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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Aus
dem Stand der Technik bekannte Schaltregler dienen dazu, aus einer
Eingangs-Gleichspannung eine Ausgangs-Gleichspannung mit einem niedrigeren
Wert (Abwärtswandler
bzw. Tiefsetzer) oder höheren
Wert (Aufwärtswandler
bzw. Hochsetzer) zu erzeugen. Ein Anwendungsbereich ist z. B. die
Kfz-Elektronik. Für
Kfz-Steuergeräte
werden mit solchen Schaltreglern aus der Bordnetzspannung mit bspw.
24 V oder 12 V Versorgungsspannungen von bspw. 5 V erzeugt. Solche
Schaltregler können
in das betreffende Kfz-Steuergerät integriert
oder vorgeschaltet sein.
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Schaltregler
bestehen im Wesentlichen aus einem induktiven Bauelement, wie z.
B. einer Spule, dessen Stromdurchfluss durch taktweise Beaufschlagung
mit einer Spannung gesteuert oder geregelt wird. Diese Schaltregler
erzeugen üblicherweise
nur eine direkte Ausgangsspannung. Um weitere Ausgangsspannungen
zu erzeugen, können
nachfolgende Spannungsteiler oder Linearregler eingesetzt werden.
Die zusätzlichen
Ausgangsspannungen liegen dabei unterhalb der direkt erzeugten Ausgangsspannung
des Schaltreglers. Nachteilig bei diesem Aufbau ist eine hohe Verlustleistung
der Spannungsteiler oder Linearregler, die zu einem schlechten Wirkungsgrad
führt.
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Bei
komplexeren Ausführungsformen
eines Schaltreglers ist das induktive Bauelement ein Transformator
mit mehreren Sekundärwicklungen,
wodurch mehrere verschiedene Ausgangsspannungen erzeugt werden können. Nachteilig hierbei
ist der verhältnismäßig hohe
Aufwand bei der Herstellung des Transformators, der zu höheren Kosten
führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektronischen
Schaltregler bereitzustellen, der mehrere unterschiedliche Ausgangsspannungen
bereitstellen kann, wobei der Schaltregler mit einfachen induktiven
Bauelement auskommt und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
elektronischen Schaltregler mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ein
Verfahren zum Betrieb dieses Schaltreglers ist Gegenstand eines
nebengeordneten Anspruches. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Die
Lösung
der Erfindung sieht im wesentlichen vor, dass bei einem Schaltregler
mit mehreren Ausgängen,
an denen unterschiedliche Spannungen bereitgestellt werden können, wenigstens
einem der Ausgänge
ein Schalter zugeordnet ist, mittels dessen der Stromfluss zu diesem
Ausgang wahlweise unterbrochen oder geschlossen werden kann. Dadurch kann
der durch die Spule fließende
Strom auf mehrere Ausgänge
verteilt werden, so dass die Spannung an diesen Ausgängen ohne
Verwendung von Spannungsteilern oder Linearreglern individuell eingestellt werden
kann.
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Der
bzw. die Schalter sind vorzugsweise nach (d. h. ausgangsseitig)
einem Knoten angeordnet, an dem sich der durch die Spule fließende Strom auf
die einzelnen Ausgänge
aufteilt. Der Ausgang mit der höchsten
Ausgangsspannung umfasst vorzugsweise keinen Schalter.
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Der
erfindungsgemäße Schaltregler
ist vom Grundprinzip vorzugsweise als Abwärtswandler konzipiert, der
einen eingangsseitigen Schalter aufweist, mittels dessen die Induktivität wahlweise
gegen das Eingangspotential oder ein Referenzpotential (meist Masse)
geschaltet werden kann. An wenigstens einem der Ausgänge wird
daher grundsätzlich
eine Spannung bereitgestellt, die niedriger ist als die Eingangsspannung.
Der vorstehend genannte ausgangsseitige Schalter ermöglicht unter
bestimmten Umständen
aber auch einen Aufwärtsbetrieb,
bei dem eine Spannung bereitgestellt werden kann, die größer ist
als die Eingangspannung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist an wenigstens einem der Ausgänge ein Kondensator vorgesehen.
Der Kondensator ist dabei vorzugsweise parallel zum jeweiligen Ausgang geschaltet.
Der Schalter kann auch so realisiert sein, dass der zum Ausgang
führende
Pfad wahlweise gegen ein Referenzpotential (vorzugsweise Masse) oder
den Ausgang geschaltet werden kann.
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Die
zu den einzelnen Ausgängen
führenden Äste können jeweils
eine Diode umfassen, die den betreffenden Ast gegen einen Ausgang
mit niedrigerem Potential absichert. Der Ausgang mit der niedrigsten
Ausgangsspannung umfasst vorzugsweise keine Diode.
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An
den einzelnen Ausgängen
können
ferner Spannungsregler vorgesehen sein, die die Ausgangsspannungen
auf ein gewünschtes
Niveau regeln.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Spannungsregler mit mehreren Ausgängen gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 einen
Spannungsregler mit mehreren Ausgängen gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 einen
Spannungsregler mit mehreren Ausgängen gemäß einer dritten Ausführungsform; und
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4 ein
Diagramm des Verlaufes relevanter Größen in einem Schaltregler gemäß der dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines elektronischen Schaltreglers mit mehreren Ausgängen UA1,
UA2, an denen unterschiedliche Ausgangsspannungen bereitgestellt
werden.
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Der
Schaltregler ist vom Grundprinzip als Abwärtswandler konzipiert, der
eine geschaltete Spule L und einen Schalter S0 umfasst, mittels
dessen die Spule L wahlweise gegen die Eingangsspannung (12 V) oder
eine Referenzspannung geschaltet werden kann. Der Schalter S0 ist
am eingangsseitigen Knoten der Spule L angeordnet. An diesem Knoten
ist außerdem
eine Diode D0 gegen Masse M geschaltet, die als Freilaufdiode dient.
Die Diode D0 ist parallel zum Eingang in Sperrrichtung geschaltet.
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Der
Schaltregler hat außerdem
einen Knoten K, an dem sich der durch die Spule L fließende Strom auf
die beiden Ausgänge
UA1 bzw. UA2 aufteilt. Der Ausgang UA1 umfasst einen zusätzlichen
Schalter S1, der in einem zum Ausgang UA1 führenden Ast vorgesehen ist.
Der Schalter S1 ist dabei nach dem genannten Knoten (d. h. ausgangsseitig)
angeordnet. Durch wechselweises Ein- und Ausschalten des Schalters
S1 ist es möglich,
den zum Ausgang UA1 fließenden
Strom und somit die Ausgangsspannung UA1 einzustellen. Die am Ausgang
UA2 bereit gestellte Spannung kann je nach Schaltmuster des Schalters
S1 und des eingangsseitigen Schalters S0 entweder niedriger, oder
in bestimmten Fällen
auch höher
eingestellt werden als die Eingangsspannung UE. Der Schaltregler
ist somit auch als Hochsetzsteller betreibbar. Die Schalter werden
vorzugsweise mittels PWM-Signalen (PWM: Pulsweitenmodulation) angesteuert.
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Der
Ausgang UA2 mit der höheren
Ausgangsspannung umfasst keinen Schalter, er umfasst aber eine zugehörige Diode
D2, die den Ausgang UA2 gegen das Potential UA1 absichert. Die Diode D2
ist nach dem genannten Verteilungsknoten K angeordnet und bezüglich des
Stromflusses in Durchlassrichtung geschaltet. Am Ausgang UA1 mit
der niedrigeren Ausgangsspannung ist keine Diode erforderlich.
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Parallel
zum ersten Ausgang UA1 ist ein Kondensator C1 geschaltet, der als
Glättungskondensator
dient. Am zweiten Ausgang UA2 ist ein entsprechender zweiter Kondensator
C2 vorgesehen.
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Damit
die Schaltung funktioniert, muss die Kondensatorspannung UA2 mindestens
um den Betrag der Durchlassspannung UD2 der Diode D2 höher sein
als die Kondensatorspannung UA1, nämlich: UA2 >= UA1 + UD2
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Das
Verhältnis
der Ausgangsströme
I1 und I2 zu den beiden Ausgängen
legt fest, wo genau die zulässige
minimale Eingangsspannung UE liegen darf. Es gilt näherungsweise,
unter Vernachlässigung etwaiger
Schaltungsverluste: UE_min = (UA1·I1 + UA2·I2)/(I1
+ I2)
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Anstelle
des Kondensator C1 könnte
auch ein gegen Masse geschalteter Schalter vorgesehen sein.
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2.
zeigt eine zweite Ausführungsform der
Erfindung. Die Schaltung umfasst insgesamt vier Ausgänge, welche
vier verschiedene Ausgangsspannungen bereitstellen, wobei gilt:
UA4 > UA3 > UA2 > UA1
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Die
Schaltung umfasst wiederum einen der Spule L nachgeordneten Knoten
K, an dem sich der durch die Spule L fließende Strom auf die einzelnen Ausgänge aufteilt.
Die Ausgänge
UA2–UA4
umfassen jeweils einen zugehörigen
Ast, in dem eine Diode D2–D4
angeordnet ist, um den jeweiligen Ausgang gegenüber den anderen Ausgängen mit
niedrigerem Potential abzusichern. Im Ast des Ausgangs UA1 mit der
niedrigsten Spannung ist keine Diode erforderlich.
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Sämtliche
Ausgänge,
ausgenommen derjenige mit der höchsten
Ausgangsspannung (UA4) umfassen wiederum einen zugehörigen Schalter
S1–S3 zum
Einstellen einer gewünschten
individuellen Ausgangsspannung. Ein solcher Schalter könnte auch
im Ast des vierten Ausgangs UA4 mit der höchsten Ausgangsspannung angeordnet
sein, wobei dann sichergestellt sein sollte, dass in jedem Zeitpunkt
wenigstens einer der Schalter S1–S4 geschlossen ist, um eine
zu hohe Selbstinduktionsspannung der Induktivität L zu vermeiden. Alternativ
könnte
bspw. auch eine Z-Diode gegen Masse M geschaltet werden.
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Parallel
zu den Ausgängen
UA1–UA4
ist wiederum je ein Glättungskondensator
geschaltet.
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
eines Schaltreglers mit mehreren Knoten K, an denen der Strom auf
die einzelnen Ausgänge
verteilt wird. Der durch die Spule L fließende Strom wird hier zunächst an
einem ersten Knoten K auf die Ausgänge UA1 und UA4, sowie auf
einen zu den übrigen
Ausgängen
UA2 und UA3 führenden
Pfad verteilt. Der letztere Pfad verzweigt sich dann an einem weiteren Knoten
K auf die Ausgänge
UA2 und UA3. Der Ausgang UA4 könnte
alternativ auch erst nach der Diode D3 abgezweigt sein.
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Der
Ausgang UA4 ist im vorliegenden Beispiel über eine Diode D4 gegen den
ersten Knoten K, der Ausgang UA3 über eine Diode D3 gegen den Ausgang
UA2, und der Ausgang UA2 über
eine Diode D2 gegen den Ausgang UA1 abgesichert. Bei dieser Ausführungsform
wir wegen der höheren
Durchlassspannung der Dioden D2 und D3 der Wirkungsgrad der Schaltung
geringer. Die Ausgangsspannungen UA2 und UA3 müssen mindestens um die entsprechenden
Durchlassspannungen höher
liegen als am niedrigeren Ausgang. So gilt für die Ausgangspannung UA3 am
dritten Ausgang die Bedingung: UA3 >= (UA2 + UD3)
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Für die Ausgangsspannung
UA4 am vierten Ausgang gilt die Bedingung: UA4 >= (UA3 + UD2 + UD3 – UD4)
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Als
Schalter S0 bis S3 werden bevorzugt Transistoren, insbesondere MOS-Transistoren, verwendet,
die jeweils pulsweitenmoduliert betrieben werden können. Die
Betätigung
mehrerer Schalter erfolgt bevorzugt aufeinander abgestimmt, gesteuert und/oder
geregelt, vorzugsweise mit Hilfe einer übergeordneten Steuerelektronik.
Ferner kann wenigstens eine der Dioden D0, D2, D3 und D4 durch einen Schalter
und insbesondere auch durch einen Transistor ersetzt sein.
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4 zeigt
eine Simulation des zeitlichen Verlaufs des Stroms IL durch die
Induktivität
L und der Ausgangsspannungen UA1 bis UA4-beim Einschalten, an einem
Schaltregler gemäß 3.
Die Eingangsspannung UE beträgt
12 V. Die jeweiligen zeitlichen Verläufe hängen von den Schaltungsparametern
und der Regelstrategie bzw. Logik ab. In der beispielhaften Simulation
wurden Standard-PID-Regler
verwendet, die hierarchisch ausgelegt sind. D. h. der Regler für UA1 hatte
die höchste Priorität, gefolgt
von den Reglern für
UA2, UA3 und UA4. Es zeigt sich ein zeitlich verzögerter Anstieg
der entsprechenden Kondensatorspannungen.