-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Netzteilanordnung umfassend einen ersten Schaltwandler mit einer ersten Nennausgangsleistung und einen zweiten Schaltwandler mit einer zweiten Nennausgangsleistung und wenigstens einen Ausgang zum Bereitstellen wenigstens einer erzeugten Ausgangsspannung für einen Verbraucher.
-
Netzteilanordnungen mit zwei Schaltwandlern zum Bereitstellen einer erzeugten Ausgangsspannung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen, unter anderem, zur redundanten Stromversorgung oder zur Versorgung eines elektronischen Gerätes mit unterschiedlichen Leistungsaufnahmen in unterschiedlichen Betriebszuständen.
-
1 zeigt eine solche Netzteilanordnung 10 mit einem ersten Schaltwandler 11 und einem zweiten Schaltwandler 12. Der erste Schaltwandler 11 stellt eine geregelte Ausgangsspannung DC1-out, beispielsweise eine geregelte erste Gleichspannung Vmain an einem ersten Ausgang 13 der Netzteilanordnung 10 zur Verfügung. Der zweite Schaltwandler 12 stellt in äquivalenter Weise eine zweite Ausgangsspannung DC2-out, beispielsweise eine geregelte zweite Gleichspannung Vaux an einem zweiten Ausgang 14 zur Verfügung. Beide Schaltwandler 11 und 12 werden von einem Eingang 15 aus mit einer gemeinsamen Versorgungsspannung, beispielsweise einer gleichgerichteten Zwischenspannung Prim-DC versorgt.
-
In der Schaltung gemäß 1 handelt es sich bei dem ersten Schaltwandler 11 und dem zweiten Schaltwandler 12 jeweils um einen so genannten DC/DC-Konverter, der basierend auf einer Amplitude eines Steuersignals PrimControl-1 bzw. PrimControl-2 die Höhe der am Ausgang 13 beziehungsweise 14 abgegebenen Spannung einstellt. Zu dessen Regelung umfasst die Netzteilanordnung 10 gemäß 1 auf der Sekundärseite einen ersten Regelkreis 16 für den ersten Schaltwandler 11 sowie einen zweiten Regelkreis 17 für den zweiten Schaltwandler 12. Über den Regelkreis 16 wird die Spannung am ersten Ausgang 13 in Abhängigkeit einer vorgegebenen Referenzspannung Vref_1a auf einen vorbestimmten Wert geregelt. Äquivalent wird die Spannung am zweiten Ausgang 14 unter Verwendung einer zweiten Referenzspannung Vref_2a durch den zweiten Regelkreis 17 auf einen vorbestimmten Wert geregelt.
-
In Abhängigkeit des durch die Netzteilanordnung 10 versorgten Gerätes können die Gleichspannungen Vmain und Vaux entweder gleich groß sein oder unterschiedlich groß sein. Beispielsweise ist es möglich, an beiden Ausgängen 13 und 14 eine Spannung von 12 V bereitzustellen. In der beschriebenen Anordnung stellt der zweite Schaltwandler 12 des Weiteren eine primäre Hilfsspannung zum Betrieb der beiden Schaltwandler 11 und 12 bereit (nicht dargestellt).
-
Problematisch in der anhand der 1 beschriebenen Netzteilanordnung 10 ist unter anderem, dass einer oder beide Schaltwandler oftmals mit einer verhältnismäßig geringen Ausgangsleistung betrieben werden, die deutlich unter dessen Nennausgangsleistung liegt. Die Energieeffizienz von Schaltnetzteilen, umfassend einen oder mehrere Schaltwandler, hängt unter anderem von der Ausgangsleistung der Schaltwandler ab. Dieser Zusammenhang ist anschaulich in der 2 dargestellt.
-
2 zeigt Wirkungsgradverläufe I und II des ersten und zweiten Schaltwandlers 11 beziehungsweise 12 gemäß der 1. 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 Schaltwandlers 11, während der Wirkungsgradverlauf II den Wirkungsgradverlauf des zweiten Schaltwandlers 12 darstellt. Es ist insbesondere zu erkennen, dass der Wirkungsgrad und somit die Energieeffizienz von Schaltwandlern mit zunehmender Ausgangsbelastung zunimmt. Gerade Computer und andere Geräte der Informationstechnologie werden dabei häufig über einen längeren Zeitraum in einem Schwachlastbereich weit unter der maximalen Ausgangsleistung der verwendeten Schaltwandler betrieben.
-
Aus 2 ist ersichtlich, dass der erste Schaltwandler 11 (Verlauf I) für einen Leistungsverbrauch ab z.B. 35 Watt günstig erscheint, während der zweite Schaltwandler 12 (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 Punkt bei zirka 35 Watt Ausgangsleistung schneiden. In einem Niedrig- oder Schwachlastbereich wäre somit der Betrieb des zweiten Schaltwandlers 12 (Verlauf II) vorteilhaft, während in einem normalen oder Starklastbereich der Betrieb des ersten Schaltwandlers 11 (Verlauf I) vorteilhaft wäre.
-
Die
US 2010 / 0 164 450 A1 offenbart eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen einer hohen Effizienz in einer Stromversorgung über einen Bereich von Lastbedingungen. Die Vorrichtung umfasst ein Bedingungsmodul, das bestimmt, ob sich die Stromversorgung in einem Hochlastzustand oder einem Niedriglastzustand befindet. Ein Hochlastmodul stellt sicher, dass die Last Strom durch den Hochlast-Antriebsstrang des Netzteils erhält, wenn der Lastzustand der Hochlastzustand ist. Ein Niedriglastmodul stellt sicher, dass die Last Strom durch den Niedriglast-Antriebsstrang der Stromversorgung erhält, wenn der Lastzustand der Niedriglastzustand ist. Der Hochlast-Antriebsstrang ist auf Effizienz unter Bedingungen mit hoher Leistung optimiert, während der Niedriglast-Antriebsstrang auf Effizienz unter Bedingungen mit niedriger Leistung optimiert ist. Die Stromversorgung arbeitet somit mit dem effizientesten Antriebsstrang für die jeweiligen Lastbedingungen, wodurch der Nettowirkungsgrad der Stromversorgung verbessert wird.
-
Die
US 2005 / 0 168 163 A1 offenbart eine Stromquellenvorrichtung, die eine Boosterschaltung zum Hochsetzen einer Eingangsspannung auf eine gewünschte Ausgangsspannung, eine Starterschaltung zum Starten der Boosterschaltung in einer Startperiode und eine Treiberschaltung zum Treiben der Boosterschaltung als Ersatz für die Starterschaltung, nachdem die Ausgangsspannung der Boosterschaltung gleich oder größer als ein vorbestimmter Pegel wird, umfasst. Die Starterschaltung umfasst eine Startersignal-Erzeugungsschaltung zum Erzeugen eines Startersignals, das einen zum Hochsetzen in der Boosterschaltung verwendeten MOS-Transistor ein/ausschaltet, und eine Steuerschaltung, die detektiert, ob eine Überwachungsspannung in der Boosterschaltung größer als einem vorbestimmter Pegel entspricht, während der MOS-Transistor sich im eingeschalteten Zustand befindet, und das Ausgeben des Startersignals unterdrückt, wenn die Überwachungsspannung gleich oder größer als der vorbestimmte Pegel ist.
-
Die
DE 10 2013 107 768 A1 beschreibt eine Startschaltung für einen Leistungswandler, welche einen Eingang, einen an den Eingang gekoppelten ersten Spannungsregler und eine, an einen Ausgang des ersten Spannungsreglers gekoppelte Strombegrenzungsschaltung aufweist. Der Ausgang des ersten Spannungsreglers ist zur Bereitstellung eines ersten Spannungsniveaus an einen ersten Ausgang der Startschaltung gekoppelt und ein Ausgang der Strombegrenzungsschaltung ist zur Bereitstellung eines zweiten Spannungsniveaus an einen zweiten Ausgang der Startschaltung gekoppelt. Ferner kann der Ausgang des ersten Spannungsreglers über einen zweiten Spannungsregler an den ersten Ausgang der Startschaltung gekoppelt sein. Bei einem elektrischen Leistungswandler mit einer Startschaltung der genannten Art, einem Controller und zumindest einer Wandlerstufe mit zumindest einem Leistungsschalter ist der Controller über den ersten Ausgang der Startschaltung mit elektrischer Leistung versorgbar und das an dem zweiten Ausgang der Startschaltung bereitgestellte zweite Spannungsniveau ist zur selektiven Ansteuerung an den zumindest einen Leistungsschalter gekoppelt.
-
Zur Verbesserung der Energieeffizienz von Netzteilen offenbart die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2010 035 112 A1 eine Regelschaltung für ein Hilfsnetzteil, umfassend einen Regelkreis zur Regelung eines Spannungswandlers des Hilfsnetzteils über eine Regelgröße auf eine Sollspannung. Dabei umfasst der Regelkreis eine Zusatzschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Veränderung der Regelgröße beim Bereitstellen einer externen Spannung einer anderen Spannungsquelle an einem ersten Ausgang zur Abgabe der von dem Hilfsnetzteil erzeugten Spannung zu begrenzen, wenn die externe Spannung die Sollspannung des Hilfsnetzteils übersteigt.
-
Die bekannte Schaltung ermöglicht die Abgabe einer Versorgungsspannung zweier unterschiedlicher Schaltwandler an einem gemeinsamen Ausgang. Auf diese Weise kann eine verbraucherseitig erforderliche elektrische Leistung wahlweise von einem Hilfsnetzteil oder einem Hauptnetzteil bereitgestellt werden, so dass die jeweiligen Netzteile bevorzugt in einem Bereich mit verhältnismäßig großer Energieeffizienz betrieben werden können. In der bekannten Netzteilanordnung wird das Hilfsnetzteil durch eine Zusatzschaltung in einem aktiven Zustand gehalten, um einen plötzlichen Spannungseinbruch beim Abschalten des Hauptnetzteils zu verhindern.
-
Problematisch an der bekannten Schaltung ist unter anderem, dass sie einen verhältnismäßig hohen Schaltungsaufwand zu ihrer Implementierung bedarf. Zudem ist sie nicht mit allen üblichen Energieversorgungstopologien verwendbar. Insbesondere eignet sie sich nicht für Verbraucher die die Bereitstellung einer Betriebsspannung für einen normalen Betriebszustand und einer Hilfsspannung für einen Bereitschaftszustand auf gesonderten Leitungen erwarten.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Netzteilanordnung zu beschreiben, die eine einfache und effiziente Versorgung eines Verbrauchers mit einer erzeugten Ausgangsspannung in einem Schwachlastbereich ermöglicht. Bevorzugt soll die Netzteilanordnung eine besonders hohe Energieeffizienz über einen relativ breiten Ausgangsleistungsbereich aufweisen. Dabei soll die Netzteilanordnung einfach zu implementieren sein und sich für alle gängigen Energieversorgungstopologien eignen.
-
Die oben genannte Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Netzteilanordnung umfassend einen ersten Schaltwandler mit einer ersten Nennausgangsleistung und einen zweiten Schaltwandler mit einer zweiten Nennausgangsleistung offenbart. Dabei ist die zweite Nennausgangsleistung kleiner als die erste Nennausgangsleistung. Die Netzteilanordnung umfasst wenigstens einen Ausgang zum Bereitstellen wenigstens einer durch den ersten Schaltwandler und/oder den zweiten Schaltwandler erzeugten Ausgangsspannung für einen Verbraucher und einen Eingang zum Erfassen wenigstens eines Steuersignals von dem Verbraucher. Die Netzteilanordnung umfasst des Weiteren eine mit dem Eingang verbundene Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, beim Erfassen eines ersten Steuersignals zum Schalten der Netzteilanordnung in einen normalen Betriebszustand eine Startsequenz zum Aktivieren des ersten Schaltwandlers zu initiieren und bei Bereitstellung einer stabilen Ausgangsspannung durch den ersten Schaltwandler den zweiten Schaltwandler zu deaktivieren.
-
Die Netzteilanordnung gemäß dem ersten Aspekt macht sich ein von einem Verbraucher zur Verfügung gestelltes Steuersignal zunutze, um eine Startsequenz zum Aktivieren des ersten Schaltwandlers zu initiieren bevor ein zweiter Schaltwandler deaktiviert wird. Auf diese Weise kann eine sichere Stromversorgung durch einen der beiden Schaltwandler zu jedem Zeitpunkt sichergestellt werden, auch wenn der erste Schaltwandler einige Zeit benötigt, bis er eine stabile Ausgangsspannung bereitstellt. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Steuersignal um ein standardkonformes Steuersignal, insbesondere die Zurücknahme des Steuersignal PSOFF, mit dem ein Standard-PC kompatibles Netzteil in einen normalen Betriebszustand versetzt wird.
In wenigstens einer Ausgestaltung ist die Steuerschaltung des Weiteren dazu eingerichtet, beim Erfassen eines zweiten Steuersignals zum Schalten der Netzteilanordnung in einen Bereitschaftszustand eine Stoppsequenz zum Deaktivieren des ersten Schaltwandlers zu initiieren und vor einem Einbrechen der Ausgangsspannung des ersten Schaltwandlers den zweiten Schaltwandler zu reaktivieren. Beim Schalten des Verbrauchers in einen Bereitschaftszustand wird durch Erfassung eines korrespondierenden Steuersignals und Einleitung einer geeigneten Stoppsequenz sichergestellt, dass der zweite Schaltwandler reaktiviert wird, bevor die von dem ersten Schaltwandler zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung einbricht. Bevorzugt handelt es sich bei dem zweiten Steuersignal ebenfalls um ein standardkonformes Steuersignal, insbesondere das Setzen des Steuersignal PSOFF, mit dem ein Standard-PC Netzteil in einen Bereitschaftszustand geschaltet wird.
-
Bei beiden Übergängen macht sich die Steuerschaltung dem Verbraucher bekannte Informationen über zu erwartende Lastsprünge zunutze, um eine aufwändige, netzteilinterne Regelung zu vereinfachen oder ganz zu vermeiden.
-
In wenigstens einer Ausgestaltung enthält die Steuerschaltung eine mit einem Ausgang des ersten Schaltwandlers verbundene Spannungsüberwachungsschaltung. Die Spannungsüberwachungsschaltung ist dazu eingerichtet, ein drittes Steuersignal zu erzeugen, nachdem die Ausgangsspannung des ersten Schaltwandlers einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Durch eine derartige Spannungsüberwachungsschaltung kann das korrekte Hochfahren des ersten Spannungswandlers überwacht werden, so dass der zweite Schaltwandler unmittelbar nach Erreichen der gewünschten Ausgangsspannung deaktiviert werden kann. Zudem eignet sich ein derartiges Steuersignal zum Signalisieren der Einsatzbereitschaft der Netzteilanordnung an den damit verbundenen Verbraucher. Bevorzugt handelt es sich bei dem dritten Steuersignal ebenfalls um ein standardkonformes Steuersignal, insbesondere das Setzen des Steuersignal PowerGood, mit dem eine Initialisierung einer Systemkomponente eines Standard- PC eingeleitet wird.
-
In wenigstens einer Ausgestaltung umfasst die Steuerschaltung eine Sollspannungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, vor Bereitstellung des dritten Steuersignals eine Regelspannung des ersten Schaltwandlers unter eine vorbestimmte Regelspannung des zweiten Schaltwandlers abzusenken und bei Bereitstellung des dritten Steuersignals die Regelspannung des ersten Schaltwandlers über die vorbestimmte Regelspannung des zweiten Schaltwandlers anzuheben. Durch ein bevorzugt geringfügiges Vertrimmen der Regelspannung eines der beiden Schaltwandler kann sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt nur einer der beiden Schaltwandler die von dem Verbraucher aufgenommene Leistung erbringt. Somit kann ein sauberer Lastübergang von dem ersten Schaltwandler zu dem zweiten Schaltwandler und umgekehrt sichergestellt werden.
-
In wenigstens einer Ausgestaltung umfasst die Steuerschaltung eine Halteschaltung, die dazu eingerichtet ist, bei Bereitstellung einer stabilen Ausgangsspannung durch den ersten Schaltwandler einen vorgegebenen Regelzustand des zweiten Schaltwandlers zu halten. Durch das Halten eines vorgegebenen Regelzustands kann der zweite Schaltwandler besonders schnell wieder reaktiviert werden. Insbesondere kann er so eingestellt werden, dass er beim Abschalten des ersten Spannungswandlers zunächst seine volle Nennausgangsleistung erbringt, um ein Einbrechen einer bereitgestellten Spannung für den Verbraucher zu verhindern.
-
In wenigstens einer Ausgestaltung umfasst die Netzteilanordnung eine zwischen eine primäre Versorgungsspannung und einen Eingang des ersten Schaltwandlers geschaltete Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur. Dabei umfasst die Startsequenz ein Aktivieren der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur. Die Vorsehung einer Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur ist insbesondere bei leistungsfähigen Schaltwandlern, wie sie häufig bei Computernetzteilen Verwendung finden, zur Einhaltung gesetzlicher Normen bezüglich einer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erforderlich. Deren Aktivierung benötigt in der Regel einige Zeit, so dass ein dahinter geschalteter Schaltwandler nicht sofort gestartet werden kann. Durch Berücksichtigung dieses Einschaltverhaltens in der Startsequenz kann der zweite Schaltwandler so lange in einem aktiven Zustand gehalten werden, bis das Aktivieren der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur und des ersten Schaltwandlers abgeschlossen sind.
-
In wenigstens einer Ausgestaltung umfasst die Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur einen Hochsetzsteller zum Bereitstellten einer geregelten Zwischenspannung. Dabei ist der erste Schaltwandler nur mit der Zwischenspannung betreibbar, während der zweite Schaltwandler wahlweise mit der mit der gleichgerichteten und geglätteten primären Versorgungsspannung oder der Zwischenspannung betreibbar ist. Leistungsstarke Schaltwandler, wie etwa ein Hauptwandler eines Computernetzteils, arbeiten oftmals nur in einem verhältnismäßig kleinen Eingangsspannungsbereich, beispielsweise zwischen 300 bis 400 V, wie er beispielsweise von einem Hochsetzsteller einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung erzeugt wird. Dagegen sind verhältnismäßig leistungsschwache Schaltwandler, wie sie insbesondere zum Bereitstellen einer Hilfsspannung für ein Computersystem verwendet werden, über einen weiten Eingangsspannungsbereich betreibbar, beispielsweise zwischen 100 bis 400 Volt. Eine derartige Eingangsspannung kann beispielsweise mittels einem Diodengleichrichter und einem einfachen Glättungskondensator und somit ohne aktive Komponenten bereitgestellt werden. In dem Bereitschaftszustand kann die Netzteilanordnung daher bei deaktivierter Leistungsfaktorkorrekturschaltung betrieben werden, was zu einer weiteren Energieeinsparung führt.
-
In wenigstens einer Ausgestaltung umfasst die Netzteilanordnung einen ersten Ausgang zum Bereitstellen einer durch den ersten Schaltwandler erzeugten Ausgangsspannung als erste Gleichspannung und einen zweiten Ausgang zum Bereitstellen einer durch den zweiten Schaltwandler erzeugten Ausgangsspannung als zweite Gleichspannung. Die Netzteilanordnung umfasst des Weiteren eine Einkoppelschaltung, die dazu eingerichtet ist, bei Bereitstellen einer stabilen Ausgangsspannung durch den ersten Schaltwandler diese Ausgangsspannung an dem zweiten Ausgang als zweite Gleichspannung bereitzustellen. Etliche Energieversorgungstopologien sehen die gesonderte Bereitstellung einer ersten Gleichspannung, insbesondere einer Betriebsspannung für einen normalen Betrieb, und einer zweiten Gleichspannung, insbesondere einer Hilfsspannung für einen Bereitschaftsmodus, vor. Um den dauerhaften Betrieb des zweiten Schaltwandlers zum Bereitstellen der zweiten Gleichspannung zu vermeiden, kann der erste Schaltwandler in einem Normalbetrieb die Bereitstellung der zweiten Gleichspannung an dem zweiten Ausgang übernehmen.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Computersystem mit einer Systemkomponente und mit einer Netzteilanordnung gemäß dem ersten Aspekt offenbart. Dabei ist die Systemkomponente dazu eingerichtet, das erste Steuersignal für die Netzteilanordnung bereitzustellen, wenn das Computersystem eingeschaltet wird. Durch die Verwendung einer verbraucherseitigen Signalisierung, beispielsweise eines vom Benutzer manuell erzeugten Einschaltsignals oder eines von einer Systemkomponente zeit- oder ereignisgesteuert erzeugten Einschaltsignals, kann ein bevorstehender Betriebszustandswechsel an die Netzteilanordnung signalisiert werden, so dass diese einen kontrollierten Lastübergang von dem zweiten Schaltwandler auf den ersten Schaltwandler durchführen kann wie oben beschrieben.
-
In wenigstens einer Ausgestaltung sind die Systemkomponente und die Netzteilanordnung über wenigstens einen ersten Versorgungsanschluss zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für die Systemkomponente und über wenigstens einen zweiten Versorgungsanschluss zum Bereitstellen einer Hilfsspannung für die Systemkomponente miteinander verbunden. Dabei umfasst das Computersystem des Weiteren eine Schaltung, die dazu eingerichtet ist, die über den zweiten Versorgungsanschluss abgegebene Hilfsspannung der Systemkomponente als Betriebsspannung zuzuführen, wenn die Leistungsaufnahme der Systemkomponente die zweite Nennausgangsleistung unterschreitet. Durch die zusätzliche Schaltung auf Seiten der Systemkomponente kann der erste Schaltwandler der Netzteilanordnung im Betrieb des Computersystems abgeschaltet werden, falls die von dem zweiten Schaltwandler über den zweiten Anschluss bereitgestellte Hilfsspannung zum Betrieb des Computersystems ausreicht.
-
In wenigstens einer Ausgestaltung des Computersystems weist das Computersystem wenigstens einen Energiesparzustand mit einer Leistungsaufnahme auf, die die zweite Nennausgangsleistung nicht übersteigt, wobei das Computersystem dazu eingerichtet ist, nach Einnahme des Energiesparzustands eine Anforderung zum Schalten der Netzteilanordnung in einen Bereitschaftszustand an den ersten Steuereingang des Netzteils zu übermitteln, so dass die Versorgung des Computersystems in dem Energiesparzustand durch den zweiten Schaltwandler erfolgt. Durch eine derartige verbraucherseitige Signalisierung kann die Netzteilanordnung in dem Bereitschaftszustand betrieben werden, ohne dass die Gefahr einer plötzlichen Leistungszunahme auf Seiten des Computersystems besteht.
-
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Betriebsverfahren für ein Computersystem mit einer Netzteilanordnung umfassend einen ersten Schaltwandler mit einer ersten Nennausgangsleistung und einem zweiten Schaltwandler mit einer zweiten Nennausgangsleistung offenbart. Dabei ist die zweite Nennausgangsleistung kleiner als die erste Nennausgangsleistung. Das Betriebsverfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Aktivieren des zweiten Schaltwandlers in einem Bereitschaftszustand des Computersystems zum Bereitstellen einer Hilfsspannung für das Computersystem,
- - Erfassen eines ersten Steuersignals zum Schalten des Computersystems in einen normalen Betriebszustand,
- - Initiieren einer Startsequenz zum Aktivieren des ersten Schaltwandlers bei Erfassen des ersten Steuersignals und
- - Deaktivieren des zweiten Schaltwandlers bei Bereitstellung einer stabilen Ausgangsspannung durch den ersten Schaltwandler.
-
Das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt ermöglicht die Verwirklichung der oben bezüglich des ersten und zweiten Aspekts genannten Vorteile. Insbesondere kann durch Auswertung standardkonformer Steuersignale, wie beispielsweise eines Einschaltsignals und eines Bereitschaftssignals, eine kontrollierte Umschaltung zwischen dem zweiten Schaltwandler und dem ersten Schaltwandler durchgeführt werden.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den angehängten Patentansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen offenbart.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angehängten Figuren im Detail beschrieben. In den Figuren zeigen:
- 1 eine bekannte Netzteilanordnung mit zwei unabhängigen Schaltwandlern,
- 2 die Energieeffizienz von zwei Schaltwandlern in Abhängigkeit ihrer Ausgangsleistung,
- 3 eine schematische Darstellung einer ersten Netzteilanordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
- 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Netzteilanordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
- 5 einen Schaltplan gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung und
- 6 den zeitlichen Verlauf verschiedener Spannungen und Steuersignale in der Schaltung gemäß 5.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Netzteilanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei der Netzteilanordnung gemäß 3 werden zwei voneinander weitgehend unabhängige, aber gleich große Versorgungsspannungen von zwei Schaltwandler 11 und 12 über zwei korrespondierende Ausgänge 13 und 14 einem Verbraucher 20 zur Verfügung gestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung der zugehörigen Regelkreise der Schaltwandler 11 und 12 verzichtet.
-
Die Netzteilanordnung 10 umfasst des Weiteren eine Eingangsschaltung 21 zum Gleichrichten und gegebenenfalls Filtern einer primären Netzwechselspannung AC in eine Zwischenspannung Prim-DC. Die Zwischenspannung Prim-DC wird sowohl dem ersten Schaltwandler 11 als auch dem zweiten Schaltwandler 12 zur Verfügung gestellt. Die Schaltwandler 11 und 12 wandeln die Zwischenspannung Prim-DC in eine sekundäre Ausgangsspannung DC1-out beziehungsweise DC2-out um, die über die Ausgänge 13 und 14 dem Verbraucher 20 als Gleichspannungen Vmain bzw. Vaux zur Verfügung gestellt wird. Im Ausführungsbeispiel wird über den ersten Ausgang 13 eine geregelte Gleichspannung Vmain für einen Normalbetriebszustand des Verbrauchers 20 mit einer maximalen Leistung von 250 W zur Verfügung gestellt. Über den zweiten Ausgang 14 wird dagegen eine geregelte Gleichspannung Vaux für einen Bereitschaftszustand des Verbrauchers 20 mit einer maximalen Leistung von 40 W zur Verfügung gestellt.
-
Um sicherzustellen, dass dem Verbraucher 20 über wenigstens einen der Ausgänge 13 und 14 jeweils eine Betriebsspannung zur Verfügung gestellt wird, umfasst die Netzteilanordnung 10 des Weiteren eine Steuerschaltung 22. Die Steuerschaltung aktiviert und deaktiviert die Schaltwandler 11 und 12 gemäß vorbestimmten Umschaltsequenzen. Bei Bedarf steuert sie auch die Eingangsschaltung 21 an. Insbesondere kann sie die Eingangsschaltung 21 vor einem Starten des ersten Schaltwandlers 11 aktivieren und bei einem Abschalten des ersten Schaltwandlers 11 deaktivieren, wie später ausgeführt.
-
Nach Anschließen der Netzteilanordnung 10 an die Netzwechselspannung AC ist der erste Schaltwandler 11 zunächst deaktiviert und der zweite Schaltwandler 12 ist aktiviert und stellt die DC2-out über den zweiten Anschluss 14 als Hilfsspannung Vaux für den Verbraucher 20 zur Verfügung. Fordert daraufhin der Verbraucher 20 durch Bereitstellen eines entsprechenden Steuersignals, im Ausführungsbeispiel einem Einschaltsignal PSON, den Wechsel in einen normalen Betriebszustand an, signalisiert die Steuerschaltung 22 dem ersten Schaltwandler 11 eine entsprechende Startsequenz. Beispielsweise kann ein Regelkreis des ersten Schaltwandlers 11 hochgefahren werden, bis die Gleichspannung Vmain am ersten Ausgang 13 einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Erst danach deaktiviert die Steuerschaltung 22 den zweiten Schaltwandler 12. Das Erreichen der vollen Ausgangsspannung DC1-out an seinem Ausgang kann von dem ersten Schaltwandler 11 mittels eines entsprechenden Steuersignals, im Ausführungsbeispiel einem Bereitschaftssignal PowerGood, an die Steuerschaltung 22 signalisiert werden. Alternativ kann die Steuerschaltung 22 das Erreichen der vollen Ausgangsspannung DC1-out auch basierend auf einer bekannten Charakteristik des ersten Schaltwandlers 11 abschätzen. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 22 davon ausgehen, dass der erste Schaltwandler 11 nach einer vorbestimmten Anlaufzeit, beispielsweise 300 ms, die benötigte Gleichspannung Vmain basierend auf der ersten Ausgangsspannung DC1-out am ersten Ausgang 13 bereitstellt und den zweiten Schaltwandler 12 abschalten.
-
Optional signalisiert die Steuerschaltung 22 das Erreichen der Ausgangsspannung DC1-out an den Verbraucher 20. Beispielsweise kann das von dem ersten Schaltwandler 11 erzeugte Bereitschaftssignal PowerGood an den Verbraucher 20 weitergeleitet werden. Insbesondere bei Standard-PCs wird ein derartiges Bereitschaftssignal standardmäßig an eine Systemkomponenten übertragen. Erzeugt der Schaltwandler 11 kein derartiges Signal kann ein entsprechendes Steuersignal nach einer vorbestimmten Anlaufzeit auch durch die Steuerschaltung 22 selbst erzeugt werden. Über das Bereitschaftssignal PowerGood können auch weitere Ereignisse signalisiert werden. Beispielsweise können der erste Schaltwandler 11, die Eingangsschaltung 21 oder die Steuerschaltung 22 das Bereitschaftssignal PowerGood zurücknehmen, wenn ein Ausfall der primären Netzspannung detektiert wird.
-
Der Verbraucher 20 kann nach Erhalt des Bereitschaftssignals oder dem Abwarten einer vorbestimmten Zeitspanne selbsttätig weitere Schritte einleiten, um in einen normalen Betriebszustand zu wechseln. Beispielsweise kann ein sogenannter Sequencing-Controller einen Prozessor einer Systemkomponente mit einer Betriebsspannung versorgen, sobald das Bereitschaftssignal PowerGood über den ersten Anschluss 13 bereitgestellt wird. Das genaue Verhalten des Verbrauchers 20 ist für das weitere Verständnis der Erfindung nicht wesentlich und wird daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
-
Bei einem umgekehrten Betriebszustandswechsel, also dem Wechsel von einem normalen Betriebszustand in einen Bereitschaftszustand, signalisiert dies der Verbraucher 20 durch Senden eines entsprechenden weiteren Steuersignals, im Ausführungsbeispiel ein Ausschaltsignal PSOFF, an die Steuerschaltung 22.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass das Ausschaltsignal PSOFF über dieselbe Steuerleitung wie das Einschaltsignal PSON gesendet werden kann. Insbesondere bei PC-kompatiblen Netzteilen ist standardmäßig eine Steuerleitung zwischen Netzteil und Systemkomponente vorgesehen, die ein Netzteil bei Anliegen eines hohen Signalpegels in einem Bereitschaftszustand hält und bei Anliegen eines niedrigen Signalpegels in einen normalen Betriebszustand hält. Der eigentliche Wechsel zwischen den Betriebszuständen wird dabei durch die dazwischenliegenden Flanken signalisiert. Je nach Betrachtungsrichtung der Signalleitung und deren Signalbelegung wird diese teilweise als PS_ON_LOW, PS_ON_HIGH, PS_OFF_LOW oder PS_OFF_HIGH bezeichnet, wobei beispielsweise die Bezeichnungen PS_ON_LOW und PS_OFF_HIGH denselben Zustand bezeichnen. Zur Vermeidung von Verwechslungen werden in dieser Beschreibung, soweit nicht anders angegeben, die Begriffe PSON und PSOFF verwendet, um einen niedrigen bzw. einen hohen Zustand dieser Steuerleitung zu kennzeichnen.
-
Durch den Wechsel in den Bereitschaftszustand fällt die Leistungsaufnahme des Verbrauchers 20 stark ab, so dass der erste Schaltwandler 11 abgeschaltet werden kann. Die Steuerschaltung 22 reaktiviert daraufhin sofort den zweiten Schaltwandler 12, während eine entsprechende Stoppsequenz zum Deaktivieren des ersten Schaltwandlers 11 eingeleitet wird. Mit Einleiten der Stoppsequenz, spätestens mit dem tatsächlichen Abfallen der ersten Gleichspannung Vmain, wird ein eventuelles Steuersignal zum Anzeigen der Bereitschaft des ersten Schaltwandlers 11 zurückgenommen.
-
Durch die explizite Signalisierung von dem Verbraucher 20 an die Steuerschaltung 22 über entsprechende Steuersignale PSON und PSOFF kann die Netzteilanordnung 10 zu jedem Zeitpunkt in einem optimalen Betriebszustand betrieben werden, ohne dass die Stromversorgung des Verbrauchers 20 gefährdet wird. Hierdurch kann insbesondere ein unnötiger Parallelbetrieb der zwei Schaltwandler 11 und 12 vermieden werden, so dass die Energieeffizienz der Netzteilanordnung 10 insgesamt erhöht wird.
-
4 zeigt eine zweite Netzteilanordnung 10 gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung. Die zweite Netzteilanordnung 10 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die erste Netzteilanordnung gemäß 3. Die bereits bezüglich der 3 beschriebenen Komponenten werden daher an dieser Stelle nicht erneut beschrieben. Insoweit wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
-
Abweichend von der Netzteilanordnung 10 gemäß 3 werden die erste Ausgangsspannung DC1-out des ersten Schaltwandlers 11 sowie die zweite Ausgangsspannung DC2-out des zweiten Schaltwandlers 12 an einem Knotenpunkt 18 zusammengeführt und dem Verbraucher 20 über einen gemeinsamen Ausgang 19 als Versorgungsspannnung Vcc zugeführt. Zum Verhindern einer gegenseitigen Beeinflussung der Schaltwandler 11 und 12 dient in der Ausgestaltung gemäß 4 eine Einkoppelschaltung 23. Ein Beispiel einer möglichen Einkoppelschaltung wird später unter Bezugnahme auf die 5 erläutert.
-
Des Weiteren offenbart die Anordnung gemäß 4 eine in die Steuerschaltung 22 integrierte Spannungsüberwachungsschaltung 24, die die ausgangsseitige Gleichspannung Vmain des ersten Schaltwandlers 11 überwacht. Dementsprechend wird in der Anordnung gemäß 4 ein Bereitschaftssignal PowerGood direkt von der Spannungsüberwachungsschaltung 24 an die Steuerschaltung 22 und den Verbraucher 20 geschickt, sodass diesbezüglich kein entsprechender Steuerausgang des ersten Schaltwandlers 11 erforderlich ist.
-
5 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Netzteilanordnung 10 mit einem zugehörigen Verbraucher 20 gemäß einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung. Bei dem Verbraucher 20 handelt es sich insbesondere um eine Systemkomponente eines Computersystems.
-
Die Netzteilanordnung 10 gemäß 5 umfasst eine Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur 25, einen ersten Schaltwandler 11 mit einem ersten Regelkreis 16, einen zweiten Schaltwandler 12 mit einem zweiten Regelkreis 17 sowie eine Logikschaltung 26 zur Ansteuerung der übrigen Komponenten der Anordnung 10. Die Logikschaltung 26 kann zum Beispiel durch ein Steuerprogramm für einen Mikrocontroller einer Netzteilsteuerung oder als IC oder ASIC zur Betriebssteuerung komplexer Schaltungsanordnungen implementiert werden.
-
Durch die Logikschaltung 26 wird ein von einem Verbraucher 20 zur Verfügung gestelltes Steuersignal zum Einschalten beziehungsweise Abschalten des ersten Schaltwandlers 11, im Ausführungsbeispiel das Einschaltsignal PSON, ausgewertet. In Reaktion auf das Einschaltsignal PSON stellt die Logikschaltung 26 verschiedene Steuersignale für die weiteren Komponenten der Anordnung 10, insbesondere zum Ansteuern der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur 25 sowie von Transistoren M2a bis M2d zur Verfügung. Darüber hinaus liefert die Logikschaltung 26 ein weiteres Steuersignal, im Ausführungsbeispiel das Bereitschaftssignal PowerGood zurück an den Verbraucher 20.
-
Die Schaltung gemäß 5 macht von dem Umstand gebrauch, dass die zwei Schaltwandler 11 und 12 mit unterschiedlichen Nennleistungen ihr Wirkungsgradmaximum bei unterschiedlicher Ausgangsleistung haben. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, werden die beiden Schaltwandler 11 und 12 daher derart miteinander verschaltet, dass zu fast jedem Zeitpunkt nach Möglichkeit nur einer der Schaltwandler 11 oder 12 aktiv ist. Der andere Schaltwandler 12 beziehungsweise 11 wird zu diesem Zeitraum in einem Zustand gehalten, in dem er möglichst wenig Strom verbraucht.
-
Eine Diode D1 verbindet einen Ausgang des ersten Schaltwandlers 11 zum Bereitstellen der sekundären Ausgangsspannung DC1-out mit dem zweiten Ausgang 14 zur Bereitstellung der zweiten Gleichspannung Vaux. Der zweite Schaltwandler 12 kann somit in einem normalen Betriebszustand des Verbrauchers 20 abgeschaltet werden, was gleichzeitig zu einer besseren Auslastung des ersten Schaltwandlers 11 führt. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Netzteilanordnung 10 bezüglich der Erzeugung der Gleichspannung Vaux an dem Ausgang 14 erhöht, in dem diese Gleichspannung bei Betrieb des ersten Schaltwandlers 11 von diesem erzeugt wird.
-
Wenn der Verbraucher 20, insbesondere die mit der Netzteilanordnung 10 verbundener Systemkomponente eines Personal Computers, in einen Betriebszustand mit besonders niedriger Leistungsaufnahme geht, schaltet er selbstständig den ersten Schaltwandler 11 und zusätzlich die Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur 25 ab und den zweiten Schaltwandler 12 ein. Als externes Umschaltsignal für die Netzteilanordnung 10 wird das standardmäßig vorhandene Einschaltsignal PSON des Personal Computers verwendet, das normalerweise dazu dient, ein elektronisch gesteuertes Netzteil ein- beziehungsweise auszuschalten.
-
Das Ein- beziehungsweise Ausschalten eines leistungsstarken Schaltwandlers, wie insbesondere des Schaltwandlers 11, erfolgt allerdings nicht sehr schnell, sondern mit einer gewissen Verzögerung. Die Verzögerung wird unter anderem durch eine Entprellung des Einschaltsignals PSON und die benötigte Zeit zum Hochfahren der vorgeschalteten Schaltung 25 zur Leistungsfaktorkorrektur sowie des Schaltwandlers 11 selbst verursacht.
-
In der Schaltung gemäß 5 werden die Transistoren M2a, M2b und M2c erst mit dem PowerGood-Signal des Schaltwandlers 11 eingeschaltet, damit der startende Schaltwandler 11 nicht zu früh belastet wird. Der Schaltwandler 12 startet und stoppt aufgrund der Transistoren M2a, M2b und M2c wie später im Einzelnen erläutert sehr schnell, während der Schaltwandler 11 mit seiner zugehörigen Steuerschaltung nur relativ langsam auf das Einschaltsignal PSON reagiert.
-
Um beim Einschalten und Abschalten des Schaltwandlers 11 keine Kollision mit der Steuerung des Schaltwandlers 12 zu verursachen, ist in der Schaltung gemäß 5 ein vierter Transistor M2d vorgesehen, der eine Trimmung der ersten Ausgangsspannung DC1-out des Schaltwandlers 11 nach oben verschiebt, wenn der Schaltwandler 11 den Ausgangsstrom am Ausgang 14 übernehmen soll. Dagegen verschiebt der Transistor M2d die Ausgangsspannung DC1-out des Schaltwandlers 11 nach unten, wenn der zweite Schaltwandler 12 den Ausgangsstrom am Ausgang 14 übernehmen soll. Dadurch wird verhindert, dass es bei dem durch die Schaltung verursachten, kurzzeitig gleichzeitigem Betrieb der Schaltwandler 11 und 12 dem Zufall überlassen bleibt, welcher Schaltwandler 11 oder 12 den Strom am zweiten Ausgang 14 bereitstellt und welcher zugehörige Regelkreis 16 oder 17 aufgrund der kurzzeitigen Überlappung wegen der Parallelschaltung herunter regelt.
-
Im Detail arbeitet die Umschaltung gemäß 5 folgendermaßen. Am Anfang startet der Schaltwandler 12 zum Bereitstellen einer Gleichspannung Vaux am zweiten Ausgang 14. Im beschriebenen Anwendungsfall eines Personal Computers handelt es sich bei dem Schaltwandler 12 um einen sogenannten Hilfswandler zum Bereitstellen einer Hilfsspannung Vaux in einen Bereitschaftszustand, wie insbesondere dem ACPI S5-Zustand (Englisch: „soft off“). Dabei liefert der Schaltwandler 12 sofort nach Anschluss der Netzteilanordnung 10 an eine primäre Netzwechselspannung AC die Hilfsspannung am Ausgang Vaux. Zum Einschalten des Verbrauchers 20 wird eine Steuerleitung dauerhaft auf einen niedrigen logischen Pegel entsprechend dem Steuersignal PSON geschaltet. Das Bereitschaftssignal PowerGood, das die volle Verfügbarkeit des ersten Schaltwandlers 11 anzeigt, ist zu diesem Zeitpunkt noch auf einem niedrigen logischen Pegel. Dementsprechend sind die Transistoren M2a, M2b, M2c und M2d ausgeschaltet. Der zweite Schaltwandler 12 arbeitet in diesem Zustand normal, zum Beispiel stellt er eine Nennausgangsspannung DC2-out von 12 Volt am Ausgang 14 als zweite Gleichspannung Vaux bereit.
-
Erkennt die Logikschaltung 26 das Einschaltsignal PSON, startet sie die Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur 25. Beispielsweise umfasst die Schaltung 25 einen Hochsetzsteller (englisch: „boost converter“) zum Umwandeln einer gleichgerichteten, pulsierenden Eingangsspannung RectifiedDC in eine geregelte Zwischenspannung Prim-DC. Hierzu wird im Ausführungsbeispiel das Steuersignal PSONprim verwendet. Der Startvorgang der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur 25 dauert im Ausführungsbeispiel etwa 20 ms. Nachfolgend signalisiert die Schaltung 25 mit dem Signal PrimOK dem ersten Schaltwandler 11, dass er starten soll. Der Startvorgang des Schaltwandlers 11 dauert wieder circa 20 ms, bis an dessen Ausgang die angeforderte Ausgangsspannung DC1-out von beispielsweise 12 Volt bereitsteht. Circa weitere 300 ms später wird die Betriebsbereitschaft des Schaltwandlers 11 durch das Steuersignal PowerGood an den Verbraucher 20 signalisiert. Dieses Signal dient verbraucherseitig beispielsweise dazu, ein RESET-Signal einzelner Komponenten freizugeben und somit deren korrekte Initialisierung sicherzustellen
-
Neben der Signalisierung der ersten sekundären Gleichspannung Vmain wird das Steuersignal PowerGood des Weiteren intern in der Netzteilanordnung 10 verwendet, um die Umschaltung der zweiten sekundären Gleichspannung Vaux von dem zweiten Spannungswandler 12 auf den ersten Spannungswandler 11 abzuschließen. Hierzu umfasst die Schaltung gemäß 5 einen ersten Widerstandsteiler umfassend die Widerstände R2, R1 und Rshift, der die Ausgangsspannung DC1-out des ersten Schaltwandlers 11 an den zugehörigen Regelkreis 16 meldet. Durch Ansteuerung des Transistors M2d durch das Bereitschaftssignal PowerGood wird die Regelspannung des Steuerkreises 16 vertrimmt. Im ausgeschalteten Zustand des Transistors M2d ist der Schaltwandler 11 auf eine niedrigere Sollspannung eingestellt als der Schaltwandler 12, zum Beispiel auf eine Sollspannung von 11,9 Volt. Im eingeschalteten Zustand des Transistors M2d ist die Sollspannung des Schaltwandlers 11 auf einen höheren Wert eingestellt als die von dem zweiten Schaltwandler 12, zum Beispiel auf eine Sollspannung von 12,1 Volt. Daher startet der erste Schaltwandler 11 und stellt sich zunächst auf einer Ausgangsspannung DC1-out von 11,9 Volt ein, also 100 mV niedriger als die Sollspannung der zu diesem Zeitpunkt noch arbeitenden Schaltwandlers 12. Nachdem das Bereitschaftssignal PowerGood nach circa 300 ms auf einen logisch hohen Zustand wechselt, wird der Transistor M2d eingeschaltet, und der erste Schaltwandler 11 erhöht seine Ausgangsspannung DC1-out von 11,9 auf 12,1 Volt und übernimmt somit die Last von dem zweiten Schaltwandler 12. Zeitgleich wird der Schaltwandler 12 durch Aktivierung der Transistoren M2a, M2b und M2c abgeschaltet.
-
Die Abschaltung des zweiten Schaltwandlers 12 erfolgt dabei folgendermaßen: Die Transistoren M2a, M2b und M2c werden wie oben beschrieben eingeschaltet. Der Transistor M2c bewirkt eine Erhöhung eines Optokopplerstroms durch einen Optokoppler U4 auf einen Wert, der den Ausgangsstrom des zweiten Schaltwandlers 12 sofort auf null drosselt. Die Spannung an der Kathode einer regelbaren Z-Diode U2, im Ausführungsbeispiel einer Z-Diode vom Typ TL431, wird mit Hilfe des Transistors M2a zum gleichen Zeitpunkt angehoben und durch den Transistor M2b, einen Widerstand R17 und einen Widerstand R14 auf einen einstellbaren Wert gebracht. In diesem Zustand wird ein Kondensator C3 auf einen definierten Wert aufgeladen und in diesem Zustand gehalten.
-
Soll der Verbraucher 20 in einen Zustand mit niedriger Leistungsaufnahme, insbesondere einem Bereitschaftszustand geschaltet werden, wird dies erneut über das Einschaltsignal PSON bzw. ein korrespondierendes Ausschaltsignal PSOFF angezeigt. In diesem Fall soll ein umgekehrter Lastwechsel der über den zweiten Ausgang 14 bereitgestellten Gleichspannung Vaux erfolgen, das heißt von dem ersten Schaltwandler 11 auf den zweiten Schaltwandler 12.
-
Hierzu leitet die Logikschaltung 26 die Abschaltung des ersten Schaltwandlers 11 durch Zurücknahme des entsprechenden Steuersignals PSONprim ein. Bei der Abschaltung des ersten Schaltwandlers 11 in Reaktion auf das Steuersignal PSONprim wird relativ schnell das Bereitschaftssignal PowerGood auf einen logisch niedrigen Pegel gezogen. Erst eine Weile danach wird der erste Schaltwandler 11 tatsächlich abgeschaltet. Parallel dazu schaltet der zweite Schaltwandler 12 ohne nennenswerte Verzögerung mit dem voreingestellten Startwert der Regelschleife des zweiten Regelkreises 17 ein. Damit es dabei nicht zu einem Konflikt zwischen den beiden Schaltwandlern 11 und 12 kommt, wird die Ausgangsspannung DC1-out von Netzteil 1 wie oben beschrieben gleichzeitig durch den Transistor M2d abgesenkt, zum Beispiel um 200 mV.
-
Das Einschalten des zweiten Schaltwandlers 12 erfolgt dabei folgendermaßen: Die Transistoren M2a, M2d und M2c schalten aus. Der Transistor M2c schaltet dabei den erhöhten Optokopplerstrom durch den Optokoppler U3 ab. Die Transistoren M2a und M2b werden abgeschaltet, so dass sich die Spannung an der Kathode der regelbaren Z-Diode U2 mit Hilfe des vorgeladenen Kondensators C3 sehr schnell auf einen definierten Startwert zum Erzeugen einer Ausgangsspannung DC2-out von 12 Volt einstellt. Der Schaltwandler 12 startet damit ohne nennenswerte Verzögerung, d.h. im Bereich von einer Millisekunde oder weniger.
-
Anstelle der regelbaren Z-Dioden U1 und U2 werden in einer alternativen Ausgestaltung der Schaltung Operationsverstärker mit separat bereitgestellten Referenzspannungen Vref_1a und Vref_2a gemäß 1 eingesetzt. Des Weiteren ist es möglich, die Transistoren M2a bis M2d durch CMOS-Umschalter oder durch bipolare Transistoren zu ersetzen.
-
Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist auf Seite des Verbrauchers 20 ein Schalter SW1 vorgesehen, der zu einer netzteil-externen Parallelschaltung der Ausgänge 13 und 14 dient. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel befindet sich der Schalter SW1 beispielsweise auf der Systemkomponente des Verbrauchers 20, insbesondere auf einer Hauptplatine eines Personal Computers. Der Schalter SW1 kann beispielsweise durch zwei antiparallel geschaltete Leistungs-MOSFETs verwirklich werden.
-
Durch den Schalter SW1 wird die Speisung einer normalen Betriebsspannung Vmain des Verbrauchers 20 durch den leistungsschwächeren Schaltwandler 12 ermöglicht. Der Schalter SW1 wird dabei durch den Verbraucher 20 selbst, insbesondere eine Energieverwaltungskomponente des Personal Computers, angesteuert. Zum besseren Verständnis der damit verbundenen Umschaltvorgänge sind in der 6 einzelnen Signale und Spannungen der Netzteilanordnung 10 sowie des Verbrauchers 20 gemäß 5 dargestellt.
-
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel dient der Schalter SW1 dazu, den Personal Computer in einem Betriebszustand mit niedriger Leistungsaufnahme aber immer noch laufendem Prozessor mit einer Ausgangsspannung DC2-out des zweiten Schaltwandlers 12 der Netzteilanordnung 10 zu versorgen. Bei dem Betriebszustand kann es sich beispielsweise um einen sogenannten Abwesenheitsmodus handeln. Der Abwesenheitsmodus wird auch als sogenannter „Low Power Active Mode“ (LPAM) bezeichnet und stellt einen zusätzlichen, im ACPI-Standard nicht explizit vorgesehenen Unterzustand des normalen Betriebszustands S0 dar. Die technische Umsetzung eines derartigen Abwesenheitsmodus ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift
DE 10 2013 106 699 B3 beschrieben, auf deren Inhalt insoweit Bezug genommen wird.
-
Zunächst befindet sich der Verbraucher 20 in einem normalen Betriebszustand, beispielsweise dem ACPI-Zustand S0. In diesem Zustand befindet sich der erste Schaltwandler 11 in einem normalen Betriebszustand, während der zweite Schaltwandler 12 deaktiviert ist bzw. in einem Bereitschaftszustand gehalten wird.
-
Zum Zeitpunkt t1 fordert eine Energiesparkomponente, beispielsweise eine Softwarekomponente eines Betriebssystem eines Personal Computers, mittels eines niedrigen Signalpegels eines Steuersignals EN_LPAM_LOW die Einnahme des Abwesenheitsmodus an. Durch verschiedene hard- und softwaremäßig eingeleitete Energiesparmaßnahmen fällt die Leistungsaufnahme des Verbrauchers 20 nachfolgend unter die Nennausgangsleistung des zweiten Schaltwandlers 12 ab. Nach einer kurzen Verzögerung signalisiert der Verbraucher 20 der Netzteilanordnung 10, sich in einen Bereitschaftszustand zu schalten. Hierzu wird das Steuersignal PSOFF verwendet, das normalerwiese zum Schalten eines Personal Computers in dem ACPI S5-Zustand dient.
-
Als Reaktion darauf nimmt die Logikschaltung 26 das Bereitschaftssignal PowerGood zum Zeitpunkt t2 zurück, noch bevor die von dem ersten Schaltwandler 11 bereitgestellte Ausgangsspannung DC1-out einbricht. Es wird darauf hingewiesen, dass der in der 6 dargestellte Verlauf der Ausgangsspannung DC1-out eine etwaige Rückkoppelung über den Schalter SW1 und den Ausgang 13 zurück zum ersten Schaltwandler unberücksichtigt lässt und es sich somit um eine gedachte bzw. interne Spannung des ersten Spannungswandlers 11 handelt.
-
Praktisch zeitgleich mit der Rücknahme des Bereitschaftssignals PowerGood erzeugt der Verbraucher 20 ein weiteres Steuersignal EN_SW1_HIGH, mit dem der Schalter SW1 eingeschaltet wird. Über den Schalter SW1 wird daraufhin die über den zweiten Versorgungsausgang 14 bereitgestellte Hilfsspannung Vaux auf die verbraucherseitigen Versorgungsleitung zur Bereitstellung der Betriebsspannung Vmain geschaltet, so dass der Prozessor und sonstige Komponenten des Personal Computers weiter und ohne Unterbrechung mit einer Betriebsspannung Vmain versorgt werden.
-
Da der Verbraucher 20 seine maximale Aufnahmeleistung in dem Abwesenheitsmodus kennt beziehungsweise selbst kontrolliert, kann er vor dessen Beendigung rechtzeitig durch erneutes Erzeugen des Einschaltsignals PSON den ersten Schaltwandler 11 aktivieren, um eine größere Leistungsaufnahme in einem Normalbetrieb des Personal Computers zu ermöglichen.
-
In der 6 nimmt die Energiesparkomponente zum Zeitpunkt t3 daher das Steuersignal EN_LPAM_LOW zurück. Nachfolgend signalisiert der Verbraucher 20 der Netzteilanordnung 10 durch das Steuersignal PSON, dass der erste Schaltwandler 11 gestartet werden soll. Daraufhin steigt die Spannung DC1-out am Ausgang des ersten Schaltwandlers an, noch bevor die Logikschaltung 26 das Bereitschaftssignal PowerGood bereitstellt.
-
Mit Bereitstellung des Bereitschaftssignal PowerGood nimmt der Verbraucher 20 das Steuersignal ENSW1_HIGH zurück, so dass die sekundärseitige Verbindung der beiden Ausgänge 13 und 14 bzw. der verbraucherseitigen Versorgungsleitungen zum Bereitstellen der der normalen Betriebsspannung Vmain und der Hilfsspannung Vaux aufgehoben wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Netzteilanordnung
- 11
- erster Schaltwandler
- 12
- zweiter Schaltwandler
- 13
- erster Ausgang
- 14
- zweiter Ausgang
- 15
- Eingang
- 16
- erster Regelkreis
- 17
- zweiter Regelkreis
- 18
- Knotenpunkt
- 19
- gemeinsamer Ausgang
- 20
- Verbraucher
- 21
- Eingangsschaltung
- 22
- Steuerschaltung
- 23
- Einkoppelschaltung
- 24
- Spannungsüberwachungsschaltung
- 25
- Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur
- 26
- Logikschaltung
- C1 - C4
- Kondensator
- D1 - D2
- Diode
- R1 - R18
- Widerstand
- Rshift
- Widerstand
- Rshunt
- Strommesswiderstand
- M1a - M1d
- Transistor
- U1, U2
- regelbare Z-Diode
- U3, U4
- Optokoppler
- SW1
- Schalter
- AC
- Netzwechselspannung
- DC1-out
- erste Ausgangsspannung
- DC2-out
- zweite Ausgangsspannung
- Prim-DC
- Zwischenspannung
- Vmain
- Versorgungsspannung
- Vmain
- erste Gleichspannung (Betriebsspannung)
- Vaux
- zweite Gleichspannung (Hilfsspannung)
- Vref_1a
- erste Referenzspannung
- Vref_2a
- zweite Referenzspannung
- PowerGood
- Bereitschaftssignal
- PSOFF
- Ausschaltsignal
- PSON
- Einschaltsignal
- PSONprim
- Steuersignal
- PrimControl-1
- Steuersignal
- PrimControl-2
- Steuersignal
- PrimOK
- Signal
