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, zum Bereitstellen einer Ausgangsgleichspannung mit wahlfreier Polarität an eine Last. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf bipolare DC/DC-Wandler, die zur Bereitstellung einer Ansteuerspannung für einen piezokeramischen Aktuator verwendet werden.The present invention relates generally to DC / DC converters (hereinafter also referred to as DC / DC converters), and more particularly to a DC / DC DC / DC converters, to an electronic circuit incorporating such bipolar DC / DC converter for providing a DC output voltage of optional polarity to a load. In particular, the present invention relates to bipolar DC / DC converters used to provide a drive voltage to a piezoceramic actuator.
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. As described by Christoph Stiebel, "power amplifier for low-loss control of capacitive loads", Shaker Verlag, ISBN 978-3-8322-0309-2, June 2002.
Schaltungen, die einen solchen DC/DC-Wandler umfassen, sind akzeptabel, sofern die anzusteuernde Last stets mit einer vorbestimmten Polarität zu betreiben ist. Eine andere Situ ation 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, jedoch 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 comprising such a DC / DC converter are acceptable, provided that the load to be controlled is always to be operated with a predetermined polarity. However, another situation arises when, depending on the application, the load must alternately be supplied with voltages in the positive range and voltages in the negative range. Although in such a case, the above-mentioned, known DC / DC converter can be used, but this is accompanied by a doubling of the circuit complexity, namely the provision of a first DC / DC converter, which provides a positive circuit, and a second DC / DC converter providing a negative voltage. In addition, a corresponding switching arrangement must be provided to couple the load, depending on the application, either to the first DC / DC converter providing the positive voltage or to the second DC / DC converter providing 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 of such electronic circuits are those which generate the drive circuit for actuators, for example piezoceramic actuators. Such actuators represent capacitive loads, which are driven alternately with voltages in the positive range between 0 V and 1.5 kV, depending on the application, and are driven in the negative range with voltages between 0 V and -500 V. Other applications are z. B. a miniature pump for liquids, the pumping membrane is driven by a piezoceramic. The vibration damping in windmills is one possible application.
Die EP 0 655 826 A1 beschreibt einen DC-DC-Wandler zum direkten Ansteuern einer kapazitiven Last mit vier Schaltern zur zyklischen Änderung der Verbindungskonfiguration einer Energiespeicherdrossel. Erste und zweite Schalter werden mit einer relativ hohen Frequenz getrieben und schaffen einen Ladungspfad für den Induktor durch Verbinden des einen oder des anderen Endes des Induktors mit einer Stromversorgungsschiene. Dritte und vierte Schalter werden gegenphasig zueinander mit einer relativ Frequenz getrieben und schaffen einen Entladungspfad von dem einen Ende bzw. von dem anderen Ende des Induktors zu einem Ausgangsknoten der Schaltung, mit dem die kapazitive Last verbunden ist.The EP 0 655 826 A1 describes a DC-DC converter for direct driving a capacitive load with four switches for cyclically changing the connection configuration of an energy storage inductor. First and second switches are driven at a relatively high frequency and provide a charge path for the inductor by connecting one or the other end of the inductor to a power rail. Third and fourth switches are driven out of phase with each other at a relatively frequency and provide a discharge path from one end or the other end of the inductor to an output node of the circuit to which the capacitive load is connected.
Die US 5 574 357 A beschreibt mit 2 ein Schaltnetzteil mit einer hohen Leistungsumwandlungseffizienz. Ein Treibertransistor Q3 ist zwischen einer Basis eines ersten Transistors Q2 und Masse angeordnet. Ein Treibersignal wird von einem Verbindungspunkt des ersten Transistors Q2 mit einer Drosselspule L1 eingegeben, um eine Spannung an der Basis eines Treibertransistors Q3 bereitzustellen, und um einen EIN- und AUS-Betrieb des ersten Transistors synchron mit einem EIN- und AUS-Betrieb eines Schalttransistors Q1 zu bewirken.The US 5 574 357 A describes with 2 a switching power supply with a high power conversion efficiency. A driver transistor Q 3 is disposed between a base of a first transistor Q 2 and ground. A drive signal is inputted from a connection point of the first transistor Q 2 with a choke coil L1 to provide a voltage at the base of a driver transistor Q 3 , and an ON and OFF operation of the first transistor in synchronism with an ON and OFF operation to effect a switching transistor Q 1 .
Die DE 103 34 969 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Schaltwandlers, der zumindest eine Speicherinduktivität und zumindest eine Speicherkapazität aufweist, bei welchem Leistung von der Primärseite zu der Sekundärseite und umgekehrt durch gesteuertes Schalten zumindest eines Primärschalters und zumindest eines Sekundärschalters übertragen wird, wobei das Tastverhältnis und/oder die Steuerzeiten und/oder die Frequenz der Ansteuerpulse für die gesteuerten Schalter in Abhängigkeit von gemessenen Betriebsgrüßen eingestellt werden. Die Steuerung wird mit Hilfe eines adaptiven Regelalgorithmus bei wahlweiser Verwendung eines von zumindest zwei unterschiedlichen Regelmodellen durchgeführt. Die Auswahl des anzuwendenden Regelmodells erfolgt in Abhängigkeit von gemessenen und/oder aus Messwerten errechneten Betriebsgrößen.The DE 103 34 969 A1 describes a method for controlling a switching converter, which has at least one storage inductance and at least one storage capacity at which power is transmitted from the primary side to the secondary side and vice versa by controlled switching of at least one primary switch and at least one secondary switch, the duty cycle and / or the control times and / or the frequency of the drive pulses for the controlled switches are adjusted in response to measured operational readings. The control is carried out with the aid of an adaptive control algorithm with optional use of one of at least two different control models. The selection of the applicable control model takes place in dependence on measured and / or calculated from measured values operating variables.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen DC/DC-Wandler, eine elektronische Schaltung mit einem solchen Wandler zu schaffen, die es ermöglichen, auf einfache Art einer Last ausgehend von einer geringen Gleichspannung eine hohe Gleichspannung mit wählbarer Polarität bereitzustellen.Starting from this prior art, the present invention seeks to provide a DC / DC converter, an electronic circuit with such a converter, which make it possible in a simple way of a load from a low DC voltage high DC voltage with selectable Provide polarity.
Diese Aufgabe wird durch einen bipolaren Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler gemäß Anspruch 1 und durch eine elektronische Schaltung gemäß Anspruch 13 gelöst. This object is achieved by a bipolar DC / DC converter according to claim 1 and by an electronic circuit according to claim 13.
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 in the second device comprises a first and a second series circuit, each comprising a self-switching switch and an interruption element, for. B. a diode or an externally connected transistor. Alternatively, the self-switching switch and the interrupting element of the series connection may be connected by a common element, e.g. As an IGBT (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor = bipolar transistor with insulated gate electrode) to be realized. The first series connection is arranged between the first terminal of the coil and the output, and the second series circuit is arranged between the second terminal of the coil and the output.
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 converter according to the invention, the problems encountered in conventional transducers are prevented, in particular problems resulting from the influence of individual components for a voltage through components for the other voltage. In particular, this allows an embodiment of the converter with a reduced effort.
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 realized using switches which are designed either as bipolar transistors or 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 to generate from a usually lower DC supply voltage, the higher drive DC voltage, with the respective desired polarity, the amount of energy required for the transfer of the capacitive load 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.The converter according to the invention can be constructed according to preferred embodiments within the scope of a circuit topology which is optimized for a particularly small size. Such an embodiment of the converter is characterized by particularly few components and by a simple control of the power semiconductors. According to preferred embodiments, the circuit according to the invention is designed to generate both a voltage of +200 V and a voltage of -60 V, starting from a supply voltage of, for example, 5V. Other embodiments are based on a different dimensioning, so that it is also possible to set other 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 a first preferred embodiment of the converter according to the invention is designed for maximum miniaturization, so optimized to a small size. In another embodiment, it is provided to increase the circuit complexity somewhat, whereby 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 first-mentioned embodiment concerning a small size, only two of the switches, preferably transistor switches, are controlled and the other two switches, also preferably transistor switches, are switched in dependence on the occurring voltages within the circuit without external control. 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 defined in the subclaims.
Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. 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 eifern 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 the 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, 5 FIG. 3 is a flowchart of a method for providing a DC output voltage with optional polarity to a load. FIG.
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 of the present invention, the same or equivalent elements in the various figures are given the same reference numerals.
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 port 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 Anschluss 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 terminal 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 terminal with 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 sowohl 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 connected both to 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 are switched to the non-conductive state to the corresponding coil terminal 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 hochohmig 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 a 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-resistance 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 switched in the direction of flow. is. 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 Induktivität 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 a current can flow through the coil L via the DC power source, so that the desired high voltage is generated due to the inductance of the coil L. 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 nichtleitend 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 is due to the voltage drop across the coil L of the transistor T4 turned on, so that due to the coil at the connection 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 erfindungsgemäßen 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 DC / DC converter according to the invention, wherein the DC / DC converter according to this embodiment is realized 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 nichtleitenden 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, the voltage dropped across the coil L causes the transistor F3 to turn on, so that due to the coil terminal 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-conducting state, so that a signal flow via the diode D2 does not take place.
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 –50V. 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 -50V. The size of the circuit is 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, anders 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, unlike 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 Ersetzender 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 gespeichert. 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 with 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 dem 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 flow chart of a method for providing a DC output voltage with optional polarity to a load. According to the method, the converter circuit as described by 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. Depending on whether a positive output DC voltage or a negative output DC 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.Thus, according to the invention, the above-mentioned object is achieved, namely to provide a DC / DC converter which can provide DC output voltages of different polarity, but does not require any high circuit complexity. In fact, it is only necessary to drive 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 operate independently of external control signals and switch due to internal circuit signal levels.
