DE102004016907B4 - switching regulators - Google Patents
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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
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
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
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
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
Ausführungsbeispielembodiment
In
Der Gleichspannungsanteil wird im Fehlerverstärker
In
Im umgekehrten Fall wird erreicht, wie in
Wie in
Des Weiteren ist in der in
In der in
Claims (8)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102004016907A1 DE102004016907A1 (en) | 2005-11-03 |
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Family Applications (1)
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2004
- 2004-04-06 DE DE200410016907 patent/DE102004016907B4/en not_active Expired - Lifetime
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Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
Datenblatt HCF 4047B der Firma ST * |
JP 01315259 AA (Patent Abstracts of Japan) |
JP 06351233 AA (Patent Abstracts of Japan) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE102004016907A1 (en) | 2005-11-03 |
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R019 | Grant decision by federal patent court | ||
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