EP1504317B1 - Spannungsversorgungsschaltung - Google Patents
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- EP1504317B1 EP1504317B1 EP03729879A EP03729879A EP1504317B1 EP 1504317 B1 EP1504317 B1 EP 1504317B1 EP 03729879 A EP03729879 A EP 03729879A EP 03729879 A EP03729879 A EP 03729879A EP 1504317 B1 EP1504317 B1 EP 1504317B1
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- voltage
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- power supply
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
- G05F1/10—Regulating voltage or current
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
- G05F1/10—Regulating voltage or current
- G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
- G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
- G05F1/575—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices characterised by the feedback circuit
Definitions
- the invention relates to a power supply circuit according to the preamble of claim 1, in particular for a microcontroller of a transmission control.
- Modern microcontrollers usually require two different supply voltages of, for example, 5 volts and 3.3 volts, the two supply voltages being allowed to fluctuate only within predetermined bandwidths in order not to impair the functionality of the microcontroller. In no case may the voltage difference between the two supply voltages exceed or fall short of the maximum permissible values specified in the data sheet of the respective microcontroller. This is particularly critical during startup after power up and shutdown during the shutdown phase, since then different load currents flow and further different load capacities can be used.
- a disadvantage of such power supply circuits is the relatively high cost, which is associated with the use of Zener diodes or power Schottky diodes.
- the invention is therefore based on the object to provide a power supply circuit with two different output voltages, wherein the voltage difference between the two output voltages is kept with the least possible effort within a permissible bandwidth.
- the invention includes the general technical teaching to regulate the voltage difference between the two output voltages to prevent exceeding the allowable voltage difference, whereas the two output voltages are controlled separately in the known power supply circuits.
- the voltage supply circuit according to the invention therefore has a regulator which adjusts the voltage difference between the two output voltages to a predetermined value.
- the controller for the regulation of the voltage difference is the input side to the two outputs of the power supply circuit and the output side connected to an actuator which adjusts the two output voltages, whereby a feedback loop is formed.
- control unit can have two conventional linear regulators which regulate the two output voltages separately from one another in accordance with a predetermined desired value.
- control loop for regulating the voltage difference preferably superimposes the two separate control loops for the regulation of the two output voltages.
- the adjustment of the two output voltages takes place without feedback by a controller, the controller prescribing the control variable for the regulation of the voltage difference.
- the control loop for controlling the voltage difference superimposes the two controllers for setting the two output voltages.
- the regulator for regulating the voltage difference has a comparator, wherein the two inputs of the comparator are connected to the two outputs of the voltage supply circuit, so that the comparator measures the voltage difference between the two output voltages.
- a variant of the invention provides at least one switching element, which allows a low-resistance connection of the two outputs of the two outputs of the power supply circuit in order to reduce or limit the voltage difference between the two outputs.
- a separate switching element can be used, which is arranged between the two outputs of the power supply circuit and connects them to limit the voltage difference low impedance with each other.
- the two switching elements are used for the low-resistance connection of the two outputs of the power supply circuit, for separate control the two output voltages are used.
- the two output voltages are usually provided by a respective output capacitor, wherein the two output capacitors are charged via a respective switching element by an input voltage. Switching through the two switching elements thus leads to a low-resistance connection between the two outputs of the power supply circuit, which leads to a synchronization.
- the controller for controlling the voltage difference on two comparators, which are the input side connected respectively to the two outputs of the power supply circuit.
- One of the two inputs of the comparators is in each case connected via a reference voltage element to the associated output of the voltage supply circuit, wherein the two reference voltage elements indicate the maximum permissible voltage difference in the positive or in the negative direction.
- the one comparator thus indicates whether the voltage difference between the two output voltages exceeds the permissible bandwidth upwards.
- the other comparator indicates whether the voltage difference between the two output voltages falls below the permissible bandwidth downwards.
- the output 3 of the voltage supply circuit 1 is connected to ground through two output capacitors C1, C2.
- the output 4 is also connected through two output capacitors C3, C4 to ground to stabilize the output voltage U OUT2 .
- the power supply circuit 1 On the input side, the power supply circuit 1 to a transistor T1, which is controlled by a pre-regulator 5, wherein the primary controller 5 inter alia has the task to limit the current.
- the transistor T1 is connected in series with a measuring resistor R0, wherein the pre-regulator 5 measures the voltage drop across the measuring resistor R0 and blocks the transistor T1 when the current through the measuring resistor R0 rises excessively.
- the measuring resistor is connected via a transistor T2 to the output 3 and via a transistor T3 to the output 4 of the power supply circuit.
- the two transistors T1 and T2 switch through, then the two output capacitors C1, C2 can be charged by the input voltage U IN , which leads to an increase of the output voltage U OUT1 .
- a blocking of the transistor T2 leads to a load-dependent discharge of the output capacitors C1, C2, as a result of which the output voltage U OUT1 drops.
- the two output capacitors C3, C4 can be charged when the two transistors T1 and T3 are turned on, which leads to an increase of the output voltage U OUT2 . If the transistor T3 blocks, however, the output capacitors C3, C4 are discharged in dependence on the electrical load connected to the output 4, which leads to a decrease in the output voltage U OUT2 .
- Both the output voltage U OUT1 and the output voltage U OUT2 are in this case regulated by a respective regulator, the desired value of the respective output voltage U OUT1 or U OUT2 being predetermined by a reference voltage element 6.
- the regulator for the output voltage U OUT1 has a comparator OP1, the input side compares the output voltage U OUT1 with the predetermined setpoint and in response to the control deviation drives the transistor T2 to adjust the output voltage U OUT1 to the predetermined setpoint.
- a voltage divider For detecting the output voltage U OUT1 a voltage divider is provided, which consists of two resistors R1, R2, which are connected in series between the output 3 of the power supply circuit 1 and ground.
- the center tap of the voltage divider between the two resistors R1, R2 is connected to the inverting input of the comparator OP1, while the non-inverting input of the comparator OP1 is connected to the reference voltage element 6.
- a decrease in the output voltage U OUT1 below the setpoint value specified by the reference voltage element 6 thus causes the comparator OP1 to open the transistor T2, so that the output capacitors C1, C2 can be charged.
- the regulator for the output voltage U OUT2 on a comparator OP2 which compares the output voltage U OUT2 with a predetermined setpoint and the transistor T2 correspondingly controls to regulate the output voltage U OUT2 to the predetermined desired value.
- a voltage divider consisting of two resistors R3, R4 is likewise provided, which is connected between the output 4 of the voltage supply circuit 1 and ground.
- the center tap between the two resistors R3, R4 is connected to the inverting input of the comparator OP2, while the non-inverting input of the comparator OP2 is connected to the reference voltage element 6.
- a drop in the output voltage U OUT2 below the setpoint value specified by the reference voltage element 6 thus causes the comparator OP2 to open the transistor T2 so that the output capacitors C3, C4 can be charged.
- the setpoint values for the output voltages U OUT1 and U OUT2 are not the same, but can be determined by a suitable dimensioning of the resistors R1, R2 or R3, R4.
- the power supply circuit 1 has a control loop in order to limit the voltage difference between the output voltage U OUT1 and the output voltage U OUT2 .
- a comparator OP3 For measuring this voltage difference, a comparator OP3 is provided, wherein the inverting input of the comparator OP3 is connected to the output 3 of the voltage supply circuit, while the non-inverting input of the comparator OP3 is connected to the output 4 of the voltage supply circuit 1.
- the comparator OP3 is connected to the two comparators OP1 and OP2, so that the comparator OP3 indirectly drives the two transistors T2 and T3. If the output voltage U OUT1 drops below the output voltage U OUT2 , then the comparator OP3 controls the two comparators OP1 and OP2 so that the two transistors T2 and T3 are turned on. In this case, the output 3 is short-circuited via the two transistors T2 and T3 to the output 4, whereby a synchronization of the two output voltages U OUT1 and U OUT2 is forced. On the other hand, if the output voltage U OUT1 lies above the output voltage U OUT2 , then the comparator OP3 has no influence on the two comparators OP1 and OP2.
- the power supply circuit 1 has a transistor T4 which is connected between the output 3 and the output 4 and is driven by the comparator OP3.
- the comparator OP3 turns on the transistor T4 when the output voltage U OUT1 falls below the output voltage U OUT2 , whereby a synchronization of the output voltages U OUT1 and U OUT2 is forced.
- the comparator OP3 in this alternative blocks the transistor T4, so that the output voltages U OUT1 and U OUT2 are adjusted by the two comparators OP1 and OP2 to their respective desired values.
- the power supply circuit 1 has a controllable switching element 7, which connects the output 4 to ground and thus enables a short circuit of the output voltage U OUT2 to ground. That way, the two can Output capacitors C3, C4 are completely discharged to produce after a shutdown a defined initial state for the next startup.
- a switching of the switching element 7 also leads to a discharge of the output capacitors C1, C2, when the two transistors T2, T3 simultaneously through or when the transistor T4 conducts.
- the control of the switching element 7 takes place here by a control unit 8, which is connected to the output 4 and compares the output voltage U OUT2 with a predetermined limit. When falling below the limit value, the control unit 8 then switches the switching element 7 so that the output capacitors C3, C4 or C1, C2 are completely discharged at the end of a switch-off phase.
- the voltage supply circuit 1 has a conventional charge pump circuit 9, which pumps the electrical energy stored in a pump capacitor C5 several times into a buffer capacitor C6, so that the output voltage of the charge pump circuit 9 rises above the input voltage U IN .
- the driving of the charge pump circuit 9 is effected by a conventional charge pump oscillator 10.
- the reference voltage element 6 is a continuously increasing setpoint for the output voltages U OUT1 and U OUT2 before, the voltage increase is so slow that the two controllers OP1, OP2 for the output voltage U OUT1 and U OUT2 also at a different load on the outputs 3, 4 are able to adjust the output voltages U OU1 , U OUT2 without large deviations to the respective setpoint.
- the slow ramp up of the setpoint for the output voltages U OUT1 , U OUT2 thus prevents the voltage difference between the output voltages U OUT1 , U OUT1 leaves the permissible range.
- a shutdown signal is applied to the control input switch, which is connected to the comparator OP1.
- the shutdown signal then causes the comparator OP1 to turn off the transistor T2.
- the switch-off can also be initiated by the pre-regulator 5, when the input voltage U IN is turned off.
- the pre-regulator 5 is therefore also connected to the comparator OP1 and controls it at the beginning of the turn-off so that the transistor T2 blocks.
- the blocking of the transistor T2 initially leads to a load-dependent discharge of the output capacitors C1, C2 via the output 3 and thus to a decrease in the output voltage U OUT1 , which is greater than the output voltage U OUT2 at the beginning of the switch-off.
- the output voltage U OUT2 is initially kept at its desired value by the comparator OP2 until the output voltage U OUT1 then drops below the output voltage U OUT2 as a result of the discharge of the output capacitors C1, C2.
- the synchronization function is activated by the comparator OP3 activating the two comparators OP1, OP2 in such a way that they pass through the two transistors T2, T3.
- the output 3 via the two transistors T2 and T3 to the output 4 of the power supply circuit short-circuited, so that a synchronization of the two output voltages U OUT1 , U OUT2 is forced.
- the comparator OP3 at this time also controls the pre-regulator 5 so that it separates the transistor T1, so that a complete shutdown of the two output voltages U OUT1 and U OUT2 is possible.
- the two output voltages U OUT1 and U OUT2 then decrease synchronously until a limit value specified by the control unit 8 is exceeded, whereupon the control unit 8 switches the switching element 7 so that the output capacitors C1, C2 and C3, C4 are finally short-circuited to ground, resulting in a complete discharge of the output capacitors C1-C4.
- the required for the shutdown electrical energy is provided by the charge pump circuit 9, if the input voltage U IN has been turned off. In such case, the pre-regulator 5 turns off the charge pump oscillator 10 to save power during the turn-off operation.
- a special feature of this embodiment is the regulation of the voltage difference between the two output voltages U OUT1 and U OUT2 .
- the voltage supply circuit 1 has two comparators OP4 and OP5, which check whether the voltage difference between the two output voltages U OUT1 and U OUT2 leaves the permissible range.
- the comparator OP4 checks whether the voltage difference between the two output voltages U OUT1 , U OUT2 becomes too large.
- the non-inverting input of the comparator OP4 is connected to the output 3, while the inverting input of the comparator OP4 is connected to the output 4 via a reference voltage element 11.
- the reference voltage element 11 in this case supplies a reference voltage U REF1 , which corresponds to the maximum permissible voltage difference between the two output voltages U OUT1 , U OUT2 .
- the comparator OP4 is connected to the transistor T2 in order to regulate the voltage difference between the two output voltages U OUT1 and U OUT2 .
- the comparator OP4 thus checks the following voltage condition: U OUT ⁇ 1 > U OUT ⁇ 2 + U REF ⁇ 1 ,
- the comparator OP4 blocks the transistor T2, so that the output voltage U OUT1 does not increase any further. This ensures that the maximum permissible voltage difference U OUT1 -U OUT2 between the two output voltages remains within the limits specified by the reference voltage.
- the comparator OP5 is intended to prevent the minimum permissible voltage difference between the two output voltages U OUT1 , U OUT2 from being undershot.
- This is the inverting Input of the comparator OP5 connected to the output 3, while the non-inverting input of the comparator OP5 is connected via a reference voltage element 12 to the output 4.
- the reference voltage element 12 in this case supplies a reference voltage U REF2 which corresponds to the minimum permissible voltage difference between the output voltages U OUT1 , U OUT2 .
- the comparator OP5 is connected to the transistor T3, so that the output voltage U OUT2 is regulated as a function of the measured voltage difference.
- the comparator OP5 checks the following voltage condition: U OUT ⁇ 1 ⁇ U OUT ⁇ 2 + U REF ⁇ 2 ,
- the comparator OP5 blocks the transistor T3, so that the output voltage U OUT2 can not increase further. This ensures that the voltage difference between the two output voltages U OUT1 -U OUT2 remains within the limits specified by the reference voltage.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für einen Mikrocontroller einer Getriebesteuerung.
- Moderne Mikrocontroller benötigen meist zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen von beispielsweise 5 Volt und 3,3 Volt, wobei die beiden Versorgungsspannungen nur innerhalb vorgegebener Bandbreiten schwanken dürfen, um die Funktionsfähigkeit des Mikrocontrollers nicht zu beeinträchtigen. In keinem Fall darf die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Versorgungsspannungen die im Datenblatt des jeweiligen Mikrocontrollers angegebenen maximal zulässigen Werte übersteigen oder unterschreiten. Dies ist insbesondere beim Hochlaufen nach dem Einschalten und beim Herunterfahren während der Abschaltphase kritisch, da dann unterschiedliche Lastströme fließen und des Weiteren unterschiedliche Lastkapazitäten verwendet werden können.
- Es sind deshalb Spannungsversorgungsschaltungen bekannt, bei denen die beiden Versorgungsspannungen durch jeweils einen Linearregler geregelt werden, um Spannungsabweichungen zu vermeiden.
- Nachteilig daran ist jedoch, dass Regelabweichungen der beiden Versorgungsspannungen getrennt voneinander ausgeregelt werden, so dass die Regelung bei stark unterschiedlichen Lastströmen an den beiden Ausgängen unter Umständen nicht ausreicht, um die vorgegebene Spannungsdifferenz einzuhalten.
- Weiterhin ist es bekannt, die beiden Ausgänge derartiger Spannungsversorgungsschaltungen mit Zenerdioden oder Power-Schottky-Dioden zu verbinden, um die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Versorgungsspannung innerhalb der zulässigen Bandbreite zu halten. Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Versorgungsspannungen kann dann nur soweit ansteigen, bis die Durchbruchspannung der Zenerdiode erreicht ist.
- Nachteilig an derartigen Spannungsversorgungsschaltungen ist der relativ hohe Aufwand, der mit dem Einsatz von Zenerdioden bzw. Power-Schottky-Dioden verbunden ist.
- Gemäß der Lehre des nächstliegenden Standes der Technik D1 (
US 5, 907, 482 ) werden die beiden Ausgangsspannungen getrennt voneinander überwacht und einzeln geregelt. - Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsversorgungsschaltung mit zwei unterschiedlichen Ausgangsspannungen zu schaffen, wobei die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen mit möglichst geringem Aufwand innerhalb einer zulässigen Bandbreite gehalten wird.
- Die Aufgabe wird, ausgehend von der vorstehend beschriebenen bekannten Spannungsversorgungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
- Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen zu regeln, um eine Überschreitung der zulässigen Spannungsdifferenz zu verhindern, wohingegen die beiden Ausgangsspannungen bei den bekannten Spannungsversorgungsschaltungen getrennt von einander geregelt werden.
- Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung weist deshalb einen Regler auf, der die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen auf einen vorgegebenen Wert ausregelt.
- Der Regler für die Regelung der Spannungsdifferenz ist eingangsseitig mit den beiden Ausgängen der Spannungsversorgungsschaltung und ausgangsseitig mit einer Stelleinheit verbunden, welche die beiden Ausgangsspannungen einstellt, wodurch eine Rückkopplungsschleife gebildet wird.
- Die Stelleinheit kann beispielsweise zwei herkömmliche Linearregler aufweisen, welche die beiden Ausgangsspannungen entsprechend einem vorgegebenen Soll-Wert getrennt von einander regeln. Hierbei überlagert die Regelschleife zur Regelung der Spannungsdifferenz vorzugsweise die beiden getrennten Regelschleifen für die Regelung der beiden Ausgangsspannungen.
- In einer einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsschaltung erfolgt die Einstellung der beiden Ausgangsspannungen dagegen ohne eine Rückkopplung durch eine Steuerung, wobei der Regler für die Regelung der Spannungsdifferenz die Steuergröße vorgibt. Hierbei überlagert also die Regelschleife zur Regelung der Spannungsdifferenz die beiden Steuerungen für die Einstellung der beiden Ausgangsspannungen.
- In einer Variante der Erfindung weist der Regler zur Regelung der Spannungsdifferenz einen Komparator auf, wobei die beiden Eingänge des Komparators mit den beiden Ausgängen der Spannungsversorgungsschaltung verbunden sind, so dass der Komparator die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen misst.
- Eine Variante der Erfindung sieht mindestens ein Schaltelement vor, das eine niederohmige Verbindung der beiden Ausgänge der beiden Ausgänge der Spannungsversorgungsschaltung ermöglicht, um die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgängen zu verringern bzw. zu begrenzen.
- Hierzu kann ein separates Schaltelement verwendet werden, das zwischen den beiden Ausgängen der Spannungsversorgungsschaltung angeordnet ist und diese zur Begrenzung der Spannungsdifferenz niederohmig miteinander verbindet.
- Vorzugsweise werden für die niederohmige Verbindung der beiden Ausgänge der Spannungsversorgungsschaltung jedoch die beiden Schaltelemente eingesetzt, die zur getrennten Regelung der beiden Ausgangsspannungen verwendet werden. So werden die beiden Ausgangsspannungen üblicherweise durch jeweils einen Ausgangskondensator bereit gestellt, wobei die beiden Ausgangskondensatoren über jeweils ein Schaltelement durch eine Eingangsspannung aufgeladen werden. Ein Durchschalten der beiden Schaltelemente führt hierbei also zu einer niederohmigen Verbindung zwischen den beiden Ausgängen der Spannungsversorgungsschaltung, was zu einem Gleichlauf führt.
- In einer Variante der Erfindung weist der Regler zur Regelung der Spannungsdifferenz zwei Komparatoren auf, die eingangsseitig jeweils mit den beiden Ausgängen der Spannungsversorgungsschaltung verbunden sind. Einer der beiden Eingänge der Komparatoren ist hierbei jeweils über ein Referenzspannungselement mit dem zugehörigen Ausgang der Spannungsversorgungsschaltung verbunden, wobei die beiden Referenzspannungselemente die maximal zulässige Spannungsdifferenz in positiver bzw. in negativer Richtung angeben. Der eine Komparator zeigt hierbei also an, ob die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen die zulässige Bandbreite nach oben überschreitet. Der andere Komparator gibt dagegen an, ob die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen die zulässige Bandbreite nach unten unterschreitet.
- Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- eine erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung in Form eines Schaltbildes sowie
- Figur 2
- eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsschaltung.
- Das in Figur 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt eine erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung 1, die über einen Eingang 2 mit einer Eingangsspannung UIN versorgt wird und zwei Ausgänge 3, 4 aufweist, wobei an dem Ausgang 3 eine Ausgangsspannung UOUT1= +5V ausgegeben wird, während an dem Ausgang 4 eine Ausgangsspannung UOUT2= +3,3V bereitgestellt wird.
- Zur Stabilisierung der Ausgangsspannung UOUT1 ist der Ausgang 3 der Spannungsversorgungsschaltung 1 durch zwei Ausgangskondensatoren C1, C2 mit Masse verbunden.
- Der Ausgang 4 ist ebenfalls durch zwei Ausgangskondensatoren C3, C4 mit Masse verbunden, um die Ausgangsspannung UOUT2 zu stabilisieren.
- Eingangsseitig weist die Spannungsversorgungsschaltung 1 einen Transistor T1 auf, der von einem Vorregler 5 angesteuert wird, wobei der Vorregler 5 unter anderem die Aufgabe hat, den Strom zu begrenzen.
- Zur Messung des Stroms ist der Transistor T1 mit einem Messwiderstand R0 in Reihe geschaltet, wobei der Vorregler 5 die über dem Messwiderstand R0 abfallende Spannung misst und den Transistor T1 sperrt, wenn der Strom durch den Messwiderstand R0 übermäßig ansteigt.
- Ausgangsseitig ist der Messwiderstand über einen Transistor T2 mit dem Ausgang 3 und über einen Transistor T3 mit dem Ausgang 4 der Spannungsversorgungsschaltung verbunden.
- Falls die beiden Transistoren T1 und T2 durchschalten, so können die beiden Ausgangskondensatoren C1, C2 durch die Eingangsspannung UIN aufgeladen werden, was zu einem Ansteigen der Ausgangsspannung UOUT1 führt. Ein Sperren des Transistors T2 führt dagegen zu einer lastabhängigen Entladung der Ausgangskondensatoren C1, C2, wodurch die Ausgangsspannung UOUT1 absinkt.
- Entsprechend können die beiden Ausgangskondensatoren C3, C4 aufgeladen werden, wenn die beiden Transistoren T1 und T3 durchschalten, was zu einem Anstieg der Ausgangsspannung UOUT2 führt. Falls der Transistor T3 dagegen sperrt, so werden die Ausgangskondensatoren C3, C4 in Abhängigkeit von der an den Ausgang 4 angeschlossenen elektrischen Last entladen, was zu einem Absinken der Ausgangsspannung UOUT2 führt.
- Sowohl die Ausgangsspannung UOUT1 als auch die Ausgangsspannung UOUT2 wird hierbei durch jeweils einen Regler geregelt, wobei der Sollwert der jeweiligen Ausgangsspannung UOUT1 bzw. UOUT2 durch ein Referenzspannungselement 6 vorgegeben wird.
- Der Regler für die Ausgangsspannung UOUT1 weist einen Komparator OP1 auf, der eingangsseitig die Ausgangsspannung UOUT1 mit dem vorgegebenen Sollwert vergleicht und in Abhängigkeit von der Regelabweichung den Transistor T2 ansteuert, um die Ausgangsspannung UOUT1 auf den vorgegebenen Sollwert einzuregeln.
- Zur Erfassung der Ausgangsspannung UOUT1 ist ein Spannungsteiler vorgesehen, der aus zwei Widerständen R1, R2 besteht, die zwischen dem Ausgang 3 der Spannungsversorgungsschaltung 1 und Masse in Reihe geschaltet sind. Der Mittelabgriff des Spannungsteilers zwischen den beiden Widerständen R1, R2 ist mit dem invertierenden Eingang des Komparators OP1 verbunden, während der nicht-invertierende Eingang des Komparators OP1 mit dem Referenzspannungselement 6 verbunden ist. Ein Absinken der Ausgangsspannung UOUT1 unter den durch das Referenzspannungselement 6 vorgegebenen Sollwert führt also dazu, dass der Komparator OP1 den Transistor T2 aufsteuert, so dass die Ausgangskondensatoren C1, C2 aufgeladen werden können. Ein Anstieg der Ausgangsspannung UOUT1 über den durch das Referenzspannungselement 6 vorgegebenen Sollwert führt dagegen dazu, dass der Komparator OP1 den Transistor T2 sperrt, so dass die Ausgangskondensatoren C1, C2 nicht mehr aufgeladen werden, was zu einem lastabhängigen Absinken der Ausgangsspannung UOUT1 führt.
- In gleicher Weise weist der Regler für die Ausgangsspannung UOUT2 einen Komparator OP2 auf, der die Ausgangsspannung UOUT2 mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht und den Transistor T2 entsprechend ansteuert, um die Ausgangsspannung UOUT2 auf den vorgegebenen Sollwert einzuregeln.
- Zur Messung der Ausgangsspannung UOUT2 ist ebenfalls ein aus zwei Widerständen R3, R4 bestehender Spannungsteiler vorgesehen, der zwischen den Ausgang 4 der Spannungsversorgungsschaltung 1 und Masse geschaltet sind. Der Mittelabgriff zwischen den beiden Widerständen R3, R4 ist mit dem invertierenden Eingang des Komparators OP2 verbunden, während der nicht-invertierende Eingang des Komparators OP2 mit dem Referenzspannungselement 6 verbunden ist. Ein Absinken der Ausgangsspannung UOUT2 unter den durch das Referenzspannungselement 6 vorgegebenen Sollwert führt also dazu, dass der Komparator OP2 den Transistor T2 aufsteuert, so dass die Ausgangskondensatoren C3, C4 aufgeladen werden können. Ein Anstieg der Ausgangsspannung UOUT2 über den durch das Referenzspannungselement 6 vorgegebenen Sollwert führt dagegen dazu, dass der Komparator OP2 den Transistor T2 sperrt, so dass die Ausgangskondensatoren C3, C4 nicht mehr aufgeladen werden, was zu einem lastabhängigen Absinken der Ausgangsspannung UOUT2 führt.
- Die Sollwerte für die Ausgangsspannungen UOUT1 und UOUT2 sind jedoch nicht gleich, sondern können durch eine geeignete Dimensionierung der Widerstände R1, R2 bzw. R3, R4 festgelegt werden.
- Weiterhin weist die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung 1 eine Regelschleife auf, um die Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung UOUT1 und der Ausgangsspannung UOUT2 zu begrenzen.
- Zur Messung dieser Spannungsdifferenz ist ein Komparator OP3 vorgesehen, wobei der invertierende Eingang des Komparators OP3 mit dem Ausgang 3 der Spannungsversorgungsschaltung verbunden ist, während der nicht-invertierende Eingang des Komparators OP3 mit dem Ausgang 4 der Spannungsversorgungsschaltung 1 verbunden ist.
- Ausgangsseitig ist der Komparator OP3 mit den beiden Komparatoren OP1 und OP2 verbunden, so dass der Komparator OP3 indirekt die beiden Transistoren T2 und T3 ansteuert. Falls die Ausgangsspannung UOUT1 unter die Ausgangsspannung UOUT2 absinkt, so steuert der Komparator OP3 die beiden Komparatoren OP1 und OP2 so an, dass die beiden Transistoren T2 und T3 durchschalten. In diesem Fall wird der Ausgang 3 über die beiden Transistoren T2 und T3 mit dem Ausgang 4 kurzgeschlossen, wodurch ein Gleichlauf der beiden Ausgangsspannungen UOUT1 und UOUT2 erzwungen wird. Liegt die Ausgangsspannung UOUT1 dagegen über der Ausgangsspannung UOUT2, so hat der Komparator OP3 keinen Einfluss auf die beiden Komparatoren OP1 und OP2.
- In einer gestrichelt dargestellten Alternative weist die Spannungsversorgungsschaltung 1 einen Transistor T4 auf, der zwischen den Ausgang 3 und den Ausgang 4 geschaltet ist und von dem Komparator OP3 angesteuert wird. Der Komparator OP3 schaltet den Transistor T4 durch, wenn die Ausgangsspannung UOUT1 unter die Ausgangsspannung UOUT2 absinkt, wodurch ein Gleichlauf der Ausgangsspannungen UOUT1 und UOUT2 erzwungen wird. Falls die Ausgangsspannung UOUT1 dagegen über der Ausgangsspannung UOUT2 liegt, so sperrt der Komparator OP3 in dieser Alternative den Transistor T4, so dass die Ausgangsspannungen UOUT1 und UOUT2 von den beiden Komparatoren OP1 und OP2 auf ihre jeweiligen Sollwerte eingeregelt werden.
- Darüber hinaus weist die Spannungsversorgungsschaltung 1 ein steuerbares Schaltelement 7 auf, das den Ausgang 4 mit Masse verbindet und somit einen Kurzschluss der Ausgangsspannung UOUT2 gegen Masse ermöglicht. Auf diese Weise können die beiden Ausgangskondensatoren C3, C4 vollständig entladen werden, um nach einem Abschaltvorgang einen definierten Anfangszustand für den nächsten Hochlauf herzustellen. Darüber hinaus führt ein Durchschalten des Schaltelements 7 auch zu einer Entladung der Ausgangskondensatoren C1, C2, wenn die beiden Transistoren T2, T3 gleichzeitig durchschalten oder wenn der Transistor T4 leitet.
- Die Ansteuerung des Schaltelements 7 erfolgt hierbei durch eine Steuereinheit 8, die mit dem Ausgang 4 verbunden ist und die Ausgangsspannung UOUT2 mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht. Beim Unterschreiten des Grenzwerts schaltet die Steuereinheit 8 dann das Schaltelement 7 durch, so dass die Ausgangskondensatoren C3, C4 bzw. C1, C2 am Ende einer Abschaltphase vollständig entladen werden.
- Ferner weist die Spannungsversorgungsschaltung 1 eine herkömmliche Ladungspumpenschaltung 9 auf, welche die in einem Pumpkondensator C5 gespeicherte elektrische Energie mehrfach in einen Pufferkondensator C6 pumpt, so dass die Ausgangsspannung der Ladungspumpenschaltung 9 über die Eingangsspannung UIN ansteigt. Die Ansteuerung der Ladungspumpenschaltung 9 erfolgt durch einen herkömmlichen Ladungspumpenoszillator 10.
- Im folgenden wird nun der Einschaltvorgang der vorstehend beschriebenen Spannungsversorgungsschaltung 1 erläutert.
- Hierbei gibt das Referenzspannungselement 6 einen kontinuierlich ansteigenden Sollwert für die Ausgangsspannungen UOUT1 bzw. UOUT2 vor, wobei der Spannungsanstieg so langsam erfolgt, dass die beiden Regler OP1, OP2 für die Ausgangsspannung UOUT1 bzw. UOUT2 auch bei einer unterschiedlichen Belastung der Ausgänge 3, 4 in der Lage sind, die Ausgangsspannungen UOU1, UOUT2 ohne große Regelabweichungen auf den jeweiligen Sollwert einzuregeln. Das langsame Hochfahren des Sollwerts für die Ausgangsspannungen UOUT1, UOUT2 verhindert also, dass die Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungen UOUT1, UOUT1 den zulässigen Bereich verlässt.
- Im folgenden wird nun der Abschaltvorgang der vorstehend beschriebenen Spannungsversorgungsschaltung 1 erläutert, der auf verschiedene Arten eingeleitet werden kann.
- Eine Möglichkeit zur Einleitung des Abschaltvorgangs besteht darin, dass von außen ein Abschaltsignal an den Steuereingang Switch angelegt wird, der mit dem Komparator OP1 verbunden ist. Das Abschaltsignal führt dann dazu, dass der Komparator OP1 den Transistor T2 sperrt.
- Darüber hinaus kann der Abschaltvorgang auch von dem Vorregler 5 eingeleitet werden, wenn die Eingangsspannung UIN abgeschaltet wird. Der Vorregler 5 ist deshalb ebenfalls mit dem Komparator OP1 verbunden und steuert diesen zu Beginn des Abschaltvorgangs so an, dass der Transistor T2 sperrt.
- Das Sperren des Transistors T2 führt zunächst zu einer lastabhängigen Entladung der Ausgangskondensatoren C1, C2 über den Ausgang 3 und damit zu einem Absinken der Ausgangsspannung UOUT1, die zu Beginn des Abschaltvorgangs größer als die Ausgangsspannung UOUT2 ist.
- Die Ausgangsspannung UOUT2 wird dagegen von dem Komparator OP2 zunächst noch auf ihrem Sollwert gehalten, bis die Ausgangsspannung UOUT1 dann infolge der Entladung der Ausgangskondensatoren C1, C2 unter die Ausgangsspannung UOUT2 absinkt.
- Sobald die Ausgangsspannung UOUT1 bis auf die Ausgangsspannung UOUT2 abgesunken ist, wird die Gleichlauffunktion aktiviert, indem der Komparator OP3 die beiden Komparatoren OP1, OP2 so ansteuert, dass diese die beiden Transistoren T2, T3 durchschalten. In diesem Zustand ist der Ausgang 3 über die beiden Transistoren T2 und T3 mit dem Ausgang 4 der Spannungsversorgungsschaltung kurzgeschlossen, so dass ein Gleichlauf der beiden Ausgangsspannungen UOUT1, UOUT2 erzwungen wird.
- Darüber hinaus steuert der Komparator OP3 zu diesem Zeitpunkt auch den Vorregler 5 so an, dass dieser den Transistor T1 trennt, damit ein vollständiges Herunterfahren der beiden Ausgangsspannungen UOUT1 und UOUT2 ermöglicht wird.
- Die beiden Ausgangsspannungen UOUT1 und UOUT2 sinken dann synchron ab, bis ein durch die Steuereinheit 8 vorgegebenen Grenzwert unterschritten wird, woraufhin die Steuereinheit 8 das Schaltelement 7 durchschaltet, so dass die Ausgangskondensatoren C1, C2 und C3, C4 schließlich gegen Masse kurzgeschlossen werden, was zu einer vollständigen Entladung der Ausgangskondensatoren C1-C4 führt.
- Zum einen verkürzt der Kurzschluss der Ausgangskondensatoren C1-C4 über das Schaltelement 7 den Abschaltvorgang.
- Zum anderen führt die vollständige Entladung der Ausgangskondensatoren C1-C4 am Ende eines Abschaltvorgangs zu einem definierten Ausgangszustand für den nächsten Hochlauf.
- Die für den Abschaltvorgang erforderliche elektrische Energie wird von der Ladungspumpenschaltung 9 bereit gestellt, falls die Eingangsspannung UIN abgeschaltet wurde. In einem solchen Fall schaltet der Vorregler 5 den Ladungspumpenoszillator 10 aus, um während des Abschaltvorgangs Energie zu sparen.
- Die in Figur 2 dargestellte alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsschaltung 1 stimmt weitgehend mit der vorstehend beschriebenen und in Figur 1 dargestellten Spannungsversorgungsschaltung überein, so dass im folgenden zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
- Darüber hinaus sind übereinstimmende Bauteile in den Figuren 1 und 2 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen, um die Zuordnung zu erleichtern.
- Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in der Regelung der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen UOUT1 und UOUT2. Hierzu weist die Spannungsversorgungsschaltung 1 zwei Komparatoren OP4 und OP5 auf, die prüfen, ob die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen UOUT1 und UOUT2 den zulässigen Bereich verlässt.
- Der Komparator OP4 prüft hierbei, ob die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen UOUT1, UOUT2 zu groß wird. Hierzu ist der nicht-invertierende Eingang des Komparators OP4 mit dem Ausgang 3 verbunden, während der invertierende Eingang des Komparators OP4 über ein Referenzspannungselement 11 mit dem Ausgang 4 verbunden ist. Das Referenzspannungselement 11 liefert hierbei eine Referenzspannung UREF1, die der maximal zulässigen Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen UOUT1, UOUT2 entspricht. Ausgangsseitig ist der Komparator OP4 mit dem Transistor T2 verbunden, um die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen UOUT1 und UOUT2 zu regeln. Der Komparator OP4 prüft also folgende Spannungsbedingung:
- Falls diese Spannungsbedingung erfüllt ist, so sperrt der Komparator OP4 den Transistor T2, so dass die Ausgangsspannung UOUT1 nicht weiter ansteigt. Dadurch wird sichergestellt, dass die maximal zulässige Spannungsdifferenz UOUT1-UOUT2 zwischen den beiden Ausgangsspannungen innerhalb der durch die Referenzspannung vorgegebenen Grenzwerte bleibt.
- Der Komparator OP5 soll dagegen verhindern, dass die minimal zulässige Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen UOUT1, UOUT2 unterschritten wird. Hierzu ist der invertierende Eingang des Komparators OP5 mit dem Ausgang 3 verbunden, während der nicht-invertierende Eingang des Komparators OP5 über ein Referenzspannungselement 12 mit dem Ausgang 4 verbunden ist. Das Referenzspannungselement 12 liefert hierbei eine Referenzspannung UREF2, die der minimal zulässigen Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungen UOUT1, UOUT2 entspricht. Ausgangsseitig ist der Komparator OP5 mit dem Transistor T3 verbunden, so dass die Ausgangsspannung UOUT2 in Abhängigkeit von der gemessenen Spannungsdifferenz geregelt wird. Dabei prüft der Komparator OP5 folgende Spannungsbedingung:
- Falls diese Bedingung erfüllt ist, so sperrt der Komparator OP5 den Transistor T3, so dass die Ausgangsspannung UOUT2 nicht weiter ansteigen kann. Dadurch wird gewährleistet, dass die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen UOUT1-UOUT2 innerhalb der durch die Referenzspannung vorgegebenen Grenzen bleibt.
Claims (11)
- Spannungsversorgungsschaltung (1), insbesondere für einen Mikrocontroller einer Getriebesteuerung, mit
einem ersten Ausgang (3) zur Bereitstellung einer ersten Ausgangsspannung (UOUT1) und
einem zweiten Ausgang (4) zur Bereitstellung einer zweiten Ausgangsspannung (UOUT2), wobei die erste Ausgangsspannung (UOUT1) und die zweite Ausgangsspannung (UOUT2) unterschiedlich sind, sowie mit
einer Stelleinheit (OP1, T2, OP2, T3) zur Einstellung der ersten Ausgangsspannung (UOUT1) und der zweiten Ausgangsspannung (UOUT2),
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Begrenzung der Spannungsdifferenz zwischen der ersten Ausgangsspannung (UOUT1) und der zweiten Ausgangsspannung (UOUT2) ein erster Regler (OP3-OP5, T2, T3) vorgesehen ist, dass der erste Regler (OP3-OP5, T2, T3) eingangsseitig mit dem ersten Ausgang (3) und dem zweiten Ausgang (4) und ausgangsseitig mit der Stelleinheit (OP1, T2, OP2, T3) verbunden ist, wobei der erste Regler (OP3-OP5, T2, T3) für die Regelung, der Spannungsdifferenz die Steuegröße vorgibt, wodurch der erste Regler (OP3-OP5, T2, D3) die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen (UOUT1, UOUT2) regelt. - Spannungsversorgungsschaltung (1) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Regler einen Komparator (OP3) mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang aufweist, wobei der erste Eingang des Komparators (OP3) mit dem ersten Ausgang (3) verbunden ist, während der zweite Eingang des Komparators (OP3) mit dem zweiten Ausgang (4) verbunden ist. - Spannungsversorgungsschal tung (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur niederohmigen Verbindung des ersten Ausgangs (3) mit dem zweiten Ausgang (4) mindestens ein steuerbares Schaltelement (T2-T4) vorgesehen ist, wobei der Komparator (OP3) ausgangsseitig mit dem Schaltelement (T2-T4) verbunden ist. - Spannungsversorgungsschaltung (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stelleinheit zur Einstellung der ersten Ausgangsspannung (UOUT1) ein erstes Schaltelement (T2) und zur Einstellung der zweiten Ausgangsspannung (UOUT2) ein zweites Schaltelement (T3) aufweist, wobei das erste Schaltelement (T2) und das zweite Schaltelement (T3) zwischen dem ersten Ausgang (3) und dem zweiten Ausgang (4) in Reihe geschaltet sind und zu ihrer Ansteuerung mit dem Komparator (OP3) verbunden sind. - Spannungsversorgungsschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Regler zwei Komparatoren (OP4, OP5) aufweist, die zur Erfassung der Spannungsdifferenz eingangsseitig jeweils mit dem ersten Ausgang (3) und dem zweiten Ausgang (4) verbunden sind. - Spannungsversorgungsschaltung (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einer der beiden Komparatoren (OP4, OP5) des ersten Reglers über ein Referenzspannungselement (11, 12) mit dem ersten Ausgang (3) oder dem zweiten Ausgang (4) verbunden ist. - Spannungsversorgungsschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stelleinheit einen zweiten Regler (OP1, T2) zur Regelung der ersten Ausgangsspannung (UOUT1) und einen dritten Regler (OP2, T3) zur Regelung der zweiten Ausgangsspannung (UOUT2) aufweist. - Spannungsversorgungsschaltung (1) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
der zweite Regler (OP1, T2) und/oder der dritte Regler (OP2, T3) eingangsseitig mit einem Referenzspannungselement (6) verbunden ist. - Spannungsversorgungsschaltung (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Referenzspannungselement (6) eine variable Ausgangsspannung aufweist, die einer vorgegebenen Spannungs-Zeit-Kennlinie entspricht. - Spannungsversorgungsschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Ausgang (3) und/oder der zweite Ausgang (4) mit einem Ausgangskondensator (C1-C4) verbunden ist, wobei zur Entladung des Ausgangskondensators (C1-C4) ein Kurzschlussschalter (7) vorgesehen ist. - Spannungsversorgungsschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bereitstellung einer internen Steuerspannung eine Ladungspumpenschaltung (9) vorgesehen ist.
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