DE3914287A1

DE3914287A1 - Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE3914287A1
Application number: DE3914287A
Authority: DE
Inventors: Michael Bothe
Original assignee: Blaupunkt Werke GmbH
Current assignee: Blaupunkt Werke GmbH
Priority date: 1989-04-29
Filing date: 1989-04-29
Publication date: 1990-11-08
Also published as: DE3914287C2

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gleichspannungswandler nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Zur Erzeugung von geregelten Betriebsspannungen für nachrichtentechnische Geräte aus einer unstabilisierten Gleichspannung, wie sie beispielsweise im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs vorhanden ist, sind Gleichspannungswandler bekannt, bei welchen ein Halbleiterschalter in Reihe mit einer Induktivität geschaltet ist. In an sich bekannter Weise ist ferner eine Freilaufdiode vorgesehen. Der Halbleiterschalter wird mit breitenmodulierten Impulsen derart angesteuert, daß die Ausgangsspannung auch bei schwankender Eingangsspannung konstant bleibt.

Diese bekannten Abwärtswandler zeichnen sich durch eine geringe Verlustleistung innerhalb des Halbleiterschalters aus, was einerseits zu einem günstigen Wirkungsgrad führt und andererseits durch Verwendung von kleineren Halbleiterelementen kompakte und preisgünstige Schaltungen ermöglicht.

Die Bordspannung eines Kraftfahrzeugs kann jedoch innerhalb eines sehr großen Bereichs zwischen etwa 6 V und 15 V schwanken. Soll aus einer derart schwankenden Bordspannung eine geregelte Spannung von beispielsweise 5 V erzeugt werden, so treten in der Nähe der unteren Grenze dieses Bereichs Schwierigkeiten bei der Verwendung von Abwärtswandlern auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gleichspannungswandler vorzuschlagen, der unter Beibehaltung der Vorteile der bekannten Abwärtswandler auch bei einer geringen Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung zuverlässig arbeitet.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß er in einem weiten Bereich der Eingangsspannung zuverlässig arbeitet und innerhalb des gesamten Bereichs eine geringe Belastung der Halbleiterelemente und einen günstigen Wirkungsgrad aufweist. Dabei ergibt sich ein Verlustleistungsminimum bei der minimalen Eingangsspannung. Außerdem erfolgt bei geringen Eingangsspannungen eine zusätzliche LC-Filterung der Ausgangsspannung.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich. Insbesondere ist zum störungsfreien Übergang zwischen einem geschalteten und einem kontinuierlichen Betrieb ein Spannungskomparator mit einer Hysterese vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die Zeichnung ist teilweise als Blockschaltbild ausgeführt, da Einzelheiten der als Blöcke dargestellten Baugruppen an sich bekannt sind.

An den Eingangsanschlüssen 1, 2 des dargestellten Gleichspannungswandlers liegt die Bordspannung U _B eines Kraftfahrzeugs, die zwischen 6 V und 15 V je nach Ladezustand, Belastung oder Ladestrom der Batterie schwanken kann. Zur Vermeidung von Strom- und Spannungsspitzen ist ein Eingangskondensator 3 vorgesehen. Über einen Feldeffekttransistor 4 und eine Induktivität 5 ist die Eingangsklemme 1 in an sich bekannter Weise mit einer Ausgangsklemme 6 verbunden, an welcher gegenüber der Ausgangsklemme 7 die geregelte Ausgangsspannung U _A = 5 V ansteht. In an sich bekannter Weise sind ein Ladekondensator 8 und eine Freilaufdiode 9 vorgesehen. Eine Referenzspannungsquelle 10, welche schematisch als Batterie dargestellt ist, ist mit Eingängen zweier Regler 11, 12 und eines Spannungskomparators 13 verbunden. Weiteren Eingängen der Regler 11, 12 ist die Ausgangsspannung U _A zuführbar.

Der erste Regler 11 ist ein an sich bekannter Regler für einen schaltenden Abwärtswandler und gibt ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal ab, das über eine erste Primärwicklung 14 eines Transformators 15 und über die Sekundärwicklung 16 zur Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 4 geleitet wird. Die Frequenz f _{S 1} des Ausgangssignals des Reglers 11 wird durch ein bei 21 zugeführtes Taktsignal bestimmt.

Der zweite Regler 12 gibt amplitudenmodulierte Impulse ab, die über eine zweite Primärwicklung 17 des Transformators 15 und dessen Sekundärwicklung 16 der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 4 zugeleitet werden. Die Amplitudenmodulation hängt von der Differenz der Ausgangsspannung U _A und der Referenzspannung U _R ab. Die Frequenz f _{S 2} des Ausgangssignals des Reglers 12 ist durch ein bei 22 zugeführtes Taktsignal bestimmt.

Eine zwischen der Sekundärwicklung 16 und der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 4 vorgesehene Gleichrichterdiode 18 richtet die amplitudenmodulierten Impulse gleich, wobei die Eingangskapazität des Feldeffekttransistors 4 als Ladekondensator dient. Damit bildet sich an der Steuerelektrode 4 des Feldeffekttransistors eine Steuerspannung aus, welche von der Differenz der Ausgangsspannung U _A und der Referenzspannung U _R - also von der Regelabweichung - abhängt. Der zweite Regler 12 dient somit einer kontinuierlichen Regelung, wobei der Feldeffekttransistor 4 als steuerbarer Widerstand arbeitet. Bei Kapazitäten von Leistungs-Feldeffekttransistoren im Bereich von etwa 1000 pF und 3000 pF entsteht bei einer Frequenz von f _{S 2} < 100 kHz eine kontinuierliche Steuerspannung.

Der Spannungskomparator 13 gibt an seinen Ausgängen 19, 20 zwei Schaltspannungen ab, welche jeweils den ersten Regler 11 oder den zweiten Regler 12 aktivieren. Bei höheren Eingangsspannungen aktiviert der Spannungskomparator 13 den ersten Regler 11. Sinkt die Eingangsspannung U _B unter einen Wert von 7 V, so wird der erste Regler 11 gesperrt und der zweite Regler 12 freigegeben. Steigt die Eingangsspannung U _B wieder, so wird zunächst eine Hysterese von beispielsweise 0,5 V durchlaufen, bis wieder eine Umschaltung auf den ersten Regler 11 bzw. auf den Betrieb als schaltender Abwärtswandler erfolgt.

Claims

1. Gleichspannungswandler mit einem Ausgang für eine geregelte Ausgangsspannung und einem Eingang für eine Eingangsspannung, wobei zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine Reihenschaltung aus einem steuerbaren Halbleiterelement und einer Induktivität angeordnet ist und wobei ferner eine Freilaufdiode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiterelement (4) in einem Schaltbetrieb arbeitet, wenn die Eingangsspannung mindestens um einen vorgegebenen Wert über der Ausgangsspannung liegt und daß das Halbleiterelement kontinuierlich gesteuert wird, wenn die Eingangsspannung weniger als der vorgegebene Wert über der Eingangsspannung liegt.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer Steuerelektrode des Halbleiterelements (4) wahlweise von zwei Reglern (11, 12) Steuersignale zuführbar sind und daß ein Spannungskomparator (13) mit einer Referenzspannung und mit der Eingangsspannung beaufschlagbar ist und Signale zur Auswahl der Regler abgibt.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungskomparator (13) mit einer Hysterese versehen ist.

4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Regler (11) zur Erzeugung von breitenmodulierten Impulsen in Abhängigkeit von der Differenz der Ausgangsspannung und der Referenzspannung vorgesehen ist und daß ein zweiter Regler (12) zur Erzeugung von Impulsen vorgesehen ist, deren Amplitude von der Differenz der Ausgangsspannung und der Referenzspannung abhängt.

5. Gleichspannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Regler (11, 12) mit je einer Primärwicklung (14, 17) eines Transformators (15) verbunden sind, dessen Sekundärwicklung (16) an die Steuerelektrode des steuerbaren Halbleiterelements (4) angeschlossen ist.

6. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Sekundärwicklung (16) eine Diode (18) geschaltet ist und daß die Frequenz der vom zweiten Regler (12) erzeugten Impulse wesentlich größer als die Frequenz der vom ersten Regler (11) erzeugten Impulse ist.

7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiterelement ein Feldeffekttransistor (4) ist.

8. Gleichspannungswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der vom zweiten Regler (12) erzeugten Impulse größer als etwa 100 kHz ist.