DE19940419A1 - Verfahren zum Betreiben von Aufwärts-Gleichspannungswandlern und Aufwärts-Gleichspannungswandler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben von Aufwärts-Gleichspannungswandlern mit einer Speicherdrosselspule, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen ersten steuerbaren Schalter mit Masse und über einen zweiten steuerbaren Schalter mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist; einem Oszillator, der ein erstes Taktsignal, das die Schaltperiode des Wandlers bestimmt, und ein zweites Taktsignal, dessen Periode der des ersten Taktsignals entspricht, abgibt; und einer Regelschaltung, die die Spannung am Ausgang des Wandlers auf einen Sollwert regelt. Bei den Verfahren wird am Ende der Schaltperiode während einer durch das zweite Taktsignal vorgegebenen und im Vergleich zur Länge der Schaltperiode kurzen konstanten Zeitdauer der zweite Schalter durchgeschaltet, während der erste Schalter gesperrt ist, so daß sich kurzzeitig ein Energiefluß vom Ausgang des Wandlers zum Eingang des Wandlers ergibt. Dadurch läßt sich der Wandler unabhängig von der Last immer mit einer konstanten Frequenz betreiben, und es wird eine einfache Rauschfilterung der Ausgangsspannung möglich, was insbesondere bei Telekommunikationsanwendungen Vorteile bietet. Die Erfindung betrifft ferner Aufwärts-Gleichspannungswandler zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben von Aufwärts- Gleichspannungswandlern, die eine Speicherdrosselspule umfassen, die durch Schalter so geschaltet wird, daß eine Eingangsgleichspannung in eine potentialmäßig höhere stabilisierte Ausgangsgleichspannung gewandelt wird. Ferner betrifft die Erfindung Aufwärts-Gleichspannungswandler, bei denen derartige Verfahren zur Ausführung kommen.

Es ist ein Aufwärts-Gleichspannungwandler bekannt, dessen Grundschaltung aus einer Speicherdrosselspule besteht, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen steuerbaren Schalter mit Masse verbindbar ist und mit der Anode einer Diode verbunden ist, deren Kathode mit dem Ausgang des Wandlers verbunden ist. Die Schaltung weist darüber hinaus einen zwischen den Ausgang des Wandlers und Masse geschalteten Ausgangskondensator auf. Eine solche Grundschaltung eines Aufwärts- Gleichspannungswandlers ist z. B. in dem Lehrbuch "Halbleiterschaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 11. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1999, auf den Seiten 985-986 beschrieben.

Ein solcher Wandler benötigt darüber hinaus einen Taktoszillator, dessen Taktsignal die Schaltperiode des Wandlers vorgibt und eine Regelschaltung, die die Ausgangsspannung des Wandlers auf einen vorgegebenen Sollwert regelt. Ferner ist eine Steuerschaltung, z. B. eine Logikschaltung, vorzusehen, die den Schalter mit Hilfe des Taktsignals des Taktoszillators und des Ausgangssignals der Regelschaltung steuert.

Gemäß einem bekannten Verfahren, das z. B. in der US 5 481 178 beschrieben ist, kann der oben erwähnte bekannte Aufwärts- Gleichspannungswandler folgendermaßen betrieben werden:

Zu Beginn einer jeden Schaltperiode wird der Schalter durchgeschaltet, so daß Energie in der Speicherdrosselspule gespeichert wird. Dabei steigt der durch die Speicherdrosselspule fließende Strom linear an. Die Regelschaltung überwacht dabei diesen Strom und sperrt den Schalter, wenn ein bestimmter von der gegenwärtigen Belastungssituation des Wandlers abhängiger Stromschwellenwert erreicht ist, woraufhin dann in einer zweiten Phase der Schaltperiode die in der Drosselspeicherspule gespeicherte Energie an den Ausgang des Wandlers abgegeben wird. Der in dieser Phase von seinem am Ende der ersten Schaltphase erreichten Spitzenwert aus linear abfallende Drosselspulenstrom fließt dabei durch die Diode in den Ausgangskondensator und einen am Ausgang des Wandlers liegenden Verbraucher. Dabei wirkt die Speicherdrosselspule mit der Eingangsspannung wie eine Reihenschaltung zweier Spannungsquellen, weshalb sich die Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung um die Speicherdrosselspannung erhöht.

Der Stromschwellenwert wird durch einen Fehlerverstärker bestimmt, der einen zur Differenz zwischen einer vorherbestimmten Referenzspannung und einer zur Istausgangsspannung des Wandlers proportionalen Spannung proportionalen Wert ausgibt, der an einem Komparator mit einem zum Strom durch die Speicherdrosselspule proportionalen Spannungswert verglichen wird. Das Ausgangssignal des Komparators steuert die Einschaltdauer des Schalters.

Die Regelschaltung bewirkt insgesamt gesehen eine Pulsdauermodulation der Einschaltdauer des Schalters, um die gewünschte Sollausgangsspannung des Wandlers zu erzielen.

Zu Beginn der nächsten durch das Taktsignal des Oszillators vorgegebenen Schaltperiode wird dann der Schalter wieder durchgeschaltet und das Verfahren beginnt von neuem.

Bei dem bekannten Verfahren wird der Aufwärts- Gleichspannungswandler darüber hinaus in Abhängigkeit vom Ausgangslaststrom in drei verschiedenen Modi betrieben:

Wenn der Laststrom groß ist, wird der Wandler in einem ersten Modus, dem Modus kontinuierlichen Speicherdrosselstromflusses, betrieben, in dem permanent Strom durch die Speicherdrossel fließt (siehe hierzu die Fig. 1a). Hierbei wird der Schalter periodisch ein- und ausgeschaltet, wobei in der zweiten Phase der Schaltperiode, in der der Schalter gesperrt ist, der Speicherdrosselstrom nie bis auf null herabsinkt. Die Ausgangsspannungswelligkeit von Spitze zu Spitze ist in diesem Modus sehr klein.

Mit abnehmendem Laststrom muß sich zwangsläufig auch der durch die Speicherdrosselspule fließende durchschnittliche Strom verringern. Irgendwann ist dann der durchschnittliche Speicherdrosselspulenstrom so klein, daß er in der zweiten Phase der Schaltperiode und vor dem Ende der Schaltperiode auf null absinkt (siehe hierzu auch die Fig. 1b). Dieses ist der zweite Modus, der Modus unterbrochenen Speicherdrosselstromflusses. Die Diode verhindert in diesem Modus nach Absinken des Speicherdrosselspulenstromes auf null einen rückwärtsgerichteten Strom.

Falls die Diode durch einen zweiten Schalter ersetzt ist, was bei bestimmten Anwendungen günstig sein kann, z. B. um die durch die Diode auftretenden Energieverluste zu verringern, muß er nach Absinken des Speicherdrosselspulenstroms auf null gesperrt werden, wobei er dann in der nächsten Schaltperiode nach Sperren des ersten Schalters wieder durchzuschalten wäre.

In den beiden beschriebenen Modi läßt sich ein relativ hoher Wirkungsgrad des bekannten Aufwärts-Gleichspannungswandlers erzielen. Da der Wandler in diesen beiden Modi mit einer festgelegten bekannten Schaltfrequenz betrieben wird, ist auch die in der Spannungswelligkeit auftretende Frequenz bekannt, was das Herausfiltern des am Ausgang auftretenden Rauschens zu einer relativ einfachen Aufgabe macht. Die Welligkeit der Ausgangsspannung weist in diesen Modi keine niederfrequenten Anteile auf, eine wichtige Voraussetzung bei der Verwendung derartiger Wandler in Geräten für die Telekommunikation, z. B. in Mobilfunktelefonen.

Damit die Regelung im Modus unterbrochenen Speicherdrosselstromflusses funktioniert, muß der steuerbare Schalter mindestens während einer bestimmten minimalen Zeitdauer eingeschaltet sein, die so lang ist, daß die Komparatoren der Regelschaltung und die Logikschaltung der Steuerschaltung genügend Zeit haben, um sich auf bestimmte Niveaus einzuschwingen. Wenn nun der Laststrombedarf im Modus unterbrochenen Speicherdrosselstromflusses sehr gering ist, kann es sein, daß die minimale Einschaltdauer des Schalters, die zum Einschwingen erforderlich ist, zu groß ist. Dann wird in der ersten Schaltphase der Schaltperiode, während der der steuerbare Schalter durchgeschaltet ist, mehr Energie in der Spule gespeichert, als es zur Erzielung des gerade benötigten Laststroms erforderlich wäre. Hier wäre der Wandler nicht mehr in der Lage, die Ausgangsspannung zu regeln. Die Ausgangsspannung würde dann über ihren vorgeschriebenen Sollwert hinauslaufen.

Um dieses Problem zu umgehen und um auch bei sehr kleinen bzw. nicht vorhandenen Lastströmen einen guten Wirkungsgrad des Wandlers zu erzielen, wird der aus der US 5 481 178 bekannte Wandler in einem dritten Modus, einem sogenannten Skip-Modus (engl.: to skip = überspringen), betrieben. Um die in der Speicherdrosselspule gespeicherte Energie an einen sehr geringen bzw. nicht vorhandenen Laststrombedarf anzupassen, werden im Skip-Modus einzelne Schaltperioden übersprungen, in denen keine Energie in der Spule gespeichert wird und daher auch keine Energie zum Wandlerausgang übertragen werden kann (siehe Fig. 1c). So wird der steuerbare Schalter z. B. nur alle 2, 3 oder auch nur alle 10 Zyklen eingeschaltet. Die Anzahl der übersprungenen Schaltzyklen hängt von der Größe des gerade erforderlichen Laststroms ab, wobei ein Komparator vorgesehen sein kann, der die Ausgangsspannung überwacht und den Wandler bei Unterschreiten eines gewissen Vergleichswertes ein- und bei Überschreiten dieses Vergleichswertes ausschaltet.

Der Skip-Modus weist jedoch, insbesondere bei Aufwärts- Gleichspannungswandlern, die in Telekommunikationsgeräten eingesetzt werden sollen, eine Reihe von Nachteilen auf. So wird der Aufwärts-Gleichspannungswandler im Skip-Modus mit einer unregelmäßigen Frequenz aktiviert und die Welligkeit der Ausgangsspannung weist niederfrequente Anteile auf, was die Rauschfilterung schwierig macht. Im Vergleich zu den beiden anderen Modi ist im Skip-Modus die Welligkeit der Ausgangsspannung darüber hinaus auch stärker, was daran liegt, daß die Ausgangsspannung nur durch eine einfache Zweipunktregelung geregelt wird. Schließlich ist eine zusätzliche Schaltungsanordnung erforderlich, um den Aufwärts- Gleichspannungswandler zwischen dem Modus unterbrochenen Speicherdrosselstromflusses und dem Skip-Modus hin- und herzuschalten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, Verfahren zum Betreiben von Aufwärts-Gleichspannungswandlern und Aufwärts-Gleichspannungswandler zu schaffen, bei denen die oben geschilderten Probleme der bei kleinen Lastströmen im Skip-Modus betriebenen Aufwärts-Gleichspannungswandler bei gleichzeitiger Erzielung eines guten Wirkungsgrads des Wandlers überwunden werden, so daß sie sich insbesondere für den Einsatz in Telekommunikationsgeräten eignen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Aufwärts-Gleichspannungswandlers mit einer Speicherdrosselspule, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen ersten steuerbaren Schalter mit Masse und über einen zweiten steuerbaren Schalter mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist; einem Oszillator, der ein erstes Taktsignal, das die Schaltperiode des Wandlers bestimmt, und ein zweites Taktsignal, dessen Periode der des ersten Taktsignals entspricht, abgibt; und einer Regelschaltung, die die Spannung am Ausgang des Wandlers auf einen Sollwert regelt; bei dem während jeder Schaltperiode
zu Beginn der erste Schalter durchgeschaltet und der zweite Schalter gesperrt wird;
dann, wenn der Strom durch die Speicherdrosselspule einen von der Regelschaltung vorgegebenen Wert erreicht hat, der erste Schalter gesperrt und der zweite Schalter durchgeschaltet wird; und
in dem Fall, daß der Speicherdrosselspulenstrom vor dem Ende der Schaltperiode im wesentlichen auf Null abgesunken ist, der zweite Schalter gesperrt wird, wobei er am Ende der Schaltperiode während einer durch das zweite Taktsignal vorgegebenen und im Vergleich zur Länge der Schaltperiode kurzen konstanten Zeitdauer wieder durchgeschaltet wird, so daß sich kurzzeitig ein Energiefluß vom Ausgang des Wandlers zum Eingang des Wandlers ergibt.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe darüber hinaus durch ein zweites Verfahren zum Betreiben eines Aufwärts- Gleichspannungswandlers mit einer Speicherdrosselspule, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen ersten steuerbaren Schalter mit Masse und über einen zweiten steuerbaren Schalter mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist; einer parallel zum zweiten Schalter geschalteten Diode, deren Anode mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist; einem Oszillator, der ein erstes Taktsignal, das die Schaltperiode des Wandlers bestimmt, und ein zweites Taktsignal, dessen Periode der des ersten Taktsignals entspricht, abgibt; und einer Regelschaltung, die die Spannung am Ausgang des Wandlers auf einen Sollwert regelt; bei dem während jeder Schaltperiode
zu Beginn der erste Schalter durchgeschaltet und der zweite Schalter gesperrt wird;
dann, wenn der Strom durch die Speicherdrosselspule einen von der Regelschaltung vorgegebenen Wert erreicht hat, der erste Schalter gesperrt wird; und
der zweite Schalter am Ende der Schaltperiode während einer durch das zweite Taktsignal vorgegebenen und im Vergleich zur Länge der Schaltperiode kurzen konstanten Zeitdauer durchgeschaltet wird, so daß sich kurzzeitig ein Energiefluß vom Ausgang des Wandlers zum Eingang des Wandlers ergibt.

Schließlich wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch Aufwärts- Gleichspannungswandler gelöst, mit denen sich das erste erfindungsgemäße Verfahren und das zweite erfindungsgemäße Verfahren durchführen lassen, und die in den Ansprüchen 4 bzw. 6 angegeben sind.

Die einfachste Möglichkeit, die Nachteile des Skip-Modus zu überwinden, bestände darin, einfach eine kleine Ersatzlast einzuführen. Diese würde jedoch den Wirkungsgrad des Wandlers durch die in der Ersatzlast auftretenden ohmschen Verluste vermindern. Die Erfindung wählt einen eleganteren Weg, um die Probleme des Skip-Modus zu überwinden, indem sie den Energiefluß im Aufwärts-Gleichspannungswandler am Ende jeder Schaltperiode während einer kurzen konstanten Zeitdauer umkehrt. Dadurch wird es möglich, den Aufwärts- Gleichspannungswandler über den gesamten Laststrombereich mit einer festen Frequenz zu betreiben, was die Filterung der Ausgangsspannung wesentlich erleichtert. Darüber hinaus ergibt sich aber gegenüber Wandlern mit Skip-Modus eine geringere Ausgangsspannungswelligkeit von Spitze zu Spitze.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die an Hand der Zeichnungen erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1a-c ein mit drei Betriebsmodi arbeitendes zum Stand der Technik gehörendes Verfahren zum Betreiben eines Aufwärts- Gleichspannungswandlers anhand dreier Graphen, die den Verlauf des Speicherdrosselspulenstroms über die Zeit bei unterschiedlicher Belastung des Wandlers zeigen;

Fig. 2 den Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform eines ersten erfindungsgemäßen Aufwärts-Gleichspannungswandlers;

Fig. 3a-b die bei den erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Aufwärts-Gleichspannungswandlers verwendeten beiden Betriebsmodi anhand zweier Graphen, die den Verlauf des Speicherdrosselspulenstroms über die Zeit bei unterschiedlicher Belastung des Wandlers zeigen;

Fig. 4 den Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform eines zweiten erfindungsgemäßen Aufwärts-Gleichspannungswandlers.

In der Fig. 1 sind die drei Betriebsmodi eines bekannten und in der Einleitung beschriebenen Aufwärts-Gleichspannungswandlers anhand dreier Graphen dargestellt. Dabei ist I der der Speicherdrosselspulenstrom.

Die Fig. 2 zeigt den Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform eines ersten erfindungsgemäßen Aufwärts- Gleichspannungswandlers.

Zunächst wird der Aufbau der Grundschaltung dieses Wandlers beschrieben. Diese enthält eine Speicherdrosselspule L, deren einer Anschluß mit dem Eingang 1 des Wandlers verbunden ist, an dem eine konstante Gleichspannung Ve anliegt, die z. B. von einer Batterie geliefert wird. Der andere Anschluß der Speicherdrosselspule L ist über einen ersten steuerbaren Schalter S1 mit Masse und über einen zweiten steuerbaren Schalter S2 mit dem Ausgang 2 des Wandlers verbindbar, an dem die durch den Wandler erzeugte Ausgangsspannung Va anliegt, die potentialmäßig über der Eingangsspannung Ve liegt. Die Schalter können z. B. aus MOS-FETs bestehen. Zwischen dem Eingang 1 des Wandlers und Masse liegt ein Eingangskondensator Ci und zwischen dem Ausgang 2 des Wandlers und Masse ein Ausgangskondensator Ca. Schließlich gehört zur Grundschaltung des Wandlers noch der zwischen den Wandlerausgang 1 und Masse geschaltete Widerstand Rl, der eine Last symbolisiert, die von dem Wandler versorgt wird.

Neben der Grundschaltung umfaßt der in der Fig. 2 dargestellte Aufwärts-Gleichspannungswandler einen Taktoszillator, eine Regelschaltung, eine Steuerschaltung und eine Stromrichtungserfassungsschaltung, die im folgenden beschrieben werden.

Der Taktoszillator 3 erzeugt ein erstes Taktsignal, das die Schaltperiode des Wandlers definiert, und ein zweite Taktsignal, das die gleiche Periode wie das erste Taktsignal aufweist, jedoch gegen dieses zeitlich verschoben ist und eine im Verleich zur Taktperiodendauer kurze Impulsdauer besitzt. Der zeitliche Verlauf des zweiten Taktsignals im Verlauf zum ersten Taktsignal ist in dem den Oszillator in der Fig. 2 symbolisierenden Kasten eingezeichnet.

Die Regelschaltung, deren Aufgabe darin besteht, die Ausgangsspannung Va des Wandlers auf einen vorherbestimmten Sollwert zu regeln, besteht zunächst aus einem Fehlerverstärker 4, der an einem Eingang eine von dem Spannungsteiler R1, R2 abgeleitete und zur aktuellen Ausgangsspannung Va des Wandlers proportionale Spannung empfängt und deren Differenz zu einer seinem anderen Eingang zugeführten Referenzspannung Vref verstärkt und an seinem Ausgang ausgibt. Darüber hinaus umfaßt die Regelschaltung einen Komparator 5, der an einem Eingang das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers empfängt und an seinem anderen Eingang ein der Spannung am Meßwiderstand Rs entsprechendes Signal empfängt, das der Höhe des durch die Speicherdrosselspule fließenden Stroms proportional ist. Eine solche Regelschaltung ist im Stand der Technik bekannt und z. B. in der oben erwähnten US 5 481 178 beschrieben.

Die Steuerschaltung des in der Fig. 2 dargestellten Aufwärts- Gleichspannungswandlers besteht aus einem Flip-Flop 6 und einer Logikschaltung 7. Das Flip-Flop 6 empfängt an seinem Reset- Eingang R das Ausgangssignal des Komparators 5 der Regelschaltung und an seinem Set-Eingang S das erste Taktsignal des Oszillators 3. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 6 steuert den ersten Schalter S1. Die Logikschaltung 7 empfängt das Ausgangssignal des Flip-Flops 6, das zweite Taktsignal des Oszillators 3 und das Ausgangssignal einer unten beschriebenen Stromrichtungserfassungsschaltung. Das Ausgangssignal der Logikschaltung 7 steuert den zweiten steuerbaren Schalter S2.

Die Stromrichtungserfassungsschaltung besteht aus einem Komparator 8, dessen einer Eingang mit dem einen Anschluß des zweiten Schalters S2 und dessen anderer Eingang mit dem anderen Anschluß des zweiten Schalters S2 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Komparator signalisiert, ob die Energie vom Eingang 1 des Wandlers zum Ausgang 2 des Wandlers fließt oder umgekehrt.

Das Verfahren zum Betreiben des in der Fig. 2 dargestellten Aufwärts-Gleichspannungswandlers wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 3a und b erklärt, in denen der Verlauf des Speicherdrosselspulenstroms I über die Zeit in den beiden Betriebsmodi des Wandlers dargestellt ist.

Bei großen Lastströmen wird der Wandler wie die bekannten Wandler in einem Modus kontinuierlichen Speicherdrosselstromflusses betrieben, der in der Fig. 3a dargestellt ist. Da dieser Modus bekannt ist, wird er nur kurz beschrieben. Zu Beginn einer Schaltperiode, d. h. zum Zeitpunkt t1, wird dabei zunächst durch die Flanke des ersten Taktsignals das Flip-Flop 6 gesetzt, dessen Ausgangssignal daraufhin den ersten steuerbaren Schalter S1 durchschaltet. Das Ausgangssignal des Flip-Flops gelangt auch zur Logikschaltung, die daraufhin ein Ausgangssignal abgibt, durch das der zweite steuerbare Schalter S2 gesperrt wird. Wie in der Fig. 3a zu erkennen ist, steigt nun der Speicherdrosselspulenstrom zunächst linear an, bis der Komparator 5 der Regelschaltung ein Steuersignal abgibt, das anzeigt, daß die in der Speicherdrosselspule L gespeicherte Energie ausreicht, um die gewünschte Ausgangsspannung Va bei der gerade anliegenden Ausgangslast Rl des Wandlers zu erzielen. Das ist der in der Fig. 3a markierte Zeitpunkt t2, an dem der maximale Strom Imax erreicht ist. Hier wird über das Steuersignal des Komparators 5 das Flip-Flop 6 zurückgesetzt, so daß der Schalter S1 gesperrt wird. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 6 gelangt wiederum zur Logikschaltung 7, die daraufhin ein Ausgangssignal abgibt, durch das der Schalter S2 durchgeschaltet wird. Die in der Speicherdrosselspule L gespeicherte Energie wird daraufhin an den Ausgangskondensator Ca und die Last Rl abgegeben. Der Speicherdrosselspulenstrom sinkt dabei zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t1 + p linear bis zu einem Minimalwert Imin ab, wobei p die Periodendauer der Schaltperiode ist. Zu Beginn einer neuen Schaltperiode wiederholt sich der beschriebene Vorgang. Im Modus kontinuierlichen Speicherdrosselstromflusses sinkt der Strom durch die Speicherdrosselspule L nie unter null ab.

Bei geringen Lastströmen arbeitet der in der Fig. 2a dargestellte erfindungsgemäße Aufwärts-Gleichspannungswandler in dem in der Fig. 3b dargestellten Modus unterbrochenen Speicherdrosselstromflusses mit Rückwärtsstrom, der den bei bisherigen Wandlern üblichen Modus unterbrochenen Speicherdrosselstromflusses und den Skip-Modus ersetzt (siehe hierzu die Fig. 1b und c).

Der Modus unterbrochenen Speicherdrosselstromflusses mit Rückwärtsstrom läuft zunächst wie der Modus kontinuierlichen Speicherdrosselstromflusses ab (siehe die Zeitpunkte t1, t2 in der Fig. 3b, die denjenigen in der Fig. 3a entsprechen). Änderungen ergeben sich erst zum Zeitpunkt t3, an dem der in der Energieübertragungsphase fließende Speicherdrosselspulenstrom, der nun wegen des geringeren Durchschnittsausgangsstroms des Wandlers vermindert ist, vor dem Ende der Schaltperiode (t1 + p) den Wert null erreicht. Da nun die Ausgangsspannung Va des Wandlers über der von der Eingangsseite her gelieferten Spannung liegt, wird zunächst durch die Stromrichtungserfassungsschaltung dafür gesorgt, daß kein rückwärtsgerichteter Strom zum Eingang des Wandlers 1 fließen kann. Der Komparator 8 der Stromrichtungserfassungsschaltung gibt bei Erkennen der umgekehrten Potentialverhältnisse ein Steuersignal zur Logikschaltung 7 ab, die daraufhin den steuerbaren Schalter S2 sperrt. Daher fließt zwischen den in der Fig. 3b dargestellten Zeitpunkten t3 und t4 kein Speicherdrosselspulenstrom.

Kurz vor dem Ende der Schaltperiode, zum in der Fig. 3b dargestellten Zeitpunkt t4, wird nun der zweite steuerbare Schalter S2 erneut durchgeschaltet, wobei der erste steuerbare Schalter ausgeschaltet bleibt. Das geschieht durch den Impuls des zweiten Taktsignals, der über die Logikschaltung 7 den Steuereingang des zweiten steuerbaren Schalters S2 erreicht. Der zweite Schalter wird dabei in jeder Schaltperiode während einer genau definierten konstanten und im Verhältnis zur Dauer einer Schaltperiode kurzen Zeitdauer "t4 - t1 + p" am Ende der Schaltperiode durchgeschaltet. Das kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die Impulsdauer des zweiten Taktsignals der Länge der kurzen konstanten Zeitdauer entspricht, wobei es zeitlich um diese Impulsdauer gegen das erste Taktsignal verschoben ist. Nun fließt kurzzeitig ein vom Ausgang 2 des Wandlers zum Eingang 1 des Wandlers gerichteter Strom durch die Speicherdrosselspule L (Rückwärtsstrom). Zu Beginn des nächsten Schaltzyklusses (Zeitpunkt t1 + p) wird durch das Haupttaktsignal das Flip-Flop 6 erneut gesetzt, wodurch der Schalter S1 durchgeschaltet wird und der Schalter S2 gesperrt wird. Dadurch nimmt der Speicherdrosselspulenstrom wieder ab, durchläuft den Nullpunkt und steigt erneut bis zu seinem durch die Regelschaltung bestimmten Maximalwert Imax an.

Ein Teil der Energie, die kurzzeitig vom Ausgang des Wandlers zum Eingang des Wandlers fließt, wird dabei auf dem Eingangskondensator Ci gespeichert. Wird als Eingangsspannungsquelle eine wiederaufladbare Batterie verwendet, so kann ein Teil dieser Energie auch hierauf gespeichert werden.

In dem Modus unterbrochenen Speicherdrosselstromflusses mit Rückwärtsstrom wird der erste Schalter S1 in der gleichen Weise durch die Regelschaltung betätigt wie bei den eingangs beschriebenen Modi, die im Stand der Technik verwandet werden (Modus kontinuierlichen Speicherdrosselstromflusses, Modus unterbrochenen Speicherdrosselstromflusses). Auch die Regelschaltung arbeitet in der gleichen Weise wie bei herkömmlichen Aufwärts-Gleichspannungswandlersn.

Der wesentliche Unterschied zu den bisherigen Wandlern besteht darin, daß der Energiefluß durch die Spule nun bidirektional erfolgt. In dem Fall verschwindenden Laststrombedarfs entspricht dabei die Energie des in entgegengesetzer Richtung fließenden Stroms, der zwischen dem erneuten Einschalten des zweiten Schalters S2 (Zeitpunkt t4) und dem Zeitpunkt des erneuten Durchlaufens des Stroms durch den Nullpunkt nach dem Ende der Schaltperiode auftritt, im Schnitt der daraufhin vom Wandlereingang in den Wandlerausgang fließenden Energie (des vorwärts gerichteten Stroms). Bei verschwindendem Laststrombedarf entspricht dann in der Fig. 3b das Zeitintegral über den Strom oberhalb der Nulllinie (vorwärtsgerichteter Strom) dem Zeitintegral über den Strom unterhalb der Nulllinie des Stroms (in der Fig. 3b ist der Fall dargestellt, daß noch ein sehr geringer Laststrombedarf existiert, daher ist das Integral über den Strom oberhalb der Nulllinie größer als das Integral über den Strom unter der Nulllinie). Dieser Strom liefert keinen Beitrag zum Laststrom und wird nur zwischen Wandlereingang und -ausgang hin- und hergeschoben. Die Regelschaltung kann sich - selbst bei sehr geringem oder nicht vorhandenem Laststrombedarf am Ausgang - einschwingen und es wird ein Gleichgewichtszustand für den Wert der Einschaltzeit des ersten Schalters S1 erreicht. Da kein Laststrom auftritt, wird der Wirkungsgrad des Wandlers praktisch nicht verringert.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der bisher verwendete Skip-Modus mit allen seinen Nachteilen überflüssig gemacht. Wie in der Fig. 3b) zu erkennen, läuft die Schaltung jetzt auch bei sehr geringen oder nicht vorhandenen Lastströmen mit einer konstanten Schaltfrequenz. Es treten keine niederfrequenten Anteile in der Welligkeit der Ausgangsspannung mehr auf, so daß die Rauschfilterung wesentlich erleichtert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher besonders für Aufwärts-Gleichspannungswandler, die in Telekommunikationsgeräten, z. B. Mobilfunktelefonen, eingesetzt werden. Darüber hinaus ergibt sich aber gegenüber bisherigen Wandlern mit Skip-Modus auch eine geringere Ausgangsspannungswelligkeit von Spitze zu Spitze.

Fig. 4 zeigt den Schaltplan einer bevorzugen Ausführungsform eines zweiten erfindungsgemäßen Aufwärts- Gleichspannungswandlers. Diese Wandler unterscheidet sich nur dadurch von dem in der Fig. 2 dargestellten Wandler, daß die Stromrichtungserfassungsschaltung, d. h. der Komparator 8, durch eine Diode D ersetzt ist, die parallel zum steuerbaren Schalter S2 geschaltet ist. Der in der Fig. 4 dargestellte Wandler wird wie der in der Fig. 2 dargestellte Wandler mit den beiden in der Fig. 3 dargestellten Betriebsmodi betrieben. Dabei reduziert sich das Verfahren durch die Diode D auf die folgendenden drei Schritte, die in jeder Schaltperiode durchgeführt werden:

• 1. Zu Beginn der Schaltperiode wird der erste Schalter durchgeschaltet und der zweite Schalter gesperrt;
• 2. wenn der Strom durch die Speicherdrosselspule L einen von der Regelschaltung vorgegebenen Wert erreicht hat, wird der erste Schalter gesperrt;
• 3. am Ende der Schaltperiode wird der zweite Schalter während einer durch das zweite Taktsignal vorgegebenen Zeitdauer "t4 - t1 + p" durchgeschaltet.

Abschließend ist noch darauf hinzuweisen, daß bei den in den Fig. 2 und 4 dargestellten Wandlern die Ansteuerung des zweiten steuerbaren Schalters S2 durch das zweite Taktsignal während der Zeitdauer "t4 - t1 + p" jeder Schaltperiode permanent, d. h. unabhängig davon erfolgen kann, ob sich der Wandler im Modus kontinuierlichen Speicherdrosselstromflusses oder im Modus unterbrochenen Speicherdrosselstromflusses mit Rückwärtsstrom befindet. Denn im Modus kontinuierlichen Speicherdrosselstromflusses ist bei dem in der Fig. 2 dargestellten Wandler der Schalter S2 zwischen "t4 - t1 + p" sowieso schon durchgeschaltet. Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Wandler würde durch das Durchschalten des Schalters S2 im Modus kontinuierlichen Speicherdrosselstromflusses aber nur ein weiterer paralleler Strompfad zur Diode D eröffnet.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben eines Aufwärts-Gleichspannungs­ wandlers mit einer Speicherdrosselspule, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen ersten steuerbaren Schalter mit Masse und über einen zweiten steuerbaren Schalter mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist; einem Oszillator, der ein erstes Taktsignal, das die Schaltperiode des Wandlers bestimmt, und ein zweites Taktsignal, dessen Periode der des ersten Taktsignals entspricht, abgibt; und einer Regelschaltung, die die Spannung am Ausgang des Wandlers auf einen Sollwert regelt; bei dem während jeder Schaltperiode
zu Beginn der erste Schalter durchgeschaltet und der zweite Schalter gesperrt wird;
dann, wenn der Strom durch die Speicherdrosselspule einen von der Regelschaltung vorgegebenen Wert erreicht hat, der erste Schalter gesperrt und der zweite Schalter durchgeschaltet wird; und
in dem Fall, daß der Speicherdrosselspulenstrom vor dem Ende der Schaltperiode im wesentlichen auf Null abgesunken ist, der zweite Schalter gesperrt wird, wobei er am Ende der Schaltperiode während einer durch das zweite Taktsignal vorgegebenen und im Vergleich zur Länge der Schaltperiode kurzen konstanten Zeitdauer wieder durchgeschaltet wird, so daß sich kurzzeitig ein Energiefluß vom Ausgang des Wandlers zum Eingang des Wandlers ergibt.

2. Verfahren zum Betreiben eines Aufwärts-Gleichspannungs­ wandlers mit einer Speicherdrosselspule, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen ersten steuerbaren Schalter mit Masse und über einen zweiten steuerbaren Schalter mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist; einer parallel zum zweiten Schalter geschalteten Diode, deren Anode mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist; einem Oszillator, der ein erstes Taktsignal, das die Schaltperiode des Wandlers bestimmt, und ein zweites Taktsignal, dessen Periode der des ersten Taktsignals entspricht, abgibt; und einer Regelschaltung, die die Spannung am Ausgang des Wandlers auf einen Sollwert regelt; bei dem während jeder Schaltperiode
zu Beginn der erste Schalter durchgeschaltet und der zweite Schalter gesperrt wird;
dann, wenn der Strom durch die Speicherdrosselspule einen von der Regelschaltung vorgegebenen Wert erreicht hat, der erste Schalter gesperrt wird; und
der zweite Schalter am Ende der Schaltperiode während einer durch das zweite Taktsignal vorgegebenen und im Vergleich zur Länge der Schaltperiode kurzen konstanten Zeitdauer durchgeschaltet wird, so daß sich kurzzeitig ein Energiefluß vom Ausgang des Wandlers zum Eingang des Wandlers ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Impulsdauer des zweiten Taktsignals der Länge der kurzen konstanten Zeitdauer entspricht, wobei es um diese Impulsdauer gegen das erste Taktsignal verschoben ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Teil der während der kurzen konstanten Zeitdauer fließenden Energie in einem Eingangskondensator gespeichert wird, der zwischen den Eingang des Wandlers und Masse geschaltet ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Teil der während der kurzen konstanten Zeitdauer fließenden Energie in einer wiederaufladbaren Batterie gespeichert wird, die die Eingangsspannung des Wandlers liefert.

6. Aufwärts-Gleichspannungswandler mit
einer Speicherdrosselspule, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen ersten steuerbaren Schalter mit Masse und über einen zweiten steuerbaren Schalter mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist;
einem Oszillator, der ein erstes Taktsignal, das die Schaltperiode des Wandlers bestimmt, und ein zweites Taktsignal, dessen Periode der des ersten Taktsignals entspricht, abgibt;
einer Regelschaltung, die die Spannung am Ausgang des Wandlers auf einen Sollwert regelt; und
einer Steuerschaltung, die während jeder Schaltperiode
zu Beginn den ersten Schalter durchschaltet und den zweiten Schalter sperrt;
dann, wenn der Strom durch die Speicherdrosselspule einen von der Regelschaltung vorgegebenen Wert erreicht hat, den ersten Schalter sperrt und den zweiten Schalter durchschaltet; und
in dem Fall, daß der vor dem Ende der Schaltperiode im wesentlichen auf Null abgesunken ist, den zweiten Schalter sperrt und am Ende der Schaltperiode während einer durch das zweite Taktsignal vorgegebenen und im Vergleich zur Länge der Schaltperiode kurzen konstanten Zeitdauer wieder durchschaltet, so daß sich kurzzeitig ein Energiefluß vom Ausgang des Wandlers zum Eingang des Wandlers ergibt.

7. Aufwärts-Gleichspannungswandler nach Anspruch 6, bei dem die Steuerschaltung ein Flip-Flop, das an seinem Setzeingang das erste Taktsignal und an seinem Rücksetzeingang das Ausgangssignal der Regelschaltung empfängt und mit seinem Ausgangssignal den ersten Schalter steuert, und eine Logikschaltung umfaßt, die das Ausgangssignal des Flip-Flops, das zweite Taktsignal und das Ausgangssignal eines die Richtung des Stroms durch den zweiten Schalter überwachenden Komparators empfängt, wobei das Ausgangssignal der Logikschaltung den zweiten Schalter steuert.

8. Aufwärts-Gleichspannungswandler mit
einer Speicherdrosselspule, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen ersten steuerbaren Schalter mit Masse und über einen zweiten steuerbaren Schalter mit dem Ausgang des Wandlers verbindbar ist;
einer parallel zum zweiten Schalter geschalteten Diode, deren Anode mit dem Eingang des Wandlers verbunden ist;
einem Oszillator, der ein erstes Taktsignal, das die Schaltperiode des Wandlers bestimmt, und ein zweites Taktsignal, dessen Periode der des ersten Taktsignals entspricht, abgibt;
einer Regelschaltung, die die Spannung am Ausgang des Wandlers auf einen Sollwert regelt; und
einer Steuerschaltung, die während jeder Schaltperiode
zu Beginn den ersten Schalter durchschaltet und den zweiten Schalter sperrt;
dann, wenn der Strom durch die Speicherdrosselspule einen von der Regelschaltung vorgegebenen Wert erreicht hat, den ersten Schalter sperrt; und
den zweiten Schalter am Ende der Schaltperiode während einer durch das zweite Taktsignal vorgegebenen und im Vergleich zur Länge der Schaltperiode kurzen konstanten Zeitdauer durchschaltet, so daß sich kurzzeitig ein Energiefluß vom Ausgang des Wandlers zum Eingang des Wandlers ergibt.

9. Aufwärts-Gleichspannungswandler nach Anspruch 8, bei dem die Steuerschaltung ein Flip-Flop, das an seinem Setzeingang das erste Taktsignal und an seinem Rücksetzeingang das Ausgangssignal der Regelschaltung empfängt und mit seinem Ausgangssignal den ersten Schalter steuert, und eine Logikschaltung umfaßt, die das Ausgangssignal des Flip-Flops und das zweite Taktsignal empfängt, wobei das Ausgangssignal der Logikschaltung den zweiten Schalter steuert.

10. Aufwärts-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Impulsdauer des zweiten Taktsignals der Länge der kurzen konstanten Zeitdauer entspricht, wobei es um diese Impulsdauer gegen das erste Taktsignal verschoben ist.

11. Aufwärts-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 6 bis 10, der darüber hinaus einen Eingangskondensator umfaßt, der zwischen den Eingang des Wandlers und Masse geschaltet ist und in dem sich während der kurzen konstanten Zeitdauer zum Wandlereingang fließende Energie speichern läßt.

12. Aufwärts-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dessen Eingangsspannung von einer wiederaufladbaren Batterie geliefert wird, in der sich während der kurzen konstanten Zeitdauer zum Wandlereingang fließende Energie speichern läßt.