DE19725440A1

DE19725440A1 - Gleichspannungs/Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE19725440A1
Application number: DE1997125440
Authority: DE
Inventors: Andre Dipl Ing Mueller
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1997-06-16
Publication date: 1998-12-24

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungs/Gleich spannungswandler zur Transformation einer ersten in eine zweite Gleichspannung mit einem Tiefsetzsteller, der einen von einer ersten Ansteuerschaltung angesteuerten Längsschal ter, eine Freilaufdiode und eine Längsinduktivität aufweist, mit einem dem Tiefsetzsteller nachgeschalteten Hochsetzstel ler, der einen von einer zweiten Ansteuerschaltung angesteu erten Querschalte, eine Längsdiode und einen Speicherkonden sator aufweist sowie mit zumindest einem Komparator zum Ver gleich eines Spannungs- oder Stromwertes mit einem Sollwert, wobei der Ausgang des Komparators einem Steuereingang zumin dest einer Ansteuerschaltung zugeführt ist.

Wandler der gegenständlichen Art sind bekannt geworden und beispielsweise in dem Buch "Schaltnetzteile", W. Hirschmann, Berlin, München 1990, ISBN 3-8009-1550-2 in Kapitel 3.1.4 in allgemeiner Art beschrieben, wobei der Umstand hervorgehoben wird, daß sich die Ausgangsspannung auf nahezu jeden ge wünschten Wert bringen läßt.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines der artigen Wandlers, der neben seinen bekannten Vorteilen auch einen definierten Maximalstrom erzeugen soll. In Ausnahmefäl len soll der Ausgang der Schaltung bis zum Kurzschluß belast bar sein, ohne daß die Verlustleistung stark ansteigt, wobei nach Wegnahme einer solchen Überlast in definierter Zeit die Nominalspannung wieder erreicht wird. Eine Gefährdung der Schalttransistoren soll auch beim Einschalten oder bei ra schen Lastwechseln nicht gegeben sein. Diese Forderungen wer-. den im besonderen bei der Speisung von S0-Schnittstellen bei ISDN-Endgeräten gestellt, bei welchen eine konstante Aus gangsspannung, meist 40 Volt, unabhängig von Schwankungen der Eingangspannung oder von dem An- oder Abstecken von Endgerä ten gefordert wird.

Die bisherigen Lösungsansätze für die angegebene Problematik haben entweder Aufwärtsregler mit nachgeschalteter linearer Strombegrenzung vorgesehen, was zu einer sehr großen Verlust leistung im Längsregler führt, oder es werden Aufwärtsregler mit einem nachgeschalteten Stromfühler zur Abschaltung ver wendet. Die letztgenannte Lösung hat den Nachteil, daß bis zur Abschaltung z. B. im Kurzschlußfall, eine große Verlust leistung auftritt und die Beendigung eines Kurzschlusses oft nicht erkannt wird.

Ausgehend von einem Wandler der eingangs genannten Art sieht die Erfindung zur Lösung der genannten Aufgabe und Probleme vor: Einen Spannungskomparator zum Vergleich der Ausgangs spannung mit einem ersten Referenzwert, einen ersten Strom komparator zum Vergleich des von einem Stromsensor erfaßten Ausgangsstromes mit einem zweiten Referenzwert und mit einem zweiten Stromkomparator zum Vergleich des von einem Stromsen sor erfaßten Eingangsstroms mit einem Maximalwert, wobei ei nem Steuereingang der ersten Ansteuerschaltung über eine er ste Verknüpfungsschaltung sowohl der Ausgang des ersten Stromkomparators als auch der Ausgang des zweiten Stromkompa rators für den Maximalwert des Eingangsstroms so zugeführt sind, daß der Längsschalter geöffnet wird, falls der Ein gangsstrom oder der Ausgangsstrom voreingestellte Werte über schreiten, und einem Steuereingang der zweiten Ansteuerschal tung über eine zweite Verknüpfungsschaltung sowohl der Aus gang des Spannungskomparators als auch des zweiten Stromkom parators für den Maximalwert des Eingangsstroms so zugeführt sind, daß der Querschalter geöffnet wird, falls der Ein gangsstrom oder die Ausgangsspannung voreingestellte Werte überschreiten.

Die Erfindung schafft einen Wandler mit vielen Vorteilen: Im Normalbetrieb arbeitet der Wandler als Hochsetzsteller, wobei der Längsschalter durchgeschaltet ist. Steigt der Ausgangs strom über einen vorgegebenen Wert, so wird der Querschalter ausgeschaltet und der Längsschalter im Sinne einer Regelung des Ausgangsstromes getaktet, wobei der Wandler als Strom quelle arbeitet. Bei Überschreiten eines maximalen Eingang stromes werden beide Schalter ausgeschaltet, so daß auch eine wirksame Strombegrenzung bei zu hohen Eingangsspannungen und/oder beim Einschalten gegeben ist.

Zur einfachen und kostengünstigen Realisierung der Ansteuer schaltungen ist es zweckmäßig, wenn diese taktflankengesteu erte Flipflops und einen Taktgenerator aufweisen. Dabei weist mit Vorteil die Ansteuerschaltung des Hochsetzstellers ein als Toggle-Flipflop geschaltetes, taktflankengesteuertes Flipflop auf.

Falls das Ist-Signal des Stromsensors dem Stromkomparator mit einer Zeitkonstante behaftet zugeführt ist, läßt die Schal tung kurzfristige Überströme zu, die beispielsweise beim Zu schalten weiterer Verbraucher, z. B. ISDN-Endgeräten, auftre ten.

Die Abschaltdauer des Hochsetzstellers läßt sich einfach be stimmen, falls das Ausgangssignal des Stromkomparators dem Steuereingang der zweiten Ansteuerschaltung mit einer Zeit konstante behaftet zugeführt ist.

Im Hinblick auf ihre günstigen Eigenschaften bevorzugte ge steuerte Schalter sind IGFET-Transistoren.

Der Wandler nach der Erfindung ist besonders zur Verwendung für die Spannungsversorgung der S0-Schnittstellen von ISDN- Geräten geeignet, doch läßt er sich selbstverständlich über all dort einsetzen, wo die eingangs angegebenen Forderungen erfüllt werden sollen.

Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Erfindung und

Fig. 2 einen Teil der Schaltung mit Realisierung der gesteuer ten Schalter durch MOS-FET-Transistoren.

Gemäß Fig. 1 führt der Hauptstrompfad des Gleichspan nungs/Gleichspannungswandlers nach der Erfindung von einer positiven Eingangsspannung UE über einen Meßwiderstand R_IM, einen Längsschalter S1, eine Induktivität L und eine Diode D2 zu dem +40 V Anschluß der Ausgangsspannung U_A, welche den S0- Bus einer ISDN-Endstelle speist. An dem Verbindungspunkt des gesteuerten Schalters S1 mit der Induktivität L liegt die Ka thode einer Freilaufdiode D1, deren Anode an Masse liegt. Auf die Diode D2 folgt noch ein gegen Masse geschalteter Spei cherkondensator C. Der Ausgangsstrom I_A fließt über die nicht gezeigte, angeschlossene Last, nämlich ISDN-Endgeräte, über einen Meßwiderstand R₁ für den Strom gegen eine Masse zurück. Die Leistungsabgabe liegt im Normalfall typischerweise zwi schen 0 und 4 Watt, entsprechend einem Ausgangsstrom zwischen 0 und 100 mA.

Der Schalter S1 wird von einem taktflankengesteuerten D-Flipflop FF1 angesteuert, dessen Takteingang CLK die Signale eines Taktgenerators TG zugeführt werden. Wie aus dem Detail der Fig. 2 ersichtlich, ist der Schalter S1 bei diesem Aus führungsbeispiel als p-Kanal- IGFET-Transistor ausgebildet. Dessen Ansteuerung erfolgt vom Q-Ausgang des Flipflop FF1 über einen Widerstand R6 und einen npn-Transistor Tr. Ein Wi derstand R5 liegt zwischen Drain und Gate des Schalttransi stors S1.

Der Schalter S2 wird von einem zweiten, taktflankengesteuer ten D-Flipflop FF2 über dessen Q-Ausgang angesteuert. Der Schalter S2 ist als n-Kanal-IGFET-Transistor realisiert, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Das Flipflop FF2 ist gleichfalls an seinem Takteingang CLK von dem Taktgenerator TG angesteuert und durch Verbinden seines Q-Ausganges mit seinem D-Eingang als sogenanntes Toggle-Flipflop geschaltet, das im üblichen Betriebszustand ständig mit halber Taktfrequenz hin- und her schaltet ("toggelt").

Am Ausgang des Wandlers ist ein aus zwei Widerständen R3, R4 und einem Siebkondensator C3 bestehender Spannungsteiler vor gesehen, dessen Ausgang einem Eingang eines Spannungskompara tors KU zugeführt ist. An den anderen Eingang des Komparators KU ist eine erste Referenzspannung U_Ref1 gelegt. Der Ausgang des Spannungskomparators KU führt zu einem Eingang einer Ver knüpfungsschaltung, hier eines ODER-Gatters OG2, dessen Aus gang über einen Widerstand R1 mit dem PRE-Eingang des zweiten Flipflops FF2 verbunden ist. Zwischen diesem PRE-Eingang und Masse liegt ein Kondensator C1.

Die Spannung an dem Meßwiderstand R₁ am Ausgang des Wandlers wird über ein RC-Glied R2, C2 einem Eingang eines weiteren Komparators, hier erster Stromkomparator KI genannt, obwohl Spannungen verglichen werden, zugeführt, an dessen anderem Eingang eine zweite Referenzspannung U_Ref2 liegt. Der Ausgang des ersten Stromkomparators KI ist mit einem Eingang einer zweiten Verknüpfungsschaltung, hier eines weiteren ODER- Gatters OG1 verbunden, dessen Ausgang zu dem CLR-Eingang des ersten Flipflops FF1 führt. Der Ausgang des Stromkomparators KI ist überdies dem PRE-Eingang des zweiten Flipflop FF2 zu geführt.

Die an dem eingangsseitig gelegenen Meßwiderstand R_IM anlie gende Spannung ist einem zweiten Komparator KIM zugeführt, der bei einer Spannung, welche einem vorgegebenen Maximalein gangsstrom I_Emax entspricht, an seinem Ausgang umschaltet. Der zweite Stromkomparator KIM ist hier vereinfacht dargestellt, denn im allgemeinen wird er gleichfalls eine hier nicht ge zeigte Referenz-Strom/Spannungsquelle zum Vergleich des Strom-Ist-Wertes mit seinem Maximal(referenz)wert I_Emax ent halten. Dieser Ausgang ist je einem Eingang sowohl des ODER- Gatters OG1 als auch des ODER-Gatters OG2 zugeführt.

Die Wandlerschaltung nach der Erfindung besteht im Prinzip aus einem Tiefsetzsteller S1-D1-L und einem nachgeschalteten Hochsetzsteller L-S2-D2-C und arbeitet wie folgt.

Über den Spannungsteiler R3/R4 und den Spannungskomparator KU erhält die Schaltung eine Information über die Höhe der Aus gangsspannung U_A, wogegen eine Information über die Höhe des Ausgangsstromes I_A über den ausgangsseitigen Meßwiderstand R_I und den ersten Stromkomparator KI geliefert wird. Im normalen Betriebsfall stellt sich die gewünschte Ausgangsspannung ein und bei Lastüberschreitung spricht die Stromregelung an, wo bei die Ausgangsspannung heruntergeregelt wird, ohne daß hierbei die Verlustleistung im Wandler erhöht oder der norma le geregelte Betrieb verlassen wird. Im einzelnen können fol gende Betriebszustände unterschieden werden.

Spannungsbetrieb

Der gesteuerte Längsschalter S1 ist geschlossen, und der Aus gang Q des zweiten Flipflop FF2 toggelt mit der halben Takt frequenz des Taktgenerators TG. Entsprechend wird der zweite gesteuerte Schalter S2 (Querschalter) angesteuert und die Eingangsspannung aufwärts geregelt. Sobald die durch die Spannung U_Ref1 vorgegebene Ausgangsspannung erreicht ist, wird der gesteuerte Schalter S2 ausgeschaltet und erst mit dem nächsten Taktsignal synchron wieder eingeschaltet.

Strombetrieb

Falls der durch die Spannung U_Ref2 vorgegebene Ausgangsstrom durch den Meßwiderstand RI erreicht ist, werden sowohl der Längsschalter S1 als auch der Querschalter S2 ausgeschaltet, wobei der Querschalter S2 über den Kondensator C1 für längere Zeit im Aus-Zustand gehalten wird. Anschließend wird der Strom I_A mittels des Längsschalters S1 geregelt. Falls die Überlast oder ein Kurzschluß wieder wegfallen, wird wieder spontan auf die gewünschte Ausgangsspannung U_A geregelt.

Spitzenstrombegrenzung

Für die Spitzenstrombegrenzung wird über den eingangsseitig gelegenen Meßwiderstand R_IM und den zweiten Komparator KIM für den Spitzenstrom ein Signal gewonnen und über die beiden ODER-Schaltungen OG1 und OG2 Eingängen der beiden Flipflops FF1 und FF2 zugeführt. Bei Erreichen eines vorgegebenen kri tischen Stromes, der z. B. dem Sättigungsstrom der Induktivi tät L (Drossel) oder dem Maximalstrom durch die Schalter S1, S2 (Transistoren) entspricht, werden über die beiden Flipf lops FF1 und FF2 sowohl der Längsschalter S1 als auch der Querschalter S2 abgeschaltet. Beide Schalter bzw. Transisto ren S1, S2 können jedoch bereits mit dem nächsten Taktsignal wieder eingeschaltet werden, wodurch sich keine Probleme bei einem hohen Einschaltstrom oder stark variablen Eingangsspan nungen ergeben.

Kurzzeitige Überschreitung des Laststroms

Kurzzeitige höhere Ströme, die z. B. beim Anstecken weiterer ISDN-Endgeräte an den S0-Bus auftreten können, werden wegen der Zeitkonstante R2/C2 toleriert.

Im Gegensatz zu anderen Spannungsversorgungen, die entweder nicht dauerkurzschlußfest sind oder im Einschaltstrom nicht strombegrenzt sind oder nicht synchron zu einem vorgegebenen Takt arbeiten bzw. im Überlastfall mit Abschaltung und einer gewissen Totzeit arbeiten, treten alle die genannten Probleme bei dem Spannungswandler nach der Erfindung nicht auf.

Claims

1. Gleichspannungs/Gleichspannungswandler zur Transformation einer ersten (UE) in eine zweite (U_A) Gleichspannung mit einem Tiefsetzsteller, der einen von einer ersten Ansteuer schaltung (TG, FF1) angesteuerten Längsschalter (S1) eine Freilaufdiode (D1) und eine Längsinduktivität (L) aufweist,
mit einem dem Tiefsetzsteller nachgeschalteten Hochsetz steller, der einen von einer zweiten Ansteuerschaltung (TG, FF2) angesteuerten Querschalter (S2), eine Längsdiode (D2) und einen Speicherkondensator (C) aufweist
sowie mit zumindest einem Komparator zum Vergleich eines spannungs- oder Stromwertes mit einem Sollwert, wobei der Ausgang des Komparators einem Steuereingang zumindest einer Ansteuerschaltung zugeführt ist, gekennzeichnet durch
einen Spannungskomparator (KU) zum Vergleich der Ausgangs spannung mit einem ersten Referenzwert (U_Ref1),
einen ersten Stromkomparator (KI) zum Vergleich des von ei nem Stromsensor (R₁) erfaßten Ausgangsstromes (I_A) mit ei nem zweiten Referenzwert (U_Ref2)
und mit einem zweiten Stromkomparator (KIM) zum Vergleich des von einem Stromsensor (R_IM) erfaßten Eingangsstroms (I_E) mit einem Maximalwert (I_Emax),
wobei einem Steuereingang der ersten Ansteuerschaltung (TG, FF1) über eine erste Verknüpfungsschaltung (OG1) sowohl der Ausgang des ersten Stromkomparators (KI) als auch der Aus gang des zweiten Stromkomparators (KIM) für den Maximalwert des Eingangsstroms so zugeführt sind, daß der Längsschalter (S1) geöffnet wird, falls der Eingangsstrom (I_E) oder der Ausgangsstrom (I_A) voreingestellte Werte überschreiten,
und einem Steuereingang der zweiten Ansteuerschaltung (TG, FF2) über eine zweite Verknüpfungsschaltung (OG2) sowohl der Ausgang des Spannungskomparators (KU) als auch des zweiten Stromkomparators (KIM) für den Maximalwert des Ein gangsstroms so zugeführt sind, daß der Querschalter (S1) geöffnet wird, falls der Eingangsstrom (I_E) oder die Aus gangsspannung (U_A) voreingestellte Werte überschreiten.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltungen taktflankengesteuerte Flipflops (FF1, FF2) und einen Taktgenerator (TG) aufweisen.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung des Hochsetzstellers ein als Toggle- Flipflop geschaltetes, taktflankengesteuertes Flipflop (FF2) aufweist.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Istsignal des Stromsensors (R₁) dem Stromkomparator (KI) mit einer Zeitkonstante (R2.C2) behaf tet zugeführt ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausgangssignal des Stromkomparators (KI) dem Steuereingang (PRE) der zweiten Ansteuerschaltung (TG, FF2) mit einer Zeitkonstante (R1.C1) behaftet zugeführt ist.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die gesteuerten Schalter (S1, S2) IGFET- Transistoren sind.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verwendung für die Spannungsversorgung der S0-Schnittstelle von ISDN- Endgeräten.