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In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach steigender Energieeffizienz für alle Produkte stark gestiegen. Besonders für Netzteile ist der Wirkungsgrad ein Verkaufsargument geworden. Der Wirkungsgrad ist von zahlreichen Parametern abhängig, unter anderem von der Auslastung des Netzteils.
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Insbesondere werden Netzteile für Computersysteme über große Zeiträume im sogenannten Schwachlastbereich betrieben. Somit kommt dem Wirkungsgradverlauf eines Netzteils im Schwachlastbereich eine besondere Bedeutung zu. Dieser Leistungsbereich wird beispielsweise in einem Energiesparzustand (Stand-by) oder einem sonstigen Betriebszustand mit verminderter Leistungsaufnahme eines an das Netzteil angeschlossenen Computersystems beansprucht.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei Schwachlast kommen zahlreiche Methoden zum Einsatz. Zum Beispiel werden bessere Bauteile eingesetzt oder das Netzteil wird im unteren Lastbereich im sogenannten Burst-Mode betrieben.
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In einem klassischen Netzteil für Computersysteme, welches zum Beispiel als Schaltnetzteil ausgeführt sein kann, kommen mehrere Spannungswandler zum Einsatz. In der Regel umfasst ein solches Netzteil wenigstens eine primäre oder erste Wandlerschaltung (Hauptwandler) und eine zweite Wandlerschaltung (Hilfsnetzteil). Spannungsversorgungssysteme mit mehreren Wandlerschaltungen sind beispielsweise aus den Druckschriften
DE 10 2010 035 112 A1 und
DE 692 26 340 T2 bekannt.
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Der Hauptwandler ist auf eine Maximalleistung eines Computersystems ausgelegt und weist einen Wirkungsgradverlauf auf, welcher insbesondere in höheren Leistungsbereichen (beispielsweise zwischen 30 und 60 Watt) einen guten Wirkungsgrad beschreibt. Dagegen ist das Hilfsnetzteil auf niedrigere Leistungen in einem Stand-by Betrieb ausgelegt und weist einen Wirkungsgradverlauf auf, welcher nur für geringe Leistungen (bis ca. 30 Watt) einen günstigen Wirkungsgrad darstellt.
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Um im Stand-by Betrieb den im Vergleich zum Hauptnetzteil günstigeren Wirkungsgrad des Hilfsnetzteils auszunutzen und umgekehrt in einem höheren Lastbereich den gegenüber dem Hilfsnetzteil günstigeren Wirkungsgrad des Hauptnetzteils auszunutzen, sehen herkömmliche Schaltnetzteile mit unterschiedlichen Wandlerschaltungen für unterschiedliche Leistungsbereiche ein Ein-/Ausschalten des Hauptwandlers vor. So ist im Stand-by Betrieb in der Regel das Hilfsnetzteil aktiv, während im höheren Leistungsbereich für einen Hauptbetrieb der Hauptwandler und das Hilfsnetzteil aktiv sind.
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Zur Leistungsregelung der Wandlerschaltungen in einem Netzteil kommen Regelschaltungen zum Einsatz, welche die entsprechende Wandlerschaltung in Abhängigkeit von einer Leistungsaufnahme des Computersystems auf eine notwendige Ausgangsleistung regeln. Dabei kann beispielsweise jeweils eine Regelschaltung für eine Wandlerschaltung im Netzteil vorgesehen sein, das heißt eine erste Regelschaltung für die erste Wandlerschaltung (Hauptwandler) und eine zweite Regelschaltung für die zweite Wandlerschaltung (Hilfsnetzteil).
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Will man den günstigeren Wirkungsgrad des Hilfsnetzteils auch für Betriebszustände und/oder Schaltungsteile eines angeschlossenen Gerätes nutzen, die im Normalfall vom Hauptnetzteil versorgt werden, muss man die Ausgänge miteinander verbinden.
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Nachteilig an einer solchen Lösung wäre, dass während des Betriebs der ersten Wandlerschaltung (Hauptwandler) die Regelschaltung der zweiten Wandlerschaltung (Hilfsnetzteil) letztere in ihrer Ausgangsleistung nach unten regelt und gänzlich abschaltet. Wird in einem solchen Fall von der ersten Wandlerschaltung auf die zweite Wandlerschaltung umgeschaltet, so muss die zweite Wandlerschaltung zunächst erst gestartet werden (zum Beispiel über einen sogenannten Soft-Start-Vorgang). Durch die unvermeidbare Zeitdauer des Startvorgangs der zweiten Wandlerschaltung kann es zu Spannungseinbrüchen mit gegebenenfalls problematischer Versorgungseinbuße für ein Computersystem kommen. Dies kann zu einem Fehlerfall des Computersystems um im schlimmsten Fall zum Ausfall von elektrischen Komponenten und Baugruppen im Computersystem führen.
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Alternativ wäre denkbar, die erste Wandlerschaltung solange weiterlaufen zu lassen bis die zweite Wandlerschaltung ihre Arbeit aufgenommen hat oder beide Wandlerschaltungen parallel permanent aktiv zu halten. Beide Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass die Regelschaltung der Wandlerschaltung mit der geringeren Ausgangsspannung diese Wandlerschaltung abschalten wird.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 035 112 A1 ist bekannt, eine Zusatzschaltung auf der Sekundärseite eines Hilfsnetzteils vorzusehen, um ein Absinken der Ausgangsspannung unter einen kritischen Wert zu verhindern. Diese Schaltung ist jedoch relativ komplex.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kombination von zwei miteinander verbundenen Wandlerschaltungen zur Wirkungsgradsteigerung in einem Netzteil vorzusehen und dennoch auf einfache Weise die Gefahr eines Spannungseinbruchs beim Umschalten zwischen den zwei Wandlerschaltungen zu verhindern beziehungsweise Verluste im Netzteil zu minimieren.
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Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt durch ein Netzteil für ein Computersystem nach Anspruch 1 gelöst.
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Das Netzteil umfasst:
- - eine erste Wandlerschaltung mit einer ersten Regelschaltung zum Umwandeln einer eingangsseitigen elektrischen Versorgungsspannung in wenigstens eine erste Ausgangsspannung und
- - eine zweite Wandlerschaltung mit einer zweiten Regelschaltung zum Umwandeln der eingangsseitigen Versorgungsspannung in wenigstens eine zweite Ausgangsspannung.
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Erfindungsgemäß ist ein Ausgang der ersten Wandlerschaltung elektrisch unmittelbar mit einem Ausgang der zweiten Wandlerschaltung verbunden und eine nominale Höhe der wenigstens einen ersten Ausgangsspannung um eine vorgegebene Spannungsdifferenz höher eingestellt als eine entsprechende nominale Höhe der wenigstens einen zweiten Ausgangsspannung.
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Zudem weist das Netzteil eine Zusatzschaltung auf der Eingangsseite der zweiten Wandlerschaltung auf, die eingerichtet ist, die zweite Regelschaltung derart anzusteuern, dass die zweite Wandlerschaltung mit einer Minimal-Ausgangsleistung betrieben wird, wenn die erste Wandlerschaltung die wenigstens eine erste Ausgangsspannung zur Verfügung stellt.
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Ein derartiges Netzteil hat den Vorteil, dass eine Kombination aus einer ersten und einer zweiten Wandlerschaltung realisierbar ist, wobei elektrische Verluste im Netzteil reduziert bzw. minimiert werden und vorteilhafte Wirkungsgradverläufe der ersten und zweiten Wandlerschaltung ausgenutzt werden können.
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„Unmittelbare“ elektrische Verbindung der Ausgänge der beiden Wandlerschaltungen bedeutet in diesem Kontext, dass keine elektrischen Bauteile (außer elektrische Leitungen) zwischen dem Ausgang der ersten Wandlerschaltung und dem Ausgang der zweiten Wandlerschaltung vorgesehen sind. Insbesondere kann dabei auf Einkoppeldioden (zum Beispiel sogenannte Oring-Dioden) verzichtet werden, wodurch die elektrische Verlustleistung an entsprechenden Bauteilen eliminiert werden kann.
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Eine derartige „harte“ Verschaltung der Ausgänge der ersten und zweiten Wandlerschaltung hat bei herkömmlichen Netzteillösungen die Problematik, dass die zweite Regelschaltung die zweite Wandlerschaltung während des Betriebs der ersten Wandlerschaltung gänzlich abschaltet, wie oben erläutert. Die erfindungsgemäße Zusatzschaltung steuert die zweite Regelschaltung jedoch derart, dass die zweite Wandlerschaltung während des Betriebs der ersten Wandlerschaltung mit einer Minimal-Ausgangsleistung betrieben wird.
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Somit ist durch die Zusatzschaltung des hier erläuterten Netzteils nicht nur die Kombination zweier Wandlerschaltungen mit jeweils vorteilhaftem Wirkungsgradverlauf im Schwachlastbeziehungsweise Starklastbetrieb durch Verbindung der Ausgänge der beiden Wandlerschaltungen möglich, sondern auch eine zusätzliche Reduzierung von Verlustleistung durch den Wegfall herkömmlicher Bauelemente wie Einkoppeldioden durch „harte“ Verschaltung realisierbar.
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Vorteilhaft ist bei dem Netzteil der hier erläuterten Art eine nominale Höhe der wenigstens einen ersten Ausgangsspannung (realisiert durch die erste Wandlerschaltung) um eine vorgegebenen Spannungsdifferenz höher eingestellt als eine entsprechende nominale Höhe der wenigstens einen zweiten Ausgangsspannung (realisiert durch die zweite Wandlerschaltung). Beispielsweise kann die nominale Ausgangsspannung der ersten Wandlerschaltung um 100 mV bis 200 mV höher abgeglichen sein als die nominale Ausgangsspannung der zweiten Wandlerschaltung. Beispielsweise kann die nominale Ausgangsspannung der ersten Wandlerschaltung 12,1 Volt betragen, während die nominale Ausgangsspannung der zweiten Wandlerschaltung 11,9 Volt beträgt.
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Generell hat ein höheres Abgleichen der ersten Wandlerschaltung im Verhältnis zur zweiten Wandlerschaltung den Vorteil, dass an einem definierten Umschaltpunkt während des Umschaltens von einem Schwachlastbetrieb vermittels der zweiten Wandlerschaltung auf einen Starklastbetrieb vermittels der ersten Wandlerschaltung sichergestellt werden kann, dass im letzteren Betriebsbereich die elektrische Energie stabil durch die ersten Wandlerschaltung geliefert werden kann. Insbesondere bei „harter“ Verschaltung der Ausgänge der beiden Wandlerschaltungen ist dies vorteilhaft.
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Bei herkömmlichen Netzteillösungen würde ein unterschiedliches Abgleichen der ersten und zweiten Wandlerschaltungen den Effekt verstärken, dass aufgrund der Potentialdifferenz zwischen der Ausgangsspannung am Ausgang der ersten Wandlerschaltung und der Ausgangsspannung am Ausgang der zweiten Wandlerschaltung die zweite Regelschaltung die zweite Wandlerschaltung nach unten regelt und abschaltet. Vorteilhaft kann auch dieser Problematik durch die erfindungsgemäße Zusatzschaltung des hier erläuterten Netzteils begegnet werden, welche die zweite Regelschaltung derart beeinflusst, dass die zweite Wandlerschaltung trotz eines Betriebs der ersten Wandlerschaltung mit einer Minimal-Ausgangsleistung weiter betrieben wird.
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Auf diese Weise führt ein unterschiedliches Abgleichen der ersten und zweiten Wandlerschaltungen bei dem hier erläuterten Netzteil nicht zu einem Abschalten der zweiten Wandlerschaltung während des Betriebs der ersten Wandlerschaltung. Dennoch kann sichergestellt werden, dass an einem definierten Umschaltpunkt die erste Wandlerschaltung sicher und stabil eine Ausgangsspannung zur Versorgung eines Computersystems zur Verfügung stellt.
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Die erfindungsgemäße Zusatzschaltung verhindert somit bei „harter“ Verschaltung der Ausgänge der beiden Wandlerschaltungen und bei unterschiedlichem Abgleichen der Ausgangsspannungen der beiden Wandlerschaltungen ein Abschalten der zweiten Wandlerschaltung vermittels der zweiten Regelschaltung während der Spannungsversorgung am Ausgang des Netzteils über die erste Wandlerschaltung.
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Auf diese Weise wird die zweite Wandlerschaltung mit einer Minimal-Ausgangsleistung (mit einem Minimalstrom bei vorgegebener Ausgangsspannung der zweiten Wandlerschaltung) betrieben. Die Zusatzschaltung greift dabei derart in die zweite Regelschaltung ein, und kann diese derart beeinflussen beziehungsweise „verstimmen“, dass ein Abschalten der zweiten Wandlerschaltung verhindert wird.
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Ein genereller Vorteil eines derartigen Netzteils besteht somit darin, dass bei einem Umschalten von der ersten Wandlerschaltung auf die zweite Wandlerschaltung letztere unmittelbar eine Ausgangsspannung für den Betrieb eines Computersystems zur Verfügung stellen kann, ohne dass die zweite Wandlerschaltung zunächst mit einem Zeitverlust gestartet werden muss. Auf diese Weise kann ein Spannungseinbruch beim Umschalten zwischen der ersten Wandlerschaltung und der zweiten Wandlerschaltung verhindert werden. Somit können zwei Wandlerschaltungen mit völlig unterschiedlichen Charakteristiken für unterschiedliche Leistungsbereiche eines Computersystems kombiniert und miteinander gekoppelt werden, ohne dass es dabei zu einer kritischen Versorgungseinbuße am Computersystem kommt.
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Bevorzugt weist die zweite Wandlerschaltung eine Nennausgangsleistung auf, die kleiner ist als eine Nennausgangsleistung der ersten Wandlerschaltung. Die zweite Wandlerschaltung ist somit vorteilhaft für einen niedrigeren Leistungsbereich (Schwachlast- bzw. Stand-by-Betrieb) ausgelegt, während die erste Wandlerschaltung für einen höheren Leistungsbereich (Hauptbetrieb) ausgelegt ist. Beispielsweise ist die zweite Wandlerschaltung für einen Leistungsbereich zwischen z.B. 0 Watt und 30 Watt ausgelegt (und z.B. zwischen 10 Watt und 30 Watt optimiert), während die erste Wandlerschaltung für einen Leistungsbereich zwischen z.B. 0 Watt und 300 Watt ausgelegt ist (und zwischen z.B. zwischen 30 Watt und 60 Watt optimiert ist).
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Bevorzugt ist die erste Wandlerschaltung über ein Schaltsignal ein- beziehungsweise ausschaltbar. Vorzugsweise weist das Netzteil eine Überwachungsschaltung auf, die eingerichtet ist einen elektrischen Strom an einem Ausgang des Netzteils zu überwachen und in Abhängigkeit davon das Schaltsignal zu generieren.
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Durch das Schaltsignal kann die erste Wandlerschaltung gezielt geschaltet werden. So kann die erste Wandlerschaltung eingeschaltet werden, wenn über die erste Wandlerschaltung eine Ausgangsspannung für einen Betrieb eines Computersystems zur Verfügung gestellt werden soll. Umgekehrt kann die erste Wandlerschaltung ausgeschaltet werden, wenn über die zweite Wandlerschaltung eine Ausgangsspannung für einen Betrieb eines Computersystems zur Verfügung gestellt werden soll. Wenn die erste Wandlerschaltung eingeschaltet ist, wird die zweite Wandlerschaltung wie oben erläutert mit einer Minimal-Ausgangsleistung weiter betrieben.
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Es ist denkbar, die Überwachungsschaltung mit der ersten Wandlerschaltung zu verschalten, so dass ein von der Überwachungsschaltung generiertes Schaltsignal einen Eingang der ersten Wandlerschaltung steuert und damit die erste Wandlerschaltung ein- beziehungsweise ausschaltet. Es ist alternativ oder ergänzend denkbar, die Überwachungsschaltung mit der ersten Regelschaltung zu verschalten, so dass ein von der Überwachungsschaltung generiertes Schaltsignal vermittels der ersten Regelschaltung in eine Ausgangsgröße der ersten Regelschaltung umgewandelt wird und auf diese Weise eine Eingangsgröße an der ersten Wandlerschaltung beeinflusst, so dass die erste Wandlerschaltung schaltbar ist.
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Vorteilhaft ist die Zusatzschaltung eingerichtet, in einem ersten Betriebszustand die zweite Regelschaltung derart anzusteuern, dass ein Regeln der zweiten Wandlerschaltung durch die zweite Regelschaltung vermittels einer Eingangsgröße der zweiten Wandlerschaltung auf eine Soll-Ausgangsleistung möglich ist. Ferner ist die Zusatzschaltung eingerichtet, in einem zweiten Betriebszustand die zweite Regelschaltung derart anzusteuern, dass ein Regeln der zweiten Wandlerschaltung durch die zweite Regelschaltung vermittels der Eingangsgröße der zweiten Wandlerschaltung auf eine Soll-Ausgangsleistung, die die Minimal-Ausgangsleistung unterschreitet, verhindert ist.
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Im ersten Betriebszustand greift die Zusatzschaltung somit nicht in die zweite Regelschaltung ein, sodass die zweite Wandlerschaltung über die zweite Regelschaltung im Wesentlichen unbeeinflusst durch die Zusatzschaltung geregelt werden kann. Dabei kann die Eingangsgröße der zweiten Wandlerschaltung z.B. derart beeinflusst werden, dass ein Absinken der Eingangsgröße ein Absinken der Ausgangsleistung der zweiten Wandlerschaltung und ein Anheben der Eingangsgröße ein Anheben der Ausgangsleitung der zweiten Wandlerschaltung zur Folge haben.
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Im zweiten Betriebszustand greift die Zusatzschaltung jedoch derart in die zweite Regelschaltung ein, dass ein Absinken der Eingangsgröße unter einen kritischen Schwellwert aufgrund einer Regelvorgabe durch die zweite Regelschaltung verhindert wird, sodass ein Abschalten der zweiten Wandlerschaltung durch eine Regelvorgabe der zweiten Regelschaltung verhindert wird.
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Die Eingangsgröße kann beispielsweise ein Steuersignal oder ein Spannungssignal am entsprechenden Eingang der zweiten Wandlerschaltung sein, welches vermittels eines Pull-up-Widerstands am Eingang gehalten und/oder vermittels einer gesteuerten Stromquelle erzeugt wird. Ein entsprechendes Absinken dieses Steuersignals auf ein niedrigeres Niveau kann dabei der zweiten Wandlerschaltung anzeigen, dass eine niedrige oder keine Leistung geliefert werden soll. Umgekehrt kann ein Anheben des Steuersignals auf ein hohes Niveau der zweiten Wandlerschaltung anzeigen, dass eine hohe Leistung geliefert werden soll. Eine entsprechende Ausgangsleistung kann beispielsweise durch ein entsprechendes Tastverhältnis von Schaltmitteln auf der Eingangsseite der zweiten Wandlerschaltung eingestellt werden. Diese Schaltmittel steuern über eine entsprechende Schaltfrequenz, evtl. mit einem entsprechenden Tastverhältnis, die Leistungsübertragung von der Eingangsseite der zweiten Wandlerschaltung auf die Ausgangsseite der zweiten Wandlerschaltung.
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Vorteilhaft weist die zweite Regelschaltung Schaltmittel auf, um aus der Ausgangsspannung der zweiten Wandlerschaltung eine Ausgangsgröße der zweiten Regelschaltung zu erzeugen, mit der die Eingangsgröße der zweiten Wandlerschaltung beaufschlagbar ist. Beispielsweise kann am Ausgang der zweiten Wandlerschaltung eine elektrische Spannung mittels der zweiten Regelschaltung abgegriffen werden, welche sich in Abhängigkeit von einer Änderung der Leistungsaufnahme in einem angeschlossenen Computersystem verändert.
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Eine entsprechende Veränderung erzeugt in der zweiten Regelschaltung eine entsprechend veränderte Ausgangsgröße, zum Beispiel einen Ausgangsstrom oder eine Ausgangsspannung der zweiten Regelschaltung, welche die Eingangsgröße der zweiten Wandlerschaltung, zum Beispiel ein Steuersignal oder Spannungssignal, entsprechend verändert. Eine Veränderung der Eingangsgröße an der zweiten Wandlerschaltung hat schließlich eine Veränderung der Ausgangsleistung am Ausgang der zweiten Wandlerschaltung zur Folge.
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Bevorzugt umfassen die Schaltmittel der zweiten Regelschaltung einen Optokoppler mit wenigstens einer lichtemittierenden Diode und einem licht-sensitiven Transistor. Auf diese Weise können galvanisch getrennt Steuersignale von der ausgangsseitigen zweiten Regelschaltung an die Eingangsseite der zweiten Wandlerschaltung übermittelt werden. Der licht-sensitive Transistor kann durch einen entsprechenden Empfangsstrom einen Kollektorstrom aufbauen, welcher eine entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung am licht-sensitiven Transistor abfallen lässt. Diese Spannung kann als Ausgangsgröße der zweiten Regelschaltung dem Eingang der zweiten Wandlerschaltung zugeführt werden und dort als Eingangssignal zur Leistungsregelung verwendet werden.
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Vorteilhaft weist die Zusatzschaltung Schaltmittel auf, um die Ausgangsgröße der zweiten Regelschaltung in Abhängigkeit von einer Hilfsgröße anzuheben. Die Hilfsgröße kann beispielsweise eine eingangsseitige Hilfsspannung der zweiten Wandlerschaltung sein. Ein Anheben der Ausgangsgröße der zweiten Regelschaltung hat ein Anheben der Eingangsgröße der zweiten Wandlerschaltung zur Folge, sodass ein Absinken der Ausgangsleistung aufgrund einer Regelvorgabe durch die zweite Regelschaltung verhindert wird.
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Auf diese Weise hebt die Zusatzschaltung die Eingangsgröße durch Eingriff in die Ausgangsgröße der zweiten Regelschaltung an und verhindert ein Abschalten der zweiten Wandlerschaltung. Somit ist die zweite Wandlerschaltung vermittels der zweiten Regelschaltung lediglich auf eine Minimal-Ausgangsleistung herunter regelbar.
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Vorteilhaft umfassen die Schaltmittel der Zusatzschaltung wenigstens eine Zenerdiode und einen Transistor, wobei der Transistor elektrisch unmittelbar mit der zweiten Regelschaltung verschaltet ist.
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Beispielsweise kann vermittels der Zenerdiode der Zusatzschaltung die Hilfsgröße, zum Beispiel eine Hilfsspannung der zweiten Wandlerschaltung, in einen Steuerstrom für den Transistor der Zusatzschaltung umgewandelt werden, wobei der Transistor als steuerbares Hebeschaltmittel für die Ausgangsgröße der zweiten Regelschaltung, beispielsweise als Spannungsanhebung einer Kollektor-Emitter-Spannung am licht-sensitiven Transistor der zweiten Regelschaltung, fungiert.
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Vorteilhaft ist die Zenerdiode über eine Spannungsteiler-Schaltung einstellbar. Die Zenerdiode kann beispielsweise eine einstellbare Zenerdiode sein. Eine Einstellbarkeit hat den Vorteil, dass die Zusatzschaltung an entsprechende Betriebsumgebungen der ersten und zweiten Wandlerschaltungen innerhalb des Netzteils angepasst werden kann.
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In einem weiteren Aspekt wird die obige Aufgabe auch durch eine Anordnung mit einem Netzteil der erläuterten Art und einem Computersystem gelöst, wobei das Computersystem mit dem Netzteil zur Versorgung mit einer elektrischen Ausgangsspannung am Netzteil verbunden ist.
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Ein Computersystem kann im Kontext der hier erläuterten Netzteilkonfiguration jegliches Computersystem, zum Beispiel ein Desktop-PC, Server, Notebook, Tablet, und so weiter sein.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung erläutert.
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Die Erfindung wird anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Prinzipschaltbild eines Netzteils nach dem Stand der Technik,
- 2 eine Ausführungsform einer Verschaltung von Netzteilkomponenten nach dem Stand der Technik,
- 3 Wirkungsgradverläufe einer ersten und zweiten Wandlerschaltung in einem Netzteil,
- 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verschaltung von Netzteilkomponenten sowie
- 5 einen Wirkungsgradverlauf eines erfindungsgemäßen Netzteils.
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1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Netzteils N nach dem Stand der Technik, umfassend einen primärseitigen Versorgungsspannungseingang 1, an welchem beispielsweise eine Wechselspannung aus dem Versorgungsnetz zur Verfügung gestellt wird. Ferner umfasst das Netzteil N einen elektromagnetischen Interferenz-Filter 2 (sogenannter EMI-Filter oder Netzfilter), welcher beispielsweise Drosselbeziehungsweise Kompensationsglieder zur Entstörung der primärseitigen Versorgungsspannung umfassen kann.
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Ferner umfasst das Netzteil N eine erste Wandlerschaltung 3 sowie eine zweite Wandlerschaltung 4 und eine Regelung 5 zur jeweiligen Regelung der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 beziehungsweise 4.
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Die erste Wandlerschaltung 3 kann beispielsweise ein Hauptwandler sein, der für einen Hauptbetrieb eines am Netzteil N angeschlossenen elektrischen Gerätes eingerichtet ist und beispielsweise für einen Leistungsbereich von ca. 0 Watt bis 300 Watt ausgelegt ist (und z.B. zwischen 30 Watt und 60 Watt optimiert ist). Die zweite Wandlerschaltung 4 kann beispielsweise ein Hilfsnetzteil sein, welches für einen Schwachlastbetrieb eines am Netzteil N angeschlossenen elektrischen Gerätes ausgelegt ist und zum Beispiel in einem Leistungsbereich von ca. 0 Watt bis 30 Watt arbeitet (und z.B. zwischen 10 Watt und 30 Watt optimiert ist).
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Für einen Wechsel zwischen einem Starklast- und einem Stand-by Betrieb kann, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme der Regelung 5, die erste Wandlerschaltung 3 ein- und ausgeschaltet werden.
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Schließlich wird eine vermittels der ersten beziehungsweise zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 gewandelte Ausgangsspannung an einem jeweiligen Ausgang 6a und 6b des Netzteils N für den Betrieb eines angeschlossenen Gerätes zur Verfügung gestellt. Das angeschlossene Gerät kann beispielsweise ein Computersystem oder ein anderes elektrisches Gerät sein.
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2 zeigt eine Ausführungsform einer Verschaltung von Komponenten des Netzteils N gemäß der Konfiguration aus 1.
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Insbesondere zeigt 2 eine Verschaltung der ersten Wandlerschaltung 3 mit einer ersten Regelschaltung 5a sowie eine zweite Wandlerschaltung 4 mit einer zweiten Regelschaltung 5b. Eingangsseitig wird der ersten Wandlerschaltung 3 beziehungsweise der zweiten Wandlerschaltung 4 eine Versorgungsspannung Prim-DC zur Verfügung gestellt. Die eingangsseitige Versorgungsspannung Prim-DC kann z.B. eine bereits gleichgerichtete und gegebenenfalls geglättete Versorgungsspannung aus dem Versorgungsspannungsnetz (230 V-Netz) sein. Die eingangsseitige Versorgungsspannung Prim-DC wird der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 am jeweiligen Eingang PrimDC-In zur Verfügung gestellt. Dabei ergibt sich ein entsprechendes Eingangsspannungspotential in Bezug zu einem primärseitigen Referenzpotential PrimDC-0V.
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Sowohl die erste als auch die zweite Wandlerschaltung 3 beziehungsweise 4 weisen Komponenten zur Spanungswandlung, zum Beispiel eine Übertragerschaltung sowie Schaltmittel zur Taktung der Übertragerschaltung, auf, um die eingangsseitige Versorgungsspannung Prim-DC in eine Ausgangsspannung zu wandeln. Entsprechende Konfigurationen einer Übertragerschaltung beziehungsweise Schaltmittel zur Taktung der Übertragerschaltung sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung.
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Eine entsprechende Ausgangsspannung stellen die erste beziehungsweise zweite Wandlerschaltung 3 beziehungsweise 4 an einen jeweiligen Ausgang DC-out 1 und DC-out 2 zur Verfügung. Auf dieser Ausgangsseite (Sekundärseite) ergibt sich ein entsprechendes Ausgangsspannungspotential über einem Referenzpotential (Masse) DC-GND.
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Ausgangsseitig von der ersten beziehungsweise zweiten Wandlerschaltung 3 beziehungsweise 4 sitzen die erste und zweite Regelschaltung 5a und 5b. Die erste Regelschaltung 5a ist mit dem Ausgang DC-out 1 der ersten Wandlerschaltung 3 verschaltet. Die zweite Regelschaltung 5b ist mit dem Ausgang DC-out 2 der zweiten Wandlerschaltung 4 verschaltet.
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Die erste Regelschaltung 5a liegt auf dem Ausgangsspannungspotential der ersten Wandlerschaltung 3, wobei die zweite Regelschaltung 5b auf dem Ausgangsspannungspotential der zweiten Wandlerschaltung 4 liegt. Je nachdem, wie hoch beziehungsweise niedrig die Leistungsaufnahme eines am jeweiligen Ausgang DC-out 1 und DC-out 2 angeschlossenen elektrischen Gerätes ist, stellt sich in der ersten beziehungsweise zweiten Regelschaltung 5a beziehungsweise 5b eine elektrische Spannung ein, die vermittels der Spannungsteiler-Schaltung R1, R2 (siehe Regelschaltung 5a) beziehungsweise der Spannungsteiler-Schaltung R7, R8 (siehe Regelschaltung 5b) am Operationsverstärker U1 der ersten Regelschaltung 5a beziehungsweise am Operationsverstärker U2 der zweiten Regelschaltung 5b eine elektrische Spannung bezüglich einer Referenzspannung Vref_1a (siehe erste Regelschaltung 5a) beziehungsweise Vref 2a (siehe zweite Regelschaltung 5b) erzeugt.
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Der Ausgang des jeweiligen Operationsverstärkers U1 der ersten Regelschaltung 5a beziehungsweise U2 der zweiten Regelschaltung 5b stellt an der jeweiligen Optokoppler-Schaltung Q1, D2, R6 der ersten Regelschaltung 5a beziehungsweise Q2, D4, R12 der zweiten Regelschaltung 5b einen Steuerstrom ein, welcher in dem jeweiligen fotosensitiven Transistor Q1 beziehungsweise Q2 einen über einen entsprechenden Empfangsstrom gesteuerten Verstärkungsstrom (Kollektorstrom) verursacht. Letzterer bedingt eine Veränderung der Kollektor-Emitter-Spannung am jeweiligen Transistor Q1 und Q2 und damit der Eingangsgröße Prim-Control an der ersten beziehungsweise zweiten Wandlerschaltung 3 beziehungsweise 4.
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Die Eingangsgröße Prim-Control kann beispielsweise eine Spannung am jeweiligen Eingang der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 sein, welche zum Beispiel über einen Pull-up-Widerstand beziehungsweise eine gesteuerte Stromquelle einstellbar ist. Auf diese Weise wird die Eingangsgröße Prim-Control an der ersten oder zweiten Wandlerschaltung 3 oder 4 in Abhängigkeit des Transistorstroms am Transistor Q1 beziehungsweise Q2 verändert und zeigt der ersten beziehungsweise zweiten Wandlerschaltung 3 beziehungsweise 4 eine Veränderung der benötigten Ausgangsleistung an, sodass die erste und zweite Wandlerschaltung 3 und 4 entsprechend über interne Schaltmittel die Taktung verändern, sodass die Leistungsübertragung in der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 verändert wird.
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3 zeigt Wirkungsgradverläufe I und II der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 gemäß den 1 und 2. Auf der Abszisse ist die Leistung in Watt [W] eingetragen, während auf der Ordinate der Wirkungsgrad in Prozent [%] eingetragen ist. Der Wirkungsgradverlauf I beschreibt den Wirkungsgradverlauf der ersten Wandlerschaltung 3, während der Wirkungsgradverlauf II den Wirkungsgradverlauf der zweiten Wandlerschaltung 4 darstellt.
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Aus 3 ist ersichtlich, dass die erste Wandlerschaltung 3 (Verlauf I) für einen Leistungsverbrauch ab z.B. 35 Watt günstig erscheint, während die zweite Wandlerschaltung 4 (Verlauf II) für eine Leistungsaufnahme von z.B. 0 Watt bis 35 Watt günstiger erscheint. Das bedeutet, dass sich beide Wirkungsgradverläufe I und II in einem Umschaltpunkt bei zirka 35 Watt schneiden. In einem Niedrig- beziehungsweise Schwachlastbereich ist der Betrieb der zweiten Wandlerschaltung 4 (Verlauf II) vorteilhaft, während in einem Starklastbereich der Betrieb der ersten Wandlerschaltung 3 (Verlauf I) vorteilhaft ist. Somit ist für sowohl für einen Schwachlastbereich als auch für einen Starklastbereich der jeweils günstigere Wirkungsgradverlauf der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 auszunutzen.
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4 zeigt einen schaltungstechnischen Aufbau der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 sowie der ersten und zweiten Regelschaltung 5a und 5b gemäß 2, wobei die Schaltung vorteilhaft erweitert und modifiziert ist.
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Neben den bereits erläuterten Komponenten weist die Verschaltung aus 4 maßgeblich eine Zusatzschaltung 7 (links unten) auf, die mit der Eingangsseite der zweiten Wandlerschaltung 4 und mit dem Ausgang der zweiten Regelschaltung 5b verschaltet ist. Ferner sind gemäß 4 die jeweiligen Ausgänge DC-out der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 „hart“, das heißt ohne Zwischenschalten weiterer Bauelemente, unmittelbar über eine elektrische Leitung miteinander verbunden (siehe interne Knoten 12 und 13). Auf diese Weise können die erste und zweite Wandlerschaltung 3 und 4 beide unmittelbar den Ausgang 6 des Netzteils mit einer Ausgangsspannung bedienen.
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In einem Schwachlastbetrieb ist die zweite Wandlerschaltung 4, geregelt über die zweite Regelschaltung 5b, aktiv und liefert am Ausgang 6 eine Ausgangsspannung beziehungsweise je nach Leistungsbedarf eine entsprechende Ausgangsleistung an ein am Ausgang 6 angeschlossenes elektrisches Gerät, insbesondere Computersystem. Im Schwachlastbetrieb ist die erste Wandlerschaltung 3 abgeschaltet.
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Die zweite Wandlerschaltung 4 kann beispielsweise auf eine Ausgangsspannung von 11,9 V abgestimmt sein. Je nach Leistungsaufnahme eines am Ausgang 6 angeschlossenen elektrischen Gerätes regelt die zweite Regelschaltung 5b - wie im Zusammenhang mit 2 bereits erläutert - über die Eingangsgröße Prim-Control der zweiten Wandlerschaltung 4 die Ausgangsleistung am Ausgang DC-out (siehe internen Knoten 13) .
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Ferner stellt die zweite Wandlerschaltung 4 an einem Ausgang Prim-VCC eine Hilfsspannung zur Verfügung, die die Primärseite der Wandlerschaltung 4, die Primärseite der Wandlerschaltung 3 und die Zusatzschaltung 7 versorgt. Im Schwachlastbetrieb beträgt die Spannung am Ausgang Prim-VCC beispielsweise 16 V. Über eine vermittels der Spannungsteilerschaltung R13, R14 einstellbare Zenerdiode U3 kann vermittels einer weiteren Spannungsteilerschaltung R15, R16 ein Basisstrom an einem Bipolartransistor Q3 der Zusatzschaltung 7 eingestellt werden.
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Im Schwachlastbetrieb der zweiten Wandlerschaltung 4 bei entsprechend hoher Spannung am Ausgang Prim-VCC ist der Basisstrom am Transistor Q3 beziehungsweise die Basisemitterspannung am Transistor Q3 derart eingestellt, dass der Transistor Q3 in Sättigung ist. Somit liegt der Emitter des Optokoppler-Transistors Q2 der zweiten Regelschaltung 5b, welcher unmittelbar mit dem Transistor Q3 verbunden ist, nahezu auf dem Primärbezugspotential PrimDC-0V. Im Schwachlastbetrieb arbeitet die zweite Wandlerschaltung 4 demnach wie ein ganz normaler Wandler, wobei über die Steuersignale der lichtemittierenden Diode D4 am fotosensitiven Transistor Q2 der Optokoppler-Schaltung der zweiten Regelschaltung 5b ein Steuersignal übertragen werden kann, um die Eingangsgröße Prim-Control der zweiten Wandlerschaltung 4 zu beeinflussen und wie erläutert die Ausgangsleistung zu regeln.
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Die Wandlerschaltung 3 kann vermittels einer Überwachungsschaltung 8 angesteuert werden, welche über einen Komparator 10 den Strom am Ausgang 6 abgreift und in Abhängigkeit davon über eine Schaltlogik 9 ein Schaltsignal S1 und/oder S2 erzeugt. Alternativ kann man ein Schaltsignal S1 einem Eingang On/Off der ersten Wandlerschaltung 3 zuführen und/oder ein Schaltsignal S2 einem internen Knoten 11 der ersten Regelschaltung 5a zuführen. In beiden Fällen wird die erste Wandlerschaltung 3 entweder direkt oder vermittels der ersten Regelschaltung 5a veranlasst, einbeziehungsweise auszuschalten.
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Es ist denkbar, der Überwachungsschaltung 8 beziehungsweise der internen Schaltlogik 9 ein externes Steuersignal (das beispielsweise vom angeschlossenen elektrischen Gerät stammt) über eine separate Leitung zuzuführen, wie in 4 angedeutet ist.
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Wird für einen Starklastbetrieb am Ausgang 6 die erste Wandlerschaltung 3 vermittels der Überwachungsschaltung 8 eingeschaltet, so erfolgt eine weitere Versorgung eines am Ausgang 6 angeschlossenen elektrischen Gerätes über die erste Wandlerschaltung 3, die an ihrem Ausgang DC-out (siehe internen Knoten 12) eine entsprechende Ausgangsspannung zur Verfügung stellt.
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Die nominale Ausgangsspannung der ersten Wandlerschaltung 3 ist vorteilhaft etwas höher abgeglichen als die nominale Ausgangsspannung der zweiten Wandlerschaltung 4. Beispielsweise kann die erste Wandlerschaltung 3 auf eine Ausgangsspannung von 12,1 V (im Vergleich zu einer Ausgangsspannung von 11,9 V der zweiten Wandlerschaltung 4, siehe oben) abgeglichen sein. Aufgrund der „harten“ Verbindung der Ausgänge DC-out der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 (siehe interne Knoten 12 und 13) würde ohne weitere Maßnahmen die zweite Regelschaltung 5b der zweiten Wandlerschaltung 4 das höhere Potential am Ausgang DC-out (interner Knoten 12) der ersten Wandlerschaltung 3 detektieren und über den Optokoppler Q2, D4 die Eingangsgröße Prim-Control der zweiten Wandlerschaltung 4 nach unten regeln und die zweite Wandlerschaltung 4 gänzlich abschalten. Dies würde bei einem erneuten Abschalten der ersten Wandlerschaltung 3 vermittels der Überwachungsschaltung 8 für einen erneuten Schwachlastbetrieb ein zeitverzögertes Wiedereinschalten der zweiten Wandlerschaltung 4 und damit unter Umständen ein Spannungseinbruch am Ausgang 6 zur Folge haben.
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Um dies zu vermeiden, verhindert die Zusatzschaltung 7 ein gänzliches Abschalten der zweiten Wandlerschaltung 4 im Starklastbetrieb. Durch ein anfängliches Herunterregeln der Eingangsgröße Prim-Control der zweiten Wandlerschaltung 4 vermittels der zweiten Regelschaltung 5b sinkt eine Tastfrequenz in der zweiten Wandlerschaltung 4, sodass auch die Hilfsspannung Prim-VCC der zweiten Wandlerschaltung 4 absinkt (zum Beispiel unter 12 V). Ein Absinken der Hilfsspannung Prim-VCC verursacht in der Zusatzschaltung 7 einen reduzierten Basisstrom beziehungsweise eine reduzierte Basisemitterspannung am Transistor Q3 (via Zenerdiode U3), sodass dieser vom Sättigungsbereich in den linearen Bereich gelangt und somit eine gesteuerte Spannungsanhebung für den Empfangstransistor Q2 der zweiten Regelschaltung 5b bildet. Dadurch steigt die Spannung am Eingang Prim-Control etwas an, sodass eine minimale Leistung erzeugt wird.
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Somit verhindert die Zusatzschaltung 7 trotz durchgesteuertem Optokoppler Q2, D4 der zweiten Regelschaltung 5b ein Absinken der Eingangsgröße Prim-Control an der zweiten Wandlerschaltung 4 auf beziehungsweise unter einen Abschaltwert, wobei die Eingangsgröße Prim-Control derart angehoben bleibt, dass die zweite Wandlerschaltung 4 mit einer minimalen Ausgangsleistung weiter betrieben wird parallel zum Hauptbetrieb der ersten Wandlerschaltung 3. Somit greift die Zusatzschaltung 7 in diesem Betriebszustand in die zweite Regelschaltung 5b ein und „verstimmt“ diese derart, dass die Eingangsgröße Prim-Control über einen kritischen Abschaltwert angehoben bleibt.
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Auf diese Weise kann in einem nachfolgenden Schwachlastbetrieb die zweite Wandlerschaltung 4 ohne Spannungseinbruch sofort eine erhöhte Ausgangsleistung am Ausgang 6 (via interner Knoten 13) zur Verfügung stellen.
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Die Schaltung gemäß 4 hat neben der Verhinderung einer Gefahr eines Spannungseinbruchs bei Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 zudem den Vorteil, dass aufgrund der „harten“ Verschaltung der Ausgänge der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 (interne Knoten 12 und 13) eine weitere Verlustleistung durch interne Bauelemente wie zum Beispiel Einkoppeldioden zwischen der ersten und der zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 vermieden werden kann.
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Bei heruntergeregelter zweiter Wandlerschaltung 4 kann die minimale Ausgangsleistung derart bemessen sein, dass die Hilfsspannung Prim-VCC über die zweite Wandlerschaltung 4 mit versorgt wird. Alternativ ist auch denkbar, die zweite Wandlerschaltung in diesem Betriebsmodus im sogenannten Burst-Mode zu betreiben. Ferner ist denkbar, mit der Zusatzschaltung 7 nur den Burst-Mode zu aktivieren, der für die Aufrechterhaltung der Hilfsspannung Prim-VCC genügt. Alternativ oder ergänzend ist auch denkbar, die kritische Spannungsschwelle der Hilfsspannung Prim-VCC so einzustellen, dass sie der Minimalspannung der Primärbauteile der ersten Wandlerschaltung 3 (zum Beispiel 13 V) entspricht, sodass die Hilfsspannung Prim-VCC von der ersten Wandlerschaltung 3 im Starklastbetrieb mit versorgt werden kann.
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Selbstverständlich kann statt der einstellbaren Zenerdiode U3 in der Zusatzschaltung 7 auch eine normale Zenerdiode verwendet werden. Dabei würde die Spannungsteilerschaltung R13, R14 entfallen.
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5 zeigt einen kombinierten Wirkungsgradverlauf III bei erfindungsgemäßem Betrieb der ersten und zweiten Wandlerschaltung 3 und 4 gemäß 4. Hierbei ist erkennbar, dass in einem Leistungsbereich zwischen zirka 5 bis 35 Watt der Wirkungsgradverlauf der zweiten Wandlerschaltung 4 (vergleiche 3) maßgeblich ist, während ab einem Leistungsbedarf von 35 Watt aufwärts der Wirkungsgradverlauf der ersten Wandlerschaltung 3 (vergleiche 3) maßgeblich ist.
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Gegebenenfalls ist es erforderlich, bei Kombination der ersten und zweiten Wandlerschaltungen 3 und 4 gemäß 4 den Betriebsbereich der zweiten Wandlerschaltung 4, der typischerweise bei 10 Watt bis 20 Watt liegt, ein wenig zu erhöhen.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es möglich, mit zwei unterschiedlichen Wandlerschaltungen 3 und 4 eine gemeinsame Ausgangsspannung zu speisen und ohne Spannungseinbrüche zwischen den beiden Wandlerschaltungen 3 und 4 hin und her zu schalten. Ferner verringert die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung interne Verluste durch Vermeidung von herkömmlichen Bauteilen wie Einkoppeldioden zwischen den beiden Wandlerschaltungen 3 und 4.
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Die dargestellte Netzteil-Konfiguration kann zur Versorgung jeglicher elektrischer Geräte, insbesondere vorteilhaft zur Versorgung eines Computersystems, herangezogen werden. Sämtliche dargestellten Konfigurationen sind im Rahmen des Kerngedankens der Erfindung lediglich beispielhaft gewählt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- primärseitiger Versorgungsspannungseingang
- 2
- EMI-Filter
- 3
- erste Wandlerschaltung
- 4
- zweite Wandlerschaltung
- 5
- Regelung
- 5a
- erste Regelschaltung
- 5b
- zweite Regelschaltung
- 6
- Ausgang
- 6a
- Ausgang der ersten Wandlerschaltung 3
- 6b
- Ausgang der zweiten Wandlerschaltung 4
- 7
- Zusatzschaltung
- 8
- Überwachungsschaltung
- 9
- Schaltlogik
- 10
- Komparator für Ausgangsstrom
- 11
- interner Knoten
- 12
- interner Knoten (Ausgang erste Wandlerschaltung)
- 13
- interner Knoten (Ausgang zweite Wandlerschaltung)
- N
- Netzteil
- S1
- Schaltsignal
- S2
- Schaltsignal
- I
- Wirkungsgradverlauf der ersten Wandlerschaltung
- II
- Wirkungsgradverlauf der zweiten Wandlerschaltung
- III
- kombinierter Wirkungsgradverlauf
