DE102012111317B4 - Circuit arrangement with a step-down converter - Google Patents

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Abstract

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) 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, wobei das Mittel zum Wandeln die Eingangsspannung annähernd gemäß einer folgenden Gleichung in das erste Signal (Vref) wandelt:Vref(UE)=a * UE+ b,mit a<0 und b>0 und UEals Eingangsspannung.Circuit arrangement with a step-down converter (C1, L, D1, C2, T), comprising a coil (L) and a controllable switching element (T), and with a means for controlling the controllable switching element (T), comprising a comparator (K), the output of which 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), the input of which is connected to a current-voltage Converter (R7) is connected in series to the controllable switching element (T), and / or that a second input of the comparator (K) is connected to an output of a means for converting an input voltage of the down converter into a first signal (Vref) which is linearly dependent thereon , wherein the means for converting converts the input voltage into the first signal (Vref) approximately according to the following equation: Vref (UE) = a * UE + b, with a <0 and b> 0 and UE as the input voltage.

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 step-down converter, comprising a coil and a controllable switching element, and with a means for controlling the controllable switching element, comprising a comparator, the output of which is at least indirectly connected 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.Buck converters are known from the prior art. They are often used in vehicle electrical systems for current or voltage adjustment, for example to supply LED lights with a constant operating current that is independent of voltage fluctuations in the electrical system.

Beispielsweise zeigen die Dokumente US 2008 / 0 316 781 A1 , US 2009 / 0 021 182 A1 und US 2008 / 0 224 625 A1 LED-Treiberschaltungen mit Abwärtswandlern, die von einem Komparator gesteuert werden. Die Treiberschaltungen steuern den Betrieb des Spannungswandlers in Abhängigkeit eines Rückkopplungssignals. Das Dokument GB 2 492 833 A offenbart elektronische Treiberschaltung für LEDs oder Laserdioden zur Verwendung in einer Time of Flight (TOF) Lichtquelle. Insbesondere bezieht sich das Dokument eine Aufwärtswandlerschaltung zur Verwendung mit einer Gleichstromversorgung zur Umwandlung von Gleichstrom in eine gepulste Stromwelle zur Ansteuerung einer Last. Das Dokument DE 10 2009 017 139 A1 zeigt eine Schaltung zur Leistungsregelung einer LED mit einem Konverter.For example, the documents show US 2008/0 316 781 A1 , US 2009/021182 A1 and US 2008/0 224 625 A1 LED driver circuits with buck converters controlled by a comparator. The driver circuits control the operation of the voltage converter as a function of a feedback signal. The document GB 2,492,833 A discloses electronic driver circuitry for LEDs or laser diodes for use in a time of flight (TOF) light source. In particular, the document relates to a step-up converter circuit for use with a DC power supply for converting DC current to a pulsed current wave for driving a load. The document DE 10 2009 017 139 A1 shows a circuit for power control of a LED with a converter.

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.Control devices for LED lights in motor vehicles, in particular for headlights, taillights and brake lights, are often required to ensure a power supply in which fluctuations of +/- 5% can occur and that light-emitting diodes are built into the LED lights 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 met with complex integrated circuits, some of which 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 can be lights for a marker light, fog lights or others, for example. 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 on which the invention is based was to propose a circuit arrangement with a step-down converter that is inexpensive, that dispenses with application-specific components and uses simple components that can be supplied in large numbers, if possible from different manufacturers.

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, wobei das Mittel zum Wandeln die Eingangsspannung annähernd gemäß einer folgenden Gleichung in das erste Signal (Vref) wandelt:
  • Vref(UE)=a * UE + b, mit a<0 und b>0 und UE als Eingangsspannung.
According to the invention, this object is achieved by
  • - That a first input of the comparator is connected to an output of an integrator, the input of which 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 into a linearly dependent first signal, the means for converting the input voltage approximately according to the following equation into the first signal (V ref ):
  • V ref (U E ) = a * U E + b, with a <0 and b> 0 and U E as input voltage.

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 knowledge that in a step-down converter, the output voltage Vout is linearly dependent on the input voltage Vin, the linear dependency being expressed in terms of the duty cycle (Dutey cycle D) according to the equation Vout = Vin * D. This means that if the output voltage is to be kept constant, a lower input voltage leads to a higher duty cycle. Incidentally, the duty cycle indicates the ratio of the switch-on duration of the controllable switching element during a period to the period duration 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 in terms of control technology can be regarded as the reference variable of the comparator forming a two-point controller, is a linear mapping of the fluctuating input voltage of the step-down converter. This linear mapping of the input voltage of the step-down converter is chosen so that when the first signal is reached by the integral of the current through the controllable switch, the duty cycle is achieved that allows the desired current to flow through the load connected to the step-down converter, for example an LED light, entails. With a falling input voltage, the linear mapping implemented by the conversion means must therefore lead to an increasing duty cycle. This is achieved in that the linear mapping implemented by the means for converting ensures a rising first signal when the input voltage falls, 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 can convert the input voltage into the first signal approximately according to the following equation: V ref (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 Down converter and a and b as coefficients that result when dimensioning 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 controlling the controllable switching element of a circuit arrangement according to the invention can comprise a push-pull output stage. Its input can be connected at least indirectly to the output of the comparator and its output can be connected at least indirectly to the control input of the controllable switching element.

Der Ausgang des Komparators 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 can be an open collector output. This can be connected to the positive terminal of the input voltage via a pull-up resistor and to ground potential via a Zener diode. 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 circuit arrangement can have a means for generating a second signal. An output of this means can be connected to the second input of the comparator. The means for generating the second signal can comprise a constant voltage source. Furthermore, the means for generating the second signal can have a voltage divider composed of resistors, by means of which the potential of the second signal can be established.

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 can be a circuit composed of discrete components, an integrated circuit or a microcontroller. A person skilled in the art can choose the appropriate means of converting 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 means for converting can have a first and a second transistor. The emitters of one or both transistors can be connected to the positive terminal of the constant voltage source via resistors.

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 can be connected to the ground potential via a resistor, 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 can be connected to the base of the first transistor and / or the base of the second transistor, via a parallel connection 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,wobei für die Erzeugung der Führungsgröße das erste und das zweite Signal an dem zweiten Eingang des Komparators überlagert werden oder am zweiten Eingang des Komparators K nur das erste Signal Vref anliegt.In a method according to the invention for setting the average load current of a load of a step-down 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 step-down converter at a current-voltage converter can be regulated with a two-point regulator. A reference variable of the two-point controller can be generated as a function of an input voltage of the down converter, the first and second signals being superimposed at the second input of the comparator or at the second input of the comparator to generate the reference variable K only the first signal Vref is present.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:

  • 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Abwärtswandler,
  • 2 Strom- und Spannungsverläufe bei einer Eingangsspannung von 14 V und
  • 3 Strom- und Spannungsverläufe bei einer Eingangsspannung von 9 V.
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:
  • 1 a circuit diagram of a circuit arrangement according to the invention with a step-down converter,
  • 2 Current and voltage curves at an input voltage of 14 V and
  • 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 provide vehicle lights, such as fog lights, marker lights, etc. the light-emitting diodes have to be supplied with electrical energy.

Die Schaltung weist einen Abwärtswandler auf, der an einer Quelle V1 für eine Eingangsspannung angeschlossen ist, zum Beispiel 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 is connected for an input voltage, for example an alternator and / or a starter battery. A positive potential of the input voltage becomes with VIN and can be tapped at various points in 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 on that parallel to source V1 is switched for the input voltage. The step-down converter also has a throttle L. on the one hand with the positive potential VIN the input voltage and a cathode of a diode D1 is connected and on the other hand with a parallel connection of a light emitting diode as a load LED and one Output capacitor C2 connected is. The anode of the load LED is with the throttle L. and the cathode of the load LED is with the anode of the diode D1 connected.

Der Abwärtswandler weist ferner ein steuerbares Schaltelement T auf, welches durch einen 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 step-down converter also has a controllable switching element T on, which can be formed by a transistor, as it is in the 1 is shown. The drain connection of the normally blocking N-channel MOS field effect transistor T is to the node between the diode D1 and the load LED connected. The source connection is via a resistor R7 connected to ground.

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 switched-through state of the transistor T a current flows through the choke L. , weight LED , the output capacitor C2 , the transistor T and the resistance R7 according to ground, which is a luminous flux from the load LED generated and the throttle L. charges. When the transistor is switched off T the choke works as a source and is across the load LED , the output capacitor and the diode D1 unload.

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 when the transistor is switched on and when it is switched off T a current flows through the load LED whose mean value depends on the duty cycle of the down 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 controlled by a means for controlling. The gate connection of the transistor T is connected to the control means.

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 control means comprise a push-pull output stage, the output of which is connected to the gate connection of the transistor and the input of which is connected to an output of a comparator K is connected, which is also comprised by the means for controlling.

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 made by an npn transistor Q1 and a pnp transistor Q2 educated. 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 with each other and with a resistance R1 connected, 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 with the output of the comparator K connected.

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. Hence the output of the comparator K on the one hand via a pull-up resistor with the positive potential VIN the input voltage V1 connected. On the other hand, the output is connected to the ground potential via a Zener diode in a blocking circuit. The comparator K depends on the input voltage V1 supplied with electrical energy for operation. The output of the comparator K is about a resistance R3 returned.

Ein invertierender Eingang des Komparators K, auch als erster Eingang bezeichnet, ist über einen Integrator mit einem Knoten 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 invertierenden Eingang des Komparators K und dem Kondensator C3 den invertierenden Eingang mit dem Massepotential.An inverting input of the comparator K , also known as the first input, is via an integrator with a node between the transistor T and the resistance R7 connected. The resistance R7 is a current-to-voltage converter, the current through the transistor T transforms into tension. This voltage is integrated by the integrator. For this purpose, the integrator is a low-pass filter with a resistor R6 and a capacitor C3 built up. The resistance R6 connects the node between the transistor T and the resistance R7 to the inverting input of the comparator K and the capacitor C3 the inverting input with 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 Führungsgrö-ße, die innerhalb der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in linearer Abhängigkeit von der Eingangsspannung erzeugt wird.The integration of the current through the transistor T corresponding voltage stands for an average value of the current through the transistor T . This mean value is a controlled variable of a control loop, the controller of which is the comparator K is. The comparator K works as a two-point controller and compares the controlled variable with a reference variable that is generated within the circuit arrangement according to the invention as a linear function of 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 zweite Signal am nichtinvertierenden Eingang, dem zweiten Eingang des Komparators überlagert werden.Two means work together to generate the reference variable, namely a means for converting an input voltage of the down converter into a linearly dependent first signal Vref and a means for generating a second signal, the first and the second signal at the non-inverting 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.According to the invention, however, it is also possible that at the second input of the comparator K only the first signal Vref is present.

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 on whose positive connection via a voltage divider R4 , R5 is connected to the ground connection. At the point between the resistances R4 , R5 of the voltage divider is the second signal. This point is with the second input of the comparator K connected.

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 the following equation into the first signal: V ref (U E ) = a * U E + b, with real numbers for which a <0 and b> 0 applies.

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.In the case of the 1 The circuit arrangement shown is the means for converting the Input voltage of the down converter in the first signal Vref made up of discrete components. However, it can be implemented using an integrated circuit or a microcontroller.

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 circuit forming the means for converting comprises a first transistor Q3 and a second transistor Q4 on whose emitter via resistors R9 , R10 with the positive potential of the constant voltage source V2 are connected. The collector of the first transistor Q3 is about a resistance R13 with the ground potential, with the second input of the comparator K and about a resistor R8 with the positive connection of the constant voltage source V2 connected. The collector of the second transistor Q4 is to the base of the first transistor Q3 and the base of the second transistor Q4 , via a parallel connection of a Zener diode D3 and a resistor R12 with the ground potential and via a resistor R11 with the positive potential VIN connected to 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 mean is a falling straight line. If the input voltage increases, the first signal decreases 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 Vref also forms the reference variable at the second input of the comparator in the illustrated circuit arrangement according to the invention K determining size.

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 in the first signal Vref and consequently also the reference variable at the second input of the comparator K results in an increase or decrease in the duty cycle of the step-down converter, as can be seen from the 2 and 3 can 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 curves that result from a simulation of the circuit arrangement 1 have revealed.

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 with a solid line is the voltage at the gate of the transistor T shown. The voltage at the first input of the comparator is dotted K shown, i.e. the output voltage of the integrator. The voltage at the second input of the comparator is dashed-dotted K shown.

Der Transistor T ist durchgeschaltet, 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 switched through when the gate voltage is high. This is always the case when the voltage at the first input is smaller than the voltage at the second input of the comparator, i.e. the controlled variable is smaller than the reference variable.

In den oberen Diagrammen wird man beobachten, dass die steigende Flanke der Gatespannung bzw. die fallende 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 you will see that the rising edge of the gate voltage and 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 is to be expected. This is because the edges of the gate voltage are due to signal propagation times 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 the current through the resistor with a solid line R7 shown. The current through the load is dotted LED and dash-dotted the current through the choke 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 profiles of the gate voltages of the transistor T it can be quickly established that with a higher input voltage U E (U E = 14V, 2 ) a smaller duty cycle is set than with a lower input voltage (U E = 9V, 3 ). As a result, a load current is achieved that lies within a predetermined tolerance band, which is sufficient for a large number of applications, including 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 Eingangs liegt.The invention is illustrated with a step-down converter, the controllable switching element of which is the transistor T , between the negative terminal of the output for the load LED and the ground potential is connected. However, the invention can just as well be transferred to other topologies of step-down converters, for example topologies in which the controllable switching element is located in the connection between the choke and the positive connection of the input.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

V1V1
EingangspannungsquelleInput voltage source
VINVIN
positives Potential der Eingangspannung positive potential of the input voltage
LL.
Drossel des AbwärtswandlersBuck converter choke
D1D1
Diode des AbwärtswandlersBuck converter diode
C1C1
Eingangskondensator des AbwärtswandlersBuck converter input capacitor
C2C2
Ausgangskondensator des AbwärtswandlersBuck converter output capacitor
TT
Transistor des Abwärtswandlers Buck converter transistor
LEDLED
Last load
R7R7
Widerstand, Strom-Spannungs-Wandler Resistor, current-voltage converter
R6R6
Widerstand des IntegratorsIntegrator resistance
C3C3
Kondensator des Integrators Integrator capacitor
R8R8
Widerstand des Mittels zur Wandlung der EingangspannungResistance of the means for converting the input voltage
R9R9
Widerstand des Mittels zur Wandlung der EingangspannungResistance of the means for converting the input voltage
R10R10
Widerstand des Mittels zur Wandlung der EingangspannungResistance of the means for converting the input voltage
R11R11
Widerstand des Mittels zur Wandlung der EingangspannungResistance of the means for converting the input voltage
R12R12
Widerstand des Mittels zur Wandlung der EingangspannungResistance of the means for converting the input voltage
R13R13
Widerstand des Mittels zur Wandlung der EingangspannungResistance of the means for converting the input voltage
Q3Q3
erster Transistor des Mittels zur Wandlung der Eingangspannungfirst transistor of the means for converting the input voltage
Q4Q4
zweiter Transistor des Mittels zur Wandlung der Eingangspannungsecond 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
KonstantspannungsquelleConstant voltage source
R4R4
Widerstandresistance
R5R5
Widerstandresistance
KK
Komparator Comparator
R2R2
Pull-Up-Widerstand zum Einstellen der Ausgangspannung des KomparatorsPull-up resistor for adjusting the output voltage of the comparator
D2D2
Zenerdiode zur Absicherung des Ausgangs des Komparators Zener diode to protect the comparator output
Q1Q1
npn-Transistor der Gegentaktendstufenpn transistor of the push-pull output stage
Q2Q2
pnp-Transistor der Gegenstaktendstufepnp transistor of the push-pull output stage
R1R1
Widerstand der GegentaktendstufeResistance of the push-pull output stage

Claims (9)

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) 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, wobei das Mittel zum Wandeln die Eingangsspannung annähernd gemäß einer folgenden Gleichung in das erste Signal (Vref) wandelt: Vref(UE)=a * UE + b, mit a<0 und b>0 und UE als Eingangsspannung.Circuit arrangement with a step-down converter (C1, L, D1, C2, T), comprising a coil (L) and a controllable switching element (T), and with a means for controlling the controllable switching element (T), comprising a comparator (K), the output of which 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), the input of which is connected to a current-voltage Converter (R7) is connected in series to the controllable switching element (T), and / or that a second input of the comparator (K) is connected to an output of a means for converting an input voltage of the down converter into a first signal (V ref ) which is linearly dependent thereon wherein the means for converting converts the input voltage into the first signal (V ref ) approximately according to the following equation: V ref (UE) = a * U E + b, with a <0 and b> 0 and U E as the input voltage . 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 controlling the controllable switching element (T) comprise a push-pull output stage (Q1, Q2, R1) whose input is at least indirectly connected to the output of the comparator (K) and whose output is at least indirectly connected to the control input of the controllable Switching element (T) is connected. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Komparators (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 which is connected to the positive potential (VIN) of the input voltage via a pull-up resistor (R2) and to ground potential via a Zener diode (D2) is. 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 the Claims 1 until 3 , characterized in that the circuit arrangement has a means (R4, R5, V2) for generating a second signal, the output of which 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 eine aus diskreten Bauelementen aufgebaute Schaltung, eine integrierte Schaltung oder ein Microcontroller ist.Circuit arrangement according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the means for converting is a circuit composed of discrete components, an integrated circuit or a microcontroller. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, 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 the Claims 1 until 6th , characterized in that the circuit forming the means for converting comprises a first and a second transistor (Q3, Q4), the emitters of which are connected to the positive potential of the constant voltage source (V2) via resistors (R9, R10), the collector of the first transistor (Q3) - via a resistor (R13) to the ground potential, - to the second input of the comparator (K) and - via a resistor (R8) to the positive potential of the constant voltage source (V2), 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 connection of a Zener diode (D3) and a resistor (R12) with the ground potential and - via a resistor ( R11) with the positive potential (VIN) of the input voltage connected is. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (R6, R7) durch eine Tiefpassschaltung gebildet ist.Circuit arrangement according to one of the Claims 1 until 7th , 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), mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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, wobei für die Erzeugung der Führungsgröße das erste und das zweite Signal an dem zweiten Eingang des Komparators überlagert werden oder am zweiten Eingang des Komparators K nur das erste Signal Vref anliegt.Method for setting the average load current of a load of a step-down converter (C1, L, D1, C2, T), with a circuit arrangement according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that an integral of a voltage caused by a current through a controllable switching element (T) of the down converter (C1, L, D1, C2, T) at a current-voltage converter (R7) is regulated with a two-point regulator (K), wherein a reference variable of the two-point controller (K) is generated as a function of an input voltage of the down converter (C1, L, D1, C2, T), wherein the first and the second signal at the second input of the comparator are superimposed for the generation of the reference variable or at the second input of the comparator K only the first signal Vref is present.
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