Bei batterieversorgten Systemen besteht in Fällen, in denen starke Schwankungen der Batteriespannung auftreten, oftmals der Bedarf, dar- aus eine stabile System-oder Versorgungsspannung zu erzeugen. Die Batteriespannung schwankt insbesondere in Kraftfahrzeugen stark und kann zeitweise, beispielsweise bei einem Start-bzw. Anlassvorgang des Kraftfahrzeugs, geringer sein als die gewünschte Versorgungsspan- nung. Zu diesem Zweck sind Schaltungsanordnungen zur batteriebasier- ten Spannungsversorgung gebräuchlich, die einen oder mehrere Linear- regler umfassen, die eine präzise und stabile Versorgungsspannung beispielsweise für Sensoren, Analogschaltungsteile und Mikroprozesso- ren erzeugen, die im wesentlichen frei von störenden Restweffigkeiten oder sogenannten"Rippeln"ist. Da Linearregler aufgrund ihres inneren Aufbaus eine Eingangsspannung benötigen, die höher als die Aus- gangsspannung ist, und ihre Verlustleistung von der Spannungsdifferenz zwischen Eingangs-und Ausgangsspannung und einer Ausgangslast

abhängt, werden Schaltregler zwischen Batterie und Linearregler einge- fügt. Schaltregler eignen sich zur verlustleistungsarmen Erzeugung einer Ausgangsspannung, die deutlich höher oder geringer als die Eingangs- spannung sein kann. Ihre Ausgangsspannung weist jedoch üblicherwei- se eine gewisse Restwelligkeit auf, so dass sie häufig nicht direkt zur Erzeugung einer Versorgungsspannung eines hierfür empfindlichen Schaltungsteils geeignet ist.

Wenn die Eingangsspannung sowohl größer als auch kleiner als die aus ihr zu erzeugende Spannung sein kann, werden Schaltregler verwen- det, die sowohl in Aufwärtsrichtung als auch in Abwärtsrichtung regeln können. Beispiele hierfür sind die sogenannten Single-Ended-Primary- Inductance-Converter (SEPIC), Flyback-Wandler sowie Sperr-Wandler.

Die Ausgangsspannung des Schaltreglers, die als Eingangsspannung des oder der Linearregler dient, wird zur Minimierung der Verlustleistung derart eingestellt, dass sich zwischen Eingangs-und Ausgangsspan- nung des Linearreglers eine möglichst geringe Spannungsdifferenz ein- stellt, beispielsweise ca. 1,5V.

Ein Linearregler umfasst üblicherweise ein ansteuerbares Lastelement in Form eines NMOS-Transistors, der mit der Ausgangsspannung des Schaltreglers beaufschlagt wird, als Stellglied und ein Steuerelement zur Ansteuerung des Transistors. Der Transistor ist in einen Laststrompfad zwischen den Ausgang des Schaltreglers und das oder die zu versor- genden Systeme eingeschleift. Die Baugröße des Transistors hängt stark von seiner Gate-Source-Spannung ab. Herkömmlicherweise wird das Steuerelement mit der auch am Transistor anliegenden Spannung versorgt, wodurch die Gate-Source-Spannung des Linearreglers be- grenzt und eine minimale Baugröße festgelegt ist.

Die Ausgangsspannung des Schaltreglers kann auch zur Versorgung weiterer Schaltungsteile dienen, die ein ansteuerbares Lastelement auf- weisen, welches mit der Ausgangsspannung beaufschlagt wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Motorregler handeln, der über ein Lastelement in Form eines Leistungstransistors mit der Ausgangsspan- nung betrieben wird. Auch hier hängt die minimale Baugröße des Leis- tungstransistors wiederum stark von seiner Gate-Source-Spannung ab.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Schaltungsanordnung und eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, welche mit relativ geringem Aufwand realisierbar und in der Lage sind, bei geringer Verlustleitung eine stabile Versorgungsspannung zu liefern, insbesondere auch aus einer Batterie mit merklichen Batterie- spannungsschwankungen. Weiterhin ist es wünschenswert, die Baugrö- ße der verwendeten Lastelemente zu minimieren.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Schal- tungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eines Ver- fahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst einen Schaltreg- ler, der zusätzlich zu einer ersten, geregelten Spannung eine zweite, insbesondere ungeregelte, Spannung erzeugt, die direkt oder indirekt als Versorgungsspannung für das erste Steuerelement dient. Das erste Steuerelement kann mit dieser Versorgungsspannung unabhängig von der ersten Spannung eine Ansteuerspannung für das Lastelement derart einstellen, dass sich ein günstiger Wirkungsgrad ergibt und die Baugrö- ße des oder der Lastelemente reduziert wird.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 ist die zweite Spannung größer als die erste Spannung. Dies ermöglicht die

Ansteuerung des Lastelements mit Ansteuerspannungen, die größer als die am Laststrompfad anliegenden Spannungen sind.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 bilden das ansteuerbare Lastelement und das erste Steuerelement einen ers- ten, linearen Spannungsregler zur Erzeugung einer dritten, geregelten Spannung aus der ersten Spannung. Dies ermöglicht die Erzeugung präziser Spannungen mit geringer Restwelligkeit bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 um- fasst der Schaltregler ein zweites Steuerelement und die zweite Span- nung dient direkt oder indirekt als dessen Versorgungsspannung. Das zweite Steuerelement kann beispielsweise zur internen Ansteuerung des Schaltreglers dienen und einen oder mehrere Komparatoren, Säge- zahngeneratoren sowie Operationsverstärker beinhalten. Die Versor- gung durch die zweite Spannung erleichtert ein Anlaufen des Schaltreg- lers bei niedrigen Eingangsspannungen.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 um- fasst die Schaltungsanordnung einen zweiten, vorzugsweise linearen, Spannungsregler, der aus der zweiten Spannung eine Versorgungs- spannung für das erste Steuerelement und/oder ein zweites Steuerele- ment erzeugt. Dies ermöglicht bei Bedarf die Erzeugung weiterer präzi- ser Spannungen zur internen Versorgung. Da die Leistungsentnahme aus dem zweiten Spannungsregler üblicherweise klein ist, bleibt die durch ihn bedingte Verlustleistung gering.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 sind ein erstes Gleichrichterelement, insbesondere eine Diode, in Durchlass- richtung und ein Glättungskondensator in Serie zwischen einen Verbin- dungspunkt einer Eingangsinduktivität und eines Schaltmittels und ein

Bezugspotential des Schaltreglers eingeschleift, wobei die zweite Span- nung am Verbindungspunkt von erstem Gleichrichterelement und Glät- tungskondensator ansteht. Die Spannung am Verbindungspunkt der Eingangsinduktivität und des Schaltmittels weist im Betrieb periodische Spannungsspitzen auf, die im wesentlichen der Summe aus Ein-und Ausgangsspannung des Schaltreglers entsprechen. Die zweite Span- nung wird hieraus mit Hilfe des ersten Gleichrichterelements und des Glättungskondensators gewonnen und ist größer als die Eingangsspan- nung bzw. die Ausgangsspannung des Schaltreglers.

In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 ist zwischen einen Eingangsanschluss und einen Knoten des Schaltreglers, an dem die zweite Spannung ansteht, ein zweites Gleichrichterelement, insbesondere eine Diode, in Durchlassrichtung eingeschleift. Das zweite Gleichrichterelement dient zum Anlaufen des Schaltreglers, wenn die Eingangsspannung angelegt wird. Dann kann eine eventuell noch nicht anstehende bzw. zu niedrige zweite Spannung durch die Eingangs- spannung ersetzt werden, die über das zweite Gleichrichterelement durchgeschaltet wird.

In einer vorteilhaften Schaltungsrealisierung bildet nach Anspruch 8 das Lastelement einen Emitterfolger oder Sourcefolger.

In weiteren vorteilhaften Schaltungsrealisierungen ist nach Anspruch 9 der Schaltregler als SEPIC-, Flyback-oder Sperr-Wandler ausgebildet.

Mit Hilfe derartiger Wandler können Ausgangsspannungen erzeugt wer- den, die je nach Bedarf höher oder niedriger als deren Eingangsspan- nung sind.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine zweite, insbesondere un- geregelte, Spannung durch den Schaltregler zur Versorgung des ersten Steuerelements erzeugt.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 11 werden die erste und die zweite Spannung derart erzeugt, dass die zweite Span- nung größer als die erste Spannung ist.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 12 wird das an- steuerbare Lastelement derart durch die erste Steuereinheit angesteu- ert, dass aus der ersten Spannung eine dritte, geregelte Spannung er- zeugt wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 13 wird ein zwei- tes Steuerelement, durch das der Schaltregler intern angesteuert wird, direkt oder indirekt durch die zweite Spannung versorgt.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 14 wird aus der zweiten Spannung eine Versorgungsspannung für das erste Steuerele- ment und/oder das zweite Steuerelement erzeugt.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen sche- matisch : Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Spannungs- versorgung, Fig. 2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Spannungsversor- gung mit einem Schaltregler vom SEPIC-Typ und Fig. 3 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Spannungsversor- gung mit einem Schaltregler vom Flyback-Typ.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Span- nungsversorgung mit einem Schaltregler SR, der aus einer Eingangs- spannung UE eine erste, geregelte Spannung UA1 und eine zweite un- geregelte Spannung UA2 erzeugt, und einem Linearregler LR. Der Line- arregler LR umfasst ein ansteuerbares Lastelement LE, das mit der ers- ten Spannung UA1 des Schaltreglers SR beaufschlagt wird, und ein Steuerelement AE zur Ansteuerung des Lastelements LE. Das Steuer- element AE steuert das Lastelement LE derart an, dass aus der ersten Spannung UA1 des Schaltreglers SR eine geregelte Spannung UALR mit geringer Restwelligkeit erzeugt wird, die zur Versorgung nicht ge- zeigter empfindlicher, nachgeschalteter Schaltungsteile dienen kann.

Die zweite Spannung UA2 des Schaftregfers SR dient zur Versorgung des Steuerelements AE.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung ist der Schaltregler SR von Fig. 1 als Wandler vom SEPIC-Typ ausgebildet. Der Schaltregler SR erzeugt aus einer von einer nicht gezeigten Batterie bereitgestellten Eingangsspannung UESR eine geregelte Ausgangsspannung UASR1, die höher oder niedriger als die Eingangsspannung UESR gewählt wer- den kann. Eine Eingangsinduktivität L1 und ein Schaltmittel in Form ei- nes Transistors T1 sind in Serie zwischen einen Eingangsanschluss A1 des Schaltreglers SR und Masse eingeschleift. Der Transistor T1 wird durch eine Steuereinheit SE mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert.

Zur Erzeugung des Ansteuersignals umfasst die Steuereinheit SE einen Fehlerverstärker in Form eines Operationsverstärkers OP1 und einen Sägezahngenerator SG. An einem ersten Eingang des Operationsver- stärkers OP1 liegt eine erste Referenzspannung UR1, die als Sollwert für die Ausgangsspannung UASR1 des Schaltreglers SR dient, und an einem zweiten Eingang des Operationsverstärkers OP1 die Ausgangs- spannung UASR1 an, die geeignet durch einen Spannungsteiler herun-

tergeteilt ist. Das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Ansteuersig- nals des Transistors T1 wird derart durch die Steuereinheit SE einge- stellt, dass sich der gewünschte Betrag der Ausgangsspannung UASR1 ergibt. Der Schaltregler SR umfasst weiterhin in der für Wandler vom SEPIC-Typ üblichen Beschaltung Kondensatoren C1 und C2, eine In- duktivität L2 und eine Diode D1.

Zur Erzeugung einer zweiten, ungeregelten Ausgangsspannung UASR2 umfasst der Schaltregler SR ein Gleichrichterelement in Form einer wei- teren Diode D2 und einen Glättungskondensator C3, die in Serie zwi- schen einen Verbindungspunkt N1 der Eingangsinduktivität L1 und des ersten Transistors T1 und Masse eingeschleift sind, wobei die zweite Ausgangsspannung UASR2 am Verbindungspunkt N2 der Diode D2 und des Glättungskondensators C3 ansteht. Die Spannung am Verbin- dungspunkt N1 der Eingangsinduktivität L1 und des Transistors T1 weist im Betrieb periodische Spannungsspitzen auf, die im wesentlichen der Summe aus Eingangsspannung UESR und Ausgangsspannung UASR1 des Schaltreglers SR entsprechen. Die zweite Ausgangsspannung UASR2 des Schaltreglers SR wird hieraus mit Hilfe der Diode D2 und des Glättungskondensators C3 gewonnen und ist größer als die Ein- gangsspannung UESR und die Ausgangsspannung UASR1 des Schalt- reglers.

Zwischen den Eingangsanschluss A1 des Schaltregiers SR und den Knoten N2 ist ein weiteres Gleichrichterelement in Form einer weiteren Diode D3 in Durchlassrichtung eingeschleift. Sie dient zum Anlaufen des Schaltregiers, wenn die Eingangsspannung angelegt wird. Dann kann eine eventuell noch nicht anstehende bzw. zu niedrige zweite Aus- gangsspannung UASR2 durch die Eingangsspannung ersetzt werden, die durch die Diode D3 durchgeschaltet wird. Die Diode D3 ist optional und kann in Abhängigkeit von einer einzuhaltenden Spezifikation enffal- len.

Aus der zweiten Ausgangsspannung UASR2 des Schaltreglers SR wird mit Hilfe eines linearen Spannungsreglers LR1 eine präzise, restwellig- keitsarme Versorgungsspannung für das Steuerelement SE und für ein Steuerelement eines weiteren linearen Spannungsreglers LR2 erzeugt, das in diesem Beispiel durch einen Operationsverstärker OP2 gebildet ist. Wenn an die Qualität dieser Versorgungsspannung kleinere Anforde- rungen gestellt werden, kann der Spannungsregler LR1 entfallen und die zweite Versorgungsspannung UASR2 kann direkt als Versorgungsspan- nung für das Steuerelemente SE und den Operationsverstärker OP2 dienen. Anstatt des Linearreglers LR1 kann auch eine einfachere Stabi- lisierungsschaltung verwendet werden.

Der Linearregler LR2 dient zur Erzeugung einer Systemspannung UALR2 und umfasst ein ansteuerbares Lastelement in Form eines NMOS-Transistors T2, der an seinem Drain-Anschluss mit der Aus- gangsspannung UASR1 des Schaltregiers SR beaufschlagt wird, und den Operationsverstärker OP2, dessen Ausgangsspannung zur Ansteu- erung des Transistors T2 dient. Der Transistor T2 bildet einen Last- strompfad zwischen der Ausgangsspannung UASR1 des Schaltreglers SR und der Ausgangsspannung UALR2 des Linearreglers LR2. An ei- nem ersten Eingang des Operationsverstärkers OP2 liegt eine Refe- renzspannung UR2 an, die zur Einstellung der Ausgangspannung UALR2 dient. An einem zweiten Eingang wird die über einen Messwi- derstand RM abgegriffene und bei Bedarf heruntergeteilte Ausgangs- spannung UALR2 zurückgekoppelt. Da der Operationsverstärker OP2 mit der Ausgangsspannung des Spannungsreglers LR1 versorgt wird, die größer als die am Drain-Anschluß des Transistors T2 anliegende Ausgangsspannung UASR1 des Schaltreglers ist, ist er ebenfalls in der Lage, Ansteuerspannungen bereitzustellen, die größer als die Aus- gangsspannung UASR1 sind. Die maximale Gate-Source-Spannung UGS des Transistors T2 kann beispielsweise in Abhängigkeit von der

verwendeten Technologie 5V betragen. Der Transistor T2 kann folglich entsprechend klein dimensioniert werden. Insgesamt kann dadurch Chipfläche eingespart werden, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsvariante, bei welcher der Schaltregler SR als sogenannter Flyback-Wandler gebildet ist. Da die Funktion der gezeig- ten Schaltung im Wesentlichen mit der in Fig. 2 gezeigten überein- stimmt, wird nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen.

Als Versorgungsspannung der Steuereinheit SE dient in diesem Ausfüh- rungsbeispiel direkt die Eingangsspannung UESR, die innerhalb der Steuereinheit SE auf einen passenden Wert transformiert wird. Der Li- nearregler LR1 von Fig. 2 entfällt und die am Knoten N2 anstehende, zweite Spannung UASR2 des Schaltreglers SR dient direkt zur Versor- gung des Operationsverstärkers OP2 des linearen Spannungsreglers LR2. Die in Fig. 2 gezeigte Diode D3 entfällt. Die zweite Spannung UASR2 wird durch die Diode D2 und den Kondensator C3 an einer Pri- märwicklung eines durch die Induktivitäten L1 und L2 gebildeten Trans- formators abgegriffen.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen dient die zweite Ausgangs- spannung UA2 bzw. UASR2 des Schaltreglers SR zur Versorgung des Steuerelements AE bzw. Operationsverstärkers OP2 des linearen Spannungsreglers LR bzw. LR2. Aufgrund der im Vergleich zu der ers- ten Ausgangsspannung UA1 bzw. UASR1 des Schaltreglers höheren Spannung UA2 bzw. UASR2 kann das Lastelement LE bzw. der Tran- sistors T2 kleiner dimensioniert werden.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann der lineare Spannungsregler LR2 beispielsweise durch einen Regler oder einen Treiberbaustein für einen Elektromotor

ersetzt werden, bei dem als Lastelement ein Leistungstransistor in glei- cher Weise durch ein geeignetes Steuerelement angesteuert wird.

Der Schaltregler kann selbstverständlich auch allgemein als Sperrwand- ler ausgeführt sein. Die zweite Spannung wird hierbei grundsätzlich wie gezeigt mit Hilfe eines Gleichrichterelements und eines mit Masse ver- bundenen Kondensators in Abhängigkeit vom verwendeten Wandler-Typ entweder an einem Knoten zwischen dem Schaltelement und einer In- duktivität oder einer Primärwicklung eines Transformators abgegriffen.

Die Erfindung ermöglicht eine wirtschaftlich realisierbare Schaltungsan- ordnung zur Spannungsversorgung, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, da die verwendeten Lastelemente aufgrund ihrer verbesserten Ansteue- rung kleiner dimensioniert werden können und die Betriebssicherheit über einen weiten Eingangsspannungsbereich hinweg sichergestellt ist.