
Festigkeit des Transistors verwendet wurde, kann die Spule bei einem
anderen Ausführungsbeispiel
auch mit der Diode kathodenseitig gekoppelt sein, derart, dass dann
die Umschalteinrichtung 109, wenn sie die positive Schiene
mit dem Transistorgate 107 verbindet, gewissermaßen die
Spule mit dem Gate des Transistors entweder direkt koppelt oder kurzschließt oder über eine
Spannungsabfalleinrichtung indirekt koppelt.In the in the 2 and 3 the embodiments shown, the coil is not, as in 7 , coupled to the cathode of the diode, but to the anode. This has the advantage that when the switch 109 with the positive track 114 is connected, the potential generated between the gate and source of the transistor is not affected by the transient characteristics of the coil. However, if sufficient security and sufficient strength of the transistor has been used, in another embodiment the coil may also be coupled to the diode on the cathode side, such that the switching device 109 if you have the positive rail with the transistor gate 107 connects, so to speak, the coil to the gate of the transistor either directly coupled or short-circuited or indirectly coupled via a voltage drop device.
Ein
Anordnen der Spule anodenseitig zur Diode hat ferner den Vorteil,
dass dann die Eingangsspannung der Schaltung nur durch die Spannungsfestigkeit
der drei Elemente Schalter, Diode und Drossel begrenzt. Ferner versorgt
sich der Schaltregler selbst und läuft definiert hoch. Das Springen
des Gleichtaktpotentials der Ausgangsspannung zwischen der positiven
und der negativen Schiene der Eingangsspannung je nach Zustand des
Schalters T ist für
die Last nicht von primärer
Bedeutung, da sie von diesem Springen nichts merkt, da die Last
lediglich die Potentialdifferenz zwischen der oberen Ausgangsschiene
und der unteren Ausgangs schiene erfährt, jedoch nicht das „absolute” Potential
der positiven Ausgangsschiene bzw. der negativen Ausgangsschiene
für sich.One
Arranging the coil on the anode side to the diode also has the advantage
that then the input voltage of the circuit only by the dielectric strength
limited by the three elements switch, diode and choke. Further supplied
itself, the switching regulator and runs up defined. The jumping
the common mode potential of the output voltage between the positive
and the negative rail of the input voltage depending on the state of the
Switch T is for
the load is not primary
Meaning, because she does not notice this jumping because of the load
only the potential difference between the upper output rail
and the lower output rail experiences, but not the "absolute" potential
the positive output rail or the negative output rail
for themselves.
Wie
es bereits ausgeführt
worden ist, ist die Anlaufzeit selbst durch die Dimensionierung
von RZ und CZ im
Fall der in 2 gezeigten Schaltungsvariante
bzw. durch den maximalen Drain-Strom ID,
die Induktivität
der Drossel L und die Kapazität
des Sieb-Kondensators CS im Fall der Schaltungsvariante
von 3 definiert. Eine zusätzliche Anlauf-Verzögerung zur
Sicherstellung der Spannungs-Versorgung
des Reglers wird nicht benötigt.As already stated, the startup time itself is determined by the sizing of R Z and C Z in the case of 2 shown circuit variant or by the maximum drain current I D , the inductance of the inductor L and the capacitance of the sieve capacitor C S in the case of the circuit variant of 3 Are defined. An additional start-up delay to ensure the voltage supply of the regulator is not needed.
Ferner
sei darauf hingewiesen, dass durch das erfindungsgemäße Konzept
der Eingangsspannungs-Bereich, der üblicherweise auf ein Eingangsspannungs-Verhältnis von
UE,max/UE,min beschränkt ist, erfindungsgemäß auf mindestens
50:1 erhöhbar
ist, so lange die Spannungsfestigkeit der Diode, der Spule und des
Schalters entsprechend mitgeführt
wird, da diese Elemente durch die Eingangsspannung beaufschlagt
werden. Dagegen werden weder der Kondensator noch der Umschalter
noch die Steuerung mit derart hohen Spannungen beaufschlagt, so
dass für
diese Elemente die maximale Eingangsspannung nicht berücksichtigt
werden muss, was wiederum zu einem preisgünstigeren und gleichzeitig
flexibleren Schaltreglerkonzept gemäß der vorliegenden Erfindung
führt.It should also be pointed out that, according to the invention, the input voltage range, which is usually limited to an input voltage ratio of U E, max / U E, min , can be increased to at least 50: 1 according to the invention, as long as the dielectric strength of the diode , The coil and the switch is carried accordingly, since these elements are acted upon by the input voltage. In contrast, neither the capacitor nor the switch nor the controller are subjected to such high voltages, so that for these elements, the maximum input voltage need not be taken into account, which in turn leads to a cheaper and more flexible Schaltreglerkonzept according to the present invention.
4 zeigt
eine erfindungsgemäße Schaltung
mit einem ersten Eingangsknoten 41 und einem zweiten Eingangsknoten 42,
zwischen denen eine erste Kapazität 43 geschaltet ist.
Die in 4 gezeigte Schaltung hat ferner einen ersten Ausgangsknoten 44 und
einen zweiten Ausgangsknoten 45, zwischen denen eine zweite
Kapazität 46 geschaltet
ist. Zwi schen die Eingangsknoten 41, 42 wird eine
Speisespannung mit einer Spannungsspitze angelegt, die in 4 lediglich
modellhaft als Spannungsquelle 47a mit einem Innenwiderstand 47b skizziert
ist. Zwischen den ersten Eingangsknoten 41 und den ersten Ausgangsknoten 44 ist
ferner einer steuerbarer Widerstand 48 geschaltet, der
von einer Steuerungseinrichtung 49 steuerbar ist. Die Steuereinrichtung 49 erhält vorzugsweise
einen Eingangsspannungs-Sollwert Uesoll und
einen Ausgangsspannungs-Sollwert Uasoll.
Ferner erhält
die Steuerungseinrichtung 49 bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung den aktuellen Wert der Eingangsspannung
Ue sowie den aktuellen Wert der Ausgangsspannung
Ua. Es sei darauf hingewiesen, dass die
Sollwerte in der Steuerungseinrichtung 49 fest einprogrammiert
sein können.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die beiden Sollwerte Uesoll und Uasoll gleich
oder unterschiedlich sein können.
Sollten sie unterschiedlich sein, so wird es bevorzugt, dass der Ausgangsspannungs-Sollwert
Uasoll größer als der Eingangsspannungs-Sollwert
Uesoll ist. 4 shows a circuit according to the invention with a first input node 41 and a second input node 42 between which a first capacity 43 is switched. In the 4 The circuit shown also has a first output node 44 and a second output node 45 between which a second capacity 46 is switched. In between the entrance nodes 41 . 42 a supply voltage with a voltage peak is applied, which in 4 only model as a voltage source 47a with an internal resistance 47b outlined. Between the first entrance node 41 and the first output node 44 is also a controllable resistor 48 switched by a control device 49 is controllable. The control device 49 preferably receives an input voltage setpoint U esoll and an output voltage setpoint U asoll . Furthermore, the control device receives 49 in a preferred embodiment of the present invention, the current value of the input voltage U e and the current value of the output voltage U a . It should be noted that the setpoint values in the control device 49 can be permanently programmed. It should also be pointed out that the two setpoint values U setpoint and U setpoint may be the same or different. Should they be different, it is preferred that the output voltage setpoint U asoll is greater than the input voltage setpoint U desired .
Ist
der ungefähre
zeitliche Verlauf einer Spannungsspitze der Speisespannung 47a vorbekannt,
was in bestimmten Anwendungen, wie beispielsweise in einem Schaltregler
sein kann, so kommt die Steuerungseinrichtung 49 ohne den
aktuellen Eingangsspannungswert Ue oder
Ua aus. Statt dessen kann sie eine entsprechende
Zustandsmaschine oder eine andere Einrichtung haben, um den Widerstand 48 gemäß einem
vorbestimmten Zeitablauf von einem hohen Widerstandswert vorzugsweise
monoton fallend auf einen niedrigen Widerstandswert durchzusteuern.
Ist der Zeitverlauf der Spannungsspitze nicht unmittelbar bekannt,
so wird es bevorzugt, einen Sollwert/Istwert-Vergleich der Eingangsspannung
und/oder der Ausgangsspannung durchzuführen.Is the approximate time course of a voltage peak of the supply voltage 47a previously known, which may be in certain applications, such as in a switching regulator, so comes the controller 49 without the current input voltage value U e or U a off. Instead, it can have a corresponding state measure machine or some other device to resist 48 in accordance with a predetermined timing from a high resistance preferably monotonically decreasing to a low resistance value durchzusteuern. If the time profile of the voltage peak is not immediately known, then it is preferred to carry out a nominal value / actual value comparison of the input voltage and / or the output voltage.
Unabhängig davon,
ob tatsächlich
in der Steuerungseinrichtung 49 ein Sollwert/Istwert-Vergleich
oder ein voreingestellter Zeitablauf zur Steuerung des Widerstands
etc. durchgeführt
wird, ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, um in einem ersten
Fall, in dem die Eingangsspannung Ue kleiner
als der vorbestimmte Eingangsspannungs-Sollwert Ue ist,
den steuerbaren Widerstand so anzusteuern, dass der steuerbare Widerstand
einen ersten hohen Widerstandswert R1 hat,
wie es in einem Block 52 in 5 gezeigt
ist. Der Vergleich der tatsächlichen Eingangsspannung
Ue und dem Eingangsspannungs-Sollwert Uesoll ist durch einen Block 51 in 5 dargestellt,
der dann angesprochen wird, wenn in einem Startblock 50 die
Steuerungseinrichtung 49 von 4 aktiviert
wird und die entsprechenden Sollwerte bereitgestellt hat. Die Steuerungseinrichtung
ist ferner ausgebildet, um in einem zweiten Fall, in dem die Eingangsspannung
größer als
der vorbestimmte Eingangsspannungs-Sollwert ist, und in dem die
Eingangsspannung kleiner als der Ausgangsspannungs-Sollwert ist,
was normalerweise der Fall sein wird, da die Speisespannung einen
monoton steigenden Verlauf bis zur Spannungsspitze hat, den steuerbaren
Widerstand 48 von 4 so anzusteuern, dass
der steuerbare Widerstand einen zweiten niedrigeren Widerstandswert
hat, wie es in einem Block 54 dargestellt ist. Ob der zweite
Fall vorliegt oder nicht, wird durch einen Entscheidungsblock 53 bestimmt.
In dem zweiten Fall ist das „Schließen” des steuerbaren
Widerstands 48 auf einen mittleren Widerstandswert derart
wirksam, dass eine Ladungsaufnahme der ersten Kapazität 43 zumindest
reduziert wird, und dass mehr Ladung in die zweite Kapazität 46 fließt als in
dem Fall, in dem der steuerbare Widerstand den hohen Widerstandswert
hat, also in dem ersten Fall.Regardless of whether actually in the control device 49 a setpoint / actual value comparison or a preset time sequence for controlling the resistance, etc. is performed, the control device is designed to, in a first case in which the input voltage U e is less than the predetermined input voltage setpoint U e , the controllable resistance to drive so that the controllable resistor has a first high resistance value R 1 , as in a block 52 in 5 is shown. The comparison of the actual input voltage U e and the input voltage setpoint U esoll is by a block 51 in 5 presented, which is then addressed when in a starting block 50 the control device 49 from 4 is activated and has provided the appropriate setpoints. The controller is further configured to be monotonic in a second case in which the input voltage is greater than the predetermined input voltage setpoint and in which the input voltage is less than the output voltage setpoint, which will normally be the case rising to the voltage peak, the controllable resistance 48 from 4 to drive so that the controllable resistor has a second lower resistance, as in a block 54 is shown. Whether the second case exists or not is determined by a decision block 53 certainly. In the second case, the "closing" of the controllable resistor 48 acting on a mean resistance value such that a charge absorption of the first capacity 43 at least reduced, and that more charge in the second capacity 46 flows as in the case where the controllable resistor has the high resistance, that is, in the first case.
Die
Steuerungseinrichtung 49 ist ferner ausgebildet, um in
einem dritten Fall, der durch einen Entscheidungsblock 55 ermittelt
wird, und der darin besteht, dass die Ausgangsspannung größer oder gleich
dem Ausgangsspannungs-Sollwert ist, den steuerbaren Widerstand 48 so
anzusteuern, dass derselbe einen dritten niedrigen Widerstandswert hat,
damit die erste und die zweite Kapazität über den dritten niedrigen Widerstandswert
parallel geschaltet werden, wie es in einem Block 56 in 5 dargestellt ist.
Wird, wie es bereits ausgeführt
worden ist, als steuerbarer Widerstand 48 ein Transistor
T1 verwendet, wie es in 4 gezeigt
ist, so wird der hohe Widerstandswert R1 aus
Block 52 in 5 durch Sperren des Transistors
erreicht, während
der niedrige Widerstandswert R3 durch Durchschalten
des Transistors T1 unter Verwendung einer
entsprechenden Gatespannung sichergestellt wird. Der mittlere Widerstandswert
wird durch Betreiben des Transistors im Triodenbereich erreicht.The control device 49 is further adapted, in a third case, by a decision block 55 is determined, and that is that the output voltage is greater than or equal to the output voltage setpoint, the controllable resistance 48 to drive it to have a third low resistance so that the first and second capacitors are connected in parallel across the third low resistance value, as in a block 56 in 5 is shown. Will, as has already been stated, as controllable resistance 48 a transistor T 1 is used as it is in 4 is shown, the high resistance value R 1 from block 52 in 5 is achieved by blocking the transistor, while the low resistance R 3 is ensured by turning on the transistor T 1 using a corresponding gate voltage. The average resistance is achieved by operating the transistor in the triode region.
Nachfolgend
wird Bezug nehmend auf die 6a bis 6d auf
die Funktionalität
der in 4 gezeigten Schaltung hingewiesen. Es sei betont, dass
die Zeitverläufe
in 6a bis 6d lediglich skizzenhaft
sind, um die Funktionalität
der erfindungsgemäßen Schaltung
zu erläutern.
So können tatsächliche
Schaltungsverläufe
stark von den in den 6a bis 6d gezeigten
Zeitverläufen
abweichen. In 6a ist beispielhaft ein Speisespannungs-Zeitverlauf
mit einer Spannungsspitze 60 gezeigt. Ferner sind in 6a der
Eingangsspannungs-Sollwert Uesoll und der
Ausgangsspannungs-Sollwert
Uasoll eingezeichnet. Bezug nehmend auf 6b folgt
die Eingangsspannung im Zeitraum zwischen t = 0 bis t = t1 der Speisespannung, da der Widerstandswert
des steuerbaren Widerstands 48, der in 6d mit
R1 bezeichnet ist, sehr hoch ist. Dann,
zum Zeitpunkt t1 wird der Widerstandswert
reduziert, wie es durch eine fallende Flanke bei 61 in 6d gezeigt
ist. Dies führt
dazu, dass Ladung, die aufgrund der Speisespannung bewegt wird,
nicht mehr ausschließlich
in den ersten Kondensator 43 fließt, sondern über den
gesteuerten Widerstand in die zweite Kapazität 46. Dies führt dazu,
dass die Ausgangsspannung an der zweiten Kapazität 46 zwischen dem
Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2 ansteigt, da immer mehr Ladung in die zweite
Kapazität 46 fließt. Aufgrund
der Öffnung
des steuerbaren Widerstands 48 zwischen t1 und
t2 steigt die Eingangsspannung Ue nicht mehr genauso an wie die Spannungsspitze
sondern erheblich langsamer. Bei einer entsprechenden Steuerung
durch die Steuerungseinrichtung 49 kann auch bewirkt werden,
dass die Eingangsspannung im wesentlichen auf dem Eingangsspannungs-Sollwert
Uesoll bleibt.Hereinafter, referring to the 6a to 6d on the functionality of in 4 indicated circuit shown. It should be emphasized that the time courses in 6a to 6d are merely sketchy to explain the functionality of the circuit according to the invention. Thus, actual circuit patterns can be greatly different from those in the 6a to 6d deviate from shown time courses. In 6a is an example of a supply voltage time course with a voltage spike 60 shown. Furthermore, in 6a the input voltage setpoint U esoll and the output voltage setpoint U asoll are plotted . Referring to 6b follows the input voltage in the period between t = 0 to t = t 1 of the supply voltage, since the resistance of the controllable resistor 48 who in 6d with R 1 is very high. Then, at time t 1 , the resistance value is reduced as it is by a falling edge at 61 in 6d is shown. This means that charge that is moved due to the supply voltage, no longer exclusively in the first capacitor 43 flows, but via the controlled resistor in the second capacity 46 , This causes the output voltage at the second capacitor 46 increases between the time t 1 to a time t 2 , as more and more charge in the second capacity 46 flows. Due to the opening of the controllable resistor 48 between t 1 and t 2 , the input voltage U e no longer rises in exactly the same way as the voltage spike but considerably slower. With a corresponding control by the control device 49 It may also be effected that the input voltage remains substantially at the input voltage setpoint U desired .
Auf
jeden Fall ist aufgrund der 6b und 6c zu
sehen, dass die Spannungsspitze 60 in 6a weder
auf die Eingangsspannung Ue noch auf die
Ausgangsspannung Ua durchschlägt, sondern dass
die in der Spannungsspitze 60 gespeicherte Energie vollständig zur
schnellen Aufladung des üblicherweise
großen
zweiten Kondensators 46 vorteilhaft eingesetzt wird.In any case, due to the 6b and 6c to see that the voltage spike 60 in 6a neither through the input voltage U e nor to the output voltage U a , but that in the voltage peak 60 stored energy completely for fast charging of the usually large second capacitor 46 is used advantageously.
Je
nach Steuerung des steuerbaren Widerstands 48 können die
Zeitverläufe
der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung beeinflusst werden.
Wird der Widerstand zwischen dem Zeitpunkt t1 und
dem Zeitpunkt t2 nicht monoton auf einen sich über der
Zeit ändernden
zweiten Widerstandwert umgeschaltet, sondern lediglich zum Zeitpunkt
t1 auf einen Widerstandswert 62,
auf dem der steuerbare Widerstand dann bis zum Zeitpunkt t2 bleiben würde, so würde dies darin resul tieren,
dass die Eingangsspannung zum Zeitpunkt t1 im
Vergleich zum Eingangsspannungs-Sollwert etwas abfällt, während die
Ausgangsspannung zum Zeitpunkt t1 einen Sprung
machen würde.
Die Eingangsspannung würde
dann wieder ansteigen, den Eingangsspannungs-Sollwert überschreiten
und schließlich
einen Wert erreichen, der durch die Wanl von R2 62 in 6d vorgegeben
ist.Depending on the control of the controllable resistor 48 The timing of the input voltage and the output voltage can be influenced. If the resistance between time t 1 and time t 2 is not monotonic with respect to a time-varying second resistance value, but only at time t 1 to a resistance value 62 on which the controllable resistor would then remain until time t 2 , this would result in the input voltage dropping slightly at time t 1 compared to the input voltage setpoint, while the output voltage would make a jump at time t 1 . The input voltage would then increase again, exceed the input voltage setpoint, and eventually reach a value determined by the value of R 2 62 in 6d is predetermined.
Erfindungsgemäß werden
die Dimensionierung von R2 62 bzw.,
wenn ein monoton fallender Widerstandswertsverlauf gewünscht ist,
die Form und Steilheit der Flanke 61 derart gewählt, dass
die Eingangsspannung vorzugsweise nicht mehr als um einen Toleranzbereich
von z. B. 20% unter den Eingangsspannungs-Sollwert steigt, da, wie
später
noch erläutert
werden wird, die Eingangsspannung Ue verwendet
wird, um die Steuerung 111 der 1 bis 3 mit
Spannung zu versorgen, so dass ein Anlaufvorgang des in den 1 bis 3 gezeigten Schaltreglers
definiert und schnell abläuft.
Hierfür
ist es nicht entscheidend, ob die Eingangsspannung steil oder flach
zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt
t2 ansteigt, so lange die Spannungsanforderungen
der Steuerung 111, die mit der Eingangsspannung Ue versorgt wird, erfüllt sind. Selbstverständlich kann
die Flanke 61 in 6d auch
durch eine Stufenfunktion oder durch irgend eine andere beispielsweise
quadratische oder kubische kontinuierlich oder stufenartig geformte
Funktion ersetzt werden, je nach Vorliegen der Gegebenheiten. Immer
wird sichergestellt sein, dass die Spannungsspitze 60 nicht
sowohl auf die Eingangsspannung als auch auf die Ausgangsspannung
voll durchschlägt.According to the invention, the dimensions of R 2 62 or, if a monotonically decreasing resistance value profile is desired, the shape and slope of the edge 61 chosen such that the input voltage is preferably not more than a tolerance range of z. B. 20% below the input voltage setpoint increases, since, as will be explained later, the input voltage U e is used to the controller 111 of the 1 to 3 to supply with voltage, so that a starting process of in the 1 to 3 shown switching regulator and runs fast. For this, it is not critical whether the input voltage rises steeply or flatly between time t 1 and time t 2 , as long as the voltage requirements of the controller 111 , which is supplied with the input voltage U e , are met. Of course, the flank 61 in 6d also be replaced by a step function or by any other example square or cubic continuously or stepwise shaped function, depending on the existence of the circumstances. Always be sure that the voltage spike 60 does not fully penetrate both the input voltage and the output voltage.
Es
wird ferner bevorzugt, die beiden Kondensatoren so zu dimensionieren,
dass sie in der Lage sind, die gesamte E nergie der Spannungsspitze 60 aufzunehmen.
Kommt eine besonders hohe Spannungsspitze mit besonders viel Energie,
und sind die Kondensatoren nicht ausreichend dimensioniert, so erreichen
sie dennoch bereits eine Abmilderung der Spannungsspitze, obgleich
eine vollständige
Eliminierung der Spannungsspitze bevorzugt wird. Wenn die in 4 gezeigte
erfindungsgemäße Schaltung als
Kapazität 102 in
dem in 2 gezeigten Schaltregler eingesetzt wird, ist
dies typischerweise kein Problem, da der Kapazitätswert, der durch die Parallelschaltung
der beiden Kondensatoren 43 und 46 realisiert
wird, ohnehin beträchtliche
Größenordnungen
annimmt, die ohne weiteres genügen,
um auch sehr hohe Spannungsspitzen zu „absorbieren”.It is further preferred to dimension the two capacitors so that they are capable of all the energy of the voltage peak 60 take. If a particularly high voltage peak comes with a lot of energy, and the capacitors are not sufficiently dimensioned, they nevertheless already achieve a mitigation of the voltage peak, although a complete elimination of the voltage peak is preferred. When the in 4 shown circuit according to the invention as a capacitor 102 in the 2 This is typically not a problem, since the capacitance value generated by the parallel connection of the two capacitors 43 and 46 is realized, anyway assumes considerable magnitudes, which are readily sufficient to "absorb" even very high voltage spikes.
Das
in den 2 und 3 gezeigte Schaltungskonzept
ist insbesondere problematisch und kann besonders gut durch die
in 4 gezeigte Schaltung ergänzt werden, da insbesondere
bei großen
Eingangsspannungen 10, 12 in 2 oder 3 zu
dem Zeitpunkt, zu dem der Schalter 109 während des
Hochfahrens angesteuert wird, um mit der positiven Ausgangsschiene 114 verbunden
zu sein, dies dazu führt,
dass der Ladestrom für
den Kondensator 102, der gleich dem Strom durch die Spule 100 ist,
gewissermaßen
ausgeschaltet wird. Im Fall von 2 kommt
ferner noch hinzu, dass aufgrund der Tatsache, dass die Zener-Diode
im Durchbruch betrieben wird, der Dioden-Durchbruchstrom ebenfalls
durch die Spule 100 zur Masse 112 fließt. Wird
also während
des Hochlauf-Vorgangs
nach dem Erreichen der sich maximal automatisch einstellenden Spannung
USR der Schalter 109 umgelegt,
so wird wegen der in der Spule 100 gespeicherten Energie
eine Spannungsspitze erzeugt werden, die den Knoten 103 zum
Zeitpunkt der Spitze stark negativ macht, wobei diese zusätzliche
Differenz erst dadurch ausgeglichen wird, dass der Strom von der Spule über die
dann in Flussrichtung betriebene Diode 104 den Kondensator 102 lädt. Diese
Spannungsspitze in USR könnte ohne weitere Vorkehrungen
dazu führen,
die Steuerung 111, wenn sie von USR versorgt wird,
zu zerstören.That in the 2 and 3 shown circuit concept is particularly problematic and can be particularly well due to in 4 circuit shown to be supplemented, especially for large input voltages 10 . 12 in 2 or 3 at the time when the switch 109 during startup is driven to the positive output rail 114 Being connected, this causes the charging current for the capacitor 102 that equals the current through the coil 100 is, as it were, turned off. In case of 2 In addition, due to the fact that the Zener diode is operated in breakdown, the diode breakdown current is also through the coil 100 to the mass 112 flows. So is the switch during the startup process after reaching the maximum automatically adjusting voltage U SR 109 it is because of in the coil 100 stored energy can be generated a voltage spike, which is the node 103 at the time of the peak makes strong negative, this additional difference is only compensated by the fact that the current from the coil via the then operated in the flow direction diode 104 the capacitor 102 invites. This voltage spike in U SR could lead to the control without any further precautions 111 if destroyed by U SR , it will be destroyed.
Um
dies zu verhindern, wird der Kondensator 102 in den 2 und 3 erfindungsgemäß durch die
in 4 gezeigte Anordnung aus zwei Kapazitäten samt
steuerbarem Widerstand und samt Steuerungseinrichtung ersetzt. Der
Kondensator 43 wird als Hilfs-Kondensator CH bezeichnet,
während
der eigentliche Sieb-Kondensator nunmehr als C's bezeichnet
wird. Der Transistor 48 ist gesperrt, so lange die Spannung
USR kleiner als die Ausgangsspannung Ua sein soll. Der Kondensator CH wird
klein gewählt, so
dass er rasch auf die Sollspannung aufgeladen wird. Erreicht seine
Spannung USR den Soll-Wert, also den Eingangsspannungs-Sollwert,
so öffnet
der Transistor und leitet die überschüssige Energie
von der Drossel L auf den deutlich größeren Sieb-Kondensator C's.
Wird, wie es bevorzugt wird, die in 4 gezeigte
Schaltung in einem Schaltregler der Konfiguration der 2 und 3 eingesetzt,
wird die Steuerung 111 durch USR (und
nicht Ua) versorgt, so kann die Steuerung 111 sehr
schnell funktionsfähig
sein, da der Kondensator CH klein gewählt wird. Damit,
also durch Steuern des Umschalters, wird sichergestellt, dass C's weiter
aufgeladen wird, bis die Spannung Ua den
Ausgangsspannungs-Sollwert erreicht.To prevent this, the capacitor becomes 102 in the 2 and 3 according to the invention by the in 4 shown arrangement of two capacities including controllable resistance and velvet control device replaced. The capacitor 43 is referred to as auxiliary capacitor C H , while the actual sieve capacitor is now referred to as C ' s . The transistor 48 is disabled as long as the voltage U SR is to be smaller than the output voltage U a . The capacitor C H is chosen small, so that it is charged quickly to the target voltage. When its voltage U SR reaches the desired value, that is to say the input voltage setpoint, the transistor opens and conducts the excess energy from the inductor L to the significantly larger filter capacitor C ' s . Is, as it is preferred, in 4 shown circuit in a switching regulator of the configuration of 2 and 3 used, the controller is 111 powered by U SR (and not U a ), so can the controller 111 be very quickly functional, since the capacitor C H is chosen to be small. This, ie by controlling the switch, ensures that C ' s will continue to be charged until the voltage U a reaches the output voltage setpoint.
Bei
dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel für den Eingangsspannungs-Sollwert
Ue ein Spannungswert sinnvollerweise gewählt, der
von der Konfiguration der Steuerung 111 abhängt. Er
wird vorzugsweise so gewählt,
dass er zumindest so groß ist,
dass die Steuerung 111 mit einer Spannung gleich dem Eingangsspannungs-Sollwert
arbeiten kann. Der Ausgangsspannungs-Sollwert wird durch die allgemeine
Spezifikation des Schaltreglers vorgegeben sein, da ausgangsseitig
eine Last angeordnet wird, die die Ausgangsspannung am Kondensator 46 „sieht”. Vorzugsweise
wird der Transistor somit erst voll durchgeschaltet und zur Parallelschaltung
der beiden Kondensatoren eingesetzt, wenn die Ausgangsspannung Ua genau so groß ist wie die Eingangsspannung
Ue.At the in 4 shown embodiment for the input voltage setpoint U e, a voltage value usefully chosen, the of the configuration of the controller 111 depends. It is preferably chosen so that it is at least as large that the controller 111 can operate with a voltage equal to the input voltage reference. The output voltage setpoint is passed through be given the general specification of the switching regulator, since the output side, a load is arranged, the output voltage at the capacitor 46 "Sees". Preferably, the transistor is thus only fully turned on and used for parallel connection of the two capacitors, when the output voltage U a is exactly as large as the input voltage U e .
Wie
es vorstehend ausgeführt
worden ist, wird der erste Kondensator 43 wesentlich kleiner
dimensioniert als der zweite Kondensator 46. Zu dem Zeitpunkt,
zu dem der steuerbare Widerstand 48 nicht auf dem niedrigen
Widerstandswert ist, wirkt somit eine im Vergleich zur spezifizierten
Sieb-Kapazität 102 von 2 oder 3 beispielsweise
reduzierte Siebkapazität,
die zunächst,
wenn der steuerbare Widerstand 48 einen hohen Widerstand
hat, gleich dem Wert von CH ist und dann
entsprechend der Reduzierung des Widerstandswerts des steuerbaren
Widerstands 48 immer größer wird,
bis sie schließlich
gleich der Summe aus CH und C's ist.
Im Hochfahrvorgang des Schaltreglers, also wenn die in 1 gezeigte
Quelle 10 über
den Schalter 14 eingeschaltet wird, wirkt als Siebkapazität des Schaltreglers
lediglich die kleine Kapazität
CH. Die eigentlich mit einer kleinen Siebkapazität verbundene
große
Welligkeit der Ausgangsspannung spielt hier jedoch keine Rolle,
da der Schaltregler ohnehin erst zum Versorgen einer Last bereit
ist, wenn die Ausgangsspannung den Ausgangsspannungs-Sollwert hat, wobei
dann der Transistor T1 voll durchgeschaltet
ist und somit die beiden Kapazitäten
CH und C's parallel geschaltet sind.As stated above, the first capacitor becomes 43 much smaller dimensioned than the second capacitor 46 , At the time when the controllable resistance 48 is not at the low resistance, thus acting in comparison to the specified sieve capacity 102 from 2 or 3 For example, reduced sieve capacity, which initially, if the controllable resistance 48 has a high resistance equal to the value of C H and then corresponding to the reduction of the resistance value of the controllable resistor 48 becomes larger and larger until finally it is equal to the sum of C H and C ' s . In the booting process of the switching regulator, so if the in 1 shown source 10 over the switch 14 is turned on, acts as a sieve capacity of the switching regulator only the small capacity C H. The large ripple of output voltage actually associated with a small Siebkapazität plays here, however, no role, since the switching regulator is already ready to power a load when the output voltage has the output voltage setpoint, in which case the transistor T 1 is fully turned on and thus the both capacitances C H and C ' s are connected in parallel.
Vorteilhaft
ist jedoch, dass die Kapazität
CH, weil sie kleiner als die Kapazität C's ist,
schnell auf einen Spannungspegel kommt, bei dem die Steuerung 111 der 2 und 3,
die wie es in den 2 und 3 gezeigt
ist, mit USR, also Ue in 4,
versorgt wird.However, it is advantageous that the capacitance C H , because it is smaller than the capacitance C ' s , quickly comes to a voltage level at which the controller 111 of the 2 and 3 that like it in the 2 and 3 is shown with U SR , ie U e in 4 , is supplied.
Wie
es bezüglich
der 2 und 3 ausgeführt worden ist, wird es somit
bevorzugt, den Eingangsspannungs-Sollwert Ue- soll so groß zu machen,
dass die Steuerung 111 der 2 und 3, die
beim Hochfahren dann, wenn sie funktionsfähig ist, sicherstellt, dass
der Wechselschalter 109 mit der positiven Ausgangsschiene 114 verbunden
ist. Ferner wurde bereits darauf hingewiesen, dass dieser Spannungspegel,
bei dem die Steuerung 111 arbeiten kann, kleiner als die
Spannung, die an der Zener-Diode 113b in 2 abfällt, weniger
der Schwellenspannung des Transistors sein muss. Bei dem in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel
muss der Spannungspegel, bei dem die Steuerung 111 arbeiten
kann, größer als
die Schwellenspannung Uth des Transistors 106 sein,
wenn die Steuerung mit USR, also bei 4 mit
Ue arbeiten soll.As for the 2 and 3 has been executed, it is thus preferable to make the input voltage setpoint Ue- soll so large that the controller 111 of the 2 and 3 when booting, when it is operational, it ensures that the changeover switch 109 with the positive output rail 114 connected is. Furthermore, it has already been noted that this voltage level at which the controller 111 can work, less than the voltage applied to the zener diode 113b in 2 decreases, less the threshold voltage of the transistor must be. At the in 3 The embodiment shown must have the voltage level at which the controller 111 can work greater than the threshold voltage U th of the transistor 106 be when the controller with U SR , so at 4 to work with U e .
Vorzugsweise
ist auch die Steuerungseinrichtung 49 in 4,
die den steuerbaren Widerstand 48 steuert, ausgebildet,
um mit Ue versorgt zu werden. Dies bedeutet,
dass die Steuerungseinrichtung 49 bereits definiert arbeiten
kann, wenn deren Versorgungsspannung Ue bzw.
USR einen bestimmten Wert erreicht hat.
Bei diesem Ausführungsbeispiel würde die
Steuerungseinrichtung 49 ausgebildet sein, um dann, wenn
sie definiert arbeitet, unmittelbar den Widerstandswert des steuerbaren
Widerstands 48 zu reduzieren, da dann inhärent klar
ist, dass die Eingangsspannung Ue einen
Eingangsspannungs-Schwellwert erreicht hat.Preferably, the control device is also 49 in 4 that the controllable resistance 48 controls, designed to be supplied with U e . This means that the control device 49 already defined can work if their supply voltage U e or U SR has reached a certain value. In this embodiment, the controller would 49 be designed to, when it operates defined, immediately the resistance value of the controllable resistor 48 then it is inherently clear that the input voltage U e has reached an input voltage threshold.
Wie
es vorstehend dargelegt worden ist, ist die in 4 gezeigte
Schaltung dahingehend vorteilhaft, dass sie die Spannung USR begrenzt, also eine Spannung Ue bzw. USR erzeugt,
die keine Spannungsspitzen hat, und dass gleichzeitig das Laden des
Kondensators C's am Ausgang der Schaltung beschleunigt wird,
dahingehend, dass die Energie der Spannungsspitze zum Laden des
(großen)
Siebkondensators 46 ausgenutzt wird. Somit wird gleichzeitig das
Hochfahren eines Schaltreglers, der die in 4 gezeigte
Schaltung anstelle des Siebkondensators hat, beschleunigt, da die
für die
Steuerung des Schaltreglers nötige
Versorgungsspannung schnell erreicht wird und nicht mit Spannungsspitzen
beaufschlagt ist.As stated above, the in 4 shown advantageous in that it limits the voltage U SR , that produces a voltage U e and U SR , which has no voltage spikes, and that at the same time the charging of the capacitor C ' s at the output of the circuit is accelerated, in that the Energy of the voltage peak for charging the (large) filter capacitor 46 is exploited. Thus, at the same time the startup of a switching regulator, the in 4 shown circuit instead of the filter capacitor has accelerated, since the necessary for the control of the switching regulator supply voltage is reached quickly and is not subjected to voltage spikes.