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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Netzausfallüberbrückung bei
Schaltungen mit Schaltreglern, insbesondere bei Tiefsetzstellern, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Derartige
Tiefsetzsteller, auch als Abwärtswandler
oder Step-Down-Converter
bezeichnet, kommen in verschiedensten Stromversorgungsgeräten zum
Einsatz. Eine wichtige Anwendung bilden Schaltnetzteile.
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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.
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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.
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Auf
jeden Fall liegt jedoch am Ausgang eine Spannung mit einem pulsförmigen Verlauf
an. Diese pulsförmige
Ausgangs spannung wird über
einen herkömmlichen
Tiefpass geglättet.
Dadurch erhält
man eine Gleichspannung, die etwa dem zeitlichen Mittelwert der
pulsförmigen
Ausgangsspannung entspricht.
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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.
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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.
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Schaltregler,
Step-Down-Converter eingeschlossen, werden in großer Typenvielfalt
als integrierte Schaltkreise angeboten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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EP 1 020 981 A2 offenbart
eine Schaltnetzteil-Einheit, wobei Maßnahmen vorgesehen sind, welche
eine Erhöhung
von Schaltverlusten unter geringer Last vermeiden.
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Darstellung
der Erfindung
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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.
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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.
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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 ver stärkt wird. Es genügt, eine
Aufladespannung bereitzustellen, die etwa knapp der maximalen Betriebsspannung des
Schaltreglers entspricht. Dadurch erübrigt sich eine separate Regelung
der Aufladespannung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Ziel einer Volumenreduzierung des Pufferkondensators wird durch
die Verringerung der zur Gewährleistung
einer vorgegebenen Pufferzeit erforderlichen Kapazität ebenfalls
erreicht.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
gestattet somit auf besonders vorteilhafte Weise den Aufbau kleiner
und preiswerter Schaltnetzteile.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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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.
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Beschreibung einer bevorzugten
Ausführung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Ausgangs spannung und den jeweils zu liefernden Lastströmen des
Regelschaltkreises ab.