EP0417076A1 - Kombinierter sekundärschaltregler - Google Patents

Kombinierter sekundärschaltregler

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Publication number
EP0417076A1
EP0417076A1 EP88902395A EP88902395A EP0417076A1 EP 0417076 A1 EP0417076 A1 EP 0417076A1 EP 88902395 A EP88902395 A EP 88902395A EP 88902395 A EP88902395 A EP 88902395A EP 0417076 A1 EP0417076 A1 EP 0417076A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
input voltage
circuit
output
input
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP88902395A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Obergfell
Hubert Panse
Wolfgang Schlegel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0417076A1 publication Critical patent/EP0417076A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters

Definitions

  • the invention relates to a secondary switching regulator according to the preamble of claim 1.
  • Secondary switching regulators are used to generate a regulated output voltage from an unregulated input voltage, with no potential separation between the input and the output, in contrast to the primary clocked switching power supplies.
  • Secondary switching regulators can be designed as step-up converters or as step-down converters. The output voltage is higher for the former, and the output voltage for the step-down converter is lower than the input voltage applied in each case.
  • the structure and mode of operation of secondary switching regulators, in particular of the two embodiments as step-up and step-down converters, are described in the book "Semiconductor Circuit Technology" by Tietze and Schenk, 5th edition, chapter 16.5.1.
  • the DC input voltage is in a wide tolerance range around the value of the output voltage or if the input voltage is to be converted into a DC output voltage in such a way that the input voltage to the output voltage can have both a higher and a lower value, then it is from DE-OS 19 05 369 known to combine step-down converter and step-up converter.
  • Each of the two semiconductor switches is controlled by means of an associated, known device with a fixed or differently adjustable duty cycle, so that the achievable magnitude of the output voltage is either greater, equal or less than the input voltage.
  • a common clock frequency and keeping the switch-on times constant can be used for both semiconductor switches.
  • the object of the invention is to provide a circuit arrangement for converting an unregulated DC input voltage into a regulated DC output voltage using a secondary switching regulator designed as a combined step-up / step-down converter, which can be produced inexpensively and whose power loss is reduced.
  • a simulation circuit which simulates the current in the inductance (storage inductor) while charging the inductance as a capacitor voltage, avoids lossy current sensor resistances or complex current transformer circuits (transformers).
  • An input voltage monitor which switches off the entire converter if the input voltage is too low, offers erroneous protection against the possible drop in the input voltage to values which are far below the permissible minimum voltage and which would lead to an impermissible increase in the input current to be switched.
  • Another advantage lies in the fact that a common driver circuit is used for both semiconductor switches (switching transistors) and thereby a power loss reduction compared to conventional driver circuits is achieved. If the value falls below a selectable threshold, the setpoint of the control circuit is reduced and a so-called soft start is also achieved.
  • Such an output monitoring circuit has the advantage that the converter is absolutely short-circuit proof and conditionally also overload-proof. This results in a lower thermal load in the event of a short circuit than at full load. In the event of an overload, the current limitation is generally achieved through the simulation circuit.
  • 1 is a combined secondary switching regulator as a high / low controller
  • FIG. 2 is a block diagram of the control circuit used for such a secondary switching regulator
  • FIG. 3 shows a driver circuit for the switching transistors
  • FIG. 4 shows a circuit for the input voltage monitoring
  • FIG. 5 shows a circuit for the output voltage monitoring
  • FIG. 6 shows a simulation circuit
  • FIG. 7 shows a pulse diagram for selected points within the circuit arrangement according to FIG. 1.
  • the secondary switching regulator shown in FIG. 1 has two input terminals E1 and E2, at which an unregulated DC input voltage UE is present, and output terminals A1, A2, at which a regulated DC output voltage UA can be tapped.
  • the input terminal E2 and the output terminal A2 are connected to one another and form a reference potential OV.
  • the input terminal E1 is connected to the output terminal A1 via the collector-emitter path of a first semiconductor switch, for example a switching transistor V1, via an inductor L2 serving as a storage inductor and furthermore via a diode V21 which is polarized in the direction of flow.
  • the anode of the diode V21 is via the collector-emitter path of a further semiconductor switch, for example also a switching transistor V2 with the reference potential OV connected.
  • a smoothing capacitor C8 is connected between the output terminals A1 and A2.
  • the emitter connection of the switching transistor V1 is connected to the reference potential OV via a freewheeling diode V11 which is polarized in the reverse direction.
  • a control circuit RS which is used, among other things, to keep the output voltage UA constant, is connected both to the input voltage UE and to the output voltage UA and the reference potential OV.
  • a reference voltage UREF is also available as an input variable for the control circuit RS.
  • the driver signals UT1 and UT2 are connected to the base connections of the respective switching transistors V1 and V2. Furthermore, the voltages UCE1 and UCE2 on the collector-emitter paths of the two switching transistors V1 and V2, and the voltages UV11 and UV21 on the diodes V11 and V21 are shown.
  • the current through inductor L2 is labeled IL.
  • FIG. 2 shows the block diagram of the control circuit RS used in the circuit arrangement according to FIG. 1.
  • This control circuit RS contains a setpoint / actual value comparator SIV, an input voltage monitoring circuit ESÜ, an output voltage monitoring ASÜ, a simulation circuit SNB and a driver circuit TRS.
  • the setpoint / actual value comparator SIV at which the reference voltage UREF and the output voltage UA are present as input variables, outputs the control voltage UR.
  • the output voltage monitor ASÜ is connected in parallel to the setpoint / actual value comparator SIV, the output of which is connected to the control voltage UR.
  • the input voltage UE and the reference voltage UREF are present at the input voltage monitor ESÜ.
  • a driver voltage UT can be tapped at the output of the input voltage monitor ESÜ.
  • the control voltage UR, the input voltage UE and the reference voltage UREF represent the input variables, the driver voltage UT the output variable of the simulation circuit SNB. Together with the driver voltage UT, the reference voltage UREF forms the input variables for the driver circuit TRS, the two driver signals UT1 and UT2 Switching of the two switching transistors V1 and V2 outputs. Exemplary embodiments of the individual circuit components contained in the control circuit RS are shown in more detail below.
  • FIG. 3 shows the driver circuit TRS common to both switching transistors V1 and V2. It contains a transistor V6, the base connection of which is directly connected to the driver voltage UT. Furthermore, this base connection is connected to the reference voltage UREF via a resistor R9, as well as via a diode V9 which is polarized in the forward direction and a Z-diode V10 which is polarized in the reverse direction, to the reference potential OV.
  • a line point, not specified, which lies between the cathodes of the two diodes V9 and V10 is connected to the reference voltage UREF via a resistor R8.
  • the collector-emitter path of the transistor V6 is connected to the reference potential OV via a series circuit consisting of the resistors R5 and R6.
  • the driver signal UT1 is present at the collector terminal of the transistor V6 and the driver signal UT2 is present at the connection point of the resistors R5 and R6.
  • the switching transistors V1 and V2 are controlled either directly or by interposing driver stages which are known per se and therefore not shown.
  • the driver circuit TRS is thus implemented as a switched constant current source which controls both switching transistors V1 and V2 simultaneously, and as a result the losses in the switched driver circuit are only proportional to the input voltage UE. While the collector-emitter voltage at transistor V6 can change by a relatively large amount, the collector current of transistor V6 remains approximately constant.
  • the voltage across the Z-diode V10 corresponds to the voltage across the two resistors R5 and R6.
  • Such a driver circuit TRS connected as a constant current source has a very large dynamic internal resistance and relieves the load on the comparators N1 and N3 connected to the driver voltage UT.
  • 4 shows the circuit arrangement for the input voltage monitoring ESÜ, to which the reference voltage UREF and the input voltage UE are applied and which switches the converter off when the input voltage UE is too low.
  • the reference voltage UREF is led to an inverting input 8 of an operational amplifier N3 operating as a comparator, and the input voltage UE is present via a resistor R53 at a non-inverting input 9 of the comparator N3.
  • a resistance coupling between the output 14 and the non-inverting input 9 of the comparator N3 by means of the resistor R51 produces a slight hysteresis and thus improves the switching behavior of the comparator N3.
  • At the input 9 of the comparator N3 there is also a parallel circuit consisting of resistor R52 and capacitor C6.
  • the resistors R53 and R52 form an input voltage divider and thus reduce the input voltage UE to values in the order of magnitude of the reference voltage UREF.
  • the capacitor C6, together with the resistor R53, forms a low-pass filter with the task of avoiding interference on the input side, such as that resulting, for example, from external switching operations, and thereby protecting the input voltage monitoring circuit ESÜ from undesired response.
  • the input voltage UE is always greater than the reference voltage UREF.
  • the voltage at the non-inverting input 9 is thus also greater than the reference voltage UREF and the output 14 of the comparator N3 is at "high" potential, ie the driver voltage UT enables the two switching transistors V1 and V2 to respond via the driver circuit TRS.
  • the reference voltage UREF becomes greater than the input voltage UE and the output 14 of the comparator N3 is at "low” potential and thus go Switching transistors V1 and V2 into the blocking state, ie the converter is switched off.
  • 5 shows the circuit arrangement for monitoring the output voltage ASÜ.
  • the reference voltage UREF is connected to the inverting input 13 via a resistor R24.
  • a resistor R22 which is connected between the output 14 of the operational amplifier N2 and the inverting input 13, serves for negative feedback.
  • the non-inverting input 12 of the amplifier N2 is connected to the reference potential OV via a resistor R32.
  • This resistor R32 forms, together with the resistor R31, a voltage divider for reducing the output voltage UA.
  • the control voltage UR can be tapped at the output 14 of the amplifier N3. The output voltage UA remains constant until the maximum output current is reached.
  • the setpoint of the control circuit ie the value of the control voltage UR (reduced characteristic curve) is reduced with this circuit arrangement ASÜ.
  • the threshold is expediently set using the resistors R31, R32 and is typically three quarters of the output voltage UA. If the output voltage UA drops to a value of up to three quarters of the setpoint, the monitoring circuit for the output voltage ASÜ remains inactive and the output voltage UA is regulated with the aid of a setpoint / actual value comparator SIV connected in parallel with the circuit arrangement ASÜ.
  • Such a setpoint / actual value comparator SIV is known per se and can also be implemented, for example, with the aid of a differential amplifier. Because this measure reduces the control voltage UR, such a converter is absolutely short-circuit proof and the thermal load in the event of a short circuit is lower than at full load.
  • the setpoint / actual value comparator SIV or the output voltage monitoring circuit ASÜ is a simulation circuit SNB 6 downstream, which simulates the current IL in the inductor L2 during charging of the inductor L2 as a capacitor voltage.
  • Such a current simulation for the current IL through the inductance L2 achieves an effective current limitation when the converter is overloaded.
  • the reference voltage UREF, the input voltage UE and the control voltage UR are present at the input of this simulation circuit SNB.
  • the reference voltage UREF is connected via a resistor R11 to an inverting input 10 of a comparator N4 and via a further resistor R12 to the reference potential OV.
  • the input voltage UE is connected via a resistor R13 and via a diode V13 polarized in the direction of flow both at an output 13 of the comparator N4 and at an inverting input 6 of a comparator N5, which in turn is connected to the reference potential OV via a capacitor C5.
  • the control voltage UR is fed via a resistor R20 to the non-inverting input 7 of the comparator N5, the output of which represents the driver voltage UT and which is fed back via a dynamic positive feedback, consisting of a series connection of a resistor R47 and a capacitor C16, to its non-inverting input 7 becomes.
  • the driver voltage UT is also applied to the non-inverting input 11 of the comparator N4 via a parallel connection of a resistor R10 with a diode V12 polarized in the flow direction.
  • the input 11 is also connected to the reference potential OV via a capacitor C4.
  • the capacitor C5 serving as a simulation capacitor for the inductor current IL is discharged and the control voltage UR present at the non-inverting input 7 of the comparator N5 is greater than that at the inverting input 6 applied voltage.
  • the output 1 of the comparator N5 is then at "high" potential and thus there is a driver voltage UT which the controls two switching transistors V1 and V2 in the conductive state.
  • the non-inverting input 11 of the further comparator N4 is thus also at a higher potential than its inverting input 10 and the output 13 of the comparator N4 is therefore also at "high” potential.
  • this has no further effects during the charging of the capacitor C5, since the diode V13 is polarized in the reverse direction.
  • the charge of the simulation capacitor C5 therefore increases in proportion to the level of the input voltage UE. As a result, when the input voltage UE changes, synchronism between the voltage UC5 across the capacitor C5 and the current IL through the storage inductor L2 is achieved.
  • the comparator N5 If the current IL has reached its peak value, ie the capacitor C5 is charged, then the voltage present at the inverting input 6 of the comparator N5 outweighs the control voltage UR and the output 1 of the comparator N5 is at "low” level and the two switching transistors are thereby switched off VI and V2 locked and di L / dt less than zero. At the same time, the output 13 of the comparator N4 also has a "low” level, since the reference voltage UREF now predominates and the capacitor C5 can discharge via the diode V13. The comparator N4 connected in this way thus has a discharge function for the capacitor C5.
  • the capacitor C4 forms, together with the resistor R10, a low-pass filter for the time delay when the driver voltage UT jumps from "high” potential to “low” potential and acts as a storage time simulation for the two switching transistors V1 and V2. If the driver voltage UT changes from "low” to “high” level, this time delay is ineffective due to the diode V12, which is now polarized in the forward direction and thus bridges the resistor R10.
  • the slope of the rising edge of the current IL through the inductor L2 is proportional to the input voltage UE or the voltage across the capacitor C5 and is determined by the timing element made up of the resistor R13 and capacitor C5, while the course of the current IL with blocked switching transistors V1 and V2 is independent of the level of the input voltage UE.
  • the signal curves drawn to the left of a dividing line TL apply to an input voltage UE less than UA, while to the right of this dividing line TL the current and voltage curves indicated above are given for a value of the input voltage UE that is greater than the desired output voltage UA.
  • the times t0 and t2 identify the switch-on times and t1 and t3 the switch-off times of the converter.

Description

Kombinierter Sekundärschaltregier
Die Erfindung betrifft einen Sekundärschaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Sekundärschaltregler dienen zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung aus einer ungeregelten Eingangsspannung, wobei zwischen dem Eingang und dem Ausgang im Unterschied zu den primärgetakteten Schaltnetzteilen keine Potentialtrennung besteht. Sekundärschaltregler können als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller konzipiert sein. Beim erstgenannten ist die Ausgangsspannung höher, beim Tiefsetzsteller ist die Ausgangsspannung niedriger als die jeweils anliegende Eingangsspannung. Aufbau und Wirkungsweise von Sekundärschaltreglern, insbesondere der beiden Ausführungsformen als Hochsetz- bzw. Tiefsetzsteller sind in dem Buch "Halbleiterschaltungstechnik" von Tietze und Schenk, 5. Auflage, Kapitel 16.5.1 beschrieben.
Streut die Eingangsgleichspannung in einem weiten Toleranzfeld um den Wert der Ausgangsspannung oder soll die Eingangsspannung in eine Ausgangsgleichspannung derart umgesetzt werden, daß die Eingangsspannung zur Ausgangsspannung sowohl einen höheren als auch einen tieferen Wert aufweisen kann, so ist es aus der DE-OS 19 05 369 bekannt, Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller zu kombinieren. Die Steuerung eines jeden der beiden Halbleiterschalter erfolgt dabei über eine ihm zugeordnete, für sich bekannte Einrichtung mit einem festen oder unterschiedlich einstellbaren Tastverhältnis, so daß die erzielbare Größe der Ausgangsspannung entweder größer, gleich oder kleiner als die Eingangsspannung ist. Dabei kann für beide Halbleiterschalter eine gemeinsame Taktfrequenz und die Gleichhaltung der Einschaltzeitpunkte angewandt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer ungeregelten Eingangsgleichspannung in eine geregelte Ausgangsgleichspannung unter Verwendung eines als kombinierten Hoch/Tiefsetzsteller konzipierten Sekundärschaltreglers anzugeben, die kostengünstig herstellbar ist und deren Verlustleistung reduziert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch eine Simulationsschaltung, die den Strom in der Induktivität (Speicherdrossel) während des Aufladens der Induktivität als Kondensatorspannung simuliert, werden verlustbehaftete Stromfühlerwiderstände oder aufwendige Stromwandlerschaltungen (Transformatoren) vermieden.
Eine Eingangsspannungsüberwachung, welche bei zu niedriger Eingangsspannung den gesamten Wandler abschaltet, bietet eirren sicheren Schutz vor dem möglichen Absinken der Eingangsspannung auf Werte, die weit unterhalb der zulässigen Minimalspannung liegen und die zur unzulässigen Erhöhung des zu schaltenden Eingangsstromes führen würde.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß für beide Halbleiterschalter (Schalttransistoren) eine gemeinsame Treiberschaltung verwendet wird und dadurch eine Verlustleistungsreduzierung gegenüber konventionellen Treiberschaltungen erreicht wird. Bei Unterschreiten einer wählbaren Schwelle wird der Sollwert der Regelschaltung reduziert und zugleich wird auch ein sog. Softstart erreicht. Eine solche Ausgangsüberwachungsschaltung hat den Vorteil, daß der Wandler dadurch absolut kurzschlußfest und bedingt auch überlastfest wird. Damit ergibt sich im Kurzschlußfall eine geringere thermische Belastung als bei Vollast. Im Falle einer Überlast wird die Strombegrenzung generell durch die Simulationsschaltung erreicht.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen kombinierten Sekundärschaltregler als Hoch-/Tiefsteller,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der für einen solchen Sekundärschaltregler eingesetzten Regelschaitung,
Fig. 3 eine Treiberschaltung für die Schalttransistoren, Fig. 4 eine Schaltung für die Eingangsspannungsüberwachung, Fig. 5 eine Schaltung für die Ausgangsspannungsüberwachung, Fig. 6 eine Simulationsschaltung und
Fig. 7 ein Impulsdiagramm für ausgewählte Punkte innerhalb der Schaltungsanordnung nach Fig. 1.
Der in Fig. 1 dargestellte Sekundärschaltregler weist zwei Eingangsklemmen E1 und E2 auf, an denen eine ungeregelte Eingangsgleichspannung UE anliegt, sowie Ausgangsklemmen A1, A2, an denen eine geregelte Ausgangsgleichspannung UA abgreifbar ist. Die Eingangsklemme E2 und die Ausgangsklemme A2 sind miteinander verbunden und bilden ein Bezugspotential OV. Die Eingangsklemme E1 ist über die Kollektor-Emitterstrecke eines ersten Halbleiterschalters, z.B. eines Schalttransistors V1, über eine als Speicherdrossel dienende Induktivität L2 und weiter über eine in Flußrichtung gepolte Diode V21 mit der Ausgangsklemme A1 verbunden. Die Anode der Diode V21 ist über die Kollektor-Emitterstrecke eines weiteren Halbleiterschalters, z.B. ebenfalls eines Schalttransistors V2 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Zwischen den Ausgangsklemmen A1 und A2 ist ein Glättungskondensator C8 geschaltet. Der Emitteranschluß des Schalttransistors V1 ist über eine in Sperrrichtung gepolte Freilaufdiode V11 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Eine Regelschaltung RS, die u.a. zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung UA dient, ist sowohl mit der Eingangsspannung UE als auch mit der Ausgangsspannung UA und dem Bezugspotential OV verbunden. Außerdem ist noch eine Referenzspannung UREF als Eingangsgröße für die Regelschaltung RS vorhanden. Als Ausgangsgröße der Regelschaltung RS sind die Treibersignale UT1 und UT2 mit den Basisanschlüssen der jeweiligen Schalttransistoren V1 und V2 verbunden. Ferner sind die Spannungen UCE1 und UCE2 an den Kollektor-Emitterstrecken der beiden Schalttransistoren V1 und V2, sowie die Spannungen UV11 und UV21 an den Dioden V11 und V21 eingezeichnet. Der Strom durch die Induktivität L2 ist mit IL bezeichnet.
Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 eingesetzten Regelschaltung RS. Diese Regelschaltung RS beinhaltet einen Soll/Istwertvergleicher SIV, eine Eingangsspannungsüberwachungsschaltung ESÜ, eine Ausgangsspannungsüberwachung ASÜ, eine Simulationsschaltung SNB und eine Treiberschaltung TRS. Der Soll/Istwertvergleicher SIV, an dem die Referenzspannung UREF und die Ausgangsspannung UA als Eingangsgrößen anliegen, gibt die Regelspannung UR ab. Parallel zum Soll/Istwertvergleicher SIV ist die Ausgangsspannungsüberwachung ASÜ geschaltet, deren Ausgang mit der Regelspannung UR verbunden ist. An der Eingangsspannungsüberwachung ESÜ liegt die Eingangsspannung UE und die Referenzspannung UREF an. Am Ausgang der Eingangsspannungsüberwachung ESÜ ist eine Treiberspannung UT abgreifbar. Die Regelspannung UR, die Eingangsspannung UE und die Referenzspannung UREF stellen die Eingangsgrößen, die Treiberspannung UT d ie Ausgangsgröße der Simulationss chaltung SNB dar. Die Referenzspannung UREF bildet zusammen mit der Treiberspannung UT die Eingangsgrößen für die Treiberschaltung TRS, die zwei Treibersignale UT1 und UT2 zum Schalten der beiden Schalttransistoren V1 und V2 abgibt. Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der einzelnen, in der Regelschaltung RS enthaltenen Schaltungskomponenten näher dargestellt.
Dabei zeigt die Fig. 3 die für beide Schalttransistoren V1 und V2 gemeinsame Treiberschaltung TRS. Sie enthält einen Transistor V6, dessen Basisanschluß unmittelbar mit der Treiberspannung UT verbunden ist. Weiterhin ist dieser Basisanschluß sowohl über einen Widerstand R9 mit der Referenzspannung UREF, als auch über eine in Flußrichtung gepolte Diode V9 und einer in Sperrichtung gepolten Z-Diode V10 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Ein nicht näher bezeichneter Leitungspunkt, der zwischen den Kathoden der beiden Dioden V9 und V10 liegt, ist über einen Widerstand R8 an die Referenzspannung UREF angeschaltet. Die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors V6 ist über eine Reihenschaltung, bestehend aus den Widerständen R5 und R6 an das Bezugspotential OV geschaltet. Am Kollektoranschluß des Transistors V6 liegt das Treibersignal UT1 und am Verbindungspunkt der Widerstände R5 und R6 liegt das Treibersignal UT2 an. Mit Hilfe dieser beiden Treibersignale UT1 und UT2 werden die Schalttransistoren V1 und V2 entweder unmittelbar oder durch Zwischenschaltung von an sich bekannten und deshalb nicht dargestellten Treiberstufen gesteuert. Die Treiberschaltung TRS ist somit als geschaltete Konstantstromquelle realisiert, die beide Schalttransistoren V1 und V2 gleichzeitig ansteuert und dadurch sind die Verluste in der geschalteten Treiberschaltung lediglich proportional zur Eingangsspannung UE. Während sich die Kollektor-Emitterspannung am Transistor V6 um einen relativ großen Betrag ändern kann, bleibt der Kollektorstrom des Transistors V6 annähernd konstant. Die Spannung an der Z-Diode V10 entspricht der Spannung an den beiden Widerständen R5 und R6. Eine solche als Konstantstromquelle geschaltete Treiberschaltung TRS hat einen sehr großen dynamischen Innenwiderstand und entlastet die an der Treiberspannung UT liegenden Komparatoren N1 und N3. Fig. 4 zeigt die Schaltungsanordnung zur Eingangsspannungsüberwachung ESÜ, an der die Referenzspannung UREF und die Eingangsspannung UE anliegen und die bei zu niedriger Eingangsspannung UE den Wandler abschaltet. Hierzu ist die Referenzspannung UREF an einen invertierenden Eingang 8 eines als Komparator arbeitenden Operationsverstärkers N3 geführt und die Eingangsspannung UE liegt über einen Widerstand R53 an einem nichtinvertierenden Eingang 9 des Komparators N3 an. Eine Widerstandskopplung zwischen dem Ausgang 14 und dem nichtinvertierenden Eingang 9 des Komparators N3 mittels des Widerstandes R51 erzeugt eine leichte Hysterese und verbessert so das Schaltverhalten des Komparators N3. Am Eingang 9 des Komparators N3 liegt ferner eine Parallelschaltung, bestehend aus Widerstand R52 und Kondensator C6. Die Widerstände R53 und R52 bilden einen Eingangsspannungsteiler und setzen somit die Eingangsspannung UE auf Werte in der Größenordnung der Referenzspannung UREF herab. Der Kondensator C6 bildet zusammen mit dem Widerstand R53 einen Tiefpaß mit der Aufgabe, Störungen auf der Eingangsseite, wie sie zum Beispiel von externen Schaltvorgängen herrühren, zu vermeiden und dadurch die Eingangsspannungsüberwachungsschaltung ESÜ vor ungewünschtem Ansprechen zu schützen. Im Normalfall ist die Eingangsspannung UE immer größer als die Referenzspannung UREF. Damit ist auch die Spannung am nichtinvertierenden Eingang 9 größer als die Referenzspannung UREF und der Ausgang 14 des Komparators N3 liegt auf "High"-Potential, d.h. die Treiberspannung UT ermöglicht über die Treiberschaltung TRS ein Ansprechen der beiden Schalttransistoren V1 und V2. Bei Absinken der Eingangsspannung UE auf Werte, die weit unterhalb der zulässigen Minimalspannung liegen ("Brown-out"), wird die Referenzspannung UREF größer als die Eingangsspannung UE und der Ausgang 14 des Komparators N3 liegt auf "Low"-Potential und damit gehen die Schalttransistoren V1 und V2 in den Sperrzustand über, d.h. der Wandler wird abgeschaltet. In Fig. 5 ist die Schaltungsanordnung zur Ausgangsspannungsüberwachung ASÜ dargestellt. Diese weist einen gegengekoppelten Operationsverstärker N2 auf, an dessen nichtinvertierendem Eingang 12 über einen Widerstand R31 die Ausgangsspannung UA anliegt. An dem invertierenden Eingang 13 ist über einen Widerstand R24 die Referenzspannung UREF angeschlossen. Ein Widerstand R22, der zwischen dem Ausgang 14 des Operationsverstärkers N2 und dem invertierenden Eingang 13 geschaltet ist, dient der Gegenkopplung. Der nichtinvertierende Eingang 12 des Verstärkers N2 ist über einen Widerstand R32 gegen das Bezugspotential OV geschaltet. Dieser Widerstand R32 bildet zusammen mit dem Widerstand R31 einen Spannungsteiler zur Herabsetzung der Ausgangsspannung UA. Am Ausgang 14 des Verstärkers N3 kann die Regelspannung UR abgegriffen werden. Die Ausgangsspannung UA bleibt so lange konstant, bis der maximale Ausgangsstrom erreicht ist. Bei Unterschreiten einer wählbaren Schwelle für die Ausgangsspannung UA, wie es bei Kurzschluß oder Überlast eintritt, wird mit dieser Schaltungsanordnung ASÜ der Sollwert der Regelschaltung, d.h. der Wert der Regelspannung UR reduziert (rückläufige Kennlinie). Zweckmäßigerweise wird die Schwelle mit Hilfe der Widerstände R31, R32 eingestellt und beträgt typisch dreiviertel der Ausgangsspannung UA. Bei Absinken der Ausgangsspannung UA auf einen Wert bis zu dreiviertel des Sollwertes bleibt die Überwachungsschaltung für die Ausgangsspannung ASÜ inaktiv und die Regelung der Ausgangsspannung UA geschieht mit Hilfe eines parallel zur Schaltungsanordnung ASÜ geschalteten Soll/Istwertvergleichers SIV. Ein solcher Soll/Istwertvergleicher SIV ist an sich bekannt und kann beispielsweise ebenfalls mit Hilfe eines Differenzverstärkers ausgeführt sein. Weil durch diese Maßnahme die Regelspannung UR reduziert wird, ist ein solcher Wandler absolut kurzschlußfest und die thermische Belastung im Kurzschlußfall ist geringer als bei Vollast.
Dem Soll/Istwertvergleicher SIV bzw. der Ausgangsspannungsüberwachungsschaltung ASÜ ist eine Simulationsschaltung SNB gemäß Fig. 6 nachgeschaltet, die den Strom IL in der Induktivität L2 während des Aufladens der Induktivität L2 als Kondensatorspannung simuliert. Durch eine solche Stromnachbildung für den Strom IL durch die Induktivität L2 wird eine wirksame Strombegrenzung bei Überlast des Wandlers erreicht. Hierzu liegen am Eingang dieser Simulationsschaltung SNB die Referenzspannung UREF, die Eingangsspannung UE und die Regelspannung UR an. Die Referenzspannung UREF ist über einen Widerstand R11 an einen invertierenden Eingang 10 eines Komparators N4 und über einen weiteren Widerstand R12 an das Bezugspotential OV angeschaltet. Die Eingangsspannung UE liegt über einen Widerstand R13 und über eine in Flußrichtung gepolte Diode V13 sowohl an einem Ausgang 13 des Komparators N4, als auch an einem invertierenden Eingang 6 eines Komparators N5, der wiederum über einen Kondensator C5 mit dem Bezugspotential OV verbunden ist. Die Regelspannung UR ist über einen Widerstand R20 an den nicht invertierenden Eingang 7 des Komparators N5 geführt, dessen Ausgang die Treiberspannung UT darstellt und die über eine dynamische Mitkopplung, bestehend aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes R47 und eines Kondensators C16, auf dessen nichtinvertierendem Eingang 7 rückgekoppelt wird.
Die Treiberspannung UT liegt auch über eine Parallelschaltung eines Widerstandes R10 mit einer in Flußrichtung gepolten Diode V12 am nichtinvertierenden Eingang 11 des Komparators N4 an. Der Eingang 11 ist außerdem über einen Kondensator C4 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Zu einem Zeitpunkt t0 (vgl. Fig. 7), wenn der Sekundärschaltregler eingeschaltet wird, ist der als Simulationskondensator für den Drosselstrom IL dienende Kondensator C5 entladen und die am nichtinvertierenden Eingang 7 des Komparators N5 anliegende Regelspannung UR ist größer als die am invertierenden Eingang 6 anliegende Spannung. Der Ausgang 1 des Komparators N5 liegt dann an "High"-Potential und damit ist eine Treiberspannung UT vorhanden, welche die beiden Schalttransistoren V1 und V2 in den leitenden Zustand steuert. Damit liegt auch der nichtinvertierende Eingang 11 des weiteren Komparators N4 auf höherem Potential als dessen invertierender Eingang 10 und damit liegt der Ausgang 13 des Komparators N4 ebenfalls auf "High"-Potential. Dies hat aber während des Aufladens des Kondensators C5 keine weiteren Auswirkungen, da die Diode V13 in Sperrichtung gepolt ist. Die Ladung des Simulationskondensators C5 steigt also proportional zur Höhe der Eingangsspannung UE an. Dadurch wird bei Änderung der Eingangsspannung UE Gleichlauf zwischen der Spannung UC5 am Kondensator C5 und dem Strom IL durch die Speicherdrossel L2 erreicht. Hat der Strom IL seinen Spitzenwert erreicht, d.h. ist der Kondensator C5 aufgeladen, so überwiegt die am invertierenden Eingang 6 des Komparators N5 anliegende Spannung gegenüber der Regelspannung UR und der Ausgang 1 des Komparators N5 führt "Low"-Pegel und dadurch werden die beiden Schalttransistoren VI und V2 gesperrt und diL/dt kleiner Null. Gleichzeitig führt auch der Ausgang 13 des Komparators N4 "Low"-Pegel, da jetzt die Referenzspannung UREF überwiegt und der Kondensator C5 kann sich über die Diode V13 entladen. Der so beschaltete Komparator N4 hat damit eine Entladefunktion für den Kondensator C5. Der Kondensator C4 bildet zusammen mit dem Widerstand R10 einen Tiefpaß zur Zeitverzögerung, wenn die Treiberspannung UT von "High"-Potential auf "Low"-Potential springt und wirkt als Speicherzeitnachbildung für die beiden Schalttransistoren V1 und V2. Wechselt die Treiberspannung UT von "Low"- auf "High"-Pegel, so ist diese Zeitverzögerung aufgrund der Diode V12, die jetzt in Durchlaßrichtung gepolt ist und somit den Widerstand R10 überbrückt, unwirksam. Die Steigung der Anstiegsflanke des Stromes IL durch die Induktivität L2 ist proportional der Eingangsspannung UE bzw. der Spannung am Kondensator C5 und wird durch das Zeitglied aus Widerstand R13 und Kondensator C5 bestimmt, während der Verlauf des Stromes IL bei gesperrten Schalttransistoren V1 und V2 unabhängig von der Höhe der Eingangsspannung UE ist. In Zeile 1 der Fig. 7 ist dieser Sachverhalt für zwei Eingangsspannungen UE=18 V und UE=63 V bei gleicher Ausgangsspannung UE=38 V dargestellt. Weiter sind in Fig. 7 noch die Spannungen UCE1 und UCE2 an den Kollektor-Emitterstrecken der Schalttransistoren V1 und V2, die Spannung UL an der Induktivität L2 und die Spannungen UV11 und UV21 an den beiden Dioden V11 und V12 dargestellt. Dabei gelten die links von einer Trennlinie TL eingezeichneten Signalverläufe für eine Eingangsspannung UE kleiner UA, währenddessen rechts von dieser Trennungslinie TL die obenbezeichneten Strom- bzw. Spannungsverläufe für einen Wert der Eingangsspannung UE angegeben sind, der größer ist als die gewünschte Ausgangsspannung UA. Die Zeitpunkte t0 bzw. t2 kennzeichnen die Einschaltzeitpunkte und t1 bzw. t3 die Ausschaltzeitpunkte des Wandlers.
5 Patentansprüche 7 Figuren

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Umsetzen einer ungeregelten Eingangsgleichspannung in eine konstante Ausgangsgleichspannung, die, bezogen auf ihre Polarität einen gemeinsamen Bezugspunkt aufweist und bei der die Eingangsgleichspannung sowohl einen höheren als auch einen tieferen Wert als die gewünschte Ausgangsspannung annehmen kann, mit einer zur Umsetzung der Eingangsgleichspannung durch wechselnde Ladung und Entladung als Energiespeicher dienenden Induktivität und zweier den Ladevorgang bewirkenden Schalter, einer den Lade- und Entladevorgang durch periodische Tastung steuernden Regelschaltung mit einem Soll/Istwertvergleicher zur Einstellung eines den Ausgangswert erbringenden Tastverhältnisses, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Simulationsschaltung (SNB) vorgesehen ist, welche einen Strom (IL) durch die Induktivität (L2) während des Aufladens der Induktivität (L2) als Kondensatorspannung (UC5) eines Kondensators (C5) simuliert, wobei die Ladung des Kondensators (C5) proportional zur Höhe der Eingangsspannung (UE) ansteigt und dadurch bei Änderungen der Eingangsspannung (UE) Gleichlauf zwischen Kondensatorspannung (UC5) und dem Strom (IL) durch die Induktivität (L2) erreichbar ist, und daß bei Erreichen eines vorgebbaren Spitzenwertes für den Strom (IL) die beiden Schalter (V1, V2) abgeschaltet werden.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine als geschaltete Konstantstromquelle arbeitende, gemeinsame Treiberschaltung (TRS) für beide Schalter (V1, V2) vorgesehen ist, die bei Vorhandensein einer Treiberspannung (UT) die beiden Schalter (V1, V2) mittels zweier Treibersignale (UT1,UT2) gleichzeitig ansteuert.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Eingangsspannungsüberwachungsschaltung (ESÜ) vorgesehen ist, die bei Absinken der Eingangsspannung (UE) auf Werte weit unterhalb einer zulässigen Minimalspannung den Sekundärschaltregler abschaltet.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Schaltung für die Ausgangsspannungsüberwachung (ASU) vorgesehen ist, die bei Unterschreiten einer wählbaren Schwelle für die Ausgangsspannung (UA) den Sollwert der Regelspannung (UR) reduziert.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die wählbare Schwelle für die Ausgangsspannung (UA) mit Hilfe zweier Widerstände (R31, R32) einstellbar ist.
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