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Diese
Anmeldung basiert auf der am 28. Januar 2008 eingereichten
japanischen Patentanmeldung Nr.
2008-16401 , auf deren Offenbarung hiermit vollinhaltlich
Bezug genommen wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Schaltnetzteil,
in dem mehrere parallel geschaltete Schaltkreise jeweilige Schaltvorgänge ausführen,
um eine Energieversorgungsspannung in eine gesteuerte Spannung zu
wandeln.
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Eine
elektronische Steuereinheit (ECU) eines Fahrzeugs weist ein Schaltnetzteil
auf, das eine Energieversorgungsspannung einer Batterie verstärkt.
Folglich kann die ECU selbst dann, wenn die Spannung der Batterie
aufgrund einer benötigten Startenergie im Fahrzeug absinkt,
normal betrieben werden, während sie eine über
der Batteriespannung liegende gesteuerte Spannung vom Schaltnetzteil empfängt.
Die ECU führt viele Arten von Vorgängen aus, deren
Anzahl sich in letzter Zeit erhöht hat. Damit verbunden
haben sich auch die Größe der ECU und der in der
ECU verbrauchte Arbeitsstrom erhöht. Um die ECU problemlos
betreiben zu können, muss die vom Schaltnetzteil gelieferte
Strommenge erhöht werden.
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Die
JP 2007-6669 offenbart
ein Schaltnetzteil der Bauart eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers,
das dazu ausgelegt ist, eine hohe Menge an Strom in eine ECU zu
speisen. Bei dieser Energieversorgung sind mehrere Schaltkreise,
die Phasen entsprechen, parallel geschaltet, wird eine Eingangsspannung
einer Batterie in jedem Schaltkreis verstärkt und werden
die verstärkten Spannungen an eine einzige Stromversorgungsleitung
gelegt. Folglich kann ein elektrischer Strom, der mit einer gesteuerten
Spannung eingestellt wird, die über der Batteriespannung
liegt, von der Leitung in eine ECU gespeist werden.
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Um
die Schaltkreise zu schützen, ist es jedoch erforderlich,
einen über jeden Schaltkreis fließenden Überstrom
in einem Überstromdetektor zu erfassen und den Strom des
Schaltkreises in einer Strombegrenzungsschaltung zu begrenzen. Folglich muss
jeder Schaltkreis einen Überstromdetektor und eine Strombegrenzungsschaltung
aufweisen. Dies führt dazu, dass sich die Fertigungskosten
und die Größe des Schaltnetzteils erhöhen.
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Es
ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltnetzteil
bereitzustellen, das mehrere parallel geschaltete Schaltkreise aufweist
und in geringer Größe und mit niedrigen Kosten
verbunden gefertigt werden kann, jedoch in zuverlässiger
Weise verhindert, dass ein Überstrom über irgendeinen
der Schaltkreise fließt.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Schaltnetzteil
bereitgestellt, das eine erste Schalteinheit, eine zweite Schalteinheit
und einen Ausgangsanschluss aufweist. Die erste Schalteinheit empfängt
eine Eingangsspannung von einer externen Energiequelle und führt
einen ersten Schaltvorgang aus, um periodisch einen ersten elektrischen
Strom von der externen Energiequelle zu empfangen und eine von der Eingangsspannung
verschiedene erste Spannung aus der Eingangsspannung und dem ersten
elektrischen Strom zu erzeugen. Die zweite Schalteinheit empfängt
die Eingangsspannung von der externen Energiequelle und führt
einen zweiten Schaltvorgang aus, um periodisch einen zweiten elektrischen
Strom von der externen Energiequelle zu empfangen und eine von der
Eingangsspannung verschiedene zweite Spannung aus der Eingangsspannung
und dem zweiten elektrischen Strom zu erzeugen. Ein Höchstwert
des ersten elektrischen Stroms liegt über einem Höchstwert
des zweiten elektrischen Stroms. Der Ausgangsanschluss empfängt
die erste Spannung von der ersten Schalteinheit und die zweite Spannung
von der zweiten Schalteinheit, und eine Ausgangsspannung, die erhalten
wird, indem die erste und die zweite Spannung kombiniert werden,
wird über den Ausgangsanschluss ausgegeben.
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Bei
diesem Aufbau des Schaltnetzteils kann die Energieversorgung selbst
dann, wenn der zweite elektrische Strom nicht erfasst wird, erkennen,
dass der zweite elektrische Strom geringer als der erste elektrische
Strom ist, da der Höchstwert des ersten elektrischen Stroms über
dem Höchstwert des zweiten elektrischen Stroms liegt. Folglich
kann die Energieversorgung dann, wenn der ersten und der zweite elektrische
Strom begrenzt werden, wenn der erste elektrische Strom einen oberen
Stromgrenz wert erreicht, in zuverlässiger Weise verhindern,
dass ein Überstrom über irgendeinen der Schaltkreise
fließt, ohne den zweiten elektrischen Strom in einem Stromdetektor
zu erfassen.
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Folglich
kann ein Schaltnetzteil mit einer Überstromschutzfunktion
bereitgestellt werden, das eine geringe Größe
aufweist und mit niedrigen Kosten verbunden gefertigt werden kann,
dessen Aufbau jedoch vereinfacht werden kann.
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Die
Energieversorgung bzw. das Schaltnetzteil weist vorzugsweise einen
Stromdetektor, welcher den ersten elektrischen Strom erfasst, ohne
den zweiten elektrischen Strom zu erfassen, und eine Schaltsteuereinheit
auf, welche den ersten und den zweiten Schaltvorgang der ersten
und der zweiten Schalteinheit im Ansprechen auf den vom Stromdetektor
erfassten ersten elektrischen Strom steuert, um zu verhindern, dass
der erste und/oder der zweite elektrische Strom einen oberen Stromgrenzwert überschreitet.
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Bei
diesem Aufbau kann die Energieversorgung in zuverlässiger
Weise verhindern, dass der erste und/oder der zweite elektrische
Strom den oberen Stromgrenzwert überschreitet, ohne den
zweiten elektrischen Strom zu erfassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
einen Schaltkreis eines Schaltnetzteils gemäß der
ersten bis vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
ein Zeitdiagramm eines Verstärkungsbetriebs und eines Strombegrenzungsprozesses
der in der 1 gezeigten Energieversorgung gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm des Strombegrenzungsprozesses gemäß der
ersten Ausführungsform;
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm des Strombegrenzungsprozesses gemäß der
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 zeigt
ein Zeitdiagramm eines Verstärkungsbetriebs der in der 1 gezeigten
Energieversorgung gemäß der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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6 zeigt
ein Ablaufdiagramm des während des Verstärkungsbetriebs
ausgeführten Strombegrenzungsprozesses gemäß der
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Nachstehend
werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben,
in der gleiche Teile oder Elemente, solange nicht anders angezeigt,
mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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(Erste Ausführungsform)
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1 zeigt
einen Schaltplan eines Schaltnetzteils gemäß der
ersten bis vierten Ausführungsform.
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Ein
Schaltnetzteil 1, das in einer elektronischen Steuereinheit
(ECU) eines Fahrzeugs angeordnet ist, weist, wie in 1 gezeigt,
eine Spannungsverstärkungseinheit 2 und eine Steuereinheit 4 auf.
Die Verstärkungseinheit 2 empfängt eine
Eingangsspannung Vin von einer Gleichspannung einer Batterie VB,
wie beispielsweise einer externen elektrischen Energiequelle, verstärkt
diese Spannung Vin auf eine Ausgangsspannung Vout und gibt die Spannung
Vout aus. Die Eingangsspannung Vin kann sich im Ansprechen auf ein
Einspuren (cranking) und Ausspuren (cranking return) beim Startvorgang ändern. Die
Steuereinheit 3 steuert die Verstärkungseinheit 2, um
die auf einen Sollwert (z. B. 8 V) abgestimmte Spannung Vout selbst
dann auszugeben, wenn die Eingangsspannung Vin abgefallen oder auf
einen normalen Wert zurückgekehrt ist.
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Die
Verstärkungseinheit 2 weist zwei parallel geschaltete
Schaltkreise 11 und 12, einen Kondensator C0 mit
einem ersten Anschluss, der mit einem gemeinsamen Kno tenpunkt der
Schaltungen 11 und 12 verbunden ist, und einen
zweiten Anschluss, der auf Masse gelegt ist, und einen Ausgangsanschluss 4 auf,
der mit dem ersten Anschluss des Kondensators C0 verbunden ist.
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Die
Schaltung 11 empfängt die Eingangsspannung Vin
von der Batterie VB und führt einen ersten Schaltvorgang
aus, um periodisch einen sich über die Zeit ändernden
ersten elektrischen Strom von der Batterie VB zu empfangen, und
um eine erste verstärkte Spannung aus der Eingangsspannung
Vin und dem ersten elektrischen Strom zu erzeugen. Die erste verstärkte
Spannung ändert sich über die Zeit und liegt über
der Eingangsspannung Vin.
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Die
Schaltung 12 empfängt die Eingangsspannung Vin
von der Batterie VB und führt einen zweiten Schaltvorgang
aus, um periodisch einen sich über die Zeit ändernden
zweiten elektrischen Strom von der Batterie VB zu empfangen und
eine zweite verstärkte Spannung aus der Eingangsspannung
Vin und dem zweiten elektrischen Strom zu erzeugen. Die zweite verstärkte
Spannung ändert sich über die Zeit und liegt über
der Eingangsspannung Vin.
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Die
Schaltungen 11 und 12 sind, wie nachstehend noch
näher beschrieben, derart aufgebaut, dass ein Höchstwert
des ersten elektrischen Stroms einen Wert annimmt, der über
einem Höchstwert des zweiten elektrischen Stroms liegt
(erste und zweite Ausführungsform), oder dass die Steuereinheit 3 die Schaltungen 11 und 12 während
des Verstärkungsbetriebs derart steuert, dass ein Höchstwert
des ersten elektrischen Stroms einen Wert annimmt, der über
einem Höchstwert des zweiten elektrischen Stroms liegt
(dritte und vierte Ausführungsform).
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Der
Kondensator C0 glättet einen elektrischen Strom, der erhalten
wird, indem die Ströme der ersten und der zweiten verstärkten
Spannung kombiniert werden, um einen Strom der Spannung Vout zu erzeugen.
Der Strom der Spannung Vout wird im Kondensator C0 gespeichert oder über
den Anschluss 4 ausgegeben.
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Der
Schaltkreis 11 weist eine Diode D1, die verhindert, dass
ein Strom der Schaltung 11 zurück zur Batterie
VB fließt, eine Diode D2, die verhindert, dass ein Strom
vom Kondensator C0 oder vom Anschluss 4 zurück
zur Schaltung 11 fließt, eine Spule L1, die einen über
die Diode D1 mit der Batterie VB verbundenen Anschluss und einen über
die Diode D2 mit dem Anschluss 4 verbundenen anderen Anschluss
aufweist, einen Strommesswiderstand R1, der ein Widerstandselement
darstellt, ein erstes Schaltelement SW1, das aus einem n-Kanal-MOSFET
(Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) gebildet ist, dessen
Drain mit einer Verbindung zwischen der Spule L1 und der Diode D2
und dessen Source über den Widerstand R1 auf Masse gelegt
ist, eine Zenerdiode Z1, deren Anode mit der Source des Elements
SW1 und deren Kathode mit dem Gate des Elements SW1 verbunden ist,
um zu verhindern, dass ein Überstrom durch das Element
SW1 fließt, und einen Eingangskondensator C1 auf, dessen
einer Anschluss über die Diode D1 mit der Batterie VB verbunden
und dessen anderer Anschluss auf Masse gelegt ist, um einen durch
die Spule L1 fließenden Strom zu glätten.
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Gleich
dem Schaltkreis 11 weist der Schaltkreis 12 eine
Diode D3, die verhindert, dass ein Strom der Schaltung 11 zurück
zur Batterie VB fließt, eine Diode D4, die verhindert,
dass ein Strom vom Kondensator C0 oder vom Anschluss 4 zurück
zur Schaltung 12 fließt, eine Spule L2, deren
einer Anschluss über die Diode D3 mit der Batterie VB und deren
anderer Anschluss über die Diode D4 mit dem Anschluss 4 verbunden
ist, einen Strombegrenzungswiderstand R2, der ein Widerstandselement darstellt,
ein zweites Schaltelement SW2, das aus einem n-Kanal-MOSFET gebildet
ist, dessen Drain mit einer Verbindung zwischen der Spule L2 und
der Diode D4 verbunden ist und dessen Source über den Widerstand
R2 auf Masse gelegt ist, eine Zenerdiode Z2, deren Anode mit der
Source des Elements SW2 und deren Kathode mit dem Gate des Elements
SW2 verbunden ist, um zu verhindern, dass ein Überstrom durch
das Element SW2 fließt, und einen Eingangskondensator C2
auf, dessen einer Anschluss über die Diode D3 mit der Batterie
VB verbunden und dessen anderer Anschluss auf Masse gelegt ist,
um einen durch die Spule L2 fließenden Strom zu glätten.
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Während
des Schaltvorgangs in jedem der Elemente SW1 und SW2 wird die Differenzspannung zwischen
dem Drain und der Source über den Drain-Strom erhöht.
Die Elemente SW1 und SW2 weisen im Wesentlichen die gleiche Ausgangscharakteristik
(d. h. das Verhältnis zwischen dem Drain-Strom und der
Differenz-Spannung) auf, wenn sie die gleiche Spannung empfangen.
Der Widerstandswert des Widerstands R1 wird derart eingestellt bzw.
festgelegt, dass er geringer als der Widerstandswert des Widerstands
R2 ist (erste und zweite Ausführungsform). Der Widerstandswert
des Widerstands R1 liegt beispielsweise bei 0,1 Ω und der
des Widerstands R2 bei 0,2 Ω.
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Bei
diesem Aufbau der Verstärkungseinheit 2 wird die
Eingangsspannung Vin der Batterie VB dann, wenn die Schaltelemente
SW1 und SW2 beide in den Aus-Zustand versetzt bzw. sperrend geschaltet
sind, ohne dass irgendein Schaltvorgang ausgeführt wird, über
die Dioden D1 bis D4 und die Spulen L1 und L2 an den Anschluss 4 gelegt.
Das heißt, die Spannung am Anschluss 4 ist gleich
der Spannung der Batterie VB. Wenn wenigstens eines der Schaltelemente
SW1 und SW2 den Schaltvorgang unter der Steuerung der Steuereinheit 3 ausführt,
wird die Spannung der Batterie VB in der Verstärkungseinheit 2 verstärkt
und überschreitet die Spannung am Anschluss 4 die
Spannung der Batterie VB. Genauer gesagt, jedes Mal, wenn das Schaltelement
SW1 eingeschaltet bzw. leitend geschaltet wird, wird ein erster
elektrischer Strom Isw1 von der Batterie VB eingespeist, der durch
die Spule L1, das Element SW1 und den Widerstand R1 fließt,
während elektrische Energie in der Spule L1 gespeichert
wird. Anschließend wird die Spannung der in der Spule L1
gespeicherten elektrischen Energie dann, wenn das Element SW1 ausgeschaltet
bzw. sperrend geschaltet wird, um den Fluss des Stroms Isw1 schnell
zu stoppen, sofort erhöht und die elektrische Energie über die
Diode D2 zum Anschluss 4 hin entladen, um eine verstärkte
Spannung, die höher als die Eingangsspannung Vin ist, an
den Anschluss 4 zu legen. Folglich erhöht die
elektrische Energie der Spule L1 die Spannung am Anschluss 4.
In gleicher Weise wird elektrische Energie jedes Mal, wenn das Schaltelement
SW2 ein- und ausgeschaltet bzw. leitend und sperrend geschaltet
wird, in der Spule L2 gespeichert und über die Diode D4
zum Anschluss 4 hin entladen, um die Spannung des Anschlusses 4 zu
erhöhen.
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Folglich
kann die Spannung Vout am Anschluss 4 die Eingangsspannung
Vin der Batterie VB im Ansprechen auf den Schaltvorgang des Schaltelements
SW1 und/oder des Schaltelements SW2 überschreiten.
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Die
erste elektronische Schaltung, die aus der Spule L1 und dem Kondensator
C1 aufgebaut ist, und die zweite elektronische Schaltung, die aus
der Spule L2 und dem Kondensator C2 aufgebaut ist, sind wie folgt
ausgelegt. In der Annahme, dass die Drain-Ströme der Elemente
SW1 und SW2 gleich sind, nimmt die Drain-Spannung des Elements SW2 einen
höheren Wert als die Drain-Spannung des Elements SW1 an,
bedingt durch die Differenz zwischen den Widerstandswerten der Widerstände
R1 und R2. Das heißt, wenn die Elemente SW1 und SW2 die gleiche
Drain-Spannung empfangen, nimmt der Drain-Strom des Elements SW1
in einem Stromverhältnis einen höheren Wert als
der Drain-Strom des Elements SW2 an. Die erste und die zweite elektronische
Schaltung sind derart ausgelegt, dass die Ausgangsspannung der Spule
L1 im Wesentlichen den gleichen Wert wie die Ausgangsspannung der
Spule L2 annimmt, wenn der durch die Spule L1 fließende erste
Strom IL1 und der durch die Spule L2 fließende zweite Strom
IL2 das Stromverhältnis (IL1 > IL2) erfüllen. Das heißt,
wenn die Ströme der Spulen L1 und L2 das Stromverhältnis
erfüllen, nehmen die an die Drains der Elemente SW1 und
SW2 gelegten Spannungen im Wesentlichen den gleichen Wert an und erfüllen
die durch die Elemente SW1 und SW2 fließenden Ströme
das Stromverhältnis.
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Die
Steuereinheit 3 weist sowohl eine Schaltsteuereinheit 21 als
auch einen Stromdetektor 22 auf. Der Detektor 22 erfasst
einzig einen durch das Drain und die Source des ersten Schaltelements
SW1 fließenden Schaltstrom Isw1 über eine Differenzspannung
zwischen den Enden des Widerstands R1. Der Detektor 22 gibt
ein den erfassten Strom Isw1 anzeigendes Signal an die Einheit 21.
Die Steuereinheit 21 steuert den ersten und den zweiten
Schaltvorgang der Schaltelemente SW1 und SW2 im Ansprechen auf die
Ausgangsspannung Vout, um die Ausgangsspannung Vout bei einem vorbestimmten
Wert aufrechtzuerhalten. Ferner stoppt die Steuereinheit 21 den
ersten Schaltvorgang des Schaltelements SW1 im Ansprechen auf den
vom Detektor 22 erfassten Schaltstrom Isw1, um zu verhindern,
dass der durch das Element SW1 fließende erste Schaltstrom
Isw1 einen oberen Stromgrenzwert überschreitet.
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Die
Steuereinheit 21 weist eine Phasensteuereinheit 31 auf,
um ein erstes Betriebszeitsignal DT1 entsprechend einem ersten Tastverhältnis
und ein zweites Betriebszeitsignal DT2 entsprechend einem zweiten
Tastverhältnis zu erzeugen, das erste Betriebszeitsignal
DT1 an das Gate des Schaltelements SW1 zu geben, um den Schaltvorgang
des Elements SW1 zu steuern, und das zweite Betriebszeitsignal DT2
an das Gate des Schaltelements SW2 zu geben, um den Schaltvorgang
des Elements SW2 zu steuern. Jedes der Betriebszeitsignale weist
Impulse gleicher Ein-Impuls-Breite zu gleichen Intervallen auf, wobei
das Signal abwechselnd einen hohen und einen niedrigen Pegel aufweist.
Das Tastverhältnis jedes Betriebszeitsignals wird durch
das Verhältnis der Periode hohen Pegels zu einer Summe
der Perioden hohen und niedrigen Pegels definiert. Die Betriebszeitsignale
DT1 und DT2 weisen im Wesentlichen die gleiche Periode oder Frequenz
auf. Die hohen Pegel der Betriebszeitsignale sind im Wesentlichen
auf den gleichen Wert eingestellt, so dass die Steuereinheit 31 im
Wesentlichen die gleiche Gate-Spannung an die Elemente SW1 und SW2
legt.
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Das
ein Betriebszeitsignal empfangende Schaltelement wird im Ansprechen
auf die ansteigende Flanke jedes Impulses des Betriebszeitsignals eingeschaltet
und im Ansprechen auf die abfallende Flanke jedes Impulses des Betriebszeitsignals
ausgeschaltet. Folglich führt jedes Schaltelement den Schaltvorgang
im Ansprechen auf das Betriebszeitsignal aus und weist das Element
eine konstante Durchlassperiode und eine konstante Sperrperiode auf,
die sich abwechselnd wiederholen. Das Durchlassverhältnis
des Schaltvorgangs ist als das Verhältnis der Durchlassperiode
zur Summe der Durchlassperiode und der Sperrperiode definiert. Folglich
ist das Durchlassverhältnis in jedem Schaltelement gleich
dem Tastverhältnis des Betriebszeitsignals für das
Element.
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Die
Steuereinheit 21 weist ferner auf: eine Referenzspannungsquelle 34 zur
Erzeugung einer Referenzspannung V0 von beispielsweise 1,25 V, eine
Reihe von Spannungsteilerwiderständen Rs zur Erzeugung
einer geteilten Spannung Vc, die proportional zur Ausgangsspannung
Vout ist, einen Komparator 35 zum Vergleichen der geteilten
Spannung Vc mit der Referenzspannung V0, zur Erzeugung eines Verstärkungsanfragesignals,
welches die Differenz zwischen den Spannungen Vc und V0 anzeigt,
wenn die Spannung Vc unter der Spannung V0 liegt, und zur Erzeugung
einer Verstärkungsstoppanfrage, wenn die durch die Spannung
Vc angezeigte Ausgangsspannung Vout auf einen Verstärkungsstoppwert
Vth erhöht wird, einen Taktschwingkreis 33 zur Erzeugung
eines Referenztaktsignals, das auf eine vorbestimmte Frequenz eingestellt
ist, und eine Impulsbreitensteuereinheit 32 zur Bestimmung
einer ersten Ein-Impuls-Breite des Betriebszeitsignals DT1 und einer
zweiten Ein-Impuls-Breite des Betriebszeitsignals DT2 in Übereinstimmung
mit dem Verstärkungsanfragesignal des Kompara tors 35,
um die Ausgangsspannung Vout auf einem vorbestimmten Wert zu halten,
und zur Steuerung der Phasensteuereinheit 31 während
des Verstärkungsbetriebs, um die Betriebszeitsignale DT1
und DT2, die auf die gleiche Ein-Impuls-Breite gesetzt werden, zu
erzeugen und einen Startzeitpunkt jedes Impulses jedes Betriebszeitsignals
in Übereinstimmung mit dem Referenztaktsignal einzustellen.
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Während
des Strombegrenzungsprozesses, der nach oder während des
Verstärkungsbetriebs ausgeführt wird, steuert
die Steuereinheit 32 die Phasensteuereinheit 31 im
Ansprechen auf das Signal des Detektors 22, um die Ein-Impuls-Breite
jedes Betriebszeitsignals auf null zu setzen (erste und dritte Ausführungsform),
um die Ein-Impuls-Breite jedes Betriebszeitsignals zu verkürzen
(zweite Ausführungsform), um die Ein-Impuls-Breite des
zweiten Betriebszeitsignals DT2 auf null zu setzen, während sie
die Ein-Impuls-Breite des zweiten Betriebszeitsignals DT2, die zuvor
auf null gesetzt wurde, auf einen vorbestimmten Wert zurückzusetzen
(vierte Ausführungsform).
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Nachstehend
wird der Verstärkungsbetrieb der Energieversorgung 1 mit
diesem Aufbau des Schaltnetzteils 1 unter Bezugnahme auf
die 2 beschrieben. 2 zeigt
ein Zeitdiagramm des Verstärkungsbetriebs und eines Strombegrenzungsprozesses
der Energieversorgung 1 gemäß der ersten Ausführungsform.
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Wenn
eine hohe Menge an in der Batterie VB gespeicherter elektrischer
Energie plötzlich in einem Elektromotor (nicht gezeigt)
oder dergleichen verbraucht wird, durch ein Einspuren (cranking)
bei einem Startvorgang oder dergleichen, fällt die Eingangsspannung
Vin, die von der Batterie VB an die Energieversorgung 1 gelegt
wird, wie in 2 gezeigt, plötzlich
ab und wird die Ausgangsspannung Vout schnell verringert. Wenn die
Eingangsspannung Vin, die einen normalen Spannungswert (z. B. 12
V) aufweist, auf einen niedrigen Spannungswert (z. B. 3 V) verringert
wird, wird die Spannung Vout verringert und erreicht einen Verstärkungsstartwert
(z. B. 8 V). Wenn die Spannung Vout den Verstärkungsstartwert erreicht,
fällt die Spannung Vc der Widerstände Rs unter
die Spannung V0 der Quelle 34, gibt der Komparator 35 ein
Verstärkungsanfragesignal an die Steuereinheit 32 und
wird der Verstärkungsbetrieb der Steuereinheiten 31 und 32 gestartet.
Dieses Verstärkungsanfragesignal zeigt die Differenz zwischen den
Spannungen Vc und V0 an.
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Bei
diesem Betrieb stimmt die Steuereinheit 32 eine erste Ein-Impuls-Breite
OP1 und eine zweite Ein-Impuls-Breite OP2 in Übereinstimmung
mit dem Verstärkungsanfragesignal ab, um die Spannung Vout
auf dem Verstärkungsstartwert zu halten. Anschließend
steuert die Steuereinheit 32 die Steuereinheit 31,
um das erste Betriebszeitsignal DT1 mit Impulsen, die auf die erste
Ein-Impuls-Breite OP1 gesetzt sind, und das zweite Betriebszeitsignal
DT2 mit Impulsen, die auf die zweite Ein-Impuls-Breite OP2 gesetzt
sind, zu erzeugen. Die zweite Ein-Impuls-Breite OP2 ist beispielsweise
derart eingestellt, dass sie kürzer als die erste Ein-Impuls-Breite
OP1 ist.
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Wenn
die Eingangsspannung Vin am Zeitpunkt T0 auf den unteren Spannungswert
abfällt, startet die Verringerung der Ausgangsspannung
Vout am Zeitpunkt T0 und erreicht die Spannung Vout den Verstärkungsstartwert
am Zeitpunkt T1. Wenn die Spannung Vout den Verstärkungsstartwert
erreicht, steuert die Steuereinheit 32 die Steuereinheit 31 derart,
dass Impulse des ersten Betriebszeitsignals DT1, die auf den hohen
Pegel gesetzt sind, in Synchronisation mit den ansteigenden Flanken
der Impulse des Referenztaktsignals an den Zeitpunkten T1, T2 und T3
gestartet werden. Demgegenüber werden Impulse des zweiten
Betriebszeitsignals DT2, die auf den hohen Pegel gesetzt sind, an
den Zeitpunkten T2, T4 und T6, die beispielsweise eine vorbestimmte
Zeitspanne TL von den jeweiligen Zeitpunkten T1, T2 und T3 verzögert
sind, gestartet, und werden die zwei Impulse des Signals DT2 beispielsweise
an den Zeitpunkten T3 und T5 beendet. Jeder Impuls des Betriebszeitsignals
DT2 überlappt sich auf der Zeitachse mit einem Impuls des
Betriebszeitsignals DT1, und wenigstens eines der Betriebszeitsignale
DT1 und DT2 ist während des Verstärkungsbetriebs
auf den hohen Pegel gesetzt.
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Die
Steuereinheit 31 gibt die Signale DT1 und DT2 an die Gates
der Schaltelemente SW1 bzw. SW2. Das Element SW1 führt
den ersten Schaltvorgang (oder Ein-Aus-Vorgang) im Ansprechen auf
das Signal DT1 aus, und das Element SW2 führt den zweiten
Schaltvorgang im Ansprechen auf das Signal DT2 aus.
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Genauer
gesagt, das Schaltelement SW1 wird während der Durchlassperiode
OP1 im Ansprechen auf den hohen Pegel jedes Impulses des Betriebszeitsignals
DT1 in den Durchlasszustand bzw. Ein-Zustand gesetzt, und der Schaltstrom
Isw1 des Elements SW1 wird im Wesentlichen mit einer ersten Stromerhöhungsrate
erhöht und erreicht an einem Zeitpunkt, welcher der abfallenden
Flanke des Impulses entspricht, einen Spitzenwert (d. h. Höchstwert) IH1.
Diese Stromerhöhungsrate hängt vom Widerstandswert
des Widerstands R1 ab. Anschließend wird das Schaltelement
SW1 im Ansprechen auf den niedrigen Pegel des Betriebszeitsignals
DT1 in den Aus-Zustand bzw. Sperrzustand gesetzt und der Schaltstrom
Isw1 schnell auf null verringert.
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In
gleicher Weise wird das Schaltelement SW2 während der Durchlassperiode
OP2 im Ansprechen auf den hohen Pegel jedes Impulses des Betriebszeitsignals
DT2 in den Durchlasszustand gesetzt und wird der Schaltstrom Isw2
des Elements SW2 mit der zweiten Stromerhöhungsrate erhöht
und erreicht an einem Zeitpunkt, welcher der abfallenden Flanke
des Impulses entspricht, einen Spitzenwert (d. h. Höchstwert)
IH2. Diese Stromerhöhungsrate hängt von dem Widerstandswert
des Widerstands R2 ab. Anschließend wird das Schaltelement
SW2 im Ansprechen auf den niedrigen Pegel des Betriebszeitsignals
DT2 in den Sperrzustand gesetzt und wird der Schaltstrom Isw2 schnell
auf null verringert.
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Das
Erhöhen und Verringern von jedem der Ströme Isw1
und Isw2 wird während des Verstärkungsbetriebs
wiederholt. Folglich wird die Eingangsspannung Vin in der Verstärkungseinheit 2 auf
die Ausgangsspannung Vout verstärkt und wird die Ausgangsspannung
Vout auf dem Verstärkungsstartwert gehalten.
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Wenn
die Ein-Impuls-Breite eines Betriebszeitsignals verlängert
bzw. ausgedehnt wird, wird die Durchlassperiode OP1 (oder OP2) in
dem Schaltelement, welches das Betriebszeitsignal empfängt,
ausgedehnt und wird der Spitzenwert des durch das Schaltelement
fließenden Schaltstroms erhöht. Da der Widerstandswert
des Widerstands R2 derart eingestellt ist, dass er über
dem Widerstandswert des Widerstands R1 liegt, ist die Stromerhöhungsrate des
Schaltstroms Isw2 geringer als die Stromerhöhungsrate des
Schaltstroms Isw1. Ferner ist die Durchlassperiode OP2 des Schaltelements
SW2 nicht länger als die Durchlassperiode OP1 des Schaltelements
SW1. Folglich ist der Spitzenwert IH2 des Stroms Isw2 im Element
SW2 zwangsläufig niedriger als der Spitzenwert IH1 des
Stroms Isw1 im Element SW1.
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Ferner
wird der Strombegrenzungsprozess auf den Verstärkungsbetrieb
in den Steuereinheiten 31 und 32 folgend im Ansprechen
auf das Signal des Stromdetektors 22 ausgeführt.
Dieser Prozess wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben. 3 zeigt
ein Ablaufdiagramm des Verfahrens des Strombegrenzungsprozesses gemäß der
ersten Ausführungsform. Dieses Verfahren wird je Wiederholungszyklus
während des Strombegrenzungsprozesses ausgeführt.
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In
Schritt S10 beurteilt die Steuereinheit 32, wie in 3 gezeigt,
ob der vom Detektor 22 erfasste Schaltstrom Isw1 größer
oder gleich einem oberen Stromgrenzwert Ith ist oder nicht. Dieser
Grenzwert Ith wird derart eingestellt, dass er über dem
Spitzenwert IH1 liegt. Während des Einspurens (cranking) beim
Startvorgang ist der Strom Isw1 ausreichend niedriger als der Grenzwert
Ith, so dass in Schritt S10 eine negative Beurteilung der Steuereinheit 32 erhalten
wird. Anschließend beurteilt die Steuereinheit 32 in
Schritt S30 in Übereinstimmung mit dem Signal des Komparators 35,
ob die Ausgangsspannung Vout größer oder gleich
einem Verstärkungsstoppwert Vth ist oder nicht. Während
des Einspurens (cranking) beim Startvorgang ist die Spannung Vout ausreichend
niedriger als der Wert Vth, so dass in Schritt S30 eine negative
Beurteilung der Steuereinheit 32 erhalten wird. Dieser
Prozess wird zunächst beendet und erneut gestartet.
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Wenn
der Verbrauch an elektrischer Energie der Batterie VB im Elektromotor
oder dergleichen aufgrund des Ausspurens (cranking return) oder
dergleichen gestoppt wird, wird die Eingangsspannung Vin am Zeitpunkt
T7 erhöht und kehrt zum normalen Wert (z. B. 12 V) zurück
und starten Stromabnehmer (nicht gezeigt) Vorgänge, bei
denen sie elektrischen Strom über die Energieversorgung 1 von
der Batterie VB erhalten. Folglich fließt temporär
ein hoher Strom von der Batterie VB über die Spulen L1
und L2 der Energieversorgung 1 zu den Stromabnehmern. Im Ansprechen
auf diesen temporär erhöhten Strom werden die
Ströme Isw1 und Isw2, die durch die Schaltelemente SW1
und SW2 fließen, auf den Zeitpunkt T7 folgend schnell erhöht
und wird die Ausgangsspannung Vout im Ansprechen auf die schnell erhöhten
Ströme Isw1 und Isw2 auf den Zeitpunkt T7 folgend erhöht.
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Wenn
der einen höheren Wert als der Strom Isw2 aufweisende Strom
Isw1 des Elements SW1 den Spitzenwert IH1 überschreitet
und am Zeitpunkt T8 den über dem Wert IH1 liegenden Grenzwert
Ith erreicht, erfasst der Detektor 22, dass der Strom Isw1 größer
oder gleich dem Grenzwert Ith ist. Im Ansprechen auf diese Erfassung
des Detektors 22 wird in Schritt S10 eine positive Beurteilung
der Steuereinheit 32 erhalten. Anschließend setzt
die Steuereinheit 32 in Schritt S20 jede der Ein-Impuls-Breiten OP1
und OP2 der Betriebszeitsignale DT1 und DT2 am Zeitpunkt T8 auf
null. Anschließend wird dieser Prozess beendet. Das heißt,
die Steuereinheit 31 stoppt am Zeitpunkt T8 das Anlegen
der Gate-Spannung an die Gates der Elemente SW1 und SW2, so dass
die Schaltvorgänge der Elemente SW1 und SW2 gestoppt werden.
Folgend werden die Ströme Isw1 und Isw2 auf den Zeitpunkt
T8 folgend verringert und erreichen einen Wert von null. So erreicht der
Strom Isw1 beispielsweise einen Höchstwert IP1, der über
dem Spitzenwert IH1 liegt, und wird der Strom Isw1 verringert. Der
Strom Isw2 erreicht einen Höchstwert IP2, der über
dem Spitzenwert IH2 liegt, und wird der Strom Isw2 verringert. Der
Wert IP2 ist geringer als der Wert IPb.
-
Bei
diesem Beispiel des Schaltstroms Isw1 und der Spannung Vout erreicht
der Strom Isw1 den Grenzwert Ith, bevor die Spannung Vout den Wert Vth
am Zeitpunkt T9 erreicht. Folglich kommt es in der Steuereinheit 32 in
Schritt S30 zu keiner positiven Beurteilung. Wenn die Spannung Vout
jedoch den Wert Vth erreicht, bevor der Strom Isw1 den Grenzwert
Ith erreicht, wird in Schritt S30 auf die negative Beurteilung in
der Steuereinheit 32 in Schritt S10 folgend eine positive
Beurteilung in der Steuereinheit 32 erhalten. Anschließend
setzt die Steuereinheit 32 in Schritt S40 jede der Ein-Impuls-Breiten
OP1 und OP2 der Betriebszeitsignale DT1 und DT2 auf null, um die
Schaltvorgänge der Elemente SW1 und SW2 zu stoppen. Folglich
werden die Ströme Isw1 und Isw2 verringert und erreich
beide einen Wert von null.
-
Der
Widerstandswert des Widerstands R2 wird, wie vorstehend beschrieben,
derart eingestellt bzw. festgelegt, dass er über dem Widerstandswert des
Widerstands R1 liegt, so dass der durch das Element SW2 fließende
Strom Isw2 zwangsläufig niedriger als der durch das Element
SW1 fließende Strom Isw1 ist. Das heißt, wenn
der Schaltstrom Isw1 des Elements SW1 den Grenzwert Ith erreicht,
liegt der Schaltstrom Isw2 des Elements SW2 zwangsläufig unter
dem Grenzwert Ith. Obgleich die Steuereinheit 3 bei dieser
Ausführungsform einzig den Strom Isw1 erfasst, ohne den
Strom Isw2 zu erfassen, kann die Steuereinheit 32 selbst
dann, wenn der Schaltstrom Isw1 den Grenzwert Ith erreicht, feststellen
oder erkennen, dass der Schaltstrom Isw2 zwangsläufig unterhalb
des Grenzwerts Ith liegt.
-
Folglich
kann das Schaltnetzteil 1 in zuverlässiger Weise
verhindern, dass ein Überstrom in den Elementen SW1 und
SW2 auftritt, obgleich der Schaltstrom Isw2 nicht erfasst wird.
Das heißt, das Schaltnetzteil 1 kann in zuverlässiger
Weise verhindern, dass die Elemente SW1 und SW2 durch einen Überstrom
beschädigt oder zerstört werden.
-
Ferner
kann der Aufbau der Energieversorgung 1 vereinfacht werden,
da die Energieversorgung 1 kein eigentliches Element zur
Erfassung des Stroms Isw2 des Elements SW2 aufweist. Das heißt, es
kann eine Energieversorgung geringer Größe mit geringen
Kosten verbunden gefertigt werden.
-
Bei
dieser Ausführungsform ist die zweite Ein-Impuls-Breite
OP2 des zweiten Betriebszeitsignals DT2 derart eingestellt, dass
sie kürzer als die erste Ein-Impuls-Breite OP1 des ersten
Betriebszeitsignals DT1 ist. Da der Widerstandswert des Widerstands
R2 jedoch über dem des Widerstands R1 liegt, ist die Erhöhungsrate
des durch das Schaltelement SW2 fließenden Stroms Isw2
geringer als die Erhöhungsrate des durch das Schaltelement
SW1 fließenden Stroms Isw1. Das heißt, der Strom
Isw2 ist selbst dann, wenn die Breiten OP1 und OP2 gleich sind,
zwangsläufig niedriger als der Strom Isw1. Folglich können
die Breiten OP1 und OP2 auf den gleichen Wert gesetzt werden.
-
Ferner
ist die ansteigende Flanke jedes Impulses des Betriebszeitsignals
DT2 bei dieser Ausführungsform um die vorbestimmte Zeitspanne
TL von der ansteigenden Flanke des entsprechenden Impulses des Betriebszeitsignals
DT1 verzögert. Der Zeitpunkt der ansteigenden Flanke jedes
Impulses des Betriebszeitsignals DT2 kann jedoch dem Zeitpunkt der
ansteigenden oder der abfallenden Flanke eines Impulses des Betriebszeitsignals
DT1 entsprechen.
-
Ferner
weist die Energieversorgung 1 bei dieser Ausführungsform
zwei Schaltkreise 11 und 12 auf. Die Energieversorgung 1 kann
jedoch drei oder mehr als drei Schaltkreise aufweisen. In diesem
Fall ist ein Widerstand in Reihe mit der Source jedes Schaltelements
geschaltet und wird der Widerstandswert des bestimmten Widerstands,
der in Reihe mit der Source des bestimmten Schaltelements geschaltet
ist, derart eingestellt bzw. festgelegt, dass er der geringste unter
den Widerstandswerten der Widerstände ist. Der Stromdetektor 22 erfasst
einzig den durch den bestimmten Widerstand fließenden Strom
als den Drain-Strom des bestimmten Schaltelements.
-
Ferner
ist jedes Schaltelement bei dieser Ausführungsform aus
dem n-Kanal-MOSFET gebildet. Es kann jedoch wenigstens eines der
Elemente aus einem p-Kanal-MOSFET gebildet sein.
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(Zweite Ausführungsform)
-
Es
kann ein Fall eintreten, bei welchem die Eingangsspannung Vin, die
auf den niedrigen Spannungswert (z. B. 3 V) verringert ist, graduell
auf den normalen Spannungswert (z. B. 12 V) erhöht wird.
In diesem Fall wird der Strom Isw1 des Schaltelements SW1 graduell
auf einen Strombegrenzungswert erhöht und erreicht der
Strom Isw1 den oberen Stromgrenzwert Ith, der über dem
Strombegrenzungswert liegt. In diesem Fall wird die Durchlassperiode
in jedem der Elemente SW1 und SW2 dann, wenn der Strom Isw1 den
Strombegrenzungswert erreicht, der unterhalb des Grenzwerts Ith
liegt, vorzugsweise für eine kurze Zeitspanne verkürzt,
bevor sie auf null gesetzt wird, um die Ströme Isw1 und
Isw2 leicht zu verringern.
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Bei
dieser Ausführungsform weicht einzig dieser Strombegrenzungsprozess
von dem Prozess der ersten Ausführungsform ab.
-
4 zeigt
ein Ablaufdiagramm des Strombegrenzungsprozesses gemäß der
zweiten Ausführungsform.
-
In
Schritt S110 beurteilt die Steuereinheit 32, wie in 4 gezeigt,
ob der im Detektor 22 erfasste Schaltstrom Isw1 größer
oder gleich einem Stromgrenzbeurteilungs wert Ij1 (z. B. 3 A) ist
oder nicht. Der Wert Ij1 wird derart eingestellt, dass er über
dem Spitzenwert IH1 des Stroms Isw1 liegt. Der Wert Ij1 wird beispielsweise
derart eingestellt, dass er unterhalb des in der 3 gezeigten
Grenzwerts Ith liegt. Bei einer negativen Beurteilung wird dieser
Strombegrenzungsprozess zunächst beendet. Wenn der Strom
Isw1 demgegenüber einen Wert von größer oder
gleich dem Wert Ij1 annimmt, erkennt die Steuereinheit 32,
dass wenigstens das Element SW1 in den Zustand höheren
Stroms gesetzt ist. Folglich beurteilt die Steuereinheit 32 in
Schritt S120, ob die Ein-Impuls-Breiten OP1 und OP2 der Betriebszeitsignale
DT1 und DT2 bereits auf geringere Werte verkürzt wurden,
um die Ströme Isw1 und Isw2 zu verringern. Wenn keine der
Breiten OP1 und OP2 verkürzt wurde, verkürzt die
Steuereinheit 32 die Breiten OP1 und OP2 von den normalen
Werten auf jeweils geringere Werte (Schritt S130). Folglich werden
die Ströme Isw1 und Isw2 begrenzt. Anschließend
startet die Steuereinheit 32 in Schritt S140 einen Timer. Anschließend
misst die Steuereinheit 32 in Schritt S150 eine Begrenzungsfortsetzungszeit
Tc, die eine verstrichene Zeit vom Start des Timers an kennzeichnet.
Wenn die Breiten OP1 und OP2 in Schritt S120 demgegenüber
bereits verkürzt wurden, misst die Steuereinheit 32 die
Begrenzungsfortsetzungszeit Tc in Schritt S150.
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Anschließend
beurteilt die Steuereinheit 32 in Schritt S160, ob die
Begrenzungsfortsetzungszeit Tc länger oder gleich einer
Stromstoppzeit Ts ist. Bei einer negativen Beurteilung erkennt die
Steuereinheit 32, dass die Zustände höheren
Stroms der Elemente SW1 und SW2 noch zulässig sind. Folglich
wird dieser Strombegrenzungsprozess zunächst beendet. Wenn
die Begrenzungsfortsetzungszeit Tc in Schritt S160 demgegenüber
länger oder gleich der Stromstoppzeit Ts ist, erkennt die
Steuereinheit 32, dass die Zustände höheren
Stroms der Elemente SW1 und SW2 beendet werden sollten. Folglich
setzt die Steuereinheit 32 jede der Ein-Impuls-Breiten
OP1 und OP2 in Schritt S170 auf null, um die Schaltvorgänge
der Elemente SW1 und SW2 zu stoppen. Folglich werden die Ströme
Isw1 und Isw2 der Elemente SW1 und SW2 beide auf null verringert.
Anschließend wird dieser Prozess beendet.
-
Wenn
der Strom Isw1 des Schaltelements SW1, wie vorstehend beschrieben,
größer oder gleich dem Wert Ij1 wird, werden die
Ein-Impuls-Breiten OP1 und OP2 der Betriebszeitsignale DT1 und DT2
verkürzt. Anschließend führt jedes der
Schaltelemente SW1 und SW2 dann, wenn der Strom Isw1 aufgrund der
Verkürzung der Ein-Impuls-Breite unter den Wert Ij1 fällt,
den Schaltvorgang mit der verkürzten Ein-Impuls-Breite
aus. Dieser verkürzte Schaltvorgang ist für eine
kurze Zeit zulässig. Wenn der verkürzte Schaltvorgang
des Schaltelements SW1 für die Stromstoppzeit Ts fortgesetzt
wurde, wird jede der Ein-Impuls-Breiten OP1 und OP2 auf null gesetzt und
werden die Schaltvorgänge der Elemente SW1 und SW2 gestoppt.
Folglich werden die Ströme Isw1 und Isw2 der Elemente SW1
und SW2 beide auf null verringert.
-
Folglich
können die Elemente SW1 und SW2 vor höheren Strömen,
die durch die Elemente SW1 und SW2 fließen, geschützt
werden, da die Ströme Isw1 und Isw2 der Schaltelemente
SW1 und SW2 verringert werden, wenn sie den Wert Ij1 erreichen.
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Ferner
können die Schaltvorgänge der Elemente SW1 und
SW2 noch fortgesetzt werden, da keine der Ein-Impuls-Breiten OP1
und OP2 sofort im Ansprechen auf das Erreichen des Werts Ij1 durch den
Strom Isw1 auf null gesetzt wird. Folglich kann das Schaltnetzteil 1 die
Eingangsspannung Vin in stabiler Weise auf die Ausgangsspannung
Vout verstärken.
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Ferner
kann die Steuereinheit 32 verhindern, dass der Überstrom
für eine lange Zeit durch eines der Elemente SW1 und SW2
fließt, da die Ein-Impuls-Breiten OP1 und OP2 zusammen
auf null gesetzt werden, wenn der Strom Isw1 anhaltend den Wert
Ij1 erreicht. Folglich kann das Schaltnetzteil 1 verhindern,
dass die Elemente SW1 und SW2 durch den Überstrom beschädigt
oder zerstört werden.
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Bei
dieser Ausführungsform wird der Wert Ij1 derart eingestellt,
dass er geringer als der Grenzwert Ith ist. Wenn jedoch jedes der
Elemente SW1 und SW2 dem Strom mit dem Grenzwert Ith für
die Stromstoppzeit Ts standhalten kann, kann der Wert Ij1 gleich
dem Grenzwert Ith sein.
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Ferner
setzt jedes der Schaltelemente SW1 und SW2 den Schaltvorgang bei
dieser Ausführungsform unabhängig von einem Verstreichen
der Stromstoppzeit Ts fort, wenn der Strom Isw1 des Elements SW1,
das mit der verkürzten Ein-Impuls-Breite betrieben wird,
unter dem Wert Ij1 liegt. Die Schaltvorgänge der Schaltelemente
SW1 und SW2 mit der verkürzten Ein-Impuls-Breite können
jedoch unabhängig vom Strom Isw1 im Ansprechen auf ein
Verstreichen der Stromstoppzeit Ts gestoppt werden.
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(Dritte Ausführungsform)
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Bei
der ersten Ausführungsform wird der Widerstandswert des
Widerstands R2 derart eingestellt, dass er über dem Widerstandswert
des Widerstands R1 liegt, so dass der Strom Isw2 des Elements SW2 sicher
einen geringeren Wert als der Strom Isw1 des Elements SW1 aufweisen
wird.
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Bei
der dritten Ausführungsform stellt die Steuereinheit 32 demgegenüber
eine erste Ein-Impuls-Breite OP11 des Betriebszeitsignals DT1 und eine
zweite Ein-Impuls-Breite OP12 des Betriebszeitsignals DT2 ein, derart,
dass die Breite OP12 geringer als die Breite OP11 ist, um in zuverlässiger
Weise den Strom Isw2 des Elements SW2 zu erhalten, der einen geringen
Wert als der Strom Isw1 des Elements SW1 aufweist. Die Breite OP12
wird beispielsweise auf die Hälfte der Breite OP11 eingestellt.
Ferner wird der Widerstandswert des Widerstands R2 beispielsweise
derart eingestellt, dass er im Wesentlichen gleich dem Widerstandswert
des Widerstands R1 ist. Ferner stellt die Steuereinheit 32 die
Betriebszeitsignale DT1 und DT2 beispielsweise derart ein, dass
jeder Impuls des Signals DT2 seine ansteigende Flanke an dem gleichen
Zeitpunkt wie die ansteigende Flanke von einem Impuls des Signals
DT1 aufweist.
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5 zeigt
ein Zeitdiagramm eines Verstärkungsbetriebs der in der 1 gezeigten
Energieversorgung gemäß der dritten Ausführungsform.
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Wenn
der Verstärkungsbetrieb unter der Steuerung der Steuereinheiten 31 und 32 im
Ansprechen auf ein Abfallen der Spannung Vout auf den Verstärkungsstartwert
gestartet wird, wird jedes der Betriebszeitsignale DT1 und DT2,
wie in 5 gezeigt, an den Zeitpunkten T1, T2 und T3 in
Synchronisation mit den ansteigenden Flanken der Impulse des Referenztaktsignals
auf den hohen Pegel gesetzt. Jeder hohe Pegel des Signals DT1 wird
für eine erste Durchlassperiode entsprechend der Ein-Impuls-Breite
OP11 fortgesetzt und beendet. Jeder hohe Pegel des Signals DT2 wird
für eine zweite Durchlassperiode entsprechend der Ein-Impuls-Breite
OP12 fortgesetzt und beendet, bevor der hohe Pegel des Signals DT1
endet.
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Während
jeder Durchlassperiode OP11 des Betriebszeitsignals DT1 wird der
Schaltstrom Isw1 des Elements SW1 im Wesentlichen mit einer Stromerhöhungsrate
erhöht und erreicht einen Spitzenwert IH1. Die Stromerhöhungsrate
hängt vom Widerstandswert des Widerstands R1 ab. Anschließend wird
der Strom Isw1 des Elements SW1 im Ansprechen auf den niedrigen
Pegel des Betriebszeitsignals DT1 schnell auf null verringert. In
gleicher Weise wird der Schaltstrom Isw2 des Elements SW2 während
jeder Durchlassperiode OP12 des Betriebszeitsignals DT2 mit einer
Stromerhöhungsrate erhöht und erreicht einen Spitzenwert
IH2. Anschließend wird der Strom Isw2 des Elements SW2
im Ansprechen auf den niedrigen Pegel des Betriebszeitsignals DT2 schnell
auf null verringert.
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Da
der Widerstandswert des Widerstands R2 im Wesentlichen gleich dem
Widerstandswert des Widerstands R1 ist, ist die Stromerhöhungsrate
des Schaltstroms Isw2 im Wesentlichen gleich der des Schaltstroms
Isw1. Da die Ein-Impuls-Breite OP12 jedoch kürzer als die
Ein-Impuls-Breite OP11 ist, ist die Stromerhöhungsperiode
im Element SW2 kürzer als die Stromerhöhungsperiode
im Element SW1. Folglich ist der Spitzenwert IH2 des Stroms Isw2
im Element SW2 zwangsläufig niedriger als der Spitzenwert
IH1 des Stroms Isw1 im Element SW1. So liegt der Spitzenwert IH2
beispielsweise bei der Hälfte des Spitzenwerts IH1, da
die Breite OP12 der Hälfte der Breite OP11 entspricht.
-
Anschließend
wird der Strombegrenzungsprozess dann, wenn die Eingangsspannung
Vin auf den normalen Spannungswert (z. B. 12 V) erhöht wird,
auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform
ausgeführt.
-
Folglich
kann der Spitzenwert IH2 des Stroms Isw2 des Elements SW2 in zuverlässiger Weise
derart eingestellt werden, dass er geringer als der Spitzenwert
IH1 des Stroms Isw1 des Elements SW1 ist, da die Ein-Impuls-Breite
OP12 des Betriebszeitsignals DT2 derart eingestellt wird, dass sie
kürzer als die Ein-Impuls-Breite OP11 des Betriebszeitsignals
DT1 ist. Das heißt, obgleich der Schaltstrom Isw2 nicht
erfasst wird, kann das Schaltnetzteil 1 den in den Elementen
SW1 und SW2 verursachten Überstrom in zuverlässiger
Weise verhindern, so dass das Schaltnetzteil 1 in zuverlässiger
Weise verhindern kann, dass die Elemente SW1 und SW2 durch den Überstrom
beschädigt oder zerstört werden.
-
Ferner
kann der Aufbau der Energieversorgung 1 vereinfacht werden,
da die Energieversorgung 1 kein Element zur Erfassung des
Stroms Isw2 des Elements SW2 aufweist. Folglich kann ein Schaltnetzteil
geringer Größe mit geringen Kosten verbunden gefertigt
werden.
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Bei
dieser Ausführungsform wird der Widerstandswert des Widerstands
R2 derart eingestellt, dass er dem Widerstandswert des Widerstands
R1 entspricht. Der Widerstandswert des Widerstands R2 kann jedoch,
so wie bei der ersten Ausführungsform, derart eingestellt
werden, dass er höher als der Widerstandswert des Widerstands
R1 ist. Ferner kann der Widerstandswert des Widerstands R2 derart
eingestellt werden, dass er geringer als der Widerstandswert des
Widerstands R1 ist. In diesem Fall wird das Verhältnis
der Ein-Impuls-Breite OP12 zur Ein-Impuls-Breite OP11 derart abgestimmt,
dass der Spitzenwert IH2 des Schaltstroms Isw2 zwangsläufig niedriger
als der Spitzenwert IH1 des Schaltstroms Isw1 ist.
-
Ferner
entspricht der Zeitpunkt bzw. das Timing der ansteigenden Flanke
jedes Impulses des Betriebszeitsignals DT2 bei dieser Ausführungsform dem
Zeitpunkt der ansteigenden Flanke eines Impulses des Betriebszeitsignals
DT1. Jeder Impuls des Betriebszeitsignals DT2 kann jedoch, so wie
bei der ersten Ausführungsform, die ansteigende Flanke
aufweisen, die um eine vorbestimmte Zeitspanne von der ansteigenden
Flanke eines Impulses des Betriebszeitsignals DT1 verzögert
ist.
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(Vierte Ausführungsform)
-
Es
kann der Fall eintreten, dass die Eingangsspannung Vin, die durch
ein Einspuren (cranking) beim Zündvorgang oder dergleichen
abgefallen ist, über dem unteren Spannungswert (z. B. 3
V) liegt. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung Vout, die um
die Spannung Vin verringert ist, selbst dann, wenn das zweite Schaltelement
SW2 nicht betrieben wird, in ausreichender Weise einzig durch den Schaltvorgang
des ersten Schaltelements SW1 auf dem Verstärkungsstartwert
(z. B. 8 V) gehalten werden. Folglich wird der Schaltvorgang des
zweiten Schaltelements SW2 vorzugsweise während des Verstärkungsbetriebs
gestoppt, wenn die Ausgangsspannung Vout einzig durch den Schaltvorgang
des Elements SW1 auf dem Verstärkungsstartwert gehalten
werden kann.
-
6 zeigt
ein Ablaufdiagramm des während des Verstärkungsbetriebs
ausgeführten Strombegrenzungsprozesses gemäß der
vierten Ausführungsform. Der in der 6 gezeigte
Strombegrenzungsprozess wird stets während des Verstärkungsbetriebs
ausgeführt. Wenn der Verstärkungsbetrieb gestartet
wird, wird das Verhältnis der Ein-Impuls-Breite OP12 zur
Ein-Impuls-Breite OP11 in den Betriebszeitsignalen DT1 und DT2,
so wie bei dem Signalen bei der dritten Ausführungsform,
auf einen normalen Ein-Impuls-Breiten-Wert gesetzt.
-
Wenn
die Eingangsspannung Vin über dem unteren Spannungswert
liegt, wird die Differenzspannung zwischen der Eingangsspannung
Vin und der Ausgangsspannung Vout, die auf dem Verstärkungsstartwert
gehalten wird, geringer als die bei der dritten Ausführungsform.
Folglich werden die Durchlassperioden OP11 und OP12 derart von der
Steuereinheit 32 abgestimmt, dass sie kürzer als
diejenigen bei der dritten Ausführungsform sind, und nehmen
die Spitzenwerte IH1 und IH2 der Schaltströme Isw1 und Isw2
in den Elementen SW1 und SW2 geringere Werte als diejenigen bei
der dritten Ausführungsform an.
-
Während
des Verstärkungsbetriebs beurteilt die Steuereinheit 32,
wie in 6 gezeigt, in Schritt S210, ob der Spitzenwert
IH1 des vom Detektor 22 erfassten Schaltstroms Isw1 kleiner
oder gleich einem Betriebsstoppbeurteilungswert Ij2 ist oder nicht. Der
Wert Ij2 wird derart eingestellt, dass er geringer als der obere
Stromgrenzwert Ith ist. Der Wert Ij2 wird beispielsweise auf 1,5
A gesetzt. Bei einer positiven Beurteilung erkennt die Steuereinheit 32,
dass die Spannung Vin einzig durch den Schaltvorgang des ersten
Schaltelements SW1 auf dem Verstärkungsstartwert (z. B.
8 V) gehalten werden kann. Anschließend setzt die Steuereinheit 32 die
Ein-Impuls-Breite OP12 des Betriebszeitsignals DT2 in Schritt S220
auf null, so dass der Schaltvorgang des Schalt elements SW2 gestoppt
wird. Folglich erhöht die Steuereinheit 32 die
Durchlassperioden OP11, um den Spitzenwert IH1 des Stroms Isw1 zu
erhöhen, und wird die Spannung Vin einzig durch den Schaltvorgang
des Schaltelements SW1 auf dem Verstärkungsstartwert gehalten.
Anschließend schreitet das Verfahren zu Schritt S250 voran.
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Wenn
der Spitzenwert IH1 demgegenüber den Wert Ij2 in Schritt
S210 überschreitet, erkennt die Steuereinheit 32,
dass es nicht erforderlich ist, die Notwendigkeit des Schaltvorgangs
des Elements SW2 zu beurteilen. Anschließend beurteilt
die Steuereinheit 32 in Schritt S230, ob der Spitzenwert
IH1 größer oder gleich einem Betriebsneustartbeurteilungswert
Ij3 ist oder nicht. Der Wert Ij3 wird derart eingestellt, dass er
geringer als der obere Stromgrenzwert Ith und höher als
der Wert Ij2 liegt. Der Wert Ij3 wird beispielsweise auf 2,0 A eingestellt.
Bei einer positiven Beurteilung in Schritt S230 erkennt die Steuereinheit 32,
dass beide Schaltelemente SW1 und SW2 betrieben werden sollten,
um die Spannung Vin auf dem Verstärkungsstartwert zu halten.
Folglich hebt die Steuereinheit 32 in Schritt S240 dann,
wenn die Ein-Impuls-Breite OP12 des Betriebszeitsignals DT2 bereits
auf null gesetzt wurde, das Auf-null-Setzen der Ein-Impuls-Breite
OP12 auf und setzt die Ein-Impuls-Breite OP12 auf einen normalen
Wert, welcher dem normalen Ein-Impuls-Breiten-Verhältnis
der Breiten OP11 und OP12 entspricht. Wenn die Ein-Impuls-Breite
OP12 nicht auf null gesetzt ist, setzt die Steuereinheit 32 das
Ausgeben der Breiten OP11 und OP12, welche das normale Ein-Impuls-Breiten-Verhältnis
erfüllen, fort. Folglich werden die Schaltvorgänge
der Schaltelemente SW1 und SW2 ausgeführt und wird die
Spannung Vin auf dem Verstärkungsstartwert gehalten. Anschließend
schreitet das Verfahren zu Schritt S250 voran.
-
Bei
einer negativen Beurteilung in Schritt S230 erkennt die Steuereinheit 32 demgegenüber, dass
der Spitzenwert IH1 in einem geeigneten Bereich zwischen den Werten
Ij2 und Ij3 liegt. Folglich ist es nicht erforderlich, den Schaltvorgang
des Elements SW2 zu stoppen oder erneut zu starten. Anschließend
schreitet das Verfahren zu Schritt S250 voran.
-
Anschließend
führt die Steuereinheit 32 die Schritte S250,
S260, S270 und S280 aus, und zwar in gleicher Weise wie die Schritte
S10 bis S40 bei der ersten Ausführungsform, woraufhin dieser
Strombegrenzungsprozess zunächst beendet wird.
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Bei
diesem Strombegrenzungsprozess wird der Schaltkreis 12 mit
dem Element SW2 verglichen mit dem Schaltkreis 11 mit dem
Element SW1 nicht häufig verwendet, da der Schaltvorgang
des Elements SW2 gestoppt wird, wenn der Spitzenwert IH1 kleiner
oder gleich dem Wert Ij2 ist. Folglich kann der Schaltkreis 12 als
Hilfselement des Schaltkreises 11 verwendet werden. Auf
diese Weise kann die Größe des Schaltkreises 12 minimiert
werden.
-
Bei
dieser Ausführungsform wird die Ein-Impuls-Breite OP12
des Betriebszeitsignals DT2 dann, wenn der durch das Schaltelement
SW1 fließende Spitzenwert IH1 des Schaltstroms Isw1 gering
ist, auf null gesetzt. Diese Ausführungsform ist jedoch
nicht auf die Beurteilung basierend auf dem Spitzenwert IH1 beschränkt.
Die Steuereinheit 32 verringert die Ein-Impuls-Breite OP11
beispielsweise in Übereinstimmung mit dem Tastverhältnis
des Betriebszeitsignals DT1, wenn die Eingangsspannung Vin erhöht wird.
Folglich kann die Ein-Impuls-Breite OP12 des Betriebszeitsignals
DT2 auf null gesetzt werden, wenn das Tastverhältnis des
Betriebszeitsignals DT1 kleiner oder gleich 80% wird.
-
Bei
diesen Ausführungsformen verstärkt das Schaltnetzteil 1 die
Eingangsspannung Vin. Die folgende Erfindung kann jedoch auf ein
Schaltnetzteil angewandt werden, welches die Eingangsspannung Vin
verringert.
-
Ferner
ist die Steuereinheit 32 aus einem Mikrocomputer mit einer
CPU, einem ROM und einem RAM aufgebaut. Die Steuereinheit 32 kann
jedoch aus einer logischen Schaltung gebildet werden.
-
Vorstehend
wurde ein Schaltnetzteil mit Schaltkreisen offenbart.
-
Ein
Schaltnetzteil weist eine erste und eine zweite Schalteinheit und
eine Steuereinheit auf. Jede Schalteinheit weist ein Schaltelement
auf, das einen Schaltvorgang ausführt, um periodisch einen
elektrischen Strom von einer Batterie zu empfangen, während
es elektrische Energie in einer Spule speichert und diese Energie
zu einem Ausgangsanschluss hin entlädt. Ein auf Masse gelegter
Widerstand ist in Reihe mit je dem Schaltelement geschaltet. Der
Widerstandswert des ersten Widerstands, welcher den ersten Strom
vom ersten Schaltelement empfängt, liegt unter dem des
zweiten Widerstands, welcher den zweiten Strom vom zweiten Schaltelement
empfängt. Ein Höchstwert des ersten Stroms liegt über
dem des zweiten Stroms, bedingt durch die Differenz zwischen den
Widerständen. Die Steuereinheit steuert die Schaltvorgänge
der Elemente, um die Spannung der Batterie zu verstärken,
und stoppt die Schaltvorgänge, wenn der erste Strom einen
oberen Grenzwert überschreitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2008-16401 [0001]
- - JP 2007-6669 [0004]