AT526116A1

AT526116A1 - Ungeregelter Gleichspannungswandler

Info

Publication number: AT526116A1
Application number: ATA12/2023A
Authority: AT
Inventors: Schöller Karl
Original assignee: Karl Schoeller
Priority date: 2022-04-20
Filing date: 2023-02-03
Publication date: 2023-11-15
Also published as: DE102023109250A1; AT525637A4; AT525637B1

Abstract

Ungeregelter Gleichspannungs-Schalt-Nichtsynchron-Wandler für variable Wandler-Eingangsspannung mit Pulsgenerator, bestehend aus einer Oszillatorschaltung (40), einem Filter (41) und einem Analog-Komparator (42), wobei der Pulsgenerator seine Pulsweite aus dem Vergleich der variablen Wandler-Eingangsspannung mit einer Filterfunktion herleitet, die je nach Wandlertyp (Aufwärtswandler oder Abwärtswandler) linear oder hyperbolisch ist. Die bevorzugte Ausführung steuert vom Pulsgenerator aus einen Low-Side-Driver (43) an, der einen pMOSFET (44) oder einen pnp-Transistor treibt, wobei Pulsgenerator (40, 41, 42), Treiber (43) und Leistungstransistor (44), von einem mit einem Negativ-Längsregler ausgeführten Hilfsspannungserzeuger (46) die variable Wandler-Eingangsspannung als schwimmendes Bezugspotential (47) heranziehen. Dies führt zu einem Schaltwandler mit verringertem Bauteileaufwand.

Description

Ungeregelter Gleichspannungwandler

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen ungeregelten Gleichspannungs-Schalt-NichtsynchronWandier mit variabler Wandler-Eingangsspannung, umfassend

- einen Pulsgeneratör in der Art eines ungeregelten Gleichspannungs-Schalt-SynchronWandilers mit einer Oszillatarschaltung, einem Filter und einem Analog-Komparator,

- eine Treiberstufe,

- eine Leistungsstufe,

- zumindest einen Hifsspannungserzeuger.

Stand der Technik

In der Patentanmeldung AS4/2022 wird ein Pulsgenerator für ungeregelte Synchronwandler beschrieben. Dieser Pulsgenerator leitet aus dem Vergleich der varlablen WandierEingangsspannung mit einer Filterfunktion, die je nach Wandlertyp (Aufwärtswandler oder Abwärtswandler) linear oder hyperbolisch ist, eine Pulsweite ab, die unabhängig von der Wandler-Eingangsspannung zu einer weitgehend konstanten Ausgangsspannung des Wandiers führt. a

Ein Synchronwandler erlaubt ohne Einschränkung ungeregelten Betrieb, weil die Induktivität des Synchronwandiers negative Stremrichtungen ermöglicht, wie sie bei kleinen WandlerAusgangssträmen, also bei niedriger Ausgangslast, auftreten. Benötigt aber — wie der Name sagt — einen Synchron- Treiber mit zwei Leistungstransistoren,

Aufgabenstellung

Um ungeregelte Synchron-Wandler zu vereinfachen, wird Nichtsynchron-Betrieb eines Wandlers angestrebt. Dazu soll der Synchron-Treiber, meist mit einer Bootstrap-Schaltung ausgeführt, durch einen kostengünstigeren und verlässlich lieferbaren unipolaren Treiber, am besten durch einen Low-Side-Driver ersetzt werden.

Auch darf die Ausgangsspannung des Nichtsynchron-Wandlers bei Niedriglast nicht unzulässig hohe Werte annehmen.

Darlegung der Erfindung

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst,

dass in einer Ausführung als Nichtsynchron-Wandler

der Low-Side-Ausgäng des Synchron- Treibers beim (Synchron-)Wandier vom Steueranschluss des Low-Side-Transistors galvanisch getrennt, der Steueranschluss ggf. auch auf Massepegel gesetzt und die Schaltfunktion dieses Transistors passiv von einer Diode übernommen wird, wobei die Low-Side des Synchron- Treibers dadurch verzichtbar und der Synchron- Treiber zum Nichtsynchron- Treiber wird,

dass in einer bevorzugten Ausführung als Nichtsynchren-Wandler

die Treiberstufe aus einem integrierten oder diskret aufgebauten High-Side-Driver besteht, und die Leistungsstufe als AMOSFET oder als bipolarer Transistor mit non-Charakteristik sowie einer Diode ausgeführt ist,

und dass in einer bevorzugteren Ausführung als Nichtsynchron-Wandier

die Treiberstufe aus einem integrierten oder diskret aufgebauten Low-Side-Driver besteht, und die Leistungsstufe als pMOSFET oder als bipolarer Transistor mit pnp- Charakteristik sowie einer Diode ausgeführt ist, wobei der Hilfsspannungserzeuger, welcher Pulsgenerator und Treiberstufe versorgt, als Negativ-Längsregler ausgeführt ist und sein Bezugspotential von der Wandier-Eingangsspannung erhält, die Pulsformen des Pulsgenerators durch Anpassung der Widerstände bzw. Umpeolung der Dioden gegenüber den vorigen Ausführungen mit PositivLängsregler invertiert sind, und die Widerstände des Eingangs-Spannungstellers umgedrehte Werte gegenüber den vorigen aufweisen.

Aus den Unteransprüchen 4 bis 6 lässt sich weiterbilden, dass der Wandlerausgang mit seinem Überspannungsbegrenzer ausgestattet ist, die Komponenten des Pulsgenerators samt Treiberggf. auch mit Leistungsstufe zu einer integrierten Single-Chip-Schaltung zusammengefasst sind, und eine Sicherung, vorzugsweise rückstellend, am Ausgang des Wandlers angebracht ist, weiche die Kurzschlussfestigkeit der Wandier-Schaltung herstellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 einen ungereagelten Gleichspannungs-Schalt-Nichtsynchron-Wandier aus einem. geringfügig modifizierten. Synchron-Wandler,

Figur 2 einen ungeregelten Gleichspannungs-Schalt-Nichtsynchron-Wandier mit HighSide-Driver und nMOSFET,

Figur 3 einen ungeregelten Gleichspannungs-Schalt-Nichtsynchron-Wandier mit Low-

Side-Driver und pMOSFET.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungen

Eine Ausführungsform eines ungeregelten Nichtsynchran Wandiers leitet sich aus dem Synchronwandler mit Pulsgenerator 1, 2, 3 aus Fig. 1 ab, dessen Low-Side-Ausgang des Synchron-Treibers 4, auch als Hafbbrücke bekannt, vom Steueranschluss 9 des Low- SideTransistors galvanisch getrennt wird. Der Steueranschluss wird sicherheitshalber auf Massepegel gesetzt und die Schaltfunktion dieses Transistors passiv von der Diode 10 übernommen. Die Low-Side des Synchron-Treibers 4 wird dadurch überflüssig und der Synchron- Treiber zum Nichtsynchron- Treiber.

Die bevorzugte Ausführung in Fig. 2 arbeitet aber nicht mit der Body-Diade 10 eines MOSFET sondern mit einer (Nur-)Diode (Schottky) 25. Und verwendet statt der Halbbrücke 4 einen HighSide-Driver 23 mit nMOSFET 24. Der Pulsgenerator, hier 20, 21,22 bleibt im Wesentlichen der gleiche.

Eine Eigenheit nichtsynchrener Wandler ist lückender Betrieb bei kleinem Ausgangsstrom (Tietze, Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 11. Auflage, Seite 982). Beim ungeregelten Abwärts-Wandiler führt dieser zu einem Anstieg der Ausgangsspannung bis hinauf zur ; Eingangsspannung. Abhilfe erreicht man durch eine Überspannungsbegrenzung. Im einfachsten Fall verwendet man einen Zum (externen) Lastwiderstand des Wandlers parallelen Widerstand, so dimensioniert, dass der Mindeststrom nie unterschritten wird. Energetisch günsfiger ist eine Crowbar-Schaltung oder eihe Schaltung aus Zenerdiaden 34 mit einer temperaturunabhängigen Zenerspannung nahe 5V, parallel zum Wandier-Ausgang, Die Impulsleistung der Zenerdioden 34 ist für den Störfall so ausgelegt, dass eine Sicherung 35 rechtzeitig vor Beschädigung der Dioden abschaltet. Gleichzeitig dient die Sicherung 35, vorzugsweise rückstellend, als Überlastschutz für die Wangler-Ausgangslast,

High-Side-Driver 23 sind technisch fast genauso aufwändig wie Synchron-Treiber, da beide eine Bootstrap-Schaltung oder eine Ladungspumpe erfordern. Und müssen für die maximale \Wandler-Eingangsspannung ausgelegt sein. Wesentlich kostengünstiger wären LOw-Si deDriver,

Erfindungsgemäß führt das zu einer bevorzugteren Ausführung in Fig. 3. Ein kostengünstiger Low-Side-Driver 43, auf etwa 20V Maximalspannung veranschlagt, steuert einen pMOSFET 44 oder einen oND-Transistor an. Ein Hilfsspannungserzeuger 46, welcher Pulsgenerator 40, 41, 42 und Treiberstufe 43 versorgt, ist als Negativ-Längsregler ausgeführt und erhält sein Bezugspotential 47 von der Wandier-Eingangsspannung.

Schwimmendes Bezugspofential 47 ist deshalb möglich, weil am Steuerungsteil 40, 41, 42. 43 ausgenommen Eingangsspannungsteiler 51, 52 - wie auch am Leistungstransistor 44 keine Massepotentiale erforderlich sind.

Zur Umstellung der Pulsformen 48 an das geänderte Bezugspotentjal 47 sind am Pulsgenerator 40, 41, 42 die Widerstände 49 anzupassen, die Dioden 50 gegenüber den vorigen PulstarmAusführungen 13, 31 mit Pesitiv-Längsregler umzupolen, ebenso die Widerstandswerte des EingangsS- -Spannungsteilers 51, 52 gegenüber 11, 12, 29, 30 umzudrehen.

Weil ungeregelte Spannungswandler wegen fehlender Rückkopplung keine Fehlerkorrektur beinhalten, ist die Ausgangsspannung nur dann (annähernd) lastunabhängig, wenn die

Durchlasswiderstände der Transistoren 5, 24, 44 und der Induktivität 6, 26, 54 sehr klein sind, zusammen vielleicht unter einem Ohm. Auch wenn pDMOSFET im Vergleich zu AnMOSFETs größere Durchlasswiderstähde aufweisen, sind auch pDMOSFETs heutzutage schon sehr‘ niederchmig und günstig erhältlich.

Bezugszeichenliste

1 Oszillator aus Inverter-Komparator 2 Stromrichtungsabhängiger RC-Füter 3 Analog-Push-Pull-Köomparator mit Eingangsspannungsteiler

4 Synchron- Treiber, High-Side-Driver und Low-Side-Driver, Treiberstufe 5 nMOSFET, Leistungsstufe

6 Induktivität

7 Glättkondensator

8 Hilfsspannungserzeuger, Positiv-Längsregler

9 Verbindungsleitung Low-Side-Driver zu Steueranschluss Transistor

10 Body-Dicde Low-Side-Transistor

11 Eingangsspannungsteiler

12 Eingangsspannungsteller

13 Pulsformen Pulsgenerator

14 Sicherung

20 Oszillator aus Inverter-Komparator

21 Stromrichtungsabhängiger RC-Filter

22 Analog-Push-Pull-Kömparator mit Eingangsspannungsteiler 23 Hiagh-Side-Driver, Treiberstufe

24 nMOSFET, Leistungsstife

25 Diode, Leistungsstufe

26 Induktivität

27 Glättkondensator

28 Hifsspannungserzeuger, Positiv-Längsregler 29 Eingangsspannungsteiler

30 Eingangsspannungsteiler

31 Pulsformen Pulsgerierator

32 Widerstand RC-Filter

33 Diode RC-Filter

34 Zenerdioden, Spannungsbegrenzer

35 Sicherung

40 Oszillator aus Analog-Komparator

41 Stromrichtungsabhängiger RC-Filter

42 Analog-Push-Pull-Kömparator mit Eingangsspannungsteiler 43 Low-Side-Driver, Treiberstufe

44 PMOSFET, Leistungsstufe

45 Diode, Leistungsstufe

46 Hifsspannungserzeuger, Negativ-Längsregier 47 Bezugspoetential Wandler, Wandier-Eingangsspannung 48 Pulsformern Pulsgenerater

49 Widerstand RC-Filter

50 Dioden Oszillatar und RCO-Filter

51 Eingangsspannungsteiler

52 Eingangsspannungsteiller

Zenerdioden, Spanaungsbegrenzer Induktivität

Glättkondensator

Sicherung

Claims

1. Ungeregelter Gleichspannungs-Schalt-Nichtsynchron-Wandler mit variabler Wandier-Eingangsspannung, umfassend

- einen Pulsgenerater in der Art eines ungeregelten Gleichspannungs-Schalt-SynchronWandiers (Fig. 1} mit einer Oszillatorschaltung (1, 20, 40), einem Filter (2, 21, 41) und einem Analog-Komparater (3, 22, 42),

- eine Treiberstufe (4, 23, 43),

- eine Leistungsstufe (5, 24, 25, 44, 45),

- einen LC-Filter (6, 7, 26,27, 54, 55) zur Glättung der Ausgangsspannung,

- zumindest einen Hilfsspaännungserzeuger (8, 28, 46}.

dadurch gekennzeichnet, dass

- der Low-Side-Ausgang des Synchron-Treibers (4) beim (Synchron-)Wandler vom Steueranschluss. (9) des Low-Side-Transistors galvanisch getrennt, der Steueranschluss ggf. auch auf Massepegel gesetzt und die Schaltfunktion dieses Transistors passiv von der Diode (10) übernommen wird,

- die Low-Side des Syrichton-Treibers (4) dadurch verzichtbar und

- der Synchron-Treiber zum Nichtsynchron-Treiber wird,

2, Gleichspannungs-Schalt Nichtsynehren-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ;

- die Treiberstufe aus einem integrierten oder diskret aufgebauten High-Side-Driver (23) besteht, und die Leistungsstife (24, 25) als nMOSFET (24) oder als bipolarer Transistor mit npn-Charakteristik sowie: einer Diode (25) ausgeführt ist.

3. Gleichspannungs-Schalt-Nichtsynchron-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ;

- die Treiberstufe aus einem integrierten oder diskret aufgebauten Low-Side-Driver (43) besteht, und die Leistungsstufe (44, 45) als pDMOSFET (44) oder als bipolarer Transistor mit pnpCharakteristik sowie einer Diode (45) ausgeführt ist,

- wobei der Hilfsspannungserzeuger (46), welcher Pulsgenerator (40, 41, 42) und Treiberstufe (43) versorgt, als Negativ-Längsregler ausgeführt ist und sein Bezugspotential (47) von der Wandler-Eingangssparinung erhält,

- die Pulsformen (48) des Pulsgenerators (40, 41, 42) durch Anpassung der Widerstände (49) bzw. Umpolung der Dioden (50) gegenüber den vorigen Pulsform-Ausführungen (13, 31) nit Positiv-Längsregier inverliert sind, und die Widerstände des Eingangs-Spannungstellers (51, 52) umgedrehte Werte gegenüber (11, 12, 29, 30) aufweisen.

4. Gleichspannungs-Nichtsynchren-Wandler nach den vorigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass :

- der Wandlerausgang mit einem Überspannungsbegrenzer (34, 53) ausgestattet ist,

43), ggf. auch mit Leistungsstuüfe (5, 24,25, 44, 45) zu einer integrierten. Single-Chip-Schaltung zusammengefasst sind. ;

5. Gleichspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Sicherung (14, 35, 55), vorzugsweise eine rückstellende Sicherung, am Ausgang des Wandiers angebracht ist, weiche die Kurzschlussfestigkeit der Wandier-Schaltung herstellt.