DE4341419A1 - Verlustarmer Spannungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen verlustarmen Spannungsregler, bei welchem ein Schalter einerseits mit einer Gleichspannung und andererseits mit einem LC-Filter, welches den Schaltungsausgang darstellt, verbunden ist, wobei das Ausgangssignal auf eine Ansteuerschaltung rückkoppelbar ist, welche den Schalter getaktet ansteuert.

Es ist bekannt zur Stabilisierung von Spannungen, Schalt­ netzteile zu verwenden. Solche Schaltnetzteile bestehen aus einem als Schalter arbeitenden Leistungstransistor, der von einer Steuereinheit periodisch angesteuert wird. Der Ein­ gang des Leistungstransistors ist mit einer Gleichspannung verbunden. Der Schalter selbst ist in Reihe mit einer Last geschaltet. Zur Glättung des Signals ist zwischen Schalter und Last ein LC-Filter angeordnet. Das am Ausgang des LC- Filters auftretende Signal wird dabei auf die Steuereinheit rückgekoppelt.

Üblicherweise werden Schaltnetzteile mit Bipolar-Transisto­ ren betrieben. Im Schalttransistor wird dabei eine hohe Verlustleistung erzeugt, was einen hohen Platzbedarf für die Kühlfläche des Schalttransistors zur Folge hat. Bei Ausführungen für höhere Leistungen treten zusätzliche Ver­ luste in der Ansteuerschaltung für den Schalttransistor auf.

Aufgrund der erforderlichen großen Kühlfläche ist der Platzbedarf für weitere Bauteile auf der Leiterplatte stark eingeschränkt.

Außerdem treten zusätzliche Montagekosten für das Kühlblech auf. Der Verzicht auf solche Maßnahmen hätte eine unzuläs­ sige Erwärmung anderer Schaltungsteile zur Folge, was deren eingeschränkte Funktionsfähigkeit nach sich ziehen würde.

In vielen Anwendungsfällen, z. B. bei Kombinationsinstrumen­ ten in der Automobilindustrie ist der Einsatz von immer kompakteren Bauformen aber eine permanente Forderung der Technik.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Span­ nungsregler zu entwickeln, welcher einen geringen Bauraum erfordert, zuverlässig und verlustarm arbeitet und kosten­ günstig realisierbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Schalter ein N-Kanal-MOSFET ist, dessen Source über eine Ladungspumpe an die Gleichspannung führt, wobei durch den Takt des Spannungsreglers selbst die Ladungspumpe betreib­ bar ist.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch den Ein­ satz eines N-Kanal-MOSFET der Bauraum des Spannungsreglers verkleinert wird, da gerätetechnische Maßnahmen zu Wärmeab­ fuhr unterbleiben können. Außerdem entfällt eine zusätz­ liche Ladungspumpe, was den schaltungstechnischen Aufwand für den Spannungsregler ebenfalls verringert.

Vorteilhafterweise ist die Source des N-Kanal-MOSFET mit einem ersten Kondensator verbunden, welcher auf die Kathode einer ersten Diode führt, deren Anode mit der positiven Gleichspannung verbunden ist, die am Drain des N-Kanal- MOSFET liegt. Die Kathode der ersten Diode ist weiterhin mit der Anode einer zweiten Diode verbunden, deren Kathode einerseits über einen zweiten Kondensator an den Drain des N-Kanal-MOSFET führt und andererseits mit der Ansteuer­ schaltung verbunden ist.

Dadurch ist es möglich, die Steuerspannung für den Schalttransistor aus der Schaltung selbst zu erzeugen. Der geringe und einfache schaltungstechnische Aufwand ermög­ licht die Integration der Schaltung auf einem IC.

In einer Weiterbildung ist zwischen Source und Gate des N- Kanal-MOSFET eine Zener-Diode geschaltet.

Diese Zenerdiode sorgt dafür, daß die Gate-Source-Spannung des N-Kanal-MOSFET einen bestimmten Wert nicht überschrei­ tet.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eines davon soll anhand der in der Figur dargestellten Zeichnung näher erläutert werden.

Die Figur zeigt einen verlustleistungsarmen Spannungsregler in der Ausführung als step-down-converter mit einem N- Kanal-Feldeffekttransistor T3, wobei ein universeller Schaltnetzteil-IC z. B. ein TL 497 Anwendung findet. Dieses Schaltnetzteil wird als Treiber für die Gegentaktendstufe T1, T2 genutzt, welche den Leistungs-MOSFET T3 schaltet. Das Schaltnetzteil IC und die Gegentaktendstufe bilden die Ansteuerschaltung AS für den Leistungstransistor T3.

Das Drain D des MOSFET T3 ist mit der positiven Versor­ gungsspannung U_B2 verbunden. Die Source S führt auf eine Induktivität L, welche mit einem gegen Masse geschalteten Kondensator C₃ ein Filter zur Glättung der Ausgangsspannung U_B4 des Spannungsreglers bildet. Parallel zum Kondensator C₃ befindet sich ein Spannungsteiler R1, R2, über dessen Mittelabgriff die Ausgangsspannung U_B4 auf das Schaltnetz­ teil IC rückgekoppelt wird. Der Schaltnetzteil IC ver­ gleicht die Ausgangsspannung U_B4 mit einer Referenzspannung U_B1. Ist die Ausgangsspannung U_B4 zu klein, wird die Ansteuerspannung U_B3 am Gate G des MOSFET T3 vergrößert.

Da es sich in diesem Fall um einen klassischen Step-down- Wandler handelt (das bedeutet Eingang H, Ausgang L) und ein N-Kanal-MOS-FET zur Anwendung kommt, ist eine positive Ansteuerspannung U_B3 am Gate G des Feldeffekttransistors T3 gegenüber der Versorgungsspannung U_B2 notwendig.

Die Schaltung funktioniert auf folgende Weise:
Im ersten Moment des Einschaltens der Referenzspannung U_B1 und der Versorgungsspannung U_B2 ist die an der Induktivität L anliegende Spannung noch 0. Der MOSFET T3 kann auf steu­ ern, ohne daß eine Ladungspumpe arbeitet.

Liefert die Entstufe T1, T2 ein Signal an das Gate G des im MQS-FET T3, welches diesen öffnet, wird das Potential am Gate G auf das des Drain D gezogen und Source S liegt an U_B2-Potential. Der Kondensator C₁ liegt dann zwischen der Versorgungsspannung U_B2 abzüglich der Spannung über der Diode D1 und kann somit den Kondensator C2 über die Diode D2 aufladen. Die Spannung des Kondensators C2 beträgt maxi­ mal U_B2 abzüglich zwei Diodenstrecken.

Führt das Signal der Endstufe T1, T2 dazu, daß die Drain- Source-Strecke des MOS-FET T3 sperrt, liegt die Source S auf Masse-Potential. Der Kondensator C1 lädt sich über die Diode D1 erneut auf. Am Punkt U_B3 steht eine Spannung zur Verfügung, die auf alle Fälle immer höher ist, als die minimale Gate-Spannung, die für den Transistor T3 notwendig ist. Der Takt des Schaltnetzteils IC wird dazu genutzt, um die Ladungspumpe arbeiten zu lassen.

Da bei geringer Belastung von U_B4 und gleichzeitiger geringer Spannungsdifferenz von U_B2-U_B4, wie es bei Anlaßvorgängen eines Motors auftreten kann, die benötigte Gate-Spannung U_B3 eventuell nicht erreicht wird, wurde die Ladungspumpe aus zwei Dioden D1, D2 und zwei Kondensatoren C1, C2 realisiert.

Hierdurch kann der Kondensator C2 noch mehrere Arbeitstakte des Schaltregel-IC′s Spannung am Gate von Transistor T3 liefern, auch ohne, daß bei jedem Takt eine neue Aufladung des Kondensators C2 stattfindet, oder daß C2 sogar entladen wird, was zum Zusammenbrechen von U_B4 führen würde.

Der also relativ stabile Ausgang U_B3 des Kondensators C2 versorgt die Endstufe T1, T2, welche letztendlich den MOS- FET T3 ansteuert. Über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T2 liegt so die abzüglich von den Verlusten in der Ladungspumpe verdoppelte Versorgungsspannung am Gate G des MOS-FET T3 an. Dieser bekommt an sein Gate G eine posi­ tive Spannung gegenüber der Source und steuert auf. Um bei hohen Versorgungsspannungen U_B2 die Gate-Spannung des Tran­ sistors T3 zu begrenzen, ist zwischen Gate G und Source S des MOSFET T3 eine Zener-Diode Z₁ vorgesehen.

Claims (5)

1. Verlustarmer Spannungsregler, bei welchem ein Schalter einerseits mit einer Gleichspannung und andererseits mit einem LC-Filter, welches den Schaltungsausgang darstellt, verbunden ist, wobei das Ausgangssignal auf eine Ansteuerschaltung rückkoppelbar ist, welche den Schalter getaktet ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein N-Kanal-MOSFET (T3) ist, dessen Source (S) über eine Ladungspumpe (C₁, C₂, D₁, D₂) an die Gleichspannung (U_B2) führt, wobei durch den Takt des Spannungsreglers selbst die Ladungspumpe betreib­ bar ist.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Source (S) mit einem ersten Kondensator (C1) verbunden ist, welcher auf die Katode einer ersten Diode (D1) führt, deren Anode mit der positiven Gleichspannung (U_B2) verbunden ist, die am Drain (D) des N-Kanal-MOSFET (T3) liegt.

3. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kathode der ersten Diode (D1) mit der Anode einer zweiten Diode (D2) verbunden ist, deren Kathode einerseits über einen zweiten Kondensator (C2) an den Drain (D) des N-Kanal-MOSFET (T3) führt und andererseits mit der Ansteuerschaltung (IC, T1, T2) verbunden ist.

4. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Source (S) und Gate des N-Kanal-MOSFET (T3) eine Zener-Diode (Z1) geschaltet ist.

5. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (IC, T1, T2) eine Gegentaktendstufe (T1, T2) aufweist, deren zweiter Transistor (T2) mit der Kathode der zweiten Diode (D2) verbunden ist und deren Ausgang auf das Gate (G) des N-Kanal-MOSFET (T3) führt.