DE102004016907B4 - switching regulators - Google Patents

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DE102004016907B4 DE200410016907 DE102004016907A DE102004016907B4 DE 102004016907 B4 DE102004016907 B4 DE 102004016907B4 DE 200410016907 DE200410016907 DE 200410016907 DE 102004016907 A DE102004016907 A DE 102004016907A DE 102004016907 B4 DE102004016907 B4 DE 102004016907B4
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Abstract

Schaltregler zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung (UE) in eine Ausgangsgleichspannung (UA), umfassend – einen zwischen einem Eingangsgleichspannungsanschluss (2) und einem Ausgangsgleichspannungsanschluss (1) gebildeten Längszweig, der zumindest einen Schalttransistor (4) – einen Glättungskondensator (7) am Ausgangsgleichspannungsanschluss (1) und Masse des Schaltreglers, und – einen Multivibrator (16), der von der Ausgangsgleichspannung (UA) versorgt wird und ein pulsweiten-moduliertes Steuersignal (19) mit einem steuerbaren Puls/Pausen-Verhältnis erzeugt, welches den Gate-Eingang des Schalttransistors (4) zum Ein- und Ausschalten des Schalttransistors (4) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Multivibrator (16) ein digitaler Multivibrator ist, welcher ein Standardbaustein in CMOS-Technologie vom Typ 4047 ist, der einen Schwellwert (25) aufweisenden Reset-Eingang (MR), einen Taktausgang (OSCout) und einen Ausgang (Q) aufweist, dass der digitale Multivibrator (16) am Taktausgang (OSCout) ein Taktsignal (24) bereitstellt, welches mit einer Widerstands-Kondensator-Schaltung (13, 14) in eine Dreieckspannung (12) umgeformt wird, wobei die Dreieckspannung mit einem Gleichspannungsanteil (9) beaufschlagt wird, der von einem Fehlerverstärker (10) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (UA) erzeugt wird, dass die mit dem Gleichspannungsanteil beaufschlagte Dreieckspannung am Reset-Eingang (MR) des digitalen Multivibrators (16) anliegt, wobei, wenn die mit dem Gleichspannungsanteil beaufschlagte Dreieckspannung den Schwellwert (25) erreicht, der Reset-Eingang (MR) aktiviert und ein auf den Ausgang (Q) des digitalen Multivibrators (16) ausgegebener „1”-Zustand auf einen „0”-Zustand geschaltet wird, wodurch das Puls/Pausen-Verhältnis des pulsweiten-modulierten Steuersignals gesteuert wird.Switching regulator for converting a DC input voltage (UE) into a DC output voltage (UA), comprising - a longitudinal branch formed between an input DC voltage connection (2) and a DC output voltage connection (1) comprising at least one switching transistor (4) - a smoothing capacitor (7) at the DC output voltage connection (1 ) and ground of the switching regulator, and - a multivibrator (16), which is supplied by the DC output voltage (UA) and generates a pulse-width-modulated control signal (19) with a controllable pulse / pause ratio, which the gate input of the switching transistor ( 4) for switching on and off of the switching transistor (4), characterized in that the multivibrator (16) is a digital multivibrator, which is a standard block in CMOS technology of the type 4047, the threshold input (25) having a reset input (MR), a clock output (OSCout) and an output (Q) that the digital multivibrator (16) at the clock output (OSCout) provides a clock signal (24), which is transformed with a resistor-capacitor circuit (13, 14) in a triangular voltage (12), wherein the delta voltage is applied to a DC voltage component (9), which from an error amplifier (10) is generated as a function of the output voltage (UA) that the dc voltage applied to the delta voltage at the reset input (MR) of the digital multivibrator (16) is applied, wherein when the dc voltage applied to the delta voltage threshold (25) the reset input (MR) is activated and a "1" state output to the output (Q) of the digital multivibrator (16) is switched to a "0" state, whereby the pulse / pause ratio of the pulse width modulated control signal is controlled.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler zur Umwandlung einer toleranzbehafteten Eingangsgleichspannung in eine konstante geregelte Ausgangsgleichspannung, wobei der Schaltregler einen Schalttransistor und eine Längsinduktivität im Längszweig enthält und eine Freilaufdiode im Querzweig zwischen dem Ausgang des Schalttransistors und Masse und einen Glättungskondensator am Ausgang des Schaltreglers angeordnet ist. Die Ansteuerung des Schalttransistors erfolgt über ein pulsweiten moduliertes Ansteuersignal, bei dem das Verhältnis Puls/Pause in Abhängigkeit der geregelten Ausgangsgleichspannung eingestellt wird.The invention relates to a switching regulator for converting a toleranced input DC voltage in a constant regulated DC output voltage, wherein the switching regulator includes a switching transistor and a longitudinal inductance in the longitudinal branch and a freewheeling diode is arranged in the shunt branch between the output of the switching transistor and ground and a smoothing capacitor at the output of the switching regulator. The control of the switching transistor via a pulse width modulated drive signal, in which the ratio pulse / pause is set in dependence of the regulated DC output voltage.

Stand der TechnikState of the art

Aus DE 100 65 421 B4 ist ein Schaltregler bekannt, der eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umwandelt und einen Transistor zum Schalten einer Induktivität im Längszweig enthält. Als Transistor wird ein selbstleitender Feldeffekttransistor verwendet, der von einem Steuertransistor in Abhängigkeit des Längsstromes angesteuert wird. Da diese Schaltungsanordnung stromgesteuert ist, hat die Ausgangsspannung hohe Toleranzschwankungen. Weiterhin verursacht der Stromfühler im Längszweig Leistungsverluste, da der komplette Versorgungsstrom durch einen Fühlerwiderstand fließt.Out DE 100 65 421 B4 a switching regulator is known, which converts a DC input voltage into a DC output voltage and contains a transistor for switching an inductor in the longitudinal branch. As a transistor, a self-conducting field effect transistor is used, which is driven by a control transistor in response to the longitudinal current. Since this circuit is current controlled, the output voltage has high tolerance variations. Furthermore, the current sensor in the longitudinal branch causes power losses, since the complete supply current flows through a sensor resistance.

In Linear Application Brief LL 49E-8/87, Texas Instruments, ist ein Schaltregler beschrieben, bei dem der Schaltransistor in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung angesteuert wird. Hierbei wird durch die Verschaltung von drei Operationsverstärkern eine sehr sensible Ansteuerung des Schalttransistors erreicht und dadurch eine nahezu konstante Ausgangsspannung mit geringen Spannungsschwankungen bereitgestellt. In dieser Anordnung ist jedoch die Verwendung von drei Operationsverstärkern als nachteilig anzusehen, da diese Bauelemente eine hohe Verlustleistung aufweisen und im Verhältnis zu Standard-Digital-Bauelementen recht teuer sind. Ein weiterer Nachteil ist der erhöhte Platzbedarf zur Bereitstellung dieser Schaltungsanordnung auf einer Leiterplatte.Linear Application Brief LL 49E-8/87, Texas Instruments, describes a switching regulator in which the switching transistor is controlled as a function of the output voltage. In this case, a very sensitive control of the switching transistor is achieved by the interconnection of three operational amplifiers, thereby providing a nearly constant output voltage with low voltage fluctuations. In this arrangement, however, the use of three operational amplifiers is to be regarded as disadvantageous, since these components have a high power dissipation and are quite expensive in relation to standard digital components. Another disadvantage is the increased space required to provide this circuit on a printed circuit board.

Mit DE 11 35 080 A ist ein Schaltregler zum Konstanthalten einer Gleichspannung bekannt, in dessen Längszweig ein Schalttransistor 4 vorgesehen ist, der über eine Multivibratorschaltung mit zwei Transistoren gesteuert wird. Die Basiselektrode eines der Transistoren ist mit einer Ausgangsteilspannung verbunden. Die Schwankungen der Ausgangsspannungen beeinflussen den Kollektorstrom eines steuernden Transistors, um die Leitperioden der Transistoren des Multivibrators relativ zueinander zu verändern und dadurch die Zeitperioden, während deren der Längszweig-Schalttransistor leitet, passend anzupassen. Die Ausgangsteilspannung wird jedoch nicht einem Fehlerverstärker zugeführt, sondern der Basiselektrode eines der Transistoren um den Multivibrator in Gang zu halten. Die vom Multivibrator an die Basiselektrode des Schalttransistors abgegebenen Impulse werden vielmehr durch den Kollektorstrom des steuernden Transistors gesteuert. Da ein Multivibrator notgedrungen hin und her schwingt, was von der Basiskopplung der Transistoren abhängt, ist die Veränderung der Leitperioden der Transistoren des Multivibrators in nur beschränktem Maße möglich. Es wird nur eine schmale Regelbreite des Verhältnisses zwischen Impulsen und Impulspausen erzielt.With DE 11 35 080 A is a switching regulator for keeping constant a DC voltage known in the longitudinal branch of a switching transistor 4 is provided, which is controlled by a multivibrator circuit with two transistors. The base electrode of one of the transistors is connected to a partial output voltage. The variations in the output voltages affect the collector current of a controlling transistor to change the conduction periods of the transistors of the multivibrator relative to each other and thereby adjust the time periods during which the series arm switching transistor conducts. However, the output partial voltage is not supplied to an error amplifier, but the base electrode of one of the transistors to keep the multivibrator going. Rather, the pulses delivered by the multivibrator to the base electrode of the switching transistor are controlled by the collector current of the controlling transistor. Since a multivibrator inevitably oscillates back and forth, which depends on the base coupling of the transistors, the change in the conduction periods of the transistors of the multivibrator is only possible to a limited extent. Only a narrow rule width of the ratio between pulses and pulse pauses is achieved.

Die Datenblätter UC1841 und UC1573, dort Programmable, Off-Line, PWM Controller” beziehungsweise „Buck Puls Width Modulator Stepp-down Voltage Regulator” bezeichnet, zeigen Blockdiagramme umfangreicher Schaltungen, um höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Schaltfrequenz zu befriedigen. Eine Verbindung zu einem Schaltregler zur Umwandlung einer Eingangs-Gleichspannung in eine geregelte Ausgangsgleichspannung wird nicht aufgezeigt.Datasheets UC1841 and UC1573, labeled Programmable, Off-Line, PWM Controller, and Buck Pulse Width Modulator Step-Down Voltage Regulator, respectively, show block diagrams of large scale circuits to meet higher switching frequency accuracy requirements. A connection to a switching regulator for converting an input DC voltage into a regulated DC output voltage is not shown.

Die EP 0 862 260 A2 offenbart einen Ladungspumpen-Schaltkreis, bei dem Ladung auf einen Pumpkondensator und von dort auf einen Ausgangskondensator gepumpt wird, um eine Spannung bis zur doppelten Versorgungsspannung an der Ausgangsklemme zu erzielen. Hierzu gibt es Paare von Transistoren, die abwechselnd an- und ausgeschaltet werden. Die Ausgangsspannung wird durch eine negative Rückkopplung der Ausgangsspannung zu einem der Transistorenpaare geregelt, die den Pumpkondensator aufladen. Für die Regelung wird eine an einem Spannungsteiler abgegriffene Spannung mit einer Referenzspannung in einem Komparator verglichen, dessen Ausgang mit einer konstanten Stromquelle in Verbindung steht, die mit einem Sägezahngenerator zusammen arbeitet, um Schaltdioden durchzuschalten oder zu sperren. Als Ergebnis der Rückkopplung variiert die Einschaltzeit des geregelten Transistorpaares und es ist daher möglich, den Ladungspegel des Pumpkondensators so einzustellen, dass die mittlere Ausgangsspannung der Ausgangsklemme auf einen festgelegten Wert gelangt.The EP 0 862 260 A2 discloses a charge pump circuit in which charge is pumped onto a pump capacitor and from there to an output capacitor to achieve a voltage up to twice the supply voltage at the output terminal. For this there are pairs of transistors that are turned on and off alternately. The output voltage is regulated by negative feedback of the output voltage to one of the pairs of transistors which charge the pumping capacitor. For the regulation, a voltage tapped at a voltage divider is compared with a reference voltage in a comparator whose output is connected to a constant current source which operates in conjunction with a sawtooth generator for switching on or off switching diodes. As a result of the feedback, the turn-on time of the controlled transistor pair varies, and it is therefore possible to adjust the charge level of the pump capacitor so that the average output voltage of the output terminal reaches a predetermined value.

Aufgabenstellungtask

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Schaltregler zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung mit hohem Toleranzbereich in eine nahezu konstante Ausgangsgleichspannung bereitzustellen, wobei der Schaltregler wenig Platz auf einer Leiterplatte benötigt und eine geringe Verlustleistung bei sehr konstanter Ausgangsspannung hat.The invention is based on the object to provide a switching regulator for converting a DC input voltage with a high tolerance range in a nearly constant DC output voltage, the switching regulator requires little space on a circuit board and has a low power loss at a very constant output voltage.

Lösung der Aufgabe Solution of the task

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Hierbei ist im Längszweig zwischen Eingangsgleichspannung und Ausgangsgleichspannung als schaltender Transistor ein selbstsperrender spannungsgesteuerter Feldeffekttransistor vorgesehen. Die Ansteuerung des Gate-Eingangs erfolgt mit Hilfe eines pulsweiten-moduliertem Steuersignals, welches mit Hilfe eines digitalen Multivibrators erzeugt wird. Der digitale Multivibrator erzeugt das pulsweiten-modulierte Steuersignal zum Ein- und Ausschalten des Schalttransistors und einen Takt, der in einfacher Art und Weise mit einem Widerstand und einem Kondensator zu einer Dreiecksspannung umgeformt wird und mit einer Gleichspannungsanteil beaufschlagt wird. Die Versorgung des digitalen Multivibrators erfolgt mit der geregelten Ausgangsgleichspannung, wodurch die Schaltungsanordnung eine geringe Verlustleistung hat. Die zum Dreiecksignal beaufschlagte Gleichspannung stellt mit seiner Verschaltung zum digitalen Multivibrator das Puls/Pausen-Verhältnis des Steuersignals für den Schalttransistor fest. Das Referenzpotential für den Fehlerverstärker wird auf einfache Weise von der geregelten Ausgangsspannung abgeleitet, so dass eine sehr genaue Erfassung des Ist-Wertes für die Ausgangsspannung erreicht wird.The object is achieved by the features listed in claim 1. In this case, a self-locking voltage-controlled field effect transistor is provided in the longitudinal branch between the input DC voltage and the DC output voltage as a switching transistor. The control of the gate input takes place with the aid of a pulse-width-modulated control signal, which is generated by means of a digital multivibrator. The digital multivibrator generates the pulse-width-modulated control signal for switching the switching transistor on and off and a clock which is converted in a simple manner with a resistor and a capacitor to a delta voltage and is supplied with a DC voltage component. The supply of the digital multivibrator is done with the regulated output DC voltage, whereby the circuit has a low power loss. The DC voltage applied to the triangular signal, with its connection to the digital multivibrator, determines the pulse / pause ratio of the control signal for the switching transistor. The reference potential for the error amplifier is derived in a simple manner from the regulated output voltage, so that a very accurate detection of the actual value for the output voltage is achieved.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und den dazugehörigen Figuren beschrieben.In the following the invention will be described with reference to an embodiment and the associated figures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
geregelte Ausgangsgleichspannung UAregulated DC output voltage UA
22
toleranzbehaftete Eingangsgleichspannung UETolerance-input DC voltage UE
33
Längsinduktivitätseries inductance
44
Schalttransistorswitching transistor
55
FreilaufdiodeFreewheeling diode
66
Widerstandresistance
77
Glättungskondensatorsmoothing capacitor
88th
Bypasstransistorbypass transistor
8a8a
Bypasstransistorbypass transistor
99
Ansteuerverbindung für Bypasstransistor und GleichspannungsanteilControl connection for bypass transistor and DC voltage component
1010
Fehlerverstärker, gesteuerter Shunt-RegulatorError amplifier, controlled shunt regulator
1111
Widerstand für Spannungsteiler für ReferenzspannungResistor for voltage divider for reference voltage
11a11a
Widerstand für Spannungsteiler für ReferenzspannungResistor for voltage divider for reference voltage
1212
Dreiecksspannung für PulsweitenerzeugungTriangular voltage for pulse width generation
1313
Querkapazität für SignalumformungTransverse capacitance for signal conversion
1414
Längswiderstand für SignalumformungSeries resistance for signal transformation
1515
Zweigwiderstand für AddiererBranch resistor for adders
1616
digitaler Multivibratordigital multivibrator
1717
pulsweiten-modulierter Ausgang des digitalen Multivibratorspulse width modulated output of the digital multivibrator
1818
Kondensator zur PotentialanpassungCapacitor for potential adjustment
1919
Steuersignal für SchalttransistorControl signal for switching transistor
2020
Ausgleichswiderstand für FehlerverstärkerCompensation resistor for error amplifier
2121
Versorgungseingang für digitalen monostabilen VibratorSupply input for digital monostable vibrator
2222
Referenzpotential für FehlerverstärkerReference potential for error amplifier
2323
zu messende Ausgangsgleichspannung für Fehlerverstärkerto be measured output DC voltage for error amplifier
2424
Oszillatortaktoscillator clock
2525
Eingangsschwelle für Reset-EingangInput threshold for reset input

Überschrift der FigurenHeading of the figures

1: zeigt ein vereinfachtes Schaltbild des erfindungsgemäßen Schaltreglers. 1 : shows a simplified circuit diagram of the switching regulator according to the invention.

2: zeigt ein vereinfachtes Schaltbild des erfindungsgemäßen Schaltreglers mit einer alternativen Anordnung eines Bypasstransistors. 2 : shows a simplified circuit diagram of the switching regulator according to the invention with an alternative arrangement of a bypass transistor.

3: zeigt beispielhaft den Signalverlauf der Dreiecksspannung bei zu niedriger Ausgangsgleichspannung. 3 : shows an example of the waveform of the delta voltage at too low DC output voltage.

4: zeigt beispielhaft den Signalverlauf der Dreiecksspannung bei zu hoher Ausgangsgleichspannung. 4 : shows an example of the waveform of the delta voltage at high DC output voltage.

Ausführungsbeispielembodiment

In 1 ist eine Schaltungsanordnung für den erfindungsgemäßen Schaltregler dargestellt. Hierbei wird für den Schalttransistor 4 im Längszweig ein selbstsperrender Feldeffekttransistor verwendet, der den Strom durch den Längszweig periodisch ein- und ausschaltet. Hinter dem Schalttransistor 4 ist eine angeordnete Induktivität 3 geschaltet, wobei ein erster Anschluss mit dem Ausgang des Schalttransistors und der Kathode einer Freilaufdiode 5, ein zweiter Anschluss mit dem Ausgang 1 für die Ausgangsgleichspannung UA verbunden ist. Im Normalbetrieb, wenn der Schalttransistor 4 periodisch ein- und ausgeschaltet wird, erhält der Schalttransistor 4 ein pulsweiten-moduliertes periodisch getaktetes Steuersignal 19 auf seinen Gate-Anschluss. Die Pulsweite des Steuersignals 19 legt zeitlich fest, wie lange der Schalttransistor innerhalb einer Schaltperiode eingeschaltet ist. Ist der Schalttransistor 4 innerhalb einer Schaltperiode länger eingeschaltet, wird zum Ausgang 1 für die Ausgangsgleichspannung UA mehr Energie übertragen. Ist der Schalttransistor 4 innerhalb einer Schaltperiode kürzer eingeschaltet, wird zum Ausgang 1 für die Ausgangsgleichspannung UA weniger Energie übertragen. Das pulsweiten modulierte periodisch getaktete Steuersignal 17 wird in einer möglichen Ausführungsform mit einem digitalen Multivibrator 16 erzeugt und über einen Serienkondensator 18 als potentialangepasstes Steuersignal 19 an den Gate-Eingang des Schalttransistors 4 geführt. Ein zwischen dem potentialangepassten Steuersignal 19 und der Eingangsgleichspannung liegender Widerstand 6 dient zum Potentialausgleich des Kondensators 18 zur Potentialanpassung. Als besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines integrierten Schaltkreises HCF4047 anzusehen, wie er in „ST, Low Power monostable/astable Multivibrator, September 2001” beschrieben ist. Dieser digitale Multivibrator 16 enthält einen integrierten parametrierbaren Oszillator mit einem Taktausgang OSCout, der eine stabile Taktfrequenz 24 ausgibt. Zusätzlich enthält dieser integrierte Schaltkreis 16 einen Ausgang Q, der die halbe Taktfrequenz des Oszillators ausgibt wobei der „1”-Zustand des Ausgangs Q über einen Reset-Eingang MR jederzeit auf „0” zurücksetzbar ist. Der digitale Multivibrator 16 ist derart parametriert, dass beim Beginn der Taktperiode des generierten Taktes 24 der Ausgang Q auf einen konstanten „1”-Zustand gesetzt wird und somit nahezu den Pegel der Versorgungseinganges 21 für den digitalen Multivibrator 16 annimmt. Beim Aktivieren des Reset-Eingangs MR des digitalen Multivibrator 16 wird der Ausgang Q auf den „0”-Zustand zurückgesetzt und erhält somit Masse-Potential. Somit wird über das Verhältnis zwischen aktivem und inaktiven Zustand des Reset-Eingangs MR das Puls/Pausen-Verhältnis des Ausgangssignals 17 gesteuert. Hierzu wird ein vom digitalen Multivibrator 16 auf den Ausgang OSCout ausgegebener Takt mit Hilfe eines Widerstands 14 in Reihe und eines Kondensators 13 nach Masse in eine Dreieckspannung umgeformt und diese mit einem Gleichspannungsanteil 9 beaufschlagt. Bei Verwendung eines digitalen Multivibrators als Standardbaustein in CMOS-Technologie liegt der Schwellwert die Eingänge, also auch für den Reset-Eingang MR, immer auf einen Teilwert proportional zur Versorgungsspannung, im Falle des Ausführungsbeispiels also auf einen Teilwert Ausgangsgleichspannung UA.In 1 a circuit arrangement for the switching regulator according to the invention is shown. This is for the switching transistor 4 used in the longitudinal branch, a self-locking field effect transistor, which periodically turns on and off the current through the longitudinal branch. Behind the switching transistor 4 is an arranged inductance 3 connected, wherein a first terminal to the output of the switching transistor and the cathode of a freewheeling diode 5 , a second connection to the output 1 is connected for the output DC voltage UA. In normal operation, when the switching transistor 4 is periodically switched on and off, the switching transistor receives 4 a pulse width-modulated periodically clocked control signal 19 on his gate connection. The pulse width of the control signal 19 determines how long the switching transistor is switched on within a switching period. Is the switching transistor 4 Switched on longer within one switching period, becomes the output 1 transmit more energy for the DC output voltage UA. Is the switching transistor 4 switched on shorter within a switching period, becomes the output 1 for the output DC voltage UA transmitted less energy. The pulse width modulated periodically clocked control signal 17 is in a possible embodiment with a digital multivibrator 16 generated and via a series capacitor 18 as a potential-adapted control signal 19 to the gate input of the switching transistor 4 guided. A between the potential-adapted control signal 19 and the input DC voltage lying resistance 6 serves for equipotential bonding of the capacitor 18 for potential adaptation. Particularly advantageous is the use of an integrated circuit HCF4047 as described in "ST, Low Power monostable / astable multivibrator, September 2001". This digital multivibrator 16 contains a built-in programmable oscillator with a clock output OSCout, which provides a stable clock frequency 24 outputs. In addition, this integrated circuit contains 16 an output Q, which outputs half the clock frequency of the oscillator, wherein the "1" state of the output Q via a reset input MR at any time to "0" can be reset. The digital multivibrator 16 is parameterized such that at the beginning of the clock period of the generated clock 24 the output Q is set to a constant "1" state, and thus nearly the level of the supply input 21 for the digital multivibrator 16 accepts. When activating the reset input MR of the digital multivibrator 16 the output Q is reset to the "0" state and thus receives ground potential. Thus, the ratio between the active and inactive state of the reset input MR, the pulse / pause ratio of the output signal 17 controlled. This is one of the digital multivibrator 16 Clock output to the OSCout output using a resistor 14 in series and a capacitor 13 converted to ground in a delta voltage and this with a DC component 9 applied. When using a digital multivibrator as a standard module in CMOS technology, the threshold is the inputs, so also for the reset input MR, always proportional to a partial value to the supply voltage, in the case of the embodiment, therefore, to a partial value DC output voltage UA.

Der Gleichspannungsanteil wird im Fehlerverstärker 10, der in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem gesteuertem Standard Shunt-Regulator besteht. Der Fehlerverstärker 10 ist allgemein bekannt und kann in einer Ausführungsform vorteilhafterweise aus einem einstellbaren Shunt-Regulator, wie er in „SEMTECH, Revision 2. April 2001: SC431” beschrieben ist, mit der dazugehörigen Widerstandsbeschaltung bestehen. Die Referenzspannung 22 erhält der Fehlerverstärker 10 über das konstante Teilerverhältnis aus der zu messenden Ist-Spannung 23 im Verhältnis des Widerstände 11a zu dem Gesamtwert aus der Reihenschaltung der Widerstände 11a und 11.The DC voltage component is in the error amplifier 10 which in a preferred embodiment consists of a controlled standard shunt regulator. The error amplifier 10 is well known and may in one embodiment advantageously consist of an adjustable shunt regulator, as described in "SEMTECH, Revision April 2, 2001: SC431", with the associated resistive circuitry. The reference voltage 22 receives the error amplifier 10 via the constant divider ratio from the actual voltage to be measured 23 in proportion to the resistance 11a to the total value of the series connection of the resistors 11a and 11 ,

In 3 ist in einem Diagramm die Erzeugung des pulsweiten-moduliertem Ausgangssignals 17 in Abhängigkeit der Dreieckspannung 12 aufgezeigt, bei zu niedriger Ausgangsspannung UA. Der Fehlerverstärker erhält ein niedriges Referenzpotential 22, wodurch das Ausgangspotential 9 des Fehlerverstärkers erhöht wird. Somit wird erreicht, dass bei einem höheren Gleichspannungsanteil der Dreiecksspannung der Schwellwert 25 des Reset-Eingangs MR bei jeder Taktperiode früher erreicht wird und wieder später aufgehoben wird, wodurch das Verhältnis Puls/Pause des pulsweiten moduliertem Steuersignal 17 kleiner wird. Da der Schalttransistor 4 beim Pausensignal eingeschaltet wird, bedeutet dies, dass der Schalttransistor 4 länger geöffnet ist und damit mehr Energie zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung UE in eine Ausgangsgleichspannung bereitstellt, wodurch sich die zu niedrige Ausgangsgleichspannung UA nach einer oder mehreren Taktperioden auf den Sollwert erhöht.In 3 is a diagram of the generation of the pulse width modulated output signal 17 depending on the triangle voltage 12 shown at too low output voltage UA. The error amplifier receives a low reference potential 22 , whereby the output potential 9 of the error amplifier is increased. Thus it is achieved that at a higher DC voltage component of the triangular voltage of the threshold value 25 the reset input MR is reached earlier at each clock period and is canceled again later, whereby the ratio pulse / pause of the pulse width modulated control signal 17 gets smaller. As the switching transistor 4 When the pause signal is turned on, it means that the switching transistor 4 is opened longer and thus provides more energy for converting a DC input voltage UE into a DC output voltage, whereby the too low DC output voltage UA increases after one or more clock periods to the desired value.

Im umgekehrten Fall wird erreicht, wie in 4 in einem Diagramm dargestellt, dass bei einem niedrigeren Gleichspannungsanteil 9 der Dreiecksspannung der Schwellwert 25 des Reset-Eingangs bei jeder Taktperiode später erreicht wird und früher aufgehoben wird, wodurch das Verhältnis Puls/Pause des pulsweiten-moduliertem Steuersignals 17 verlängert wird. Folglich bedeutet dies, dass der Schalttransistor 4 länger geschlossen ist und damit weniger Energie zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung UE in eine Ausgangsgleichspannung UA bereitstellt, wodurch sich die zu hohe Ausgangsgleichspannung UA nach einer oder mehreren Taktperioden auf den Sollwert vermindert.In the opposite case is achieved, as in 4 shown in a diagram that at a lower DC component 9 the triangular voltage of the threshold 25 of the reset input at each clock period is reached later and canceled earlier, whereby the ratio pulse / pause of the pulse width modulated control signal 17 is extended. Consequently, this means that the switching transistor 4 is closed longer and thus provides less energy to convert a DC input voltage UE in a DC output voltage UA, whereby the excessive DC output voltage UA decreases after one or more clock periods to the desired value.

Wie in 1 und 2 wird die Spannungsversorgung 21 des digitalen Multivibrators 16 von der geregelten Ausgangsgleichspannung UA bereitgestellt, die in der Regel geringer ist als die toleranzbehaftete Eingangsgleichspannung UE. Dies führt zu einer geringen Leistungsaufnahme des digitalen Multivibrators 16.As in 1 and 2 becomes the power supply 21 of the digital multivibrator 16 provided by the regulated output DC voltage UA, which is usually less than the tolerance-sensitive input DC voltage UE. This leads to a low power consumption of the digital multivibrator 16 ,

Des Weiteren ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform zur Verbesserung des Anlaufverhaltens ein Bypasstransistor 8 vorgesehen, der ein konstantes aktives Steuersignal 19 für Schalttransistor 4 bereitstellt, damit dieser für den Zeitraum aktiv geschaltet ist, so lange der Fehlerverstärker 10 noch nicht aktiv und damit sein Ausgang zum Widerstand 20 hochohmig ist. In diesem Zustand wird das Potential am Steuereingang des Schalttransistors 4 auf nahezu 0 Volt gezogen, wodurch über die negative Steuerspannung zwischen dem Gate-Eingang und dem Source-Ausgang der Schalttransistor 4 leitend wird.Furthermore, in the in 1 illustrated embodiment for improving the startup behavior of a bypass transistor 8th provided that a constant active control signal 19 for switching transistor 4 so that it is active for the period as long as the error amplifier 10 not yet active and thus its exit to the resistance 20 is high impedance. In this state, the potential at the control input of the switching transistor 4 pulled to nearly 0 volts, whereby on the negative control voltage between the gate input and the source output of the switching transistor 4 becomes conductive.

In der in 2 dargestellten alternativen Ausführungsform zur Verbesserung des Anlaufverhaltens ist ein Bypasstransitor 8a als Überbrückung des Schalttransistors 4 mit seinem Drain-Eingang an den Eingang 2 für die Eingangsgleichspannung UE und mit seinem Source-Ausgang an den Ausgang 1 für die Ausgangsgleichspannung UA geschaltet. Der Steuereingang 9 erhält über den Widerstand 20 sein das Potential der Eingangsgleichspannung UE, während am Source-Ausgang noch 0 Volt-Potential liegt. Da für diesen Bypasstransistor 8a ein Feldeffekttransistors als Anreicherungstyp verwendet wird, bewirkt die positive Steuerspannung UGS ein Durchschalten des Bypasstransistors 8a.In the in 2 illustrated alternative embodiment for improving the startup behavior is a bypass Transitor 8a as a bridge to the switching transistor 4 with its drain entrance to the entrance 2 for the input DC voltage UE and with its source output to the output 1 switched for the DC output voltage UA. The control input 9 gets over the resistance 20 be the potential of the input DC voltage UE, while the source output is still 0 volt potential. As for this bypass transistor 8a a field effect transistor is used as the enhancement type, the positive control voltage UGS causes a turn-on of the bypass transistor 8a ,

Claims (8)

Schaltregler zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung (UE) in eine Ausgangsgleichspannung (UA), umfassend – einen zwischen einem Eingangsgleichspannungsanschluss (2) und einem Ausgangsgleichspannungsanschluss (1) gebildeten Längszweig, der zumindest einen Schalttransistor (4) – einen Glättungskondensator (7) am Ausgangsgleichspannungsanschluss (1) und Masse des Schaltreglers, und – einen Multivibrator (16), der von der Ausgangsgleichspannung (UA) versorgt wird und ein pulsweiten-moduliertes Steuersignal (19) mit einem steuerbaren Puls/Pausen-Verhältnis erzeugt, welches den Gate-Eingang des Schalttransistors (4) zum Ein- und Ausschalten des Schalttransistors (4) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Multivibrator (16) ein digitaler Multivibrator ist, welcher ein Standardbaustein in CMOS-Technologie vom Typ 4047 ist, der einen Schwellwert (25) aufweisenden Reset-Eingang (MR), einen Taktausgang (OSCout) und einen Ausgang (Q) aufweist, dass der digitale Multivibrator (16) am Taktausgang (OSCout) ein Taktsignal (24) bereitstellt, welches mit einer Widerstands-Kondensator-Schaltung (13, 14) in eine Dreieckspannung (12) umgeformt wird, wobei die Dreieckspannung mit einem Gleichspannungsanteil (9) beaufschlagt wird, der von einem Fehlerverstärker (10) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (UA) erzeugt wird, dass die mit dem Gleichspannungsanteil beaufschlagte Dreieckspannung am Reset-Eingang (MR) des digitalen Multivibrators (16) anliegt, wobei, wenn die mit dem Gleichspannungsanteil beaufschlagte Dreieckspannung den Schwellwert (25) erreicht, der Reset-Eingang (MR) aktiviert und ein auf den Ausgang (Q) des digitalen Multivibrators (16) ausgegebener „1”-Zustand auf einen „0”-Zustand geschaltet wird, wodurch das Puls/Pausen-Verhältnis des pulsweiten-modulierten Steuersignals gesteuert wird.Switching regulator for converting a DC input voltage (UE) into a DC output voltage (UA), comprising - one between an input DC voltage connection ( 2 ) and a DC output voltage terminal ( 1 ) formed longitudinal branch, the at least one switching transistor ( 4 ) - a smoothing capacitor ( 7 ) at the output DC voltage terminal ( 1 ) and ground of the switching regulator, and - a multivibrator ( 16 ), which is supplied by the DC output voltage (UA) and a pulse-width-modulated control signal ( 19 ) is generated with a controllable pulse / pause ratio which the gate input of the switching transistor ( 4 ) for switching the switching transistor on and off ( 4 ), characterized in that the multivibrator ( 16 ) is a digital multivibrator, which is a standard device in CMOS technology of the type 4047, which has a threshold value ( 25 comprising a reset input (MR), a clock output (OSCout) and an output (Q), that the digital multivibrator ( 16 ) at the clock output (OSCout) a clock signal ( 24 ), which is provided with a resistor-capacitor circuit ( 13 . 14 ) into a triangular voltage ( 12 ) is converted, wherein the delta voltage with a DC component ( 9 ), which is supplied by an error amplifier ( 10 ) is generated as a function of the output voltage (UA) that the dc voltage applied to the delta voltage at the reset input (MR) of the digital multivibrator ( 16 ), wherein, when the delta voltage applied to the dc voltage component reaches the threshold value ( 25 ), the reset input (MR) is activated and an input to the output (Q) of the digital multivibrator ( 16 ) is switched to a "0" state, whereby the pulse / pause ratio of the pulse width modulated control signal is controlled. Schaltregler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das pulsweiten-modulierte Steuersignal (19) an einen ersten Eingang eines Kondensators (18) angeschlossen ist und ein zweiter Eingang des Kondensators (18) mit dem Gate-Eingang des Schalttransistors (4) sowie über einen Widerstand (6) mit dem Eingangsgleichspannungsanschluss (2) verbunden ist.Switching regulator according to claim 1, characterized in that the pulse-width-modulated control signal ( 19 ) to a first input of a capacitor ( 18 ) and a second input of the capacitor ( 18 ) to the gate input of the switching transistor ( 4 ) as well as a resistor ( 6 ) with the input DC voltage connection ( 2 ) connected is. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerverstärker (10) bei einer Abweichung der Ausgangsgleichspannung (UA) auf einen kleineren Wert gegenüber einem Sollwert einen höheren Gleichspannungsanteil (9) erzeugt, und bei einer Abweichung der Ausgangsgleichspannung (UA) auf einen höheren Wert gegenüber dem Sollwert einen niedrigeren Gleichspannungsanteil (9) erzeugt.Switching regulator according to one of Claims 1 to 2, characterized in that the error amplifier ( 10 ) in the case of a deviation of the DC output voltage (UA) to a smaller value than a desired value, a higher DC component ( 9 ), and in the case of a deviation of the DC output voltage (UA) to a higher value compared to the setpoint value, a lower DC component ( 9 ) generated. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalttransistor (4) ein selbstsperrender Feldeffekttransistor ist, dessen Gate-Eingang über einem Widerstand (6) mit der Eingangsspannung (UE) und über einen Kondensator (18) mit dem Ausgang (Q) des digitalen Multivibrators (16) verbunden ist.Switching regulator according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the switching transistor ( 4 ) is a self-blocking field effect transistor whose gate input is connected across a resistor ( 6 ) with the input voltage (UE) and via a capacitor ( 18 ) to the output (Q) of the digital multivibrator ( 16 ) connected is. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerverstärker (10) ein gesteuerter Shunt-Regulator ist, dessen Eingang mit einem Spannungsteiler (11, 11a) verbunden ist, der wiederum an die Ausgangsgleichspannung angeschlossen ist.Switching regulator according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the error amplifier ( 10 ) is a controlled shunt regulator whose input is connected to a voltage divider ( 11 . 11a ), which in turn is connected to the DC output voltage. Schaltregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypasstransistor (8) zwischen dem Ausgangsgleichspannungsanschluss (1) des Schaltreglers und dem Gate-Eingang des Schalttransistors (4) geschaltet ist, wobei der Gate-Eingang des Bypasstransistors (8) vom Ausgang des Fehlerverstärkers (10) angesteuert wird.Switching regulator according to claim 5, characterized in that a bypass transistor ( 8th ) between the output DC voltage terminal ( 1 ) of the switching regulator and the gate input of the switching transistor ( 4 ), wherein the gate input of the bypass transistor ( 8th ) from the output of the error amplifier ( 10 ) is driven. Schaltregler nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypasstransistor (8a) zwischen dem Ausgang (1) des Schaltreglers und dem Eingang (2) des Schaltreglers geschaltet ist, wobei der Gate-Eingang des Bypasstransistors (8a) vom Ausgang des Fehlerverstärkers (10) angesteuert wird.Switching regulator according to claim 5, characterized in that a bypass transistor ( 8a ) between the output ( 1 ) of the switching regulator and the input ( 2 ) of the switching regulator, wherein the gate input of the bypass transistor ( 8a ) from the output of the error amplifier ( 10 ) is driven. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Längszweig eine Längsinduktivität (3) aufweist und eine Freilaufdiode (5) in einem Querzweig zwischen dem Ausgang des Schalttransistors (4) und Masse angeordnet ist.Switching regulator according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the longitudinal branch has a longitudinal inductance ( 3 ) and a freewheeling diode ( 5 ) in a shunt branch between the output of the switching transistor ( 4 ) and mass is arranged.
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