DE102007037557B4

DE102007037557B4 - Up / down converter with suppressible boost function

Info

Publication number: DE102007037557B4
Application number: DE200710037557
Authority: DE
Inventors: Hans-Christian Weinert
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: DE102007037557A1

Abstract

Von einem Auf- und Abwärtswandler in einen reinen Abwärtswandler umschaltbarer Gleichstromwandler mit einer von einem Schaltregler (SR) in beiden Betriebsarten pulsweise bestromten Induktivität (L), die ihre während der Bestromung gespeicherte Energie in Form eines Stroms über Freilaufdioden (D1, D2) während der Pulspausen zumindest teilweise an einen Ausgangskondensator (C1) abgibt, wobei eine erste Freilaufdiode (D1) den Eingang der Induktivität (L) mit Masse (GND) und die zweite Freilaufdiode (D2) den Ausgang der Induktivität (L) mit dem Ausgangskondensator (C1) verbinden, wobei zwischen dem Ausgang der Induktivität (L) und Masse (GND) ein Transistor als Schalter (T1) vorgesehen ist, der im Betrieb als Auf- und Abwärtswandler mit einem Schaltsignal (US) mit den vom Schaltregler (SR) abgegebenen Strompulsen (PWM) synchronisiert geschlossen wird, und der im Betrieb als reiner Abwärtswandler geöffnet ist, mit einem Abschalter (K1, K2) zur Unterdrückung des Schaltsignals (US), wobei das Gate des Transistors (T1) über eine Diode (D3) mit dem Eingang der Induktivität (L) verbunden ist, wobei die Anode der Diode am Gate des Transistors (T1) und die Kathode an dem Eingang der Induktivität liegt, wobei das Gate des Transistors (T1) darüber hinaus mit einem an der Ausgangsspannung anliegenden Pull-up-Widerstand (R3) mit der zweiten Freilaufdiode (D2) verbunden ist, wobei der Abschalter als Doppelkomparator (K1, K2) ausgebildet wird, dessen Ausgang am Gate des Transistors T1 anliegt, wobei der Doppelkomparator (K1) eine von einer Eingangsspannung (UIN) abgeleitete erste Spannung (U1) mit einer von einer Ausgangsspannung (UOUT) gewonnenen Spannung (U3) vergleicht, wobei der Doppelkomparator (K2) eine von der Ausgangsspannung (UOUT) gewonnene Referenzspannung (U2), die einen Maximalwert nicht überschreiten kann, mit der von der Ausgangsspannung (UOUT) gewonnenen Spannung (U3) vergleicht, die um einen festen Betrag niedriger ist als die Ausgangsspannung.From a step-up and step-down converter to a pure step-down converter, direct-current converter with an inductance (L) that is energized in pulses by a switching regulator (SR) in both operating modes, which converts its energy stored during energization in the form of a current via free-wheeling diodes (D1, D2) during the At least partially emits pauses between pulses to an output capacitor (C1), with a first freewheeling diode (D1) connecting the input of the inductance (L) to ground (GND) and the second freewheeling diode (D2) the output of the inductance (L) with the output capacitor (C1) connect, whereby a transistor is provided as a switch (T1) between the output of the inductance (L) and ground (GND), which during operation as an up and down converter with a switching signal (US) with the current pulses (SR) emitted by the switching regulator (SR) PWM) is closed in a synchronized manner, and which is open in operation as a pure step-down converter, with a switch (K1, K2) to suppress the switching signal (US) The gate of the transistor (T1) is connected to the input of the inductance (L) via a diode (D3), the anode of the diode being connected to the gate of the transistor (T1) and the cathode being connected to the input of the inductance, the gate of the transistor (T1) is also connected to a pull-up resistor (R3) applied to the output voltage to the second freewheeling diode (D2), the switch-off being designed as a double comparator (K1, K2), the output of which is applied to the gate of transistor T1 , the double comparator (K1) comparing a first voltage (U1) derived from an input voltage (UIN) with a voltage (U3) obtained from an output voltage (UOUT), the double comparator (K2) being a reference voltage obtained from the output voltage (UOUT) (U2), which cannot exceed a maximum value, is compared with the voltage (U3) obtained from the output voltage (UOUT), which is lower than the output voltage by a fixed amount.

Description

Die Erfindung betrifft einen von einem Auf- und Abwärtswandler in einen reinen Abwärtswandler umschaltbaren Gleichstromwandler gemäß Gattungsbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a switchable from a up and down converter in a pure down converter DC converter according to the preamble of claim 1.

Ein Auf- und Abwärtswandler besitzt einen Schaltregler, der von einer Eingangsspannung versorgt wird. Typischerweise liegt die Eingangsspannung bei 24 Volt. Der Schaltregler liefert ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal. Mit diesen Pulsen wird eine Spule, die eine Induktivität bildet, bestromt. Zwischen dem Ausgang des Schaltreglers und der Masse befindet sich eine in Sperrrichtung geschaltete erste Freilaufdiode. Diese ist somit mit der Primärseite der Induktivität verbunden. Die Sekundärseite der Induktivität ist mit einer in Stromrichtung geschalteten zweiten Freilaufdiode mit einem Ausgangskondensator verbunden, an dem eine Ausgangsspannung abgegriffen werden kann. Parallel zum Ausgangskondensator kann eine Widerstandsbrücke vorgesehen sein, an der ein Rückkopplungssignal abgegriffen wird, welches dem Schaltregler zugeführt wird und anhand dessen der Schaltregler das Puls-/Pausenverhältnis variiert. Eine solche Schaltung besitzt darüber hinaus einen Feldeffekttransistor, der zwischen der Sekundärseite der Induktivität und der Masse geschaltet ist. Das Gate des einen Schalter ausbildenden Feldeffekttransistors ist mit der Primärseite der Induktivität verbunden. Wird die Induktivität mit einem Strompuls beaufschlagt, so wird der Feldeffekttransistor leitend. Der Strompuls fließt somit voll durch die nach Masse kurzgeschlossene Spule. Mit Beendigung des Strompulses und Beginn der Pulspause sperrt der Feldeffekttransistor, da sein Gate über die erste Freilaufdiode auf das Potential der Masse gezogen wird. Die in der Induktivität gespeicherte Energie kann dann als Strom durch die beiden Freilaufdioden in den Kondensator bzw. in die am Ausgang angeschlossene Last abfließen. Diese Schaltung ist sowohl in der Lage, Ausgangsspannungen zu liefern, die geringer sind als die Eingangsspannung. Sie wirkt dann als Abwärtswandler. Die Schaltung ist auch in der Lage, Ausgangsspannungen zu liefern, die höher sind als die Eingangsspannung. Sie wirkt dann als Aufwärtswandler.A step-up and step-down converter has a switching regulator that is powered by an input voltage. Typically, the input voltage is 24 volts. The switching regulator supplies a pulse width modulated output signal. With these pulses, a coil, which forms an inductance, energized. Between the output of the switching regulator and the ground there is a reverse freewheeling first freewheeling diode. This is thus connected to the primary side of the inductance. The secondary side of the inductance is connected to a second freewheeling diode connected in the current direction with an output capacitor, to which an output voltage can be tapped. Parallel to the output capacitor, a resistance bridge may be provided at which a feedback signal is tapped, which is supplied to the switching regulator and based on which the switching regulator varies the pulse / pause ratio. Such a circuit also has a field effect transistor connected between the secondary side of the inductor and the ground. The gate of the switch forming a field effect transistor is connected to the primary side of the inductor. If the inductance is subjected to a current pulse, the field effect transistor becomes conductive. The current pulse thus flows fully through the shorted to ground coil. With the termination of the current pulse and the beginning of the pulse pause the field effect transistor blocks because its gate is pulled to the potential of the ground via the first freewheeling diode. The energy stored in the inductance can then flow as current through the two freewheeling diodes into the capacitor or into the load connected to the output. This circuit is capable of both providing output voltages that are lower than the input voltage. It then acts as a down-converter. The circuit is also able to deliver output voltages higher than the input voltage. It then acts as an up-converter.

Gleichstromwandler, die eine Schaltung aufweisen, die sowohl als Aufwärtswandler als auch als Abwärtswandler wirken können, zeigen die DE 36 08 082 A1 , DE 199 09 464 A1 , DE 42 09 053 A1 , DE 31 04 965 C2 sowie EP 0 779 700 A2 .DC-DC converters having a circuit that can function as both up-converters and down-converters are shown in FIGS DE 36 08 082 A1 . DE 199 09 464 A1 . DE 42 09 053 A1 . DE 31 04 965 C2 such as EP 0 779 700 A2 ,

Die EP 1 198 057 A2 beschreibt einen gattungsgemäßen Auf- und Abwärtswandler, der in einen reinen Abwärtswandler umschaltbar ist. Ist die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung, so arbeitet diese Schaltung als reiner Abwärtswandler. Ist die Eingangsspannung geringer als die Ausgangsspannung, so wird ein Schalter, der im Betrieb als reiner Abwärtswandler offen ist und der die Sekundärseite der Induktivität mit Masse verbindet, mit den vom Schaltregler abgegebenen Strompulsen synchronisiert geschlossen. Dies erfolgt über eine monostabile Timer-Schaltung.The EP 1 198 057 A2 describes a generic up and down converter, which is switchable to a pure buck converter. If the input voltage is greater than the output voltage, then this circuit operates as a pure buck converter. If the input voltage is less than the output voltage, then a switch which is open in operation as a pure down converter and which connects the secondary side of the inductance to ground, synchronized with the output from the switching regulator current pulses closed. This is done via a monostable timer circuit.

Die US 5,831,418 beschreibt in verschiedenen Ausführungsbeispielen Abwärtswandler, Aufwärtswandler und Auf-/Abwärtswandler. Eine weitere Schaltung beschreibt eine Kombination von Auf- und Abwärtswandlern. Mittels eines Umschalters kann zwischen den beiden Betriebsarten umgeschaltet werden.The US 5,831,418 describes down-converters, up-converters, and up-down converters in various embodiments. Another circuit describes a combination of up and down converters. By means of a switch can be switched between the two modes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen von einem Auf- und Abwärtswandler in einen reinen Abwärtswandler umwandelbaren Gleichstromwandler von einfachem Aufbau anzugeben.The invention has for its object to provide a convertible from a up and down converter into a pure buck converter DC converter of simple construction.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.The object is achieved by the invention specified in the claims.

Zunächst und im Wesentlichen ist ein Abwärtsschalter vorgesehen, der das Schaltsignal, mit welchem der Schalter geschaltet wird, unterdrückt. Wird das Schaltsignal nicht unterdrückt, so arbeitet die Schaltung in bekannter Weise als Auf-/Abwärtswandler. Wird das Schaltsignal unterdrückt, so arbeitet die Schaltung als reiner Abwärtswandler. In diesem Fall hat die zweite Freilaufdiode eine untergeordnete Funktion. Wesentlich ist die erste Freilaufdiode, durch welche in der Pulspause der Entladestrom der Induktivität fließen kann. Der Schalter ist ein Transistor, dessen Gate bzw. dessen Basis über eine Diode mit der Primärseite der Induktivität verbunden ist. Das Gate bzw. die Basis des Transistors ist darüber hinaus mit einem Pull-up-Widerstand mit der Ausgangsseite der zweiten Freilaufdiode verbunden. Die primärseitig an der Induktivität anliegende Pulsspannung ist zufolge der in Sperrrichtung geschalteten Diode nicht mehr in der Lage, das Gate mit der erforderlichen Schaltspannung zu versorgen. Hierzu dient der Pull-up-Widerstand, mit dem das Gate an der Ausgangsspannung anliegt. Die das Gate des Transistors mit der Primärseite der Induktivität verbindende Diode ist aber für das Sperren des den Schalter ausbildenden Transistors verantwortlich, sobald die Pulspause einsetzt. Dann befindet sich die Kathode der Diode im Wesentlichen auf Massepotential. Es ist vorgesehen, dass der Abschalter von einem Transistor ausgebildet wird, der zwischen Gate bzw. Basis des den Schalter ausbildenden Transistors und Masse geschaltet ist. Leitet der Transistor, so ist das Gate des den Schalter ausbildenden Transistors bzw. dessen Basis mit Masse verbunden, so dass der Transistor sperrt. Wegen der in Sperrrichtung geschalteten Diode zwischen Gate bzw. Basis und Induktivität führt dies nicht zu einem Kurzschluss. Auch ausgangsspannungsseitig ist ein Kurzschluss verhindert, da der Pull-up-Widerstand entsprechend hochohmig gewählt ist. Der Abschalter wird von einem Doppelkomparator ausgebildet. Der Komparator kann eine Eingangsspannung oder eine Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleichen. Liegt die Ausgangsspannung oberhalb eines bestimmten Referenzwertes, kann der Doppelkomparator die Betriebsweise des Gleichstromwandlers auf Auf-/Abwärtswandlung umschalten. Liegt die Ausgangsspannung aber unterhalb eines Referenzwertes, so wird der Gleichstromwandler im reinen Abwärtswandel-Betrieb betrieben, welcher eine höhere Effizienz besitzt. Es liegt an einem Komparator eine von der Eingangsspannung gewonnene erste Spannung und eine weitere, von der Ausgangsspannung gewonnene Spannung an. Mit diesem Komparator kann dann zwischen Auf-/Abwärtswandlung und reiner Abwärtswandlung umgeschaltet werden, wenn die von der Ausgangsspannung gewonnene Spannung die von der Eingangsspannung gewonnene Spannung über- oder unterschreitet. Mit dem zweiten Komparator des Doppelkomparators lässt sich eine Anlaufstrombegrenzung bzw. eine Netzausfallüberbrückung erzielen, wenn die aus der Ausgangsspannung gewonnene Spannung mit einer Referenzspannung, die ebenfalls aus der Ausgangsspannung gewonnen wird, verglichen wird. Dabei kann die Referenzspannung bevorzugt einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten. Dies ist vorzugsweise durch die Verwendung einer Zehnerdiode realisiert. Die aus der Eingangsspannung gewonnene Spannung kann unter Verwendung einer Zehnerdiode um einen festen Betrag geringer sein als die tatsächliche Eingangsspannung. Ebenso kann die aus der Ausgangsspannung gewonnene Spannung unter Verwendung einer Zehnerdiode um einen festen Betrag geringer sein als die tatsächliche, am Ausgangskondensator anliegende Ausgangsspannung. Wie beim Stand der Technik werden Pulsweiten/Längenverhältnis über eine Rückführung der Ausgangsspannung bzw. eine aus der Ausgangsspannung abgeteilte Spannung an dem Schaltregler gewonnen. Es ist ein zusätzlicher Schalter vorgesehen, mit dem von der Auf-/Abwärtswandlung der Mischtopologie des Standes der Technik auf eine reine Abwärtswandlung umschaltbar ist, ohne dass in den Betrieb des Schaltreglers eingegriffen werden muss. Die Schaltung liefert nach wie vor die für den Kurzschlussschalter erforderlichen Schaltsignale. Diese werden aber durch den Abschalter unterdrückt. Der Leistungstransistor kann als MOSFET ausgebildet sein. Er kann aber auch als Bipolar-Transistor verwirklicht sein. Durch die Unterdrückung des Schaltsignals ist dieser Transistor beim reinen Abwärtsbetrieb permanent sperrend.First and foremost, a down switch is provided which suppresses the switching signal with which the switch is switched. If the switching signal is not suppressed, the circuit operates in a known manner as up / down converter. If the switching signal is suppressed, the circuit operates as a pure buck converter. In this case, the second free-wheeling diode has a subordinate function. What is essential is the first freewheeling diode, through which the discharge current of the inductance can flow in the pulse interval. The switch is a transistor whose gate or its base is connected via a diode to the primary side of the inductance. The gate of the transistor is also connected to the output side of the second freewheeling diode with a pull-up resistor. The pulse voltage applied to the primary side of the inductance is no longer able to supply the gate with the required switching voltage as a result of the reverse-connected diode. This is done by the pull-up resistor with which the gate is connected to the output voltage. However, the diode connecting the gate of the transistor to the primary side of the inductor is responsible for blocking the transistor forming the switch as soon as the pulse pause starts. Then the cathode of the diode is substantially at ground potential. It is envisaged that the cut-off switch is formed by a transistor which is connected between the gate or base of the switch forming the transistor and ground. If the transistor is conducting, then the gate of the transistor forming the switch or its base is connected to ground, so that the transistor blocks. Because of the reverse-biased diode between the gate and base and inductance, this does not lead to a Short circuit. Also output voltage side, a short circuit is prevented, since the pull-up resistor is selected correspondingly high impedance. The circuit breaker is formed by a double comparator. The comparator may compare an input voltage or an output voltage with a reference voltage. If the output voltage is above a certain reference value, the dual comparator can switch the operation of the DC-DC converter to up / down conversion. But if the output voltage is below a reference value, the DC-DC converter is operated in the pure down-conversion mode, which has a higher efficiency. A first voltage obtained from the input voltage and another voltage derived from the output voltage are applied to a comparator. With this comparator can then be switched between up / down conversion and pure down conversion when the voltage obtained from the output voltage exceeds the voltage obtained from the input voltage or below. With the second comparator of the double comparator, a start-up current limitation or a power failure bypass can be achieved if the voltage obtained from the output voltage is compared with a reference voltage, which is likewise obtained from the output voltage. In this case, the reference voltage may preferably not exceed a predetermined value. This is preferably realized by the use of a zener diode. The voltage derived from the input voltage may be lower than the actual input voltage by a fixed amount using a tens diode. Similarly, the voltage obtained from the output voltage can be lower by a fixed amount than the actual output voltage applied to the output capacitor using a 10-diode. As in the prior art, pulse width / length ratio are obtained via a feedback of the output voltage or a voltage divided off from the output voltage at the switching regulator. An additional switch is provided, with which the up / down conversion of the prior art mixing topology can be switched to a pure down-conversion without having to intervene in the operation of the switching regulator. The circuit still supplies the switching signals required for the shorting switch. These are suppressed by the switch. The power transistor may be formed as a MOSFET. But it can also be realized as a bipolar transistor. By suppressing the switching signal, this transistor is permanently blocking in pure down mode.

Schaltungsbeispiele werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Circuit examples will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein erstes Schaltungsbeispiel und 1 a first circuit example and

2 ein zweites Schaltungsbeispiel als Ausführungsbeispiel mit erfindungsgemäßen Komparatoren 2 a second circuit example as an embodiment with comparators according to the invention

Bei dem in der 1 dargestellten ersten Schaltungsbeispiel liegt an einem, von einem integrierten Schaltkreis gebildeten Schaltregler SR eine Eingangsspannung UIN an. Die Eingangsspannung UIN kann gegenüber Masse GND beispielsweise einen Wert von 24 Volt besitzen. Der Schaltregler SR besitzt einen Eingang FB, an dem eine Rückkopplungsspannung anliegt, die über die Widerstandsbrücke R1, R2 aus der an einem Ausgangskondensator C1 anliegenden Ausgangsspannung UOUT gewonnen ist. Diese Rückkopplungsspannung UFB ist proportional zur Ausgangsspannung UOUT.In the in the 1 shown first circuit example is applied to a, formed by an integrated circuit switching regulator SR an input voltage UIN. The input voltage UIN can have a value of 24 volts with respect to ground GND, for example. The switching regulator SR has an input FB, to which a feedback voltage is applied, which is obtained via the resistance bridge R1, R2 from the output voltage UOUT applied to an output capacitor C1. This feedback voltage UFB is proportional to the output voltage UOUT.

Der Ausgang OUT des Schaltreglers SR liefert pulsförmige Ströme/Spannungen, wobei das Puls-/Pausenverhältnis der Strompulse PWM von der Höhe der Rückkopplungsspannung UFB abhängt. Es handelt sich dabei bevorzugt um rechteckige Pulse, deren Spannung der Eingangsspannung UIN entspricht.The output OUT of the switching regulator SR supplies pulse-shaped currents / voltages, the pulse / pause ratio of the current pulses PWM depending on the magnitude of the feedback voltage UFB. These are preferably rectangular pulses whose voltage corresponds to the input voltage UIN.

Eine erste Freilaufdiode D1 ist in Sperrrichtung zwischen dem Ausgang OUT des Schaltreglers SR und Masse GND geschaltet. Der Ausgang OUT des Schaltreglers ist mit der Primärseite einer eine Induktivität bildenden Spule L verbunden. Die Sekundärseite der Spule L ist mit der Anode einer zweiten Freilaufdiode D2 verbunden, deren Kathode mit der Messbrücke R1, R2 und dem Ausgangskondensator C1 verbunden ist. Die andere Klemme des Ausgangskondensators C1 liegt an Masse GND.A first freewheeling diode D1 is connected in the reverse direction between the output OUT of the switching regulator SR and ground GND. The output OUT of the switching regulator is connected to the primary side of a coil forming an inductance L. The secondary side of the coil L is connected to the anode of a second freewheeling diode D2 whose cathode is connected to the measuring bridge R1, R2 and the output capacitor C1. The other terminal of the output capacitor C1 is connected to ground GND.

Ein Transistor T1, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um einen Feldeffekttransistor (MOSFET) handelt, ist mit der Sekundärseite der Induktivität L und Masse GND verbunden. Das Gate des einen Schalter bildenden Transistors T1 ist mit einer Diode D3 (bevorzugt einer Schottky-Diode) mit der Primärseite der Induktivität L verbunden, wobei die Anode der Diode D3 am Gate des Transistors T1 und die Kathode der Diode D3 an der Primärseite der Induktivität L liegt. Das Gate des Transistors T1 ist darüber hinaus mit einem Widerstand R3 mit der Kathode der Freilaufdiode D2 verbunden. Der Widerstand R3 wirkt als Pull-up-Widerstand, der das Gate des Transistors T1 auf ein Potential ziehen kann, bei dem der Transistor T1 leitend wirkt.A transistor T1, which is a field effect transistor (MOSFET) in the exemplary embodiment, is connected to the secondary side of the inductance L and ground GND. The gate of the switch forming a transistor T1 is connected to a diode D3 (preferably a Schottky diode) to the primary side of the inductance L, wherein the anode of the diode D3 at the gate of the transistor T1 and the cathode of the diode D3 on the primary side of the inductor L is. The gate of the transistor T1 is also connected to a resistor R3 to the cathode of the freewheeling diode D2. The resistor R3 acts as a pull-up resistor, which can pull the gate of the transistor T1 to a potential at which the transistor T1 is conducting.

Die in 2 dargestellte Schaltung des Ausführungsbeispiels weist die zuvor beschriebenen Elemente ebenfalls auf.In the 2 shown circuit of the embodiment also has the elements described above.

Bei dem in 1 dargestellten ersten Schaltungsbeispiel ist zwischen Gate des den Schalter T1 bildenden Transistors und der Masse GND ein weiterer Schalter, nämlich in Form eines weiteren Transistors T2, geschaltet. Im Ausführungsbeispiel ist der Kollektor eines NPN-Transistors mit dem Gate und der Emitter mit Masse GND verbunden. Abhängig von einer an der Basis des Transistors T2 anliegenden Spannung bzw. eines Basisstromes wird das Gate des Transistors T1 permanent gesperrt. Ansonsten wechselt das Gate-Potential synchron mit den Pulsen PWM.At the in 1 shown first circuit example is between the gate of the switch T1 forming the transistor and the ground GND another switch, namely in the form of another Transistor T2, switched. In the exemplary embodiment, the collector of an NPN transistor is connected to the gate and the emitter to ground GND. Depending on a voltage applied at the base of the transistor T2 or a base current, the gate of the transistor T1 is permanently blocked. Otherwise, the gate potential changes synchronously with the pulses PWM.

Liegt an der Basis des Transistors T2 keine Spannung an, arbeitet die in der 1 dargestellte Schaltung als Auf-/Abwärtswandler. Liegt an der Primärseite der Spule L eine Pulsspannung an, und ist der Kondensator C1 aufgeladen, so liegt über dem Pull-up-Widerstand R3 am Gate des Transistors T1 eine positive Spannung an. Der Transistor T1 ist leitend. Der Strompuls PWM fließt somit durch die Induktivität L über den Transistor T1 unmittelbar nach Masse GND ab. Während des Pulses wird in der Spule L Energie gespeichert. Mit Beendigung des Strompulses wird das an der Primärseite der Induktivität anliegende Potential durch die in Sperrrichtung geschaltete Freilaufdiode D1 im Wesentlichen auf Masse GND gezogen. Die Anode der Diode D3 und damit das Gate des Transistors T1 liegen jetzt auf einem niedrigeren Potential, sodass der Transistor T1 sperrt. Die in der Spule L gespeicherte Energie kann jetzt in Form eines Stroms über die beiden Freilaufdioden D1, D2 in den Kondensator C1 bzw. in eine am Ausgang angeschlossene Last fließen. Die Schaltung arbeitet in der zuvor beschriebenen Weise als Auf-/Abwärtswandler.If there is no voltage at the base of the transistor T2, the works in the 1 illustrated circuit as up / down converter. If a pulse voltage is applied to the primary side of the coil L, and if the capacitor C1 is charged, a positive voltage is present across the pull-up resistor R3 at the gate of the transistor T1. The transistor T1 is conductive. The current pulse PWM thus flows through the inductance L via the transistor T1 directly to ground GND. During the pulse L energy is stored in the coil. When the current pulse is terminated, the potential applied to the primary side of the inductance is essentially pulled to ground GND by the reverse-freewheeling diode D1. The anode of the diode D3 and thus the gate of the transistor T1 are now at a lower potential, so that the transistor T1 blocks. The stored energy in the coil L can now flow in the form of a current through the two freewheeling diodes D1, D2 in the capacitor C1 and in a load connected to the output. The circuit operates in the manner described above as up / down converter.

Wird die Emitterkollektorstrecke des Schalttransistors T2 leitend, so wird das ansonsten mit den Pulsen PWM synchronisierte Schaltsignal US unterdrückt. Es liegt permanent im Wesentlichen auf dem Potential der Masse GND. Dies hat zur Folge, dass der Transistor T1 permanent sperrt. Die Schaltung wirkt jetzt als reiner Abwärtswandler. Im Ladezustand ist jetzt die Sekundärseite der Induktivität L nicht mehr mit der Masse GND kurzgeschlossen, sondern liegt über der Diode D2 in leitender Verbindung am Ausgangskondensator C1, so dass nicht nur der Entladestrom während der Pulspause, sondern auch der Ladestrom während des Pulses in den Kondensator C1 bzw. die Last fließen kann.If the emitter collector path of the switching transistor T2 is turned on, then the switching signal US, which is otherwise synchronized with the pulses PWM, is suppressed. It is permanently essentially at the potential of the ground GND. This has the consequence that the transistor T1 blocks permanently. The circuit now acts as a pure buck converter. In the charge state, the secondary side of the inductance L is now no longer short-circuited to the ground GND, but is connected via the diode D2 in conductive connection to the output capacitor C1, so that not only the discharge during the pulse break, but also the charging current during the pulse in the capacitor C1 or the load can flow.

Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Abschalter zur Unterdrückung des Schaltsignals US von einem Doppelkomparator K1, K2 ausgebildet. Die Ausgangstransistoren der Komparatoren sind vorzugsweise Open-Collector-Typen. Die Ausgangstransistoren der Komparatoren können dann ohne Bedenken parallel geschaltet werden. Die Ausgänge der beiden Komparatoren K1, K2 liegen am Gate des Schalttransistors T1 an. Ist einer der beiden Ausgänge der Komparatoren K1, K2 auf Massepotential GND, so ist das Schaltsignal US unterdrückt. Die Schaltung kann somit nur als Auf-/Abwärtswandler arbeiten, wenn an beiden Komparatoren K1, K2 kein Massepotential anliegt. Die Schaltung lässt sich noch um beliebige weitere Komparatoren ergänzen, die alle zu den beiden Komparatoren K1, K2 parallelgeschaltet sind.In the in the 2 In the embodiment shown, the cut-off switch for suppressing the switching signal US is formed by a double comparator K1, K2. The output transistors of the comparators are preferably open-collector types. The output transistors of the comparators can then be connected in parallel without hesitation. The outputs of the two comparators K1, K2 are applied to the gate of the switching transistor T1. If one of the two outputs of the comparators K1, K2 is at ground potential GND, then the switching signal US is suppressed. The circuit can thus only work as an up / down converter if no ground potential is applied to the two comparators K1, K2. The circuit can be supplemented by any other comparators, all of which are connected in parallel to the two comparators K1, K2.

Der Ausgang des Komparators K2 ist im Regelbetrieb hochohmig. Der positiv Eingang des Komparators K2 ist eine aus der Ausgangsspannung OUT gewonnene Spannung U3. Die Spannung U3 wird an einer Brückenschaltung abgegriffen, die aus einer Zehnerdiode ZD3 und einem Widerstand R6 besteht, die zwischen Masse GND und Ausgang geschaltet ist. Die Spannung U3 ist somit immer um die Zehnerspannung der Zehnerspannung ZD3 geringer als die Ausgangsspannung OUT. Die Zehnerspannung der Zehnerdiode ZD3 kann bspw. 6 Volt betragen.The output of the comparator K2 is in high-impedance operation. The positive input of the comparator K2 is a voltage U3 obtained from the output voltage OUT. The voltage U3 is tapped at a bridge circuit consisting of a Zener diode ZD3 and a resistor R6, which is connected between ground GND and output. The voltage U3 is thus always lower than the output voltage OUT by the Zener voltage of the Zener voltage ZD3. The Zener voltage of the Zener diode ZD3 can be, for example, 6 volts.

An dem negativen Eingang des Komparators K2 liegt ebenfalls eine aus der Ausgangsspannung OUT gewonnene Spannung U2 an. Auch diese Spannung wird von einer aus einer Zehnerdiode ZD2 und einem Widerstand R5 gebildeten Brückenschaltung zwischen Ausgang und Masse GND gewonnen. Allerdings liegt hier die Zehnerdiode nicht am Ausgang, sondern an Masse GND, so dass die Spannung U2 einen Maximalwert nicht überschreiten kann. Auch diese Zehnerdiode kann eine Zehnerspannung von 6 Volt besitzen. Liegt die Spannung U3 über der Spannung U2, ist der Ausgang des Komparators K2 hochohmig. Der Ausgang des Komparators K2 ist demzufolge nur dann auf Massepotential, wenn die Spannung U3 geringer oder gleich der Spannung U2 ist. Dies ist insbesondere beim Anlaufen der Fall. Damit ist sichergestellt, dass beim Anlaufen, also beim langsamen Ansteigen der Ausgangsspannung OUT von Null bis auf den Sollwert, eine reine Abwärtswandlung erfolgt. Es ist somit eine Anlaufstrombegrenzung gegeben. Diese Art der Beschaltung wirkt auch als Netzausfallüberbrückung.At the negative input of the comparator K2 is also obtained from the output voltage OUT voltage U2. This voltage is also obtained by a bridge circuit formed by a Zener diode ZD2 and a resistor R5 between output and ground GND. However, here is the Zener diode not at the output, but to ground GND, so that the voltage U2 can not exceed a maximum value. Also, this Zener diode can have a Zener voltage of 6 volts. If the voltage U3 is above the voltage U2, the output of the comparator K2 is high-impedance. The output of the comparator K2 is therefore only at ground potential when the voltage U3 is less than or equal to the voltage U2. This is particularly the case when starting up. This ensures that during start-up, ie when the output voltage OUT rises slowly from zero to the setpoint value, a pure down-conversion takes place. It is thus given a start-up current limit. This type of wiring also acts as a power failure bypass.

Der Komparator K1 ist mit seinem positiven Eingang an der oben bereits erwähnten Spannung U3 angeschlossen. Diese Spannung ist wie bereits erwähnt um einen Festbetrag geringer als die Ausgangsspannung OUT. Am negativen Eingang des Komparators K1 liegt eine von der Eingangsspannung UIN gewonnene Spannung U1 an. Hierzu ist zwischen Eingang und Masse GND eine weitere, aus einer Zehnerdiode ZD1 und einem Widerstand R4 gebildete Brückenschaltung vorgesehen. Die Zehnerdiode liegt an der Eingangsspannung, so dass U1 einen Wert erhält, der um die Zehnerspannung der Zehnerdiode ZD1 geringer ist als die Eingangsspannung UIN. Die Zehnerspannung dieser Zehnerdiode ZD1 kann ebenfalls 6 Volt betragen.The comparator K1 is connected with its positive input to the above-mentioned voltage U3. As already mentioned, this voltage is lower by a fixed amount than the output voltage OUT. At the negative input of the comparator K1 is obtained from the input voltage UIN voltage U1. For this purpose, a further bridge circuit formed by a Zener diode ZD1 and a resistor R4 is provided between input and ground GND. The Zener diode is at the input voltage, so that U1 receives a value which is lower than the input voltage UIN by the Zener voltage of the Zener diode ZD1. The Zener voltage of this Zener diode ZD1 can also be 6 volts.

Durch Vergleich der beiden Spannungen U1 und U3 mittelst des Komparators K1 kann im Regelbetrieb zwischen Auf- und Abwärtswandlung und Abwärtswandlung umgeschaltet werden. Solange die Spannung U1 größer ist als die Spannung U3, arbeitet die Schaltung als Abwärtswandlung. Sinkt die Spannung U1 aber unter die Spannung U3, so schaltet der Komparator um auf Auf- und Abwärtswandlung. Auch hier erfolgt das Umschalten durch Unterdrücken bzw. Aufheben der Unterdrückung des Schaltsignals US, welches synchronisiert mit den Pulsen PWM am Gate des Transistors T1 anliegt.By comparing the two voltages U1 and U3 by means of the comparator K1 can be switched in normal operation between up and down conversion and down conversion. As long as the voltage U1 is greater than the voltage U3, the circuit operates as a down-conversion. If the voltage U1 drops below the voltage U3, however, the comparator switches to up and down conversion. Again, the switching takes place by suppressing or canceling the suppression of the switching signal US, which is applied synchronously with the pulses PWM at the gate of the transistor T1.

Der Schaltregler wird über eine Spannungsteilerschaltung R1, R2 mit einer Feedback-Spannung UFB versorgt. Aus der Höhe dieser Spannung bestimmt der Schaltregler das Pulsweitenverhältnis der Pulse PWM.The switching regulator is supplied via a voltage divider circuit R1, R2 with a feedback voltage UFB. From the level of this voltage, the switching regulator determines the pulse width ratio of the pulses PWM.

Claims

From a up and down converter in a pure down-converter switchable DC-DC converter with one of a switching regulator (SR) in both modes pulse energized inductance (L), which at least partially delivers their energy stored during the energization in the form of a current through freewheeling diodes (D1, D2) during the pulse pauses to an output capacitor (C1), wherein a first freewheeling diode (D1) connects the input of the inductance (L) to ground (GND) and the second freewheeling diode (D2) connects the output of the inductance (L) to the output capacitor (C1), wherein between the output of the inductance (L) and ground (GND), a transistor is provided as a switch (T1), which is synchronized in operation as up and down converter with a switching signal (US) with the output from the switching regulator (SR) current pulses (PWM), and which is open in operation as a pure buck converter, with a switch (K1, K2) for suppressing the switching signal (US), the gate of the transistor (T1) being connected to the input of the inductance (L) via a diode (D3), the anode of the diode being at the gate of the transistor (T1) and the cathode being at the input of the inductance, wherein the gate of the transistor (T1) is further connected to the second freewheeling diode (D2) with a pull-up resistor (R3) applied to the output voltage, wherein the cut-off switch is designed as a double comparator (K1, K2) whose output is applied to the gate of the transistor T1, the double comparator (K1) comparing a first voltage (U1) derived from an input voltage (UIN) with a voltage (U3) obtained from an output voltage (UOUT), wherein the double comparator (K2) compares a reference voltage (U2) obtained from the output voltage (UOUT) which can not exceed a maximum value with the voltage (U3) obtained from the output voltage (UOUT) which is lower than that by a fixed amount output voltage.