DE19756233A1 - Strom-Spannungs-Regler - Google Patents

Strom-Spannungs-Regler

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
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    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
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Description

Die Erfindung betrifft einen Strom-Spannungs-Regler insbeson­ dere zur Anwendung in getakteten Stromversorgungen.
Getaktete Stromversorgungen sind beispielsweise aus U. Tiet­ ze, Ch. Schenk, Electronics Circuits - Design and Applicati­ ons, Springer-Verlag 1991, Seiten 502 ff. bekannt. Derartige getaktete Stromversorgungen umfassen üblicherweise einen Gleichrichter, einen zur Pulsweitenmodulation vorgesehenen Leistungsschalter, ein Filter sowie einen Regler zur Steue­ rung des Leistungsschalters. Eine Eingangsspannung (beispielsweise die gleichgerichtete Netzspannung) wird von dem als Pulsweitenmodulator wirkenden Leistungsschalter in eine gepulste Gleichspannung mit variablem Tastverhältnis um­ gewandelt. Die Pulsfrequenz kann dabei variabel oder fest sein. Die Aufgabe des Reglers besteht nun darin, die Spannung am Ausgang des Filters in einem definierten Ausgangsstrombe­ reich konstant zu halten. Bei Erreichen des maximalen Aus­ gangsstroms soll der Ausgangsstrom bis zu einer Ausgangsspan­ nung von 0 Volt konstant gehalten werden. Der Regler muß also die Spannung am Ausgang des Filters und den Strom am Ausgang des Filters als Eingangsgrößen verarbeiten und daraus ein Steuersignal für den Leistungsschalter bilden. Das Taktver­ hältnis des Schalters wird dabei durch das Steuersignal be­ einflußt.
Bei bekannten Reglern wird der Spannungs-Strom-Vergleich je­ weils mit einem Operationsverstärker sowie externen Wider­ stands- und Kapazitätsnetzwerken realisiert. Dem für den Stromvergleich vorgesehenen Operationsverstärker ist dabei meist ein Strom-Spannungs-Wandler vorgeschaltet. Die Signale am Ausgang der Operationsverstärker werden dabei aufaddiert und mittels eines Spannungs-Strom-Wandlers in einen Steuer­ strom umgesetzt. Problematisch ist dabei der hohe schaltungs­ technische Aufwand sowie die erzielbare Genauigkeit bei Rea­ lisierungen in integrierter Schaltungstechnik.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strom-Spannungs-Regler anzugeben, der für die Realisierung in integrierter Schal­ tungstechnik besser geeignet ist.
Die Aufgabe wird durch einen Strom-Spannungs-Regler gemäß Pa­ tentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßer Strom-Spannungs-Regler umfaßt insbeson­ dere eine Referenzspannungsquelle mit einem Ausgang sowie zwei Transkonduktanzverstärker mit jeweils zwei Eingängen und einem Stromausgang. Die Stromausgänge der Transkonduktanzver­ stärker sind dabei miteinander gekoppelt und bilden einen Ausgang des Strom-Spannungs-Reglers. Jeweils einer der Ein­ gänge der Transkonduktanzverstärker ist mit dem Ausgang der Referenzspannungsquelle gekoppelt. Die jeweils anderen Ein­ gänge der Transkonduktanzverstärker werden mit jeweils einem Strom-Sensor-Signal bzw. einem Spannungs-Sensor-Signal ange­ steuert. Vorteil dabei ist, daß sich diese Anordnung leicht monolithisch integrieren läßt, da keine Kompensationskapazi­ täten integriert werden müssen. Es werden dabei sehr wenig externe Bauelemente benötigt, zudem bleibt die volle Flexibi­ lität beim Regelverhalten bestehen, wobei sehr geringe Tole­ ranzen erzielt werden und nachträgliche Abgleicharbeiten ent­ fallen können.
Bevorzugt erfolgt die Kopplung der Stromausgänge der Trans­ konduktanzverstärker miteinander mittels zweier Transistoren, deren Basisanschlüsse mit jeweils einem Stromausgang der Transkonduktanzverstärker verbunden sind und deren Emitteran­ schlüsse mit dem Ausgang des Stromspannungs-Reglers verschal­ tet sind. Die Kollektoranschlüsse sind mit einer Basisspan­ nung verbunden. Die Transistoren zur Verkopplung der Strom­ ausgänge arbeiten als Impedanzwandler (Emitterfolger) entkop­ peln die hochohmigen Stromausgänge von dem meist niederohmig belasteten Ausgang des Strom-Spannungs-Reglers. Anstelle zweier Transistoren können bei hochohmiger Last auch zwei Di­ oden verwendet werden, die jeweils in Durchlaßrichtung zwi­ schen jeweils einen Stromausgang und den Ausgang des Strom- Spannungs-Reglers geschaltet sind. Damit wird auf einfache Weise verhindert, daß der Ausgangsstrom eines der Transkon­ duktanzverstärker in den Ausgang des jeweils anderen Trans­ konduktanzverstärker eingespeist wird. Die beiden Transkon­ duktanzverstärker können sich somit nicht gegenseitig beein­ flussen.
Bevorzugt werden als Transistoren zur Kopplung der Stromaus­ gänge Darlingtontransistoren verwendet.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist den Stromausgängen der Transkonduktanzverstärker ein Kompensationsnetzwerk nach­ geschaltet. Ein derartiges Kompensationsnetzwerk besteht bei­ spielsweise aus Widerständen und Kondensatoren und weist be­ vorzugt einen Kondensator auf, der über einen Widerstand dem Stromausgang des jeweiligen Transkonduktanzverstärkers nach­ geschaltet ist. Wird jedem der Transkonduktanzverstärker ein derartiges Netzwerk nachgeschaltet, so können die Widerstände in integrierter Technik ausgeführt werden, wobei die Wider­ stände der Kompensationsnetzwerke aufgrund der integrierten Schaltungstechnik die gleichen Fertigungstoleranzen und den gleichen Temperaturgang aufweisen, wie die die Steilheit der Transkonduktanzverstärker bestimmenden Widerstände. Dadurch wird die Spannungsverstärkung der Transkonduktanzverstärker konstant gehalten.
Die beiden Transkonduktanzverstärker erhalten dabei bevorzugt ein Bias-Signal, das seinerseits bevorzugt durch die Refe­ renzspannungsquelle erzeugt wird. Damit werden Schwankungen der Eingangsspannung wirkungsvoll ausgeglichen.
Schließlich kann bei einem der Transkonduktanzverstärker der nicht invertierende Eingang an einen Anschluß eines Stromsen­ sorelements und der invertierende Eingang über einen ersten Widerstand an den anderen Anschluß des Stromsensors sowie über einen zweiten Widerstand an die Referenzspannungsquelle angeschlossen werden. Damit wird der potentialfreie Abgriff der über dem Strom-Sensor-Element abfallenden Spannung er­ reicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der einzigen Fi­ gur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Als Ausführungsbeispiel ist ein erfindungsgemäßer Strom-Span­ nungs-Regler 1 gezeigt, der einen Transkonduktanzverstärker 2 sowie einen Transkonduktanzverstärker 3 aufweist. Als Trans­ konduktanzverstärker finden beispielsweise Operational Trans­ conductance Amplifiers (OTA) Verwendung. Weiterhin ist eine Referenzspannungsquelle 4 vorgesehen, die ihrerseits über ei­ nen Versorgungsanschluß 13 des Strom-Spannungs-Reglers 1 durch eine Versorgungsspannung gespeist wird und die einen Referenzspannungsausgang 5 sowie einen Bias-Spannungsausgang 6 aufweist. Die Bias-Spannung am Ausgang 6 dient zur Speisung der Transkonduktanzverstärker 2 und 3. An dem die Referenz­ spannung führenden Ausgang 5 ist der invertierende Eingang des Transkonduktanzverstärkers 2 direkt sowie der invertie­ rende Eingang des Transkonduktanzverstärkers 3 unter Zwi­ schenschaltung eines Widerstands 7 angeschlossen. Die Strom­ ausgänge der Transkonduktanzverstärker 2 und 3 sind zum einen jeweils über eine Zenerdiode 8 bzw. 9 mit einem Bezugspoten­ tialanschluß 10 verbunden, sowie über ein Koppelnetzwerk 11 miteinander den Ausgang 12 des Strom-Spannungs-Reglers 1 bil­ dend gekoppelt. Das Koppelnetzwerk 11 umfaßt dabei beispiels­ weise zwei aufeinander abgestimmte Transistoren 14 und 15, deren Basisanschlüsse an jeweils einen Ausgang eines der Transkonduktanzverstärker 2 und 3 angeschlossen sind und de­ ren Emitteranschlüsse miteinander sowie unter Zwischenschal­ tung eines Widerstandes 16 mit dem Ausgang 12 gekoppelt sind. Die Kollektoranschlüsse der beiden Transistoren 14 und 15 sind an eine Speisespannung angeschlossen, die beim Ausfüh­ rungsbeispiel am Ausgang 6 der Referenzspannungsquelle 4 ab­ genommen wird. Darüber hinaus sind der nicht invertierende Eingang des Transkonduktanzverstärkers 2 mit einem Eingang 18 des Strom-Spannungs-Reglers 1, und der nicht invertierende Eingang des Transkonduktanzverstärkers 3 mit einem Eingang 19 des Strom-Spannungs-Reglers 1 verbunden. Der invertierende Eingang des Transkonduktanzverstärkers 3 ist über einen Wi­ derstand 20 mit einem Anschluß 17 des Strom-Spannungs-Reglers 1 verschaltet. Des Weiteren sind die Ausgänge der Transkon­ duktanzverstärker 2 und 3 über jeweils einen Widerstand 21 bzw. 22 mit jeweils einem Anschluß 23 bzw. 24 des Strom- Spannungs-Reglers 1 verbunden. Die Anschlüsse 23 und 24 die­ nen zum Anschluß von Kondensatoren 25 und 26. Die Kondensato­ ren 25 und 26 sind einerseits an einem Masseknotenpunkt 27 angeschlossen und andererseits unter Zwischenschaltung der Widerstände 21 und 22 an die Stromausgänge der Transkonduk­ tanzverstärker 2 und 3. Die Widerstände 21 und 22 bilden mit ihren entsprechenden Kondensatoren 25 und 26 jeweils Kompen­ sationsnetzwerke. Schließlich ist beim vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel der Strom-Spannungs-Regler 1 als integrierter Schaltkreis ausgebildet.
Der Strom-Spannungs-Regler 1 ist beim Ausführungsbeispiel Teil einer getakteten Stromversorgung. Diese umfaßt neben dem Strom-Spannungs-Regler 1 eine Gleichrichteinheit 28, die durch eine Netzspannung 29 gespeist wird. Der Gleichrichtein­ heit 28 ist eine Schalteinheit 46 nachgeschaltet, die die gleichgerichtete Netzspannung mittels eines pulsweitenmodu­ lierten Signals zerhackt und dieses in den Primärkreis 30a eines Übertragers 30 einspeist. Die Steuerung der Schaltein­ heit 46 erfolgt mittels eines die Pulsweite beeinflussenden Steuersignals, das an der Sekundärseite eines Optokopplers 31 abgenommen wird. Die Primärseite des Optokopplers 31 ist an den Ausgang 12 des Strom-Spannungs-Reglers 1 angeschlossen. Die Sekundärseite des Übertragers 30 weist zwei Wicklungen 30b und 30c auf, von denen die eine (30c) zur Stromversorgung des Strom-Spannungs-Reglers 1 vorgesehen ist und die daher unter Zwischenschaltung eines Gleichrichters an den Anschluß 13 des Strom-Spannungs-Reglers 1 angeschlossen ist. Der Gleichrichter besteht aus einer Diode 32, die einerseits an einen Anschluß der einen Sekundärwicklung 30c und anderer­ seits an den Anschluß 13 angeschlossen ist, sowie durch einen Glättungskondensator 33, der zwischen die Anschlüsse 13 und 17 des Strom-Spannungs-Reglers 1 geschaltet ist. Der andere Anschluß der einen Sekundärwicklung 30c ist ebenso wie ein Anschluß der weiteren Sekundärwicklung 30b über eine Drossel 34 an einen Versorgungsknotenpunkt 35 angeschlossen. Der an­ dere Anschluß der weiteren Sekundärwicklung 30b ist über die Diode 36 mit dem Anschluß 17 des Strom-Spannungs-Reglers 1 verbunden. Der Anschluß 17 ist dabei über einen durch einen Widerstand 37 gebildeten Stromsensor mit dem Masseknotenpunkt 27 gekoppelt. Der Anschluß 17 ist darüber hinaus über eine Parallelschaltung eines Widerstandes 38 und eines Kondensa­ tors 39 mit dem gemeinsamen Knotenpunkt aus Drossel 34 sowie den beiden Sekundärwicklungen 30b und 30c verschaltet. Zwi­ schen den Masseknotenpunkt 27 und den Versorgungsknotenpunkt 35 sind außerdem noch ein Glättungskondensator 42, ein Span­ nungsteiler mit den Widerständen 40 und 41 sowie ein RC-Glied mit einem Widerstand 43 und einem in Reihe dazu liegenden Kondensator 44 geschaltet. Der Abgriff des Spannungsteilers mit den Widerständen 40 und 41 ist dabei an den Anschluß 18 und der Abgriff des RC-Gliedes mit dem Widerstand 43 und dem Kondensator 44 ist mit dem Anschluß 19 des Strom-Spannungs- Reglers 1 verschaltet. Zwischen dem Masseknotenpunkt 27 und dem Versorgungsknotenpunkt 35 ist schließlich die gewandelte Ausgangsgleichspannung 45 bzw. Der Ausgangsstrom abgreifbar.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Strom-Spannungs-Reg­ lers 1 beruht auf der Verwendung zweier Transkonduktanzver­ stärker 2 und 3 zur Überwachung der Ausgangsspannung 45 und zur Überwachung des Ausgangsstroms. Die additive Verknüpfung der Ausgangsströme der beiden Transkonduktanzverstärker 2 und 3 erfolgt einfach durch Zusammenführen beider Stromausgange, wobei das Koppelnetzwerk 11 eine gegenseitige Stromeinkopp­ lung verhindert. Die Transistoren des Koppelnetzwerks 11 sind dabei als Darlingtontransistoren ausgeführt. In die inte­ grierte Schaltung mit integriert sind der den Ausgangswider­ stand bestimmende Widerstand 16 sowie die zu den jeweiligen Kompensationsnetzwerken gehörenden Widerstände 21 und 22. Die Strom- bzw. Spannungsregelschleife kann dadurch individuell durch Hinzuschalten entsprechender Kapazitäten an den An­ schlüssen 23 und 24 kompensiert werden.
Da die Widerstände 21 und 22 sowie der Widerstand im Bias- Block des Transkonduktanzverstärkers' der dessen Steilheit bestimmt, die gleichen Fertigungstoleranzen und das gleiche Temperaturverhalten aufweisen, bleibt die Spannungsverstär­ kung der Transkonduktanzverstärker 3 und 4 auf alle Fälle konstant. Dabei gilt:
V=S . R
S = I/UT und
UT = k . T/e
wobei V die Verstärkung des jeweiligen Transkonduktanzver­ stärkers, S dessen Steilheit, R den Widerstandswert des je­ weiligen Widerstandes 21 bzw. 22, I den Arbeitsstrom des Dif­ ferenzverstärkers innerhalb des Transkonduktanzverstärkers 2 bzw. 3, UT die Temperaturspannung, k die Bolzmannkonstante, T die absolute Temperatur und e die Elementarladung bezeichnet. Wird der Strom im Bias-Block der Transkonduktanzverstärker 2 und 3 eingestellt, gemäß der Beziehung:
I = UT . C/RB dann gilt
V = R . C/RB = konstant.
Dabei bezeichnet C einen konstanten Wert und RB den Bias-Wi­ derstand in Bias-Block.
Reicht die fest eingestellte Verstärkung nicht aus, so können externe Serienwiderstände hinzugeschaltet werden. Die Ver­ stärkung ist dann allerdings nicht mehr ganz unabhängig von der Temperatur und von den Fertigungstoleranzen. Ein weiterer wichtiger Teil des Strom-Spannungs-Reglers 1 ist die Span­ nungsreferenzquelle 4, die beispielsweise als hochgenaue Bandgap-Referenz ausgeführt wird. Sie dient den Transkonduk­ tanzverstärkern 2 und 3 unter anderem als Regelbezug.
Die Schwelle des den Strom überwachenden Transkonduktanzver­ stärkers 3 (Ausgangsstromschwelle) wird durch die Widerstände 7 und 20 bestimmt. Dabei übernimmt der Transkonduk­ tanzverstärker 3 bei einer Differenzeingangspannung, die zwi­ schen dem Wert am Eingang 9 und der Referenzspannung am Aus­ gang 5 der Referenzspannungsquelle 4 liegt, die Regelung des Ausgangsstromes. Dabei gilt bei einer Spannung V17 am Strom­ sensoreingang 17, der Referenzspannung V5 und einer am Strom­ referenzeingang 19 anliegende Spannung V19: V17 - V19 = (V5 - V19) R7/R20. R7 und R20 bezeichnen die Widerstandswerte der Widerstände 7 und 20. Im Normalfall wird der Anschluß 19 an den Masseknoten 27 gelegt, da der externe Stromsensor­ widerstand 37 ebenfalls einseitig an den Masseknotenpunkt 27 angeschlossen ist. Bei schwimmenden Stromsensorwiderstand 37 kann aber in gleicher Weise auch ein schwimmender Betrieb er­ folgen. Zusätzlich können auf den Chip eine Zenerspannungs- Vorstabilisierungsschaltung, die bevorzugt im Block-Biasing enthalten ist, und je eine Spannungsklemmschaltung mit den Zenerdioden 8 und 9 mitintegriert werden. Die Klemmung der Ausgänge mittels der Zenerdioden 8 und 9 limitiert den maxi­ malen Ausgangsstrom am Ausgang 12 derart, daß selbst bei ho­ hen Eingangsspannungen keine Überhitzung des Bauelements auf­ treten kann.
Vorteilhaft ist bei einem erfindungsgemäßen Strom-Spannungs- Regler insbesondere bei Ausführungen in integrierter Schal­ tungstechnik, daß wenig externe Bauelemente benötigt werden und trotzdem ein Höchstmaß an Flexibilität gewährleistet wird. Darüber hinaus zeichnet sich der erfindungsgemäße Strom-Spannungs-Regler durch sehr geringe Toleranzen aus, so daß nachträgliche Abgleichmaßnahmen wie beispielsweise ein Laserabgleich der Ausgangsspannung entfallen kann.

Claims (7)

1. Strom-Spannungs-Regler mit einer Referenzspannungsquelle (4), die einen Ausgang auf­ weist, und
mit zwei Transkonduktanzverstärkern (2, 3), die jeweils zwei Eingänge und einem Stromausgang aufweisen, wobei die Stromausgänge der Transkonduktanzverstärker (2, 3) mit­ einander gekoppelt sind und einen Ausgang (12) des Strom- Spannungs-Reglers (1) bilden,
jeweils einer der Eingänge der Transkonduktanzverstärker (2, 3) mit dem Ausgang (5) der Referenzspannungsquelle (4) gekop­ pelt ist, und
die jeweils anderen Eingänge der Transkonduktanzverstärker mit jeweils einem Stromsensorsignal beziehungsweise einem Spannunngssensorsignal angesteuert werden.
2. Strom-Spannungs-Regler nach Anspruch 1, bei der die Kopplung der Stromausgänge der Transkonduktanz­ verstärker (2, 3) miteinander mittels zweier Transistoren (14, 15) erfolgt, deren Kollektoranschlüsse mit einem Versor­ gungspotential (6), deren Basisanschlüsse mit jeweils einem Stromausgang und deren Emitteranschlüsse mit dem Ausgang (12) des Strom-Spannungs-Reglers (1) verschaltet sind.
3. Strom-Spannungs-Regler nach Anspruch 2, bei der als Transistoren (14, 15) Darlingtontransistoren vor­ gesehen sind.
4. Strom-Spannungs-Regler nach einem der vorherigen Ansprü­ che, bei der den Stromausgängen der Transkonduktanzverstärker (2, 3) jeweils ein Kompensationsnetzwerk (21 bis 26) nachgeschal­ tet ist.
5. Strom-Spannungs-Regler nach einem der vorherigen Ansprü­ che, bei der den Stromausgängen der Transkonduktanzverstärker (2, 3) jeweils ein Spannungsbegrenzungselement (8, 9) nachge­ schaltet ist.
6. Strom-Spannungs-Regler nach Anspruch 5, bei der mindestens eines der Kompensationsnetzwerke (22 bis 26) einen Kondensator (25, 26) aufweist, der über einen Wi­ derstand (21, 22) dem Stromausgang des jeweiligen Transkon­ duktanzverstärkers (2, 3) nachgeschaltet ist.
7. Strom-Spannungs-Regler nach Anspruch 6, bei der einer Transkonduktanzverstärker (2, 3) mit seinem nichtinvertierenden Eingang mit einem Anschluß eines Strom­ sensorelements (37) verbunden ist und mit seinem invertieren­ den Eingang über einen ersten Widerstand (20) mit dem anderen Anschluß des Stromsensorelements (37) und über einen zweiten Widerstand (7) mit der Referenzspannungsquelle (4) gekoppelt ist.
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