DE102021103720A1 - Spannungsversorgungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinrichtung (10) für ein Gerät (11), das über eine Busleitung (12) mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Die Spannungsversorgungseinrichtung (10) hat eine Eingangsstufe (14), die eine Versorgungsspannung (UV) in eine erste Gleichspannung (U1) umwandelt. Ein Gleichspannungswandler (20) wandelt die erste Gleichspannung (U1) in eine Ausgangsgleichspannung (UG). Der Gleichspannungswandler (20) ist insbesondere ein Hochsetzsteller. Der Gleichspannungswandler (20) hat eine Wandlersteuerschaltung, einen ansteuerbaren Wandlerschalter, eine Messschaltung und einen Spannungsregler. Dem Spannungsregler wird ein Spannungsmesswert mittels der Messschaltung übermittelt, der die Ausgangsgleichspannung beschreibt. Mittels einer Anlaufsteuerung kann der dem Spannungsregler zurückgeführte Spannungsmesswert manipuliert werden, um während eines Einschaltvorgangs die Leistungsaufnahme bzw. die Stromaufnahme des Gleichspannungsreglers zu beschränken.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinrichtung für ein an eine Busleitung anschließbares Gerät. Das Gerät kann mittels der Spannungsversorgungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden, die über die Busleitung bereitgestellt wird. Bei der Busleitung kann es sich beispielsweise um eine Ethernet-Leitung handeln. Die Energieversorgung entspricht beispielsweise dem PoE-Standard, wobei PoE für „Power over Ethernet“ steht, oder einem anderen Standard, bei dem elektrische Leistung über eine Daten- oder Kommunikationsverbindung bereitgestellt wird. Das Gerät ist ein Energieverbraucher bzw. eine Energiesenke und vorzugsweise keine Energiequelle. Bei dem Gerät kann es sich also beispielsweise um ein sogenanntes „Powered Device (PD)“ handeln.
• EP 3 178 196 B1 beschreibt ein Gerät („Powered Device (PD)“), welches das Durchschleusen der Versorgungsspannung an einen Ausgangsanschluss ermöglicht, sobald das Gerät vollständig mit Energie versorgt ist. Dieser Zustand wird detektiert. Es kann also eine Reihenschaltung aus mehreren Geräten bereitgestellt werden. Ein nicht direkt an die Busleitung angeschlossenes Gerät kann dabei seine eigene Energieversorgung mit einer begrenzten Rate hochfahren, um Überstromzustände bzw. zu große Leistungsentnahmen zu vermeiden.
• Ein an eine Ethernet-Busleitung anschließbares Gerät ist beispielsweise auch in EP 2 891 269 B1 beschrieben. Dort soll eine Multiplex-Energieversorgung über die Ethernet-Leitung erfolgen, um dort eingeschlossene Lasten zu versorgen.
• EP 3 247 071 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer Stromsignatur an einer Stromschnittstelle eines PoE- oder PoDL-Systems. Dadurch soll vermieden werden, dass bei Zuständen mit geringer Last eine erneute Routine zur Identifikation des angeschlossenen Geräts durchgeführt werden muss (Handshake-Verfahren).
• Aus EP 2 567 505 B1 ist eine Netzwerkkommunikationsvorrichtung mit Energieteilung bekannt. Dabei wird die Leistungsverteilung zwischen einzelnen Einheiten durch einen Informationsaustausch über die aktuellen Leistungen so eingestellt, dass die Leistungsabgabe jeder Spannungsversorgungseinrichtung gleich groß ist.
• Die an eine Busleitung anschließbaren Geräte, die ihre elektrische Leistung bzw. Energie zum Betrieb über die Busleitung erhalten, müssen vorgegebenen Spezifikationen entsprechen. Die maximale Strom- bzw. Leistungsentnahme eines angeschlossenen Geräts ist vorgegeben, um die Spannungsquelle (z.B. Switch), die die elektrische Energie für die Busleitung bereitstellt, nicht zu überlasten. Ein Beispiel hierfür ist der sogenannte Power-Over-Ethernet-Standard (PoE-Standard). Die sogenannten „Powered Devices (PD)“ sind Geräte, die über die Ethernet-Leitung mit elektrischer Energie versorgt werden und stellen somit Energiesenken oder Energieverbraucher dar. Die elektrische Energie wird über Energiequellen, sogenanntes „Power Sourcing Equipment (PSE)“ bereitgestellt. Die zu versorgenden Geräte (PD) werden in unterschiedliche Klassen eingeteilt, deren maximale Stromaufnahme bzw. Leistungsaufnahme begrenzt ist. Beim Anschließen eines Geräts an die Busleitung findet ein Identifikationsverfahren statt, so dass der Energiequelle bekannt ist, welche Geräte in welchen Leistungsklassen an die Busleitung angeschlossen sind. Dadurch kann vermieden werden, dass es zu Überlastungen bei der Energiequelle kommt.
• Wenn mehrere zu versorgende Geräte in Reihe geschaltet werden, muss sichergestellt werden, dass die Spezifikation für die Leistungsbereitstellung über die Busleitung eingehalten wird und es nicht zu Überlastungen kommt. Im Überlastfall schaltet die Energiequelle die Energieversorgung über die Busleitung ab. Wenn beispielsweise während eines Einschaltvorgangs ein Gerät oder mehrere in Reihe geschalteten Geräte einen zu großen Strom bzw. eine zu große elektrische Leistung von der Busleitung entnehmen, schaltet die Energiequelle ab und der Einschaltvorgang beginnt erneut. Dies kann zu einem Zustand führen, in dem die Energieversorgung der Busleitung aufgrund eines Überlastzustandes beim Einschalten immer wieder ein- und ausgeschaltet wird. Solche Zustände mit Überlast während des Einschaltvorgangs sollen vermieden werden.
• Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in den Spannungsversorgungseinrichtungen der angeschlossenen Geräte nur sehr kleine elektrische Kapazitäten verwendet werden. Die erforderliche Spannung kann durch eine optimierte Einstellung eines Schaltreglers (Wandler) der Spannungsversorgungseinrichtung erreicht werden. Diese Lösung hat ihre Grenzen und in der Regel können maximal zwei Geräte bzw. Spannungsversorgungseinrichtungen in Reihe geschaltet bzw. kaskadiert an die Busleitung angeschlossen werden. Die sehr klein dimensionierten Kapazitäten haben auch im Anschluss an den Einschaltvorgang Nachteile und erzeugen beispielsweise auch während des Normalbetriebs eine erhöhte Welligkeit bei dem Lade- und Entladestrom der Kondensatoren, was wiederum die Lebensdauer der Kondensatoren beeinträchtigen kann.
• Ausgehend vom Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine übermäßige Entnahme von elektrischer Leistung aus der Busleitung durch eine Spannungsversorgungseinrichtung zu verhindern.
• Diese Aufgabe wird durch eine Spannungsversorgungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben der Spannungsversorgungseinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 16 gelöst.
• Die Erfindung betrifft ebenfalls ein mit elektrischer Energie über eine Busleitung zu versorgendes Gerät, insbesondere ein „Powered Device (PD)“ entsprechend dem PoE-Standard, das eine Spannungsversorgungseinrichtung aufweist.
• Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinrichtung ist dazu eingerichtet, an eine Busleitung, insbesondere eine Ethernet-Busleitung, angeschlossen zu werden, um über die Busleitung bereitgestellte elektrische Leistung für das Betreiben eines an die Busleitung angeschlossenen Geräts zu entnehmen.
• Die Spannungsversorgungseinrichtung ist vorzugsweise außerdem dazu eingerichtet, elektrische Leistung an einem Ausgangsanschluss bereitzustellen, um dort ein weiteres Gerät bzw. eine weitere Spannungsversorgungseinrichtung in Reihe anschließen zu können.
• Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinrichtung hat einen Eingangsanschluss zum Anschließen an Versorgungsadern einer Busleitung, insbesondere einer Ethernet-Busleitung. An den Versorgungsadern der Busleitung liegt eine Versorgungsspannung an, die somit am Eingangsanschluss bereitgestellt werden kann. Eine Eingangsstufe ist an den Eingangsanschluss angeschlossen. Die Eingangsstufe ist dazu eingerichtet, wenigstens eine Gleichspannung zu erzeugen. Die Eingangsstufe kann durch eine Wandlerschaltung mit galvanischer Trennung oder ohne galvanische Trennung realisiert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Eingangsstufe ein Sperrwandler sein. Der Sperrwandler kann sekundärseitig mehrere unterschiedlich große Gleichspannungen bereitstellen. An einem ersten Ausgang wird eine erste Gleichspannung bereitgestellt.
• Die Spannungsversorgungseinrichtung hat außerdem einen Gleichspannungswandler, der an den ersten Ausgang der Eingangsstufe angeschlossen und dazu eingerichtet ist, basierend auf der ersten Gleichspannung eine Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Die Ausgangsgleichspannung wird an einem Wandlerkondensator des Gleichspannungswandlers bereitgestellt, dessen Kapazität ausreichend groß dimensioniert werden kann, um eine Welligkeit des Ladestroms in den Wandlerkondensator und des Entladestroms aus dem Wandlerkondensator auf ein vorgegebenes Maß zu reduzieren und im Idealfall zu eliminieren. Die Ausgangsgleichspannung wird an einem Wandlerausgang bereitgestellt. Eine Wandlersteuerschaltung dient zur Ansteuerung eines Wandlerschalters des Gleichspannungswandlers. Bei dem Gleichspannungswandler handelt es sich insbesondere um einen Hochsetzsteller (auch „Boost Converter“ genannt).
• Die Wandlersteuerschaltung weist beim Ausführungsbeispiel eine Messschaltung und einen Spannungsregler auf. Der Spannungsregler ist insbesondere durch einen integrierten Schaltkreis (IC) gebildet. Über die Messschaltung werden relevante elektrische Größen erfasst und hierfür charakteristische elektrische Messwerte an den Spannungsregler übermittelt. Die Messschaltung ist dazu eingerichtet, zumindest einen die Ausgangsgleichspannung beschreibenden Messwert zu erzeugen, beispielsweise mit Hilfe eines Spannungsteilers, und an einem Spannungsmesseingang des Spannungsreglers bereitzustellen. Der Spannungsregler kann den Spannungsmesswert mit einem Sollwert vergleichen und ein Ansteuersignal für den Wandlerschalter abhängig von der Differenz zwischen dem Spannungsmesswert und dem Sollwert erzeugen. Das Ansteuersignal für den Wandlerschalter ist insbesondere ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal mit einer vorgegebenen Periodendauer bzw. Frequenz.
• Die Spannungsversorgungseinrichtung kann optional eine Ausgangsstufe haben, die mit dem Wandlerausgang verbunden ist. Die Ausgangsstufe kann durch eine weitere Wandlerschaltung gebildet sein. Die Ausgangsstufe ist dazu eingerichtet, basierend auf der Ausgangsgleichspannung eine Ausgangsanschlussspannung zu erzeugen und an einem Ausgangsanschluss bereitzustellen. Die Ausgangsanschlussspannung entspricht dabei den Vorgaben für die Versorgungsspannung der Busleitung, insbesondere dem vorgegebenen Spannungsniveau, beispielsweise entsprechend dem PoE-Standard.
• Bei einer Ausführungsform ohne Ausgangsstufe kann die Ausgangsgleichspannung am Ausgangsanschluss bereitgestellt werden und damit auch die Ausgangsanschlussspannung sein. Die Ausgangsanschlussspannung dient zur Versorgung eines weiteren Geräts oder einer weiteren Spannungsversorgungseinrichtung, so dass beispielsweise eine Reihenschaltung von Geräten ermöglicht ist, von denen nur eines direkt an die Busleitung angeschlossen ist.
• Erfindungsgemäß weist die Spannungsversorgungseinrichtung außerdem eine Anlaufsteuerung auf. Die Anlaufsteuerung kann beispielsweise einen Mikrocontroller aufweisen. Die Anlaufsteuerung ist dazu eingerichtet, die Leistungsaufnahme während des Einschaltvorgangs, die insbesondere auch durch die Kapazität des Wandlerkondensators beeinflusst wird, zu begrenzen. Hierfür erzeugt die Anlaufsteuerung während des Einschaltvorgangs ein Spannungsanlaufsignal an einem PWM-Ausgang. Das Spannungsanlaufsignal wird an den Spannungsmesseingang des Spannungsreglers angelegt. Es hat einen PWM-Signalabschnitt, in dem das Spannungsanlaufsignal pulsweitenmoduliert ist. Der Tastgrad der Pulsweitenmodulation des PWM-Signalabschnitts nimmt mit der Zeit zu oder ab. Insbesondere wird das Spannungsanlaufsignal dazu verwendet, einen modifizierten Spannungsmesswert an einem Kondensator bereitzustellen, dessen Ladung bzw. Spannung vom Spannungsanlaufsignal beeinflusst wird. Während des PWM-Signalabschnitts kann der modifizierte Spannungsmesswert abhängig vom Typ Spannungsreglers zu oder abnehmen.
• Über das Spannungsanlaufsignal wird der Spannungsmesswert, der an den Spannungsregler zurückgeführt wird, während des Einschaltvorgangs modifiziert. Dem Spannungsregler wird mittels des Spannungsanlaufsignals während des Einschaltvorgangs ein modifizierter Spannungsmesswert zurückgeführt, dessen Differenz vom vorgegebenen Sollwert für die Ausgangsgleichspannung so definiert ist, dass ein Wandlersteuersignal für den Wandlerschalter generiert wird, das den Ladestrom des Wandlerkondensators und mithin die während des Einschaltvorgangs entnommene elektrische Leistung begrenzt. Insbesondere ist die Differenz zwischen dem modifizierten Spannungsmesswert und dem vorgegebenen Sollwert für die Ausgangsgleichspannung ausreichend klein, so dass der Spannungsregler während des Einschaltvorgangs nur eine begrenzte Änderung bzw. Erhöhung der Ausgangsgleichspannung am Wandlerkondensator veranlasst. Dabei kann die vom Wandlersteuersignal veranlasste Einschaltdauer des Wandlerschalters ausreichend kurz sein, um den Ladestrom in den Wandlerkondensator zu begrenzen. Der Tastgrad des PWM-Signalabschnitts des Spannungsanlaufsignals nimmt (insbesondere angepasst an den verwendeten Spannungsregler) zu oder ab, während die elektrische Ladung auf dem Wandlerkondensator zunimmt. Somit kann die Leistungsentnahme der elektrischen Leistung während des Einschaltvorgangs begrenzt werden und die Ausgangsgleichspannung dennoch an den vorgegebenen Sollwert angepasst werden.
• Der modifizierte Spannungsmesswert und der tatsächliche Spannungsmesswert können ODER-verknüpft am Spannungsmesseingang des Spannungsreglers anliegen, so dass nur das Spannungspotenzial am Spannungsmesseingang anliegt, das den größeren Betrag hat, entweder das Spannungspotenzial des modifizierten Spannungsmesswerts oder das Spannungspotenzial des tatsächlichen Spannungsmesswerts.
• Der zeitliche Verlauf des Spannungsanlaufsignals kann unveränderlich von aktuellen Istwerten vorgegeben sein. Beispielsweise kann das Spannungsanlaufsignal während des Einschaltvorgangs einen abnehmenden modifizierten Spannungsmesswert erzeugen.
• Der Einschaltvorgang beginnt beispielsweise zu einem Zeitpunkt, nachdem die Spannungsversorgungseinrichtung bzw. das die Spannungsversorgungseinrichtung aufweisende Gerät an die Busleitung angeschlossen und optional erst nachdem ein Identifikationsverfahren (Handshake-Verfahren) zur Identifikation des Geräts abgeschlossen wurde.
• Es ist vorteilhaft, wenn die Anlaufsteuerung dazu eingerichtet ist, das Spannungsanlaufsignal nach einem Einschaltzeitpunkt und vor Beginn des PWM-Signalabschnitts auf einen Anfangswert zu verringern oder zu erhöhen. Beispielsweise kann das Spannungsanlaufsignal von digital LOW auf digital HIGH erhöht werden. Der Anfangswert entspricht somit digital HIGH. Der Anfangswert entspricht vorzugsweise dem PWM-Signalabschnitt mit einem Tastgrad von 100% bzw. 1,0 oder - bei einer invertierten Ansteuerung des Spannungsreglers - dem PWM-Signalabschnitt mit einem Tastgrad von 0% bzw. 0. Der Anfangswert kann am Spannungsmesseingang des Spannungsreglers einem Spannungsmesswert entsprechen, bei dem die Ausgangsgleichspannung einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
• Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Anlaufsteuerung dazu eingerichtet ist, das Spannungsanlaufsignal während einer ersten Zeitdauer konstant auf dem Anfangswert zu halten. An die erste Zeitdauer kann sich der PWM-Signalabschnitt unmittelbar anschließen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Tastgrad innerhalb des PWM-Signalabschnitts stets kleiner sein als der Anfangswert, insbesondere stets kleiner als 100% bzw. kleiner als 1,0. Der Tastgrad kann während des PWM-Signalabschnitts kontinuierlich abnehmen, das heißt, dass er sich während des PWM-Signalabschnitts mit fortschreitender Zeitdauer nicht erhöht und entweder zeitweise konstant ist oder abnimmt. Am Ende des PWM-Signalabschnitts ist der Tastgrad kleiner als zu Beginn des PWM-Signalabschnitts und kann beispielsweise gleich 0% bzw. 0 sein. Abhängig vom verwendeten Spannungsregler kann dieser Verlauf auch invertiert sein. Der Tastgrad kann innerhalb des PWM-Signalabschnitts stets größer sein als der Anfangswert, insbesondere stets größer als 0% bzw. größer als 0. Der Tastgrad kann während des PWM-Signalabschnitts kontinuierlich zunehmen, das heißt, dass er sich während des PWM-Signalabschnitts mit fortschreitender Zeitdauer nicht verringert und entweder zeitweise konstant ist oder zunimmt. Am Ende des PWM-Signalabschnitts ist der Tastgrad größer als zu Beginn des PWM-Signalabschnitts und kann beispielsweise gleich 100% bzw. 1,0 sein.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Anlaufsteuerung den Tastgrad beispielsweise schrittweise erhöhen oder reduzieren. Jeweils nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls innerhalb des PWM-Signalabschnitts kann der Tastgrad um einen vorgegebenen Betrag erhöht oder reduziert werden, beispielsweise um jeweils einen Betrag im Bereich von 5% bis 20%. Das Zeitintervall für die schrittweise Reduzierung kann beispielsweise im Bereich von 10 ms bis 500 ms liegen.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Anlaufkondensator vorhanden, der vorzugsweise mittelbar mit dem PWM-Ausgang der Anlaufschaltung und vorzugsweise mittelbar mit dem Spannungsmesseingang des Spannungsreglers verbunden ist. An dem Anlaufkondensator wird eine Kondensatorspannung abhängig vom Tastgrad des Anlaufsignals erzeugt und basierend darauf ein modifizierter Strommesswert während der Einschalt- bzw. Anlaufphase an den Spannungsregler übermittelt.
• Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Anlaufsteuerung dazu eingerichtet ist, während des Einschaltvorgangs ein Blockiersignal an einem Signalausgang zu erzeugen. Das Blockiersignal wird der Wandlersteuerschaltung und insbesondere mittelbar dem Spannungsregler der Wandlersteuerschaltung bereitgestellt. Basierend auf dem Blockiersignal erzeugt die Wandlersteuerschaltung ein Ausschaltsignal für den Spannungsregler. Im einfachsten Fall kann das Blockiersignal unmittelbar als Ausschaltsignal dienen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Blockiersignal abhängig von der Ausgestaltung des Spannungsreglers wenigstens einmal invertiert werden, um das Ausschaltsignal zu erhalten.
• Die erste Zeitdauer, während der die Anlaufsteuerung das Blockiersignal erzeugt, ist vorzugsweise geringer als die Zeitdauer, während der die Anlaufsteuerung das Anlaufsignal bereitstellt. Beispielsweise kann das Blockiersignal und/oder das Ausschaltsignal während einer ersten Zeitdauer anliegen, die - insbesondere abgesehen von technisch bedingten Zeitverzögerungen - ab dem Einschaltzeitpunkt des Einschaltvorgangs beginnt und zumindest solange andauert, bis das Anlaufsignal den Anfangswert erreicht hat. Die Zeitdauer, um das Anlaufsignal auf den Anfangswert zu bringen, kann anwendungsabhängig empirisch ermittelt werden.
• Die erste Zeitdauer, solange das Blockiersignal anliegt, kann unveränderlich vorgegeben werden. Beispielsweise kann die erste Zeitdauer abhängig vom Typ des Spannungsreglers etwa mindestens 30 µs betragen und maximal 500 ms oder maximal 350 ms oder maximal 250 ms betragen. Allgemein kann die erste Zeitdauer, während der die Anlaufsteuerung das Blockiersignal erzeugt, und/oder die Zeitdauer, während der die Anlaufsteuerung das Anlaufsignal bereitstellt zusätzlich oder alternativ abhängig sein von wenigstens einem gemessenen oder ermittelten Parameter, beispielsweise abhängig von wenigstens einer gemessenen Spannung. Beispielsweise kann das weitere Verhalten nach einer fest eingestellten ersten Zeitdauer (Blockierzeit) bestimmt werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Kapazitäten der vorhandenen Kondensatoren (insbesondere von mehreren Wandlerkondensatoren kaskadierter Spannungsversorgungseinrichtungen) durch bauteilbedingte Toleranzen unterschiedlich lange zum Laden benötigen.
• Der Spannungsregler ist insbesondere dazu eingerichtet, ein Umschalten des angesteuerten Wandlerschalters mittels des Wandlersteuersignals zu verhindern, solange das Ausschaltsignal anliegt. Insbesondere ist der Wandlerschalter in seinem sperrenden Zustand, solange das Ausschaltsignal am Spannungsregler anliegt.
• Wie bereits eingangs erwähnt, kann die Eingangsstufe dazu eingerichtet sein, zusätzlich zu der ersten Gleichspannung am ersten Ausgang auch eine zweite Gleichspannung an einem zweiten Ausgang bereitzustellen. Insbesondere ist der Betrag der zweiten Gleichspannung am zweiten Ausgang verschieden vom Betrag der ersten Gleichspannung am ersten Ausgang. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die erste Gleichspannung einen Betrag von 5 Volt und die zweite Gleichspannung einen Betrag von 3-4 V aufweisen.
• Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Spannungsversorgungseinrichtung ein Netzteil für den Anschluss an eine Netzspannung aufweist. Die Spannungsversorgungseinrichtung kann somit alternativ zur Energieversorgung über die Busleitung auch über das elektrische Energieversorgungsnetz betrieben werden. Das Netzteil kann an einem dritten Ausgang eine dritte Gleichspannung bereitstellen, die insbesondere den gleichen Betrag aufweist wie die erste Gleichspannung. Wenn die dritte Gleichspannung anliegt, kann die dritte Gleichspannung anstelle der ersten Gleichspannung für den Betrieb des Gleichspannungswandlers verwendet werden. Der Gleichspannungswandler kann somit dazu eingerichtet sein, entweder die erste Gleichspannung oder die dritte Gleichspannung zur Erzeugung der Ausgangsgleichspannung zu verwenden.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
• 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Spannungsversorgungseinrichtung für ein mit elektrischer Energie zu versorgendes Gerät,
• 2 einen Schaltplan für ein Ausführungsbeispiel der Spannungsversorgungseinrichtung und
• 3 schematische zeitabhängige Verläufe von Signalen einer Anlaufsteuerung und einer sich daraus ergebender Ausgangsgleichspannung bei der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung gemäß der 1 oder 2.
• 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Spannungsversorgungseinrichtung für ein mit elektrischer Energie zu versorgendes Gerät 11. Das Gerät 11 und die Spannungsversorgungseinrichtung 10 sind an eine Busleitung 12 anschließbar. Über die Busleitung 12 kann das Gerät 11 mit anderen an die Busleitung 12 angeschlossenen Geräten oder Einrichtungen kommunizieren. Die Spannungsversorgungseinrichtung 10 kann das Gerät 11 über Versorgungsadern der Busleitung 12 mit elektrischer Energie versorgen. Hierzu weist die Spannungsversorgungseinrichtung 10 einen Eingangsanschluss 13 auf, an dem eine Versorgungsspannung UV anliegt, die mittels der Busleitung 12 bereitgestellt wird.
• An den Eingangsanschluss 13 ist eine Eingangsstufe 14 der Spannungsversorgungseinrichtung 10 angeschlossen. Die Eingangsstufe 14 hat wenigstens einen Ausgang und beim Ausführungsbeispiel einen ersten Ausgang 15 sowie einen zweiten Ausgang 16. Die Eingangsstufe 14 ist dazu eingerichtet, am ersten Ausgang 15 eine erste Gleichspannung U1 bereitzustellen. An dem optional vorhandenen zweiten Ausgang 16 stellt die Eingangsstufe 14 eine zweite Gleichspannung U2 bereit, die beim Ausführungsbeispiel einen kleineren Betrag aufweist als die erste Gleichspannung U1. Beispielsweise kann die erste Gleichspannung U1 5 V betragen und die zweite Gleichspannung U2 kann 3,3 V betragen.
• Die Eingangsstufe 14 kann durch einen Wandler mit galvanischer Trennung oder ohne galvanische Trennung gebildet sein. Beim Ausführungsbeispiel kann die Eingangsstufe 14 beispielsweise als Sperrwandler ausgeführt sein. Zur Bereitstellung von mehreren Ausgängen 15, 16 kann der Sperrwandler beispielsweise einen Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen und daran angeschlossenen Sekundärkreisen aufweisen, die jeweils mit einer gemeinsamen Primärwicklung gekoppelt sind.
• Mittels der ersten Gleichspannung U1 und der zweiten Gleichspannung U2 können elektrische und/oder elektronische Bauteile des Geräts 11 mit elektrischer Energie versorgt werden. Außerdem dient die von der Eingangsstufe 14 bereitgestellte erste Gleichspannung U1 beispielsgemäß die optional bereitgestellte zweite Gleichspannung U2 auch zur Versorgung eines Gleichspannungswandlers 20. Der Gleichspannungswandler 20 hat einen Wandlereingang 21, der an den ersten Ausgang 15 angeschlossen ist. Der Wandlereingang 21 hat einen ersten Anschlusspunkt 21a und einen zweiten Anschlusspunkt 21b. Der Gleichspannungswandler 20 hat außerdem einen Wandlerausgang 22 mit einem dritten Anschlusspunkt 22a und einem vierten Anschlusspunkt 22b. Der Gleichspannungswandler 20 weist eine Reihenschaltung aus einer Wandlerinduktivität 23 und einer Wandlerdiode 24 zwischen dem ersten Anschlusspunkt 21a und dem dritten Anschlusspunkt 22a auf. Dabei ist die Kathode der Wandlerdiode 24 mit dem dritten Anschlusspunkt 22a und die Anode der Wandlerdiode 24 mit der Wandlerinduktivität 23 verbunden. Ein Wandlerkondensator 25 ist parallel zum Wandlerausgang 22 geschaltet und verbindet den dritten Anschlusspunkt 22a mit dem vierten Anschlusspunkt 22b. Zwischen den vierten Anschlusspunkt 22b und die Verbindungsstelle zwischen der Wandlerinduktivität 23 und der Wandlerdiode 24 ist ein ansteuerbarer Wandlerschalter 26 geschaltet.
• Der zweite Anschlusspunkt 21b und der vierte Anschlusspunkt 22b sind mit einem Massepotential GND verbunden. Am Wandlerausgang 22 wird zwischen dem dritten Anschlusspunkt 22a und dem vierten Anschlusspunkt 22b eine Ausgangsgleichspannung UG bereitgestellt. Die Ausgangsgleichspannung UG liegt am Wandlerkondensator 25 an.
• Zur Ansteuerung des Wandlerschalters 26 dient eine Wandlersteuerschaltung 30. Zur Wandlersteuerschaltung 30 gehört ein Spannungsregler 31. Mittels der Wandlersteuerschaltung 30 und beispielsgemäß mittels des Spannungsreglers 31 wird ein Wandlersteuersignal W erzeugt, mittels dem der Wandlerschalter 26 angesteuert wird. Mittels des Wandlersteuersignals W kann der Wandlerschalter 26 zwischen einem leitenden Zustand und einem sperrenden Zustand umgeschaltet werden. Das Wandlersteuersignal W ist beispielsgemäß ein pulsweitenmoduliertes Signal. Über den Tastgrad des Wandlersteuersignals W kann die Ausgangsgleichspannung UG am Wandlerkondensator 25 eingestellt werden.
• Die Wandlersteuerschaltung 30 hat eine Messschaltung zur Bereitstellung eines Spannungsmesswertes an einem Spannungsmesseingang 31a des Spannungsreglers 31. Beim Ausführungsbeispiel ist der Spannungsmesswert von einer Messspannung UM gebildet, die zwischen dem Spannungsmesseingang 31a und dem Massepotential GND anliegt.
• Zu der Messschaltung 32 gehört ein Spannungsteiler aufweisend einen ersten Widerstand 33 und einen zweiten Widerstand 34, die in Reihe geschaltet sind. Der erste Widerstand 33 ist mit dem dritten Anschlusspunkt 22a am Wandlerausgang 22 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem ersten Widerstand 33 und dem zweiten Widerstand 34 ist mit dem Spannungsmesseingang 31a verbunden. In Reihe zum Spannungsteiler 33, 34 ist ein erster Kondensator 35 geschaltet, der zur Messschaltung 32 gehört. Der erste Kondensator 35 ist zwischen dem zweiten Widerstand 34 und dem Massepotential GND angeordnet.
• Dem Gleichspannungswandler 20 und insbesondere der Wandlersteuerschaltung 30 ist eine Anlaufsteuerung 40 zugeordnet. Die Anlaufsteuerung 40 hat einen PWM-Ausgang 40a und beim Ausführungsbeispiel zusätzlich einen Signalausgang 40b. Am Signalausgang 40b kann die Anlaufsteuerung 40 bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Blockiersignal S1 bereitstellen. Am PWM-Ausgang 40a kann die Anlaufsteuerung 40 ein Spannungsanlaufsignal S2 bereitstellen. Das Spannungsanlaufsignal S2 und optional zusätzlich auch das Blockiersignal S1 werden während einer Einschaltphase der Spannungsversorgungseinrichtung 10 dem Gleichspannungswandler 20 und insbesondere der Wandlersteuerschaltung 30 bereitgestellt. Beim Ausführungsbeispiel ist hierzu der PWM-Ausgang 40a der Anlaufsteuerung 40 mit der Messschaltung 32 verbunden. Wie es beim Ausführungsbeispiel in 1 veranschaulicht ist, verbindet ein dritter Widerstand 41 den PWM-Ausgang 40a mit dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Widerstand 34 und dem ersten Kondensator 35. Das Spannungsanlaufsignal S2 kann daher über den dritten Widerstand 41 an den ersten Kondensator 35 angelegt werden und die Messspannung UM beeinflussen.
• Das Blockiersignal S1 kann mittelbar oder unmittelbar an einem Ausschalteingang 31b des Spannungsreglers 31 angelegt werden. Bei dem hier veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die Wandlersteuerschaltung 30 eine Anpassungsschaltung 42, der das Blockiersignal S1 bereitgestellt wird und die aus dem Blockiersignal S1 ein Ausschaltsignal S3 für den für den Ausschalteingang 31b des Spannungsreglers 31 erzeugt.
• Bei dem hier veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Spannungsversorgungseinrichtung 10 ist außerdem eine Ausgangsstufe 45 vorhanden. Die Ausgangsstufe 45 ist an den Wandlerausgang 22 angeschlossen. Somit wird der Ausgangsstufe 45 die Ausgangsgleichspannung UG des Gleichspannungswandlers 20 bereitgestellt. Basierend auf der Ausgangsgleichspannung UG erzeugt die Ausgangsstufe 45 an einem Ausgangsanschluss 44 eine Ausgangsanschlussspannung UA. Die Ausgangsanschlussspannung UA und/oder die elektrische Leistung am Ausgangsanschluss 44 entsprechen beispielsgemäß der Spezifikation für die Versorgungsspannung UV und/oder die elektrische Leistung der Busleitung 12. Somit kann an den Ausgangsanschluss 44 eine weitere Spannungsversorgungseinrichtung 10 bzw. ein weiteres Gerät 11 mit einer Spannungsversorgungseinrichtung 10 angeschlossen werden. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, mehrere Geräte 11 mit jeweils einer Spannungsversorgungseinrichtung 10 in Reihe geschaltet an die Busleitung 12 anzuschließen. Jedes Gerät 11 kann dabei über die Spannungsversorgungseinrichtung 10 die Versorgung mit elektrischer Energie für das jeweils nachfolgende Gerät 11 in der Reihenschaltung bereitstellen (1).
• Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann die Ausgangsstufe 45 entfallen und die Ausgangsgleichspannung UG kann als Ausgangsanschlussspannung UA verwendet werden. Beispielsweise ist dies in dem Fall möglich, wenn die Ausgangsgleichspannung UG bzw. die am Wandlerausgang 22 bereitgestellte elektrische Leistung den Anforderungen entspricht, die an die Ausgangsanschlussspannung UA bzw. den an die am Ausgangsanaschluss bereitgestellte elektrische Leistung gestellt werden. Die Ausgangsanschlussspannung UA entspricht beim Ausführungsbeispiel den Vorgaben für die Spezifikation der Versorgungsspannung gemäß dem PoE-Standard und kann beispielsweise einen Sollwert von 48 V haben.
• Die Ausgangsstufe 45 kann beispielsweise durch eine Wandlerschaltung in einer geeigneten Topologie mit galvanischer Trennung oder ohne galvanische Trennung bereitgestellt werden.
• Die Wandlertopologie für die Eingangsstufe 14, den Gleichspannungswandler 20 und die Ausgangsstufe 45 können anwendungsabhängig gewählt werden.
• Während des Einschaltens bzw. Anlaufens der Spannungsversorgungseinrichtung 10 nach dem Anschließen des Geräts 11 an die Busleitung 12 kann die Leistungsaufnahme bzw. Stromaufnahme groß sein, wenn die Kapazität der Kondensatoren und insbesondere des Wandlerkondensators 25 des Gleichspannungswandlers 20 und/oder anderer Kondensatoren der Eingangsstufe 14 bzw. der Ausgangsstufe 45 sehr groß sind und dementsprechend eine große elektrische Ladung speichern können. Das ist vor allem auch denn der Fall, wenn am Ausgangsanschluss 44 ein oder mehrere weitere Spannungsversorgungseinrichtungen 10 in Reihe angeschlossen sind (Kaskadierung). Um eine Überlast der Energiequelle zu vermeiden, die die elektrische Leistung über die Busleitung 12 bereitstellt, ist erfindungsgemäß die Anlaufsteuerung 40 vorhanden. Die Anlaufsteuerung 40 begrenzt die Leistungs- bzw. Stromaufnahme des Gleichspannungswandlers 20 und damit auch die Leistungs- bzw. Stromaufnahme der Spannungsversorgungseinrichtung 10 während des Einschaltvorgangs bzw. während des Anlaufens. Die Funktion der Anlaufsteuerung 40 wird anhand der 1 und 3 nachfolgend erläutert.
• Nachdem das Gerät 11 an die Busleitung 12 angeschlossen wurde, wird beim Ausführungsbeispiel ein Identifikationsverfahren durchgeführt, um festzustellen, ob das Gerät 11 der Spezifikation des Bussystems entspricht, beispielsweise dem Ethernet-Standard. Dabei kann auch geprüft werden, welcher Leistungsklasse das Gerät 11 zugeordnet ist. Werden die Vorgaben für die entsprechende Leistungsklasse verlassen, kann die Energiequelle die Versorgung mit elektrischer Energie über die Busleitung 12 zumindest zeitweise abschalten, um einen Überlastzustand durch ein an die Busleitung 12 angeschlossenes Gerät 11 zu vermeiden.
• Nach oder während dieses Identifikationsverfahrens startet die Spannungsversorgungseinrichtung 10 einen Einschaltvorgang. Die über die Busleitung 12 bereitgestellte Versorgungsspannung UV wird in die erste Gleichspannung U1 und optional die zweite Gleichspannung U2 umgewandelt. Spätestens dann, wenn eine oder beide Gleichspannungen U1, U2 bereit steht bzw. stehen, erzeugt die Anlaufsteuerung 40 zu einem ersten Zeitpunkt t1 das Blockiersignal S1, das beim Ausführungsbeispiel dem Wert digital HIGH entspricht. Ist der Wert des Signals am Signalausgang 40b digital LOW, wird kein Blockiersignal S1 erzeugt. Das Blockiersignal S1 wird in das Ausschaltsignal S3 umgesetzt oder alternativ unmittelbar als Ausschaltsignal S3 verwendet. Das Ausschaltsignal S3 wird am Ausschalteingang 31b des Spannungsreglers 31 bereitgestellt und verhindert die Inbetriebnahme des Spannungsreglers 31. Das Wandlersteuersignal W wird dadurch konstant gehalten, beispielsweise auf dem Wert digital LOW. Der angesteuerte Wandlerschalter 26 bleibt somit in einem vorgegebenen Zustand, beispielsgemäß dem sperrenden Zustand. Das Blockiersignal S1 und mithin das Ausschaltsignal S3 wird für eine vorgegebene erste Zeitdauer Δt1 aufrechterhalten.
• Während dieser ersten Zeitdauer Δt1 wird zum oder unmittelbar nach dem ersten Zeitpunkt t1 das Spannungsanlaufsignal S2 auf einen Anfangswert erhöht. Der Anfangswert ist beispielsgemäß digital HIGH. Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 erreicht das Spannungsanlaufsignal S2 den Anfangswert. Im Anschluss an den zweiten Zeitpunkt t2 wird der Anfangswert während einer Haltezeitdauer Δt2 konstant aufrechterhalten.
• Frühestens zum zweiten Zeitpunkt t2 und beispielsgemäß während der Haltezeitdauer Δt2 endet die erste Zeitdauer Δt1 zu einem dritten Zeitpunkt t3. Das Blockiersignal S1 weist zum dritten Zeitpunkt t3 eine fallende Flanke von digital HIGH nach digital LOW auf. Dadurch liegt am Ausschalteingang 31b des Spannungsreglers 31 kein Ausschaltsignal S3 mehr an und der Spannungsregler 31 wird dadurch in einen betriebsbereiten Zustand gebracht. In diesem betriebsbereiten Zustand vergleicht der Spannungsregler 31 die am Spannungsmesseingang 31a anliegende Messspannung UM mit einem Sollwert. Der Sollwert kann dem Spannungsregler 31 vorgegeben werden und ist vorzugsweise durch eine interne Referenzspannung gebildet. Die Dimensionierung der Messschaltung 32 muss in diesem Fall an die Referenzspannung angepasst werden. Abhängig von der Differenz zwischen der Messspannung UM und dem Sollwert der Tastgrad des Wandlersteuersignals W eingestellt, um die am Wandlerkondensator 25 anliegende Ausgangsgleichspannung UG anzupassen.
• Da der Wandlerkondensator 25 zu Beginn des Einschaltvorgangs ungeladen ist, würde sich eine hohe Spannungsdifferenz zwischen der Messspannung UM und dem Sollwert ergeben, was wiederum zu einem hohen Ladestrom in den Wandlerkondensator 25 führen würde. Insbesondere bei kaskadierten Geräten 11 kann dadurch ein Überlastzustand auftreten, der erfindungsgemäß durch das Anlegen des Spannungsanlaufsignals S2 vermieden wird, dass während der Einschaltphase die Messspannung UM unabhängig von der tatsächlichen Ausgangsgleichspannung UG beeinflusst.
• Ab dem zweiten Zeitpunkt t2 hat das Spannungsanlaufsignal S2 den Anfangswert, beispielsgemäß digital HIGH, der zunächst bis zu einem vierten Zeitpunkt t4 aufrechterhalten wird, zu dem die Haltezeitdauer Δt2 endet. Ab dem vierten Zeitpunkt t4 wird das Spannungsanlaufsignal S2 pulsweitenmoduliert und hat einen PWM-Signalabschnitt P. Der Tastgrad D des PWM-Signalabschnitts P ist wie folgt definiert: $$D=\frac{th}{T},$$

  

  wobei D der Tastgrad, T die Periodendauer und th die Einschaltdauer bzw. Impulsdauer während einer Periode darstellt, in der das Spannungsanlaufsignal digital HIGH ist. Die Zeitdauer, während der das Spannungsanlaufsignal S2 während einer Periode digital LOW ist entspricht der Ausschaltdauer tl (3).
• Der Tastgrad D des PWM-Signalabschnitts P nimmt mit der Zeit t ab. Er wird zu keinem Zeitpunkt größer, sondern ausgehend von dem vierten Zeitpunkt t4 kleiner oder kann phasenweise konstant sein. Beispielsweise kann der Tastgrad D schrittweise oder kontinuierlich verringert werden.
• Mittels des Spannungsanlaufsignals S2 wird am ersten Kondensator 35 eine Kondensatorspannung und somit am Spannungsmesseingang 31a eine Messspannung UM erzeugt, die mit der Zeit abnimmt. Aufgrund der abnehmenden Messspannung UM erhöht der Spannungsregler 31 den Tastgrad für das Wandlersteuersignal W und dadurch die Ausgangsgleichspannung UG am Wandlerausgang 22, wie es in 3 schematisch veranschaulicht ist.
• Zu einem fünften Zeitpunkt endet der PWM-Signalabschnitt und das Spannungsanlaufsignal S2 wird ab dem fünften Zeitpunkt t5 auf einem konstanten Ruhewert gehalten, der beispielsweise digital LOW entspricht. Der Ruhewert ist beispielsgemäß der gegenüber dem Anfangswert invertierte Wert des Spannungsanlaufsignals S2.
• Vor oder spätestens zum fünften Zeitpunkt t5 hat die Ausgangsgleichspannung UG einen Sollwert UG_Soll für die Ausgangsgleichspannung UG erreicht (3). Ab dem fünften Zeitpunkt t5 wird die Anlaufsteuerung 40 somit wirkungslos.
• Am Spannungsmesseingang 31a liegt eine Messspannung UM an, die entweder durch das Spannungsanlaufsignal S2 bestimmt wird oder die die Ausgangsgleichspannung UG am Wandlerkondensator 25 bzw. dem Wandlerausgang 22 charakterisiert. Sobald die Ausgangsgleichspannung UG ein Spannungspotenzial am Spannungsmesseingang 31a erzeugt, das größer ist als das vom Spannungsanlaufsignal S2 generierte Spannungspotenzial am Spannungsmesseingang 31a geht der Gleichspannungswandler 20 in seinen normalen Betrieb über. Das ist spätestens zum fünften Zeitpunkt t5 der Fall und hängt insbesondere von der Dimensionierung der Bauteile der Messschaltung 32 ab. Am Spannungsmesseingang 31a liegt im normalen Betrieb eine Messspannung UM an, die die Ausgangsgleichspannung UG am Wandlerkondensator 25 bzw. dem Wandlerausgang 22 charakterisiert und basierend darauf stellt der Spannungsregler 31 das Wandlersteuersignal W ein, so dass die Ausgangsgleichspannung UG auf einen Sollwert geregelt wird.
• In 1 ist außerdem eine optionale Ausgestaltung der Spannungsversorgungseinrichtung 10 gestrichelt veranschaulicht. Die Spannungsversorgungseinrichtung 10 kann ein Netzteil 46 aufweisen, das an eine Netzspannung UN des Energieversorgungsnetzes angeschlossen werden kann und an einem dritten Ausgang 47 eine dritte Gleichspannung U3 für den Gleichspannungswandler 20 bereitstellt. Der Gleichspannungswandler 20 kann dazu eingerichtet sein, die erste Gleichspannung U1 oder die dritte Gleichspannung U3 zu verwenden, um daraus am Wandlerausgang 22 die Ausgangsgleichspannung UG zu erzeugen. Vorzugsweise wird bei Vorhandensein der dritten Gleichspannung U3 ausschließlich die dritte Gleichspannung U3 als Basis für das Erzeugen der Ausgangsgleichspannung UG verwendet.
• In 2 ist eine konkrete Realisierungsmöglichkeit für den Aufbau des Gleichspannungswandlers 20 sowie der Anlaufsteuerung 40 veranschaulicht. Die Schaltungsteile, die bereits im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild gemäß 1 erläutert wurden, sind in 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.
• Die am ersten Ausgang 15 bereitgestellte erste Gleichspannung U1 kann über einen zweiten Kondensator 48 gepuffert werden. Über einen vierten Widerstand 49 und einen fünften Widerstand 50 ist der erste Anschlusspunkt 21a mit dem Ausschalteingang 31b verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen der Reihenschaltung aus dem vierten Widerstand 49 und dem fünften Widerstand 50 ist über einen ansteuerbaren Halbleiterschalter, beispielsgemäß einen ersten Transistor 51, mit Massepotential GND verbunden, wobei der Kollektor mit den Widerständen 49, 50 und der Emitter mit dem Massepotential GND verbunden ist. Der erste Transistor 51 ist normal sperrend. Die Basis des ersten Transistors 51 ist über einen sechsten Widerstand 52 mit dem Massenpotential GND verbunden und über einen siebten Widerstand 53 liegt die zweite Gleichspannung U2 an der Basis des ersten Transistors 51 an. Die an der Basis des ersten Transistors 51 anliegende Basisspannung wird über einen dritten Kondensator 54 gepuffert, der die Basis mit dem Massepotential GND verbindet.
• Ein weiterer ansteuerbarer Schalter ist zwischen dem Basisanschluss des ersten Transistors 51 und dem Massepotential GND angeordnet, der beispielsgemäß durch einen zweiten Transistor 55 gebildet ist. Der Kollektor des zweiten Transistors 55 ist über einen achten Widerstand 56 mit der Basis des ersten Transistors 51 und verbunden und außerdem liegt am Kollektor des zweiten Transistors 55 einen neunten Widerstand 57 die erste Gleichspannung U1 an. Über einen zehnten Widerstand 58 liegt die zweite Gleichspannung U2 an der Basis des zweiten Transistors 55 an. Die Basisspannung am zweiten Transistor 55 kann über einen vierten Kondensator 59 gepuffert werden, der die Basis des zweiten Transistors 55 mit Massepotential GND verbindet. Zur Ansteuerung des zweiten Transistors 55 ist die Basis über einen elften Widerstand 60 mit dem Signalausgang 40b der Anlaufsteuerung 40 verbunden.
• Der Strommesseingang 31c ist über einen zwölften Widerstand 63 mit einem dreizehnten Widerstand 64 und dem Wandlerschalter 26 auf der Anschlussseite verbunden, die nicht zur Wandlerinduktivität 23 und zur Wandlerdiode 24 führt. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Wandlerschalter 26 durch einen Feldeffekttransistor 65 gebildet, der als normal sperrender Feldeffekttransistor ausgebildet sein kann. Der Gateanschluss des Feldeffekttransistors 65 ist mit dem Spannungsregler 31 verbunden, so dass das Wandlersteuersignal W an den Gateanschluss angelegt werden kann. Der Source-Anschluss des Feldeffekttransistors 65 ist zum einen mit dem zwölften Widerstand 63 und zum anderen über den dreizehnten Widerstand 64 mit Massepotential GND verbunden. Parallel zu der Reihenschaltung aus dem zwölften Widerstand 63 und dem dreizehnten Widerstand 64 ist ein fünfter Kondensator 66 geschaltet, der somit den Strommesseingang 31c mit dem Massepotenzial GND verbindet.
• Der Spannungsmesseingang 31a des Spannungsreglers 31 ist über einen vierzehnten Widerstand 67 mit Massepotential GND verbunden.
• Zur Energieversorgung weist der Spannungsregler einen Versorgungsanschluss 31d sowie einen Masseanschluss 31e auf. Am Versorgungsanschluss 31d liegt die erste Gleichspannung U1 an, während der Masseanschluss 31e mit Massepotential GND verbunden ist.
• Bei dem hier veranschaulichten Ausführungsbeispiel des Spannungsreglers 31 weist dieser außerdem einen Ausgleichsanschluss 31f auf, an dem eine externe Schaltung mit wenigstens einem Widerstand und/oder wenigstens einem Kondensator angeschlossen ist. Diese externe Schaltung weist beim Ausführungsbeispiel eine Reihenschaltung aus einem sechsten Kondensator 68 und einem fünfzehnten Widerstand 69 auf, die den Ausgleichsanschluss 31f mit Massepotential GND verbindet. Parallel zu dieser Reihenschaltung ist ein siebter Kondensator 70 geschaltet.
• In 2 sind Schaltungsteile strichpunktiert umrandet, die dann vorhanden sind, wenn die Spannungsversorgungseinrichtung 10 nicht nur zur elektrischen Versorgung über eine Busleitung 12 eingerichtet ist, sondern zusätzlich an eine Netzspannung UN angeschlossen werden kann und mithin über das Netzteil 46 eine dritte Gleichspannung U3 bereitstellt. Diese dritte Gleichspannung U3 kann parallel zur zweiten Gleichspannung U2 über einen sechzehnten Widerstand 76 mit der Basis des ersten Transistors 51 verbunden sein.
• Außerdem kann zusätzlich ein dritter Transistor 77 vorhanden sein, an dessen Basis über einen siebzehnten Widerstand 78 die dritte Gleichspannung U3 angelegt werden kann und dessen Basis außerdem über einen achten Kondensator 79 mit Massepotential GND verbunden ist.
• Es sei darauf hingewiesen, dass anstelle der beschriebenen Transistoren auch andere steuerbare Halbleiterschalter oder Kombinationen von mehreren Halbleiterschalter verwendet werden können. Wenn von einem Widerstand die Rede ist, ist ein ohmscher Widerstand gemeint, der vorzugsweise keine oder vernachlässigbar kleine induktive und/oder kapazitive Anteile aufweist. Die Nummerierung der einzelnen Bauelemente durch Voranstellung von Zahlwörtern dient lediglich zur Unterscheidung und beinhaltet weder eine Priorisierung, noch eine zwingende Reihenfolge. Beispielsweise setzt das Vorhandensein eines dritten Widerstands, eines dritten Kondensators oder eines dritten Transistors nicht das Vorhandensein eines ersten und/oder zweiten Widerstands bzw. ersten und/oder zweiten Kondensators bzw. ersten und/oder zweiten Transistors voraus. Die Zahlworte dienen lediglich zur sprachlichen Unterscheidung der Bauelemente.
• Die Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 20 gemäß 2 arbeitet auf die Weise, wie es vorstehend im Zusammenhang mit den 1 und 3 erläutert wurde. Die Anpassungsschaltung 42 weist beim Ausführungsbeispiel nach 2 den ersten Transistor 51, den zweiten Transistor 55 sowie die daran angeschlossenen Bauelemente auf, beispielsgemäß die Widerstände 52, 53, 56, 57, 58, 60 und die Kondensatoren 54, 59.
• Wenn am Ausschalteingang 31b ein Signalniveau entsprechend digital HIGH für eine vorgegebene Mindestzeitdauer anliegt, wird der Spannungsregler 31 ausgeschaltet. Sobald die Eingangsstufe 14 die zweite Gleichspannung U2 bereitstellt, deren Betrag beispielsgemäß kleiner ist als der Betrag der ersten Gleichspannung U1, wird der erste Transistor 51 leitend und der Ausschalteingang 31b dadurch mit dem Massepotential GND verbunden, also entsprechend digital LOW. Der Spannungsregler 31 wird dadurch in seinem betriebsbereiten Zustand gehalten, solange kein Blockiersignal S1 durch die Anlaufsteuerung 40 erzeugt wird. Wenn die Anlaufsteuerung 40 das Blockiersignal S1 (Signalausgang 40b weist steigende Flanke nach digital HIGH auf) anlegt, wird der zweite Transistor 55 leitend und verbindet dadurch die Basis des ersten Transistors 51 mit dem Massepotential GND. Dies führt wiederum dazu, dass der erste Transistor 51 in seinen sperrenden Zustand übergeht und am Ausschalteingang 31b des Spannungsreglers 31 die erste Gleichspannung U1 anliegt, so dass der Spannungsregler 31 nach Ablauf einer vorgegebenen Mindestzeitdauer (beispielsweise mindestens 30 µs) ausgeschaltet wird. In diesem ausgeschalteten Zustand bleibt das Wandlersteuersignal W konstant und beispielsgemäß digital LOW, so dass der Wandlerschalter 26 in seinem sperrenden Zustand bleibt.
• Somit wird das Blockiersignal S1 mittels der Anpassungsschaltung 42 beim Ausführungsbeispiel nach 2 doppelt invertiert und als Ausschaltsignal S3 an den Ausschalteingang 31b übertragen.
• Beim Ausführungsbeispiel wurde als Spannungsregler 31 ein Schaltregler des Typs LM3478 verwendet. Die vorstehend beschriebenen digitalen Werte LOW und HIGH eines oder mehrerer Signale an den Ein- und Ausgängen des Spannungsreglers 31 können bei anderen Typen von Spannungsreglern auch invertiert sein. Abhängig davon kann auch eine andere, angepasste Invertierung in der Anpassungsschaltung 42 zur Steuerung des Spannungsreglers 31 erforderlich sein.
• Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinrichtung 10 für ein Gerät 11, das über eine Busleitung 12 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Die Spannungsversorgungseinrichtung 10 hat eine Eingangsstufe 14, die eine Versorgungsspannung UV in eine erste Gleichspannung U1 umwandelt. Ein Gleichspannungswandler 20 wandelt die erste Gleichspannung U1 in eine Ausgangsgleichspannung UG. Der Gleichspannungswandler 20 ist insbesondere ein Hochsetzsteller. Der Gleichspannungswandler 20 hat eine Wandlersteuerschaltung 30, einen ansteuerbaren Wandlerschalter, eine Messschaltung und einen Spannungsregler. Dem Spannungsregler wird ein Spannungsmesswert mittels der Messschaltung übermittelt, der die Ausgangsgleichspannung beschreibt. Mittels einer Anlaufsteuerung kann der dem Spannungsregler zurückgeführte Spannungsmesswert manipuliert werden, um während eines Einschaltvorgangs die Leistungsaufnahme bzw. die Stromaufnahme des Gleichspannungsreglers zu beschränken.
• Bezugszeichenliste

10

Spannungsversorgungseinrichtung

11

Gerät

12

Busleitung

13

Eingangsanschluss

14

Eingangsstufe

15

erster Ausgang

16

zweiter Ausgang

20

Gleichspannungswandler

21

Wandlereingang

21a

erster Anschlusspunkt

21b

zweiter Anschlusspunkt

22

Wandlerausgang

22a

dritter Anschlusspunkt

22b

vierter Anschlusspunkt

23

Wandlerinduktivität

24

Wandlerdiode

25

Wandlerkondensator

26

Wandlerschalter

30

Wandlersteuerschaltung

31

Spannungsregler

31a

Spannungsmesseingang des Spannungsreglers

31b

Ausschalteingang des Spannungsreglers

31c

Strommesseingang des Spannungsreglers

31d

Versorgungsanschluss des Spannungsreglers

31e

Masseanschluss des Spannungsreglers

31f

Ausgleichsanschluss des Spannungsreglers

32

Messschaltung

33

erster Widerstand

34

zweiter Widerstand

35

erster Kondensator

40

Anlaufsteuerung

40a

PWM-Ausgang der Anlaufsteuerung

40b

Signalausgang der Anlaufsteuerung

41

dritter Widerstand

42

Anpassungsschaltung

44

Ausgangsanschluss

45

Ausgangsstufe

46

Netzteil

47

dritter Ausgang

48

zweiter Kondensator

49

vierter Widerstand

50

fünfter Widerstand

51

erster Transistor

52

sechster Widerstand

53

siebter Widerstand

54

dritter Kondensator

55

zweiter Transistor

56

achter Widerstand

57

neunter Widerstand

58

zehnter Widerstand

59

vierter Kondensator

60

elfter Widerstand

63

zwölfter Widerstand

64 65

Feldeffekttransistor

66

fünfter Kondensator

67

vierzehnter Widerstand

68

sechster Kondensator

69

fünfzehnter Widerstand

70

siebter Kondensator

76

sechzehnter Widerstand

77

dritter Transistor

78

siebzehnter Widerstand

79

achter Kondensator

Δt1

erste Zeitdauer

Δt2

Haltezeitdauer

D

Tastgrad

GND

Massepotenzial

P

PWM-Signalabschnitt

S1

Blockiersignal

S2

Spannungsanlaufsignal

S3

Ausschaltsignal

T

Periodendauer

t1

erster Zeitpunkt

t2

zweiter Zeitpunkt

t3

dritter Zeitpunkt

t4

vierter Zeitpunkt

t5

fünfter Zeitpunkt

th

Einschaltdauer

tl

Ausschaltdauer

U1

erste Gleichspannung

U2

zweite Gleichspannung

U3

dritte Gleichspannung

UA

Ausgangsanschlussspannung

UG

Ausgangsgleichspannung

UGsoll

Sollwert der Ausgangsgleichspannung

UM

Messspannung

UN

Netzspannung

UV

Versorgungsspannung

W

Wandlersteuersignal

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 3178196 B1 [0002]
• EP 2891269 B1 [0003]
• EP 3247071 B1 [0004]
• EP 2567505 B1 [0005]

Claims (16)

1. Spannungsversorgungseinrichtung (10) für ein Gerät (11), das dazu eingerichtet ist, an eine Busleitung (12) angeschlossen und über eine Busleitung (12) mit elektrischer Energie versorgt zu werden, wobei die Spannungsversorgungseinrichtung (10) aufweist: - einen Eingangsanschluss (13), der zum Anschließen an Versorgungsadern einer Busleitung (12) eingerichtet ist, an denen eine Versorgungsspannung (UV) anliegt, - eine an den Eingangsanschluss (13) angeschlossene Eingangsstufe (14), die dazu eingerichtet ist, aus der Versorgungsspannung (UV) eine ersten Gleichspannung (U1) zu erzeugen und an einem ersten Ausgang (15) der Eingangsstufe (14) bereitzustellen, - einen Gleichspannungswandler (30), der an den ersten Ausgang (15) angeschlossen und dazu eingerichtet ist, basierend auf der ersten Gleichspannung (U1) eine Ausgangsgleichspannung (UG) zu erzeugen und an einem Wandlerausgang (22) bereitzustellen, wobei ein Wandlerkondensator (25) parallel zum Wandlerausgang (22) geschaltet ist, und wobei der Gleichspannungswandler (20) eine Wandlersteuerschaltung (30) und einen von der Wandlersteuerschaltung (30) angesteuerten Wandlerschalter (26) aufweist, - eine Messschaltung (32) und einen Spannungsregler (31) des Gleichspannungswandlers (20), wobei die Messschaltung (32) dazu eingerichtet ist, einen die Ausgangsgleichspannung (UG) beschreibenden Spannungsmesswert (UM) zu erzeugen und an einem Spannungsmesseingang (31a) des Spannungsreglers (31) bereitzustellen, - eine Anlaufsteuerung (40), die dazu eingerichtet ist, während eines Einschaltvorgangs der Spannungsversorgungseinrichtung (10) an einem PWM-Ausgang (40a) ein Spannungsanlaufsignal (S2) zu erzeugen und an dem Spannungsmesseingang (31a) des Spannungsreglers (31) bereitzustellen, wobei das Spannungsanlaufsignal (S2) einen PWM-Signalabschnitt (P) aufweist, in dem das Spannungsanlaufsignal (S2) pulsweitenmoduliert ist und einen mit der Zeit zu- oder abnehmenden Tastgrad (D) aufweist, und - einen Ausgangsanschluss (44), an dem basierend auf der Ausgangsgleichspannung (UG) eine Ausgangsanschlussspannung (UA) bereitgestellt wird.
2. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anlaufsteuerung (40) dazu eingerichtet ist, das Spannungsanlaufsignal (S2) nach einem Einschaltzeitpunkt (t1) vor Beginn des PWM-Signalabschnitts (P) auf einen Anfangswert zu ändern.
3. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Anlaufsteuerung (40) dazu eingerichtet ist, das Spannungsanlaufsignal (S2) während einer Haltezeitdauer (Δt2) konstant auf dem Anfangswert zu halten.
4. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei sich der PWM-Signalabschnitt (P) unmittelbar an die Haltezeitdauer (Δt2) anschließt.
5. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der PWM-Signalabschnitt (P) einen Tastgrad (D) aufweist, der kleiner ist als 100%.
6. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anlaufsteuerung (40) dazu eingerichtet ist, den Tastgrad (D) schrittweise nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls zu erhöhen oder zu reduzieren.
7. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen ersten Kondensator (35), der mit dem PWM-Ausgang (40a) der Anlaufschaltung (40) und mit dem Spannungsmesseingang (31a) des Spannungsreglers (31) verbunden ist.
8. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anlaufsteuerung (40) dazu eingerichtet ist, während eines Einschaltvorgangs der Spannungsversorgungseinrichtung (10) an einem Signalausgang (40b) ein Blockiersignal (S1) zu erzeugen und der Wandlersteuerschaltung (30) bereitzustellen, die dazu eingerichtet ist, basierend auf dem Blockiersignal (S1) ein Ausschaltsignal (S3) zu erzeugen und an einem Ausschalteingang (31b) des Spannungsreglers (31) bereitzustellen.
9. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 8 und nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Ausschaltsignal (S3) anliegt, während das Spannungsanlaufsignal (S2) auf den Anfangswert geändert wird.
10. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Spannungsregler (31) dazu eingerichtet ist, ein Umschalten des angesteuerten Wandlerschalters (26) zu verhindern, solange das Ausschaltsignal (S3) anliegt.
11. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Wandlersteuerschaltung (30) dazu eingerichtet ist, das Ausschaltsignal (S3) durch mehrfaches Invertieren des Blockierungssignals (S1) zu erzeugen.
12. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anlaufsteuerung (40) dazu eingerichtet ist, das Spannungsanlaufsignal (S2) im Anschluss an den PWM-Signalabschnitt (P) auf einen Ruhewert zu ändern und auf dem Ruhewert zu halten.
13. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsstufe (14) dazu eingerichtet ist, an einem zweiten Ausgang (16) eine zweite Gleichspannung (U2) für die Wandlersteuerschaltung (30) des Gleichspannungswandlers (20) bereitzustellen.
14. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend außerdem ein Netzteil (46), das zum Anschluss an eine Netzspannung (UN) eingerichtet ist, um an einem dritten Ausgang (47) eine dritte Gleichspannung (U3) für den Gleichspannungswandler (20) bereitzustellen.
15. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 14, wobei der Gleichspannungswandler (20) an den dritten Ausgang (47) angeschlossen und dazu eingerichtet ist, basierend auf der dritten Gleichspannung (U3) oder der ersten Gleichspannung (U1) eine Ausgangsgleichspannung (UG) zu erzeugen und an einem Wandlerausgang (22) bereitzustellen.
16. Verfahren zum Betreiben einer Spannungsversorgungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: - Anschließen des Eingangsanschlusses (13) der Spannungsversorgungseinrichtung (10) an eine Busleitung (12), - Erzeugen der ersten Gleichspannung (U1) und Bereitstellen der ersten Gleichspannung (U1) am Spannungsregler (31), - Erzeugen des Spannungsanlaufsignals (S2) und Bereitstellen des Spannungsanlaufsignals (S2) am Spannungsmesseingang (31a) des Spannungsreglers (31), wobei das Spannungsanlaufsignal (S2) einen PWM-Signalabschnitt (P) aufweist, in dem das Spannungsanlaufsignal (S2) pulsweitenmoduliert ist und einen mit der Zeit zu- oder abnehmenden Tastgrad (D) aufweist.

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