DE69802065T2

DE69802065T2 - Hybrider regler

Info

Publication number: DE69802065T2
Application number: DE69802065T
Authority: DE
Inventors: Gyu-Hyeong Cho; Nam-Sung Jung
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 1997-07-10
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2018-02-17
Also published as: TW421736B; JP3526052B2; JP2000503445A; KR100278096B1; EP0932858A1; KR19990009570A; US6130525A; AU6122398A; DE69802065D1; EP0932858B1; WO1999003028A1; CN1127196C; AU721812B2; CN1231037A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Regler, bei dem ein Schaltregler und ein Serienregler miteinander verbunden sind (siehe z. B. US-A-5 216 351), und insbesondere einen "Hybriden" Regler, der konfiguriert ist, um den Vorteil eines Serienreglers, nämlich ein überlegenes Regelverhalten mit keiner Welligkeit sogar dann, wenn eine Veränderung in der Last auftritt, und zur Verwendung des Vorteils eines Schaltreglers, nämlich eines hohen Wirkungsgrads, konfiguriert ist.

Beschreibung des Standes der Technik

In Übereinstimmung mit dem Ereignis der Grünen Runde, sind seit kurzem in einer Vielzahl von technischen Gebieten Anstrengungen durchgeführt worden, um die absolute Energiemenge, die verwendet wird, zu verringern. Derartige Anstrengungen wurden im Zusammenhang mit elektronischen und elektrischen Geräten durchgeführt. Zusätzlich zu derartigen Anstrengungen ist eine andere Anstrengung durchgeführt worden, um den Wirkungsgrad der verwendeten Energie zu erhöhen, wodurch ein Energieverlust minimiert wird.
Zudem erfordern sämtliche elektronische Geräte, elektrische Geräte, elektrische Haushaltsgeräte und eine Vielzahl von industriellen elektronischen Geräten, die gegenwärtig verwendet werden, im wesentlichen eine stabile Energieversorgung, nämlich einen DC-DC Wandler. Die meisten Geräte, in denen elektronische Schaltungen verwendet werden, verwenden eine stabile DC Energie, im allgemeinen +SV DC, +12 V DC oder +15 V DC.
Für elektronische Einrichtungen wie ICs, Transistoren, Lampen etc. wird eine maximal zulässige Spannung gesetzt. Wenn an eine elektronische Einrichtung die Spannung geführt wird, die größer als ihre zulässige maximale Spannung ist, kann sie beschädigt werden oder die Lebensdauer kann herabgesetzt werden. Wenn ein Operationsverstärker oder ein Komparator verwendet wird, um Signale mit einer geringen Amplitude zu verstärken oder um derartige Signale zu vergleichen, kann eine Veränderung in der Spannung, die in einer externen Energieversorgung auftritt, die zur Zuführung von Spannung an die Schaltung angepasst ist, die Fehlfunktion der Schaltung verursachen, was dadurch zu einer Verschlechterung der Genauigkeit oder Stabilität führt. Zusätzlich zu den Entwicklungen von elektronischen Einrichtungen mit einer hohen Genauigkeit sind deshalb auch Entwicklungen von stabilen Energieversorgungseinrichtungen wichtig.
Im allgemeinen ist ein Regler eine Einrichtung zum Aufrechterhalten einer Ausgangsspannung oder eines Stroms in einem starken oder gleichförmigen Zustand unabhängig von einer Änderung der Eingangs- oder Ausgangslast. Regler, die gegenwärtig verwendet werden, werden hauptsächlich in Schaltregler und Serienregler klassifiziert. Der Serienregler wird allgemein verwendet, wenn das gute Regelverhalten ohne eine Welligkeit benötigt wird. Andererseits wird der Schaltregler verwendet, um einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten, während die Größe herabgesetzt wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Beispiel eines Serienreglers dargestellt. Der Serienregler wird auch als ein "linearer Regler" oder "Abzweigungsregler" bezeichnet. Dieser Regler weist einen Vorteil einer hervorragenden Ausgangsspannungsregelung und einen Nachteil eines schlechten Energietransformationswirkungsgrads auf. In dieser Hinsicht eignet sich der Serienregler für den Fall, bei dem eine hervortretende Regelung, aber eine niedrige elektrische Leistung benötigt wird. Da ein derartiger Serienregler in einem Spannungsserien-Rückkopplungsverfahren gesteuert wird, während er kein Verzögerungselement aufweist (zum Beispiel eine Induktivität, die zu dem Regler in Reihe geschaltet ist, oder einen Kondensator, der zu dem Regler parallel geschaltet ist), welches auf seinem Hauptenergieversorgungspfad angeordnet ist, weist er inhärent ein überlegenes Regelverhalten in eine einer Bedingung eines eingeschwungenen Zustands sowie eines transienten Zustands auf.
In dem in Fig. 1 gezeigten Serienregler wird eine "Differenzspannung" zwischen einer externen Versorgungsspannung Vdd und einer Ausgangsspannung Vo, die in dem Lastwiderstand R4 beobachtet wird, zwischen den Kollektor und den Emitter eines Ausgangstransistors Q1 angelegt. In diesem Zustand wird der gleiche Strombetrag wie derjenige, der für den Lastwiderstand R4 benötigt wird, an den Emitter des Ausgangstransistors Q1 über den Kollektor des Ausgangstransistors Q1 geführt. Deshalb weist der Serienregler einen schlechten Leistungswirkungsgrad auf.
In diesem Fall wird die Leistung, die in dem Lastwiderstand R4 verwendet wird, durch den folgenden Ausdruck (1) ausgedrückt, wohingegen der Leistungsverlust in dem Ausgangstransistor Q1 durch den folgenden Ausdruck (2) ausgedrückt wird:

[Ausdruck 1]

PR4 = VR4 · IR4

[Ausdruck 2]

PQI = VCE · IC &sim; VCE · IR4.
Um den Leistungsverlust in dem Transistor Q1, ausgedrückt durch den Ausdruck (2), zu verringern, ist es erforderlich, die Spannung VCE, die zwischen den Kollektor und den Emitter des Ausgangstransistors Q1 angelegt wird, zu verringern oder den Strom IC, der durch den Kollektor des Ausgangstransistors Q1 fließt, zu reduzieren oder gleichzeitig die Spannung VCE und den Strom IC zu verkleinern.
Der durch den Lastwiderstand R4 fließende Strom IR4 ist fast der gleiche wie der Kollektorstrom 'c. Die Summe der Spannung VR4, die über den Lastwiderstand R4 angelegt wird, und der Kollektor- Emitter-Spannung VCE ist die gleiche wie die externe Versorgungsspannung Vdd. Unter der Annahme, dass der Leistungsverlust in anderen Elementen des Serienreglers entsprechend ignoriert wird, wird der Leistungswirkungsgrad des Serienreglers ungefähr durch den folgenden Ausdruck (3) ausgedrückt: [Ausdruck 3]
In dem Ausdruck (3) bezeichnet "rl" einen Leistungswirkungsgrad und "Ptotal" bezeichnet die gesamt verbrauchte Leistung des Serienreglers.
Wenn der Serienregler zum Regeln der Spannung von +5 V zum Ansteuern eines TTL IC angewendet wird, wenn eine externe Versorgungsspannung Vdd von +12 V verwendet wird, wird +7 V DC, die die Differenzspannung zwischen der externen Versorgungsspannung und der Ausgangspannung ist, zwischen den Kollektor und den Emitter des Ausgangstransistors Q 1 angelegt. In diesem Fall entspricht demzufolge der Leistungswirkungsgrad des Serienreglers ungefähr 42%.
Natürlich kann der Leistungstransformationswirkungsgrad durch Erhöhen der Spannung VR4, während die Spannung Vdd verkleinert wird, verbessert werden, wie sich dem Ausdruck (3) entnehmen lässt. Jedoch gibt es eine Beschränkung hinsichtlich der optionalen Einstellung des Leistungswirkungsgrads, weil der Bereich, in dem eine gewünschte externe Versorgungsspannung oder eine gewünschte Ausgangspannung gewählt wird, beschränkend ist.
Andererseits wird der Energieverlust, der während der Leistungstransformation verbraucht wird, vollständig in Wärme umgewandelt. Deshalb sollte eine große Wärmesenke zusätzlich verwendet werden, um zu verhindern, dass der Ausgangstransistor Q 1 auf eine höhere Temperatur als eine zulässige Temperatur erwärmt wird. Dies führt zu einem sperrigen Volumen. Aufgrund dessen ist es schwierig, den Serienregler als eine Energieversorgung für den Fall zu verwenden, bei dem eine hohe Leistung von mehr als 20 W verwendet werden sollte.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist ein Beispiel eines Schaltreglers dargestellt. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist der Schaltregler eine Konfiguration auf, die ähnlich zu dem Serienregler ist, mit dem Unterschied, dass er einen Vergleicher U2 als sein Steuerelement verwendet, wohingegen der Serienregler einen Operationsverstärker U1 als sein Steuerelement verwendet. Der Schaltregler umfasst auch eine Regelschaltung, die aus einer Induktivität und einem Kondensator gebildet ist, die zwischen dem Ausgangstransistor Q 1 und dem Lastertransistor R4 angeordnet sind, im Unterschied zu dem Serienregler. Mit anderen Worten, der Schaltregler führt eine Schaltsteuerung aus, wohingegen der Serienregler eine lineare Steuerung ausführt. Demzufolge bringt der Schaltregler eine Schaltwelligkeit mit sich, obwohl keine Ausgangswelligkeit bei dem Serienregler beteiligt ist.
Im Schaltregler der Fig. 2 wird eine Ausgangsspannung, die über den Widerstand R4 angelegt ist, von negativen Rückkopplungswiderständen R2 und R3 erfasst. Für die Ausgangspannung wird ein Vergleich dann in dem Vergleicher U2 ausgeführt. Auf Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs gibt der Vergleicher U2 ein Signal mit einem hohen oder niedrigen Pegel aus. Im Ansprechen auf das Ausgangssignal von dem Vergleicher U2 führt der Ausgangstransistor Q 1 einen EIN- oder AUS- Schaltbetrieb aus. Infolgedessen wird eine Spannung mit einem hohen Pegel (nämlich Vdd) oder einem niedrigen Pegel (nämlich Null) an die Induktivität L1 angelegt. In einem eingeschwungenen Zustand wird die Impulswellenform der Spannung durch die Regelschaltung geregelt, die einen Kondensator C1 zusammen mit der Induktivität L1 enthält. Die Ausgangsspannung über dem Kondensator C1 weist einen Wert auf, der einem Durchschnittswert einer Impulswelle, die an die Induktivität LI angelegt wird, entspricht, so dass sie eine Wellenform aufweist, bei der eine Schaltwelligkeit vorhanden ist.
Eine Welligkeit, die in einer Ausgangspannung des Schaltreglers vorhanden ist, umfasst eine Schaltwelligkeit, die durch einen Schaltbetrieb selbst verursacht wird, und eine Lastveränderungswelligkeit aufgrund einer Veränderung der Last. Die Schaltwelligkeit kann durch Erhöhen der Schaltfrequenz verringert werden. In diesem Fall nimmt jedoch der Leistungsverlust, der durch den Schaltbetrieb verursacht wird, proportional zu der Schaltfrequenz zu. Infolgedessen tritt eine Verschlechterung des Leistungswirkungsgrads in unvermeidlicher Weise auf. Deshalb ist es erforderlich, Elemente mit einer hohen Betriebsgeschwindigkeit zu verwenden. Jedoch führt dies zu einer Erhöhung der Herstellungskosten. Die Lastveränderungswelligkeit kann durch Verwenden einer Regelschaltung mit einer großen Induktivität und großen Kapazität verringert werden, wodurch das Regelverhalten verbessert wird. In diesem Fall sind jedoch die Induktivität und der Kondensator, die verwendet werden, sperrig. Eine Erhöhung in den Herstellungskosten tritt ebenfalls auf.
Wie sich der vorangehenden Beschreibung entnehmen lässt, erfüllt der Schaltregler den Zweck der Grünen Runde dahingehend, dass er die Vorteile einer Verringerung eines Leistungsverlusts, nämlich einen hohen Leistungswirkungsgrad und eine verringerte Größe, aufweist. Jedoch weist der Schaltregler Nachteile dahingehend auf, dass eine Schaltungswelligkeit in seiner Ausgangspannung vorhanden ist und seine Fähigkeit, um mit einer Veränderung in der Last fertig zu werden, unzureichend ist.
Die folgende Tabelle 1 zeigt die Vorteile und Nachteile von existierenden Serienreglern und Schaltreglern, die entgegengesetzt zueinander sind.

TABELLE 1

Serienregler

Vorteile Nachteile

Hervorragendes Regelverhalten mit Schlechter Leistungswirkungsgrad
keinerlei Welligkeit
Stark gegenüber einer Veränderung Sperrige Wärmesenke
in der Last

Schaltregler

Vorteile Nachteile

Guter Leistungswirkungsgrad Schlechtes Regelverhalten mit einer
Schaltwelligkeit
Kompakte Wärmesenke Schwach gegenüber einer Veränderung
in der Last

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Deshalb besteht eine Aufgabe der Erfindung in einer Lösung der voranstehend erwähnten Probleme, die in herkömmlichen Serienreglern und Schaltreglern auftreten, und in der Bereitstellung eines hybriden Reglers, der zur Verwendung des Vorteils von Serienreglern, nämlich einem überlegenen Regelverhalten mit keinerlei Welligkeit, selbst wenn eine Veränderung in der Last auftritt, und zum Verwenden des Vorteils von Schaltreglern, nämlich eines hohen Wirkungsgrads, konfiguriert ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch Bereitstellen eines hybriden Reglers gelöst, der umfasst: einen Serienregler, der als eine unabhängige Spannungsquelle dient; und einen Schaltregler, der als eine abhängige Stromquelle dient, wobei der Schaltregler mit dem Serienregler in einer derartigen Weise gekoppelt ist, dass der Serienregler einen geringen kleinen Strombetrag zuführt oder absorbiert, um zu verhindern, dass eine Welligkeit erzeugt wird, wenn der Schaltregler einen großen Strombetrag bei einem hohen Leistungswirkungsgrad zuführt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Andere Aufgaben und Aspekte der Erfindung ergeben sich näher aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild, das einen herkömmlichen Serienregler zeigt;
Fig. 2 ein Schaltbild, das einen herkömmlichen Schaltregler zeigt;
Fig. 3 ein Schaltbild, welches einen hybriden Regler gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4a bis 4b Wellenformdiagramme von Ausgängen, die in dem hybriden Regler gemäß der vorliegenden Erfindung jeweils erzeugt werden; und
Fig. 5a und 5b Wellenformdiagramme, die Ergebnisse darstellen, die nach Messen eines Ausgangsregelverhaltens gegenüber einer Veränderung in einer Last in dem hybriden Regler gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird ein hybrider Regler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in Fig. 3 gezeigt, umfasst der hybride Regler hauptsächlich vier funktionelle Blöcke, nämlich einen Serienregler 10, der eine unabhängige Spannungsquelle ist, einen Schaltregler 20, der eine abhängige Stromquelle ist, eine Erfassungseinheit 30 zum Erfassen eines kleinen Strombetrags 11, der von dem Serienregler 10 ausgegeben wird, wodurch eine Steuerspannung ausgegeben wird, die zum Steuern des Schaltreglers 20 zum Zuführen eines kleinen Strombetrags id ausgelegt ist, und eine Last 40.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Serienregler 10 eine Referenzspannungs- Erzeugungsschaltung 10 zum Erzeugen einer Referenzspannung Vref, das heißt, eine Spannung, die durch Widerstände R1 und R5 geteilt wird, die zwischen einer externen Versorgungsspannungsquelle Vdd und der Masse in Reihe geschaltet sind. Der Serienregler 10 umfasst auch einen Operationsverstärker U1 zum Empfangen der Ausgangspannung von der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 10 und einer negativen Rückkopplungsspannung, einen Basis-Treiber 12, der aus zwei Transistoren Q2 und Q3 besteht und zum Empfangen einer Ausgangspannung von dem Operationsverstärker U1 dient, eine Ausgangstufenschaltung 13 und eine negative Rückkopplungsschaltung 14. Die Ausgangstufenschaltung 13 besteht aus einem Transistor Q1 zum Zuführen einer externen Spannung an die Erfassungsschaltung 30, und einem Transistor Q l zum Leiten einer Ausgangspannung von der Erfassungseinheit 30 an die Masse. Die negative Rückkopplungsschaltung 14 besteht aus zwei Widerständen R2 und R3, um die Verstärkung des Gesamtsystems zu bestimmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Schaltregler 20 eine Vergleichsschaltung 21, die aus einem Komparator U2 zum Empfangen einer Spannung, die über die Erfassungseinheit 30 angelegt wird, einen Kondensator C2 und einen Pull-Up-(Heraufzieh-)Widerstand R6. Der Schaltregler 20 umfasst auch einen Gate-Treiber 22, der aus zwei Transistoren Q4 und Q5 besteht und zum Empfangen einer Ausgangspannung von der Vergleichsschaltung 21 dient, eine Ausgangsstufenschaltung 23, die aus einem MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffektransistor) Qt und zwei Widerständen R7 und R8 besteht und zum Empfangen einer Ausgangspannung von dem Gate-Treiber 22 als eine Steuerspannung dient, und eine Regelschaltung 24, die aus einer Induktivität Ll, einem Kondensator C1 und einer Diode D1 besteht und zum Regeln des Stromausgangs von der Ausgangsstufenschaltung 23 dient.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Erfassungseinheit 30 einfach einen Erfassungswiderstand Rc, der zwischen die Ausgangstufenschaltung 13 des Serienreglers 10 und die Last 40, nämlich einen Widerstand R4, geschaltet ist. Der Erfassungswiderstand Rc erfasst den Strom ia, der daran geführt oder darin absorbiert wird, und wandelt den erfassten Strom in eine entsprechende Spannung um.
Obwohl die Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 11 des Serienreglers 10 dafür konfiguriert ist, um eine Referenzspannung in Übereinstimmung mit einer Spannungsverteilungsregel, die durch Verwenden von Widerständen erhalten wird, konfiguriert ist, kann die Referenzspannung unter Verwendung einer Zenerdiode oder anderen geeigneten Einrichtungen erzeugt werden.
Der Serienregler 10, der auf die vorliegende Erfindung angewendet wird, weist einen bestimmten Unterschied zu herkömmlichen Serienreglern dahingehend auf, dass er einen Transistor Qa aufweist, der zum Absorbieren des Stroms ia ausgelegt ist. Zum Beispiel weist er in dem herkömmlichen Serienregler der Fig. 1 nur einen NPN Transistor Q1 für seine Ausgangsstufenschaltung auf. Jedoch umfasst die Ausgangstufenschaltung 13 des Serienreglers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung den PNP Transistor Qa zusätzlich zu dem NPN Transistor Q1.
Der Grund, warum der PNP Transistor Qa zusätzlich verwendet wird, ist, weil der Serienregler der vorliegenden Erfindung eine Funktion zum Absorbieren eines Stroms ia, nämlich -ia, zusätzlich zu einer Funktion zum Zuführen des Stroms ia an die Last 40 aufweisen sollte. Für den Fall des herkömmlichen Serienreglers wird nur die Funktion zum Zuführen des Stroms ia an eine Last benötigt.
Der Serienregler 10 der vorliegenden Erfindung sollte eine Bandbreite aufweisen, die so breit wie möglich gemacht ist, um einen Welligkeitsstrom, der durch die Induktivität L1 des Schaltreglers 20 verursacht wird, schnell zuzuführen oder zu absorbieren. Obwohl der Serienregler 10 und der Schaltregler 20 mit dem Widerstand R4 der Last 40 in einer parallelen Weise verschaltet sind, gibt es kein Problem, weil der Serienregler 10 als eine Spannungsquelle dient, wohingegen der Schaltregler 20 als eine Stromquelle dient.
Nun werden quantitative Charakteristiken des Stroms ia, der durch den Widerstand R4 fließt, der als eine Last verwendet wird, im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben.
Der Laststrom 10 entspricht der Summe des Stroms ia, der von dem Serienregler 10 zugeführt wird, und des Stroms id, der von dem Schaltregler 20 zugeführt wird. Dies kann mit dem folgenden Ausdruck (4) ausgedrückt werden:

[Ausdruck 4]

i0 = ia + id.
Da der Serienregler 10 einen beträchtlich schlechten Wirkungsgrad im Vergleich mit dem Schaltregler 20 aufweist, ist es erforderlich, den Strom ia zu verringern, während der Strom id erhöht wird, um einen hohen Wirkungsgrad sicherzustellen. Mit anderen Worten, der Strom id sollte ausreichend größer als der Strom ia sein. Das heißt, der folgende Zusammenhang sollte eingerichtet werden.

[Ausdruck 5]

id = kia (vorausgesetzt, dass k » 1 ist).
In dem Ausdruck 5 ist der Parameter die Rate von id zu ia, das heißt eine Stromverstärkung. Dieser Parameter k kann durch Verändern des Erfassungswiderstands Rc, der die Erfassungseinheit 30 bildet, des Widerstands R6, der zum Bestimmen der Anstiegs- und Abfallcharakteristiken des Ausgangs des Komparators U2 der Vergleichsschaltung 21 verwendet wird, und des Kondensators C2 in der Konfiguration der Fig. 3 eingestellt werden.
Empirisch weist der Parameter k einen Wert auf, der von mehreren Einheiten bis mehreren Zehnern liegt. Wenn der Parameter k einen großen Wert von mehreren Zehnern aufweist, kann ein ungefährer Ausdruck aus den Gleichungen (4) und (5) wie mit der folgenden Gleichung (6) ausgedrückt, abgeleitet werden:

[Ausdruck 6]

io = ia + id = ia + kia kia = id.
In einem eingeschwungenen Zustand wird ein hoher Wirkungsgrad erhalten, weil der größte Teil des Stroms io, der für Last 40 benötigt wird, von dem Strom id zugeführt wird, der von dem Schaltregler 20 zugeführt wird. Nur wenn eine Veränderung in der Last in dem transienten Zustand auftritt, liefert der Serienregler 10 schnell den Strom ia in der Form eines Welligkeitsstroms. Demzufolge zeigt der hybride Regler der vorliegenden Erfindung ein überlegenes Regelverhalten auf. Ein derartiger physikalischer Ausdruck ist in dem Ausdruck (6) impliziert.
Der Betrieb des hybriden Reglers gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun im Hinblick auf qualitative Konzepte beschrieben.
Wenn eine Versorgungsspannung Vdd extern an den hybriden Regler geführt wird, wird eine Referenzspannung Vref von der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 11 erzeugt. Die Referenzspannung Vref wird an einen nicht invertierenden Eingangsanschluss (+) des Operationsverstärkers U1 angelegt. Der Operationsverstärker U1 empfängt auch eine Spannung an seinem invertierenden Dateneingangsanschluss (-). In der anfänglichen Bedingung ist die Spannung, die an den invertierenden Eingangsanschluss (-) des Operationsverstärkers U1 angelegt wird, Null, weil die Last 40 eine Spannung mit einem Null-Pegel ausgibt, und diese Null-Pegel Spannung wird an den invertierenden Eingangsanschluss (-) über die negative Rückkopplungsschaltung 14 angelegt.
Infolgedessen erzeugt der Operationsverstärker U1 eine Ausgangspannung mit einem Pegel, der höher als der Null-Pegel ist. Die Ausgangspannung von dem Operationsverstärker U1 wird dann an die Basis des ersten Transistors Q1, der die Ausgangsanschluss-Spannung 13 bildet, über den Basis-Treiber 12 angelegt, wodurch bewirkt wird, dass der Transistor Q1 eingeschaltet wird. In dem eingeschalteten Zustand des Transistors Q1 fließt ein Strom von "+ia" durch den Widerstand Rc der Erfassungseinheit 30, so dass eine Plusspannung über dem Widerstand Rc erzeugt wird. Mit anderen Worten ist das Potential an einem Ende des Widerstands Rc, der mit der Last 40 verbunden ist, kleiner als das Potential an dem anderen Ende des Widerstands Rc, das mit dem ersten Transistor Q1 verbunden ist.
Demzufolge gibt die Vergleichsschaltung 21, die Spannungen empfängt, die jeweils an beiden Enden der Erfassungseinheit 30 erzeugt werden, nämlich an dem Widerstand Rc, eine Niedrigpegelspannung aus. Da die Ausgangspannung von der Vergleichsschaltung 21 einen niedrigen Pegel aufweist, schaltet der vierte Transistor Q4 des Gate-Treibers 22 ab, wohingegen der fünfte Transistor Q5 des Gate-Treibers 22 eingeschaltet wird. In dem eingeschalteten Zustand des fünften Transistors Q5 wird der MOS Transistor Q&sub1; der Ausgangsanschluss-Schaltung 23 eingeschaltet. Das heißt, der Gate-Treiber 22 gibt eine Niedrigpegelspannung aus, wodurch bewirkt wird, dass die Ausgangsanschluss-Spannung 23 eine Hochpegelspannung ausgibt.
Wenn der MOS Transistor Qt eingeschaltet wird, wird die externe Versorgungsspannung Vdd, nämlich eine Hochpegelspannung, in die Form eines Stroms durch die Induktivität L1 der Regelschaltung 24 umgewandelt. Infolgedessen wird ein Strom id erzeugt. Demzufolge entspricht der Strom 10, der durch die Last 40 fließt, der Summe des Stroms id und des Stroms ia. Die abschließende Ausgangspannung, die dem Strom entspricht, der durch die Last fließt, wird kontinuierlich durch die negative Rückkopplungsschaltung 14 erfasst. Mit anderen Worten, die abschließende Ausgangspannung wird durch die Widerstände R2 und R3 der negativen Rückkopplungsschaltung 14 geteilt und dann an den (-) Eingangsanschluss des Operationsverstärkers U1 angelegt. Wenn die Spannung, die an den (-) Eingangsanschluss des Operationsverstärkers U1 angelegt wird, kleiner als die Referenzspannung Vref ist, die an den (+) Eingangsanschluss des Operationsverstärkers U1 angelegt wird, dann werden der Strom +ia und der Strom id kontinuierlich an den Lastwiderstand geführt.
Wenn der Strom id größer als der Strom 10 ist, fließt der überschüssige Teil des Stroms id in umgekehrter Richtung durch den Widerstand Rc. Das heißt, ein Strom -ia wird erzeugt. Dieser Strom wird in der Masse in Übereinstimmung mit dem Betrieb des Transistors Qa, der in der Ausgangsanschluss- Schaltung 13 enthalten ist, absorbiert. Zu dieser Zeit wird eine Minus-Spannung über dem Erfassungswiderstand Rc der Erfassungseinheit 30 erzeugt. Infolgedessen wird der Pegel der Eingangsspannung an der Vergleichsschaltung 21 invertiert.
Demzufolge wird die Ausgangsstufenschaltung 23 des Schaltreglers 20 ausgeschaltet, so dass der Strom id, der durch die Induktivität L1 fließt, im Betrag abnimmt. Die Verkleinerung des Stroms id führt zu einer schnellen Erhöhung in dem Strom ia, wodurch schnell der verringerte Teil des Stroms id kompensiert wird. Wenn der Strom ia auf einen gewünschten Betrag zunimmt, wird eine Plus-Spannung wiederum über dem Erfassungswiderstand Rc erzeugt. Infolgedessen nimmt der Strom id wieder zu.
Wenn der voranstehend erwähnte Betrieb wiederholt wird, weist der Strom id, der über die Induktivität L1 geführt wird, eine Wellenform auf, bei der ein Strom mit einer kleinen Welligkeit in einem großen DC Strom enthalten ist. Ferner weist der Strom ia, der an den Erfassungswiderstand Rc angelegt wird, eine Wellenform auf, die der Wellenform eines Stroms mit einer kleinen Welligkeit entspricht. Grundsätzlich bedeutet dies, dass der Serienregler 10, der eine große Bandbreite aufweist, zum Beseitigen von Welligkeitskomponenten eines Ausgangs von dem Schaltregler 20 dient, wodurch ein Ausgangsstrom io mit keiner Welligkeit erzeugt wird. Gemäß einer derartigen Charakteristik wird eine hervorragende Regelung erzielt.
Charakteristische Werte von Elementen, die im wesentlichen verwendet werden, um den hybriden Regler gemäß der vorliegenden Erfindung zu konfigurieren, werden beschrieben.
Der Widerstandsbereich des Erfassungswiderstands Rc sollte in geeigneter Weise gewählt werden. Eine Erhöhung im Widerstand des Erfassungswiderstands Rc ist im Hinblick auf den Schaltregler dahingehend vorteilhaft, dass der Erfassungswiderstand Rc eine erhöhte Empfindlichkeit bei einem erhöhten Widerstand davon aufweist. Im Hinblick auf den Serienregler 10 nimmt die Leistung, die von dem Serienregler 10 an die Last 40 übertragen wird, in unerwünschter Weise ab, wenn der Widerstand des Erfassungswiderstands Rc extrem hoch wird. Der Grund hierfür ist, dass der Erfassungswiderstand Rc konfiguriert ist, um zu der Last, nämlich dem Widerstand R4, in Reihe geschaltet zu sein. Wenn der Widerstand des Erfassungswiderstands Rc übermäßig niedrig ist, dann wird die Ausgangspannung von dem Erfassungswiderstand Rc, nämlich eine Erfassungsspannung, von einer Rauschspannung beeinflusst. Deshalb sollte der Widerstandsbereich des Erfassungswiderstands Rc in geeigneter Weise gewählt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Erfassungswiderstand Rc vorzugsweise einen Widerstand auf, der im Bereich von 0,01 S2 bis 10 SZ ist.
Der Induktivitätsbereich der Induktivität L1 sollte ebenfalls in geeigneter Weise gewählt werden. Es ist möglich, die Induktivität zu verringern, wenn die Schaltfrequenz, die verwendet wird, zunimmt. Wenn jedoch die Induktivität übermäßig klein wird, fließt ein großer Strombetrag abrupt. In diesem Fall gibt es ein Problem dahingehend, dass ein MOS Transistor Qt der Ausgangsstufenschaltung 23 beschädigt werden kann. Wenn andererseits die Induktivität übermäßig groß ist, zum Beispiel unendlich, wird der gleiche Effekt wie für den Fall einer Verwendung keines Schaltreglers aufgezeigt. Deshalb weist die Induktivität L1 vorzugsweise eine Induktivität auf, die im Bereich von 10 uH bis 1.000 uH ist.
Zusätzlich ist es möglich, den Ausgang nur mit dem Kondensator C 1 der Regelschaltung 23 mit einer Kapazität im Bereich von mehreren 10 nE bis mehreren 100 nE zu regeln. Der Grund hierfür ist, dass der hybride Regler der vorliegenden Erfindung durch Kombinieren des Serienreglers 10, der ein überlegenes Regelverhalten aufweist und als eine unabhängige Spannungsquelle dient, mit dem Schaltregler 20, der als eine abhängige Stromquelle dient, konfiguriert ist.
Nun werden Ergebnisse eines Experiments, welches für den hybriden Regler der vorliegenden Erfindung ausgeführt wurde, im Zusammenhang mit den Fig. 4a bis 4d beschrieben.
In dem Experiment wurde +12 V DC als eine externe Versorgungsspannung verwendet, wohingegen +5 V DC, die leicht verfügbar ist, als eine Ausgangspannung gesetzt wurde, die erhalten werden soll. Für eine leichte Last wurde eine Last von 75 Ω mit dem hybriden Regler gekoppelt. Für eine schwere Last wird eine Last von 5 Ω zusätzlich parallel zu der Last von 75 Ω geschaltet. Eine Veränderung in der Last wurde anfänglich durchgeführt, um eine Veränderung in der Ausgangspannung und den Strombeträgen, die jeweils von dem Serienregler 10 und dem Schaltregler 20 in Abhängigkeit von der Veränderung der Last zugeführt werden, zu beobachten.
Die 5 Ω Last wurde parallel zu der 75 Ω Last geschaltet, während ein Schalter zwischen den zwei Lasten angeordnet war. Die Veränderung in der Last wurde durch alternatives Ein- und Ausschalten des Schalters durchgeführt.
Die in den Fig. 4a bis 4d gezeigten physikalischen Größen umfassen eine Ausgangspannung Vo von dem hybriden Regler, eine Spannung VL, die an die Induktivität L1 angelegt wird, einen Strom id, der von dem Schaltregler 20 zugeführt wird, und einen Strom ia, der von dem Serienregler 10 zugeführt wird. Die Fig. 4a und 4b zeigen Wellenformen von Ausgängen, die in einem leichten Lastzustand, nämlich einem Zustand, bei dem der Lastwiderstand R4 einen Widerstand von 75 Q aufweist, erzeugt werden. Andererseits zeigen die Fig. 4c und 4d Wellenformen von Ausgängen, die in einem starken Lastzustand beobachtet werden, nämlich einem Zustand, bei dem der Lastwiderstand R4 einen Widerstand von 75 S2 parallel zu S Q aufweist. In jeder der Fig. 4b und 4d ist die oberste Wellenform eine vergrößerte Wellenform nur der Welligkeitskomponente der Ausgangsspannung.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4a bis 4d lässt sich feststellen, dass ein gut geregelter Ausgang gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf die Fig. 4b und 4d lässt sich feststellen, dass eine Welligkeit von ungefähr 30 mVp (entsprechend zu 0,6% basierend auf dem prozentualen Anteil des Ausgangs) in dem Ausgang in dem leichten Lastzustand existiert, wohingegen eine Welligkeit von ungefähr 20 mVp (entsprechend zu 0,4%) in dem Ausgang in dem starken Lastzustand existiert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4a (in dem leichten Lastzustand), lässt sich feststellen, dass der größte Teil des Stroms, der durch die Last fließt, von dem Schaltregler zugeführt wird, wohingegen der Serienregler nur den Welligkeitsstrom zuführt. Unter Bezugnahme auf Fig. 4c (in dem starken Lastzustand), lässt sich feststellen, dass der größte Teil des Stroms (ungefähr 1A), der durch die Last fließt, von dem Schaltregler zugeführt wird.
Die Fig. 5a und 5b zeigen Ergebnisse, die nach Messen einer Welligkeitsspannung erhalten werden, die in einer Ausgangspannung vorhanden ist, und die Beträge eines Stroms, der jeweils von den Reglern zugeführt wird, wenn eine Veränderung in der Last auftritt, in einem normalen Modus eines Oszilloskops.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 5a und 5b lässt sich feststellen, das die Ausgangspannung eine geringe Welligkeit trotz einer Lastveränderung aufweist. Es lässt sich auch feststellen, dass der Serienregler 10 schnell einen unzureichenden Teil des id, der in unzureichender Weise von dem Schaltregler 20 zugeführt wird, zuführt, während ein übermäßiger Teil des Stroms id, der übermäßig von dem Schaltregler 20 zugeführt wird, schnell absorbiert wird.
Ein anderes Experiment wurde ausgeführt, um den Leistungswirkungsgrad des hybriden Reglers gemäß der vorliegenden Erfindung zu messen. In diesem Experiment wurde der Betrag des Stroms, der extern zugeführt wird, und der Betrag des Stroms, der durch eine Last fließt, unter der Bedingung einer Verwendung einer externen Versorgungsspannung +12 V, einer Ausgangspannung von +5 V und parallel geschalteten Lasten von 75 Ω und 5 Ω gemessen. Infolgedessen betrug der extern zugeführte Strom 0,65 A und der Strom, der durch die Last fließt, war ungefähr 1,1 A. Wenn diese Werte auf die Gleichung (3) angewendet werden, wird ein Leistungstransformationswirkungsgrad von ungefähr 70% erhalten. Dieser Wirkungsgrad des hybriden Reglers gemäß der vorliegenden Erfindung ist ungefähr äquivalent zu demjenigen von herkömmlichen Schaltreglern.
Wie sich aus den vorangehenden experimentellen Ergebnissen entnehmen lässt, weist der hybride Regler der vorliegenden Erfindung ein überlegenes Regelverhalten auf, was der Vorteil von herkömmlichen Serienreglern ist, wobei keine Welligkeit vorhanden ist, selbst wenn eine Lastveränderung auftritt, und er weist einen hohen Wirkungsgrad auf, was der Vorteil von herkömmlichen Schaltreglern ist.
Andere oder ähnliche technische Konzepte im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind mit näheren Einzelheiten in der koreanischen Patentanmeldung Nr. 97-5529, die vorher in dem Namen der Erfinder und im Zusammenhang mit Verstärkern eingereicht wurde, offenbart. Deshalb kann die vorliegende Erfindung leicht von Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, implementiert werden.

Claims

1. Hybrider Regler, umfassend:

einen Serienregler (10), der als eine unabhängige Spannungsquelle dient; dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst:

einen Schaltregler (20), der als eine abhängige Stromquelle dient, wobei der Schaltregler mit dem Serienregler in einer derartigen Weise gekoppelt ist, dass der Serienregler einen kleinen Sollstrombetrag zuführt oder absorbiert, um zu verhindern, dass eine Welligkeit erzeugt wird, wenn der Schaltregler einen großen Strombetrag bei einem hohen Wirkungsgrad zuführt.

2. Hybrider Regler nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Erfassungseinheit (30) zum Erfassen des kleinen Strombetrags, der von dem Serienregler zugeführt oder absorbiert wird, wodurch eine Erfassungsspannung erzeugt wird, die zum Steuern des Schaltreglers zum Zuführen eines großen Strombetrags ausgelegt ist.

3. Hybrider Regler nach Anspruch 2, wobei die Erfassungseinrichtung einen Erfassungswiderstand (Rc) umfasst, der zwischen einen Ausgangsanschluss des Serienreglers und eine Last (40) gekoppelt ist.

4. Hybrider Regler nach Anspruch 3, wobei der Erfassungswiderstand (Rc) einen Widerstand im Bereich von 0,01 Ω bis 10 Ω umfasst.

5. Hybrider Regler nach Anspruch 2, wobei der Serienregler (10) umfasst:

eine Ausgangsstufenschaltung (13) zum Zuführen einer externen Versorgungsspannung an die Erfassungseinrichtung (30) oder zum Leiten einer Ausgangspannung von der Erfassungseinrichtung (30) an die Masse;

eine negative Rückkopplungseinrichtung (14) zum Empfangen einer Spannung, die an eine Last (40) angelegt ist, zum Teilen der empfangenen Spannung und zum Ausgeben der sich ergebenden Spannung zum Bestimmen einer Verstärkung des gesamten Systems;

eine Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung (11) zum Teilen der externen Versorgungsspannung, wodurch eine Referenzspannung erzeugt wird;

einen Operationsverstärker (U1) zum Empfangen einer Ausgangspannung von der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung und einer Ausgangspannung von der negativen Rückkopplungseinrichtung; und

einen Basis-Treiber (12) zum Empfangen einer Ausgangspannung von dem Operationsverstärker, wodurch die Ausgangsanschluss-Schaltung gesteuert wird.

6. Hybrider Regler nach Anspruch 5, wobei:

die Ausgangsanschluss-Schaltungen einen P-Typ Transistor und einen N-Typ Transistor umfassen;

wobei der P-Typ Transistor eine Basis, die zum Empfangen einer Ausgangspannung von dem Basis-Treiber (12) ausgelegt ist, einen Kollektor, der zum Empfangen der externen Versorgungsspannung ausgelegt ist, und einen Emitter, mit dem die Erfassungseinrichtung gekoppelt ist, aufweist; und

wobei der N-Typ Transistor eine Basis, die zum Empfangen der Ausgangspannung von dem Basis- Treiber (12) ausgelegt ist, einen Kollektor, der mit der Masse verbunden ist, und einen Emitter, mit dem die Erfassungseinrichtung gekoppelt ist, aufweist.

7. Hybrider Regler nach Anspruch 2, wobei der Schaltregler (20) umfasst:

eine Vergleichseinrichtung (21) mit einem Vergleicher zum Empfangen einer Spannung, die über die Erfassungseinrichtung angelegt wird;

einen Gate-Treiber (22) zum Empfangen einer Ausgangspannung von der Vergleichseinrichtung;

eine Ausgangstufenschaltung (23) zum Empfangen einer Ausgangspannung von dem Gate-Treiber als eine Steuerspannung, wodurch ein Strom, der einer externen Versorgungsspannung entspricht, zugeführt wird; und

eine Regelschaltung (24) zum Regeln des Stroms, der von der Ausgangsstufenschaltung ausgegeben wird, und zum Zuführen des geregelten Stroms an eine Last.

8. Hybrider Regler nach Anspruch 7, wobei die Regelschaltung (24) eine Induktivität mit einem Ende, welches mit einem Ausgangsanschluss der Ausgangsstufenschaltung verbunden ist, und mit dem anderen Ende mit der Last gekoppelt umfasst, wobei die Induktivität auch einen Induktivitätswert aufweist, der im Bereich von 10 uH bis 1000 uH reicht.