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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Stromversorgungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Zum besseren Verständnis der
Erfindung wird nachfolgend zunächst
eine in bekannter Weise aufgebaute Stromversorgungseinrichtung anhand
eines in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels
beschrieben.
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1 zeigt
eine insgesamt mit 10 bezeichnete Stromversorgungseinrichtung in
Form eines Gleichspannung/Gleichspannung (DC/DC)-Wandlers in einem
2-Spannungs-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Bereitstellung eines
Versorgungsstroms für
mit einer Nennspannung von 14 V zu betreibende elektrische Verbraucher
ausgehend von einer Bordspannung von 42 V.
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Der Begriff "Nennspannung", wie hier verwendet, bezeichnet diejenige
Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher, für die diese spezifiziert sind.
Davon zu unterscheiden ist eine "Nennmindestspannung" dieser Verbraucher,
welche die zum zuverlässigen
Betrieb der Verbraucher mindestens notwendige Betriebsspannung bezeichnet.
Für 14 V-Verbraucher
im Kraftfahrzeugbereich beträgt
die Nennmindestspannung typischerweise etwa 8 V.
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Die Stromversorgungseinrichtung 10 hat
die Aufgabe, ausgehend von einem ersten Bordnetz mit einer ersten
Gleichspannung (hier: 42 V) ein zweites Bordnetz mit einer zweiten,
davon verschiedenen Gleichspannung (hier: 14 V) bereitzustellen
und die zweite Gleichspannung, insbesondere bei Laständerungen
im Bereich der Verbraucher, möglichst
konstant zu halten.
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Die Stromversorgungseinrichtung 10 umfasst
einen Stromerzeugungsschaltkreis 12, der mit der ersten
Gleichspannung von 42 V versorgt wird und dem von einem PWM (Pulsweitenmodulation)-Modulator 14 ein
rechteckförmiges
PWM-Spannungssignal als ein Stellsignal eingegeben wird, um abhängig von
diesem Stellsignal den Versorgungsstrom für die elektrischen Verbraucher
bereitzustellen, die mit einer Betriebsspannung von 14 V zu betreiben
sind. Wenngleich diese Verbraucher in 1 nicht
dargestellt sind, so ist eine Batterie 16 des zweiten Gleichspannungsnetzes
(14V) in der Figur ersichtlich. Der Stromerzeugungsschaltkreis 12 ist
in an sich bekannter Weise z. B. als Tiefsetzsteller (Leistungsteil)
mit Schalttransistoren aufgebaut, die von dem PWM-Stellsignal angesteuert
werden und über
eine Drossel die Ausgangsspannung an einem Kondensator erzeugen.
Bei einem derartigen Aufbau hängt
der für
ein bestimmtes Stellsignal sich ergebende Versorgungsstrom von der
tatsächlichen
Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher ab. Die Betriebsspannung ändert sich
z. B. bei plötzlich
auftretenden Laständerungen,
wie sie durch Ein- und Ausschalten einzelner Verbraucher hervorgerufen werden.
Versorgungsstrom und PWM-Tastverhältnis korrelieren nur indirekt.
Beispielsweise kann ein bestimmtes Tastverhältnis einer bestimmten Spannung am
Ausgang einer aus zwei Leistungstransistoren (Brückenschaltung) gebildeten Leistungsteil-Treiberstufe
entsprechen. Der ausgegebene Strom ist dann in erster Näherung das
Integral der Differenz zwischen dieser Treiberausgangsspannung und
der (hinter der Drossel) herrschenden Spannung (mit welcher die
elektrischen Verbraucher versorgt werden). Bei der nachfolgend beschriebenen
Regelung stellt sich für
eine vorgegebene Ausgangslast das PWM-Tastverhältnis dann so ein, dass die
beiden Spannungen (bis auf den Ausgleich etwaiger Verluste) übereinstimmen.
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Der PWM-Modulator 14 dient
zur Wandlung eines eingangsseitig von einem Regler 18 eingegebenen
analogen Stellsignals in das ausgangsseitig an den Stromerzeugungsschaltkreis 12 abgegebene PWM-Stellsignal.
Der dargestellte Modulator 14 enthält zu diesem Zweck in an sich
bekannter Weise einen Dreieckoszillator zur Erzeugung eines Dreiecksignals
sowie einen Komparator zum Vergleich dieses Dreiecksignals mit dem
eingegebenen analogen Signal, so dass das PWM-Signal als Vergleichsergebnis am
Ausgang des Komparators erhalten wird. Bei diesem Aufbau ergibt
sich ein linearer Zusammenhang zwischen einer Änderung des analogen Signals (Stellsignal)
und dem Tastverhältnis
des PWM-Signals. Die Frequenz der Dreieckoszillation wird hierbei von
einer Taktausgabeeinheit 20 eines Mikrocontrollers 22 vorgegeben,
die im Betrieb der Einrichtung 10 ein Taktsignal an den
Modulator 14 ausgibt. Diese Frequenz beträgt im dargestellten
Beispiel 150 kHz, kann jedoch dem konkreten Anwendungsfall angepasst
selbstverständlich
andere Werte annehmen. Für
die meisten DC/DC-Wandler ist eine Frequenz bis zu einigen kHz zweckmäßig.
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Der Regler 18 ist als PI
(Proportional-Integral)-Regler ausgeführt, dem ein von einem Filter 24 ausgegebenes,
analoges, einer vorgegebenen Führungsgröße entsprechendes
Führungssignal
sowie ein dem bereitgestellten Versorgungsstrom entsprechendes Regelsignal
eingegeben werden, um das Stellsignal zu bilden und an den Modulator 14 auszugeben.
Das Regelsignal wird als ein Messsignal im Bereich des Stromerzeugungsschaltkreises 12 erzeugt
und als analoges, den zur Batterie 16 hin ausgegebenen
Strom repräsentierendes
Signal zur Regelung des Versorgungsstroms zurückgeführt.
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In bekannter Weise führt eine
Eingangssignaldifferenz des Reglers 18 zu einem dazu proportionalen
Stellsignalanteil, und gleichzeitig aufgrund des Integrationsanteils
der Reglercharakteristik zu einem Stellsignalanteil, der dem zeitlichen
Integral der Eingangssignaldifferenz entspricht. Aufgrund des Integralanteils
der Reglercharakteristik ergibt sich im Regelbetrieb eine Angleichung
der Regelgröße (hier: Versorgungsstrom)
an die vorgegebene Führungsgröße (hier:
Versorgungsstrom-Sollwert). Die so genannte Regelabweichung (Eingangssignaldifferenz) wird
vorteilhaft vollständig
ausgeregelt, so dass die von dem Regler 18, dem Modulator 14 und
dem Stromerzeugungsschaltkreis 12 gebildete Regelschleife
den abgegebenen Versorgungsstrom praktisch exakt auf die vorgegebene
Führungsgröße einstellt.
Dies gilt auch dann, wenn eine auf die geregelte Strecke einwirkende
Störgröße vorhanden
ist.
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Das Filter 24 dient bei
der dargestellte Ausführungsform
dazu, das von einer Stromsollwertausgabeeinheit 26 des
Mikrocontrollers 22 als PWM-Signal ausgegebene Führungssignal
in das analoge, dem Regler 18 eingegebene Führungssignal
zu wandeln.
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Das dem Regler 18 zurückgeführte, dem
aktuellen Versorgungsstrom entsprechende Regelsignal kann (gestrichelt
dargestellt) einem Strommessungseingang 28 des Mikrocontrollers 22 eingegeben
werden, beispielsweise um auf Basis dieses Signals eine Plausibilitätsüberprüfung durchzuführen und/oder
einen Defekt der Stromversorgungseinrichtung 10 detektieren
zu können.
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Der Mikrocontroller 22 umfasst
ferner einen Spannungsmessungseingang 30, dem die aktuelle Betriebsspannung
am Ausgang des Leistungsteils 12 als Messgröße eingegeben
wird, so dass durch einen programmgesteuerten Betrieb des Mikrocontrollers 22 bei
einer Abweichung der Betriebsspannung von der Nennspannung der elektrischen
Verbraucher eine entsprechende Veränderung des durch die Stromsollwertausgabeeinheit 26 vorgegebenen Stromsollwerts
vorgenommen werden kann. Die Rückführung der
Betriebsspannung zu dem Mikrocontroller 22 und die von
dieser Betriebsspannung abhängig
vorgenommene Stromsollwertvorgabe realisiert somit eine so genannte überlagerte
Regelung, die letztlich dafür
sorgt, dass die Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher auf
deren Nennspannung eingeregelt wird.
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Schließlich weist der Mikrocontroller 22 eine Startsignalausgabeeinheit 32 auf,
die bei der Inbetriebnahme der Einrichtung 10 ein Startsignal
an den Stromerzeugungsschaltkreis 12 sowie über einen
Integratorresetschaltkreis 34 an den Regler 18 ausgibt.
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Zusammenfassend realisiert die dargestellte Stromversorgungseinrichtung 10 einen
aus den beschriebenen Funktionsblöcken (Hardware) aufgebauten
Stromregler und einen programmgesteuert (Software) arbeitenden Spannungsregler.
Nachteilig ist bei der bekannten Einrichtung 10, dass eine
Aufrechterhaltung der Nennspannung am Ausgang des Leistungsteils 12 auch
bei Lastschwankungen in der Praxis nur mit einem relativ schnellen
Mikrocontroller 22 sicherzustellen ist bzw. dass die Einrichtung
mit einem vergleichsweise langsamen Mikrocontroller nur für langsame
Betriebsspannungsänderungen
zuverlässig
arbeitet. Langsame Betriebsspannungsänderungen können durch einen Betrieb der
elektrischen Verbraucher über
eine mehr oder weniger große
Batterie (wie die dargestellte Batterie 16) oder wenigstens
einen sehr großen
Ausgangskondensator (Doppelschichtkondensator) ansatzweise erreicht werden.
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Nachfolgend wird eine weitere, nach
bekannten Prinzipien aufgebaute Stromversorgungseinrichtung mit
Bezug auf 2 beschrieben,
wobei für
gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet werden
und diesbezüglich
auf die vorangehende Beschreibung verwiesen wird.
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Die mit 2 veranschaulichte Variante ist für einen
Betrieb mit einem relativ langsamen Mikrocontroller 22 und/oder
mit einem kleinen Kondensator am Ausgang des Stromerzeugungsschaltkreises 12 geeignet,
da der Mikrocontroller 22 im Rahmen der Regelung lediglich
einen festen Sollbetriebsspannungswert (Nennspannung) mittels einer
Spannungssollwertausgabeeinheit 38 vorgibt. Die Regelung
der Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher erfolgt bei dieser
Ausführung
mittels eines dem Stromregler 18 überlagerten Spannungsreglers 40, welchem
als Führungsgröße eine
von der Ausgabeeinheit 38 als PWM-Signal ausgegebene und
mittels eines Filters 42 in ein analoges Signal gewandelte Führungsgröße eingegeben
wird. Außerdem
wird die am Ausgang des Stromerzeugungsschaltkreises 12 abgegriffene
aktuelle Betriebsspannung einem zweiten Eingang des Spannungsreglers 40 zugeführt, der wie
der Stromregler 18 als PI-Regler ausgeführt ist und ein analoges Ausgangssignal
dem Stromregler 18 als Führungssignal eingibt. Zum Zurücksetzen des
Integrators innerhalb des Reglers 40 ist ein zweiter Integratorresetschaltkreis 44 vorgesehen,
dem das von der Startsignalausgabeeinheit 32 bereitgestellte
Startsignal ebenfalls zugeführt
wird.
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Die in 2 dargestellte
Stromversorgungseinrichtung lässt
sich als so genannte kaskadierte Reglerstruktur betrachten, bei
welcher der unterlagerte Regler (Stromregler 18) schnell
genug ist, um eine Rückwirkung
einer sich verändernden
Betriebsspannung auf die unterlagerte Regelung als konstant betrachten
zu können.
Der unterlagerte Regler 18 führt dabei zu einem Verhalten
der Ersatzstrecke 14, 12, das für den überlagerten
Regler (Spannungsregler 40) im relevanten Bereich reines
P-Verhalten zeigt. Generell wird bei der Einrichtung 10 der
unterlagerte Regler 18 so parametriert, dass ein möglichst schnelles
Einschwingen auf eine geringe Regelabweichung erzielt wird. Dies
ist gleichbedeutend mit einem relativ großen P-Anteil in der Regelcharakteristik
des Reglers 18.
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Zusammenfassend ermöglicht die
in 2 dargestellte Einrichtung 10 zwar
einen Betrieb mit einem langsamen Mikrocontroller 22, erfordert
jedoch einen gesteigerten schaltungstechnischen Aufwand im Hinblick
auf die überlagerte
Spannungsregelung.
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Die beiden beschriebenen Stromversorgungseinrichtungen
sehen jeweils einen Normalzustand vor, in welchem der Versorgungsstrom
für die mit
der Nennspannung betriebenen elektrischen Verbraucher bereitgestellt
wird und die Eingangssignaldifferenz des Stromreglers Null ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten
Art bereitzustellen, welche einfach aufgebaut ist und dennoch einen
zufriedenstellenden Stromversorgungsbetrieb ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Stromversorgungseinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen. Die weiteren Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Regler eine Regelcharakteristik derart vorsieht, dass ausgehend
von dem Normalzustand eine sprunghafte Verringerung der Betriebsspannung
der elektrischen Verbraucher von der Nennspannung auf eine für den Betrieb
der Verbraucher notwendige Nennmindestspannung (insbesondere z.
B. 40% bis 60% der Nennspannung) zu einem Anstieg des Versorgungsstroms
um mindestens 20% des maximal mittels des Stromerzeugungsschaltkreises
bereitstellbaren Versorgungsstroms führt.
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Der Begriff "maximal mittels des Stromerzeugungsschaltkreises
bereitstellbarer Versorgungsstrom" bezeichnet einen Strom, der dauerhaft
ohne eine Schädigung
bzw. Zerstörung
von Schaltungskomponenten von dem Stromerzeugungsschaltkreis geliefert
werden kann.
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Die gemäß der Erfindung vorgesehene
Bemessung der Regelcharakteristik ist nicht wie bei bekannten Stromversorgungseinrichtungen
auf eine möglichst
geringe Regelabweichung abgestimmt (z.B. hohe P-Verstärkung).
Vielmehr wird bei Verwendung eines P-Reglers z.B. die P-Verstärkung möglichst
klein gewählt,
jedoch mindestens so groß,
dass das System in allen Betriebspunkten gerade ausreichend gedämpft wird.
Der P-Anteil der
Regelcharakteristik wird also nur zur Dämpfung des unter Umständen schwingungsfähigen Systems
(ggf. inklusive überlagerter
Strecke) verwendet. Das System reagiert bei dieser Bemessung auf
eine Störgröße mit einer
proportionalen und von der gewählten
P-Verstärkung
abhängigen
Regelabweichung.
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Für
eine kleine P-Verstärkung
entsteht eine große
Regelabweichung und, bei vorhandener überlagerter Regelung, eine
kleine Reaktion der überlagerten
Strecke. Werden geringere Anforderungen an die Genauigkeit der Betriebsspannungsregelung
gestellt, so kann unter Umständen
eine überlagerte Spannungsregelung
ganz entfallen. Da das System gemäß der Erfindung selbständig auf
Störungen
reagiert, ist die Auslegung eines überlagerten Reglers unkritischer.
Er kann insbesondere vergleichsweise langsam ausgelegt sein, wobei
bei Übergangsvorgängen (Lastsprünge) dennoch
nur Regelabweichungen entstehen, wie sie bei einer herkömmlich verwendeten
hohen P-Verstärkung
des Stromreglers nur mit einem sehr schnellen überlagerten Spannungsregler
erzielt werden könnten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das von dem Regler bereitgestellte Stellsignal
im Wesentlichen linear mit einer Eingangssignaldifferenz des Reglers
variiert. Der Regler kann also im einfachsten Fall als reiner P-Regler (mit niedriger
P-Verstärkung)
ausgeführt
sein. In diesem Fall kann also vorteilhaft ein Integratorrücksetzschaltkreis
(vgl. 1 und 2) entfallen.
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Es ist jedoch nicht ausgeschlossen,
auch einen I-Anteil, insbesondere einen vergleichsweise geringen
I-Anteil, in der Reglercharakteristik vorzusehen. Auch in diesem
Fall wird bei der oben genannten sprunghaften Verringerung der Betriebsspannung
gemäß der Erfindung
zunächst
ein Anstieg des Versorgungsstroms um mindestens 20% des Maximalversorgungsstroms
auftreten.
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Wenn jedoch kein I-Anteil vorgesehen
ist (und auch keine überlagerte
Spannungsregelung vorgesehen ist), so führt diese sprunghafte Verringerung
dazu, dass der Versorgungsstrom auf einen Wert einschwingt, der
um mindestens 20% des Maximalversorgungsstroms größer ist
als der Wert des Versorgungsstroms im Normalzustand.
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Im Hinblick auf die im Rahmen der
Erfindung bevorzugte Anwendung als DC/DC-Wandler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
ist eine Ausführung bevorzugt,
bei welcher das Führungssignal
von einer programmgesteuert betriebenen digitalen Steuereinrichtung
(z. B. Mikrocontroller) bereitgestellt wird. Einer solchen Steuereinrichtung
lässt sich
ein der Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher entsprechendes
Messsignal eingeben, welches z. B. zur Realisierung einer überlagerten
Betriebsspannungsregelung herangezogen werden kann. In diesem Fall ist
es bevorzugt, wenn die von dem Spannungsmesssignal abhängige Führungsgröße von der
Steuereinrichtung periodisch vorgegeben wird, wobei die Periode
kleiner als die Nachstellzeit des durch den Regler und den Stromerzeugungsschaltkreis
ausgebildeten Regelkreises ist. Dies führt zu einer stabileren Aufrechterhaltung
der durch die Regelung angestrebten Nennspannung am Ausgang des
Stromerzeugungsschaltkreises. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang,
dass aufgrund des relativ kleinen P-Anteils des Reglers vergleichsweise
geringe Anforderungen an die Geschwindigkeit der Steuereinrichtung
gestellt werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen DC/DC-Wandler
für den
mit Bezug auf 1 beschriebenen
Anwendungsfall kann vorteilhaft ohne wesentliche Beeinträchtigung
der praktisch relevanten Leistungseigenschaften auf eine Batterie
am Ausgang des Stromerzeugungsschaltkreises verzichtet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf 3 näher beschrieben.
Hierbei werden für
gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet,
jeweils ergänzt
durch den kleinen Buchstaben a. Es wird im Wesentlichen lediglich
auf die Unterschiede zu den eingangs hinsichtlich des Stands der
Technik beschriebenen Ausführungsformen
eingegangen und im Übrigen
ausdrücklich
auf die Wirkungsweise von bereits beschriebenen Komponenten verwiesen.
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In den Zeichnungen stellen dar:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer Stromversorgungseinrichtung,
bei welcher eine überlagerte
Spannungsregelung mittels eines Mikrocontrollers realisiert ist,
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2 ein
schematisches Blockschaltbild einer weiteren Stromversorgungseinrichtung,
bei welcher eine überlagerte
Spannungsregelung außerhalb eines
zur Vorgabe eines Betriebsspannungssollwerts verwendeten Mikrocontrollers
vorgesehen ist,
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3 ein
schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung,
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4 eine
Schaltungsanordnung zum Vergleich des Verhaltens einer erfindungsgemäßen niedrig-P-Regelung mit dem
Verhalten einer herkömmlichen
PI-Regelung, und
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5 simulierte
Verläufe
von Signalen der in 4 dargestellten
Schaltungsanordnung.
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3 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung 10a,
umfassend einen Stromerzeugungsschaltkreis 12a, einen Regler 18a und
eine aus einer Stromsollwertvorgabeeinheit 26a und einem
Filter 24a gebildete Führungseinrichtung
zur Bereitstellung eines Führungssignals
für den Regler 18a.
Im Gegensatz zu der mit Bezug auf 1 beschriebenen
Stromversorgungseinrichtung ist bei der in 3 dargestellten Ausführungsform kein Integratorresetschaltkreis
zum Zurücksetzen
eines Integrators innerhalb des Reglers 18a vorgesehen.
Der Regler 18a ist als reiner P-Regler ausgebildet, so
dass im dargestellten Beispiel eine Regelabweichung am Eingang des
Reglers nicht ausgeregelt wird. Eine weiterer Unterschied zu der
mit Bezug auf 1 beschriebenen
Ausführungsform
besteht darin, dass die P-Verstärkung
des Reglers 18a relativ klein bemessen ist, nämlich so,
dass ausgehend von einem Normalzustand, in welchem der Versorgungsstrom
am Ausgang des Stromerzeugungsschaltkreises 12a für die mit
der Nennspannung betriebenen elektrischen Verbraucher bereitgestellt
wird, eine sprunghafte Verringerung dieser Ausgangsspannung auf
50% der Nennspannung zu einem Anstieg des Versorgungsstroms (und
damit zu einer Regelabweichung) führt, der durch die Verstellung
des Stellsignals (PWM-Signal) durch den Regler 18a auf
ca. 90% bis 100% des maximal mittels des Stromerzeugungsschaltkreises 12a bereitstellbaren
Versorgungsstroms einschwingt.
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Die P-Verstärkung wird nur zur Schwingungsdämpfung verwendet
und nicht für
eine möglichst
schnelle Stromregelung wie bei der Ausführung nach 1.
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Bevorzugt ist eine überlagerte
Spannungsregelung mittels des Mikrocontrollers 22a vorgesehen, bei
welcher wie dargestellt die aktuelle Betriebsspannung dem Mikrocontroller 22a (bei
30a)
eingegeben wird und zur periodischen Nachstellung des von der Einheit 26a vorgegebenen
Sollwerts herangezogen wird. Diese überlagerte Regelung kann vorteilhaft vergleichsweise
langsam ausgelegt sein, so dass der schaltungstechnische Aufwand
sowohl im Hinblick auf die außerhalb
des Mikrocontrollers 22a angeordneten Komponenten als auch
im Hinblick auf den Mikrocontroller 22a selbst reduziert
ist. Trotz dieser Vereinfachung ist die dargestellte Einrichtung 10a in
der Praxis z. B. geeignet, einen DC/DC-Wandler mit ausreichender
Regelgenauigkeit und Regelgeschwindigkeit für ein Kraftfahrzeug zu realisieren,
selbst wenn das damit versorgte Bordnetz nicht durch eine Batterie
oder einen besonders großen
Kondensator gepuffert wird.
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4 zeigt
eine Simulationsschaltungsanordnung, mit welcher verschiedene Stromversorgungseinrichtungen
simuliert und miteinander verglichen wurden. Links oben erkennt
man einen Modulator 52 bestehend aus einem Dreieckoszillator
und einem Komparator zum Vergleich des Dreiecksignals mit einem
aus einem Rückkopplungspfad 54 stammenden
Regelsignal. Vom Ausgang des Komparators wird das als Stellgröße generierte
PWM-Signal über
ein Verzögerungsglied 56 an
den Eingang einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle ("vcvs") 58 gegeben,
welche die üblicherweise
aus Schalttransistoren aufgebaute Leistungsstufe eines Stromerzeugungsschaltkreises
simuliert. Ferner erkennt man in der Simulationsanordnung eine Drossel 60, über welche
ein Strom zu einer Parallelanordnung 62 von im Rahmen der
Simulation einzeln zuschaltbaren Verbraucherwiderständen geliefert
wird. VB14 bezeichnet die an den simulierten Verbrauchern anliegende
Betriebsspannung, die in gefilteter Form als Usense auch durch ein
parallel geschaltetes Filter 64 bereitgestellt wird. Ein
Shuntwiderstand 66 dient zum Abgriff einer zum Versorgungsstrom
proportionalen Spannung, die über
eine weitere spannungsgesteuerte Spannungsquelle 68 einem
weiteren Filter 70 zugeführt wird, an welchem eine zum
Versorgungsstrom proportionale Spannung Isense dargestellt wird.
72 bezeichnet den im Rahmen der Simulation verwendeten Regelverstärker mit
einem Integrationskondensator 74 und einem Widerstandsnetzwerk 76 zur
Definition der Regelcharakteristik des Verstärkers 72. Zur Simulation
reinen P-Verhaltens wurde die Kapazität des Kondensators 74 auf
einen sehr großen Wert
gesetzt, so das ein Integrationsanteil (im simulierten Zeitraum)
vernachlässigbar
ist.
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5 zeigt
Simulationsergebnisse, aus denen ersichtlich ist, dass bei Verwendung
des Regelverstärkers 72 als
reiner P-Verstärker
mit vergleichsweise niedriger P-Verstärkung ein zufriedenstellendes
Verhalten der Stromversorgungseinrichtung erzielt werden kann.
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In den 5a – 5d sind jeweils verschiedene Signale
gegen die Zeit aufgetragen, wobei zum Zeitpunkt t=0,001s eine sprunghafte
Erhöhung
der Last simuliert ist.
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5a zeigt
den Verlauf der Betriebsspannung VB14 für einen schnellen PI-Regler
(faster PI), einen langsamen PI-Regler (slow PI), einen P-Regler mit
hoher Verstärkung
(high P) und einen P-Regler mit niedriger Verstärkung (lowP). Hieraus ist ersichtlich,
dass eine größere Stabilität der Betriebsspannung
mit der reinen P-Charakteristik, insbesondere mit niedriger Verstärkung, erhalten
wird.
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5b zeigt
die entsprechenden Verläufe der
dem Versorgungsstrom entsprechenden Spannung Isense für dieselben
Regelcharakteristiken. Daraus ist ersichtlich, dass bei den reinen
P-Charakteristiken eine Regelabweichung hinsichtlich des Versorgungsstroms
vorliegt, wohingegen diese Regelabweichung bei Verwendung der PI-Charakteristiken im
Zeitverlauf ausgeregelt wird.
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Die 5c und 5d zeigen Verläufe der
mittels des Filters 64 geglätteten Betriebsspannung (5c) und des mittels des
Filters 70 geglätteten Versorgungsstroms
(5d), jeweils aufgetragen
für verschiedene
Dimensionierungen des Widerstandsnetzwerks 76, die in den
Figuren durch den Parameter Ir.r11 spezifiziert sind, wobei ein
kleiner Wert eine kleine P-Verstärkung
angibt. Die Verläufe
wurden für fünf verschiedene
P-Verstärkungen
simuliert, wobei für
jede Verstärkung
auch eine Variation des esr ("equivalent
series resistance",
effektiver Serienwiderstand)-Werts eines Ausgangskondensators 78 des
simulierten Stromerzeugungsschaltkreises vorgenommen wurde. Aus
diesen Verläufen
ist ersichtlich, dass für
eine sehr niedrige P-Verstärkung (Ir.r11=1)
eine Schwingung sowohl im Betriebsspannungsverlauf als auch im Versorgungsstromverlauf auftritt,
die vermieden werden sollte und durch eine etwas höhere P-Verstärkung (Ir.r11=1000)
vermieden wird.
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Zusammenfassend kann mit einem PI-Regler
der Stromfehler gering gehalten werden, wohingegen der P-Regler
zu einem vergleichsweise hohen Stromfehler führt. Demzufolge fällt bei
Verwendung des PI-Reglers die Spannung sehr stark ab, wohingegen
dieser Abfall der Spannung bei Verwendung des P-Reglers mit einer
geringen P-Verstärkung
weitgehend vermieden wird. Wenn die P-Verstärkung des Reglers zu gering
gewählt
wird, so ist eine Schwingung des Systems nicht ausreichend gedämpft, insbesondere
wenn der esr-Wert des Ausgangskondensators gering ist. Bevorzugt
ist die P-Verstärkung
gerade so groß gewählt, dass
die Schwingung gedämpft
wird aber der spannungsstabilisierende Effekt noch groß ist.
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Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist
die DC/DC-Wandlung
für ein
2-Spannungs-Netz, insbesondere 42 V/14 V-Netz eines Kraftfahrzeugs, wobei das
ausgangsseitige Netz nicht durch eine Fahrzeugbatterie gepuffert
ist. Hierbei ist es möglich, den
Wandler auch ohne eine zusätzliche
Spannungsregelungsschleife durch Verwendung eines Reglers mit P-Charakteristik niedriger
Verstärkung
zu betreiben.