DE10151652A1

DE10151652A1 - Umwandeln von verfügbarer elektrischer Leistung in gewünschte elektrische Leistung

Info

Publication number: DE10151652A1
Application number: DE10151652A
Authority: DE
Inventors: Mathew A Nieberger
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2021-10-20
Also published as: US6242896B1; DE10151652B4

Abstract

Techniken zum Umwandeln von verfügbarer elektrischer Leistung in gewünschte elektrische Leistung sind offenbart. Ein Ausführungsbeispiel der Techniken verlangt eine Verstärkungsschaltung, um eine niedrige Leistung W¶in¶ an einem Anschluß W¶Vin¶ zu einer hohen Leistung W¶out¶ an einem Anschluß T¶Vout¶ umzuwandeln. Die Verstärkungsschaltung umfaßt eine Spannungserzeugungsschaltung, einen Kondensator C¶store¶, einen Zeitgebungssteuergenerator und einen Verstärkungsregler. Die Spannungserzeugungsschaltung wandelt die Spannung V¶in¶ an dem Anschluß T¶Vin¶ in eine Spannung V¶store¶ an einem Anschluß T¶Vstore¶ um, wobei bei einem Ausführungsbeispiel V¶store¶ geringer ist als V¶in¶. Ferner ist der Strom I¶charge¶, der durch die Spannungserzeugungsschaltung an dem Anschluß T¶Vstore¶ geliefert wird, geringer als der Strom I¶in¶ an dem Anschluß T¶Vin¶. Bei einem Ausführungsbeispiel speichert der Kondensator C¶store¶, der durch den Strom I¶charge¶ geladen wird, die notwendige Ladung, um geeignete Ströme und Spannungen zu dem Verstärkungsregler zu liefern. Der Zeitgebungssteuergenerator verwendet die Spannungen V¶in¶ und V¶store¶, um ein Zeitgebungssteuersignal T¶control¶ zu liefern, das die Zeitgebungsoperation des Verstärkungsreglers steuert. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt T¶control¶ den Verstärkungsregler neu ein, bis der Kondensator C¶store¶ ausreichend Ladung akkumuliert, um eine geeignete Leistung zu der Last an dem Anschluß T¶Vout¶ durch den Verstärkungsregler zu ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Leistung und insbesondere auf das Umwandeln von verfügbarer Leistung in gewünschte Leistung.

Elektrische Leistungsversorgungen sind bei täglichen Aktivitäten sehr verbreitet. Ein Kühlschrank, ein Fernseher, ein Videorekorder, ein Computer, ein Computerperipheriegerät, usw. erfordern alle elektrische Leistungsversorgungen. Abhängig von den Bedürfnissen jedes dieser Geräte variiert die verbrauchte Leistung in den unterschiedlichen Betriebsmodi. Beispielsweise zieht ein Computer in einem "Energiespar-"Modus oder ein Videorekorder in einem "Standby-"Modus nicht so viel Strom wie in einem Betriebsmodus. Gleichartig dazu erfordert ein Computerplattenlaufwerk im allgemeinen einen höheren Strom als normal, um seinen Motor in einem Startmodus aufzudrehen. Um die Leistung richtig zu verwalten, erfordern viele Lösungsansätze, daß ein Betriebssystem Informationen und Intelligenz umfaßt, um die Startzeit zu bestimmen, so daß die Systemleistung dann anderen Geräten zugeteilt werden kann und somit für das Plattenlaufwerk reserviert wird. Solche Lösungsansätze können auch eine zusätzliche Leistungsversorgung erfordern, die verwendet wird, wenn die hohe Leistung benötigt wird. Ein Leistungsverwaltungssystem ist jedoch sowohl selbst und auch mit zusätzlichen Leistungsversorgungen aufwendig und macht das System unerwünscht komplex. Folglich ist es eindeutig wünschenswert, daß Mechanismen geschaffen werden, um die obigen Mängel zu lösen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine unaufwendigere Schaltung zum Umwandeln von verfügbarer elektrischer Leistung in gewünschte elektrische Leistung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Es werden Techniken zum Umwandeln von verfügbarer elektrischer Leistung zu gewünschter elektrischer Leistung offenbart. Ein Ausführungsbeispiel der Techniken erfordert eine Verstärkungsschaltung bzw. Boostschaltung, um eine niedrige Eingangsleistung W_in an einem Anschluß T_Vin in eine hohe Ausgangsleistung W_out an einem Anschluß T_Vout umzuwandeln. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, daß die elektrische Leistung an einem Anschluß das Produkt der Spannung und des Stroms an diesem gleichen Anschluß ist. Die Verstärkungsschaltung umfaßt eine Spannungserzeugungsschaltung, einen Kondensator C_store, einen Zeitgebungssteuergenerator und einen Verstärkungsregler. Die Spannungserzeugungsschaltung wandelt die Spannung V_in an dem Anschluß T_Vin in die Spannung V_store an einem Anschluß T_Vstore um, wobei bei einem Ausführungsbeispiel V_store geringer ist als V_in. Ferner ist der Strom I_charge, der durch die Spannungserzeugungsschaltung an dem Anschluß T_Vstore geliefert wird, geringer als der Eingangsstrom I_in, der an dem Anschluß T_Vin verfügbar ist. Bei einem Ausführungsbeispiel speichert der Kondensator C_store, der durch den Strom I_charge geladen wird, eine notwendige Ladung, um geeignete Ströme und Spannungen zu dem Verstärkungsregler zu liefern.

Der Zeitgebungssteuergenerator verwendet die Spannungen V_in und V_store, um ein Zeitgebungssteuersignal T_control zu liefern, das die Zeitgebungsoperation des Verstärkungsreglers steuert. Bei einem Ausführungsbeispiel Stellt T_control den Verstärkungsregler ein und stellt denselben neu ein bzw. macht die Einstellung desselben rückgängig. Das Neueinstellen bzw. Rückgängigmachen des Einstellens des Verstärkungsreglers verhindert, daß derselbe seine Operation durchführt, während das Einstellen desselben die normale Funktion desselben ermöglicht. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt T_control den Regler neu ein, bis der Kondensator C_store genug Ladung akkumuliert, um eine geeignete Leistung zu der Last an dem Anschluß T_Vout zu liefern. Wenn der Verstärkungsregler in Betrieb ist, wandelt derselbe die Spannung V_store in die Spannung V_out um. Bei einem Ausführungsbeispiel wandelt die Verstärkungsschaltung V_in bei 3,3 V und I_in bei 1,2 A in V_out bei 5,0 V und I_out bei 2 A für eine vorbestimmte Periode bzw. Zeitdauer um.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf ähnliche Elemente beziehen. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Verstärkungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der offenbarten Techniken;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Spannungserzeugungs schaltung der Verstärkungsschaltung von Fig. 1;

Fig. 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Spannungserzeugungsschaltung von Fig. 2;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Zeitgebungssteuerung der Verstärkungsschaltung von Fig. 1;

Fig. 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Zeitgebungssteuerung von Fig. 4;

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel des Verstärkungsreglers der Verstärkungsschaltung von Fig. 1;

Fig. 7 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Verstärkungsreglers von Fig. 6; und

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Leistung, die durch die Last an dem Ausgabeanschluß der Verstärkungsschaltung von Fig. 1 gezogen wird.

Es werden Techniken zum Umwandeln von verfügbarer elektrischer Leistung in gewünschte elektrische Leistung offenbart. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Schaltung verwendet, um eine niedrige Eingangsspannung an einem Eingangsanschluß in eine hohe Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluß umzuwandeln. Bei der folgenden Beschreibung werden zu Erklärungszwecken zahlreiche spezifische Einzelheiten offengelegt, um ein tiefes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu liefern. Für den Fachmann auf diesem Gebiet wird es jedoch offensichtlich sein, daß die Erfindung auch ohne diese spezifischen Einzelheiten praktiziert werden kann. In anderen Fällen werden gut bekannte Strukturen und Geräte in Blockdiagrammform gezeigt, um zu verhindern, daß die Erfindung unnötig undeutlich wird. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen variieren die Betriebswerte der elektrischen Komponenten, wie z. B. der Widerstände, Kondensatoren, Induktoren, usw. im allgemeinen von den spezifizierten Werten, wobei ein Bereich von -10% bis +10% üblich ist. Da diese Werte nur als Beispiel verwendet werden, ist die Erfindung nicht auf einen speziellen Satz von Werten beschränkt. Ferner werden beim Auswählen und Berechnen dieser Werte von mathematischen Gleichungen die Effizienz jeder elektrischen Komponente und andere Effizienzfaktoren bedacht. Beispielsweise kann ein Schalter als ein Widerstand wirken und somit einen Spannungsverlust bewirken, wenn Strom durch denselben fließt; eine Diode kann einen gewissen Leckstrom aufweisen, usw.

Fig. 1 zeigt eine Verstärkungsschaltung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schaltung 100 umfaßt eine Spannungserzeugungsschaltung 110, einen Kondensator C_store, einen Zeitgebungssteuergenerator 120 und einen Verstärkungsregler 130. Die Schaltung 100 wandelt die Spannung V_in und den Strom I_in an einem Anschluß C_Vin in eine Spannung V_out und einen Strom I_out an einem Anschluß T_Vout um. Bei einem Ausführungsbeispiel ist V_out größer als V_in und I_out ist größer als I_in. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, daß die niedrige Eingangsspannung V_in und der niedrige Eingangsstrom I_in zu einer niedrigen Eingangsleistung führen, weil Leistung das Produkt von Spannung und Strom ist. Gleichartig dazu führen eine hohe Ausgangsspannung und ein hoher Ausgangsstrom zu einer hohen Ausgangsleistung. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt V_in etwa 3,3 V, I_in etwa 1,25 A und für eine vordefinierte Periode von etwa 2 Sekunden beträgt V_out etwa 5,0 V und I_out etwa 2,0 A. Zusätzlich liefert die Schaltung 100 I_out als den Heraufdrehstrom und V_out als die Betriebsversorgungsspannung für ein Plattenlaufwerk auf einer Druckersteckadapterkarte. Bei solchen Bedingungen, muß sich ein Systementwickler selbst bei einem begrenzten Strom I_in und einer niedrigen Spannung V_in nicht um die Leistungsverwaltung für das Plattenlaufwerk kümmern. Beispielsweise muß der Systementwickler den notwendigen Heraufdrehstrom nicht zuweisen, wenn derselbe benötigt wird, weil die umgewandelte hohe Spannung V_out und der hohe Strom I_out wie benötigt für die Verwendung verfügbar sind. Es ist es Wert, an dieser Stelle anzumerken, daß die offenbarten Techniken nicht auf Anwendungen in Bezug auf Plattenlaufwerke oder Drucker begrenzt sind, sondern anwendbar sind, wenn es wünschenswert ist, daß eine verfügbare elektrische Leistung in eine gewünschte elektrische Leistung umgewandelt wird. Ferner kann die Spannung V_out nicht größer als die Spannung V_in sein und der Strom I_out kann nicht größer als der Strom I_in sein. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Schaltung 100 verwendet, um eine Platte auf einem Universellen Seriellen Bus zu drehen, wobei sowohl V_in als auch V_out bei 5 V liegen und I_in auf ein Maximum von 500 mA begrenzt ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Spannungserzeugungsschaltung 110 ein "Buck"-Regler bzw. "Gegen"-Regler mit Strombegrenzung, der V_in bei 3,3 V in eine 2,2 V V_store an einem Anschluß T_Vstore umwandelt. Um mit dem Verstärkungsregler 130 zu arbeiten, reicht V_store im allgemeinen von 1,1 V bis 2,2 V. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Spannung V_store geringer als die Spannung V_in, um den kompakten hochkapazitiven Kondensator C_store mit niedriger Arbeitsspannung auszunutzen. Bei solchen Bedingungen wandelt der Verstärkungsregler 130 die niedrige Spannung V_store in die hohe Spannung V_out um, und die Schaltung 100 paßt gut in eine relativ kleine Steckkarte. Die hierin beschriebenen Techniken sind jedoch ebenfalls anwendbar auf Situationen, bei denen V_store sowohl größer als V_in als auch V_out ist, was im allgemeinen einen C_store mit hoher Spannung und hoher Kapazität erfordert. Die Spannungserzeugungsschaltung 110 liefert außerdem I_charge an dem Anschluß T_Vstore. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Leistung W_store an dem Anschluß T_Vstore begrenzt auf den maximalen Wert der Leistung W_in minus Effizienzverluste, so daß keinem Gerät, das die Verstärkungsschaltung 100 verwendet, ermöglicht wird, mehr Strom als das Maximum des verfügbaren I_in zu ziehen. Die Leistung W_store ist das Produkt der Spannung V_store und des Stroms I_charge, während die Leistung W_in das Produkt der Spannung V_in und des Stroms I_in ist. Ferner ist der verwendete I_in ein Strom, der durch die Schaltung 110 auf höchstens 1 A begrenzt ist, während I_in für höchstens 1,25 A verfügbar ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Kondensator C_store, der Ladung für die Spannung V_store speichert, kompakt, von niedriger Spannung, von niedrigem effektiven Reihenwiderstandswert und hochkapazitiv. Weil C_store hochkapazitiv ist, ist während der Entladung I_store hoher Strom, der zusammen mit I_charge verwendet wird, um eine hohe Ausgangsleistung W_out zu liefern. Bei einem Ausführungsbeispiel benötigt das Laden von C_store für den maximalen Wert von V_store bei 2,2 V mehrere Sekunden, was durch die folgenden Gleichungen berechnet wird:

I_store = C_store * dV_store/dT und

Q_store = ½ C_store * (V_store)²,

wobei Q_store die Ladung ist, die in C_store bei einer bestimmten Spannung V_store gespeichert ist.

Die Dauer, bis der Strom I_out bei einem gewünschten Pegel ist, z. B. 2 A, hängt von der Größe des Kondensators C_store ab. Je größer der Kondensator C_store ist, um so länger dauert es, denselben auf den notwendigen Pegel zum Erzeugen von I_out zu laden, um so länger kann I_out jedoch an dem benötigten Pegel gehalten werden. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt C_store etwa 3,3 Farad, und es benötigt etwa 2 Sekunden, bis I_out sowohl bei 2 A verfügbar ist und bei 2 A beibehalten wird. Die Spannung V_out bleibt bei 5 V, solange die Leistung W_out geringer als V_store * (I_store + I_charge) minus die Effizienzverluste ist. Das Skalieren des Kondensators C_store hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich des Spitzenwerts des Stroms I_charge, des Entnahmestroms I_store des voll geladenen C_store, von jeglichen parasitären Verlusten und Ineffizienzen bei dem Buckregler 110 und dem Verstärkungsregler 130, usw. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Spitzenstrom von I_charge plus dem Entnahmestrom I_store des voll geladenen C_store mal V_store minus jegliche parasitäre Verluste und Ineffizienzen größer als die erforderte Spitzenleistungsausgabe der Last an dem Anschluß T_Vout. Das Multiplizieren der Rate der Ladungsverarmung während einer Spitzenbelastung an dem Anschluß T_Vout und der Zeit, während der die Last bei dieser Spitzenbelastungsperiode ist, ergibt den maximalen Betrag des Ladungsverlusts. Bei einem Ausführungsbeispiel liegt die Spannung V_store oberhalb des Minimums der Spannung V_in, wenn das Maximum des Ladungsverlusts von der Gesamtladung des Kondensators C_store abgezogen wird. Ferner weist die Last an dem Anschluß T_Vout im allgemeinen Intervalle auf, wo der Strom I_out, der von dem Verstärkungsregler 130 gezogen wird, geringer ist als die Spitzenausgabe der Schaltung 100, wenn C_store von der Schaltung 100 entfernt wird. Dies ermöglicht das Neuladen des Kondensators C_store, nachdem der Kondensator C_store entladen ist. Die Intervalle von niedriger Leistung, z. B. Laden von C_store, und hoher Anforderungsleistung, z. B. Entladen von C_store, werden ebenfalls verwendet, um C_store richtig zu skalieren bzw. proportionieren.

Die Zeitgebungssteuerung 120 liefert auf der Basis der Spannungen V_in und V_store ein Signal T_control auf der Leitung 1115, um die Zeitgebungsoperation des Verstärkungsreglers 130 zu steuern. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt T_control an einem niedrigen logischen Pegel den Verstärkungsregler 130 neu ein, um den Beginn des Betriebs des Reglers 130 zu verzögern. Dies gibt dem Kondensator C_store Zeit, genügend Ladung zu erfassen, um den geeigneten Strom I_out und die Spannung V_out für die erforderliche Last an dem Anschluß T_Vout zu liefern, z. B. um das Plattenlaufwerk heraufzudrehen. Wenn bei einem Ausführungsbeispiel anfangs sowohl V_in als auch V_store bei 0 V beginnen, befindet sich T_control in dem niedrigen Pegel. V_in reicht dann von 0 V bis 3,3 V, und V_store reicht von 0 V bis 2,2 V. Wenn sowohl V_in als auch Vs_tore zum ersten Mal einen hohen Pegel erreichen, ändert T_control zu dem hohen Pegel, was es dem Verstärkungsregler 130 ermöglicht, seinen Betrieb zu beginnen. T_control bleibt in dem hohen Pegel, damit der Verstärkungsregler 130 arbeiten kann, solange V_in in dem hohen Pegel bleibt, selbst wenn V_store zu einem niedrigen Pegel abfällt. Wenn V_in zu dem niedrigen Pegel abfällt, ändert T_control zu dem niedrigen Pegel, was den Verstärkungsregler 130 deaktiviert. Bei einem Ausführungsbeispiel liegt ein hoher Pegel für V_in über 2,7 V, für V_store über 1,8 V und für T_control über 4,5 V. T_control ist im Vergleich zu zahlreichen anderen Lösungsansätzen vorteilhaft, weil dasselbe die Fähigkeit ermöglicht, einen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem der Verstärkungsregler 130 beginnt. Ohne das Signal T_control oder die Zeitgebungssteuerschaltung 120 kann es sein, daß der Verstärkungsregler 130 Leistung zu dem Anschluß T_Vout liefert, bevor ausreichend Ladung in dem Kondensator C_store akkumuliert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wandelt der Verstärkungsregler 130 die niedrige Spannung V_store in die hohe Spannung V_out um, und ermöglicht es, daß hoher Strom I_store von dem Kondensator C_store und Strom I_charge über den Verstärkungsregler 130 gezogen wird. Alternativ wandelt der Verstärkungsregler 130 bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Spannung V_store größer ist als die Spannung V_in die hohe Spannung V_store in eine niedrige Spannung V_out um.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel 200 einer Spannungserzeugungsschaltung 110, die in Verbindung mit dem Kondensator C_store verwendet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 umfaßt die Schaltung 110 einen Widerstand R1, einen Schalter SW1, eine Schottky- Diode S1 und einem Induktor L1. Das Schließen des Schalters SW1 ermöglicht es, daß Strom I_in durch den Widerstand R1 und somit den Induktor L1 fließt. Dies bewirkt eine plötzliche Spannungsänderung an dem Anschluß T_VL1. Da der Strom durch den Induktor L1 sich nicht sofort ändert, erhöht sich der Strom I_L1 durch I_L1 langsam, und zwar gemäß der Gleichung

I_L1 = L * (dV_L1/dT).

Wenn der Strom I_L1 bei einem Ausführungsbeispiel einen vorbestimmten Wert erreicht, z. B. 1A in dem Beispiel von Fig. 1, ist der Schalter SW1 offen, was den Strom I_L1 auf diesen 1A-Wert begrenzt. Bei diesen Bedingungen wirkt der Induktor L1 als ein Strombegrenzer. Alternativ begrenzt das Einstellen, d. h. das Ein- und Ausschalten des Arbeitszyklus des Schalters SW1 auch den Strom I_L1 Das Begrenzen des Stroms I_L1 wiederum begrenzt die Spannung V_L1, was die Spannung V_store begrenzt und folglich die Spannung V_out bestimmt. Während sich Vstore einem vorbestimmten Spannungspegel annähert, wird die Zeitdauer, die der Schalter SW1 geschlossen ist, reduziert, um es nur ausreichend Strom zu ermöglichen, weiterhin durch den Induktor L1 zu fließen, ohne die durchschnittliche Spannung und Ladung auf dem Kondensator C_store zu erhöhen oder zu verringern. An dem vorbestimmten Spannungspegel ist V_out um diesen Pegel herum wellig bzw. schwankt um denselben, während der Schalter SW1 geschlossen ist, der Strom I_L1 geht sowohl zu der Spannung V_store und in den Kondensator C_store. Wenn der Schalter SW1 offen ist, kommt der Strom I_out von dem Kondensator C_store plus dem abklingenden Strom I_L1. Die Welligkeit bzw. das Schwanken wird durch die Frequenz von Schalter SW1 gesteuert.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel 300 der Schaltung 200, das zusätzliche Komponenten umfaßt. Einer der beiden Metalloxid-Silizium-Feldeffekttransistoren (MOSFET) Q_1A oder Q_1B bildet den Schalter SW1. Diese Transistoren Q_1A und Q_1B sind jedoch parallel konfiguriert, um den Schalter SW1 zu bilden, um einen niedrigeren Drain- Source-Widerstandswert zu erzeugen als den von einem der Transistoren Q_1A oder Q_1B. Der Buck-Regler U1, bei einem Ausführungsbeispiel ein MAX1627ESA von Maxim, steuert die Transistoren Q_1A und Q_1B. Im allgemeinen schaltet der Buck- Regler U1 die Transistoren Q_1A und Q_1B und somit den Schalter SW1 ein oder aus. Der Strom I_R1, d. h. der Strom durch den Widerstand R1, wird durch die Steuerlogik in dem Buck-Regler U1 überwacht, um die Spannung V_R1, d. h. den Spannungsabfall über den Widerstand R1, und somit den Arbeitszyklus des Schalters SW1 zu bestimmen. Wenn der Strom I_R1 die 1A-Strombegrenzung erreicht, schaltet der Buck-Regler U1 den Schalter SW1 aus. Die Rückkopplung von V_store über den Widerstand R2 und den Kondensator C3 zu dem Anschlußstift 2 des Buck-Reglers U1 bestimmt den Spannungspegel von V_store. Das Einstellen der Widerstände R2 und R3 stellt die Referenzspannung V_R31, d. h. den Spannungsabfall über den Widerstand R3, ein, von der V_store eingestellt wird. Auf der Basis des Stroms I_R1 und der Spannung V_out wird der Arbeitszyklus des Schalters SW1 bestimmt. Der Kondensator C1 liefert die Ladungsversorgung für den Buck-Regler U1, um an dem Anschlußstift 5 des Reglers U1 eine stabile Spannung beizubehalten. Der Kondensator C2 ist eine externe Referenz für die innere Schaltungsanordnung des Reglers U1, um den Strom und die Spannung zu überwachen, die durch den Buck-Regler U1 verbraucht werden. Die Kondensatoren C3, C4 und C5 filtern Hochfrequenzrauschen für Spannungen an den jeweiligen Knoten derselben.

Nachfolgend wird die Zeitgebungssteuerschaltung beschrieben. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel 400 der Zeitgebungssteuerung 120, die eine erste Spannungsreferenz U2, eine zweite Spannungsreferenz U4 und ein Setz-Rücksetz- Flip-Flop 405 umfaßt. Wenn Vstore einen vorbestimmten Spannungspegel V_store-ref erreicht, der bei einem Ausführungsbeispiel 1,8 V ist, ändert sich V_U2, das Ausgangssignal der Spannungsreferenz U2 auf der Leitung 4105, zu einem logisch wahren Zustand. V_store ist auf 1,8 V begrenzt, weil C_store bei einem Ausführungsbeispiel nicht über 2,5 V hinaus wirkt, und es ist wünschenswert, daß C_store keine zu hohe Spannung empfängt. Gleichartig dazu, wenn V_in einen vorbestimmten Spannungspegel V_in-ref erreicht, der bei einem Ausführungsbeispiel 2,7 V beträgt, ändert sich V_U4, d. h. das Ausgangssignal der Spannungsreferenz U4 auf der Leitung 4110, zu einem logisch wahren Zustand. Bei einem Ausführungsbeispiel zeigt ein logisch hoher Pegel einen logisch wahren Zustand an. Wenn sowohl V_U2 als auch V_U4 wahr sind bzw. sich in einem Wahr-Zustand befinden, wird T_control in einen Logikzustand eingestellt, um es dem Verstärkungsregler 130 zu ermöglichen, den Betrieb zu beginnen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist dieser Logikzustand ein hoher Logikzustand.

Fig. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Schaltung 400 mit zusätzlichen Komponenten. Bei diesem Ausführungsbeispiel dient ein Komparator LM393D als Spannungsreferenz U2, und ein Sensor MC33464N-27ATR dient als Spannungsreferenz U4. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, daß jeder Komparator oder Sensor oder deren Äquivalent als Spannungsreferenz U2 oder U4 dienen kann. NAND-Gatter (NICHT-UND-Gatter) U3A, U3B und U3C bilden ein Flip-Flop 405. Die Widerstände R4 und R5, zusammen mit der Spannung V_in liefern eine Spannungsreferenz V_store-ref. Die Widerstände R7 und R8 sind Pull-Up-Widerstände für die Verwendung mit Open-Kollektor-Ausgangssignalen des Komparators U2 und des Sensors U4. Der Sensor U4 liefert intern die Spannung V_in-ref.

Die Rückkopplungsschaltung, die die Widerstände R7 und R4 umfaßt, zeigt an, wenn die Spannung V_store oberhalb der Spannung V_store-ref liegt. Dementsprechend kann bei einem Ausführungsbeispiel eine Steuerschaltung an dem Anschluß T_VU2 in einen Mikrocontroller zugeführt werden, damit derselbe den Verstärkungsregler 130 einstellt und neu einstellt, der wiederum das Plattenlaufwerk oder jede andere gewünschte Last heraufdreht und abdreht.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel 600 des Verstärkungsreglers 130 mit Neueinstellungsfähigkeit. Der Verstärkungsregler 600 umfaßt einen Induktor L2, eine Schaltersteuerung U5, eine Diode CR2 und einen Kondensator C9. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt das Signal T_control über die Steuerung U5 den Verstärkungsregler 600 fortlaufend neu ein, um den Verstärkungsregler 600 daran zu hindern, den Betrieb zu beginnen, bis genügend Ladung in dem Kondensator C_store akkumuliert ist. Ferner liefert der Verstärkungsregler 6005 V zu V_out, wenn derselbe in Betrieb ist. Das Ziehen des Induktors L2 zur Masse und Lösen desselben betreibt den Verstärkungsregler 600. Das Schließen des Schalters SW2, um L2 zur Masse zu ziehen, bewirkt, daß der Strom I_L2 zu der Masse fließt. Das Lösen des Schalters SW2 erfordert, daß der Strom I_L2 durch die Diode CR2 fließt, um den Kondensator C9 an dem Anschluß T_Vout zu laden. Dies ist wirksam, selbst wenn der Wert von V_store weniger als der von V_out sein kann, weil der Strom I_L2 in dem Induktor L2 sich nicht augenblicklich ändern kann und gelöst werden muß. Bevor der Schalter SW2 geschlossen wird, ist V_out nahe zu V_store minus V_CR2, z. B. etwa 2 V. Nachdem der Schalter SW2 zu oszillieren beginnt, steigt V_out schnell auf etwa 5 V an. Dieser schnelle Sprung von V_out funktioniert gut mit dem beispielhaften Plattenlaufwerk, weil das Laufwerk annimmt, daß dasselbe von einem Schalter angeschaltet wird. Während das Laufwerk in Betrieb ist, zieht dasselbe Strom, der durch die Schaltung 100 über den Induktor L2, die Diode DR2 kommt, und Energie, die in dem Kondensator C9 gespeichert ist. Die Frequenz und der Arbeitszyklus des Schaltens des Schalters SW2 bestimmt die Spannung V_out entweder durch a) Liefern von Strom I_CR2, der größer ist als benötigt, durch die Last an dem Anschluß T_Vout, um den Kondensator C9 zu einer höheren Spannung V_out aufzuladen, oder durch b) Verringern des Stroms I_L2, der zu der Diode CR2 geliefert wird, um Ladung von dem Kondensator C9 zu ziehen, und somit die Spannung V_out zu verringern. Die Situation a) kann durch Liefern eines großen Stroms I_L2 erreicht werden, während der Schalter SW2 geschlossen ist, und ausreichend Zeit ist, um diesen Strom I_L2 zu der Diode CR2 zu übertragen, wenn der Schalter SW geöffnet ist. Die Situation b) kann durch Begrenzen der Zeit, während der der Schalter SW2 geschlossen ist, um den Strom I_CR2 zu begrenzen, erreicht werden. Bei einem Ausführungsbeispiel weist I_L2 bei 120 kHz Frequenz und 50% Arbeitszyklus eine Sägezahnstruktur auf. Die Rückkopplungsschleife auf der Leitung 6105 ermöglicht das Einstellen von entweder dem Arbeitszyklus und/oder der Frequenz des Stroms I_L2 auf der Basis der Spannung V_out. Die Diode CR2, eine Niedrigspannung-Schottky-Diode, hindert Strom daran, von dem Anschluß T_Vout zu dem Induktor L2 zu fließen, wobei V_out bei einer gewünschten Spannung gehalten wird.

Fig. 7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des Verstärkungsreglers 600 mit zusätzlichen Komponenten. Wie die Transistoren Q_1A und Q_1B, die den Schalter SW1 bilden, bilden die Transistoren Q_2A und Q_2B den Schalter SW2. Der Zeitgeber U5 und die Diode DR1 steuern den Schalter SW2, schalten z. B. den Schalter SW2 ein und aus. Der Zeitgeber U5 kann als ein spannungsgesteuerter Oszillator angesehen werden. Die Spannung V_U5, Ausgangssignal des Zeitgebers U5, die von 0 bis V_out schwingt, nominal 5 V, wirkt als ein Schalter für den Schalters SW2 oder die Transistoren Q_2A und Q_2B. Die Spannung V_U5, an dem Spannungspegel von V_out stellt die Transistoren Q_2A und Q_2B ein, was einen Stromweg für den Strom I_L2 des Induktors L2 liefert, der zur Masse fließt. Umgekehrt, V_U5 bei 0 V, die die Transistoren Q_2A und Q_2B ausschaltet, öffnet den Schalter SW2 und ermöglicht es Strom, durch CR2 zu fließen. Die Widerstände R9 und R10 stellen zusammen mit der Spannung V_out die Spannungsreferenz für die Diode DR1 ein. Der Widerstand R11 und Kondensator C7, eine Kompensationsschaltung, hindern DR1 daran, zu oszillieren. DR1, eine Steuerschaltung auf der Basis der Referenzspannung bewegt das Steuereingangssignal des Zeitgebers U5, der bei einem Ausführungsbeispiel von 3,8 V bis 4,8 V reicht. Die Widerstände R12 und R13 und die Spannung V_out, die eine Spannungsreferenz einstellen, bestimmen den Grundoszillationsarbeitszyklus, wie es oben erörtert wurde. Die Widerstände R14, R15, R16 und Kondensator C8 stellen die Frequenz für den Zeitgeber U5 ein, um den Schalter SW2 ein- und auszuschalten. Die Kondensatoren C10 und C11 filtern Hochfrequenzrauschen an ihren jeweiligen Knoten.

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung der Leistung W_out an dem Anschluß T_Vout gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Leitung 804 stellt die Leistung W_out dar. Die Leitung 808 stellt die Strombegrenzung der Spannungserzeugungsschaltung 110 dar. Vor dem Zeitpunkt t₀ ist die Leistung W_out bei 0 W. Von dem Zeitpunkt t₀ bis t₁ ist die Leistung W_out bei einem Hochspannungs-, Hochstrompegel, der bei einem Ausführungs beispiel bei 5 V bzw. 2,0 A liegt. Nach dem Zeitpunkt t₁ ist die Leistung W_out ein Hochspannungs-, Niedrigstrompegel, der bei einem Ausführungsbeispiel bei 5 V bzw. 200 mA liegt. Die elektrische Leistung zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ wird bei einem Ausführungsbeispiel verwendet, um das Plattenlaufwerk aufzudrehen.

Vor dem Zeitpunkt t₀ wird der Kondensator C_store geladen. Während dem Zeitraum t₀ bis t₁ wird C_store entleert. Nach dem Zeitpunkt t₁, wird der Kondensator C_store jedesmal, wenn der Strom I_charge in der Spannungserzeugungsschaltung 110 größer ist als der Strom, der erforderlich ist, um die benötigte Leistung durch das Plattenlaufwerk zu liefern, wieder geladen, um weitere Hochstromanforderungen durch die Last zu ermöglichen.

Claims

1. Schaltung zum Umwandeln einer verfügbaren elektrischen Leistung an einem Anschluß T_Vin in eine gewünschte elektrischen Leistung an einem Anschluß T_Vout, wobei die Schaltung folgende Merkmale aufweist:
eine Spannungserzeugungsschaltung (110) zum
Empfangen einer Spannung V_in an dem Anschluß T_Vin und
Liefern einer Spannung V_store und eines Stroms I_charge an einem Anschluß T_Vstore;
einen Kondensator C_store, der mit dem Anschluß T_Vstore verbunden ist, zum Speichern von Ladung für die Verwendung durch einen Verstärkungsregler (130), wobei die Ladung durch die Spannung V_store und den Strom I_charge erzeugt wird;
einen Zeitgebungssteuergenerator (120), der auf der Basis von V_in und V_store ein Zeitgebungssteuersignal T_control zum Steuern der Zeitgebungsoperation des Verstärkungsreglers liefert; und
den Verstärkungsregler (130), der, wenn derselbe in Betrieb ist, auf der Basis der Spannung V_store und eines Stroms I_store an dem Anschluß T_Vstore die Spannung V_out liefert.

2. Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der der Strom I_store an dem Anschluß T_Vstore den Strom I_in an dem Anschluß V_in nicht überschreitet.

3. Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Signal T_control den Verstärkungsregler (130) neu einstellt, bis die Ladung in dem Kondensator C_store ausreicht, um an dem Anschluß T_Vout die gewünschte elektrische Leistung zu liefern.