DE10213887A1

DE10213887A1 - Stromversorgungseinheit für ein tragbares elektrisches Gerät

Info

Publication number: DE10213887A1
Application number: DE10213887A
Authority: DE
Inventors: Joerg Groshennig
Original assignee: Fujitsu Technology Solutions GmbH
Current assignee: Fujitsu Technology Solutions GmbH
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-10-30
Also published as: WO2003081760A3; AU2003212198A1; WO2003081760A2; AU2003212198A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit für ein tragbares elektrisches Gerät mit einem ersten Anschluß (1) für einen internen Energiespeicher (IE), einem zweiten Anschluß (2) für einen externen Energiespeicher (EE) und einem dritten Anschluß (3) für eine externe Gleichspannungsversorgung (EG). Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit ist dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß (1) für eine erste Sollspannung (V¶IE¶), der zweite Anschluß (2) für eine zweite Sollspannung (V¶EE¶) und der dritte Anschluß (3) für eine dritte Sollspannung (V¶EG¶) ausgelegt ist, wobei die dritte Sollspannung (V¶EG¶) größer als die zweite (V¶EE¶) und diese größer als die erste Sollspannung (V¶IE¶) ist und daß eine Verwendung des Anschlusses (1, 2, 3) mit der höchsten Sollspannung vorgesehen ist, sofern die Istspannung an diesem Anschluß (1, 2, 3) innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit für ein tragbares elektrisches Gerät mit einem ersten Anschluß für einen internen Energiespeicher, einem zweiten Anschluß für einen externen Energiespeicher und einem dritten Anschluß für eine externe Gleichspannungsversorgung.
Solche Stromversorgungseinheiten werden bei tragbaren Geräten verwendet, die sowohl mobil als auch stationär einsetzbar sind, und dienen zur Versorgung des Geräts und zum Laden der Energiespeicher. Im mobilen Einsatz wird die Energie aus einem internen Energiespeicher bezogen, beispielsweise einem Lithium-Ionen-Akku. Im stationären Einsatz wird dagegen eine externe Gleichspannungsversorgung, in der Regel ein Steckernetzteil angeschlossen. In diesem Fall soll der Strom aus dem Steckernetzteil bezogen werden und nicht aus dem internen Energiespeicher. Um die Betriebsdauer im mobilen Einsatz zu erhöhen, wird oftmals ein zweiter externer Energiespeicher angeboten, der ebenfalls mit dem Gerät verbunden werden kann, wobei in der Regel zuerst der externe Energiespeicher und dann der interne Energiespeicher entladen wird.
Ein Problem besteht darin, daß die von den Geräten aufgenommenen Ströme mitunter pulsförmig sind und Maximalwerte von mehreren Ampere besitzen können. Dies führt zu einem merklichen Spannungsabfall über den Versorgungsleitungen, Steckkontakten oder dem Innenwiderstand eines Energiespeichers. Dies ist jedoch dann weniger problematisch, wenn die Spannung des externen Energiespeichers verhältnismäßig groß ist. Notebooks besitzen beispielsweise Akkumulatoren mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen, die eine Spannung von typischerweise 10,8 Volt bei drei hintereinander geschalteten Zellen aufweisen. Der Spannungsabfall führt dann nicht dazu, daß eine untere zulässige Grenze unterschritten wird, unterhalb der ein ordnungsgemäßer Betrieb des Gerätes nicht mehr sichergestellt ist. Bei kleineren Geräten, wie bei sogenannten Handheld- Geräten, wird aber oftmals mit Akkumulatoren gearbeitet, die lediglich eine Zelle besitzen. Entsprechend liegt die Betriebsspannung etwa bei 3,6 Volt. Die untere Grenze zum Betrieb des Gerätes liegt dabei bei 3,3 Volt, so daß der zur Verfügung stehende Spielraum für Spannungsabfälle auf den Versorgungsleitungen usw. verhältnismäßig gering ist. Dies führt dazu, daß auch bei erst teilweiser Entladung des Akkumulators der Betrieb über diesen Akkumulator bereits abgebrochen werden muß, weil bei dem Auftreten hoher impulsförmiger Ströme die für das Gerät zur Verfügung stehende Spannung unter den Mindestwert von 3,3 Volt absinkt.

Bei Stromversorgungseinheiten ist es bekannt, sogenannte Selector-ICs zu verwenden. Beispielsweise ist von der Firma Linear Technologie ein solcher Selector-IC unter der Produktbezeichnung LTC 1479 bekannt, der die Steuerung von zwei Batterien, einer Gleichspannungsversorgung und einem Ladegerät übernimmt. Ein Datenblatt zu diesem IC ist im Internet unter "www.linear.com/prod/datasheet.html?datasheet=370" zu finden. Zusätzlich zu diesem Selector-IC sind mindestens vier MOSFETs erforderlich. Dies bedeutet gerade für kleine Geräte wie die oben genannten Handheld-Geräte einen unvertretbaren Platzbedarf und erhebliche Kosten sowie einen höheren Widerstand über dem Strompfad, denn es tritt zwei Mal R_DS/ON auf. Das oben beschriebene Problem bei niedrigen Zellenspanungen wird durch solche Selector-ICs nicht gelöst.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Stromversorgungseinheit für ein tragbares elektrisches Gerät anzugeben, bei dem auch bei niedrigen Spannungen interner und externer Spannungsquellen bzw. Energiespeicher eine möglichst gute Entladung der Energiespeicher ermöglicht ist. Dabei soll die Stromversorgungseinheit aber auch einfach und kostengünstig im Aufbau sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Stromversorgungseinheit der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der erste Anschluß für eine erste Sollspannung, der zweite Anschluß für eine zweite Sollspannung und der dritte Anschluß für eine dritte Sollspannung ausgelegt ist, wobei die dritte Sollspannung größer als die zweite und diese größer als die erste Sollspannung ist und daß eine Verwendung des Anschlusses mit der höchsten Sollspannung vorgesehen ist, sofern die Istspannung an diesem Anschluß innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt.

Durch die erfindungsgemäße Abstufung der für die drei Anschlüsse vorgesehenen Soll-Eingangsspannungen wird erreicht, daß die drei Anschlüsse auf sehr einfache und kostengünstige Weise gekoppelt werden können. Bei der erfindungsgemäßen Stromerzeugungseinheit ist es nicht mehr notwendig, jeden Anschluß über einen MOSFET mit einem gemeinsamen Spannungsversorgungsknoten zu verbinden.

In einer vorteilhaften Ausführung ist der zweite und der dritte Anschluß jeweils über eine Diode mit einem gemeinsamen Spannungsversorgungsknoten verbunden, während der erste Anschluß für einen internen Energiespeicher über einen MOSFET mit dem Spannungsversorgungsknoten verbunden ist. Der MOSFET ist durch eine Steuervorrichtung ansteuerbar und wird dann niederohmig, wenn weder von dem externen Energiespeicher noch von der externen Gleichspannungsversorgung eine ausreichende Spannung anliegt.

Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit kann besonders günstig eingesetzt werden, wenn die Soll-Eingangsspannungen zwischen 3 Volt und 6 Volt liegen, da insbesondere in diesem Spannungsbereich der Spannungsabfall über zwischengeschalteten Elementen, wie oben angesprochen, besonders beeinträchtigend ist, vor allem eine gute Entladung des externen Energiespeichers verhindert wird.

Die durch den externen Energiespeicher bereitgestellte Spannung, die erfindungsgemäß zwischen der des internen Energiespeichers und der der externen Gleichspannungsversorgung liegt, wird in vorteilhafter Weise dadurch erzeugt, daß einer Standard-Speicherzelle ein Aufwärtsspannungswandler zur geringfügigen Erhöhung der Ausgangsspannung nachgeschaltet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit.
Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit 7 zur Versorgung von Schaltungskomponenten 9. Die Spannungsversorgungseinheit 7 besitzt dazu drei Anschlüsse 1, 2 und 3, wobei an den ersten Anschluß 1 ein interner Energiespeicher, im vorliegenden Fall ein Lithium-Ionen-Akku fest angeschlossen ist. Die beiden anderen Anschlüsse 2 und 3 sind so ausgelegt, daß an dem zweiten Anschluß 2 ein externer Energiespeicher EE und an dem dritten Anschluß 3 eine externe Gleichspannungsversorgung EG angeschlossen werden kann. Der externe Energiespeicher EE besitzt ebenfalls eine Lithium- Ionen-Speicherzelle 5 sowie einen nachgeschalteten Aufwärtsspannungswandler 6.
Bauartbedingt besitzen einzellige Lithium-Ionen- Speicherzellen eine Spannung von 3 Volt bis 4,2 Volt. Dies ist die Spannung, die durch den internen Energiespeicher IE zur Verfügung gestellt und am ersten Anschluß abgreifbar ist. Die Lithium-Ionen-Speicherzellen 5 des externen Energiespeichers EE besitzt ebenfalls diese typische Spannung von 3 Volt bis 4,2 Volt, durch den nachgeschalteten Aufwärtsspannungswandler 6 ist jedoch eine Ausgangsspannung von 4,5 Volt erzielbar, was somit der Solleingangsspannung V_EE der Stromversorgungseinheit 7 entspricht. Der externe Energiespeicher EE besitzt darüber hinaus einen Steuereingang 10, der es der Stromversorgungseinheit im Bedarfsfalle erlaubt, den externen Energiespeicher EE abzuschalten.
Die externe Gleichspannungsversorgung EG wird typischerweise durch ein Steckernetzteil gebildet und ist an einer Wechselspannung von 115 Volt oder 230 Volt angeschlossen. Die externe Gleichspannungsversorgung stellt eine Spannung von 5,0 Volt zur Verfügung, die als Soll-Eingangsspannung V_EG am Anschluß 3 der Stromversorgungseinheit 7 anliegt.
Sowohl der zweite Anschluß 2 als auch der dritte Anschluß 3 sind über eine Diode D2 bzw. D1 mit dem Spannungsversorgungsknoten K1 verbunden. Der erste Anschluß 1 ist über einen MOS- FET T1 mit dem Spannungsversorgungsknoten K1 verbindbar. Die am zweiten Anschluß 2 anliegende Spannung wird durch eine erste Spannungsüberwachungsvorrichtung 11 überwacht, so daß feststellbar ist, ob der externe Energiespeicher an den Anschluß 2 angeschlossen ist. Die an dem dritten Anschluß 3 anliegende Spannung wird durch eine zweite Spannungsüberwachungsvorrichtung 12 überwacht. Ob eine externe Gleichspannungsversorgung angeschlossen ist oder nicht, wird dabei durch ein Signal B signalisiert. Die Signale A der ersten Spannungsüberwachungsvorrichtung 11 und B der zweiten Spannungsüberwachungsvorrichtung 12 sind low-aktiv. Dies bedeutet, daß die Signale A bzw. B den Wert "1" annehmen, wenn keine ordnungsgemäße Spannung an den Anschlüssen 2 bzw. 3 anliegt. Die Signale A und B werden in einer Kontrolleinheit 8 verknüpft und in der vorliegenden Ausführung einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit dazu verwendet, ein Signal C zu erzeugen, daß an dem Ausgang 10 anliegt zum Ein- bzw. Ausschalten des externen Energiespeichers EE.
Die Signale A und B werden darüber hinaus in einer einfachen UND-Verknüpfung in einer Steuervorrichtung 4 dazu verwendet, den MOSFET T1 anzusteuern. Wenn sowohl die Spannungsüberwachungsvorrichtung 11 als auch die Spannungsüberwachungsvorrichtung 12 feststellen, daß keine ausreichende Spannung an den Anschlüssen 2 und 3 anliegt, wird der MOSFET T1 derart angesteuert, daß er niederohmig wird und damit der interne Energiespeicher EE, der am Anschluß 1 angeschlossen ist, mit dem Spannungsversorgungsknoten K1 verbunden wird.
Zur detaillierteren Erläuterung der Funktionsweise wird zunächst angenommen, daß neben dem internen Energiespeicher IE auch der externe Energiespeicher EE und die externe Gleichspannungsversorgung EG angeschlossen ist. Die externe Gleichspannungsversorgung liefert eine Spannung von 5,0 Volt und liegt damit über der von dem externen Energiespeicher gelieferten Spannung von 4,5 Volt. Dies führt dazu, daß von den Schaltungselementen 9 der Strom ausschließlich aus der externen Gleichspannungsversorgung EG bezogen wird. Durch die Diode D2 ist verhindert, daß ein zusätzlicher Strom in den externen Energiespeicher EE fließt, es findet also eine Entkopplung statt. In diesem Betriebszustand ist der interne Energiespeicher EE von dem Spannungsversorgungsknoten K1 getrennt.
Falls nun die externe Gleichspannungsversorgung EG vom Anschluß 3 getrennt wird, beispielsweise weil das Gerät im mobilen Betrieb verwendet werden soll, ist ab diesem Zeitpunkt die Spannung des externen Energiespeichers von 4,5 Volt die höchste Spannung im System, die der Stromversorgungseinheit 7 zur Verfügung steht. Die Spannungsüberwachungsvorrichtung 11 erkennt, daß der externe Energiespeicher eine ausreichende Spannung liefert, so daß der MOSFET T1 nicht angesteuert wird und demzufolge hochohmig ist. Bei hohen Stromimpulsen ergeben sich zwar die physikalisch bedingten Spannungsabfälle über den zwischen der Speicherzelle 5 und den zu versorgenden Schaltungsteilen 9 liegenden Komponenten, da jedoch der Aufwärtsspannungswandler 6 die Spannung der Speicherzelle 5 auf einen Sollwert von 4,5 Volt anhebt, sinkt die zur Verfügung stehende Spannung nicht soweit ab, daß ein zuverlässiger Betrieb der Schaltungsteile 9 nicht mehr gewährleistet werden könnte.
Zwar werden in dem Aufwärtsspannungswandler 6 zusätzliche Verluste erzeugt, zudem ist die Aufnahme des Aufwärtsspannungswandlers 6 mit zusätzlichen Kosten verbunden, jedoch wird dies dadurch zumindest teilweise kompensiert, daß die Speicherzelle 5 nun vollständig entladen werden kann, so daß die Betriebsdauer erheblich verlängert wird. Erst wenn der externe Energiespeicher von dem Anschluß 2 getrennt wird, was die Spannungsüberwachungsvorrichtung 11 erkennt, wird der interne Energiespeicher IE über den MOSFET T1 zugeschaltet und dieser übernimmt nun die weitere Stromversorgung der Schaltungsteile 9.
Eine automatische Abschaltung des externen Energiespeichers erfolgt insbesondere dann, wenn dessen Ausgangsspannung so weit absinkt, daß eine Schädigung des Energiespeichers, in der Regel eines Akkus, zu befürchten ist. Dazu ist eine geeignete Überwachungs- und Abschaltvorrichtung vorzusehen, die verteilhafterweise zwischen der Zelle 5 und dem Aufwärtsspannungswandler 6 angeordnet ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit 7 besteht darin, daß Teile der Schaltung, nämlich der Aufwärtsspannungswandler 6, in den externen Energiespeicher EE ausgelagert werden können. Somit ist das eigentlich zu versorgende Gerät mit der Stromversorgungseinheit 7 so klein wie möglich gestaltbar, was im allgemeinen wichtiger ist, als die Größe von zusätzlichem Energiespeichern bzw. Akkus zu minimieren.
In einer Weiterführung der Erfindung ist es auch möglich, auch den internen Energiespeicher EE mit einem zusätzlichen Aufwärtsspannungswandler zu versehen, so daß der Ausnutzungsgrad des internen Energiespeichers optimiert wird.
Darüber hinaus ist es selbstverständlich möglich, weitere externe Spannungsquellen, z. B. einen weiteren Akku, anzuschließen. In den letztgenannten Abwandlungen ist darauf zu achten, daß alle potentiell zur Verfügung stehenden Spannungen korrekt abgestuft sind, vorzugsweise mit einem Abstand von mindestens 0,5 Volt. Durch diese Abstufung der Spannungen wird die Priorität bei der Versorgung der Schaltungsteile 9 festgelegt. Bezugszeichenliste 1 erster Anschluß
2 zweiter Anschluß
3 dritter Anschluß
4 Steuervorrichtung
5 Speicherzelle
6 Auswärtsspannungswandler
7 Spannungsversorgungseinheit
8 Kontrolleinheit
9 zu versorgende Schaltungsteile
10 Steuerausgang
11 Spannungsüberwachungsvorrichtung
12 Spannungsüberwachungsvorrichtung
IE interner Energiespeicher
EE externer Energiespeicher
EG externer Gleichspannungsversorgung
V_EE Sollspannung des internen Energiespeichers
V_EE Sollspannung des externen Energiespeichers
V_EG Sollspannung der externen Gleichspannungsversorgung
K1 Spannungsversorgungsknoten
T1 MOSFET
D1, D2 Dioden
A, B, C Signale

Claims

1. Stromversorgungseinheit für ein tragbares elektrisches Gerät mit
einem ersten Anschluß (1) für einen internen Energiespeicher (IE),
einem zweiten Anschluß (2) für einen externen Energiespeicher (EE) und
einem dritten Anschluß (3) für eine externe Gleichspannungsversorgung (EG),
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß (1) für eine erste Sollspannung (V_IE), der zweite Anschluß (2) für eine zweite Sollspannung (V_EE) und der dritte Anschluß (3) für eine dritte Sollspannung (V_EG) ausgelegt ist, wobei die dritte Sollspannung (V_EG) größer als die zweite (V_EE) und diese größer als die erste Sollspannung (V_IE) ist und daß eine Verwendung des Anschlusses (1, 2, 3) mit der höchsten Sollspannung vorgesehen ist, sofern die Istspannung an diesem Anschluß (1, 2, 3) innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt.

2. Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Anschlüsse mit einem Spannungsversorgungsknoten (K1) verbunden oder verbindbar sind, wobei zumindest der zweite Anschluß (2) zur Entkopplung über eine Diode (D2) mit dem Spannungsversorgungsknoten (K1) verbunden ist.

3. Spannungsversorgungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Anschluß (3) über eine Diode (D1) und der erste Anschluß (1) über einen steuerbaren Schalter (T1) mit dem Spannungsversorgungsknoten (K1) verbunden sind, wobei der Schalter (T1) durch eine Steuervorrichtung (4) ansteuerbar ist, wenn weder an dem zweiten (2) noch an dem dritten Anschluß (3) eine ausreichende Istspannung anliegt.

4. Spannungsversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollspannungen (V_IE, V_EE, V_EG) zwischen 3 V und 6 V liegen.

5. Elektrisches Gerät mit einem internen Energiespeicher (IE), einem zweiten Anschluß (2) für einen externen Energiespeicher (EE) und einem dritten Anschluß (3) für eine externe Gleichspannungsversorgung (EG), gekennzeichnet durch eine Spannungsversorgungseinheit (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

6. Externer Energiespeicher für ein elektrisches Gerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Speicherzelle (5) und einen nachgeschalteten Aufwärtsspannungswandler (6) zur geringfügigen Erhöhung der Ausgangsspannung des externen Energiespeichers (EE).

7. Anordnung mit einem elektrischen Gerät nach Anspruch 5 und einem externer Energiespeicher (EE) zur Verbindung mit dem zweiten Anschluß (2) der Spannungsversorgungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der externe Energiespeicher (EE) eine Speicherzelle (5) und einen nachgeschalteten Aufwärtsspannungswandler (6) aufweist.