DE102008008337A1 - Schaltnetzteil zum Erzeugen einer vorgegebenen Ausgangsspannung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Schaltnetzteil sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils zum Erzeugen einer vorgegebenen Ausgangsspannung aus einem Kfz-Bordnetz vorgestellt. Das Schaltnetzteil weist zumindest eine, vorzugsweise genau eine Spule sowie zumindest zwei Schalter zum Steuern des Energieflusses durch die zumindest eine Spule auf. Das Schaltnetzteil wird in Abhängigkeit der eingangsseitigen Kfz-Bordnetzspannung oder aktuellen Ausgangsspannung in mindestens drei unterschiedlichen Funktionsweisen betrieben. Insbesondere erfolgt in der ersten Funktionsweise ein Aufwärtswandlerbetrieb, in der dritten Funktionsweise ein Abwärtswandlerbetrieb und in der zweiten Funktionsweise ein Längsreglerbetrieb oder wird ein zur Spule parallel schaltbarer Strompfad vom Bordnetz zum Ausgang zeitweise aktiviert. So können Elektronikbaugruppen insbesondere in Fahrzeugen über einen großen Bordnetzspannungsbereich hinweg versorgt werden und gleichzeitig die EMV-Störabstrahlung reduziert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil (nachfolgend auch „Netzteilkonzept" bzw. „Netzteil" genannt) gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Zur Sicherstellung der Energieversorgung in Kfz-Baugruppen, werden Netzteile zum Einsatz gebracht, welche aus der störbehafteten Kfz-Bordnetzspannung (Klemme 15, Klemme 30, bzw. UBatt.), welche gemäß den einzelnen Fahrzeuglastenheft-Spezifikationen einen Bereich von 6 Volt bis 16.5 Volt aufweisen kann, eine oder mehrere stabilisierte Arbeitsspannung/en für die einzelnen Elektronikkomponenten (z. B. μC, ASICs, ...) der Kfz-Baugruppen generieren/bereitstellen.
  • Um hierbei eine Anpassung an den gemäß der Spezifikationen relativ weiten Eingangsspannungsbereich (6 Volt–16.5 Volt) zu erlangen, werden die Netzteile gemäß dem Stand der Technik in der Regel derart realisiert, dass diese aus zwei in Serie geschalteten DC/DC-Wandlern realisiert werden, wobei der erste Wandler ein Aufwärtswandler ist, um aus der am Eingang vorliegenden Spannung von 6 Volt bis 16.5 Volt eine höhere Spannung zu generieren. Bei dem zweiten nachgeschalteten Wandler handelt es sich meist um einen Abwärtswandler, oder gegebenenfalls um einen Längsregler.
  • Ein solches beschriebenes Netzteil ist beispielsweise aus den Schriften DE 197 46 546 A1 , bzw. DE 197 15 571 A1 bekannt.
  • Der Nachteil bei diesen Netzteilkonzepten ist jedoch darin zu sehen, dass bei einer Lösung mit einem Aufwärtswandler und einem nachgeschalteten Abwärtswandler in Summe mindestens 2 Wandlerspulen benötigt werden bzw. bei einer Lösung mit einem Aufwärtswandler und einem nachgeschalteten Längsregler in dem nachgeschalteten Längsregler eine erhöhte bzw. relativ hohe Verlustleistung erzeugt wird. Als weiterer Nachteil kann betrachtet werden, dass infolge der ein- oder mehrfachen Wandlungen der Spannungen mittels getakteten Netzteilkonzepten, eine erhöhte EMV-Störabstrahlung im System auftritt, bzw. durch das Gesamtsystem verursacht wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltnetzteil sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb zu schaffen, mittels diesem die oben gezeigten Nachteile vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale untereinander denkbar sind.
  • Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass ein Schaltnetzteil mit vorzugsweise nur einer Induktivität (Spule) derart gestaltet wird, dass dieses in Abhängigkeit der Eingangsspannung (offene Steuerung) oder aktuellen Ausgangsspannung (Regelkreis mit Rückkopplung) sowohl mindestens drei unterschiedliche Funktionsweisen des Schaltnetzteils einstellbar sind. Als unterschiedliche Funktionsweisen sind dabei unterschiedliche Betriebsarten mit abweichender Steuerung des Energieflusses zu verstehen, also insbesondere der Aufwärtswandlerbetrieb, Abwärtswandlerbetrieb, der Längsreglerbetrieb oder andere, eben auch hardwaremäßig, also schaltungstechnisch voneinander abweichende Betriebsarten der zumindest einen, vorzugsweise genau einer Spule sowie zumindest zwei (Halbleitertransistor)-Schaltern. Eine solche Funktionsweise stellt auch die vollständige oder teilweise Überbrückung der Spule durch einen dazu parallelen Strompfad dar.
  • Während generell Schaltnetzteile im Aufwärtswandlerbetrieb, Abwärtswandlerbetrieb oder der Längsreglerbetrieb bekannt sind, so wird doch in der Regel nur eine oder höchstens zwei dieser Betriebsarten miteinander kombiniert. Erst durch die Verwendung von drei Funktionsweisen lässt sich aber ein besonders verlustleistungsarmer und EMV-abstrahlungsarmer Gesamtbetrieb ermöglichen, denn während bei deutlicher Unter- oder Überspannung immer ein getakteter Wandlerbetrieb erforderlich ist, kann bei Spannungen in einem vorgegebenen Bereich um die vorgegebene Ausgangsspannung ein deutlich abstrahlungsärmerer Betrieb erreicht werden.
  • Diese zweite Funktionsweise (F2) des Schaltnetzteils ist vorzugsweise ein Längsreglerbetrieb, sofern die als Schalter verwendeten Transistoren auch im Linearbetrieb angesteuert werden können. Alternativ dazu kann die zweite Funktionsweise (F2) des Schaltnetzteils einen zur Spule parallel schaltbaren Strompfad vom Bordnetz zum Ausgang vorsehen. Dieser wird dann entsprechend gepulst betrieben oder über einen Spannungsteiler die erforderliche Ausgangsspannung eingestellt. Zudem ist ein gemischter Betrieb denkbar, bei dem in der zweiten Funktionsweise (F2) des Schaltnetzteils einen ersten Teil des Stroms über den parallelen Strompfad und einen zweiten Teil des Stroms über die Spule (2) im Abwärtswandlerbetrieb bereitgestellt wird.
  • Die Schwellen bzw. die Übergänge der einzelnen Funktionsweisen des Schaltnetzteils sind bei der Initialisierung bzw. Applikationsrealisierung vorzugsweise direkt mittels Parametrisierung der Bereichsübergangsschwellen und/oder indirekt mittels Parametrisierung der vorgegebenen Ausgangsspannung vorgebbar.
  • Eine Betriebsart (F1) als Aufwärtswandler ist hierbei dann vorgesehen, wenn die Eingangsspannung (UBatt.) kleiner bzw. nur geringfügig größer ist, als die zu erzielende Ausgangsspannung, welche vom nachgeschalteten Elektroniksystem benötigt wird.
  • Eine Betriebsart (F2) als Längsregler ist hierbei dann vorgesehen, wenn die Eingangsspannung (UBatt.) gleich oder höchstens um einen vorgegebenen Wert größer ist, als die zu vorgegebene Ausgangsspannung, welche von den nachgeschalteten Elektronikkomponenten benötigt wird.
  • Eine Betriebsart (F3) als Abwärtswandler ist hierbei dann vorgesehen, wenn die Eingangsspannung (UBatt.) um den vorgegebenen Wert größer als die vorgegebene Ausgangsspannung ist.
  • Des weiteren ist eine weitere Betriebsart (F0) als Abwärtswandler auch dann vorgesehen, wenn sich das System im Autarkiefall befindet, und in diesem Betriebsfall die Eingangsspannung von einem Energiespeicher bereitgestellt wird, dessen Spannungsniveau gegenüber der Eingangsspannung (UBatt.) hochgewandelt ist, und somit deutlich größer ist, als die zu erzielende Ausgangsspannung, welche vom nachgeschalteten Elektroniksystem, bzw. dessen Elektronikkomponenten benötigt wird. Der Autarkiefall beschreibt den Betriebszustand, bei diesem die Versorgung aus dem Kfz-Bordnetz nicht mehr gegeben ist, da zum Beispiel bei einem Kabelbaumfehler bzw. Batterieabbruch infolge/während eines Crashfalls, die Eingangsspannung (UBatt., Klemme 15, Klemme 30) vom Kfz-Bordnetz stammend, für das Elektronik-System nicht mehr stabil zur Verfügung steht, sodass sich das System in diesem Fall aus einer eigenen Energiequelle für eine bestimmte Zeit selbst versorgen muss, um die geforderte Funktionalität noch für eine bestimmte Zeit erfüllen zu können.
  • Weitere Vorteile bzw. Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen und der dafür ausgebildeten nicht näher dargestellten Kfz-Applikationen, Kfz-Elektronikkomponenten bzw. Kfz-Elektroniksysteme. Als Kfz-Applikationen sind alle Steuergeräte im Kraftfahrzeug anzusehen (insbesondere Insassenrückhaltesysteme), welche mittels dem Kfz-Bordnetz, bzw. der Batteriespannung versorgt werden. Realisierungen bestehend aus Kombinationen oder Kombinationen von Teilmerkmalen aus den einzelnen Figuren sind ebenfalls denkbar.
  • In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den dazugehörenden Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
  • Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert. Im folgenden können für funktional gleiche und/oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein.
  • Die Zeichnungen zeigen in
  • 1: Funktionsweise des Schaltnetzteils als Funktion der Eingangsspannung.
  • 2: Netzteil in Betriebsart „F1" als Aufwärtswandler
  • 3: Netzteil in Betriebsart „F2" als Längsregler.
  • 4: Netzteil in Betriebsart „F3" als Abwärtswandler.
  • 5: Netzteil in Betriebsart „F0" als autarkieversorgter Abwärtswandler.
  • 6: Betriebsart „F3" mit Erzeugung von 2 Ausgangsspannungen.
  • 7: Netzteil mit Zusatzfunktion, bei diesem die Betriebsart „F2" dargestellt ist, wobei bei dieser Betriebsart das Netzteil als Längsregler plus Abwärtswandler – zur Erzeugung von 2 Ausgangsspannungen – arbeitet.
  • 8: Eine prinzipielle Übersichts-Darstellung des erfindungsgemäßen Netzteils, aus dieser die Ansteuerung der Schalter bei den Betriebsarten ersichtlich ist.
  • 9: Netzteil in Betriebsart „F2" mit zur Spule parallelem Strompfad
  • Die 1 zeigt eine Darstellung des funktionalen Zusammenhangs, wie sich die Betriebsart (F0, F1, F2, F3) des erfindungsgemäßen getakteten Schaltnetzteils als Funktion der Eingangsspannung (UBatt.) ergibt. Wie aus der 1 ersichtlich ist, wird hierbei die Ausgangsspannung (1.1) des Netzteils, bei den drei Funktionsweisen bzw. Betriebsarten (F1, F2, F3) konstant auf einen vordefinierten Wert (in diesem Beispiel ca. 9 Volt) gehalten. Die weitere optionale Betriebsart (F0) kennzeichnet den Bereich, bei diesem dass Netzteil die Eingangsspannung nicht aus dem Bordnetz bezieht, da die Bordnetzspannung zu gering ist, sondern gegebenenfalls die Eingangsspannung aus einer eigenen Energiequelle bezieht, um das dem Netzteil nachgeschaltete zu versorgende System (Applikation) noch für eine bestimmte Zeitdauer mit Energie zu versorgen, damit die geforderte Funktionalität noch für eine bestimmte Zeit vom System erfüllt werden kann. Diese Betriebsart (F0) stellt sich insbesondere im Autarkiefall oder bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen der Kfz-Bordnetzspannung ein. Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, ergeben sich die weiteren Betriebsarten in Abhängigkeit der Eingangsspannung, wobei sich folgende Betriebsarten bzw. Funktionsweisen (Betriebsart = Funktionsweise) wie folgt einstellen:
    • – Die Betriebsart „F1", bei diesem das Netzteil in einem Aufwärtswandlerbetriebsmodus arbeitet, stellt sich bei einem Eingangsspannungsbereich von ca. 4 Volt bis ca. 12 Volt ein. Die Betriebsart „F2", bei diesem das Netzteil in einem Längsreglerbetriebsmodus arbeitet, stellt sich bei einem Eingangsspannungsbereich von ca. 12 Volt bis ca. 15 Volt ein.
    • – Die Betriebsart „F3", bei diesem das Netzteil in einem Abwärtswandlerbetriebsmodus arbeitet, stellt sich bei einem Eingangsspannungsbereich von ca. größer 15 Volt ein.
    • – Die Betriebsart „F0", bei diesem das Netzteil ebenso wie im Betriebsmodus „F3" in einem Abwärtswandlerbetriebsmodus arbeitet, stellt sich bei einem Eingangsspannungsbereich von ca. kleiner 4 Volt ein (sofern das System autarkiefähig ist, sowie der Autarkiespeicher noch über genügend Energie verfügt).
  • Bei diesem Beispiel wird eine Ausgangsspannung von ca. 9 Volt erzeugt, welche geringfügig niedriger ist als die typische Bordnetzspannung (ca. 12 Volt), so dass im Normalbetrieb bei Bordnetzspannungen um 12 Volt die der bevorzugte zweite Funktionsweise aktiv ist und damit die Störabstrahlung (EMV) sehr gering gehalten werden kann, da das Netzteil im typischen Fall anstatt im störabstrahlungsintensiveren getakteten Wandlerbetrieb (F1, F3), im störabstrahlungsärmeren Längsreglerbetrieb (F2) arbeitet.
  • Die 2 zeigt eine Darstellung des erfindungsgemäßen Netzteilkonzepts (1), bei diesem die Betriebsart „F1" dargestellt ist, wobei bei dieser Betriebsart das Netzteil als Aufwärtswandler arbeitet. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, sind die Schaltungselemente (9.1, 3, 2, 4, 4.1, 7, 11), welche für den Aufwärtswandlerbetrieb erforderlich sind, fett hervorgehoben. Auf die Funktionsweise des Netzteils im Aufwärtswandlerbetrieb wird nicht detaillierter eingegangen, da die Funktionsweise allgemein bekannt ist. Angemerkt sei lediglich, dass der Schalter 3 (FET 3) sich bei dieser Betriebsart (F1) permanent im leitenden Zustand befindet, und der Schalter 4 (FET 4) bei dieser Betriebsart (F1) getaktet wird, um die Energie im Energiespeicher (11) mittels der Spule (2) auf das gewünschte Potential zu transferieren, um daraus einen Verbraucher (5) (Last, μC) mit Spannung versorgen zu können.
  • Wie aus der 2 (sowie der 3 und 4) weiter ersichtlich ist, weist das Netzteil (1) optional bzw. bei diesem gezeigtem Beispiel einen Hilfswandler (10) sowie einen Autarkie-Energiespeicher (12) auf, damit das Netzteil im Autarkiefall weiter mit Energie versorgt werden kann, Indern im Autarkiefall die Energie des Autarkie-Energiespeichers mittels einem Schalter (8) (FET 8) dem „Hauptpfad" des Netzteils bereit gestellt werden kann. Die Ansteuerung der FET-Schalter (3, 4, 8) erfolgt mittels einer Logik (3.1, 4.1, 8.1), welche in der 8 noch näher erläutert wird. Bei den gezeigten Dioden (9.1, 9.2) handelt es sich um Verpolschutzdioden, welche dazu dienen, um das Netzteil bzw. die danach folgende bzw. die daraus versorgte Elektronik vor Verpolung zu schützen.
  • Die 3 zeigt eine Darstellung des erfindungsgemäßen Netzteilkonzepts (1), bei diesem die Betriebsart „F2" dargestellt ist, wobei bei dieser Betriebsart das Netzteil als Längsregler arbeitet. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, sind die Schaltungselemente (9.1, 3, 3.1, 2, 7, 11), welche für den Längsreglerbetrieb erforderlich sind, fett hervorgehoben. Auf die Funktionsweise des Netzteils im Längsreglerbetrieb wird wiederum nicht detaillierter eingegangen, da die Funktionsweise allgemein bekannt ist. Angemerkt sei lediglich, dass der Schalter 3 (FET 3) bei dieser Betriebsart (F1) als Source-Folger betrieben wird, indem am Gate eine konstante Spannung (geringfügig höher als die gewünschte Ausgangsspannung) angelegt wird, und der Schalter 4 (FET 4) bei dieser Betriebsart (F2) permanent im geöffneten (nichtleitenden) Zustand gehalten wird, um die Energie im Längsreglerbetrieb dem Energiespeicher (11) zuzuführen. Der Transistor wird also im ungesättigten Bereich betrieben und mit einer ungepulsten Spannung zwischen dem Aus- und Ein-Level angesteuert. Zwar kann generell mittels D/A-Wandlung eine solche Spannung auch aus einem digitalen Signal gewonnen werden. Sollte aus technischen Gründen eine solche Ansteuerung aber nicht zur Verfügung stehen, wird in 9 noch eine alternative technische Lösung für diese zweite Funktionsweise vorgestellt, die ebenfalls eine geringe EMV-Abstrahlung als im reinen Wandlerbetrieb aufweist, aber einen digitalen Betrieb ermöglicht.
  • Die 4 zeigt eine Darstellung des erfindungsgemäßen Netzteilkonzepts (1), bei diesem die Betriebsart „F3" dargestellt ist, wobei bei dieser Betriebsart das Netzteil als Abwärtswandler arbeitet. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, sind die Schaltungselemente (9.1, 3, 3.1, 6, 2, 7, 11), welche für den Abwärtswandlerbetrieb erforderlich sind, hervorgehoben. Auf die Funktionsweise des Netzteils im Aufwärtswandlerbetrieb wird wiederum nicht detaillierter eingegangen, da die Funktionsweise dem Fachmann bekannt ist. Angemerkt sei lediglich, dass der Schalter 4 (FET 4) bei dieser Betriebsart (F3) permanent im geöffneten (nichtleitenden) Zustand gehalten wird, und der Schalter 3 (FET 3) bei dieser Betriebsart (F3) getaktet wird, um die Energie im Energiespeicher (11), mittels der Spule (2) auf das gewünschte Potential zu transferieren, um daraus einen Verbraucher (5) (Last, μC) mit Spannung versorgen zu können.
  • Die 5 zeigt eine Darstellung des erfindungsgemäßen Netzteilkonzepts (1), bei diesem die Betriebsart „F0" dargestellt ist, wobei bei dieser Betriebsart das Netzteil ähnlich der 4 als Abwärtswandler arbeitet. Abweichend zur 4, wird hierbei der „Hauptpfad" des Netzteils nicht aus dem Kfz-Bordnetz (UBatt.) versorgt, sondern von der Energie des Autarkie-Energiespeichers (12), welche – wie bereits bei der 2 erörtert – mittels des Schalters (8) (FET 8) im Autarkiefall dem „Hauptpfad" zugeschaltet wird.
  • Die 6 zeigt eine Darstellung des erfindungsgemäßen Netzteilkonzepts (1) mit Zusatzfunktion, bei diesem die Betriebsart „F3" dargestellt ist, wobei bei dieser Betriebsart das Netzteil als Abwärtswandler – zur Erzeugung von 2 Ausgangsspannungen – arbeitet, wobei die beiden Ausgangsspannungen ein unterschiedliches Potential aufweisen. In Ergänzung zur 4 ist nach der Spule (2) ein weiterer Schalter (13) (FET 13) angeordnet, mittels diesem der Energiespeicher (11.1) zeitlich zugeschaltet werden kann. Mittels dieser zeitlichen Zuschaltung kann mittels des Netzteils im Abwärtswandlerbetrieb eine weitere Spannung generiert werden, um damit weitere Verbraucher (5.1) (Lasten, μCs) mit einer weiteren vorzugsweise von der ersten Spannung abweichenden Spannung versorgen zu können. Auf die nähere Funktionsweise dieses Spezialbetriebsfalles wird nicht näher eingegangen, da die exakte Funktionsweise der Offenlegungsschrift DE 10 2005 028 434 A1 bzw. WO 2006/133661 A2 zu entnehmen ist.
  • Die 7 zeigt eine Darstellung des erfindungsgemäßen Netzteilkonzepts (1) mit Zusatzfunktion, bei diesem die Betriebsart „F2" dargestellt ist, wobei bei dieser Betriebsart das Netzteil als Längsregler plus Abwärtswandler – zur Erzeugung von 2 Ausgangsspannungen – arbeitet. In Ergänzung zur 3, ist nach der Spule (2) analog der 7 ein weiterer Schalter (13) (FET 13) angeordnet, mittels diesem der Energiespeicher (11.1) zeitlich zugeschaltet werden kann. Mittels dieser zeitlichen Zuschaltung kann das Netzteil im kombinierten Längsregler- und Abwärtswandlerbetrieb eine weitere Spannung generieren. Wie aus der 7 symbolisch zu entnehmen ist, wird der Energiespeicher (11) mittels einer Längsreglerbetriebsart geladen, indem der Schalter (3) (FET 3) als Source-Folger gemäß 3 betrieben wird, sowie der Energiespeicher (11.1) mittels einer Abwärtswandlerbetriebsart geladen, indem der Schalter (3) (FET 3) zeitweise getaktet wird und gemäß 4 betrieben wird. Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, wird zur Ladung des Energiespeichers (11.1) der Schalter (13) (FET 13) synchron mit dem Schalter (3) getaktet, welcher zeitweise getaktet wird. Zur Verhinderung, dass zwischen den beiden Energiespeichern (11, 11.1) ungewünschte Ausgleichsströme fließen, ist die Spannung am Energiespeicher (11.1) kleiner gegenüber der Spannung am Energiespeicher (11) zu wählen.
  • Die 8 zeigt eine prinzipielle Übersichts-Darstellung des erfindungsgemäßen Netzteilkonzepts (1), aus dieser ersichtlich ist, welcher Schalter bei welcher Betriebsart, wie angesteuert wird. Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird die Bordnetzspannung (UBatt.), bzw. Netzteil-Eingangsspannung (UBatt.) mehreren Komparatoren (K1, K2, K3) zugeführt, mittels diesen die Betriebsarten des Netzteils selektiert werden, wobei sich die Betriebsarten (F0, F1, F2, F3) bei den unterschiedlichen Eingangsspannungen (UBatt.) wie folgt einstellen:
    • – Bei einer Spannung im Bereich von ca. 4 Volt bis ca. 12 Volt ist die Betriebsart „F1" (Aufwärtswandlerbetrieb) aktiv.
    • – Bei einer Spannung im Bereich von ca. 12 Volt bis ca. 15 Volt ist die Betriebsart „F2" (Längsreglerbetrieb) aktiv.
    • – Bei einer Spannung im Bereich von größer ca. 15 Volt ist die Betriebsart „F3" (Abwärtswandlerbetrieb) aktiv.
    • – Bei einer Spannung im Bereich von kleiner ca. 4 Volt ist die Betriebsart „F0" (Abwärtswandlerbetrieb) aktiv.
  • Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, wird werden die FET-Schalter (3, 4, 8) bei den. einzelnen Betriebsarten wie folgt angesteuert.
    • – Bei der Betriebsart „F0" wird der (p-Kanal) FET 8 leitend geschalten, indem an dessen Gate ein niederpotentiales Signal angelegt wird. Der (n-Kanal) FET 4 wird in dessen geöffneten Zustand gehalten, indem an dessen Gate ein niederpotentiales Signal angelegt wird. Der (n-Kanal) FET 3 wird im Schalterbetrieb betrieben, indem an dessen Gate ein getaktetes Signal angelegt wird.
    • – Bei der Betriebsart „F1" wird der (p-Kanal) FET 8 nichtleitend geschalten, indem an dessen Gate ein hochpotentiales Signal angelegt wird. Der (n-Kanal) FET 3 wird in dessen geschlossenen (leitenden) Zustand gehalten, indem an dessen Gate ein höherpotentiales Signal angelegt wird. Der (n-Kanal) FET 4 wird im Schalterbetrieb betrieben, indem an dessen Gate ein getaktetes Signal angelegt wird.
    • – Bei der Betriebsart „F2" wird der (p-Kanal) FET 8 nichtleitend geschalten, indem an dessen Gate ein hochpotentiales Signal angelegt wird. Der (n-Kanal) FET 3 wird in dessen Regel-Zustand (Source-Folger) gehalten, indem an dessen Gate ein gegenüber der gewünschten Ausgangsspannung etwas höheres Signal angelegt wird. Der (n-Kanal) FET 4 wird in dessen geöffneten Zustand gehalten, indem an dessen Gate ein niederpotentiales Signal angelegt wird.
    • – Bei der Betriebsart „F3" wird der (p-Kanal) FET 8 nichtleitend geschalten, indem an dessen Gate ein hochpotentiales Signal angelegt wird. Der (n-Kanal) FET 4 wird in dessen geöffneten Zustand gehalten, indem an dessen Gate ein niederpotentiales Signal angelegt wird. Der (n-Kanal) FET 3 wird im Schalterbetrieb betrieben, indem an dessen Gate ein getaktetes Signal angelegt wird.
  • Abschließend sei erwähnt, dass die in den Figuren genannten Spannungswerte, bzw. Kamparatorschwellen, wie auch Schaltungskomponenten, ausgeführt als p-Kanal-FET und n-Kanal-FET, die Realisierung der Logik, sowie die Erzeugung der Spannungen für die Komparatorschwellen mittels eines Widerstandsspannungsteilers, nur beispielhaft sind, und funktionsgleiche bzw. funktionsähnliche Realisierungen im Schutzumfang enthalten bzw. eingeschlossen sind.
  • Ebenso sei noch erwähnt, dass es sich bei den mindestens zwei Schaltern zum Steuern des Energieflusses durch die zumindest eine Spule (2), vorzugsweise um die beiden Halbleitertransistro-Schalter 3 und 4 handelt, wobei jedoch auch andere Schalteranordnungen möglich sind. Beispielsweise sei eine Schalteranordnung angeführt, bei dieser einer der Schalter (8) dem Hilfswandler (10) bzw. Aufwärtswandler (10) zugeordnet ist, und der weitere Schalter dem als Abwärtswandler arbeitenden Schalter 3 des Netzteils entspricht, so dass der Energiefluss durch die Spule (2), vom Bordnetz bzw. vom Eingang des Netzteils (1), über den Hilfswandler (10) bzw. Aufwärtswandler (10), über den als Abwärtswandlerwandler arbeitenden erfindungsgemäßen Netzteilkonzepts (1) zum Ausgang des Netzteils bzw. dem Ausgangskondensator (11) erfolgt.
  • Die 9 zeigt eine Ausgestaltungsform, bei diesem die zweite Funktionsweise „F2*" alternativ zu 3 mit einem parallelen Strompfad ausgeführt ist, welcher vorzugsweise optional zu- bzw. weggeschaltet werden kann und im Wesentlichen aus den Elementen 14, 15, 16, 20 besteht. Vorzugsweise wird sogar ein erster Teil des Stroms über den parallelen Strompfad und ein zweiter Teil des Stroms über die Spule (2) im Abwärtswandlerbetrieb bereitstellt. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, sind die Schaltungselemente (9.1, 3, 3.1, 6, 2, 7, 11, 19, 20, 15, 14, 16, 18), welche für den Abwärtswandlerbetrieb bzw. als parallelen Strompfad erforderlich sind, fett hervorgehoben.
  • Die Funktionsweise bei der erfindungsgemäßen Betriebsart (F2*), bei dieser der Strompfad (mit den wesentlichen Elementen 3, 6, 2) eines Abwärtswandlers erfindungsgemäß mit einem (vorzugsweise synchron) getakteter Bypass-Pfad unterstützt wird, ist wie folgt:
    Während der Bestromung der Spule 2 wird durch Schließen des Schalters 3 der als Transistor ausgeführte Schalter 14 angesteuert bzw. in dessen leitenden Zustand übergeführt, sodass sich auch über diesen Bypass-Pfad ein Ladestrom für den Kondensator ausbildet, wobei die (Strom-)Größe des zusätzlichen Bypass-Ladestroms im wesentlichem von dem Wert des Widerstandes 15, sowie der Spannungsdifferenz der zur Verfügung stehenden Eingangsspannung (UBatt bzw. Spannung des Autarkie-Energiespeichers) gegenüber der Spannung am Kondensator 11 bestimmt wird. In der Freilaufphase der Spule 2 nimmt der Schalter 14 bei diesem Beispiel einen nichtleitenden Zustand an. Der Vorteil welcher sich bei diese synchronen getakteten Bypass-Unterstützung ergibt, ist zum einen darin zu sehen, dass ohne einer weiteren zusätzlichen Regelelektronik, eine Verringerung der EMV-Störabstrahlung (insbesondere magnetischer Abstrahlung) erlangt wird, da ein Teil der Energie zur Versorgung des Systems, bez. Bereitstellung der Energie am Energiespeicher 11 für die Last 5, nicht über die Spule 2 geführt wird, sondern über dem erfindungsgemäßem parallelen Strompfad fliesst.
  • Vorzugsweise erfolgt hierbei die Ansteuerung des erfindungsgemäßen Bypass-Pfades synchron zur Ansteuerung des Abwärtswandlerpfades, da somit nur eine Regelungs-Logik (Logik 3.1) zur Erzeugung der Ansteuersignale, welche vorzugsweise mittels einer Puls-Weiten-Modulation (PWM-Regelung) erfolgt bzw. ausgeführt ist. Eine unsynchronisierte Lösung mit zwei separaten PWM-Regelungen, zur Ansteuerung der Schalter 3 und 14 ist ebenso möglich.
  • Wie die 9 weiter zeigt, kann mittels des Schalters 19 die Auswahl erfolgen, ob der Abwärtswandler mit Bypass-Pfad direkt aus der Klemme 15 (UBatt) über die Diode 9.1 versorgt wird, oder über den Autarkiekondensatorspeicher 12, welcher mittels eines Hilfswandlers (10) oder eines Aufwärtswandlers (10) aus der Batteriespannung auf eine – gegenüber der typischen Batteriespannung – höhere Spannung geladen wird. Die Versorgung des Abwärtswandler mit Bypass-Pfad aus dem Autarkie-Energiespeicher (12) ist primär immer dann vorgesehen, wenn ein Autarkiefall (d. h. unzureichende Spannung an Klemme 15) vorliegt. Applikationsabhängig kann es auch vorgesehen werden, dass die Versorgung des erfindungsgemäßen Netzteils bzw. des erfindungsgemäßen Abwärtswandler mit (und ohne) Bypass-Pfad auch permanent aus dem Autarkie-Energiespeicher erfolgt, wobei in diesem Fall, der Hilfswandlers (10) bzw. der Aufwärtswandlers (10) entsprechend kräftig dimensioniert sein muss, um die im System erforderliche Energie bereitstellen zu können.
  • Wie aus der 9 weiter hervorgeht, kann mittels des weiteren Schalters 20 eingestellt werden, ob der erfindungsgemäße Bypass-Pfad aktiv oder passiv geschalten ist. Eine Passivierung ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn die Eingangsspannung an Klemme 15 zu groß ist, um den Pulsstrom im Widerstand 15 zu begrenzen, sodass die Pulsbelastbarkeit des Widerstandes 15 sich auf einen geringen Wert begrenzen kann, bzw. der Widerstand 15 nicht für Extrem-Pulsbelastungen dimensioniert werden muss.
  • Der gezeigt Abwärtswandler gemäß 9, kann auch als kombinierter Auf- und Abwärtswandler (wie in 3 als solches prinzipiell dargestellt/ersichtlich), jeweils ergänzt mit dem erfindungsgemäßem Bypass-Pfad realisiert werden.
    • 1
    Schaltnetzteil
    1.1
    Netzteil-Ausgangsspannung
    2
    Spule/Induktivität des Netzteils
    3
    Schalttransistor/FET (n-Kanal-FET)
    3.1
    Logik zur Ansteuerung von 3
    4
    Schalttransistor/FET (n-Kanal-FET)
    4.1
    Logik zur Ansteuerung von 4
    5
    Last/μC/Verbraucher
    5.1
    Last/μC/Verbraucher
    6
    Freilauf-Diode der Abwärtswandler-Funktionalität
    7
    Freilaufdiode der Aufwärtswandler-Funktionalität
    8
    Schalttransistor/FET (p-Kanal-FET)
    8.1
    Logik zur Ansteuerung von 8
    9.1
    Verpolschutzdiode
    9.2
    Verpolschutzdiode
    10
    Hilfswandler/DC/DC-Wandler/Aufwärtswandler
    11
    Energiespeicher
    11.1
    Energiespeicher
    12
    Autarkie-Energiespeicher
    13
    Schalttransistor/FET (n-Kanal-FET)
    13.1
    Logik zur Ansteuerung von 13
    FO
    Abwärtswandler-Betriebsart im Autarkiefall
    F1
    Aufwärtswandler-Betriebsart
    F2
    Längsregler-Betriebsart
    F3
    Abwärtswandler-Betriebsart
    K1
    Komparator 1
    K2
    Komparator 2
    K3
    Komparator 3
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19746546 A1 [0004]
    • - DE 19715571 A1 [0004]
    • - DE 102005028434 A1 [0036]
    • - WO 2006/133661 A2 [0036]

Claims (15)

  1. Schaltnetzteil (1) zum Erzeugen einer vorgegebenen Ausgangsspannung (1.1) aus einem Kfz-Bordnetz mit zumindest einer Spule (2) sowie zumindest zwei Schaltern (3, 4) zum Steuern des Energieflusses durch die zumindest eine Spule (2), dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der eingangseitigen Kfz-Bordnetzspannung oder aktuellen Ausgangsspannung mindestens drei unterschiedliche Funktionsweisen (F1, F2, F3) des Schaltnetzteils (1) einstellbar sind.
  2. Schaltnetzteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktionsweise (F1) des Schaltnetzteils (1) ein Aufwärtswandlerbetrieb ist.
  3. Schaltnetzteil (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Funktionsweise (F1) des Schaltnetzteils (1) einstellt, wenn die eingangseitige Kfz-Bordnetzspannung kleiner als die vorgegebene Ausgangsspannung (1.1) ist.
  4. Schaltnetzteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsweise (F2) des Schaltnetzteils (1) ein Längsreglerbetrieb ist.
  5. Schaltnetzteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsweise (F2) des Schaltnetzteils (1) einen zur Spule (2) parallel schaltbaren Strompfad (15, 14) vom Bordnetz zum Ausgang vorsieht.
  6. Schaltnetzteil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsweise (F2) des Schaltnetzteils (1) einen ersten Teil des Stroms über den parallelen Strompfad (15, 14) und einen zweiten Teil des Stroms über die Spule (2) im Abwärtswandlerbetrieb bereitstellt.
  7. Schaltnetzteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Funktionsweise (F2) des Schaltnetzteils (1) einstellt, wenn die eingangseitige Kfz-Bordnetzspannung gleich oder größer als die vorgegebene Ausgangsspannung (1.1) ist.
  8. Schaltnetzteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Funktionsweise (F3) des Schaltnetzteils (1) einen Abwärtswandlerbetrieb ist.
  9. Schaltnetzteil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die dritte Funktionsweise (F3) des Schaltnetzteils (1) einstellt, wenn die eingangseitige Kfz-Bordnetzspannung um einen vorgegebenen Wert größer als die vorgegebene Ausgangsspannung (1.1) ist.
  10. Schaltnetzteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Funktionsweise (F1) des Schaltnetzteils (1) und der dritten Funktionsweise (F3) des Schaltnetzteils (1) das Schaltnetzteil (1) mindestens eine weitere Funktionsweise (F2) aufweist.
  11. Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils (1) zum Erzeugen einer vorgegebenen Ausgangsspannung (1.1) aus einem Kfz-Bordnetz mit zumindest einer Spule (2) sowie zumindest zwei Schaltern (3, 4) zum Steuern des Energieflusses durch die zumindest eine Spule (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil (1) in Abhängigkeit der eingangseitigen Kfz-Bordnetzspannung oder aktuellen Ausgangsspannung in mindestens drei unterschiedlichen Funktionsweisen (F1, F2, F3) betrieben wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Funktionsweise (F1) ein Aufwärtswandlerbetrieb, in der dritten Funktionsweise (F3) ein Abwärtswandlerbetrieb und in der zweiten Funktionsweise (F2) ein Längsreglerbetrieb erfolgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Funktionsweise (F1) ein Aufwärtswandlerbetrieb, in der dritten Funktionsweise (F3) ein Abwärtswandlerbetrieb und in der zweiten Funktionsweise (F2) ein zur Spule (2) parallel schaltbarer Strompfad (15, 14) vom Bordnetz zum Ausgang zeitweise aktiviert wird.
  14. Elektronikbaugruppe mit einem Schaltnetzteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  15. Kraftfahrzeug (5), insbesondere PKW oder LKW, ausgestattet mit einer Elektronikbaugruppe nach Anspruch 14.
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