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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines Schaltnetzteils
mit einer Drosselspule und einem der Drosselspule zugeordneten Schaltelement.
Schaltnetzteile finden vielfältigen Einsatz. Sie werden
eingesetzt, um eine gegenüber einer Versorgungsspannung
höhere oder auch niedrigere Betriebsspannung zu erzeugen.
Im Vergleich zu analog geregelten Netzteilen zeichnen sich Schaltnetzteile dadurch
aus, dass sie Wirkungsgrade von etwa 70 bis 95% erreichen. Dies
führt nur zu geringer Erwärmung und verbunden
damit zu hoher Zuverlässigkeit. Zudem führt die
regelmäßig hohe Taktfrequenz, mit der sie betrieben
werden, zu kleiner Bauteilgröße und relativ geringem
Gewicht.
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Schaltnetzteile
weisen ein Schaltelement auf, unterstützt durch das Energieportionen
mit einer hohen Taktfrequenz aus einer Versorgungsspannungsquelle
entnommen werden. Übliche Taktfrequenzen liegen je nach
Leistung zwischen 20 und 300 KHz. Das Verhältnis zwischen
Einschalt- und Ausschaltzeit des Schaltgliedes bestimmt den mittleren
Energiefluss. Ausgangsseitig ist grundsätzlich ein Tiefpass
angeordnet, der den diskontinuierlichen Energiefluss glättet.
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Es
existieren sekundär und primär geschaltete getaktete
Schaltnetzteile. Sekundär getaktete Schaltnetzteile weisen
keine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang auf. Primär
getaktete Schaltnetzteile bieten eine galvanische Trennung zwischen
Eingang und Ausgang. Ihre Schaltelemente arbeiten auf der Primärseite
des Transformators. Ferner wird bezüglich der Schaltnetzteile
zwischen Sperr-, Durchfluss- und Resonanzwandlern unterschieden.
Sperrwandler übertragen die Energie von der Primärseite
zu der Sekundärseite während der Sperrphase der
Schaltelemente. Durchflusswandler übertragen die Energie
während der Leitendphase der Schaltelemente. Resonanzwandler
benutzen einen Schwingkreis, um die Schalt elemente im Strom- oder
Nulldurchgang schalten zu lassen, um auf diese Weise die Belastung
der Halbleiter während des Schaltvorganges zu reduzieren.
Schaltnetzteile können so ausgebildet sein, beispielsweise
als Abwärtswandler, Aufwärtswandler, invertierender
Wandler, Sperrwandler, Eintaktdurchflusswandler, Halbbrückendurchflusswandler,
Vollbrückengegentaktwandler, Halbbrückengegentaktwandler,
Gegentaktwandler mit Parallelspeisung und Gegentaktresonanzwandler.
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Schaltnetzteile
werden so auch eingesetzt zum Erzeugen einer geeigneten Betriebsspannung für
beispielsweise Vorrichtungen der Kraftstoffeinspritzanlage oder
auch für Vorrichtungen der Spannungsversorgung und Spannungsüberwachung
von Mikrocontrollern, wie sie beispielsweise in Steuergeräten
des Motormanagements oder des Bremssystems in Kraftfahrzeugen eingesetzt
werden. Im Zusammenhang mit dem Einsatz von Kraftstoffeinspritzanlagen,
wo in der Regel eine höhere Spannung als die vom Bordnetz
verfügbaren 12 V benötigt werden, sowie beim Einsatz
von Spannungsüberwachern von Mikrocontrollern, wo in der
Regel eine niedrigere Spannung als die vom Bordnetz verfügbaren
12 V benötigt werden, werden aufgrund der benannten Vorteile
gegenüber analog geregelten Netzteil zur Wandlung von Gleichspannungen
zunehmend Schaltnetzteile eingesetzt.
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Beim
Betrieb eines Schaltnetzteils ist es erforderlich, die Ausgangsspannung
des Schaltnetzteils und den durch die Drosselspule fließenden Strom
zu erfassen. Je nach Schaltzustand des Schaltnetzteils kann dann
das Schaltelement mittels eines Steuersignals eingestellt werden.
Ist der Wert des Drosselstroms kleiner als ein vorgegebener Grenzwert,
so kann das Schaltelement eingeschaltet werden. Der Drosselstrom
steigt an und in der Folge davon auch der an der Drosselspule erfasste
Strom. Der erfasste Strom wird dann mit einem oberen Grenzwert verglichen.
Sobald der erfasste Strom größer ist als der obere
Grenzwert, kann über das Steuersignal das Schaltelement
ausgeschaltet werden.
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Je
nach Bedarf bleibt das Schaltelement nun ausgeschaltet, bis eine
vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist oder aber bis der Drosselstrom
einen unteren Grenzwert erreicht hat. Dieser Wert kann auch Null
sein.
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Zur
Erfassung des Drosselstromes kann beispielsweise ein Shuntwiderstand
in Reihe mit der Drosselspule und/oder in Reihe mit dem Schaltelement
eingefügt werden. Der durch den Shuntwiderstand fließende
Drosselstrom erzeugt einen Spannungsabfall, der erfasst wird und
den Drosselstrom repräsentiert.
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Eine
andere Möglichkeit der Erfassung des Drosselstromes ist
eine Magnetfeldmessung. Bei der Magnetfeldmessung, wie sie in der
Druckschrift „ASIC Based Closed-Loop Transducers
from 6 A up to 25 A nominal" von Rüdiger Bürkel,
Hans Dieter Huber und Stephane Rollier publiziert im Jahr 2003 des Herstellers
LEM Components beschrieben wird, wird das durch den Drosselstrom
erzeugte Magnetfeld erfasst und in eine repräsentative
Messgröße umgewandelt.
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In
einer weiteren Ausführung der Magnetfeldmessung, wie sie
in der Druckschrift „ASIC Based Closed-Loop Transducers
from 6 A up to 25 A nominal" von Rüdiger Bürkel,
Hans Dieter Huber und Stephane Rollier publiziert im Jahr 2003 des
Herstellers LEM Components beschrieben wird, wird das durch den
Drosselstrom erzeugte Magnetfeld erfasst und durch einen Strom in
einer zusätzlichen Kompensationswicklung im Stromsensor
zu Null kompensiert. Die Stromstärke des Stroms durch diese
zusätzliche Kompensationswicklung entspricht dann der Stromstärke
des zu erfassenden Drosselstromes.
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In
der Druckschrift FN9098.5 „Multi-Phase PWM Controller
with Precision rDS(ON) or DCR Differential Current Sensing for VR10.X
Application" des Bauelements ISL 6561 des Herstellers INTERSIL vom
12.Mai 2005 wird eine weitere Möglichkeit der Stromerfassung
beschrieben. Hier wird die Drosselspule, real bestehend aus einem
induktiven und einem ohmschen Anteil, durch ein angepasstes, zur Drosselspule
parallel geschaltetes RC-Netzwerk nachgebildet. Sind die Komponenten
des RC- Netzwerks so dimensioniert, dass die Zeitkonstante des RC-Netzwerks
gleich ist mit der Zeitkonstante der realen Drosselspule, ist die
Spannung über dem Kondensator gleich dem Spannungsabfall über
dem ohmschen Anteil der Drosselspule. Durch diesen Zusammenhang
kann ein zum Strom durch die Drosselspule repräsentatives
Signal über dem Kondensator abgegriffen werden. Der temperaturabhängige
ohmsche Anteil der Drosselspule kann durch eine Temperaturkompensation
durch eine externe Widerstandsbeschaltung ausgeglichen werden. Die
für die Temperaturkompensation benötigte Temperaturerfassung
erfolgt indirekt innerhalb des ISL 6561 ICs.
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Die
Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils zu schaffen,
die eine einfache, möglichst verlustfreie und genaue Erfassung
des Stromes durch eine Drosselspule des Schaltnetzteils ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Betreiben eines Schaltnetzteils mit einer Drosselspule und einem
der Drosselspule zugeordneten Schaltelement. Die Vorrichtung weist
einen Beobachter auf, der ausgebildet ist, ein Drosselspannungssignal
zu ermitteln, das repräsentativ ist für eine Drosselspannung,
die über der Drosselspule abfällt. Des Weiteren
weist die Vorrichtung einen Integrator auf, der das Drosselspannungssignal,
während jeweils einer Stromanstiegsphase eines Stroms durch
die Drosselspule, integriert. Ausgangsseitig wird dadurch am Integrator
ein Drosselstromsignal erzeugt, das repräsentativ ist für den
Strom durch die Drosselspule, abhängig vom jeweiligen integrierten
Drosselspannungssignal. Durch das Erfassen des Drosselspannungssignals über
der Drosselspule und die nachfolgende Integration, kann besonders
verlustfrei ein Abbild des Stroms durch die Drosselspule erzeugt
werden. Dadurch können hohe Ströme, beispielsweise
Ströme von mehr als 10 A, durch die Drosselspule erfasst
werden, ohne das hohe Verlustleistungen entstehen und hohe Anforderungen
an die Wärmeabfuhr gestellt werden müssen. Somit
kann ein hoher Wirkungsgrad des Schaltnetzteils sichergestellt werden.
Parasitäre Eigenschaften der Drosselspule und deren Temperaturabhängigkeit spielen
eine besonders zu vernachlässigende Rolle, weil kein angepasstes
Abbild der Drosselspulen-Eigenschaften erstellt werden muss, wobei
der ohmsche Anteil der Drosselspule sogar Null sein darf. Durch
die nicht notwendige Temperaturmessung und -kompensation vereinfacht
sich die Erfassung des Stromes durch die Drosselspule. Schnelle
Temperaturänderungen der Drosselspule sind so vernachlässigbar.
Ein Einsatz von Standardbauelementen, die auch für die
besonderen Anforderungen im Kraftfahrzeug zur Verfügung
stehen, ermöglicht ein einfaches und kostengünstiges
Herstellen. Ferner hat sich gezeigt, dass mit guter Genauigkeit
so ein Ermitteln des Drosselstromsignals über eine breite
Frequenzbandbreite möglich ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Beobachter einen Differenzverstärker. Der
Differenzverstärker ist dazu ausgebildet, die Drosselspannung über
der Drosselspule zu erfassen und das Drosselspannungssignal ausgangsseitig
zu erzeugen. Auf diese Weise wird nur der Spannungsabfall über
der Drosselspule verstärkt und eine hohe Gleichtaktunterdrückung
erreicht.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Beobachter einen
Integrator. Der Integrator integriert das Drosselspannungssignal während
jeweils einer Stromanstiegsphase des Stromes durch die Drosselspule
und erzeugt ausgangsseitig ein für den Strom durch die
Drosselspule repräsentatives Signal, abhängig
von dem jeweiligen integrierten Drosselspannungssignal. So ist ein
besonders einfaches Integrieren möglich.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Differenzverstärker
einen Operationsverstärker. Der Operationsverstärker
ist dazu ausgebildet, die Drosselspannung über der Drosselspule
zu erfassen. Am Operationsverstärker wird auf diese Weise
eingangsseitig eine besonders hohe Gleichtaktunterdrückung
erreicht und ausgangsseitig ein massebezogenes Drosselspannungssignal
erzeugt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Integrator einen
Operationsverstärker und einen Integrationskondensator.
Der Operationsverstärker und der dem Operationsverstärker zugeordnete
Integrationskondensator integrieren das Drosselspannungssignal während
jeweils einer Stromanstiegsphase des Stromes durch die Drosselspule
und erzeugen ausgangsseitig ein für den Strom durch die
Drosselspule repräsentatives Signal, abhängig
von dem jeweiligen integrierten Drosselspannungssignal. Auf diese
Weise wird eine massebezogene Spannung über dem Integrationskondensator erzeugt,
die das Drosselstromsignal repräsentiert.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Beobachter eine
Stromspiegelschaltung mit einem Eingangsnetzwerk und einem Integrationsnetzwerk.
Das Eingangsnetzwerk ist dazu ausgebildet, die Drosselspannung zu
erfassen und eine der Drosselspannung repräsentative erste Zwischenspannung
mittels eines dem Eingangsnetzwerk zugeordneten Stromspiegeleingangswiderstandes
zu erzeugen. Das vom Eingangsnetzwerk abgegriffene Integrationsnetzwerk
ist dazu ausgebildet, eine für die Drosselspannung repräsentative
zweite Zwischenspannung mittels eines dem Integrationsnetzwerk zugeordneten
Integrationswiderstands zu erzeugen. Der zweiten Zwischenspannung
ist durch den Integrationswiderstand ein Zwischenstrom zugeordnet,
der das Drosselspannungssignal repräsentiert. Durch die
Verwendung des Eingangsnetzwerks wird nur der Spannungsabfall über
der Drosselspule berücksichtigt und eine besonders hohe
Gleichtaktunterdrückung erreicht. Durch die Verwendung
des Integrationsnetzwerkes kann eine sehr genaue Einstellung des
Zwischenstromes erfolgen und dieser dann integ riert werden. Durch
die sehr einfache Realisierung der Stromspiegelschaltung mit dem
Eingangsnetzwerk und dem Integrationsnetzwerk mittels Standardbauelementen,
kann eine sehr einfache und sehr kostengünstige Ausgestaltung
erreicht werden. Durch geeignete Dimensionierung der Standardbauelemente
der Stromspiegelschaltung, des Eingangsnetzwerks und des Integrationsnetzwerks, kann
ein Störeinfluss des Beobachters auf die Funktion des Schaltnetzteils
sehr gering gehalten werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Beobachter einen
Integrationskondensator. Der Integrationskondensator ist so angeordnet,
dass ihm das Drosselspannungssignal zugeführt wird. Ein
Spannungsabfall über dem Integrationskondensator repräsentiert
das Drosselstromsignal. Auf diese Weise wird der Integrator besonders einfach,
robust und kostengünstig durch den Integrationskondensator
realisiert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung eines Schaltnetzteils und einer Vorrichtung
zum Betreiben des Schaltnetzteils,
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2 eine
Schaltungsanordnung gemäß 1 mit einer
detaillierteren Darstellung der Vorrichtung zum Betreiben des Schaltnetzteils,
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3 eine
weitere Schaltungsanordnung der Vorrichtung zum Betreiben des Schaltnetzteils,
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4 einen
zeitlichen Verlauf von Signalen,
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5 eine
weitere Schaltungsanordnung der Vorrichtung zum Betreiben des Schaltnetzteils.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend
mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein
Schaltnetzteil (1) ist beispielsweise als Tiefsetzsteller
ausgebildet. Der Tiefsetzsteller wandelt eine höhere Eingangsspannung
V_IN in eine niedrigere Ausgangsspannung V_OUT um.
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Das
Schaltnetzteil ist eingangsseitig mit einem Eingangskondensator
C1 versehen zum Stabilisieren der eingangsseitig anliegenden Eingangsspannung
V_IN.
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Das
Schaltnetzteil kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet
sein und die Eingangsspannung V_IN kann beispielsweise von einer Versorgungsspannungsquelle
zur Verfügung gestellt werden, die Bestandteil des Bordnetzes
des Kraftfahrzeuges ist. Ein Bezugspotential ist mit GND bezeichnet.
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Das
Schaltnetzteil umfasst eine Drosselspule L, ein Schaltelement T1,
eine Schaltnetzteildiode D und einen Ausgangskondensator C2. Die
Ausgangsspannung des Schaltnetzteils ist mit V_OUT bezeichnet.
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Eine
Vorrichtung zum Betreiben des Schaltnetzteils umfasst einen Beobachter
OB und eine Steuereinheit CTL. Der Beobachter OB ist dazu ausgebildet,
ein Drosselstromsignal U_IL zu erzeugen, dass den Drosselstrom I_L
durch die Drosselspule L repräsentiert. Die Steuereinheit
CTL umfasst bevorzugt einen Strom- und/oder einen Spannungsregler, wobei
die Strom- und/oder Spannungsregler beispielsweise als Zweipunktregler
ausgebildet sein können. Der Steuereinheit CTL ist als
Stellglied das Schaltelement T1 zugeordnet. Die Steuereinheit CTL ist
dazu ausgebildet, das Drosselstromsignal U_IL und/oder die Ausgangsspannung
V_OUT des Schaltnetzteils mit einem vorgegebenen unteren oder oberen
Strom- und/oder Spannungsgrenzwert zu vergleichen und mittels einer
Stellgröße das Schaltelement T1 ein- oder auszuschalten.
Als Stellgröße dient ein Steuersignal CNTL zum
Einstellen des Schaltzustandes des Schaltelements T1.
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Die
Funktionsweise des Schaltnetzteils ist wie folgt. Zum Betrieb des
Schaltnetzteils wird das Drosselstromsignal U_IL mit dem vorgegebenen
unteren Stromgrenzwert verglichen, der auch Null sein kann. Sobald
der untere Stromgrenzwert erreicht wird, wird das Schaltelement
T1 zum Einschalten angesteuert. Es wird ein Drosselstrom I_L, getrieben durch
die Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung V_IN und Ausgangsspannung
V_OUT, durch die Drosselspule L aufgebaut.
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Das
Drosselstromsignal U_IL wird mit dem vorgegebenen oberen Stromgrenzwert
verglichen. Sobald das Drosselstromsignal den oberen Stromgrenzwert
erreicht, wird das Schaltelement T1 zum Ausschalten angesteuert.
Die Schaltnetzteildiode D wird leitend, getrieben durch die EMK
der Drosselspule L. Die in der Drosselspule L gespeicherte Energie
entlädt sich dann als Stromfluss durch die Schaltnetzteildiode
D zu dem Ausgangskondensator C2, wodurch dieser geladen wird und
die Ausgangsspannung V_OUT erzeugt. Über das Tastverhältnis,
d. h. Verhältnis der Ein- zu Ausschaltzeit, des Schaltelements
T1 wird die mittels Drosselspule L von V_IN nach V_OUT übertragene
Energiemenge und damit der Wert von der Ausgangsspannung V_OUT gesteuert.
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Das
Drosselstromsignal U_IL wird mit dem vorgegebenen unteren Stromgrenzwert
verglichen. Sobald das Drosselstromsignal U_IL den vorgegebenen
unteren Stromgrenzwert erreicht, wird das Schaltelement T1 mittels
Steuersignal CNTL wieder zum Einschalten angesteuert. Der Drosselstrom
I_L steigt erneut an und der Vorgang wiederholt sich.
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Alternativ
kann die Vorrichtung zum Betreiben eines Schaltnetzteils auch dazu
ausgebildet sein, das Schaltelement T1 im Sinne einer Pulsbreitenmodulation
anzusteuern.
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2 zeigt
detaillierter einen schematischen Aufbau des Beobachters OB. Der
Beobachter OB umfasst einen Differenzverstärker DIFF und
einen Integrator INT. Der Differenzverstärker DIFF greift
die Drosselspannung U_L an der Drosselspule L ab. Bei eingeschaltetem
Schaltelement T1 ergibt sich die Drosselspannung U_L näherungsweise
als die Differenz zwischen der Eingangsspannung V_IN und der Ausgangsspannung
V_OUT. Ausgangsseitig wird am Differenzverstärker DIFF
ein Drosselspannungssignal SDIFF erzeugt. Das Drosselspannungssignal SDIFF
wird eingangsseitig vom Integrator INT erfasst und integriert. Am
Ausgang des Integrators INT wird das Drosselstromsignal U_IL erzeugt,
welches den Drosselstrom I_L durch die Drosselspule L repräsentiert.
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Somit
besteht ein Zusammenhang zwischen dem Anstieg des Drosselstroms
I_L, erzeugt durch die Drosselspannung U_L über der Drosselspule
und dem Anstieg des Drosselstromsignals U_IL am Integrator, erzeugt
durch das Drosselspannungssignal SDIFF, nach folgender Beziehung I_L = (1/L) ∫ U_L dt ~ (1/C) ∫ SDIFF
dt = U_IL.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel (3) umfasst
der Differenzverstärker DIFF einen ersten Operationsverstärker
OP1 und die Eingangswiderstände R1 und R3, sowie die Widerstände
R2 und R4. Über die Eingangswiderstände R1 und
R3 greift der erste Operationsverstärker OP1 die Drosselspannung
U_L über der Drosselspule L ab. Dabei sei in diesem Ausführungsbeispiel
darauf hingewiesen, dass dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärker
OP1 über den Eingangswiderstand R1 das höhere
Drosselspannungspotential zugeführt wird. Dem nicht invertierenden
Eingang des ersten Operationsverstärkers OP1 wird über
den Eingangswiderstand R3 das niedrigere Drosselspannungspotential
zugeführt. Durch diese Zuordnung der Eingänge
des ersten Operationsverstärkers OP1 bei eingeschaltetem
Schaltelement T1, wird ausgangsseitig eine invertierende Verstärkung
der abgegriffenen Drosselspannung U_L erzeugt. Das gemäß der
Beziehung SDIFF = –U_L·(R2/R1)
mit R1 = R3, R2 = R4 erzeugte Drosselspannungssignal SDIFF kann
von einem Integrator INT eingangsseitig abgegriffen und integriert
werden. Der Integrator INT erzeugt so ausgangsseitig das Drosselstromsignal
U_IL, welches den Drosselstrom I_L durch die Drosselspule L repräsentiert.
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Der
Integrator INT umfasst einen zweiten Operationsverstärker
OP2, einen Integrationswiderstand RINT und einen Integrationskondensator
CINT. Der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers
OP2 greift über den Integrationswiderstand RINT das vom
Differenzverstärker erzeugte Drosselspannungssignal SDIFF
ab. Der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers OP2
ist direkt mit dem Bezugspotential GND verbunden. Der Integrationskondensator
CINT ist einerseits mit dem invertierenden Eingang und andererseits
mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers OP2 verschaltet.
Der zweite Operationsverstärker OP2 ist dazu ausgebildet
ausgangsseitig die Spannung über dem Integrationskondensator
CINT so auszusteuern, dass die Differenzspannung an seinem invertierenden
Eingang auf 0 V gehalten wird. Durch die integrierende Wirkung des
Integrationskondensators CINT wird ausgangsseitig des zweiten Operationsverstärkers
OP2 dem Integrationskondensator CINT ein Strom zugeführt,
der einen ansteigenden Spannungsabfall U_IL über dem Integrationskondensator
CINT erzeugt. Das Drosselstromsignal U_IL über dem Integrationskondensator
CINT repräsentiert somit gemäß der Beziehung U_IL = –(1/(RINT·CINT))·∫(SDIFF
dt) + U0den Drosselstrom I_L durch die Drosselspule L bei eingeschaltetem
Schaltelement T1. Die Spannung U0 repräsentiert hier die
Anfangsbedingung, die zu Beginn des Integrationsintervalls bereits
an dem Integrationskondensator CINT lag. Durch den zusätzlichen
am Integrator INT liegenden Eingang für das Resetsignal
RESET, kann die Anfangsbedingung des Integrators gesetzt werden.
Das Resetsignal RESET ist idealerweise invertiert zum Steuersignal
CNTL, geschaltet. Dadurch wird zum Ein schaltzeitpunkt des Schaltelements
T1 erreicht, dass zum einen der Integrationskondensator CINT entladen
ist und zum anderen, dass der Drosselstromaufbau I_L in der Drosselspule
L und der Drosselstromsignalanstieg U_IL am Integrationskondensator
CINT des Integrators INT gleichzeitig starten.
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Gemäß der
Vorrichtung nach 3, ergibt sich somit die Gesamtbeziehung U_IL = ((R2/R1)/(RINT·CINT))·∫ U_L
dt.
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4 zeigt,
idealisiert dargestellt, den zeitlichen Verlauf des Steuersignals
CNTL, den zeitlichen Verlauf des Drosselstromes I_L durch die Drosselspule
L, den zeitlichen Verlauf des Drosselspannungssignals SDIFF, den
zeitlichen Verlauf des Resetsignals RESET und den zeitlichen Verlauf
des Drosselstromsignales U_IL. Die zeitlichen Verläufe basieren
auf dem Verhalten der Schaltungsanordnung nach 3.
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Zum
Zeitpunkt t < t0
ist das Schaltnetzteil im deaktivierten Zustand. Das Steuersignal
CNTL ist auf 0-Pegel und es fließt kein Drosselstrom I_L
durch die Drosselspule L. Das Drosselspannungssignal SDIFF am Ausgang
des Differenzverstärkers DIFF ist auf 0V-Potential. Das
Resetsignal RESET ist Idealerweise invertiert zum Steuersignal CNTL
geschaltet und führt 1-Pegel und schaltet somit ein Resetschaltelement
TRES ein. Das Resetschaltelement TRES ist in 3 beispielhaft
so mit dem Integrationskondensator CINT verschaltet, dass bei eingeschaltetem
Resetschaltelement TRES der Integrationskondensator CINT kurzgeschlossen
ist. Somit kann keine Spannung über dem Integrationskondensator
CINT abgegriffen werden und das Drosselstromsignal U_IL verbleibt
auf 0 V.
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Zum
Zeitpunkt t = t0 wird das Schaltnetzteil aktiviert und das Steuersignal
CNTL auf 1-Pegel gesetzt. Bei eingeschaltetem Steuersignal CNTL
schaltet das Schaltelement T1 ein. Über der Drosselspule L
liegt dann eine Drosselspannung U_L an, die sich näherungsweise
aus der Differenz der Eingangsspannung V_IN und Ausgangsspannung
V_OUT ergibt.
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Während
einer Zeitdauer TD_1, die sich von dem Zeitpunkt t0 bis zu einem
Zeitpunkt t1 erstreckt, führt die Drosselspannung U_L zu
einem Drosselstromanstieg I_L in der Drosselspule L. Die Drosselspannung
U_L wird durch den Differenzverstärker DIFF ausgangsseitig
zum Drosselspannungssignal SDIFF verstärkt. Da der Differenzverstärker
DIFF in 3 beispielhaft als invertierender
Differenzverstärker ausgebildet ist, ist das Drosselspannungssignal
SDIFF invertiert in Bezug auf die Drosselspannung U_L ausgebildet.
Das Resetsignal RESET führt zu diesem Zeitpunkt 0-Pegel
und hält somit das Resetschaltelement TRES im ausgeschalteten
Zustand. Da der Integrator INT in 3 beispielhaft
als invertierender Integrator ausgebildet ist, fällt über
dem Integrationskondensator CINT während der Zeitdauer TD_1
eine ansteigende Spannung ab, die das Drosselstromsignal U_IL repräsentiert.
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Zum
Zeitpunkt t = t1 erreicht das Drosselstromsignal U_IL einen oberen
Drosselstromsignal-Grenzwert U_ILMAX und das Schaltelement T1 wird über
das Steuersignal CNTL ausgeschaltet.
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Während
einer Zeitdauer TD_2, die sich von dem Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt
t2 erstreckt, ist das Schaltelement T1 ausgeschaltet und die Schaltnetzteildiode
D dient als Freilauf und übernimmt den Drosselstrom I_L
durch die Drosselspule L. Die Drosselspannung U_L über
der Drosselspule L wird näherungsweise zu 0 V und das ausgangsseitig
verstärkte Drosselspannungssignal SDIFF am Differenzverstärker
DIFF beträgt somit ebenso näherungsweise 0 V. Das
durch das Resetsignal RESET eingeschaltete Resetschaltelement TRES
schließt den Integrationskondensator CINT kurz, um die
gespeicherte Ladung abzubauen. Dadurch nähert sich das
Drosselstromsignal U_IL 0 V an.
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Zum
Zeitpunkt t = t2 ist die Ausgangsspannung V_OUT über dem
Ausgangskondensator C2 am Schaltnetzteil ist auf 0 V abgefallen.
Dadurch wird das Steuersignal CNTL erneut auf 1-Pegel gesetzt und
das Schaltelement T1 erneut eingeschaltet. Der Vorgang beginnt erneut
wie zum Zeitpunkt t0 beschrieben.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel (5) umfasst
der Differenzverstärker DIFF ein Eingangsnetzwerk EN, ein
Integrationsnetzwerk IN und eine Stromspiegelschaltung. Das Eingangsnetzwerk EN
umfasst einen Widerstand R11, eine Basisemitterstrecke eines zweiten
Stromspiegelschaltelements T11, eine Basisemitterstrecke eines ersten Stromspiegelschaltelements
T10 und einen Stromspiegeleingangswiderstand R10. Ferner ist ihm
die Drosselspule L zugeordnet. Nachfolgend ist vorausgesetzt, dass
bei eingeschaltetem Schaltelement T1 das Drosselspannungspotential
an einem ersten Abgriffspunkt AP1 höher ist als an einem
zweiten Abgriffspunkt AP2 und der Widerstand R11 näherungsweise
Null Ω hat. Unter der weiteren Annahme, dass der Spannungsabfall über
der Basisemitterstrecke des ersten Stromspiegelschaltelements T10
und der Spannungsabfall über der Basisemitterstrecke des zweiten
Stromspiegelschaltelements T11 gleich ist, fällt bei eingeschaltetem
Schaltelement T1 über dem Stromspiegeleingangswiderstand
R10 eine erste Zwischenspannung U_1 ab, die der Drosselspannung
U_L über der Drosselspule L entspricht. Somit stellt sich
emitterseitig an dem ersten und zweiten Stromspiegelschaltelementen
T10 und T11 das gleiche Spannungspotential ein. Die über
dem Stromspiegeleingangswiderstand R10 abfallende erste Zwischenspannung
U_1 ruft einen ersten Zwischenstrom I_1 hervor, der dem Stromspiegel
zugeführt wird. Durch geeignete Dimensionierung des Stromspiegeleingangswiderstand
R10, kann der erste Zwischenstrom I_1 bezüglich seiner
Stromstärke eingestellt werden. Der erste Zwischenstrom
I_1 ist somit im Wesentlichen abhängig von dem Stromspiegeleingangswiderstand
R10 und der Drosselspannung U_L über der Drosselspule L
und im Wesentlichen unabhängig von Gleichtaktspannungsveränderungen über
der Drosselspule L.
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Bei
realer Betrachtungsweise des Eingangsnetzwerkes EN, sind die Spannungsabfälle über
den Basisemitterstrecken des ersten und zweiten Stromspiegelschaltelements
T10 und T11 nicht identisch. Bei geeigneter Dimensionierung des
Widerstandes R11 kann diese Ungleichheit der Spannungsabfälle ausgeglichen
werden.
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Der
Stromspiegel besteht aus den Stromspiegelschaltelementen T10 bis
T13 und zwei Stromspiegelwiderständen R12 und R13. Der
Stromspiegel ist so ausgebildet, dass die Basiskollektorstrecke
des zweiten Stromspiegelschaltelements T11 und die Basiskollektorstrecke
des dritten Stromspiegelschaltelements T12 kurzgeschlossen sind.
Der durch den Stromspiegeleingangswiderstand R10 eingeprägte erste
Zwischenstrom I_1 fließt bei einer näherungsweisen
Betrachtung durch das erste und dritte Stromspiegelschaltelement
T10 und T12 und durch den Stromspiegelwiderstand R12 zum Bezugspotential GND.
Durch einen zweiten Knotenpunkt K2 wird ein Teil des ersten Zwischenstromes
I_1 abgegriffen und einem dritten Knotenpunkt K3 zufließend
der Basis des dritten Stromspiegelschaltelements T12 und der Basis
des vierten Stromspiegelschaltelements T13 zugeführt. Unter
der Annahme, dass das dritte und das vierte Stromspiegelschaltelement
T12 und T13 identisch aufgebaut sind und identische Eigenschaften
haben und die beiden Stromspiegelwiderstände R12 und R13
gleich dimensioniert sind, ist die Basisemitterspannung des dritten
und vierten Stromspiegelschaltelements T12 und T13 identisch. Der
abgegriffene Strom am dritten Knotenpunkt K3 teilt sich somit gleichmäßig
auf und fließt in die Basis des dritten Stromspiegelschaltelements
T12 und in die Basis des vierten Stromspiegelschaltelements T13.
Der Basisstrom des vierten Stromspiegelschaltelements T13 hat eine
Steuerwirkung auf den Strom durch die Emitterkollektorstrecke und
dadurch wird ein zweiter Zwischenstrom I_2 durch diesen Basisstrom
eingeprägt. Dieser zweite Zwischenstrom I_2 fließt
durch den Widerstand R11, durch das zweite und vierte Stromspiegelschaltelement
T11 und T13 und durch den Stromspiegelwiderstand R13 zum Bezugspotential
GND. Bedingt durch die gleichmäßige Aufteilung des
Stro mes am dritten Knotenpunkt K3, ist der erste Zwischenstrom I_1
identisch zu dem zweiten Zwischenstrom I_2.
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Durch
eine geeignete Dimensionierung des Stromspiegelwiderstandes R13,
kann dieser als Gegenkopplung wirken und der Basisemitterspannung des
vierten Stromspiegelschaltelements T13 entgegenwirken. Dadurch kann
der aus dem ersten Zwischenstrom I_1 eingeprägte zweite
Zwischenstrom I_2 in seiner Stromstärke eingestellt werden.
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Das
Integrationsnetzwerk IN umfasst den Integrationswiderstand RINT,
die Basisemitterstrecke des Integrationsschaltelements TINT, die
Basisemitterstrecke des ersten Stromspiegelschaltelements T10 und
den Stromspiegeleingangswiderstand R10. Das Integrationsnetzwerk
IN ist mit dem Eingangsnetzwerk EN über einen ersten Kontaktpunkt
K1 und über einen vierten Kontaktpunkt K4 verbunden. Unter der
Annahme, dass der Spannungsabfall über der Basisemitterstrecke
des Integrationsschaltelements TINT identisch ist mit dem Spannungsabfall über
der Basisemitterstrecke des ersten Stromspiegelschaltelements T10,
fällt über dem Integrationswiderstand RINT eine
zweite Zwischenspannung U_INT ab, die identisch ist zu der ersten
Zwischenspannung U_1. Der zweiten Zwischenspannung U_INT ist ein
Zwischenstrom durch den Integrationswiderstand RINT zugeordnet,
der das Drosselspannungssignal SDIFF repräsentiert. Durch
eine geeignete Dimensionierung des Integrationswiderstandes RINT
kann das Drosselspannungssignal eingestellt werden. Das der zweiten
Zwischenspannung U_INT zugeordnete Drosselspannungssignal SDIFF
durch den Integrationswiderstand RINT, kann über das Integrationsschaltelement
TINT einem Integrator zugeführt werden.
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Die
erste und die zweite Stromspiegeldiode D10 und D11 sind als Schutzdioden
für die Basisemitterstrecken des ersten Stromspiegelschaltelements
T10 und des Integrationsschaltelements TINT ausgebildet. Wenn das
Schaltelement T1 des Schaltnetzteils ausgeschaltet ist, läuft
die Drosselspule L frei. Zu diesem Zeitpunkt schützt die
erste Stromspiegeldiode D10 die Basisemitterstrecke des ersten Stromspiegelschaltelements
T10 und die zweite Stromspiegeldiode D11 die Basisemitterstrecke
des Integrationsschaltelements TINT dadurch, dass beim Freilaufen
ein kurzzeitiger Spannungsabfall an der Drosselspule L in Durchlassrichtung
der Stromspiegeldioden D10 und D11 von diesen abgebaut wird.
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Der
Integrator umfasst den Integrationskondensator CINT. Der Integrationskondensator
CINT integriert das ihm zugeführte Drosselspannungssignal SDIFF.
Die dabei erzeugte Spannung über dem Integrationskondensator
CINT entspricht dem Drosselstromsignal U_IL. Bei eingeschaltetem
Schaltelement T1 repräsentiert somit das Drosselstromsignal U_IL
einen Drosselstromverlauf I_L durch die Drosselspule L. Bei ausgeschaltetem
Schaltelement T1 schaltet das Resetschaltelement TRES ein und schließt
somit den Integrationskondensator CINT kurz, wodurch dieser entladen
wird und das Drosselstromsignal U_IL auf 0 V absinkt.
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Grundsätzlich
können das Drosselspannungssignal SDIFF und das Drosselstromsignal
U_IL beispielsweise auch durch einen Strom repräsentiert sein.
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Der
Beobachter OB kann auch sehr einfach als integrierte Schaltkreise
ausgebildete Einheit angebaut werden. Dadurch ist er besonders vielseitig anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „ASIC
Based Closed-Loop Transducers from 6 A up to 25 A nominal" von Rüdiger
Bürkel, Hans Dieter Huber und Stephane Rollier publiziert
im Jahr 2003 [0008]
- - „ASIC Based Closed-Loop Transducers from 6 A up to
25 A nominal" von Rüdiger Bürkel, Hans Dieter
Huber und Stephane Rollier publiziert im Jahr 2003 [0009]
- - „Multi-Phase PWM Controller with Precision rDS(ON)
or DCR Differential Current Sensing for VR10.X Application" des
Bauelements ISL 6561 des Herstellers INTERSIL vom 12.Mai 2005 [0010]