DE69611141T2

DE69611141T2 - Schaltung zur Verbesserung der Laständerungsantwort bei der Stromversorgung

Info

Publication number: DE69611141T2
Application number: DE69611141T
Authority: DE
Inventors: Thomas Ginell; Per Lindman; Lars Thorsell
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: CN1064787C; EP0766162A3; DE69611141D1; CN1152208A; US6040639A; EP0766162B1; JPH09121454A; JP3907016B2; EP0766162A2

Description

Die Erfindung dieser Anmeldung betrifft Schaltungen zum Verbessern der Übergangsfunktion bzw. des Einschwingverhaltens einer elektrischen Stromversorgung und insbesondere eine Schaltung mit einer Spannungsausgangsgröße, die höher als gewünscht ist, von der ausgehend ein Strom zum Unterdrücken des Einschwingvorgangs während eines Spannungsabfalls bei einer Hauptausgangsgröße zugeführt wird.
Eine wichtige Betrachtung bei dem Entwurf von elektronischen Stromversorgungen für Schaltungen und Systeme mit kleinen und großen Amplitudenlaständerungen ist die Spannungsabweichung in dem Fall, in dem sich der Stromversorgungs-Ausgangsstrom schnell ändert. Oft ist es aufgrund des Entwurfs des Versorgungsausgangsfilters schwierig, dass der Ausgangsstrom schnell genug antwortet. Der Grund hierfür besteht darin, dass die Ausgangswelligkeit nicht durchgehalten werden muss, was nicht konsistent zu einer schnellen Lastübergangsfunktion ist.
Eine Vorgehensweise zum Verbessern der Übergangsfunktion besteht im Erhöhen der Schaltfrequenz der Versorgung, im Reduzieren der Ausgangsfilter und im Erhöhen der Bandbreite der Regelung. Nichts desto Trotz ist der mit dieser Technik erzielbare Leistungsumfang nicht ausreichend, um Anforderungen von zuletzt entwickelten Computerarchitekturen und anderen Anwendungen zu erfüllen, bei denen ein aktives Versorgungsmanagement und Taktratenregelung zu enormen Energieänderungen innerhalb weniger Mikrosekunden führt. Die Ausgangsspannung muss immer noch innerhalb eines schmalen Toleranzbandes gehalten werden.
Beispielsweise ist das Modell PKU4110PI ein 100-Watt- Umrichter, der kommerziell von Ericsson Components AB verfügbar ist. Eine 25-Ampere (25-A)-Laststromänderung mit einer Anstiegszeit von weniger als 10 Mikrosekunden (10 us) erzeugt einen Abfall von mehr als 200 Millivolt (mV) bei dem Ausgang der PKU4110PI-Einheit. Obgleich dies eine exzellente Übergangsfunktion darstellt, ist sie immer noch nicht für einige anspruchsvolle Anwendungen gut genug. Es ist nicht mehr länger unüblich, einen Spannungsabfall von weniger als 50 mV für einen derartigen Lastübergang zu fordern.
Eine Vorgehensweise zum Verbessern des Übergangsfunktions- Leistungsvermögens, die betrachtet wurde, ist das Verwenden eines zusätzlichen Ausgangs. Das US-Patent Nr. 4,074,182 für Weischedel beschreibt eine DC-Energieversorgung, die zwei Spannungsreguliereinrichtungen enthält, die parallel mit einer gemeinsamen Last verbunden sind. Eine der Reguliereinrichtungen ist ein Ersatz, der automatisch die Last dann versorgt, wenn die Ausgangsgröße der anderen Reguliereinrichtung abnimmt. Diese Anordnung macht den Eindruck, dass sie Lastübergänge minimiert.
Das US-Patent Nr. 5,622,629 für Glennon beschreibt eine Stromversorgung, die einen ersten Gleichrichter und einen ergänzenden Gleichrichter enthält, der Energie dann zuführt, wenn die Ausgangsgröße des ersten Gleichrichters abfällt.
Das US-Patent Nr. 5,408,172 für Tanimoto et al. beschreibt eine Stromversorgung mit einer Treiberschaltung, die dann angeschaltet wird, wenn der durch eine Last angeforderte Strom zunimmt und einen Abfall der Stromversorgungsspannung der Last bewirkt.
DE 42 03 829 A1 beschreibt eine Schaltung mit einer DC- Ausgangsgröße, die von einer ersten DC-Quelle zugeführt wird oder von einer zweiten DC-Quelle, über ein durch einen Schalter kontrolliertes Kopplungselement. Der Schalter wird in einen Blockierzustand dann geschaltet, wenn die DC- Ausgangsgröße lediglich von der ersten DC-Quelle zugeführt wird, zum Gewährleisten der Tatsache, dass sich die Stromlast der zweiten DC-Quelle verringert, wenn ein Schalten von der ersten DC-Quelle zu der zweiten DC-Quelle erfolgt.
Die hier vorangehend beschriebenen Verfahren und Schaltungen haben nicht erfolgreich sämtliche der Probleme gelöst, und sie stellen in keiner Weise die gewünschten Merkmale bereit.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Erfindung des Anmelders überwindet diese und andere Nachteile der Geräte und Verfahren nach dem Stand der Technik. In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung wird ein Gerät geschaffen, das eine zusätzliche elektrische Ausgangsgröße zu einer elektrischen Hauptversorgung zuführt, die Strom zu einer Last zuführt. Die zusätzliche elektrische Ausgangsgröße wird in Ansprechen auf eine Änderung der Ausgangsgröße der elektrischen Hauptversorgung bereitgestellt. Ein Filter misst eine Änderung bei der Ausgangsgröße der elektrischen Hauptversorgung und stellt eine Ausgangsgröße bei einem Differentialverstärker bereit, der in Ansprechen hierauf die Zufuhr einer zusätzlichen elektrischen Ausgangsgröße steuert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung des Anmelders lassen sich durch Lektüre dieser Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung verstehen; es zeigen:
Fig. 1 ein verallgemeinerndes Blockschaltbild einer Stromversorgung in Übereinstimmung mit der Erfindung des Anmelders;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung des Anmelders.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

In Übereinstimmung mit der Erfindung des Anmelders wird das Ausgangsleistungsvermögen einer Stromversorgung durch Bereitstellen einer zusätzlichen Ausgangsgröße mit einer höheren Spannung verbessert, von der ausgehend ein Strom gespeist wird, und zwar während einem Spannungsabfall bei dem Hauptausgang. Eine derartige Anordnung ist anhand des in Fig. 1 gezeigten allgemeinen Blockschaltbilds dargestellt.
Eine Stromversorgung in Übereinstimmung mit der Erfindung des Anmelders enthält eine Hauptspannungsquelle Vmain 10, ein Tiefpassreferenzfilter 14, einen Fehlerverstärker 16 und eine zusätzliche Stromquelle. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann die zusätzliche Stromquelle eine zusätzliche Spannungsquelle Vad 11 enthalten, sowie eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Ladung wie einen Großkondensator (Engl.: bulk capacitor) 12, einen Stromgenerator 13, der einen Strom mit einer Amplitude I zuführt, die als Funktion eines Differenzfehlersignals E variiert, das bei dem Fehlerverstärker 16 bereitgestellt wird.
Das Tiefpassreferenzfilter 14 wird als Einrichtung zum2 differentiellen Messen des Abfalls der Ausgangsspannung der Spannungsquelle Vmain 10 verwendet, das sich anhand einer Änderung bei dem Laststrom ergibt. Dies ist eine wichtige Funktion. Die Differenzmesseinrichtung muss so betrieben werden, dass eine Ausgangsänderung von lediglich einigen 10 Millivolt/Volt zwingend dazu führt, dass die variable Stromquelle anspricht, wenn ein hoher Leistungsumfang zu erzielen ist. Bei Verwenden einer absoluten Messreferenz müsste sie sehr stabil und genau sein. Weiterhin erhöht sich bei einer Absolutreferenz das Risiko, dass Strom fehlerhaft zugeführt wird oder dass Strom lediglich in Ansprechen auf einen zu großen Spannungsabfall zugeführt wird. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Referenzfilter 14 bevorzugt ein RC-Filter, das vorteihafterweise dämpft, wodurch das Risiko einer Schwingung minimiert ist.
Bei einer Stromversorgung mit einer Spannungsquelle Vmain 10, die eine 3.3 V Hautausgangsgröße erzeugt, kann die Stromquelle eine übliche, strombegrenzte 12 V Stromversorgung sein, die Energie in einer Einrichtung, wie einem Großkondensator, speichert. Wird eine Spannungsdifferenz zwischen der Hauptausgangsgröße und der Referenzfilterausgangsgröße detektiert, wird der erforderliche Strom von dem Großkondensator zugeführt, wodurch eine Spannungsverringerung bei der Hauptausgangsgröße vermieden wird. Die zugeführte Strommenge wird durch ein geeignetes Ventil gesteuert, beispielsweise einem MOSFET im aktiven Betrieb.
Ein Differentialverstärker zwischen dem Referenzfilter und dem Hauptausgang ermöglicht das Auftreten eines Versatzes vor dem Aktivieren der Stromquelle aus zwei Gründen. Wäre es anders, könnte die normale Welligkeit auf der Hauptausgangsgröße die Stromquelle aktivieren. Weiterhin wird ein Spannungsabfall typischerweise verwendet, damit eine Erhöhung des Ausgangsstroms durch den Umrichter bewirkt wird. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Anforderung für eine Erhöhung bei dem Laststrom bei der Umrichtersteuerschaltung in großem Umfang auf andere Weise angezeigt werden kann, wodurch ein Spannungsabfall zum Erhöhen des Ausgangsstroms des Umrichters nicht erforderlich ist. Wird ein Spannungsabfall verwendet und ist er klein, so ist die Wiederherstellzeit des Umrichters erweitert und eine größere Ladungsmenge wird durch die Stromquelle abgegeben. Hat sich der Umrichter erholt und ist der Ausgangsstrom der Versorgung gleich dem angeforderten Laststrom, so wird der Großkondensator in Vorbereitung auf den nächsten Abfall der Hauptausgangsspannung geladen.
Eine Stromversorgung mit einer höheren Spannungsversorgung zum Versorgen von Strom in Übereinstimmung mit der Erfindung des Anmelders hat mehrere Hauptvorteile. Die Spannung parallel zu dem Großkondensator kann solange abfallen, bis der Kondensator nicht mehr irgendeinen weiteren Strom versorgen kann. Der Abfall ist durch die Wiederherstellzeit und die Amplitude der Stromänderung bestimmt. Die abgegebene Ladung Q ist proportional zu dem Spannungsabfall U und der Kapazität C des Großkondensators gemäss der vorliegenden Gleichung:
Q = U · C
Würde ein direkt mit dem Hauptausgang verbundener Kondensator zum Versorgen des angeforderten Stroms verwendet, so wäre der zulässige Spannungsabfall nur ein Bruchteil dessen, was bei dem zusätzlichen Ausgang der Stromversorgung erlaubt wäre.
Das Verhältnis der erforderlichen Kapazität liegt in der Größenordnung von 100, unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Serienwiderstandswert des Kondensators bei der Hauptausgangsgröße einen signifikanten Abfall selbst bewirkt, unabhängig von dem Spannungsabfall aufgrund der Entladung. Unter Heranziehung einer Laststromänderung von beispielsweise 15 A muss der äquivalente Serienwiderstand (Engl.: equivalent Series resistance, ESR) der Stromquelle weniger als zwei Milliohm (2 mΩ) dann sein, wenn die Ausgangsspannungsabweichung von 50 mV zu erzielen ist, wodurch 30 mV der 50 mV Abweichung auf den ESR zurückgeführt werden dürfen. Dies kann mit einem ESR in der Größenordnung von mindestens 200 mΩ verglichen werden, der für die zusätzliche 12 V Versorgung in Übereinstimmung mit der Erfindung des Anmelders zulässig ist, und in diesem Fall kann lediglich ein 200 Mikrofarad (F) Kondensator in der zusätzlichen Stromversorgung dann verwendet werden, wenn die gewünschte Wiederherstellzeit den Wert von 200 us aufweist. Mehr als 100 150-uF Tantal-Kondensatoren bzw. Elektrolytkondensatoren wären wahrscheinlich erforderlich, wenn die Kondensatoren direkt an dem Hauptausgang 10 angeschlossen wären und die Wiederherstellzeit dieselbe bleiben sollte. Ein anderer Vorteil der Lösung des Anmelders ist, dass sie in Kombination mit Standardstromversorgungen verwendet werden.
Es wird momentan davon ausgegangen, dass eine Stromversorgung mit der Fähigkeit zum Handhaben dieser Art von Laststromänderungen ohne dem Erfordernis einer zusätzlichen Stromversorgung oder Stromausgabe zum Verbessern der Lastübergangsfunktion zahlreiche Entwurfsnachteile aufweise, beispielsweise eine komplexere Schaltung/ eine niedrigere Energiedichte und höhere Kosten.
Die Details des Entwurfs für die zusätzliche Stromversorgung gemäss der verbesserten Lastübergangsfunktionsschaltung des Anmelders werden hauptsächlich durch die Wiederherstellzeit der Stromversorgung und die Amplitude und der Frequenz der Laststromänderung bestimmt.
Die Größe des Großkondensators 12 wird anhand der Amplitude der Stromänderung und der Wiederherstellzeit bestimmt. Wird von einem linearen Stromanstieg ausgegangen, so wird der erforderliche minimale Kapazitätswert C anhand der folgenden Gleichung bestimmt:
C = Ic · tT/(2 · Udr)
mit Ic als Stromanstieg; tT als Wiederherstellzeit; Uadd als Spannung des zusätzlichen Ausgangs 11; Umain als Spannung des Hauptausgangs 10; Udr als maximalem Spannungsabfall, der parallel zu dem Großkondensator 12 zugelassen wird. Das Teilen durch zwei ist durch die Dreiecksform (linearer Anstieg und Abfall) des zugeführten Stroms bedingt.
Die Energie, die in dem Großkondensator 12 nach jedem Lastübergang gespeichert wird, wird anhand der Amplitude der Laständerung und der Wiederherstellzeit bestimmt. Wird angenommen, dass Udr gleich Uadd - Umain (ideal) ist, so ist die wiederhergestellt Energie Wr durch die folgende Gleichung gegeben:
Wr = C · (U² add - U² main)/2
Das Produkt der Frequenzen der wiederhergestellten Energie Wr ist die mittlere Ausgangsleistung. Eine höhere Spannung Uadd erhöht die Ausgangsleistung und erfordert einen kleineren Großkondensator 12.
Der Nutzanteil Wu der Energie Wr ist anhand der folgenden Gleichung gegeben:
Wu = C · [Umain · (Uadd - Umain)]
und der Wirkungsgrad η der zusätzlichen Stromversorgung ist anhand der folgenden Gleichung gegeben:
η = 2 · Umain / (Uadd + Umain)
Es ist zu erwähnen, dass eine sich erhöhende Spannung Uadd zu einem niedrigeren Wirkungsgrad η führt, dass andererseits jedoch ein kleinerer Kondensator verwendet werden kann. Da der Wirkungsgrad für die Stromquelle niedrig ist, ergibt sich ein Anreiz zum Reduzieren der Wiederherstellzeit des Umrichters. Dies kann durch einen externen Einfluss erfolgen, beispielsweise durch Angleichen der Parameter der Stromversorgungsschaltung.
Die Ausgangswelligkeit von einem Standardumrichter liegt oft in derselben Größenordnung, wie die Anforderung für den Spannungsabfall im Fall einer Laständerung. Hierdurch kann es vorteilhaft sein, die Welligkeit durch Verwenden der externen Kondensatoren des Hauptausgangs des Umrichters zu reduzieren, die niedrige Impedanzen bei der Schaltfrequenz des Energieumrichters aufweisen. Zum Reduzieren der Spannungsänderungen aufgrund der Laständerungen kann ein Großkondensator bei dem Hauptausgang verwendet werden. Es wird momentan davon ausgegangen, dass es nicht klug ist, ein LC-Filter zum Reduzieren der Welligkeit zu verwenden, da die Spule die Antwortzeit des Umrichters erhöht. Weiterhin kann der Differentialverstärker, der die Stromquelle steuert, versuchen, die Welligkeit zu regulieren, wenn die Welligkeit zu groß ist. Wird die Welligkeitsfrequenz bei der Stromversorgungssteuerung gefiltert, so erhöht sich ihre Ansprechzeit und ebenso die erforderliche Ladung.
Es ist auch möglich, die Übergangsfunktionsamplitude im Fall einer Lastverringerung zu verringern. Es erfolgt ein Detektieren des Anstiegs der Spannung zwischen dem Referenzfilter und der Hauptausgangsgröße in derselben Weise wie im Fall der Lasterhöhung. Der erforderliche Strom wird in den Rückführpfad durch die Stromeinleitschaltung eingeleitet, die eine aktive Einrichtung wie ein MOSFET sein kann. Die Stromeinleit- bzw. Versenkschaltung nützt bevorzugt das Referenzfilter zum Steuern und Erhöhen der Genauigkeit beim Klemmen der Spannung auf ein spezifiziertes Niveau. Als einfachere Alternative kann die Einleitschaltung bzw. Versenkschaltung eine Zenerdiode sein. Für den Fachmann ist zu erkennen, dass das Einleiten des Stroms weniger kompliziert als das Zuführen des Stroms ist, da keine externe Spannungsquelle mit einer bestimmten Energie/Leistungsausgabe erforderlich ist.
Die Fig. 2 zeigt eine Schaltung zum Verbessern der Übergangsfunktion des Modells PKU4110PI, das oben beschrieben ist. Bei einer 25-A Laständerung (z. B., für einen Ausgangsstromübergang von 5 A zu 30 A) verbessert sich die Übergangsfunktion von 200 mV zu 45 mV. Drei 150-uF Tantal-Kondensatoren C2, C3, und C4 sind an dem Hauptausgang 20 in beiden Fällen angeschlossen. Die Kondensatoren C2, C3, C4 reduzieren die Welligkeit bei dem Hauptausgang, wie oben beschrieben, und sie speichern auch in vorteilhafter Weise Energie.
Die Transistoren Q2 und Q3 bilden einen Differentialverstärker, und der Transistor Q1 wird als Emitterfolger betrieben. Die Schaltung muss schnell beim Ansteigen der Gate-Spannung des Transistors Q1 von Null zu einer Schwellwertspannung ansprechen, jedoch ist es ratsam, den Widerstand R2 mit aufzunehmen, der die Verstärkung reduziert. Wird der Widerstand R2 weggelassen, so kann die Verstärkung zu hoch sein und ein Schwingen auftreten; das Reduzieren der Verstärkung in einem anderen Teil der Schaltung erhöht die Zeit zum Erreichen der Schwellwertspannung. Es ist zu erkennen, dass bestimmte Werte der in Fig. 2 gezeigten Komponenten anwendungsabhängig sind.
Es ist zu erkennen, dass die Erfindung des Anmelders nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt sind, die hier beschrieben und dargestellt sind. Die Anwendung betrifft jedwedge und alle Modifikationen, die in den Sinngehalt und den Schutzbereich der Erfindung des Anmelders fallen, wie er durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.

Claims

1. Elektrische Stromversorgung für eine änderbare Last, enthaltend:

eine Vorrichtung (10) zum Zuführen eines elektrischen Gleichstroms zu einer änderbaren Last;

eine zusätzliche Vorrichtung (11, 12, 13), die betriebsgemäß mit der Versorgungsvorrichtung verbunden ist, zum Zuführen eines zusätzlichen elektrischen Entladestroms zu der Last in Ansprechen auf schnelle Änderung der Last; und

eine Vorrichtung (16) zum Erfassen von Änderungen bei einer Ausgangsspannung der Versorgungsvorrichtung und zum Steuern der zusätzlichen Versorgungsvorrichtung auf der Grundlage der gemessenen Spannungsänderungen; derart, dass

eine Ausgangsspannung der zusätzlichen Versorgungsvorrichtung größer als die Ausgangsspannung der Versorgungsvorrichtung ist, und die Versorgungsvorrichtung (10), die zusätzliche Versorgungsvorrichtung (11, 12, 13) und die Messvorrichtung (16) in einer geschlossenen Schleife verbunden sind.

2. Elektrische Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Versorgungsvorrichtung einen Kondensator (12) enthält, der mit einer Spannungsquelle (11) mit einer höheren Spannung als diejenige der Versorgungsvorrichtung verbunden ist, sowie einen Stromgenerator (13), der zwischen der Spannungsquelle (11) und der Versorgungsvorrichtung (10) angeschlossen ist.

3. Elektrische Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (16) eine Vorrichtung zum differentiellen Messen einer Änderung der Ausgangsspannung der Versorgungsvorrichtung und zum Steuern der zusätzlichen Versorgungsvorrichtung enthält.

4. Elektrische Stromversorgung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein positiver Anschluss des Kondensators (12) mit einem positiven Anschluss der Spannungsquelle (11) verbunden ist.

5. Elektrische Stromversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die differentiale Messvorrichtung ein Filter enthält, das ein Anzeigesignal in Ansprechen auf die schnellen Änderungen der Last erzeugt.

6. Elektrische Stromversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die differentiale Messvorrichtung einen Differentialverstärker enthält, der mit dem Filter verbunden ist, und dass der Differentialverstärker die zusätzliche Versorgungsvorrichtung in Ansprechen auf das Anzeigesignal steuert.

7. Elektrische Stromversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Tiefpaßfilter ist.

8. Elektronische Stromversorgung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialverstärker ein Fehlerverstärker ist.