DE102008036534A1 - Schaltnetzteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung, insbesondere ein Schaltnetzteil, mit einem Versorgungsspannungseingang, mindestens einem Ausgang zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung eines Verbrauchers, mindestens einem Schaltregler, welcher zumindest ein Schaltreglerleistungsteil und eine Schaltreglersteuereinheit umfasst, und einer Steuereinheit zur Steuerung des Schaltreglers, wobei die Steuereinheit Mittel zur Bestimmung eines statischen Versorgungsspannungsintervalls aufweist, innerhalb welchem der Schaltregler eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom bereitstellt. Die Aufgabe, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Gleichspannungs- und/oder Gleichstromversorgung, insbesondere ein Schaltnetzteil, zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches bei geringem Platzbedarf kostengünstig ist und einen Spannungseinbruch der Versorgungseingangsspannung temporär überbrücken kann, wird dadurch gelöst, dass die Steuereinheit Mittel zur Bestimmung eines dynamischen Spannungsintervalls, in welchem der Schaltregler eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom am Ausgang bereitstellt, aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung, insbesondere ein Schaltnetzteil, mit einem Versorgungsspannungseingang, mindestens einem Ausgang zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung eines Verbrauchers, mindestens einem Schaltregler, welcher zumindest ein Schaltreglerleistungsteil und eine Schaltreglersteuereinheit umfasst, und einer Steuereinheit zur Steuerung des Schaltreglers, wobei die Steuereinheit Mittel zur Bestimmung eines statischen Versorgungsspannungsintervalls aufweist, innerhalb welchem der Schaltregler eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom bereitstellt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung vorteilhafte Verwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gleichspannungs- und Gleichstromversorgung.
  • Vorrichtungen zur Gleichspannungs- und/oder Gleichstromversorgung, insbesondere Schaltnetzteile, werden unter anderem in Steuergeräten, welche für den Betrieb von Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden, verwendet. Das Steuergerät gewährleistet zumeist die gesamte Ablaufsteuerung, beispielsweise das Starten und Synchronisieren des Generators zu einem bereits in Betrieb befindlichen elektrischen Netz. Ferner können derartige Steuergeräte auch Überwachungsfunktionen oder auch den Datenverkehr zu anderen Anlagen bereitstellen. Das Steuergerät wird in der Regel über einen Akkumulator mit 12 V oder 24 V Nennspannung versorgt, welcher auch die Energie zum Starten beispielsweise eines Diesel-Generators zur Verfügung stellt. Die Akkumulatoren werden in der Regel über Ladevorrichtungen geladen, so dass immer eine ausreichende Energiemenge zur Verfügung steht. Beim Starten des Generators, beispielsweise eines Diesel-Generators, benötigt der Anlasser einen sehr großen Strom, so dass es zu einem Einbruch der Akkumulatorspannung kommen kann, vor allem dann, wenn der Akkumulator schlecht gewartet oder bereits gealtert ist. Um diesem Spannungseinbruch entgegenzuwirken werden üblicherweise Energiespeichereinrichtungen in den Schaltnetzteilen verwendet, welche den Spannungseinbruch temporär überbrücken. Diese bestehen zumeist aus einem oder mehreren Kondensatoren mit hoher Kapazität und einer vorgeschalteten Diode, welche den Stromrückfluss sperrt. Die Stromversorgungsschaltung muss darüber hinaus kurzzeitige Spannungsspitzen, wie sie beispielsweise bei defekten Akkumulatorladevorrichtungen auftreten ohne Beeinträchtigung überstehen. Schließlich besteht der Wunsch, dass die Funktion bei geringen Kosten und einem geringen Raumbedarf realisiert werden.
  • In 5 ist ein zeitlicher Verlauf der Versorgungsspannung angegeben (Crank Waveform), welcher durch Vorrichtungen zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung in Steuergeräten toleriert werden soll, ohne dass es zu einer Beeinflussung der Spannungs- oder Stromversorgung der Verbraucher kommt. Es fällt auf, dass es zunächst zu einem tiefen Einbruch auf 3,5 V der Versorgungsspannung kommt, welcher für ca. 50 ms überbrückt werden muss. Anschließend steigt die Versorgungsspannung auf 5 V und nach 300 ms auf ca. 7 V an. Der Arbeitsbereich der Versorgungsspannung der Schaltnetzteile, d. h. das statische Versorgungsspannungsintervall, kann beispielsweise bei 7 V beginnen, so dass der Spannungseinbruch bis 7 V wieder erreicht werden, überbrückt werden muss. Um diesen Spannungseinbruch zu überbrücken, ist bisher vorgesehen, die Energiespeichereinrichtungen mit einem oder mehreren Elektrolytkondensatoren mit großer Kapazität und Spannungsfestigkeit auszustatten. Diese Lösung ist jedoch einerseits aufgrund beispielsweise einer Mehrzahl an Elektrolytkondensatoren hoher Kapazität nicht platzsparend und andererseits relativ kostenintensiv. Eine Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgungsschaltung zu verwenden, welche dauerhaft mit einer Versorgungsspannung von 3,5 V arbeiten kann, scheitert aus zwei Gründen. Zum einen muss die Versorgungsschaltung auch Spannungsspitzen bis zu 80 V verkraften. Zum anderen steigt die Temperatur bei niedriger Versorgungsspannung aufgrund der hohen Ströme im Schaltreglerleistungsteil innerhalb von beispielsweise 100 ms stark an, so dass überdimensionierte Schaltreglerleistungsteile vorgesehen werden müssen. Derartige Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung sind daher unwirtschaftlich.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung, insbesondere ein Schaltnetzteil, zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches bei geringem Platzbedarf kostengünstig ist und Spannungseinbrüche, insbesondere eine „Crank Waveform” der Versorgungsspannung überbrücken kann. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine vorteilhafte Verwendung der Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung vorzuschlagen.
  • Die oben aufgezeigte Aufgabe wird gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung für eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung dadurch gelöst, dass die Steuereinheit Mittel zur Bestimmung eines dynamischen Spannungsintervalls aufweist, in welchem der Schaltregler eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom am Ausgang bereitstellt.
  • Bisher war bekannt, die Steuereinheit der Schaltreglersteuereinheit nur für ein statisches Versorgungsspannungsintervall auszulegen, so dass bei einem temporären Absinken der Versorgungsspannung außerhalb des statischen Versorgungsspannungsintervalls trotz des Vorhandenseins von Energiespeichereinrichtungen die Spannungs- oder Stromversorgung zusammenbrach. Unter Verwendung der Mittel zur Bestimmung eines dynamischen Versorgungsspannungsintervalls der Steuereinheit zur Steuerung des Schaltreglers wird nun ein dynamischer Bereich der Versorgungsspannung definiert, in welchem die Steuereinheit, beispielsweise trotz eines Spannungseinbruchs der Versorgungsspannung, den Schaltregler dennoch so ansteuert, so dass dieser weiterhin eine Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung eines Verbrauchers über den Ausgang des Schaltreglerleistungsteils gewährleistet. Mit der Bestimmung eines dynamischen Versorgungsspannungsintervalls ist vorliegend die Bestimmung eines zeitlichen Verlaufs der Versorgungsspannung gemeint. Hierunter kann beispielsweise eine besonders starke Unterschreitung des statischen Versorgungsspannungsintervalls für eine sehr kurze Zeit oder eine geringe Unterschreitung des statischen Versorgungsspannungsintervalls für längere Zeit verstanden werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bleiben derartige Unterschreitungen des statischen Versorgungsspannungsintervalls ohne Einfluss auf die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dadurch, dass die Steuereinheit des Schaltreglers ein dynamisches Versorgungsspannungsintervall nutzt, kann im Unterschied zum Stand der Technik prinzipiell auf Energiespeicher mit großen Abmessungen und Kapazitäten verzichtet werden, da das Schaltreglerleistungsteil effektiver ausgenutzt wird. Aufgrund der zu erwartenden stärkeren Erwärmung des Schaltreglerleistungsteils im Falle des Unterschreitens des statischen Versorgungsspannungsintervalls sind die Mittel zur Bestimmung des dynamischen Versorgungsspannungsintervalls vorzugsweise so auszulegen, dass die maximale Temperatur des Leistungshalbleiters des Schaltreglerleistungsteils nicht überschritten wird.
  • Gemäß einer ersten einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als Mittel zur Bestimmung des dynamischen Versorgungsspannungsintervalls ein Zeitglied, insbesondere ein RC-Glied, im Spannungseingang der Steuereinheit vorgesehen. Das Zeitglied legt die Dynamik fest, mit welcher bei einem Spannungseinbruch der Versorgungsspannung die Steuereinheit die Schaltreglersteuereinheit freigibt, in dem beispielsweise, bei Verwendung des RC-Gliedes, die im Kondensator enthaltene Energie zur Überbrückung des Spannungseinbruchs am Spannungseingang der Steuereinheit des Schaltreglers verwendet wird.
  • Ein Rückfluss der im Kondensator gespeicherten Energie durch einen Stromrückfluss kann einfach dadurch verhindert werden, dass mindestens eine dem Kondensator des RC-Gliedes vorgeschaltete Diode vorgesehen ist.
  • Gemäß einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Steuereinheit einen Komparator auf, dessen positiver Eingang über mindestens einen Widerstand mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist. Der Komparator weist bereits eine Hysterese auf, die aber nur ein relativ enges Versorgungsspannungsintervall ermöglicht, in welchem der Komparator ein Freigabesignal an die Schaltreglersteuereinheit übermittelt. Über den erfindungsgemäß vorgesehenen Widerstand kann die Größe des statischen Versorgungsspannungsintervalls, in welchem der Komparator ein Freigabesignal an den Schaltregler aussendet, auf das gewünschte Maß mit einfachen Mitteln eingestellt werden.
  • Eine Verschiebung des statischen Versorgungsspannungsintervalls in den gewünschten Bereich, in welchem die Steuereinheit die Schaltreglersteuereinheit freigibt, kann gemäß einer weiteren einfachen Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass der positive Eingang des Komparators der Steuereinheit über einen Spannungsteiler mit dem Spannungseingang der Steuereinheit verbunden ist. Durch Auswahl der in dem Spannungsteiler verwendeten Widerstände kann das statische Versorgungsspannungsintervall gezielt beispielsweise auf einen Bereich von 7 V bis 80 V eingestellt werden.
  • Ein vereinfachter Aufbau der Steuereinheit wird dadurch realisiert, dass der Komparator eine interne Referenzspannungsquelle aufweist. Der Komparator vergleicht beispielsweise lediglich seinen positiven Eingang mit der Referenzspannung und schaltet ein Freigabesignal auf den Ausgang, sobald eine Spannung am zum positiven Eingang anliegt, welche größer als die Referenzspannung ist. Ein zweiter Eingang des Komparators muss insofern nicht verschaltet werden.
  • Gemäß einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das als Zeitglied fungierende RC-Glied der Steuereinheit parallel zum Spannungsteiler des Komparators mit dem Spannungseingang der Steuereinheit verbunden. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass die am positiven Eingang des Komparators anliegende Spannung bei einem Spannungseinbruch auf einfache Weise kurzfristig über die im Kondensator gespeicherte Energie bereitgestellt werden kann, so dass Spannungseinbrüche überbrückt werden können.
  • Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung dadurch verbessert werden, dass mindestens eine erste Energiespeichereinrichtung vorgesehen ist, mit welcher zumindest der Spannungseingang der Steuereinheit verbunden ist. Wie bereits ausgeführt, kann prinzipiell aufgrund des dynamisch definierten Versorgungsspannungsintervalls auf eine entsprechende erste Energiespeichereinrichtung verzichtet werden. Die Energiespeichereinrichtung führt aber zur Verbesserung der Absicherung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und kann in Verbindung mit den Mitteln zur Bestimmung des dynamischen Versorgungsspannungsintervalls der Steuereinheit deutlich kleiner in Bezug auf Kapazität und räumliche Abmessungen ausfallen.
  • Die erste Energiespeichereinrichtung wird üblicherweise auch zur Versorgung des Schaltreglerleistungsteils genutzt, so dass die Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch weiter verbessert werden kann, dass zur Spannungsversorgung des Komparators der Steuereinheit ein Spannungsregler vorgesehen ist, welcher über eine zweite Energiespeichereinrichtung mit dem Versorgungsspannungseingang verbunden ist, wobei die zweite Energiespeichereinrichtung parallel zur ersten Energiespeichereinrichtung mit dem Versorgungsspannungseingang verbunden ist. Durch die parallel geschalteten Energiespeichereinrichtungen können sowohl die erste als auch die zweite Energiespeichereinrichtung deutlicher kleiner in Bezug auf Kapazität der Kondensatoren und deren Abmessungen ausfallen. Trotz der zusätzlichen Energiespeichereinrichtung können die Kosten und der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter gesenkt werden.
  • Besonders einfache Energiespeichereinrichtungen weisen gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform mindestens einen Kondensator und mindestens eine Diode auf. Die den Stromrückfluss sperrende Diode kann vorzugsweise als Schottky-Diode mit geringer Flussspannung, beispielsweise kleiner oder gleich 0,3 V, ausgebildet sein. Es sind aber auch andere Lösungen zur Stromrückflusssperre denkbar, beispielsweise MOSFET-Lösungen.
  • Zur weiteren Verbesserung der gattungsgemäßen Vorrichtung können gemäß einer nächsten Ausführungsform der Erfindung alternativ zum RC-Glied oder zusätzlich Mittel zur Messung des Drain-Source-Stroms oder der Drain-Source-Spannung mindestens eines Leistungstransistors des Schaltreglerleistungsteils vorgesehen sein. Die Messung des Drain-Source-Stroms oder der Drain-Source-Spannung kann einerseits als zusätzliches Abschaltkriterium verwendet werden, so dass die Wärmekapazität des Leistungshalbleiters des Schaltreglerleistungsteils inklusive seiner Kühlflächen und/oder Kühlkörper besser ausgenutzt werden kann. In einer alternativen Ausführungsform wird das dynamische Versorgungsspannungsintervall über die Messung der Drain-Source-Spannung bzw. durch eine Drain-Source-Strommessung bestimmt und lediglich die ermittelten Spannungs- bzw. Stromwerte als Abschaltkriterien herangezogen. Die Messung der Drain-Source-Spannung oder des Drain-Source-Stroms inklusive der Generierung des Freigabesignals des Schaltreglers kann sowohl digital als auch analog erfolgen.
  • Eine weitere verbesserte Ausführungsform ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Leistungsreserven des Leistungstransistors des Schaltreglerleistungsteils und darüber hinaus auch eine alternative Möglichkeit zur Bestimmung des dynamischen Versorgungsspannungsintervalls dadurch, dass alternativ zum RC-Glied oder zusätzlich Mittel zur Messung der Temperatur des Leistungstransistors des Schaltreglerleistungsteils vorgesehen sind. Über Temperaturmodelle besteht damit die Möglichkeit, den Leistungstransistor entweder an seiner Leistungsgrenze zu betreiben oder den Leistungstransistor derart auszulegen, dass dieser nicht überlastet wird. Dies ist insbesondere in Kombination mit der Nutzung eines dynamischen Versorgungsspannungsintervalls wichtig, weil in diesen Fällen der Drain-Source-Strom stark ansteigt. Auch die Messung der Temperatur und die Generierung des Freigabesignals für den Schaltregler kann digital oder analog ausgeführt sein. Alternativ kann auch die Temperatur des Leistungshalbleiters alleine, d. h. ohne die Verwendung des oben genannten RC-Gliedes zur Bestimmung des dynamischen Versorgungsspannungsintervalls verwendet werden.
  • Schließlich wird eine nächste vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch bereitgestellt, dass eine Schaltreglersteuereinheit vorgesehen ist, deren Eingangsspannung kleiner oder gleich 3 V beträgt. Dadurch wird erreicht, dass die Energiespeichereinrichtungen und das Zeitglied, insbesondere aber die Energiespeichereinrichtung, welche mit dem Spannungsregler der Steuereinheit verbunden ist, möglichst klein gestaltet werden können. Dies verringert die Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung.
  • Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die aufgezeigte Aufgabe durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Steuergerät, insbesondere in einem Steuergerät zum Betrieb von Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung gelöst. Vorteile ergeben sich insbesondere bei den Steuergeräten von Diesel-Generatoren und Generatoren von Wind- und Wasser- oder anderer Kraftwerke, die Akkumulatoren benötigen, um diese in Betrieb zu nehmen. Wie bereits ausgeführt, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung einen kompakten Aufbau bei gesteigerter Leistungsfähigkeit und verringerten Herstellkosten, so dass diese Vorteile auch für die die erfindungemäße Vorrichtung verwendenden Steuergeräte gelten.
  • Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
  • 1 eine schematische Schaltskizze eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Energiespeichereinrichtung,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei parallelen Energiespeichereinrichtungen,
  • 3 eine schematische Schaltskizze eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Mitteln zur Drain-Source-Spannungs- und/oder Strommessung,
  • 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Mittel zur Temperaturmessung am Schaltreglerleistungsteil und
  • 5 einen typischen Spannungsverlauf als Funktion der Zeit der Versorgungsspannung, welcher von gattungsgemäßen Strom- oder Spannungsversorgungsvorrichtungen erfüllt werden muss.
  • Eine Schaltskizze eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung ist in 1 dargestellt und wird im Weiteren als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils bezeichnet. Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils weist einen Versorgungsspannungseingang 1 auf, an welchen eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise ein Akkumulator angeschlossen ist. Der Ausgang 2 zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung dient zur Verbindung des Schaltnetzteils mit einem Verbraucher, beispielsweise mit einem Steuergerät zur Steuerung eines Diesel-Generators. Darüber hinaus ist ein Schaltregler bestehend aus einem Schaltreglerleistungsteil 3 und einer Schaltreglersteuereinheit 4 dargestellt.
  • Die Schaltreglersteuereinheit 4 erzeugt Schaltimpulse, welche den im vorliegenden Beispiel als Leistungs-MOSFET ausgebildeten Transistor 5 dazu veranlassen, bei jedem Schaltimpuls einen Drain-Source-Strom zu erzeugen. Dieser Stromimpuls führt in der Spule 6 zur Erzeugung eines magnetischen Flusses, welcher seinerseits zu Spannungsimpulsen in der als Ausgang 2 der Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgungsvorrichtung 1 dienenden Gleichrichterdioden- und Kondensatorenanordnung führt. Die Schaltimpulse werden durch die Schaltreglersteuereinheit 4 beispielsweise mit einer Frequenz von etwa 100 kHz erzeugt, so dass bei Verwendung der dargestellten Glättungskondensatoren eine Gleichspannung erzeugt wird. Es können aber durchaus andere Schaltfrequenzen zur Erzeugung einer Gleichspannung oder eines Gleichstroms am Ausgang 2 des Schaltregler-Leistungsteils 3 verwendet werden.
  • Die Schaltreglersteuereinheit 4 wird in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der 1 über eine Steuereinheit 7 freigegeben. Zur Erzeugung des Freigabesignals für die Schaltreglersteuereinheit 4 weist die Steuereinheit 7 einen Komparator 8 auf, welcher über einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 9, 10 und 13 mit dem Spannungseingang 11 der Steuereinheit 7 verbunden ist.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Komparator eine interne Referenzspannungsquelle auf, wobei lediglich der positive Eingang des Komparators 8 mit dem Spannungsteiler 9, 10 und 13 verbunden ist. Der Komparator 8 schaltet, sobald am positiven Eingang eine Spannungsdifferenz zur Referenzspannungsquelle anliegt, über seinen Ausgang 12 ein Freigabesignal in Form einer Spannung auf den Freigabeeingang der Schaltreglersteuereinheit 4. Mittels des Widerstands 13 kann die Hysterese zwischen den Schwellwerten der Versorgungsspannung, also das statische Versorgungsspannungsintervall, eingestellt werden, in denen der Komparator das Freigabesignal am Ausgang 12 schaltet. Wie bereits ausgeführt, dienen die Widerstände 9, 10 und 13 dazu, das statische Versorgungsspannungsintervall festzulegen.
  • Um nun dynamische Unterschreitungen des statischen Versorgungsspannungsintervalls, in welchem der Komparator 8 die Schaltreglersteuereinheit 4 freigibt, zu ermöglichen, ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Kondensators 14 parallel zum Spannungsteiler 9, 10 und 13 geschaltet. Die Diode 15 dient dazu, einen Rückfluss der im Kondensator 14 gespeicherten Energie zu vermeiden. Das dynamische Versorgungsspannungsintervall wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch das RC-Glied bestehend aus Kondensator 14, den Widerständen 9, 10 und 13 und der Diode 15 bestimmt.
  • Der Kondensator 14 wird bei anliegender Versorgungsspannung am Versorgungsspannungseingang 1 zunächst geladen und kann, beispielsweise bei temporärer Unterschreitung des stationären Versorgungsspannungsschwellwert zusätzlich Energie zur Verfügung stellen und die Spannung am positiven Komparatoreingang kurzzeitig aufrechterhalten, so dass ein dynamisches Spannungsversorgungsintervall bestimmt wird, in welchem das erfindungsgemäße Schaltnetzteil ohne Unterbrechung weiterarbeitet. Die optionale Zenerdiode 16 dient in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu, eventuell auftretende Überspannungen vom positiven Eingang des Komparators 8 fernzuhalten.
  • Der Spannungseingang 11 der Steuereinheit 7 ist über eine Energiespeichereinrichtung 17 mit dem Versorgungsspannungseingang 1 verbunden. Optional ist zwischen Versorgungsspannungseingang 1 und der Energiespeichereinrichtung 17 eine Sicherungseinrichtung 18 vorgesehen, die auch für den kurzzeitig zulässigen Überstrom ausgelegt ist. Die Energiespeichereinrichtung 17 besteht in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich aus einer den Stromrückfluss verhindernden Diode 19 sowie einem Kondensator 20, welcher parallel zum Versorgungsspannungseingang 1 geschaltet ist. Hierdurch wird ermöglicht, dass der Kondensator 14 aufgeladen wird, sobald seine Spannung unter die anliegende Versorgungsspannung abzüglich des Spannungsabfalls an der Diode sinkt. Der Kondensator puffert die Versorgungseingangsspannung am Komparator 8. Die Diode 19 kann auch als Verpolungsschutz dienen.
  • Darüber hinaus weist das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils in 1 einen Spannungsregler 21 für die Versorgungsspannung der Steuereinheit 7, einen Spannungsbegrenzer 22, welcher die Versorgungsspannung auf den maximal zulässigen Wert begrenzt, auf. Ferner ist eine Spannungsrückführung 23 vorgesehen, über welche die Schaltreglersteuereinheit 4 mit Ausgang 2 rückgekoppelt ist. Diese Rückkopplung ist vorzugsweise galvanisch trennend ausgeführt, was beispielsweise unter Verwendung eines Spannungsteilers und eines Optokopplers erreicht werden kann.
  • Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel aus 1 darin, dass eine zusätzliche, parallel zur ersten Energiespeichereinrichtung 17 geschaltete zweite Energiespeichereinrichtung 24 vorgesehen ist. Die zweite Energiespeichereinrichtung 24 ist von der ersten entkoppelt und sowohl mit dem Versorgungsspannungseingang 1, dem Spannungsregler 21 der Steuereinheit 7, dem Spannungsbegrenzer 22 sowie mit der Schaltreglersteuereinheit 4 verbunden.
  • Der Einsatz von zwei unabhängigen Energiespeichereinrichtungen 17 und 24 kann dazu genutzt werden, dass die zweite Energiespeichereinrichtung 24 auf die Bereitstellung der notwendigen Spannung am Spannungsregler 21, Spannungsbegrenzer 22 und der Schaltreglersteuereinheit 4 ausgelegt ist, wohingegen die erste Energiespeichereinrichtung 17 so ausgelegt werden kann, dass diese bis zu sehr kleinen Spannung, beispielsweise 1,5 V entleert werden kann. Hierdurch ergibt sich eine Verringerung der Gesamtkapazität der Energiespeichereinrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und damit verringerte Einschaltströme eines Steuergerätes.
  • Die Struktur des zweiten Ausführungsbeispiels in 2 ermöglicht einen kostengünstigeren Aufbau der Energiespeichereinrichtungen 17 und 24, welche im einfachsten Fall, wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel erläutert, aus einer Diode 17 bzw. 25 und einem Kondensator 20 bzw. 26 bestehen. Mit den parallel angeordneten Energiespeichereinrichtungen 17 und 24 in Verbindung mit dem aus dem Kondensator 14 und den Widerständen 9, 10 und 13 bestehenden RC-Glied, welches ein dynamisches Versorgungsspannungsintervall zur Ansteuerung der Schaltreglersteuereinheit 4 ermöglicht, kann ein kostengünstiges und kompakt aufgebautes Schaltnetzteil zur Verfügung gestellt werden, welches trotz des gedrängten Aufbaus für eine definierte Zeitspanne eine Unterschreitung der Versorgungseingangsspannung unter den stationären Ausschaltschwellwert ohne Funktionsunterbrechung ermöglicht. Insbesondere ermöglicht ein erfindungsgemäßes Schaltnetzteil eine Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung trotz einer Versorgungsspannung mit einer „crank Waveform”, wie sie 5 zeigt, zu gewährleisten.
  • In 3 ist drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Schaltskizze dargestellt, wobei sich das dritte Ausführungsbeispiel vom zweiten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass zusätzlich Mittel 27 zur Messung der Drain-Source-Spannung des Leistungshalbleiters 5 vorgesehen sind, deren Messwert als Kriterium zur Generierung eines Freigabesignals am Ausgang 29 zur Freigabe der Schaltreglersteuereinheit 4 verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann über einen Messwiderstand R der Spannungsabfall und damit der Drain-Source-Strom ermittelt werden.
  • 4 zeigt dagegen ein viertes Ausführungsbeispiel, welches sich vom zweiten Ausführungsbeispiel durch Mittel 31 zur Messung der Temperatur mindestens eines Leistungshalbleiters 5 des Schaltreglerleistungsteils und zur Generierung eines Freigabesignals am Ausgang 34 zur Freigabe der Schaltreglersteuereinheit 4 unterscheidet. Im dritten wie im vierten Ausführungsbeispiel sind die zusätzlich vorgesehenen Mittel zur Spannungs-, Strom- oder Temperaturmessung und Generierung eines Freigabesignals 27, 31 mit dem Spannungsregler 21 über entsprechende Leitungen 30a, 30b zur Spannungsversorgung verbunden.
  • Die Mittel zur Spannungs-, Strom- oder Temperaturmessung 27, 31 können alternativ zum RC-Glied jeweils alleine zur Bestimmung eines dynamischen Versorgungsspannungsintervalls, in welchem die Vorrichtung 1 eine Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung gewährleistet, herangezogen werden, in dem im einfachsten Fall, die Schaltreglersteuereinheit 4 trotz eines Einbruchs der Versorgungsspannung durch ein Freigabesignal freigegeben bleibt, bis Grenzwerte hinsichtlich der Drain-Source-Spannung oder -Strom bzw. der Temperatur des Leistungshalbleiters erreicht sind.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung mit einem Versorgungsspannungseingang (1), mindestens einem Ausgang (2) zur Gleichspannungs- oder Gleichstromversorgung eines Verbrauchers, mindestens einem Schaltregler, welcher zumindest ein Schaltreglerleistungsteil (3) und eine Schaltreglersteuereinheit (4) umfasst, und einer Steuereinheit (7) zur Steuerung des Schaltreglers und zur Überwachung der Versorgungsspannung des Schaltreglers, wobei die Steuereinheit (7) Mittel (9, 10, 13) zur Bestimmung eines statischen Versorgungsspannungsintervalls aufweist, innerhalb welchem der Schaltregler eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom am Ausgang (2) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) Mittel (14) zur Bestimmung eines dynamischen Versorgungsspannungsintervalls, in welchem der Schaltregler eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom am Ausgang (2) bereitstellt, aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (14) zur Bestimmung des dynamischen Versorgungsspannungsintervalls ein Zeitglied, insbesondere ein RC-Glied im Spannungseingang (11) der Steuereinheit (7) vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dem Kondensator des RC-Gliedes vorgeschaltete Diode vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) einen Komparator (8) aufweist, dessen positiver Eingang über mindestens einen Widerstand (13) mit dem Ausgang des Komparators (12) verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Eingang des Komparators (8) der Steuereinheit über einen Spannungsteiler (9, 10, 13) mit dem Spannungseingang (11) der Steuereinheit (7) verbunden ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (8) eine interne Referenzspannungsquelle aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das RC-Glied der Steuereinheit (7) parallel zum Spannungsteiler (9, 10, 13) des Komparators (8) mit dem Spannungseingang (11) der Steuereinheit (7) verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Energiespeichereinrichtung (17) vorgesehen ist, mit welcher zumindest der Spannungseingang (11) der Steuereinheit (7) verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Spannungsversorgung des Komparators (8) der Steuereinheit ein Spannungsregler (21) vorgesehen ist, welcher über eine zweite Energiespeichereinrichtung (24) mit dem Versorgungsspannungseingang (1) verbunden ist, wobei die zweite Energiespeichereinrichtung (24) parallel zur ersten Energiespeichereinrichtung (17) mit dem Versorgungsspannungseingang (1) verbunden ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtungen (17, 24) mindestens jeweils einen Kondensator (20, 26) und mindestens jeweils eine Diode (19, 25) aufweisen.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel zur Messung des Drain-Source-Stroms oder der Drain-Source-Spannung eines Leistungstransistors (5) des Schaltreglerleistungsteils (3) vorgesehen sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel zur Messung der Temperatur des Leistungstransistors (5) des Schaltreglerleistungsteils (3) vorgesehen sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltreglersteuereinheit (4) vorgesehen ist, deren Eingangsspannung kleiner oder gleich 3 V beträgt.
  14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Steuergerät mit einer Gleichspannung- oder Gleichstromversorgung, insbesondere in einem Steuergerät zum Betrieb von Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie.
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