Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler
(im Folgenden auch als DC/DC-Wandler bezeichnet), insbesondere auf
einen bipolaren Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler bzw. DC/DC-Wandler,
auf eine elektronische Schaltung, die einen solchen bipolaren DC/DC-Wandler
aufweist, und auf ein Verfahren zum Bereitstellen einer Ausgangsgleichspannung
mit wahlfreier Polarität an eine Last unter Verwendung eines
bipolaren DC/DC-Wandlers. Insbesondere bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf bipolare DC/DC-Wandler, die zur Bereitstellung einer
Ansteuerspannung für einen piezokeramischen Aktuator verwendet
werden.The
The present invention relates generally to DC / DC converters
(hereinafter also referred to as DC / DC converter), in particular
a bipolar DC / DC converter or DC / DC converter,
on an electronic circuit that uses such a bipolar DC / DC converter
and to a method for providing a DC output voltage
with optional polarity to a load using a
bipolar DC / DC converter. In particular, the present invention relates
Invention on bipolar DC / DC converters, which provide a
Drive voltage used for a piezoceramic actuator
become.
Im
Stand der Technik sind DC/DC-Wandler bekannt, die abhängig
von der Beschaltung ausgehend von einer relativ niedrigen Versorgungsgleichspannung
eine für eine Last erwünschte hohe Ausgangsgleichspannung
bereitstellen. Bekannte DC/DC-Wandler werden z. B. von Christoph
Stiebel, „Leistungsverstärker zur verlustarmen
Ansteuerung von kapazitiven Lasten”, Shaker Verlag, ISBN 978-3-8322-0309-2,
Juni 2002 beschrieben.In the prior art, DC / DC converters are known which, depending on the wiring, provide a high DC output voltage desired for a load, starting from a relatively low DC supply voltage. Known DC / DC converters are z. B. from Christoph Stiebel, "Power amplifier for low-loss control of capacitive loads", Shaker Verlag, ISBN 978-3-8322-0309-2, June 2002 described.
Schaltungen,
die einen solchen DC/DC-Wandler umfassen, sind akzeptabel, sofern die
anzusteuernde Last stets mit einer vorbestimmten Polarität
zu betreiben ist. Eine andere Situation stellt sich jedoch ein,
wenn die Last abhängig von der Anwendung abwechselnd mit
Spannungen im positiven Bereich und mit Spannungen im negativen
Bereich versorgt werden muss. In einem solchen Fall können
zwar auch die oben erwähnten, bekannten DC/DC-Wandler herangezogen
werden, je doch geht dies mit einer Verdoppelung des Schaltungsaufwandes
einher, nämlich der Bereitstellung eines ersten DC/DC-Wandlers,
der eine positive Schaltung bereitstellt, und eines zweiten DC/DC-Wandlers,
der eine negative Spannung bereitstellt. Zusätzlich ist
eine entsprechende Umschaltanordnung vorzusehen, um abhängig
von dem Anwendungsfall die Last entweder mit dem ersten DC/DC-Wandler
zu koppeln, der die positive Spannung bereitstellt, oder mit dem
zweiten DC/DC-Wandler zu koppeln, der die negative Spannung bereitstellt.circuits,
which include such a DC / DC converter are acceptable, provided that
to be controlled load always with a predetermined polarity
to operate. However, another situation arises
if the load alternates with the application depending on the application
Voltages in the positive range and with voltages in the negative
Area must be supplied. In such a case can
Although also the above-mentioned, known DC / DC converter used
be, but ever this goes with a doubling of the circuit complexity
associated with providing a first DC / DC converter,
providing a positive circuit and a second DC / DC converter,
which provides a negative voltage. In addition is
to provide a corresponding switching arrangement to dependent
from the application, the load either with the first DC / DC converter
to couple that provides the positive tension, or with the
second DC / DC converter, which provides the negative voltage.
Beispiele
für solche elektronischen Schaltungen sind solche, die
die Ansteuerschaltung für Aktuatoren, beispielsweise piezokeramische
Aktuatoren erzeugen. Solche Aktuatoren stellen kapazitive Lasten
dar, die je nach Anwendung abwechselnd mit Spannungen im positiven
Bereich zwischen 0 V und 1,5 kV angesteuert werden, und im negativen
Bereich mit Spannungen zwischen 0 V und –500 V angesteuert
werden. Weitere Anwendungen sind z. B. eine Miniaturpumpe für
Flüssigkeiten, deren Pumpmembran mittels einer Piezokeramik
angetrieben wird. Auch die Schwingungsdämpfung in Windmühlen
stellt eine mögliche Anwendung dar.Examples
for such electronic circuits are those that
the drive circuit for actuators, such as piezoceramic
Generate actuators. Such actuators place capacitive loads
depending on the application, alternating with voltages in the positive
Range between 0 V and 1.5 kV are driven, and in the negative
Range controlled with voltages between 0 V and -500 V.
become. Other applications are z. B. a miniature pump for
Liquids, the pumping membrane by means of a piezoceramic
is driven. Also the vibration damping in windmills
represents a possible application.
Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, einen DC/DC-Wandler, eine elektronische Schaltung
mit einem solchen Wandler und ein Verfahren zu schaffen, die es
ermöglichen, auf einfache Art einer Last ausgehend von
einer geringen Gleichspannung eine hohe Gleichspannung mit wählbarer
Polarität bereitzustellen.outgoing
from this prior art, the present invention is the
Task underlying a DC / DC converter, an electronic circuit
with such a transducer and a method to create it
allow, in a simple way, a load starting from
a low DC voltage a high DC voltage with selectable
Provide polarity.
Diese
Aufgabe wird durch einen bipolaren Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler
gemäß Anspruch 1, eine elektronische Schaltung
gemäß Anspruch 13 und ein Verfahren gemäß Anspruch
16 gelöst.These
Task is by a bipolar DC / DC converter
according to claim 1, an electronic circuit
according to claim 13 and a method according to claim
16 solved.
Die
vorliegende Erfindung schafft einen Bipolarer Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler
zum Bereitstellen einer Ausgangs gleichspannung mit wahlfreier Polarität
basierend auf einer Eingangsgleichspannung, mit:
einem Eingang;
einem
Ausgang;
einer Spule;
einer ersten Einrichtung zum wahlfreien
Verbinden eine ersten Anschlusses der Spule und eines zweiten Anschlusses
der Spule mit dem Eingang; und
einer zweiten Einrichtung zum
Verbinden eines der Anschlüsse der Spule mit dem Ausgang.The present invention provides a bipolar DC / DC converter for providing an output voltage with optional polarity based on a DC input voltage, comprising:
an entrance;
an exit;
a coil;
first means for selectively connecting a first terminal of the coil and a second terminal of the coil to the input; and
a second means for connecting one of the terminals of the coil to the output.
Die
vorliegende Erfindung schafft ferner eine elektronische Schaltung,
die neben dem erfindungsgemäßen Wandler ferner
eine Gleichspannungsquelle und eine Last aufweist, wobei die Gleichspannungsquelle
mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist, und wobei die Last mit
dem Ausgang des Wandlers verbunden ist.The
The present invention further provides an electronic circuit,
in addition to the converter according to the invention further
a DC voltage source and a load, wherein the DC voltage source
connected to the input of the converter, and where the load with
connected to the output of the converter.
Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Bereitstellen
einer Ausgangsgleichspannung mit wahlfreier Polarität an
eine Last unter Verwendung des erfindungsgemäßen
Wandlers, mit folgenden Schritten:
- (a) Bereitstellen
einer Eingangsgleichspannung an dem Eingang des Wandlers;
- (b) Aktivieren der ersten Einrichtung des Wandlers derart, dass
der erste Anschluss der Spule und der zweite Anschluss der Spule
mit dem Eingang des Wandlers verbunden werden; und
- (c) nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer und abhängig
von der erwünschten Polarität, Aktivieren der
ersten Einrichtung des Wandlers derart, dass der erste Anschluss
der Spule oder der zweite Anschluss der Spule von dem Eingang des Wandlers
getrennt wird,
wobei das Trennen des ersten Anschlusses
der Spule von dem Eingang bewirkt, dass die zweite Einrichtung den
ersten Anschluss der Spule mit dem Ausgang verbindet, um eine Ausgangsgleichspannung mit
einer ersten Polarität an die Last bereitzustellen, und
wobei
das Trennen des zweiten Anschlusses der Spule von dem Eingang bewirkt,
dass die zweite Einrichtung den zweiten Anschluss der Spule mit
dem Ausgang verbindet, um eine Ausgangsgleichspannung mit einer
zweiten Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt
ist, an die Last bereitzustellen.The present invention further provides a method for providing a DC output voltage with optional polarity to a load using the converter according to the invention, comprising the following steps: - (a) providing a DC input voltage at the input of the converter;
- (b) activating the first means of the transducer such that the first terminal of the coil and the second terminal of the coil are connected to the input of the transducer; and
- (c) after a predetermined period of time and depending on the desired polarity, activating the first device of the converter such that the first terminal of the coil or the second terminal of the coil is disconnected from the input of the converter,
wherein separating the first terminal of the coil from the input causes the second device device connects the first terminal of the coil to the output to provide a DC output voltage having a first polarity to the load, and
wherein disconnecting the second terminal of the coil from the input causes the second device to connect the second terminal of the coil to the output to provide a DC output voltage having a second polarity opposite the first polarity to the load.
Vorzugsweise
umfasst der erfindungsgemäße Wandler in der zweiten
Einrichtung eine erste und eine zweite Reihenschaltung, jeweils
umfassend einen selbstschaltenden Schalter und ein Unterbrechungselement,
z. B. eine Diode oder einen extern geschalteten Transistor. Alternativ
können der selbstschaltende Schalter und das Unterbrechungselement
der Reihenschaltung durch ein gemeinsames Element, z. B. einen IGBT
(IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor = Bipolartransistor mit
isolierter Gate-Elektrode), realisiert sein. Die erste Reihenschaltung
ist zwischen dem ersten Anschluss der Spule und dem Ausgang angeordnet,
und die zweite Reihenschaltung ist zwischen dem zweiten Anschluss
der Spule und dem Ausgang angeordnet.Preferably
the converter according to the invention comprises in the second
Means a first and a second series connection, respectively
comprising a self-switching switch and an interruption element,
z. B. a diode or an externally connected transistor. alternative
can the self-switching switch and the interruption element
the series connection by a common element, for. An IGBT
(IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor = bipolar transistor with
isolated gate electrode), be realized. The first series connection
is located between the first terminal of the coil and the output,
and the second series circuit is between the second terminal
the coil and the output arranged.
Durch
die gerade beschriebene, vorzugsweise Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Wandlers werden die in herkömmlichen Wandlern angetroffenen
Probleme verhindert, insbesondere Probleme, die aus der Beeinflussung
einzelner Bauteile für die eine Spannung durch Bauteile
für die andere Spannung resultieren. Insbesondere wird
hierdurch eine Ausgestaltung des Wandlers mit einem reduzierten Aufwand
ermöglicht.By
the just described, preferably embodiment of the invention
Converters are those found in conventional converters
Problems prevented, in particular problems arising from the influence
individual components for the voltage through components
for the other voltage result. In particular, will
As a result, an embodiment of the converter with a reduced effort
allows.
Vorzugsweise
wird der erfindungsgemäße Wandler unter Verwendung
von Schaltern realisiert, die entweder als Bipolar-Transistoren
oder als MOS-Feldeffekt-Transistoren ausgebildet sind.Preferably
the converter according to the invention is used
realized by switches, either as bipolar transistors
or are formed as MOS field-effect transistors.
Die
erfindungsgemäße Wandlerschaltung ist vorgesehen,
um aus einer meist geringeren Versorgungsgleichspannung die höhere
Ansteuergleichspannung zu generieren, und zwar mit der jeweils erwünschten
Polarität, wobei die für das Umladen der kapazitiven
Last erforderliche Energiemenge aufgebracht werden muss. Die Energiemenge
steigt hier mit der Kapazität des Aktuators und der gewünschten Geschwindigkeit,
mit der der Aktuator umgeladen werden soll.The
Converter circuit according to the invention is provided,
from a usually lower DC supply voltage, the higher
To generate drive DC voltage, with the respective desired
Polarity, where for the transhipment of the capacitive
Load required amount of energy must be applied. The amount of energy
increases here with the capacity of the actuator and the desired speed,
with which the actuator is to be reloaded.
Der
erfindungsgemäße Wandler kann gemäß bevorzugten
Ausführungsbeispielen im Rahmen einer Schaltungstopologie
aufgebaut sein, die auf besonders kleine Baugröße
optimiert ist. Eine solche Ausgestaltung des Wandlers zeichnet sich
durch besonders wenige Bauteile und durch eine einfache Ansteuerung
der Leistungshalbleiter aus. Gemäß bevorzugten
Ausführungsbeispielen ist die erfindungsgemäße
Schaltung ausgelegt, um ausgehend von einer Versorgungsspannung
von beispielsweise 5 V sowohl eine Spannung von +200 V als auch
eine Spannung von –60 V zu generieren. Andere Ausführungsbeispiele
legen eine andere Dimensionierung zugrunde, so dass sich auch andere
Spannungen einstellen lassen.Of the
Converter according to the invention can according to preferred
Embodiments in the context of a circuit topology
be built on a particularly small size
is optimized. Such an embodiment of the converter is characterized
due to very few components and easy control
the power semiconductor off. According to preferred
Embodiments is the inventive
Circuit designed to start from a supply voltage
for example, 5V both a voltage of +200 V and
to generate a voltage of -60V. Other embodiments
They are based on a different dimensioning, so that others too
Set voltages.
Gemäß einem
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der erfindungsgemäße
Wandler auf eine höchstmögliche Miniaturisierung
ausgelegt, also auf eine kleine Baugröße optimiert.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, den
Schaltungsaufwand etwas zu erhöhen, wodurch eine höhere
Energieeffizienz erreicht wird.According to one
first preferred embodiment is the inventive
Converters to the highest possible miniaturization
designed, so optimized to a small size.
In another embodiment is provided, the
Circuit complexity slightly increase, creating a higher
Energy efficiency is achieved.
Im
erstgenannten Ausführungsbeispiel betreffend eine kleine
Baugröße sind lediglich zwei der Schalter, vorzugsweise
Transistorschalter, gesteuert und die anderen zwei Schalter, ebenfalls
vorzugsweise Transistorschalter, werden in Abhängigkeit
von den auftretenden Spannungen innerhalb der Schaltung ohne externe
Steuerung geschaltet. Vorzugsweise ist ein Schaltregler vorgesehen,
der die zwei extern gesteuerten Schalter ansteuert.in the
the first-mentioned embodiment concerning a small
Frame size are only two of the switches, preferably
Transistor switch, controlled and the other two switches, too
preferably transistor switches, are dependent
from the occurring voltages within the circuit without external
Control switched. Preferably, a switching regulator is provided,
which controls the two externally controlled switches.
Weitere,
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
definiert.Further,
preferred embodiments of the invention are in the subclaims
Are defined.
Nachfolgend
werden anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:following
With reference to the accompanying drawings preferred embodiments of the
Present invention explained in more detail. Show it:
1 eine
Schaltung eines DC/DC-Wandlers gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 a circuit of a DC / DC converter according to a first embodiment of the invention;
2 eine
elektronische Schaltung mit einem DC/DC-Wandler mit Bipolar-Transistoren
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei der DC/DC-Wandler für eine kleine Baugröße
und eine einfache Ansteuerung ausgelegt ist; 2 an electronic circuit with a DC / DC converter with bipolar transistors according to a second embodiment of the invention, wherein the DC / DC converter is designed for a small size and a simple drive;
3 eine
elektronische Schaltung mit einem DC/DC-Wandler mit MOS-Feldeffekt-Transistoren
gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei der DC/DC-Wandler für eine kleine Baugröße
und einfache Ansteuerung ausgelegt ist; 3 an electronic circuit with a DC / DC converter with MOS field-effect transistors according to a third embodiment of the invention, wherein the DC / DC converter is designed for a small size and simple control;
4 eine
elektronische Schaltung mit einem DC/DC-Wandler gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel ähnlich dem in 2 gezeigten DC/DC-Wandler,
wobei der DC/DC-Wandler für eine höhere Energieeffizienz
ausgelegt ist; und 4 an electronic circuit with a DC / DC converter according to a third embodiment similar to that in 2 shown DC / DC converter, wherein the DC / DC converter is designed for a higher energy efficiency; and
5 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Ausgangsgleichspannung
mit wahlfreier Polarität an eine Last gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung. 5 a flowchart of a method for providing a DC output voltage with random polarity to a load according to an embodiment of the invention.
In
der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden gleiche oder gleichwirkende Elemente
in den verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.In
the following description of the preferred embodiments
The present invention will be the same or equivalent elements
provided with the same reference numerals in the various figures.
1 zeigt
eine Schaltung eines DC/DC-Wandlers gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der DC/DC-Wandler 100 umfasst
einen Eingang 102 mit einem ersten Eingangsanschluss 102a und
einem zweiten Eingangsanschluss 102b, und einen Ausgang 104 mit
einem ersten Ausgangsanschluss 104a und einem zweiten Ausgangsanschluss 104b.
Ferner umfasst der DC/DC-Wandler eine Spule L. Eine erste Einrichtung 106 ist
vorgesehen, die einen ersten Spulenanschluss 108a und einen
zweiten Spulenanschluss 108b wahlfrei mit dem Eingang 102 verbindet.
Eine zweite Einrichtung 110 ist vorgesehen, um einen der Anschlüsse 108a und 108b der
Spule L mit dem Ausgang 104 zu verbinden. 1 shows a circuit of a DC / DC converter according to a first embodiment of the invention. The DC / DC converter 100 includes an entrance 102 with a first input terminal 102 and a second input terminal 102b , and an exit 104 with a first output terminal 104a and a second output terminal 104b , Furthermore, the DC / DC converter comprises a coil L. A first device 106 is provided, which has a first coil connection 108a and a second coil terminal 108b optional with the entrance 102 combines. A second device 110 is provided to one of the connectors 108a and 108b the coil L with the output 104 connect to.
Im
Betrieb arbeitet der anhand der 1 beschriebene
DC/DC-Wandler derart, dass anfänglich die erste Einrichtung 106 derart
aktiviert wird, dass beide Anschlüsse 108a und 108b der
Spule L mit dem Eingang 102 verbunden sind. Aufgrund der
an der Spule L anliegenden Spannung baut sich nunmehr ein Strom
auf. Ist ein erwünschter Stromwert erreicht bzw. ist die
zum Erreichen des erwünschten Stromwertes erforderliche
Zeitdauer, während der die Spannung an der Spule L anliegt,
erreicht bzw. abgelaufen, so wird abhängig von der erwünschten Polarität
der am Ausgang 104 bereitzustellenden Ausgangsgleichspannung
entweder der erste Anschluss 108a der Spule L von dem Eingang 102 oder der
zweite Anschluss 108b der Spule L von dem Eingang 102 getrennt.
Der erste Anschluss 108a der Spule L bleibt weiterhin mit
dem Eingang 102 verbunden.In operation, the works on the basis of 1 described DC / DC converter such that initially the first device 106 is activated in such a way that both connections 108a and 108b the coil L with the input 102 are connected. Due to the voltage applied to the coil L, a current builds up now. If a desired current value is reached or the time required to reach the desired current value during which the voltage is applied to the coil L has been reached or expired, then the output voltage depends on the desired polarity 104 be provided output DC either the first port 108a the coil L from the entrance 102 or the second connection 108b the coil L from the entrance 102 separated. The first connection 108a the coil L remains with the input 102 connected.
Durch
Trennen des zweiten Anschlusses 108b der Spule L von dem
Eingang 102 wird bewirkt, dass am Anschluss 108b der
Spule L ein positives Potenzial induziert wird, und ansprechend
auf dieses an dem Anschluss 108b anliegende Potenzial bewirkt
die zweite Einrichtung 110 die Verbindung des zweiten Anschlusses 108b der
Spule L mit dem Ausgang 104, so dass ein Strom zum Ausgang 104 fließt.By disconnecting the second connection 108b the coil L from the entrance 102 will cause the connection 108b the coil L is induced a positive potential, and in response to this at the terminal 108b The second facility creates potential 110 the connection of the second connection 108b the coil L with the output 104 , giving a current to the output 104 flows.
Ist
andererseits jedoch die Bereitstellung einer Ausgangsgleichspannung
mit negativer Polarität erwünscht, so erfolgt
unter Zugrundelegung der gleichen Verteilung der Polaritäten
an den Eingangsanschlüssen, wie sie oben erwähnt
wurde, ein Trennen des ersten Anschlusses 108a der Spule
L von dem Eingang 102. Der zweite Anschluss 108b der
Spule L bleibt weiterhin mit dem Eingang 102 verbunden.
In diesem Fall bewirkt die an der Spule L induzierte Spannung, dass
die zweite Einrichtung 110 den ersten Anschluss 108a der
Spule L, der ein negatives Potenzial aufweist, mit dem Ausgang 104 verbindet, um
einen Stromfluss von der Spule L zu dem Ausgang 104 zu
ermöglichen.On the other hand, if it is desired to provide a DC output voltage of negative polarity, then, based on the same distribution of polarities at the input terminals as mentioned above, the first terminal will be disconnected 108a the coil L from the entrance 102 , The second connection 108b the coil L remains with the input 102 connected. In this case, the voltage induced at the coil L causes the second device 110 the first connection 108a the coil L, which has a negative potential, with the output 104 connects to a current flow from the coil L to the output 104 to enable.
Im
Betrieb arbeitete der Wandler mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz,
mit der die Verbindung eines der Anschlüsse 108a, 108b der
Spule mit dem Eingang 102 wiederholt getrennt und geschlossen
wird, z. B. mittels eines Schalters, wie dies nachfolgend noch genauer
beschrieben wird. Zum Laden der Last auf ein negatives Potenzial
(z. B. von 150 V auf –50 V) wird die Verbindung des Anschluss 108b der
Spule mit dem Eingang 102 entsprechend der Schaltfrequenz
wiederholt getrennt und geschlossen. Hierdurch baut sich schrittweise
das erwünschte Potenzial an der Last auf. Mit einer Schaltfrequenz
von z. B. 100 kHz kann eine kapazitive Last in 4 ms von 150 V auf –50
V geladen werden. Zum Laden der Last auf ein positives Potenzial
(z. B. von –50 V auf +150 V) wird die Verbindung des Anschluss 108a der Spule
mit dem Eingang 102 entsprechend der Schaltfrequenz wiederholt
getrennt und geschlossen. Hierdurch baut sich schrittweise das erwünschte Potenzial
an der Last auf. Mit einer Schaltfrequenz von z. B. 100 kHz kann
eine kapazitive Last in 4 ms von –50 V auf +150 V geladen
werden.In operation, the converter operated at a predetermined switching frequency with which the connection of one of the terminals 108a . 108b the coil with the input 102 repeatedly separated and closed, z. B. by means of a switch, as will be described in more detail below. To load the load to a negative potential (eg from 150V to -50V) will connect the connector 108b the coil with the input 102 repeatedly disconnected and closed according to the switching frequency. This gradually builds up the desired potential at the load. With a switching frequency of z. B. 100 kHz, a capacitive load in 4 ms from 150 V to -50 V can be loaded. To load the load to a positive potential (eg from -50 V to +150 V), the connection of the connection 108a the coil with the input 102 repeatedly disconnected and closed according to the switching frequency. This gradually builds up the desired potential at the load. With a switching frequency of z. B. 100 kHz, a capacitive load in 4 ms from -50 V to +150 V can be loaded.
Erfindungsgemäß arbeitet
die zweite Einrichtung 110 ohne externe Ansteuersignale.
Vielmehr wird abhängig von den an den Anschlüssen 108a und 108b der
Spule L anliegenden Potenzialen eine Verbindung des ersten Spulenanschlusses 108a oder des
zweiten Spulenanschlusses 108b mit dem Ausgang 104 bewirkt,
wie dies nachfolgend anhand der weiteren Ausführungsbeispiele
noch näher erläutert wird.According to the invention, the second device operates 110 without external control signals. Rather, it depends on the connections 108a and 108b the potential applied to the coil L a connection of the first coil terminal 108a or the second coil terminal 108b with the exit 104 causes, as will be explained in more detail below with reference to the further embodiments.
Die
erste Einrichtung 108 arbeitet basierend auf einem Steuersignal,
welches an einem Steuereingang 112 bereitgestellt wird.
Das am Steuereingang 112 anliegende Steuersignal bewirkt
die anfängliche Verbindung der Spule L mit dem Eingang 102 und
die nachfolgende, wahlfreie Auftrennung der Verbindung eines der
Spulenanschlüsse 108a und 108b mit dem
Eingang 102, wie dies oben erläutert wurde. Die
erforderlichen Steuersignale können von einer externen
Steuereinheit bereitgestellt werden, die abhängig von der
Dimensionierung der in 1 gezeigten DC/DC-Wandlerschaltung
und abhängig von den Erfordernissen der Anwendung die entsprechende
Ansteuerung bewirkt.The first device 108 operates based on a control signal which is present at a control input 112 provided. The at the control entrance 112 applied control signal causes the initial connection of the coil L to the input 102 and the subsequent optional separation of the connection of one of the coil terminals 108a and 108b with the entrance 102 as explained above. The required control signals may be provided by an external control unit which, depending on the dimensioning of the in 1 shown DC / DC converter circuit and depending on the requirements of the application causes the corresponding control.
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
umfasst die ersten Einrichtung 106 ein erstes Schaltelement 106a,
das zwischen den ersten Spulenanschluss 108a und den ersten
Eingangsanschluss 102a geschaltet ist, und ein zweites
Schaltelement 106b, das zwischen den zweiten Spulenanschluss 108b und
den zweiten Eingangsanschluss 102b geschaltet ist. Bei
einer solchen Ausgestaltung der ersten Einrichtung 106 wird über
den Steuereingang 112 ein erstes Steuersignal für
das erste Schaltelement 106a bereitgestellt, und ebenso
wird über den Steuereingang 112 ein zweites Steuersignal
für das zweite Schaltelement 106b bereitgestellt.
Beispielsweise kann der Steuereingang 112 mit zwei Anschlüssen
ausgebildet sein, wobei der erste An schluss mit einem Steueranschluss
des ersten Schaltelements 106a verbunden ist, und wobei
der zweite Anschluss mit einem Steueranschluss des zweiten Schaltelements 106b verbunden
ist, wie dies nachfolgend anhand der weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiele
noch näher erläutert wird.According to a preferred embodiment of the present invention, the first device comprises 106 a first switching element 106a that is between the first coil connection 108a and the first input connection 102 is switched, and a second switching element 106b that between the second coil terminal 108b and the second input terminal 102b is switched. In such an embodiment of the first device 106 is via the control input 112 a first control signal for the first switching element 106a provided, and also via the control input 112 a second control signal for the second switching element 106b provided. For example, the control input 112 be formed with two terminals, wherein the first connection to a control terminal of the first switching element 106a is connected, and wherein the second terminal with a control terminal of the second switching element 106b is connected, as will be explained in more detail below with reference to the further preferred embodiments.
Ebenso
wie die erste Einrichtung 106 ist auch die zweite Einrichtung 110 vorzugsweise
unter Verwendung von Schaltelementen realisiert, wobei die Schaltung 110 ein
erstes Schaltelement 110a umfasst, das zwischen den ersten
Spulenanschluss 108a und den ersten Ausgangsanschluss 104a geschaltet
ist. Ein zweites Schaltelement 110b ist vorgesehen, das
zwischen den zweiten Spulenanschluss 108b und den ersten
Ausgangsanschluss 104a geschaltet ist. Die zwei Schaltelemente 110a und 110b werden
primär abhängig von den an den Anschlüssen 108a und 108b der
Spule L anliegenden Potenzialen gesteuert. Die Schaltelemente 110a und 110b empfangen
keine externen Steuersignale, sondern arbeiten, wie erwähnt,
in Abhängigkeit von den auftretenden Spannungen innerhalb
des DC/DC-Wandlers 100.As well as the first device 106 is also the second institution 110 preferably realized using switching elements, wherein the circuit 110 a first switching element 110a includes that between the first coil terminal 108a and the first output terminal 104a is switched. A second switching element 110b is provided that between the second coil terminal 108b and the first output terminal 104a is switched. The two switching elements 110a and 110b are primarily dependent on those at the terminals 108a and 108b the coil L applied potentials controlled. The switching elements 110a and 110b receive no external control signals, but, as mentioned, operate in response to the voltages occurring within the DC / DC converter 100 ,
Der
anhand der 1 beschriebene DC/DC-Wandler
ist für eine kleine Baugröße realisiert,
wobei die schaltenden Bauteile 106a, 106b, 110a und 110b vorzugsweise
als Transistoren ausgestaltet sind. Die in 1 gezeigte
Anordnung umfasst vorzugsweise die zwei Schaltelemente 106a und 106b,
beispielsweise Transistoren, die durch einen Schaltregler gesteuert
werden, der am Steuereingang 112 die entsprechenden Schaltsignale
für die Schaltelemente 106a und 106b bereitstellt.
Wie erwähnt, arbeiten die Schaltelemente 110a und 110b,
beispielsweise die entsprechenden Transistoren, in Abhängigkeit
von den auftretenden Spannungen und schalten daher selbst, also
ohne externe Ansteuerung. Die gesteuerten Schaltelemente 106a, 106b liegen
auf dem festen Versorgungspotenzial, das über die Eingangsanschlüsse 102a und 102b bereitgestellt
wird, wodurch der Aufwand für die Ansteuerung gering ist.
Für die selbstschaltenden Elemente 110a und 110b entsteht überhaupt
kein weiterer Aufwand. Die Spule L stellt die für die Generierung
der hohen Spannung erforderliche Induktivität bereit. Die Spule
L wird abwechselnd für beide Energieflussrichtungen benutzt.The basis of the 1 described DC / DC converter is realized for a small size, wherein the switching components 106a . 106b . 110a and 110b are preferably designed as transistors. In the 1 The arrangement shown preferably comprises the two switching elements 106a and 106b , For example, transistors that are controlled by a switching regulator, the control input 112 the corresponding switching signals for the switching elements 106a and 106b provides. As mentioned, the switching elements work 110a and 110b , For example, the corresponding transistors, depending on the voltages occurring and therefore switch itself, ie without external control. The controlled switching elements 106a . 106b lie on the fixed supply potential, that via the input terminals 102 and 102b is provided, whereby the effort for the control is low. For the self-switching elements 110a and 110b There is no additional effort at all. The coil L provides the inductance required to generate the high voltage. The coil L is used alternately for both directions of energy flow.
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung realisieren den DC/DC-Wandler 100 unter
Verwendung von Bipolar-Transistoren oder MOS-Feldeffekt-Transistoren,
wie dies nachfolgend näher erläutert wird.Preferred embodiments of the invention implement the DC / DC converter 100 using bipolar transistors or MOS field-effect transistors, as will be explained in more detail below.
2 zeigt
eine elektronische Schaltung 400 mit einem DC/DC-Wandler 100 mit
Bipolar-Transistoren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Das anhand der 2 gezeigte
Ausführungsbeispiel ist ebenso wie das anhand der 1 gezeigte
Ausführungsbeispiel für eine kleine Baugröße
und einfache Ansteuerung ausgelegt. In 2 werden
Elemente, wie bereits anhand der 1 beschrieben
wurde, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. 2 shows an electronic circuit 400 with a DC / DC converter 100 with bipolar transistors according to a second embodiment of the invention. That on the basis of 2 embodiment shown is as well as the basis of the 1 shown embodiment designed for a small size and easy control. In 2 become elements, as already based on the 1 has been described, provided with the same reference numerals.
Bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst
die erste Einrichtung zum wahlfreien Verbinden der Spulenanschlüsse 108a und 108b mit dem
Eingang 102 als Schaltelemente die zwei Transistoren T1
und T2. Der Transistor T1 ist zwischen den ersten Eingangsanschluss 102a und
den ersten Spulenanschluss 108a geschaltet. Vorzugsweise handelt
es sich bei dem Transistor T1 um einen pnp-Transistor, dessen Emitter-Anschluss
mit dem ersten Eingangsanschluss 102a verbunden ist. Der Kollektoranschluss
des Transistors T1 ist mit dem ersten Spulenanschluss 108a verbunden.
Der Basisanschluss des Transistors T1 empfängt über
einen ersten Steueraneingangsanschluss ein erstes Steuersignal zum
Schalten des Transistors T1 zwischen dem leitfähigen und
dem nicht-leitfähigen Zustand. Das zweite Schaltelement
der ersten Einrichtung umfasst einen Transistor T2, der zwischen
den zweiten Spulenanschluss 108b und den zweiten Eingangsanschluss 102b geschaltet
ist. Bei dem Transistor T2 handelt es sich vorzugsweise um einen
npn-Transistor, dessen Kollektor mit dem zweiten Spulenanschluss 108b verbunden
ist. Der Emitter-Anschluss des Transistors T2 ist so wohl mit dem
zweiten Eingangsanschluss 102b als auch mit dem zweiten
Ausgangsanschluss 104b verbunden. Der Basisanschluss des
Transistors T2 empfängt über den zweiten Steuereingangsanschluss 112b ein
entsprechendes Steuersignal, abhängig von welchem der Transistor
T2 zwischen dem leitenden- und dem nicht-leitenden Zustand geschaltet
wird.At the in 2 In the embodiment shown, the first device comprises the optional connection of the coil terminals 108a and 108b with the entrance 102 as switching elements, the two transistors T1 and T2. The transistor T1 is between the first input terminal 102 and the first coil terminal 108a connected. Preferably, the transistor T1 is a pnp transistor whose emitter terminal is connected to the first input terminal 102 connected is. The collector terminal of the transistor T1 is connected to the first coil terminal 108a connected. The base terminal of the transistor T1 receives via a first control input terminal a first control signal for switching the transistor T1 between the conductive and the non-conductive state. The second switching element of the first device comprises a transistor T2 which is connected between the second coil connection 108b and the second input terminal 102b is switched. The transistor T2 is preferably an npn transistor whose collector is connected to the second coil terminal 108b connected is. The emitter terminal of the transistor T2 is so well with the second input terminal 102b as well as with the second output port 104b connected. The base terminal of the transistor T2 receives via the second control input terminal 112b a corresponding control signal, depending on which of the transistor T2 is switched between the conductive and the non-conductive state.
Über
die Transistoren T1 und T2 kann auf die oben beschriebene Art und
Weise abhängig von den an den Steuereingangsanschlüssen 112a und 112b anliegenden
Steuersignalen eine Verbindung der Spule L mit dem Eingang 102 für
das anfängliche Aufbauen der erwünschten Spannung
bewirkt werden. Zum Weitergeben der Spannung an den Ausgang 104 kann
abhängig von der erwünschten Polarität über
die entsprechenden Steuersignale an den Steuereingangsanschlüssen 112a bzw. 112b eine der
Transistoren T1 bzw. T2 in den nicht-leitenden Zustand geschaltet
werden, um den entsprechenden Spulenanschluss 108a bzw. 108b von
dem Eingang 102 zu trennen.Via the transistors T1 and T2, in the manner described above, depending on the at the control input terminals 112a and 112b applied control signals connecting the coil L to the input 102 be effected for the initial establishment of the desired voltage. To pass the voltage to the output 104 may be dependent on the desired polarity via the corresponding control signals at the control input terminals 112a respectively. 112b one of the transistors T1 and T2 in the non-conductive State to be switched to the corresponding coil connection 108a respectively. 108b from the entrance 102 to separate.
Die
zweite Einrichtung des DC/DC-Wandlers, die zum Verbinden eines der
Anschlüsse der Spule mit dem Ausgang dient, umfasst bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel zwei
Schaltelemente, wobei die Schaltelemente die Transistoren T3 und
T4 umfassen. Wie aus 2 zu erkennen ist, ist der Transistor
T3 in Serie mit einer Diode D1 zwischen den ersten Spulenanschluss 108a und
den ersten Ausgangsanschluss 104a geschaltet. Bei dem Transistor
T3 handelt es sich vorzugsweise um einen npn-Transistor, dessen
Emitter-Anschluss mit dem ersten Spulenanschluss 108a gekoppelt
ist. Der Kollektor-Anschluss des Transistors T3 ist mit der Kathode
der Diode D1 verbunden, und die Anode der Diode D1 ist mit dem ersten
Ausgangsanschluss 104a verbunden, so dass die Diode zwischen
dem ersten Spulenanschluss 108a und dem ersten Ausgangsanschluss 104a in
Sperrrichtung geschaltet ist. Der Basisanschluss des Transistors
T3 ist hochohrig über den Widerstand R1 mit dem ersten
Eingangsanschluss 102a verbunden.The second device of the DC / DC converter, which serves to connect one of the terminals of the coil to the output, comprises in the in 2 shown embodiment, two switching elements, wherein the switching elements comprise the transistors T3 and T4. How out 2 it can be seen, the transistor T3 is in series with a diode D1 between the first coil terminal 108a and the first output terminal 104a connected. The transistor T3 is preferably an npn transistor whose emitter terminal is connected to the first coil terminal 108a is coupled. The collector terminal of the transistor T3 is connected to the cathode of the diode D1, and the anode of the diode D1 is connected to the first output terminal 104a connected so that the diode between the first coil terminal 108a and the first output terminal 104a is switched in the reverse direction. The base terminal of the transistor T3 is high-ohmic via the resistor R1 to the first input terminal 102 connected.
Das
zweite Schaltungselement 110b der zweiten Einrichtung 110 umfasst
den Transistor T4, der vorzugsweise ein pnp-Transistor ist. Der
Transistor T4 ist in Serie mit einer Diode D2 zwischen den zweiten
Spulenanschluss 108b und den ersten Ausgangsanschluss 104a geschaltet.
Genauer gesagt, ist der Emitter-Anschluss des Transistors T4 mit
dem zweiten Spulenanschluss 108b verbunden, und der Kollektor-Anschluss
des Transistors T4 ist mit der Anode der Diode D2 verbunden. Die
Kathode der Diode D2 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss 104a verbunden,
so dass die Diode D2 zwischen dem zweiten Spulenanschluss 108b und
dem ersten Ausgangsanschluss 104a in Flussrichtung geschaltet
ist. Der Basisanschluss des Transistors T4 ist über den Widerstand
R2 hochohmig mit dem zweiten Eingangsanschluss 102b und
dem zweiten Ausgangsanschluss 104b verbunden.The second circuit element 110b the second device 110 includes the transistor T4, which is preferably a pnp transistor. The transistor T4 is connected in series with a diode D2 between the second coil terminal 108b and the first output terminal 104a connected. More specifically, the emitter terminal of the transistor T4 is connected to the second coil terminal 108b connected, and the collector terminal of the transistor T4 is connected to the anode of the diode D2. The cathode of diode D2 is connected to the first output terminal 104a connected so that the diode D2 between the second coil terminal 108b and the first output terminal 104a is switched in the flow direction. The base terminal of the transistor T4 is high-resistance via the resistor R2 to the second input terminal 102b and the second output terminal 104b connected.
Die
in 2 gezeigte Schaltung umfasst ferner die Versorgungseinheit 200,
die die Gleichspannungsquelle 202 umfasst, welche eine
konstante Spannung von beispielsweise 5 V an den Klemmen 202a und 202b bereitstellt.
Die Klemmen 202a und 202b sind mit dem ersten
Eingangsanschluss 102a bzw. dem zweiten Eingangsanschluss 102b verbunden.In the 2 The circuit shown further comprises the supply unit 200 that the DC voltage source 202 which has a constant voltage of, for example, 5V at the terminals 202a and 202b provides. The clamps 202a and 202b are with the first input port 102 or the second input terminal 102b connected.
Die
Schaltung 400 umfasst ferner die Lasteinheit 300,
die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 2 eine
kapazitive Last 302 umfasst, beispielsweise einen piezokeramischen
Aktuator. Die Klemmen 302a und 302b der Last 302 sind
mit dem ersten Ausgangsanschluss 104a bzw. dem zweiten Ausgangsanschluss 104b verbunden.The circuit 400 further comprises the load unit 300 , which in the embodiment shown according to 2 a capacitive load 302 includes, for example, a piezoceramic actuator. The clamps 302a and 302b the load 302 are with the first output port 104a or the second output terminal 104b connected.
Die
Funktionsweise der auf die oben beschriebene Art und Weise dimensionierten
Schaltung gemäß 2 entspricht
der Funktionsweise, wie sie anhand der 1 erläutert
wurde. Während einer anfänglichen Zeitdauer werden
die Transistoren T1 und T2 über die Steuereingangsanschlüsse 112a und 112b in
den leitenden Zustand geschaltet, so dass über die Gleichstromquelle
ein Strom durch die Spule L fließen kann, so dass die erwünschte
hohe Spannung aufgrund der Indukti vität der Spule L erzeugt wird.
Nach Erreichen der erwünschten Spannung bzw. nach Ablauf
einer entsprechenden Zeitdauer wird abhängig davon, welche
Polarität die an die Last 302 bereitzustellende
Ausgangsspannung haben soll, entweder der Transistor T1 oder der
Transistor T2 durch ein entsprechendes Signal an dem entsprechenden
Steuereingangsanschluss 112a oder 112b nicht-leitend
geschaltet, so dass entweder der erste Spulenanschluss 108a oder
der zweite Spulenanschluss 108b von dem Eingang 102 und
damit von der Gleichstromquelle 202 getrennt wird. Die über
die Spule L abfallende Spannung bewirkt, dass aufgrund des hochohmigen
Widerstands R1 der Transistor T3 in den leitenden Zustand schaltet,
so dass aufgrund des am Spulenanschluss 108a anliegenden
negativen Potenzials die Diode D1 in Flussrichtung gepolt wird.
Hierdurch wird die negative Spannung an der Spule L an die Last 302 übertragen.
Gleichzeitig bleibt der Transistor T4 im nicht-leitenden Zustand, so
dass ein Signalfluss über die Diode D2 nicht erfolgt.The operation of the in the manner described above dimensioned circuit according to 2 corresponds to how it works based on the 1 was explained. During an initial period of time, transistors T1 and T2 will go through the control input terminals 112a and 112b switched to the conductive state, so that via the DC power source, a current can flow through the coil L, so that the desired high voltage is generated due to the inductance of the inductance L inductance. After reaching the desired voltage or after expiration of a corresponding period of time depends on which polarity to the load 302 to be provided output voltage, either the transistor T1 or the transistor T2 by a corresponding signal to the corresponding control input terminal 112a or 112b switched non-conductive, so that either the first coil terminal 108a or the second coil terminal 108b from the entrance 102 and thus from the DC source 202 is disconnected. The voltage drop across the coil L causes the transistor T3 to switch to the conductive state due to the high-resistance resistor R1, so that due to the coil connection 108a applied negative potential, the diode D1 is poled in the flow direction. As a result, the negative voltage on the coil L to the load 302 transfer. At the same time, the transistor T4 remains in the non-conductive state, so that a signal flow via the diode D2 does not occur.
Im
umgekehrten Fall, also wenn der Transistor T2 nicht-leitend geschaltet
wird, so wird aufgrund des Spannungsabfalls über der Spule
L der Transistors T4 leitend geschaltet, so dass aufgrund des am Spulenanschluss 108b anliegenden
positiven Potenzials die Diode D2 in Flussrichtung gepolt wird.
Hierdurch wird die positive Spannung an die Last 302 angelegt.
In diesem Fall bleibt der Transistor T3 nicht-leitend, so dass selbst
aufgrund der über die Diode D1 positiv anliegenden Spannung
kein Signal in Richtung des ersten Anschlusses 108a der
Spule L läuft.In the opposite case, that is, when the transistor T2 is switched non-conductive, so due to the voltage drop across the coil L of the transistor T4 is turned on, so that due to the coil terminal 108b applied positive potential, the diode D2 is poled in the flow direction. This causes the positive voltage to the load 302 created. In this case, the transistor T3 remains non-conductive, so that even due to the voltage applied via the diode D1 positive signal no signal in the direction of the first terminal 108a the coil L is running.
Somit
kann abhängig von der Dimensionierung und der Schaltregelung
betreffend die Transistoren T1 und T2 eine erwünschte Ausgangsspannung
an die Last 302 mit erwünschter Polarität
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Wandler-Schaltung
bereitgestellt werden.Thus, depending on the sizing and the switching regulation concerning the transistors T1 and T2, a desired output voltage to the load 302 be provided with desired polarity using the converter circuit according to the invention.
Anhand
der 3 wird nachfolgend eine weitere Ausgestaltung
einer elektronischen Schaltung 500 mit dem erfindungs gemäßen
DC/DC-Wandler beschrieben, wobei der DC/DC-Wandler gemäß diesem
Ausführungsbeispiel unter Verwendung von MOS-Feldeffekt-Transistoren
realisiert ist. Der DC/DC-Wandler ist hier, ähnlich wie
in 2, für eine kleine Baugröße
und eine einfache Ansteuerung ausgelegt. Die anhand der 2 bereits
beschriebenen Elemente, die sich auch in der 3 wiederfinden, sind
mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und eine erneute Beschreibung
derselben erfolgt nicht.Based on 3 Below is another embodiment of an electronic circuit 500 described with the fiction, contemporary DC / DC converter, wherein the DC / DC converter is realized according to this embodiment using MOS field effect transistors. Of the DC / DC converter is here, similar to in 2 , designed for a small size and easy control. The basis of the 2 already described elements, which are also in the 3 will find the same reference numerals, and a re-description of the same does not take place.
Ein
Vergleich mit der 2 zeigt, dass anstelle der Bipolar-Transistoren
T1 und T2 nunmehr die Feldeffekt-Transistoren F1 und F2 zwischen
die Spule und den Eingang 102 geschaltet sind. Genauer gesagt
ist ein erster Feldeffekt-Transistor, vorzugsweise ein selbstsperrender
p-Kanal MOS-Feldeffekt-Transistor, zwischen den ersten Spulenanschluss 108a und
den ersten Eingangsanschluss 102a geschaltet. Ebenso ist
ein zweiter Feldeffekt-Transistor F2, vorzugsweise ein selbstsperrender
n-Kanal MOS-Feldeffekt-Transistor zwischen den zweiten Spulenanschluss 108b und
den zweiten Eingangsanschluss 102b geschaltet. Gemäß der
in 3 dargestellten Ausführungsform, empfängt
der Gate-Anschluss des Feldeffekt-Transistors F1 ein Steuersignal über
den ersten Steuereingangsanschluss 112a. Der Drain-Anschluss
des Feldeffekt-Transistors F1 ist mit dem ersten Eingangsanschluss 102a verbunden,
und der Source-Anschluss des Feldeffekt-Transistors F1 ist mit dem
ersten Spulen-Anschluss 108a verbunden. Ähnlich
wie der Feldeffekt-Transistor F1 empfängt auch der Feldeffekt-Transistor
F2 an seinem Gate-Anschluss ein Steuersignal über den Steuereingangsanschluss 112b.
Der Source-Anschluss des Feldeffekt-Transistors F2 ist mit dem zweiten
Eingangsanschluss 102b und mit dem zweiten Ausgangsanschluss 104b verbunden.
Der Drain-Anschluss des Feldeffekt-Transistors F2 ist mit dem zweiten
Spulenanschluss 108b verbunden.A comparison with the 2 shows that instead of the bipolar transistors T1 and T2 now the field effect transistors F1 and F2 between the coil and the input 102 are switched. More specifically, a first field effect transistor, preferably a self-blocking p-channel MOS field-effect transistor, is interposed between the first coil terminal 108a and the first input terminal 102 connected. Likewise, a second field-effect transistor F2, preferably a self-blocking n-channel MOS field-effect transistor between the second coil terminal 108b and the second input terminal 102b connected. According to the in 3 In the illustrated embodiment, the gate terminal of the field effect transistor F1 receives a control signal via the first control input terminal 112a , The drain terminal of the field effect transistor F1 is connected to the first input terminal 102 connected, and the source terminal of the field effect transistor F1 is connected to the first coil terminal 108a connected. Similar to the field effect transistor F1, the field effect transistor F2 receives at its gate terminal a control signal via the control input terminal 112b , The source terminal of the field effect transistor F2 is connected to the second input terminal 102b and with the second output terminal 104b connected. The drain terminal of the field effect transistor F2 is connected to the second coil terminal 108b connected.
Bei
der zweiten Einrichtung umfassen die Schaltelemente ebenfalls Feldeffekt-Transistoren. Wie
in 3 zu erkennen ist, umfasst die zweite Einrichtung
als erstes Schaltelement den Feldeffekt-Transistor F3, vorzugsweise
einen selbstsperrenden n-Kanal MOS-Feldeffekt-Transistor, der zwischen
den ersten Spulenanschluss 108a und die erste Diode D1
geschaltet ist. Genauer gesagt ist der Source-Anschluss des Feldeffekt-Transistors
F3 mit dem ersten Spulenanschluss 108a verbunden, und der
Drain-Anschluss des Transistors F3 ist mit der Kathode der ersten
Diode D1 verbunden. Der Gate-Anschluss des Transistors F3 ist über
einen ersten Kondensator C1 mit dem ersten Eingangsanschluss 102a verbunden,
wobei für eine entsprechende Ansteuerung die Kapazität
des Kondensators C1 kleingehalten wird.In the second device, the switching elements also comprise field-effect transistors. As in 3 1, the second device comprises as the first switching element the field-effect transistor F3, preferably a self-blocking n-channel MOS field-effect transistor, which is connected between the first coil connection 108a and the first diode D1 is connected. More specifically, the source terminal of the field effect transistor F3 is connected to the first coil terminal 108a connected, and the drain terminal of the transistor F3 is connected to the cathode of the first diode D1. The gate terminal of the transistor F3 is connected to the first input terminal via a first capacitor C1 102 connected, for a corresponding drive, the capacitance of the capacitor C1 is kept low.
Das
zweite Schaltelement umfasst einen Feldeffekt-Transistor F4, der
zwischen den zweiten Spulenanschluss 108b und die zweite
Diode D2 geschaltet ist. Genauer gesagt ist der Source-Anschluss
des Feldeffekt-Transistors F4 mit dem zweiten Spulenanschluss 108b verbunden,
und der Drain-Anschluss des Feldeffekt-Transistors F4 ist mit der
Anode der zweiten Diode D2 verbunden. Der Gate-Anschluss des Feldeffekt-Transistors
F4 ist über einen zweiten Kondensator C2 mit dem zweiten Eingangsanschluss 102b und
dem zweiten Ausgangsanschluss 104b verbunden. Auch hier
ist die Kapazität des Kondensators C2 klein.The second switching element comprises a field-effect transistor F4 which is connected between the second coil terminal 108b and the second diode D2 is connected. More specifically, the source terminal of the field effect transistor F4 is connected to the second coil terminal 108b connected, and the drain terminal of the field effect transistor F4 is connected to the anode of the second diode D2. The gate terminal of the field-effect transistor F4 is connected to the second input terminal via a second capacitor C2 102b and the second output terminal 104b connected. Again, the capacitance of the capacitor C2 is small.
Die
Funktionalität der anhand der 3 gezeigten
Ausgestaltung des DC/DC-Wandlers entspricht im Wesentlichen der
anhand der 2 beschriebenen Funktionalität.
Auch hier wird anfänglich bis zur Generierung einer erwünschten
Spannung durch die Spule L der Transistor F1 und der Transistor
F2 leitend gehalten, so dass die Spule L mit der Versorgungsquelle 202 verbunden
ist. Bei Erreichen einer erwünschten Spannung bzw. nach
Ablauf einer entsprechenden Zeitdauer wird einer der Transistoren
F1 oder F2 nichtleitend geschaltet. Aufgrund der an den Spulenanschlüssen 108a bzw. 108b anliegenden
Potenziale erfolgt dann abhängig davon, welcher der Transistoren
F1 und F2 nicht-leitend geschaltet wurde, eine entsprechendes Leitendschalten
eines der Transistoren F3 oder F4, wobei der jeweils andere der
Transistoren F3 und F4 nicht-leitend verbleibt. Genauer gesagt wird
für den Fall, dass eine positive Spannung an die Last 302 auszugeben
ist, über das am Steuereingangsanschluss 112b anliegende
Steuersignal der Transistor F2 nicht-leitend geschaltet, was zur
Folge hat, dass aufgrund des am Spulenanschluss 108b anliegenden
positiven Potenzials der Transistor F4 leitfähig geschaltet
wird, wohingegen der Transistor F3 nicht-leitend bleibt (sperrt).
Hierdurch wird die positive Spannung an die Last 302 über
den Ausgang 104 angelegt. Ähnlich dem anhand der 2 beschriebenen
Ausführungsbeispiel wird auch bei der in 3 beschriebenen Schaltung 500,
wenn der Transistor F2 nicht-leitend geschaltet wird, aufgrund des
Spannungsabfalls über der Spule L der Transistors F4 leitend
geschaltet, so dass aufgrund des am Spulenanschluss 108b anliegenden
positiven Potenzials die Diode D2 in Flussrichtung gepolt wird.
Hierdurch wird die positive Spannung an die Last 302 angelegt.
In diesem Fall bleibt der Transistor F3 nicht-leitend, so dass selbst aufgrund
der über die Diode D1 positiv anliegenden Spannung kein
Signal in Richtung des ersten Anschlusses 108a der Spule
L läuft.The functionality of the basis of the 3 shown embodiment of the DC / DC converter essentially corresponds to the basis of 2 described functionality. Again, initially, until the generation of a desired voltage by the coil L, the transistor F1 and the transistor F2 are kept conductive, so that the coil L with the supply source 202 connected is. Upon reaching a desired voltage or after expiration of a corresponding period of time, one of the transistors F1 or F2 is switched non-conducting. Due to the at the coil terminals 108a respectively. 108b applied potentials then takes place depending on which of the transistors F1 and F2 has been switched non-conductive, a corresponding Leitendschalten one of the transistors F3 or F4, wherein the other of the transistors F3 and F4 remains non-conductive. More specifically, in the event that a positive voltage to the load 302 output via the control input terminal 112b applied control signal, the transistor F2 non-switched, with the result that due to the coil at the connection 108b applied positive potential of the transistor F4 is switched conductive, whereas the transistor F3 remains non-conductive (blocks). This causes the positive voltage to the load 302 over the exit 104 created. Similar to the basis of the 2 described embodiment is also in the in 3 described circuit 500 When the transistor F2 is turned on nonconducting, due to the voltage drop across the coil L of the transistor F4 is turned on, so that due to the coil terminal 108b applied positive potential, the diode D2 is poled in the flow direction. This causes the positive voltage to the load 302 created. In this case, the transistor F3 remains non-conductive, so that even due to the voltage applied via the diode D1 positive signal no signal in the direction of the first terminal 108a the coil L is running.
Alternativ
wird für die Bereitstellung einer negativen Ausgangsspannung
am Ausgang 104 für die Last 302 der Transistor
F1 geöffnet. Über das am ersten Spulenanschluss 108a anliegende
negative Potenzial erfolgt ein Leitendschalten (öffnen)
des Transistors F3, wohingegen der Transistor F4 nicht-leitend bleibt.
Hierdurch wird die negative Ausgangsspannung an die Last 302 angelegt.
In diesem Fall bewirkt die über die Spule L abfallende
Spannung, dass der Transistor F3 in den leitenden Zustand schaltet,
so dass aufgrund des am Spulenanschluss 108a anliegenden
negativen Potenzials die Diode D1 in Flussrichtung gepolt wird.
Hierdurch wird die negative Spannung an der Spule L an die Last 302 übertragen.
Gleichzeitig bleibt der Transistor F4 im nicht-leitenden Zustand,
so dass ein Signalfluss über die Diode D2 nicht erfolgt.Alternatively, for providing a negative output voltage at the output 104 for the load 302 the transistor F1 is opened. About that on the first coil connection 108a applied negative potential is a Leitendschalten (open) of the transistor F3, whereas the transistor F4 remains non-conductive. This causes the negative output voltage to the load 302 created. In this case causes the voltage drop across the coil L, that the transistor F3 switches to the conductive state, so that due to the coil connection 108a applied negative potential, the diode D1 is poled in the flow direction. As a result, the negative voltage on the coil L to the load 302 transfer. At the same time, the transistor F4 remains in the non-conductive state, so that a signal flow via the diode D2 does not occur.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel kann die in 3 gezeigten
Schaltung wie folgt dimensioniert werden:
- • Durch
die Gleichspannungsquelle bereitgestellte Versorgungsspannung =
5 V
- • Induktivität der Spule L = 220 μH
- • Stromtragfähigkeit der Spule L = 100 mA
- • Schaltfrequenz mit der der Schalter 106a (bei Laden
der Last auf ein negatives Potenzial) oder der Schalter 106b (bei
Laden der Last auf ein positives Potenzial) geöffnet und
geschlossen wird = 100 kHz
- • Last = 10 nF
According to one embodiment, the in 3 shown circuit are dimensioned as follows: - • Supply voltage = 5 V provided by the DC voltage source
- • inductance of the coil L = 220 μH
- • Current carrying capacity of the coil L = 100 mA
- • Switching frequency with the switch 106a (when charging the load to a negative potential) or the switch 106b (when loading the load to a positive potential) is opened and closed = 100 kHz
- • load = 10 nF
Mit
einer solchen Dimensionierung kann die Last 302 in 4 ms
von –50 V auf +150 V aufgeladen werden bzw. von 150 V auf –50
V. Die Größe der Schaltung ist hierbei im Bereich
von 7 × 7 mm2. With such a dimensioning can the load 302 in 4 ms from -50 V to +150 V or from 150 V to -50 V. The size of the circuit is here in the range of 7 × 7 mm 2 .
Anhand
der 2 und 3 wurden Ausführungsbeispiele
beschrieben, die zwischen den Anschlüssen der Spule L und
dem Ausgang 104 jeweils eine Reihenschaltung umfassend
einen selbstschaltenden Transistor und eine Diode aufweisen. Anstelle
dieser Reihenschaltung von zwei Elementen kann die gleiche Funktionalität
auch durch Verwendung von zwei beidseitig sperrenden IGTBs (IGBT
= Insulated-Gate Bipolar Transistor = Bipolartransistor mit isolierter
Gate-Elektrode) erreicht werden, wobei ein erster IGBT zwischen
dem ersten Anschluss 108a der Spule L und dem ersten Ausgangsanschluss 104a angeordnet
ist, und wobei ein zweiter IGBT zwischen dem zweiten Anschluss 108b der Spule
L und dem ersten Ausgangsanschluss 104a angeordnet ist.Based on 2 and 3 Embodiments have been described which exist between the terminals of the coil L and the output 104 each having a series circuit comprising a self-switching transistor and a diode. Instead of this series connection of two elements, the same functionality can also be achieved by using two double-sided insulated-gate bipolar transistor (IGBT) IGTBs, wherein a first IGBT is connected between the first terminal 108a the coil L and the first output terminal 104a is arranged, and wherein a second IGBT between the second terminal 108b the coil L and the first output terminal 104a is arranged.
Anhand
der 4 wird nachfolgend ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben. 4 zeigt
eine elektronische Schaltung 600 mit einem DC/DC-Wandler
gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
der, an ders als bei den 2 und 3, jedoch
für eine höhere Energieeffizienz ausgelegt ist.Based on 4 Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described. 4 shows an electronic circuit 600 with a DC / DC converter according to a third embodiment, which, in addition to the 2 and 3 , but designed for higher energy efficiency.
Die
in 4 gezeigte Schaltung entspricht im wesentlichen
der Schaltung aus 3, wobei jedoch die Dioden D1
und D2 durch die gesteuerten Transistoren F5 und F6 ersetzt wurden.
Bei den Transistoren handelt es sich vorzugsweise um Feldeffekttransistoren,
wobei der Transistor F5 vorzugsweise ein selbstsperrender p-Kanal
MOS-Feldeffekt-Transistor und der Transistor F6 vorzugsweise ein
selbstsperrender n-Kanal MOS-Feldeffekt-Transistor ist. Der Source-Anschluss
des Transistors F5 ist mit dem Drain-Anschluss des Transistors F3
verbunden, und der Drain-Anschluss des Transistors F5 ist mit dem Ausgangsanschluss 104a verbunden.
Am Gate-Anschluss empfängt der Transistor F5 von einem
Steuereingang 114a ein Steuer- oder Schaltsignal. Der Source-Anschluss
des Transistors F6 ist mit dem Drain-Anschluss des Transistors F4
verbunden, und der Drain-Anschluss des Transistors F6 ist mit dem Ausgangsanschluss 104a verbunden.
Am Gate-Anschluss empfängt der Transistor F6 von einem
Steuereingang 114b ein Steuer- oder Schaltsignal. Die Transistoren
F5 und F6 werden über eine Potenzialtrennung von einem
Schaltregler gesteuert.In the 4 The circuit shown essentially corresponds to the circuit 3 However, the diodes D1 and D2 have been replaced by the controlled transistors F5 and F6. The transistors are preferably field-effect transistors, wherein the transistor F5 is preferably a self-blocking p-channel MOS field-effect transistor and the transistor F6 is preferably a self-blocking n-channel MOS field-effect transistor. The source terminal of the transistor F5 is connected to the drain terminal of the transistor F3, and the drain terminal of the transistor F5 is connected to the output terminal 104a connected. At the gate terminal, transistor F5 receives from a control input 114a a control or switching signal. The source terminal of the transistor F6 is connected to the drain terminal of the transistor F4, and the drain terminal of the transistor F6 is connected to the output terminal 104a connected. At the gate, transistor F6 receives from a control input 114b a control or switching signal. The transistors F5 and F6 are controlled by a potential separation of a switching regulator.
Die
energiesparende Variante des Wandlers wird durch das Ersetzen der
Dioden durch die steuerbaren Transistoren F5 und F6 erreicht. Da
die Transistoren nicht auf einem konstanten Potenzial liegen, wird
für die Ansteuerung eine Potenzialtrennung benötigt.
Die Energieeinsparung ist deshalb möglich, weil die in
der geladenen Last 302 gespeicherte Energie in die Spannungsversorgung
zurückgespeist wird, wenn die Last z. B. von einer negativen
Spannung auf eine positive Spannung geladen wird. In diesem Betriebsfall
dreht sich der Energiefluss um: die Last dient als Versorgungsquelle
und die Transistoren F5 bzw. F6 und F2 bzw. F1 werden eingeschaltet.
In der Spule baut sich ein Strom mit umgekehrter Stromrichtung auf.
Dieser fließt in die Spannungsversorgung zurück
und in der Spule wird Energie ge speichert. Nach dem Abschalten der
Transistoren F5 bzw. F6 wird diese Energie an die Versorgung abgegeben.The energy-saving variant of the converter is achieved by replacing the diodes by the controllable transistors F5 and F6. Since the transistors are not at a constant potential, a potential separation is required for the control. The energy saving is possible because of the charged load 302 stored energy is fed back into the power supply when the load z. B. is charged from a negative voltage to a positive voltage. In this case of operation, the flow of energy revolves around: the load serves as the supply source and the transistors F5 or F6 and F2 or F1 are turned on. In the coil, a current builds up in reverse current direction. This flows back into the power supply and energy is stored in the coil. After switching off the transistors F5 and F6, this energy is delivered to the supply.
5 zeigt
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Ausgangsgleichspannung
mit wahlfreier Polarität an eine Last gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wandler-Schaltung,
wie sie anhand der 1 bis 4 beschrieben
wurde, auf die nachfolgend beschriebene Art und Weise betrieben,
um eine erwünschte positive oder negative Ausgangsgleichspannung
an die Last bereitzustellen. 5 FIG. 12 shows a flowchart of a method for providing a DC output voltage with optional polarity to a load according to an embodiment of the invention. According to the method according to the invention, the converter circuit, as they are based on the 1 to 4 operated in the manner described below to provide a desired positive or negative DC output voltage to the load.
In
einem ersten Schritt S100 wird auf die oben beschriebene Art und
Weise, beispielsweise über die Gleichspannungsquelle 202,
eine Eingangsgleichspannung an den Wandler angelegt. Anschließend
erfolgt, wie oben ebenfalls näher beschrieben wurde, ein
Verbinden beider Spulenanschlüsse mit dem Eingang, wie
dies im Schritt S102 erläutert ist. Im Schritt S104 wird
abgewartet, bis mittels der Spule L eine erwünschte Spannung
generiert wurde bzw. es wird für eine bestimmte Zeitdauer
abgewartet, die ausreichend ist, um die erwünschte Spannung über die
Induktivität der Spule L zu generieren. Abhängig davon,
ob eine positive Ausgangsgleichspannung oder eine negative Ausgangsgleichspannung
erwünscht ist, verzweigt das Verfahren zum Schritt S106
oder zum Schritt S108. Im Schritt S108 wird eine Bereitstellung
einer positiven Ausgangsgleichspannung an die Last dadurch erreicht,
dass der zweite Anschluss der Spule von dem Eingang getrennt wird.
Im Schritt S108 wird eine negative Ausgangsgleichspannung an der
Last erreicht, indem der erste Anschluss der Spule von dem Eingang
getrennt wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung wird durch das einfache Auftrennen der entsprechenden
Verbindungen zwischen der Spule und dem Eingangsanschluss ohne weitere
externe Steuerung und damit auf einfache Art und Weise erreicht,
dass die entsprechende Spannung an der Last anliegt. Dies erfolgt
unter Verwendung der zweiten Einrichtung 110a, die schaltungstechnisch
so dimensioniert ist, dass nur einer der Anschlüsse der
Spule mit dem Ausgang der Schaltung und damit mit der Last verbunden
wird.In a first step S100 is in the manner described above, for example via the DC voltage source 202 , An input DC voltage applied to the converter. Subsequently, as has also been described in more detail above, a connection of both coil terminals to the input takes place, as explained in step S102. In step S104, it is waited until a desired voltage has been generated by means of the coil L, or it is waited for a certain period of time which is sufficient to generate the desired voltage across the inductance of the coil L. Dependent Whether a positive output DC voltage or a negative DC output voltage is desired, the process branches to step S106 or step S108. In step S108, provision of positive DC output voltage to the load is achieved by disconnecting the second terminal of the coil from the input. In step S108, a negative output DC voltage is achieved at the load by disconnecting the first terminal of the coil from the input. Due to the inventive design is achieved by simply separating the corresponding connections between the coil and the input terminal without further external control and thus in a simple manner that the corresponding voltage is applied to the load. This is done using the second device 110a , which is circuitically dimensioned so that only one of the terminals of the coil is connected to the output of the circuit and thus to the load.
Somit
wird erfindungsgemäß die oben genannte Aufgabe
realisiert, nämlich einen DC/DC-Wandler zu schaffen, der
Ausgangsgleichspannungen mit unterschiedlicher Polarität
bereitstellen kann, jedoch keinerlei hohen schaltungstechnischen
Aufwand erfordert. Tatsächlich ist lediglich erforderlich,
die Schaltelemente der ersten Einrichtung, beispielsweise die Transistoren
T1 und T2 bzw. F1 und F2 über einen Schaltregler anzusteuern,
alle anderen Schaltelemente arbeiten unabhängig von externen
Steuersignalen und schalten aufgrund schaltungsinterner Signalpegel.Consequently
According to the invention, the above-mentioned object
realized, namely to provide a DC / DC converter, the
DC output voltages with different polarity
can provide, but no high circuit engineering
Effort required. Actually, it is only necessary
the switching elements of the first device, for example, the transistors
T1 and T2 or F1 and F2 via a switching regulator,
all other switching elements work independently of external ones
Control signals and switch due to internal circuit signal levels.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
-
- Christoph
Stiebel, „Leistungsverstärker zur verlustarmen
Ansteuerung von kapazitiven Lasten”, Shaker Verlag, ISBN
978-3-8322-0309-2, Juni 2002 [0002] - Christoph Stiebel, "Power Amplifier for Low-loss Control of Capacitive Loads", Shaker Verlag, ISBN 978-3-8322-0309-2, June 2002 [0002]