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Dokumentenidentifikation DE10138536B4 22.02.2007
Titel Schaltungsanordnung zur Netzausfallüberbrückung bei Schaltungen mit einem Schaltregler
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bodenmüller, Gerd, 76227 Karlsruhe, DE
DE-Anmeldedatum 06.08.2001
DE-Aktenzeichen 10138536
Offenlegungstag 20.02.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse H02M 3/07(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02J 9/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H02M 3/155(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Netzausfallüberbrückung bei Schaltungen mit Schaltreglern, insbesondere bei Tiefsetzstellern, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Tiefsetzsteller, auch als Abwärtswandler oder Step-Down-Converter bezeichnet, kommen in verschiedensten Stromversorgungsgeräten zum Einsatz. Eine wichtige Anwendung bilden Schaltnetzteile.

Schaltregler sind Stromversorgungseinrichtungen mit unstetiger Regelung. Sie wandeln eine an einem Eingang anliegende Gleichspannung in eine andere Gleichspannung um. Schaltregler haben gegenüber stetigen Reglern den Vorteil eines hohen, nahezu spannungsunabhängigen Wirkungsgrades. Insbesondere die Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang des Schaltreglers beeinflusst den Wirkungsgrad kaum.

Ein Step-Down-Converter wandelt eine größere Gleichspannung in eine kleinere um. Das geschieht, indem die am Eingang anliegende Gleichspannung über elektronische Schalter an den Ausgang geführt wird. Werden die elektronischen Schalter abwechselnd geöffnet und geschlossen, so liegt am Ausgang nur zeitweise eine Spannung an. Deren Verlauf wird im Wesentlichen bestimmt durch das Schaltverhalten der elektronischen Schalter. Im Idealfall liegt am Ausgang des Schaltungs-ICs des Step-Down-Converters (umfassend einen Eingangskondensator; das Schaltungs-IC, eine Freilaufdiode, eine Speicherdrossel, einen Ausgangskondensator) eine Rechteckspannung an.

Auf jeden Fall liegt jedoch am Ausgang eine Spannung mit einem pulsförmigen Verlauf an. Diese pulsförmige Ausgangsspannung wird über einen herkömmlichen Tiefpass geglättet. Dadurch erhält man eine Gleichspannung, die etwa dem zeitlichen Mittelwert der pulsförmigen Ausgangsspannung entspricht.

Bei zumindest annähernd periodischen Spannungsverläufen, um die es sich in den meisten Fällen bei der pulsförmigen Ausgangsspannung handelt, ist der Mittelwert der Ausgangsspannung dem so genannten Tastgrad direkt proportional. Der Tastgrad ist definiert als das Verhältnis von Einschaltzeit zur Periodendauer. Er bestimmt somit die Höhe der geglätteten Ausgangsspannung. Idealerweise ist der Mittelwert der Ausgangsspannung gleich dem Produkt aus Eingangsspannung und Tastgrad.

Der Tastgrad kann einstellbar oder konstant sein, was zu einem einstellbaren oder konstanten Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung führt. In vielen Anwendungen wird jedoch über einen variablen Tastgrad die Ausgangsspannung geregelt.

Schaltregler, Step-Down-Converter eingeschlossen, werden in großer Typenvielfalt als integrierte Schaltkreise angeboten.

Bei vielen elektrischen oder elektronischen Geräten ist es erwünscht oder notwendig, dass ihre Funktionsfähigkeit im Fall einer Unterbrechung der Netzversorgung eine bestimmte Zeit aufrecht erhalten wird. Das trifft in besonderem Maße auf Schaltungen zu, die selbst der Stromversorgung anderer Baugruppen oder Geräte dienen.

Bei Schaltreglern ist es daher üblich, die Eingangsspannung über eine entsprechende Kapazität zu puffern. Hierfür sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Eine Möglichkeit besteht in der Aufladung eines Kondensators auf den Wert der Eingangsspannung. Da es ohnehin üblich ist, die Eingangsspannung mit Hilfe eines Kondensators zu glätten, bietet es sich an, die Kapazität dieses Glättungskondensators so zu wählen, dass er gleichzeitig als Puffer für einen evtl. eintretenden Spannungsausfall dienen kann. Kommt es zum Netzausfall, beginnt sich der Kondensator zu entladen. Dabei sinkt die am Eingang des Schaltreglers anliegende Spannung kontinuierlich ab. Üblicherweise haben Schaltregler einen relativ weiten Bereich, in dem die Eingangsspannung liegen kann. Im Fall einer geregelten Ausgangsspannung zeigt diese keine Abweichungen, solange die Eingangsspannung im vorgeschriebenen Bereich liegt. Wenn jedoch die Eingangsspannung unter eine Mindestbetriebsspannung sinkt, die zum Betrieb des Schaltreglers erforderlich ist, kommt es zum Ausfall des Schaltreglers.

Die Zeit der wirksamen Überbrückung eines Netzausfalls hängt demnach davon ab, in welcher Zeit sich der Pufferkondensator so weit entlädt, dass sich seine Spannung vom ursprünglichen Wert der Eingangsspannung auf die Mindestbetriebsspannung verringert. Nachteilig ist diese Art der Pufferung besonders dann, wenn der Betrieb des Schaltreglers bei relativ niedrigen Eingangsspannungen, d. h. in der Nähe der Mindestbetriebsspannung erfolgt. In diesem Fall tritt bereits nach einer geringen Verminderung der vom Pufferkondensator bereitgestellten Spannung das Unterschreiten der Mindestbetriebsspannung des Schaltreglers ein. Um dennoch akzeptable Überbrückungszeiten zu erzielen, sind sehr große Kapazitäten erforderlich. Diese großen Kapazitäten werden durch Kondensatorbatterien realisiert, die für viele Anwendungen ein nicht zu vertretendes Gewichts- und Platzproblem mit sich bringen. Insbesondere bei Schaltungsanordnungen mit hoher Packungsdichte oder Größenvorgaben bezüglich der Gehäuseabmessungen ist das Platzproblem oft von ausschlaggebender Bedeutung, weshalb voluminöse Kondensatorbatterien vermieden werden müssen.

Es ist daher weiterhin bekannt, zusätzlich zum Glättungskondensator, der dann wesentlich kleiner sein kann, einen weiteren Kondensator auf eine Spannung aufzuladen, die der maximal zulässigen Betriebsspannung des Schaltreglers entspricht. Diese liegt in vielen Fällen deutlich über der tatsächlich verwendeten Eingangsspannung und beträgt nicht selten ein Mehrfaches der tatsächlich verwendeten Eingangsspannung. Dieser Kondensator ist nicht ständig mit dem Eingang des Schaltreglers verbunden, sondern wird erst im Moment des Netzausfalls auf den Eingang des Schaltreglers gelegt. Während der Entladung des Kondensators, die einem Netzausfall folgt, sinkt die am Eingang des Schaltreglers anliegende Spannung von der maximal zulässigen Betriebsspannung auf die Mindestbetriebsspannung, bevor der Schaltregler funktionsunfähig wird. Aus der Formel W = 0,5 C U2 für die im Pufferkondensator gespeicherte Energie folgt:

Bei gleicher vorgegebener Überbrückungszeit bedeutet ein höherer Spannungshub, dass kleinere Kapazitäten für eine ausreichende Speicherung von Energie für die Pufferung des Schaltreglers ausreichen. Eine Verdopplung der Aufladespannung des Pufferkondensators ermöglicht es, unter Beibehaltung der vorgegebenen Überbrückungszeit seine Kapazität auf ein Viertel des ansonsten erforderlichen Wertes zu reduzieren. Das ermöglicht erhebliche Platz- und Gewichtseinsparungen, da sich das Kondensatorvolumen ebenfalls auf ein Viertel reduzieren lässt.

Nachteilig ist nach dem Stand der Technik, dass die erhöhte Spannung zur Aufladung des Pufferkondensators gesondert als zusätzliche Betriebsspannung bereitgestellt wird. Dies erfolgt beispielsweise durch einen separaten Schaltregler, einen so genannten Hochsetzsteller oder Step-Up-Converter, was einen erheblichen schaltungstechnischen Mehraufwand erfordert, da zur Bereitstellung der Ladespannung nahezu der gleiche Aufwand zu treiben ist, wie für die Bereitstellung der eigentlichen Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung. Das schließt evtl. einen separaten Regelkreis ein.

Aus der WO 98/04026 A1 ist eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dort sind Maßnahmen vorgesehen, welche den Pufferkondensator immer auf eine maximale Spannung aufladen, was einer konstanten Pufferzeit entspricht.

EP 1 020 981 A2 offenbart eine Schaltnetzteil-Einheit, wobei Maßnahmen vorgesehen sind, welche eine Erhöhung von Schaltverlusten unter geringer Last vermeiden.

Darstellung der Erfindung

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es, beim Betrieb von Schaltreglern, insbesondere Step-Down-Convertern, ohne großen schaltungstechnischen Aufwand eine ausreichende Überbrückungszeit mit möglichst kleinen Pufferkondensatoren zu gewährleisten.

Dieses Problem wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Schaltungsanordnungen.

Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, dass es nicht erforderlich ist, eine separat geregelte Aufladespannunng für den Pufferkondensator bereitzustellen. Stattdessen wird eine ohnehin an einem bestimmten Punkt der Schaltungsanordnung eines Schaltreglers anliegende Spannung durch eine Verstärkerschaltung verstärkt und zur Aufladung eines Pufferkondensators verwendet. Diese Spannungsverstärkung kann ungeregelt und mit konstantem Verstärkungsfaktor erfolgen, insbesondere dann, wenn eine bereits geregelte Spannung verstärkt wird. Es genügt, eine Aufladespannung bereitzustellen, die etwa knapp der maximalen Betriebsspannung des Schaltreglers entspricht. Dadurch erübrigt sich eine separate Regelung der Aufladespannung.

Da an Schaltreglern, wie oben bereits ausgeführt, stets auch pulsförmige Spannungen mit zumindest annähernd periodischem Verlauf, insbesondere eine pulsförmige Ausgangsspannung zur Verfügung stehen, kommen als Verstärkerschaltungen auch solche Schaltungen in Betracht, die periodische Spannungen niedriger Amplitude in höhere Gleichspannungen umwandeln.

Als eine solche Schaltung kann beispielsweise eine Villardschaltung, auch als Spannungsvervielfacher oder Villard-Kaskadenschaltung bezeichnet, dienen. In dieser Schaltung erfolgt durch eine Kaskadierung von Kondensatoren die Verstärkung einer periodischen Spannung, wobei im stationären Zustand eine konstante Ausgangsspannung der Villardschaltung erzeugt wird, die um einen bestimmten ganzzahligen Faktor über der Amplitude der periodischen Spannung liegt. Die Größe dieses ganzzahligen Faktors wird durch die Zahl der kaskadierten Kondensatoren bestimmt.

Erfindungsgemäß wird vorteilhafterweise die periodische Ausgangsspannung eines Schaltreglers durch eine Villardschaltung auf eine gegenüber der Amplitude der periodische Ausgangsspannung des Schaltreglers höhere Gleichspannung verstärkt. In vielen Fällen stimmt die Amplitude der periodischen Ausgangsspannung des Schaltreglers nahezu mit der Eingangsspannung des Schaltreglers überein.

In Schaltungsanordnungen mit Schaltregler, die nur eine feste Eingangsspannung verarbeiten, kann deshalb die Zahl der Kaskaden der Villardschaltung so dimensioniert werden, dass sich der größte ganzzahlige Verstärkungsfaktor ergibt, der im stationären Zustand am Ausgang der Villardschaltung für eine Spannung sorgt, die noch unter der maximal zulässigen Betriebsspannung des Schaltreglers liegt. Mit dieser Spannung wird ein Pufferkondensator aufgeladen. Der Unterschied zwischen der maximal zulässigen Betriebsspannung des Schaltreglers und der verfügbaren Ladespannung, die sich aus dem ganzzahligen Verstärkungsfaktor ergibt, ist in vielen Fällen gering. Die Nutzung der auf diese Weise verstärkten Spannung für die Aufladung eines Pufferkondensators ermöglicht es ebenfalls, die Kapazität des Pufferkondensators wesentlich kleiner zu wählen, als das ohne Spannungsverstärkung der Fall wäre. Die Notwendigkeit einer weiteren Annäherung der Ladespannung des Pufferkondensators an die maximale Betriebsspannung des Schaltreglers entfällt daher.

In Schaltungsanordnungen mit Schaltregler, die zur Bereitstellung der Ausgangsspannung verschiedene Eingangsspannungen verarbeiten sollen, kann die Villardschaltung so dimensioniert werden, dass sich der größte ganzzahlige Verstärkungsfaktor ergibt, der im stationären Zustand am Ausgang der Villardschaltung für eine Spannung sorgt, die bei Anliegen der maximalen Eingangsspannung am Schaltregler noch unter der maximal zulässigen Betriebsspannung des Schaltreglers liegt.

Prinzipiell lässt sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bei allen Schaltreglern einsetzen, bei denen die Amplitude der pulsförmigen Ausgangsspannung mindestens um den Faktor zwei unter der maximal zulässigen Betriebsspannung des Schaltreglers liegt.

Schaltungstechnisch ist der Aufwand für eine Villardschaltung wesentlich geringer als für die Bereitstellung einer separat geregelten Aufladespannung für einen Pufferkondensator. Insbesondere bei Step-Down-Convertern bietet sich der Einsatz von Villardschaltungen zur Bereitstellung einer gegenüber der Eingangsspannung erhöhten Ladespannung für einen Pufferkondensator trotz eines zwingend ganzzahligen Verstärkungsfaktors an, da bei derartigen Convertern die Amplitude der pulsförmigen Ausgangsspannung häufig nur einen Bruchteil der maximal zulässigen Eingangsspannung des Step-Down-Converters beträgt.

Besonders einfach ist der Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wenn durch eine einfache Kaskadierung die Ladespannung des Pufferkondensators auf den doppelten Wert der Amplitude der pulsförmigen Ausgangsspannung des Schaltreglers eingestellt wird. Auf die Amplitude der pulsförmigen Ausgangsspannung und die üblicherweise nach einer Glättung an einer Last bereitgestellte Ausgangsspannung des Schaltreglers hat die stationäre Bereitstellung der Ladespannung keinen Einfluß.

Das Ziel einer Volumenreduzierung des Pufferkondensators wird durch die Verringerung der zur Gewährleistung einer vorgegebenen Pufferzeit erforderlichen Kapazität ebenfalls erreicht.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gestattet somit auf besonders vorteilhafte Weise den Aufbau kleiner und preiswerter Schaltnetzteile.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung einer Stromversorgungseinrichtung mit Step-Down-Converter, bei der eine zur Aufladung eines Pufferkondensators zur Netzausfallüberbrückung erforderliche Ladespannung durch eine Villardschaltung bereitgestellt wird.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung

Ein an sich bekannter Regelschaltkreis 1 mit einem integrierten Step-Down-Converter wird mit einer über einen Kondensator 2 geglätteten Eingangsspannung, die über der Mindestbetriebsspannung des Regelschaltkreises 1 liegt, versorgt. An seinem Ausgang liegt eine Rechteckspannung an, deren Amplitude annähernd der geglätteten Eingangsspannung entspricht. Diese Rechteckspannung wird über eine Drossel 3 und einen Glättungskondensator 4 geglättet, wodurch eine Gleichspannung entsteht, deren Wert vom eingestellten Tastgrad des Regelschaltkreises abhängt.

Zwischen dem Ausgang des Regelschaltkreises 1 und der Drossel 3 steht jedoch unabhängig von der Glättung stets die Rechteckspannung für einen Abgriff zur Verfügung. Diese Rechteckspannung wird einer Villardschaltung 5 zugeführt. Die Villardschaltung 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur schematisch dargestellt. Sie besteht in bekannter Weise aus einem diskreten Aufbau aus Dioden und Kondensatoren, kann jedoch auch als integrierte Villardschaltung ausgeführt sein.

Die Villardschaltung 5 wandelt die rechteckige Ausgangsspannung des Regelschaltkreises in eine Gleichspannung um deren Wert der doppelten Amplitude der rechteckigen Ausgangsspannung des Regelschaltkreises 1 entspricht. Dieser Wert liegt deutlich über der geglätteten Eingangsspannung am Regelschaltkreis, jedoch noch unterhalb der maximal zulässigen Betriebsspannung des Regelschaltkreises 1.

Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel sind auch Villardschaltungen mit anderen Verstärkungsfaktoren möglich. Bedingung ist nur, dass die bereitgestellte Gleichspannung, die die Ausgangsspannung der Villardschaltung bildet, kleiner ist, als der Wert der maximal zulässigen Betriebsspannung des Regelschaltkreises 1.

Die Ausgangsspannung der Villardschaltung 5 wird einem Pufferkondensator 6 zugeführt, der sich bis auf ihren Wert auflädt. Dieser Pufferkondensator 6 ist über einen elektronischen Schalter 7 mit dem Eingang des Regelschaltkreises 1 verbindbar. Wird auf Grund eines Netzausfalls ein Spannungsabfall an Eingang des Regelschaltkreises 1 detektiert, so wird der elektronische Schalter 7 geschlossen und die volle Ladespannung liegt am Eingang des Regelschaltkreises 1 an. Eine zusätzliche Diode 8 dient gegenüber der Netzversorgung als Verpolschutz. Der Entladungsstrom des Pufferkondensators 6 übernimmt somit zeitweise die Versorgung des Regelschaltkreises 1. Dessen Funktion kann aufrecht erhalten werden, bis die Spannung am Pufferkondensator 5 auf den Wert der Mindestbetriebsspannung des Regelschaltkreises 1 gesunken ist.

Die Kapazität des Pufferkondensators ist so bemessen, dass eine Netzausfallüberbrückung von etwa 25 ms (kann auch kürzer oder länger sein) möglich ist. Sie hängt von der Ausgangsspannung und den jeweils zu liefernden Lastströmen des Regelschaltkreises ab.


Anspruch[de]
Schaltungsanordnung zur Netzausfallüberbrückung bei Schaltungen mit mindestens einem Schaltregler, wobei elektronische Schaltungselemente enthalten sind, die eine an einem Punkt der Schaltungsanordnung anliegende Spannung ungeregelt mit einem konstanten Verstärkungsfaktor verstärken, die verstärkte Spannung mindestens einem Pufferkondensator (6) als Ladespannung zuführen, wobei die verstärkte Spannung zwischen der maximalen Betriebsspannung und der Eingangsspannung des Schaltreglers liegt, und wobei Schaltungselemente enthalten sind, die zur Erkennung eines Spannungsabfalls der Betriebsspannung dienen, und wobei Schaltungselemente enthalten sind, die nach Erkennen eines Spannungsabfalls der Betriebsspannung eine Entladung des Pufferkondensators über den Eingang des Schaltreglers ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Schaltungselemente enthalten sind, die die pulsförmige Ausgangsspannung des Schaltreglers in eine Gleichspannung überführen, die zwischen der maximalen Betriebsspannung und der Eingangsspannung des Schaltreglers liegt und die dem Pufferkondensator (6) als Ladespannung zugeführt wird. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schaltungselemente die Elemente einer Villard-Kaskadenschaltung (5) bilden. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltregler ein integrierter Regelschaltkreis (1) mit einem integrierten Step-Down-Converter ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Kaskaden der Villardschaltung (5) so gewählt ist, dass sich der größtmögliche Verstärkungsfaktor ergibt, der im stationären Zustand am Ausgang der Villardschaltung (5) für eine Spannung sorgt, die noch unter der maximal zulässigen Betriebsspannung des Schaltreglers liegt. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Villardschaltung (5) aus zwei Kaskaden besteht und als Spannungsverdoppler ausgelegt ist. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Pufferkondensators (6) so bemessen ist, dass die geforderte Ausfallüberbrückungszeit, beispielsweise 25 ms, eingehalten werden kann.






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