AT525637B1 - Pulse generator for unregulated DC-DC converters - Google Patents
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Abstract
Pulsgenerator für ungeregelte Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandler mit variabler Wandler-Eingangsspannung aus 2 Komparatoren (30, 40), von denen ein Komparator (30) als Relaxationsoszillator beschaltet ist, und der andere (40) einen Ausgangspuls (51) des Oszillators mit einer Steuerspannung aus der mit einem Spannungsteiler (35, 36) skalierten und optional mittels eines vorgespannten Widerstandes (34) auch versetzten Eingangsspannung, vergleicht. Dadurch entsteht an dessen Ausgang (41) ein Rechteckpuls mit einer Pulsweite, umgekehrt proportional zur Wandler-Eingangsspannung (für einen Abwärtswandler), oder mit einer Pulslücke, proportional zur Wandler-Eingangsspannung (für einen Aufwärtswandler). Dieser Rechteckpuls ist dafür vorgesehen, über eine synchrone Halbbrücke oder eine dazu äquivalente Schaltung zwei Transistoren anzusteuern, um nach einem LC-Filter am Wandlerausgang eine von der Wandler-Eingangsspannung nahezu unabhängige, (nahezu) konstante Gleichspannung zu liefern.Pulse generator for unregulated DC voltage switching synchronous converters with a variable converter input voltage, comprising 2 comparators (30, 40), of which one comparator (30) is connected as a relaxation oscillator and the other (40) has an output pulse (51) from the oscillator a control voltage from the input voltage scaled with a voltage divider (35, 36) and optionally offset by means of a biased resistor (34). This produces at its output (41) a square-wave pulse with a pulse width inversely proportional to the converter input voltage (for a step-down converter), or with a pulse gap proportional to the converter input voltage (for a step-up converter). This square-wave pulse is intended to drive two transistors via a synchronous half-bridge or an equivalent circuit in order to supply a (virtually) constant DC voltage after an LC filter at the converter output, which is almost independent of the converter input voltage.
Description
PULSGENERATOR FÜR UNGEREGELTE GLEICHSPANNUNGSWANDLER PULSE GENERATOR FOR UNREGULATED DC VOLTAGE CONVERTERS
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Pulsgenerator für ungeregelte, rückkopplungsfreie Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandler mit variabler Wandler-Eingangsspannung ohne Rückführung der Ausgangsspannung, umfassend The invention relates to a pulse generator for unregulated, feedback-free DC-switching synchronous converter with variable converter input voltage without feedback of the output voltage, comprising
- eine Schaltung, vorzugsweise einen IC mit zumindest 2 Analog-Komparatoren, - a circuit, preferably an IC with at least 2 analog comparators,
- die Beschaltung eines der Komparatoren als Relaxationsoszillator - the wiring of one of the comparators as a relaxation oscillator
- eine Verbindung für eine vom Oszillator erzeugten oder abgeleiteten Schwingung mit dem zweiten Komparator, - a connection for an oscillation generated or derived from the oscillator to the second comparator,
- einen Spannungsteiler mit oder ohne Offset, - a voltage divider with or without offset,
- zumindest einen Hilfsspannungserzeuger. - at least one auxiliary voltage generator.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
[0002] Ungeregelte Gleichspannungs-Schalt-Wandler (ohne Rückkopplung - das englische „control“ unterscheidet nicht zwischen gesteuert und geregelt) sind meist als Wandler für eine konstante Eingangsspannung ausgelegt und liefern eine konstante Ausgangsspannung kleiner (Abwärtswandler) oder größer (Aufwärtswandler) als die Eingangsspannung. Ein Pulsgenerator mit konstantem Tastverhältnis - quasi ein Pulsweitenmodulator ohne Modulation - sorgt für den linearen Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsspannung. Damit die Ausgangsspannung auch bei kleinen Ausgangsströmen - bis herunter auf Leerlauf (Null Ampere) - konstant bleibt, führt man diese Wandler als Synchronwandler aus. Unregulated DC switching converters (without feedback - the English "control" does not distinguish between controlled and regulated) are usually designed as converters for a constant input voltage and deliver a constant output voltage smaller (step-down converter) or greater (step-up converter) than the input voltage. A pulse generator with a constant pulse duty factor - essentially a pulse width modulator without modulation - ensures the linear relationship between the input and output voltage. These converters are designed as synchronous converters so that the output voltage remains constant even with small output currents - right down to no-load operation (zero amps).
[0003] Für Wandler mit variabler Eingangsspannung dagegen setzt man üblicherweise einen Regler (Rückkopplung) zwischen Ein- und Ausgang ein, der seinen Sollwert von einer Referenzspannungsquelle bezieht, und seinen Stellwert durch einen Differenzverstärker (Operationsverstärker) erzeugt. Dieser Stellwert steuert dann einen Pulsgenerator mit variablem Tastverhältnis (Pulsweitenmodulator). For converters with a variable input voltage, on the other hand, a regulator (feedback) is usually used between the input and output, which obtains its desired value from a reference voltage source and generates its control value using a differential amplifier (operational amplifier). This control value then controls a pulse generator with a variable duty cycle (pulse width modulator).
[0004] Beide genannten Wandlertypen wandeln diesen (Rechteck-)Puls mittels eines LC-Filters dann in die konstante Ausgangs-Gleichspannung um. Both converter types mentioned then convert this (rectangular) pulse by means of an LC filter into the constant output DC voltage.
AUFGABENSTELLUNG TASK
[0005] Im Hinblick auf Kosten und Lieferengpässen für „Spezialchips“ soll möglichst mit Standardbauteilen ein sehr kompakter Gleichspannungswandler bereitgestellt werden, der in einem weiten Eingangsspannungsbereich (bis 1:4 oder kleiner) eine ausreichend konstante Ausgangsspannung liefert. With regard to costs and delivery bottlenecks for "special chips", a very compact DC-DC converter is to be provided with standard components if possible, which supplies a sufficiently constant output voltage in a wide input voltage range (up to 1:4 or less).
[0006] Das soll ein Wandler ohne Rückkopplung ermöglichen, um die Signalrückführung von Ausgang zu Eingang einzusparen. Die Signalrückführung stellt speziell bei galvanisch getrennten Wandlern einen gewissen Aufwand dar, meist in Form einer Optokoppler-Schaltung. Jedoch lassen sich auch bei galvanisch verbundenen Wandlern ohne Rückkopplung Bauteile einsparen. This should allow a converter without feedback to save the signal feedback from output to input. Signal feedback requires a certain amount of effort, especially in the case of galvanically isolated converters, usually in the form of an optocoupler circuit. However, components can also be saved in the case of galvanically connected converters without feedback.
[0007] Dazu ist ein möglichst einfacher Pulsgenerator erforderlich, der seine Pulsweite aus der variablen Eingangsspannung herleitet. Für Aufwärtswandler gilt: This requires a pulse generator that is as simple as possible and derives its pulse width from the variable input voltage. For boost converters:
T Un =—— U. (a) T Un =—— U (a)
Caus Cause
[0008] (Tietze, Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 11. Auflage, Seite 986). Zwischen taus und Ue besteht für die angestrebt konstante Wandler-Ausgangsspannung Ua Proportionalität. (Tietze, Schenk, semiconductor circuit technology, 11th edition, page 986). There is proportionality between toff and Ue for the desired constant converter output voltage Ua.
[0009] Ein Abwärtswandler dagegen erfordert für die angestrebt konstante Spannung Ua wegen A step-down converter, on the other hand, requires constant voltage Ua because of the desired
Es; Uq = U. (b) [0010] (Tietze, Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 11. Auflage, Seite 981) zwischen tein und Ue hyperbolische Charakteristik. It; Uq=U. (b) (Tietze, Schenk, semiconductor circuit technology, 11th edition, page 981) hyperbolic characteristic between tein and Ue.
[0011] Im Hinblick auf kleinere Stückzahlen ist eine „halb-diskrete“ Schaltung eines Wandlers wünschenswert, die jedoch der Kompaktheit einer voll integrierten Schaltung nahe kommen soll. Dabei hilft schon das Einsparen eines Operationsverstärkers (mit mindestens 8 Pins). Nur ein ungeregelter Wandler kommt ohne Operationsverstärker zur Stellgrößenerzeugung aus. With regard to smaller quantities, a “semi-discrete” circuit of a converter is desirable, but it should come close to the compactness of a fully integrated circuit. The saving of an operational amplifier (with at least 8 pins) already helps. Only an unregulated converter can do without an operational amplifier to generate the manipulated variable.
DARLEGUNG DER ERFINDUNG STATEMENT OF THE INVENTION
[0012] Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, [0012] This object is achieved in connection with the features of the preamble of claim 1 in that
dass in einer bevorzugten Ausführung als Aufwärtswandler that in a preferred embodiment as a boost converter
ein Komparator einer mindestens 2 Analog-Komparatoren umfassenden Schaltung, beispielsweise als IC (Integrated Circuit), beschaltet als Relaxationsoszillator, einen am invertierenden Eingang, bei kleiner Hysterese gut angenäherten Dreieckpuls oder Sägezahnpuls erzeugt und diesen mit einer Steuerspannung, vorzugsweise der skalierten und versetzten Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers, durch einen 2. Komparator vergleicht und damit an dessen Ausgang einen Rechteckpuls liefert, dessen Pulslücken von der Eingangsspannung des Wandlers im Wesentlichen proportional sind, a comparator of a circuit comprising at least 2 analog comparators, for example as an IC (Integrated Circuit), wired as a relaxation oscillator, generates a triangular pulse or sawtooth pulse that is well approximated at the inverting input with small hysteresis and supplies this with a control voltage, preferably the scaled and offset input voltage of the DC-DC converter, compared by a 2nd comparator and thus supplies a square-wave pulse at its output, the pulse gaps of which are essentially proportional to the input voltage of the converter,
und dass in einer bevorzugten Ausführung als Abwärtswandler and that in a preferred embodiment as a buck converter
ein Komparator einer mindestens 2 Analog-Komparatoren umfassenden Komparator-Schaltung, mit gegenüber dem Aufwärtswandler geänderten Schwellenspannungen des Schmitttriggers einen Rechteckpuls mit Ein(-schalt-)zeiten erzeugt, die gegenüber der Periodendauer T des Pulses kleiner als das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Wandler-Eingangsspannung sind, wobei durch ein nachfolgendes, stromrichtungsabhängiges RC-Glied ein gegenüber dem ursprünglichen Rechteckpuls abfallverzögerter Puls entsteht, dessen Asymptote durch einen spannungsteilenden Pull-Up-Widerstand am Ausgang des Komparators größer als Null ist, a comparator of a comparator circuit comprising at least 2 analog comparators, with threshold voltages of the Schmitt trigger that are different than in the step-up converter, generates a square-wave pulse with on (switching) times which, compared to the period duration T of the pulse, are smaller than the ratio between the minimum and maximum converter input voltage, whereby a subsequent, current-direction-dependent RC element produces a pulse with a drop-off delay compared to the original square-wave pulse, the asymptote of which is greater than zero due to a voltage-dividing pull-up resistor at the output of the comparator,
und dieser abfallverzögerte Puls mit einer Steuerspannung, vorzugsweise der skalierten und versetzten Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers, durch einen 2. Komparator verglichen wird, so dass an dessen Ausgang ein (weiterer) Rechteckpuls auftritt mit einer Pulsweite im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Eingangsspannung des Wandlers. and this fall-delayed pulse is compared with a control voltage, preferably the scaled and offset input voltage of the DC-DC converter, by a second comparator, so that a (further) square-wave pulse occurs at its output with a pulse width essentially inversely proportional to the input voltage of the converter.
[0013] In beiden genannten Ausführungen erfolgt die Skalierung und optional auch Versetzung der Eingangsspannung durch einen Spannungsteiler optional mit Offset. In both of the above-mentioned versions, the input voltage is scaled and optionally also offset by a voltage divider, optionally with an offset.
[0014] Aus den Unteransprüchen 4 bis 5 lässt sich weiterbilden, dass sich für den beschriebenen Spannungswandler noch Bauteile einsparen lassen, dass darüber hinaus eine integrierte Ausführung anzustreben, und dass der Wandler kurzschlussfest einsetzbar ist. From the dependent claims 4 to 5 it can be further developed that components can be saved for the voltage converter described, that an integrated design is also desirable, and that the converter can be used in a short-circuit-proof manner.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0015] Es zeigen: It shows:
[0016] Figur 1 einen erfindungsgemäßen Pulsgenerator für einen Aufwärtswandler, [0016] FIG. 1 shows a pulse generator according to the invention for a step-up converter,
[0017] Figur 2 die zeitlichen Spannungsverläufe für den Aufwärtswandler, [0017] FIG. 2 shows the voltage curves over time for the step-up converter,
[0018] Figur 3 Spannungsteiler mit Offset zur Skalierung und Versetzung der Eingangsspannung, [0018] FIG. 3 voltage divider with offset for scaling and shifting the input voltage,
[0019] Figur 4 den vollständigen Aufwärtswandler mit Pulsgenerator, [0020] Figur 5 einen erfindungsgemäßen Pulsgenerator für einen Abwärtswandler, [0021] Figur6 die zeitlichen Spannungsverläufe für den Abwärtswandler, [0019] FIG. 4 shows the complete step-up converter with a pulse generator, [0020] FIG. 5 shows a pulse generator according to the invention for a step-down converter, [0021] FIG. 6 shows the voltage curves over time for the step-down converter,
[0022] Figur 7 die absoluten und prozentuellen Abweichungen der Abwärtswandler-Ausgangsspannung vom Sollwert in Bezug zur Wandler-Eingangsspannung Figure 7 shows the absolute and percentage deviations of the step-down converter output voltage from the target value in relation to the converter input voltage
[0023] Figur 8 den vollständigen Abwärtswandler mit Pulsgenerator. [0023] FIG. 8 shows the complete step-down converter with a pulse generator.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGEN DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
[0024] Eine bevorzugte Ausführungsform des Pulsgenerators ist für einen nicht isolierenden Aufwärtswandler in Fig. 1 mit den zeitlichen Spannungsverläufen in Fig. 2 dargestellt. Ein Komparator 1 eines Analog-Komparator-ICs ist dort als Relaxationsoszillator (Kippschwinger) beschaltet. Die Widerstände 2 (Rı4, Roy, Ray) definieren die Hysterese, also die Schwellenwerte des Schmitttriggers, das RC-Gilied 3, 4, optional mit Diode 3a, die Schwingungsfrequenz des Oszillators. Die Verbindung 5 führt einen vom Oszillator erzeugten Dreieckpuls 14 (mit Diode 3a einen Sägezahnpuls) an den 2. Komparator 6 des IC, der die zeitlich veränderliche Spannung des Dreieckpulses (Sägezahnpulses) mit einer Steuerspannung 15 vergleicht, die aus der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers gewonnen wird. Diese Steuerspannung wird aus der Eingangsspannung des Wandlers durch einen Spannungsteiler mit Offset erzeugt, der aus den Widerständen 7, 8, 9 besteht. Der Ausgang 12 des Komparators 6 führt dadurch einen Rechteckpuls 13, dessen Pulslücken von der Eingangsspannung des Wandlers im Wesentlichen linear abhängig sind. Ein Hilfsspannungerzeuger 11 mit geringer Leistung, vorzugsweise als Längsregler ausgeführt und von der Wandler-Eingangsspannung gespeist, versorgt den Komparator-IC und den Spannungsteiler mit Offset 7, 8, 9. A preferred embodiment of the pulse generator is shown for a non-isolating step-up converter in FIG. 1 with the voltage curves over time in FIG. A comparator 1 of an analog comparator IC is wired there as a relaxation oscillator (breakdown oscillator). The resistors 2 (Rı4, Roy, Ray) define the hysteresis, i.e. the threshold values of the Schmitt trigger, the RC element 3, 4, optionally with diode 3a, the oscillation frequency of the oscillator. Connection 5 leads a triangular pulse 14 generated by the oscillator (a sawtooth pulse with diode 3a) to the second comparator 6 of the IC, which compares the time-varying voltage of the triangular pulse (sawtooth pulse) with a control voltage 15, which is obtained from the input voltage of the DC/DC converter . This control voltage is generated from the input voltage of the converter by a voltage divider with offset, consisting of resistors 7, 8, 9. As a result, the output 12 of the comparator 6 carries a square-wave pulse 13, the pulse gaps of which are essentially linearly dependent on the input voltage of the converter. An auxiliary voltage generator 11 with low power, preferably designed as a linear regulator and fed by the converter input voltage, supplies the comparator IC and the voltage divider with offset 7, 8, 9.
[0025] Fig. 2 zeigt den Rechteckpuls 13 am Ausgang des Pulsgenerators mit Dreieckschwingung 14 in Abhängigkeit von der Steuerspannung 15 (Us) des Wandlers. Die beiden als Ui und Uin-. bezeichneten Schwellenwerte 16, 17 des Schmittrigger-Oszillators liegen symmetrisch oberhalb und unterhalb der halben Hilfsspannung 11a. Die Hysterese ist so klein gehalten, dass die Abweichung von Lade- und Entladekurve 14 des Oszillator-RC-Gliedes gegen eine ideale Dreieckschwingung vernachlässigbar ist. 2 shows the square-wave pulse 13 at the output of the pulse generator with a triangular wave 14 as a function of the control voltage 15 (Us) of the converter. The two as Ui and Uin-. designated threshold values 16, 17 of the Schmitt trigger oscillator are symmetrically above and below half the auxiliary voltage 11a. The hysteresis is kept so small that the deviation of the charging and discharging curve 14 of the oscillator RC element from an ideal triangular oscillation is negligible.
[0026] Die Steuerspannung 15 ist durch den Spannungsteiler mit Offset 7, 8, 9 so bemessen, dass sie immer im Hysteresebereich des Schmitttriggers liegt. Der Wert für die maximale Steuerspannung 15a (Usmax) ist knapp unterhalb des oberen Schwellenwertes 16 des Schmitttriggers so festgelegt, dass der Puls möglichst nie zu einer Gleichspannung degeneriert. Aus der Auszeit taus des Rechteckpulses 13 in der Gleichung (a) für diesen Spannungswert taus max 19 ergibt Sich taus min 18 wegen der Proportionalität zwischen Ue und taus ZU: The control voltage 15 is dimensioned by the voltage divider with offset 7, 8, 9 so that it is always in the hysteresis of the Schmitt trigger. The value for the maximum control voltage 15a (Usmax) is set just below the upper threshold value 16 of the Schmitt trigger in such a way that the pulse never degenerates into a DC voltage as far as possible. From the off time toff of the rectangular pulse 13 in equation (a) for this voltage value toff max 19, toff min 18 results because of the proportionality between Ue and toff ZU:
Uz min Uz min
— C — C
Uz max C ) Uz max C )
und daraus auch die minimale Steuerspannung 15b (Usmin). and from this also the minimum control voltage 15b (Usmin).
[0027] Die Berechnung des Spannungsteilers 8, (R»2), 9 (Ra) mit Offset-Widerstand 7 (Rı), aus The calculation of the voltage divider 8, (R»2), 9 (Ra) with offset resistor 7 (Rı), from
Fig. 1, in Fig. 3 noch einmal idealisiert dargestellt, folgt aus der Superposition beider Spannungsquellen: Fig. 1, shown again in idealized form in Fig. 3, follows from the superposition of both voltage sources:
_ U,R2R3 + U„R;R3 3 R4Ro + R4R3 + R,R3 U; Uzmax + Ur Urmax UrmaxU3min + U, Uzmin U, U2min + UrminU3max _ U,R2R3 + U„R;R3 3 R4Ro + R4R3 + R,R3 U; Uzmax + Ur Urmax UrmaxU3min + U, Uzmin U, U2min + UrminU3max
R = R (e), 2 9 Ur Uzmax Ur Uzmin R = R (e), 2 9 Ur Uzmax Ur Uzmin
taus min = Caus max” tout min = Cout max”
(d), (d),
R_,R3(U1 — U3) R_,R3(U1 — U3)
Rı = m —z———— , * U3(R2 + R3) — U2R3 8 mit U: Hilfsspannung 11a, U2 = Ue Wandler-Eingangsspannung Uomax maximale Wandler-Eingangsspannung, U2min minimale Wandler-Eingangsspannung. Rı = m —z———— , * U3(R2 + R3) — U2R3 8 with U: auxiliary voltage 11a, U2 = Ue converter input voltage Uomax maximum converter input voltage, U2min minimum converter input voltage.
[0028] (Die Hilfsspannung U+ 11a wird vorzugsweise dem Ausgang des Hilfsspannungserzeugers 11 entnommen.) (The auxiliary voltage U+ 11a is preferably taken from the output of the auxiliary voltage generator 11.)
[0029] Figur 4 zeigt die komplette Schaltung des Aufwärtswandlers. Zum beschriebenen Pulsgenerator kommen eine integrierte, synchrone Halbbrücke 20 mit Bootstrap-Kondensator 21, zwei n- Kanal-MOSFETs 22 sowie eine Induktivität 23 und ein Glättkondensator 24 hinzu. Figure 4 shows the complete circuit of the boost converter. An integrated, synchronous half-bridge 20 with a bootstrap capacitor 21, two n-channel MOSFETs 22 and an inductor 23 and a smoothing capacitor 24 are added to the pulse generator described.
[0030] Eine andere, bevorzugte Ausführungsform des Pulsgenerators ist für einen nicht isolierenden Abwärtswandler in Fig. 5 mit den zeitlichen Spannungsverläufen in Fig. 6 dargestellt. Ein Analog-Komparator 30 eines mindestens 2 Komparatoren umfassenden ICs ist mit gegenüber dem Aufwärtswandler geänderten Schwellenspannungen des Schmitttriggers durch die Widerstände 31 als Rechteckgenerator beschaltet, der einen Rechteckpuls 50 mit Ein(-schalt-)zeiten gegenüber der Periodendauer T liefert, die kleiner als das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Wandler-Eingangsspannung sind. (Das reale Aussehen des Pulses 50 mit 100kHz stammt von einer Messung an einem Komparator LM 393 mit 12V Versorgungsspannung.) Another preferred embodiment of the pulse generator is shown for a non-isolating step-down converter in FIG. 5 with the voltage curves over time in FIG. An analog comparator 30 of an IC comprising at least 2 comparators is wired through the resistors 31 as a square-wave generator with threshold voltages of the Schmitt trigger that are different than in the step-up converter, which supplies a square-wave pulse 50 with on (switching) times compared to the period T that is shorter than the The ratio between the minimum and maximum converter input voltage are. (The real appearance of the pulse 50 with 100kHz comes from a measurement on a comparator LM 393 with 12V supply voltage.)
[0031] Ein stromrichtungsabhängiges RC-Glied 33 macht daraus einen Puls 51 aus abfallverzögerten Impulsen, die sich asymptotisch einem Spannungspegel größer als Null nähern, der aus dem spannungsteilenden Pull-Up-Widerstand 32 am Ausgang des Komparators 30 resultiert. A direction-dependent RC element 33 turns this into a pulse 51 of fall-delayed pulses that asymptotically approach a voltage level greater than zero, which results from the voltage-dividing pull-up resistor 32 at the output of the comparator 30.
[0032] Die aus der Eingangsspannung des Wandlers gewonnene Steuerspannung 52, erzeugt durch einen Spannungsteiler mit Offset aus den Widerständen 34, 35 und 36, wird mit dem Puls 51 auf der Verbindungsleitung 44 durch einen 2. Komparator 40 verglichen, so dass an dessen Komparatorausgang 41 ein Rechteckpuls 42 auftritt, dessen Pulsweite im Wesentlichen umgekehrt proportional (b) zur Eingangsspannung des Wandlers ist. The control voltage 52 obtained from the input voltage of the converter, generated by a voltage divider with offset from the resistors 34, 35 and 36, is compared with the pulse 51 on the connecting line 44 by a second comparator 40, so that at its comparator output 41 a square-wave pulse 42 occurs, the pulse width of which is essentially inversely proportional (b) to the input voltage of the converter.
[0033] Die Steuerspannung 52 ist durch den Spannungsteiler mit Offset 34, 35, 36 so bemessen, dass sie jedenfalls im Schwingungsbereich des Pulses 51 liegt. Genauer so, dass der Wert für die maximale Steuerspannung 52b (Usmax) bei maximaler Eingangsspannung des Wandlers eine Pulsweite tein min 53 des Rechteckpulses 42 ergibt. Und bei minimaler Steuerspannung 52a eine Pulsweite teinmax 54. Für einen 1:4 Wandler, z. B. mit Ue max = 60V und Ue min= 15V, beträgt tein min dann 25% der Periodendauer T und teinmax 100% davon. (Ein teinmax voN 100% würde am Ausgang des Pulsgenerators eine Halbbbrücke nach dem Ladungspumpenprinzip erfordern, eine kostengünstigere Bootstrap-Halbbrücke dagegen erhöht die erlaubte Ue min um einige 100mV.) The control voltage 52 is dimensioned by the voltage divider with offset 34, 35, 36 so that it is in any case in the oscillation range of the pulse 51. More precisely, such that the value for the maximum control voltage 52b (Usmax) results in a pulse width tein min 53 of the square-wave pulse 42 at the maximum input voltage of the converter. And with a minimum control voltage 52a, a pulse width teinmax 54. For a 1:4 converter, e.g. B. with Ue max = 60V and Ue min = 15V, then tein min is 25% of the period duration T and teinmax is 100% of it. (A teinmax of 100% would require a half-bridge based on the charge pump principle at the output of the pulse generator; a cheaper bootstrap half-bridge, on the other hand, increases the permitted Ue min by a few 100 mV.)
[0034] Die Berechnung des Spannungsteilers mit Offset 34, 35, 36 ergibt sich analog zu dem Spannungsteiler 7, 8, 9 des Aufwärtswandlers aus den Gleichungen (d), (e), (f). Durch geeignete Wahl von Usmax und Usmin kann der Offset und somit der Widerstand 34 (R1 in Fig. 5) zumindest beim Abwärtswandler entfallen. Dies ergibt sich aus den Gleichungen (e), (f), wenn das Verhältnis Von Ue max(= U2 max) ZU Ue min (= U2 min) gleich dem Verhältnis von Usmax 52b zu Usmin 52a ist. The calculation of the voltage divider with offset 34, 35, 36 is analogous to the voltage divider 7, 8, 9 of the step-up converter from equations (d), (e), (f). By suitably selecting Usmax and Usmin, the offset and thus the resistor 34 (R1 in FIG. 5) can be omitted, at least in the step-down converter. This results from equations (e), (f) when the ratio of Ue max (=U2 max) TO Ue min (=U2 min) is equal to the ratio of Usmax 52b to Usmin 52a.
In Fig. 7 wird die Abweichung der hyperbolischen Beziehung aus Gleichung (b) zum Resultat 42 aus Puls 51 und die dadurch abweichende Ausgangsspannung des Wandlers vom Sollwert (dort konstante 15V) deutlich. Minimale Abweichung resultiert aus Variation der Zeitkonstanten des RC-Gliedes 33 sowie der Widerstände 32 und 35. Die Abweichung liegt dann für einen 1:4 Wandler im Bereich von +/-4% und für einen 1:2 Wandler bei +/-2%. 7 clearly shows the deviation of the hyperbolic relationship from equation (b) to the result 42 from pulse 51 and the resulting output voltage of the converter deviating from the target value (constant 15V there). Minimum deviation results from the variation of the time constants of the RC element 33 and the resistors 32 and 35. The deviation is then in the range of +/-4% for a 1:4 converter and +/-2% for a 1:2 converter. .
[0035] Der Hilfsspannungerzeuger 43 gleicht - abgesehen von den unterschiedlichen Spannungsbereichen - dem des Aufwärtswandlers. The auxiliary voltage generator 43 is similar - apart from the different voltage ranges - that of the step-up converter.
[0036] Figur 8 zeigt die komplette Schaltung des Abwärtswandlers. Zum beschriebenen Pulsgenerator kommen eine integrierte, synıchrone Halbbrücke 60 mit Bootstrap-Kondensator 61, zwei n-Kanal-MOSFETs 62 sowie eine Induktivität 63 und ein Glättkondensator 64 hinzu. FIG. 8 shows the complete circuit of the step-down converter. An integrated, synchronous half-bridge 60 with a bootstrap capacitor 61, two n-channel MOSFETs 62 and an inductor 63 and a smoothing capacitor 64 are added to the pulse generator described.
[0037] Weil ein ungeregelter Spannungswandler wegen fehlender Rückkopplung keine Fehlerkorrektur beinhaltet, ist die Ausgangsspannung nur dann (annähernd) lastunabhängig, wenn die Durchlasswiderstände der Transistoren 22, 62 und der Induktivität 23, 63 sehr klein sind, zusammen unter einem Ohm. Für Ausgangsströme des Wandlers unter 0,5A sind dafür aber durchaus kostengünstige und kompakte Bauteile erhältlich. Because an unregulated voltage converter does not include error correction due to the lack of feedback, the output voltage is only (approximately) load-independent if the forward resistances of the transistors 22, 62 and the inductance 23, 63 are very small, together less than one ohm. For converter output currents below 0.5A, however, inexpensive and compact components are available.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST
1 1. Komparator für Pulsgenerator des Aufwärtswandlers 1 1. Comparator for boost converter pulse generator
2 Widerstände Hysterese Schmitttrigger 2 resistors hysteresis Schmitt trigger
3 Widerstand RC-Gilied Oszillator 3 resistor RC-Gilied Oscillator
3a Diode zur Umwandlung eines Dreieckpulses in einen Sägezahnpuls 4 (Schwing-)Kondensator für RC-Glied Oszillator 3a diode for converting a triangular pulse into a sawtooth pulse 4 (oscillating) capacitor for RC element oscillator
5 Dreieckpuls, Sägezahnpuls vom Oszillator, Oszillatorausgang, Verbindung zu erstem Eingang des 2. Komparators 5 triangle pulse, sawtooth pulse from oscillator, oscillator output, connection to first input of 2nd comparator
6 2. Komparator für Pulsgenerator des Aufwärtswandlers 6 2. Comparator for boost converter pulse generator
7 R1, Offset-Widerstand für Steuerspannungs-Spannungsteiler 7 R1, offset resistor for control voltage voltage divider
8 Widerstand Spannungsteiler 8 resistor voltage divider
9 Widerstand Spannungsteiler 9 resistor voltage divider
10 2. Eingang 2. Komparator, Spannungsteiler-Knoten 10 2. Input 2. Comparator, Voltage divider node
11 Hilfsspannnungserzeuger für Aufwärtswandler 11 Auxiliary Voltage Generators for Boost Converters
11a Spannungsausgang des Hilfsspannnungserzeugers für Aufwärtswandler, Hilfsspannung 11a Voltage output of the auxiliary voltage generator for boost converter, auxiliary voltage
12 Ausgang Pulsgenerator für Aufwärtswandler 12 Output pulse generator for boost converter
13 Rechteckpuls Ausgang Pulsgenerator, Ausgangspuls 13 square pulse output pulse generator, output pulse
14 Dreieckpuls Oszillator Pulsgenerator, Dreieckschwingung 14 triangle pulse oscillator pulse generator, triangle wave
15 Steuerspannung, skalierte und versetzte Eingangsspannung U3 des Wandlers 15 Control voltage, scaled and offset input voltage U3 of the converter
15a Usmax maximale Steuerspannung 15a Usmax maximum control voltage
15b Usmin Minimale Steuerspannung 15b Usmin Minimum control voltage
16 Um obere Schwellenspannung Schmitttrigger 16 Um upper threshold voltage Schmitt trigger
17 Umm- untere Schwellenspannung Schmitttrigger 17 um- lower threshold voltage Schmitt trigger
18 taus min Minimale Auszeit des Rechteckpulses 13 18 toff min Minimum off time of the square pulse 13
19 taus max Maximale Auszeit des Rechteckpulses 13 19 toff max Maximum off time of the square pulse 13
20 synchrone Halbbrücke 20 synchronous half-bridge
21 Bootstrap-Kondensator 21 bootstrap capacitor
22 n-Kanal-MOSFETs 22 n-channel MOSFETs
23 Induktivität 23 inductance
24 Glättkondensator 24 smoothing capacitor
30 1. Komparator für Pulsgenerator des Abwärtswandlers 30 1. Comparator for buck converter pulse generator
31 Widerstände Hysterese Schmitttrigger 31 resistors hysteresis Schmitt trigger
32 Spannungsteiler-Pullup-Widerstände 32 voltage divider pull-up resistors
33 stromrichtungsabhängiges RC-Glied, Verzögerungsglied 33 current direction dependent RC element, delay element
34 R+, Offset-Widerstand für Steuerspannungs-Spannungsteiler 34 R+, offset resistor for control voltage voltage divider
35 Widerstand Spannungsteiler 35 resistor voltage divider
36 Widerstand Spannungsteiler 36 resistor voltage divider
40 2. Komparator für Pulsgenerator des Abwärtswandlers 40 2. Comparator for buck converter pulse generator
41 Ausgang Pulsgenerator für Abwärtswandler 41 Output pulse generator for buck converter
42 Ausgangssignal Pulsgenerator, Rechteckpuls Abwärtswandler, Resultat aus 51 42 Output signal pulse generator, square pulse down converter, result from 51
43 Hilfsspannnungserzeuger für Abwärtswandler 43 Auxiliary voltage generators for buck converters
44 Verbindungsleitung vom Verzögerungsglied zu erstem Eingang des 2. Komparators 44 Connection line from the delay element to the first input of the 2nd comparator
45 2. Eingang 2. Komparator, Spannungsteiler-Knoten 45 2. Input 2. Comparator, Voltage divider node
50 Rechteckpuls von Oszillator, Oszillatorausgang 50 square pulse from oscillator, oscillator output
51 abfallverzögerter Puls aus 50 mit angehobener Asymptote der Entladungskurve 51 fall-delayed pulse from 50 with raised asymptote of the discharge curve
52 Steuerspannung, skalierte und versetzte Eingangsspannung U: des Wandlers 52 Control voltage, scaled and offset input voltage U: of the converter
52a Us min 52a Us min
52b Us max 52b Us max
53 tein min Minimale Ein(-schalt-)zeit des Rechteckpulses 42 53 ton min Minimum on (switching) time of the square pulse 42
54 teinmax Maximale Ein(-schalt-)zeit des Rechteckpulses 42 54 teinmax Maximum on (switching) time of the square pulse 42
60 synchrone Halbbrücke 60 synchronous half bridge
61 Bootstrap-Kondensator 61 bootstrap capacitor
62 n-Kanal-MOSFETs 62 n-channel MOSFETs
63 Induktivität 63 inductance
64 Glättkondensator 64 smoothing capacitor
65 Sicherung 65 fuse
Rıy Widerstand Hysteresedefinition (Fig. 1) Rıy resistance hysteresis definition (Fig. 1)
Roy Widerstand Hysteresedefinition (Fig. 1) Roy resistance hysteresis definition (Fig. 1)
Ray Widerstand Hysteresedefinition (Fig. 1) Ray resistance hysteresis definition (Fig. 1)
Ua Wandler-Ausgangsspannung Among other things, converter output voltage
T Periodendauer Oszillator T Oscillator period
taus Auszeit Rechteckpuls toff timeout square pulse
tein Ein(-schalt-)zeit Rechteckpuls ton ON (switching) time square pulse
U: Hilfsspannnung, Ausgangsspannung Hilfsspannungserzeuger U» Wandler-Eingangsspannung (= Ue) U: Auxiliary voltage, output voltage of auxiliary voltage generator U» converter input voltage (= Ue)
U2max maximale Wandler-Eingangsspannung U2max maximum converter input voltage
U2min Minimale Wandler-Eingangsspannung U2min Minimum converter input voltage
Ue Wandler-Eingangsspannung Ue converter input voltage
Uemax maximale Wandler-Eingangsspannung Uemax maximum converter input voltage
Uemin Minimale Wandler-Eingangsspannung Uemin Minimum converter input voltage
Us Steuerspannung, skalierte und optional auch versetzte Eingangsspannung R; Offset-Widerstand für Steuerspannungs-Spannungsteiler Us control voltage, scaled and optionally offset input voltage R; Offset resistor for control voltage voltage divider
R2 Widerstand Steuerspannungs-Spannungsteiler an Hilfsspannung R3 Widerstand Steuerspannungs-Spannungsteiler an Masse R2 resistor control voltage divider to auxiliary voltage R3 resistor control voltage divider to ground
Claims (5)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA94/2022A AT525637B1 (en) | 2022-04-20 | 2022-04-20 | Pulse generator for unregulated DC-DC converters |
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| ATA94/2022A AT525637B1 (en) | 2022-04-20 | 2022-04-20 | Pulse generator for unregulated DC-DC converters |
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Family Applications (2)
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| ATA94/2022A AT525637B1 (en) | 2022-04-20 | 2022-04-20 | Pulse generator for unregulated DC-DC converters |
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Family Applications After (1)
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|---|---|---|---|---|
| US20110156684A1 (en) * | 2009-12-24 | 2011-06-30 | Da Silva Jose Barreiro | Dc-dc converters with pulse generators shared between pwm and pfm modes |
| US20210021192A1 (en) * | 2019-07-19 | 2021-01-21 | Texas Instruments Incorporated | Switching control for power converters |
-
2022
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-
2023
- 2023-02-03 AT ATA12/2023A patent/AT526116A1/en not_active Application Discontinuation
- 2023-04-12 DE DE102023109250.2A patent/DE102023109250A1/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110156684A1 (en) * | 2009-12-24 | 2011-06-30 | Da Silva Jose Barreiro | Dc-dc converters with pulse generators shared between pwm and pfm modes |
| US20210021192A1 (en) * | 2019-07-19 | 2021-01-21 | Texas Instruments Incorporated | Switching control for power converters |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AT525637A4 (en) | 2023-06-15 |
| DE102023109250A1 (en) | 2023-10-26 |
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