DE10040879A1 - Netzteil mit einer Batterie - Google Patents

Abstract

Das Netzteil der Erfindung, das eine Batterie (B) und einen Schalttransistor (T1) aufweist, dessen Stromanschlüsse seriell mit der Batterie, im Stromweg des Netzteiles, angeordnet sind, enthält eine Schutzschaltung, die an den Stromanschlüssen des Schalttransistors angeordnet ist und die Differenzspannung über dem Schalttransistor auswertet. Der Schalttransistor ist insbesondere ein MOSFET mit einer parallel geschalteten internen Diode (D1). Bei einer zu hohen Differenzspannung wird das Netzteil oder ein nachgeschaltetes Gerät abgeschaltet, so daß der Schalttransistor (T1) in einem Fehlerfall nicht zerstört wird. DOLLAR A Die Schutzschaltung enthält insbesondere eine Schwellwertschaltung mit einem Transistor (T2), dessen Basis und Emitter an den Stromanschlüssen des Schalttransistors (T1) anliegen und dessen Basisspannung über einen Spannungsteiler derart eingestellt ist, daß bei einer zu hohen Differenzspannung der Transistor durchschaltet und hierdurch über den Kollektor ein Abschaltsignal auslöst. Weist das Netzteil einen DC-DC Konverter (DC-DC) auf, so kann direkt der Schalttransistor (T3) des DC-DC Konverters abgeschaltet werden. DOLLAR A Verwendung insbesondere für batteriebetriebene Netzteile mit einem DC-DC Konverter für tragbare Fernsehgeräte.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Netzteil mit einer Batterie, wie beispielsweise häufig in tragbaren Geräten der Konsumelektronik verwendet. Derartige Geräte benötigen einen Schutz gegen Verpolung der Batteriespannung, da Batterien, bei bestimmten Batterietypen, falsch herum eingelegt werden können, und durch eine invertierte Batteriespannung elektrische Bauteile des Gerätes, insbesondere Elektrolytkondensatoren, zerstört werden können.

Zum Schutz gegen eine Verpolung der Batterie ist es bekannt, eine Diode oder ein Schaltelement in Serie mit der Batterie anzuordnen. Dioden haben jedoch den Nachteil, daß sie eine relativ hohe Durchlaßspannung aufweisen und somit nicht unerhebliche Verluste aufweisen, welches gerade bei Batteriebetrieb nicht erwünscht ist. Als Verpolungsschutz ist daher ein Schalttransistor, insbesondere ein MOSFET, besser geeignet, der einen relativ niedrigen Durchgangswiderstand aufweist, wenn er voll durchgesteuert ist. Die Basis eines MOSFETs ist hierbei derart beschaltet, daß der MOSFET bei richtiger Batteriepolung voll durchgesteuert ist und bei falscher Batteriepolung sperrt. Derartige Schutzschaltungen gegen eine Verpolung der Batterie sind beispielsweise aus der DE-A-196 03 117 und aus der EP-A-0 918 389 bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Netzteil mit einer Batterie und mit einem Schalttransistor, der im Stromweg des Netzteiles angeordnet ist, anzugeben, bei dem der Schalttransistor gegen Zerstörung geschützt ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Netzteil der Erfindung, das eine Batterie und einen Schalttransistor, dessen Stromanschlüsse seriell mit der Batterie, im Stromweg des Netzteiles, angeordnet sind, weist eine Schutzschaltung auf, die an den Stromanschlüssen des Schalttransistors angeordnet ist und die Differenzspannung über dem Schalttransistor auswertet. Bei einer zu hohen Differenzspannung wird das Netzteil, bzw. das Gerät, abgeschaltet, so daß der Schalttransistor nicht zerstört werden kann.

Insbesondere, wenn als Schalttransistor ein MOSFET verwendet wird, der üblicherweise eine parallel geschaltete interne Diode aufweist, besteht für diesen eine Gefahr, wenn er bei hohem Strom nicht oder nicht richtig durchgeschaltet ist. Die interne Diode des MOSFETs ist üblicherweise von Natur aus eine schlechte Diode mit einer hohen Durchlaßspannung. Insbesondere bei Geräten mit hohem Stromverbrauch würde sich diese Diode enorm erwärmen und in diesem Fall ein Sicherheitsproblem darstellen. Die Schutzschaltung enthält insbesondere eine Schwellwertschaltung, die bei einer zu hohen Differenzspannung über den Stromanschlüssen des Schalttransistors reagiert, so daß keine Gefahr für den MOSFET besteht.

Bei einer zu hohen Differenzspannung kann durch die Schutzschaltung beispielsweise das Gerät an sich oder wesentliche Teile des Gerätes abgeschaltet werden, so daß sich der Stromfluß auf einen ungefährlichen Wert reduziert. Weist das Netzteil einen DC-DC Konverter auf, so kann vorteilhafterweise auch direkt der Schalttransistor des DC-DC Konverters abgeschaltet werden. Batteriebetriebene Netzteile mit einem DC-DC Konverter werden insbesondere für tragbare Fernsehgeräte benötigt.

Als Schutzschaltung kann insbesondere eine einfache Transistorstufe verwendet werden mit einem Transistor, dessen Basis und Emitter an den Stromanschlüssen des Schalttransistors anliegen und dessen Basisvorspannung über einen Spannungsteiler derart eingestellt ist, daß bei einer zu hohen Differenzspannung der Transistor durchschaltet und hierdurch über den Kollektor ein Abschaltsignal auslöst.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft an Hand eines schematischen Schaltbildes näher erläutert. Es zeigt:

Fig. ein Netzteil mit einer Batterie und einem in Serie geschalteten Schalttransistor.

Das in der Figur dargestellte Netzteil weist eine Batterie B und einen Schalttransistor T1 auf, in diesem Ausführungsbeispiel ein MOSFET, der mit seinen Stromanschlüssen in Serie zu der Batterie B geschaltet ist. Der MOSFET T1 enthält eine interne Diode D1, die parallel zu den Stromanschlüssen Drain D und Source S geschaltet ist, um zu verhindern, daß der MOSFET T1 in einem inversen Mode betrieben wird. Das Gate G des MOSFETs ist über einen Widerstand R1 mit dem positiven Pol der Batterie B verbunden und über eine Zener-Diode D2 mit dem Source-Anschluß des MOSFETs T1. Bei der in der Figur dargestellten richtigen Polung der Batterie liegt hierdurch an dem Gate G eine positive Spannung an, gebildet durch den Spannungsteiler mit dem Widerstand R1 und den Dioden D2 und D1, so daß der MOSFET T1 leitet. Im Falle einer falschen Polung der Batterie B ist die Gate- Source-Spannung negativ, so daß der MOSFET T1 geschlossen bleibt, und ebenfalls die Diode D1 sperrt.

In einem Fehlerfall, beispielsweise wenn die Schottky- Diode D2 gebrochen ist und einen Kurzschluß erzeugt, besteht die Gefahr, daß der MOSFET T1 nicht richtig durchgeschaltet ist. In diesem Fall würde der Strom durch die Diode D1 fließen, und diese würde sich insbesondere bei hoher Last enorm erwärmen und dadurch ein Sicherheitsproblem darstellen. Ein Strom von beispielsweise 6 A würde über der Diode D1 einen Spannungsabfall von einem Volt erzeugen, so daß in der Diode eine Verlustleistung von 6 W entstehen würde.

Um den Schalttransistor T1 vor einer Überhitzung zu schützen, die eine Gefahr für das Gerät darstellen würde, ist daher eine Schutzschaltung mit einem Transistor T2, Diode D3 und Widerständen R2-R5 vorgesehen, die die Differenzspannung über den Stromanschlüssen des Schalttransistors T1 mißt und ab einer bestimmten Schwellwertspannung entweder das Gerät oder das Netzteil selbst abschaltet. Der Transistor T2 ist hierbei mit seiner Basis über einen Widerstand R4 mit dem Source- Anschluß S und mit seinem Emitter über einen Widerstand R5 mit dem Drain-Anschluß D des MOSFETs T1 angeschlossen, so daß hierdurch eine Schwellwertschaltung entsteht, die bei einer zu hohen Differenzspannung den Transistor T2 durchschaltet.

Die Basis des Transistors T2 ist hierbei über den Widerstand R5 und einem Spannungsteiler mit einer definierten Vorspannung versehen, indem sie über zwei Widerstände R2 und R3 mit dem positiven Pol der Batterie B verbunden ist, und indem der Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen R2 und R3 über eine Diode D3 an die an dem Source-Anschluß S anliegende Spannung geklemmt ist. Hierdurch weist die Basis des Transistors T2 eine Vorspannung von ungefähr 200 mV auf. Unter Normalbedingungen, wenn der MOSFET T1 voll durchgesteuert ist, beträgt der Durchlaßwiderstand etwa 20 mOhm, so daß bei einem Strom von 6 A nur eine Spannung von 0,12 V Differenzspannung über den Stromanschlüssen D, S des MOSFETs steht. In diesem Fall bleibt der Transistor T2 gesperrt. Erst wenn der MOSFET nicht oder nicht richtig durchgeschaltet ist, so daß durch die Diode D1 ein höherer Spannungsabfall entsteht, schaltet der Transistor T2 durch.

Über den Kollektor des Transistors T2 wird also in einem Fehlerfall ein Spannungssignal ausgelöst, mit dem beispielsweise das Netzteil über einen weiteren Schalter abgeschaltet werden kann. Weist das Netzteil, wie in diesem Ausführungsbeispiel, einen DC-DC-Wandler auf zur Erzeugung einer höheren Spannung, so kann über den Kollektor des Transistors T2 der DC-DC Wandler abgeschaltet werden, indem die Basis des Schalttransistors T3 des DC-DC-Konverters über eine Diode D4 direkt mit dem Kollektor des Transistors T2 verbunden ist. Schaltet der Transistor T2 durch, so ist die Basis des Schalttransistors T3 mit dem Minuspol der Batterie verbunden, so daß der DC-DC-Konverter hierdurch abschaltet und der Stromfluß durch den MOSFET T1 unterbrochen ist.

Der DC-DC-Konverter ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Sperrwandler mit einem Transformator TR, dessen Primärwicklung W1 in Serie zu dessen Schalttransistor T3 und der Batterie B liegt, und durch dessen Sekundärwicklung W2 und eine Diode D5 eine Ausgangsspannung V+ bereitgestellt wird. Die Basis 1 des Schalttransistors T3 wird in bekannter Weise über eine Treiberschaltung angesteuert. Es kann also mit wenigen Bauteilen eine zuverlässige Schutzschaltung angegeben werden, die bei einer zu hohen Differenzspannung über den Stromanschlüssen des Schalttransistors T1 diesen sicher schützt, und insbesondere bei einem MOSFET mit einer internen Diode in einem Fehlerfall eine zu starke Erwärmung des MOSFETs und damit dessen Zerstörung verhindert.

Claims (10)

1. Netzteil mit einer Batterie (B) und mit einem Schalttransistor (T1), der mit seinen Stromanschlüssen (D, S) im Stromweg des Netzteiles angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stromanschlüssen (D, S) des Schalttransistors (T1) eine Schutzschaltung angeordnet ist, die die Differenzspannung über dem Schalttransistor (T1) auswertet.

2. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung eine Schwellwertschaltung aufweist, die bei einer zu hohen Differenzspannung das Netzteil oder ein nachgeschaltetes Gerät abschaltet.

3. Netzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen DC-DC Konverter (DC-DC) aufweist, und daß die Schutzschaltung (T2, D3, D4, R2, R5) bei einer zu hohen Differenzspannung den DC-DC Konverter abschaltet.

4. Netzteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (T1) eine parallel geschaltete Diode (D1) aufweist, und daß die Schwellwertspannung der Schutzschaltung durch die Durchlaßspannung der Diode (D1) definiert ist.

5. Netzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung einen Transistor (T2) aufweist, dessen Basis-Emitter-Strecke an den Stromanschlüssen (D, S) des Schalttransistors (T1) anliegt.

6. Netzteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors (T2) über eine Diode (D4) mit der Basis eines Schalttransistors (T3) des DC-DC Konverters (DC-DC) gekoppelt ist.

7. Netzteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der positiven Spannung (+) der Batterie (B) und der Basis des Transistors (T2) ein erster Widerstand (R2, R3) angeordnet ist, der mit einer Diode (D3) und einem zweiten Widerstand (R4) einen Spannungsteiler gegenüber dem Minuspol (-) bildet.

8. Netzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (T1) ein MOSFET mit interner Diode ist.

9. Netzteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der MOSFET ein selbstsperrender MOSFET ist, dessen Drain mit dem negativen Pol der Batterie gekoppelt ist, dessen Source mit dem positiven Pol des Netzteiles, und dessen Gate mit dem positiven Pol des Netzteiles gekoppelt ist.

10. Netzteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (G) über einen dritten Widerstand (R1) mit dem positiven Pol des Netzteiles und über eine Diode (D2) mit dem Sourceanschluß des MOSFETs gekoppelt ist.