DE19805545B4

DE19805545B4 - Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers

Info

Publication number: DE19805545B4
Application number: DE19805545A
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl.-Ing. Wannenmacher
Original assignee: Palm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1998-02-11
Filing date: 1998-02-11
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2018-02-12
Also published as: DE19805545A1

Abstract

Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers (V), die folgende Elemente enthält:
– eine eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle verbundene Induktivität (L), die ausgangsseitig mit dem Eingang eines ersten Schaltungsteilelementes verbunden ist,
– ein erstes ausgangsseitig mit dem Eingang eines zweiten Schaltungsteilelementes verbundenes Schaltungsteilelement, das eine Reihenschaltung einer Diode (D) und einer ersten Kapazität (CL) und ein parallel zu dieser Reihenschaltung geschaltetes erstes Schalterelement (S1) enthält, wobei die Diode (D) so zwischen Induktivität (L) und erster Kapazität (CL) geschaltet ist, dass sie in Richtung der Entladung der Gleichspannungsquelle durchlässig ist, und
– ein zweites Schaltungsteilelement, das eine zweite Kapazität (CH) und ein parallel dazu geschaltetes zweites Schalterelement (S2) enthält, wobei
das erste Schalterelement (S1) so gesteuert wird, dass die Spannung, die an einem Abgriffspunkt (AP), der zwischen der Diode (D) und der ersten Kapazität (CL) liegt, abgreifbar ist und im Wesentlichen der dem Verbraucher (V) zuzuführenden Spannung...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers insbesondere eines Verstärkers in einem Funkgerät, das in Zeitschlitzen überträgt.
Pulsförmig betriebene Verbraucher stellen im allgemeinen hohe Anforderungen an die Spannungsversorgung. Ein typisches Beispiel für einen solchen pulsförmig betriebenen Verbraucher ist die Hochfrequenzendstufe eines GSM-(Global System for Mobile Communication)Mobilfunkendgerätes. Die Hochfrequenzendstufe wird nur in einem Achtel der Zeit eingeschaltet, hat in diesem Achtel der Zeit aber einen erheblichen Leistungsbedarf. Dies führt im allgemeinen zu einem Einbruch in der Versorgungsspannung, der eventuell sogar die Funktion des Mobilfunkendgerätes beeinträchtigen kann.
Das bekannte Grundprinzip einer Spannungsversorgung für pulsförmig betriebene Verbraucher ist in 6 dargestellt. Die Spannungsversorgungsschaltung von 6 enthält im wesentlichen eine Gleichspannungsquelle oder Batterie, die eine Ausgangsspannung VB liefert, und einen parallel zu der Gleichspannungsquelle geschalteten Ladekondensator CL. Der Ladekondensator CL wird im ausgeschalteten Zustand des Verbrauchers V von der Batterie in dem hier gezeigten Beispiel über einen Schaltregler SR aufgeladen, der die Spannung der Gleichspannungsquelle auf eine für den Verbraucher V geeignete Versorgungsspannung z. B. von 3 Volt auf 6 Volt hochregelt, so daß an dem Verbraucher V eine höhere Versorgungsspannung anliegt. Als Beispiel für einen Verbraucher V ist in 6 ein gepulster Leistungsverstärker als Hochfrequenzendstufe eines Mobilfunkendgerätes dargestellt, wobei die Spannungsversorgungsschaltung natürlich für beliebig andere gepulste Verbraucher verwendet werden kann. Der Ladekondensator CL dient als Puffer für die von der Gleichspannungsquelle bzw. dem Schaltregler SR gelieferte Versorgungsspannung und entlädt sich bei eingeschaltetem Verbraucher V eben über diesen Verbraucher V.
Eine gängige Methode zur Vermeidung eines Spannungseinbruchs ist die Verwendung eines Ladekondensators CL mit einer hohen Kapazität der diesen Einbruch der Versorgungsspannung abpuffert. Ein Nachteil dieser Methode ist der je nach angeschlossener Labt bzw. angeschlossenem Verbraucher V erhebliche Platzbedarf für den großen Ladekondensator CL. So zieht beispielsweise eine übliche Mobilfunk-Hochfrequenzendstufe V während des 577 μs langen Sendepulses bei einer Versorgungsspannung von 6 Volt einen Strom von 1,2 Ampere. Soll in diesem Fall höchstens ein Spannungseinbruch von 200 mV zulässig sein so wäre nach dem üblichen Konzept ein Ladekondensator mit einer Kapazität von 3460 μF erforderlich. Selbst unter der Annahme daß der Schaltregler SR während des Sendepulses der Mobilfunk-Hochfrequenzendstufe V die Hälfte der erforderlichen Endstufenleistung liefert, ergibt es immer noch einen hohen Kapazitätswert von 1730 μF.
Einen entsprechenden Ansatz offenbart die WO 97/31423 A1 . Sie beschreibt, wie mittels einer Schaltungsanordnung, umfassend einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler, die ein gepulstes Gerät, beispielsweise ein Kommunikationsgerät, mit Energie versorgt, die Leistungsabgabe einer Energiequelle in aufeinander folgenden Pulsen gesteigert werden kann. Zu diesem Zweck umfasst die Schaltungsanordnung eine Kapazität und einen Stromflusserkennungsschaltkreis, der aufeinander folgende Pulse erkennt und entsprechende Signal an den Aufwärtswandler und den Abwärtswandler übermittelt. Der Aufwärtswandler läd die Kapazität jeweils zwischen aufeinander folgenden Pulsen mit der von der Energiequelle gelieferten Ladung auf. Sobald ein Puls einsetzt, entläd der Abwärtswandler den Kondensator über das gepulste Gerät derart, dass ein Spannungsabfall in der Versorgungsspannung von der Energiequelle aufgrund des einsetzenden Betriebs des gepulsten Geräts ausgeglichen wird.
Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Vermeidung des oben erläuterten Spannungseinbruches besteht in der Verwendung einer sehr stark ausgelegten Spannungsquelle. Diese Maßnahme erhöht allerdings sowohl den Raumbedarf als auch die Kosten einer solchen Versorgungsschaltung und führt außerdem zu einer starken Impulsbelastung der Batterie, was in der Regel ebenfalls unerwünscht ist.
7 zeigt ein weiteres Beispiel einer gängigen Methode zur Vermeidung des Spannungseinbruchs. Die Versorgungsspannung wird in diesem Fall durch einen sogenannten Längsregler LR oder linearen Regler geglättet, der zwischen dem Verbraucher V und dem Ladekondensator CL geschaltet ist. Der Längsregler LR regelt die von dem Schaltregler SR hochgeregelte
Versorgungsspannung auf eine niedrigere Ausgangsspannung der Schaltung herunter, die von dem Längsregler LR auch bei eingeschaltetem Verbraucher V gehalten werden kann, d. h. nicht einbricht. Die Ausgangsspannung liegt somit im allgemeinen unterhalb des Pegels der Einbrüche der Versorgungsspannung. Diese Maßnahme ist für große Lasten V ungünstig, da der Längsregler LR den Wirkungsgrad der Versorgungsschaltung stark mindert.
Abgesehen davon, beschreibt die deutsche Patentanmeldung DE 196 33 664 A1 eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer von einem Energiespeicher gelieferten Spannung in mindestens eine zur Spannungsversorgung von Schaltungen eines elektrischen Geräts dienenden, annähernd konstanten und vorgebbaren Versorgungsspannung. Damit soll eine hohe Flexibilität in Bezug auf die Verwendbarkeit verschiedener Energiespeicher mit unterschiedlichen Entladeverhalten sicher gestellt werden. Die gezeigte Schaltungsanordnung ist in einem ersten Schaltzustand als Aufwärts-Wandler betreibbar, in dem zwei in Reihe geschaltete Kapazitäten zur Umwandlung der Spannung dienen, und in einem zweiten Schalt-Zustand als Abwärts-Wandler betreibbar, in dem lediglich eine der Kapazitäten zur Umwandlung der Spannung verwendet wird. Ein Wechsel zwischen den Schaltzuständen wird in Abhängigkeit eines Vergleichs einer gemessenen, vom Energiespeicher gelieferten Spannung mit einer Schwellenspannung ausgelöst.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers anzugeben, mit der auf einfache, kostengünstige und raumsparende Art ein pulsförmig betriebener Verbraucher zuverlässig mit der geeigneten Spannung versorgt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers mit Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, daß bei eingeschaltetem Verbraucher ein Spannungseinbruch dadurch verhindert wird, daß ein Schalterelement derart geregelt wird, daß die über einem Ladekondensator und einem Hilfskondensator abfallende Spannung der Betriebsspannung des pulsförmig betriebenen Verbrauchers entspricht, wohingegen bei ausgeschaltetem Verbraucher der Ladekondensator aufgeladen wird.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Glättung der von der Schaltungsanordnung ausgegebenen Spannung parallel zum Verbraucher eine Kapazität geschaltet.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz in Funkgeräten wie Mobilfunkendgeräten, die Daten in einem Zeitschlitzverfahren übertragen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
Zur Erläuterung der Ausführungsformen dienen die nachstehend aufgelisteten Figuren.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
2 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den Fall eines ausgeschalteten Verbrauchers
3 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den Fall eines eingeschalteten Verbrauchers
4 den zeitlichen Verlauf verschiedener Stromstärken innerhalb der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit vom Taktsignal der Schaltregelsteuerung
5 den zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung in Abhängigkeit vom Takt des pulsförmig betriebenen Verbrauchers
6 bekanntes Grundprinzip einer Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers (Stand der Technik)
7 ein weiteres bekanntes Grundprinzip zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers (Stand der Technik)
1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines gepulsten Verbrauchers V, die folgende Elemente enthält:

• Eine eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle verbindbare Induktivität L die ausgangsseitig mit dem Eingang eines ersten Schaltungsteilelementes verbindbar ist,
• ein erstes ausgangsseitig mit dem Eingang eines zweiten Schaltungsteilelementes verbindbares Schaltungsteilelement, das eine Reihenschaltung einer Diode D und einer ersten Kapazität CL und ein parallel zu dieser Reihenschaltung geschaltetes erstes Schaltungselement S1 enthält, wobei die Diode D so zwischen Induktivität L und erster Kapazität CL geschaltet ist, daß sie in Richtung der Entladung der Gleichspannungsquelle durchlässig ist, und
• ein zweites Schaltungsteilelement das eine zweite Kapazität CH und ein parallel dazu geschaltetes zweites Schalterelement S2 enthält, wobei das erste Schalterelement S1 so gesteuert wird, daß die Spannung, die an einem Abgriffspunkt AP, der zwischen der Diode D und der ersten Kapazität CL liegt, abgreifbar ist im wesentlichen der dem Verbraucher V zuzuführenden Spannung entspricht, und das zweite Schalterelement S2 so gesteuert ist, daß es bei ausgeschaltetem Verbraucher V geschlossen ist und bei eingeschaltetem Verbraucher V geöffnet ist.

Parallel zu dem Verbraucher V kann noch eine dritte Kapazität CG geschaltet werden, die zur Glättung der dem Verbraucher zuzuführenden Spannung dient.
Ein pulsförmig betriebener Verbraucher V, beispielsweise eine Sendeendstufe eines Mobilfunkendgerätes, das in Zeitschlitzen sendet, ist dabei ein Verbraucher, der in bestimmten Zeiträumen eingeschaltet und in anderen Zeiträumen ausgeschaltet oder in bestimmten Zeiträumen aktiv und in den anderen Zeiträumen passiv ist oder in bestimmten Zeiträumen mehr Leistung und in den anderen Zeiträumen weniger Leistung benötigt. Diese unterschiedlichen Zeiträume können auch in der Form eines Verbrauchertaktes VT beschrieben werden. Dieser Verbrauchertakt VT kann über eine Steuerleitung einem zweiten Schalterelemlent S2 zugeführt werden. In Abhängigkeit von diesem Verbrauchertakt VT wird dieses durch einen Schalter realisierte Schalterelement S2 derart gesteuert, daß es bei ausgeschaltetem Verbraucher V geschlossen ist und bei eingeschaltetem Verbraucher V geöffnet ist.
Für den Fall, daß der Verbraucher V ausgeschaltet ist, also das Schalterelement S2 geschlossen ist, zeigt 2 ein entsprechendes Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Durch abwechselndes Öffnen und Schließen des Schalterelementes S1 kann der Ladekondensator CL durch eine Gleichspannungsquelle mit der Ausgangsspannung VB auf eine höhere Spannung VL aufgeladen werden. Diese Spannung VL wird am Abgriffspunkt AP erstens vom Verbraucher V abgegriffen und zweitens über eine Spannungsrückkopplungsleitung zu einer Steuereinrichtung SC übermittelt. Bei ausgeschaltetem Verbraucher V funktioniert die Schaltung also als Aufwärtswandler.
Die Steuereinrichtung SC gibt Steuersignale zum Öffnen und Schließen des ersten Schalterelementes S1 in Abhängigkeit von der ihr über die Spannungsrückkopplungsleitung zugeführten Spannung VL aus, so daß die Spannung VL einer Betriebsspannung VA des Verbrauchers, also einer dem Verbraucher zuzuführenden Spannung entspricht.
Dabei sind unterschiedliche Realisierungsvarianten der Steuereinrichtung SC möglich. So kann der dem ersten Schalterelement S1 zugeführte Schalttakt ST ein- und ausgeschaltet werden oder gegebenenfalls auch in der Frequenz variiert werden und/oder das Tastverhältnis variiert werden. Bei der Steuereinrichtung SC kann es sich beispielsweise um einen Schaltreglercontroler handeln.
3 zeigt nun ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für den Fall, daß der Verbraucher angeschaltet ist, d. h. das Schalterelement S2 geöffnet ist.
Wie in 5 gezeigt, fällt dabei allmählich die Spannung VL des Ladekondensators CL ab. Allerdings wird nun der Hilfskondensator CH entsprechend dem Abfall der Spannung VL über das erste Schalterelement S1 so aufgeladen, daß die über dem Hilfskondensator CH anliegende Spannung VH den Spannungsabfall über dem Ladekondensator CL stets kompensiert. Zu diesem Zweck wird wieder das Schalterelement S1 über die Steuereinrichtung SC so geregelt, daß die über den Ladekondensator CL und den Hilfskondensator CH abfallende Gesamtspannung VL + VH der dem Verbraucher zuzuführenden Betriebsspannung VA entspricht. Der Hilfskondensator CH besitzt vorteilhafterweise eine relativ kleine Kapazität.
4 zeigt die entsprechenden Stromflüsse der Schaltungsanordnung von 3 in Abhängigkeit des Schalttaktes ST. Dabei entspricht der Ausgangsstrom (Vebraucherstrom) IA dem Spulenstrom (Batteriestrom) IL, I1 dem Strom durch die Diode D und I2 den Ladestrom für den Hilfskondensator CH. Die Eingangsleistung ist geringer als die Verbraucherleistung, die Leistungsdifferenz wird durch die Entladung des Ladekondensators CL gedeckt.
Die Steuerung des Schalterelementes S1 bewirkt, daß die Spannung VH über dem Hilfskondendsator CH so nachgeführt wird, daß die Versorgungsspannung VA für den Verbraucher konstant bleibt. So kann erreicht werden, daß trotz der allmählichen Entladung des Ladekondensators CL die Versorgungsspannung VA = VL + VH während der Einschaltdauer des Verbrauchers gleich bleibt. Damit kann der Ladekondensator CL durch seine Entladung einen wesentlichen Energiebeitrag für den Verbraucher liefern, ohne daß sehr hohe Kapazitätswerte notwendig wären.
Die Schaltungsanordnung kann dabei ganz oder teilweise innerhalb eines Halbleiterbauelementes realisiert werden. Teile der Schaltungsanordnung können dabei durch einen Schaltregler gebildet sein. Die Kapazitäten können durch Kondensatoren, die Induktivität durch eine Spule und die Schalterelemente durch Transistoren gebildet sein.

Claims

Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines pulsförmig betriebenen Verbrauchers (V), die folgende Elemente enthält: – eine eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle verbundene Induktivität (L), die ausgangsseitig mit dem Eingang eines ersten Schaltungsteilelementes verbunden ist, – ein erstes ausgangsseitig mit dem Eingang eines zweiten Schaltungsteilelementes verbundenes Schaltungsteilelement, das eine Reihenschaltung einer Diode (D) und einer ersten Kapazität (CL) und ein parallel zu dieser Reihenschaltung geschaltetes erstes Schalterelement (S1) enthält, wobei die Diode (D) so zwischen Induktivität (L) und erster Kapazität (CL) geschaltet ist, dass sie in Richtung der Entladung der Gleichspannungsquelle durchlässig ist, und – ein zweites Schaltungsteilelement, das eine zweite Kapazität (CH) und ein parallel dazu geschaltetes zweites Schalterelement (S2) enthält, wobei das erste Schalterelement (S1) so gesteuert wird, dass die Spannung, die an einem Abgriffspunkt (AP), der zwischen der Diode (D) und der ersten Kapazität (CL) liegt, abgreifbar ist und im Wesentlichen der dem Verbraucher (V) zuzuführenden Spannung entspricht, und das zweite Schalterelement (S2) so gesteuert ist, dass es bei ausgeschaltetem Verbraucher (V) geschlossen ist und bei eingeschaltetem Verbraucher (V) geöffnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der dem zweiten Schalterelement (S2) der Verbrauchertakt (VT) zugeführt wird.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zur Glättung der Spannung parallel zum Verbraucher (V) eine dritte Kapazität (CG) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerung des ersten Schalterelementes (S1) durch eine Steuereinrichtung (SC) erfolgt, an deren Eingang eine im Wesentlichen der dem Verbraucher (V) zuzuführenden Spannung entsprechende Spannung anliegt, und an deren Ausgang in Abhängigkeit von dieser Spannung Steuersignale zum Öffnen und Schließen des ersten Schalterelementes (S1) ausgegeben werden.
Funkgerät mit einem pulsförmig betriebenem Verstärker (V), dem mittels einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 die Energie einer Gleichspannungsquelle zugeführt wird.