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Title:
SWITCHING CONTROLLER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1997/034363
Kind Code:
A1
Abstract:
The aim is to reduce voltage fluctuations in the event of, for example, pulsed load fluctuations arising at the output of a switching controller. To achieve this, the load on the control system in the switching controller is reduced by the addition to the output variable of a correction or control value which is a function of the load fluctuations; for example, in the case of a switching controller operated in current mode, a control voltage corresponding to the coil cut-out current in the switching controller is added. The load reduction is sufficient to ensure that the control system no longer needs to intervene. The correction or control value, which is known or can be determined e.g. by measurement depending on the place of deployment of the switching controller, e.g. in a DECT/GAP base station or mobile unit, is used to make available the electrical power required at a given time at the load at the output of the switching controller for a nearly constant output voltage. For a DECT/GAP base station or mobile unit, this arrangement has a positive effect on the transmission power.

Inventors:
BERNS WERNER (DE)
Application Number:
PCT/DE1997/000434
Publication Date:
September 18, 1997
Filing Date:
March 06, 1997
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
BERNS WERNER (DE)
International Classes:
H02M3/156; H04B1/56; H04B15/00; H04M19/00; H04M19/08; H04Q7/30; (IPC1-7): H02M3/156
Foreign References:
US4885674A1989-12-05
US5177676A1993-01-05
US5297014A1994-03-22
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Claims:
Patentanεpruche
1. Schaltregler, der im StromBetriebModus arbeitet, der an dem Ausgang des Schaltreglers (SR, SRm) eine sich zeitlich unterschiedlich ändernde Last (R;, IL) aufweist und der eine Regeleinrichtung (RS) und eine einen Eingangsstrom (I P) deε Schaltreglers und einen durch ein Schaltelement (TR) des Schaltreglers fließenden Schaltεtrom (Is) enthaltende Regel εtrecke (SP, KO, TR, ISP, Is) , die einen Regelkreiε derart bilden, daß e durch die Laεt (RL, IL) fließender Auε gangsstrom (IL) des Schaltreglerε (SR, SRm) die Regelgroße (RGR) des Regelkreises bildet, gekennzeichnet durch eine der Regeleinrichtung (RS) zugefuhrten Fuhrungsgroße (FGR) , deren Wert eine erfaßbare Funktion (F) der εich zeit lieh unterschiedlich ndernden Last (RL, II) ist.
2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet , daß die Last (RL, I am Schaltreglerausgang sich pulεformig periodisch ändert.
3. Verwendung des Schaltreglers nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 als abwartsgeregelten Drosεelwandler.
4. Verwendung deε Schaltreglers nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 als aufwartsgeregelten Droεεelwandler.
5. Verwendung deε Schaltreglers nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 als abwarts/aufwartεgeregelten Drosselwandler.
6. Verwendung des Schaltreglers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 einem Telekommunikationsendgerat eines zumindest nach dem TDMAPrinzip aufgebauten Telekommunikationssystemε .
7. Verwendung des Schaltreglers nach Anspruch 6 n einer DECT/GAPBassiεtation und/oder einem DECT/GAPMobilteil eines DECT/GAPSystemε .
Description:
Beschreibung

Schaltregler

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler gemäß dem Oberbe¬ griff des Patentanspruches 1.

Schaltregler oder auch Drosselwandler sind Gleichspannungs- wandler, die ohne Potentlaitrennung zwischen Eingang und Aus- gang arbeiten.

Das Prinzip eines Schaltreglers besteht darin, daß über einen gesteuerten Schalter Energie aus einer vorgeschalteten Gleichstromquelle auf einen aus einer Induktivität und einer Kapazität bestehenden Speicher geleitet wird. Aus diesem

Speicher wird dann eine am Ausgang des Schaltreglers betrie¬ bene Last gespeist. Ändert sich der Lastwiderstand und damit die Spannung an dem Laεtwiderstand, so wird mit einer daraus abgeleiteten Regelgroße das EIN/AUS-Tastverhaltnis des Schal- ters so gesteuert, daß die Ausgangsspannung - bis auf einen kleinen Restfehler - wieder den Sollwert annimmt.

Die vorteilhaf en Eigenschaf en des Schaltreglers sind gerin¬ ge Verluste, die Möglichkeit einer Abwarts-, Aufwärts- und Abwarts-/Aufwartsregelung sowie die Möglichkeit einer Polu - kehrung. Die nachteiligen Eigenschaf en sind ein höherer Auf¬ wand an Schaltmitteln, eine komplizierte Schaltung, eine eventuelle Überlagerung von Rausch- und Storspannungen (Rippel) auf der AusgangsSpannung des Schaltreglers und eine relativ langsame Ausregelung von LastSchwankungen.

Aufgrund der vorteilhaf en Eigenschaf en des Schaltreglers bzw. des Drosselwandlers wird dieser gemäß des Siemens- Druckwerkes W. Hirschmann/A. Hauenstein: „Schaltnetzteile - Konzepte, Bauelemente, Anwendungen", 1990, ISBN 3-8009-1550- 2, Seiten 40 bis 44 in Schaltnetzteilen eingesetzt. Schalt¬ netzteile sind getaktete Stromversorgungen, die sich zuneh¬ mend m vielen Gebieten der Elektronik und Elektrotechnik, so

2 z. B. in der Daten- und Nachrichtentechnik, durchsetzen. Die Anwendung von Schaltnetzteilen ist dabei immer dann von Vor¬ teil, wenn eine konstante AusgangsSpannung möglichst mit ge¬ ringen Verlustleistungen erzeugt werden soll. Der Einsatz von Schaltnetzteilen hat aber insbesondere dann seine Grenzen bzw. einen hohen Schaltaufwand zur Folge, wenn der Strom am Ausgang des Schaltreglers in dem Schaltnetzteil stark schwankt .

Eine derartig starke Schwankung des Ausgangsstroms liegt bei¬ spielsweise - wie die FIGUREN 1 bis 3 und deren nachfolgende Beschreibungen zeigen - in einem DECT/GAP-System mit einer Basisstation und mindestens einem mit der Basisstation durch Telekommunikation verbundenen Mobilteil vor, bei dem die Stromversorgung der Basisstation und des Mobilteils getaktet is .

FIGUR 1 zeigt ein DECT/GAP-System, bei dem gemäß dem DECT/GAP-Standard (Digital European Cordless Telecommunicati- on; vgl. (1): Nachrichtentechnik Elektronik 42 (1992)

Jan./Feb. Nr. 1, Berlin, DE; U. Pilger „Struktur des DECT- Standards", Seiten 23 bis 29 in Verbindung mit ETS 300175- 1...9, Okt. 1992; (2): Telcom Report 16 (1993) , Nr. 1, J. H. Koch: „Digitaler Komfort für schnurlose Telekommunikation - DECT-Standard eröffnet neue Nutzungsgebiete", Seiten 26 und 27; (3) : tec 2/93 - Das technische Magazin von Ascom „Wege zur universellen mobilen Telekommunikation", Seiten 35 bis 42; Generic Access Profile; vgl. ETSI-Publikation prETS 300444, April 1995, Final Draft, ETSI, FR) an einer DECT/GAP- Basisstation BS über eine für den Frequenzbereich zwischen

1,88 und 1,90 Ghz ausgelegte DECT/GAP-Luf schnittstelle maxi¬ mal 12 Verbindungen nach dem TDMA/FDMA/TDD-Verfahren (Time Division Multiple Access/Frequency Division Multiple Access/ Time Division Duplex) parallel zu DECT/GAP-Mobilteilen MT1...MT12 aufgebaut werden. Die Zahl 12 ergibt sich aus ei¬ ner Anzahl „k" von für den Duplexbetrieb eines DECT/GAP- Systems zur Verfügung stehenden Zeitschlitzen bzw. Telekommu-

nikationskanalen (k = 12) . Die Verbindungen können dabei in¬ tern und/oder extern sein. Bei einer internen Verbindung kön¬ nen zwei an der Basisstation BS registrierte Mobilteile, z. B. das Mobilteil MT2 und das Mobilteil MT3 , miteinander kommunizieren. Für den Aufbau einer externen Verbindung ist die Basisstation BS mit einem Telekommunikationsnetz TKN, z. B. in leitungsgebundener Form über eine Telekommunikati- onsanschlußeinheit TAE bzw. eine Nebenstellenanlage NStA mit einem leitungsgebundenen Telekommunikationsnetz oder gemäß der WO 95/05040 in drahtloser Form als Repeaterstation mit einem übergeordneten Telekommunikationsnetz, verbunden. Bei der externen Verbindung kann man mit einem Mobilteil, z. B. mit dem Mobilteil MTl, über die Basisstation BS, die Telekom- munikationsanschlußeinheit TAE bzw. Nebenstellenanlage NStA mit einem Teilnehmer in dem Telekommunikationsnetz TKN kommu¬ nizieren. Besitzt die Basisstation BS - wie im Fall des Giga- set 951 (Siemens Schnurlostelefon, vgl. Telcom Report 16, 1993, Heft 1, Seiten 26 und 27) - nur einen Anschluß zu der Telekommunikationsanschlußemheit TAE bzw. der Nebenstellen- anläge NStA, so kann nur eine externe Verbindung aufgebaut werden. Hat die Basisstation BS - wie im Fall des Gigaset 952 (Siemens Schnurlostelefon; vgl. Telcom Report 16, 1993, Heft 1, Seiten 26 und 27) - zwei Anschlüsse zu dem Telekommunika¬ tionsnetz TKN, so ist zusätzlich zu der externen Verbindung mit dem Mobilteil MTl eine weitere externe Verbindung von ei¬ nem an die Basisstation BS angeschlossenen leitungsgebundenen Telekom unikationsendgerat TKE möglich. Dabei ist es prinzi¬ piell auch vorstellbar, daß ein zweites Mobilteil, z. B. das Mobilteil MT12 anstelle des Telekommunikationsendgerates TKE den zweiten Anschluß für eine externe Verbindung nutzt. Die Mobilteile MT1...MT12 werden gemäß der nachvero fentlichten deutschen Patentanmeldung 195 45 762.5 im Handbetrieb (Normalbetrieb) mit einer Batterie oder einem Akkumulator und im Freisprechbetrieb in Verbindung mit einer an ein Span- nungsnetz SPN angeschlossenen Ladestation betrieben. Die als schnurlose Klem-Vermittlungsanlage ausgebildete Basisstation

wird über ein Netzanschlußgerat NAG an das Spannungsnetz SPN angeschlossen.

FIGUR 2 zeigt ausgehend von der Druckschrift Components 31 (1993), Heft 6, Seiten 215 bis 218; S. Althammer, D. Bruck- mann: „Hochoptimierte IC' s für DECT-Schnurlostelefone" den prinzipiellen Schaltungsaufbau der Basisstation BS und des Mobilteils MT. Die Basisstation BS und das Mobilteil weisen danach ein Funkteil FKT mit einer zum Senden und Empfangen von Funksignalen zugeordneten Antenne ANT, eine Signalverar¬ beitungsemrichtung SVE und eine Zentrale Steuerung ZST auf, die in der dargestellten Weise miteinander verbunden sind. In dem Funkteil FKT sind im wesentlichen die bekannten Einrich¬ tungen wie Sender SE, Empfanger EM und Synthesizer SYN ent- halten. In der Signalverarbeitungsemrichtung SVE ist unter anderem eine Codιer-/Decodιereιnrιchtung CODEC enthalten. Die Zentrale Steuerung ZST weist sowohl für die Basisstation BS als auch für das Mobilteil MT einen Mikroprozessor μP mit ei¬ nem nach dem OSI/ISO-Schichtenmodell aufgebauten Programm- modul PGM, ein Signalsteuerungsteil SST und einen digitalen Signalprozessor DSP auf, die in der dargestellten Weise mit¬ einander verbunden sind. Von den m Schichtenmodell definier¬ ten Schichten sind nur die unmittelbar für die Basisstation BS und das Mobilteil MT wesentlichen ersten vier Schichten dargestellt. Das Signalsteuerungsteil SST ist in der Basis¬ station BS als Time Switch Controller TSC und m dem Mobil¬ teil MT als Burst Mode Controller BMC ausgebildet. Der we¬ sentliche Unterschied zwischen den beiden Signalsteuerungs- teilen TSC, BMC besteht darin, daß der basisstationsspezifι- sehe Signalsteuerungsteil TSC gegenüber dem mobilteilspezifI- schen Signalsteuerungsteil BMC zusätzlich Vermittlungsfunk¬ tionen (Switch-Funktionen) übernimmt.

Die prinzipielle Funktionsweise der vorstehend aufgeführten Schaltungseinheiten ist beispielsweise in der vorstehend zi¬ tierten Druckschrift Components 31 (1993) , Heft 6, Seiten 215 bis 218 beschrieben.

Der beschriebene Schaltungsaufbau nach FIGUR 2 wird bei der Basisstation BS und dem Mobilteil MT gemäß deren Funktion in dem DECT/GAP-System nach FIGUR 1 durch zusätzliche Funktions- einheiten ergänzt.

Die Basisstation BS ist über die Signalverarbeitungsemrich¬ tung SVE und der Telekommunikationsanschluße heit TAE bzw. der Nebenstellenanlage NStA mit dem Telekommunikationsnetz TKN verbunden. Als Option kann die Basisstation BS noch eine Bedienoberflache aufweisen (in FIGUR 2 gestrichelt einge¬ zeichnete Funktionseinheiten) , die z. B. aus einer als Tasta¬ tur ausgebildeten Eingabeeinrichtung EE, einer als Display ausgebildeten Anzeigeeinrichtung AE, eine als Handapparat mit Mikrofon MIF und Hörkapsel HK ausgebildeten Sprech-

/Hore richtung SHE sowie einer Tonrufklingel TRK besteht.

Das Mobilteil MT weist die bei der Basisstation BS als Option mögliche Bedienoberfläche mit den zu dieser Bedienoberflache gehörenden vorstehend beschriebenen Bedienelementen auf.

Zur Stromversorgung der vorstehend beschriebenen Funktions¬ und Schaltungseinheiten in der Basisstation BS und dem Mo¬ bilteil MT ist jeweils eine Stromversorgungseinrichtung STVE vorgesehen. Wahrend die Stromversorgungseinrichtung STVE der Basisstation BS - gemäß FIGUR 1 - über das Netzanschlußgerat NAG an das Spannungsnetz SPN angeschlossen ist, ist die Stromversorgungseinrichtung STVE des Mobilte ls MT im Handap¬ paratbetrieb des Mobilteils MT nicht an das Spannungsnetz SPN angeschlossen und im Freisprechbetrieb - gemäß der nachveröf¬ fentlichten deutschen Patentanmeldung 195 45 762.5 - über das Netzanschlußgerat NAG einer Ladestation LST - wie die Ba¬ sisstation BS - an das Spannungsnetz SPN angeschlossen. Im Handapparatbetrieb des Mobilteils MT werden die Funktions- und Schaltungseinheiten des Mobilteils MT mit Strom aus einem Energiespeicher ESP der Stromversorgungseinrichtung STVE ver¬ sorgt. Der Energiespeicher ESP wird dazu im Ladebetrieb des

Mobilteils - wenn das Mobilteil MT mit der Ladestation LST verbunden ist - von der Ladeεtation LST aufgeladen. Im Frei- εprechbetrieb des Mobilteils MT, d. h. wenn das Mobilteil MT mit der Ladestation LST verbunden ist, können die Funktions- und Schaltungse heiten entweder wiederum aus dem Energie¬ speicher ESP oder unmittelbar aus dem Spannungsnetz SPN mit Strom versorgt werden.

Die Stromversorgungseinrichtungen STVE der Basisstation BS und des Mobilteils MT weisen außerdem eweils einen

Schaltregler SR mit einer Eingangsspannung V_. und einer Aus- gangsspannung V a auf. Der Schaltregler SR in der Basisstation BS erhalt die Eingangsspannung V β unmitelbar von dem Netzan¬ schlußgerat NAG, wahrend der Schaltregler SR des Mobilteils MT die Eingangsspannung V e von dem Energiespeicher ESP er¬ halt .

FIGUR 3 zeigt einen möglichen Schaltungsaufbau des Schal¬ tungsreglers SR als Aufwartsregier. Neben der Verwendung als Aufwartsregier ist es auch möglich, den Schaltungsregler SR als Abwartsregler oder als Aufwarts-/Abwartsregler aufzubau¬ en.

Über ein gesteuertes elektronisches Schaltelement TR wird ei- ne proportional zur Eingangsspannung V e proportionale Energie auf einen aus einer Spule SP und einem Kondensator KO beste¬ henden Speicher geleitet . Aus diesem Speicher wird dann eine Last R L mit der zu der gespeicherten Energie proportionalen Ausgangsspannung V a gespeist. Die Strombilanz in dem Schaltregler SR sieht so aus, daß durch die Spule SP einen

Spulenstrom I SP , durch das elektronische Schaltelement TR ein Schaltstrom I s und durch die Last R ein Laststrom 1 ^ fließt. Mit dem durch die Last R ^ fließenden Laststrom I L werden je¬ weils die TDMA-Sendebetrιebs-/Empfangsbetriebsverhältnisse des Mobilteils MT und der Basisstation BS im Sinne eines Er¬ satzschaltbildes dargestellt. Daraus ergibt sich, daß sich der Laststrom Ii aufgrund des nach dem TDMA-Prinzip vorgege-

benen Belegens der Sende- bzw. Empfangskanale (Sende- bzw. E pfangszeitschlitze) durch die Basisstation BS und des Mo- bilteils/der Mobilteile MT entsprechend zeitlich ändert. Nach dem TDMA-Prmzip wiederholt sich jeder Ubertragungskanal (Sende- bzw. Empfangskanal) mit einer Frequenz von 100 Hz, so daß bei Belegung von nur einem Sende- bzw. Empfangskanal durch die Basisstation BS bzw. des Mobilteils MT der durch die Last R L fließende Laststrom I L eine Frequenz von 100 Hz aufweist. Dies ist gleichbedeutend damit, daß alle 10 ms eine Lastanderung auftritt (periodische pulsformige Lastanderung) . Bei der Belegung von mehreren Ubertragungskanälen, z. B. in der Basisstation BS durch parallele Telekommunikationsverb - dungen zu mehreren Mobilteilen MT, erhöht sich die Frequenz der Lastanderung entsprechend.

Ändert sich der Laststrom und damit die AusgangsSpannung V d an der Last R t , so wird mit einer daraus abgeleiteten Regel¬ große RGR das EIN/AUS-Tastverhaltnis das elektronische Schaltelement TR so gesteuert, daß die Ausgangsspannung V a wieder den Sollwert annimmt. Für die vorstehend beschriebenen Lastanderungen ist eine Regelungsschaltung RS des Schaltreg¬ lers SR, die in der FIGUR 3 gestrichelt umrandet ist, wegen ihrer Trägheit nicht in der Lage, den Strombedarf an die je¬ weils aktuellen Lastverhaltnisse anzupassen. Dies ist gleich- bedeutend damit, daß die störende Restwelligkeit der Aus¬ gangsspannung V a bestehen bleibt .

Darüber hinaus besteht das Problem, daß bei auftretenden pe¬ riodischen Lastanderungen der vorstehend beschriebenen Art mit einer Lastanderungsfrequenz, die n etwa der Regelfre¬ quenz fl der Regelschaltung RS entspricht, „chaotische Zu¬ stande" des Schaltreglers SR auftreten können.

Um das Problem, nahezu konstanter Auεgangsspannungen bei zeitlich unterschiedlich auftretenden Lastanderungen, z. B. bei pulsformig periodisch auftretenden Lastanderungen, am

Ausgang eines Schaltreglers m den Griff zu bekommen, ist es allgemein bekannt,

1) den Kondensator KO gegen bessere Kondensatoren mit einem niedrigeren Serienwiderstand (ESR= Equivalent Series Resi- stance) auszutauschen;

2) mehrere der Kondensatoren KO parallel zu schalten, wodurch ebenfalls der ESR-Wert verkleinert wird;

3) die Kapazität des verwendeten Kondensators zu erhohen.

Weiterhin kann die Regelung des Schaltreglerε verbessert wer¬ den. Dies ist aber nur bedingt möglich, weil die Regelung ei¬ ne Regeltotzeit von mindeεtens 1/fl hat, wobei fl die Ar¬ beitsfrequenz des Schaltreglers ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, Spannungsschwankungen bei, z. B. pulsförmig auftretenden, Lastanderungen am Ausgang eines Schaltreglers zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem in dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 definierten Schaltregler durch die in dem Kennzeichen angegebenen Merkmale gelost .

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, den in der Beschreibungsemleitung definierten/angegebenen Schaltregler εo zu modifizieren, daß durch Hinzufugen einer Korrektur- bzw. Steuergroße, die eine Funktion der Lastande¬ rung ist, zur Regelgroße, z. B. bei einem im Strom-Modus be¬ triebenen Schaltregler eine den Spulenabschaltstrom des Schaltreglerε entsprechende Regelspannung, die Regelung in dem Schaltregler so stark entlaεtet wird, daß sie nicht mehr eingreifen muß. Durch die Korrektur- bzw. Steuergröße, die je nach Einsatzort des Schaltreglers, z. B. Verwendung des Schaltreglers in einer DECT/GAP-Basiεstation bzw. einem DECT/GAP-Mobilteil, bekannt oder z. B. durch Messungen erfaß- bar ist, wird die jeweils aktuell benotigte Menge an elektri¬ scher Leistung an der Last am Ausgang des Schaltreglers bei einer nahezu konstanten Ausgangεspannung des Schaltreglerε

bereitgestellt. Für die/das vorεtehend angeεprochene DECT/GAP-Basisεtation bzw. DECT/GAP-Mobilteil wirkt sich dies positiv auf die jeweilige Sendeleistung aus.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranεpruchen angegeben.

Em Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird anhand der FIGUR 4 erläutert .

FIGUR 4 zeigt ausgehend von FIGUR 3 einen modifizierten Ξchaltregler SR m , bei dem der Regelschaltung RS neben der Re¬ gelgroße RGR eine Fuhrungsgroße FGR zugeführt wird. Die Fuh- rungεgroße FGR lεt dabei eine Funktion F der εich zeitlich unterschiedlich, z. B. pulεformig periodisch, ändernden Last. So gilt f r diese Funktion F z. B. folgende Beziehung: F(I )= k I L bzw. F(R L )= k R L . Der Faktor k ist dabei jeweils em Kor¬ rekturwert, der den zusätzlichen Strombedarf bestimmt.