DE10040453A1 - Schaltnetzgerät - Google Patents

Abstract

Schaltnetzgerät, das folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - Anschlussklemmen (EK1, EK2) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (V); DOLLAR A - eine an die Anschlussklemmen (EK1, EK2) angeschlossene Reihenschaltung einer Spule (L1) eines über einen Steueranschluss (G) ansteuerbaren Schalters (T) und einer Spannungsversorgungseinheit (SV); DOLLAR A - eine an die Spule (L1) gekoppelte Verbrauchereinheit zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung (Vout) für einen Verbraucher (RL); DOLLAR A - eine Ansteuereinheit (IC1) mit einer Ausgangsklemme (A1), die an den Steueranschluss (G) des Schalters (T) angeschlossen ist, und mit einem Versorgungsanschluss (VK1), der an die Spannungsversorgungseinheit (SV) angeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltnetzgerät.

Schaltnetzgeräte sind zur Bereitstellung einer lastunabhängi­ gen Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung weithih be­ kannt.

Ein als Sperrwandler funktionierendes Schaltnetzgerät ist beispielsweise in dem Aufsatz Wilfried Blaesner: "Schaltnetz­ teile mit Stromregelung einfach realisiert" in: elektronik 3/2.2.1990, Seiten 34 bis 48, beschrieben. Bei dem dort in Bild 9 dargestellten Schaltnetzteil ist eine Reihenschaltung einer Primärspule eines Übertragers und eines als Leistungs- MOSFET ausgebildeten Schalters an eine Eingangsspannung ange­ schlossen. Bei geschlossenem Schalter nimmt die Primärspule dabei Energie auf und gibt diese bei anschließend geöffnetem Schalter an eine Verbrauchereinheit ab, welche über eine Se­ kundärspule des Übertragers induktiv an die Primärspule ge­ koppelt ist. Der Leistungs-MOSFET wird bei dem bekannten Schaltnetzteil durch eine Ansteuerschaltung angesteuert, die an den Gate-Anschluss des Leistungs-MOSFET angeschlossen ist.

Um die Spannungsversorgung, und damit das Funktionieren, der Ansteuerschaltung sicherzustellen, ist ein Spannungsversor­ gungsanschluss der Ansteuerschaltung über einen Widerstand an die Eingangsspannung angeschlossen. Des weiteren ist eine in­ duktiv an die Primärspule gekoppelte Spannungsversorgungs­ schaltung vorhanden, die ebenfalls an den Versorgungsan­ schluss der Ansteuerschaltung angeschlossen ist.

Das Anschließen der Ansteuerschaltung an die Eingangsspannung bringt üblicherweise große Verluste mit sich, die in dem Widerstand anfallen, und die dadurch bedingt sind dass die Ver­ sorgungsspannung der Ansteuerschaltung normalerweise geringer als die Eingangsspannung ist. Das Vorsehen einer induktiv an die Primärspule gekoppelten Spannungsversorgungseinheit ist vergleichsweise aufwändig und daher für Schaltznetzgeräte in Massengütern, wie Batterie-Ladegeräten, Adaptern zwischen Mo­ bilfunktelefonen und PCs, und dergleichen, die unter einem hohen Kostendruck stehen, zu kostenintensiv. Des weiteren lässt sich die in der Spannungsversorgungseinheit des bekann­ ten Schaltnetzteils erforderliche Spule nicht in einem An­ steuerchip integrieren.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltnetzteil zur Verfügung zu stellen, das einfach und kostengünstig mit bekannten Bauteilen realisiert werden kann, und das weitge­ hend in einem Chip integriert werden kann.

Dieses Ziel wird durch ein Schaltnetzteil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Danach weist das erfindungsgemäße Schaltnetzteil Anschluss­ klemmen zum Anlegen einer Versorgungsspannung und eine an die Anschlussklemmen angeschlossene Reihenschaltung einer Spule, eines über einen Steueranschluss ansteuerbaren ersten Schal­ ters und einer Spannungsversorgungseinheit auf. Eine Verbrau­ chereinheit ist dabei an die Spule gekoppelt und stellt eine Ausgangsspannung für einen an Ausgangsklemmen angeschlossenen Verbraucher zur Verfügung. Des weiteren ist eine Ansteuerein­ heit mit einer Ausgangsklemme, die an den Steueranschluss des ersten Schalters angeschlossen ist, und mit einem Versor­ gungsanschluss, der an die Spannungsversorgungseinheit ange­ schlossen ist, vorgesehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Schaltnetzgerät wird die Ansteuer­ schaltung ausschließlich über die Spannungsversorgungseinheit in Reihe zu der Spule gespeist, ein Anschluss der Ansteuer­ schaltung an die Eingangsspannung ist somit nicht erforder­ lich. Wegen des direkten Anschlusses der Spannungsversor­ gungseinheit an die Spule ist auch keine induktive Kopplung der Spannungsversorgungseinheit an die Spule erforderlich, wodurch auf Spulen in der Spannungsversorgungseinheit ver­ zichtet werden kann und wodurch es möglich ist, die Span­ nungsversorgungseinheit und die Ansteuereinheit weitgehend in einem Halbleiterkörper zu integrieren.

Die Erfindung ist sowohl für Schaltnetzteile geeignet, bei denen ein Verbraucher induktiv an die Spule gekoppelt ist, als auch für Schaltnetzteile, bei denen der Verbraucher di­ rekt an die Spule angeschlossen ist, wie beispielsweise bei einem sogenannten "Buck-Converter".

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgese­ hen, dass der erste Schalter ein selbstleitender Transistor, insbesondere ein selbstleitender Feldeffekttransistor ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass bei Anlegen einer Eingangsspannung die Spannungsversorgungseinheit über die Spule sofort Strom aufnimmt, um eine Versorgungsspannung für die Ansteuereinheit zur Verfügung zu stellen. Die Ansteuer­ einheit wird durch die anliegende Versorgungsspannung einge­ schaltet und kann den ersten Schalter nachfolgend durch Schließen und Öffnen geeignet ansteuern.

Vorzugsweise sind der als Halbleiterschalter ausgebildete erste Schalter und die Ansteuereinheit in einem Halbleiter­ körper integriert. Dies senkt die Herstellungskosten des er­ findungsgemäßen Schaltnetzteils, da die Integration des ers­ ten Schalters in den Chip der Ansteuerschaltung wesentlich günstiger ist, als die Bereitstellung eines separaten Bauele­ ments für den in Reihe zu der Spule geschalteten ersten Schalter und die Ansteuerschaltung. Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil ist insbesondere geeignet für Anwendungen, die unter hohem Kostendruck stehen und einfach und preisgünstig herstellbar sein sollen, wie beispielsweise Batterie- Ladegeräte, Adapter zwischen Computern und Mobiltelefonen usw., und bei denen der Stromfluss durch den ersten Schalter so bemessen werden kann, dass die resultierende Wärmeabgabe an den Ansteuer-IC nicht zu einer Beschädigung führt. Als erster Schalter wird vorzugsweise ein sogenannter Cool-MOS- Transistor verwendet, bei dem die Wärmeentwicklung in leiten­ dem Zustand durch einen geringen Einschaltwiderstand redu­ ziert ist.

Zur Regelung der Ausgangsspannung ist gemäß einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung eine an die Verbrauchereinheit gekop­ pelte Rückkopplungseinheit vorgesehen, die an die Ansteuer­ einheit angeschlossen ist. Die Rückkopplungseinheit liefert Informationen bezüglich der Ausgangsspannung in Form eines Rückkopplungssignals an die Ansteuereinheit zurück, wobei die Ansteuereinheit den ersten Schalter abhängig von dem Rück­ kopplungssignal ansteuert. Auf diese Weise kann Schwankungen der Ausgangsspannung, die durch Laständerungen oder auch durch Schwankungen der Eingangsspannung bedingt sein können, entgegengewirkt werden. Sinkt die Ausgangsspannung beispiels­ weise unter einen Sollwert ab, so verlängert die Ansteuerein­ heit die Zeitdauern, in welchen der erste Schalter eingeschaltet ist und/oder die Frequenz, mit der der erste Schal­ ter eingeschaltet wird, um die Leistungsaufnahme der Spule zu steigern. Steigt die Ausgangsspannung über einen vorgegebenen Sollwert, so verkürzt die Ansteuerschaltung die Zeitdauern, in welchen der erste Schalter eingeschaltet ist und/oder ver­ ringert die Frequenz, mit der der Schalter eingeschaltet wird, um die Leistungsaufnahme der Spule zu verringern und einem Ansteigen der Ausgangsspannung entgegenzuwirken.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorge­ sehen, dass auch die Rückkopplungseinheit in dem selben Halb­ leiterkörper, wie die Ansteuerreinheit und der erste Schalter integriert ist. Die Rückkopplungseinheit ist insbesondere mittels eines Optokopplers an die Verbrauchereinheit gekop­ pelt, wobei ein Empfänger des Optokopplers in bekannter Weise in dem Halbleiterkörper integrierbar ist.

Die Spannungsversorgungseinheit weist vorzugsweise in Reihe zu der Spule und dem ersten Schalter eine in Sperrrichtung geschaltete Zenerdiode auf, wobei die Durchbruchspannung die­ ser Zenerdiode die an die Ansteuereinheit und die Rückkopp­ lungseinheit abgegebene Versorgungsspannung bestimmt. Um Schwankungen dieser Versorgungsspannung zu vermeiden, ist pa­ rallel zu der Zenerdiode eine Kapazität angeordnet, aus wel­ cher die Ansteuereinheit und die Rückkopplungseinheit ver­ sorgt werden, wenn der Schalter sperrt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist paral­ lel zu der Zenerdiode ein zweiter Schalter, vorzugsweise ein durch die Ansteuerschaltung ansteuerbarer Halbleiterschalter vorgesehen. Dieser weitere zweite Schalter reduziert in lei­ tendem Zustand die über der Zenerdiode abfallende Spannung und ist vorzugsweise derart angesteuert, dass er zeitlich erst nach dem ersten Schalter zu leiten beginnt, um vorher eine Aufladung der Kapazität auf die Sperrspannung der Zener­ diode zu ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei­ spielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Schaltnetzteils;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper, in welchem ein Schalter, dessen Ansteuereinheit, sowie eine Zenerdiode der Spannungsversorgungseinheit in­ tegriert ist;

Fig. 3 ausgewählte Signalverläufe eines Rückkopplungssig­ nals, eines Ansteuersignals sowie eines intern in der Ansteuereinheit generierten Sägezahnsignals;

Fig. 4 Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines er­ findungsgemäßen Schaltnetzteils.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile mit gleicher Bedeu­ tung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Schaltnetzgeräts, welches Eingangklemmen EK1, EK2 zum Anlegen einer Eingangsspannung Vin und Ausgangsklemmen AK1, AK2 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung Vout für einen Verbraucher RL, der in dem Ausführungsbeispiel als ohmscher Widerstand ausgebildet ist, aufweist. Aufgabe des Schaltnetzteils ist es, die Ausgangsspannung Vout wenigstens annähe­ rungsweise unabhängig von der Last RL und wenigstens annähe­ rungsweise unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung Vin konstant zu halten. Dazu ist bei dem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil eine Reihenschaltung einer Spule L1, eines als Leistungstransistor ausgebildeten ersten Schalters T und ei­ ner Spannungsversorgungseinheit SV vorgesehen, die an die Eingangsklemmen EK1, EK2 angeschlossen ist. Die Spannungsver­ sorgungseinheit SV speist eine Ansteuerschaltung IC1 über ei­ nen Versorgungsanschluss VK1, wobei ein Ausgang A1 der An­ steuerschaltung IC1 an den Gate-Anschluss G des Leistungs­ transistors T angeschlossen ist, um diesen anzusteuern. Ein weiterer Anschluss der Ansteuereinheit IC1 ist an die Ein­ gangsklemme EK2, bzw. an Bezugspotential GND, angeschlossen.

Die Spule L1 ist eine Primärspule eines Übertragers, an wel­ che induktiv eine Sekundärspule L2 des Übertragers gekoppelt ist, wobei die Sekundärspule Bestandteil einer Verbraucher­ einheit VE ist. Der Sekundärspule L2 ist in dem Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 1 zur Bereitstellung der Ausgangsspannung Vout eine einfache Gleichrichtereinheit bestehend aus einer Diode D2 und einer Kapazität C2 nachgeschaltet, wobei die Ausgangsspannung Vout parallel zu Anschlussklemmen der Kapa­ zität C2 anliegt, welche gleichzeitig die Ausgangsklemmen AK1, AK2 zum Anschließen der Last RL bilden.

Bei dem Schaltnetzteil gemäß Fig. 1 ist weiterhin eine Rück­ kopplungseinheit IC2 vorhanden, die ein von der Ausgangsspan­ nung Vout abhängiges Rückkopplungssignal RS an einer Aus­ gangsklemme A2 zur Verfügung stellt, das einem Eingang E1 der Ansteuerschaltung IC1 zugeführt ist. Einem Eingang E2 der Rückkopplungseinheit IC2 ist zur Bereitstellung des Rückkopp­ lungssignals RS ein von der Ausgangsspannung Vout abhängiges Signal zugeführt, welches auf einfache Weise mittels eines parallel zu den Ausgangsklemmen AK1, AK2 geschalteten Wider­ stands R2 erzeugt und mittels eines Optokopplers, von welchem nur eine Leuchtdiode LED in Reihe zu dem Widerstand R2 darge­ stellt ist, an die Rückkopplungseinheit IC2 übertragen wird. Der Empfänger des Optokopplers ist in der Rückkopplungsein­ heit IC2 integriert. Die Übertragung des rückgekoppelten Spannungssignals auf optischem Wege dient der Potentialtren­ nung zwischen der Ausgangsseite und der Eingangsseite, bzw. der Ansteuerschaltung IC1, des Schaltnetzgeräts.

Der Leistungstransistor T ist als selbstleitender Feldeffekt­ transistor ausgebildet, d. h. bei einem ersten Anlegen einer Eingangsspannung Vin an die Eingangsklemmen EK1, EK2 fließt ein Strom über die Spule L1 und den Transistor T in die Span­ nungsversorgungseinheit SV, welche die Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung IC1 übernimmt. Es fließt so lange Strom über den Transistor T, bis dieser angesteuert durch die An­ steuerschaltung IC1 gesperrt wird.

Bei leitendem Transistor T nimmt die Primärspule L1 Energie auf, welche sie anschließend bei gesperrtem Transistor T an die Sekundärseite abgibt, wo aus einer über der Sekundärspule L2 abfallenden Spannung durch Gleichrichtung die Ausgangs­ spannung Vout gebildet wird. Aufgabe der Ansteuereinheit IC1 ist es, den Transistor T abhängig von dem Rückkopplungssignal RS, bzw. der Ausgangsspannung Vout, derart anzusteuern, dass die Ausgangsspannung Vout wenigstens annäherungsweise lastu­ nabhängig und wenigstens annäherungsweise unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung Vin ist. Die Rückkopplungs­ einheit IC2 und die Ansteuereinheit IC1 können dabei her­ kömmliche bei bekannten Schaltnetzteilen bereits verwendete Schaltungsanordnungen sein, welche diesen Zwecke erfüllen.

Wenn die Ausgangsspannung Vout oberhalb eines Sollwerts liegt, soll der Transistor T beispielsweise nur für jeweils kurze Zeitdauern eingeschaltet wird, um die Übertragung der Leistung an die Verbrauchereinheit VE zu reduzieren. Wenn die Ausgangsspannung Vout unterhalb eines Sollwerts liegt, soll der Feldeffekttransistor T beispielsweise für längeren Zeit­ dauern eingeschaltet werden, um dadurch die an die Sekundär­ seite übertragene Leistung, und damit die Ausgangsspannung Vout zu erhöhen.

Die für die Spannungsversorgung der Ansteuereinheit IC1 und der Rückkopplungseinheit IC2 verwendete Spannungsversorgungs­ einheit SV weist eine Zenerdiode Z1 auf, die in Sperrrichtung in Reihe zu der Primärspule L1 und den Schalter T geschaltet ist. Die Zenerdiode Z1 ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass sie bei einer Spannung, die kleiner oder gleich der Durchbruchspannung ist, in den Durchbruch geht, so dass über der Zenerdiode Z1 eine konstante Spannung Vz1, die Durch­ bruchspannung der Zenerdiode anliegt. Parallel zu der Zener­ diode Z1 ist ein Kondensator C1 geschaltet. Vorzugsweise ist, wie in Fig. 1 dargestellt ist, in Reihe zu dem Kondensator C1 eine Diode D1 geschaltet, die ein Abfließen einer in dem Kon­ densator C1 gespeicherten Ladung über die Zenerdiode Z1 ver­ hindert.

Ein Versorgungsanschluss VK1 der Ansteuereinheit IC1 und ein Versorgungsanschluss VK2 der Rückkopplungseinheit IC2 sind an einen der Diode D1 und dem Kondensator C1 gemeinsamen Knoten angeschlossen. Bei leitendem Transistor T fließt über diesen Knoten ein Strom in die Ansteuereinheit IC1, die Rückkopp­ lungseinheit IC2 und/oder den Kondensator C1, wobei bei lei­ tendem Transistor T die Ansteuereinheit IC1 und die Rückkopp­ lungseinheit IC2 ausschließlich aus dem Kondensator C1 gespeist werden. Die Zenerdiode Z1 begrenzt die über dem Kon­ densator C1 abfallende Spannung Vc1 und damit die über der Ansteuereinheit IC1 und der Rückkopplungseinheit IC2 abfal­ lende Spannung.

Bereits bei einem ersten Anlegen der Eingangsspannung Vin an die Eingangsklemmen EK1, EK2 baut sich eine Spannung über der Zenerdiode Z1 bzw. an den Versorgungsanschlüssen VK1, VK2 der Ansteuereinheit IC1 und der Rückkopplungseinheit IC2 aufgrund des zu Beginn leitenden Feldeffekttransistors T auf. Die An­ steuereinheit IC1 und die Rückkopplungseinheit IC2 werden auf diese Weise aktiv und können den Feldeffekttransistor T nach­ folgend durch Schließen und Öffnen geeignet ansteuern.

Zur Ansteuerung des Transistors T ist in der Ansteuereinheit IC1 beispielsweise ein Signalgenerator zur Erzeugung eines Sägezahnsignals integriert, wobei der Feldeffekttransistor T1 jeweils mit dem Beginn einer Periode des Sägezahnsignals ein­ geschaltet wird und wobei der Feldeffekttransistor T ausge­ schaltet wird, wenn das ansteigende Sägezahnsignal eine Refe­ renzwert übersteigt. Dieser Zusammenhang ist zur Veranschau­ lichung in Fig. 3 dargestellt, wobei als Referenzsignal das rückgekoppelte Signal RS verwendet ist. Fig. 3 zeigt Ansteu­ ersignale AS, die direkt über die genannte Beziehung aus dem Sägezahnsignal SZ und dem Rückkopplungssignal RS gebildet sind. Der in Fig. 1 verwendete selbstleitende n-Kanal- Feldeffekttransistor T leitet bereits, wenn sein Gate- Anschluss auf einem niedrigen Potential, beispielsweise Be­ zugspotential GND liegt, und er sperrt, wenn sein Gate- Anschluss auf einem negativen Potential liegt. Die Signalpe­ gel des Ansteuersignals sind über geeignete Schaltungsmaßnah­ men so gewählt, dass der Feldeffekttransistor T leitet, wenn das Ansteuersignal AS den in Fig. 4 gezeigten oberen Signalpegel annimmt, und dass der Feldeffekttransistor sperrt, wenn das Ansteuersignal den unteren Signalpegel annimmt.

Das Rückkopplungssignal RS ergibt sich vorzugsweise aus der Differenz eines Referenzsignals und des Ausgangssignals Vout bzw. eines von dem Ausgangssignal Vout abhängigen Signals, das der Rückkopplungseinheit über den Optokoppler an dem Ein­ gang E2 zugeführt ist. Das Rückkopplungssignal RS steigt auf diese Weise an, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, wenn das Ausgangssignal Vout absinkt, und das Rückkopplungssignal RS wird kleiner, wenn das Ausgangssignal Vout ansteigt. Wie aus den Signalverläufen in Fig. 4 ersichtlich ist, wird bei einer Ansteuereinheit gemäß der dort beschriebenen Funktionsweise der Feldeffekttransistor T nach Maßgabe des Sägezahnsignals SZ fest getaktet eingeschaltet, wobei die Einschaltdauern ab­ hängig von der Ausgangsspannung Vout, bzw. dem Rückkopplungs­ signal RS sind, und wobei die Einschaltdauern länger werden, wenn das Rückkopplungssignal RS ansteigt, bzw. wenn die Aus­ gangsspannung Vout absinkt.

Die in Fig. 3 veranschaulichte Funktionsweise einer Ansteuer­ einheit ist mittels bekannter Schaltungsmaßnahmen auf einfa­ che Weise realisierbar. Selbstverständlich sind beliebige weitere Ansteuereinheiten einsetzbar, die den Schalter T der­ art ansteuern, dass bei einem Absinken der Ausgangsspannung Vout die Schaltfrequenz, mit der Schalter eingeschaltet wird, und/oder die Einschaltdauer, für welcher der Schalter einge­ schaltet bleibt, zunimmt und dass bei einem Ansteigen der Ausgangsspannung Vout die Einschaltfrequenz und/oder die Ein­ schaltdauern abnimmt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sowohl der Feldeffekttransistor T als auch die Ansteuereinheit IC1 und wenigstens Teile der Spannungsversorgungsein­ heit SV in einem Halbleiterkörper integriert sind.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen derartigen Halb­ leiterkörper 100. Der Halbleiterkörper 100 ist n-dotiert, wo­ bei zur Bildung einer Drain-Zone 11 des ersten Transistors T eine stark n-dotierte Wanne von einer Vorderseite 102 in den Halbleiterkörper 101 eindotiert ist. In lateraler Richtung des Halbleiterkörpers beabstandet zu der Drain-Zone 11 ist eine p-dotierte Wanne 12 ausgebildet, in der stark n-dotierte Zonen 13 als Source-Zonen ausgebildet sind, die an eine Sour­ ce-Elektrode 15, S auf der Oberfläche 102 des Halbleiterkör­ pers 100 angeschlossen sind. Auf der Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers ist dabei zwischen der Drain-Zone und den Source-Zonen 13 eine Gate-Elektrode 16 aufgebracht, die mit­ tels einer Isolationsschicht 17 gegenüber dem Halbleiterkör­ per 100 isoliert ist. Unterhalb der Gate-Elektrode ist in dem Halbleiterkörper 100 eine n-dotierte Zone 14 ausgebildet, die bewirkt, dass der Feldeffekttransistor T bereits bei Anlegen einer Spannung zwischen der Drain-Elektrode D und der Source- Elektrode S leitet. Der leitende Kanal unterhalb der Gate- Elektrode 16 wird bei dem vorliegenden Feldeffekttransistor T abgeschnürt, wenn ein negatives Potential an die Gate- Elektrode G angelegt wird.

Zur Bildung der Zenerdiode Z1 der Spannungsversorgungseinheit SV ist in dem Halbleiterkörper beabstandet zu dem Feldeffekt­ transistor T eine p-dotierte Zone Z1 ausgebildet, in der eine stark n-dotierte Zone 22 ausgebildet ist. Die p-dotierte Zone 21 ist an Bezugspotential angeschlossen, wobei der Anschluss dieser Zone 21 an das Bezugspotential GND lediglich schema­ tisch dargestellt ist. Bei der Realisierung kann die leitende Verbindung der p-dotierten Zone 21 mit einem an dem Halbleiterkörper 100 vorhandenen Anschluss für Bezugspotential GND auf herkömmliche Weise erfolgen. Dies gilt für sämtliche der in Fig. 2 nur schematisch dargestellten Verdrahtungen zwi­ schen den in dem Halbleiterkörper 100 integrierten Bauelemen­ ten. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in Fig. 2 auf eine detailgetreue Darstellung einer Verdrahtungsebene, wie sie bei allen integrierten Schaltungen vorhanden sind, verzichtet.

Die stark n-dotierte Zone 22 der Zenerdiode Z1 ist an den Source-Anschluss S des Feldeffekttransistor T1 angeschlossen. Als externe Bauelemente sind bei dem Ausführungsbeispiel ge­ mäß Fig. 2 die Reihenschaltung aus der Diode D1 und dem Kon­ densator T1 ausgebildet, wobei die Diode D1 an die stark n- dotierte Zone 22 der Zenerdiode Z1 angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt beispielhaft lediglich einen Teil der in dem Halbleiterkörper 100 integrierten Ansteuerschaltung IC1. Wei­ tere Bauelemente zur Realisierung einer Ansteuereinheit IC1 mit den oben genannten Eigenschaften sind in bekannter Weise in dem Halbleiterkörper 100 zu integrieren. Ein Halbleiter­ baustein, in dem eine Ansteuerschaltung für ein Schaltnetz­ teil integriert ist, ist beispielsweise der Baustein TDA 4718 der Firma Siemens.

Die Ansteuerschaltung IC1 weist ein Paar komplementärer Tran­ sistoren T1, T2 auf, welche einen gemeinsamen Gate-Anschluss G2 aufweisen. Ein p-leitender Transistor T1 ist durch eine p- dotierte Drain-Zone 31 und eine beabstandet dazu ausgebildete p-dotierte Source-Zone 32 ausgebildet, wobei auf einer Vor­ derseite des Halbleiterkörpers isoliert durch eine Isolati­ onsschicht 33 eine Gate-Elektrode 34 zwischen der Drain-Zone 31 und der Source-Zone 32 ausgebildet ist. Die Source-Zone 32 ist an den Gate-Anschluss G des Feldeffekttransistors T ange­ schlossen. Ein n-leitender Transistor T2 ist durch eine p- leitende Wanne 41 in dem Halbleiterkörper 100 ausgebildet, wobei in der p-leitenden Wanne 41 eine stark n-dotierte Drain-Zone 43 und beabstandet dazu eine stark n-dotierte Source-Zone 42 ausgebildet ist. Auf der Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers ist isoliert durch eine Isolationsschicht 44 eine Gate-Elektrode 45 dieses zweiten Transistors T2 aus­ gebildet. Die Drain-Zone 43 des n-leitenden Transistors T2 ist ebenfalls an die Gate-Elektrode G des Feldeffekttransis­ tors T angeschlossen. Die Source-Zone 42 des zweiten Transis­ tors T2 ist mit dem p-leitenden Body-Bereich 41 kurzgeschlos­ sen und an das Bezugspotential GND angeschlossen.

Der p-leitende Transistor T1 und der n-leitende Transistor T2 leiten bzw. sperren komplementär, d. h. der ersten Transistor T1 leitet, wenn der zweite Transistor T2 sperrt, und umge­ kehrt. Der Gate-Anschluss G des Transistors T wird bei lei­ tendem ersten Transistor T1 an das über dem Kondensator C1 anliegende Versorgungspotential Vc1 angelegt, während der Ga­ te-Anschluss G bei leitendem zweiten Transistor an Bezugspo­ tential GND gelegt wird.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 ermöglicht eine einfache und kos­ tengünstige Realisierung einer Ansteuerschaltung IC1 zusammen mit dem Schalter T in einem Halbleiterkörper, wodurch die Kosten für ein erfindungsgemäßes Schaltnetzteil gering gehal­ ten werden können. Der Feldeffekttransistor T ist vorzugswei­ se derart dimensioniert, dass die an dem Halbleiterkörper 100 abgegebene Wärmeleistung vorzugsweise geringer als 1 Watt ist. Somit ist die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 2 vorzugsweise für Schaltnetzteile mit geringer Leistung ein­ setzbar.

Fig. 4 zeigt ein Schaltnetzteil gemäß einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung, bei dem ein zweiter Schalter T12, der in dem Beispiel als selbstsperrender Feldeffekttransistor ausgebildet ist, parallel zu der Zenerdiode Z1 der Spannungs­ versorgungsschaltung SV geschaltet ist. Der zweite Transistor T12 wird ebenfalls durch die Ansteuerschaltung IC1 angesteu­ ert. Die bei leitendem zweiten Transistor T12 über dessen Drain-Source-Strecke anfallende Spannung ist geringer als die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z1. In leitendem Zustand reduziert der zweite Transistor T12 die über der Zenerdiode Z1 anfallende Spannung Vz1 und erhöht dadurch die an der Spu­ le L1 zur Verfügung stehende Spannung.

Der zweite Transistor T12 ist vorzugsweise derart angesteu­ ert, dass er zeitlich nach dem ersten Transistor T zu leiten beginnt. Bei leitendem ersten Transistor T1 und sperrendem zweiten Transistor T12 wird der Kondensator C1 auf den Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiode Z1 aufgeladen. Leitet anschließend auch der zweite Transistor T12 wird der Konden­ sator C1 nicht mehr weiter aufgeladen, die Diode D1 verhin­ dert dann, dass die Ladung von dem Kondensator C1 über den leitenden zweiten Transistor T2 nach Bezugspotential GND ab­ fließt.

Der zweite Transistor T12 kann über einen separaten Ausgang der Ansteuerschaltung IC1 angesteuert werden oder sein Gate- Anschluss kann, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, an die­ selbe Ausgangsklemme A1 wie der Gate-Anschluss G des ersten Transistors T1 angeschlossen sein. Zwischen die Ausgangsklem­ me A1 und den zweiten Transistor T12 ist ein Widerstand R ge­ schaltet, der bei einem Ansteigen des Potentials an der Aus­ gangsklemme A1 bewirkt, dass die Gate-Source-Kapazität dieses Transitors langsam aufgeladen wird, so dass er verzögert ge­ genüber dem ersten Transistor T leitet.

Wenn der Kondensator C1 auf den Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiode Z1 aufgeladen ist, sollte das Potential an der Ausgangsklemme A1 vorzugsweise ebenfalls wenigstens diesem Wert entsprechen, um den ersten Transistor T1 bei sperrendem zweiten Transistor T12 leitend zu machen. Diese Ausgangsspan­ nung ist ausreichend, um auch den zweiten Transistor leitend zu machen.

Die in den Fig. 1 und 4 dargestellte Schaltanordnung mit erstem Transistor T1, Spannungsversorgungsschaltung SV, An­ steuerschaltung IC1 und gegebenenfalls zweitem Transistor T12 kann in einem Gehäuse mit nur 4 Anschlusspins untergebracht werden. Ein erster Anschlusspin P1 ist zum Anschließen an die Spule L, ein zweiter Pin P2 ist zum Anschließen an Bezugspo­ tential GND, ein dritter Pin ist zum Anschließen an des Kon­ densators C1 und ein vierter Pin ist zum Zuführen des Rück­ kopplungssignals RS vorgesehen. Auf die Verbindung zwischen der Rückkopplungseinheit IC2 und der Spannungsversorgungsein­ heit SV kann verzichtet werden, wenn die Rückkopplungseinheit IC2 über eine eigene Spannnungsversorgung verfügt.

Der erste Transistor T1 und/oder der zweite Transistor T12 sind vorzugsweise als sogenannte Cool-MOS-Transistoren ausge­ bildet, die einen geringen Einschaltwiderstand aufweisen wor­ aus eine geringe Wärmeabgabe an den Halbleiterkörper, in dem sie vorzugsweise zusammen mit der Ansteuerschaltung IC1 in­ tegriert sind, resultiert.

Bezugszeichenliste

A1 Ausgangsklemme der Ansteuereinheit
A2 Ausgangsanschluss der Rückkopplungsschaltung
AK1, AK2 Ausgangklemmen
AS Ansteuersignal
C1 Kondensator
D Drain-Anschluss
D1 Diode
D2 Diode
E1 Eingangsanschluss der Ansteuereinheit
E2 Eingangsanschluss der Rückkopplungsschaltung
EK1, EK2 Eingangsklemmen
G Gate-Anschluss
GND Bezugspotential
IC2 Rückkopplungsschaltung
LED Leuchtdiode
L1 Primärspule
L2 Sekundärspule
R2 Widerstand
RL Last
RS Rückkopplungssignal
S Source-Anschluss
SZ Sägezahnsignal
T Feldeffekttransistor
T1 Erster Transistor
T2 Zweiter Transistor
T12 Zweiter Transistor
Vc1 Spannung über dem Kondensator
Vin Eingangsspannung
VK1 Versorgungsanschluss der Ansteuereinheit
VK2 Versorgungsanschluss der Rückkopplungsschaltung
Vout Ausgangsspannung
Vz1 Spannung über der Zenerdiode
Z1 Zenerdiode

11

Drain-Zone

12

p-dotierte Zone

13

Source-Zone

14

n-dotierte Zone

16

Gate-Elektrode

17

Isolationsschicht

21

p-dotierte Zone

22

n-dotierte Zone

31

,

32

p-dotierte Zone

33

Isolationsschicht

34

Gate-Elektrode

41

p-dotierte Zone

42

,

43

n-dotierte Zonen

44

Isolationsschicht

45

Gate-Elektrode
G2 Gate-Anschluss

Claims (15)

1. Schaltnetzgerät, das folgende Merkmale aufweist:
Anschlussklemmen (EK1, EK2) zum Anlegen einer Versorgungs­ spannung (V);
eine an die Anschlussklemmen (EK1, EK2) angeschlossene Rei­ henschaltung einer Spule (L1), eines über einen Steueran­ schluss (G) ansteuerbaren ersten Schalters (T) und einer Spannungsversorgungseinheit (SV);
eine an die Spule (L1) gekoppelte Verbrauchereinheit zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung (Vout) für einen Verbraucher (RL);
eine Ansteuereinheit (IC1) mit einer Ausgangsklemme (A1), die an den Steueranschluss (G) des ersten Schalters (T) ange­ schlossen ist, und mit einem Versorgungsanschluss (VK1), der an die Spannungsversorgungseinheit (SV) angeschlossen ist.

2. Schaltnetzgerät nach Anspruch 1, bei dem der erste Schal­ ter (T) ein selbstleitender Transistor, insbesondere ein selbstleitender Feldeffekttransistor ist.

3. Schaltnetzgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Schalter (T) und die Ansteuereinheit (IC1) in einem Halblei­ terkörper (100) integriert sind.

4. Schaltnetzgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin eine an die Verbrauchereinheit (VE) gekoppelte Rückkopplungseinheit (IC2) mit einem Ausgangsanschluss (A2), der an die Ansteuereinheit. (IC1) angeschlossen ist, und mit einem Versorgungsanschluss (VK2), der an die Spannungsversor­ gungseinheit (SV) angeschlossen ist, aufweist.

5. Schaltnetzgerät nach Anspruch 4, bei dem die Rückkopp­ lungseinheit (IC2) mit der Ansteuereinheit (IC1) und dem Schalter (T) in einem Halbleiterkörper integriert ist.

6. Schaltnetzgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Verbraucher induktiv an die Spule (L1) gekoppelt ist.

7. Schaltnetzgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Spannungsversorgungseinheit (SV) eine in Reihe zu dem Schalter (T) geschaltete Zenerdiode (Z1) aufweist.

8. Schaltnetzgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Versorgungsanschluss (VK1) der Ansteuereinheit (IC1) und/oder der Versorgungsanschluss (VK2) der Rückkopp­ lungseinheit (IC2) an einen dem ersten Schalter und der Ze­ nerdiode gemeinsamen Knoten gekoppelt ist.

9. Schaltnetzgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Spannungsversorgungseinheit (SV) eine Reihen­ schaltung eines Gleichrichterelements (D1) und einer Kapazi­ tät (C1) parallel zu der Zenerdiode (Z1) aufweist, wobei der Versorgungsanschluss (VK1) der Ansteuereinheit (IC1) und/oder Versorgungsanschluss (VK2) der Rückkopplungseinheit (IC2) an einen dem Gleichrichterelement (D1) und der Kapazität (C1) gemeinsamen Knoten angeschlossen ist.

10. Schaltnetzgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein zweiter Schalter (T12) parallel zu der Zenerdiode (Z1) geschaltet ist.

11. Schaltnetzgerät nach Anspruch 10, bei dem der weitere Schalter (T12) durch die Ansteuerschaltung (IC1) angesteuert ist.

12. Schaltnetzgerät nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der zweite Schalter (T12) zeitverzögert nach dem ersten Schalter (T) leitend wird.

13. Schaltnetzgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rückkopplungseinheit (IC2) mittels eines Opto­ kopplers (LED) an die Verbrauchereinheit (VE) gekoppelt ist.

14. Schaltnetzgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem an einer Eingangsklemme der Rückkopplungseinheit (IC2) ein Rückkopplungssignal anliegt, das von der Ausgangs­ spannung (Vout) der Verbrauchereinheit (VE) abhängig ist.

15. Schaltnetzgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem an der Ausgangsklemme (A1) der Ansteuerschaltung (IC1) ein Ansteuersignal zur Verfügung steht, das den Schal­ ter (T) derart ansteuert, dass die Ausgangsspannung (Vout) der Verbrauchereinheit (VE) wenigstens annäherungsweise lastunabhängig ist.