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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- 6 669 A 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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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, 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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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Schaltnetzteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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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 Stromgrenzwert 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 Strom grenzwert 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;
- 2 zeigt ein Zeitdiagramm eines Verstärkungsbetriebs und eines Strombegrenzungsprozesses der in der 1 gezeigten Energieversorgung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 zeigt ein Ablaufdiagramm des Strombegrenzungsprozesses gemäß der ersten Ausführungsform;
- 4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Strombegrenzungsprozesses gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 zeigt ein Zeitdiagramm eines Verstärkungsbetriebs der in der 1 gezeigten Energieversorgung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 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 3 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 Knotenpunkt 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 Komparators 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 IP1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Strombegrenzungsprozesses gemäß der zweiten Ausführungsform.
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In Schritt S110 beurteilt die Steuereinheit 32, wie in 4 gezeigt, ob der im Detektor 22 erfasste Schaltstrom Isw1 größer oder gleich einem Stromgrenzbeurteilungswert 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.
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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.
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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 OP 11 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 DT 1 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.
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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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 Schaltelements 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorstehend wurde ein Schaltnetzteil mit Schaltkreisen offenbart.
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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 jedem 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.
