DE10339025B4

DE10339025B4 - Stromversorgungssystem

Info

Publication number: DE10339025B4
Application number: DE10339025A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Katayama
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: CN100384069C; CN1489267A; US20040124817A1; US6914419B2; DE10339025A1

Abstract

Stromversorgungssystem zur Ausgabe einer Spannung an eine Last (30) umschaltbar von einer ersten bzw. einer zweiten Leistungsquelle, umfassend: einen Gleichstromwandler (10) mit einem ersten Schaltelement (Q1) zum Anlegen einer Eingangsspannung an die Last (30), einem zweiten Schaltelement (Q2) zum Verbinden der Last (30) mit Masse, und einer Steuerschaltung (11), welche das erste Schaltelement (Q1) und das zweite Schaltelement (Q2) bei Empfang eines ersten Wählsignals (EN1) ohne Überlappung der Einschaltzeitspannen des ersten Schaltelements (Q1) und des zweiten Schaltelements (Q2) ein- und ausschaltet derart, daß das zweite Schaltelement (Q2) m Male in einer Schrittperiode einschaltet, während derer das erste Schaltelement (Q1) n Male einschaltet, wobei n eine vorbestimmte ganze Zahl ist, und wobei 0 ≤ m ≤ n und mit jeder Schrittperiode zunimmt; und einen Serienregler (20) zur Ausgabe einer Spannung an die Last (30), die gegenüber der Eingangsspannung verringert ist, wenn ein zweites Wählsignal (EN2) eingegeben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem, insbesondere ein solches, welches eine Spannung an eine Last abgibt und dabei zwischen einem Gleichstromwandler und einem Serienregler als Stromquelle umschaltet.
Eine Art von Stromversorgung, die in elektronische Geräte eingebaut wird, verringert die von außen an das Gerät angelegte Spannung auf einen Wert, der für die elektronische Schaltung in dem Gerät geeignet ist. Der Leistungswirkungsgrad einiger solcher Stromversorgungen variiert abhängig von der an die Ausgangsanschlüsse der Stromversorgung angelegten Last.
Bei einem Gleichstromwandler beispielsweise, der die Spannung mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation (PWM) steuert, ergibt sich ein geringer Leistungswirkungsgrad, wenn die angeschlossene Last gering ist, und ein hoher Leistungswirkungsgrad, wenn die angeschlossene Last hoch ist. Dies beruht auf Treiberverlusten, die beim Ein/Ausschalten von Halbleiterschaltern in dem Gleichstromwandler entstehen. Ein Serienregler andererseits arbeitet mit konstantem Leistungswirkungsgrad unabhängig davon, ob die Last hoch oder niedrig ist.
Es gibt bekannte Stromversorgungssysteme, die als Stromquelle zwischen einem Gleichstromwandler und einem Serienregler abhängig von der Last umschalten, wie in den japanischen Druckschriften JP 11-341797 A und JP 2002-112457 A offenbart. Wenn die an das Stromversorgungssystem angeschlossene Last gering ist, wird der Serienregler zur Verringerung der Spannung benutzt. Wenn die an das Stromversorgungssystem angeschlossene Last hoch ist und der Leistungswirkungsgrad eines Gleichstromwandlers höher als derjenige des Serienreglers ist, wird der Gleichstromwandler zur Verringerung der Spannung benutzt. Diese Art Stromversorgungssystem wird beispielsweise bei elektronischen Geräten eingesetzt, die einen Bereitschaftsmodus und einen normalen Betriebsmodus aufweisen. In dem Bereitschaftsmodus werden nur wenige Schaltungstelle angesteuert, weshalb die Last gering ist und ein Serienregler für die Spannungsreduzierung eingesetzt wird. Beim normalen Betriebsmodus wird eine große Anzahl von Schaltungstellen angesteuert, so daß die Last hoch ist und deshalb ein Gleichstromwandler für die Spannungsverringerung verwendet wird.
Aus der US 5,412,341 A ist ein Stromversorgungssystem bekannt, das zur Ausgabe einer Spannung an eine Last von einer ersten bzw. einer zweiten Leistungsquelle umschaltbar ist und einen Gleichstromwandler mit einem ersten Schaltelement zum Anlegen einer Eingangsspannung an die Last, einem zweiten Schaltelement zum Verbinden der Last mit Masse, und einer Steuerschaltung, die das erst Schaltelement und das zweite Schaltelement bei Empfang eines ersten Wählsignals ohne Überlappung der Einschaltzeitspannen des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements ein- und ausschaltet; derart, dass das zweite Schaltelement nicht eingeschaltet wird, wenn die Ausgangsspannung fällt, und einen Serienregler zur Ausgabe einer Spannung an die Last umfasst, die gegenüber der Eingangsspannung verringert ist, wenn ein zweites Wählsignal eingegeben wird.
Die US 6,091,234 A offenbart ein Stromversorgungssystem zur Ausgabe einer Spannung an eine Last, das eine Gleichstromwandler umfasst mit einem ersten Schaltelement zum Anlegen einer Eingangsspannung an die Last, einem zweiten Schaltelement zum Verbinden der Last mit Masse, und einer Steuerschaltung, die des erste Schaltelement und das zweite Schaltelement ohne Überlappung der Einschaltzeitpannen des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements ein- und ausschaltet, wobei beim Starten des Wandlers das zweite Schaltelement für eine bestimmte Zeitspanne nicht eingeschaltet wird.
6 zeigt ein Schaltbild eines herkömmlichen Stromversorgungssystems. Gemäß Darstellung umfaßt es einen Gleichstromwandler 40 und einen Serienregler 50, der parallel zum Gleichstromwandler 40 geschaltet ist. Ausgangsanschlüsse des Gleichstromwandlers 40 und des Serienreglers 50 sind mit einem Kondensator C3 und einer Last 60 verbunden.
Der Gleichstromwandler 40 arbeitet bei Empfang eines Befähigungssignals EN1. Der Serienregler 50 arbeitet bei Empfang eines Befähigungssignals EN2.
Die Befähigungssignale EN1 und EN2 werden dem Gleichstromwandler 40 bzw. dem Serienregler 50 nach Maßgabe dessen geliefert, ob die Last 60 eine hohe Last oder eine geringe Last darstellt. Wenn die Last 60 gering ist, wird das Befähigungssignal EN2 dem Serienregler 50 geliefert. Wenn die Last 60 hoch wird und der Leistungswirkungsgrad des Gleichstromwandlers denjenigen des Serienreglers 50 übersteigt, wird das Befähigungssignal EN1 dem Gleichstromwandler 40 geliefert.
Der Gleichstromwandler 40 umfaßt eine PWM-Steuerschaltung 41, Treiber Z3 und Z4, Transistoren Q3 und Q4, Dioden D3 und D4 und eine Drossel L3.
Der Gleichstromwandler 40 ist ein synchroner Abwärts-Gleichstromwandler. Bei dem synchronen Gleichrichtungssystem, ist die Diode, die als Gleichrichterelement bei dem herkömmlichen System anstelle des Transistors Q4 verwendet würde, durch den Transistor Q4 ersetzt, der einen geringem Durchlaßwiderstand aufweist. Die Transistoren Q3 und Q4 werden komplementär ein- und ausgeschaltet und steuern die Ausgangsspannung durch das Tastverhältnis des Transistors Q3. Leitungsverluste können durch Verwendung des Transistors Q4 mit niedrigem Durchlaßwiderstand anstelle einer Diode verringert werden.
Die PWM-Steuerschaltung 41 empfängt eine Rückkopplungsspannung an einem Anschluß der Drossel L3 und gibt Schaltsignale OUT1 und OUT2 aus, die nach Maßgabe der Rückkopplungsspannung pulsweitenmoduliert sind.
Die Treiber Z3 und Z4 treiben die Transistoren Q3 bzw. Q4 als Reaktion auf die Schaltsignale OUT1 bzw. OUT2, die von der PWM-Steuerschaltung 41 ausgegeben werden.
Der Transistor Q3 ist ein N-Kanal-MOS-Transistor. Wenn das Schaltsignal OUT1 am Gate des Transistors Q3 auf hohem Pegel ist, das heißt H ist, schaltet der Transistor ein (läßt den Stromfluß zwischen seiner Source und seiner Drain zu) und überträgt die Eingangsspannung Vin an die Drossel L3. Eine parasitäre Diode D3 des Transistors Q3 liegt zwischen Source und Drain des Transistors Q3.
Der Transistor Q4 ist ein N-Kanal-MOS-Transistor. Wenn das Schaltsignal OUT2 am Gate des Transistors Q4 H ist, schaltet der Transistor Q4 ein (läßt Stromfluß zwischen seiner Source und seiner Drain zu) und verbindet die Drossel L3 mit Masse. Eine parasitäre Diode D4 des Transistors Q4 liegt zwischen Source und Drain des Transistors Q4.
7 ist ein Zeitdiagramm, welches das der PWM-Steuerschaltung zugeführte Befähigungssignal EN1 und die von der PWM-Steuerschaltung ausgegebenen Signale OUT1 und OUT2 zeigt. Die PWM-Steuerschaltung 41 gibt die Schaltsignale OUT1 und OUT2 nach Übergang des Befähigungssignals EN1 vom Zustand L zum Zustand H aus, wie in 7 gezeigt. Die Schaltsignale OUT1 und OUT2 werden so ausgegeben, daß sie zueinander phasenverkehrt sind, das heißt, wenn eines der Schaltsignale den Zustand H aufweist, weist das andere den Zustand L auf und umgekehrt. Allerdings werden die Schaltsignale OUT1 und OUT2 von der PWM-Steuerschaltung 41 so ausgegeben, daß eine Totzeit td zwischen den H-Zuständen des einen Schaltsignals OUT1 und einem H Zustand des anderen Schaltsignals OUT2 liegt, damit verhindert wird, daß die Transistoren Q3 und Q4 gleichzeitig leitend sind. Das Tastverhältnis D des Gleichstromwandlers für die Einschaltzeitspanne ist unabhängig vom Ausgangsstrom durch nachstehende Gleichung (1) gegeben: D = Vout/Vin (1)
Wenn der Betrieb des Stromversorgungssystems vom Serienregler zum Gleichstromwandler umschaltet, ergibt sich, falls ein anfängliches Einschaltzeitspannen-Tastverhältnis D0 unmittelbar nach Umschalten der Stromquelle kleiner ist als das Einschaltzeitspannen-Tastverhältnis D, wie es sich aus Gleichung (1) ergibt, eine überlange Einschaltzeitspanne des Transistors Q4 während des Intervalls des Übergangs von dem anfänglichen Tastverhältnis D0 zu dem Tastverhältnis D infolge einer Verzögerung der PWM-Steuerschaltung 41. Folglich fließt unmittelbar nach Umschaltung der Stromquelle ein von Ladungen im Kondensator C3 herrührender Strom zurück vom Kondensator C3 über die Drossel L3 und den Transistor Q4 nach Masse. Als Folge davon nimmt die Ausgangsspannung Vout vom Gleichstromwandler 40 vorrübergehend deutlich ab. 8 ist ein Zeitdiagramm, das die Ausgangsspannung des Stromversorgungssystems und die Befähigungssignale zeigt, die dem Stromversorgungssystem geliefert werden. Wie in 8 gezeigt, ändert sich zum Zeitpunkt t1 der Zustand des Befähigungssignals EN1 von L zu H und derjenige des Befähigungssignals EN2 von H zu L, um die Stromquelle vom Serienregler 50 auf den Gleichstromwandler 40 umzuschalten. Die Ausgangsspannung vom Gleichstromwandler 40 nimmt vorübergehend deutlich ab, wie in 8 gezeigt.
Wie voranstehend beschrieben, ergibt sich bei dem herkömmlichen Stromversorgungssystem das Problem, daß zum Zeitpunkt der Umschaltung der Stromquelle vom Serienregler 50 auf den Gleichstromwandler 40 die Einschaltzeitspanne des Transistors Q4 übermäßig lang wird, was einen Rückstromfluß durch den Transistor Q4 nach Masse zur Folge hat, welcher zu einem Abfall der Ausgangsspannung führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Stromversorgungssystem zu schaffen, das in der Lage ist, den Abfall der Ausgangsspannung zum Zeitpunkt der Umschaltung der Stromquelle von einem Serienregler zu einem Gleichstromwandler zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Stromversorgungssystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wenn bei dieser Lösung die Stromquelle von dem Serienregler zum Gleichstromwandler umgeschaltet wird, wird verhindert, daß ein Rückstrom über das zweite Schaltelement zurück nach Masse fließt, weil die Anzahl von Einschaltungen bzw. das durchschnittliche Zeitintervall der Einschaltzeitspanne des zweiten Schaltelements zur Verbindung der Last nach Masse allmählich zunimmt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch das Prinzip eines Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 ein Schaltbild eines Stromversorgungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3 ein Zeitdiagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Schrittsignal und einem Befähigungssignal zeigt, welche der PWM-Steuerschaltung zugeführt werden, sowie den Schaltsignalen, die von der PWM-Steuerschaltung ausgegeben werden,
4 ein Zeitdiagramm des Schrittsignals, das der PWM-Steuerschaltung geliefert wird,
5 ein Zeitdiagramm der Ausgangsspannung des Stromversorgungssystems sowie der Befähigungssignale und des Schrittsignals als Eingangssignals zum Stromversorgungssystem,
6 ein Schaltbild eines herkömmlichen Stromversorgungssystems,
7 ein Zeitdiagramm des der PWM-Steuerschaltung gelieferten Befähigungssignals sowie der Ausgangssignale von der PWM-Steuerschaltung bei dem herkömmlichen Stromversorgungssystem, und
8 ein Zeitdiagramm der Ausgangsspannung des Stromversorgungssystems sowie der Befähigungssignale bei dem herkömmlichen Stromversorgungssystem.
1 zeigt das Prinzip eines Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte Stromversorgungssystem umfaßt einen Gleichstromwandler 1 und einen Serienregler 2. Der Gleichstromwandler 1 enthält eine Steuerschaltung 1a, Schaltelemente SW1 und SW2, eine Freilaufdiode D1 und eine Drossel L1. 1 zeigt zugleich Spannungsverläufe A1 und A2 von Schaltsignalen s1 und s2, die von der Steuerschaltung 1a ausgegeben werden.
Der Gleichstromwandler 1 und der Serienregler 2 sind parallel geschaltet. Ausgangsanschlüsse des Gleichstromwandlers und des Serienreglers 2 sind mit einem Kondensator C1 und einer Last 3 verbunden.
Der Gleichstromwandler 1 verringert die Eingangsspannung Vin und gibt die verringerte Spannung an die Last 3, wenn ein erstes Wählsignal EN1 eingegeben wird. Der Serienregler 2 verringert die Eingangsspannung Vin und gibt die verringerte Spannung an die Last 3, wenn ein zweites Wählsignal EN2 eingegeben wird.
Das erste Wählsignal EN1 oder das zweite Wählsignal EN2 wird dem Gleichstromwandler 1 bzw. dem Serienregler 2 abhängig davon eingegeben, ob die Last 3 eine starke Last oder eine schwache Last ist. Wenn die Last 3 schwach, wird das zweite Wählsignal EN2 an den Serienregler 2 angelegt. Wenn die Last dagegen stark ist und der Leistungswirkungsgrad des Gleichstromwandlers 1 den des Serienreglers 2 übersteigt, wird das erste Wählsignal EN1 an den Gleichstromwandler 1 angelegt. Somit werden die beiden Wählsignale EN1 und EN2 nicht gleichzeitig den beiden Arten von Stromquellen zugeführt.
Die Steuerschaltung 1a gibt bei Empfang des ersten Wählsignals EN1 Schaltsignale s1 und s2 aus, welche die Schaltelemente SW1 und SW2 ein und ausschalten. Die Steuerschaltung 1a gibt dabei das Schaltsignal s2 so aus, daß die Anzahl von Einschaltung des Schaltelements SW2 allmählich zunimmt.
Das erste Wählsignal EN1 wird dem Gleichstromwandler zu einem Zeitpunkt t1 geliefert. Die Steuerschaltung 1a gibt das Schaltsignal s1 mit dem Spannungsverlauf A1 aus und schaltet das Schaltelement SW1 ein und aus. Die Steuerschaltung 1a gibt das Schaltsignal s2 mit dem Spannungsverlauf A2 aus, wobei allmählich die Anzahl von Einschaltungen des Schaltelements SW2 zunimmt.
Das Schaltelement SW1 verbindet und trennt die Eingangsspannung Vin mit bzw. von der Last 3 nach Maßgabe des Schaltsignals s1, das von der Steuerschaltung 1a ausgegeben wird. Das Schaltelement SW2 verbindet und trennt die Last 3 mit bzw. von Masse nach Maßgabe des Schaltsignals s2, das ebenfalls von der Steuerschaltung 1a ausgegeben wird. Die Freilaufdiode D1 erlaubt den Strom in der Drossel L1 zu halten, wenn sich beide Schaltelemente SW1 und SW2 im Sperrzustand befinden. Der Widerstand der Diode D1 ist jedoch höher als der Durchlaßwiderstand des Schaltelements SW2.
Die Drossel L1 bewirkt eine Glättung der ein- und ausgeschalteten Eingangsspannung Vin, die von dem Ein-Aus-Betrieb des Schaltelements SW1 erzeugt wird. Der Kondensator C1 glättet die Ausgangsspannung Vout, die von dem Gleichstromwandler 1 ausgegeben wird.
Die Arbeitsweise des Stromversorgungssystems wird nachstehend beschrieben. Wenn sich die Last 3 von einer schwachen Last zu einer starken Last ändert, wird das erste Wählsignal EN1 an den Gleichstromwandler geliefert, um die Stromquelle von dem Serienregler 2 auf den Gleichstromwandler 1 umzuschalten.
Die Steuerschaltung 1a gibt die Schaltsignale s1 und s2 aus, um die Schaltelemente SW1 und SW2 ein- und auszuschalten, wie durch die Spannungsverläufe A1 und A2 dargestellt. Das Schaltsignal s2 von der Steuerschaltung 1a erhöht allmählich die Anzahl von Einschaltungen des Schaltelements SW2, wie durch den Spannungsverlauf A2 gezeigt.
Wenn die Stromquelle von dem Serienregler 2 auf den Gleichstromwandler 1 umgeschaltet wird, nimmt die Anzahl von Einschaltungen des Schaltelements SW2 (die proportional der mittleren Zeitspanne ist) zur Verbindung der Last 3 mit Masse allmählich zu. Demgemäß wird verhindert, daß ein Rückstrom, der von den Ladungen im Kondensator C1 herrührt, von dem Kondensator C1 über die Drossel L1 und das Schaltelement SW2 fließt, verhindert bzw. verringert, um den Abfall der Ausgangsspannung Vout für die Last 3 zu beseitigen bzw. zu verringern.
Einzelne Aspekte des beschriebenen Ausführungsbeispiels sollen nachfolgend detaillierter beschrieben werden.
2 ist ein Schaltbild des Stromversorgungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Stromversorgungssystem umfaßt zwei Arten von Stromquellen, nämlich einen Gleichstromwandler 10 und einen Serienregler 20. Der Gleichstromwandler 10 und der Serienregler 20 sind parallel geschaltet. Die Ausgangsstufen dieser Stromquellen sind mit einem Kondensator C2 und einer Last 30 verbunden.
Der Gleichstromwandler 10 verringert bei Empfang eines Befähigungssignals EN1 die Eingangsspannung Vin und gibt eine Ausgangsspannung Vout an die Last 30. Der Serienregler 20 verringert bei Empfang eines Befähigungssignals EN2 die Eingangsspannung Vin und gibt die Ausgangsspannung Vout an die Last 30.
Das Befähigungssignal EN1 oder EN2 wird dem Gleichstromwandler 10 bzw. dem Serienregler 20 nach Maßgabe dessen geliefert, ob die Last 30 eine schwache Last oder eine starke Last ist. Wenn die Last 30 schwach ist, wird das Befähigungssignal EN2 dem Serienregler 20 geliefert, der bei schwacher Last mit höherem Leistungswirkungsgrad arbeitet. Wenn sich die Last 30 von schwach zu stark ändert, wird das Befähigungssignal EN1 an den Gleichstromwandler 10 geliefert, der bei starker Last mit höherem Leistungswirkungsgrad arbeitet.
Der Gleichstromwandler 10 verringert die Eingangsspannung mit einem synchronen Gleichrichtungssystem. Der Gleichstromwandler 10 umfaßt eine PWM-Steuerschaltung 11, Treiber Z1 und Z2, Transistoren Q1 und Q2, Dioden D1 und D2 und eine Drossel L2.
Die PWM-Steuerschaltung 11 gibt Schaltsignale OUT1 und OUT2 zum Ein- und Ausschalten der Transistoren Q1 und Q2 bei Empfang des Befähigungssignals EN1 aus. Die PWM-Steuerschaltung 11 empfängt eine Rückkopplungsspannung von einem Anschluß der Drossel L2, deren anderer Anschluß mit dem Verbindungspunkt zwischen den Transistoren Q1 und Q2 verbunden ist. Pulsweitenmodulierte Schaltsignale OUT01 und OUT02 werden nach Maßgabe dieser Rückkopplungsspannung erzeugt. Das intern erzeugte Schaltsignal OUT01 wird als ein Ausgangssignal OUT1 von der PWM-Steuerschaltung 11 so ausgegeben, wie es erzeugt wird.
Ein Schrittsignal SR wird der PWM-Steuerschaltung 11 eingegeben. Wenn das Schrittsignal SR H ist, wird das intern erzeugte Schaltsignal OUT02 als Ausgangssignal OUT2 von der PWM-Steuerschaltung 11 so ausgegeben, wie es erzeugt wird. Wenn das Schrittsignal SR L ist, wird das intern erzeugte Schaltsignal OUT02 von dem Schrittsignal SR im Zustand L maskiert (oder gesperrt), und das von der PWM-Steuerschaltung 11 ausgegebene Schaltsignal OUT2 bleibt auf dem Wert L. 3 ist ein Zeitdiagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Schrittsignal und dem Befähigungssignal als Eingaben für die PWM-Steuerschaltung sowie den Schaltsignalen als Ausgaben von der PWM-Steuerschaltung zeigt. Ein tatsächlicher Betriebsablauf betreffend das Schrittsignal SR wird später beschrieben. Wie in 3 gezeigt gibt die PWM-Steuerschaltung das Schaltsignal OUT1 zum Ein- und Ausschalten des Transistors Q1 bei Empfang des Befähigungssignals EN1 aus. Die PWM-Steuerschaltung gibt das Schaltsignal OUT2 zum Ein- und Ausschalten des Transistors Q2 bei Empfang des Befähigungssignals EN1 und daneben bei Empfang des Schrittsignals SR aus.
Das heißt, die PWM-Steuerschaltung 11 gibt das Schaltsignal OUT1 bei Empfang des Befähigungssignals EN1 aus und gibt das Schaltsignal OUT2 bei zusätzlichem Empfang des Schrittsignals SR aus.
Bei normalem Betrieb gibt die PWM-Steuerschaltung 11 die Schaltsignale OUT1 und OUT2 aus, um die Transistoren Q1 und Q2 abwechselnd einzuschalten. Die PWM-Steuerschaltung 11 gibt die Schaltsignale OUT1 und OUT2 unter Einfügung einer Totzeit td zur Vermeidung einer Überlappung von H-Zuständen in den Signalen OUT1 und OUT2 aus, um zu verhindern, daß die Transistoren Q1 und Q2 gleichzeitig leitend werden.
Die PWM-Steuerschaltung 11 gibt das Schaltsignal OUT2 als Antwort auf die Eingabezeitspanne bzw. die Zeitspanne des Zustands H des Schrittsignals SR aus, welches der PWM-Steuerschaltung geliefert wird. Die Pulsweite des Schrittsignals SR nimmt nach jeder vorbestimmten Schrittperiode mit einem speziellen Schrittinkrement zu, so daß die Dauer der Einschaltzeitspanne des Transistors Q2 allmählich ansteigt.
4 zeigt ein Zeitdiagramm des Schrittsignals, welches der PWM-Steuerschaltung geliefert wird. Wie in 4 gezeigt sind n Schaltzyklen T zu einem Block zusammengefügt. Die Pulsweite des Schrittsignals SR im i-ten Block wird mit TSRi bezeichnet. TSRi gleicht mT, wobei m eine ganze Zahl von 0 bis n ist.
Wenn die Stromquelle zum Zeitpunkt t1 von dem Serienregler 20 auf den Gleichstromwandler 10 umgeschaltet wird, befindet sich das Schrittsignal SR im Zustand L im Block 0. In den nachfolgenden Blöcken nimmt die Pulsweite des Schrittsignals allmählich zu, so daß TSRi + 1 > TSRi.
Die PWM-Steuerschaltung 11 empfängt das Schrittsignal mit einer Impulsweite, die nach jeder vorbestimmten Schrittperiode um ein spezifiziertes Schrittinkrement zunimmt. Als Antwort auf dieses Schrittsignal SR gibt die PWM-Steuerschaltung 11 das Schaltsignal OUT2 aus, um allmählich die Anzahl von Einschaltungen des Transistors Q2 zu erhöhen.
Die Treiber Z1 und Z2 treiben die Transistoren Q1 und Q2 nach Maßgabe der Schaltsignale OUT1 und OUT2.
Der Transistor Q1 ist ein N-Kanal-MOS-Transistor. Der Transistor Q1 wird zwischen Source und Drain leitend, wenn das Schaltsignal OUT1 an seinem Gate den Zustand H annimmt und überträgt dann die Eingangsspannung Vin an die Drossel L2. Eine parasitäre Diode D1 des Transistors Q1 liegt parallel zur Source-Drain-Strecke des Transistors Q1.
Der Transistor Q2 ist ein N-Kanal-MOS-Transistor. Der Transistor Q2 wird zwischen Source und Drain leitend, wenn das Schaltsignal OUT2 an seinem Gate den Zustand H annimmt und verbindet dann die Drossel L2 mit Masse. Eine parasitäre Diode D2 des Transistors Q2 liegt parallel zur Source-Drain-Strecke des Transistors Q2.
Die Drossel L2 ist mit der Source des Transistors Q1 und der Drain des Transistors Q2 verbunden, und außerdem mit dem Kondensator C2 und der Last 30 verbunden. Die Arbeitsweise des Stromversorgungssystems von 2 wird nachfolgend unter Verwendung eines Zeitdiagramms beschrieben.
5 zeigt ein Zeitdiagramm der Ausgangsspannung Vout des Stromversorgungssystems sowie der Befähigungssignale EN1 und EN2 und des Schrittsignals SR, welche dem Stromversorgungssystem geliefert werden. Solange die Last 30 schwach ist, wird das Befähigungssignal EN1 nicht an den Gleichstromwandler 10 geliefert, das heißt es befindet sich im Zustand L, so daß der Gleichstromwandler 10 nicht arbeitet. Dafür wird das Befähigungssignal EN2 an den Serienregler 20 geliefert, das heißt das Befähigungssignal EN2 ist im Zustand H, und der Serienregler 20 arbeitet. Der Serienregler 20 setzt die Eingangsspannung Vin herab und liefert die entsprechend verringerte Ausgangsspannung Vout an die Last.
Wenn sich die Last 30 von schwach zu stark ändert, ändert sich das Befähigungssignal EN1 vom Zustand L zum Zustand H, und das Befähigungssignal EN2 vom Zustand H zum Zustand L. Folglich hört der Serienregler 20 auf zu arbeiten.
Die PWM-Steuerschaltung 11 des Gleichstromwandlers 10 gibt das Schaltsignal OUT1 zum Ein- und Ausschalten des Transistors Q1 aus, wenn sie das Befähigungssignal EN1 (mit Zustand H) empfängt. Die PWM-Steuerschaltung 11 empfängt das Schrittsignal SR mit allmählich zunehmenden Perioden im Zustand H und gibt das Schaltsignal OUT2 als Antwort auf dieses Schrittsignal SR aus, um allmählich die Anzahl von Einschaltungen des Transistors Q2 zu erhöhen.
Folglich nimmt die Anzahl von Verbindungen der Last 30 mit Masse bzw. die mittlere Zeit, während derer die Last 30 mit Masse verbunden ist, nach dem Umschalten der Stromquelle vom Serienregler 20 auf den Gleichstromwandler 10 allmählich zu. Daher wird ein Rückfluß elektrischen Stroms von dem Kondensator C2 durch die Drossel L2 und den Transistor Q2 nach Übergang der Stromquelle verhindert bzw. verringert. Dadurch wird der Abfall der Ausgangsspannung Vout, die an die Last 30 geliefert wird, verringert, wie in 5 gezeigt.
Wenn ein Serienregler während eines Bereitschaftszustands und ein Gleichstromwandler bei normalem Betriebszustand in einem elektronischen Gerät arbeiten, kann eine Fehlfunktion, beispielsweise ein unabsichtliches Rücksetzen, verhindert werden, die infolge eines Spannungsabfalls beim Wechsel der Stromquelle auftreten könnte.
Obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel beide Transistoren Q1 und Q2 N-Kanal-MOS-Transistoren sind, ist lediglich erforderlich, daß die Übertragung der Eingangsspannung Vin an die Last und die Verbindung der Last 30 mit Masse einander immer wieder abwechseln. Folglich können die Transistoren Q1 und Q2 beide auch P-Kanal-MOS-Transistoren sein, oder einer kann ein P-Kanal-MOS-Transistor und der andere ein N-Kanal-MOS-Transistor sein.
Die Arbeitsweise des Stromversorgungssystems wird im folgenden im Hinblick auf das Einschaltzeitspannen-Tastverhältnis des Gleichstromwandlers 10 beschrieben. Dabei wird die Arbeitsweise des Gleichstromwandlers 10 nach Übergang vom Serienregler 20 auf dem Gleichstromwandler 10 betrachtet.
Wenn die Last 30 eine starke Last darstellt, was bedeutet, daß ein hoher Ausgangsstrom erforderlich ist, solange die Ausgangsspannung Vout nicht abnimmt, ist der in der Drossel L2 fließende Strom kontinuierlich, während der Transistor Q2 im Gleichstromwandler 10 kontinuierlich im Sperrzustand ist, das heißt sich der Gleichstromwandler 10 in einem Modus kontinuierlichen Stroms befindet. In diesem Fall ist das Einschaltzeitspannen-Tastverhältnis des Gleichstromwandlers durch die eingangs angegebene Gleichung (1) ausgedrückt.
Es sein nun der Fall betrachtet, daß die Last 30 schwach ist und die Stromquelle vom Serienregler 20 auf den Gleichstromwandler 10 umgeschaltet wird. Der Stromfluß in der Drossel L2 ist intermittierend, während sich der Transistor Q2 im Gleichstromwandler 10 kontinuierlich im Sperrzustand befindet, das heißt, der Gleichstromwandler 10 befindet sich in einem Modus diskontinuierlichen Stroms. Das Einschaltzeitspannen-Tastverhältnis des Gleichstromwandlers in diesem Fall ist dargestellt durch die folgende Gleichung (2)
in der f = 1/(Ton + Toff) die Schaltfrequenz des Transistors Q1 ist und L die Induktivität der Drossel L2 ist.
Die Gleichung (2) ergibt sich wie folgt. Wenn der Transistor Q1 im Modus diskontinuierlichen Stroms einschaltet, ist der in das Stromversorgungssystem fließende elektrische Strom (Vin – Vout)t/L, wobei t die Zeit ist und L die Induktivität der Drossel L2 ist. Folglich ist die elektrische Leistung Pon, die vom Eingangsanschluß des Stromversorgungssystems an den Ausgangsanschluß geliefert wird, durch folgende Gleichung (3) dargestellt: Pon = Vin(Vin – Vout)t/L (3)
Durch Integration der Gleichung (3) von 0 bis Ton und Mittelwertbildung über eine Periode ergibt sich die mittlere Leistung Pav gemäß nachstehender Gleichung (4):
worin Ton und Toff die Einschalt- bzw. Ausschaltzeiten des Transistors Q1 sind.
Die Leistung Pav der Gleichung (4) gleicht der Ausgangsleistung Po des Stromversorgungssystems. Die Ausgangsleistung Po ergibt sich aus folgender Gleichung (5) aus dem Ausgangsstrom Iout und der Ausgangsspannung Vout. Po = IoutVout (5)
Da die Gleichungen (4) und (5) dieselbe Größe darstellen, kann die Gleichung (2) aus den folgenden Gleichungen (6a) und (6b) abgeleitet werden:
D² = ( Ton / Ton + Toff)² = 1 / Ton + Toff· 2LVoutIout / Vin(Vin – Vout) = f· 2LVoutIout / Vin(Vin – Vout) (6b)
Wenn der Transistor Q2 vom Sperrzustand in den Leitzustand geschaltet wird, ohne daß die Anzahl von Einschaltungen des Transistors Q2 allmählich zunimmt, ändert sich das Einschaltzeitspannen-Tastverhältnis im Modus kontinuierlichen Stroms nicht, und die Ausgangsspannung Vout ist konstant. Im Modus diskontinuierlichen Stroms tritt eine Zeitspanne auf, in der die Einschaltzeitspanne des Transistors Q2 aufgrund einer Verzögerung der Steuerung der PWM-Steuerschaltung 11 übermäßig lang ist und zwar beim Übergang vom Einschaltzeitspannen-Tastverhältnis, das durch die Gleichung (2) repräsentiert wird, zu dem Einschaltzeitspannen-Tastverhältnis, das durch die Gleichung (1) repräsentiert wird. Als Folge davon nimmt die Ausgangsspannung Vout merklich ab. Diese Abnahme der Ausgangsspannung Vout kann dadurch unterdrückt bzw. verringert werden, daß die Anzahl von Einschaltungen und folglich die Dauer der Einschaltzeitspanne des Transistors Q2 entsprechend dem Schrittsignal SR allmählich ansteigt.
Da, wie voranstehend beschrieben, die Anzahl von Einschaltungen des zweiten Schaltelements, welches die Last mit Masse verbindet, bei einem Stromversorgungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung allmählich zunimmt, wird ein Rückstrom, der durch das zweite Schaltelement nach Masse fließt, wenn die Stromquelle von einem Serienregler zu einem Gleichstromwandler umgeschaltet wird, unterdrückt bzw. verringert. Daher kann der Abfall der Ausgangsspannung bei Umschaltung der Stromquelle begrenzt werden.

Claims

Stromversorgungssystem zur Ausgabe einer Spannung an eine Last (30) umschaltbar von einer ersten bzw. einer zweiten Leistungsquelle, umfassend: einen Gleichstromwandler (10) mit einem ersten Schaltelement (Q1) zum Anlegen einer Eingangsspannung an die Last (30), einem zweiten Schaltelement (Q2) zum Verbinden der Last (30) mit Masse, und einer Steuerschaltung (11), welche das erste Schaltelement (Q1) und das zweite Schaltelement (Q2) bei Empfang eines ersten Wählsignals (EN1) ohne Überlappung der Einschaltzeitspannen des ersten Schaltelements (Q1) und des zweiten Schaltelements (Q2) ein- und ausschaltet derart, daß das zweite Schaltelement (Q2) m Male in einer Schrittperiode einschaltet, während derer das erste Schaltelement (Q1) n Male einschaltet, wobei n eine vorbestimmte ganze Zahl ist, und wobei 0 ≤ m ≤ n und mit jeder Schrittperiode zunimmt; und einen Serienregler (20) zur Ausgabe einer Spannung an die Last (30), die gegenüber der Eingangsspannung verringert ist, wenn ein zweites Wählsignal (EN2) eingegeben wird.
Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuerschaltung (11) Schrittsignale mit allmählich zunehmenden Impulsweiten empfängt und allmählich die Anzahl m von Einschaltungen des zweiten Schaltelements (Q2) mit jeder der Schrittperioden erhöht.
Stromversorgungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Impulsweite mit jeder Schrittperiode um ein spezielles Schrittinkrement zunimmt.
Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Wählsignal (EN1) dem Gleichstromwandler (10) und das zweite Wählsignal (EN2) dem Serienregler (20) nach Maßgabe der Stärke der Last (30) geliefert werden.
Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem das erste Wählsignal (EN1) und das zweite Wählsignal (EN2) einander ausschließen und nicht gleichzeitig an die Steuerschaltung geliefert werden.