WO2010009971A1 - Multiphase switched dc/dc converter - Google Patents
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Abstract
The invention relates to a switched voltage converter (1) for supplying electrical consumers (6). The current load of the individual components (L, C, T) of the voltage converter (1) and the EMV emissions can be substantially reduced by using a multiphase, switched voltage converter (1), especially for automotive applications.
Description
Beschreibung description
Titeltitle
Mehrphasiger getakteter DC/DC-WandlerMulti-phase clocked DC / DC converter
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines mehrphasigen, getakteten Spannungswandlers gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 , sowie einen solchen Spannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.The invention relates to a use of a multi-phase, clocked voltage converter according to the preamble of patent claim 1, as well as such a voltage converter according to the preamble of patent claim 4.
Getaktete Spannungswandler dienen zum Wandeln einer Gleichspannung mit einem ersten Pegel in eine Ausgangsspannung mit einem zweiten Pegel. Je nach Ausführungsform des Wandlers kann die Ausgangsspannung höher oder niedriger sein als die Eingangsspannung. Derartige Spannungswandler werden beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt, um Verbraucher, wie z.B. bestimmte Steuergeräte gegen Unterspannung abzusichern.Clocked voltage converters serve to convert a DC voltage having a first level into an output voltage having a second level. Depending on the embodiment of the converter, the output voltage may be higher or lower than the input voltage. Such voltage transformers are used, for example, in vehicles to supply consumers such as e.g. to protect certain control units against undervoltage.
Bekannte getaktete Spannungswandler umfassen grundsätzlich eine Induktivität, einen Transistor zum magnetischen Aufladen der Induktivität, sowie einen Freilauf, der üblicherweise eine Diode umfasst. Figur 1 zeigt einen aus der Stand der Technik bekannten einphasigen Aufwärts-Wandler, wie er beispielsweise in Schaltnetzteilen verwendet wird. Der dargestellte Aufwärts-Wandler wandelt eine an seinem Eingang (im Bild links) anliegende Eingangsspannung Ui in eine an seinem Ausgang (im Bild rechts) anliegende Ausgangsspannung U2. DieKnown clocked voltage transformers basically comprise an inductance, a transistor for magnetically charging the inductance, and a freewheel, which usually comprises a diode. Figure 1 shows a known from the prior art single-phase up-converter, as used for example in switching power supplies. The illustrated up-converter converts an input voltage Ui present at its input (on the left in the picture) into an output voltage U2 present at its output (in the picture on the right). The
Ausgangsspannung U2 ist dabei immer größer oder zumindest gleich groß wie die Eingangsspannung Ui. Der Aufwärts-Wandler 1 umfasst eine zwischen Eingang und Ausgang geschaltete Induktivität 2 und einen Schalter 4, mittels dessen die Induktivität 2 abwechselnd gegen das Referenzpotential (Masse) oder den Ausgang geschaltet werden kann. Wenn der Schalter 4 geschlossen ist, wird in der Induktivität 2 Energie gespeichert, die zusätzlich an den Ausgang abgegeben wird, wenn der Schalter 4 wieder öffnet. Am Ausgang können daher höhere
Ausgangsspannungen U2 erzeugt werden als die Eingangsspannung Ui. Die Höhe der Ausgangsspannung U2 ist dabei abhängig vom Tastverhältnis, mit dem der Schalter 4 ein- und ausgeschaltet wird.Output voltage U 2 is always greater or at least equal to the input voltage Ui. The up-converter 1 comprises an inductor 2 connected between input and output and a switch 4 by means of which the inductance 2 can be switched alternately against the reference potential (ground) or the output. When the switch 4 is closed, energy is stored in the inductance 2, which is additionally output to the output when the switch 4 opens again. At the output can therefore higher Output voltages U 2 are generated as the input voltage Ui. The height of the output voltage U 2 is dependent on the duty cycle, with which the switch 4 is turned on and off.
Der Aufwärts-Wandler 1 umfasst ferner einen Schalter 3, der zwischen dieThe up-converter 1 further comprises a switch 3 connected between the
Induktivität 2 und den Ausgang geschaltet ist und als Freilauf dient. Der Schalter 3 ist in der Praxis üblicherweise als Diode realisiert. Am Ausgang des Wandlers 1 ist außerdem ein Glättungskondensator 5 vorgesehen, der zur Glättung der Ausgangsspannung U2 dient.Inductance 2 and the output is connected and serves as a freewheel. The switch 3 is usually realized in practice as a diode. At the output of the converter 1, a smoothing capacitor 5 is also provided, which serves for smoothing the output voltage U 2 .
Derartige Aufwärts-Wandler 1 werden u. a. dazu eingesetzt, sicherheitsrelevante Verbraucher in Kfz gegen Unterspannung abzusichern. Die Verwendung solcher Aufwärts-Wandler in Kfz ist jedoch wegen der hohen Ströme und Leistungen problematisch. Die hohen Ströme erfordern insbesondere den Einsatz großer und schwerer Bauelemente, die nicht automatisch auf eine Leiterplatte bestückt werden können. Darüber hinaus kann es zu Überhitzungen einzelner Bauelemente oder Lötstellen kommen, da sich der gesamte Stromfluss auf einen Pfad bzw. ein Bauelement konzentriert.Such up-converters 1 are u. a. used to protect safety-relevant consumers in vehicles against undervoltage. However, the use of such up-converters in motor vehicles is problematic because of the high currents and powers. The high currents require in particular the use of large and heavy components that can not be automatically populated on a printed circuit board. In addition, overheating of individual components or solder joints can occur because the entire current flow concentrates on a path or a component.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Strombelastung einzelner Bauelemente in einem getakteten Spannungswandler zu reduzieren.It is therefore the object of the present invention to reduce the current load of individual components in a clocked voltage converter.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 5 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved according to the invention by the features specified in claim 1 and in claim 5. Further embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, anstelle eines einphasigen Wandlers einen mehrphasigen, getakteten Spannungswandler für bestimmte Applikationen in einem Kraftfahrzeug zu verwenden. Ein solcher mehrphasiger Spannungswandler besteht prinzipiell aus mehreren parallel geschalteten einphasigen Spannungswandlern, die jeweils eine Induktivität, einen Transistor zum Aufladen der Induktivität, sowie einen zwischen Induktivität und Wandlerausgang geschalteten Schalter umfassen.
Die Verwendung eines mehrphasigen, getakteten Spannungswandlers hat somit den Vorteil, dass sich der Gesamtstrom auf n Phasen gleichmäßig verteilt und somit in jeder Phase ein entsprechend geringerer Strom fließt. Die in den einzelnen Phasen enthaltenen Bauelemente können somit kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden. Darüber hinaus nimmt die Verlustleistung in den einzelnen Bauelementen ab, wodurch sich die thermische Belastung reduziert. Zusätzliche Kühlmaßnahmen sind damit ggf. nicht mehr notwendig. Ein weiterer Vorteil besteht in der reduzierten EMV-Emission der am Eingang und Ausgang angeschlossenen EMV-Filter. Bei einer entsprechend hohen Anzahl von Phasen können ggf. Elektrolytkondensatoren durch MLCC ersetzt werden.An essential aspect of the invention is to use a polyphase, clocked voltage converter for certain applications in a motor vehicle instead of a single-phase converter. Such a multiphase voltage converter basically consists of a plurality of single-phase voltage converters connected in parallel, each comprising an inductance, a transistor for charging the inductance, and a switch connected between inductance and converter output. The use of a multi-phase, clocked voltage converter thus has the advantage that the total current is distributed uniformly over n phases and thus a correspondingly lower current flows in each phase. The components contained in the individual phases can thus be made smaller and less expensive. In addition, the power loss in the individual components decreases, which reduces the thermal load. Additional cooling measures may therefore no longer be necessary. Another advantage is the reduced EMC emission of the EMC filters connected to the input and output. With a correspondingly high number of phases, electrolytic capacitors may possibly be replaced by MLCC.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist am Ein- und/oder Ausgang des mehrphasigen Spannungswandlers ein EMV-Filter zur Reduzierung der EMV-Emissionen vorgesehen. Die EMV-Filter sind vorzugsweise für alle Phasen gemeinsam vorgesehen.According to a preferred embodiment of the invention, an EMC filter for reducing the EMC emissions is provided at the input and / or output of the polyphase voltage converter. The EMC filters are preferably provided jointly for all phases.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Aufwärts-Wandlers, undFig. 1 is a schematic diagram of a known from the prior art up-converter, and
Fig. 2 ein Beispiel eines 4-phasigen Aufwärts-Wandlers in einem Fahrzeugbordnetz.Fig. 2 shows an example of a 4-phase up converter in a vehicle electrical system.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Bezüglich der Erläuterung von Figur 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.With regard to the explanation of Figure 1, reference is made to the introduction to the description.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines 4-phasigen Aufwärts-Wandlers, der die am Wandlereingang von einer Batterie 10 bereitgestellte Eingangs- Spannung in eine höhere Ausgangsspannung wandelt, mit der eine Last 6 betrieben wird.
Jede der vier Phasen umfasst eine Speicherinduktivität L2-L5, einen MOS- Transistor T1 -T4, mittels dessen die Induktivität L2-L5 abwechselnd gegen ein Referenzpotential (Masse) oder den Ausgang des Spannungswandlers 1 geschaltet wird, sowie eine am Ausgang angeordnete Diode D1 -D4. Die Dioden D1 -D4 sind jeweils zwischen die zugehörige Induktivität L2-L5 und den Ausgang geschaltet. Die Schalter T1 -T4 werden von einem Spannungsregler 9 mittels eines PWM-Signals angesteuert. Das Tastverhältnis des PWM-Signals bestimmt dabei die Höhe der Ausgangsspannung U2.2 shows a schematic circuit diagram of a 4-phase up-converter, which converts the input voltage provided at the converter input by a battery 10 into a higher output voltage, with which a load 6 is operated. Each of the four phases comprises a storage inductance L2-L5, a MOS transistor T1 -T4, by means of which the inductance L2-L5 is alternately switched to a reference potential (ground) or the output of the voltage converter 1, and a diode D1 arranged at the output - D4. The diodes D1 -D4 are each connected between the associated inductance L2-L5 and the output. The switches T1 -T4 are driven by a voltage regulator 9 by means of a PWM signal. The duty cycle of the PWM signal determines the height of the output voltage U2.
Sowohl am Eingang als auch am Ausgang des Aufwärts-Wandlers 1 ist jeweils ein EMV-Filter 7 bzw. 8 angeschlossen, der für alle Phasen gemeinsam vorgesehen ist. Die EMV-Filter 7, 8 sind hier als Pi-Filter realisiert und umfassen jeweils zwei parallel, gegen ein Bezugspotential geschaltete Kondensatoren C1 , C2 bzw. C3, C4 sowie eine im Hauptpfad angeordnete Induktivität L1 bzw. L6. Die Kondensatoren C1 bis C4 bilden jeweils einen Energiespeicher zur Stabilisierung der Netzspannung. Die Induktivität L1 bzw. L6 in Verbindung mit den Kondensatoren C1 bis C4 bildet jeweils ein Tiefpassfilter zur Reduzierung der EMV-Emission.Both at the input and at the output of the up-converter 1, an EMC filter 7 or 8 is connected in each case, which is provided jointly for all phases. The EMC filters 7, 8 are realized here as a pi-filter and each comprise two parallel, switched against a reference potential capacitors C1, C2 and C3, C4 and arranged in the main path inductance L1 and L6. The capacitors C1 to C4 each form an energy store for stabilizing the mains voltage. The inductance L1 or L6 in conjunction with the capacitors C1 to C4 each forms a low-pass filter for reducing the EMC emission.
Die Dimensionierung der EMV-Filter 7 und 8 erfolgt abhängig von der Phasenzahl des Aufwärts-Wandlers 1.The dimensioning of the EMC filters 7 and 8 is dependent on the phase number of the up-converter. 1
Durch die Verteilung des Gesamtstroms I auf mehrere Phasen werden die einzelnen Bauelemente L, C, T weniger stark belastet, so dass sie kleiner dimensioniert werden können. Die Bauelemente können somit automatisch auf eine Leiterplatte gesetzt werden und sind weniger empfindlich gegen mechanische Schock- und Vibrationsbelastungen des zugehörigen Steuergeräts. Der mehrphasige Aufwärts-Wandler hat außerdem den Vorteil, dass sich die EMV- Emission gegenüber einem einphasigen Wandler erheblich verringert.
Due to the distribution of the total current I to several phases, the individual components L, C, T are less heavily loaded, so that they can be dimensioned smaller. The components can thus be automatically placed on a printed circuit board and are less sensitive to mechanical shock and vibration loads of the associated control unit. The multiphase up-converter also has the advantage that the EMC emission is considerably reduced compared to a single-phase converter.
Claims
1. Verwendung eines mehrphasigen, getakteten Spannungswandlers (1 ) zur Versorgung wenigstens eines Verbrauchers (6) in einem Kraftfahrzeug.1. Use of a multi-phase, clocked voltage converter (1) for supplying at least one consumer (6) in a motor vehicle.
2. Verwendung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mehrphasige, getaktete Spannungswandler (1 ) zur Absicherung eines DC- Verbrauchers (6) gegen Unterspannung verwendet wird.2. Use according to claim 1, characterized in that the multi-phase, clocked voltage converter (1) for securing a DC consumer (6) is used against undervoltage.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrphasige getaktete Spannungswandler (1 ) je Phase eine Induktivität (L2-L5) und einen Schalter (T1-T4) aufweist, mittels dessen die Induktivität (L2-L5) wahlweise gegen den Wandlerausgang oder ein Referenzpotential geschaltet werden kann.3. Use according to claim 1 or 2, characterized in that the multi-phase clocked voltage converter (1) per phase has an inductance (L2-L5) and a switch (T1-T4), by means of which the inductance (L2-L5) selectively against the converter output or a reference potential can be switched.
4. Mehrphasiger, getakteter Spannungswandler (1 ), der je Phase wenigstens eine Induktivität (L2-L5) und einen Schalter (T1-T4) zur Magnetisierung der Induktivität (L2-L5) aufweist und zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist.4. Multi-phase, clocked voltage converter (1) having at least one inductance (L2-L5) per phase and a switch (T1-T4) for magnetizing the inductance (L2-L5) and is intended for use in a motor vehicle.
5. Spannungswandler (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang als auch am Ausgang des Spannungswandler (1 ) ein EMV-Filter (7, 8) für alle Phasen gemeinsam vorgesehen ist. 5. voltage converter (1) according to claim 4, characterized in that at the input and at the output of the voltage converter (1) an EMC filter (7, 8) is provided in common for all phases.
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