DE3523108A1 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einem periodisch schaltenden Schalttransistor, einer mit diesem in Reihe geschalteten Drossel, einem Glättungs­ kondensator, einem mit einer Referenzspannungsquelle und der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers verbundenen Regelverstärker, welcher mit einem taktgesteuerten Pulsbreitenmodulator verbunden ist und dieser über eine Treiberschaltung den Schalttransistor steuert, und einer Freilaufdiode.

Ein derartiger Gleichspannungswandler ist bereits bekannt. So wird in der DE-OS 25 58 135 eine entsprechende Grund­ schaltung beschrieben. Zur galvanischen Trennung zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung kann die Drossel durch einen Transformator ersetzt werden, wobei die Primärseite anstelle der Drossel tritt und an der Sekundärseite die Ausgangsspannung abgenommen wird (DE-OS 29 36 464).

Gleichspannungswandler werden auch zur Versorgung von Endeinrichtungen einer Fernmeldevermittlungsanlage verwendet, wobei die Eingangsspannung in Form einer Fremdspeisung über die Teilnehmeranschlußleitung aus der Fernmeldever­ mittlungsanlage erfolgt. Dabei liegt je nach Leitungslänge am Ende der Teilnehmeranschlußleitung eine Spannung zwischen 20 und 40 V an, die dann durch den Gleichspannungswandler auf die Betriebsspannung des Endgeräts, beispielsweise in der Größenordnung von 5 V herabgesetzt wird. Der Gleichspannungswandler ist dabei derart ausgelegt, daß unabhängig von der ausgangsseitigen Belastung innerhalb eines bestimmten Bereichs die Ausgangsspannung konstant gehalten wird. Werden nun von seiten der Betreiber der Fernmeldevermittlungsanlage sehr geringe Werte festgelegt, beispielsweise maximal 25 mW so kann eine derartige Bedingung durch herkömmliche Gleichspannungswandler nicht erfüllt werden, wenn an dessen Ausgang noch eine Leistung von 5 bis 10 mW bereitgestellt werden soll. Diese Leistung wird beispielsweise zum Erkennen einer Belegung, zur Erhaltung des Speicherinhalts, usw. benötigt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Gleich­ spannungswandler anzugeben, welcher eine sehr geringe Leistungsaufnahme aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Regelverstärker, der Pulsbreitenmodulator und evtl. weitere zum Betreiben des Gleichspannungswandlers benötigte Einrichtungen von der Ausgangsspannung desselben versorgt werden, daß eine von der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers gespeiste Hilfsspannungsquelle die genannten Einrichtungen mit Energie versorgt, daß die Ausgangsspannung von einer Überwachungs­ schaltung überwacht wird und bei Erreichen des vorgeschriebenen Wertes durch die Überwachungsschaltung die Abtrennung der Hilfsspannungsquelle von der Eingangsspannung veranlaßt wird.

Da die Energieversorgung des Gleichspannungswandlers selbst durch seine Ausgangsspannung erfolgt, wird die Leistungsauf­ nahme drastisch verringert. Im Augenblick des Einschaltens der Eingangsspannung kann jedoch der Gleichspannungswandler von selbst nicht anlaufen, da dieser bekanntlich von seiner eigenen Ausgangsspannung versorgt wird. Hierzu ist eine Hilfsspannungsquelle vorgesehen, die von der Eingangsspannung versorgt und von dieser abgetrennt wird, sobald die Aus­ gangsspannung ihren vorgeschriebenen Wert erreicht hat.

Ein weiterer Vorteil, der durch diese Maßnahme erzielt wird, besteht darin, daß die Drossel, deren Induktivität entscheidend von der minimalen ausgangsseitigen Belastung des Gleichspannungswandlers abhängt, relativ klein gehalten werden kann, da der Gleichspannungswandler durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen praktisch sich selbst belastet und so auch im Ruhezustand des Endgerätes eine bestimmte Leistungsaufnahme auf der Ausgangsseite vorhanden ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Schalttransistor aus einer Darlington-Stufe besteht, wobei der schaltende Transistor mit seinem Kollektor mit der Eingangsspannung und mit seinem Emitter mit der Drossel verbunden ist.

Die Verluste durch die geringere Aussteuerfähigkeit der Darlington-Stufe wird durch geringere Ansteuerströme, die außerdem durch die Drossel fließen, wieder aufgehoben.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Treiberschaltung nach dem Push-Pull-Prinzip in Emitter­ schaltung arbeitet. Eine derartige Schaltungsanordnung zeichnet sich durch den Vorteil des geringen Ruhestromes mit hoher Ansteuerungsfähigkeit aus.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß die Treiberschaltung überwiegend dynamisch angesteuert wird.

Mit dieser Maßnahme werden die Ansteuerströme verringert, da diese weitgehend den Ladeströmen der vorgeschalteten RC-Glieder entsprechen.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß der den Pulsbreitenmodulatorsteuernde Taktgeber Teil einer von der Ausgangsspannung versorgten Einrichtung ist, daß ein von der Hilfsspannungsquelle versorgter Hilfstaktgeber vorgesehen ist, welcher durch ein Steuersignal von der Einrichtung abschaltbar ist.

Ist beispielsweise an der Ausgangsspannung des Gleich­ spannungswandlers eine Steuereinrichtung des Endgeräts in Form eines Mikroprozessors angeschlossen, so kann dieser zur Takterzeugung für den Gleichspannungswandler herange­ zogen werden. Da jedoch bei Einschalten des Gleichspannungs­ wandlers noch keine Ausgangsspannung zur Verfügung steht, ist im Gleichspannungswandler ein von der Hilfsspannungs­ quelle versorgter Hilfstaktgeber vorgesehen, welcher so lange den Gleichspannungswandler mit dem benötigten Takt versorgt, bis der Fremdtakt zur Verfügung steht.

Die beschriebenen Maßnahmen dienen sämtlich zur Verringerung der Leistungsaufnahme eines Gleichspannungswandlers auf die eingangs erwähnten minimalen Werte.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, welches in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Spannungswandlers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung der Hilfsspannungsquelle,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung der Treiberschaltung und

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung des Hilfstaktgebers.

Die Eingangsspannung ES wird durch einen periodisch schaltenden Schalttransistor S und eine in Reihe geschaltete Drossel L zur Ausgangsspannungsseite AS durchgeschaltet, wobei durch entsprechende Dimensionierung der Drossel L und des Ladekondensators C und durch entsprechende Steuerung des Schalttransistors S die gewünschte Ausgangsspannung AS erzeugt wird (Fig. 1). Die Steuerung des Schalttransistors S erfolgt dabei derart, daß ein Regelverstärker RV die Ausgangs­ spannung AS mit der Spannung einer Referenzspannungsquelle RS vergleicht und eine entsprechendes Steuersignal für den Pulsbreitenmodulator PM bereitstellt. Der Pulsbreitenmodulator erhält eine konstante Frequenz auf der Taktleitung TS und erzeugt die Steuerimpulse für die Treiberschaltung T des Schalttransistors S, wobei bei Absinken der Ausgangsspannung AS die Dauer der Durchschaltezeit des Schalttransistors S durch Vergrößerung der Impulsbreite verlängert wird. Bei größer werdender Ausgangsspannung wird die Impulsbreite durch den Pulsbreitenmodulator PM entsprechend verringert. Im gesperrten Zustand des Schalttransistors S wird die in der Drossel L gespeicherte Energie über die Freilaufdiode F abgeleitet.

Dem in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbild des Gleichspannungs­ wandlers läßt sich entnehmen, daß die Treiberschaltung T, der Pulsbreitenmodulator PM, der Regelverstärker RV der Hilfstaktgeber TH und die Referenzspannungsquelle RS aus der Ausgangsspannung AS mit Energie versorgt werden. Diese steht jedoch bei Ein­ schalten der Eingangsspannung ES noch nicht zur Verfügung. Für diesen Fall ist mit der Eingangsspannung ES eine Hilfsspannungsquelle H verbunden, welche die genannten Einrichtungen mit einer Hilfsspannung HS versorgt. Auf diese Weise ist das Anlaufen des Gleichspannungswandlers gesichert. Sobald die Ausgangsspannung AS ihren vorge­ schriebenen Wert erreicht hat, wird dies von der Über­ wachungsschaltung US erkannt und die Abtrennung der Hilfs­ spannungsquelle H von der Eingangsspannung ES veranlaßt.

Weist der Gleichspannungswandler keinen eigenen gespeisten Taktgenerator auf, so ist hierfür ein externer Taktgeber, beispielsweise in Form eines von der Ausgangsspannung AS gespeisten Mikroprozessors M möglich. Da dieser jedoch ebenfalls im Einschaltmoment der Eingangsspannung ES durch das Fehlen der Ausgangsspannung AS nicht betriebsfähig ist, ist für diesen Fall ein Hilfstaktgeber TH vorgesehen, welcher den Pulsbreitenmodulator PM mit den notwendigen Taktsignalen versorgt. Sobald der Mikroprozessor durch Vorhandensein der Ausgangsspannung AS des Gleichspannungswandlers betriebsfähig ist und Taktsignale auf der Leitung TS liefert, veranlaßt dieser über die Leitung SG die Abschaltung des Hilfstaktgebers TH.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung der Hilfs­ spannungsquelle H (Fig. 1) hat folgende Wirkungsweise: Sobald die Eingangsspannung ES anliegt, liegt am Ausgang HS die Hilfsspannung an, deren Höhe durch entsprechende Dimensionierung der betreffenden Bauteile der Ausgangs­ spannung AS entspricht. In diesem Fall sind die Transistoren T 2, T 3 und T 4 leitend, gesperrt. Sobald die Ausgangsspannung AS den vorgeschriebenen Wert erreicht, welcher ungefähr der Durchbruchsspannung der Zenerdiode G- entspricht, wird der Transistor T 2 gesperrt, worauf die Transistoren T 3 und T 4 ebenfalls gesperrt werden. Damit wird die Hilfsspannung HS abgeschaltet. In diesem Zusammenhang wird noch darauf hingewiesen, daß die Einschaltung der Hilfsspannungsquelle nicht nur beim Einschalten der Eingangs­ spannung ES sondern auch bei Überlast erfolgt, wenn die Ausgangsspannung in Folge der Überlast von dem vorge­ schriebenen Wert abweicht. Im Überlastfall wird dann der Gleichspannungswandler um diejenige Leistung entlastet, die er zum eigenen Betrieb benötigt.

In Fig. 3 wird eine Schaltungsanordnung der Treiberschaltung T und des Schalttransistors S (Fig. 1) gezeigt. Der Schalt­ transistor T 10 bildet mit dem Transistor T 9 eine Darlington- Stufe, die von einer Emitterschaltung nach dem "Push-Pull- Prinzip" angesteuert wird. Die Ansteuerung der Transistoren T 7 und T 8 derselben erfolgt durch den Pulsbreitenmodulator PM (Fig. 1). Die Ankoppelung ist wegen der einfachen Pegelan­ passung überwiegend hochohmig und dynamisch ausgeführt. Das Schaltverhalten und der Ruhestromverbrauch der "Push-Pull" Treiberschaltung ist durch entsprechende Dimensionierung der RC-Glieder R 7/C 2 und R 8/C 3 optimiert. Die Transistoren T 5 und T 6 bilden zusammen mit dem Widerstand R 6 eine Stromspiegelschaltung und unterstützen das Sperr­ verhalten des Transistors T 7. Die Dioden D 5 und D 6 dienen zum schnellen Sperren der Schalttransistoren T 9 und T 10.

Der Aufbau des Hilfstaktgenerators TH (Fig. 1) wird in Fig. 4 gezeigt. Der eigentliche Taktgeber besteht aus dem Kondensator C 1, dem Widerstand R 9 und dem NAND-Gatter G 3. Bei fehlender Betriebsspannung AS liefert der Mikroprozessor auf der Leitung SG (Fig. 1) ein "LOW"-Signal, welches das NAND-Gatter G 2 sperrt und durch das als Umkehrstufe wirkende NAND-Gatter G 1 das NAND-Gatter G 3 freigibt. Da am Ausgang des NAND-Gatters G 2 "H"-Potential anliegt, gelangen die vom NAND-Gatter G 3 erzeugten Taktimpulse über das NAND-Gatter G 4 zum Pulsbreitenmodulator PM. Sobald Taktimpulse an der Leitung TS anliegen und die Leitung SG "H"-Potential führt, wird das NAND-Gatter G 3 gesperrt, so daß jetzt die Taktimpulse von der Leitung TS zum Pulsbreitenmodulator PM gelangen.

Claims (6)

1. Gleichspannungswandler mit einem periodisch schaltenden Schalttransistor, einer mit diesem in Reihe geschalteten Drossel, einem Glättungskondensator, einem mit einer Referenzspannungsquelle und der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers verbundenen Regelverstärker, welcher mit einem taktgesteuerten Pulsbreitenmodulator verbunden ist und dieser über eine Treiberschaltung den Schalttransistor steuert, und einer Freilaufdiode, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker (RV), der Pulsbreitenmodulator (PM) und evtl. weitere zum Betreiben des Gleichspannungs­ wandlers benötigte Einrichtungen von der Ausgangsspannung (AS) desselben versorgt werden, daß eine von der Eingangsspannung (ES) des Gleichspannungswandlers gespeiste Hilfsspannungsquelle (H) die genannten Ein­ richtungen mit Energie versorgt, daß die Ausgangssspannung (AS) von einer Überwachungsschaltung (US) überwacht wird und bei Erreichen des vorgeschriebenen Wertes durch die Überwachungsschaltung (US) die Abtrennung der Hilfs­ spannungsquelle (H) von der Eingangsspannung (ES) ver­ anlaßt wird.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung (US) Teil der Hilfs­ spannungsquelle (H) ist.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (S) aus einer Darlington-Stufe (T 9, T 10) besteht, wobei der schaltende Transistor (T 10) mit seinem Kollektor mit der Eingangsspannung (ES) und mit seinem Emitter mit der Drossel (L) verbunden ist.

4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (T) nach dem Push-Pull-Prinzip in Emitterschaltung arbeitet.

5. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (T) dynamisch angesteuert wird (R 7/C 2, R 8/C 3).

6. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Pulsbreitenmodulator (PM) steuernde Taktgeber Teil einer von der Ausgangsspannung (AS) versorgen Einrichtung (M) ist, daß ein von der Hilfsspannungsquelle (H) versorgter Hilfstaktgeber (TH) vorgesehen ist, welcher durch ein Steuersignal (SG) von der Einrichtung (M) abschaltbar ist.