DE3534580A1 - Schaltspannungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schaltspannungsregler zur Bereitstellung einer von einer Eingangsgleichspannung abgeleiteten stabilisierten und geregelten Ausgangsspannung, der ein in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert der Ausgangsspannung in seinem Tastverhältnis durch eine entspechende, vorzugsweise in­ tegrierte Regler- und Steueranordnung veränderbares Halb­ leiterschaltelement in Form eines Feldeffekt-Transistors aufweist, über das in Verbindung mit einer Diode und einer Induktanz ein Speicherelement (Ladekondensator), durch das die Ausgangsspannung für die Versorgung eines nachge­ schalteten Lastkreises zur Verfügung steht, gespeist wird.

Für Schaltspannungsregler sind unterschiedliche prinzipielle Ausführungsformen bekannt. Über die Veränderungen des Tastverhältnisses, d. h. des Verhältnisses zwischen der Einschaltzeit und der Sperrzeit des verwendeten Schalt­ transistors erfolgt in Verbindung mit der Induktanz, einer Diode geeigneter Polung und einem Ladekondensator die Regelung der Ausgangsspannung. Diese Induktanz kann eine Speicherdrossel oder auch die Primär- bzw. Sekundär- Induktivität eines geeigneten Transformators darstellen. Bei einer Variante mit konstanter Einschaltzeit bzw. mit konstanter Ausschaltzeit wird das Tastverhältnis in Abhän­ gigkeit von der Soll-Istwertabweichung der Ausgangsspan­ nung durch Veränderung der Frequenz der Ansteuerimpuls­ folge für den Schalttransistor bestimmt. Ist eine feste Frequenz für diese Ansteuerimpulsfolge vorgegeben, so kann das Tastverhältnis über eine Pulsbreitenmodulation verän­ dert werden. Die notwendige Regler- und Steueranordnung enthält also in einem solchen Fall neben einem Oszillator einen Pulsbreitenmodulator.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, den durch den Einsatz eines Feldeffekt-Transistors gegebenen Verhältnissen auf schaltungstechnisch einfache Art Rechnung zu tragen.

Dies wird dadurch erreicht, daß der jeweilige Ist-Wert durch den diesen Wert proportionalen Ausgangsspannungswert eines als Differenzverstärker beschalteten Operationsver­ stärkers gebildet ist, der über seinen einen Eingang mit dem Potential des ersten Ausgangsspannungsanschlußpunktes und über seinen andereren Eingang mit dem Potential des zwei­ ten Ausgangsspannungsanschlußpunktes gekoppelt ist.

Durch die Anwendung des Differenzverstärkers erhält man bei geeigneter Wahl der Anschlußpunkte und der Widerstands­ werte der für die äußere Beschaltung verwendeten Widerstän­ de von seinem Ausgang einen Spannungswert, der als Ist-Wert der Regler- und Steueranordnung unmittelbar zugeführt wer­ den kann. Durch den Differenzverstärker wird nämlich der jeweilige Ist-Wert der bestehenden Ausgangsspannung auf einen durch die Regler- und Steueranordnung unmittelbar zu verarbeitenden Spannungswert und gleichzeitig auf das für diese Anordnung maßgebende Bezugspotential gebracht.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Feld­ effekt-Transistor durch eine in MOS-Technologie integrier­ te und die Parallelschaltung einer Mehrzahl solcher Tran­ sistoren enthaltende Transistoranordnung mit extrem nie­ drigem Kanalwiderstand (Power-MOS-FET) gebildet ist. Es ergibt sich damit eine Ausführungsform, die höhere Strom­ werte zuläßt, ohne daß dabei Probleme bezüglich der Wärme­ entwicklung entstehen. Der geringe Verlust infolge des niedrigen Durchlaßwiderstandes vereinfacht den für die Kühlung notwendigen Aufwand.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung liegt die mit dem zweiten Ausgangsspannungsanschlußpunkt verbundene Induktanz mit der Schaltstrecke des Transistors in Reihe. Die An­ kopplung des invertierenden Eingangs des als Differenz­ verstärker beschalteten Operationsverstärkers an den ge­ nannten zweiten Ausgangsspannungspunkt erfolgt über einen Widerstand, wobei zwischen diesem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers ein Rückkopplungswiderstand angeordnet ist. Der nicht invertierende Eingang ist mit dem Teiler­ punkt einer zwischen dem genannten ersten Ausgangsspan­ nungs-Anschlußpunkt und dem induktanzfernen Anschlußpunkt der Transistorschaltstrecke liegenden Widerstandsteiler­ schaltung verbunden. Die zwischen der mit dem Transistor verbundenen Anschluß der Induktanz und dem ersten Aus­ gangsspannungs-Anschlußpunkt liegende Diode ist derart gepolt, daß sie durch die beim Übergang vom leitenden in den gesperrten Schaltzustand des Transistors induzierten Spannung in Durchlaßrichtung beaufschlag wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Patentansprüchen zu entnehmen.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung beschrieben, das nur die für das Ver­ ständnis erforderlichen Einzelheiten enthält.

Als Ausführungsbeispiel ist ein nach dem Durchflußwandler- Prinzip arbeitender Schaltspannungsregler gezeigt, der die Eingangsgleichspannung Ue in die am Ladekondensator C als Versorgungsspannung für einen Lastkreis LK abnehmbare Aus­ gangsspannung Ua umwandelt. Die Eingangsgleichspannung kann beispielsweise durch eine in üblicher Weise gleichge­ richtete und gesiebte Wechselspannung gebildet sein. Der Schalttransistor, der die Gleichspannung zerhackt, ist ein sogenannter Power-MOS-Transistor, der einen extrem niedri­ gen Kanalwiderstand aufweist. Ein solcher Transistor ent­ steht durch die Parallelschaltung einer Vielzahl von FET- MOS-Einheiten. Bei einem solchen Transistor handelt es sich um einen spannungsgesteuerten Schalter, wobei unter der Voraussetzung eines n-Substrats zur Durchschaltung die Steuerspannung am Gate G positiv gegenüber der Spannung an Source S sein muß. Der Power-MOS-Transistor TI, dessen Source-Anschluß S mit dem negativen Pol der Eingangsgleich­ spannung verbunden ist, stellt einen Transistor des ge­ nannten Typs dar. In Reihe zu der Schaltstrecke S-D liegt als Induktanz die Drosselspule L. Die nicht mit ihr ver­ bundene Belegung des Ladekondensators C ist mit dem po­ sitiven Pol der Eingangsspannung und mit einer Diode D 1 verbunden, die weiterhin an den transistornahen Anschluß­ punkt der Drosselspule L angeschaltet ist. Der Power-MOS- Transistor SI wird durch eine als integrierte Einheit RS vorhandene Regler- und Steueranordnung durch die von ihr am Ausgang Ar gelieferten impulsbreitenmodulierten Impul­ se einer Taktimpulsfolge konstanter Frequenz angesteuert. Die Einheit RS enthält also u. a. einen Oszillator und einem Pulsbreitenmodulator, durch den in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem jeweiligen Ist-Wert der Aus­ gangsspannung und einem vorgegebenen Sollwert das Tast­ verhältnis, d. h. also das Zeitverhältnis zwischen Durch­ lassen und Sperren festgelegt wird. Die impulsbreitenmo­ dulierten Ansteuerimpulse, deren Taktfrequenz beispiels­ weise zwischen 20 kHz und 50 kHz liegt, werden dem Steuer­ eingang G des Transistors SI zugeführt. Um die Differenz zwischen Istwert- und Sollwert in Impulsbreitensteuerung umzusetzen, kann als Sollwert eine der Einheit RS zuge­ hörige stabilisierte Spannungsquelle herangezogen werden. Damit der Wert dieser Referenzspannung größenordnungsmä­ ßig mit dem Wert der über den Differenzverstärker gewon­ nenen Ist-Spannung übereinstimmt muß gegebenenfalls eine entsprechende Anpassung vorgenommen werden. Dies kann bei­ spielsweise durch einen aus den Widerständen R 1 und R 2 ge­ bildeten externen Spannungsteiler erfolgen. Als Versor­ gungsspannung für die z. B. in monolithischer Ausführung angebotene Regler- und Steueranordnung RS kann in den Fällen, in denen die Eingangsspannung Ue nicht die für den Baustein zulässige Spannung überschreitet, unmittelbar die Eingangsspannung Ue verwendet werden. Sollte die Ein­ gangsspannung diesen zulässigen Wert überschreiten, so muß, wie dies in der Figur durch den Widerstand R 3 und die Zenerdiode D 2 angedeutet ist, der Spannungwert ent­ sprechend herabgesetzt werden. Diese Spannung wird auch als Versorgungsspannung für den Operationsverstärker OP verwendet.

In dem Prinzipschaltbild nach der Figur ist als Bezugs­ punkt für die Spannungen der negative Pol der zu regeln­ den Eingangsgleichspannung gewählt. Bei dem im Prinzip­ schaltbild gezeigten Schaltregler ohne Potentialtrennung fließt während der Durchlaßzeit des Schalttransistors SI ein linear ansteigender Strom durch die Induktanz L. Die Spannung am nachgeschalteten Ladekondensator C wird auf einen konstanten Wert geregelt, indem der Strom durch die Induktanz je nach Breite des Öffnungsimpulses des Schalt­ transistors mehr oder weniger ansteigen kann. Während der Sperrzeit des Schalttransistors baut die Induktanz die in ihr gespeicherte Energie durch einen linear abfallenden Strom ab, der über die Rücklaufdiode D 1 fließt.

Durch den mittels der Widerstände R 4 bis R 7 als Differenz­ verstärker beschalteten Operationsverstärker OP wird aus­ gangsseitig eine der Ladespannung Ua proportionale Span­ nung geliefert. Diese wird als Ist-Spannung Ui dem hier­ für vorgesehenen Eingang des Regler- und Steuerbausteins RS zugeführt. Bedingt durch den Leitmechanismus des Power- MOS-FET ist das am Ausgangspannungs-Anschlußpunkt A 2 ent­ stehende Potential nicht eindeutig hinsichtlich des Bezugs­ punktes definiert. Durch den Einsatz des Differenzverstär­ kers wird es ermöglicht, die Ist-Spannung auf denjenigen Bezugspunkt zurückzuführen, auf den sich die für die Reg­ ler- und Steueranordnung maßgebenden Spannungen beziehen. Dies ist beispielsweise der mit dem negativen Pol der Eingangsspannung übereinstimmende Bezugspunkt BP, mit dem im Ausführungsbeispiel auch der Masseanschluß des Bau­ steins RS verbunden ist. Vermittels des Differenzverstär­ kers wird weiterhin die der Ausgangsspannung Ua propor­ tionale und dem Ist-Spannungseingang des Bausteins RS zu­ geführte Spannung Ui auf einen durch diesen Baustein un­ mittelbar zu verarbeitenden Spannungswert von beispiels­ weise 2,5 V gebracht. Der Referenzspannungswert Ur ist die­ sen Spannungswert angepaßt. Die durch den Differenzver­ stärker zu bewertenden Potentiale an den Ausgangsspannungs- Anschlußpunkten A 1 und A 2 werden dem jeweiligen Eingang E 1 bzw. E 2 über eine Spannungsteileranordnung bzw. einen Eingangswiderstand zugeführt. Der nicht invertierende Ein­ gang E 1 wird mit der am Teilerpunkt T 2 eines aus den Wi­ derständen R 4 und R 5 gebildeten Teilers entstehenden Span­ ung beaufschlagt. Dieser Spannungsteiler liegt zwischen dem Ausgangsspannungs-Anschlußpunkt A 1 und dem für die Einheit RS gewählten und mit dem negativen Pol der Ein­ gangsgleichspannung übereinstimmenden Bezugspunkt BP. Das Potential des Ausgangsspannungs-Anschlußpunktes A 2 wird über den Widerstand R 6 dem invertierenden Eingang E 2 zu­ geführt. Zwischen diesem Eingang und dem Ausgang des Differenzverstärkers liegt der Rückkopplungswiderstand R 7. Die Widerstandswerte für die genannten Widerstände sind so gewählt, daß die Widerstände R 4 und R 6 bzw. die Wider­ stände R 5 und R 7 wertemäßig übereinstimmen.

Claims (6)

1. Schaltspannungsregler zur Bereitstellung einer von einer Eingangsgleichspannung abgeleiteten stabilisierten und geregelten Ausgangsspannung, der ein in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert der Ausgangsspannung in seinem Tastverhältnis durch eine ent­ sprechende, vorzugsweise integrierte Regler- und Steuer­ anordnung veränderbares Halbleiterschaltelement in Form eines Feldeffekt-Transistors aufweist, über das in Ver­ bindung mit einer Diode und einer Induktanz ein Speicher­ element (Ladekondensator), durch das die Ausgangsspannung für die Versorgung eines nachgeschalteten Lastkreises zur Verfügung steht, nachgespeist wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der jeweilige Istwert durch den diesem Wert proportionalen Ausgangsspannungswert eines als Differenzverstärker beschalteten Operationsverstär­ kers (OP) gebildet ist, der über seinen einen Eingang (E 1) mit dem Potential des ersten Ausgangsspannungs-Anschluß­ punktes (A 1) und über seinen anderen Eingang (E 2) mit dem Potential des zweiten Ausgangsspannungs-Anschlußpunktes (A 2) gekoppelt ist.

2. Schaltspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransi­ stor durch eine in MOS-Technologie integrierte und die Pa­ rallelschaltung einer Mehrzahl solcher Transistoren ent­ haltenden Transistoranordnung mit extrem niedrigem Kanal­ widerstand (Power-MOS-FET) gebildet ist.

3. Schaltspannungsregler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem zweiten Ausgangsspannungsanschluß (A 2) ver­ bundene Induktanz (L) mit der Schaltstrecke (S-D) des Schalttransistors (SI) in Reihe liegt, daß die Ankopplung des invertierenden Eingangs (E 2) des als Differenzver­ stärker beschalteten Operationsverstärkers (OP) an den genannten zweiten Ausgangsspannungs-Anschlußpunkt (A 2) über einen Widerstand (R 6) erfolgt, wobei zwischen die­ sen invertierenden Eingang und dem Ausgang ein Rückkopp­ lungswiderstand (R 7) angeordnet ist, daß der nichtinver­ tierende Eingang (E 1) mit dem Teilerpunkt (T) einer zwi­ schen dem genannten ersten Ausgangsspannungs-Anschluß­ punkt (A 1) und dem induktanzfernen Anschlußpunkt der Transistorstrecke (S-D) liegende Widerstandsteilerschal­ tung (R 4, R 5) verbunden ist.

4. Schaltspannungsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den mit dem Schalttransistor (SI) verbundenen Anschluß der Induk­ tanz (L) und den ersten Ausgangsspannungs-Anschlußpunkt (A) liegenden Diode (D 1) derart gepolt ist, daß die durch die beim Übergang vom leitenden in den gesperrten Schaltzu­ stand des Schalttransistors (SI) induzierte Spannung in Durchlaßrichtung beaufschlagt wird.

5. Schaltspannungsregler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Pol (+) der Eingangsspannung (Ue) mit dem ersten Ausgangspan­ nungs-Anschlußpunkt (A 1) und der negative Pol (-) mit dem induktanzfernen Anschlußpunkt (Source S) der Transistor­ schaltstrecke (S-D) verbunden ist.

6. Schaltspannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regleranordnung (RS) der der Ausgangsspannungs­ wert des als Differenzverstärker beschalteten Operations­ verstärkers (OP) als Ist-Spannungswert zugeführt wird, die Ansteuerung (G) des Schalttransistors (SI) durch impuls­ breitengeregelte Taktimpulse bewirkt.