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Die
Erfindung betrifft eine Wandlerschaltung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, also zur Bereitstellung mehrerer Ausgangsspannungen
aus einer Gleichspannungsquelle, umfassend eine getaktet aus der
Gleichspannungsquelle bestromte Primärspule und eine Sekundärspulenanordnung
zur Induktion von Sekundärströmen zum Nachladen
von Ausgangskondensatoren, an welchen die jeweiligen Ausgangsspannungen
bereitgestellt werden.
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Eine
derartige Wandlerschaltung ist beispielsweise aus der
DE 197 07 277 A1 bekannt.
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Die
bekannte Schaltungsanordnung zur Stromversorgung mehrerer Verbraucher
ist nach Art eines Sperrwandlers aufgebaut und umfasst eine Regelschaltung
zur Regelung einer der Ausgangsspannungen. Mit dieser Regelschaltung
wird die getaktete Bestromung der Primärspule zur Einstellung
der gewünschten Ausgangsspannung angesteuert. Die übrigen
Ausgangsspannungen werden dabei gewissermaßen "mitgeregelt".
Deren Werte werden durch die Wicklungszahlen von Primär-
und Sekundärspulen bestimmt, so dass diese Spannungswerte
in einem festen Verhältnis zur geregelten Ausgangsspannung stehen.
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In
vielen Anwendungsfällen, insbesondere z. B. für
die Versorgung von Verbrauchern in der modernen Automobilelektronik,
werden zur Energieversorgung mehrere möglichst genau geregelte
Spannungen bei gleichzeitig möglichst geringer Verlustleistung
benötigt (z. B. Versorgung von Mikrocontrollereinrichtungen,
etwa in einem Motorsteuergerät).
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Eine
Wandlerschaltung der oben erwähnten Art vermag derartig
hohe Anforderungen an die Stabilität der Ausgangsspannungen oftmals
nicht zu erfüllen. Ein wesentlicher, bei diesem Stand der
Technik nicht berücksichtigter Umstand ist beispielsweise die
Abhängigkeit der Ausgangsspannungen von der jeweiligen
Belastung durch den angeschlossenen elektrischen Verbraucher. Dies
führt bei der bekannten Wandlerschaltung dazu, dass sämtliche
nicht unmittelbar geregelten Ausgangsspannungen in der Praxis mehr
oder weniger starken Variationen unterworfen sind.
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Eine
prinzipiell denkbare Lösung dieses Problems besteht darin,
der bekannten Wandlerschaltung ausgangsseitig einen oder mehrere
so genannte "Linearregler" nachzuordnen. Derartige Spannungsregler
sind zwar relativ preiswert kommerziell erhältlich, erhöhen
jedoch drastisch die Verlustleistung des Gesamtsystems. Dieser Lösungsansatz
ist somit insbesondere in der modernen Automobilelektronik oftmals
unbrauchbar.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wandlerschaltung
der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, bei welcher
in einfacher Weise und mit gleichzeitig geringer Verlustleistung eine
hohe Stabilität einer Mehrzahl von Ausgangsspannungen gewährleistet
werden kann.
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Gemäß der
Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Wandlerschaltung nach Anspruch
1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind
auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gerichtet.
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Die
erfindungsgemäße Wandlerschaltung ist dadurch
gekennzeichnet, dass in den Sekundärstrompfaden jeweils
steuerbare Stromeinstellmittel angeordnet sind und dass die Wandlerschaltung
ferner eine Steuereinrichtung zur individuellen Regelung der einzelnen
Ausgangsspannungen durch eine Ansteuerung der einzelnen Stromeinstellmittel
umfasst.
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Durch
diese technische Maßnahmen lässt sich in einfacher
und effizienter Weise eine hohe Stabilität der einzelnen
Aus gangsspannungen gewährleisten, insbesondere auch in
dem Fall, in welchem diese Ausgangsspannungen sehr unterschiedlichen und/oder
betriebsmäßig variierenden Belastungen durch die
angeschlossenen elektrischen Verbraucher ausgesetzt sind.
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Auch
bei dem erfindungsgemäßen Schaltungskonzept können
die Werte der einzelnen Ausgangsspannungen zumindest grob durch
die physikalische Kopplung der beteiligten Spulenwicklungen (Wicklungsverhältnisse)
bestimmt sein. Wesentlich ist hierbei jedoch, dass durch das Vorsehen
von jeweils steuerbaren Stromeinstellmitteln in den Sekundärstromfaden
eine individuelle Regelung der einzelnen Ausgangsspannungen realisiert
ist. Die Regelgenauigkeit hängt bei diesem Konzept letztlich
nicht mehr von der Qualität der verwendeten Komponenten
(z. B. eines Trafos) und den zulässigen Lastbereichen und
Temperaturabhängigkeiten solcher Komponenten ab.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Stromeinstellmittel
als Halbleiterbauelemente, insbesondere als Transistoren ausgebildet.
Hinsichtlich einer geringen Verlustleistung ist hierbei die Verwendung
von Feldeffekttransistoren (FETS) bevorzugt.
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Für
die Ansteuerung der einzelnen Stromeinstellmittel gibt es in der
Praxis verschiedenen Möglichkeiten. In einer Ausführungsform
ist beispielsweise vorgesehen, dass die Stromeinstellmittel als Schaltier
(z. B. Schalttransistoren) betrieben werden. In einer anderen Ausführungsform
ist demgegenüber vorgesehen, dass die Stromeinstellmittel
für eine stufenlose Einstellung der jeweiligen Sekundärströme ausgebildet
sind. Auch bei dieser Betriebsvariante ist die Verwendung von Transistoren,
insbesondere FETS besonders vorteilhaft.
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Für
die konkrete Gestaltung der Primär- und Sekundärspulenanordnung
kann vorteilhaft auf Konzepte zurückgegriffen werden, wie
sie z. B. aus dem Bereich der hier interessierenden Wandlerschaltungen
(z. B. Sperrwandler) an sich bekannt sind.
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Was
die Sekundärspulenanordnung anbelangt, so ist gemäß einer
Ausführungsform vorgesehen, dass die Sekundärspulenanordnung
wenigstens eine Sekundärspule aufweist, an deren beiden
Spulenanschlüssen einer der Sekundärströme
zugeführt bzw. abgeführt wird. Alternativ oder
zusätzlich kann die Sekundärspulenanordnung wenigstens
eine Sekundärspule mit wenigstens einem Abgriff umfassen, an
welchem wenigstens einer der Sekundärströme zugeführt
bzw. abgeführt wird.
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In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung
zur Realisierung eines Regelmodus ausgebildet ist, bei welchem bei
jedem Sekundärstromtakt eine ausgangsseitige Auswahl durch
Ansteuerung der Stromeinstellmittel derart erfolgt, dass lediglich
einer der Ausgangskondensatoren nachgeladen wird. Bei diesem Regelmodus
kann z. B. eine zyklische Nachladung der Ausgangskondensatoren derart
erfolgen, dass eine Nachladung eines bestimmten Ausgangskondensators
alle n Sekundärstromtakte erfolgt, wobei n die Anzahl der Ausgangskondensatoren
(bzw. der separat bereitgestellten Ausgangsspannungen) bezeichnet.
Was die Regelung des aktuell nachzuladenden Ausgangskondensators
anbelangt, so kann eine aktuell benötigte Nachladung insbesondere
z. B. durch Einstellung einer entsprechend geregelten "Durchlasszeit" des
betreffenden Stromeinstellmittels realisiert werden. Falls die Stromeinstellmittel
für eine stufenlose Einstellung des Stromes geeignet ausgebildet
bzw. angesteuert werden können, so kann alternativ oder zusätzlich
bei jedem Sekundärstromtakt auch die Größe
und/oder der genaue zeitliche Verlauf des Nachladestroms eingestellt
werden.
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Alternativ
oder zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Regelmodus
ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Steuereinrichtung
zur Realisierung eines Regelmodus ausgebildet ist, bei welchem für
jeden Primärstromtakt ein individueller Maximalprimärstrom
vorgesehen wird.
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Der
Begriff "Maximalprimärstrom" ist hierbei sehr weitgehend
zu verstehen. Als Maximalprimärstrom kann z. B. der während
eines bestimmten Takts erreichte Maximalwert des Primärstroms
verwendet (geregelt) werden. Alternativ oder zusätzlich
kann z. B. der konkrete Verlauf des Nachladestroms im Bereich seines
Maximums individuell für jeden Takt geeignet modifiziert
(geregelt) werden.
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In
einer besonders einfachen Ausführungsform ist vorgesehen,
dass die Steuereinrichtung zur Realisierung eines Regelmodus ausgebildet
ist, bei welchem ein betreffendes der Stromeinstellmittel während
eines Sekundärstromtakts eingeschaltet oder ausgeschaltet
wird, je nachdem, ob die betreffende Ausgangsspannung zu klein oder
zu groß ist.
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Im
Hinblick auf eine möglichst präzise Spannungsregelung
ist oftmals eine Ausführungsform besonders vorteilhaft,
bei welcher die Steuereinrichtung zur Realisierung eines Regelmodus
ausgebildet ist, bei welchem das betreffende Stromeinstellmittel
je nach betreffender Ausgangsspannung stufenlos eingestellt wird,
insbesondere linear geregelt wird.
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Hinsichtlich
der weiter oben bereits angesprochenen Ansteuerung der Stromeinstellmittel
ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen,
dass die Steuereinrichtung zur Realisierung eines Regelmodus ausgebildet
ist, bei welchem das betreffende Stromeinstellmittel während
eines Sekundärstromtakts für eine bestimmte Dauer
eingeschaltet wird, die von der Ausgangsspannung abhängt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben.
Es stellen dar:
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1 ist
ein Schaltbild einer Wandlerschaltung gemäß einer
ersten Ausführungsform, und
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2 ist
ein Schaltbild einer Wandlerschaltung gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt
eine Wandlerschaltung 10 zur Bereitstellung mehrerer Ausgangsspannungen
Ua, Ub und Uc aus einer gemeinsamen Gleichspannungsquelle der Eingangsspannung
Ue. Bei der (nicht dargestellten) Gleichspannungsquelle kann es sich
z. B. um das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bzw. dessen Batterie
handeln (Ue z. B. 12 V oder 24 V).
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Die
Ausgangsspannungen Ua, Ub und Uc dienen in diesem Anwendungsfall
z. B. zur Versorgung eines Motorsteuergeräts des betreffenden Kraftfahrzeuges.
Aufgrund der Verwendung unterschiedlicher Fertigungstechnologien
in verschiedenen Bereichen derartiger Steuergeräte werden
hierfür oftmals mehrere und in ihrem Wert voneinander verschiedene
Versorgungsspannungen (z. B. 3 V, 5 V etc.) benötigt.
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Die
Wandlerschaltung 10 umfasst eine getaktet aus der Eingangsspannung
Ue bestromte Primärspule 12 und eine Sekundärspulenanordnung 14, die
im dargestellten Beispiel aus Sekundärspulenabschnitten 14-1, 14-2 und 14-3 besteht.
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Eingangsseitig
ist ein Eingangsfilter 16 bestehend aus zwei Kondensatoren
C4 und C5 sowie einer Induktivität L1 vorgesehen, die in
der dargestellten Weise miteinander verbunden sind. Der Primärstrom
der Wandlerschaltung 10 fließt ausgehend von dem
mit Ue versorgten Eingangsanschluss über die Induktivität
L1, die Primärspule 12, einen Transistor S und
einen zur Strombegrenzung vorgesehenen Widerstand R zur elektrischen
Masse GND. Sowohl die Eingangsspannung Ue als auch die Ausgangsspannungen
Ua, Ub, Uc können zum Beispiel auf die Masse GND bezogen
sein.
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Die
Taktung des die Primärspule 12 durchfließenden
Primärstromes erfolgt durch wiederholtes Einschalten und
Ausschal ten des Transistors S durch eine geeignete Ansteuerung,
die durch eine elektronische Steuereinheit 18 bewirkt wird.
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Der
Steuereinheit 18 wird hierfür von einer Takteinheit 20 ein
entsprechendes Taktsignal vorgegeben. Daneben berücksichtigt
die Steuereinheit 18 bei der Ansteuerung des primärseitigen
Transistors S auch noch drei Ausgangssignale einer Reglereinheit 22,
welche diese Regelsignale wiederum auf Basis einer Messung der drei
Ausgangsspannungen Ua, Ub und Uc generiert.
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Durch
die induktive Kopplung zwischen der Primärspule 12 einerseits
und der Sekundärspulenanordnung 14 andererseits
erfolgt im Betrieb des Wandlers sekundärseitig eine Induktion
von Sekundärströmen in den einzelnen Sekundärspulenabschnitten 14-1 bis 14-3 und
somit eine (bedarfsweise) Nachladung von Ausgangskondensatoren C1,
C2 und C3, an welchen die jeweiligen Ausgangsspannungen bereitgestellt
werden.
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Im
Prinzip könnte mit den bis hierher beschriebenen Komponenten
der Wandlerschaltung 10 eine Erzeugung der Ausgangsspannungen
Ua, Ub und Uc der eingangs beschriebenen bekannten Art durchgeführt
werden, bei welcher die Werte der einzelnen Ausgangsspannungen im
Wesentlichen durch die Regelung einer Ausgangsspannung und das Folgen
der übrigen Ausgangsspannungen aufgrund der sekundärseitigen
Windungszahlverhältnisse bestimmt werden.
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Bei
der dargestellten Wandlerschaltung 10 besteht jedoch eine
Besonderheit darin, dass, wie dargestellt, in den Sekundärstrompfaden
(von den Spulenabschnitten zu den Ausgangskondensatoren) jeweils
steuerbare Stromeinstellmittel, hier in Form von Transistoren T1,
T2 bzw. T3, angeordnet sind und dass die Steuereinheit 18 zur
individuellen Regelung der einzelnen Ausgangsspannungen Ua, Ub,
Uc durch eine geeignete Ansteuerung der einzelnen Transistoren T1,
T2 und T3 ausgebildet ist.
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Damit
kann vorteilhaft eine besonders präzise Regelung sämtlicher
Ausgangsspannungen bzw. eine hohe Stabilität dieser Ausgangsspannungen auch
im Falle von Belastungsschwankungen im Betrieb der (nicht dargestellten)
angeschlossenen elektrischen Verbraucher gewährleistet
werden.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Transistoren
T1 bis T3 als Schalter betrieben, also durch die Steuereinheit 18 auf
Basis der zugeführten Signale (Taktsignal und Regelsignale)
jeweils eingeschaltet bzw. ausgeschaltet.
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Die
Steuereinheit 18 bewirkt hierbei einen zyklischen Nachladebetrieb
derart, dass bei jedem Sekundärstromtakt ein gegebenenfalls
zur Spannungsstabilisierung erforderlicher Nachladestrom lediglich
durch einen der drei Sekundärstrompfade fließt
und dementsprechend lediglich einer der drei Ausgangskondensatoren
C1, C2 und C3 nachgeladen wird. Bei diesem Zyklusbetrieb wird in
einem ersten Sekundärstromtakt z. B. lediglich T1 zeitweise eingeschaltet.
In den darauf folgenden zwei Sekundärstromtakten wird demgegenüber
T2 bzw. T3 zeitweise eingeschaltet. Sodann wiederholen sich diese Vorgänge
zyklisch. Die Steuereinheit 18 bewirkt in diesem Betriebsmodus
nicht lediglich die Auswahl des aktuell einzuschaltenden Transistors,
sondern auch die Festlegung der entsprechenden Einschaltdauer. Im
einfachsten Fall wird der betreffende Transistor z. B. so lange
eingeschaltet, bis die betreffende Ausgangsspannung einen gewünschten
Wert erreicht (was durch die Reglereinheit 22 gemessen
und bei der Erzeugung der Regelsignale berücksichtigt wird).
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels
werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen
verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben
"a" zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird
im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bereits beschriebenen
Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung des vorangegangenen
Ausführungsbeispiels verwiesen.
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2 zeigt
eine Wandlerschaltung 10a gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels zur Veranschaulichung einiger
Modifikationen, die an der vorstehend mit Bezug auf die 1 bereits
beschriebenen Ausführungsform vorgenommen werden können.
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Eine
erste Modifikation des in 2 dargestellten
Wandlers 10a besteht darin, dass die sekundärseitigen,
zur Induktion von Sekundärströmen dienenden Spulenwicklungen
nicht als Abgriffe einer Sekundärspule, sondern als voneinander
separate Sekundärspulen 14a-1, 14a-2 und 14a-3 ausgebildet sind,
an deren beiden Spulenanschlüssen jeweils einer der Sekundärströme
zugeführt bzw. abgeführt wird.
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Eine
weitere Modifikation besteht darin, dass die zur individuellen Regelung
der einzelnen Ausgangsspannungen Ua, Ub und Uc in den Sekundärstromfaden
angeordneten Stromeinstellmittel nicht in den "High-Side"-Abschnitten
der Strompfade sondern in deren "Low-Side"-Abschnitten (zur elektrischen
Masse GND hin) angeordnet sind. Diese Anordnung der beispielsweise
als Schalttransistoren betriebenen Transistoren T1, T2 und T3 besitzt
z. B. den Vorteil einer einfacheren Ansteuerbarkeit durch die verwendete
Steuereinheit 18a. Bei dieser Anordnung können
die einzelnen Ansteuersignale (Gate-Potentiale) vorteilhaft auf
die elektrische Masse GND bezogen werden.
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Im Übrigen
kann die Wandlerschaltung 10a genauso betrieben werden,
wie es oben bereits mit Bezug auf die in 1 dargestellte
Schaltung 10 beschrieben wurde.
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Wandlerschaltungen
der beschriebenen Art eignen sich insbesondere zur Verwendung in
einem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, etwa zur Versorgung von verschiedenen
Elektronikkompo nenten, die voneinander unterschiedliche Versorgungsspannungen
benötigen.
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Für
beide der beschriebenen Wandlerschaltungen 10 und 10a können
darüber hinaus zahlreiche weitere Modifikationen vorgenommen
werden.
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Eine
solche Modifikation könnte z. B. darin bestehen, dass alternativ
oder zusätzlich zu einer Regelung der Einschaltdauer der
ausgangsseitigen Transistoren ein in den betreffenden Sekundärstromtakten über
diese Transistoren fließender Strom stufenlos eingestellt
wird. Hierfür ist lediglich die Arbeitsweise der Steuereinheit
und/oder der Reglereinheit entsprechend zu modifizieren. Vorteilhaft
kann durch eine solche stufenlose individuelle Spannungsregelung
eine geringere Welligkeit der Ausgangsspannungen Ua, Ub und Uc erzielt
werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass selbstverständlich
auch die Anzahl bereitgestellter Ausgangsspannungen den praktischen
Anforderungen angepasst werden kann.
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Vorteilhaft
kann die Regelung der Ausgangsspannungen anstatt mit einem "zyklischen
Nachladebetrieb" auch mit einem "simultanen Nachladebetrieb" derart
vorgesehen sein, dass bei jedem Sekundärstromtakt eine
simultane (jeweils bedarfsweise) Nachladung der Ausgangskondensatoren
erfolgt. Hierfür sind die Ein- und Ausschaltdauern bzw.
gegebenenfalls die stufenlosen Einstellungen der Stromeinstellmittel
(durch die Steuereinrichtung) individuell festzulegen. Bei einem
solchen Betriebsmodus wird gewissermaßen das bei jedem
Takt bereitgestellte "Energiepaket" im Sinne einer gewünschten
individuellen Spannungseinstellung bzw. -stabilisierung auf die
verschiedenen Sekundärpfade aufgeteilt (wobei mittels des
primärseitigen Schalters eine etwaig erforderliche Einstellung
der Größe des aufzuteilenden Energiepakets vorgenommen
werden kann).
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Wandlers
ist insbesondere auf alle an sich bekannten DC/DC-Wandlerkonzepte
anwendbar, bei welchen bislang lediglich eine von mehreren Ausgangsspannungen
oder eine gemittelte Ausgangsspannung geregelt wurde. Bei der Erfindung
wird eine sekundärseitige Freilauffunktion für
eine genaue Kontrolle mehrerer Spannungen verwendet, wobei der Regelbereich
in etwa einer Diodenflussspannung entspricht. Beim Betrieb des Wandlers
kann z. B. eine individuelle Auswahl eines in jedem Takt zu bestromenden
Sekundärstrompfads erfolgen (Verteilung per Ablaufsteuerung).
Oder es kann eine individuelle Steuerung der Freilauf-Ansteuerung
in jedem Zyklus erfolgen. Es stehen insbesondere folgende Varianten zur
Verfügung:
- a) Bei lückendem
Betrieb oder Betrieb an der Lückgrenze wird der Hauptschalter-Maximalstrom individuell
für jede Ausgangsspannung geregelt, es erfolgt eine Zuteilung
von Energiepaketen durch Auswahl eines Ausganges per Ablaufsteuerung
(Größe des Energiepaketes durch Maximalstrom bestimmt).
- b) Bei kontinuierlichem Strom wird der Maximalstrom über
eine gemeinsame Regelung geregelt. Die Sperrzeit des eingangsseitigen
Transistors kann individuell zur Regelung der Ausgangsspannungen
verwendet werden. Die Auswahl des Ausganges erfolgt per Ablaufsteuerung
(Größe des Energiepaketes durch Sperrzeit bestimmt).
- c) Der (individuelle) aktive Freilauf wird ein- und ausgeschaltet,
je nachdem, ob die jeweilige Ausgangsspannung zu klein oder zu groß ist.
- d) Der (individuelle) aktive Freilauf wird linear geregelt,
je nach Ausgangsspannung.
- e) Der (individuelle) aktive Freilauf wird eine bestimmte Zeit
lang eingeschaltet, je nach Ausgangsspannung.
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In
der Regel ist die obige Variante a) in Kombination mit kontinuierlichem
Betrieb nicht möglich, da der Ausgangsstrom des Wandlers
bei einem Takt von dem vorherigen Takt stark abhängig ist.
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Bei
der Erfindung wird zusammenfassend ein aktiver Freilauf zur individuellen
Beeinflussung einer einzelnen Ausgangsspannung verwendet, derart, dass
eine individuelle präzisere Einstellung der Ausgangsspannungen
ermöglicht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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