DE10103817B4

DE10103817B4 - DC-DC-Wandler

Info

Publication number: DE10103817B4
Application number: DE10103817A
Authority: DE
Inventors: Martin Goetzenberger; Dirk Hofmann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2021-01-30
Also published as: DE10103817A1

Abstract

DC-DC-Wandler, bei dem zwischen einem ersten Klemmenpaar (1, 1') ein erster Kondensator (C1) und parallel dazu die Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten steuerbaren Schalter (T1, T2) und bei dem parallel zum zweiten steuerbaren Schalter (T2) die Serienschaltung aus einer Spule (L1) und einem zweiten Kondensator (C2) angeordnet ist, wobei die Anschlüsse des zweiten Kondensators (C2) ein zweites Klemmenpaar (2, 2') bilden, bei dem ferner eine Regelschaltung (RS) vorgesehen ist, die die steuerbaren Schalter (T1, T2) abhängig von der Stärke und der Richtung des Stroms durch die Spule (L1) derart ansteuert, dass die Ausgangsspannung des Wandlers einen konstanten Wert annimmt und entweder die Spannung am ersten Klemmenpaar (1, 1') oder die Spannung am zweiten Klemmenpaar (2, 2') ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden steuerbaren Schalter Sense-Feldeffekttransistoren (T1, T2) sind, denen je eine Stromdetektionsschaltung (SDS1, SDS2) zugeordnet ist, welchen eine Stromrichtungsdetektionsschaltung (SRDS) nachgeschaltet ist, mittels der der Strom desjenigen Feldeffekttransistors...

Description

Die Erfindung betrifft einen DC-DC-Wandler, bei dem zwischen einem ersten Klemmenpaar ein erster Kondensator und parallel dazu die Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten steuerbaren Schalter und bei dem parallel zum zweiten steuerbaren Schalter die Serienschaltung aus einer Spule und einem zweiten Kondensator angeordnet ist, wobei die Anschlüsse des zweiten Kondensators ein zweites Klemmenpaar bilden, bei dem ferner eine Regelschaltung vorgesehen ist, die die steuerbaren Schalter abhängig vom Strom durch die Spule derart ansteuert, dass die Ausgangsspannung des Wandlers einen konstanten Wert annimmt und entweder die Spannung am ersten Klemmenpaar oder die Spannung am zweiten Klemmenpaar ist.
Um den Strom durch die Spule zu messen wird häufig ein Shunt-Widerstand in Serie zur Spule geschaltet und der Spannungsabfall an diesem Shunt-Widerstand einem Regler zugeführt.
Nachteilig bei einem solchen Shunt-Widerstand ist jedoch, dass bei heutigen Lösungen die durch ihn verursachten ohmschen Verluste erheblich sind. Eine Verkleinerung des Shunt-Widerstands ist kaum möglich, da sein Wert bereits eher am unteren Rand des zulässigen Bereichs angesiedelt ist und eine höhere Genauigkeit des folgenden Verstärkers nach sich zieht.
Ein weiterer Nachteil eines Shunt-Widerstands ist, dass seine Verwendung eine elektronische Schaltung erfordert, die einen schnellen Verstärker und sehr präzise Widerstände aufweist.

Ein bekannter Gleichspannungswandler ( US 5,138,249 A ) weist einen Sensor auf, der die positiven und negativen Stromspitzen unabhängig von der Stromrichtung detektiert.

Auch ist eine Schaltungsanordnung zur Korrektur eines Leistungsfaktors bekannt ( US 5,757,635 A ), bei der die Einschaltzeit eines Sense-Feldeffekt-Tansistors aufgrund einer von einem Steuerspannungsgenerator erzeugten Steuerspannung gesteuert wird.

Eine weitere bekannte Schaltungsanordnung ( EP 0 397 102 81 ) weist Messelemente auf, die in der Lage sind, den Strom durch einen Schalter zu einer Last zu bestimmen.

Ausgehend von Stand der Technik nach US 5,138,249, A liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen DC-DC-Wandler anzugeben, der eine einfache Strommessung ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch einen DC-DC-Wandler gemäß Anspruch 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 werden als Schalter Sense-Feldeffekttransistoren verwendet, die neben dem üblichen Source-Anschluss einen Sense-Anschluss aufweisen, an dem ein Strom abgreifbar ist, der proportional dem Sourcestrom jedoch wesentlich kleiner als dieser ist, so dass nahezu keine Verluste durch die Messung des Stromes auftreten.

Die Messung erfolgt in vorteilhafter Weise mit einer stromgesteuerten Stromquelle, die beispielsweise mit einer Stromspiegelschaltung realisiert sein kann.

Der DC-DC-Wandler kann sowohl als Abwärts- als auch als Aufwärtswandler verwendet werden, wobei die Regelschaltung derart ausgebildet ist, dass sie die entsprechenden Steuersignale automatisch generiert. Sie weist hierzu eine Stromrichtungsdetektionsschaltung sowie eine Stromregelschaltung auf.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen DC-DC-Wandlers und
2 eine Prinzipschaltung für eine Stromdetektionsschaltung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen DC-DC-Wandlers. Zwischen den Klemmen eines ersten Klemmenpaares 1, 1' ist ein erster Kondensator C1 und die Serienschaltung aus einem ersten Sense-Feldeffekttransistor T1 und einem zweiten Sense-Feldeffekttransistor T2 angeordnet.
Sense-Feldeffekttransistoren sind Transistoren, die einen zweiten Source-Anschluss haben, an dem ein dem Sourcestrom proportionaler kleiner Strom abgegriffen werden kann, wodurch auf einfache Weise eine Messung des Sourcestromes erfolgen kann.
Parallel zum zweiten Sense-Feldeffekttransistors T2 ist die Serienschaltung aus einer Spule L1 und einem zweiten Kondensator C2 angeordnet, wobei die Anschlüsse des zweiten Kondensators C2 ein zweites Klemmenpaar 2, 2' bilden.
Der DC-DC-Wandler kann sowohl als Abwärts- als auch als Aufwärtswandler benutzt werden, je nach dem, welches der Klemmenpaare als Eingangsklemmenpaar benutzt wird.
Um eine konstante Ausgangsspannung zu erhalten muss in jedem Fall die Einschaltzeit der Transistoren T1, T2 geregelt werden, was in Abhängigkeit vom Strom durch die Spule L1 mittels einer Regelschaltung RS erfolgt.
Der Strom durch die Spule L1 entspricht dem Strom durch den jeweils eingeschalteten Sense-Feldeffekttransistor T1 oder T2 und kann in erfindungsgemäßer Weise durch Detektion des Stromes an dem jeweiligen Sense-Ausgang eines Transistors ermittelt werden.
An den Sense-Ausgängen der Sense-Feldeffekttransistoren T1, T2 sind dazu jeweils Stromdetektierschaltungen SDS1, SDS2 vorgesehen, die gemäß 2 als stromgesteuerte Stromquellen ausgebildet sein können. Stromgesteuerte Stromquellen können beispielsweise mit Stromspiegelschaltungen realisiert werden. Wesentlich ist hierbei lediglich, dass der Sense-Ausgang eines Sense-Feldeffekttransistors möglichst niederohmig mit dem Source-Anschluss des Transistors verbunden wird.
An den Ausgängen der Stromdetektierschaltungen SDS1, SDS2 ist jeweils ein Widerstand R1 bzw. R2 vorgesehen, um den jeweiligen Strom in eine Spannung umzuformen. Die Spannungen werden dann über Schalter S1 bzw. S2 einem gekoppelten Tiefpass aus den Widerständen R3 und R4 sowie dem Kondensator C3 zugeführt. Am Kondensator C3 des Tiefpasses ergibt sich dann eine Spannung, die dem Mittelwert des Stromes durch die Spule L1 entspricht.
Die Sense-Feldeffekttransistoren liefern nur dann einen genauen Sensestrom, wenn sie in Drain-Source-Richtung vom Strom durchflossen werden. Im Falle, dass der DC-DC-Wandler als Abwärtswandler betrieben wird, dass also am ersten Klemmenpaar eine höhere Spannung von beispielsweise 42V anliegt und am zweiten Klemmenpaar eine niedere Spannung von beispielsweise 14V abgegriffen werden können soll, wird nur der erste Sensefeldeffekttransistor in Drain-Source-Richtung vom Strom durchflossen, so dass für eine genaue Messung nur dessen Sensestrom dem Tiefpass zugeführt werden soll.
Aus diesem Grund sind die Schalter S1 und S2 vorgesehen, die alternativ entweder den Sensestrom des ersten Sense-Feldeffekttransistors T1 oder des zweiten Sense-Feldeffekttransistors T2 auf den Tiefpass R3, R4, C3 geben. Die Schalter S1, S2 werden dabei von einer Stromrichtungsdetektionsschaltung SRDS betätigt, die ihrerseits von den Ausgangssignalen zweier Komparatoren K1, K2 angesteuert wird, deren Referenzeingänge mit einer Referenzspannung von der Stromrichtungsdetektionsschaltung SRDS beaufschlagt werden und deren Signaleingänge mit den Spannungen an den Widerständen R1 und R2 beaufschlagt werden. Hierdurch ist sichergestellt, dass nur der Komparator K1 oder K2 durchschaltet, an dessen Eingang eine positive Spannung anliegt, was bedeutet, dass der zugehörige Sense-Feldeffekttransitor T1 oder T2 in Drain-Source-Richtung vom Strom durchflossen wird.
Im Falle, dass der DC-DC-Wandler als Aufwärtswandler betrieben wird, dass also an seinem zweiten Klemmenpaar 2, 2' ein niedere Spannung angelegt wird und an seinem ersten Klemmenpaar 1, 1' eine höhere Spannung abgegriffen werden kann, kann es Betriebsfälle geben, in denen der Strom durch die Spule L1 seine Richtung ändert, also unterschiedliche Vorzeichen hat. Das bedeutet, dass beide Sense-Feldeffekttransistoren in Teilbereichen des Stromprofiles in Drain-Source-Richtung vom Spulenstrom durchflossen werden, die Spule dabei jedoch in unterschiedlicher Richtung. Um die entsprechenden Stromanteile vorzeichenrichtig im Tiefpass R3, R4, C3 zu mitteln ist dem Schalter S2 ein Invertierverstärker INV vorgeschaltet, der die Spannung am Widerstand R2 invertiert an den Tiefpass weitergibt.
Zur Regelung der Ausgangsspannung werden die Sense-Feldeffekttransistoren T1, T2 durch pulsweitenmodulierte Signale abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Diese Signale werden von einer Stromregelschaltung SRS erzeugt und den Gateanschlüssen der Sense-Feldeffekttransistoren T1, T2 zugeführt. Die Stromregelschaltung SRS wird zur Ermittlung der richtigen Pulsweite von den Spannungen an den Widerständen R1 und R2, die den Strömen durch die Sense-Feldeffekttransistoren T1, T2 proportional sind und von einer aus dem im Tiefpass R3, R4, C3 ermittelten Strommittelwert gewonnenen Steuerspannung angesteuert. Die Spannungen an den Widerständen R1 und R2 werden dabei an die Signaleingänge von Komparatoren K3, K4 gelegt. Die Referenzeingänge der Komparatoren K3, K4 werden mit der Steuerspannung beaufschlagt. Dies ist in der Literatur als Peak Current Mode bekannt.
Die Steuerspannung wird aus der Spannung am Tiefpass R3, R4, C3 mittels einer Schaltung gewonnen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Mikrocontroller und einem D/A-Wandler gebildet ist. Es ist jedoch auch möglich, diese Schaltung in dem Fachmann geläufiger, rein analoger Schaltungstechnik aufzubauen.
Der beschriebene erfindungsgemäße DC-DC-Wandler kann in beiden Richtungen sowohl als Abwärts- als auch als Aufwärtswandler betrieben werden, wobei je nach Betriebsart die für die Regelung erforderlichen Signale automatisch ausgewählt werden.

Claims

DC-DC-Wandler, bei dem zwischen einem ersten Klemmenpaar (1, 1') ein erster Kondensator (C1) und parallel dazu die Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten steuerbaren Schalter (T1, T2) und bei dem parallel zum zweiten steuerbaren Schalter (T2) die Serienschaltung aus einer Spule (L1) und einem zweiten Kondensator (C2) angeordnet ist, wobei die Anschlüsse des zweiten Kondensators (C2) ein zweites Klemmenpaar (2, 2') bilden, bei dem ferner eine Regelschaltung (RS) vorgesehen ist, die die steuerbaren Schalter (T1, T2) abhängig von der Stärke und der Richtung des Stroms durch die Spule (L1) derart ansteuert, dass die Ausgangsspannung des Wandlers einen konstanten Wert annimmt und entweder die Spannung am ersten Klemmenpaar (1, 1') oder die Spannung am zweiten Klemmenpaar (2, 2') ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden steuerbaren Schalter Sense-Feldeffekttransistoren (T1, T2) sind, denen je eine Stromdetektionsschaltung (SDS1, SDS2) zugeordnet ist, welchen eine Stromrichtungsdetektionsschaltung (SRDS) nachgeschaltet ist, mittels der der Strom desjenigen Feldeffekttransistors (T1 oder T2) der in Drain-Source-Richtung vom Strom durchgeflossen wird, zur Auswertung in der Regelschaltung (RS) ausgewählt wird.