DE10207138A1

DE10207138A1 - Schaltung und Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Schaltreglers

Info

Publication number: DE10207138A1
Application number: DE10207138A
Authority: DE
Inventors: Dale R Eagar
Original assignee: Linear Technology LLC
Current assignee: Linear Technology LLC
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2002-08-29
Also published as: US6495993B2; US20020135341A1

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung werden Energierückgewinnungssysteme und -verfahren bereitgestellt, die Energie mit geringerem Leistungsverlust von einem Eingang zu einem Ausgang übertragen. Ein synchroner Schaltregler ist eine Anwendung für das erfindungsgemäße Energierückgewinnungssystem. Es kann eine Spule in einem synchronen Schaltregler verwendet werden, um den Leistungsverlust zu reduzieren, der durch den durch die Bodydiode des synchronen Schalttransistors fließenden Rückstrom verursacht wird, wenn der synchrone Schalttransistor ausschaltet. Energie in der Spule kann durch ein erfindungsgemäßes Energierückgewinnungssystem zum Eingangs- oder zum Ausgangskondensator des Schaltreglers zurückübertragen werden. Durch die erfindungsgemäße Energierückgewinnungsschaltung wird ein effizientes Verfahren bereitgestellt, gemäß dem Energie in der Spule aufgenommen und einem Recovery Switcher Leistung auf eine Weise zugeführt werden kann, die es dem Recovery Switcher ermöglicht, Energie effizient zum Eingangs- oder Ausgangskondensator des Schaltreglers zu übertragen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Schaltreglers. Die vorliegende Erfindung betrifft insbeson dere eine Schaltung und Verfahren zum Rückgewinnen von Ener gie, die ansonsten verloren ginge.

Ein Recovery Switcher ist eine Schaltreglerschaltung, die Energie von einer Eingangsspannungsquelle über ein in duktives Bauelement oder eine Spule einer Ausgangsspannung zuführt. Ein Recovery Switcher hat typischerweise eine nied rige Eingangsimpedanz und eine hohe Ausgangsimpedanz. Ein Recovery Switcher regelt seine Eingangsspannung, er regelt jedoch nicht seine Ausgangsspannung als seine primäre Funk tion.

Es wäre daher wünschenswert, einen effizienteren Reco very Switcher bereitzustellen.

Es wäre außerdem wünschenswert, ein Energierückgewin nungssystem mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen effizienteren Recovery Switcher bereitzustellen.

Es ist außerdem eine Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, ein Energierückgewinnungssystem mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.

Das erfindungsgemäße Energierückgewinnungssystem weist eine Schaltung auf, die Energie mit geringerem Leistungsver lust von einer Spule zu einem Kondensator überträgt. Ein synchroner Schaltregler ist eine Anwendung für das erfin dungsgemäße Energierückgewinnungssystem. In einem synchronen Schaltregler kann eine im Kommutationsweg der Körperdiode des synchronen Schalttransistors angeordnete Spule verwendet werden, um den Leistungsverlust zu reduzieren, der durch ei nen Reverse-Recovery-Strom oder Rückstrom verursacht wird, der durch die Bodydiode des synchronen Schalttransistors fließt, wenn der synchrone Schalttransistor ausschaltet.

Energie in der Spule kann über ein erfindungsgemäßes Energierückgewinnungssystem zu einem Eingangskondensator oder zu einem Ausgangskondensator des Schaltreglers zurück übertragen werden. Durch die erfindungsgemäße Energierückge winnungsschaltung wird ein effizientes Verfahren bereitge stellt, gemäß dem Energie in der Spule aufgenommen und einem Recovery Switcher auf eine Weise Leistung zugeführt wird, die es dem Recovery Switcher ermöglicht, die Energie effi zient zum Eingangs- oder Ausgangskondensator des Schaltreg lers zu übertragen.

Das erfindungsgemäße Energierückgewinnungssystem kann außerdem in einem nicht-synchronen Schaltregler verwendet werden. Die erfindungsgemäße Energierückgewinnungsschaltung ist mit einer Spule gekoppelt. Die Spule ist im Kommutati onsweg einer Diode im nicht-synchronen Schaltregler angeord net. Die Spule reduziert den durch die Diode fließenden Rückstrom. Die Energierückgewinnungsschaltung überträgt Energie von der Spule zum Eingangs- oder Ausgangskondensator des Schaltreglers.

Die vorstehend erwähnten Aufgaben und Merkmale der vor liegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführli chen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeich nungen verdeutlicht, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelemente bezeichnen; es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer exemplarischen synchronen Schaltreglerschaltung, die mit ei ner gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien konstruierten Energierückgewinnungsschaltung verbunden ist;

Fig. 2 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien konstruierten exem plarischen Recovery-Switcher-Schaltung;

Fig. 3 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien konstruierten exem plarischen Recovery-Switcher-Schaltungssystems; und

Fig. 4 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer anderen, gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien konstruier ten exemplarischen Recovery-Switcher-Schaltung.

Der in Fig. 1 dargestellte synchrone Schaltregler 10 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der synchrone Schaltregler 10 weist synchrone Schalttransis toren 11 und 12, eine Hauptspule 14, einen Ausgangskondensa tor 15, einen Eingangskondensator 16, eine Steuerschaltung 17 und eine Energierückgewinnungsschaltung 28 auf. Die Ener gierückgewinnungsschaltung 28 weist eine Rückgewinnungssteu erungsspule 18, einen Kondensator 20, eine Spule 22, eine Diode 26, einen Kondensator 24 und einen Recovery Switcher 30 auf. Die Spulen 18 und 22 können zwei Wicklungen auf dem gleichen Kern oder separate Spulen sein. Die Energierückge winnungsschaltung 28 kann als Pseudo-SEPIC-Energierück gewinnungsschaltung beschrieben werden. Die Spulen 18 und 22 können beispielsweise einen Transformator bilden oder zwei separate Spulen sein. Wenn die Spulen 18 und 22 auf den gleichen Kern gewickelt sind, ist die Polarität der über die Spulen 18 und 22 induzierten Spannungen durch die Punkte in Fig. 1 dargestellt. An den mit Punkten bezeichneten Enden jeder Spule ist die Spannung bezüglich der anderen Enden der Spulen gleichzeitig negativ.

Die Energierückgewinnungsschaltung 28 weist einen Ein gang zwischen Knoten 21 und 29 und einen Ausgang zwischen einem Knoten 29 und Masse auf. Die Energierückgewinnungs schaltung 28 überträgt Energie des in der Spule 18 gespei cherten Stroms zu den Kondensatoren 20 und 24 und dann zu rück zum Eingangskondensator 16. Der Kondensator 24 ist quer über den Eingang des Recovery Switchers 30 mit dem Ausgangs knoten 29 verbunden. In einer alternativen Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Energierückgewinnungsschaltung Energie von einer Spule zu einem Ausgangskondensator eines Schaltreglers zurückübertragen. Falls erwünscht, kann eine erfindungsgemäße Energierückgewinnungsschaltung Energie zu einer anderen Ladungspeicherschaltung übertragen. Durch die Konfiguration der Energierückgewinnungsschaltung 28 wird ein hoher Wirkungsgrad erhalten, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.

Der Schaltregler 10 ist ein Buck- oder Abwärtsregler, der bei V_IN mit einer Eingangsspannungsquelle und bei V_out mit einer Last (nicht dargestellt) verbunden ist. Die Steuer schaltung 17 steuert die Schalttransistoren 11 und 12 rela tiv zueinander phasenverschoben auf die Zustände EIN und AUS. Zwischen der Zeit, in der ein Schalttransistor auf den Zustand EIN geschaltet ist (EIN-Zeit), und der Zeit, in der der andere Schalttransistor auf den Zustand EIN geschaltet ist, kann eine Totzeit bereitgestellt werden. Während der Totzeit sind beide Transistoren 11 und 12 ausgeschaltet.

Die Steuerschaltung 17 kann eine beliebige geeignete synchrone Schaltreglersteuerschaltung sein. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 17 ein Spannungsmodus- oder ein Strommodusregler mit einer Rückkopplungsschleifenschaltung sein, z. B. mit einem Widerstandsteiler (nicht dargestellt), der mit V_out verbunden ist, und eine konstante AUS-Zeit-, ei ne konstante EIN-Zeit-, eine konstante Frequenz-, eine hystereseartige Modulations-, eine Strommodulations-, eine Spannungsmodulation- oder eine Pulsbreitenmodulationssteu erung des Tastverhältnisses der Schalttransistoren aufwei sen. Wenn die Steuerschaltung 17 eine Strommodussteuerung aufweist, kann beispielsweise ein Abtast- oder Meßwiderstand zwischen der Spule 14 und dem Kondensator 15 geschaltet sein. Der Spannungsabfall über den Abtast- oder Meßwi derstand kann überwacht werden, um den Ausgangsstrom zu bestimmen. Alternativ kann der Spannungsabfall über die Hauptspule 14 oder einen der Schalttransistoren 11 und 12 überwacht werden, um den Ausgangsstrom zu erfassen. Falls erwünscht, können andere Stromerfassungsverfahren verwendet werden. Die Steuerschaltung 17 weist Treiber zum Ein- und Ausschalten der Transistroren 11 und 12 auf.

Wenn der Schalttransistor 11 aus- und der Schalttran sistor 12 eingeschaltet ist, fließt Strom von Masse über den Schalttransistor 12 und die Spule 14 zu V_out. Wenn der Schalttransistor 12 ausschaltet, fließt während der Totzeit Strom durch die Bodydiode des Transistors 12 zur Spule 14. Wenn der Schalttransistor 11 anschließend einschaltet, gleicht die Spannung am Knoten 13 dem Spannungsabfall der Bodydiode des Transistors 12, und der Strom beginnt von V_IN über die Spule 18 und den Transistor 11 zur Spule 14 zu fließen. Der Strom steigt in der Spule 18 gemäß der Glei chung V = L.(di/dt) allmählich an. Wenn der Strom in der Spu le 18 allmählich ansteigt, nimmt der Strom durch die Bodydi ode des Transistors 12 entsprechend ab. Wenn der Strom durch die Spule 18 dem Strom durch die Spule 14 gleicht, ist der Strom durch die Bodydiode des Transistors 12 gleich null.

Anschließend nimmt der Strom in der Spule 18 weiterhin allmählich zu. Der durch die Spule 18 fließende Strom, der den durch die Spule 14 fließenden Strom übersteigt, fließt von V_IN über die Spule 18, den Transistor 11 und die Bodydio de des Transistors 12 zur Masse. Dieser als Rückstrom be zeichnete Strom entfernt im pn-Übergang der Bodydiode des Transistors 12 gespeicherte Ladungsträger, wodurch veranlaßt wird, daß die Bodydiode kommutiert oder umschaltet. Die Bo dydiode kommutiert, wenn sie den durch sie hindurch fließen den Rückstrom blockiert. Die Spule 18 reduziert die An stiegsrate des Rückstroms, um die Rückstromspitze zu redu zieren, die dazu verwendet wird, die Bodydiode des Transis tors 12 zu kommutieren und den Leistungsverlust im Transis tor 11 zu reduzieren. Weitere Details eines Systems und Ver fahrens zum Steuern des Rückstromladungsprofils der Bodydio de eines synchronen Schalttransistors ("System and Method for Controlling the Body Diode Reverse Recovery Charge Pro file of a Synchronous Switching Transistor") sind in der gleichzeitig mit der vorliegenden Patentanmeldung einge reichten, mitanhängigen deutschen Patentanmeldung darge stellt, in der die Priorität der USSN 09/789960 von Eager et al. (unser Zeichen: G 1295 DE) beansprucht wird und auf die hierin in ihrer Gesamtheit unter Verweis Bezug genommen wird.

Nachdem die Bodydiode des Transistors 12 kommutiert hat, nimmt die Spannung am Knoten 21 zu. Der Kondensator 20 und die Diode 26 bilden eine AC-gekoppelte Schleifenschal tung um die Spule 18. Der Kondensator 20 weist vorzugsweise eine relativ große Kapazität auf (z. B. 22 µF), so daß die Spannung 20 über den Kondensator 20 (die die in Fig. 1 dar gestellte Polarität hat) über die Zeit relativ konstant bleibt. Die Spannung am Knoten 23 nimmt daher mit der glei chen Rate wie die Spannung am Knoten 21 zu und fällt mit der gleichen Rate wie die Spannung am Knoten 21 ab. Die Spannun gen an den Knoten 23 und 27 sind niedriger als die Spannung V_IN über den Kondensator 16.

Wenn die Bodydiode des Transistors 12 kommutiert, nimmt die Spannung am Knoten 21 zu. Die Diode 26 weist eine Ein schaltspannung V₂₆ (von z. B. etwa 0,6 V) auf. Wenn die Span nung am Knoten 21 um mehr als V₂₀ + V₂₆ größer wird als die Spannung am Knoten 29, leitet die Diode 26 Strom, und die Schleifenschaltung, die den Kondensator 20 und die Diode 26 aufweist, wird um die Spule 18 AC-gekoppelt. Wenn die Body diode des Transistors 12 kommutiert, fließt weiterhin ein Rückstrom in der Spule 18, weil der Strom durch eine Spule sich nicht sofort ändern kann. Der durch die Spule 18 flie ßende Rückstrom fließt durch den Kondensator 20 und die Dio de 26 zu V_IN, nachdem die Bodydiode kommutiert hat. Außerdem fließt Strom durch die Spule 22 in die Diode 26 in die durch die Kopplungspolarität der Spule 22 bezüglich der Spule 18 dargestellte Richtung.

Der Rückstrom wird zu überschüssiger Energie, die in der Spule 18 verbleibt, nachdem die Bodydiode kommutiert hat. Diese überschüssige Energie wird in der Form von ge speicherten Spannungen von der Spule 18 direkt zum Kondensa tor 20 und indirekt über die Spule 22 zum Kondensator 24 übertragen, wenn die Diode 26 einschaltet. Die Spannung V₂₀ des Kondensators 20 (und damit die Spannung des Kondensators 24) nehmen über mehrere Schaltzyklen leicht zu (z. B. um ei nige hundert mV), weil ihnen Energie von der Spule 18 zuge führt wird.

Der Strom durch die Spule 18 nimmt ab, weil den Konden satoren 20 und 24 die Energie des Rückstroms zugeführt wird, bis der Strom durch die Spule 18 dem Strom durch die Spule 14 gleicht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Strom durch die Dio de 26 gleich null. Die Diode 26 kommutiert anschließend und blockiert den Sperrstromfluß. Der Transistor 11 ist zu die sem Zeitpunkt noch immer eingeschaltet.

Wenn die Steuerschaltung 17 den Schalttransistor 11 ausschaltet, schaltet die Diode 26 ein und leitet erneut Strom. Die Diode 26 und der Kondensator 20 werden erneut um die Spule 18 AC-gekoppelt, und der Strom in der Spule 18 fließt durch den Kondensator 20 und die Diode 26. Außerdem fließt Strom in der Spule 22 zur Diode. Zu dem Zeitpunkt, wenn der Transistor 11 ausschaltet, wird der Strom in der Spule 18 dem Strom in der Spule 14 gleich. Der Strom in der Spule 18 enthält Energie, die von der Spule 18 zu den Kon densatoren 20 und 24 übertragen wird, wenn der Schalttran sistor 11 ausgeschaltet wird. Der Strom durch die Spule 18 nimmt schließlich auf null ab. Anschließend kommutiert die Diode 26 erneut. Die Spannung V₂₀ + V₂₄ kann aufgrund der von der Spule 18 zu den Kondensatoren 20 und 24 übertragenen La dung über die Zeit leicht zunehmen.

Der Schaltregler 10 ist eine hochgradig effiziente Ein richtung zum Zurückübertragen von Energie in der Spule 18 zum Eingangskondensator 16. Die Energie, die von der Spule 18 aufgenommen wird, wird den Kondensatoren 20 und 24 zuge führt. Ein Teil der Energie von der Spule 18 wird dem Kon densator 20 direkt zugeführt, und ein Teil der Energie von der Spule 18 wird dem Kondensator 24 über in der Spule 22 induzierten Strom zugeführt, wenn die Spulen 18 und 22 einen gemeinsamen Kern aufweisen. Die verhältnismäßigen Anteile der Energie in der Spule 18, die zum Kondensator 20 bzw. zum Kondensator 24 übertragen werden, sind durch mehrere Schal tungskenngrößen bestimmt, z. B. durch den Kopplungskoeffi zienten der Spule 18 zur Spule 22, falls sie auf dem glei chen Kern gewickelt sind (z. B. als zwei Wicklungen eines Transformators). Das Wickeln beider Spulen 18 und 22 auf den gleichen Kern ist sehr vorteilhaft, weil die auf den Konden sator 20 und die Spule 22 ausgeübten elektrischen Belastun gen sehr empfindlich auf den Kopplungskoeffizienten der Spu len 18 und 22 sind. Das Erreichen eines sehr hohen Wirkungs grades in der Schaltung 28 ist von den Dimensionierungen oder Größen und Kosten der verwendeten Bauteile abhängig, z. B. des Kondensators 20 (z. B. 22 µF) und der Spule 22. Der Kopplungsfaktor zwischen den Spulen 18 und 22 kann bei spielsweise 80%-90% betragen. Es können auch andere Kopp lungsfaktoren verwendet werden.

Gemäß Fig. 1 ist die Spannung am Knoten 23 etwas nied riger als die Spannung am Knoten 27, wenn V₂₀ während der Zeit, in der die Diode 26 stromleitend war, auf einen Wert über V₂₄ angestiegen ist. Überschüssige Ladung, die sich auf dem Kondensator 20 akkumuliert, wird über den Strom in der Spule 22 zum Kondensator 24 übertragen. Der Anteil der Ener gie von der Spule 18, der im Kondensator 20 gespeichert ist, wird durch die Pumpwirkung, die durch die Spannungsschwan kung über die Spule 18 verursacht wird, wenn der Strom durch die Spule sich über einen Schaltzyklus ändert, zum Kondensa tor 24 übertragen. Die Diode 26 ermöglicht diese Energie übertragung, indem sie den durch die Spule 22 fließenden mittleren Strom leitet. Die Spannung V₂₄ über den Kondensator 24 nimmt dadurch, daß ihm Energie von der Spule 18 und vom Kondensator 20 zugeführt wird, zu.

Der Recovery Switcher 30 überträgt dann die zusätzliche Ladung auf dem Kondensator 24 zum Eingangskondensator 16. Der Recovery Switcher 30 hält V₂₄ im wesentlichen konstant, indem er die vom Kondensator 24 abgezogene Ladungsmenge re gelt. V₂₀ bleibt über die Zeit im wesentlichen konstant, weil eine zum Kondensator 20 übertragene zusätzliche Ladung schließlich zum Kondensator 24 übertragen wird.

Die von der Spule 18 durch die Energierückgewinnungs schaltung 28 in jedem Schaltzyklus zum Eingangskondensator 16 übertragene Energiemenge (Joule) ist durch die folgende Gleichung gegeben:

wobei I₁₈ dem Strom in der Spule 18 gleicht, wenn die Bodydi ode des Schalttransistors 12 kommutiert, I_14A dem Strom in der Spule 14 gleicht, wenn die Bodydiode des Schalttransis tors 12 kommutiert, und I_14B dem Strom in der Spule 18 gleicht, wenn der Schalttransistor 11 ausschaltet. Falls er wünscht, kann der Kondensator 20 von der Schaltung 28 elimi niert werden, wenn die Spulen 18 und 22 als Transformator gekoppelt sind und den gleichen Kopplungsfaktor aufweisen. Außerdem kann die Diode 26 durch einen Transistor ersetzt werden, z. B. durch einen MOSFET, der ähnlich wie eine Diode oder ein Schalter betrieben wird.

Ein Recovery Switcher ist eine Schaltreglerschaltung, die Energie von einem Eingang zu einem Ausgang überträgt, die jedoch nicht ihre Ausgangsspannung als ihre primäre Funktion regelt. Ein Beispiel eines Recovery Switchers 30 ist in Fig. 2 dargestellt. Im Beispiel von Fig. 2 weist der Recovery Switcher 30 eine Steuerschaltung 32, einen Konden sator 34, einen Kondensator 36, eine Diode 40, eine Spule 50 und einen Schalter 60 auf. Die Steuerschaltung 32 kann eine beliebige Standard-Spannungs- oder Strommodusschaltregler steuerschaltung sein. Der Schalter 60 kann ein Schalttran sistor sein, z. B. ein MOSFET. Der gemeinsame Massepunkt für den Recovery Switcher 30 wird willkürlich als V_GND ausge wählt, wobei dieses Potential der Spannung V_IN in Fig. 1 gleicht. Die Eingangsspannung -V_IN des Recovery Switchers 30 ist negativ, weil sie niedriger ist als V_GND. Die Ausgangs spannung -V_OUT des Recovery Switchers 30 ist negativ, weil sie niedriger ist als das ausgewählte Massepotential V_GND. Die Spannung -V_OUT gleicht dem gemeinsamen Massepotential von Fig. 1. Der Schaltregler 30 ist als Boost- oder Aufwärtsreg ler konfiguriert, weil die Spannung (V_GND - (-V_IN)) niedriger ist als die Spannung (V_GND - (-V_OUT)). In Fig. 1 ist V₂₄ gleich (V_GND - (-V_IN)).

Die Steuerschaltung 32 weist eine Treiberschaltung auf, die das Öffnen und Schließen des Schalters 60 steuert. Wenn die Steuerschaltung 32 den Schalter 60 schließt, erscheint die Spannungsdifferenz zwischen V_GND und -V_IN über die Spule 50, und der momentane Strom über die Spule 50 beginnt anzu steigen. Wenn die Steuerschaltung 32 den Schalter 60 öffnet, erscheint die Spannungsdifferenz zwischen -V_OUT und -V_IN (ab züglich dem Spannungsabfall über die Diode 40) über die Spu le 50, und der momentane Strom über die Spule 50 beginnt ab zunehmen, weil -V_OUT niedriger ist als V_GND.

Die Steuerschaltung 32 überwacht die Spannungen -V_IN und V_GND. Die Steuerschaltung 32 setzt die EIN-Zeit oder das Tastverhältnis des Schalters 60 basierend auf der Spannungs differenz zwischen V_GND und -V_IN. Wenn V₂₄ beginnt anzusteigen, wenn Ladung zu den Kondensatoren 24 und 34 übertragen wird, erhöht die Steuerschaltung 32 die EIN-Zeit oder das Tastver hältnis des Schalters 60. Der mittlere Strom durch die Spule 50 über mindestens einen Zyklus nimmt zu, um zu verhindern, daß V₂₄ zunimmt, und um V₂₄ bei einem im wesentlichen konstan ten Wert zu halten. Daher wird, wenn V₂₄ leicht zunimmt, weil Ladung von der Spule 18 und vom Kondensator 24 zu V₂₄ über tragen wird, über die Spule 50 mehr Ladung von den Kondensa toren 24 und 34 abgezogen, um die Kondensatoren 24/34 zu entladen und die Spannung V₂₄ über die Kondensatoren 24/34 bei einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten. Die von den Kondensatoren 24 und 34 entfernte Ladung wird schließ lich zum Eingangskondensator 16 übertragen. Daher wird, wenn die Kondensatoren 24 und 34 entladen werden, der Kondensator 16 aufgeladen. Dadurch wird Energie vom Kondensator 24 zu V_IN am Kondensator 16 zurückübertragen.

Die Rückgewinnungsleistung P_R ist als zeitlich gemittel te Energie, die über die Energierückgewinnungsschaltung von der Spule 18 entfernt wird, skaliert auf Watt definiert, wenn die Energie über ein Ein-Sekunden-Intervall betrachtet wird, wie durch die folgende Gleichung dargestellt ist:

P_R = J × f₁₀ (2)

wobei J gemäß Gleichung (1) definiert ist und f₁₀ die Schalt frequenz des Schaltreglers 10 bezeichnet.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm einer ideali sierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Recovery Switchers. Die Komponenten 132, 140, 150 und 160 sind die gleichen wie die Komponenten 32, 40, 50 bzw. 60 in Fig. 2. Ein Kondensator 124 entspricht dem Kondensatoren 24 von Fig. 1 und dem Kondensator 34 von Fig. 2. Ein Kondensator 116 entspricht dem Kondensator 16 von Fig. 1 und dem Kondensator 36 von Fig. 2. Eine Rückgewinnungsleistungsquelle 97 stellt eine gemäß Gleichung (2) definierte Leistung P_R von der Schaltung 28 bereit. Die gesamte, gemäß Gleichung (1) defi nierte Energie J von der Spule 18 wird in die Leistung der Leistungsquelle 97 umgewandelt, wobei vorausgesetzt wird, daß die Spule 18, der Kondensator 20, die Diode 26 und die Spule 22 ideale Komponenten ohne Energieverlust sind.

Die Leistung der Leistungsquelle 97 wird über eine willkürliche Zeitdauer zum Kondensator 124 und zum Kondensa tor 116 übertragen. In einer idealen Schaltung hat der Reco very Switcher 130 einen Wirkungsgrad von 100% dahingehend, daß er die gesamte von der Leistungsquelle 97 empfangene Energie zum Kondensator 116 überträgt. In einer realen Schal tung sind jedoch typischerweise Verluste vorhanden. Wenn der Schalter 160 offen ist und der Strom in der Spule 150 gleich null ist, wird die gesamte von der Leistungsquelle 97 ausge gebene Energie zum Kondensator 124 übertragen, wodurch ver anlaßt wird, daß die Spannung über die Anschlüsse des Kon densators 124 zunimmt. Wenn die Spannung über den Kondensa tor 124 einen durch die Steuerungsfunktion der Steuerschal tung 132 gesetzten Spannungsbereich erreicht, wird eine Zeitfolge zum Schließen und Öffnen des Schalters 160 er zeugt. Die Zeitfolge kann beispielsweise dem Tastverhältnis des Schalter 160, der EIN-Zeit des Schalters 160 oder der AUS-Zeit des Schalters 160 entsprechen. Diese Zeitfolge ist eine Funktion mehrerer Faktoren, z. B. der Spannung über den Kondensator 124, der Zeit, und in einigen Fällen des durch eine oder mehrere der Komponenten des Leistungsrückgewin nungswegs, z. B. des Schalters 160, der Spule 150 und der Di ode 140, fließenden Stroms. Die Zeitfolgensteuerung des Schalters 160 kann eine Frequenz- oder Phasenbeziehung be züglich des Öffnens und Schließens der Schalter 11 und 12 von Fig. 1 haben. Falls erwünscht, kann die Diode 140 durch einen synchronen Schalttransistor ersetzt werden, der durch die Steuerschaltung 132 bezüglich des Schalters 160 synchron phasenverschoben gesteuert wird.

Während der Zeit, in der der Energierückgewinnungs schalter 160 geschlossen ist, wird Energie vom Eingangssys tem (das die Leistungsquelle 97 und den Kondensator 124 auf weist) zur Energierückgewinnungsspule 150 übertragen. Wäh rend der Energierückgewinnungsschalter 160 geschlossen ist, kann die Spannung über das Eingangssystem in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den aus der Leistungsquelle 97 fließenden Strömen und dem in die Spule 150 fließenden Strom ansteigen, konstant bleiben, oder abfallen.

Während der Zeit, in der der Energierückgewinnungs schalter 160 offen ist und Strom in die Spule 150 fließt, weist der Stromweg den Kondensator 124, den Kondensator 116 und die Diode 140 auf. Ein wichtiger Vorteil dieser Ausfüh rungsform besteht darin, daß, während der Energierückgewin nungsschalter 160 offen ist und Strom in die Spule 150 fließt, der Strom in eine Richtung durch den Kondensator 124 und den Kondensator 116 fließt, gemäß der der Kondensator 124 entladen und der Kondensator 116 aufgeladen wird. Da durch wird während der gesamten Zeit, in der Strom in der Energierückgewinnungsspule 150 fließt, unabhängig davon, ob der Energierückgewinnungsschalter 160 offen oder geschlossen ist, Energie vom Eingangssystem abgezogen.

Durch das erfindungsgemäße Energierückgewinnungssystem wird ein effizientes Verfahren zum Aufnehmen von Energie von der Spule 18, während die maximale Spannung, die der Schal ter 11 blockieren muß, begrenzt wird, und zum Zuführen der Ausgangsleistung zum Recovery Switcher bereitgestellt, wobei Energie effizient zum Haupteingangskondensator 16 übertragen wird. Die Energierückgewinnungsschaltung 28 kann um ein Vielfaches effizienter sein als ein Standard-Recovery- Switcher.

Der in Fig. 4 dargestellte Recovery Switcher 230 ist ein anderes Beispiel des Recovery Switchers 30. Der Recovery Switcher 230 weist Kondensatoren 232 und 216, Widerstände 236, 238 und 244, eine Spule 250, Zenerdioden 234 und 240, Dioden 246, 248 und 252 und einen Schaltregler 242 auf. Der Schaltregler 242 kann ein beliebiger Standard-Schaltregler sein, z. B. ein Hochspannungs-IC des Typs LT1074. Details der Schaltung LT1074 werden im Datenblatt der Schaltung LT1074 von 1994 dargestellt und diskutiert, auf das hierin in sei ner Gesamtheit durch Verweis Bezug genommen wird. Für Fach leute ist offensichtlich, daß der Schaltregler 242 auch an dere geeignete Schaltreglerschaltungen aufweisen kann. Der Schaltregler 230 ist als Aufwärtsregler konfiguriert, weil die Spannung -V_IN niedriger ist als -V_OUT.

Der durch die Schaltung LT1074 gebildete Schaltregler 242 weist einen zwischen seinem V_IN- und seinem V_SW-Pin ge schalteten Schalttransistor auf. Der Schaltregler wird durch eine Spannungsmodussteuerschaltung im Regler 242 ein- und ausgeschaltet. Falls erwünscht, kann stattdessen eine Schaltreglerschaltung mit Strommodussteuerung verwendet wer den. Wenn der Schalttransistor einschaltet, nimmt der momen tane Strom durch die Spule 250 zu. Wenn der Schalttransistor ausschaltet, nimmt der momentane Strom durch die Spule 250 ab. Die Spannungsdifferenz zwischen dem V_C-Pin des Reglers 242 und der Spannung -V_IN am GND-Pin des Reglers 242 steuert das Tastverhältnis und die EIN-Zeit des Schalttransistors.

Der Widerstand 244, die Diode 246 und die Diode 248 de aktivieren das Frequenzverschiebungsmerkmal der Schaltung LT1074, indem die Spannung am FB-Pin auf einen Wert zwischen 1,5 und 2,21 Volt gesetzt wird. Der Widerstand 236 und die Zenerdiode 240 dienen zum Schützen des V_C-Pins der Schaltung LT1074, falls die Spannung über den Kondensator 232 verse hentlich zu hoch wird.

Strom fließt als Sperrstrom durch die Zenerdiode 234 und den Widerstand 238 von V_GND zu -V_IN. Die Spannung am V_C-Pin beträgt V_GND minus der Durchbruch- oder Zenerspannung der Ze nerdiode 234. Wenn die Spannung V₂₄ in Fig. 1 leicht an steigt, wenn Energie von der Spule 18 zum Kondensator 24 übertragen wird, nimmt die Spannungsdifferenz zwischen V_C und -V_IN zu. Der Schaltregler 242 antwortet durch Erhöhen der EIN-Zeit oder des Tastverhältnisses seines Schalttransis tors, und der mittlere Spulenstrom durch die Spule 250 nimmt zu. Energie wird über die Spule 250 von den Kondensatoren 232 und 24 abgezogen. Daher wird, wenn V₂₄ leicht ansteigt, mehr Energie von den Kondensatoren 24 und 232 über die Spule 250 abgezogen, um die Kondensatoren 24 und 232 zu entladen und die Spannung V₂₄ über die Kondensatoren 24 und 232 bei einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten. Die von den Kondensatoren 24 und 232 abgezogene Ladung wird zu den Kon densatoren 16 und 216 übertragen. Daher werden, während die Kondensatoren 24 und 232 entladen werden, die Kondensatoren 16 und 216 aufgeladen. Dadurch wird Energie vom Kondensator 24 zu V_IN am Kondensator 16 zurückübertragen.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Er findung kann die Energierückgewinnungsschaltung 28 mit einer nicht-synchronen Schaltreglerschaltung verbunden sein. Bei spielsweise kann der synchrone Schalttransistor 12 in Fig. 1 durch eine Diode ersetzt werden, so daß die Schaltung 10 ein nicht-synchroner Schaltregler wird. Die Energierückgewin nungsschaltung 28 arbeitet dann wie vorstehend unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben, außer daß die Spule 18 nun im Kommu tationsweg der nicht-synchronen Diode angeordnet ist und die Spule 18 den Rückstrom in der nicht-synchronen Diode redu ziert.

Die erfindungsgemäße Energierückgewinnungsschaltung kann mit einem Aufwärtsschaltregler, einem Abwärtsschaltreg ler oder mit einem andersartigen Schaltregler verbunden sein. Alle derartigen Modifikationen liegen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.

Claims

1. Verfahren zum Übertragen von Energie zu einem ersten Kondensator in einem Schaltregler, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Reduzieren eines Rückstroms in einer ersten Diode des Schaltreglers unter Verwendung einer ersten Spule; und
Übertragen von Ladung von der ersten Spule zum er sten Kondensator.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt zum Übertragen von Ladung von der ersten Spule zu einem mit der ersten Spule verbundenen zweiten Kondensator.

3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit dem Schritt zum Übertragen von Ladung vom zweiten Kondensator zum ers ten Kondensator.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Übertragen von La dung von der ersten Spule zum ersten Kondensator das Übertragen von Ladung zum ersten Kondensator unter Ver wendung einer zweiten Spule und einer Schaltschaltung aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste und die zweite Spule zwei Wicklungen auf dem gleichen Kern auf weisen.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Schalt schaltung eine Diode ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit dem Schritt zum Übertragen von Energie vom ersten Kon densator zu einem zweiten Kondensator unter Verwendung eines Recovery Switchers.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Recovery Switcher einen Schalttransistor, eine Diode, eine Spule und eine Steuerschaltung zum Steuern des Schalttransistors auf weist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Zeitfolge eines Schaltvorgangs des Schalttransistors durch die Spannung des ersten Kondensators bestimmt ist.

10. Energierückgewinnungssystem, das in einem Schaltregler integriert ist, wobei das Energierückgewinnungssystem aufweist:
eine im Kommutationsweg einer ersten Diode des Schaltreglers angeordnete erste Spule;
eine zweite Spule; und
einen über eine Schaltschaltung mit der zweiten Spule verbundenen ersten Kondensator.

11. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 10, ferner mit einem zwischen der ersten und der zweiten Spule ge schalteten zweiten Kondensator.

12. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Schaltschaltung eine zweite Diode aufweist.

13. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei die erste und die zweite Spule zwei Wicklun gen auf dem gleichen Kern aufweisen.

14. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 10, 11, 12 oder 13, wobei der Schaltregler ein synchroner Schalt regler mit einem ersten und einem zweiten Schalttran sistor ist.

15. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 14, wobei der erste Schalttransistor mit einer Eingangsspannung, der zweite Schalttransistor mit Masse und die erste Spule zwischen dem ersten Schalttransistor und der Eingangs spannung verbunden ist.

16. Energierückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der Schaltregler ein nicht-synchroner Schaltregler ist.

17. Energierückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 16, ferner mit einem mit dem ersten Kondensator verbundenen Recovery Switcher.

18. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 16, wobei der Recovery Switcher einen Schalttransistor, eine dritte Spule, eine zweite Diode und eine Steuerschaltung auf weist.

19. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 16, 17 oder 18, wobei der Recovery Switcher Ladung vom ersten Kon densator zum zweiten Kondensator überträgt.

20. Energierückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei die erste Diode eine Bodydiode eines syn chronen Schalttransistors im Schaltregler ist.

21. Energierückgewinnungssystem, das in einem Schaltregler integriert ist, wobei das Energierückgewinnungssystem aufweist:
eine Einrichtung zum Reduzieren eines Rückstroms in einer ersten Diode des Schaltreglers; und
eine Einrichtung zum Übertragen von Ladung von der Einrichtung zum Reduzieren des Rückstroms zu einem ers ten Kondensator.

22. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 21, wobei die Einrichtung zum Reduzieren des Rückstroms eine Spule aufweist.

23. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 22, wobei die Spule zwischen einem Schalttransistor des Schaltreglers und einem Eingangskondensator des Schaltreglers ge schaltet ist.

24. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 21, 22 oder 23, wobei die Einrichtung zum Übertragen von Ladung von der Einrichtung zum Reduzieren des Rückstroms zum ers ten Kondensator eine mit dem ersten Kondensator und ei ner zweiten Diode verbundene zweite Spule aufweist.

25. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 24, wobei die Einrichtung zum Übertragen von Ladung von der Einrich tung zum Reduzieren des Rückstroms zum ersten Kondensa tor ferner einen zwischen der ersten und der zweiten Spule geschalteten dritten Kondensator aufweist.

26. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 24 oder 25, wobei die erste und die zweite Spule Wicklungen auf dem gleichen Kern aufweisen.

27. Energierückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 21 bis 26, ferner mit:
einer Einrichtung zum Übertragen von Ladung im ersten Kondensator zu einem Eingangskondensator oder einem Ausgangskondensator des Schaltreglers.

28. Energierückgewinnungssystem nach Anspruch 27, wobei die Einrichtung zum Übertragen von Ladung im ersten Konden sator zum Eingangskondensator oder zum Ausgangskonden sator des Schaltreglers einen Schalttransistor, eine Spule und eine Steuerschaltung aufweist, die den Schalttransistor schaltet.

29. Energierückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei der Schaltregler ein synchroner Schalt regler ist.

30. Energierückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 21 bis 29, wobei der Schaltregler ein nicht-synchroner Schaltregler ist.

31. Schaltreglerschaltung mit einem Energierückgewinnungs system, mit:
einem Eingangskondensator;
einem durch eine Steuerschaltung geschalteten ers ten Schalttransistor;
einer mit dem ersten Schalttransistor und dem Ein gangskondensator verbundenen ersten Spule;
einer mit dem ersten Schalttransistor verbundenen zweiten Spule;
einem mit der zweiten Spule verbundenen Ausgangs kondensator;
einer dritten Spule;
einem mit der dritten Spule über eine Schaltschal tung verbundenen dritten Kondensator; und
einem mit dem dritten Kondensator und dem Ein gangskondensator oder dem Ausgangskondensator des Schaltreglers verbundenen Recovery Switcher.

32. Schaltreglerschaltung nach Anspruch 31, wobei die Schaltschaltung eine mit der dritten Spule verbundene Diode aufweist.

33. Schaltreglerschaltung nach Anspruch 31 oder 32, ferner mit einem zwischen der ersten und der zweiten Spule ge schalteten vierten Kondensator.

34. Schaltreglerschaltung nach Anspruch 31, 32 oder 33, wo bei der Recovery Switcher einen zweiten Schalttransis tor, eine Diode, eine vierte Spule und eine zweite Steuerschaltung aufweist, die den zweiten Schalttran sistor steuert.

35. Schaltreglerschaltung nach Anspruch 31, 32, 33 oder 34, wobei die erste und die dritte Spule zwei Wicklungen auf dem gleichen Kern aufweisen.

36. Schaltreglerschaltung nach einem der Ansprüche 31 bis 35, ferner mit einem zweiten Schalttransistor, der durch die Steuerschaltung synchron geschaltet wird.