DE102023109250A1 - Pulsgenerator - Google Patents

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DE102023109250A1
DE102023109250A1 DE102023109250.2A DE102023109250A DE102023109250A1 DE 102023109250 A1 DE102023109250 A1 DE 102023109250A1 DE 102023109250 A DE102023109250 A DE 102023109250A DE 102023109250 A1 DE102023109250 A1 DE 102023109250A1
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Karl Ronald Schöller
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Abstract

Pulsgenerator für ungeregelte Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandler mit variabler Wandler-Eingangsspannung aus zwei Komparatoren (30, 40), von denen ein Komparator (30) als Relaxationsoszillator beschaltet ist, und der andere Komparator (40) einen Ausgangspuls (51) des Oszillators mit einer Steuerspannung aus der mit einem Spannungsteiler (35, 36) skalierten und optional mittels eines vorgespannten Widerstandes (34) auch versetzten Eingangsspannung, vergleicht. Dadurch entsteht an dessen Ausgang (41) ein Rechteckpuls mit einer direkten oder_invertierten Pulsweite, umgekehrt proportional zur Wandler-Eingangsspannung (für einen Abwärtswandler), oder mit einer Pulslücke, proportional zur Wandler-Eingangsspannung (für einen Aufwärtswandler). Dieser Rechteckpuls ist dafür vorgesehen, über eine synchrone Halbbrücke, eine dazu äquivalente Schaltung oder einen einfachen Transistortreiber zwei Transistoren anzusteuern, um nach einem LC-Filter am Wandlerausgang eine von der Wandler-Eingangsspannung nahezu unabhängige, konstante Gleichspannung zu liefern.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Pulsgenerator für ungeregelte Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandler mit variabler Wandler-, umfassend
    • - eine Oszillator-Schaltung mit einem ersten Komparator
    • - eine Verbindung für eine von der Oszillatorschaltung erzeugte oder abgeleitete Schwingung mit einem zweiten Komparator,
    • - einen Spannungsteiler,
    • - zumindest einen Hilfsspannungserzeuger.
  • Stand der Technik
  • Ungeregelte Gleichspannungs-Schalt-Wandler (ohne Rückkopplung - das englische „control“ unterscheidet nicht zwischen gesteuert und geregelt) sind meist als Wandler für eine konstante Eingangsspannung ausgelegt und liefern eine konstante Ausgangsspannung kleiner (Abwärtswandler) oder größer (Aufwärtswandler) als die Eingangsspannung. Ein Pulsgenerator mit konstantem Tastverhältnis - quasi ein Pulsweitenmodulator ohne Modulation - sorgt für den linearen Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsspannung. Damit die Ausgangsspannung auch bei kleinen Ausgangsströmen - bis herunter auf Leerlauf (Null Ampere) - konstant bleibt, führt man diese Wandler als Synchronwandler aus.
  • Für Wandler mit variabler Eingangsspannung dagegen setzt man üblicherweise einen Regler (Rückkopplung) zwischen Ein- und Ausgang ein, der seinen Sollwert von einer Referenzspannungsquelle bezieht, und seinen Stellwert durch einen Differenzverstärker (Operationsverstärker) erzeugt. Dieser Stellwert steuert dann einen Pulsgenerator mit variablem Tastverhältnis (Pulsweitenmodulator)
  • Beide genannten Wandlertypen wandeln diesen (Rechteck-)Puls mittels eines LC-Filters dann in die konstante Ausgangs-Gleichspannung um.
  • Aufgabenstellung
  • Im Hinblick auf Kosten und Lieferengpässen für „Spezialchips“ soll möglichst mit Standardbauteilen ein sehr kompakter Gleichspannungswandler bereitgestellt werden, der in einem weiten Eingangsspannungsbereich (bis 1:4 oder kleiner) eine ausreichend konstante Ausgangsspannung liefert.
  • Das soll ein Wandler ohne Rückkopplung ermöglichen, um die Signalrückführung von Ausgang zu Eingang einzusparen. Die Signalrückführung stellt speziell bei galvanisch getrennten Wandlern einen gewissen Aufwand dar, meist in Form einer Optokoppler-Schaltung. Jedoch lassen sich auch bei galvanisch verbundenen Wandlern ohne Rückkopplung Bauteile einsparen.
  • Dazu ist ein möglichst einfacher Pulsgenerator erforderlich, der seine Pulsweite aus der variablen Eingangsspannung herleitet. Für Aufwärtswandler gilt: U a = T t a u s ⋅ U e
    Figure DE102023109250A1_0001
    (Tietze, Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 11. Auflage, Seite 986). Zwischen taus und Ue besteht für die angestrebt konstante Wandler-Ausgangsspannung Ua Proportionalität.
  • Ein Abwärtswandler dagegen erfordert für die angestrebt konstante Spannung Ua wegen U a = t e i n T ⋅ U e
    Figure DE102023109250A1_0002
    (Tietze, Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 11. Auflage, Seite 981) zwischen tein und Ue hyperbolische Charakteristik.
  • Im Hinblick auf kleinere Stückzahlen ist eine „halb-diskrete“ Schaltung eines Wandlers wünschenswert, die jedoch der Kompaktheit einer voll integrierten Schaltung nahe kommen soll. Dabei hilft schon das Einsparen eines Operationsverstärkers (mit mindestens 8 Pins). Nur ein ungeregelter Wandler kommt ohne Operationsverstärker zur Stellgrößenerzeugung aus.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst,
    dass in einer bevorzugten Ausführung als Aufwärtswandler
    ein Komparator einer mindestens zwei Analog-Komparatoren umfassenden Schaltung, beispielsweise als IC (Integrated Circuit), beschaltet als Relaxationsoszillator, einen am invertierenden Eingang, bei kleiner Hysterese gut angenäherten Dreieckpuls oder Sägezahnpuls erzeugt und diesen mit einer Steuerspannung, vorzugsweise der skalierten und versetzten Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers, durch einen zweiten Komparator vergleicht und damit an dessen Ausgang einen Rechteckpuls liefert, dessen Pulslücken von der Eingangsspannung des Wandlers im Wesentlichen proportional sind,
    und dass in einer bevorzugten Ausführung als Abwärtswandler
    ein Komparator einer mindestens zwei Analog-Komparatoren umfassenden Komparator-Schaltung, mit gegenüber dem Aufwärtswandler geänderten Schwellenspannungen des Schmitttriggers einen Rechteckpuls mit Einschaltzeiten erzeugt, die gegenüber der Periodendauer T des Pulses kleiner als das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Wandler-Eingangsspannung sind,
    wobei durch ein nachfolgendes, stromrichtungsabhängiges RC-Glied ein gegenüber dem ursprünglichen Rechteckpuls abfallverzögerter Puls entsteht, dessen Asymptote durch einen spannungsteilenden Pull-Up-Widerstand am Ausgang des Komparators größer als Null ist,
    und dieser abfallverzögerte Puls mit einer Steuerspannung, vorzugsweise der skalierten und versetzten Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers, durch einen zweiten Komparator verglichen wird, so dass an dessen Ausgang ein (weiterer) Rechteckpuls auftritt mit einer Pulsweite im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Eingangsspannung des Wandlers.
  • In beiden genannten Ausführungen erfolgt die Skalierung und optional auch Versetzung der Eingangsspannung durch einen Spannungsteiler ggf. mit Offset.
  • Aus den Unteransprüchen 8 und 9 lässt sich weiterbilden, dass sich für den beschriebenen Spannungswandler noch Bauteile einsparen lassen, dass darüber hinaus eine integrierte Ausführung anzustreben, und dass der Wandler kurzschlussfest einsetzbar ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
    • 1 einen erfindungsgemäßen Pulsgenerator für einen Aufwärtswandler,
    • 2 die zeitlichen Spannungsverläufe für den Aufwärtswandler,
    • 3 Spannungsteiler mit Offset zur Skalierung und Versetzung der Eingangsspannung,
    • 4 Spannungsteiler mit Offset zur Skalierung und Versetzung der Eingangsspannung mit einer Zenerdiode,
    • 5 den vollständigen Aufwärtswandler mit Pulsgenerator,
    • 6 einen erfindungsgemäßen Pulsgenerator für einen Abwärtswandler,
    • 7 die zeitlichen Spannungsverläufe für den Abwärtswandler,
    • 8 die absoluten und prozentuellen Abweichungen der Abwärtswandler-Ausgangsspannung vom Sollwert in Bezug zur Wandler-Eingangsspannung,
    • 9 die absoluten und prozentuellen Abweichungen mit Zenerdiode aus 4,
    • 10 den vollständigen Abwärtswandler mit Pulsgenerator aus 6.
  • Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungen
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Pulsgenerators ist für einen nicht isolierenden Aufwärtswandler in 1 mit den zeitlichen Spannungsverläufen in 2 dargestellt. Ein Komparator 1 eines Analog-Komparator-ICs ist dort als Relaxationsoszillator (Kippschwinger) beschaltet. Die Widerstände 2 (R1H, R2H, R3H) definieren die Hysterese, also die Schwellenwerte des Schmitttriggers, das RC-Glied 3, 4, optional mit Diode 3a, die Schwingungsfrequenz des Oszillators. Die Verbindung 5 führt einen vom Oszillator erzeugten Dreieckpuls 14 (mit Diode 3a einen Sägezahnpuls) an den zweiten Komparator 6 des IC, der die zeitlich veränderliche Spannung des Dreieckpulses (Sägezahnpulses) mit einer Steuerspannung 15 vergleicht, die aus der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers gewonnen wird. Diese Steuerspannung wird aus der Eingangsspannung des Wandlers durch einen Spannungsteiler mit Offset erzeugt, der aus den Widerständen 7, 8, 9 besteht. Der Ausgang 12 des Komparators 6 führt dadurch einen Rechteckpuls 13, dessen Pulslücken von der Eingangsspannung des Wandlers im Wesentlichen linear abhängig sind. Ein Hilfsspannungerzeuger 11 mit geringer Leistung, vorzugsweise als Längsregler ausgeführt und von der Wandler-Eingangsspannung gespeist, versorgt den Komparator-IC und den Spannungsteiler mit Offset 7, 8, 9.
  • 2 zeigt den Rechteckpuls 13 am Ausgang des Pulsgenerators mit Dreieckschwingung 14 in Abhängigkeit von der Steuerspannung 15 (U3) des Wandlers. Die beiden als Uth+ und Uth-bezeichneten Schwellenwerte 16, 17 des Schmittrigger-Oszillators liegen symmetrisch oberhalb und unterhalb der halben Hilfsspannung 11a. Die Hysterese ist so klein gehalten, dass die Abweichung von Lade- und Entladekurve 14 des Oszillator-RC-Gliedes gegen eine ideale Dreieckschwingung vernachlässigbar ist.
  • Die Steuerspannung 15 ist durch den Spannungsteiler mit Offset 7, 8, 9 so bemessen, dass sie immer im Hysteresebereich des Schmitttriggers liegt. Der Wert für die maximale Steuerspannung 15a (U3max) ist knapp unterhalb des oberen Schwellenwertes 16 des Schmitttriggers so festgelegt, dass der Puls möglichst nie zu einer Gleichspannung degeneriert. Aus der Auszeit taus des Rechteckpulses 13 in der Gleichung (a) für diesen Spannungswert taus max 19 ergibt sich taus min, 18 wegen der Proportionalität zwischen Ue und taus zu: t a u s  min = t a u s  max ⋅ U 3 min U 3 max
    Figure DE102023109250A1_0003
    und daraus auch die minimale Steuerspannung 15b (U3min).
  • Die Berechnung des Spannungsteilers 8, (R2), 9 (R3) mit Offset-Widerstand 7 (R1), aus 1, in 3 noch einmal idealisiert dargestellt, folgt aus der Superposition beider Spannungsquellen: U 3 = U 1 R 2 R 3 + U 2 R 1 R 3 R 1 R 2 + R 1 R 3 + R 2 R 3
    Figure DE102023109250A1_0004
     R 2 = R 3 = − U 1 U 3 max + U 1 U 2 max − U 2 max U 3 min + U 1 U 3 min − U 1 U 2 min + U 2 min U 3 max U 1 U 3 max − U 1 U 3 min
    Figure DE102023109250A1_0005
     R 1 = R 2 R 3 ( U 1 − U 3 ) U 3 ( R 2 + R 3 ) − U 2 R 3
    Figure DE102023109250A1_0006
    mit
    • U1
    Hilfsspannung 11a,
    U2 = Ue
    Wandler-Eingangsspannung
    U2max
    maximale Wandler-Eingangsspannung,
    U2min
    minimale Wandler-Eingangsspannung.
  • (Die Hilfsspannung U1 11a wird vorzugsweise dem Ausgang des Hilfsspannungserzeugers 11 entnommen.)
  • Eine besonders vorteilhafte, erfindungsgemäße Ausführung kommt durch eine Hilfsspannung Uz zustande, die statt der konstanten Hilfsspannung U1 eine schaltbare Hilfsspannung in Form einer Zenerdiode 55 erzeugt (4). Eine Zenerdiode ist eine Spannungsquelle (mit Abschaltfunktion), wie im Ersatzschaltbild für lineare Netzwerke allgemein bekannt. Sie ist - ebenfalls bekannterweise - eingeschaltet (stromführend), wenn die versorgende Spannung größer als die Zenerspannung ist und ausgeschaltet (stromsperrend), wenn die versorgende Spannung kleiner ist. Der Vorteil dieser Ausführung wird später in der 9 dargelegt.
  • 5 zeigt die komplette Schaltung des Aufwärtswandlers. Zum beschriebenen Pulsgenerator kommen eine integrierte, synchrone Halbbrücke 20 mit Bootstrap-Kondensator 21, zwei n-Kanal-MOSFETs 22 sowie eine Induktivität 23 und ein Glättkondensator 24 hinzu.
  • Eine andere, bevorzugte Ausführungsform des Pulsgenerators ist für einen nicht isolierenden Abwärtswandler in 6 mit den zeitlichen Spannungsverläufen in 7 dargestellt. Ein Analog-Komparator 30 eines mindestens zwei Komparatoren umfassenden ICs ist mit gegenüber dem Aufwärtswandler geänderten Schwellenspannungen des Schmitttriggers durch die Widerstände 31 als Rechteckgenerator beschaltet, der einen Rechteckpuls 50a mit Einschaltzeiten gegenüber der Periodendauer T liefert, die kleiner als das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Wandler-Eingangsspannung sind. (Das reale Aussehen des Pulses 50a mit 100kHz stammt von einer Messung an einem Komparator LM 393 mit 12V Versorgungsspannung.)
  • Ein stromrichtungsabhängiges RC-Glied 33 macht daraus einen Puls 51 aus abfallverzögerten Impulsen, die sich asymptotisch einem Spannungspegel größer als Null nähern, der aus dem spannungsteilenden Pull-Up-Widerstand 32 am Ausgang des Komparators 30 resultiert.
  • Die aus der Eingangsspannung des Wandlers gewonnene Steuerspannung 52, erzeugt durch einen Spannungsteiler mit Offset aus den Widerständen 34, 35 und 36, wird mit dem Puls 51 auf der Verbindungsleitung 44 durch einen zweiten Komparator 40 verglichen, so dass an dessen Komparatorausgang 41 ein Rechteckpuls 42 auftritt, dessen Pulsweite im Wesentlichen umgekehrt proportional (b) zur Eingangsspannung des Wandlers ist.
  • Die Steuerspannung 52 ist durch den Spannungsteiler mit Offset 34, 35, 36 so bemessen, dass sie jedenfalls im Schwingungsbereich des Pulses 51 liegt. Genauer so, dass der Wert für die maximale Steuerspannung 52b (U3max) bei maximaler Eingangsspannung des Wandlers eine Pulsweite tein min 53 des Rechteckpulses 42 ergibt.
  • Und bei minimaler Steuerspannung 52a eine Pulsweite tein max 54. Für einen 1:4 Wandler, z. B. mit Ue max = 60V und Ue min = 15V, beträgt tein min dann 25% der Periodendauer T und tein max 100% davon. (Ein tein max von 100% würde am Ausgang des Pulsgenerators eine Halbbbrücke nach dem Ladungspumpenprinzip erfordern, eine kostengünstigere Bootstrap-Halbbrücke dagegen erhöht die erlaubte Ue min um einige 100mV.)
  • Die Berechnung des Spannungsteilers mit Offset 34, 35, 36 ergibt sich analog zu dem Spannungsteiler 7, 8, 9 des Aufwärtswandlers aus den Gleichungen (d), (e), (f). Durch geeignete Wahl von U2max und U3min kann der Offset und somit der Widerstand 34 (R1 in 6) zumindest beim Abwärtswandler entfallen. Dies ergibt sich aus den Gleichungen (e), (f), wenn das Verhältnis von Ue max(= U2 max) zu Ue min (= U2 min) gleich dem Verhältnis von U2max 52b zu U3min 52a ist.
  • In 8 wird die Abweichung der hyperbolischen Beziehung aus Gleichung (b) zum Resultat 42 aus Puls 51 und die dadurch abweichende Ausgangsspannung des Wandlers vom Sollwert (dort konstante 15V) deutlich. Minimale Abweichung resultiert aus Variation der Zeitkonstanten des RC-Gliedes 33 sowie der Widerstände 32 und 35. Die Abweichung liegt dann für einen 1:4 Wandler im Bereich von +/-4% und für einen 1:2 Wandler bei +/-2%.
  • Noch geringere Abweichungen zwischen Hyperbel und e-Kurve werden durch den Eingangsspannungsteiler nach 4 erzielt: Eine Zenerdiode 59, in der Praxis eine temperaturunabhängige Referenzdiode, ersetzt die konstante Hilfsspannung des Hilfsspannungserzeugers 11, 43 durch eine eingangsspannungsabhängige Hilfsspannung. Dadurch reduziert sich die Abweichung gegenüber der vorigen Ausführung auf ca. die Hälfte, wie die 9 demonstriert.
  • Der Hilfsspannungerzeuger 43, 59 gleicht - abgesehen von den unterschiedlichen Spannungsbereichen - dem des Aufwärtswandlers.
  • 10 zeigt die komplette Schaltung des Abwärtswandlers. Zum beschriebenen Pulsgenerator kommen eine integrierte, synchrone Halbbrücke 60 mit Bootstrap-Kondensator 61, zwei n-Kanal-MOSFETs 62 sowie eine Induktivität 63 und ein Glättkondensator 64 hinzu.
  • Weil ein ungeregelter Spannungswandler wegen fehlender Rückkopplung keine Fehlerkorrektur beinhaltet, ist die Ausgangsspannung nur dann (annähernd) lastunabhängig, wenn die Durchlasswiderstände der Transistoren 22, 62 und der Induktivität 23, 63 sehr klein sind, zusammen vielleicht unter einem Ohm. Für Ausgangsströme des Wandlers unter 0,5A sind dafür aber durchaus kostengünstige und kompakte Bauteile erhältlich.
  • Die Erfindung offenbart einen Pulsgenerator für ungeregelte Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandler mit variabler Wandler-Eingangsspannung aus zwei Komparatoren (30, 40), von denen ein Komparator (30) als Relaxationsoszillator beschaltet ist, und der andere Komparator (40) einen Ausgangspuls (51) des Oszillators mit einer Steuerspannung aus der mit einem Spannungsteiler (35, 36) skalierten und optional mittels eines vorgespannten Widerstandes (34) auch versetzten Eingangsspannung, vergleicht. Dadurch entsteht an dessen Ausgang (41) ein Rechteckpuls mit einer direkten oder-invertierten Pulsweite, umgekehrt proportional zur Wandler-Eingangsspannung (für einen Abwärtswandler), oder mit einer Pulslücke, proportional zur Wandler-Eingangsspannung (für einen Aufwärtswandler). Dieser Rechteckpuls ist dafür vorgesehen, über eine synchrone Halbbrücke, eine dazu äquivalente Schaltung oder einen einfachen Transistortreiber zwei Transistoren anzusteuern, um nach einem LC-Filter am Wandlerausgang eine von der Wandler-Eingangsspannung nahezu unabhängige, konstante Gleichspannung zu liefern.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erster Komparator für Pulsgenerator des Aufwärtswandlers
    2
    Widerstände Hysterese Schmitttrigger
    3
    Widerstand RC-Glied Oszillator
    3a
    Diode zur Umwandlung eines Dreieckpulses in einen Sägezahnpuls
    4
    (Schwing-)Kondensator für RC-Glied Oszillator
    5
    Dreieckpuls, Sägezahnpuls vom Oszillator, Oszillatorausgang, Verbindung zu erstem Eingang des zweiten Komparators
    6
    zweiter Komparator für Pulsgenerator des Aufwärtswandlers
    7
    R1, Offset-Widerstand für Steuerspannungs-Spannungsteiler
    8
    Widerstand Spannungsteiler
    9
    Widerstand Spannungsteiler
    10
    zweiter Eingang des zweiten Komparators, Spannungsteiler-Knoten
    11
    Hilfsspannnungserzeuger für Aufwärtswandler
    11a
    Spannungsausgang des Hilfsspannnungserzeugers für Aufwärtswandler, Hilfsspannung
    12
    Ausgang Pulsgenerator für Aufwärtswandler
    13
    Rechteckpuls Ausgang Pulsgenerator, Ausgangspuls
    14
    Dreieckpuls Oszillator Pulsgenerator, Dreieckschwingung
    15
    Steuerspannung, skalierte und versetzte Eingangsspannung U3 des Wandlers
    15a
    U3 max maximale Steuerspannung
    15b
    U3 min minimale Steuerspannung
    16
    Uth+ obere Schwellenspannung Schmitttrigger
    17
    Uth- untere Schwellenspannung Schmitttrigger
    18
    taus min minimale Auszeit des Rechteckpulses 13
    19
    tausmax maximale Auszeit des Rechteckpulses 13
    20
    synchrone Halbbrücke
    21
    Bootstrap-Kondensator
    22
    n-Kanal-MOSFETs
    23
    Induktivität
    24
    Glättkondensator
    30
    erster Komparator für Pulsgenerator des Abwärtswandlers
    31
    Widerstände Hysterese Schmitttrigger
    32
    Spannungsteiler-Pullup-Widerstände
    33
    stromrichtungsabhängiges RC-Glied, Verzögerungsglied
    34
    R1, Offset-Widerstand für Steuerspannungs-Spannungsteiler
    35
    Widerstand Spannungsteiler
    36
    Widerstand Spannungsteiler
    40
    zweiter Komparator für Pulsgenerator des Abwärtswandlers
    41
    Ausgang Pulsgenerator für Abwärtswandler
    42
    Ausgangssignal Pulsgenerator, Rechteckpuls Abwärtswandler, Resultat aus 51
    43
    Hilfsspannnungserzeuger für Abwärtswandler
    44
    Verbindungsleitung vom Verzögerungsglied zu erstem Eingang des zweiten Komparators
    45
    zweiter Eingang des zweiten Komparator, Spannungsteiler-Knoten
    50
    Oszillatorausgang
    50a
    Rechteckpuls von Oszillator
    51
    abfallverzögerter Puls aus 50 mit angehobener Asymptote der Entladungskurve
    52
    Steuerspannung, skalierte und versetzte Eingangsspannung U3 des Wandlers
    52a
    U3 min
    52b
    U3 max
    53
    tein min minimale Einschaltzeit des Rechteckpulses 42
    54
    tein max maximale Einschaltzeit des Rechteckpulses 42
    55
    Widerstand Eingangsspannungsteiler
    56
    Widerstand Eingangsspannungsteiler
    57
    Knoten Eingangsspannungsteiler
    58
    Offset-Widerstand Eingangsspannungsteiler
    59
    Zenerdiode, Hilfsspannungserzeuger
    60
    synchrone Halbbrücke
    61
    Bootstrap-Kondensator
    62
    n-Kanal-MOSFETs
    63
    Induktivität
    64
    Glättkondensator
    65
    Sicherung
    R1H
    Widerstand Hysteresedefinition (1)
    R2H
    Widerstand Hysteresedefinition (1)
    R3H
    Widerstand Hysteresedefinition (1)
    Ua
    Wandler-Ausgangsspannung
    T
    Periodendauer Oszillator
    taus
    Auszeit Rechteckpuls
    tein
    Einschaltzeit Rechteckpuls
    U1
    Hilfsspannnung, Ausgangsspannung Hilfsspannungserzeuger
    U2
    Wandler-Eingangsspannung (= Ue)
    U2 max
    maximale Wandler-Eingangsspannung
    U3min
    minimale Wandler-Eingangsspannung
    Ue
    Wandler-Eingangsspannung
    Ue
    Wandler-Eingangsspannung nach Skalierung und ggf. Versetzung
    Ue max
    maximale Wandler-Eingangsspannung
    Ue min
    minimale Wandler-Eingangsspannung
    U3
    Steuerspannung, skalierte und optional auch versetzte Eingangsspannung
    R1
    Offset-Widerstand für Steuerspannungs-Spannungsteiler
    R2
    Widerstand Steuerspannungs-Spannungsteiler an Hilfsspannung
    R3
    Widerstand Steuerspannungs-Spannungsteiler an Masse

Claims (10)

  1. Pulsgenerator für einen ungeregelten Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandler mit einer variablen Wandler-Eingangsspannung, umfassend - eine Oszillator-Schaltung (1, 2, 3, 4 30, 31) mit einem ersten Komparator (1, 30); - eine Verbindung (5, 44, 50) für eine von der Oszillatorschaltung (1, 2, 3, 4 30, 31) erzeugte (14, 50a) oder abgeleitete (51) Schwingung mit einem zweiten Komparator (6, 40); - einen Spannungsteiler (8, 9, 35, 36, 55, 56); - zumindest einen Hilfsspannungserzeuger (11, 43, 59); dadurch gekennzeichnet, dass - eine vom ersten Komparator erzeugte Oszillatorschwingung (14, 50) mit einem ersten Eingang des zweiten Komparators (6, 40) so verbunden ist, dass ein Vergleich mit einer am zweiten Eingang (10, 45) des zweiten Komparators (6, 40) anliegenden Steuerspannung aus der skalierten Eingangsspannung des ungeregelten, rückkopplungsfreien Gleichspannungs-Schalt- Synchron-Wandler einen Ausgangspuls (13, 42) liefert, der von der Eingangsspannung des ungeregelten, Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandlers abhängig ist; und - die Skalierung der Eingangsspannung des ungeregelten, Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandler durch einen Spannungsteiler (8, 9, 35, 36) erfolgt.
  2. Pulsgenerator nach Anspruch 1, wobei der Spannungsteiler (8, 9, 35, 36, 55, 56) mittels erster Widerstände (7, 34, 35, 58) einen Offset generiert, wodurch die Eingangsspannung des ungeregelten Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandlers durch den Spannungsteiler (8, 9, 35, 36, 55, 56) versetzt wird.
  3. Pulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Offset des Spannungsteilers (8, 9, 35, 36) durch einen zweiten Widerstand (7, 34) zwischen einem Spannungsteiler-Knoten (10, 45) und einer ersten Hilfsspannung (11a, 43a) erzeugt wird, die einem Hilfsspannungserzeuger (11, 43) entnommen ist.
  4. Pulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Offset des Spannungsteilers (55, 56) aus einem Widerstand (58) zwischen einem Spannungsteiler-Knoten (57) und einer zweiten Hilfsspannung Uz, die mit einer Zenerdiode (59) gebildet wird, erzeugt wird.
  5. Pulsgenerator nach einem der Ansprüche1 bis 4, wobei die vom ersten Komparator erzeugte Oszillatorschwingung (50a) über ein Verzögerungsglied (32, 33) mit dem ersten Eingang des zweiten Komparators (40) verbunden ist.
  6. Pulsgenerator nach einem der Ansprüche1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass - zwei Schmitttrigger-Schwellenspannungen (16, 17) des Oszillators durch dritte Widerstände (2) so ausgelegt sind, dass der Oszillator zumindest näherungsweise einen Dreieckpuls (14) oder Sägezahnpuls an den zweiten Komparator (6) liefert, und - der zweite Komparator (6) diesen Dreieckpuls bzw. Sägezahnpuls mit der Steuerspannung (15) des ungeregelten Gleichspannungs-Schalt- Synchron-Wandler vergleicht und dadurch einen Rechteckeckpuls (13) für Aufwärtswandler generiert, dessen Pulslücken (18, 19) proportional zur Eingangsspannung des Wandlers sind.
  7. Pulsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei - die Schmitttrigger-Schwellenspannungen des Oszillators durch vierte Widerstände (31) so ausgelegt sind, dass der Oszillator einen Rechteckpuls (50a) mit Einschaltzeiten gegen die Periodendauer T liefert, die kleiner sind als das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Wandler-Eingangsspannung, wodurch nach Anhebung des Asymptotenpegels mit einem spannungsteilenden Pull-Up-Widerstand (32) am Ausgang des Komparators durch ein stromrichtungsabhängiges RC-Glied (33) als Verzögerungsglied ein abfallverzögerter Puls (51) auftritt, - dieser Puls (51) mit der Steuerspannung des ungeregelten, Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandlers durch einen zweiten Komparator (40) verglichen wird, so dass an diesem Komparatorausgang ein Rechteckpuls (42) auftritt, dessen Pulsweite im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Eingangsspannung des Wandlers ist.
  8. Ungeregelter Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandler mit dem Pulsgenerator nach einem der vorherigen Ansprüchen.
  9. Ungeregelter Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandler mit dem Pulsgenerator nach Anspruch 8, wobei die Komponenten des Pulsgenerators als integrierte Single-Chip-Schaltung ausgeführt sind
  10. Ungeregelter Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandler mit einem Pulsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei - eine Sicherung (65), vorzugsweise eine rückstellende Sicherung, am Ausgang des ungeregelten Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandlers angebracht ist, welche die Kurzschlussfestigkeit des ungeregelten, rückkopplungsfreien Gleichspannungs-Schalt-Synchron-Wandlers herstellt.
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ATA94/2022A AT525637B1 (de) 2022-04-20 2022-04-20 Pulsgenerator für ungeregelte Gleichspannungswandler
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US8624571B2 (en) * 2009-12-24 2014-01-07 Mediatek Singapore Pte. Ltd. DC-DC converters with pulse generators shared between PWM and PFM modes
US11177737B2 (en) * 2019-07-19 2021-11-16 Texas Instruments Incorporated Switching control for power converters

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