DE102010013375A1 - Switch-mode power supply for halving or doubling input voltage, has two capacitors switched between input contact and ground potential, and output contact provided between capacitors for measuring halved or doubled output voltage - Google Patents

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Abstract

The power supply has two capacitors (C1, C2) switched between an input contact (12) for supplying an input voltage (Vin) and a ground potential (GND) in series for closing a group of switch elements (S1, S3, S6, S8) and opening another group of switch elements (S2, S4, S5, S7). The two capacitors are switched between the input contact and the ground potential in reverse order for closing the latter group of switch elements and opening the former group of switch elements. An output contact (14) is provided between the capacitors for measuring the halved or doubled output voltage (Vout). The switch elements are MOSFETs, insulated-gate bipolar transistors and bipolar transistors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil und ein Verfahren zur Halbierung oder Verdopplung einer Eingangsspannung.The invention relates to a switching power supply and a method for halving or doubling an input voltage.

Schaltnetzteile zur Erzeugung von stabilen und von einer Eingangsspannung verschiedenen Ausgangsspannungen sind in der Elektrotechnik weit verbreitet. Der steigende Bedarf nach kleineren Bauformen und besseren Wirkungsgraden stellt zunehmend höhere Ansprüche an das Design und das Layout eines Schaltnetzteils.Switching power supplies for generating stable and different from an input voltage output voltages are widely used in electrical engineering. The increasing demand for smaller designs and better efficiencies places increasing demands on the design and layout of a switched-mode power supply.

Zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, welche im Bereich der doppelten oder halben Eingangsspannung liegt, finden bislang Tiefsetzsteller Anwendung. Dieser Bereich gilt für die bekannten Tiefsetzsteller als am aufwändigsten, da die in Induktivitäten und Kapazitäten entstehenden Rippelströme im Vergleich zu anderen Spannungsverhältnissen bei gleichem Strom hier maximal werden. Eine Aufteilung des Netzteils in zwei Phasen, die mit 180° Phasenverschiebung arbeiten, verbessert den Rippelstrom im Eingangsfilterkondensator, jedoch müssen die übrigen Bauteile weiterhin in ihrer üblichen Größe dimensioniert werden.To generate an output voltage which is in the range of twice or half the input voltage, find buck converter application. This area is considered to be the most expensive for the known step-down converters, since the ripple currents resulting in inductances and capacitances become maximal here in comparison to other voltage ratios with the same current. Splitting the power supply into two phases operating at 180 ° phase shift improves the ripple current in the input filter capacitor, however, the remaining components must still be sized in their usual size.

Bei einer Verwendung von Hochfrequenztransformatoren zur Erzeugung einer halben Ausgangsspannung kann ein festes Spannungsverhältnis erzeugt werden, wenn eine Synchrongleichrichtung am Ausgang erfolgt. Wenn jedoch eine Nachregelung der Ausgangsspannung gewünscht wird, sind zusätzliche Induktivitäten erforderlich, die sich negativ auf die gesamte Baugröße und den Wirkungsgrad auswirken.When using high-frequency transformers to generate a half output voltage, a fixed voltage ratio can be generated when a synchronous rectification is performed at the output. However, if readjustment of the output voltage is desired, additional inductors are required which negatively affect overall size and efficiency.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Schaltnetzteil zur Halbierung oder Verdopplung einer Eingangsspannung sowie ein entsprechendes Verfahren zu schaffen.The invention has for its object to provide an improved switching power supply for halving or doubling an input voltage and a corresponding method.

Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 7.The switching power supply according to the invention is defined by the features of claim 1. The inventive method is defined by the features of claim 7.

Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Kapazitäten und zwei Gruppen von Schaltelementen vorgesehen, die derart angeordnet sind, dass durch Schließen der ersten und Öffnen der zweiten Gruppe die beiden Kapazitäten zwischen einem Eingangskontakt zur Einspeisung einer Eingangsspannung und dem Massepotential in Reihe geschaltet sind, und dass durch Schließen der zweiten Gruppe und Öffnen der ersten Gruppe die Kapazitäten in umgekehrter Reihenfolge zwischen dem Eingangskontakt und dem Massepotential in Reihe geschaltet sind, wobei zwischen den beiden Kapazitäten ein Ausgangskontakt zum Abgreifen der halben oder doppelten Ausgangsspannung vorgesehen ist. Die Ausgangsspannung wird gegenüber der Eingangsspannung halbiert oder verdoppelt, indem nachfolgend die erste Schaltelementgruppe geschlossen und die zweite Schaltelementgruppe geöffnet werden und anschließend die zweite Schaltelementgruppe geschlossen und die erste Schaltelementgruppe geöffnet werden.According to the invention, at least two capacitances and two groups of switching elements are provided, which are arranged such that by closing the first and opening of the second group, the two capacitors are connected in series between an input contact for supplying an input voltage and the ground potential, and by closing the second group and opening the first group, the capacitances in series between the input contact and the ground potential are connected in series, wherein between the two capacitances an output contact for picking up the half or double output voltage is provided. The output voltage is halved or doubled from the input voltage by subsequently closing the first switching element group and opening the second switching element group and then closing the second switching element group and opening the first switching element group.

Hierbei arbeitet das Schaltnetzteil wie eine Ladungspumpe in zweiphasiger Ausführung, wodurch der Rippelstrom am Eingangskontakt und am Ausgangskontakt deutlich verringert wird. Die Schaltmuster ”nur erste Schaltelementgruppe geschlossen” und ”nur zweite Schaltelementgruppe geschlossen” wechseln einander in annähernd gleichlangen Intervallen ab. Dabei werden die beiden Kondensatoren zwischen der positiven Eingangsspannung und dem Massepotential in Reihe geschaltet. Der Ausgangskontakt zum Abgreifen der Ausgangsspannung ist als Mittelabgriff ausgebildet und kann über eine Induktivität an einen Ausgangsfilterkondensator angeschlossen sein. Wird nun am Ausgangskontakt Strom entnommen, so fließt dieser durch die beiden Kapazitäten. Dabei wird der jeweils an Masse angeschlossene Kondensator entladen und der an der Eingangsspannung liegende Kondensator geladen und die Ausgangsspannung des Mittelabgriffs sinkt langsam ab.Here, the switching power supply operates like a charge pump in two-phase design, whereby the ripple current at the input contact and the output contact is significantly reduced. The switching patterns "only first switching element group closed" and "only second switching element group closed" alternate each other at approximately equal intervals. The two capacitors are connected in series between the positive input voltage and the ground potential. The output contact for tapping the output voltage is formed as a center tap and can be connected via an inductance to an output filter capacitor. If current is now taken from the output contact, it flows through the two capacitors. In this case, each capacitor connected to ground is discharged and the capacitor located at the input voltage is charged and the output voltage of the center tap drops slowly.

Nach dem Wechsel des Schaltzustands liegt nun der gerade etwas entladene Kondensator zwischen Eingangskontakt und Ausgangskontakt (Mittelabgriff) und der geladene Kondensator zwischen Ausgangskontakt und dem Massepotential. In der Summe haben beide Kondensatoren wieder genau die Eingangsspannung, nur der Ausgangskontakt liegt jetzt auf einem höheren Potential. Bei weiterer Stromentnahme sinkt das Potential des Ausgangskontakts wieder ab. Der am Ausgang entnommene Strom wird zur einen Hälfte der Eingangsspannung entnommen und zur anderen Hälfte dem Massepotential. Am Ausgangskontakt kann daher der doppelte Strom bei der halben Eingangsspannung entnommen werden, sofern die Innenwiderstände vernachlässigbar sind. Vorzugsweise sind genau acht Schaltelemente mit vier Schaltelementen in jeder Gruppe vorgesehen. Die Schaltelemente der beiden Gruppen sind in zwei zueinander parallelen Pfaden zwischen dem Eingangskontakt und dem Massepotential derart alternierend und in Reihenschaltung angeordnet, dass in jedem Pfad Schaltelemente verschiedener Gruppen einander abwechseln.After changing the switching state, the capacitor is just slightly discharged between input contact and output contact (center tap) and the charged capacitor between the output contact and the ground potential. In sum, both capacitors again have exactly the input voltage, only the output contact is now at a higher potential. Upon further current consumption, the potential of the output contact drops again. The current taken from the output is taken from the input voltage half of the input voltage and the other half to the ground potential. At the output contact, therefore, the double current can be taken at half the input voltage, provided that the internal resistance is negligible. Preferably, exactly eight switching elements with four switching elements are provided in each group. The switching elements of the two groups are arranged alternately and in series in two mutually parallel paths between the input contact and the ground potential such that switching elements of different groups alternate in each path.

Hierbei ist jede Kapazität vorzugsweise genau einem Pfad zugeordnet, indem der eine Kontakt jeder Kapazität zwischen den ersten beiden Schaltelementen mit dem Pfad verbunden ist und der andere Kontakt zwischen den letzten beiden Schaltelementen mit dem Pfad verbunden ist, wobei der Ausgangskontakt mit jedem Pfad zwischen dessen mittleren beiden Schaltelementen verbunden ist. Der Ausgangskontakt ist vorteilhafterweise über eine Ausgangsfilterkapazität mit dem Massepotential verbunden, wobei die Verbindungszweige zwischen Ausgangskontakt und jedem der beiden Pfade jeweils eine Filterinduktivität enthalten. Die Filterinduktivitäten sorgen zusammen mit dem Ausgangsfilterkondensator dafür, dass leichte Spannungsschwankungen bei Abgreifen der Ausgangsspannung an dem Mittelabgriff nicht an den Ausgang weitergegeben werden.Here, each capacitance is preferably associated with exactly one path by connecting the one contact of each capacitor between the first two switching elements to the path and the other contact between the last two switching elements being connected to the path the output contact is connected to each path between its middle two switching elements. The output contact is advantageously connected via an output filter capacitor to the ground potential, wherein the connection branches between the output contact and each of the two paths each contain a filter inductance. The filter inductors together with the output filter capacitor ensure that slight voltage fluctuations when tapping the output voltage at the center tap are not passed to the output.

Vorzugsweise ist der Eingangskontakt über einen Eingangsfilterkondensator mit dem Massepotential verbunden. Für den Fall, dass die Schaltzeiten vernachlässigbar sind, ist der Eingangsfilterkondensator nicht erforderlich.Preferably, the input contact is connected via an input filter capacitor to the ground potential. In the event that the switching times are negligible, the input filter capacitor is not required.

Je höher die Schaltfrequenz gewählt wird, desto kleiner können bei gleichem Strom die Kondensatoren und Induktivitäten werden. Das heißt mit anderen Worten, dass die Baugröße des Schaltnetzteils durch eine hohe Schaltfrequenz reduziert werden kann.The higher the switching frequency is selected, the smaller can be the capacitors and inductors for the same current. In other words, the size of the switching power supply can be reduced by a high switching frequency.

Ein Vorteil des Schaltnetzteils bei Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die Schaltfrequenz an den aktuellen Ausgangsstrom angepasst werden kann und im Falle eines geringen Ausgangsstroms – im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen – fast bis auf null abgesenkt werden kann. Dadurch kann ein hoher Wirkungsgrad auch bei geringer Last erreicht werden. Zur Messung des Ausgangsstroms kann der Innenwiderstand einer der Ausgangsfilterinduktivitäten verwendet werden.An advantage of the switching power supply when operating with the method according to the invention is that the switching frequency can be adapted to the current output current and in the case of a low output current - in contrast to conventional systems - can be lowered almost to zero. As a result, a high efficiency can be achieved even at low load. For measuring the output current, the internal resistance of one of the output filter inductances can be used.

Vorzugsweise werden vor dem Öffnen einer Schaltelementgruppe zunächst alle Schaltelemente der anderen Gruppe vollständig während einer sogenannten Totzeit geschlossen, um einen Querstrom durch die Schaltelemente von dem Potential der Eingangsspannung zum Massepotential zu verhindern. Eine derartige Totzeit zwischen dem Ausschalten eines elektronischen Schalters und dem Einschalten des nächsten ist für den Betrieb des Schaltnetzteils von Bedeutung.Preferably, before opening a switching element group, first all switching elements of the other group are completely closed during a so-called dead time in order to prevent a cross current through the switching elements from the potential of the input voltage to the ground potential. Such dead time between turning off an electronic switch and turning on the next is important to the operation of the switched mode power supply.

Da das Netzteil im Allgemeinen rückspeisbar ist, stellen eine Halbierung und eine Verdopplung der Eingangsspannung am Ausgangskontakt grundsätzlich denselben Vorgang dar. Im Folgenden wird ohne Beschränkung dieses Grundprinzips nur noch der Vorgang des Tiefsetzens der Spannung erläutert.Since the power supply is generally regenerative, halving and doubling the input voltage at the output contact are basically the same process. In the following, without limiting this basic principle, only the operation of stepping down the voltage will be explained.

Im Folgenden wird anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.In the following an embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to FIG.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung die Topologie eines Ausführungsbeispiels des Schaltnetzteils.The figure shows a schematic representation of the topology of an embodiment of the switching power supply.

Das Schaltnetzteil weist zur Halbierung der Eingangsspannung genau acht Schaltelemente S1–S8 auf, die in zwei zueinander parallelen Pfaden S1–54 und S5–S8 angeordnet sind. In jedem der beiden Pfade sind die Schaltelemente in Reihe zwischen dem Eingangskontakt 12 und dem Massepotential GND angeordnet.The switching power supply has for halving the input voltage exactly eight switching elements S1-S8, which are arranged in two mutually parallel paths S1-54 and S5-S8. In each of the two paths, the switching elements are in series between the input contact 12 and the ground potential GND.

Jedem der beiden Pfade S1–S4 und S5–S8 ist ein Kondensator C1 bzw. C2 zugeordnet. Das eine Ende des Kondensators C1 ist zwischen den ersten beiden Schaltelementen S1, S2 des ersten Pfades mit diesem verbunden und das andere Ende des Kondensators C1 ist zwischen den letzten beiden Schaltelementen S3, S4 des ersten Pfades mit diesem verbunden. Entsprechend ist der zweite Kondensator C2 an seinem einen Ende zwischen den beiden ersten Schaltelementen S5, S6 des zweiten Pfades mit diesem verbunden und an seinem anderen Ende mit den beiden letzten Schaltelementen S7, S8 des zweiten Pfades mit diesem verbunden.Each of the two paths S1-S4 and S5-S8 is assigned a capacitor C1 or C2. The one end of the capacitor C1 is connected between the first two switching elements S1, S2 of the first path and the other end of the capacitor C1 is connected between the last two switching elements S3, S4 of the first path. Accordingly, the second capacitor C2 is connected at its one end between the two first switching elements S5, S6 of the second path with this and connected at its other end to the last two switching elements S7, S8 of the second path with this.

Die beiden Pfade S1–S4 und S5–S8 sind jeweils zwischen ihren beiden mittleren Schaltelementen S2, S3 und S6, S7 miteinander verbunden. In diesem mittleren Verbindungspfad ist der Ausgangskontakt 14 zum Abgreifen der Ausgangsspannung Vout als Mittelabgriff ausgebildet. Zwischen dem Ausgangskontakt 14 und dem ersten Pfad S1–S4 ist eine erste Filterinduktivität L1 vorgesehen. Entsprechend ist in dem Verbindungspfad zwischen dem Ausgangskontakt 14 und dem zweiten Pfad S5–S8 eine zweite Filterinduktivität L2 vorgesehen. Der Ausgangskontakt 14 ist über einen Ausgangsfilterkondensator Cout mit dem Massepotential GND verbunden.The two paths S1-S4 and S5-S8 are connected to each other between their two middle switching elements S2, S3 and S6, S7. In this middle connection path is the output contact 14 for tapping the output voltage V out formed as a center tap. Between the output contact 14 and the first path S1-S4, a first filter inductor L1 is provided. Accordingly, in the connection path between the output contact 14 and the second path S5-S8, a second filter inductor L2 is provided. The output contact 14 is connected via an output filter capacitor C out to the ground potential GND.

Der Eingangskontakt 12 für die Eingangsspannung Vin ist über einen Eingangsfilterkondensator Cm mit dem Massepotential GND verbunden.The input contact 12 for the input voltage V in is connected via an input filter capacitor Cm to the ground potential GND.

Die Schaltelemente S1–S8 können MOSFET-Transistoren, IGB-Transistoren, IGBTs, Bipolartransistoren oder – bei entsprechender Auslegung der Kapazitäten C1 und C2 und der Induktivitäten L1 und L2 – auch Thyristoren sein.The switching elements S1-S8 may be MOSFET transistors, IGB transistors, IGBTs, bipolar transistors or-if the capacitances C1 and C2 and the inductances L1 and L2 are designed accordingly-thyristors as well.

Die Anzahl der verwendeten Schaltelemente S1–S8 ist im Vergleich zu einem zweiphasigen synchrongleichrichtenden Tiefsetzsteller doppelt so groß. Da jedoch an einem Schaltelement nur etwa die halbe Eingangsspannung abfällt und daher Bauteile mit geringer Spannungsbelastbarkeit ausgewählt werden können, kann die Gesamtbaugröße geringer ausfallen.The number of switching elements used S1-S8 is twice as large compared to a two-phase synchronous rectifying buck converter. However, since only about half the input voltage drops on a switching element and therefore components with low voltage handling can be selected, the overall size can be smaller.

Zur Halbierung der Eingangsspannung Vin am Ausgangskontakt 14 werden abwechselnd die Schaltelemente der ersten Schaltelementgruppe S1, S3, S6, S8 geschlossen und geöffnet, während die Schaltelemente der zweiten Gruppe S2, S4, S5, S7 zugleich geöffnet und anschließend geschlossen werden. Hierbei wechseln sich in annähernd gleichlangen Intervallen die Schaltmuster ”nur die Schaltelemente der ersten Gruppe S1, S3, S6, S8 geschlossen” mit ”nur die Schaltelemente der zweiten Gruppe S2, S4, S5, S7 geschlossen” ab. Die Kondensatoren C1 und C2 liegen dabei in Reihe geschaltet zwischen der positiven Eingangsspannung und der Masse und ihr Mittelabgriff am Ausgangskontakt 14 ist über eine Induktivität an den Ausgangsfilterkondensator Cout angeschlossen. Wird nun am Ausgangskontakt 14 ein Strom entnommen, so fließt dieser sowohl durch den Kondensator C1 als auch durch den Kondensator C2. Dabei wird der jeweils an Masse angeschlossene Kondensator C1 bzw. C2 entladen und der an der Eingangsspannung liegende Kondensator C2 bzw. C1 geladen und die Ausgangsspannung am Ausgangskontakt 14 (Mittelabgriff) sinkt langsam ab. For halving the input voltage V in at the output contact 14 alternately the switching elements of the first switching element group S1, S3, S6, S8 are closed and opened, while the switching elements of the second group S2, S4, S5, S7 are opened at the same time and then closed. Hereby, the switching patterns "only the switching elements of the first group S1, S3, S6, closed S8" alternate with "only the switching elements of the second group S2, S4, S5, S7 closed" in approximately equal intervals. The capacitors C1 and C2 are connected in series between the positive input voltage and the ground and their center tap at the output contact 14 is connected via an inductance to the output filter capacitor C out . Will now be at the output contact 14 taken from a current, it flows through both the capacitor C1 and the capacitor C2. In this case, the respectively connected to ground capacitor C1 and C2 is discharged and the lying at the input voltage capacitor C2 and C1 loaded and the output voltage at the output contact 14 (Center tap) decreases slowly.

Nach dem Wechsel des Schaltzustands liegt nun der gerade etwas entladene Kondensator zwischen der Eingangsspannung und dem Mittelabgriff und der geladene Kondensator liegt zwischen dem Mittelabgriff und der Masse. In der Summe haben beide Kondensatoren C1 und C2 wieder genau die Eingangsspannung Vin. Nur das Ausgangspotential am Ausgangskontakt 14 liegt nun etwas höher, sinkt aber bei weiterer Stromentnahme wieder ab. Der am Ausgangskontakt 14 entnommene Strom wird zur einen Hälfte der Eingangsspannung Vin entnommen und zur anderen Hälfte der Masse GND. Am Ausgangskontakt 14 kann daher der doppelte Strom bei der halben Eingangsspannung Vin entnommen werden, sofern die Innenwiderstände vernachlässigbar sind.After changing the switching state, the capacitor that has just been discharged is now between the input voltage and the center tap, and the charged capacitor is between the center tap and the ground. In sum, both capacitors C1 and C2 again have exactly the input voltage V in . Only the output potential at the output contact 14 is now a bit higher, but decreases again with further current drain. The at the output contact 14 taken current is taken to one half of the input voltage V in and the other half of the ground GND. At the output contact 14 Therefore, the double current can be taken at half the input voltage V in , provided the internal resistances are negligible.

Die Filterinduktivitäten L1 und L2 sorgen zusammen mit dem Ausgangsfilterkondensator Cout dafür, dass leichte Spannungsschwankungen des Mittelabgriffs nicht an den Ausgang weitergegeben werden. Sind die Schaltzeiten vernachlässigbar, so wäre in dieser Betriebsart der Eingangsfilterkondensator Cin nicht erforderlich.The filter inductors L1 and L2 together with the output filter capacitor C out ensure that slight voltage fluctuations of the center tap are not passed on to the output. If the switching times are negligible, the input filter capacitor C in would not be required in this mode.

In einigen Anwendungsfällen ist es nicht ausreichend, die Eingangsspannung Vin nur ungeregelt zu halbieren, insbesondere weil das Schaltnetzteil einen Innenwiderstand aufweist, der dafür sorgt, dass die Ausgangsspannung Vout bei Laständerungen nicht konstant bleibt. Dieses Problem kann entweder durch eine Stelleinheit, welche die Eingangsspannung Vin des Schaltnetzteils 10 anpasst und dieses auf eine konstante Ausgangsspannung Vout regelt, oder durch ein besonderes Schaltmuster des Schaltnetzteils 10 gelöst werden. Dabei kann das Schaltnetzteil 10 die Ausgangsspannung in weiten Grenzen einstellen.In some applications, it is not sufficient to halve the input voltage V in only unregulated, in particular because the switching power supply has an internal resistance, which ensures that the output voltage V out does not remain constant under load changes. This problem can be solved either by an actuator, which measures the input voltage V in of the switching power supply 10 adapts and regulates this to a constant output voltage V out , or by a special switching pattern of the switching power supply 10 be solved. In this case, the switching power supply 10 set the output voltage within wide limits.

Soll die Ausgangsspannung Vout höher ausfallen, als die halbe Eingangsspannung Vin, so wird im normalen Zyklus das Schaltmuster kurzzeitig durch ein Muster übersteuert, welches die Schaltelemente S1 und S2 (bzw. S5 und S6) öffnet, sowie die Schaltelemente S3 und S4 (bzw. S7 und S8) schließt. Das heißt mit anderen Worten, dass zur Regelung der Ausgangsspannung Vout in zumindest einem Pfad die Schaltelemente S1 und S2 (bzw. S5 und S6) zwischen dem Eingangskontakt 12 und dem Ausgangskontakt 14 geöffnet und die Schaltelemente S3 und S4 (bzw. S7 und S8) zwischen dem Ausgangskontakt 14 und dem Massepotential GND geschlossen werden. Dadurch wird die Eingangsspannung Vin direkt an die Filterinduktivität L1 (bzw. L2) angelegt und der Kondensator C1 (bzw. C2) wird einseitig völlig abgeklemmt. Dies sorgt für eine kurzzeitige Spannungserhöhung an der Induktivität L1 (bzw. L2), welche diese zusammen mit dem Ausgangsfilterkondensator Cout filtert und für eine Spannungserhöhung am Ausgangskontakt 14 sorgt.If the output voltage V out should be higher than half the input voltage V in , then in the normal cycle the switching pattern is briefly overridden by a pattern which opens the switching elements S1 and S2 (or S5 and S6) and the switching elements S3 and S4 (FIG. or S7 and S8) closes. In other words, to control the output voltage V out in at least one path, the switching elements S1 and S2 (or S5 and S6) between the input contact 12 and the output contact 14 opened and the switching elements S3 and S4 (or S7 and S8) between the output contact 14 and the ground potential GND are closed. As a result, the input voltage V in is applied directly to the filter inductance L1 (or L2), and the capacitor C1 (or C2) is completely disconnected on one side. This provides for a momentary voltage increase at the inductance L1 (or L2), which filters it together with the output filter capacitor C out and for a voltage increase at the output contact 14 provides.

Soll die Ausgangsspannung Vout kleiner als die halbe Eingangsspannung Vin sein, so wird, im Zyklus ein Schaltmuster überlagert, welches die Schaltelemente S3 und S4 (bzw. S7 und S8) schließt und die Schaltelemente S1 und S2 (bzw. S5 und S6) öffnet. Das heißt mit anderen Worten, dass zur Senkung der Ausgangsspannung in zumindest einem Pfad die Schaltelemente S3 und S4 (bzw. S7 und S8) zwischen dem Ausgangskontakt und dem Massepotential geschlossen werden und die Schaltelemente S1 und S2 (bzw. S5 und S6) zwischen dem Eingangskontakt 12 und dem Ausgangskontakt 14 geöffnet werden. Dadurch wird der Kondensator C1 (bzw. C2) ebenfalls einseitig abgeklemmt und die Filterinduktivität L1 (bzw. L2) kurzzeitig an Masse GND angeschlossen. Der Spannungsverlauf wird auch hier wieder tiefpassgefiltert, was zu einer Ausgangsspannung führt, die geringer als die halbe Eingangsspannung Vin ist.If the output voltage V out is to be less than half the input voltage V in , a switching pattern is superposed in the cycle which closes the switching elements S 3 and S 4 (or S 7 and S 8) and the switching elements S 1 and S 2 (or S 5 and S 6). opens. In other words, to reduce the output voltage in at least one path, the switching elements S3 and S4 (or S7 and S8) between the output contact and the ground potential are closed and the switching elements S1 and S2 (or S5 and S6) between the input contact 12 and the output contact 14 be opened. As a result, the capacitor C1 (or C2) is also disconnected on one side and the filter inductance L1 (or L2) briefly connected to ground GND. The voltage curve is again low-pass filtered here, resulting in an output voltage which is less than half the input voltage V in .

Bei dieser Betriebsart ist der Eingangsstrom nicht mehr näherungsweise konstant, sondern es wird dem Ausgangskontakt 14 pulsweise Strom entnommen, der durch den Eingangskondensator Cin gepuffert werden muss. Wählt man das Schaltmuster aber so, dass das Durchschalten der Eingangsspannung Vin oder der Masse GND auf die Filterinduktivität L1 bzw. L2 mit einem Phasenversatz von 180° erfolgt, so können Eingangs- und Ausgangsfilter kleingehalten werden.In this mode, the input current is no longer approximately constant, but it is the output contact 14 taken pulse mode, which must be buffered by the input capacitor C in . However, if the switching pattern is chosen such that the through-connection of the input voltage V in or the ground GND to the filter inductance L1 or L2 takes place with a phase offset of 180 °, then the input and output filters can be kept small.

Trotz der hierbei bestehenden Ähnlichkeit zu einem herkömmlichen Tiefsetzsteller kann eine kleinere Baugröße erreicht werden, da nur maximal die halbe Eingangsspannung an den Induktivitäten L1, L2 anliegt. Das bedeutet, dass bei gleicher Schaltfrequenz für den gleichen Rippelstrom in den Induktivitäten L1, L2 nur eine halb so große Induktivität benötigt wird. Die zusätzlich erforderlichen Kondensatoren sind für die Gesamtbaugröße von untergeordneter Bedeutung.Despite the existing similarity to a conventional buck converter, a smaller size can be achieved, since only a maximum of half the input voltage to the inductors L1, L2 is applied. This means that with the same switching frequency for the same ripple current in the inductors L1, L2 only half as large inductance is needed. The additional required capacitors are of minor importance for the overall size.

Die für eine Regelung der Ausgangsspannung benötigte Messung des Ausgangsstroms kann über die Filterinduktivitäten L1 und L2 oder über eine zusätzliche Eingangsfilterinduktivität gemessen werden.The measurement of the output current required for regulating the output voltage can be measured via the filter inductances L1 and L2 or via an additional input filter inductance.

Für besondere Anwendungen, wie zum Beispiel ein verlustarmes Schalten oder eine Verwendung von Thyristoren, kann es vorteilhaft sein, die elektronischen Schaltelemente S1–S8 nur im stromlosen Zustand zu öffnen. Dieses kann durch eine geeignete Auslegung von L1 und C1 bzw. von L2 und C2, sowie durch ein geeignetes Nachführen der Schaltfrequenz erreicht werden.For special applications, such as low-loss switching or the use of thyristors, it may be advantageous to open the electronic switching elements S1-S8 only in the de-energized state. This can be achieved by a suitable design of L1 and C1 or of L2 and C2, as well as by a suitable tracking of the switching frequency.

Nach dem gleichen Prinzip ist es auch möglich, das Schaltnetzteil auf eine Drittelung oder auf eine Viertelung der Eingangsspannung Vin auszulegen. Hierbei steigt jedoch im Falle einer Drittelung die Anzahl der benötigten Schaltelemente auf 18 und im Fall einer Viertelung sogar auf 32. Mit zunehmendem Faktor n einer Teilung oder Vervielfachung der Eingangsspannung steigt die Anzahl der insgesamt benötigten Schaltelemente gemäß der Beziehung 2n2.According to the same principle, it is also possible to design the switching power supply to a third or to a quarter of the input voltage V in . In this case, however, the number of switching elements required increases to 18 in the case of a one-third, and even to 32 in the case of a quarter. With increasing factor n of a division or multiplication of the input voltage, the total number of switching elements required increases according to the relationship 2n 2 .

Claims (13)

Schaltnetzteil (10) zur Halbierung oder Verdopplung einer Eingangsspannung (Vin), mit mindestens zwei Kapazitäten (C1, C2) und mit zwei Gruppen von Schaltelementen (S1, S3, S6, S8; S2, S4, S5, S7), die derart angeordnet sind, dass durch Schließen der ersten Gruppe (S1, S3, S6, S8) und Öffnen der zweiten Gruppe (S2, S4, S5, S7) die beiden Kapazitäten (C1, C2) zwischen einem Eingangskontakt (12) zur Einspeisung einer Eingangsspannung (Vin) und dem Massepotential (GND) in Reihe geschaltet sind, und dass durch Schließen der zweiten Gruppe (S2, S4, S5, S7) und Öffnen der ersten Gruppe (S1, S3, S6, S8) die Kapazitäten (C1, C2) in umgekehrter Reihenfolge zwischen dem Eingangskontakt (12) und dem Massepotential (GND) in Reihe geschaltet sind, wobei zwischen den beiden Kapazitäten (C1, C2) ein Ausgangskontakt (14) zum Abgreifen der halbierten oder verdoppelten Ausgangsspannung (Vout) vorgesehen ist.Switching power supply ( 10 ) for halving or doubling an input voltage (V in ), with at least two capacitances (C1, C2) and with two groups of switching elements (S1, S3, S6, S8, S2, S4, S5, S7) arranged in such a way by closing the first group (S1, S3, S6, S8) and opening the second group (S2, S4, S5, S7), the two capacitances (C1, C2) between an input contact ( 12 ) for feeding an input voltage (V in ) and the ground potential (GND) are connected in series, and that by closing the second group (S2, S4, S5, S7) and opening the first group (S1, S3, S6, S8) the capacitances (C1, C2) in reverse order between the input contact ( 12 ) and the ground potential (GND) are connected in series, wherein between the two capacitances (C1, C2) an output contact ( 14 ) is provided for picking up the halved or doubled output voltage (V out ). Schaltnetzteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1–S7) der beiden Gruppen in zwei zueinander parallelen Pfaden (S1-S4; S5–S8) zwischen dem Eingangskontakt (12) und dem Massepotential (GND) derart alternierend und in Reihenschaltung angeordnet sind, dass in jedem Pfad (S1–S4; S5–S8) Schaltelemente verschiedener Gruppen (S1, S3, S6, S8; S2, S4, S5, S7) einander abwechseln.Switching power supply ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the switching elements (S1-S7) of the two groups in two mutually parallel paths (S1-S4; S5-S8) between the input contact ( 12 ) and the ground potential (GND) are arranged alternately and in series, such that in each path (S1-S4; S5-S8) switching elements of different groups (S1, S3, S6, S8; S2, S4, S5, S7) alternate with one another , Schaltnetzteil (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kapazität (C1, C2) genau einem Pfad (S1–S4; S5–S8) zugeordnet ist, indem der eine Kontakt jeder Kapazität mit dem Pfad (S1–S4; S5-S8) zwischen dessen ersten beiden Schaltelementen (S1, S2; S5, S6) verbunden ist und der andere Kontakt mit dem Pfad zwischen dessen letzten beiden Schaltelementen (S3, S4; S7, S8) verbunden ist, wobei der Ausgangskontakt (14) mit jedem Pfad zwischen dessen mittleren beiden Schaltelementen (S2, S3; S6, S7) verbunden ist.Switching power supply ( 10 ) according to claim 2, characterized in that each capacitance (C1, C2) is associated with exactly one path (S1-S4; S5-S8) by connecting one contact of each capacitance with the path (S1-S4; S5-S8) between whose first two switching elements (S1, S2, S5, S6) are connected and the other contact is connected to the path between its last two switching elements (S3, S4, S7, S8), the output contact ( 14 ) is connected to each path between its middle two switching elements (S2, S3, S6, S7). Schaltnetzteil (10) nach einem der Ansprüche 1–3, gekennzeichnet durch acht Schaltelemente (S1–S8).Switching power supply ( 10 ) according to any one of claims 1-3, characterized by eight switching elements (S1-S8). Schaltnetzteil (10) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangskontakt (12) über eine Eingangsfilterkapazität (Cin) mit dem Massepotential (GND) verbunden ist.Switching power supply ( 10 ) according to any one of claims 1-4, characterized in that the input contact ( 12 ) is connected to the ground potential (GND) via an input filter capacitance (C in ). Schaltnetzteil (10) nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangskontakt über eine Ausgangsfilterkapazität (Cout) mit dem Massepotential (GND) verbunden ist, wobei die Verbindungszweige zwischen dem Ausgangskontakt (14) und jedem der beiden Pfade (S1–S4; S5–S8) jeweils eine Filterinduktivität (L1, L2) enthalten.Switching power supply ( 10 ) according to any one of claims 1-5, characterized in that the output contact via an output filter capacitance (C out ) is connected to the ground potential (GND), wherein the connecting branches between the output contact ( 14 ) and each of the two paths (S1-S4, S5-S8) each contain a filter inductance (L1, L2). Verfahren zur Halbierung oder Verdopplung einer Eingangsspannung unter Verwendung eines Schaltnetzteils (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: – Schließen der ersten Schaltelementgruppe (S1, S3, S6, S8) und Öffnen der zweiten Schaltelementgruppe (S2, S4, S5, S7), und – Schließen der zweiten Schaltelementgruppe (S2, S4, S5, S7) und Öffnen der ersten Schaltelementgruppe (S1, S3, S6, S8).Method for halving or doubling an input voltage using a switching power supply ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized by the steps: - closing the first switching element group (S1, S3, S6, S8) and opening the second switching element group (S2, S4, S5, S7), and - closing the second switching element group (S2, S4, S5, S7) and opening the first switching element group (S1, S3, S6, S8). Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte Schließen der ersten Schaltelementgruppe/Öffnen der zweiten Schaltelementgruppe und Schließen der zweiten Schaltelementgruppe/Öffnen der ersten Schaltelementgruppe derart alternierend wiederholt werden, dass die beiden Kapazitäten (C1, C2) in wechselnder Reihenfolge zwischen dem Eingangskontakt (12) und dem Massepotential (GND) in Reihe geschaltet werden.A method according to claim 7, characterized in that the method steps closing the first switching element group / opening of the second switching element group and closing the second switching element group / opening of the first switching element group are repeated alternately such that the two capacitances (C1, C2) in alternating order between the input contact ( 12 ) and the ground potential (GND) are connected in series. Verfahren nach Anspruch 8 zur Erzeugung einer geringeren als der halbierten Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung (Vin) unter Verwendung eines Schaltnetzteils (10) nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente zyklisch wiederkehrend in einen Zustand versetzt werden, in dem die Schaltelemente (S1, S2 bzw. S5, S6) zwischen Eingangskontakt (12) und Ausgangskontakt (14) geöffnet und die Schaltelemente (S3, S4 bzw. S7, S8) zwischen dem Ausgangskontakt (14) und dem Massepotential (GND) geschlossen sind.Method according to claim 8 for generating a lower than half the output voltage from an input voltage (V in ) using a switched mode power supply ( 10 ) after one of the Claims 1-6, characterized in that the switching elements are cyclically recurring in a state in which the switching elements (S1, S2 or S5, S6) between input contact ( 12 ) and output contact ( 14 ) and the switching elements (S3, S4 or S7, S8) between the output contact ( 14 ) and the ground potential (GND) are closed. Verfahren nach Anspruch 8 zur Erzeugung einer höheren als der halbierten Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung (Vin) unter Verwendung eines Schaltnetzteils (10) nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente in einen zyklisch wiederkehrenden Zustand versetzt werden, in dem die Schalter (S3, S4 bzw. S7, S8) zwischen dem Ausgangskontakt (14) und dem Massepotential (GND) geöffnet sind und zugleich die Schalter (S1, S2 bzw. S5, S6) zwischen dem Eingangskontakt (12) und dem Ausgangskontakt (14) geschlossen sind.Method according to claim 8 for generating a higher than half the output voltage from an input voltage (V in ) using a switching power supply ( 10 ) according to any one of claims 1-6, characterized in that the switching elements are placed in a cyclically recurring state in which the switches (S3, S4 or S7, S8) between the output contact ( 14 ) and the ground potential (GND) are open and at the same time the switches (S1, S2 or S5, S6) between the input contact ( 12 ) and the output contact ( 14 ) are closed. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (Vout) des Schaltnetzteils (10) generiert wird, indem der zeitliche Anteil eines Zustands, in dem die Schaltelemente (S1, S2 bzw. S5, S6) zwischen dem Eingangskontakt (12) und dem Ausgangskontakt (14) geöffnet und zugleich die Schaltelemente (S3, S4 bzw. S7, S8) zwischen dem Ausgangskontakt (14) und dem Massepotential (GND) geschlossen sind, über die gesamte Zeitspanne des Zyklus variiert wird.Method according to Claim 10, characterized in that the output voltage (V out ) of the switched-mode power supply ( 10 ) is generated by the temporal portion of a state in which the switching elements (S1, S2 or S5, S6) between the input contact ( 12 ) and the output contact ( 14 ) and at the same time the switching elements (S3, S4 or S7, S8) between the output contact ( 14 ) and the ground potential (GND) are closed is varied over the entire period of the cycle. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (Vout) des Schaltnetzteils (10) dadurch generiert wird, dass der zeitliche Anteil eines Zustandes, in welchem die Schalterelemente (S3, S4 bzw. S7, S8) zwischen dem Ausgangskontakt (14) und dem Massepotential (GND) geöffnet und zugleich die Schalter (S1, S2 bzw. S5, S6) zwischen dem Eingangskontakt (12) und dem Ausgangskontakt (14) geschlossen sind, über die gesamte Zeitspanne des Zyklus variiert wird.Method according to Claim 11, characterized in that the output voltage (V out ) of the switched-mode power supply ( 10 ) is generated in that the temporal portion of a state in which the switch elements (S3, S4 or S7, S8) between the output contact ( 14 ) and the ground potential (GND) and at the same time the switches (S1, S2 or S5, S6) between the input contact ( 12 ) and the output contact ( 14 ) are varied over the entire period of the cycle. Verfahren nach einem der Ansprüche 7–12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhöhen einer Spannung am Ausgangskontakt (14) die Eingangsspannung (Vin) angelegt und am Eingangskontakt (12) abgegriffen wird.Method according to one of claims 7-12, characterized in that for increasing a voltage at the output contact ( 14 ) the input voltage (V in ) is applied and at the input contact ( 12 ) is tapped.
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