Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
CIRCUIT FOR A POWER SUPPLY UNIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/053601
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a circuit for a power supply unit, which circuit provides a supply voltage at an output terminal (70) of a power output stage (30). To this end said output stage (30) is coupled by a control circuit comprising an oscillator (10) with a flip-flop (20) mounted downstream and a comparator (40, 50) connected in parallel with same. The circuit can function as a linear controller or switching controller depending on whether the output terminal (70) is connected to a capacitor (80) or an inductor (90) connected in parallel with a freewheeling diode (92).

Inventors:
ZIERHUT HERMANN DI
BICHLER HELMUT (DE)
Application Number:
PCT/DE1999/000883
Publication Date:
October 21, 1999
Filing Date:
March 25, 1999
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AG (DE)
ZIERHUT INGEBORG HF (DE)
BICHLER HELMUT (DE)
International Classes:
G05F1/575; H02M3/156; (IPC1-7): H02M3/156
Foreign References:
US5528126A1996-06-18
EP0759653A21997-02-26
DE4233078A11993-04-08
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 095, no. 005 30 June 1995 (1995-06-30)
Attorney, Agent or Firm:
WESTPHAL, MUSSGNUG & PARTNER (Mozartstrasse 8 München, DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung für ein Stromversorgungsgerät zum Be reitstellen einer Versorgungsspannung (UA) an einer Ausgangs klemme (70) einer Leistungsendstufe (30), wobei die Lei stungsendstufe (30) an einer Steuereingangsklemme (39) von einem Steuersignal einer Steuerschaltung ansteuerbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuer schaltung die Reihenschaltung eines Oszillators (10) mit nachgeschaltetem FlipFlop (20) aufweist sowie eine Verglei chereinrichtung (40,50), daß die Vergleichereinrichtung (40, 50) mit einer Strommeßeinrichtung (60) in Verbindung steht, welche ein den Ausgangsstrom durch die Leistungsendstufe (30) repräsentierendes Signal bereitstellt, und daß die Ausgänge der Vergleichereinrichtung (40,50) und des FlipFlops (20) an die Steuereingangsklemme (39) der Leistungsendstufe (30) angeschlossen sind.
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 zwischen Be zugspotential und die Ausgangsklemme (70) ein Kondensatior (80) geschaltet ist, um die Schaltungsanordnung als Linear regler zu betreiben.
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 zwischen die Ausgangsklemme (70) und Bezugspotential die Reihenschaltung einer Induktivität (90) und eines Kondensators (91) geschal tet ist, welche von einer Freilaufdiode (32) überbrückt ist, um die Schaltungsanordnung als Schaltregler zu betreiben.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Flip Flop (20) ein RSFlipFlop (20) ist, wobei der SEingang mit dem Ausgang des Oszillators (10) gekoppelt, der REingang an den QAusgang angeschlossen und der QAusgang des FlipFlops (20) an die Steuereingangsklemme (39) der Leistungsendstufe (30) geschaltet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verglei chereinrichtung (40,50) einen OpenKollektorAusgang auf weist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verglei chereinrichtung (40,50) einen ersten Vergleicher (40) auf weist, an dessen ersten Eingang (41) ein SollSpannungssignal anlegbar ist, daß dessen zweiter Eingang (42) mit der Aus gangsklemme (70) in Verbindung steht, daß der Ausgang (43) des ersten Vergleichers (40) mit dem ersten Eingang (51) ei nes zweiten Vergleichers (50) verbunden ist, daß einer zwei ten Eingangsklemme (52) des zweiten Vergleichers (50) ein IstStromsignal der Leistungsendstufe (30) zuführbar ist, und daß eine Ausgangsklemme (53) des zweiten Vergleichers (50) an die Steuereingangsklemme (39) der Leistungsendstufe (30) an geschlossen ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Flip Flop (20) einen ersten npnTransistor (21) und einen zweiten npnTransistor (22) aufweist, deren Emitteranschlüsse an Be zugspotential angeschlossen sind, daß deren Kollektoran schlüsse jeweils über einen Widerstand (24,25) an eine Ver sorgungspotentialklemme angeschlossen sind, daß der Kollek toranschluß des ersten npnTransistors (21) an eine Eingangs klemme (S) zum Anlegen eines Oszillatorsignals gekoppelt ist, daß dessen Kollektoranschluß mit dem Basisanschluß des zwei ten npnTransistors (22) in Verbindung steht, daß der Ba sisanschluß des ersten npnTransistors (21) über einen Wider stand (23) an die Ausgangsklemme (Q) des FlipFlops (20) und zugleich den Kollektoranschluß des zweiten npnTransistors (22) angeschlossen ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Lei stungsendstufe (30) einen ersten Transistor (31) aufweist, dessen Basisanschluß mit der Steuereingangsklemme (39) in Verbindung steht und dessen Emitteranschluß über einen Wider stand (32) an Bezugspotential geschaltet ist und dessen Kol lektoranschluß an den Steueranschluß eines ausgangsseitigen Leistungstransistors (34 ; 37) gekoppelt ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kollek toranschluß des ersten Transistors (31) direkt mit dem Steu eranschluß des Leistungstransistors (34) verbunden ist, daß der Kollektoranschluß des Leistungstransistors (34) mit der Ausgangsklemme (70) in Verbindung steht, und daß dessen Emit teranschluß mit einer Klemme zum Anlegen einer Versorgungs spannung verbunden ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kollek toranschluß des Transistors (31) über eine Stromspiegelanord nung (35,36) an den Basisanschluß des Leistungstransistors (37) der Leistungsendstufe (30) angeschlossen ist.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß an die Lei stungsendstufe (30) ein Strommeßwiderstand (60) angeschlossen ist, und daß der Verbindungspunkt des Strommeßwiderstandes (60) und der Leistungsendstufe (30) mit der zweiten Klemme (52) der Vergleichseinrichtung (50) in Verbindung steht.
Description:
Beschreibung Schaltungsanordnung für ein Stromversorgungsgerät Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Stromversorgungsgerät gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Schaltungsanordnungen zum Bereitstellen einer Versorgungs- spannung sind überall dort notwendig, wo aus einer Eingangs- spannung eine fest vorgegebene Ausgangsspannung bereitge- stellt werden soll ohne Batterien einzusetzen. In der Regel erzeugt man die an der Ausgangsklemme bereitzustellende Gleichspannung durch Transformieren und Gleichrichtung einer Netzspannung. Die so gewonnene Gleichspannung weist aber in der Regel eine beträchtliche Welligkeit auf und ändert sich bei Belastungs-und Netzspannungsschwankungen. Deshalb wird meist ein Spannungsregler nachgeschaltet, der diese Schwan- kungen ausregelt.

Eine Möglichkeit für eine solche Ausregelung bieten sogenann- te lineare Spannungsregler. Bei diesen Stromversorgungsgerä- ten wird die Ausgangsspannung einer Gleichrichterschaltung nicht direkt als Betriebsspannung für elektronische Schaltun- gen eingesetzt, sondern vorher durch einen Spannungsregler stabilisiert und geglättet. Der einfachste lineare Spannungs- regler ist ein sogenannter Emitterfolger, dessen Basis an ei- ne Referenzspannungsquelle angeschlossen ist. Beispiele für lineare Spannungsregler sind in dem Buch"Halbleiter- Schaltungstechnik"von U. Tietze und Ch. Schenk, 10. Auflage, in Kapitel 18.3"Lineare Spannungsregler"auf den Seiten 542 bis 555 detailliert beschrieben.

Eine andere Variante, stabilisierte Gleichspannungen zu er- zeugen, besteht darin, Schaltregler einzusetzen. Diese sind in dem genannten Buch in Kapitel 18.5 auf den Seiten 561 bis 571 ebenfalls beschrieben. Der wesentliche Vorteil von sol- chen Schaltreglern besteht darin, daß sie im Vergleich zu den

linearen Spannungsreglern deutlich geringere Verluste aufwei- sen, also einen höheren Wirkungsgrad besitzen. Die Verluste lassen sich deshalb stark reduzieren, weil bei den Schaltreg- lern im Vergleich zu linearen Spannungsreglern der in der Leistungsendstufe befindliche Transistor nicht kontinuierlich geregelt, sondern wie ein Schalter betrieben, also ein-und ausgeschaltet wird.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Schaltungsanord- nung für ein Stromversorgungsgerät anzugeben, das, je nach äußerer Beschaltung des Stromversorgungsgerätes, einmal als linearer Spannungsregler und zum anderen als Schaltregler be- treibbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran- sprüche.

Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, eine Leistungs- endstufe vorzusehen, die von einer besonders ausgestalteten Steuerschaltung angesteuert wird. Die Steuerschaltung verfügt über einen Oszillator mit nachgeschaltetem Flip-Flop. Der Ausgang des Flip-Flops ist mit einer Steuereingangsklemme der Leistungsendstufe in Verbindung. Zugleich ist die Steuerein- gangsklemme der Leistungsendstufe an eine Vergleichereinrich- tung geschaltet. Der Ausgang der Vergleicheranordnung ist hierfür mit einem Open-Kollektor-Ausgang versehen. Die Ver- gleichereinrichtung ist des Weiteren mit einer StrommeBein- richtung in Verbindung, welche ein den Ausgangsstrom durch die Leistungsendstufe repräsentierendes Signal bereitstellt.

Wenn die Ausgangsklemme der Leistungsendstufe nur über einen Kondensator, also eine kapazitive Einrichtung, auf Bezugspo- tential geschaltet ist, arbeitet die Schaltungsanordnung als Linearregler. Die Leistungsendstufe ist dann ein einfacher Spannungs-Stromwandler im Linearbetrieb. Wird dagegen eine

Induktivität, vorzugsweise die Reihenschaltung einer Indukti- vität mit Kondensator, zwischen die Ausgangsklemme der Lei- stungsendstufe und Bezugspotential geschaltet und eine Frei- laufdiode hierzu parallel vorgesehen, so arbeitet die gesamte Schaltungsanordnung im Schaltnetzteilbetrieb. Die Leistungs- endstufe wird dann nicht kontinuierlich geregelt, sondern ein-und ausgeschaltet. Die Schaltfrequenz bestimmt die Aus- gangsspannung an der Ausgangsklemme der Schaltungsanordnung.

Das Flip-Flop der Schaltungsanordnung ist in einer Weiterbil- dung der Erfindung als RS-Flip-Flop ausgebildet, bei dem der S-Eingang mit dem Ausgang des Oszillators gekoppelt ist. Der R-Eingang ist zugleich der Q-Ausgang des Flip-Flops und zu- gleich an die Steuereingangsklemme der Leistungsendstufe an- geschlossen.

Im Wesentlichen läßt sich das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip wie folgt zusammenfassen. Grundsätzlich ist die Schaltungsanordnung als Step-Down-Regler eines Schaltnetzge- rätes und damit als Abwärts-Regler konzipiert. Die Ansteue- rung der Leistungsendstufe erfolgt dadurch, daß aus der Ver- gleichseinrichtung und dem Flip-Flop ein Ansteuersignal be- reitgestellt wird in der Weise, daß der Ausgang Q des Flip- Flops gleichzeitig der R-Eingang des Flip-Flops ist. Der Os- zillator setzt laufend das Flip-Flop. Darüber hinaus wirkt der Ausgang der Vergleichseinrichtung, die den Ausgangsstrom der Leistungsendstufe mit einer Soll-Vorgabe vergleicht, auch auf den R-Eingang des Flip-Flops.

Die Schaltungsanordnung kann beispielsweise als Tiefsetzstel- ler bzw. Sperrwandler arbeiten, um eine Eingangsspannung von 11 Volt bis 22 Volt auf 5 Volt Ausgangsspannung zu wandeln.

Andererseits kann, wenn die Ausgangsklemme der Schaltungsan- ordnung nur mit einem Kondensator beschaltet ist und nicht mit einer Induktivität sowie Freilaufdiode, auch als einfa- cher linearer Spannungsregler arbeiten, der die Eingangsspan- nung von 11 Volt bis 22 Volt auf 5 Volt regelt. Der Betrieb der Schaltungsanordnung als linearer Spannungsregler emp-

fiehlt sich jedoch nur dann, wenn verhältnismäßig wenig Strom an der Ausgangsklemme der Schaltungsanordnung bereitgestellt werden soll.

Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit Ausfüh- rungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 das prinzipielle Schaltbild einer Schaltungsanord- nung für ein Stromversorgungsgerät nach der Erfin- dung, welches als Linearregler arbeitet, Fig. 2 die Schaltungsanordnung von Figur 1, jetzt jedoch mit einer äußeren Beschaltung für einen Schaltnetz- teilbetrieb, Fig. 3 die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Leistungs- endstufe in einer weiteren Schaltungsvariante, und Fig. 4 einen Schaltungsausschnitt der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnung.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung für ein Stromversorgungsgerät weist einen Oszillator 10 mit nachge- schaltetem Flip-Flop 20 sowie eine Leistungsendstufe 30 auf.

Der Oszillator 10 und das Flip-Flop 20 sind zu deren Span- nungsversorgung mit einer Bezugspotentialklemme und einer Klemme für Versorgungsspannung U1 gekoppelt. Der Oszillator 10 weist ausgangsseitig einen Schalttransistor 11 auf, dessen Emitter beispielhaft an Bezugspotential liegt und dessen Kol- lektoranschluß die Ausgangsklemme des Oszillators 10 bildet.

Diese Ausgangsklemme ist mit einer Eingangsklemme, hier dem S-Eingang des Flip-Flops 20, das als RS-Flip-Flop ausgebildet ist, verbunden. Der Ausgang Q des Flip-Flops ist zugleich der

R-Eingang dieses Flip-Flops 20 und mit der Steuereingangs- klemme 39 der Leistungsendstufe 30 in Kontakt.

Das Flip-Flop 20 weist einen ersten npn-Transistor 21 und ei- nen zweiten npn-Transistor 22 auf, deren Emitteranschlüsse jeweils an Bezugspotential angeschlossen sind. Der Kollek- toranschluß des ersten Transistors 21 ist über einen Wider- stand 24 mit der Klemme für Versorgungsspannung U1 in Verbin- dung. Der Kollektoranschluß des zweiten Transistors 22 ist ebenfalls über einen Widerstand 25 mit dieser Klemme in Kon- takt. Der Kollektoranschluß des ersten Transistors 21 ist des Weiteren mit dem Eingang S des Flip-Flops 20 und der Kollek- tor des zweiten Transistors 22 mit dem Ausgang Q des Flip- Flops 20 in Verbindung. Der Eingang S ist darüber hinaus mit dem Basisanschluß des zweiten Transistors 22 in Kontakt. Der Basisanschluß des ersten Transistors 21 ist über einen Wider- stand 23 mit dem Ausgang Q des Flip-Flops 20 verbunden.

Die Leistungsendstufe 30 verfügt über einen eingangsseitigen Transistor 31, der vorliegend als npn-Transistor ausgebildet ist. Der Basisanschluß dieses Transistors 31 ist mit der Steuereingangsklemme 39 in Verbindung und dessen Emitteran- schluß über einen Widerstand 32 an Bezugspotential geschal- tet. Der Kollektoranschluß des Transistors 31 ist mit einem Leistungstransistor 34, der vorliegend als pnp-Transistor ausgebildet ist, in Verbindung. Der Emitteranschluß dieses Transistors 34 ist an eine Klemme für eine zweite Versor- gungsspannung U2 angeschlossen. der Kollektoranschluß dieses Leistungstransistors 34 ist mit der Ausgangsklemme 70 der Schaltungsanordnung in Verbindung.

Diese Ausgangsklemme 70 ist zugleich mit einer Verglei- chereinrichtung, vorliegend bestehend aus zwei hintereinander geschalteten Vergleichern 40,50 in Kontakt. An der zugehö- renden Verbindungsleitung ist eine Ist-Spannung abgreifbar, die die aktuelle Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme 70 repräsentiert. Diese Ist-Spannung wird einem zweiten Eingang 42 des ersten Vergleichers 40 zugeführt. Der erste Eingang 41

erhält ein Soll-Spannungssignal als Referenz. Der Ausgang 43 dieses ersten Vergleichers 40 ist mit einem ersten Eingang 51 eines zweiten Vergleichers 50 in Verbindung. Ein zweiter Ein- gang 52 dieses zweiten Vergleichers 50 erhält ein den Ist- Strom der Leistungsendstufe 30 repräsentierendes Spannungs- signal. Der Ausgang 53 des zweiten Vergleichers 50, der als Open-Kollektor-Ausgang einen ausgangsseitigen Transistor 54 aufweist, ist an die Steuereingangsklemme 39 der Leistungs- endstufe 30 geschaltet. Am Ausgang 53 liegt ein Spannungs- signal an, das den Sollstromwert repräsentiert.

Das den Ist-Strom repräsentierende Spannungssignal wird da- durch bereitgestellt, daß parallel zum Leistungstransistor 34 der Leistungsendstufe 30 ein"kleinerer"Transistor 33 paral- lel geschaltet ist. Das Flächenverhältnis der beiden Transi- storen 33 und 34 kann beispielsweise 1 zu 100 betragen. Zwi- schen dem Kollektoranschluß des Transistors 33 und Bezugspo- tential ist ein Stromfühlwiderstand 60 geschaltet und der Verbindungspunkt des Stromfühlwiderstandes 60 mit dem Kollek- tor des Transistors 33 mit der zweiten Eingangsklemme 52 des zweiten Vergleichers 50 in Verbindung. Hierdurch wird ein Ist-Stromsignal, das dem Ausgangsstrom proportional ist, zur Verfügung gestellt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ausgangsklemme 70 der Schaltungsanordnung lediglich mit einem Kondensator 80 gegen Bezugspotential geschaltet. Die Schaltungsanordnung ar- beitet als einfacher Linearregler. Dies bedeutet, daß die Leistungsendstufe 30 als Spannungs-Stromwandler fungiert. Der Leistungstransistor 34 wird deshalb kontinuierlich geregelt, je nachdem, wie hoch der augenblickliche Ist-Strom-bzw. die augenblickliche Ist-Spannung ist.

In Figur 2 ist die Beschaltung der Ausgangsklemme 70 so ge- wählt, daß die Schaltungsanordnung im Schaltnetzteilbetrieb und damit Schaltreglerbetrieb arbeitet. Hierbei ist zwischen die Ausgangsklemme 70 und Bezugspotentialklemme die Serien- schaltung einer Induktivität 90 und eines Kondensators 91 ge-

schaltet. Parallel zur Induktivität 90 und dem Kondensator 91 ist eine Freilaufdiode 92 geschaltet. Der zweite Eingang 42 des ersten Komparators 40 ist jetzt nicht mit der Ausgangs- klemme 70, sondern mit dem Verbindungspunkt zwischen Indukti- vität 90 und Kondensator 91 in Kontakt. Die Leistungsendstufe 30 wird jetzt nicht mehr kontinuierlich geregelt, wie in der Schaltungsanordnung von Figur 1 der Fall, sondern nur noch ein-und ausgeschaltet. Damit ist der Schaltnetzteilbetrieb sichergestellt.

Zur Betriebsweise der Schaltungsanordnung von Figur 1 und Figur 2 ist folgendes festzustellen. Die Leistungsendstufe 30 ist bei einer Spannung von 1 x UBE an der Basis des Transi- stors 31 gesperrt. Wegen der Emitterfolgerschaltung durch die Transistoren 31,32 steigt der Strom durch die Leistungsend- stufe ungefähr linear an zwischen 1 x UBE an der Basis des Transistors 31 und ca. +2 Volt. Die Spannung +2 Volt ist der Pegel logisch 1 an dem Ausgang Q des Flip-Flops 20. Unterhalb der Spannung 1 x UBE kippt deshalb das Flip-Flop 20 auf lo- gisch Lo-Pegel. Die Leistungsendstufe 30 ist also linear und digital steuerbar, je nach der Vorgabe des Ausgangssignals der zweiten Komparatoreinrichtung 50.

In Figur 3 ist die Leistungsendstufe 30 mit einem npn- Leistungstransistor 37 realisiert. Hierfür ist der Kollektor des Transistors 31 über eine aus den Transistoren 35 und 36 bestehende Stromspiegelschaltung mit dem Basisanschluß des Leistungstransistors 37 in Verbindung. Der Emitteranschluß ist an die Ausgangsklemme 70 gekoppelt. Zugleich ist der Ba- sisanschluß und der Emitteranschluß des Leistungstransistors 37 über einen Widerstand 45 miteinander in Verbindung. Der Kollektoranschluß des Leistungstransistors 37 ist an die Ver- sorgungsspannung U2 geschaltet. Zur Strommessung ist ein wei- terer npn-Transistor 38 vorgesehen, dessen Basis mit der Ba- sis des Leistungstranssistors 37 verbunden ist un dessen Kol- lektor über eine Stromspiegelschaltung 44, die nur teilweise dargestellt ist, an die Versorgungsspannung U2 geschaltet.

Der Emitter ist an einen anschluß des Stromfühlwiderstand 60 gelegt, dessen anderer Anschluß an Bezugspotential liegt.

Wie in Figur 3 wiederum dargestellt, kann durch die äußere Beschaltung der Anschlußklemme 70 mit einem Kondensator 80 oder einer Induktivität 90 mit in Reihe geschalteter Kapazi- tät 91 sowie Freilaufdiode 92 entweder ein Linearregler oder ein Sperrwandler realisiert werden.

In Figur 4 ist ausschnittsweise die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Schaltungsanordnung nochmals illustriert. Das Flip-Flop 20 ist jetzt im Block als RS-Flip-Flop dargestellt, dessen S-Eingang mit dem Ausgang des Oszillators in Verbin- dung steht und dessen R-Eingang mit dem Q-Ausgang kurzge- schlossen ist. Der Q-Ausgang ist nicht beschaltet.