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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Netzteile, und spezifischer
auf Schaltnetzteile.
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Hintergrundinformation
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Bei
vielen Anwendungen von Elektronikvorrichtungen, insbesondere dem
Markt für
die autonomen Adapter/Ladegeräte,
wird eine ungefähr
konstante Spannungs-/Stromausgangskennlinie gefordert. Bekannte
Schaltnetzteilschaltungen, die eine konstante Ausgangsstrom- und
Ausgangsspannungskennlinie bereitstellen, benutzen Schaltungen auf
der Sekundärseite
(oder Ausgangsseite) des Netzteils, die die Ausgangsspannung und
den Ausgangsstrom messen und ein Feedbacksignal erzeugen. Das Feedbacksignal
wird typisch an einen Reglerkreis auf der Primärseite des Netzteils durch
eine Optokopplerkomponente übertragen.
Dieses Feedbacksignal wird dann benutzt, um das Schalten eines Primärschalters
zu steuern, um die geforderte Netzteilausgangskennlinie bereitzustellen.
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Die
spezifische Funktion, um einen konstanten Ausgangsstrom aufrechtzuerhalten,
wird normalerweise mit sekundären
Stromfühlwiderständen in Serie
mit der Ausgangslast erreicht, die ein Spannungssignal bereitstellt,
das proportional zum Strom ist, der durch die sekundären Stromfühlwiderstände fließt. Dieses
Spannungssignal wird dann benutzt, um ein Feedbacksignal bereitzustellen,
das seinerseits zur Steuerung des Leistungsschalters benutzt wird.
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Eine
andere Technik, einen ungefähr
konstanten Ausgangsstrom bereitzustellen, besteht darin, dass man
Information über
die Ausgangsspannung des Netzteils aus der Hilfswicklung des Netzteiltransformators
auf der Primärseite
des Netzteils ableitet. Diese Information wird dann benutzt, um
die Primärschalterstromgrenzschwelle
unabhängig
von dem für
den Primärregelkreis
erforderlichen Versorgungsstrom einzustellen.
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Es
wird auf
US 6,233,161 und
Leman, B.R. „Three-terminal
power IC cuts off-line flyback switcher size and cost" Power Conversion & Intelligent Motion,
Intertec Communications, Venture, CA, August 1995, Seiten 15–28, XP009005789,
ISSN 0885-0259, hingewiesen, wo bekannte Vorrichtungen gezeigt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
wird eine Reglerschaltung offenbart, die eine ungefähr konstante
Stromausgangskennlinie aufrechterhält. In einem anderen Aspekt
steuert eine offenbarte Reglerschaltung einen Schalter, der eine Stromgrenzschwelle
aufweist. Eine Versorgungsklemme und eine Feedbackklemme des Reglers
sind als Klemme zusammengeschaltet, so dass ein Shuntreglerstrom
der Klemmenstrom ist, der den Überschuss
an internem Verbrauch des internen Versorgungsstroms des Reglers
darstellt. Die Stromgrenzschwelle des Schalters wird in Abhängigkeit vom
Shuntreglerstrom geändert.
In einer Ausführungsform
liegt die Verbindung der Versorgungsklemme und des Feedbackklemme
außerhalb
des Reglers. In einer anderen Ausführungsform liegt die Verbindung
der Versorgungsklemme und der Feedbackklemme innerhalb des Reglers.
In einer Ausführungsform
wird die Stromgrenzschwelle des Schalters mit den zunehmenden Shuntreglerstrom
erhöht. In
einer anderen Ausführungsform
wird die Stromgrenzschwelle des Schalters mit dem zunehmenden Shuntreglerstrom
gesenkt. In einer Ausführungsform sind
der Schalter und der Regler auf einem monolithischen Chip integriert.
In einer Ausführungsform
ist der Schalter ein Metalloxidfeldeffekttransistor (MOSFET). In
einer anderen Ausführungsform
ist der Schalter ein bipolarer Transistor. In einer Ausführungsform
wird der Regler in einem Schaltnetzteil benutzt. In einer Ausführungsform
wird der Regler in einem Schaltnetzteil mit einer ungefähr konstanten Ausgangsspannungs-
und Ausgangsstromkennlinie benutzt.
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In
einem anderen Aspekt, steuert eine offenbarte Reglerschaltung einen
Schalter, der eine Stromgrenzschwelle hat. Ein Steuereingang der Reglerschaltung
nimmt einen Strom auf, der die Summe aus dem internen, von der Reglerschaltung verbrauchten
Versorgungsstrom und dem Feedbackstrom dargestellt. Die Stromgrenzschwelle
des Schalters wird als Funktion des Feedbackstroms geändert. In
einer Ausführungsform
wird die Stromgrenzschwelle des Schalters mit zunehmendem Feedbackstrom
gesenkt. In einer Ausführungsform sind
der Schalter und der Regler auf einem monolithischen Chip integriert..
In einer Ausführungsform
ist der Schalter ein MOSFET. In einer anderen Ausführungsform
ist der Schalter ein bipolarer Transistor. In einer Ausführungsform
wird der Regler in einem Schaltnetzteil benutzt. In einer Ausführungsform
wird der Regler in einem Schaltnetzteil mit einer ungefähr konstanten
Ausgangsspannungs- und Ausgangsstromkennlinie benutzt. Zusätzliche
Kennzeichen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher
aus der ausführlichen
Beschreibung und der angehängten
Figuren.
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Nach
der Erfindung wird ein Regler nach Patentanspruch 1 bereitgestellt.
Bevorzugte Kennzeichen werden nach den Ansprüchen 2 bis 9 bereitgestellt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht begrenzenden in
den angehängten
Zeichnungen dargestellt.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
eines Netzteils mit einer ungefähr
konstanten Ausgangsspannungs- und Ausgangsstromkennlinie nach den Lehren
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine andere Ausführungsform
eines Netzteils nach den Lehren der vorliegenden Erfindung, wobei
das Energietransferelement eine getrennte Feedback-/Vorspannungswindung
zur Erzeugung eines Steuerstroms für den Regler.
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3 zeigt
noch eine andere Ausführungsform
eines Netzteils mit einer ungefähr
konstanten Ausgangsspannungs- und Ausgangsstromkennlinie nach den
Lehren der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
der Transferfunktion einer Reglerschaltung in einem Schaltnetzteil
nach den Lehren der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
ein Blockschema einer Ausführungsform
der Reglerschaltung, wie es auf den 1, 2 und 3 nach
den Lehren der vorliegenden Erfindung zu sehen ist.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Netzteilreglerschaltung nach
den Lehren der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
ein Diagramm das die typischen Beziehungen zwischen dem Ausgangsstrom
und der Ausgangsspannung einer Ausführungsform des Netzteils nach
den Lehren der vorliegenden Erfindung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Es
werden Ausführungsformen
von Verfahren und Vorrichtungen, die eine ungefähr konstante Ausgangsstromkennlinie
mit einer Reglerschaltung aufrechterhalten, offenbart. In der folgenden
Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt,
um ein gründliches
Verständnis
der vorliegenden Erfindung zur Verfügung zu stellen. Der Fachmann
kennt jedoch die zur Ausführung
der vorliegenden Erfindung erforderlichen Einzelheiten. In anderen
Fällen
sind gut bekannte Materialien und Verfahren nicht in allen Einzelheiten
beschrieben worden, um eine OBSCURING der vorliegenden Erfindung
zu vermeiden.
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Die
Bezeichnung „eine
Ausführungsform" in dieser Beschreibung
bedeutet, dass ein besonderes Merkmal, eine besondere Struktur oder
ein besonders Kennzeichen in Verbindung mit der Ausführungsform
in mindestens eine Ausführungsform
der Erfindung eingeschlossen ist. So bezieht sich der Satz „in einer
Ausführungsform„ an verschieden
Orten dieser Beschreibung nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform.
Außerdem
können
besondere Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen auf jede beliebige
Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
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Verschiedene
Ausführungsformen
nach den Lehren der vorliegenden Erfindung richten sich auf Netzteilregler
die ungefähr
konstante Spannungs- und Stromausgangskennlinien bereitstellen,
ohne ein sekundäres
Feedback von der Quelle wie einen Optokoppler zu brauchen. Wie gezeigt
werden wird, umfassen die Ausführungsformen
Verfahren zur Einstellung des Einschaltverhältnisses und der Stromgrenze
des Leistungsschalters als Funktion des Steuerstroms um diese ungefähr konstanten
Spannungs- und Stromausgangskennlinien aufrechtzuerhalten. Außerdem umfassen
die Ausführungsformen
nach den Lehren der vorliegenden Erfindung eine Reglerschaltung
die die Feedbackinformation auf der Netzteilausgangsspannung von
einem Steuerstrom ableitet der beides, den Feedbackstrom und den
internen Versorgungsstrom für
die Reglerschaltung, kombiniert.
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In
einer Ausführungsform
umfasst ein Verfahren nach den Lehren der vorliegenden Erfindung zur
Erzeugung einer ungefähr
konstanten Spannungs- und Stromausgangskennlinie die Einstellung der
Stromgrenzschwelle und des Einschaltverhältnisses eines Leistungsschalters
als Funktion des Steuerstroms den der Regler aufnimmt. Das Niveau
des Steuerstroms bestimmt die Funktionsart des Reglers. Bei niedrigeren
Steuerstromniveaus hält
der Regler einen ungefähr
konstanten Ausgangsstrom aufrecht. In einer Ausführungsform wird das dadurch
vorgenommen, dass die Stromgrenzeschwelle des Schalters in dem Maße angehoben
wird wie der Steuerstrom zunimmt. Bei höheren Steuerstromniveaus hält der Regler
eine ungefähr
konstante Ausgangsspannung aufrecht, indem das Einschaltverhältnis gesenkt
wird.
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In
einer Ausführungsform
wird die Feedbackinformation von einer reflektierten Spannung abgeleitet,
die erstrangig gleich der Ausgangsspannung multipliziert mit dem
Transformatorwindungsverhältnis
ist. In einer Ausführungsform
ist die reflektierte Spannung die durch das Energietransferelement
von der Sekundärseite
zur Primärseite
reflektierte Spannung. Die reflektierte Spannungsinformation wird
in einen Steuerstrom konvertiert und an eine Steuerklemme des Reglers
geliefert. Der Regler umfasst eine Versorgungsklemme und eine Feedbackklemme
die entweder intern mit dem Regler oder extern mit dem Regler verbunden
sind, um die Steuerklemme zu bilden.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die Feedbackklemme einen Shuntregler, der auf den Steuerstrom
an der Steuerklemme reagiert, der höher als der von der Versorgungsklemme
angeforderte interne Versorgungsstrom ist, der vom Chipregler verbraucht
wird. Eine Stromgrenzschaltung, die einen Komparator umfasst, wird
benutzt, um die Stromgrenze des Leistungsschalters im Regler einzustellen.
Die Stromgrenze reagiert auf den Shuntreglerstrom. In einer Ausführungsform
wird die Stromgrenzschwelle erhöht
wenn der Shuntreglerstrom zunimmt um eine ungefähr konstante Netzteilausgangsstromkennlinie
bereitstellen. Die reflektierte Spannung in einem Schaltnetzteil
variiert nicht linear mit der Ausgangsspannung des Schaltnetzteils,
so kann es in einer Ausführungsform
verschiedene Steigungen der Stromgrenze bei verschiedenen Niveaus des
Shuntreglerstroms geben.
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Wie
vorher festgestellt, wird die Einstellung der Stromgrenzschwelle
zur Aufrechterhaltung einer ungefähr konstanten Ausgangsstromkennlinie
nur bei niedrigeren Steuerstromniveaus vorgenommen. Bei höheren Steuerstromniveaus
hält der
Regler eine ungefähr
konstante Ausgangsspannung aufrecht, indem die auf dem Shuntreglerstrom,
der höher
als eine Schwelle ist, basierendes Einschaltverhältnis modifiziert wird. Der
Shuntreglerstrom ist der Steuerstrom, der höher als der vom Chip verbrauchte
interne Versorgungsstrom ist. Der Shuntreglerstrom wird durch einen
Referenzwiderstand in ein Spannungsniveau konvertiert, und wird
benutzt, um das Einschaltverhältnis
zu modulieren. Das Spannungsniveau durch den Referenzwiderstand
ist im wesentlichen Null bis die Shuntreglerstromschwelle erreicht
ist, an welcher Stelle das Spannungsniveau durch den Referenzwiderstand
im Verhältnis
zum Shuntreglerstrom zuzunehmen beginnt.
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Die 1 zeigt
eine Ausführungsform
eines Schaltnetzteils, das eine ungefähr konstante Spannungs-/ und
Stromausgangsstromkennlinie nach den Lehren der vorliegenden Erfindung
hat. Die Feedbackinformation wird einem Netzteilregler 150 an
seiner Steuerklemme bereitgestellt. Der Netzteilregler 150 umfasst
auch einen Leistungsschalter der zwischen den Klemmen Drain und
Quelle geschaltet ist. Der Strom an der Klemme ist proportional
zur Spannung durch den Widerstand 135, der seinerseits
auf die Spannung am DC-Ausgang 100 reagiert. Im Betrieb kann
der Strom oder nicht durch den Leistungsschalter entsprechend seinem
Einschaltverhältnis
fließen. In
einer Ausführungsform
reduziert der Netzteilregler 150 das Einschaltverhältnis des
Leistungsschalters wenn die Spannung durch den Widerstand 135 über eine
Schwelle steigt und sich der DC-Ausgang 100 im Spannungsreglungsmodus
befindet. Der Netzteilregler 150 reduziert die Stromgrenzschwelle
des Leistungsschalters wenn die Spannung durch den Widerstand 135 unter
eine Schwelle sinkt. In einer Ausführungsform wird die Stromgrenzschwelle
als Funktion der Spannung durch den Widerstand 135 gesenkt,
um den Ausgangslaststrom ungefähr
konstant zu halten. So wird der Laststrom durch die Stromgrenzschwelle
des Leistungsschalters im Netzteilregler 150 gesteuert.
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist der Kondensator 175 der Bypasskondensator des Reglers,
und der Kondensator 140 ist das Speicherelement für die reflektierte
Spannung, die durch das Energietransferelement 120 von
der Sekundärseite 115 zur
Primärseite 125 reflektiert
ist. Die reflektierte Spannung wird über die Diode 130 in
jedem Zyklus zugeführt,
wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Die Diode 130 und
der Kondensator 140 wirken auch als Spannungsklemme, um
den Leistungsschalter im Netzteilregler 150 zu schützen. Auf
der Sekundärseite 115 des
Energietransferelements 120, richtet der Gleichrichter 110 die
geschaltete Energie gleich und das Speicherelement 105 speichert die
Energie, die am DC-Ausgang 100 zur Verfügung stehen soll.
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Die 2 zeigt
eine andere Ausführungsform
des Schaltnetzteils, wobei das Energietransferelement 220 eine
getrennte Feedback-/Vorspannungswindung zur Erzeugung des Steuerstroms
für den
Netzteilregler 150 nach den Lehren der vorliegenden Erfindung
aufweist. Das Netzteil hat eine ungefähr konstante Spannungs- und
Stromausgangskennlinie. Die Feedbackinformation wird dem Netzteilregler 150 an
seiner Steuerklemmebereitgestellt. Der Regler umfasst auch einen
zwischen die Drain – und
Source-Klemmen – geschalteten
Leistungsschalter. Der Strom an der Steuerklemme ist proportional
zur Spannung durch den Widerstand 235, welcher seinerseits
auf die Spannung DC-Ausgang 200 reagiert. In einer Ausführungsform
reduziert der Netzteilregler 150 das Einschaltverhältnis des
Leistungsschalters wenn die Spannung durch den Widerstand 235 über eine
Schwelle ansteigt, und der DC-Ausgang 200 befindet
sich im Spannungsreglungsmodus. Der Netzteilregler 150 reduziert
die Stromgrenzschwelle des Leistungsschalters wenn die Spannung
durch den Widerstand 235 unter eine Schwelle absinkt. Die
Stromgrenzschwelle ist als Funktion der Spannung durch den Widerstand 235 reduziert
worden, um den Ausgangslaststrom ungefähr Konstant zu halten. So wird
der Laststrom durch die Stromgrenzschwelle des Leistungsschalters
im Netzteilregler 150 gesteuert. Der Kondensator 275 ist das
Bypassspeicherelement des Reglers und der Kondensator 270 ist
das Speicherelement für
die durch das Energietransferelement 220 von der Sekundärseite 215 zur
Feedback-/Vorspannungswindung reflektierte Spannung. Die reflektierte
Spannung wird über
die Diode 230 in jedem Zyklus eingespeist wenn der Leistungsschalter
ausgeschaltet ist. Die Diode 260, der Kondensator 240 und
der Widerstand 245 reagieren als Spannungsklemmen um den Leistungsschalter
im Netzteilregler 150 zu schützen. Auf der Sekundärseite 215 des
Energietransferelements 220, richtet der Gleichrichter 210 die
geschaltete Energie gleich und das Speicherelement 205 speichert
die Energie um am DC-Ausgang 200 zur Verfügung zu
stehen.
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Die 3 zeigt
noch eine andere Ausführungsform
eines Schaltnetzteils, der eine ungefähr konstante Spannungs-/ und
Stromausgangsstromkennlinie nach den Lehren der vorliegenden Erfindung
hat. Die Feedbackinformation wird dem Netzteilregler 150 an
seiner Steuerklemme zur Verfügung gestellt.
Der Netzteilregler 150 umfasst auch einen Leistungsschalter,
der zwischen den Klemmen Drain und Source geschaltet ist. In einer
Ausführungsform ist
der Strom an der Steuerklemme des Netzteilreglers 150 proportional
zur Spannung durch den Widerstand 335, die ihrerseits proportional
zur Spannung am DC-Ausgang 300 ist.
In einer Ausführungsform reduziert
der Netzteilregler 150 das Einschaltverhältnis des
Leistungsschalters wenn die Spannung durch den Widerstand 335 über eine
Schwelle ansteigt und der DC- Ausgang 300 befindet
sich im Spannungsregelungsmodus. Der Netzteilregler 150 reduziert
die Stromgrenzschwelle des Leistungsschalters wenn die Spannung
durch den Widerstand 335 sinkt. Die Stromgrenzschwelle
ist als Funktion der Spannung durch den Widerstand 335 reduziert
um den Ausgangslaststrom ungefähr
konstant einzusteuern. Der Kondensator 375 ist das Bypassspeicherelement und
der Kondensator 370 ist das Speicherelement für die Spannung
auf dem DC-Ausgang 300, die über die Diode 330 zurückgespeist
wird. Auf einer Seite des induktiven Energietransferelements 380,
wird die transferierte Energie im Speicherelement 305 gespeichert,
um am DC-Ausgang zur Verfügung
zu stehen. Das induktive Energietransferelement 380 speichert
die Energie während
des aktiven Teils des Zyklus wenn der Netzteilregler 150 den
Strom zwischen dem Drain und der Quelle leitet. Die gespeicherte
Energie wird zum Knoten 310 während des inaktiven Teils der
Zyklus durch die Diode 360 geliefert.
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Die 4 zeigt
eine Ausführungsform
der Transferfunktion des Netzteilreglers 150 in einem Schaltnetzteil
nach den Lehren der vorliegenden Erfindung. Die Kurve 400 zeigt
eine Ausführungsform der
Strombegrenzungskennlinie des Leistungsschalters als Funktion des
Steuerklemmenstroms 410. Der linke Teil 420 dieses
Diagramms bezieht sich auf den konstanten Ausgangsstromteil der
Kennlinie. In einer Ausführungsform
wird die Stromgrenzschwelle, um einen ungefähr konstanten Ausgangsstrom
aufrecht zu erhalten, graduell als Funktion des Steuerklemmenstroms
angehoben. Wie vorher beschrieben, ist die Steigung der Stromgrenzschwelle
gegen den Steuerstrom nicht notwendigerweise konstant. Die Kurve 430 ist
eine Zeichnung des Einschaltverhältnisses
als Funktion des Steuerklemmstroms 410. Der rechte Teil
bezieht sich auf den konstanten Ausgangsspannungsabschnitt 440 der
Kennlinie. Wie es auf der Kurve zu sehen ist, findet die Reduktion
des Einschaltverhältnisses
statt, nachdem der Steuerstrom eine Steuerstromschwelle überschreitet.
Wenn das Einschaltverhältnis
unter 2% sinkt, wird der Bereich der Frequenzreduktion 450 eingegeben
und die Schaltfrequenz wird reduziert.
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5 ist
ein Blockschema einer Ausführungsform
des Netzteilreglers 150, wie er auf den 1, 2 und 3 nach
den Lehren der vorliegenden Erfindung zu sehen ist. In einer Ausführungsform
ist der Netzteilregler 150 in einem monolithischen Chip
implementiert. In anderen Ausführungsformen
wird es geschätzt,
dass einige Funktionen des Netzteilreglers 150, wie z.B.
der Leistungsschalter 547 extern eingeschlossen sind. In
einer Ausführungsform
kann der Netzteilregler 150 in ein Schaltnetzteil eingeschlossen
sein. Wie es auf der gezeigten Ausführungsform zu sehen ist, umfasst
der Netzteilregler 150 eine Steuerklemme 545,
eine Drainklemme 541 und eine Quellklemme 543.
Der Netzteilregler 150 umfasst auch die Ladeschaltung 503,
eine Steuerklemmenreglerschaltung 509, einen Stromgrenzreglungsblock 511,
einen Leistungsschalter 547 und eine Leistungsschaltersteuerschaltung 549.
Die Steuerklemmenreglerschaltung 509 und die Ladeschaltung 503 halten
die Steuerklemme 545 auf einem vorbestimmten konstanten
Spannungsniveau. Die Steuerreglerklemmenschaltung 509 akzeptiert auch
das Feedback basierend auf dem Steuerstrom von der Steuerklemme 545 und
konvertiert es in Signale die gesendet worden sind, um das Einschaltverhältnis in
der Steuerschaltung 549 und die Stromgrenzeschwelle in
der Stromgrenzeinstellschaltung 511 einzustellen. Der Steuerstrom
von der Steuerklemme 545 wird benutzt, um beides, die Stromgrenzschwelle
und seine Steigung einzustellen. Die Einleitung der Schaltverhältniseinstellung
wird durch eine Steuerstromschwelle gesteuert. Die Steuerschaltung 549 bestimmt,
wenn der Leistungsschalter 547 mit dem Schalten beginnt.
Das Ende der Schaltung wird durch die Höhe des Steuerstroms von der Steuerklemme 545 gesteuert
und wird entweder durch das Einschaltverhältnis oder die von der Steuerschaltung 549 in
Abhängigkeit
vom Betriebsbereich begrenzte Stromgrenzschwelle begrenzt. Die Information über das
Stromniveau im Leistungsschalter 547 wird zur Strombegrenzungsschaltung
in der Steuerschaltung 549 von der Drainklemme 541 zurückgespeist.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Netzteilreglers 150 nach den
Lehren der vorliegenden Erfindung. Der Netzteil 547 ist
zwischen die Drainklemme 541 und die Quellklemme 543 geschaltet.
In einer Ausführungsform
ist die Quellklemme 543 an die Erde angeschlossen. Eine
Steuerklemmenreglerschaltung 509 ist an die Steuerschaltung 549 durch
ein Signal 644 gekoppelt. In einer Ausführungsform ist die Steuerklemme 545 die
kombinierte elektrische Klemme die an alle Blöcke des Netzteilreglers 150 einen
internen Versorgungsstrom und einen Feedbackstrom liefert. In der Tat
dient in der dargestellten Ausführungsform
die Steuerklemme 545 als Versorgungsklemme zur Aufnahme
des internen Versorgungsstroms und eine Feedbackklemme zur Aufnahme
des Feedbackstroms. In der dargestellten Ausführungsform wird es geschätzt, dass
die Verbindung der Feedbackklemme und der Versorgungsklemme außerhalb
des Netzteilreglers auch die kombinierte elektrische Klemme der
Steuerklemme 545 bilden können. In einer Ausführungsform
umfasst die Steuerklemmenreglerschaltung 509 einen Shuntreglerblock,
der einen Komparator 639, Widerstände 633, 635 und 637 und
Transistoren 641 und 643 umfasst.
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Die
Stromgrenzfunktion des Netzteilreglers 150 wird durch den
Komparator 671, die Schaltung zum Ausblenden der ansteigenden
Flanke 667 und den UND-Gatter 661 bereitgestellt.
Wenn der Steuerstrom unter der Einschaltverhältniseinstellschwelle liegt,
moduliert der Steuerstrom die Stromgrenzschwelle. Der von den Transistoren 694 und 643 gebildete
Stromspiegel spiegelt den Shuntreglerstrom so dass er zur Modulation
der Stromgrenzschwelle benutzt werden kann. In einer Ausführungsform
wird die Stromgrenzschwelle durch eine Erhöhung des Shuntreglerstroms
oder des Feedbackstroms angehoben. In einer anderen Ausführungsform
wird die Stromgrenzschwelle durch eine Erhöhung des Shuntreglerstroms
oder des Feedbackstroms gesenkt. Die Modulation tritt auf sobald
der Steuerklemmenstrom den internen Versorgungsstrom des Chips übersteigt.
Dieser den Transistor 643 durchquerende Überstrom
ist der Shuntreglerstrom oder der Feedbackstrom. Wenn der Strom
durch den Transistor 694 zunimmt, nimmt der Strom durch
den Transistor 696 um einen gleichen Betrag zu. Der Strom
durch den Transistor 686 der Stromgrenzeinstellschaltung 511 steigt
linear mit dem Strom durch den Transistor 696 an. Die Eigenstromgrenze
wird durch die Stromquelle 680 eingestellt. Die Eigenstromgrenze
ist die Stromgrenzschwelle des Leistungsschalters, wenn der Steuerstrom
unter dem internen Versorgungsstrom des Chips liegt. Sobald der
Steuerstrom den internen Versorgungsstrom des Chips übersteigt,
steigt der Strom durch den Transistor 686 in Bezug auf
den Steuerklemmstrom an. Da der Transistor 686 parallel zur
Stromquelle 680 geschaltet ist, hat diese Zunahme des Steuerstroms
eine Zunahme der Steuergrenzschwelle zur Folge. Diese Zunahme der
Steuergrenzschwelle ist so konstruiert, dass der Ausgangsstrom auf
einem ungefähr
konstanten Niveau in diesem Betriebsbereich aufrechterhalten wird.
Es werden verschiedene Steigungen bei verschienen Werten des Steuerstroms
wegen der Tatsache gefordert, dass eine Nichtlinearität in der
Beziehung zwischen der reflektierten Spannung und der Ausgangsspannung
existiert, und es existieren Nichtlinearitäten zwischen dem Drainstrom
des Leistungsschalters und dem Ausgangsstrom des Netzteils. In der Theorie
können
diese verschiedenen Steigungen für verschienen
Punkte der Kurve der Stromgrenzschwelle als Funktion des Steuerstroms
durch die Löschschaltung
erhalten werden. Diese Löschschaltung
besteht aus den Transistoren 692, 690 und 688 und
der Stromquelle 684. Der Strom durch den Transistor 692 steigt
auch linear in Bezug auf den Steuerstrom an. Das hat eine Zunahme
des Stroms im Transistor 690 und auch im Transistor 688 zur
Folge sobald der Strom durch 692 über die durch die Stromquelle 684 eingestellte
Schwelle ansteigt. Diese Schwelle soll auftreten, wenn der Steuerstrom
das Steuerstromniveau zur Einstellung der Steigung der Stromgrenzschwelle
als Funktion des Steuerstroms (ICL 460 auf
der 4) übersteigt.
Sobald diese Schwelle überschritten
ist, ist der Transistor 688 so konstruiert, dass er die
zur Einstellung der Neigung der Stromgrenzschwelle als Funktion
des Steuerstroms auf den gewünschten
Wert erforderliche zusätzliche
Stromhöhe
leitet.
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In
einer Ausführungsform
wird der Shuntreglerblock benutzt, um eine Steuerklemmenregelungsspannung
an der Steuerklemme 545 aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform
ist die Steuerklemmenregelungsspannung ungefähr 5,7 Volt. Der Impulsbreitenmodulator
implementiert die Spannungsmodussteuerung indem der Leistungsschalter
mit einem Einschaltverhältnis
betrieben wird, das umgekehrt proportional zum Strom in der Steuerklemme ist,
der höher
als eine Shuntreglerstromschwelle ist. Der Shuntreglerstrom durchquert
die Transistoren 641 und 643. Die Transistoren 643 und 647 bilden
einen Stromspiegel. Wenn der Shuntreglerstrom die durch die Stromquelle 645 eingestellte
Schwelle übersteigt,
beginnt das Feedbacksignal, das Einschaltverhältnis des Leistungsschalters 547 zu
modulieren. Der Strom im Widerstand 610 ist im wesentlichen
Null bis die durch die Stromquelle 645 eingestellte Shuntreglerstromschwelle
erreicht ist. Dieses Feedbackstromsignal wird dann unter Benutzung des
Transistors 647 extrahiert. Die Spannung am negativen Eingang
des Komparators 657 der Steuerschaltung 549 ist
das extrahierte Feedbackspannungsssignal 644. Die extrahierte
Feedbackspannung 644 moduliert das Einschaltverhältnis basierend
auf dem Shuntreglerstromsignal, dass höher als die Schwelle der Stromquelle 645 ist.
Wenn der Shuntreglerstrom unter der Schwelle der Stromquelle 645 liegt,
bleibt die Spannung am negativen Eingang des Komparators 657 hoch
und der Ausgang des Komparators 657 bleibt niedrig. Da
der Strom durch den Shuntregler zunimmt, nimmt die Spannung am negativen
Ausgang des Komparators 657 linear ab. Der Ausgang des
Komparators 657 wird während des
vom Shuntreglerstrom bestimmten Zyklus zunehmen. Wenn der Ausgang
des Komparators 657 ansteigt, steigt der Ausgang des ODER-Gatters 659 an
und die Sperrschaltung 663 wird rückgestellt. Diese Schaltung
hält das
Einschaltverhältnis
so aufrecht, dass es ungefähr
konstant vom Nullsteuerstrom bis zur Steuerstromschwelle für die Einschaltverhältnisreduktion
(IDCS 470 in der 4).
ist. Nachdem der Steuerstrom IDCS übersteigt,
wird das Einschaltverhältnis
des Leistungsschalte 547 als Funktion des Steuerstroms
reduziert, um eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.
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So
werden Netzteile, die diesen Regler benutzen, eine ungefähr konstante
Ausgangsstromkennlinie zeigen, wenn der Steuerklemmenstrom unter
IDCS liegt und eine ungefähr konstante
Ausgangsspannungskennlinie zeigen, wenn der Steuerklemmenstrom über IDCS liegt. Der intermediäre Betriebsbereich ist der
konstante Leistungsbereich, der so weit wie möglich minimiert werden sollte.
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Während des
Hochfahrens, wenn die Spannung durch die kombinierte elektrische
Steuerklemme 545 die Steuerklemmenregelspannung (z.B. 5,7 Volt)
erreicht, schaltet sich der Transistor 629 an und zieht
den Eingang des Inverters 609 nach oben. Der Ausgang des
Inverters 609 sinkt dann ab um eine Sperrschaltung einschließlich der
NAND-Gatter 611 und 613 einzustellen. Der Ausgang
des NAND-Gatters 613 sinkt
und der Ausgang des Inverters 615 steigt an. Das Gatter
des Transistors 605 wird nach oben gezogen, wodurch der
Transistor 605 angeschaltet wird, was das Gatter des Transistors 601 nach
unten zieht, wodurch die Hochspannungsstromquelle der Ladeschaltung 503 ausgeschaltet wird.
In einer Ausführungsform
umfasst die Hochspannungsstromquelle der Ladeschaltung 503 den Transistor 601.
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In
einer Ausführungsform
ist der Ausgang des NAND-Gatters 613 an den Autorestart-Zähler 625 gekoppelt.
Wenn der Ausgang des NAND-Gatters 613 sinkt, steigt der
Ausgang des Autorestart-Zählers 625 an,
um das NAND-Gatter 665 zu starten, wodurch der Leistungsschalter 547 in
die Lage versetzt wird, zum Ausgang des Inverters 669 durchzuschalten.
In einer Ausführungsform
umfasst der Leistungsschalter 547 einen Leistungs-MOSFET 673,
der in Serie mit dem Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor (JFET) 675 zwischen
der Drainklemme 541 und der Quellklemme 543 geschaltet
ist. In einer anderen Ausführungsform
wird geschätzt,
dass der Leistungsschalter 547 implementiert werden kann,
indem andere Transistortechniken wie z.B. ein bipolarer Flächentransistor
oder eine andere Art von Leistungsschalter benutzt werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist die Steuerklemmenregelspannung der Steuerklemmenreglerschaltung 509 auf
5,7 Volt eingestellt. In einer anderen Ausführungsform gibt es einen Kondensator,
der extern an die Steuerklemme 545 angeschlossen ist. Wenn
das Schalten des Leistungsschalters 547 beginnt, sinkt
die Spannung an der Steuerklemme 545 langsam, aber nicht
an der Ladeschaltung 503. Dieser Spannungsabfall setzt
sich fort, bis dass der Ausgang des Netzteils seinen Regelwert erreicht.
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Unter
Fehlerbedingungen wie z.B. ein Ausgangskurzschluss oder eine offene
Schleife, entlädt der
an die Steuerklemme gekoppelte externe Kondensator bis 4,7 V und
der Ausgang des Komparators 627 sinkt um die Sperrschaltung
einschließlich der
NAND-Gatter 611 und 613 rückzustellen und den Ausgang
des Inverters 615 sinkt ab um Transistor 605 abzuschalten.
Das versetzt die Ladeschaltung 503 in die Lage, den an
die Steuerklemme 545 gekoppelten externen Kondensator zu
laden. Der Ausgang des Autorestart-Zählers 625 sinkt
ebenfalls ab wodurch der Leistungsschalter 547 außer Stand
gesetzt wird, zu schalten. In einer Ausführungsform kann der Autorestart-Zähler 625 so
konstruiert werden, dass er z.B. bis zu 8 Entladezyklen/Ladezyklen für den Ausgang
hochzählt,
um wieder gestartet zu werden.
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Die 7 ist
ein Diagramm, das die typischen Beziehungen zwischen dem Ausgangsstrom und
der Ausgangsspannung einer Ausführungsform des
Netzteils nach den Lehren der vorliegenden Erfindung. darstellt.
Wie es aus der Kurve 700 zu sehen ist, zeigt eine Ausführungsform
des Netzteils nach den Lehren der vorliegenden Erfindung eine ungefähr konstante
Ausgangsstrom- und eine ungefähr konstante
Ausgangsspannungskennlinie. Das bedeutet, während der Ausgangsstrom zunimmt,
bleibt die Ausgangsspannung ungefähr konstant bis der Ausgangsstrom
eine Ausgangsstromschwelle erreicht. Während der Ausgangsstrom sich
der Ausgangsstromschwelle nähert,
nimmt die Ausgangsspannung ab, während
der Ausgangsstrom ungefähr konstant
während
des Abfalls der Ausgangsspannung bleibt. Wie gezeigt kann der Ausgangsstrom
reduziert werden oder eine gewisse Ausgangsspannung fallen. Es wird
geschätzt,
dass die ungefähr konstante
Ausgangsspannungs- und die ungefähr konstante
Ausgangsstromskennlinie der vorliegenden Erfindung für Batterieladungsanwendungen
oder etwas ähnliches
geeignet sind.