DE10310985A1

DE10310985A1 - Niederfrequenzschaltspannungsvorregler mit geringer Leistungsaufnahme

Info

Publication number: DE10310985A1
Application number: DE10310985A
Authority: DE
Inventors: Roger J Cook
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2003-10-02
Also published as: US20030169024A1; GB2386208A; GB2386208B; GB0302819D0; US6667602B2

Abstract

Der Niederfrequenzschaltspannungsvorregler mit geringer Leistungsaufnahme ist zum Weiterleiten einer zerhackten Spannung an eine lineare Spannungsreglerschaltung betriebsfähig. Der Vorleger umfasst eine Zerhackerschaltung, einen Vorstufenschaltkreis und eine Rückkopplungsschaltung. Der Ausgang der Zerhackerschaltung bildet den Ausgang des Spannungsvorreglers, und eine Eingangsspannung wird an einem Eingang der Zerhackerschaltung empfangen. Die Rückkopplungsschaltung tastet die Größe der Spannung an der Zerhackerschaltung ab und gewinnt als Reaktion daraus ein Rückkopplungssignal. Die PWM-Interfaceschaltung empfängt die Rückkopplungssignale und ein PWM-Signal von der Art, wie sie allgemein von einem Mikroprozessor bezogen werden. Die PWM-Interfaceschaltung schaltet die Zerhackerschaltung als Reaktion auf die Rückkopplungs- und PWM-Signale.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Spannungsregelung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Niederfrequenzschaltspannungsvorregler mit geringer Leistungsaufnahme und automatischer Umschaltung in die energiesparende Betriebsweise.

Beschreibung der einschlägigen Technik

Lineare Spannungsregler erzeugen eine im Wesentlichen konstante Ausgangsspannung V_OUT aus einer relativ variablen Eingangsspannung. Lineare Spannungsregler sorgen außerdem für einen niedrigen Ruhestrom. Lineare Spannungsregler sind zur Bereitstellung der geregelten Ausgangsspannung V_OUT über einem Bereich von Eingangsspannungen wirksam. Solche linearen Regler werden zum Bereitstellen von DC-Spannungssignalen für Schaltkreise verwendet, die größtenteils zum Empfangen konstanter Spannungsniveaus mit niedriger Spannungswelligkeit ausgelegt sind. Lineare Spannungsregler können ebenfalls für die Bereitstellung der konstanten, von einer relativ großen Eingangsspannung V_IN unabhängigen Ausgangsspannung V_OUT ausgelegt sein. Folglich sind lineare Spannungsregler wünschenswert, die für den Betrieb mit höheren V_OUT/V_IN-Verhältnissen ausgelegt sind. Lineare Regler können zum Beispiel unabhängig von Eingangsspannungen bis maximal 42 V für eine größtenteils konstante 7,6 V Ausgangsspannung sorgen. Solche lineare Spannungsregler sind in Geräten oder elektronischen Schaltungen erwünscht, die eine Spannungsquelle mit einem variablen Ausgang besitzen, der konfiguriert werden kann, um Spannungssignale anderen Schaltungen bereitzustellen, die konstante Spannungssignale benötigen. Solche linearen Spannungsregler mit größtenteils konstanter Ausgangsspannung V_OUT und einem großen V_OUT/V_IN-Verhältnis sind zum Beispiel in analogen und digitalen elektronischen Hybridschaltungen erwünscht. Solche dem Stand der Technik entsprechenden linearen Spannungsregler erzeugen jedoch typischerweise relativ viel Wärme, die z. B. durch einen relativ großen, mechanisch am linearen Spannungsregler gekoppelten Metallwärmeableiter abgeleitet wird.
Fig. 1 zeigt ein Schema eines dem Stand der Technik entsprechenden Spannungsreglers 100 in Kaskadenausführung, der eine Schaltvorreglerschaltung 102 und eine lineare Reglerschaltung 104 besitzt. Die Schaltvorreglerschaltung 102 empfängt die Eingangsspannung V_IN an einem Eingangsanschluss 108 und erzeugt eine zerhackte Spannung V_CH an einem Verbindungsanschluss 110. Die zerhackte Spannung V_CH wird in der Schaltvorreglerschaltung 102 typischerweise durch elektrische Bauelemente, wie z. B. Drosseln und Dioden, erzeugt. Die Größe der zerhackten Spannung V_CH ist kleiner als die Eingangsspannung V_IN und liegt im Wesentlichen innerhalb eines gewünschten Bereichs der Eingangsspannung für die lineare Reglerschaltung 104. Die Größe der zerhackten Spannung V_CH bewegt sich im Allgemeinen periodisch zwischen einer oberen und einer unteren Grenze für die Schaltvorreglerschaltung 102. Die Periode bezieht sich gewöhnlich auf eine Grenzperiode.
Die lineare Reglerschaltung 104 empfängt die zerhackte Spannung V_CH am Verbindungsanschluss 110 und erzeugt eine glatte, geregelte Ausgangsspannung V_OUT mit einem im Wesentlichen konstanten Niveau am Ausgangsanschluss 112. Da die von der linearen Reglerschaltung 104 empfangene zerhackte Spannung V_CH im Wesentlichen geringer als die Eingangsspannung V_IN ist, arbeitet die lineare Reglerschaltung 104 durch einen geringeren Energieverbrauch effektiver, wodurch der Spannungsreglers 100 in Kaskadenausführung einen verbesserten Wirkungsgrad der Spannungsumwandlung besitzt. Ein Spannungsreglers 100 in Kaskadenausführung kann eine Rückkopplungsspannung VFB enthalten, die von der Ausgangsspannung V_OUT der linearen Reglerschaltung 104 abgeleitet und von der Schaltvorreglerschaltung 102 empfangen wird. Damit erzeugt die Schaltvorreglerschaltung 102 die zerhackte Spannung V_CH als Reaktion auf die Rückkopplungsspannung V_FB.
Es ist wünschenswert, den Betrag des Energieverbrauchs während der Steuerung des Betriebs der linearen Reglerschaltung 104 beizubehalten. Spannungsregler entsprechend dem Stand der Technik stellen keine Steuerung bereit, die die Schaltvorreglerschaltung 102 in eine energiesparende Betriebsweise schaltet, wenn keine Ausgangsspannung V_OUT oder keine Leistung vom Spannungsregler benötigt wird. Der Spannungsregler kann zum Beispiel in einen Standby-Zustand versetzt werden, wobei die vom Regler abgegebene Energie minimiert wird, wenn eine Schaltung, die vom Spannungsregler 100 mit der Ausgangsspannung V_OUT versorgt wird, minimale Energie benötigt. Außerdem ist wünschenswert, dass solche Regler durch Signale gesteuert werden, die gewöhnlich von Mikroprozessoren erzeugt werden. Demzufolge besteht im Fachgebiet ein Bedarf an Spannungsreglern mit einer Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung mit geringer Leistungsaufnahme.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Ausgestaltungen der Erfindung stellen eine Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung mit geringer Leistungsaufnahme zum Liefern einer zerhackten Spannung an eine lineare Spannungsreglerschaltung bereit.
Angesichts der oben angeführten Beschränkungen des Stands der Technik ist es das Ziel der Erfindung, einen verbesserten Spannungsregler bereitzustellen, der den Energieverbrauch der Spannungsreglerschaltung minimiert und mit einem pulsweitenmodulierten (PWM-)Signal gesteuert werden kann, das im Allgemeinen von Mikroprozessoren geliefert wird. Insbesondere wird ein Eingang zum Steuern einer Spannungsvorreglerschaltung bereitgestellt, wodurch für das Schalten des Spannungsreglers in eine energiesparende Betriebsweise gesorgt wird, wenn eine Schaltung, mit der der Spannungsregler verbunden sein kann, minimale Energie benötigt.
In einer Ausgestaltung enthält eine Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung einen Eingangsknotenpunkt, einen Eingangsknotenpunkt für ein pulsweitenmoduliertes (PWM-)Signal und einen Eingangsknotenpunkt für eine zerhackte Spannung. Der Eingangsknotenpunkt kann für ein Eingangsspannungssignal V_IN mit einer Größe in einem Bereich von einschließlich etwa 20 V bis einschließlich etwa 58 V konfiguriert sein. Der PWM- Eingangsknotenpunkt kann für das Empfangen eines PWM-Signals mit einer Frequenz größtenteils im Bereich von etwa 5 kHz bis etwa 15 kHz und einem Tastverhältnis im Bereich von etwa 25% bis 50% konfiguriert sein. Die Vorreglerschaltung kann zum Erzeugen einer zerhackten Spannung V_CH als Reaktion auf das PWM-Signal und die Eingangsspannung V_IN und unabhängig von der Größe der Eingangsspannung V_IN am Eingangsknotenpunkt der zerhackten Spannung konfiguriert sein. Die zerhackte Spannung V_CH kann eine Größe im Bereich von etwa 6 V bis etwa 10 V haben.
Der Niederfrequenzschaltspannungsvorregler kann außerdem eine am Eingangsknotenpunkt angeschlossene Zerhackerschaltung, eine Kompensationsschaltung, eine Rückkopplungs- und Abtastschaltung und einen Vorstufenschaltkreis enthalten. Die Zerhackerschaltung kann zum Empfangen der Eingangsspannung V_IN konfiguriert sein und erzeugt ein Kompensationssignal als Reaktion auf ein Schaltsignal. Die mit der Zerhackerschaltung gekoppelte Kompensationsschaltung erzeugt die zerhackte Spannung V_CH an einem Eingangsknotenpunkt der zerhackten Spannung als Reaktion auf das Kompensationssignal. Die Rückkopplungs- und Abtastschaltung ist mit dem Knotenpunkt der zerhackten Spannung gekoppelt und sorgt für ein Rückkopplungssignal als Reaktion auf die Größe der zerhackten Spannung V_CH. Der Vorstufenschaltkreis ist mit dem PWM-Eingangsknotenpunkt und der Rückkopplungs- und Abtastschaltung gekoppelt und erzeugt wahlweise das Schaltsignal als Reaktion auf das Rückkopplungssignal und das PWM-Signal.
Ein Verfahren zur Steuerung eines Spannungsausgangs als Reaktion auf eine Eingangsspannung enthält eine wahlweise Erzeugung eines zerhackten Spannungssignals als Reaktion auf ein vom Mikroprozessor empfangenes pulsweitenmoduliertes (PWM-)Signal und einer Eingangsspannung, die im Wesentlichen eine Größe in einem Bereich von einschließlich etwa 20 V bis einschließlich etwa 58 V hat, wobei die zerhackte Spannung eine von der Eingangsspannung unabhängige Größe hat, die im Wesentlichen im Bereich von einschließlich etwa 6 V bis einschließlich etwa 10 V liegt, und die Größe der zerhackten Spannung unabhängig von der Größe der Eingangsspannung ist.
Das Verfahren kann außerdem das Erzeugen des PWM-Signals mithilfe einer Mikroprozessorschaltung enthalten, wobei das PWM-Signal eine Frequenz zwischen etwa 5 kHz und 15 kHz und ein Tastverhältnis von etwa 33% besitzt.
Durch eine Prüfung der folgenden Figuren und detaillierten Beschreibung werden andere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung offensichtlich oder einer mit dem Fachgebiet vertrauten Person verständlich. Alle zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile sind als Bestandteil der Beschreibung, des Geltungsbereichs der Erfindung und zum Schutz durch die zugehörigen Patentansprüche einbezogen.

Kurzbeschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen

Die Erfindung kann unter Beachtung der folgenden Figuren und detaillierten Beschreibung leichter verstanden werden. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, der Schwerpunkt liegt in der Darstellung des Prinzips der Erfindung. Außerdem kennzeichnen gleiche Bezugszahlen in den Figuren entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten.
Fig. 1 repräsentiert ein Blockschaltbild eines dem Stand der Technik entsprechenden Spannungsreglers in Kaskadenausführung.
Fig. 2 stellt einen schematischen Schaltplan einer Ausgestaltung für einen Spannungsvorregler dar.
Fig. 3 stellt einen schematischen Schaltplan einer alternativen Ausgestaltung für einen Spannungsvorregler dar.

Ausführliche Beschreibung der Vorzugsausgestaltungen

Hierbei ist die Phrase "gekoppelt mit" im Sinne von "direkt angeschlossen an" oder "indirekt über eine oder mehrere Zwischenkomponenten verbunden mit" definiert.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines dem Stand der Technik entsprechenden Spannungsreglers 100 in Kaskadenausführung dargestellt, der eine Schaltvorreglerschaltung 102 und eine lineare Reglerschaltung 104 besitzt. Der Spannungsregler 100 in Kaskadenausführung erzeugt eine größtenteils konstante Ausgangsspannung V_OUT aus einem relativ großen Bereich einer Eingangsspannung Ver. Die Schaltvorreglerschaltung 102 empfängt eine Eingangsspannung V_IN an einem Eingangsspannungsanschlussknoten 108 und erzeugt eine zerhackte Spannung V_CH an einem Verbindungsanschluss 110. Die zerhackte Spannung V_CH hat eine allgemein niedrigere Spannungsgröße als die Eingangsspannung V_IN und im Wesentlichen in der Größenordnung des gewünschten Spannungseingangsbereichs für die lineare Reglerschaltung 104. Die lineare Reglerschaltung empfängt die zerhackte Spannung Vcu und erzeugt die größtenteils konstante Ausgangsspannung V_OUT.
Bezug nehmend auf die Fig. 2 ist eine Ausgestaltung einer Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung 104 mit geringer Leistungsaufnahme und automatischer Umschaltung in eine energiesparende Betriebsweise schematisch darstellt. Die Vorreglerschaltung enthält den Anschlussknoten 108 für die Eingangsspannung, den Anschlussknoten 110 für die zerhackte Spannung und einen Anschlussknoten 202 für das pulsweitenmodulierte (PWM-)Signal. Die Vorreglerschaltung ist für die Erzeugung einer zerhackten Spannung V_CH, unabhängig von der Größe der Eingangsspannung Ver, und als Reaktion auf ein am Anschlussknoten 202 für das PWM-Signal empfangenes PWM-Signal konfiguriert. Die Vorreglerschaltung 104 erzeugt die zerhackte Spannung am Anschlussknoten 110 der zerhackten Spannung, wenn ein PWM-Signal am Anschlussknoten 202 des PWM-Signals empfangen wird, und schaltet in eine energiesparende Betriebsweise, wenn kein PWM-Signal am Anschlussknoten 202 des PWM-Signals empfangen wird. In der energiesparenden Betriebsweise ist die Größe der Spannung am Anschlussknoten 110 der zerhackten Spannung im Wesentlichen gleich V_IN und der Stromfluss durch die Vorreglerschaltung 104 minimal. Deshalb kann die Vorreglerschaltung 104 durch das am Anschlussknoten 202 des PWM-Signals empfangene PWM-Signal gesteuert werden.
In einer Ausgestaltung kann die Eingangsspannung V_IN eine Größe zwischen 20 V und 58 V haben und das PWM-Signal ist ein Steuersignal, wie es von einer Mikroprozessorschaltung erzeugt wird, mit einer Frequenz zwischen 5 kHz und 15 kHz und einem Tastverhältnis zwischen 25% und 50%, vorzugsweise etwa 33%. Es ist wünschenswert für den Vorregler, eine größtenteils konstante zerhackte Spannung V_CH mit einer Größe im Bereich von 6 V bis 10 V und vorzugsweise etwa 7,6 V zu erzeugen. Die Vorreglerschaltung 104 ist zur Erzeugung einer größtenteils konstanten zerhackten DC-Spannung V_CH konfiguriert, obwohl mit dem Fachgebiet vertraute Personen erkennen werden, dass die zerhackte DC-Spannung V_CH einen unwesentlichen Betrag von Grenzperiodenwelligkeit haben kann.
Die Vorreglerschaltung 104 enthält außerdem eine Zerhackerschaltung 204, eine Rückkopplungs- und Abtastschaltung 206 und einen Vorstufenschaltkreis 208. Die Zerhackerschaltung 204 ist mit dem Eingangsspannungsknotenpunkt 108 gekoppelt und hat einen Ausgangsknotenpunkt 210, der den Ausgangsknotenpunkt 110 für die zerhackte Spannung festlegt. Die Rückkopplungs- und Abtastschaltung 206 besitzt einen Eingang, der mit dem Zerhackerschaltungsausgangsknotenpunkt 210 gekoppelt ist. Der Vorstufenschaltkreis 208 ist mit dem PWM-Eingangsknotenpunkt 202 an einem PWM-Interfaceknotenpunkt 212 und einem mit der Rückkopplungs- und Abtastschaltung 206 gekoppelten Rückkopplungsknotenpunkt 214 gekoppelt. Der Vorstufenschaltkreis 208 ist konfiguriert, um das PWM-Signal an die Zerhackerschaltung 204 als Reaktion auf ein von der Rückkopplungs- und Abtastschaltung 206 am Rückkopplungsknotenpunkt 214 empfangenes Rückkopplungssignal weiterzuleiten. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das PWM-Signal über einen Strombegrenzungswiderstand 216 mit einem Widerstandswert von 100 kΩ an die Zerhackerschaltung 204 weitergeleitet.
Die Zerhackerschaltung 204 ist zum Erzeugen der zerhackten Spannung V_CH am Ausgang 210 als Reaktion auf ein vom Vorstufenschaltkreis 208 über einen Strombegrenzungswiderstand empfangenes Schaltsignal konfiguriert. Die Zerhackerschaltung 204 enthält einen dreipoligen Leistungstransistor 218 und eine Kompensationsschaltung 222. Der Leistungstransistor 218 enthält eine Source-Elektrode, eine Senkenelektrode und ein Gate. In einer Ausgestaltung ist der Leistungstransistor ein P-Kanal-Anreicherungs-MOSFET vom Typ MTP5P06 V mit einer Senke-zu-Source-Stehspannung von mindestens 60 V. Die Source- Elektrode des Leistungstransistors 218 ist mit dem Spannungseingangsknotenpunkt 108 gekoppelt und das Gate des Leistungstransistors 218 ist mit dem Vorstufenschaltkreis 208 gekoppelt. In einer Ausgestaltung ist das Gate des Leistungstransistors 218 über den Strombegrenzungswiderstand 216 mit dem Vorstufenschaltkreis 208 gekoppelt. Die Senkenelektrode des Leistungstransistors 218 ist mit der Kompensationsschaltung 222 gekoppelt. Der Leistungstransistor 218 ist zum Weiterleiten der Eingangsspannung V_IN an die Kompensationsschaltung 222 als Reaktion auf ein vom Vorstufenschaltkreis 208 empfangenes Schaltsignal konfiguriert.
Die Zerhackerschaltung 204 kann zusätzlich eine Eingangsbiasschaltung 220 enthalten. Die Eingangsbiasschaltung 220 enthält eine Eingangsdiode 224 und einen Eingangswiderstand 226, die beide zwischen dem Gate und der Source-Elektrode des Leistungstransistors 218 gekoppelt sind. Die Eingangsdiode 224 regelt die Spannung zwischen der Source-Elektrode und dem Gate des Leistungstransistors 218, wenn der Leistungstransistor angeschaltet ist, und der Eingangswiderstand 226 gleicht die Spannung zwischen der Source- Elektrode und dem Gate des Leistungstransistors ab, wenn der Leistungstransistor ausgeschaltet ist. In einer Ausgestaltung besitzt der Eingangswiderstand einen Widerstandswert von 100 kΩ und die Eingangsdiode 224 besitzt eine Durchschlagspannung von etwa 10 V, wodurch abgesichert ist, dass die Spannung zwischen der Source-Elektrode und dem Gate 10 V nicht überschreitet.
Die Kompensationsschaltung 222 enthält eine Kompensationsspule 248, eine Ladungsquelle 230 und eine Rückdiode 228. Die Kompensationsspule 248 ist mit einem ersten Anschluss mit der Senkenelektrode des Leistungstransistors 218 an einem Kompensationsknotenpunkt 250 gekoppelt und bildet mit einem zweiten Anschluss den Zerhackerschaltungsausgang 210. Die Ladungsquelle 230 ist zwischen dem zweiten Anschluss der Kompensationsspule 248 am Zerhackerschaltungsausgang 210 und einem Erdungsanschluss (0 V) gekoppelt. Die Rückdiode 228 ist zwischen dem Kompensationsknotenpunkt 250 und dem Erdungsanschluss gekoppelt.
Wird die Eingangsspannung V_IN vom Leistungstransistor 218 zur Kompensationsschaltung 222 geleitet, baut sich ein Magnetfeld in der Kompensationsspule 248 zum Laden auf. Wenn die Eingangsspannung V_IN durch den Leistungstransistor 218 abgeschaltet wird, bricht das Feld in der Kompensationsspule 248 zusammen und induziert einen an den Zerhackerschaltungsausgangsknotenpunkt 210 geleiteten elektrischen Strom. Der Strom am Zerhackerschaltungsausgangsknotenpunkt 210 fließt zur Ladungsquelle 230 und zum Ausgang 210. Elektrische Ladung akkumuliert in der Ladungsquelle 230 als Reaktion auf den dort fließenden Strom, und am Zerhackerschaltungsausgangsknotenpunkt wird eine Spannung 210 erzeugt. Bei Fehlen der Eingangsspannung V_IN induziert die Ladung in der Ladungsquelle 230 einen Strom, der zum Ausgangsknotenpunkt 210 fließen kann. Beim Fehlen der Eingangsspannung V_IN am Kompensationsknotenpunkt 250 sorgt die Rückdiode 228 für eine Rückleitung vom Erdungsanschluss zur Kompensationsspule 248. In einer Ausgestaltung ist die Ladungsquelle 230 ein Kondensator mit einer Kapazität von 300 µF.
Die Rückkopplungs- und Abtastschaltung 206 enthält einen Rückkopplungstransistor 232, eine Biasschaltung 234 und eine Abtastdiode 252. Die Rückkopplungs- und Abtastschaltung 206 erfasst die Spannung am Zerhackerschaltungsausgangsknotenpunkt 210 und erzeugt als Reaktion daraufhin ein Rückkopplungssignal. Der Rückkopplungstransistor 232 enthält eine Source-Elektrode, ein Gate und eine Senkenelektrode. In einer Ausgestaltung ist der Rückkopplungstransistor ein N-Kanal-Anreicherungs-MOSFET vom Typ 2N7000 oder ein gleichwertiger Transistor. Die Senkenelektrode des Rückkopplungstransistors 232 bildet den Ausgang der Rückkopplungs- und Abtastschaltung 206 und ist mit dem Rückkopplungsknotenpunkt 214 gekoppelt, und die Source-Elektrode des Rückkopplungstransistors 232 ist mit dem Erdungsanschluss gekoppelt.
Die Abtastdiode 252 ist zwischen dem Zerhackerschaltungsausgangsknotenpunkt 210 und der Biasschaltung 234 gekoppelt. Die Biasschaltung 234 ist zwischen der Abtastdiode 252 und einem Erdungsanschluss gekoppelt und besitzt einen mit dem Gate des Rückkopplungstransistors 232 gekoppelten Ausgang. Die Abtastdiode 252 ist zum Leiten von elektrischem Strom konfiguriert, wenn die Größe der Spannung am Zerhackerschaltungsausgangsknotenpunkt 210 gleich einem gewählten Wert ist oder diesen übersteigt. Die Biasschaltung 234 ist zum Schalten des Rückkopplungstransistors 232 als Reaktion auf den durch die Abtastdiode 252 fließenden Strom und das dadurch vom Rückkopplungstransistor 232 am Rückkopplungsknotenpunkt 214 erzeugte Rückkopplungssignal konfiguriert. In einer Ausgestaltung besitzt die Abtastdiode 252 eine Durchschlagspannung von 4,7 V und die Biasschaltung enthält einen ersten Biaswiderstand 236 und einen zweiten Biaswiderstand 238 mit einem Widerstandswert von je 30 kΩ.
Der Vorstufenschaltkreis 208 enthält einen Vorstufentransistor 240 und eine PWM-Interfaceschaltung 242. Der Vorstufentransistor 240 enthält eine Source-Elektrode, eine Senkenelektrode und ein Gate. In einer Ausgestaltung ist der Vorstufentransistor ein N-Kanal-Anreicherungs-MOSFET vom Typ 2N7000 oder ein gleichwertiger Transistor. Das Gate des Vorstufentransistors 240 ist mit dem Rückkopplungsknotenpunkt 214 gekoppelt, die Source-Elektrode des Vorstufentransistors 240 ist mit dem Erdungsanschluss gekoppelt, und die Senkenelektrode des Vorstufentransistors 240 ist mit dem Gate des Leistungstransistors 218 gekoppelt. Der Vorstufenschaltkreis 208 ist zum Weiterleiten des PWM-Signals an den Leistungstransistor 218 als Reaktion auf das Rückkopplungssignal am Rückkopplungsknotenpunkt 214 konfiguriert. Die PWM-Interfaceschaltung 242 empfängt das PWM-Signal am PWM-Interfaceknotenpunkt 212. Wenn das PWM-Signal durch den Vorstufenschaltkreis 208 zum Leistungstransistor 218 weitergeleitet wird, leitet der Leistungstransistor 218 die Eingangsspannung V_IN zur Kompensationsspule 248 weiter und ermöglicht das Fließen von elektrischem Strom vom Eingangsspannungsknotenpunkt 108 zum Laden der Ladungsquelle 230und zum Ausgangsknotenpunkt 210 der zerhackten Spannung. Bei Fehlen des PWM-Signals wird die Vorreglerschaltung 104 in eine energiesparende Betriebsweise geschaltet, wobei die Eingangsspannung V_IN zum Zerhackerschaltungsausgangsknotenpunkt 210 weitergeleitet wird, und der Leistungstransistor 218 führt einen minimalen Strom. Da der durch den Leistungstransistor 218 fließende Strom minimal ist, wird die von der Vorreglerschaltung 104 abgegebene Energie reduziert. In einer Ausgestaltung kann die Vorreglerschaltung 104 periodisch zwischen energiesparender Betriebsweise und einem Ein-Zustand wechseln.
Die PWM-Interfaceschaltung 242 enthält einen ersten Biaswiderstand 244 und einen zweiten Biaswiderstand 246. Der erste Biaswiderstand 244 ist zwischen dem PWM- Interfaceknotenpunkt 212 und dem Erdungsanschluss gekoppelt. Der zweite Biaswiderstand 246 ist zwischen PWM-Interfaceknotenpunkt und Rückkopplungsknotenpunkt 214 gekoppelt. In einer Ausgestaltung besitzt der erste Biaswiderstand 244 einen Widerstandswert von 200 kΩ und der zweite Biaswiderstand 246 einen Widerstandswert von 20 kΩ.
Bezug nehmend auf die Fig. 3 wird eine alternative Ausgestaltung einer Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung 104 mit geringer Leistungsaufnahme und automatischer Umschaltung in eine energiesparende Betriebsweise und bei Realisierung mithilfe bipolar wirkender Transistoren gezeigt. Die Vorreglerschaltung enthält den Eingangsspannungsknotenpunkt 108, den Knotenpunkt 110 für eine zerhackte Spannung und einen Eingangsknotenpunkt für ein pulsweitenmoduliertes (PWM-)Signal. Die Vorreglerschaltung 104 ist zum Erzeugen der zerhackten Spannung V_CH, unabhängig von der Größe der Eingangsspannung V_IN, und als Reaktion auf ein am PWM-Signaleingangsknotenpunkt 202 empfangenes PWM-Signal konfiguriert. Die Vorreglerschaltung 104 enthält außerdem die Zerhackerschaltung 204, die Rückkopplungs- und Abtastschaltung 206 und den Vorstufenschaltkreis 208.
Die Zerhackerschaltung 204 enthält einen dreipoligen bipolaren Leistungstransistor 318, einen Umschaltwiderstand 302, einen Bypasswiderstand 304 und die Kompensationsschaltung 222. Der bipolare Leistungstransistor 318 enthält einen Kollektor, einen Emitter und eine Basis. In einer Ausgestaltung ist der bipolare Leistungstransistor 318 ein PNP- Verstärkertransistor vom Typ MPSA56 mit einer Kollektor-zu-Emitter-Stehspannung von mindestens 60 V. Der Emitter des bipolaren Leistungstransistors 3I8 ist mit dem Eingangsspannungsknotenpunkt 108 gekoppelt und die Basis des bipolaren Leistungstransistors 318 ist mit dem Vorstufenschaltkreis 208 gekoppelt. In einer Ausgestaltung ist die Basis des bipolaren Leistungstransistors 318 über den Strombegrenzungswiderstand 216 mit dem Vorstufenschaltkreis 208 gekoppelt. Der Kollektor des bipolaren Leistungstransistors 318 ist mit der Kompensationsschaltung 222 gekoppelt. Der Bypasswiderstand 304 ist zum Bereitstellen einer energiesparenden Betriebsweise konfiguriert, wenn der bipolare Leistungstransistor 318 ausgeschaltet ist. In einer Ausgestaltung besitzt der Bypasswiderstand 304 eine hohe Impedanz. Der Bypasswiderstand 304 besitzt im Wesentlichen eine Impedanz von vorzugsweise 33 kΩ. Ist der bipolare Leistungstransistor 318 ausgeschaltet, leitet der Bypasswiderstand 304 die Eingangsspannung V_IN weiter an die Kompensationsschaltung 222 und dadurch zum Knotenpunkt 110 der zerhackten Spannung und minimiert den vom Eingangsspannungsknotenpunkt 108 zum Knotenpunkt 110 der zerhackten Spannung fließenden Strom. Der bipolare Leistungstransistor 318 ist für das Weiterleiten der Eingangsspannung V_IN zur Kompensationsschaltung als Reaktion auf ein vom Vorstufenschaltkreis 208 empfangenes Schaltsignal konfiguriert.
Die Rückkopplungs- und Abtastschaltung 206 enthält einen bipolaren Rückkopplungstransistor 332, die Biasschaltung 234 und die Abtastdiode 252. Der bipolare Rückkopplungstransistor 332 enthält einen Kollektor, einen Emitter und eine Basis. In einer Ausgestaltung ist der bipolare Rückkopplungstransistor 332 ein NPN-Transistor vom Typ MPSA06 oder ein gleichwertiger Transistor. Der Kollektor des bipolaren Rückkopplungstransistors 332 bildet den Ausgang der Rückkopplungs- und Abtastschaltung 206 und ist mit dem Rückkopplungsknotenpunkt 214 gekoppelt, und der Emitter des bipolaren Rückkopplungstransistors 332 ist mit dem Erdungsanschluss gekoppelt. In einer Ausgestaltung besitzt die Abtastdiode 252 eine Durchschlagspannung von 6,0 V und die Biasschaltung enthält einen ersten Biaswiderstand und einen zweiten Biaswiderstand mit einem Widerstandswert von je 30 kΩ.
Der Vorstufenschaltkreis enthält einen bipolaren Vorstufentransistor 340 und die PWM-Interfaceschaltung 242. Der Vorstufentransistor 340 enthält einen Emitter, einen Kollektor und eine Basis. In einer Ausgestaltung ist der bipolare Vorstufentransistor 340 ein NPN-Transistor vom Typ MPSA06 oder ein gleichwertiger Transistor. Die Basis des Vorstufentransistors 340 ist mit dem Rückkopplungsknotenpunkt 214 gekoppelt, der Emitter des Vorstufentransistors 340 ist mit dem Erdungsanschluss gekoppelt, und der Kollektor des Vorstufentransistors 340 ist mit der Basis des Leistungstransistor 318 gekoppelt. Der Vorstufenschaltkreis ist für das Weiterleiten des PWM-Signals an den Leistungstransistor 218 als Reaktion auf das Rückkopplungssignal am Rückkopplungsknotenpunkt 214 konfiguriert. Die PWM-Interfaceschaltung 242 empfängt das PWM-Signal am PWM-Interfaceknotenpunkt 212. Wird das PWM-Signal durch den Vorstufenschaltkreis 208 zum Leistungstransistor 218 weitergeleitet, leitet der Leistungstransistor die Eingangsspannung V_IN weiter und Strom fließt zur Kompensationsspule 248 zum Aufladen der Ladungsquelle 230 und zum Knotenpunkt 110 der zerhackten Spannung.
Die hier beschriebenen Spannungsreglerausgestaltungen stellen eine Niederfrequenzspannungsvorreglerschaltung mit geringer Leistungsaufnahme bereit, die eine zerhackte Spannung V_CH an eine lineare Reglerschaltung liefert. Die Vorreglerschaltung kann in eine energiesparende Betriebsweise geschaltet werden, wodurch die Eingangsspannung zum Ausgang der Vorreglerschaltung weitergeleitet werden kann, obwohl minimaler Strom durch die Vorreglerschaltung fließt. Es kann zum Beispiel wünschenswert sein, die Vorreglerschaltung in eine energiesparende Betriebsweise zu schalten, wenn der Strombedarf am Ausgang des Vorreglers minimal ist. Da der Stromfluss durch die Vorreglerschaltung reduziert werden kann, kann die von der Vorreglerschaltung abgegebene Energie ebenfalls reduziert werden.
Verschiedene Ausgestaltungen eines Niederfrequenzschaltspannungsvorreglers mit geringer Leistungsaufnahme sind beschrieben und bildlich dargestellt worden. Die Beschreibung und die Darstellungen dienen jedoch nur als Beispiel. Innerhalb des Geltungsbereichs sind viele Ausgestaltungen dieser Erfindung möglich und für die mit dem Fachgebiet vertrauten Personen offensichtlich. Zum Beispiel können die Merkmale der hier beschriebenen elektrischen und elektronischen Bauelemente für die Ausführung eines Spannungsreglers innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung variiert werden. Außerdem können verschiedene elektrische und elektronische Komponenten für die Ausführung eines Spannungsreglers innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung kombiniert werden. Der Spannungsregler kann mit jedem anderen Gerät verwendet werden, das eine Spannungsregelung mit geringer Leistungsaufnahme erfordert. Deshalb ist die Erfindung nicht auf spezielle Details, bestimmte Ausgestaltungen und dargestellte Beispiele dieser Beschreibung beschränkt. Dementsprechend ist die Erfindung nicht einzuschränken, ausgenommen wie durch die zugehörigen Patentansprüche und ihren Entsprechungen gefordert wird.

Claims

1. Eine Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung, umfassend:
einen betriebsfähigen Eingangsknotenpunkt zum Empfangen einer Eingangsspannung V_IN mit einer Größe im Wesentlichen im Bereich von einschließlich etwa 20 V bis einschließlich etwa 58 V;
einen betriebsfähigen Eingangsknotenpunkt für ein pulsweitenmoduliertes (PWM-)Signal mit einem Tastverhältnis zwischen etwa 25% und 50% und mit einer Frequenz größtenteils im Bereich von etwa 5 kHz bis etwa 15 kHz;
einen betriebsfähigen Eingangsknotenpunkt für eine zerhackte Spannung zum Bereitstellen einer zerhackten Spannung V_CH mit einer im Wesentlichen konstanten Größe, unabhängig von der Größe des Eingangsspannungssignals V_IN und größtenteils im Bereich von etwa 6 V bis etwa 10 V,
wobei die Vorreglerschaltung zum wahlweisen Erzeugen einer größtenteils konstanten zerhackten Spannung V_CH am Eingangsknotenpunkt für eine zerhackte Spannung als Reaktion auf das PWM-Signal und das Eingangsspannungssignal und zum wahlweisen Betrieb in einer energiesparenden Betriebsweise, wodurch der durch die Vorreglerschaltung fließende Strom eingeschränkt wird, betriebsfähig ist.

2. Die Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung nach Anspruch 1, außerdem umfassend:
eine Zerhackerschaltung, die am Eingangsknotenpunkt angeschlossen und betriebsfähig zum Empfangen der Eingangsspannung V_IN und zum Erzeugen eines Kompensationssignals an einem Kompensationsknotenpunkt als Reaktion auf ein über einen Strombegrenzerwiderstand an einem Schaltsignalknotenpunkt empfangenes Schaltsignal ist;
eine Kompensationsschaltung, die mit der Zerhackerschaltung am Kompensationsknotenpunkt gekoppelt und betriebsfähig zum Erzeugen einer zerhackten Spannung V_CH am Eingangsknotenpunkt der zerhackten Spannung als Reaktion auf das Kompensationssignal ist;
eine Rückkopplungs- und Abtastschaltung, die mit dem Knotenpunkt der zerhackten Spannung gekoppelt und betriebsfähig zum Abtasten der Größe der zerhackten Spannung V_CH und zum Bereitstellen eines Rückkopplungssignal am Rückkopplungsknotenpunkt als Reaktion auf die Größe der zerhackten Spannung V_CH ist;
ein Vorstufenschaltkreis, gekoppelt mit dem PWM-Eingangsknotenpunkt und dem Rückkopplungsknotenpunkt, wobei der Vorstufenschaltkreis zum wahlweisen Erzeugen des Schaltsignals als Reaktion auf das Rückkopplungssignal und das Schaltsignal betriebsfähig ist.

3. Die Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung nach Anspruch 2, wobei die Zerhackerschaltung ein dreipoliges Niederspannungshochleistungshalbleiterschaltgerät umfasst, das zum Weiterleiten der Eingangsspannung V_IN zu einem Kompensationsknotenpunkt als Reaktion auf das Schaltsignal betriebsfähig und zum Schalten in eine energiesparende Betriebsweise betriebsfähig ist.

4. Die Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung nach Anspruch 3, wobei die Kompensationsschaltung umfasst:
eine Kompensationsspule, die mit einem Kompensationsknotenpunkt gekoppelt und zum Speichern von Elektroenergie als Reaktion auf das Kompensationssignal und zum Bereitstellen eines Kompensationsstroms am Knotenpunkt der zerhackten Spannung als Reaktion auf das Kompensationssignal betriebsfähig ist;
eine Ladungsquelle, die mit dem Knotenpunkt der zerhackten Spannung gekoppelt und zum Bereitstellen der zerhackten Spannung V_CH als Reaktion auf den Kompensationsstrom betriebsfähig ist.

5. Die Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung nach Anspruch 4, wobei die Rückkopplungs- und Abtastschaltung umfasst:
eine Abtastdiode, die mit dem Knotenpunkt der zerhackten Spannung gekoppelt und zum Leiten des Stroms als Reaktion auf die Größe der zerhackten Spannung betriebsfähig ist;
eine Widerstandsbiasschaltung, die mit der Abtastdiode gekoppelt und zum Bereitstellen eines Biassignals an einem Biasknotenpunkt betriebsfähig ist;
ein dreipoliges Niederspannungshochleistungshalbleiterschaltgerät, das mit dem Biasknotenpunkt gekoppelt und zum Erzeugen des Rückkopplungssignals als Reaktion auf das Biassignal betriebsfähig ist.

6. Die Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung nach Anspruch 5, wobei der Vorstufenschaltkreis umfasst:
eine Widerstandsbiasschaltung, die mit dem PWM-Eingangsknotenpunkt und dem Rückkopplungsknotenpunkt gekoppelt und zum Weiterleiten PWM- Signals als Reaktion auf das Rückkopplungssignal betriebsfähig ist;
ein dreipoliges Niederspannungshochleistungshalbleiterschaltgerät, das mit der Widerstandsbiasschaltung und dem Rückkopplungsknotenpunkt gekoppelt und zum Erzeugen des Schaltsignals als Reaktion auf das Rückkopplungssignal und das PWM-Signal betriebsfähig ist.

7. Die Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung nach Anspruch 6, wobei das Schaltgerät einen P-Kanal-Anreicherungs-MOSFET-Transistor mit einer Senke-zu- Source-Stehspannung von mindestens 60 V umfasst.

8. Die Niederfrequenzschaltspannungsvorreglerschaltung nach Anspruch 6, wobei das Schaltgerät einen bipolaren PNP-Transistor mit einer Kollektor-Emitter-Stehspannung von mindestens 60 V und einen zweipoligen Umschaltbypasswiderstand mit einem ersten Anschluss, der mit einem Kollektor des Transistors gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einem Emitter des Transistors gekoppelt ist, umfasst.

9. Eine Spannungsreglerschaltung, umfassend:
eine Schaltvorreglerschaltung, die zum wahlweisen Erzeugen einer zerhackten Spannung V_CH an einem Knotenpunkt der zerhackten Spannung als Reaktion auf ein an einem PWM-Eingangsknotenpunkt empfangenen pulsweitenmodu- liertes (PWM-)Niederfrequenzsignal und eine an einem Spannungseingangsknotenpunkt empfangene Eingangsspannung V_IN betriebsfähig ist;
eine lineare Spannungsreglerschaltung, die mit dem Knotenpunkt der zerhackten Spannung gekoppelt und zum Erzeugen einer größtenteils geregelten Spannung an einem Spannungsreglerausgangsknotenpunkt als Reaktion auf die zerhackte Spannung V_CH betriebsfähig ist.

10. Die Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 9, wobei die Schaltvorreglerschaltung umfasst:
eine Rückkopplungs- und Abtasischaltung, die mit dem Knotenpunkt der zerhackten Spannung gekoppelt und zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals an einem Rückkopplungsknotenpunkt als Reaktion auf die zerhackte Spannung V_CH betriebsfähig ist;
ein Vorstufenschaltkreis, der mit dem Rückkopplungsknotenpunkt und dem PWM-Eingangsknotenpunkt gekoppelt und zum Erzeugen eines Schaltsignals an einem Schaltknotenpunkt als Reaktion auf das PWM-Signal und das Rückkopplungssignal betriebsfähig ist;
eine Zerhackerschaltung mit einem Eingang, der zum Empfangen der Eingangsspannung V_IN betriebsfähig ist, und einem Ausgang, der den Vorreglerausgang bildet, wobei die Zerhackerschaltung mit dem Schaltknoten gekoppelt und zum Erzeugen der zerhackten Spannung V_CH am Vorreglerausgangsknotenpunkt als Reaktion auf die Eingangsspannung betriebsfähig und zur Strombegrenzung am Ausgangsknotenpunkt als Reaktion auf das Schaltsignal betriebsfähig ist.