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Netzteilkonzepte
zur Versorgung von Kfz-Elektroniken mit Schaltwandlern, insbesondere auch
Aufwärtswandlern
mit Autarkiefunktion und nachgeschalteten Abwärtswandler oder Längsregler sind
beispielsweise bekannt aus den Schriften WO 96/21263 oder
DE 197 46 546 C1 (insbesondere
5).
1 zeigt
ein Netzteilkonzept (
1) gemäß dem Stand der Technik, wie
dieses auch in den Schriften WO 96/21263 sowie
DE 197 46 546 C1 (insbesondere
5) im Prinzip dargestellt ist.
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Damit
der im Fahrzeug zulässige/geforderte Eingangsspannungsbereich
(2) an Klemme 15 (6 Volt bis 16,5 Volt) vom System entsprechend
verwertet werden kann, wird hierzu die Spannung der Klemme 15, zuerst
mittels einem DC/DC-Wandler (3) (Aufwärtswandler) auf eine höhere Spannung
(3.3) hochtransformiert und gegebenenfalls in einem Energiespeicher
(3.2) zwischengespeichert. Diese Spannung (3.3)
(bzw. die zwischengespeicherte Energie welche im Autarkiefall zur
Versorgung des Systems dient sofern eine gewisse Autarkiezeit gefordert
ist), wird anschließend
einem Abwärtswandler
(4) zugeführt,
welcher aus der hohen Spannung (3.3) eine entsprechend
niedrigere Spannung (4.4) generiert, um aus dieser heruntergewandelten
Spannung die entsprechenden nachgeschalteten Längsregler (5.1, 5.3)
zur Generierung der unterschiedlichen stabilisierten Spannungspotentiale
zur Versorgung der einzelnen System-Komponenten (mit unterschiedlichen Spannungsanforderungen)
zu gewinnen.
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Wie
aus der Anordnung leicht zu erkennen ist und für den auf dem Fachgebiet tätigen Fachmann als
eine platte Selbstverständlichkeit
bekannt ist, befindet sich im Eingangsbereich eine Verpolschutzdiode
(3.1), damit die von den Systemen geforderte Verpolsicherheit
erfüllt
wird, sowie die Forderungen an die Systeme nach einer Robustheit
gegenüber
negativer Transienten/Störspannungen,
wie diese im Bordnetz der Kfz-Industrie bestens bekannt sind, erfüllen können.
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Diese
als Verpolschutzdiode wirkende Diode (3.1) hat jedoch zur
Folge, dass die am Eingang/Klemme 15 zur Verfügung stehenden 6 Volt, bei dieser
Spannung bereits eine Funktionsfähigkeit
des Systems gefordert wird, sich um eine Diodenspannung verringert,
ab diesem der darauf folgend Aufwärtswandler (3) seine
volle Leitungsfähigkeit
zu bringen hat. Die Reduzierung der zur Verfügung stehenden Spannung am
Aufwärtswandler
(3) von 6 Volt auf ca. 5.2 Volt hat jedoch einen erheblichen
Einfluss auf den Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers (3), da der
Einfluss/die Verschlechterung deutlich größer ist als nur die „lineare
prozentuale" Reduzierung
der Spannung von 6 Volt auf 5.2 Volt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Netzteilkonzept vorzustellen,
mittels diesem eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Dazu
gelangt im Eingangsbereich als Verpolschutzdiode eine „aktive
Diodenschaltung" zum
Einsatz.
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In
der Kfz-Industrie bzw. den entsprechenden Elektronik-Applikationen,
wird der Integrationsgrad zunehmend komplexer und umfangreicher
sowie anspruchsvoller. Dieses bewirkt, dass die darin zum Einsatz
kommenden Mikro-Prozessoren immer leistungsstärker werden, die Taktfrequenz/Arbeitsfrequenz
(Clock) ständig
wächst,
sowie die dazugehörige
Peripherie, wie zum Beispiel die Anzahl der Satelliten/Signalerfassungseinheiten,
ebenso zunimmt.
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All
diese Zunahmen bzw. Performanceerhöhungen haben jedoch auch einen
direkten Einfluss auf die Stromaufnahme bzw. der Netzteile der einzelnen
Systeme, da durch die resultierende zunehmende Stromaufnahme im
System, die entsprechenden Netzteile der System-Applikationen entsprechend eine
höhere
Leistung bereitstellen müssen,
was bedingt durch den Wirkungsgrad sowie den einzelnen unterschiedlichen
Netzteilkonzepten zum Teil mit erheblichen Verlustleistungen verbunden
ist, bzw. zu einer erheblichen Eigenerwärmung führt. Letzteres führt dazu,
dass im System geeignete Kühlmaßnahmen
getroffen werden, damit die Eigenerwärmung nicht zu einem unzulässigen Anstieg
der ASIC-Chip-Temperatur (T-Junktion) führt. So werden zum Schutz vor Überhitzung
besondere kostenintensive Gehäuse
mit einer niedrigen Eigenerwärmung
(< 15°C/Watt) gewählt, bzw.
die Gehäuse
wiederum innerhalb der Applikation auf eine entsprechend kostenintensive
große
Metallplatte zur Wärmeabfuhr montiert.
Ein weiterer Nachteil ist auch darin zu sehen, dass zur Abführung von
Wärme infolge
von Verlustleistung, geeignete wärmeleitfähige System-Gehäusematerialien
zur Anwendung gelangen müssen, welches
einen Einsatz von reinen bzw. vorwiegend realisierten Kunststoffgehäusen nur
bedingt ermöglicht.
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Neben
den genannten Zunahmen bzw. Performanceerhöhungen zeigt der Trend der
Entwicklung weiterhin, dass als Versorgungsspannungsbereich bei
diesem die Funktion des Systems gewährleistet sein muss, zukünftig ein
Bereich ab ≥ 6
Volt angestrebt wird.
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Besonders
die Erweiterung des Versorgungsspannungsbereiches, von derzeit 9
Volt bis 16.5 Volt in Richtung 6 Volt bis 16.5 Volt, hat einen erheblichen
Einfluss auf die Verlustleistungserzeugung und damit verbundenen
Eigenerwärmung
des Systems, da der Wirkungsgrad der Schaltwandler (Aufwärtswandler)
bei niedrigen Eingangs-spannungen (ca. 6 Volt) einen erheblich schlechteren
Wirkungsgrad aufweist als bei etwas höheren Eingangsspannungen (ca.
9 Volt).
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Mit
diesem Netzteilkonzept wird eine Verpolsicherheit des Systems gewährleistet,
ohne dass es jedoch hierbei zu einer Reduzierung (um eine Diodenspannung – wie oben
erläutert)
der auf den Aufwärtswandler
(3) wirkenden Versorgungsspannung bzw. der Eingangsspannung
von Klemme 15 kommt, um eine Verbesserung hinsichtlich des Wirkungsgrades
sowie einer Minimierung der Verlustleistungserzeugung/Eigenerwärmung zu
erlangen, damit aufwendige Kühlmaßnahmen
und die damit verbundenen Nachteile reduziert werden können, da
der Erzeugung von Verlustleistung im System entgegengewirkt werden
kann/wird.
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Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass zur Vermeidung
oben angeführter Nachteile,
bzw. zur Steigerung der Effizienz (Optimierung des Wirkungsgrades)
erfindungsgemäß eine „aktive
Diodenschaltung" als
Verpolschutz zum Einsatz gelangt, mittels dieser dem Spannungsabfall von
einer Diodenspannung im Versorgungspfad von der Klemme 15 kommend
entgegengewirkt wird.
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Die
prinzipielle Funktionsweise der „aktiven Diodenschaltung", welche vorzugsweise
durch einen niederohmigen aktiven schaltbaren Halbleiterschalter
(FET) realisiert wird, ist diese, dass durch eine geeignete Steuerung
(z.B. 3) dafür
gesorgt wird, dass sich die „aktive
Diodenschaltung" (der
FET) im leitenden/niederohmigen Zustand befindet, wenn an der Klemme
15 eine positive Spannung anliegt, und in den sperrenden/hochohmigen
Zustand übergeführt wird,
wenn an der Klemme 15 eine negative Spannung angelegt wird. Mittels
dieser Maßnahme kann
sicher gewährleistet
werden, dass bei positiven Versorgungsspannungen an der Klemme 15
sich die „aktive
Diodenschaltung" (der
FET) sich im leitenden Zustand befindet und es nicht zu einer Reduzierung um
die sonst übliche
Diodenspannung kommt, wohingegen bei negativen Spannungen an der
Klemme 15 sich die „aktive
Diode" (der FET)
sich im sperrendem (nicht leitendem) Zustand befindet, so dass die geforderte
Verpolsicherheit des Systems gewährleistet
ist, bzw. die geforderte Robustheit gegenüber negativen Transienten/Störspannungen
erfüllt
werden kann.
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Je
nach Ausführungsart
und Applikation der „aktiven
Diodenschaltung" (des
FETs), kann neben der Schaltfunktion des FETs, zusätzlich die
im FET systematisch technologie-bedingt vorhanden „Reversediode" genutzt werden,
welche gegebenenfalls anstatt der in dem Ausführungsbeispiel gezeigten Parallelschaltung
der Verpolschutzdiode (3.1) mit der erfindungsgemäßen „aktiven
Diodenschaltung",
einen Entfall der standardmäßigen Verpolschutzdiode (3.1)
ermöglicht.
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Die
Erfindung wird nun nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter zu Hilfenahme der 1 bis 3 näher erläutert. Im
folgenden können
für funktional
gleiche und/oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern
bezeichnet sein.
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Es
zeigen
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1:
Netzteilkonzept gemäß dem Stand der
Technik
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2:
Netzteilkonzept gemäß der Erfindung mit „aktiver
Diode" im Eingangspfad/in
der Versorgungsspannungszuführung
von Kl.15
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3:
Detaildarstellung hinsichtlich der Funktionsweise der Sensier- und
Schaltfunktion
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1 wurde
bereits Eingangs zum Stand der Technik näher erörtert.
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Der
prinzipielle logische Aufbau des Netzteils ist hierbei dieser, dass
die Spannung/Energie aus dem Bordnetz (2) Klemme 15 (2)
stammend, einer Verpolschutzdiode, (3.1) zwecks Sicherheit
des Systems vor Verpolung, zugeführt
wird. Anschließend
wird die Spannung einem Aufwärtswandler
(3) zugeführt,
welcher aus der Eingangsspannung an dessen Ausgang eine hochtransformierte
Ausgangsspannung (3.3) erzeugt, welche mittels einem Kondensator
(3.2) zwischengespeichert wird. Diese Ausgangsspannung
(3.3) wird dem Eingang eines Abwärtswandlers (4) zugeführt, welcher
die Spannung herunterwandelt, um diese an dessen Ausgang als Ausgangsspannung
(4.4) zur Verfügung
zu stellen. Die/se Ausgangsspannung (4.4) wird zur Stabilisierung
mittels einem Kondensator (4.2) gefiltert, bevor sie dann
den Eingängen
von Längsreglern
(5.1), zur Erzeugung einer stabilisierten Arbeitsspannung
für die
angeschlossenen Lasten, zugeführt
werden.
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Wie
aus der 1 weiter leicht ersichtlich
ist, entstehen in den einzelnen Komponenten (4, 3, 3.1) des
Netzteils (1) Verlustleistungen, um am Ausgang des Abwärtswandlers
(4) die angenommene Leistung von 4 Watt abgeben bzw. zur
Verfügung
stellen zu können.
Die Höhe
der Verlustleistung hängt
hierbei im wesentlichen vom Wirkungsgrad der Schaltwandler (3, 4)
sowie der Flussspannung der Verpolschutzdiode (3.1) ab.
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Wie
das Rechenbeispiel zeigt, werden im Abwärtswandler (4) der
mit einem Wirkungsgrad (μ) von
85 % angenommen wird, 0,70 Watt Verlustleistung erzeugt, damit der
Abwärtswandler
am Ausgang 4,00 Watt Nutzleistung zu den nachgeschalteten Reglern
(5.1, 5.3) bereitstellen kann. Diese 0,70 Watt Verlustleistung
müssen
neben den 4,00 Watt-Ausgangsleistung
am Eingang des Abwärtswandlers
bereitgestellt werden.
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Wie
aus der Figur weiter ersichtlich ist, müssen dem Aufwärtswandler
(3), damit dieser die 4,70 Watt am Ausgang liefern kann,
bedingt durch dessen Wirkungsgrad (μ) von 60 % am Eingang 7,83 Watt zur
Verfügung
gestellt werden, da im Aufwärtswandler
(3) selbst 3,13 Watt Verlustleistung generiert werden.
Bei diesem Beispiel wird von einem Wirkungsgrad von 60 % ausgegangen,
da am Eingang eine Spannung von 5,2 Volt (6.0 Volt abzüglich einer
Dioden-Spannung wegen der Verpolschutzdiode (3.1)) ausgegangen
wird. Da an der Verpolschutzdiode (3.1) selbst, bedingt
durch den Strom durch die Diode und dem resultierendem Spannungsabfall
an der Diode (3.1), eine Verlustleistung von 1,04 Watt
entstehen, muss letztendlich am Eingang (2) bzw. an der Klemme
15 eine Gesamt-Leistung von 8,87 Watt zur Verfügung gestellt werden, damit
am Ausgang 4,00 Watt entnommen werden können. In der Summe ergibt dieses
eine Gesamt-Verlustleistung von 4,87 Watt um 4,00 Watt bereitstellen
zu können.
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2 zeigt ähnlich wie 1 das
Netzteil gemäß dem Stand
der Technik, mit dem Unterschied, dass 2 gegenüber der 1 mit
der erfindungsgemäßen „aktiven
Diodenschaltung" (6)
ergänzt
wurde.
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Wie
aus der Figur weiter ersichtlich ist, reduziert sich die Verlustleistung,
die entsteht um am Ausgang wiederum die 4,00 Watt zur Verfügung zu
stellen, erheblich, da nunmehr am Eingang (2) nur noch 7,03
Watt aus dem Bordnetz (2) zur Verfügung gestellt werden müssen.
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Die
Reduzierung der Verlustleistung von 1,84 Watt (8,87 Watt minus 7,03
Watt), gegenüber der 1,
kommt hierbei dadurch zu Stande, dass zum einen durch die „aktive
Diode" (6)
der Spannungsabfall an der Vorpolschutzfunktion (3.1, 6) deutlich
reduziert werden kann, welches eine direkte Verlustleistungsreduzierung
zur Folge hat, und zum anderen der Wirkungsgrad (μ) des Aufwärtswandlers (3)
verbessert wird, da diesem durch die Reduzierung des Spannungsabfalls
an der Verpolschutzfunktion (3.1, 6) eine höhere verwertbare
Arbeitsspannung an dessen Eingang verbleibt (ca. 5.9 Volt anstatt
bisher 5.2 Volt).
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3 zeigt
eine Detaildarstellung, aus diesem die Prinzip-Funktion der Sensier-
und Schaltfunktion der erfindungsgemäßen „aktiven Diodenfunktion" ersichtlich ist.
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Die „aktive
Diodenschaltung" (6),
welche durch einen p-Kanal-FET nachgebildet wird, ist der standardmäßig vorhandenen
Verpolschutzdiode (3.1) parallel geschaltet. Das Gate des
FETs ist mit dem Kollektor des Transistors (6.1) verbunden.
Die Basis des Transistor (6.1), welcher als Schalter ausgebildet
ist, ist über
einen Widerstand (6.2) und einer Diode (6.5) mit
der Eingangsspannung (2) bzw. der Bordnetzspannung Klemme
15 (2) verbunden. Steigt die Bordnetzspannung über einen
bestimmten Spannungswert (z.B. > 4
Volt), so führt
dieses dazu, dass über
den Spannungsteiler (6.2, 6.3) die Basis des Transistors
(6.1) mit einer ausreichenden Spannung versorgt wird, um
diesen in den leitenden Zustand zu versetzen. Der leitende Zustand
des Transistors (6.1) bewirkt, dass der aktiv steuerbare
Halbleiterschalter (6) in den leitenden Zustand (< 0,20 Ohm) geschaltet wird,
und somit nur noch ein sehr geringer Spannungsabfall über diesen
vorhanden ist, so dass der Energiefluss ohne einer größeren Verlustleistungserzeugung über den
Halbleiterschalter (6) möglich ist.
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Sinkt
die Bordnetzspannung unter einen bestimmten Spannungswert (z.B. < 4 Volt), so führt dieses
dazu, dass über
den Spannungsteiler (6.2, 6.3) die Basis des Transistors
(6.1) mit einer nicht ausreichenden Spannung versorgt wird,
um diesen in den leitenden Zustand zu versetzen. Der sperrende Zustand
des Transistors (6.1) bewirkt, dass der aktiv steuerbare
Halbleiterschalter (6) in den sperrenden Zustand (> 10 kOhm) geschaltet
wird, und somit als herkömmliche
Diodenfunktion die dahinter befindliche mit Energie zu versorgende
Elektronik vor negativen Spannungen, vom Bordnetz kommend, schützt.
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Wie
beginnend zur Beschreibung von 3 schon
erwähnt,
wird in 3 das Funktionsprinzip gezeigt,
wobei auch weiter Realisierungen mit zusätzlichen aktiven Bauelementen,
zur Erlangung von kürzeren
Schaltzeiten/Reaktionszeiten mittels aktiven Widerständen (insbesondere
Widerstand (6.4) betreffend, ebenso denkbar sind.
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Bei
einer nicht gezeigten Weiterentwicklung, kann die Schaltfunktion
der „aktiven
Diodenschaltung" auch
dafür genutzt
werden, dass der aktiv steuerbare Halbleiterschalter auch bei Spannungen über der
Soll-Betriebsspannung in den sperrenden (hochohmigen) Zustand geschalten
werden kann, um das System vor Überspannungen
und positiven Spannungstransienten zu schützen.
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Eine
ebenso mögliche
und nicht gezeigte Realisierung ist diese, dass abweichend von 2 das
Netzteil (1) ohne den gezeigten Aufwärtswandler (3) realisiert
wird, wobei der Ausgang der Verpolschutzfunktion (3.1, 6)
direkt mit den Abwärtswandler (4)
verbunden ist. Diese Realisierung ist dann möglich, wenn im System keine
oder nur eine sehr geringe Autarkiefunktion gefordert ist, sowie
die im System erforderlichen Spannungen geringer sind, als diese
am Eingang bzw. an der Versorgung (2) des Systems – vom Bordnetz
(2) stammend – zur
Verfügung
stehen.
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Abschließend werden
die wesentlichen Vorteile durch die erfindungsgemäße „aktive
Diode" wie folgt
zusammengefasst.
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Die
Vorteile der Vorliegenden Erfindung ist eine Optimierung von Netzteilen
sowie die sich daraus ergebenden Auswirkungen:
- – Reduzierung
der Verlustleistung im System
- – Reduzierung
der Eigenerwärmung
- – Entfall
aufwendiger Kühlmaßnahmen
- – Geringere
Stromaufnahme des Systems aus der Kfz-Bordspannung
- – Optimierung
des Gesamtwirkungsgrades
- – Ein
geringerer Eingangsspannungsbereich kann dem Kunden zugesichert
werden (in Richtung Betriebsbereich/Funktion ab 6 Volt)
- – Im
System können
Bauelemente mit einer niedrigeren Anforderung hinsichtlich der Umgebungstemperatur
(statt 105° → 95° oder statt
125° → 105° Temperaturprofil)
zum Einsatz gebracht werden, wodurch preiswertere Komponenten zum Einsatz
gebracht werden können
(Preisvorteil).
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- 1
- Netzteilkonzept
- 2
- Versorgungsspannung,
z.B. Klemme 15; Bordnetzspannung
- 3
- Aufwärtswandler
- 3.1
- Verpolschutzdiode
- 3.2
- Kondensator
des Aufwärtswandlers
- 3.3
- Ausgangsspannung
des Aufwärtswandlers
- 4
- Abwärtswandler
- 4.2
- Kondensator
des Abwärtswandlers
- 4.4
- Ausgangsspannung
des Abwärtswandlers
- 5.1
- Längsregler
- 5.2
- Last
(zur Last)
- 5.3
- Längsregler
- 5.4
- Last
(zur Last)
- 6
- „Aktive
Diode" (aktiv schaltbarer
Halbleiterschalter/FET)
- 6.1
- Steuertransistor
für „aktive
Diode"
- 6.2
- Widerstand
- 6.3
- Widerstand
- 6.4
- Widerstand
- 6.5
- Diode
- 6.6
- Reversediode
der „aktiven
Diode" (6)