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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Starterschaltung für geschaltete
Spannungsversorgungen (SMPS), auf eine geschaltete Spannungsversorgung
mit einer Starterschaltung sowie auf eine integrierte Schaltung
mit geschalteter Spannungsversorgung.
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Die
meisten der integrierten Steuerschaltungen für geschaltete Spannungsversorgungen
benötigen
für ihren
Start einen Strom zum Aufladen einer Kapazität der Selbstversorgungsschaltung
der integrierten Schaltung. Derartiger Strom kommt von der Starterschaltung
(beim Anfahren), die im einfachsten Fall durch einen mit der Versorgungsleitung
verbundenen Widerstand gebildet ist.
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Wenn
die Spannung an der Kapazität
einen vorgegebenen Spannungswert erreicht, der als Anlaufspannung
bezeichnet wird, wird die Steuerschaltung von der Selbstversorgungsschaltung
gespeist. Die Selbstversorgungsschaltung ist im Allgemeinen durch
eine zusätzliche
Wicklung gebildet, die auf dem Haupttransformator der geschalteten
Spannungsversorgung vorhanden ist, mit der eine geeignete Gleichricht-
und Filterschaltung verbunden ist.
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Da
es in der letzten Zeit immer schärfere
Anforderungen für
die Reduzierung des Verbrauchs bei der Versorgung gibt, wird der
einfache vorstehend genannte Widerstand durch Schaltungen ersetzt,
die während
der Startphase aktiv sind und während
des normalen Betriebs inaktiv sind.
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In
letzter Zeit gibt es auch Erfordernisse, bei denen einige monolithische
Vorrichtungen für
die geschalteten Spannungsversorgungen erforderlich sind, wobei
diese sowohl die Steuerschaltung als auch die Starterschaltung (aktiv)
beinhalten.
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Die
für diese
integrierten Schaltungen verwendeten Technologien, beispielsweise
die gemäß RESURF
(REreduced SURFface Field bzw. mit reduziertem Oberflächenfeld
ablaufende Technologie), besitzen jedoch Einschränkungen hinsichtlich der maximalen
bewältigbaren
Spannung zwischen Source/Körper
des Transistors DMOS und dem Substrat. Die Steuerung der in der
Epitaxieschicht vorhandenen Ladung, die für die bewältigbare Spannung der Komponente
erforderlich ist, erlaubt keine Gewährleistung von Durchschlagspannungen,
die höher
als etwa 20 V sind.
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Die
Verwirklichung von dicken Epitaxieschichten erlaubt eine Steigerung
der Durchbruchspannung, führt
jedoch zu dem Resultat, dass der industrielle Prozess kompliziert
wird und die Kosten steigen.
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Die
EP-A-0585788 offenbart
eine Starterschaltung für
eine geschaltete Spannungsversorgung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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In
Anbetracht des geschilderten Standes der Technik besteht eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer vorzugsweise monolithischen
Vorrichtung, die die einschränkenden
Spannungsbeschränkungen
der an die eigentliche Vorrichtung anlegbaren maximalen Versorgungsspannung
eliminiert, die unter Verwendung von Standardtechnologien oder ohne
die Notwendigkeit realisiert wird, neue Technologien verwenden zu
müssen,
und die somit in Form einer kostengünstigen Lösung geschaffen wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Starterschaltung für geschaltete
Spannungsversorgungen gelöst,
wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe auch durch eine geschaltete Spannungsversorgung
gelöst,
wie sie im Anspruch 9 angegeben ist.
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Mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Zweiweg-Starterschaltung
zu realisieren, die alternativ einen Pfad mit niedriger Impedanz bildet,
der die Passage von Strom von der Hauptspannungsversorgung in Richtung
auf die integrierte Schaltung zulässt, oder die an die inneren
Schaltungen der integrierten Schaltung angelegte maximale Spannung
zu stabilisieren und zu begrenzen, wenn diese durch die Auto-Versorgungsschaltung
zugeführt
wird.
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich
anhand der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels in deutlicherer
Weise, das in Form eines nicht einschränkenden Beispiels in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt ist. Darin zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer geschalteten Spannungsversorgung, die eine Starterschaltung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
des Standes der Technik aufweist;
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2 ein
Blockdiagramm einer geschalteten Spannungsversorgung, die eine Starterschaltung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
des Standes der Technik aufweist;
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3 ein
Blockdiagramm einer geschalteten Spannungsversorgung, die eine Starterschaltung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aufweist; und
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4 ein
Blockdiagramm einer geschalteten Spannungsversorgung, die eine Starterschaltung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aufweist.
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Unter
Bezugnahme auf 1, die ein Blockdiagramm einer
geschalteten Spannungsversorgung zeigt, beinhaltet diese eine Starterschaltung 13 gemäß dem Stand
der Technik, eine Schaltung 10 zum Gleichrichten und Filtern
der Hauptversorgung, eine Selbstversorgungsschaltung 12 und
eine Steuerschaltung 11 der Schaltung 10 für die Gleichrichtung und
Filterung der Hauptversorgung.
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Die
Schaltung 10 für
die Gleichrichtung und Filterung der Hauptversorgung empfängt an einem Eingang
die Versorgungsspannung Vac des Stromnetzes, führt eine Gleichrichtung an
dieser durch eine Diodenbrücke 14 aus,
filtert sie durch einen Kondensator 15 und liefert sie
an den heißen
Anschluss der Primärwicklung
W1 eines Transformators 16. Die Sekundärwicklung W2a des Transformators 16 liefert die
an seinen Anschlüssen
anliegende Spannung zu einer Gleichrichterdiode 17 sowie
zu einem Filterkondensator 18. Die Schaltung 10 liefert
die Ausgangsspannung Vout an ihrem Ausgang.
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Die
Steuerschaltung 11 von der Schaltung 10 für die Gleichrichtung
und Filterung der Hauptversorgung empfängt an einem Eingang die Ausgangsspannung
Vout, wobei diese Spannung in bekannter Weise durch eine Auswerteschaltung 19 ausgewertet wird
und einer Treiberschaltung 20 eines Leistungstransistors
M1 zugeführt
wird, der mit dem kalten Anschluss der Sekundärwickung W1 des Transformators 16 verbunden
ist.
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Die
Selbstversorgungsschaltung 12 beinhaltet eine weitere Sekundärwicklung
W2b, die die Spannung an ihren Anschlüssen einer Diode D1 in Reihe
mit einem Widerstand R1 und sodann einem Kondensator Cvcc zuführt, an
dessen Anschlüssen die
Versorgungsspannung Vcc verfügbar
ist. Die Spannung Vcc wird für
die Versorgung der Steuerschaltung 11 sowie von allen anderen
Schaltungen (nicht gezeigt) verwendet, die für den Betrieb und die Steuerung
der geschalteten Spannungsversorgung erforderlich sind.
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Die
Starterschaltung 13 ist in diesem Fall durch einen einfachen
Widerstand Rs gebildet, der zwischen den kalten Anschluss der Primärwicklung W1
und Vcc geschaltet ist. Die an dem kalten Anschluss der Primärwicklung
W1 vorhandene Spannung ist mit Vin bezeichnet.
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Beim
Starten der geschalteten Spannungsversorgung wird der Kondensator
Cvcc durch die Starterschaltung 13 aufgeladen, da die Spannung noch
nicht an den Sekundäranschlüssen des
Transformators 16 vorhanden ist. Beim Ansteigen der Spannung
an den Anschlüssen
des Kondensators Cvcc werden alle Schaltungen der geschalteten Spannungsversorgung
aktiviert, und die Schaltungen werden durch die von der Selbstversorgungsschaltung 12 gelieferte
Spannung Vcc gespeist.
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Die
Verwendung eines einfachen Widerstands als Starterschaltung 13 führt zu einer
bemerkenswerten Vereinfachung der Schaltung, doch da dieser immer
aktiv ist, wird eine große
Menge an Strom verbraucht. Aus diesem Grund hat man nach Lösungen mit
reduziertem Verbrauch gesucht, wobei eine davon zum Beispiel in 2 dargestellt
ist, wobei der 1 ähnliche Komponenten mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
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In 2 ist
die Starterschaltung 13 komplexer und aktiv. Sie beinhaltet
einen Transistor M2, der mit dem Drain mit der Spannung Vin verbunden
ist und mit der Source mit einem Stromgenerator 21 verbunden
ist, der den Strom an den Kondensator Cvcc liefert. An dem Gate
des Transistors M2 liegt eine Referenzspannung an, die durch einen
zu einer Zenerdiode DZ1 in Reihe geschalteten Widerstand R2 erzeugt
wird, wobei diese Elemente zwischen die Spannung Vin und Masse geschaltet
sind. Parallel zu der Zenerdiode DZ1 befindet sich ein gesteuerter Schalter
S. Ein Spannungsteiler, der durch die Widerstände R3 und R4 gebildet ist,
ist zwischen die Spannung Vcc und Masse geschaltet. Die an dem Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand R3 und dem Widerstand R4 aufgenommene Spannung
wird an einen Eingang des Komparators UVLO angelegt, und an dem
anderen Komparatoreingang wird eine Referenzspannung Vref angelegt.
Der Ausgang des Komparators UVLO steuert den gesteuerten Schalter
S.
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In
diesem Fall wird beim Starten der geschalteten Spannungsversorgung
der Kondensator Cvcc durch die Starterschaltung 13 geladen,
wobei der Transistor M2 aktiv ist (da er von der Spannung Vin gespeist
wird). Wenn die Spannung Vcc einen vorgegebenen Wert übersteigt
oder wenn die von dem Spannungsteiler R3 und R4 gelieferte Spannung
den Spannungsreferenzwert Vref übersteigt,
wird der gesteuerte Schalter S geschlossen, und die Passage des
Stroms zwischen Vin und den Schaltungen der geschalteten Spannungsversorgung
wird gestoppt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung Vcc ausreichend
hoch, um die Schaltungen der geschalteten Spannungsversorgungen
zu speisen, und der Stromverbrauch durch die Starterschaltung 13 wird
eliminiert oder zumindest reduziert.
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An
dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die Spannung an den Anschlüssen der
Sekundärwicklung
W2b eine Rechteckspannung Vsq ist, die durch das Filtern mittels
der Schaltung D1, R1, Cvcc in eine kontinuierliche Spannung Vcc
umgewandelt wird, bei der es sich um die Versorgungsspannung der
integrierten Schaltung handelt. Die in Verbindung mit der Primärwicklung
vorhandene parasitäre
Induktivität
verursacht gewisse Impulse während
des Schaltübergangs,
für die
die Spannung Vsq keine perfekte Rechteckspannung ist, sondern gewisse
Impulse aufweist, deren Amplitude beim Ansteigen der Last an dem
Ausgang zunimmt.
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Die
Spannung Vcc, die man durch Filtern der Spannung Vsq erhält, könnte den
maximal anwendbaren Wert überschreiten,
und das System würde dann
durch den nicht dargestellten Schaltungsüberspannungsschutz ausgeschaltet.
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Bei
der Selbstversorgungsschaltung 12 handelt es sich in der
Tat um einen Spitzendetektor, und dieser detektiert die Spannungsimpulse
von Vsq.
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Der
Widerstand R1 wird zum Festklemmen der Impulse Vsq verwendet, um
die Effekte von diesen zu minimieren, und er löst das Problem, wenn die Last
hoch ist, wobei er jedoch bei niedriger Last zu einem Nachteil wird,
da in diesem Fall die Spannung Vsq einige abgerundete Flanken zeigt
und Vcc in einem niedrigeren Wert resultieren kann als den minimal
anwendbaren Wert, so dass es als Ergebnis hiervon zu einem Abschalten
des Systems kommt.
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In
diesem Zusammenhang ist eine leichte Abhängigkeit von der Eingangsspannung
hinzuzufügen,
die in einem Faktor von größer als
3:1 bei Systemen mit Universalversorgung variieren kann.
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Der
Spannungswert Vcc kann in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen sehr unterschiedlich sein, jedoch muss
er zwischen der minimalen Ausschaltspannung und der maximal zulässigen Spannung
liegen.
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Aus
diesem Grund ist es notwendig, den ausgezeichneten Wert von R1 experimentell
festzustellen, bei dem die beiden vorstehend genannten Bedingungen
erfüllt
werden können,
wobei sich dies gelegentlich als unmöglich herausstellt, so dass
die Sekundärwicklung
W2b modifiziert werden muss.
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Es
wird nun auf 3 Bezug genommen, in der ein
Blockdiagramm einer geschalteten Spannungsversorgung dargestellt
ist, die eine Starterschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung aufweist.
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Diese
Figur ist der 1 ähnlich, wobei Komponenten,
die denen der 1 ähnlich sind, die gleichen Bezugszeichen
aufweisen.
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In
dieser Figur ist ein Transistor M3 zwischen den Anschluss von Vcc
und den Anschluss 30 eingefügt, bei dem es sich um den
Anschluss handelt, mit dem der Widerstand Rs verbunden ist und es
sich auch um den Anschluss handelt, an dem die Spannung Vcc2 verfügbar ist,
die alle der Schaltungen der geschalteten Spannungsversorgung speist.
Im Spezielleren ist der Transistor M3 mit dem Drain mit dem Anschluss
Vcc verbunden und mit der Source mit dem Anschluss 30 verbunden.
Eine Referenzspannung wird durch einen Widerstand R6 erzeugt, der
in Reihe zu einer Zenerdiode DZ2 geschaltet ist, die zwischen die
Spannung Vin und Masse geschaltet ist. Diese Referenzspannung geht
vorzugsweise durch ein Tiefpassfilter, das durch einen Widerstand Rf
und durch einen Kondensator Cf gebildet ist, und wird dann an das
Gate des Transistors M3 angelegt.
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Beim
Starten der geschalteten Spannungsversorgung wird der Kondensator
Cvcc durch den Widerstand Rs geladen, während der Transistor M3 leitend
ist und seine symmetrische Struktur ein Arbeiten von diesem in dem
dritten Quadranten zulässt,
d. h. der Drain verhält
sich wie eine Source und umgekehrt.
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Wenn
die Spannung Vcc ansteigt, arbeitet der Transistor M3 in dem ersten
Quadranten, wobei der Drain mit dem Anschluss Vcc verbunden ist
und die Source mit dem Anschluss 30 verbunden ist, und wobei
er alle der Schaltkreise der integrierten Schaltung speist. Das
Gate des Transistors M3 ist mit der Kathode der Diode DZ2 verbunden,
so dass die Versorgungsspannung von Vcc2 der internen Schaltkreise
der integrierten Schaltung gleich der Durchbruchspannung der Zenerdiode
DZ2 abzüglich
der Gate-Source-Spannung des Transistors M3 ist sowie unabhängig von
der Spannung Vcc ist, wobei es sich um die Spannung handelt, die
bis zu dem Durchbruchwert des Transistors M3 ansteigen kann. Jegliche
Grenze bei Vcc ist somit als Konsequenz bei der Spannungsbegrenzung
der Transistor-Source eliminiert.
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Das
aus dem Widerstand Rf und dem Kondensator Cf gebildete Filter wird
zum Unterhalten der Gate-Spannung des Transistors M3 verwendet, wenn
bei jedem Schaltzyklus die Spannung Vin durch den Transistor M1
an Masse gelegt wird.
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Der
Transistor M3 kann hohe Spannungen zwischen dem Drain und der Source
aushalten, während
die elektrischen Schaltkreise der integrierten Schaltung mittlere
bis geringe Spannungen aushalten, die durch die Zenerdiode DZ2 und
durch den Transistor M3 begrenzt sind.
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Es
wird nun auf 4 Bezug genommen, die ein Blockdiagramm
einer geschalteten Spannungsversorgung darstellt, die eine Starterschaltung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aufweist.
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Diese
Figur ist der 2 ähnlich, wobei in 2 ähnliche
Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Auch
in diesem Fall ist ein Transistor M3 zwischen den Anschluss von
Vcc und den Anschluss 30 eingefügt, bei dem es sich um den
Anschluss handelt, mit dem der Stromgenerator 21 verbunden
ist und es sich auch um den Anschluss handelt, an dem die Spannung
Vcc2 verfügbar
ist, mit der alle Schaltungen der geschalteten Spannungsversorgung
gespeist werden. Im Spezielleren ist der Transistor M3 mit dem Drain
mit dem Anschluss Vcc verbunden und mit der Source mit dem Anschluss 30 verbunden. Eine
Referenzspannung wird durch einen Widerstand R5 erzeugt, der in
Reihe zu einer Zenerdiode DZ2 und sodann mit einer Zenerdiode DZ1
angeordnet ist, wobei diese Elemente zwischen die Spannung Vin und
Masse geschaltet sind. Die Referenzspannung, die an den Anschlüssen der
Diode D2 verfügbar
ist, geht vorzugsweise durch ein Tiefpassfilter hindurch, das durch
einen Widerstand Rf und durch einen Kondensator Cf gebildet ist,
und wird dann an das Transistor-Gate M3 angelegt.
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Der
Verbindungsknoten zwischen den Dioden DZ2 und DZ1 ist mit dem Gate
des Transistors M2 verbunden. Parallel zu der Diode DZ1 ist der
gesteuerte Schalter S angeordnet, der durch den Komparator UVLO
gesteuert wird.
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Beim
Ansteigen der Spannung Vcc wird der gesteuerte Schalter S geschlossen,
und er veranlasst ein Kurzschließen der Diode DZ1, so dass
der Stromfluss durch den Transistor M2 unterbrochen wird, und der
Spannungsregler, der durch den Transistor M3, durch die Diode DZ2
und vorzugsweise durch das aus dem Widerstand Rf und dem Kondensator
Cf gebildete Filter gebildet ist, nimmt seinen Betrieb auf.
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Vorzugsweise
sind die Steuerschaltung 11, die Starterschaltung 13 und
weitere möglicherweise weitere
erforderliche Schaltungen für
den Betrieb und die Steuerung der geschalteten Spannungsversorgung
(nicht gezeigt) in einer einzigen integrierten Schaltung enthalten.
Unter Verwendung von standardmäßiger Technologie
(die zum Beispiel einer Spannung zwischen dem Source/Körper und
dem Substrat von etwa 20 V standhalten kann) erhält man somit eine integrierte
Schaltung, die einer sehr hohen Spannung Vcc (zwischen Drain und
Source) standhalten kann, wobei diese zum Beispiel gleich der Durchbruchspannung
von ca. 700 V ist.