Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur
Netzausfallüberbrückung bei Schaltungen mit Schaltreglern,
insbesondere bei Tiefsetzstellern.
-
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.
-
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
Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 7
beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen erfindungsgemäßer
Schaltungsanordnungen. In Anspruch 8 wird ein Schaltnetzteil mit
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung angegeben.
-
Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, dass es nicht
erforderlich ist, eine separat geregelte Aufladespannung 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
periodische 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.