DE102007014449B4

DE102007014449B4 - Schalt-Spannungswandler

Info

Publication number: DE102007014449B4
Application number: DE102007014449.2A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: DE102007014449A1

Abstract

Schalt-Spannungswandler, in welchem als Spannungsreferenz ein integrierter Längsregler (U4) und als Steuerschaltung ein Standard-Logik-IC (U1) verwendet wird, wobei durch einen Bipolartransistor (Q5) und einen Spannungsteiler (R3, R20) die Differenz zwischen der geteilten Ausgangsspannung und der stabilisierten Referenzspannung des integrierten Längsreglers (U4) als Regelgröße benutzt wird, wobei der Bipolartransistor (Q5) ein PNP-Transistor ist, die durch den Spannungsteiler (R3, R20) geteilte Spannung mit dem Emitter des Bipolartransistors (Q5) verbunden ist und die Referenzspannung mit der Basis des Bipolartransistors (Q5) verbunden ist.

Description

Schalt-Spannungswandler sind seit Jahren in der Elektrotechnik bekannt. Sie wandeln eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mit anderer Spannungshöhe um und haben gegenüber Längsreglern den Vorteil, dass sie einen erheblichen Wirkungsgrad haben, der in der Regel zwischen 70% und über 90% liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass durch elektronische Schalter und üblicher Weise Induktivitäten Energie vom Eingang zum Ausgang transportiert wird und eine Regelung in Form der Anpassung des Pulspausenverhältnisses erreicht wird. Der Vorteil des hohen Wirkungsgrads entsteht durch die Verwendung von elektronischen Schaltern, die sowohl im geschlossenen Zustand als auch im geöffneten Zustand im Idealfall keine Leistung verbrauchen, da wechselseitig der Strom oder die Spannung Null werden.
Insbesondere in Anwendungen mit Millionenstückzahlen ist es von essentieller Bedeutung, die Kosten eines solchen Wandlers so weit wie eben möglich zu reduzieren. Nun werden eine Vielzahl von integrierten Spannungswandlern angeboten, die sich in der Regel dadurch unterscheiden, ob der Schalttransistor und/oder die Freilaufdiode mit integriert sind oder nicht. Gerade bei Anwendungen in denen höhere Ausgangsspannungen erzielt werden müssen haben vollintegrierte Lösungen den Nachteil, dass die verwendete Chip-Technologie in der Lage sein muss, diese hohen Spannungen zu verkraften, was bei sehr hoch integrierten Schaltungen nicht möglich ist.
Alle diese Konzepte haben gemeinsam, dass entsprechende Lösungen selbst bei Großstückzahlen einen Preis für das Spannungs-Wandler-IC von über 0,50 € hervorruft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun die Kosten durch erfinderische Schaltungsauslegung unter 0,50 € zu drücken, so dass ganze Spannungswandler in der Preisregion von 1,00 € realisiert werden können.
Aus dem Stand der Technik sind nach der GB 2 386 208 A Spannungswandler bekannt, die einen Längsregler als Spannungsreferenz verwenden. Aus der US 3 675 158 A sind Spannungswandler bekannt, die eine Logikschaltung zur Ansteuerung der Leistungsstufe verwenden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Spannungsreferenz ein integrierter Längsregler und als Steuer- oder Regelschaltung ein Standard-Logik-IC verwendet wird. Ein einfacher integrierter Längsregler (z.B. 78L05) (U4) ist unter 7 €ct und ein Standard-Logik-IC (z.B. 74HC00) (U1) ist ebenfalls unter 7 €ct einzukaufen, was selbst in der Summe deutlich unter den Kosten für integrierte Lösungen liegt.
Dabei wird durch einen Bipolartransistor (Q5) und einen Spannungsteiler (R3, R20) die Differenz zwischen der geteilten Ausgangsspannung und der stabilisierten Referenzspannung des integrierten Längsreglers (U4) als Regelgröße benutzt, wobei der Bipolartransistor (Q5) ein PNP-Transistor ist, die durch den Spannungsteiler (R3, R20) geteilte Spannung mit dem Emitter des Bipolartransistors (Q5) verbunden ist und die Referenzspannung mit der Basis des Bipolartransistors (Q5) verbunden ist.
Noch billiger wird die hier vorgeschlagene Lösung, wenn anstatt eines Standard-Logik-ICs ein digitaler Schaltungsteil eines ASICs (Application Specific integrated Circuit) oder FPGAs (Field Programmable Gate Array) verwendet wird. Das hilft natürlich nur, wenn in der Zielschaltung bereits ein entsprechendes ASIC oder ein FPGA benutzt wird und ohne Mehraufwand ein entsprechender Teil eines solchen Chips genutzt werden kann. Ebenfalls ist eine weitere Einsparung möglich, wenn anstatt eines Längsreglers (U4) als Spannungsreferenz eine von außerhalb des Spannungswandlers zugeführte stabilisierte Spannung genutzt wird. In vielen Fällen ist in den Geräten für die der erfindungsgemäße Spannungswandler genutzt werden soll bereits eine stabilisierte Spannung vorhanden. Diese kann als Referenzspannung genutzt werden, so dass sogar der Längsregler (U4) aus Anspruch 1 entfallen kann.
Da bei Ansteuerung mit konstantem Puls-/Pausenverhältnis oder nur mit konstanter Pulsbreite bei entsprechender Belastung am Ausgang oder beim Einschalten durch die leeren Kondensatoren am Ausgang ein zerstörerisch hoher Strom durch den Schalttransistor fließen kann, ist eine Strombegrenzung erforderlich. Zur Strombegrenzung des Schalttransistors wird ein Bipolartransistor benutzt, dessen U_BE in Zusammenhang mit einem Widerstand den Abschaltstrom bestimmt. Die U_BE eines Bipolartransistors ist dabei praktisch nur von der Temperatur und vom Basisstrom abhängig und beträgt deshalb etwa 0,6 Volt. Durch einen entsprechenden Widerstand kann der Strom gemessen und damit eine Abschaltung bei Überschreiten des maximalen Stroms herbeigeführt werden.
Eine weitere Kosteneinsparung ist möglich, wenn anstatt der inzwischen überwiegend verwendeten MOS-FETs ein Bipolartransistor als Schalttransistor verwendet wird. Dieses ist jedoch nur sinnvoll bei Leistungen bis ca. 10 W, da der Stromverstärkungsfaktor von Bipolartransistoren im Bereich von über 1A stark abnimmt, so dass hohe Basisströme verwendet werden müssen. Diese führen wieder zu einer hohen Sättigungsladung im Transistor, welche wiederum ein schnelles Schalten unmöglich macht. Dadurch entstehen hohe Schaltverluste.
Für die Stabilisierung der Ausgangsspannung muss die Ausgangsspannung mit der stabilisierten Referenzspannung verglichen werden. Hierzu werden üblicher Weise Operationsverstärker benutzt, die aber für die vorgeschlagene Lösung in der Regel zu teuer sind. Die direkte Benutzung der Eingangsschwellspannung des verwendeten Standard-Logik-IC ist zwar möglich, jedoch kann diese mit erheblichen Exemplarstreuungen behaftet sein. Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass durch einen Bipolartransistor und einen Spannungsteiler die Differenz zwischen der geteilten Ausgangsspannung und der stabilisierten Referenzspannung als Regelgröße benutzt wird. Hierdurch wird als Unsicherheit nur noch die Ungenauigkeit der U_BE des verwendeten Bipolartransistors in die Stabilisierung eingehen. Diese ist aber für die meisten Anwendungsfälle ausreichend genau.
Die Regelschaltung muss ein einigermaßen definiertes Regelverhalten haben, um die Ausgangsspannung zu stabilisieren. Dieses wird durch eine RC-Schaltung (im Anwendungsbeispiel 10 pF auf 100 kOhm) erreicht, die ein direktes Wiedereinschalten des Schalttransistors verhindert. Zusätzlich wird erreicht, dass die Zündneigung der Schaltstufe für einen weiteren Impuls aufgrund der exponentiellen RC-Ladekurve mit der Auszeit des Schalttransistors in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung ständig zunimmt bis durch einen neuen Schaltpuls wieder Ladung zum Ausgang transportiert wird. Ein wildes undefiniertes Schalten des Reglers wird dadurch verhindert.
Gemeinsames Problem vieler Schalt-Spannungswandler mit höherer Ausgangsspannung als Eingangsspannung (Aufwärtsregler) ist das Problem, dass bei Absinken der Ausgangsspannung unter die Eingangsspannung durch die Freilaufdiode ein direkter Strompfad zwischen Eingang und Ausgang entsteht. Damit bewirkt ein Ausgangskurzschluss auch einen Kurzschluss am Eingang der Schaltung. Aufwendige Alternativlösungen sind sog. SEPIC-Wandler bei denen durch eine kapazitive oder induktive Kopplung ein DC-Strompfad verhindert wird.
Für kleine Ausgangsleistungen ist es billiger eine Strombegrenzung auch bei Unterschreitung der Eingangsspannung am Ausgang durch eine zusätzliche Konstantstromquelle zu realisieren. Diese hat jedoch den Nachteil, dass bei einem Kurzschluss am Ausgang die ganze Ausgangsleistung des Schalt-Spannungswandlers in der Konstantstromquelle verheizt werden muss, was zu erheblicher Erwärmung und u.U. zur Zerstörung der Stromquelle führen kann. Übliche Stromquellen mit Foldback haben erhebliche Nachteile bei Verbrauchern mit einer Stromaufnahme, die auch bei kleinerer Spannung bereits erhebliche Ströme zieht. Dieses kann dazu führen, dass nach einem Kurzschluss die Soll-Ausgangsspannung nicht wieder erreicht wird. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass ein integrierter Längsregler als Konstantstromquelle benutzt wird, der eine thermische Schutzschaltung enthält. Dadurch wird für eine gewisse Zeit ein Konstantstromverhalten erzeugt. Sobald der als Stromquelle geschaltete Längsregler jedoch durch Eigenerwärmung die Schutztemperatur erreicht hat, sorgt die thermische Schutzschaltung für eine Reduktion des Stroms und damit auch zu einer Begrenzung der Verlustleistung. Der in der Beispielschaltung verwendete LM317L ist für unter 10 €ct einzukaufen.
Ein weiterer Vorteil einer getrennten Strombegrenzung besteht darin, dass bei Verwendung des Schalt-Spannungswandlers für mehrere Verbraucher durch Verwendung mehrerer unabhängiger Längsregler als Konstantstromquellen trotz der Verwendung nur eines Schalt-Spannungswandlers jeder Ausgang einzeln gegen Überstrom gesichert werden kann.
Für Aufwärtsregler ergibt sich noch ein weiteres Problem. Versagt die Regelung und wird der Schalttransistor weiter angesteuert, so steigt die Ausgangsspannung über alle Maßen an, bis ein Bauteil durch Überspannung zerstört wird. Nun ist jedoch aus Sicherheitsgründen in den einschlägigen Normen, z.B. EN60950, definiert, dass eine Spannung, mit der Menschen in Berührung kommen können, nicht mehr als 60 V betragen darf (sog. SELV-Stromkreise). Dieses muss auch bei einem ersten Fehler in der Schaltung gewährleistet sein. Erfindungsgemäß wird durch eine Überspannungsabschaltung bei Auftreten eines ersten Fehlers in der Schaltung eine unzulässig hohe Ausgangsspannung verhindert.
Schalt-Spannungswandler haben die Eigenschaft, bei konstanter Ausgangsleistung bei niedrigerer Eingangsspannung zunehmend höhere Eingangsströme zu ziehen. Deshalb ist es unerlässlich, wenn nicht durch andere Maßnahmen realisiert, dass der Wandler erst einschaltet, wenn eine ausreichende Eingangsspannung zur Verfügung steht. Dieses wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass durch einen Spannungsteiler zwischen Eingangsspannung und einem Eingang der Steuerschaltung erreicht wird, dass der Spannungswandler erst ab einer Mindest-Eingangsspannung einschaltet.
Gemeinsames Problem aller Schalt-Spannungswandler ist die Erzeugung unerwünschter Oberwellen, die zu Problemen bei der elektromagnetischen Verträglichkeit führen können. Erfindungsgemäß wird durch Aufteilung der ausgangsseitigen Kapazitäten in zwei durch einen Widerstand verbundene Kondensatoren und die Benutzung von keramischen Kondensatoren die elektromagnetische Verträglichkeit erhöht. Der Widerstand führt zu einer Bedämpfung des Ausgangspfads und die keramischen Kondensatoren führen durch den sehr geringen Längswiderstand (ESR) zu weitere Dämpfung von Oberwellen.
Die vorliegende Erfindung kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere als Aufwärtsregler für die Speisung von ISDN-Anschlüssen und die Speisung von analogen Telefonen ist die Erfindung bestens geeignet. Hier ist eine sehr großer Marktbedarf in sog. IADs (Integrated Access Devices) oder NGN-Geräten (New Generation Network) vorhanden.
In 1 ist eine mögliche Realisierung der Erfindung dargestellt:

1: Aufwärtsregler mit erfindungsgemäßer Schaltung

Claims

Schalt-Spannungswandler, in welchem als Spannungsreferenz ein integrierter Längsregler (U4) und als Steuerschaltung ein Standard-Logik-IC (U1) verwendet wird, wobei durch einen Bipolartransistor (Q5) und einen Spannungsteiler (R3, R20) die Differenz zwischen der geteilten Ausgangsspannung und der stabilisierten Referenzspannung des integrierten Längsreglers (U4) als Regelgröße benutzt wird, wobei der Bipolartransistor (Q5) ein PNP-Transistor ist, die durch den Spannungsteiler (R3, R20) geteilte Spannung mit dem Emitter des Bipolartransistors (Q5) verbunden ist und die Referenzspannung mit der Basis des Bipolartransistors (Q5) verbunden ist.
Schalt-Spannungswandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass anstatt eines Standard-Logik-ICs (U1) ein digitaler Schaltungsteil eines ASICs oder FPGAs verwendet wird.
Schalt-Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass anstatt eines Längsreglers (U4) als Spannungsreferenz eine von außerhalb des Spannungswandlers zugeführte stabilisierte Spannung genutzt wird.
Schalt-Spannungswandler nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Strombegrenzung des Schalttransistors (Q2) ein Bipolartransistor benutzt wird, dessen U_BE in Zusammenhang mit einem Widerstand den Abschaltstrom bestimmt.
Schalt-Spannungswandler nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass für kleine Ausgangsleistungen (bis ca. 10 W) ein Bipolartransistor als Schalttransistor verwendet wird.
Schalt-Spannungswandler nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch eine RC-Schaltung ein direktes Wiedereinschalten des Schalttransistors verhindert wird.
Schalt-Spannungswandler nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Strombegrenzung auch bei Unterschreitung der Eingangsspannung am Ausgang durch eine zusätzliche Konstantstromquelle realisiert wird.
Schalt-Spannungswandler nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein integrierter Längsregler als Konstantstromquelle benutzt wird, der eine thermische Schutzschaltung enthält.
Schalt-Spannungswandler nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Überspannungsabschaltung bei Auftreten eines ersten Fehlers in der Schaltung eine unzulässig hohe Ausgangsspannung verhindert wird.
Schalt-Spannungswandler nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Spannungsteiler (R8, R7) zwischen Eingangsspannung und einem Eingang der Steuerschaltung erreicht wird, dass der Spannungswandler erst ab einer Mindest-Eingangsspannung einschaltet.
Schalt-Spannungswandler nach einem oder mehreren der vorausgegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufteilung der ausgangsseitigen Kapazitäten in zwei durch einen Widerstand verbundene Kondensatoren (C2, C4) und die Benutzung von keramischen Kondensatoren die elektromagnetische Verträglichkeit erhöht wird.