DE102012111317A1 - Circuit device with down converter for supplying current to e.g. fog lamp of motor car, has comparator including terminal connected with output of unit for converting input voltage of converter into signal dependent of reference voltage - Google Patents

Circuit device with down converter for supplying current to e.g. fog lamp of motor car, has comparator including terminal connected with output of unit for converting input voltage of converter into signal dependent of reference voltage Download PDF

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Abstract

The device has a comparator (K) including an output end indirectly connected with a control input of a controllable switching element (T). The first input terminal of the comparator is connected with an output terminal of an integrator. A resistor (R7) of a voltage transducer is connected in series with the controllable switching element. The second input terminal of the comparator is connected with an output of a unit for converting input voltage of a down converter into signal that is linear dependent of first reference voltage. The integrator is formed by a low pass circuitry. An independent claim is also included for a method for adjustment of average load current of a down converter with circuit device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Abwärtswandler, umfassend eine Spule und ein steuerbares Schaltelement, und mit einem Mittel zum Ansteuern des steuerbaren Schaltelementes, umfassend einen Komparator, dessen Ausgang mit einem Steuereingang des steuerbaren Schaltelementes zumindest mittelbar verbunden ist. The invention relates to a circuit arrangement with a buck converter, comprising a coil and a controllable switching element, and having a means for driving the controllable switching element comprising a comparator whose output is connected at least indirectly to a control input of the controllable switching element.

Abwärtswandler sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden häufig in Kraftfahrzeugbordnetzen zur Strom- oder Spannungsanpassung verwendet, zum Beispiel um LED-Leuchten mit einem konstanten Betriebsstrom zu versorgen, der unabhängig von Spannungsschwankungen im Bordnetz ist. Downconverters are known in the art. They are often used in motor vehicle electrical systems for power or voltage adjustment, for example, to provide LED lights with a constant operating current, which is independent of voltage fluctuations in the electrical system.

Vielfach wird von Steuergeräten für LED-Leuchten in Kraftfahrzeugen, insbesondere für Scheinwerfer, Rückleuchten und Bremsleuchten verlangt, dass diese eine Stromversorgung sicherstellen, bei der es allenfalls zu Schwankungen von +/–5% kommen kann und dass obwohl in den LED-Leuchten Leuchtdioden eingebaut sind, die zum Teil noch Toleranzen innerhalb eine Lichtklasse von bis +/–10% haben. Diese Anforderungen an die Stromversorgung von LED-Leuchten werden derzeit mit aufwendigen integrierten Schaltkreisen erreicht, die zum Teil applikationsspezifische Bauteile erfordern. Often required by control units for LED lights in motor vehicles, especially for headlights, taillights and brake lights that ensure a power supply, which can possibly lead to fluctuations of +/- 5% and that although installed in the LED lights LEDs are some of which still have tolerances within a light class of up to +/- 10%. These requirements for the power supply of LED lights are currently achieved with complex integrated circuits, which sometimes require application-specific components.

Neben LED-Leuchten wie Scheinwerfern, Rückleuchten und Bremsleuchten, gibt es in Kraftfahrzeugen auch andere LED-Leuchten, an deren Stromversorgung nicht so Ansprüche gestellt werden. Bei diesen LED-Leuchten kann es sich zum Beispiel um Leuchten für ein Markierungslicht, Nebelscheinwerfer oder andere handeln. Größere Toleranzen erlauben häufig preiswertere Lösungen. In addition to LED lights such as headlights, taillights and brake lights, there are also other LED lights in motor vehicles, whose power supply is not so demanding. These LED lights may be, for example, lights for a marker light, fog lights or others. Larger tolerances often allow cheaper solutions.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe war es, eine Schaltungsanordnung mit einem Abwärtswandler vorzuschlagen, die preiswert ist, die auf applikationsspezifische Bauelemente verzichtet und auf einfache und in hohen Stückzahlen, möglichst von verschiedenen Herstellern lieferbare Bauelemente zurückgreift. The object underlying the invention was to propose a circuit arrangement with a buck converter, which is inexpensive, dispenses with application-specific components and relies on simple and high volumes, possibly from different manufacturers available components.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

  • – dass ein erster Eingang des Komparators mit einem Ausgang eines Integrators verbunden ist, dessen Eingang mit einem Strom-Spannungs-Wandler, insbesondere einem Widerstand, in Reihe zum steuerbaren Schaltelement verbunden ist, und/oder
  • – dass ein zweiter Eingang des Komparators mit einem Ausgang eines Mittels zum Wandeln einer Eingangsspannung des Abwärtswandlers in ein davon linear abhängiges erstes Signal verbunden ist.
This object is achieved according to the invention
  • - That a first input of the comparator is connected to an output of an integrator whose input is connected to a current-voltage converter, in particular a resistor, in series with the controllable switching element, and / or
  • - That a second input of the comparator is connected to an output of a means for converting an input voltage of the down converter in a linearly dependent thereon first signal.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass bei einem Abwärtswandler die Ausgangsspannung Vout linear von der Eingangspannung Vin abhängt, wobei sich die lineare Abhängigkeit mit dem Tastgrad (dutey cycle D) gemäß der Gleichung Vout = Vin·D ausdrücken lässt. Das heißt, dass wenn die Ausgangspannung konstant gehalten werden soll, eine niedrigere Eingangspannung zu einem höheren Tastgrad führt. Der Tastgrad gibt übrigens das Verhältnis von Einschaltdauer des steuerbaren Schaltelementes während einer Periode zur Periodendauer des das Schaltelement ansteuernde Signal wieder. The invention makes use of the finding that, in a buck converter, the output voltage Vout depends linearly on the input voltage Vin, the linear dependence with the duty cycle (dutey cycle D) being able to be expressed according to the equation Vout = Vin · D. That is, if the output voltage is to be kept constant, a lower input voltage results in a higher duty cycle. Incidentally, the duty cycle indicates the ratio of the duty cycle of the controllable switching element during a period to the period of the signal driving the switching element.

Das erste Signal, welches man regelungstechnisch als Führungsgröße des einen Zweipunktregler bildenden Komparators ansehen kann, ist eine lineare Abbildung der schwankenden Eingangspannung des Abwärtswandlers. Diese lineare Abbildung der Eingangsspannung des Abwärtswandlers wird so gewählt, dass bei Erreichen des ersten Signals durch das Integral des Stroms durch den steuerbaren Schalter der Tastgrad erreicht wird, der den gewünschten Strom durch die an den Abwärtswandler angeschlossene Last, zum Beispiel einer LED-Leuchte, nach sich zieht. Bei einer sinkenden Eingangspannung muss daher die durch dass Mittel zum Wandeln realisierte lineare Abbildung zu einem größer werdenden Tastgrad führen. Dieses wird dadurch erreicht, dass die durch das Mittel zum Wandeln realisierte lineare Abbildung bei sinkender Eingangspannung für ein ansteigendes erstes Signal sorgt und umgekehrt. The first signal, which can be regarded as a control variable of the control device forming a two-position controller, is a linear representation of the fluctuating input voltage of the buck converter. This linear mapping of the down-converter's input voltage is chosen so that, when the first signal is reached, the integral of the current through the controllable switch achieves the duty cycle that produces the desired current through the load connected to the down-converter, for example an LED lamp. pulls. With a decreasing input voltage, therefore, the linear mapping realized by the means for converting must lead to an increasing duty cycle. This is achieved in that the linear mapping realized by the means for converting provides for a rising first signal as the input voltage decreases, and vice versa.

Das Mittel zum Wandeln kann die Eingangsspannung annähernd gemäß einer folgenden Gleichung in das erste Signal wandeln: Vref(UE) = a·UE + b, mit a < 0 und b > 0 und Vref als erstem Signal und UE als Eingangsspannung des Abwärtswandlers und a und b als Koeffizienten, die sich bei der Bemessung der Bauelemente der Schaltungsanordnung ergeben. The means for converting may convert the input voltage into the first signal approximately according to a following equation: Vref (U E ) = a * UE + b, with a <0 and b> 0 and Vref as the first signal and U E as the input voltage of the buck converter and a and b as coefficients that result in the design of the components of the circuit arrangement.

Das Mittel zum Ansteuern des steuerbaren Schaltelementes einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann eine Gegentaktendstufe umfassen. Deren Eingang kann zumindest mittelbar mit dem Ausgang des Komparators verbunden sein und deren Ausgang kann zumindest mittelbar mit dem Steuereingang des steuerbaren Schaltelementes verbunden sein. The means for driving the controllable switching element of a circuit arrangement according to the invention may comprise a push-pull output stage. Their input can be connected at least indirectly to the output of the comparator and the output can be connected at least indirectly to the control input of the controllable switching element.

Der Ausgang des Komparator kann ein Open-Kollektor-Ausgang sein. Dieser kann über einen Pull-Up-Widerstand mit dem positiven Anschluss der Eingangspannung und über eine Zenerdiode mit Massepotential verbunden sein. Eine Lösung mit einem Pull-Down-Widerstand ist ebenso möglich. Auch ein Komparator mit einem Open-Emitter-Ausgang kann verwendet werden. The output of the comparator may be an open collector output. This can be connected via a pull-up resistor to the positive terminal of the Input voltage and be connected via a zener diode to ground potential. A solution with a pull-down resistor is also possible. A comparator with an open emitter output can also be used.

Die Schaltungsanordnung kann ein Mittel zur Erzeugung eines zweiten Signals aufweisen. Ein Ausgang dieses Mittels kann mit dem zweiten Eingang des Komparators verbunden sein. Das Mittel zur Erzeugung des zweiten Signals kann eine Konstantspannungsquelle umfassen. Ferner kann das Mittel zur Erzeugung des zweiten Signals einen Spannungsteiler aus Widerständen aufweisen, mittels dem das Potential des zweiten Signals festlegt sein kann. The circuitry may include means for generating a second signal. An output of this means may be connected to the second input of the comparator. The means for generating the second signal may comprise a constant voltage source. Furthermore, the means for generating the second signal may comprise a voltage divider comprising resistors, by means of which the potential of the second signal may be fixed.

Das Mittel zum Wandeln einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann eine aus diskreten Bauelementen aufgebaute Schaltung, eine integrierte Schaltung oder ein Microcontroller sein. Ein Fachmann kann das geeignete Mittel zum Wandeln unter Kostengesichtspunkten wählen. The means for converting a circuit arrangement according to the invention may be a circuit made up of discrete components, an integrated circuit or a microcontroller. One skilled in the art can choose the appropriate means of conversion from a cost point of view.

Eine das Mittel zum Wandeln bildende Schaltung kann einen ersten und einen zweiten Transistor aufweisen. Die Emitter eines oder beider Transistoren können über Widerstände mit dem positiven Anschluss der Konstantspannungsquelle verbunden sein. A circuit forming the conversion means may comprise a first and a second transistor. The emitters of one or both transistors may be connected via resistors to the positive terminal of the constant voltage source.

Der Kollektor des ersten Transistors kann über einen Widerstand mit dem Massepotential, mit dem zweiten Eingang des Komparators und/oder über einen Widerstand mit dem positiven Anschluss der Konstantspannungsquelle verbunden sein. The collector of the first transistor may be connected via a resistor to the ground potential, to the second input of the comparator and / or via a resistor to the positive terminal of the constant voltage source.

Der Kollektor des zweiten Transistors kann mit der Basis des ersten Transistors und/oder der Basis des zweiten Transistors, über eine Parallelschaltung aus einer Zenerdiode und einem Widerstand mit dem Massepotential und/oder über einen Widerstand mit dem positiven Potential der Eingangspannung verbunden sein. The collector of the second transistor may be connected to the base of the first transistor and / or the base of the second transistor, via a parallel circuit of a Zener diode and a resistor to the ground potential and / or via a resistor to the positive potential of the input voltage.

Der Integrator einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann durch eine Tiefpassschaltung gebildet sein. The integrator of a circuit arrangement according to the invention can be formed by a low-pass circuit.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einstellen des mittleren Laststroms einer Last eines Abwärtswandlers, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann ein Integral einer durch einen Strom durch ein steuerbares Schaltelement des Abwärtswandlers an einem Strom-Spannungswandler hervorgerufenen Spannung mit einem Zweipunktregler geregelt werden. Dabei kann eine Führungsgröße des Zweipunktreglers in Abhängigkeit von einer Eingangspannung des Abwärtswandlers erzeugt werden. In an inventive method for adjusting the average load current of a load of a buck converter, in particular with a circuit arrangement according to the invention, an integral of a voltage caused by a current through a controllable switching element of the buck converter to a current-voltage converter voltage can be controlled with a two-position controller. In this case, a reference variable of the two-point controller can be generated as a function of an input voltage of the buck converter.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt: Reference to the accompanying drawings, the invention is explained in more detail below. Showing:

1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Abwärtswandler, 1 a circuit diagram of a circuit arrangement according to the invention with a buck converter,

2 Strom- und Spannungsverläufe bei einer Eingangsspannung von 14 V und 2 Current and voltage curves at an input voltage of 14 V and

3 Strom- und Spannungsverläufe bei einer Eingangsspannung von 9 V. 3 Current and voltage curves at an input voltage of 9 V.

Die in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, um Fahrzeugleuchten, wie Nebelscheinwerfer, Markierungsleuchte u. a. die Leuchtdioden aufweisen, mit elektrischer Energie zu versorgen. The circuit arrangement according to the invention shown in the figures can be used in a motor vehicle to vehicle lights, such as fog lights, marker light u. a. the light-emitting diodes have to provide with electrical energy.

Die Schaltung weist einen Abwärtswandler auf, der an einer Quelle V1 für eine Eingangsspannung angeschlossen ist, zum Beispiele eine Lichtmaschine und/oder einer Starterbatterie. Ein positives Potential der Eingangsspannung wird mit VIN bezeichnet und ist an verschiednen Punkten der Schaltung abgreifbar. The circuit has a buck converter connected to a source V1 for an input voltage, for example an alternator and / or a starter battery. A positive potential of the input voltage is designated VIN and can be tapped at various points of the circuit.

Der Abwärtswandler weist einen Eingangskondensator C1 auf, der parallel zu Quelle V1 für die Eingangsspannung geschaltet ist. Ferner weist der Abwärtswandler einen eine Drossel L auf, die einerseits mit dem positiven Potential VIN der Eingangsspannung und einer Kathode einer Diode D1 verbunden ist und andererseits mit einer Parallelschaltung aus einer Leuchtdiode als Last LED und einem Ausgangskondensator C2 verbunden ist. Die Anode der Last LED ist mit der Drossel L und die Kathode der Last LED ist mit der Anode der Diode D1 verbunden. The buck converter has an input capacitor C1 connected in parallel with the input voltage source V1. Furthermore, the down converter has a choke L, which is connected on the one hand to the positive potential VIN of the input voltage and a cathode of a diode D1 and on the other hand to a parallel connection of a light emitting diode as a load LED and an output capacitor C2 is connected. The anode of the load LED is connected to the inductor L and the cathode of the load LED is connected to the anode of the diode D1.

Der Abwärtswandler weist ferner ein steuerbares Schaltelement T auf, welches durch eine Transistor gebildet sei kann, wie es in der 1 dargestellt ist. Der Drainanschluss des normalsperrenden N-Kanal MOS-Feldeffekttransistors T ist mit dem Knoten zwischen der Diode D1 und der Last LED verbunden. Der Sourceanschluss ist über einen Widerstand R7 mit Masse verbunden. The down converter further comprises a controllable switching element T, which may be formed by a transistor, as shown in the 1 is shown. The drain terminal of the normally-off N-channel MOS field-effect transistor T is connected to the node between the diode D1 and the load LED. The source terminal is connected to ground via a resistor R7.

Im durchgeschalteten Zustand des Transistors T fließt ein Strom über die Drossel L, die Last LED, den Ausgangskondensator C2, den Transistor T und den Widerstand R7 nach Masse, der einen Lichtstrom aus der Last LED erzeugt und die Drossel L auflädt. Im abgeschalteten Zustand des Transistors T arbeitet die Drossel als Quelle und wird über die Last LED, den Ausgangkondensator und die Diode D1 entladen. In the on state of the transistor T, a current flows through the inductor L, the load LED, the output capacitor C2, the transistor T and the resistor R7 to ground, which generates a luminous flux from the load LED and the inductor L charges. In the off state of the transistor T, the reactor operates as a source and is discharged via the load LED, the output capacitor and the diode D1.

Sowohl im durchgeschalteten Zustand als auch im abgeschalteten Zustand des Transistors T fließt ein Strom durch die Last LED, dessen Mittewert vom Tastgrad des Abwärtswandlers abhängt. Both in the switched state and in the off state of the transistor T, a current flows through the load LED, whose center value depends on the duty cycle of the buck converter.

Der Transistor T wird von einem Mittel zum Ansteuern angesteuert. Der Gateanschluss des Transistors T ist dazu mit dem Mittel zum Ansteuern verbunden. The transistor T is driven by a means for driving. The gate terminal of the transistor T is connected to the means for driving.

Die Mittel zum Ansteuern umfassen eine Gegentaktendstufe, deren Ausgang mit dem Gateanschluss des Transistors verbunden ist und deren Eingang mit einem Ausgang eines Komparators K verbunden ist, der ebenfalls von dem Mittel zum Ansteuern umfasst ist. The means for driving comprise a push-pull output stage whose output is connected to the gate terminal of the transistor and whose input is connected to an output of a comparator K, which is also included in the means for driving.

Die Gegentaktendstufe wird durch einen npn-Transistor Q1 und einen pnp-Transistor Q2 gebildet. Ein Kollektor des npn-Transistors Q1 ist mit dem positiven Potential der Eingangspannung verbunden. Die Emitter der beiden Transistoren Q1, Q2 sind miteinander und mit einem Widerstand R1 verbunden, der ebenfalls Teil der Gegentaktendstufe ist und mit dem Ausgang der Gegentaktendstufe verbunden ist. Der Kollektor des pnp-Transistors Q2 ist mit Masse verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren Q1, Q2 sind mit dem Ausgang des Komparators K verbunden. The push-pull output stage is formed by an npn transistor Q1 and a pnp transistor Q2. A collector of the npn transistor Q1 is connected to the positive potential of the input voltage. The emitters of the two transistors Q1, Q2 are connected to each other and to a resistor R1, which is also part of the push-pull output stage and is connected to the output of the push-pull output stage. The collector of the PNP transistor Q2 is connected to ground. The base electrodes of the transistors Q1, Q2 are connected to the output of the comparator K.

Der Ausgang des Komparators K ist ein Open-Kollektor-Ausgang. Daher ist der Ausgang des Komparators K einerseits über einen Pull-Up-Widerstand mit dem positiven Potential VIN der Eingangspannung V1 verbunden. Andererseits ist der Ausgang über eine Zenerdiode in Sperrschaltung mit dem Massepotential verbunden. Der Komparator K wird von der Eingangspannung V1 für den Betrieb mit elektrischer Energie versorgt. Der Ausgang des Komparators K ist über einen Widerstand R3 zurückgeführt. The output of the comparator K is an open-collector output. Therefore, the output of the comparator K is connected on the one hand via a pull-up resistor to the positive potential VIN of the input voltage V1. On the other hand, the output is connected via a Zener diode in blocking circuit to the ground potential. The comparator K is powered by the input voltage V1 for operation with electrical energy. The output of the comparator K is fed back via a resistor R3.

Ein invertierender Eingang des Komparators K, auch als erster Eingang bezeichnet, ist über einen Integrator mit einem Konten zwischen dem Transistor T und dem Widerstand R7 verbunden. Der Widerstand R7 ist ein Strom-Spannungs-Wandler, der Strom durch den Transistor T in eine Spannung wandelt. Diese Spannung wird durch den Integrator integriert. Der Integrator ist dazu als Tiefpass mit einem Widerstand R6 und einem Kondensator C3 aufgebaut. Der Widerstand R6 verbindet den Knoten zwischen dem Transistor T und dem Widerstand R7 mit dem invetierenden Eingang des Komparators K und dem Kondensator C3 den invertierenden Eingang mit dem Massepotential. An inverting input of the comparator K, also referred to as a first input, is connected via an integrator to an account between the transistor T and the resistor R7. Resistor R7 is a current-to-voltage converter that converts current through transistor T into a voltage. This voltage is integrated by the integrator. The integrator is designed as a low pass with a resistor R6 and a capacitor C3. The resistor R6 connects the node between the transistor T and the resistor R7 with the invetierenden input of the comparator K and the capacitor C3, the inverting input to the ground potential.

Die Integration der dem Strom durch den Transistor T entsprechenden Spannung steht für einen Mittelwert des Stroms durch den Transistor T. Dieser Mittelwert ist eine Regelgröße eines Regelkreises, dessen Regler der Komparator K ist. Der Komparator K arbeitet als Zweipunktregler und vergleicht die Regelgröße mit einer Führungsgröße, die innerhalb der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in linearer Abhängigkeit von der Eingangsspannung erzeugt wird. The integration of the voltage corresponding to the current through the transistor T represents an average value of the current through the transistor T. This mean value is a controlled variable of a control loop whose regulator is the comparator K. The comparator K operates as a two-point controller and compares the controlled variable with a reference variable which is generated within the circuit arrangement according to the invention in linear dependence on the input voltage.

Für die Erzeugung der Führungsgröße wirken zwei Mittel zusammen, nämlich ein Mittel zum Wandeln einer Eingangsspannung des Abwärtswandlers in ein davon linear abhängiges erstes Signal Vref und ein Mittel zum Erzeugen eines zweiten Signals, wobei das erste und das zweiten Signal am nichtinvertierenden Eingang, dem zweiten Eingang des Komparators überlagert werden. For the generation of the reference variable two means cooperate, namely a means for converting an input voltage of the down converter into a linearly dependent first signal V ref and a means for generating a second signal, wherein the first and the second signal at the noninverting input, the second Input of the comparator are superimposed.

Erfindungsgemäß ist es aber ebenso möglich, dass am zweiten Eingang des Komparators K nur das erste Signal Vref anliegt. However, according to the invention it is also possible that only the first signal V ref is present at the second input of the comparator K.

Die Mittel zum Erzeugen des zweiten Signals weisen eine Konstantspannungsquelle V2 auf, deren positiver Anschluss über einen Spannungsteiler R4, R5 mit dem Masseanschluss verbunden ist. Am Punkt zwischen den Widerständen R4, R5 des Spannungsteilers liegt das zweite Signal an. Dieser Punkt ist mit dem zweiten Eingang des Komparators K verbunden. The means for generating the second signal have a constant voltage source V2 whose positive terminal is connected to the ground terminal via a voltage divider R4, R5. At the point between the resistors R4, R5 of the voltage divider, the second signal is present. This point is connected to the second input of the comparator K.

Das Mittel zum Wandeln wandelt die Eingangsspannung annähernd gemäß einer folgenden Gleichung in das erste Signal: Vref(UE) =a·UE + b, mit als reelle Zahlen für die a < 0 und b > 0 gilt. The means for converting converts the input voltage approximately according to a following equation into the first signal: V ref (U E ) = a * U E + b, where real numbers for a <0 and b> 0 hold.

Bei der in der 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist das Mittel zum Wandeln der Eingangspannung des Abwärtswandlers in das erste Signal Vref aus diskreten Bauelementen aufgebaut. Eine Realisierung durch eine integrierte Schaltung oder einen Microcontroller ist aber möglich. When in the 1 1, the means for converting the input voltage of the buck converter into the first signal V ref is constructed from discrete components. A realization by an integrated circuit or a microcontroller is possible.

Die Mittel zum Wandeln bildende Schaltung weist einen ersten Transistor Q3 und einen zweiten Transistor Q4 auf, deren Emitter über Widerstände R9, R10 mit dem positiven Potential der Konstantspannungsquelle V2 verbunden sind. Der Kollektor des ersten Transistors Q3 ist über einen Widerstand R13 mit dem Massepotential, mit dem zweiten Eingang des Komparators K und über einen Widerstand R8 mit dem positiven Anschluss der Konstantspannungsquelle V2 verbunden. Der Kollektor des zweiten Transistors Q4 ist mit der Basis des ersten Transistors Q3 und der Basis des zweiten Transistors Q4, über eine Parallelschaltung aus einer Zenerdiode D3 und einem Widerstand R12 mit dem Massepotential und über einen Widerstand R11 mit dem positiven Potential VIN der Eingangspannung verbunden. The means for converting forming circuit has a first transistor Q3 and a second transistor Q4, whose emitters are connected via resistors R9, R10 to the positive potential of the constant voltage source V2. The collector of the first transistor Q3 is connected via a resistor R13 to the ground potential, to the second input of the comparator K and via a resistor R8 to the positive terminal of the constant voltage source V2. The collector of the second transistor Q4 is connected to the base of the first transistor Q3 and the base of the second transistor Q4, via a parallel circuit of a Zener diode D3 and a resistor R12 to the ground potential and via a resistor R11 to the positive potential VIN of the input voltage.

Dieses Mittel erzeugt das erste Signal aus der Eingangspannung. Die Übertragungsfunktion des Mittels ist eine fallende Gerade. Erhöht sich die Eingangspannung wird das erste Signal kleiner und umgekehrt. This means generates the first signal from the input voltage. The transfer function of the means is a falling line. As the input voltage increases, the first signal becomes smaller and vice versa.

Trotz der Überlagerung mit dem zweiten Signal bildet das erste Signal Vref auch bei der dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die die Führungsgröße am zweiten Eingang des Komparators K bestimmende Größe. Despite the superposition with the second signal, the first signal V ref forms the variable determining the reference variable at the second input of the comparator K, even in the illustrated circuit arrangement according to the invention.

Die Erhöhung bzw. Absenkung des ersten Signals Vref und in Folge dessen auch der Führungsgröße am zweiten Eingang des Komparators K hat eine Erhöhung bzw. Absenkung des Tastgrades des Abwärtswandlers zur Folge, wie sich anhand der 2 und 3 erklären lässt. The increase or decrease of the first signal V ref and, consequently, the reference variable at the second input of the comparator K results in an increase or decrease in the duty cycle of the down converter, as is apparent from the 2 and 3 explain.

Die 2 und 3 zeigen Strom- und Zeitverläufe, die sich bei einer Simulation der Schaltungsanordnung aus 1 ergeben haben. The 2 and 3 show current and time courses, resulting in a simulation of the circuit arrangement 1 have resulted.

In dem oberen Diagramm der 2 und 3 ist mit durchgezogener Linie die Spannung am Gate des Transistors T dargestellt. Punktiert ist die Spannung am ersten Eingang des Komparators K dargestellt, also die Ausgangsspannung des Integrators. Strichpunktiert ist die Spannung am zweiten Eingang des Komparator K dargestellt. In the upper diagram of the 2 and 3 is shown by a solid line, the voltage at the gate of the transistor T. Dotted the voltage at the first input of the comparator K is shown, so the output voltage of the integrator. Dash-dotted the voltage at the second input of the comparator K is shown.

Der Transistor T ist durch geschaltet, wenn die Gatespannung hoch ist. Das ist immer dann der Fall, wenn die Spannung am ersten Eingang kleiner ist als die Spannung am zweiten Eingang des Komparators, also die Regelgröße kleiner ist als die Führungsgröße. The transistor T is turned on when the gate voltage is high. This is always the case when the voltage at the first input is less than the voltage at the second input of the comparator, so the controlled variable is smaller than the reference variable.

In den oberen Diagrammen wird man beobachten, dass die steigenden Flanke der Gatespannung bzw. die fallenden Flanke der Gatespannung des Transistors T und die Schnittpunkte der Eingangsignale des Komparators K nicht zeitlich zusammenfallen, was aber zu erwarten wäre. Das liegt daran, das die Flanken der Gatespannung aufgrund von Signallaufzeiten im Komparator K oder zwischen dem Ausgang des Komparators K und dem Gate des Transistors T verzögert auftreten. In the upper diagrams, it will be observed that the rising edge of the gate voltage or the falling edge of the gate voltage of the transistor T and the intersections of the input signals of the comparator K do not coincide in time, which would be expected. This is because the edges of the gate voltage due to signal propagation delays in the comparator K or between the output of the comparator K and the gate of the transistor T occur delayed.

In den unteren Diagrammen der 2 und 3 ist mit durchgezogener Linie der Strom durch den Widerstand R7 dargestellt. Punktiert ist der Strom durch die Last LED und strichpunktiert der Strom durch die Drossel L dargestellt. In the lower diagrams of the 2 and 3 is shown by a solid line, the current through the resistor R7. Dotted is the current through the load LED and dash-dotted the current through the inductor L shown.

Durch einen Vergleich der 2 und 3 und insbesondere der Verläufe der Gatespannungen des Transistors T lässt sich schnell feststellen, dass bei einer höheren Eingangspannung UE (UE = 14V, 2) ein kleinerer Tastgrad eingestellt wird als bei einer geringeren Eingangspannung (UE = 9V, 3). Dadurch wird ein Laststrom erreicht, der innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes liegt, was für eine Vielzahl von Anwendungen auch in einem Kraftfahrzeug ausreichend ist. By comparing the 2 and 3 and, in particular, the characteristics of the gate voltages of the transistor T, it can be quickly established that at a higher input voltage U E (U E = 14V, 2 ) a smaller duty cycle is set than at a lower input voltage (U E = 9V, 3 ). As a result, a load current is reached which is within a predetermined tolerance band, which is sufficient for a variety of applications in a motor vehicle.

Die Erfindung ist mit einem Abwärtswandler dargestellt, dessen steuerbares Schaltelement, der Transistor T, zwischen dem negativen Anschluss des Ausgangs für die Last LED und dem Massepotential geschaltet ist. Die Erfindung kann aber ebenso gut auf andere Topologien von Abwärtswandlern übertragen werden, zum Beispiel Topologien, bei denen das steuerbare Schaltelement in der Verbindung zwischen der Drossel und dem positiven Anschluss des Eingang liegt. The invention is illustrated with a buck converter whose controllable switching element, the transistor T, is connected between the negative terminal of the output for the load LED and the ground potential. However, the invention may equally well be applied to other topologies of buck converters, for example, topologies in which the controllable switching element lies in the connection between the inductor and the positive terminal of the input.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

  • V1V1
    Eingangspannungsquelle Input voltage source
    VINVIN
    positives Potential der Eingangspannung positive potential of the input voltage
    LL
    Drossel des Abwärtswandlers Throttle of the buck converter
    D1D1
    Diode des Abwärtswandlers Diode of the buck converter
    C1C1
    Eingangskondensator des Abwärtswandlers Input capacitor of the buck converter
    C2C2
    Ausgangskondensator des Abwärtswandlers Output capacitor of the buck converter
    TT
    Transistor des Abwärtswandlers Transistor of the buck converter
    LEDLED
    Last load
    R7R7
    Widerstand, Strom-Spannungs-Wandler Resistor, current-to-voltage converter
    R6R6
    Widerstand des Integrators Resistance of the integrator
    C3C3
    Kondensator des Integrators Capacitor of the integrator
    R8R8
    Widerstand des Mittels zur Wandlung der Eingangspannung Resistance of the means for converting the input voltage
    R9R9
    Widerstand des Mittels zur Wandlung der Eingangspannung Resistance of the means for converting the input voltage
    R10R10
    Widerstand des Mittels zur Wandlung der Eingangspannung Resistance of the means for converting the input voltage
    R11R11
    Widerstand des Mittels zur Wandlung der Eingangspannung Resistance of the means for converting the input voltage
    R12R12
    Widerstand des Mittels zur Wandlung der Eingangspannung Resistance of the means for converting the input voltage
    R13R13
    Widerstand des Mittels zur Wandlung der Eingangspannung Resistance of the means for converting the input voltage
    Q3Q3
    erster Transistor des Mittels zur Wandlung der Eingangspannung first transistor of the means for converting the input voltage
    Q4Q4
    zweiter Transistor des Mittels zur Wandlung der Eingangspannung second transistor of the means for converting the input voltage
    D3D3
    Zenerdiode des Mittels zur Wandlung der Eingangspannung Zener diode of the means for converting the input voltage
    V2V2
    Konstantspannungsquelle Constant voltage source
    R4R4
    Widerstand resistance
    R5R5
    Widerstand resistance
    KK
    Komparator comparator
    R2R2
    Pull-Up-Widerstand zum Einstellen der Ausgangspannung des Komparators Pull-up resistor for adjusting the output voltage of the comparator
    D2D2
    Zenerdiode zur Absicherung des Ausgangs des Komparators Zener diode to protect the output of the comparator
    Q1Q1
    npn-Transistor der Gegentaktendstufe npn transistor of the push-pull output stage
    Q2Q2
    pnp-Transistor der Gegenstaktendstufe pnp transistor of the Gegenstaktendstufe
    R1R1
    Widerstand der Gegentaktendstufe Resistance of push-pull output stage

Claims (10)

Schaltungsanordnung mit einem Abwärtswandler (C1, L, D1, C2, T), umfassend eine Spule (L) und ein steuerbares Schaltelement (T), und mit einem Mittel zum Ansteuern des steuerbaren Schaltelementes (T), umfassend einen Komparator (K), dessen Ausgang mit einem Steuereingang des steuerbaren Schaltelementes (T) zumindest mittelbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, – dass ein erster Eingang des Komparators (K) mit einem Ausgang eines Integrators (R6, C3) verbunden ist, dessen Eingang mit einem Strom-Spannungs-Wandler (R7), insbesondere einem Widerstand, in Reihe zum steuerbaren Schaltelement (T) verbunden ist, und/oder – dass ein zweiter Eingang des Komparators (K) mit einem Ausgang eines Mittels zum Wandeln einer Eingangsspannung des Abwärtswandlers in ein davon linear abhängiges erstes Signal (Vref) verbunden ist. Circuit arrangement comprising a down-converter (C1, L, D1, C2, T) comprising a coil (L) and a controllable switching element (T), and having means for driving the controllable switching element (T), comprising a comparator (K), whose output is at least indirectly connected to a control input of the controllable switching element (T), characterized in that - a first input of the comparator (K) is connected to an output of an integrator (R6, C3) whose input is connected to a current-voltage Transducer (R7), in particular a resistor, connected in series to the controllable switching element (T), and / or - that a second input of the comparator (K) with an output of a means for converting an input voltage of the down converter into a linearly dependent first Signal (V ref ) is connected. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Ansteuern des steuerbaren Schaltelementes (T) eine Gegentaktendstufe (Q1, Q2, R1) umfassen, deren Eingang zumindest mittelbar mit dem Ausgang des Komparators (K) verbunden ist und deren Ausgang zumindest mittelbar mit dem Steuereingang des steuerbaren Schaltelementes (T) verbunden ist. Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the means for driving the controllable switching element (T) comprise a push-pull output stage (Q1, Q2, R1) whose input is connected at least indirectly to the output of the comparator (K) and whose output is connected at least indirectly the control input of the controllable switching element (T) is connected. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Komparator (K) ein Open-Kollektor-Ausgang ist, der über einen Pull-Up-Widerstand (R2) mit dem positiven Potential (VIN) der Eingangspannung und über eine Zenerdiode (D2) mit Massepotential verbunden ist. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the output of the comparator (K) is an open-collector output, via a pull-up resistor (R2) with the positive potential (VIN) of the input voltage and a zener diode (D2) is connected to ground potential. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung ein Mittel (R4, R5, V2) zur Erzeugung eines zweiten Signals aufweist, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Komparators (K) verbunden ist. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the circuit arrangement comprises means (R4, R5, V2) for generating a second signal whose output is connected to the second input of the comparator (K). Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung des zweiten Signals eine Konstantspannungsquelle (V2) umfasst. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the means for generating the second signal comprises a constant voltage source (V2). Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Wandeln die Eingangsspannung annähernd gemäß einer folgenden Gleichung in das erste Signal wandelt: Vref(UE) =a·UE + b, mit a < 0 und b > 0 und UE als Eingangsspannung. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the means for converting the input voltage converts approximately in accordance with a following equation in the first signal: V ref (U E ) = a · U E + b, with a <0 and b > 0 and U E as input voltage. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Wandeln eine aus diskreten Bauelementen aufgebaute Schaltung, eine integrierte Schaltung oder ein Microcontroller ist. Circuit arrangement according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the means for converting is a circuit made up of discrete components, an integrated circuit or a microcontroller. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die das Mittel zum Wandeln bildende Schaltung einen ersten und einen zweiten Transistor (Q3, Q4) aufweist, deren Emitter über Widerstände (R9, R10) mit dem positiven Potential der Konstantspannungsquelle (V2) verbunden sind, wobei der Kollektor des ersten Transistors (Q3) – über einen Widerstand (R13) mit dem Massepotential, – mit dem zweiten Eingang des Komparators (K) und – über einen Widerstand (R8) mit dem positiven Potential der Konstantspannungsquelle (V2) verbunden ist, wobei der Kollektor des zweiten Transistors (Q4) – mit der Basis des ersten Transistors (Q3) und der Basis des zweiten Transistors (Q4), – über eine Parallelschaltung aus einer Zenerdiode (D3) und einem Widerstand (R12) mit dem Massepotential und – über einen Widerstand (R11) mit dem positiven Potential (VIN) der Eingangspannung verbunden ist. Circuit arrangement according to Claims 5 and 7, characterized in that the circuit constituting the means for converting comprises a first and a second transistor (Q3, Q4) whose emitters are connected to the positive potential of the constant voltage source (V2) via resistors (R9, R10). the collector of the first transistor (Q3) being connected to the ground potential via a resistor (R13), to the second input of the comparator (K) and to the positive potential of the constant voltage source (V2) via a resistor (R8). is connected, wherein the collector of the second transistor (Q4) - with the base of the first transistor (Q3) and the base of the second transistor (Q4), - via a parallel circuit of a Zener diode (D3) and a resistor (R12) with the Ground potential and - via a resistor (R11) to the positive potential (VIN) of the input voltage is connected. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (R6, R7) durch eine Tiefpassschaltung gebildet ist. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the integrator (R6, R7) is formed by a low-pass circuit. Verfahren zum Einstellen des mittleren Laststroms einer Last eines Abwärtswandlers (C1, L, D1, C2, T), insbesondere mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Integral einer durch einen Strom durch ein steuerbares Schaltelement (T) des Abwärtswandlers (C1, L, D1, C2, T) an einem Strom-Spannungswandler (R7) hervorgerufenen Spannung mit einem Zweipunktregler (K) geregelt wird, wobei eine Führungsgröße des Zweipunktreglers (K) in Abhängigkeit von einer Eingangspannung des Abwärtswandlers (C1, L, D1, C2, T) erzeugt wird. Method for adjusting the average load current of a load of a buck converter (C1, L, D1, C2, T), in particular with a circuit arrangement according to one of Claims 1 to 9, characterized in that an integral of a current through a controllable switching element (T ) of the down converter (C1, L, D1, C2, T) at a current-voltage converter (R7) voltage is controlled with a two-position controller (K), wherein a reference variable of the two-level controller (K) in response to an input voltage of the down converter (C1 , L, D1, C2, T) is generated.
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