DE19805545A1 - Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers insbesondere eines Verstärkers in einem Funkgerät, das in Zeitschlitzen überträgt.

Pulsförmig betriebene Verbraucher stellen im allgemeinen hohe Anforderungen an die Spannungsversorgung. Ein typisches Bei­ spiel für einen solchen pulsförmig betriebenen Verbraucher ist die Hochfrequenzendstufe eines GSM-(Global System for Mo­ bile Communication) Mobilfunkendgerätes. Die Hochfrequenzend­ stufe wird nur in einem Achtel der Zeit eingeschaltet, hat in diesem Achtel der Zeit aber einen erheblichen Leistungsbe­ darf. Dies führt im allgemeinen zu einem Einbruch in der Ver­ sorgungsspannung, der eventuell sogar die Funktion des Mobil­ funkendgerätes beeinträchtigen kann.

Das bekannte Grundprinzip einer Spannungsversorgung für puls­ förmig betriebene Verbraucher ist in Fig. 6 dargestellt. Die Spannungsversorgungsschaltung von Fig. 6 enthält im wesent­ lichen eine Gleichspannungsquelle oder Batterie, die eine Ausgangsspannung VB liefert, und einen parallel zu der Gleichspannungsquelle geschalteten Ladekondensator CL. Der Ladekondensator CL wird im ausgeschalteten Zustand des Ver­ brauchers V von der Batterie in dem hier gezeigten Beispiel über einen Schaltregler SR aufgeladen, der die Spannung der Gleichspannungsquelle auf eine für den Verbraucher V geeigne­ te Versorgungsspannung z. B. von 3 Volt auf 6 Volt hochregelt, so daß an dem Verbraucher V eine höhere Versorgungsspannung anliegt. Als Beispiel für einen Verbraucher V ist in Fig. 6 ein gepulster Leistungsverstärker als Hochfrequenzendstufe eines Mobilfunkendgerätes dargestellt, wobei die Spannungs­ versorgungsschaltung natürlich für beliebig andere gepulste Verbraucher verwendet werden kann. Der Ladekondensator CL dient als Puffer für die von der Gleichspannungsquelle bzw. dem Schaltregler SR gelieferte Versorgungsspannung und ent­ lädt sich bei eingeschaltetem Verbraucher V eben über diesen Verbraucher V.

Eine gängige Methode zur Vermeidung eines Spannungseinbruchs ist die Verwendung eines Ladekondensators CL mit einer hohen Kapazität der diesen Einbruch der Versorgungsspannung abpuf­ fert. Ein Nachteil dieser Methode ist der je nach angeschlos­ sener Last bzw. angeschlossenem Verbraucher V erhebliche Platzbedarf für den großen Ladekondensator CL. So zieht bei­ spielsweise eine übliche Mobilfunk-Hochfrequenzendstufe V während des 577 µs langen Sendepulses bei einer Versorgungs­ spannung von 6 Volt einen Strom von 1,2 Ampere. Soll in die­ sem Fall höchstens ein Spannungseinbruch von 200 mV zulässig sein so wäre nach dem üblichen Konzept ein Ladekondensator mit einer Kapazität von 3460 µF erforderlich. Selbst unter der Annahme daß der Schaltregler SR während des Sendepulses der Mobilfunk-Hochfrequenzendstufe V die Hälfte der erforderli­ chen Endstufenleistung liefert, ergibt es immer noch einen hohen Kapazitätswert von 1730 µF.

Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Vermeidung des oben er­ läuterten Spannungseinbruches besteht in der Verwendung einer sehr stark ausgelegten Spannungsquelle. Diese Maßnahme erhöht allerdings sowohl den Raumbedarf als auch die Kosten einer solchen Versorgungsschaltung und führt außerdem zu einer starken Impulsbelastung der Batterie, was in der Regel eben­ falls unerwünscht ist.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel einer gängigen Methode zur Vermeidung des Spannungseinbruchs. Die Versorgungsspan­ nung wird in diesem Fall durch einen sogenannten Längsregler LR oder linearen Regler geglättet, der zwischen dem Verbrau­ cher V und dem Ladekondensator CL geschaltet ist. Der Längs­ regler LR regelt die von dem Schaltregler SR hochgeregelte Versorgungsspannung auf eine niedrigere Ausgangsspannung der Schaltung herunter, die von dem Längsregler LR auch bei ein­ geschaltetem Verbraucher V gehalten werden kann, d. h. nicht einbricht. Die Ausgangsspannung liegt somit im allgemeinen unterhalb des Pegels der Einbrüche der Versorgungsspannung. Diese Maßnahme ist für große Lasten V ungünstig, da der Längsregler LR den Wirkungsgrad der Versorgungsschaltung stark mindert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Schal­ tungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig be­ triebenen Verbrauchers anzugeben, mit der auf einfache, ko­ stengünstige und raumsparende Art ein pulsförmig betriebener Verbraucher zuverlässig mit der geeigneten Spannung versorgt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Span­ nungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers mit Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfin­ dung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, daß bei einge­ schaltetem Verbraucher ein Spannungseinbruch dadurch verhin­ dert wird, daß ein Schalterelement derart geregelt wird, daß die über einem Ladekondensator und einem Hilfskondensator ab­ fallende Spannung der Betriebsspannung des pulsförmig betrie­ benen Verbrauchers entspricht, wohingegen bei ausgeschaltetem Verbraucher der Ladekondensator aufgeladen wird.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Glättung der von der Schaltungsanordnung ausgegebenen Spannung parallel zum Verbraucher eine Kapazität geschaltet.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz in Funkge­ räten wie Mobilfunkendgeräten, die Daten in einem Zeit­ schlitzverfahren übertragen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele näher beschrieben.

Zur Erläuterung der Ausführungsformen dienen die nachstehend aufgelisteten Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbil­ des für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den Fall eines ausgeschalteten Verbrauchers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbil­ des für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den Fall eines eingeschalteten Verbrauchers,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf verschiedener Stromstärken in­ nerhalb der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit vom Taktsi­ gnal der Schaltregelsteuerung,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung in Ab­ hängigkeit vom Takt des pulsförmig betriebenen Verbrauchers,

Fig. 6 bekanntes Grundprinzip einer Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers (Starid der Technik),

Fig. 7 ein weiteres bekanntes Grundprinzip zur Spannungsver­ sorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers (Stand der Technik),

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversor­ gung eines gepulsten Verbrauchers V, die folgende Elemente enthält:

• - Eine eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle ver­ bindbare Induktivität L die ausgangsseitig mit dem Eingang eines ersten Schaltungsteilelementes verbindbar ist,
• - ein erstes ausgangsseitig mit dem Eingang eines zweiten Schaltungsteilelementes verbindbares Schaltungsteilelement, das eine Reihenschaltung einer Diode D und einer ersten Ka­ pazität CL und ein parallel zu dieser Reihenschaltung ge­ schaltetes erstes Schaltungselement S1 enthält, wobei die Diode D so zwischen Induktivität L und erster Kapazität CL geschaltet ist, daß sie in Richtung der Entladung der Gleichspannungsquelle durchlässig ist, und
• - ein zweites Schaltungsteilelement das eine zweite Kapazität CH und ein parallel dazu geschaltetes zweites Schalterele­ ment S2 enthält, wobei das erste Schalterelement S1 so ge­ steuert wird, daß die Spannung, die an einem Abgriffspunkt AP, der zwischen der Diode D und der ersten Kapazität CL liegt, abgreifbar ist im wesentlichen der dem Verbraucher V zuzuführenden Spannung entspricht, und das zweite Schalte­ relement S2 so gesteuert ist, daß es bei ausgeschaltetem Verbraucher V geschlossen ist und bei eingeschaltetem Ver­ braucher V geöffnet ist.

Parallel zu dem Verbraucher V kann noch eine dritte Kapazität CG geschaltet werden, die zur Glättung der dem Verbraucher zuzuführenden Spannung dient.

Ein pulsförmig betriebener Verbraucher V, beispielsweise eine Sendeendstufe eines Mobilfunkendgerätes, das in Zeitschlitzen sendet, ist dabei ein Verbraucher, der in bestimmten Zeiträu­ men eingeschaltet und in anderen Zeiträumen ausgeschaltet oder in bestimmten Zeiträumen aktiv und in den anderen Zeit­ räumen passiv ist oder in bestimmten Zeiträumen mehr Leistung und in den anderen Zeiträumen weniger Leistung benötigt. Die­ se unterschiedlichen Zeiträume können auch in der Form eines Verbrauchertaktes VT beschrieben werden. Dieser Verbraucher­ takt VT kann über eine Steuerleitung einem zweiten Schaltere­ lement S2 zugeführt werden. In Abhängigkeit von diesem Ver­ brauchertakt VT wird dieses durch einen Schalter realisierte Schalterelement S2 derart gesteuert, daß es bei ausgeschalte­ tem Verbraucher V geschlossen ist und bei eingeschaltetem Verbraucher V geöffnet ist.

Für den Fall, daß der Verbraucher V ausgeschaltet ist, also das Schalterelement S2 geschlossen ist, zeigt Fig. 2 ein entsprechendes Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung.

Durch abwechselndes Öffnen und Schließen des Schalterelemen­ tes S1 kann der Ladekondensator CL durch eine Gleichspan­ nungsquelle mit der Ausgangsspannung VB auf eine höhere Span­ nung VL aufgeladen werden. Diese Spannung VL wird am Ab­ griffspunkt AP erstens vom Verbraucher V abgegriffen und zweitens über eine Spannungsrückkopplungsleitung zu einer Steuereinrichtung SC übermittelt. Bei ausgeschaltetem Ver­ braucher V funktioniert die Schaltung also als Aufwärtswand­ ler.

Die Steuereinrichtung SC gibt Steuersignale zum Öffnen und Schließen des ersten Schalterelementes S1 in Abhängigkeit von der ihr über die Spannungsrückkopplungsleitung zugeführten Spannung VL aus, so daß die Spannung VL einer Betriebsspan­ nung VA des Verbrauchers, also einer dem Verbraucher zuzufüh­ renden Spannung entspricht.

Dabei sind unterschiedliche Realisierungsvarianten der Steu­ ereinrichtung SC möglich. So kann der dem ersten Schalterele­ ment S1 zugeführte Schalttakt ST ein- und ausgeschaltet wer­ den oder gegebenenfalls auch in der Frequenz variiert werden und/oder das Tastverhältnis variiert werden. Bei der Steuer­ einrichtung SC kann es sich beispielsweise um einen Schaltreglercontroler handeln.

Fig. 3 zeigt nun ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für den Fall, daß der Verbraucher ange­ schaltet ist, d. h. das Schalterelement S2 geöffnet ist.

Wie in Fig. 5 gezeigt, fällt dabei allmählich die Spannung VL des Ladekondensators CL ab. Allerdings wird nun der Hilfs­ kondensator CH entsprechend dem Abfall der Spannung VL über das erste Schalterelement S1 so aufgeladen, daß die über dem Hilfskondensator CH anliegende Spannung VH den Spannungsab­ fall über dem Ladekondensator CL stets kompensiert. Zu diesem Zweck wird wieder das Schalterelement S1 über die Steuerein­ richtung SC so geregelt, daß die über den Ladekondensator CL und den Hilfskondensator CH abfallende Gesamtspannung VL+VH der dem Verbraucher zuzuführenden Betriebsspannung VA ent­ spricht. Der Hilfskondensator CH besitzt vorteilhafterweise eine relativ kleine Kapazität.

Fig. 4 zeigt die entsprechenden Stromflüsse der Schaltungs­ anordnung von Fig. 3 in Abhängigkeit des Schalttaktes ST. Dabei entspricht der Ausgangsstrom (Vebraucherstrom) IA dem Spulenstrom (Batteriestrom) IL, I1 dem Strom durch die Diode D und 12 den Ladestrom für den Hilfskondensator CH. Die Ein­ gangsleistung ist geringer als die Verbraucherleistung, die Leistungsdifferenz wird durch die Entladung des Ladekondensa­ tors CL gedeckt.

Die Steuerung des Schalterelementes S1 bewirkt, daß die Span­ nung VB über dem Hilfskondensator CH so nachgeführt wird, daß die Versorgungsspannung VA für den Verbraucher konstant bleibt. So kann erreicht werden, daß trotz der allmählichen Entladung des Ladekondensators CL die Versorgungsspannung VA = VL+VH während der Einschaltdauer des Verbrauchers gleich bleibt. Damit kann der Ladekondensator CL durch seine Entla­ dung einen wesentlichen Energiebeitrag für den Verbraucher liefern, ohne daß sehr hohe Kapazitätswerte notwendig wären.

Die Schaltungsanordnung kann dabei ganz oder teilweise inner­ halb eines Halbleiterbauelementes realisiert werden. Teile der Schaltungsanordnung können dabei durch einen Schaltregler gebildet sein. Die Kapazitäten können durch Kondensatoren, die Induktivität durch eine Spule und die Schalterelemente durch Transistoren gebildet sein.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsför­ mig betriebenen Verbrauchers (V), die folgende Elemente ent­ hält:

• - eine eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle ver­ bindbare Induktivität (L), die ausgangsseitig mit dem Eingang eines ersten Schaltungsteilelementes verbindbar ist,
• - ein erstes ausgangsseitig mit dem Eingang eines zweiten Schaltungsteilelementes verbindbares Schaltungsteilelement, das eine Reihenschaltung einer Diode (D) und einer ersten Ka­ pazität (CL) und ein parallel zu dieser Reihenschaltung ge­ schaltetes erstes Schalterelement (S1) enthält, wobei die Di­ ode (D) so zwischen Induktivität (L) und erster Kapazität (CL) geschaltet ist, daß sie in Richtung der Entladung der Gleichspannungsquelle durchlässig ist, und
• - ein zweites Schaltungsteilelement, das eine zweite Kapazi­ tät (CH) und ein parallel dazu geschaltetes zweites Schalte­ relement (S2) enthält, wobei
  das erste Schalterelement (S1) so gesteuert wird, daß die Spannung, die an einem Abgriffspunkt (AP), der zwischen der Diode (D) und der ersten Kapazität (CL) liegt, abgreifbar ist und im wesentlichen der dem Verbraucher (V) zuzuführenden Spannung entspricht, und
  das zweite Schalterelement (S2) so gesteuert ist, daß es bei ausgeschaltetem Verbraucher (V) geschlossen ist und bei ein­ geschaltetem Verbraucher (V) geöffnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der dem zweiten Schalterelement (S2) der Verbrauchertakt (VT) zu­ geführt wird.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der zur Glättung der Spannung parallel zum Verbraucher (V) eine dritte Kapazität (CG) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der die Steuerung des ersten Schalterelementes (S1) durch eine Steuereinrichtung (SC) erfolgt, an deren Eingang eine im We­ sentlichen der dem Verbraucher (V) zuzuführenden Spannung entsprechende Spannung anliegt, und an deren Ausgang in Ab­ hängigkeit von dieser Spannung Steuersignale zum Öffnen und Schließen des ersten Schalterelementes (S1) ausgegeben wer­ den.

5. Funkgerät mit einem pulsförmig betriebenem Verstärker (V), dem mittels ei­ ner Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 die Energie einer Gleichspannungsquelle zugeführt wird.