DE10006960A1

DE10006960A1 - Spannungswandler sowie zugehöriges Arbeitsverfahren

Info

Publication number: DE10006960A1
Application number: DE10006960A
Authority: DE
Inventors: Manfred Froehler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2001-09-20
Also published as: FR2805099B1; FR2805099A1; US6476588B2; US20010019258A1

Abstract

Spannungswandler, mit einem Spannungseingang (U¶IN¶) und einem Spannungsausgang (U¶OUT¶), einem ausgangsseitig angeordneten Kondensator (1) zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung, einer Spule (2), einem steuerbaren Schaltelement (2) zur Steuerung des durch die Spule (2) fließenden Stroms, einer ausgangsseitig mit dem Schaltelement (3) verbundenen Steuereinheit (4) zur Steuerung der Schaltzeiten des Schaltelements, wobei die Steuereinheit die Schaltzeiten in Abhängigkeit von Eingangs- und Ausgangsspannung steuert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler, insbesondere für ein Kraftfahrzeugbordnetz, gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1 sowie ein Arbeitsverfahren für einen derartigen Spannungswandler gemäß Anspruch 6.

Unter dem Namen Aufwärtsschaltregler sind Spannungswandler bekannt, die beispielsweise in Kraftfahrzeugbordnetzen die Umwandlung der relativ geringen Batteriespannung von übli cherweise 12 Volt in eine höhere Betriebsspannung ermögli chen. Diese Spannungswandler weisen ausgangsseitig einen Kon densator auf, welcher die Betriebsspannung bereitstellt und über eine Reihenschaltung aus einer Spule und einer Diode durch die Batteriespannung aufgeladen wird, wobei zwischen der Spule und der Diode ein Transistor angeordnet ist, der den Spulen- bzw. Ladestrom wahlweise über den Kondensator leitet oder diesen überbrückt. Zu Beginn des Ladevorgangs wird der Transistor leitend geschaltet, so daß sich ein rela tiv großer Spulenstrom aufbaut, der jedoch an dem Kondensator vorbeigeleitet wird. Nach Erreichen des maximal zulässigen Spulenstroms wird der Transistor dann gesperrt, woraufhin der Spulenstrom als Ladestrom über den Kondensator fließt und diesen auflädt, bis der Spulenstrom schließlich erlischt. An schließend wird der Transistor dann wieder leitend geschal tet, bis der maximal zulässige Spulenstrom erreicht ist. Durch abwechselndes leitend bzw. nicht-leitend Schalten des Transistors kann der Kondensator somit auf Spannungen aufge laden werden, die oberhalb der Batteriespannung liegen.

Die Ausgangsspannung wird hierbei durch die Schaltzeiten (T_ON, T₀, T_OFF) des Transistors eingestellt, wobei die Ansteue rung des Transistors durch eine auch als Stepup-Regulator be zeichnete Steuereinheit erfolgt, die zum einen die Ausgangs spannung und zum anderen den Spulenstrom mißt. Neben der Einstellung der gewünschten Ausgangsspannung hat die Steuerein heit auch die Aufgabe, ein übermäßiges Ansteigen des Spulen stroms während des Durchschaltens des Transistors zu vermei den, so daß die Steuereinheit laufend den Spulenstrom mißt und den Transistor beim Erreichen des maximal zulässigen Spu lenstroms nicht-leitend schaltet.

Vorteilhaft an diesem bekannten Spannungswandler ist die Mög lichkeit einer sehr genauen Regelung der Ausgangsspannung, was jedoch mit einem relativ hohen Hardwareaufwand verbunden ist, der bei vielen Anwendungen nicht erforderlich ist, da dem Spannungswandler beispielsweise in Kraftfahrzeugbord netzen ein Linearregler nachgeschaltet ist, der ohnehin eine Feinregelung der Ausgangsspannung vornimmt. Es würde deshalb in vielen Fällen ein Spannungswandler ausreichen, der bei ge ringem Hardwareaufwand und entsprechend geringer Genauigkeit der Ausgangsspannung eine Spannungswandlung ermöglicht.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen Span nungswandler zu schaffen, der bei möglichst geringem Hard wareaufwand eine Spannungswandlung ermöglicht, wobei die An forderungen an die Genauigkeit der Ausgangsspannung nicht be sonders hoch sind. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Arbeitsverfahren für einen derartigen Span nungswandler anzugeben.

Die Erfindung wird, ausgehend von dem eingangs beschriebenen bekannten Spannungswandler gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. - hinsichtlich des Arbeitsverfahrens für einen derarti gen Spannungswandler - durch die Merkmale des Anspruchs 6 ge löst.

Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, anstel le des bei den üblichen Spannungswandlern verwendeten, in Hardware relativ aufwendig realisierten analogen Reglers eine softwaregesteuerte digitale Steuereinheit zu verwenden, welche den Transistor vorzugsweise in Abhängigkeit von den aktu ellen Meßwerten der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung ansteuert.

Zum einen ermöglicht die Messung der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung die Berechnung der für die gewünschte Span nungsübersetzung erforderlichen Schaltzeiten des Transistors. So wird der Transistor für vorgegebene Zeitspannen leitend bzw. nicht-leitend geschaltet, wobei eine Änderung der Schaltzeiten durch Pulsweitenmodulation und/oder Pulsfre quenzmodulation eine Einstellung des Spannungsüberset zungsverhältnisses ermöglicht.

Zum anderen dient die Messung der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung dazu, während des Durchschaltens des Tran sistors ein übermäßiges Ansteigen des Spulenstroms über den maximal zulässigen Wert zu vermeiden. Die Steuereinheit be rechnet deshalb aus den Meßwerten der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung sowie verschiedenen Parametern der Span nungswandlerschaltung die Zeitspanne, für die der Transistor maximal durchgeschaltet werden darf, bis der maximal zulässi ge Wert des Spulenstroms erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß ein übermäßiges Ansteigen des Spulenstroms bei dem erfindungsgemäßen Spannungswandler verhindert wird, ohne daß der Spulenstrom selbst gemessen werden muß, wie dies bei den eingangs beschriebenen bekannten Spannungswandlern der Fall ist.

Das erfindungsgemäße Arbeitsverfahren für einen derartigen Spannungswandler besteht aus mehreren Schritten, die perio disch durchgeführt werden.

In einem ersten Schritt wird zunächst - wie bereits vorste hend beschrieben - die Eingangsspannung und die Ausgangsspan nung gemessen. Anschließend werden daraus die Schaltzeiten des Transistors berechnet, die zum einen das gewünschte Span nungsübersetzungsverhältnis bewirken und zum anderen verhindern, daß der Spulenstrom den maximal zulässigen Wert über schreitet. Schließlich wird der Transistor dann entsprechend den zuvor berechneten Schaltzeiten abwechselnd leitend und nicht-leitend gesteuert.

Der Transistor wird hierbei vorzugsweise mit einer vorgegebe nen Schaltperiode leitend bzw. nicht-leitend gesteuert, wobei die Dauer der Schaltperiode vorzugsweise in Abhängigkeit von dem maximal zulässigen Spulenstrom, der Induktivität der Spu le und der Eingangsspannung des Spannungswandlers berechnet wird und beispielsweise in der Größenordnung von 30 bis 50 Mikrosekunden liegen kann.

Die Messung der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung des Spannungswandlers erfolgt vorzugsweise ebenfalls periodisch entsprechend einer vorgegebenen Meßperiode, wobei die Dauer der Meßperiode vorzugsweise wesentlich größer ist als die Dauer der Schaltperiode. So kann die Dauer der Meßperiode beispielsweise in der Größenordnung von einer Millisekunde liegen, was noch eine relativ einfache schaltungstechnische Realisierung der Messung ermöglicht.

Die Erfindung ist hinsichtlich des zu verwendenden Schaltele ments nicht auf den vorstehend beschriebenen Transistor be schränkt. Vielmehr ist die Erfindung auch mit anderen steuer baren Schaltelementen realisierbar. Darüber hinaus kann die Steuereinheit wahlweise digital oder analog arbeiten und in Software oder Hardware ausgeführt sein. Weiterhin ist zu er wähnen, daß die Schaltzeiten des steuerbaren Schaltelements in vielfältiger Weise variiert werden können, um das ge wünschte Spannungsübersetzungsverhältnis zu erreichen. So kann das Schaltelement beispielsweise pulsweitenmoduliert und/oder pulsfrequenzmoduliert werden, jedoch sind auch ande re Formen der Ansteuerung möglich.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zei gen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Spannungswandler als Block schaltbild,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms,

Fig. 3 das erfindungsgemäße Arbeitsverfahren des erfin dungsgemäßen Spannungswandlers als Blockschaltbild sowie

Fig. 4 als alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Abwärtsregler zur Verringerung des Spannungs niveaus.

Der in Fig. 1 dargestellte Spannungswandler ist weitgehend herkömmlich aufgebaut und weist ausgangsseitig einen Konden sator 1 auf, der als Ersatzschaltbild aus einer idealen Kapa zität C und einem idealen Widerstand ESR (equivalent serial resistance) dargestellt ist. Eingangsseitig ist der Kondensa tor 1 über eine Reihenschaltung aus einer Diode U_F und einer Spule 2 mit der Eingangsspannung U_IN verbunden, wobei die Spule 2 als Ersatzschaltbild aus einer idealen Induktivität L und einem idealen ohmschen Widerstand R_L dargestellt ist. Zwischen der Diode U_F und der Spule 2 zweigt ein nur schema tisch dargestellter Transistor 3 ab, der über einen weiteren ohmschen Widerstand R_DSon mit Masse verbunden ist, so daß der Transistor 3 den Kondensator 1 überbrücken kann. Die Ansteue rung des Transistors 3 erfolgt über eine als Mikrocontroller ausgebildete Steuereinheit 4, die eingangsseitig zum einen mit dem Spannungseingang und zum anderen über einen Span nungswandler mit dem Spannungsausgang verbunden ist, wobei der Spannungswandler aus zwei Widerständen R1 und R2 besteht.

Im folgenden wird nun die Funktionsweise des vorstehend be schriebenen Spannungswandlers erläutert, wobei auf die Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Spulenstroms in Fig. 2 sowie auf das Flußdiagramm von Fig. 3 Bezug genommen wird. Zu Beginn steuert die Steuereinheit den Transistor 3 zunächst für eine vorgegebene Zeitspanne T_on leitend, so daß die Spule 2 mit dem Widerstand R_DSon ein RL-Glied bildet, was zu einem exponentiellen Anstieg des Spulenstroms I_L führt. Die Berech nung der Zeitspanne T_ON erfolgt hierbei in Abhängigkeit von dem maximal zulässigen Spulenstrom I_Lmax, der Induktivität L der Spule und der Eingangsspannung U_IN nach folgender Formel:

Nach Erreichen des maximal zulässigen Spulenstroms I_Lmax steu ert die Steuereinheit den Transistor 3 dann mindestens für eine vorgegebene Zeitspanne T₀ nicht-leitend, um einen weite ren Anstieg des Spulenstroms I_L über den maximal zulässigen Wert hinaus zu verhindern. Die Berechnung der Zeitspanne T₀ erfolgt in Abhängigkeit von dem maximal zulässigen Spulen strom I_Lmax, der Induktivität L der Spule, der Eingangsspan nung U_IN, dem Spannungsabfall U_F über der Diode und der über den Spannungsteiler R1, R2 gemessenen Kondensatorspannung U_C nach folgender Formel:

Während der Zeitspanne T₀ bildet die Spule 2 mit der Diode U_F und dem Kondensator 1 eine Reihenschaltung, so daß der Spu lenstrom I_L über dem Kondensator 1 fließt und diesen auflädt. Hierbei nimmt der Spulenstrom I_L bis zum Ende der Zeitspanne T₀ bis auf Null ab.

Anschließend bleibt der Transistor 3 dann für eine vorgegebe ne dritte Zeitspanne T_off nicht-leitend, was zu einer langsa men Entladung des Kondensators in Abhängigkeit von der aus gangsseitigen Belastung führt. Die Ausgangsspannung des Span nungswandlers wird hierbei durch eine Variation der Zeitspan ne T_off eingestellt, indem der Transistor 3 entsprechend ange steuert wird. Die Berechnung der Zeitspanne T_off erfolgt hier bei in Abhängigkeit von der Soll-Ist-Abweichung UΔ der Ausgangsspannung, dem Ausgangsstrom I_OUT, der Reglerperiode T_S und den vorstehend erwähnten Größen nach folgender Formel:

Nach mehreren derartigen Schaltperioden mit einer Länge von T = T_on + T₀ + T_off = 30. . .50 µs ist der Kondensator 1 dann soweit auf geladen, daß die gewünschte Ausgangsspannung U_out erreicht ist, wobei die aktuellen Werte der Ausgangsspannung U_out und der Eingangsspannung U_in in vorgegebenen Regelperioden T_S von rund einer Millisekunde gemessen werden, damit die Steuerein heit 4 die Schaltzeiten für den Transistor 3 neu berechnen kann. Die Messung der Eingangsspanung und der Ausgangsspan nung erfolgt also nicht nach jeder Schaltperiode T, da ein derartig schnelles Abtasten mit einem unvertretbaren schal tungstechnischen Aufwand verbunden wäre.

Anstelle der komplizierten Berechnung der Zeit T_Off gemäß der vorstehenden Formel kann auch die Dauer T der Schaltperiode gemäß folgender Formel berechnet werden:

Die Zeitspanne T_Off ergibt sich dann in einfacher Weise gemäß folgender Formel:

T_off = T_S - T₀ - T_on

Vorteilhaft an dem vorstehend beschriebenen Spannungswandler bzw. dem zugehörigen Arbeitsverfahren ist die Tatsache, daß ein übermäßiges Ansteigen des Spulenstroms I_L über den maxi mal zulässigen Wert vermieden wird, ohne daß eine kontinuier liche Messung des Spulenstroms erforderlich ist. Darüber hin aus kann die Steuereinheit 4 in einfacher Weise als software gesteuerter Mikrocontroller realisiert werden.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Spannungswandlers dient im Gegensatz zu dem vor stehend beschriebenen Ausführungsbeispiel zur Verringerung des Spannungsniveaus und wird als Abwärtsregler bezeichnet. Der Abwärtsregler weist ausgangsseitig ebenfalls einen Kondensator 5 auf, der als Ersatzschaltbild aus einem idealen ohmschen Widerstand ESR und einer idealen Kapazität C darge stellt ist. Eingangsseitig ist der Kondensator 5 über eine Reihenschaltung aus einem steuerbaren Schaltelement 6 und ei ner Spule 7 mit der Eingangsspannung U_IN verbunden, wobei die Spule 7 als Ersatzschaltbild aus einem idealen ohmschen Wi derstand R_L und einer idealen Induktivität L dargestellt ist. Die Ansteuerung des Schaltelements 6 erfolgt hierbei durch eine elektronische Steuereinheit 8, die eingangsseitig mit dem Spannungseingang und dem Spannungsausgang verbunden ist. Zwischen der Spule 7 und dem Schaltelement 6 zweigt eine Dio de U_F ab, die mit Masse verbunden und in Sperrichtung gepolt ist.

Im folgenden wird nun die Betriebsweise des Abwärtsregelers beschrieben, wobei auf die vorstehende Beschreibung des Auf baus des Abwärtsreglers Bezug genommen wird.

Zu Beginn wird das Schaltelement 6 von der Steuereinheit 8 für eine vorgegebene Zeitspanne T_ON leitend gesteuert, wobei die Steuereinheit 6 die Zeitspanne T_ON in Abhängigkeit von dem maximal zulässigen Spulenstrom I_Lmax, der Induktivität L, der Eingangsspannung U_IN und der Ausgangsspannung U_OUT nach folgender Formel berechnet:

Anschließend wird das Schaltelement 6 dann von der Steuerein heit 8 für eine vorgegebenen Zeitspanne T₀ nicht-leitend ge steuert, um den Spulenstrom zurückzuführen, wobei die Steuer einheit 8 die Zeitspanne T₀ nach folgender Formel berechnet:

Das Schaltelement 6 bleibt dann nach Ablauf der Zeitspanne T = noch für eine weitere Zeitspanne T_off nicht-leitend gesteuert, wobei das Übersetzungsverhältnis des Abwärtsreglers durch Va riation der Zeitspanne T_off eingestellt werden kann. Die Be rechnung der Zeitspanne T_off erfolgt durch die Steuereinheit 8 in Abhängigkeit von der Regelperiode T_S, der Soll-Ist- Abweichung UΔ der Ausgangsspannung und den ebreits vorste hend erwähnten Größen nach folgender Formel:

T_off = T_S - T₀ - T_on

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gear teten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

1. Spannungswandler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug- Bordnetz, mit
einem Spannungseingang (U_IN) und einem Spannungsausgang (U_OUT),
einem ausgangsseitig angeordneten Kondensator (1) zur Bereit stellung einer Ausgangsspannung,
einer Spule (2),
einem steuerbaren Schaltelement (2) zur Steuerung des durch die Spule (2) fließenden Stroms, wobei das Spannungs- Übersetzungsverhältnis durch die Schaltzeiten (T_ON, T₀, T_off) des Schaltelements (3) einstellbar ist,
einer ausgangsseitig mit dem Schaltelement (3) verbundenen Steuereinheit (4) zur Steuerung der Schaltzeiten (T_ON, T₀, T_OFF) des Schaltelements,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinheit (4) eingangsseitig mit dem Spannungs eingang (U_IN) und dem Spannungsausgang (U_OUT) verbunden ist, um die Schaltzeiten (T_ON, T₀, T_OFF) des Schaltelements in Abhän gigkeit von der Eingangsspanung und der Ausgangsspannung zu steuern und dadurch zum einen das Übersetzungsverhältnis ein zustellen und zum anderen ein übermäßiges Ansteigen des Spu lenstroms (I_L) zu verhindern.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (1) über eine Reihenschaltung aus der Spule (2) und einer Diode (U_F) mit dem Spannungseingang (U_IN) verbunden ist, wobei das Schaltelement (3) zwischen der Spule (2) und der Diode (U_F) angeordnet ist und den Spulenstrom (I_L) wechselweise über den Kondensator (1) leitet oder diesen überbrückt.

3. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (5) über eine Reihenschaltung aus der Spule (7) und dem Schaltelement (6) mit dem Spannungseingang (U_IN) verbunden ist, wobei zwischen dem Schaltelement (6) und der Spule (7) eine mit Masse verbundene Diode (U_F) abzweigt.

4. Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (4) ein softwaregesteuerter Mikro controller ist.

5. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (4) einen Pulsweitenmodulator und/oder einen Pulsfrequenzmodulator aufweist, um die Schaltzeiten (T_ON, T₀, T_OFF) des Schaltelements (3) zu steuern und dadurch das Übersetzungsverhältnis einzustellen.

6. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (4) zur Messung der Eingangsspannung und/oder der Ausgangsspannung ein zeitdiskret arbeitendes Ab tatsglied aufweist.

7. Arbeitsverfahren eines Spannungswandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten:

- Messung der Eingangsspannung (U_IN) und der Ausgangsspannung (U_OUT) des Spannungswandlers,
- Berechnung der Schaltzeiten (T_ON, T₀, T_OFF) des Schaltele ments in Abhängigkeit von der Eingangsspannung (U_IN) und der Ausgangsspannung (U_OUT),
- Ansteuerung des Schaltelements (3) abwechselnd leitend und nicht-leitend entsprechend den berechneten Schaltzeiten (T_ON, T₀, T_OFF), um das gewünschte Übersetzungsverhältnis des Spannungswandlers zu erreichen und dabei ein übermäßi ges Ansteigen des Spulenstroms (I_L) zu verhindern.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (3) periodisch mit einer vorgegebenen Schaltperiode (T) leitend bzw. nicht-leitend gesteuert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (3) zu Beginn jeder Schaltperiode (T) für eine vorgegebene erste Zeitspanne (T_ON) leitend gesteuert wird, um den Kondensator (C) zu überbrücken.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeitspanne (T_ON) in Abhängigkeit von dem maxi mal zulässigen Spulenstrom (I_L,MAX), der Induktivität (L) der Spule (2) und der Eingangsspannung (U_IN) des Spannungswand lers berechnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (3) in jeder Schaltperiode (T) nach Ab lauf der ersten Zeitspanne (T_ON) mindestens für eine vorgege bene zweite Zeitspanne (T₀) nicht-leitend gesteuert wird, um den Spulenstrom (I_L) zu löschen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zeitspanne (T₀) in Abhängigkeit von dem maxi mal zulässigen Spulenstrom (I_L,MAX), der Induktivität (L) der Spule, der Eingangsspannung (U_IN) und der Ausgangsspannung (U_OUT) berechnet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (3) in jeder Schaltperiode (T) nach Ab lauf der zweiten Zeitspanne (T₀) bis zum Ende der Schaltperiode (T) weiterhin für eine dritte Zeitspanne (T_OFF) nicht- leitend gesteuert wird, um das gewünschte Übersetzungsver hältnis einzustellen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zeitspanne (T_OFF) in Abhängigkeit von der Kapa zität (C) des Kondensators, dem maximal zulässigen Spulen strom (I_L,MAX), der Kapazität (C) des Kondensator, der ersten Zeitspanne (T_ON) und der zweiten Zeitspanne (T₀) berechnet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U_IN) und die Ausgangsspannung (U_OUT) periodisch mit einer vorgegebenen Meßperiode (T_S) gemessen werden, wobei die Dauer der Meßperiode (T_S) wesentlich größer ist als die Dauer der Schaltperiode (T).