DE10155438A1

DE10155438A1 - Schaltregler mit erhöhter Steuerspannung

Info

Publication number: DE10155438A1
Application number: DE10155438A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Koegel; Jean Paul Louvel
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2003-05-22

Abstract

Der Schaltregler enthält einen Schalter (T1), eine Regelschaltung (RS) zur Erzeugung einer Steuerspannung (U2) für den Schalter (T1) und eine an dem Schalter angeordnete Schaltung zur Spannungserhöhung der Steuerspannung (U2) für das Durchschalten des Schalters. Hierdurch kann ein kostengünstiger n-Kanal-MOSFET als Schalter (T1) verwendet werden, der eine hohe Steuerspannung benötigt, um vollständig durchzuschalten. DOLLAR A In einem Ausführungsbeispiel weist die Schaltung zur Spannungserhöhung einen ersten Kondensator (C2) auf, der an einem Ausgang (2) des Schalters (T1) anliegt und der in der Sperrphase des Schalters aufgeladen wird. Wenn der Schalter durchschaltet, wird die Spannung dieses Kondensators (C2) auf den Steuereingang (3) des Schalters geführt zur Erhöhung der Durchschaltspannung (U2). Der MOSFET (T1) wird hierdurch mit einer höheren Spannung als die an dem MOSFET und an der Regelschaltung (RS) anliegende Versorgungsspannung (U1) durchgeschaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltregler mit einer Regelschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Schaltregler dieser Art werden üblicherweise verwendet zur Erzeugung bzw. Stabilisierung einer Versorgungsspannung.

Es ist bekannt, zur Erzeugung einer stabilisierten Versorgungsspannung Linearregler zu verwenden, beispielsweise einen als Emitterfolger geschalteten Leistungstransistor, dessen Basisspannung mit Hilfe einer Zener-Diode auf einem konstanten Potential gehalten wird, oder spezielle integrierte Schaltungen. Nachteilig bei Linearreglern ist, daß sie eine relativ hohe Verlustleistung erzeugen, die abhängig von der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist, und die hierdurch einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen.

Es ist auch bekannt, einfache Schaltregler zur Erzeugung einer stabilisierten Versorgungsspannung zu verwenden, wie beispielsweise Drossel-Abwärtswandler oder Drossel- Aufwärtswandler. Hierbei wird mittels eines Transistorschalters und einer Spule ein gepulster Strom erzeugt, und über eine Diode wird die Stromrichtung durch die Spule vorgegeben bzw. ein Ladevorgang in Richtung zur Ausgangsseite bewirkt. Eine gewünschte Ausgangsspannung wird hierbei durch eine Regelung des Pulsbreitenverhältnisses eingestellt. Diese Schaltungen weisen einen guten Wirkungsgrad auf, sind jedoch relativ aufwendig, da eine Spule sowie eine Regelschaltung benötigt wird, die die entsprechende Pulsbreitenansteuerung für den Transistorschalter erzeugt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Regler zur Erzeugung einer stabilen Versorgungsspannung anzugeben, der einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist und zudem kostengünstig ist.

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

Der Schaltregler nach der Erfindung enthält einen Schalter, eine Regelschaltung zur Erzeugung einer Steuerspannung für den Schalter, und eine an dem Schalter angeordnete Schaltung zur Erhöhung der Steuerspannung für das vollständige Durchschalten des Schalters. Hierdurch kann ein kostengünstiger n-Kanal- MOSFET als Schalter verwendet werden, der eine hohe Steuerspannung benötigt, um vollständig durchzuschalten. Bei einer hohen Steuerspannung weist dieser einen niedrigeren Drain-Source Widerstand auf als ein vergleichbarer p-Kanal- MOSFET. Obwohl der Schalter und die Regelschaltung vorzugsweise an derselben Versorgungsspannung anliegen, wird der n-Kanal-MOSFET hierdurch mit einer höheren Einschaltspannung als die Versorgungsspannung durchgeschaltet. Der Schaltregler weist hierdurch einen hohen Wirkungsgrad auf und kann insbesondere ohne Kühlkörper betrieben werden.

In einem Ausführungsbeispiel ist der Schaltregler als Abwärtswandler beschaltet und an einem Ausgang des Schalters ist ein Kondensator der Schaltung zur Spannungserhöhung angekoppelt, der in der Sperrphase des Schalters über eine Versorgungsspannung aufgeladen wird. Wird der Schalter durchgeschaltet, so steigt die Spannung an seinem Ausgang an und hierdurch auch die Spannung über dem Kondensator. Über ein Schaltelement, beispielsweise eine Diode, kann diese Spannung dann auf den Steuereingang des Schalters geführt werden, so dass der n-Kanal-MOSFET vollständig durchschaltet. Die Spannung dieses Kondensators kann vorteilhaft auf einen weiteren Kondensator umgeladen werden, so dass schon für den zweiten Schaltzyklus zum Einschaltzeitpunkt eine ausreichende Spannung zum vollständigen Durchschalten des Schalters gegeben ist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand eines schematischen Schaltbildes näher erläutert. Es zeigen:
Figur einen Schaltregler mit einer Regelschaltung und einem als Abwärtswandler beschalteten Schalter.
In dem Schaltbild der Figur ist ein Schaltregler mit einem Schalter T1 und mit einer Regelschaltung RS zur Steuerung des Schalters T1 dargestellt. Die Regelschaltung RS und der Schalter T1 liegen hierbei an einer gemeinsamen Versorgungsspannung U1 von 20 Volt an. Die Versorgungsspannung U1 wird beispielsweise durch eine Sekundärwicklung eines Schaltnetzteiles bereitgestellt und ist stabilisiert, sowie über einen Speicherkondensator C1 gepuffert. Als Regelschaltung RS kann beispielsweise ein kostengünstiger Schaltregler-IC vom Typ MC 34036A, an den keine besonderen Leistungsanforderungen gestellt werden, verwendet werden. Dieser erzeugt ein pulsbreitenmoduliertes Signal zur Regelung einer Ausgangsspannung U3. Über eine Rückkopplungsschleife F ist die Regelschaltung RS mit der Ausgangsspannung U3 verbunden zur Stabilisierung dieser Spannung.
Der Schalter T1 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein n-Kanal- MOSFET, der kostengünstiger als ein p-Kanal-MOSFET ist, und der einen sehr geringen Durchgangswiderstand aufweist, wenn er voll durchgeschaltet ist. Der Schaltregler arbeitet dann mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. Hierdurch können sowohl der MOSFET T1 als auch die Regelschaltung RS ohne Kühlkörper betrieben werden, so dass der Platzbedarf des Schaltreglers sehr gering ist. Die Ausgangsspannung U3 = 3,3 V wird hierbei aus einer relativ hohen Versorgungsspannung U1 von 20 V erzeugt.
Zum vollständigen Durchschalten eines n-Kanal-MOSFETs wird jedoch eine Steuerspannung U2 gebraucht, die in diesem Anwendungsbeispiel höher ist als die an dem Stromeingang 1 anliegende Versorgungsspannung U1, da die Spannung am Ausgang 2 des Schalters T1 beim Durchschalten ansteigt, beim vollständigen Durchschalten bis zum Spannungswert U1. Der Schaltregler RS kann diese hohe Steuerspannung nicht liefern, da er ebenfalls an der Versorgungsspannung U1 anliegt, und seine Ausgangsspannung U2 daher geringer ist als die Versorgungsspannung U1. Für ein effizientes Durchschalten eines n-Kanal MOSFETs sollte die Gate-Spannung etwa 3-5 V, je nach Ausführung des verwendeten MOSFETs, über der Source- Spannung, Ausgang 2, liegen.
Zur Spannungserhöhung der Steuerspannung U2 für das Durchschalten des Schalters T1 ist nun eine Schaltung an dem Schalter angeordnet, die beim Durchschalten des Schalters T1 eine zusätzliche Spannung für den Steuereingang 3 des Schalters liefert, durch die der Schalter T1 vollständig durchgeschaltet wird. Die Schaltung weist einen ersten Kondensator C2 auf, der mit einem ersten Anschluss mit dem Stromausgang 2 des Schalters T1 gekoppelt ist, und der über seinen zweiten Anschluss durch die Versorgungsspannung U1 über eine Diode D2 aufgeladen wird, wenn der Schalter T1 gesperrt ist.
Wird der Schalter T1 durchgeschaltet, so geht die Spannung an seinem Stromausgang 2 hoch, und hierdurch ebenfalls an dem zweiten Anschluss des Kondensators C2. Diese Spannungserhöhung wird nun über eine Diode D3 und einen Widerstand R4 auf den Steuereingang 3 des Schalters T1 geführt, so dass die resultierende Steuerspannung U2 höher ist als die an seinem Stromeingang 1 anliegende Versorgungsspannung U1. Hierdurch wird der Schalter T1 vollständig durchgeschaltet. Die Schaltung zur Erhöhung der Steuerspannung enthält weiterhin einen Kondensator C3, der zwischen der Versorgungsspannung U1 und einem Abgriff 4 zwischen dem Widerstand R4 und der Diode D3 liegt. Dieser wirkt als Zwischenspeicher für die Ladung des Kondensators C2 und bewirkt zudem eine Glättung des Spannungspulses, wenn der Schalter T1 durchschaltet.
In Serie zu dem Schalter T1 liegt eine Spule L1, durch die der Stromausgang 2 mit einem Ausgangskondensator C4 verbunden ist, und an dem die Ausgangsspannung U3 des Schaltreglers, in diesem Ausführungsbeispiel 3,3 Volt, anliegt. Zwischen dem Stromausgang 2 und der Spule L1 ist eine Diode D1 als Freilaufdiode gegen Masse geschaltet, so dass der Schaltregler als Abwärtswandler arbeitet. Weiterhin liegt zwischen dem Steuereingang 3 und dem Stromausgang 2 des Schalters T1 eine Zener-Diode D4, durch die die Steuerspannung U2 in Abhängigkeit von der Spannung am Stromausgang 2 begrenzt wird.
Die Funktion der Schaltung ist wie folgt: Wenn der Schalter T1 gesperrt ist, so liegt im Normalbetrieb an seinem Stromeingang 1 die Versorgungsspannung U1 von 20 Volt an und an dem Steuereingang 3 eine Spannung U2 von 0 Volt, durch den Ausgang der Regelschaltung RS vorgegeben, an. Mit dem ersten Schaltungszyklus wird der Schalter T1 solange geöffnet, bis sich eine Ausgangsspannung U3 von 3,3 V einstellt. Dann sperrt die Regelschaltung RS den Schalter T1. In der Sperrphase des Schalters T1 wird der Kondensator C2 über die Diode D2 auf etwa 16 Volt aufgeladen, die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung U1 und der Ausgangsspannung U3.
Fällt die Ausgangsspannung U3 unter einen bestimmten Schwellwert der Steuerschaltung RS, so gibt die Regelschaltung RS eine Steuerspannung U2 ab zum Durchschalten des Schalters T1. Schaltet der Schalter T1 durch, so geht die Spannung am Stromausgang 2 auf etwa 20 Volt hoch, da die Spule L1 als induktiver Widerstand wirkt, und in dieser zum Zeitpunkt des Durchschaltens noch kein Strom fließt. Die Spannung über dem Kondensator C2 addiert sich nun zu der Ausgangsspannung des Schalters T1 und beträgt daher circa 35 Volt. Diese Spannung wird nun über die Diode D3 auf den Kondensator C3 umgeladen und erhöht über den Widerstand R4 die Spannung an dem Steuereingang 3 erheblich über die Steuerspannung U2 der Regelschaltung RS hinaus. Über die Zener-Diode D4 wird sie hierbei gleichzeitig auf eine für einen MOSFET ungefährliche Spannung von maximal 10 Volt Gate-Source-Spannung begrenzt.
Beim Ausschalten des Schaltreglers liegt an dem Stromausgang 2 des Schalters T1 eine Spannung von 0 Volt an, da die Spule L1 dann über die Freilaufdiode einen Strom zieht. Der Kondensator C2 wird hierdurch über die Diode D2 von der Versorgungsspannung U1 wieder aufgeladen. Die Kapazität des Kondensators C3 ist derart groß gewählt, dass er während der Sperrphase des Schalters T1 nur teilweise entladen wird. Beim nächsten Schaltzyklus steht daher bereits zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalters T1 über den Widerstand R4 eine Spannung bereit, die höher ist als die Versorgungsspannung U1. Die Einschaltverluste des Schalters T1 sind daher aufgrund des Kondensators C3 ebenfalls gering. In jeder Sperrphase des Schalters T1 wird also der Kondensator C2 geladen und der Kondensator C3 teilweise entladen, und in jeder Leitendphase der Kondensator C3 durch den Kondensator C2 erneut wieder aufgeladen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich auch auf andere Arten von Schaltern sinngemäß übertragen, die Erfindung ist daher nicht auf einen Abwärtsregler begrenzt. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass ein Kondensator während der Sperrphase des Schalters T1 über eine Versorgungspannung aufgeladen wird und dessen Spannung in der Leitendphase des Schalters T1 zu der Steuerspannung einer Regelschaltung hinzuaddiert wird. In der Schaltung zur Erhöhung der Steuerspannung des Schalters T1 können an Stelle von Dioden D2 und D3 auch Transistoren als Schaltelemente verwendet werden, durch die Verwendung von zwei Dioden und zwei Kondensatoren geringer Kapazität ist diese Schaltung jedoch besonders kostengünstig.

Claims

1. Schaltregler mit einem Schalter (T1), der einen Stromeingang (1) und einen Stromausgang (2) sowie einen Steuereingang (3) aufweist, und mit einer Regelschaltung (RS) zur Erzeugung einer Steuerspannung (U2) für den Schalter (T1), dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schalter (T1) eine Schaltung (C2, C3, D2, D3, R4) zur Erhöhung der Steuerspannung (U2) für das Durchschalten des Schalters (T1) angeordnet ist.

2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (C2, C3, D2, D3, R4) an einem Schaltungspunkt (2) angekoppelt ist, dessen Spannung beim dem Durchschalten des Schalters (2) ansteigt.

3. Schaltregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (C2, C3, D2, D3, R4) am Stromausgang (2) des Schalters (T1) angekoppelt ist.

4. Schaltregler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung einen ersten Kondensator (C2) aufweist, der mit einem Ende mit dem Schaltungspunkt (2) gekoppelt ist, und der mit seinem zweiten Ende mit einer Versorgungsspannung (U1) verbunden ist, über die er in der Sperrphase des Schalters (T1) geladen wird.

5. Schaltregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (C2) mit seinem zweiten Ende über ein Schaltelement (D3) mit dem Steuereingang (3) des Schalters (T1) verbunden ist, über das der erste Kondensator (C2) in der Leitendphase des Schalters (T1) entladen wird.

6. Schaltregler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladung des ersten Kondensators (C2) nach dem Durchschalten des Schalters (T1) über eine Diode (D3) auf einen zweiten Kondensator (C2), der mit seinem ersten Ende mit der Versorgungsspannung (U1) verbunden ist, umgeladen wird, und dass der zweite Kondensator (C2) mit dem zweiten Ende über einen Widerstand (R4) mit dem Steuereingang (3) des Schalters (T1) verbunden ist.

7. Schaltregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein n-Kanal- MOSFET ist.

8. Schaltregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuereingang (3) und dem Stromausgang (2) des Schalters (T1) eine Zener-Diode (D4) zur Spannungsbegrenzung angeordnet ist.

9. Schaltregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltregler eine dem Schalter (T1) nachgeordnete Spule (L1), eine Freilaufdiode (D1) und einen Ausgangskondensator (C4) aufweist und als Abwärtswandler arbeitet.