DE19726319C2

DE19726319C2 - Spannungsversorgung für gepulste Verbraucher

Info

Publication number: DE19726319C2
Application number: DE1997126319
Authority: DE
Inventors: Volker Wannenmacher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2017-06-21
Also published as: DE19726319A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungsschaltung für gepulste Verbraucher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Gepulste Verbraucher stellen im allgemeinen hohe Anforderungen an die Spannungsversorgung. Ein typisches Beispiel für einen solchen gepulsten Verbraucher ist die HF-Endstufe eines sog. GSM-Mobiltelefones der Anmelderin; die HF-Endstufe wird nur in einem Achtel der Zeit eingeschaltet, hat in diesem Achtel der Zeit aber einen erheblichen Leistungsbedarf. Dies führt im allgemeinen zu einem Einbruch in der Versorgungsspannung, der evtl. sogar die Funktion des Mobiltelefons beeinträchtigen kann.

Das bekannte Grundprinzip einer Spannungsversorgung für gepulste Verbraucher ist in Fig. 5 dargestellt. Die Span nungsversorgungsschaltung von Fig. 5 enthält im wesentlichen eine Gleichspannungsquelle oder Batterie 1 und einen parallel zu der Gleichspannungsquelle 1 geschalteten Ladekondensator 2. Der Ladekondensator 2 wird im ausgeschalteten Zustand des Verbrauchers 4 von der Batterie 1 in dem hier gezeigten Bei spiel über einen sog. Schaltregler 3 aufgeladen, der die Spannung der Gleichspannungsquelle 1 auf eine für den Ver braucher 4 geeignete Versorgungsspannung U_out, zum Beispiel von 3 V auf 6 V, hochregelt, so daß an dem Verbraucher 4 eine höhere Versorgungsspannung U_out anliegt. Als Beispiel für einen Ver braucher 4 ist in Fig. 5 ein gepulster Leistungsverstärker als HF-Endstufe eines Mobiltelefones dargestellt, wobei die Spannungsversorgungsschaltung natürlich auch für beliebige andere gepulste Verbraucher verwendet werden kann. Der Ladekondensator 2 dient als Puffer für die von der Gleich spannungsquelle 1 bzw. dem Schaltregler 3 gelieferte Versor gungsspannung U_out und entlädt sich bei eingeschaltetem Ver braucher 4 eben über diesen Verbraucher 4.

In Fig. 7 ist der zeitliche Verlauf der Versorgungsspannung U_out in Zusammenhang mit dem Taktsignal, d. h. mit dem Ein- und Ausschalten des Verbrauchers 4 in Diagrammform für den Fall dargestellt, daß ein Ladekondensator 2 mit nur geringer Kapazität oder überhaupt kein Ladekondensator verwendet wird. Sobald der Verbraucher 4 eingeschaltet wird, läuft durch den Schaltregler und den Ladekondensator 2 ein Laststrom zum Verbraucher 4, wobei der Ladekondensator 2 allmählich entladen wird. Dadurch, daß der Verbraucher 4 im eingeschalteten Zustand einen beträchtlichen Leistungsbedarf hat, erfolgt ein deutlich erkennbarer Einbruch in der Versorgungsspannung U_out. Nach dem Ausschalten des Verbrauchers 4 steigt die Versor gungsspannung U_out wieder allmählich auf das Normalmaß an.

Eine gängige Methode zur Vermeidung des in Fig. 7 veran schaulichten Spannungseinbruches ist die Verwendung eines Ladekondensators 2 mit einer hohen Kapazität, der diesen Einbruch der Versorgungsspannung U_out abpuffert. Ein Nachteil dieser Methode ist der je nach angeschlossener Last bzw. angeschlossenem Verbraucher 4 erhebliche Platzbedarf für den großen Ladekondensator 2. So zieht beispielsweise eine übliche Mobilfunkendstufe 4 während des 577 µs langen Sendepulses bei einer Versorgungsspannung U_out von 6 V einen Strom von 1.2 A. Soll in diesem Fall höchstens ein Spannungseinbruch von 200 mV zulässig sein, so wäre nach dem üblichen, in Fig. 4A darge stellten Konzept ein Ladekondensator 2 mit einer Kapazität von

C_L = ΔQ/ΔU = (1,2 A . 577 µs)/(200 mV) = 3460 µE (1)

erforderlich. Selbst unter der Annahme, daß der Schaltregler 3 während des Sendepulses der Mobilfunkendstufe 4 die Hälfte der erforderlichen Endstufenleistung liefert, ergibt dies immer noch einen hohen Kapazitätswert von

C_L = 1730 µF, (2)

wobei die maximale Leistung des Schaltreglers 3 in diesem Falle

P_max = U_max . I = 3 V . 1,2 A = 3,6 W (3)

beträgt.

Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Vermeidung des oben erläuterten Spannungseinbruches besteht in der Verwendung einer sehr stark ausgelegten Spannungsversorgung 1, die ohne Einbruch der Versorgungsspannung U_out den Verbraucher 4 ver sorgen kann. Diese Maßnahme erhöht allerdings sowohl den Raumbedarf als auch die Kosten einer solchen Versorgungs schaltung und führt außerdem zu einer starken Impulsbelastung der Batterie 1, was in der Regel ebenfalls unerwünscht ist.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Beispiel einer gängigen Methode zur Vermeidung des Spannungseinbruches. Die Versorgungsspannung U_out wird in diesem Fall durch einen sog. Längsregler oder linearen Regler 5 geglättet, der zwischen den Verbraucher 4 und den Ladekondensator 2 geschaltet ist. Der Längsregler 5 regelt die von dem Schaltregler 3 hochgeregelte Versorgungsspannung U_out auf eine niedrigere Ausgangsspannung U_out' herunter, die von dem Längsregler 5 auch bei eingeschaltetem Verbraucher 4 gehalten werden kann, d. h. die nicht einbricht. Die Ausgangsspannung U_out' liegt, wie in Fig. 7 gezeigt, somit im allgemeinen unterhalb des Pegels der Einbrüche der Versorgungsspannung U_out. Diese Maßnahme ist für große Lasten 4 ungünstig, da der Längsregler 5 den Wirkungsgrad der Versorgungsschaltung stark mindert.

Aus DE 33 45 026 A1 sind oben beschriebene Methoden zur Vermeidung des Spannungseinbruchs bekannt. Auch aus DE 41 15 734 C2 ist es bekannt, die an eingangsseitigen Glättungskondensatoren erzeugte hochfrequente Welligkeitsspannung aufzuheben und die Auswirkung der hochfrequenten Störung an den Eingangsanschlüssen zu reduzieren.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Spannungsversorgung für gepulste Verbraucher vorzusehen, die den Einbruch der Versorgungs spannung verhindert und dabei die oben beim Stand der Technik genannten Nachteile ausschließt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung weist gegenüber der oben beschriebenen vorbekannten Spannungsversor gungsschaltung von Fig. 5 zusätzlich einen mit dem Ladekon densator in Serie geschalteten Hilfskondensator, einen ersten zu dem Ladekondensator parallel geschalteten Schalter, einen zweiten zu dem Hilfskondensator parallel geschalteten Schalter, und eine mit der Gleichspannungsquelle in Serie geschaltete Diode, wobei die Diode zwischen dem Ladekonden sator und dem ersten Schalter angeordnet ist und in Richtung der Entladung der Gleichspannungsquelle durchlässig ist. Der erste Schalter ist dabei so gesteuert, daß er bei ausgeschal tetem Verbraucher geöffnet und bei eingeschaltetem Verbraucher geschlossen ist, und der zweite Schalter ist so gesteuert, daß er bei ausgeschaltetem Verbraucher geschlossen und bei einge schaltetem Verbraucher geöffnet ist.

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird der Ladekondensator bei ausgeschaltetem Verbraucher auf die erforderliche Versor gungsspannung des Verbrauchers aufgeladen, während der Hilfs kondensator ungeladen bleibt. Sobald der Verbraucher einge schaltet wird, wird der Ladekondensator allmählich entladen, was durch die am Hilfskondensator über den Schaltregler ent sprechend ansteigende Spannung ausgeglichen wird. Dies hat zur Folge, daß kein Spannungseinbruch der Versorgungsspannung auftritt und ein Ladekondensator mit relativ kleiner Kapazität verwendet werden kann.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 das Grundprinzip einer Spannungsversorgungsschaltung für gepulste Verbraucher gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Ausführungsbeispiel der Spannungsversorgungs schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3A ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung von Fig. 2 für den Fall eines ausgeschalteten Ver brauchers;

Fig. 3B ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung von Fig. 2 für den Fall eines eingeschalteten Verbrauchers;

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung in Zusammenhang mit dem Taktsignal des gepulsten Verbrauchers in Diagrammform gemäß der erfindungs gemäßen Schaltungsanordnung von Fig. 1;

Fig. 5 das bekannte Grundprinzip einer Spannungsversorgungs schaltung für gepulste Verbraucher;

Fig. 6 eine weitere bekannte Spannungsversorgungsschaltung für gepulste Verbraucher; und

Fig. 7 den zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung in Zusammenhang mit dem Taktsignal des gepulsten Ver brauchers in Diagrammform gemäß der Schaltungsan ordnung von Fig. 5 und der Schaltungsanordnung von Fig. 6.

Das Grundprinzip sowie ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei wurden für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Spannungsversorgungsschaltungen der Fig. 5 und 6.

Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung enthält wie die in Fig. 5 gezeigte, vorbekannte Schaltungsanordnung eine Gleichspannungsquelle oder Batterie 1 und einen parallel zu der Gleichspannungsquelle 1 geschalteten Ladekondensator 2.

Zusätzlich weist die Spannungsversorgungsschaltung einen mit dem Ladekondensator 2 in Serie geschalteten Hilfskondensator 6, einen ersten zu dem Ladekondensator 2 parallel geschalteten Schalter 7, einen zweiten zu dem Hilfskondensator 6 parallel geschalteten Schalter 8, und eine zwischen der Serienschaltung aus Ladekondensator 2 und Hilfskondensator 6 und der Serienschaltung aus erstem und zweiten Schalter 7, 8 geschaltete Diode 9 auf.

Grundsätzlich kann für die erfindungsgemäße Schaltungsan ordnung jede Art von Transistor oder anderem Schalter verwendet werden. Die Steuerung der Schalter 7, 8 erfolgt komplementär zueinander, d. h. der erste Schalter 7 wird so gesteuert, daß er bei ausgeschaltetem Verbraucher 4 geöffnet und bei eingeschaltetem Verbraucher 4 geschlossen ist, und der zweite Schalter 8 wird so gesteuert, daß er bei ausgeschal tetem Verbraucher 4 geschlossen und bei eingeschaltetem Verbraucher 4 geöffnet ist.

Vorzugsweise wird das dem Verbraucher 4 zugeführte Taktsignal auch für die Steuerung der beiden Schalter 7 und 8 verwendet. Ebenso kann jedoch auch ein separates Steuerungsschaltungsteil eingesetzt werden, der den Betriebszustand des Verbrauchers 4 überwacht und die Schalter 7 und 8 entsprechend steuert.

Als Verbraucher 4 ist wie in den Fig. 5 und 6 zum Stand der Technik beispielhaft eine Endstufe eines Mobiltelefons dargestellt, die über ein Taktsignal gepulst, d. h. ein- und ausgeschaltet wird. Der Aufbau und die Wirkungsweise sind, wie für den Fachmann leicht zu erkennen ist, nicht auf diese Art von gepulsten Verbraucher 4 beschränkt.

Ferner erfordert die Spannungsversorgungsschaltung eine regelbare Gleichspannungsquelle 1, die einerseits den Ladekondensator 2 auf die volle Versorgungsspannung U_out und andererseits den Hilfskondensator 6 während des Lastpulses von 0 V an aufladen können muß. Eine solche Regelung der Gleichspannungsquelle 1 kann beispielsweise mit einer bekannten, bei Spannungsreglern üblichen Rückkopplung zu dem Schaltregler 3 geschehen.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 wird als erster Schalter 7 ein P-Transistor und als zweiter Schalter 8 ein dazu komple mentärer N-Transistor verwendet, die beide mit dem inver tierten Taktsignal des Verbrauchers 4 in der oben beschrie benen Art geschaltet werden. Weiter ist es denkbar, für beide Schalter 7, 8 jeweils einen P-Transistor einzusetzen und dabei den ersten P-Transistor 7 mit dem invertierten und den zweiten P-Transistor 8 mit dem nicht invertierten Taktsignal des Ver brauchers 4 anzusteuern, oder in analoger Weise für beide Schalter 7, 8 jeweils einen N-Transistor einzusetzen und dabei dem ersten N-Transistor 7 das nicht invertierte und dem zweiten N-Transistor 8 das invertierte Taktsignal des Ver brauchers 4 zuzuführen. Entscheidend für die Funktion der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsschaltung ist in jedem Fall die komplementäre Ansteuerung bzw. Schaltfunktion der beiden Schalter 7 und 8.

Weiter enthält das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 analog zu den vorbekannten Schaltungsanordnungen der Fig. 5 und 6 einen mit der Gleichspannungsquelle 1 in Serie geschalteten Schaltregler 3, der die von der Gleichspannungsquelle 1 gelieferte Spannung auf eine für den verbraucher geeignete Versorgungsspannung U_out hochregelt.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird im folgenden anhand der Fig. 3A und 3B näher beschrie ben. Fig. 3A zeigt das Ersatzschaltbild der Schaltungs anordnung von Fig. 2 für den ausgeschalteten Zustand des Verbrauchers 4 (Taktsignal = low) und Fig. 3B zeigt das Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung von Fig. 2 für den eingeschalteten Zustand des Verbrauchers 4 (Taktsignal = high).

Ist der Verbraucher 4 ausgeschaltet (Fig. 3A), so ist der P- Transistor gesperrt, d. h. der erste Schalter 7 geöffnet. Der Ladekondensator 2 wird von der Gleichspannungsquelle 1 über den Schaltregler 3 und die Diode 9 auf die erforderliche Versorgungsspannung U_out aufgeladen (U_L = U_out). Der Hilfskon densator 6 bleibt ungeladen (U_H = 0), da er durch den leiten den N-Transistor, d. h. den geschlossenen zweiten Schalter 8 überbrückt wird.

Sobald der Verbraucher 4 eingeschaltet wird (Fig. 3B), wird der P-Transistor leitend, d. h. der erste Schalter 7 ge schlossen, und der N-Transistor gesperrt, d. h. der zweite Schalter 8 geöffnet. Der Laststrom I_L fließt durch den Schaltregler 3 über den leitenden P-Transistor 7 durch den Ladekondensator 2 zum Verbraucher 4, wobei der Ladekondensator 2 allmählich entladen wird. Die Diode 9 verhindert hierbei ein Entladen des Ladekondensators 2 über den P-Transistor bzw. den ersten Schalter 7, während sie zuvor ein Aufladen des Lade kondensators 2 ermöglicht hat (Fig. 3A). Ausgeglichen wird die Entladung des Ladekondensators 2 durch den Hilfskon densator 6, dessen Spannung U_H im gleichen Maße ansteigt wie die Spannung U_L am Ladekondensator 2 absinkt. Die Leistung der Last bzw. des Verbrauchers 4 wird also teilweise aus dem Ladekondensator 2 und teilweise über den Hilfskondensator 6 aus dem Schaltregler 3 entnommen.

Mit fortschreitender Einschaltdauer des Verbrauchers 4 nimmt also der Leistungsanteil aus dem Schaltregler 3 zu. Ein Span nungseinbruch der Versorgungsspannung U_out tritt nicht auf, obwohl der Ladekondensator 2 mit fortschreitender Einschalt dauer des Verbrauchers 4 einen immer geringeren Leistungs anteil liefert. Den zeitlichen Verlauf der Spannungen während der Verbraucher 4 eingeschaltet ist, veranschaulicht Fig. 4. Die Spannungen U_L und U_H addieren sich in jedem Zeitpunkt zu einem zeitlich konstanten Wert der Versorgungsspannung U_out.

Im Gegensatz zu der vorbekannten Spannungsversorgung gemäß Fig. 5 ist nur ein Ladekondensator 2 von relativ geringer Kapazität notwendig. Angenommen, man läßt beim Ladekondensator 2 während Sendepulses der Mobilfunkendstufe 4 einen Spannungs abfall um 2 V von 6 V auf 4 V zu, so errechnet sich die erforderliche Kapazität des Ladekondensators 2 analog Gleichung (1) zu

C_L = (1,2 A . 577 µs)/(2 V) = 346 µF. (4)

Dementsprechend führt der Schaltregler 3 die Spannung U_H über dem Hilfskondensator 6 von 0 V auf 2 V hoch, um die Versorgungsspannung U_out für die Endstufe konstant zu halten. Die maximale Leistung P_max des Schaltreglers 3 ergibt sich somit zu

P_max = 2 V . 1,2 A = 2,4 W. (5)

Der Schaltregler 3 muß also keineswegs größer dimensioniert sein als bei dem bisher bekannten Konzept. Da der Hilfskon densator 6 im Prinzip beliebig klein gewählt werden kann, sind für die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung eines gepulsten Verbrauchers 4 keine größeren Bauteile notwendig als bei der bisher bekannten Schaltungsanordnung.

Claims

1. Spannungsversorgungsschaltung für gepulste Verbraucher mit einer Gleichspannungsquelle (1) und einem zu der Gleich spannungsquelle (1) parallel geschalteten Ladekondensator (2), gekennzeichnet durch einen mit dem Ladekondensator (2) in Serie geschalteten Hilfskondensator (6), wobei der Verbraucher (4) parallel zu dieser Serienschaltung (2, 6) liegt; einen ersten zu dem Ladekondensator (2) parallel geschalteten Schalter (7), der so gesteuert ist, daß er bei ausgeschaltetem Verbraucher (4) geöffnet und bei eingeschaltetem Verbraucher (4) geschlossen ist; einen zweiten zu dem Hilfskondensator (6) parallel geschalteten Schalter (8), der so gesteuert ist, daß er bei ausgeschaltetem Verbraucher (4) geschlossen und bei eingeschaltetem Verbraucher (4) geöffnet ist; und eine mit der Gleichspannungsquelle (1) in Serie geschaltete Diode (9), wobei die Diode (9) zwischen den Ladekondensator (2) und den ersten Schalter (7) geschaltet ist und in Richtung der Entladung der Gleichspannungsquelle (1) durchlässig ist.

2. Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des ersten Schalters (7) komplementär zu der Ansteuerung des zweiten Schalters (8) ist.

3. Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalter (7) ein zu dem zweiten Schalter (8) komplementärer Schalter ist.

4. Spannungsversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalter (7) und/oder der zweite Schalter (8) ein Transistor ist.

5. Spannungsversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Schalter (7, 8) durch das dem Verbraucher (4) zugeführte Taktsignal erfolgt.

6. Spannungsversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgungsschaltung weiter einen mit der Gleichspannungsquelle (1) in Serie geschalteten Schaltregler (3)aufweist, der die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle (1) auf eine für einen Verbraucher (4) geeignete Versorgungsspannung (U_out) regelt.