DE3609731A1

DE3609731A1 - Verfahren zur regelung der ausgangsspannung eines schaltreglers sowie anordnung hierzu

Info

Publication number: DE3609731A1
Application number: DE19863609731
Authority: DE
Inventors: Siegfried Lechler
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1986-03-22
Filing date: 1986-03-22
Publication date: 1987-09-24
Anticipated expiration: 2006-03-23
Also published as: DE3609731C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Schaltreglers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung hierzu.

Ein solches Verfahren, bzw. eine Anordnung zum Durchführen eines solchen Verfahren ist beispielsweise bekannt aus Electronic Design 10, Mai 1978, Seiten 108 bis 113.

Eingangsspannungsänderungen wirken beim Schaltregler stark auf die Regelschleife ein. Beim Abwärtsregler (Buck-Regler) gilt folgende Gleichung für die Regelung:

mit Ua = Ausgangsspannung und Uo = Eingangsspannung. Zur Erzielung einer großen Genauigkeit der Ausgangsspannung ist ein relativ hohe Verstärkung im Regelkreis notwendig. Dies bringt jedoch Stabilitätsprobleme mit sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Schaltreglers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, der eine relativ konstante Ausgangsspannung auch bei variierender Eingangsgleichspannung liefert, ohne daß Stabilitätsprobleme auftreten.

Außerdem soll eine Schaltungsanordnung zum Durchführen dieses Verfahrens aufgezeigt werden. Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst und bezüglich der Schaltungsanordnung durch die Merkmale des Patentanspruchs 2. Der Anspruch 3 zeigt eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 2 auf.

Das Prinzip der Vorwärtsstellung bei einem Gleichspannungswandler ist an sich bekannt, beispielsweise aus der EP 30 026 A1. Dort sind zwei Halbleiterschalter vorgesehen. Ein erster Halbleiterschalter wird in Abhängigkeit des primärseitigen Energieaufnahmestroms gesteuert und ein zweiter Halbleiterschalter in Abhängigkeit der Spannung der Eingangsspannungsquelle. Eine Anregung hinsichtlich der Beeinflussung der Amplitude eines Sägezahngenerators gibt diese Veröffentlichung nicht.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht eine Regelung der Ausgangsspannung, wobei der Einfluß der Eingangsgleichspannung kompensiert ist. Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltreglers,

Fig. 2 die lineare Annäherung der Übertragungsfunktion des Funktionsverstärkers und

Fig. 3 die Beschaltung eines Operationsverstärkers zur linearen Nachbildung der Übertragungsfunktion.

Das Verfahren der Erfindung wird anhand eines Abwärtsreglers (Buck regulator) erläutert. Der Eingang des Schaltreglers - Eingangsspannung Uo - ist über das Stellglied TS bestehend aus einem Leistungstransistor und der Speicherdrossel L mit dem Ausgang - Ausgangsgleichspannung Ua - verbunden. Das Stellglied wird von einem Pulsdauermodulator PDM gesteuert. Der Pulsdauermodulator PDM besteht üblicherweise aus einem Komparator, der ein Sägezahnsignal mit einem Signal Ust proportional zur Höhe der Ausgangsspannung Ua vergleicht. Das Signal USt erscheint am Ausgang des Regelverstärkers RV. Das Sägezahnsignal wird von einem Sägezahngenerator SZ erzeugt. Zwischen die potentialführende Eingangsklemme 1 des Schaltreglers und den Steuereingang S des Sägezahngenerators SZ ist ein Funktionsverstärker FV geschaltet. Seine Übertragungsfunktion wird zu F/Uo ² gewählt; F ist hierbei ein Konstante.

Wird der Funktionsverstärker FV eingangsseitig mit der Eingangsgleichspannung Uo beaufschlagt, so erscheint an seinem Ausgang das Signal

Da für das Tastverhältnis t/T des Stellglieds ST gilt: t/T = Ust · Uz und Ua = Uo · t/T ist, ergibt sich für die Ausgangsspannung Ua und damit der Frequenzgang des Stellgliedes:

Der Einfluß der Eingangsspannung Uo ist somit eliminiert. Da in der Praxis der Bereich der Eingangsspannung Uo begrenzt ist, kann die Kompensation des Einflusses der Eingangsspannung mittels eines Operationsverstärkers OP erfolgen, wobei die Kennlinie F/Uo ² über dem Eingangsspannungsbereich durch eine Gerade angenähert wird (Fig. 2). Für einen Eingangsspannungsbereich kann ein an sich bekannter Funktionsverstärker verwendet werden, der die Funktion F/Uo ² nachbildet.

Fig. 3 zeigt den durch einen Operationsverstärker OP nachgebildeten Funktionsverstärker mit Beschaltung, sowie den Sägezahngenerator SZ und den Pulsdauermodulator PDM.

Um die gleichen Baugruppen von Fig. 1 und 3 einfacher identifizieren zu können, sind in den beiden Zeichnungen Bezugspunkte A bis D (umkreist) eingetragen. Der Operationsverstärker OP mit der Verstärkung Vo ist an seinem nichtinvertierenden Eingang mit der Referenzgleichspannung Ur beaufschlagt. Sein invertierender Eingang ist über den ersten Widerstand R 1 mit der potentialführenden Eingangsklemme 1 des Schaltreglers verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist an den Amplitudensteuereingang S des Sägezahngenerators SZ angeschlossen. Zwischen Ausgang und invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP ist der zweite Widerstand R 2 geschaltet. Ein dritter Widerstand R 3 ist zwischen der nicht potentialführenden Eingangsklemme 2 des Schaltreglers und dem invertierenden Eingang vorgesehen. Die Widerstände R 1, R 2 und R 3 sind so bemessen, daß für den Eingangsgleichspannungsbereich gemäß Fig. 2 eine lineare Annäherung der Funktion F/Uo ² erreicht wird. Wenn der Widerstand R 1 den Wert R aufweist und R 2 zu R · b sowie R 3 zu R/a bezüglich ihrer Werte gewählt sind, gelten die folgenden Beziehungen (vgl. Fig. 2):

U _x = Ur (1 + b (1 + a)

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung (Ua) eines Schaltreglers, dessen Stellglied (TS) über einen Pulsdauermodulator (PDM) betrieben wird, wobei der Pulsdauermodulator (PDM) ein von der Ausgangsspannung (Ua) des Schaltreglers abgeleitetes Signal mit einem Ausgangssignal (Uz) eines Sägezahngenerators (SZ) vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Sägezahngenerators (SZ) in reziproker Abhängigkeit von der Höhe der Eingangsgleichspannung (Uo) des Schaltreglers verändert wird.

2. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einen Steuereingang (S) des Sägezahngenerators (SZ) und die potentialführende Eingangsklemme (1) des Schaltreglers ein Funktionsverstärker (FV) geschaltet ist, dessen Übertragungsfunktion gewählt ist zu:
F/Uo ² wobei F eine Konstante und Uo die Höhe der Eingangsgleichspannung ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsverstärker (FV) durch einen Operationsverstärker realisiert ist, daß der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers mit einer Referenzspannung (Ur) beaufschlagt ist, daß der invertierende Eingang des Operationsverstärkers über einen ersten Widerstand (R 1) mit der potentialführenden Eingangsklemme des Schaltreglers verbunden ist, daß der Ausgang des Operationsverstärkers an den einen Amplitudensteuereingang des Sägezahngenerators (SZ) angeschlossen ist, daß zwischen Ausgang und invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ein zweiter Widerstand (R 2) geschaltet ist, daß zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und der nichtpotentialführenden Eingangsklemme des Schaltreglers ein dritter Widerstand (R 3) vorgesehen ist, und daß die Beschaltungswiderstände (R 1, R 2, R 3) des Operationsverstärkers derart bemessen sind, daß für den Eingangsgleichspannungsbereich des Schaltreglers eine lineare Annäherung der Funktion F/Uo ² erreicht wird.