DE19545531A1 - Spannungs- und Strommodus Leistungsregler - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Leistungsregler und insbesondere auf Spannungs- und Stromregler.

Hintergrund der Erfindung

Spannungs- und Stromregler sind wohlbekannte Leistungs­ regler. Stromregler erzeugen ein reguliertes Ausgangssignal, das einen vorbestimmten Strompegel aufweist, obschon der Spannungspegel des Ausgangssignal während der Erzeugung des geregelten Strompegels sich beträchtlich ändern kann. Span­ nungsregler erzeugen ein Ausgangssignal, das einen vorbe­ stimmten Spannungspegel aufweist, wohingegen der Strompegel des Ausgangssignals sich ändern darf.

Eine Vielzahl von elektronischen Vorrichtungen verwendet sowohl Spannungs- als auch Stromregler. Beispielsweise ent­ halten Funktelefone einen Spannungsregler, um die den elek­ trischen Komponenten, wie beispielsweise Leistungsverstär­ kern, zugeführte Spannung zu regeln. Bei Leistungsverstärkern ist die Stabilität der Spannungsversorgung wichtig, da Varia­ tionen im Versorgungsspannungspegel den übertragenen Signal­ pegel ändern und somit ein Rauschen verursachen. Es ist daher wünschenswert, den Leistungsverstärker mit einem stabilen Spannungspegel zu versorgen. Funktelefone können auch einen Stromregler enthalten zur Regelung des Ladestroms, der einer wiederaufladbaren Batterie von einer externen Quelle aus zu­ geführt wird. Die Leistung des Batterieladegeräts hängt vom Ladestrom ab, so daß der Ladestrom während des Ladens sorg­ fältig geregelt wird.

Elektronische Einrichtungen, die sowohl Strom- als auch Spannungsregler verwenden, benutzen getrennte Schaltschaltun­ gen für den Stromregler und den Spannungsregler. Obwohl diese getrennten Regler wirksam sind, um ihre jeweiligen Ausgangs­ signale zu regeln, so daß sie einen im wesentlichen konstan­ ten Ausgangssignalpegel aufweisen, so ist jede Schaltschal­ tung relativ teuer und verwendet ein beträchtliches Oberflä­ chengebiet einer gedruckten Leiterplatte (PCB), auf die sie montiert ist. Bei kleinen Einrichtungen kann die relativ große Leiterplattenoberfläche, die durch die Schaltschaltun­ gen benötigt wird, ein wesentliches Hindernis für Designer darstellen, die versuchen die Größe weiter zu verkleinern.

Daher ist es wünschenswert, Spannungs- und Stromregler zu schaffen, die unter Beibehaltung ihrer Leistungsfähigkeit kleiner und billiger sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein Schaltungsschema in Blockdiagrammform, das ein konventionelles Funktelefonsystem zeigt;

Fig. 2 ist ein Schaltungsschema in Blockdiagrammform, das einen Teil des Senders des im System von Fig. 1 zu ver­ wendenden Funktelefons zeigt;

Fig. 3 ist ein Schaltungsschema in Blockdiagrammform, das einen in der Schaltung der Fig. 2 zu verwendenden Lei­ stungsregler zeigt;

Fig. 4 ist ein Schaltungsschema, teilweise in Block­ diagrammform, das den Leistungsregler der Fig. 3 zeigt;

Fig. 5 ist ein Schaltungsschema, das einen Schalter für den Leistungsregler nach Fig. 4 zeigt; und

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, das ein Regelprogramm für den Regler der Fig. 4 zeigt.

Genaue Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung findet ihren Ausdruck in einem Spannungsregler und einem Stromregler, die eine Schaltschal­ tung teilen. Die geteilte Schaltschaltung wird verwendet, um sowohl den Spannungspegel des Spannungsreglerausgangs als auch den Strompegel des Stromreglerausgangs zu regeln. Die gemeinsame Schaltschaltung macht eine der vorher verwendeten Schaltschaltungen überflüssig, um somit die gesamten Kosten und das Leiterplattengebiet zu reduzieren, die erforderlich waren um beide Schaltschaltungen in einer einzigen Einrich­ tung zu implementieren. Dies gestattet es, die Einrichtung kleiner zu machen, ohne ihre Leistung zu verschlechtern.

Die Erfindung kann vorteilhafterweise in einem Funktele­ fon 103 verwendet werden, das in einem in Fig. 1 gezeigten existierenden Funktelefonsystem 100 verwendet wird. Im Funk­ telefonsystem 100 ist ein ortsfester Sendeempfänger 101 vor­ handen, der mit tragbaren und mobilen Funktelefonen im geo­ graphischen Abdeckgebiet kommuniziert. Obwohl die Erfindung anhand eines tragbaren Funktelefons dargestellt ist, kann sie vorteilhaft in anderen Einrichtungen, wie beispielsweise Mo­ biltelefonen, persönlichen digitalen Kommunikatoren, Zweiwe­ geradios, Computern und dergleichen verwendet werden.

Das Funktelefon 103 umfaßt einen Sender 107, der mit ei­ ner Antenne 105 verbunden ist. Die Antenne 105 wird benutzt, um Radiofrequenzsignale bei der Kommunikation mit dem ortsfe­ sten Sendeempfänger 101 zu senden und zu empfangen. Beim Emp­ fang von Signalen wandelt die Antenne 105 die Signalenergie in elektrische Signale um, die an den Empfänger 109 weiterge­ leitet werden. Der Empfänger 109 demoduliert die elektrischen Signale und wandelt sie in Datensignale um, die vom Rest der Schaltung im Funktelefon 103, der hier durch den digitalen Signalprozessor (DSP) 111 dargestellt wird, verwendet werden können.

Um Radiofrequenzsignale zu senden, liefert der DSP 111 Information über die bidirektionale Signalleitung 113 an den Sender 107. Diese Information umfaßt die Information, die ge­ sendet werden soll, und Steuerinformation für den Sender 107. Der Sender 107 wandelt die Daten in elektrische Signale um und verstärkt diese Signale auf einen passenden Leistungspe­ gel, indem er einen Leistungsverstärker 210 verwendet (Fig. 2). Die Antenne 105 erhält die elektrische Energie des Lei­ stungsverstärkers, um Radiofrequenzsignale in die Luft auszu­ senden, damit sie vom ortsfesten Sendeempfänger 101 der Ba­ sisstation empfangen werden können.

Der Leistungsverstärker 210 (Fig. 2) und seine zugehöri­ gen Regler sind im Sender 107 angeordnet. Die Funktion des Leistungsverstärkers 210 besteht darin, Eingangs RF-Signale, die Sprache oder Daten enthalten, auf einen Leistungspegel zu verstärken, der die Übertragung zum ortsfesten Sendeempfänger 101 erleichtert. Der Leistungsverstärker kann unter Verwen­ dung irgendeines kommerziell erhältlichen Leistungsverstär­ kers implementiert werden. Eine Versorgungsspannung für den Leistungsverstärker wird durch die positive Versorgungsschie­ ne 216 und die Erdversorgungsschiene 218 zugeführt. Die Erd­ versorgungsschiene 218 ist mit Erde verbunden. Die positive Versorgungsschiene 216 ist mit einem spannungsgeregelten Aus­ gang 219 eines Leistungsreglers 220 verbunden.

Der Leistungsregler 220 hat einen internen Leistungs­ quelleneingang 221, der mit einem Anschluß 217 verbunden ist, der den positiven Anschluß der internen Leistungsquelle 222 darstellt. Die interne Leistungsquelle 222 ist in der darge­ stellten Ausführungsform eine Batterie, und kann unter Ver­ wendung einer konventionellen passenden elektrochemischen Zelle implementiert werden. Es ist vorgesehen, daß die inter­ ne Leistungsquelle 222 entweder innerhalb eines (nicht ge­ zeigten) Gehäuses, das sie mit dem Sender 107 und dem Empfän­ ger 109 teilt, oder in einem (nicht gezeigten) separaten Ge­ häuse, das am (nicht gezeigten) Gehäuse des Senders 107 und des Empfänger 109 befestigt ist, untergebracht ist, wie das gemeinhin bei tragbaren Funktelefonen üblich ist. Die interne Leistungsquelle 222 liefert Leistung an den Leistungsregler 220, wenn das Funktelefon batteriebetrieben ist.

Der Leistungsregler 220 umfaßt einen spannungsgeregelten Ausgang 219. Der Leistungsregler gibt einen im wesentlichen konstanten geregelten Spannungspegel im Spannungsregelmodus am spannungsgeregelten Ausgang 219 aus.

Der Leistungsregler 220 umfaßt einen externen Leistungs­ quelleneingang 225, der mit einem Verbinder 224 verbunden ist. Der Verbinder 224 dient zur Verbindung mit einer exter­ nen Leistungsquelle 226. Die externe Leistungsquelle ist eine Fahrzeugbatterie oder eine andere Batterie, ein AC/DC-Wand­ ler, der mit einer konventionellen Wechspannungsquelle, wie beispielsweise einer Steckdose oder dergleichen, verbunden ist.

Der Leistungsregler 220 (Fig. 2) umfaßt auch einen stromgeregelten Ausgang 223, der mit der internen Leistungs­ quelle 222 verbunden ist. Während des geregelten Strombe­ triebs liefert der Leistungsregler 220 einen geregelten Storm am geregelten Stromausgang 223.

Der Leistungsregler 220 wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 beschrieben. Der Leistungsregler umfaßt im allgemeinen: einen Regler 330 (Fig. 3); eine Schaltschal­ tung 345; eine Energiespeicherschaltung 334; eine Ausgangsmo­ dusauswahlschaltung 336; und eine Leistungsquellenauswahl­ schaltung 338. Die Leistungsquellenauswahlschaltung 338 wählt als Leistungsquelle den internen Leistungsquelleneingang 221 oder den externen Leistungsquelleneingang 225, um Energie an die Schaltschaltung 345 zu liefern. Die Schaltschaltung lie­ fert ausgewählt Energie an die Energiespeicherschaltung 334. Die Energiespeicherschaltung 334 glättet das an sie angelegte Signal, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Die Ausgangsmodu­ sauswahlschaltung 336 schaltet den Leistungsregler 220 zwi­ schen einem Spannungsregelmodus und einem Stromregelmodus hin und her, und wählt den stromgeregelten Ausgang 223 oder den spannungsgeregelten Ausgang 219 als aktiven Ausgang. Der Reg­ ler 330 regelt die Funktion der Schaltschaltung 345 und der Ausgabemodusauswahlschaltung 336.

Die Schaltschaltung 345 umfaßt einen Schaltertreiber oder Umschalter 332 (Fig. 4) und einen Versorgungsschalter 348. Der gezeigte Schaltertreiber 332 ist eine Ausgangsspan­ nungsregelschaltung. In der Praxis wird der Schaltertreiber 332 unter Verwendung eines integrierten Schaltkreises mit der Nummer MAX747 implementiert, der einen Pulsbreitenmodulator (PWM) darstellt, der von MAXIM erhältlich ist. Es können je­ doch andere integrierte Schaltungen verwendet werden, um den Schaltertreiber zu implementieren, oder es können auch dis­ krete Bauteile verwendet werden, um den Schaltertreiber auf­ zubauen.

Der MAX747 hat ein Ausgangssignal mit fester Frequenz und variabler Pulsbreite. Die feste Frequenz ist wünschens­ wert, da die Schaltfrequenz leicht aus dem Ausgangssignal ab­ geleitet werden kann, um eine stabile Ausgangsspannung zu liefern. Es ist insbesondere wichtig, eine im wesentlichen schwankungsfreie Spannung für den Leistungsverstärker 210 zu erzeugen, da dieser Verstärker empfindlich auf Spannungsände­ rungen reagiert und eine konstante Spannung für ein sicheres Funktionieren im Funktelefon benötigt. Es kann leicht eine feste Schaltfrequenz abgeleitet werden, wenn man ein Filter verwendet, das Signale des Schaltschaltungsausgangs ver­ stärkt, die die gleiche Frequenz haben, wie die Frequenz des Schaltertreibers. Wenn eine Schaltschaltung mit variabler Frequenz verwendet wird, so wird der Strombetrieb verbessert. Die Welligkeit der Schaltfrequenz ist jedoch wesentlich schwieriger zu entfernen, da sich die Frequenz ändert. Durch Verwendung einer Schaltschaltung mit konstanter Frequenz wird das größere Schaltfrequenzspektrum des Schaltertreibers mit variabler Frequenz vermieden.

Der Schaltertreiber 323 hat einen FREIGABE-Eingang, der mit einen AN/AUS-Ausgang 373 eines Reglers 330 verbunden ist. Der Schaltertreiber 332 wird an- und ausgeschaltet durch ei­ nen Wechsel des Pegels des Signals auf dem Regler AN/AUS-Aus­ gang 373. Der Schaltertreiber umfaßt auch einen SANFTSTART- Eingang 377, der mit einem Sanftstartschalter 355 und einem Sanftstartkondensator 376 verbunden ist. Der Sanftstartschal­ ter 355 verbindet in ausgewählter Weise den SPANNUNGSREGEL- Ausgang 374 des Reglers 330 mit dem SANFTSTART-Eingang 377 und dem Sanftstartkondensator 376. Der Sanftstartschalter 355 wird unter Verwendung irgendeines passenden Schalter, wie beispielsweise eines analogen sanftstartenden MOSFET-Elements 501 und eines in Fig. 5 gezeigten Sanftstartschaltwiderstan­ des implementiert.

Der Schaltertreiber 332 (Fig. 4) umfaßt einen Versor­ gungsspannungseingang 340, der mit einem Leistungsquellenaus­ gang 303 verbunden ist. Der Leistungsquellenausgang 303 ist mit einer Leistungsquellenselektionsschaltung 338 verbunden, um Leistung für den Schaltertreiber von der internen Lei­ stungsquelle 222 oder der externen Leistungsquelle 226 zu empfangen. Ein ersten Widerstand 342 ist zwischen dem Versorgungsspannungseingang 340 und dem Strommeßeingang 344 des Schaltertreibers 332 angeordnet. Der Strommeßeingang ist mit der Quelle 346 des Versorgungsschalters 348 verbunden. Das Gate des Versorgungsschalters 348 ist der Schalterregelein­ gang, und er ist mit dem Gatetreiberausgang oder einem Regel­ ausgang 350 eines Schaltertreibers 332 verbunden. Der gezeig­ te Versorgungsschalter 348 ist unter Verwendung eines P-Kanal MOSFET-Elements implementiert. Der Schalter kann jedoch unter Verwendung von bipolaren Transistoren oder anderen konventio­ nellen Schaltkomponenten implementiert werden. Der Drain-An­ schluß des Versorgungsschalters 348 ist mit der Kathode einer Schottkydiode 356 verbunden. Die Anode der Schottkydiode 356 ist geerdet. Der Drain-Anschluß des Versorgungsschalters 348 ist auch mit einem Energiespeicherschaltungseingang 351 ver­ bunden. Der Versorgungsschalter 348 liefert unter der Rege­ lung des Regelausgangs 350 des Schaltertreibers 332 Energie an den Energiespeicherschaltungseingang 351.

Der Energiespeicherschaltungseingang 351 ist mit einem Anschluß eines Induktors 360 in der Energiespeicherschaltung 334 verbunden. Der andere Anschluß des Induktors 360 ist mit der Anode eines Energiespeicherkondensators 364 verbunden. Die Kathode des Energiespeicherkondensators 364 ist mit Erde verbunden. Der Regelausgang 350, auch mit EXT bezeichnet, des Schaltertreibers 332 regelt den AN/AUS Zustand des Versor­ gungsschalters 348, um die Energiemenge zu regeln, die an die Energiespeicherschaltung 334, einschließlich des Induktors 360 und des Energiespeicherkondensators 364, geliefert wird.

Der Spannungsmeßeingang V_OUT oder 352 des Schaltertrei­ bers 332 ist mit einer Spannungsteilerverbindung 375 eines Spannungsteilers verbunden, der einen ersten Spannungsteiler­ widerstand 370 und einen zweiten Spannungsteilerwiderstand 372 umfaßt. Dieser Spannungsteiler ist in Serie mit dem Ener­ giespeicherkondensator 364 verbunden, und liefert eine Span­ nung proportional zur Ausgangsspannung des Spannungsmeßein­ gangs 352 des Schaltertreibers 332.

Zusätzlich zum Ausgangsspannungsmeßeingang 352 umfaßt der Schaltertreiber 332 einen Strommeßeingang CS oder 344. Der Schaltertreiber umfaßt einen internen Vergleicher, der das Signal auf dem Signalpegel des Strommeßeingangs 344 mit dem Signal am SANFTSTART-Eingang 377 vergleicht. Durch einen Wechsel des Pegels am SANFTSTART-Eingang wechselt der Regler 330 den Ausgangsstrompegel in einen Stromregelmodus. Der Schalttreiber 332 umfaßt auch einen internen Vergleicher, der den Spannungsmeßeingang V_OUT mit einem festen vorbestimmten Pegel vergleicht, um eine im wesentlichen feste Ausgangsspan­ nung im einem geregelten Spannungsmodus zu erzeugen. Ein Os­ zillator innerhalb der Schaltschaltung erzeugt Zeitpulse mit einer festen Frequenz, so daß die Ausgangsfrequenz konstant ist.

Die integrierte Schaltung MAXIM MAX747 hat einen (nicht gezeigten) FB-Eingang, der bei der gezeigten Ausführungsform mit Erde verbunden ist. Dies veranlaßt die integrierte Schal­ tung sich am Ausgangsspannungsmeßeingang 352 als Spannungs­ rückkoppeleingang auszurichten.

Wenn im Betrieb die Schaltschaltung 345 am Beginn jedes internen Zeitpulses freigegeben wird, wird das Signal am Re­ gelausgang 350 des Schaltertreibers 332, der mit dem Regel­ eingang des Versorgungsschalters 348 verbunden ist, niedrig, was den Versorgungsschalter auf AN schaltet. Der Regelausgang 350 bleibt niedrig bis der Signalpegel des Strommeßeingangs 344 den Signalpegel des SANFTSTART-Eingangs 377 überschrei­ tet, oder der Spannungspegel am Ausgangsspannungsmeßeingang 352 über den festen, vorbestimmten Pegel steigt.

Der Strommeßeingang 344, der Sanftstartkondensator 376 und der SANFTSTART-Eingang 377 liefern eine Sanftstartrege­ lung für die Schaltschaltung 345. Der Schaltertreiber gibt ein Signal mit einem hohen logischen Pegel am Regelausgang 350 aus, das den Versorgungsschalter 348 abschaltet, wenn der CS-Eingangssignalpegel den SANFTSTART-Eingangssignalpegel übersteigt. Der Sanftstartkondensator 376 lädt sich langsam durch den Strom des SANFTSTART-Eingangs 377 auf, wenn der Schaltertreiber angeschaltet wird, so daß der Strommeßeingang an einem niedrigen Pegel beginnt und allmählich ansteigt. Der Strommeßeingang 344 übersteigt folglich typischerweise den SANFTSTART-Eingang schnell, nachdem der Puls beginnt, wenn der Schaltertreiber zu Anfang eingeschaltet wird. Wenn jedoch der Schaltertreiber in Funktion bleibt, so wird der Versor­ gungschalter 348 durch den über dem Sanftstartkondensator 376 ansteigenden Signalpegel länger offengehalten. Das verhindert Impulsspitzen, wenn der Schaltertreiber 332 gestartet wird.

Die Ausgangsmodusauswahlschaltung 336 umfaßt einen Re­ geltransistor 380. Der gezeigte Regeltransistor ist ein bipo­ larer NPN-Transistor, dessen Basis-Anschluß mit dem Span­ nungs-/Strommodus Regelausgang 382 eines Reglers 330 über ei­ nen fünften Widerstand 384 verbunden ist. Der Kollektor-An­ schluß des Transistors 380 ist mit einer Regelverbindung 386 verbunden. Der Emitteranschluß des Regeltransistors 380 ist geerdet. Die Basis eines Verbindungstransistors 388 ist mit einer Regelverbindung 386 über einen vierten Widerstand 381 verbunden. Der Verbindungstransistor ist als bipolarer NPN- Transistor gezeigt. Der Kollektor-Emitter-Pfad eines Verbin­ dungstransistors 388 ist parallel dem zweiten Spannungstei­ lerwiderstand 372 geschaltet, um diesen Widerstand in einer Stromregelmodusbetriebsweise kurzzuschließen.

Der Verbindungstransistor 388 ist ein Schalter, um den zweiten Spannungsteilerwiderstand kurzzuschließen, so daß der Spannungsmeßeingang 352 wahlweise geerdet werden kann. Wenn der Ausgangsspannungsmeßeingang 352 geerdet ist, so regelt der Signalpegel auf dem Strommeßeingang 344 die Pulsweite des Signals auf dem Regelausgang 350 des Schaltertreibers 332. Im Spannungsregelmodus wird der zweite Spannungsteilerwiderstand 372 nicht durch den Verbindungstransistor 388 kurzgeschlos­ sen. Somit ist der Rückkoppelspannungspegel an der Spannungs­ teilerverbindung 375 proportional zum Spannungspegel am Ener­ giespeicherschaltungsausgang 305. Diese Rückkoppelspannung am Ausgangsspannungsmeßeingang 352 regelt die Pulsbreite, es sei denn, daß der am Strommeßeingang 344 detektierte Strom drama­ tisch ansteigt, wie das beim Einschalten geschehen kann.

Die Basis des Auswahltransistors 389 ist auch über einen sechsten Widerstand 390 mit einer Regelverbindung 386 verbun­ den. Der Auswahltransistor 389 ist als bipolarer Transistor gezeigt. Die Regelverbindung 386 ist auch mit dem Gate eines Spannungsregelmodusauswahlschalters 392 verbunden. Der darge­ stellte Spannungsregelmodusauswahlschalter 392 ist ein MOS- FET-Element. Dieser Schalter verbindet den Energiespeicher­ schaltungsausgang 305 mit dem Spannungsreglermodusausgang 219 im Spannungsregelmodus. Ein siebter Widerstand 391 ist mit dem Gate und dem Source-Anschluß eines Spannungsregelmodu­ sauswahlschalters 392 verbunden. Der Gate-Anschluß eines Stromregelmodusauswahlschalters 394 ist mit dem Kollektor des Auswahltransistors 389 verbunden. Der Stromregelmodusauswahl­ schalter 394 ist als MOSFET-Element dargestellt. Der Stromre­ gelmodusauswahlschalter 394 verbindet den Energiespeicher­ schaltungsausgang 305 mit dem Stromregelmodusausgang 223 im Stromregelmodus. Ein zehnter Widerstand 399 ist parallel zum Gate- und Source-Anschluß des Stromregelmodusauswahlschalters 394 geschaltet.

Beim Betrieb der Ausgangsmodusselektionsschaltung 336 regelt der Transistor 380 deren Zustand. Wenn der Spannungs- /Strommodusregelausgang 382 einen hohen Pegel aufweist, um die Spannungsregelmodusbetriebsweise auszuwählen, so versetzt der Basisstrom zum Regeltransistor 380 diesen Transistor in einen leitenden Zustand. Der Regeltransistor 380 bringt somit die Regelverbindung 386 auf Erdpotential. Dies bringt die Ba­ sis des Verbindungstransistor 388 und des Selektionstransi­ stors 389 auf Erdpotential. Der Auswahltransistor 389 leitet nicht, und der zehnte Widerstand 399 zieht die Basis des Stromregelmodusauswahlschalters auf den Pegel am Ausgang 305, womit der Stromregelmodusauswahlschalter 394 in einem nicht­ leitenden Zustand gehalten wird. Wenn sich die Regelverbin­ dung 386 auf Erdpotential befindet, existiert eine Spannung über dem Gate- und Source-Anschluß des Spannungsregelmodu­ sauswahlschalters 392, die den Spannungsregelmodusauswahl­ schalter 392 in einem leitenden Zustand hält. Somit ist der Spannungsregelmodusausgang 219 im Spannungsregelmodus der ak­ tive Ausgang.

Wenn sich der Spannungs-/Strommodusregelausgang 382 auf einem niederen Pegel im Stromregelmodus befindet, so ist der Regeltransistor 380 nichtleitend. Die Regelverbindung 386 wird somit durch den siebten Widerstand 391 auf den Pegel des Energiespeicherschaltungsausgangs 305 gezogen. Dies bewirkt, daß der Spannungsregelmodusauswahlschalter 392 in die Stel­ lung AUS gebracht wird. Die höhere Spannung an der Regelver­ bindung 386 verursacht einen Strom in die Basis des Verbin­ dungstransistors 388 und die Basis des Auswahltransistors 389, die diese Transistoren in einen leitenden Zustand vor­ spannt. Der Verbindungstransistor 388 zieht somit die Span­ nungsteilerverbindung 375 auf Erdpotential, so daß der Strom­ meßeingang 344 die Pulsweite des Regelsignalausgangs zum Ver­ sorgungsschalter 348 regelt. Wenn er in einen leitenden Zu­ stand vorgespannt wurde, zieht der Auswahltransistor 389 das Gate des Spannungsregelmodusauswahlschalters 392 auf Erdpo­ tential, was eine Spannung über dem zehnten Widerstand 399 erzeugt, die genügend groß ist, um den Stromregelmodusaus­ wahlschalter 394 in einem leitenden Zustand zu halten. Dies macht den Spannungsregelmodusausgang 219 zum aktiven Ausgang.

Die Ausgangsmodusauswahlschaltung 336 ergibt somit eine einfache Schaltschaltung zur Ansteuerung des Spanungsreglers und des Stromreglers, um somit eine der zuvor verwendeten Schaltschaltungen zu eliminieren und somit die Größe und die Kosten für das Bereitstellen eines Stromreglers und eines Spannungsreglers in einer Einrichtung zu verringern. Zusätz­ lich isolieren der Spannungsmodusauswahlschalter 392 und der Stromregelmodusauswahlschalter 394 der Ausgangsauswahlschal­ tung den Spannungsregelmodusausgang 219 und den Stromregelmo­ dusausgang 223, um es somit zu ermöglichen, daß verschiedene Impedanzlasten an diese Ausgänge angeschlossen werden können, ohne die Schaltungsleistung zu beeinflussen.

Die Leistungsquellenauswahlschaltung 338 umfaßt eine Schutzdiode 393, die zwischen dem Stromregelmodusauswahl­ schalter 394 und dem Stromregelmodusausgang 223 geschaltet ist. Der Stromregelmodusausgang 223 ist mit dem Anschluß 217 der internen Leistungsquelle 222, die in Fig. 4 als Batterie B_INT dargestellt ist, verbunden. Der Anschluß 217 ist auch durch den Leistungsquellenauswahlschalter 395 mit dem Lei­ stungsquellenausgang 303 für die Schaltschaltung verbunden. Der Leistungsquellenauswahlschalter ist als zwei MOSFET-Ele­ mente dargestellt. Der Schalter kann jedoch unter Verwendung anderer passender Komponenten implementiert werden, die in ausgewählter Weise die internen und externen Leistungsquellen isolieren. Eine Isolationsdiode 396 ist zwischen dem Lei­ stungsquellenausgang 303 und dem Verbinder 224 angeordnet. Ein neunter Widerstand 398 ist mit den Gates des Leistungs­ quellenauswahlschalters 395 verbunden, um die darin befindli­ chen MOSFET-Elemente auf Erdpotential zu halten, es sei denn, daß die Spannung am Gate nach oben gezogen wird, durch eine Verbindung des Verbinders 224 mit einer externen Leistungs­ quelle 226, die in Fig. 4 als Batterie B_EXT dargestellt ist. Der mit Erde verbundene neunte Widerstand 398 hält den Lei­ stungsquellenauswahlschalter 395 in einem leitenden Zustand, wenn keine externe Quelle mit dem Verbinder 224 verbunden ist, so daß dann die interne Leistungsquelle 222 die Lei­ stungsversorgung ist, die mit dem Leistungsquellenausgang 303 verbunden ist.

Der Regler 330 ist unter Verwendung irgend eines geeig­ neten kommerziell erhältlichen Mikroprozessors implementiert, oder er wird durch die in Fig. 1 dargestellte DSP bereitge­ stellt. Es kann beispielsweise eine integrierte Schaltung HC11 von Motorola Inc. für die Implementierung des DSP der Fig. 1 und des Reglers 330 verwendet werden.

Ein Leiter 401 (Fig. 4) ist zwischen dem internen Lei­ stungsquelleneingang 221 und einem Eingang des Reglers 330 angeordnet und ein Leiter 402 ist zwischen dem Verbinder 224 und einem anderen Eingang des Reglers 330 angeordnet. Der Regler 330 mißt den Spannungspegel an diesen Anschlüssen, und ebenso eine Umgebungstemperatur und überwacht den Kommunika­ tionsmodus der Einrichtung. Wenn sich die Einrichtung in ei­ nem Kommunikationsmodus (das heißt, ein Rufprozessor erzeugt ein Steuersignal, wenn er in einem aktiven Rufmodus ist) be­ findet, arbeitet die Schaltung in einem Spannungsregelmodus, um die Spannungsversorgung zum Leistungsverstärker 210 zu re­ geln. Wenn eine externe Batterie an den Verbinder 224 ange­ schlossen ist, so detektiert der Prozessor das Vorhandensein einer externen Ausspannung aus dem Spannungspegel an diesem Anschluß und stellt das Vorhandensein einer Versorgungsspan­ nung fest. Wenn sich die Einrichtung nicht in einem Kommuni­ kationsmodus befindet und eine externe Batterie vorhanden ist, so wird die Batterieversorgung nachfolgend in Überein­ stimmung mit irgend einem passenden konventionellen Ladealgo­ rithmus als eine Funktion der Temperatur, des Batteriespan­ nungspegel und ähnlichem geregelt.

Im Betrieb wählt der Regler 330 den Spannungsregelmodus oder den Stromregelmodus aus. Zu Beginn bestimmt der Regler, ob der Sender 107 auf "EIN" geschaltet ist, wie das im Ent­ scheidungsblock 600 (Fig. 6) gezeigt ist. Der Sender ist auf "EIN" geschaltet, wenn ein RF-Signal an den Eingang des Lei­ stungsverstärkers 210 angelegt wird. Der Regler kann sich im Sender befinden, wenn die Kommunikationseinrichtung sich in einem aktiven Sendestatus befindet, was eine Anzeichen dafür ist, daß ein RF-Signal am Eingang des Leistungsverstärkers 210 vorhanden sein könnte. Im Sender wird unter der Bedin­ gung, daß der Regler 330 (Fig. 4) die Schaltschaltung 345 in den Spannungsmodus setzt dadurch, daß der Spannungs- /Strommodusregelausgang 382 auf einen hohen logischen Pegel geht, der Schaltertreiber 332 über einen EIN/AUS-Ausgang 373, wie das in Block 602 (Fig. 6) und Block 604 gezeigt ist, freigegeben. In diesem Betriebsmodus wird der Spannungsaus­ gang auf eine vorbestimmte Charakteristik hin geregelt, die eine konstante Spannung darstellt, die an den Leistungsver­ stärker 210 geliefert wird, und es ändert sich der Strom, wo­ hingegen der Spannungspegel gehalten wird. Der Regler 330 bleibt im Spannungsregelmodus bis das Senden beendet ist, wie das im Entscheidungsblock 606 angezeigt ist.

Nachdem der Sendestatus beendet wurde, das heißt während eines Nichtkommunikationsmoduses, bestimmt der Regler, ob die Batterie geladen werden muß, wie das im Entscheidungsblock 608 gezeigt ist. Wenn die Batterie geladen werden muß, so stellt der Regler 330 einen Stromregelmodus her, indem er den Spannungs-/Strommodusregelausgang 382 auf einen niedrigen lo­ gischen Pegel setzt, wie das in Block 610 gezeigt ist. Der Schaltertreiber 332 wird freigegeben, wie das in Block 612 gezeigt ist. Im Stromregelmodus wird der Strom auf einen Pe­ gel in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Charakteristik geregelt, die einen Batterieladealgorithmus in der darge­ stellten Ausführungsform darstellt, und es wird ein Schwanken des Spannungspegels gestattet, wohingegen der Strompegel ge­ halten wird.

Wenn der Regler im Entscheidungsblock 608 feststellt, daß die Batterie nicht geladen werden muß, so wird der Schal­ tertreiber 332 gesperrt, wie das in Block 614 gezeigt ist und der Regler kehrt zum Entscheidungsblock 600 zurück. Wenn ent­ schieden wurde, daß die Batterie geladen wird, so kehrt der Regler zum Entscheidungsblock 600 zurück. Der Regler durch­ läuft die Entscheidungsblocks 600 und 608 zyklisch, bis die Batterie geladen werden oder der Sender angeschaltet werden soll.

Es ist ersichtlich, daß der Leistungsregler 220 (Fig. 2) entweder einen Erhaltungsstrom an die Batterie der internen Leistungsquelle 222 liefert, oder daß er gesperrt wird, wenn die Batterie keine Aufladung benötigt und der Leistungsver­ stärker 210 kein RF-Signal sendet. Die Batterie der internen Leistungsquelle erfordert ein Aufladen, wenn sie nicht voll aufgeladen ist, eine externe Leistungsquelle an den Verbinder 224 angeschlossen ist und kein RF-Signal an den Leistungsver­ stärker 210 geliefert wird (die Einrichtung befindet sich nicht in einem Sendekommunikationsmodus). Wenn die Batterie eine Aufladung benötigt, wird die externe Leistungsquelle verbunden und die Einrichtung sendet nicht, der Ladealgorith­ mus liefert einen hohen Ladestrom gemaß dem Ladealgorithmus. Wenn diese drei Bedingungen nicht erfüllt sind, so wird fest­ gestellt, daß die interne Leistungsquelle keine Aufladung be­ nötigt. Die Fachleute werden erkennen, daß ein Erhaltungs­ strom von der externen Leistungsquelle nur dann geliefert werden kann, wenn sie mit dem Verbinder 224 verbunden ist.

Bezieht man sich wieder auf Fig. 4, so wird im Span­ nungsregelmodus der Versorgungsschalter 348 geschlossen, was es dem Strom erlaubt, vom Leistungsquellenausgang 303 zu ei­ nem Induktor 360 zu fließen. Der Versorgungsschalter 348 bleibt in einem leitenden Zustand, bis der Schaltertreiber 332 detektiert, daß die Spannung an der Spannungsteilerver­ bindung 375 einen vorbestimmten Pegel erreicht oder daß der Strom am Strommeßeingang 344 den Grenzwert, der durch den SANFTSTART-Eingang 377 festgesetzt ist, erreicht. Nach der Initialisierung erreicht der Strommeßeingang typischerweise den Strommeßeingangspegel bevor die Spannung am Ausgangsspan­ nungsmeßeingang V_OUT den internen Spannungsschwellwertpegel erreicht. Nach einem anfänglichen Starten, wird jedoch der Spannungsausgangspegel, der am Eingang V_OUT detektiert wird, die Pulsbreite des Signals am Regelausgang 350 regeln, und der Schaltertreiber wird im Spannungsregelmodus den Energie­ speicherschaltungsausgang 305 auf einem im wesentlichen kon­ stanten Pegel halten.

Im Stromregelmodus regelt der Schaltertreiber 332 den Strompegel am Energiespeicherschaltungsausgang 305, so daß dieser einen gewünschten geregelten Pegel einnimmt. Dieser Signalpegel wird durch den Signalpegel am SANFTSTART-Eingang 377 festgelegt. Im Stromregelmodus wird die rückgekoppelte Referenzspannung am Eingang V_OUT auf einen vorbestimmten Pe­ gel gesetzt, indem man diesen Eingang unter Verwendung des Verbindungstransistors 388 auf Erdpotential herunterzieht. Das sperrt die Spannungsrückkoppelregelung, indem der Aus­ gangsspannungsmeßeingang 352 auf niedrigem Potential gehalten wird, so daß er einen internen, festen Schwellwertpegel, der im Schaltertreiber 332 festgesetzt wurde, nicht überschrei­ tet. Der Vergleich des Pegels des Strommeßeingangs mit dem Pegel des SANFTSTART-Eingangs 377 regelt somit die Pulsweite des Signals am Regelausgang 350. Somit wird der Versorgungs­ schalter 348 in einem leitenden Zustand gehalten, bis der Strommeßeingang den SANFTSTART-Eingang übersteigt. Der Ver­ sorgungsschalter 348 wird dann bis zur vorderen Kante des nächsten Pulses geschlossen. Dieser Vorgang wird für jeden Puls in der Sequenz fortgesetzt, bis der Strommodus beendet wird.

Es ist erkenntlich, daß der SPANNUNGSREGEL-Ausgang 374 des Reglers 330 den Stromschwellwert der Schaltschaltung 345 im Stromregelmodus festlegt. Dieser Ausgang kann daher ver­ wendet werden, um den Ausgangsstrom, der während des Ladens der Batterie B_INT zugeführt wird, zu verändern. Der Strom kann gemäß einem bekannten Ladealgorithmus, der im (nicht ge­ zeigten) Reglerspeicher gespeichert ist, verändert werden. Um dies durchzuführen, ist ein (nicht gezeigter) Digital/Analog (D/A) Wandler am Ausgang des Reglers 330 vorgesehen. Der D/A- Wandler kann durch einen konventionellen integrierten D/A- Wandlerschaltkreis verwirklicht werden. Alternativ dazu kann der D/A-Wandler implementiert werden, indem ein (nicht ge­ zeigter) Kondensator mit dem Spannungs- /Strommodusregelausgang 382 verbunden wird und ein variables Pulsbreitensignal am SPANNUNGSREGEL-Ausgang 374 des Reglers 330 erzeugt wird. Durch Auswahl passender Pulsbreiten filtert der (nicht gezeigte) Kondensator die ausgegebenen Pulse, um verschiedene DC-Signalpegel am SANFTSTART-Eingang 377 zu er­ zeugen, die die gewünschten Strompegel, die für den Batterie­ ladealgorithmus notwendig sind, darstellen.

Es ist auch erkenntlich, daß der Leistungsverstärker 210 durch Verwendung eines Verstärkers mit LDMOS-Technologie im­ plementiert werden kann. Verstärker mit LDMOS-Technologie liefern eine wesentlich höhere Impedanz an der Versorgungs­ schiene, als dies durch die Batterie B_INT erfolgt. Somit wird im Stromregelmodus Strom zur Batterie B_INT anstatt zur Ver­ stärkerversorgungsschiene fließen, sogar wenn man den Span­ nungsregelmodusauswahlschalter 392 wegläßt.

Fachleute werden erkennen, daß der Leistungsregler 220 Leistung von der internen Leistungsquelle 222 oder der exter­ nen Leistungsquelle 226 empfangen kann, wenn er im Spannungs­ regelmodus arbeitet, um eine geregelte Spannung an den Lei­ stungsverstärker 210 zu liefern.

Somit ist ersichtlich, das ein Leistungsregler beschrie­ ben wurde, der einen Strommodusbetrieb und einen Spannungsmo­ dusbetrieb unter Verwendung einer einzigen Schaltschaltung liefert. Durch Verwendung einer einzigen Schaltschaltung so­ wohl für den Spannungsmodus als auch den Strommodus können beide Regler auf einem kleineren Leiterplattenoberflächenge­ biet und mit niedrigeren Kosten zur Verfügung gestellt wer­ den. Zusätzlich verwendet die Schaltung eine Energiespeicher­ schaltung, womit die Zahl der Induktoren vermindert wird, was wiederum das für die Implementierung der Strom- und Spann­ ungsregler benötigte Oberflächengebiet vermindert.

Claims (15)

1. Leistungsverstärker mit:
einer Leistungsquelle, die einen Leistungsquellenausgang (303) aufweist;
einer Energiespeicherschaltung (334), die einen Energie­ speicherschaltungseingang und einen Energiespeicherschal­ tungsausgang (305) aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß
er einen Regler (330) umfaßt, der einen Modusregelaus­ gang einschließt; und
eine Schaltschaltung (345), die mit dem Leistungsquel­ lenausgang, dem Modusregelausgang und dem Energiespeicher­ schaltungseingang verbunden ist, wobei die Schaltschaltung eine Energieversorgung zur Energiespeicherschaltung derart regelt, daß der Spannungspegel am Energiespeicherschaltungs­ ausgang in einem Spannungsregelmodus im wesentlichen konstant ist, und wobei ein Strompegel am Energiespeicherschaltungs­ ausgang in einem Stromregelmodus geregelt wird.

2. Leistungsregler nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquellenschaltung eine Lei­ stungsquellenauswahlschaltung (338) einschließt, um in ausge­ wählter Weise den Leistungsquellenausgang mit einer von min­ desten zwei Leistungsquellen (222, 226) zu verbinden.

3. Leistungsregler nach Anspruch 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquellenauswahlschaltung ei­ nen Schalter (395) zur Verbindung einer Batterie mit dem Lei­ stungsquellenausgang während des Spannungsregelmoduses ein­ schließt.

4. Leistungsregler nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltschaltung einen Schaltertreiber (332) und einen mit dem Schaltertreiber verbundenen Schalter (384) aufweist, wobei der Schaltertreiber sowohl für den Stromregelmodus als auch den Spannungsregelmodus verwendet wird.

5. Leistungsregler nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltertreiber einen Strommeßeingang (344) und einen Ausgangsspannungsmeßeingang (352) aufweist, wobei ein Signalpegel am Strommeßeingang eine Pulsbreite des Schaltertreibers im Stromregelmodus regelt und ein Signalpe­ gel am Ausgangsspannungsmeßeingang die Pulsbreite des Schal­ tertreibers im Spannungsregelmodus regelt.

6. Leistungsregler nach Anspruch 5, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß er eine Ausgangsmodusauswahlschaltung (336) einschließt, wobei die Ausgangsmodusauswahlschaltung einen Schalter (388) umfaßt, um die Spannungsrückkopplungsre­ gelung zu sperren, wenn sich der Leistungsregler im Stromre­ gelmodus befindet.

7. Leistungsregler nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangsmodusauswahlschaltung (336) mit der Schaltschaltung und dem Regler verbunden ist.

8. Leistungsregler nach Anspruch 7, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmodusauswahlschaltung minde­ stens einen Schalter (392, 394) aufweist, zum ausgewählten Verbinden des Energiespeicherschaltungsausgangs mit einem Spannungsregelmodusausgang und einem Stromregelmodusausgang.

9. Leistungsregler nach Anspruch 8, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Schalter einen Span­ nungsregelmodusauswahlschalter (392) und einen Stromregelmo­ dusauswahlschalter (394) umfaßt, wobei der Spannungsregelmo­ dusauswahlschalter den Energiespeicherschaltungsausgang mit dem Spannungsregelmodusausgang verbindet, wenn der Leistungs­ regler in einem Spannungsregelmodus arbeitet und der Stromre­ gelmodusauswahlschalter den Energiespeicherschaltungsausgang mit dem Stromregelmodusausgang verbindet, wenn sich der Lei­ stungsregler im Stromregelmodus befindet.

10. Leistungsregler nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ein Leistungsverstärker zur Verstärkung von RF-Sendesignalen mit dem Spannungsregelmodusausgang ver­ bunden ist.

11. Leistungsregler nach Anspruch 10, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregelmodusausgang mit der Batte­ rie (222) verbunden ist.

12. Verfahren zum Bereitstellen einer geregelten Spann­ ung und eines geregelten Stroms in einer Kommunikationsein­ richtung, die einen Sender und eine Batterie einschließt, wo­ bei die Batterie von einer externen Leistungsquelle aus gela­ den wird, wobei die Kommunikationseinrichtung einen Lei­ stungsregler umfaßt, der eine Schaltschaltung und einen Aus­ gang aufweist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es folgende Schritte aufweist:
Bestimmen ob der Sender an sein sollte;
Setzen der Schaltschaltung in einen Spannungsregelbe­ triebsmodus, wenn der Sender an sein sollte;
Bestimmung ob die Batterie geladen werden sollte; und
Setzen der Schaltschaltung in einen Stromregelbetriebs­ modus, wenn die Batterie geladen werden sollte.

13. Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin dadurch ge­ kennzeichnet, daß es den Schritt der Auswahl der Batterie oder einer externen Leistungsquelle als Leistungsversorgung für den Leistungsregler umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin dadurch ge­ kennzeichnet, daß es die Schritte der Verwendung eines Rück­ koppelspannungspegels zur Regelung eines Ausgangsspannungspe­ gels im Spannungsregelmodus und das Festsetzen des Rückkop­ pelspannungspegels auf einen vorbestimmten Pegel im Stromre­ gelmodus umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin dadurch ge­ kennzeichnet, daß es den Schritt des Lösens der Verbindung des Ausgangs des Leistungsreglers von einem Leistungsverstär­ ker im Sender im Stromregelmodus umfaßt.