DE19938716A1 - Schaltungsanordnung mit einem DC-DC-Wandler - Google Patents

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung mit einem DC-DC-Wandler zur Transformation einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung ist ein dem DC-DC-Wandler nachgeschalteter Meßwiderstand zur Messung eines Ausgangsstroms des DC-DC-Wandlers und eine Auswerteeinheit zur Auswertung des Ausgangsstromes vorgesehen. Die Stromzufuhr zum DC-DC-Wandler ist zur Vermeidung einer Überlast mit einer Leistungsbegrenzungseinheit nach Maßgabe des Ausgangsstromes derart regelbar, daß der Ausgangsstrom einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Als nachteilig erweist sich, daß die von DC-DC-Wandler abgegebene Leistung durch den Meßwiderstand reduziert wird und daß der Meßwiderstand aufgrund des durch ihn fließenden Ausgangstromes eine hohe Stromfestigkeit aufweisen muß. Die neue Schaltungsanordnung soll zuverlässig arbeiten und die vom DC-DC-Wandler abgegebene Leistung nicht reduzieren. DOLLAR A Die Auswerteeinheit der neuen Schaltungsanordnung ist durch die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers angesteuert und das Auftreten einer Überlast ist durch einen Vergleich der Ausgangsspannung mit einem Schwellwert detektierbar. DOLLAR A Ansteuerung von Zündmodulen von Brennkraftmaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem DC-DC-Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE 197 25 440 A1 bekannt. Die bekannte Schaltungsanordnung umfaßt einen DC-DC-Wandler, d. h. einen Gleich­ spannungs/Gleichspannungs-Wandler, der zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung vorgesehen ist, eine Auswerteschaltung mit einem Meßwi­ derstand zur Messung eines vom DC-DC-Wandler abgegebenen Ausgangsstroms sowie eine Leistungsbegrenzungseinheit mit einem Längsschalter zur Regelung der Stromzufuhr zum DC-DC-Wandler. Im Falle einer Überlast, beispielsweise eines Kurzschlusses, wird der Ausgangsstrom, sobald er einen vorgegebenen Referenz­ wert überschreitet, durch entsprechende Ansteuerung des Längsschalters geregelt, was einem weiteren Anstieg entgegenwirkt.

Als nachteilig erweist sich, daß die vom DC-DC-Wandler abgegebene Leistung durch den Meßwiderstand reduziert wird. Zudem muß der Meßwiderstand eine hohe Stromfestigkeit aufweisen, da der durch ihn fließende Strom bei Überlast hoch ist. Derartige Meßwiderstände sind teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die demgegenüber vorteilhafte Eigenschaften aufweist, insbesondere bei der auf einfa­ che Weise und mit geringen Kosten eine hohe Zuverlässigkeit ermöglicht wird und die die vom DC-DC-Wandler abgegebene Leistung nicht reduziert.

Die Aufgabe wird durch die Merkmaie des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit durch die Ausgangsspannung angesteuert und das Auftreten einer Überlast ist von der Auswerteeinheit durch einen Vergleich der Ausgangsspannung mit einem Schwellwert detektierbar.

Vorzugsweise weist die Auswerteeinheit ein aus der Eingangsspannung gespeistes RC-Glied auf, das zur Erzeugung einer den Schwellwert vorgebenden Referenzspan­ nung vorgesehen ist. Der zeitliche Verlauf der Referenzspannung entspricht dabei einer Ladekurve eines Kondensators des RC-Glieds, d. h. dem zeitlichen Verlauf einer an dem Kondensator anstehenden Kondensatorspannung.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerteeinheit ein Zeit­ glied auf, über das die Eingangsspannung dem RC-Glied zeitlich verzögert zugeführt ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Leistungsbegrenzungs­ einheit einen Längstransistor auf, über den die Eingangsspannung dem DC-DC- Wandler zuführbar ist und der derart angesteuert ist, daß bei Überlast ein Stromfluß zum DC-DC-Wandler verhindert oder durch Regelung eines durch den Längstransi­ stor fließenden Eingangsstromes begrenzt wird.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem als Aufwärtswandler ausgeführten DC-DC-Wandler ist die Ansteuerung von Zündmodulen von Brennkraftmaschinen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Spannungs-Strom-Diagramm für die Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung aus Fig. 1,

Fig. 3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm für verschiedene Spannungen der Schaltungsanordnung aus Fig. 1 bei zulässiger Belastung,

Fig. 4 ein Spannungs-Zeit-Diagramm für verschiedene Spannungen der Schaltungsanordnung aus Fig. 1 bei Überlast,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Referenzspannungseinheit zur Erzeu­ gung einer Referenzspannung für die Schaltungsanordnung aus Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen DC-DC- Wandler 1, eine dem DC-DC-Wandler nachgeschaltete Auswerteeinheit 2 und eine durch die Auswerteeinheit angesteuerte Leistungsbegrenzungseinheit 3, über die eine Gleichspannung - die Eingangsspannung UI - dem DC-DC-Wandler 1 zugeführt wird. Der DC-DC-Wandler 1 ist als Aufwärtswandler, d. h. als Hochsetzsteller, aus­ geführt. Er weist eine Speicherdrossel L1, einen beispielsweise als NMOS-Transistor ausgeführten Leistungsschalter T1, eine Diode D1, einen Glättungskondensator C1 und eine Steuereinheit 10 auf. Die Speicherdrossel L1 ist mit einem Anschluß über die Leistungsbegrenzungseinheit 3 mit einem Eingangsanschluß Vi+ für die Ein­ gangsspannung UI und mit dem anderen Anschluß mit dem Anodenanschluß der Diode D1 sowie über den Leistungsschalter T1 mit einem Masseanschluß GND ver­ bunden und der Kathodenanschluß der Diode D1 ist mit einem Ausgangsanschluß Vo+ für die Ausgangsspannung UO verbunden sowie über die Steuereinheit 10 mit einem Steuereingang des Leistungsschalters T1 und über den Glättungskondensator C1 mit dem Masseanschluß GND verbunden.

Die Leistungsbegrenzungseinheit 3 weist im Strompfad zwischen dem Eingangsan­ schluß Vi+ und der Speicherdrossel L1 einen - beispielsweise als PMOS-Transistor ausgeführten - Längstransistor T3 auf. Sie weist ferner eine mit dem Steueran­ schluß des Längstransistors T3 verbundene Treiberstufe 30 zur Ansteuerung des Längstransistors T3 auf.

Die Auswerteeinheit 2 umfaßt einen Spannungsteiler R20, R21, zur Reduzierung der Ausgangsspannung UO auf eine Meßspannung Ux, eine Referenzspannungseinheit 4 zur Erzeugung einer Referenzspannung Uref sowie einen Komparator K2 mit einem ersten Eingang, an dem die Meßspannung Ux ansteht, mit einem zweiten Eingang, an dem die Referenzspannung Uref ansteht, und mit einem Ausgang, der mit einem Eingang der Treiberstufe 30 verbunden ist.

Die Referenzspannungseinheit 4 umfaßt ein Zeitglied 5, dem die Eingangsspannung UI zugeführt wird, und ein dem Zeitglied 5 nachgeschaltetes RC-Glied mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen R40, R41, über die das Zeitglied 5 mit dem zwei­ ten Eingang des Komparators K2 verbunden ist, sowie mit einem Kondensator C4, über den der Verbindungspunkt der beiden Widerstände R40, R50 mit dem Masse­ anschluß GND verbunden ist.

Der Leistungsschalter T1 des DC-DC-Wandlers 1 wird während des Wandlerbetriebs durch ein von der Steuereinheit 10 erzeugtes oszillierendes Steuersignal Ut peri­ odisch ein- und ausgeschaltet. Dabei fließt bei geschlossenem Leistungsschalter T1 ein Eingangsstrom IE vom Eingangsanschluß Vi+ über den Längstransistor T3 der Leistungsbegrenzungseinheit 3 zur Speicherdrossel L1 und über die Speicherdrossel L1 und den Leistungsschalter T1 zum Masseanschluß GND. Hierbei wird Energie in der Speicherdrossel L1 gespeichert. Diese gespeicherte Energie wird bei offenem Leistungsschalter T1 zusätzlich am Ausgangsanschluß Vo+ abgegeben, so daß die Ausgangsspannung UO größer ist als die Eingangsspannung UI.

Gemäß Fig. 2 ist die Ausgangsspannung UO von der Belastung, d. h. von dem Aus­ gangsstrom IO des DC-DC-Wandlers 1, abhängig. Die Ausgangsspannung UO ist des weiteren auch von dem Tastverhältnis δ des Steuersignals Ut abhängig, welches das Verhältnis Einschaltzeit des Leistungsschalters T1 zu Einschaltperiode des Lei­ stungsschalters T1 darstellt und welches durch die Steuereinheit 10 derart variiert wird, daß die Ausgangsspannung UO auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird.

Das Tastverhältnis δ kann jedoch nur bis zu einem Maximalwert δmax variiert wer­ den. Diesem Maximalwert δmax entspricht ein Grenzwert I1 des Ausgangsstromes IO, ab dem die Ausgangsspannung UO mit zunehmender Belastung kleiner wird, da die Schaltungsanordnung bei einem den Grenzwert I1 überschreitenden Ausgangs­ strom IO nicht mehr in der Lage ist, die Ausgangsspannung UO auf den geforderten Sollwert zu regeln.

Eine Überlast tritt dann auf, wenn der Ausgangsstrom IO einen oberhalb des Grenz­ wertes I1 liegenden maximal zulässigen Wert IS überschreitet, oder wenn die Aus­ gangsspannung UO einen Schwellwert US unterschreitet, der dem maximal zulässi­ gen Wert IS des Ausgangsstromes IO entspricht.

Das Auftreten der Überlast wird mit dem Komparator K2 der Auswerteeinheit 2 durch einen Vergleich der zur Ausgangsspannung UO proportionalen Meßspannung Ux mit der von der Referenzspannungseinheit 4 erzeugten Referenzspannung Uref detektiert. Bei einem unterhalb der Referenzspannung Uref liegenden Wert der Meßspannung Ux wird die Leistungsbegrenzungseinheit 3 durch den Komparator K2 in einen aktiven Zustand geschaltet, in dem der Längstransistor T3 der Leistungsbe­ grenzungseinheit 3 über die Treiberstufe 30 derart angesteuert wird, daß die Strom­ zufuhr zum DC-DC-Wandler 1 durch den Längstransistor T3 begrenzt oder unterbro­ chen wird. Hierdurch wird einem weiteren Anstieg des Ausgangsstromes IO entge­ gengewirkt. Die Leistungsbegrenzungseinheit 3 verbleibt dabei solange im aktiven Zustand, bis die Eingangsspannung UI abgeschaltet wird.

Beim erneuten Einschalten der Eingangsspannung UI steigt die Ausgangsspannung UO, sofern keine Überlast auftritt, gemäß Fig. 3 mit einer bestimmten Zeitkonstan­ ten auf den Sollwert Ue an. Mit dem Zeitglied 5 und dem RC-Glied R40, C4, R41 der Referenzspannungseinheit 5 wird eine Aktivierung der Leistungsbegrenzungseinheit 3 während des Einregelns der Ausgangsspannung UO verhindert. Das Zeitglied 5 bewirkt nämlich, daß die Eingangsspannung UI dem RC-Glied R40, C4, R41 zeitlich verzögert zugeführt wird, d. h. der Kondensator C4 wird erst nach Ablauf einer durch das Zeitglied 5 vorgegebenen Verzögerungszeit τ nach dem Einschalten der Ein­ gangsspannung UI aufgeladen. Die Ladekurve des Kondensators C4, d. h. der zeitli­ che Verlauf der am Kondensator C4 anstehenden Spannung, entspricht dabei dem zeitlichen Verlauf der von der Referenzspannungseinheit 4 bereitgestellten Refe­ renzspannung Uref.

Tritt beim erneuten Einschalten der Eingangsspannung UI hingegen eine Überlast auf, so steigt die Ausgangsspannung UO gemäß Fig. 4 während des Einregelns der Ausgangsspannung UO zwar an, sie erreicht aber ihren Sollwert Ue nicht. Gleiches gilt auch für die Meßspannung Ux, so daß die Kurven der Meßspannung Ux und der Referenzspannung Uref sich zum Zeitpunkt t1 in einem Punkt A schneiden. Der Punkt A wird mit dem Komparator K2 detektiert; er entspricht dem Schwellwert US, ab dem die Leistungsbegrenzungseinheit 3 aktiviert wird. Wird die Stromzuführung zum DC-DC-Wandler während der Leistungsbegrenzung mit dem Längstransistor T3 unterbrochen, dann wird der Glättungskondensator C1 des DC-DC-Wandlers 1 ab dem Zeitpunkt t1 entladen und die Ausgangsspannung UO sowie die Meßspannung Ux fallen somit, wie in Fig. 4 gezeigt, auf den Wert Null ab.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Referenzspannungseinheit 4. In diesem Ausführungsbeispiel entsprechen die Widerstände R40a, R40b, R40c dem Wider­ stand R40 aus Fig. 1. Die Widerstände R40a und R40b bilden dabei einen dem Zeitglied 5 nachgeschalteten Spannungsteiler und der Kondensator C4 ist über den Widerstand R40c mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R40a und R40b sowie über den Widerstand R41 mit dem zweiten Eingang des Komparators K2 verbunden. Dem Widerstand R40c ist ferner eine Entladediode D4 parallel geschaltet. Über die­ se Entladediode D4 und über den Widerstand R40b wird der Kondensator C4 bei abgeschalteter Eingangsspannung UI innerhalb kürzester Zeit entladen. Das Zeit­ glied 5 weist einen als Transistor ausgeführten Längsschalter T5 auf, über den der Eingangsanschluß Vi+ mit dem Widerstand R40a verbunden ist. Ferner weist das Zeitglied 5 eine Reihenschaltung mit einem Widerstand R50 und einem Kondensator C50 sowie Ansteuermittel 50 zur Ansteuerung des Längsschalters T5 auf. Beim Ein­ schalten der Eingangsspannung UI wird der Kondensator C50 über den Widerstand R50 aufgeladen und der Längsschalter T5 wird, sobald die am Kondensator C50 anliegende Spannung einen bestimmten Wert erreicht hat, d. h. nach der Verzöge­ rungszeit τ, über die Ansteuermittel 50 in einen leitenden Zustand geschaltet. Ein als Transistor ausgeführter Entladeschalter T51, der über einen Spannungsteiler R51, R52 durch die Eingangsspannung UI ansteuerbar ist, wird bei abgeschalteter Eingangsspannung UI in einen leitenden Zustand geschaltet und ermöglicht somit ein schnelles Entladen des Kondensators C50 bei abgeschalteter Eingangsspannung UI.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung mit einem DC-DC-Wandler (1) zur Transformation einer Eingangsspannung (UI) in eine Ausgangsspannung (UO), mit einer Auswerteeinheit (2) zur Detektion einer Überlast und mit einer durch die Auswerteeinheit (2) ange­ steuerten Leistungsbegrenzungseinheit (3) zur Begrenzung der Leistungsaufnahme des DC-DC-Wandler (1) bei Überlast, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte­ einheit (2) durch die Ausgangsspannung (UO) angesteuert ist und daß die Überlast von der Auswerteeinheit (2) durch einen Vergleich der Ausgangsspannung (UO) mit einem Schwellwert detektierbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ werteeinheit (2) ein RC-Glied (R40, R41, C4) zur Erzeugung einer den Schwellwert vorgebenden Referenzspannung (Uref) aufweist, wobei dem RC-Glied (R40, R41, C4) die Eingangsspannung (UI) zuführbar ist und die Referenzspannung (Uref) einer Spannung entspricht, die an einem Kondensator (C4) des RC-Glieds (R40, R41, C4) ansteht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ werteeinheit (2) ein Zeitglied (5) aufweist, über das die Eingangsspannung (UI) dem RC-Glied (R40, R41, C4) zeitlich verzögert zugeführt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (2) einen Komparator (K2) mit einem über einen Spannungsteiler (R20, R21) durch die Ausgangsspannung (UI) angesteuerten ersten Eingang, mit einem durch die Referenzspannung (Uref) angesteuerten zweiten Eingang und mit einem die Leistungsbegrenzungseinheit (3) ansteuernden Ausgang aufweist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leistungsbegrenzungseinheit (3) einen Längstransistor (T3) auf­ weist, über den die Eingangsspannung (UI) dem DC-DC-Wandler (1) zuführbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Längstransistor (T3) der Leistungsbegrenzungseinheit (3) bei Überlast gesperrt ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch den Längstransistor (T3) der Leistungsbegrenzungseinheit (3) fließender Eingangs­ strom (IE) bei Überlast auf einen vorgegebenen Wert geregelt ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der DC-DC-Wandler (1) als Aufwärtswandler ausgebildet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 zur Verwendung für die Ansteuerung von Zündmodulen von Brennkraftmaschinen.