DE3534580A1

DE3534580A1 - Switching-voltage regulator

Info

Publication number: DE3534580A1
Application number: DE19853534580
Authority: DE
Inventors: Freddy De Vos
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-09-27
Filing date: 1985-09-27
Publication date: 1987-04-02

Abstract

The semiconductor switching element which is provided in the switching-voltage regulator represents a field-effect transistor (power MOS transistor SI). The output voltage which is produced on the charge capacitor (C) is evaluated by a differential amplifier (R4 to R7, OP) at whose output the respective actual value (Ui) is picked off for an integrated regulator and control arrangement (RS). The actual voltage is supplied by the differential amplifier back to that reference point to which those voltages are related which govern the regulator and control arrangement (RS). At the same time, the actual voltage is changed to a voltage level which can be processed directly by this module (chip) and is matched to the reference voltage level. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schaltspannungsregler zur Bereitstellung einer von einer Eingangsgleichspannung abgeleiteten stabilisierten und geregelten Ausgangsspannung, der ein in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert der Ausgangsspannung in seinem Tastverhältnis durch eine entspechende, vorzugsweise in tegrierte Regler- und Steueranordnung veränderbares Halb leiterschaltelement in Form eines Feldeffekt-Transistors aufweist, über das in Verbindung mit einer Diode und einer Induktanz ein Speicherelement (Ladekondensator), durch das die Ausgangsspannung für die Versorgung eines nachge schalteten Lastkreises zur Verfügung steht, gespeist wird.The invention relates to a switching voltage regulator to provide one of a DC input voltage derived stabilized and regulated output voltage, the one depending on the difference between the Setpoint and the actual value of the output voltage in his Duty cycle through a corresponding, preferably in Integrated regulator and control arrangement changeable half conductor switching element in the form of a field effect transistor has, in connection with a diode and a Inductance by a storage element (charging capacitor) that the output voltage for the supply of a nachge switched load circuit is available, is fed.

Für Schaltspannungsregler sind unterschiedliche prinzipielle Ausführungsformen bekannt. Über die Veränderungen des Tastverhältnisses, d. h. des Verhältnisses zwischen der Einschaltzeit und der Sperrzeit des verwendeten Schalt transistors erfolgt in Verbindung mit der Induktanz, einer Diode geeigneter Polung und einem Ladekondensator die Regelung der Ausgangsspannung. Diese Induktanz kann eine Speicherdrossel oder auch die Primär- bzw. Sekundär- Induktivität eines geeigneten Transformators darstellen. Bei einer Variante mit konstanter Einschaltzeit bzw. mit konstanter Ausschaltzeit wird das Tastverhältnis in Abhän gigkeit von der Soll-Istwertabweichung der Ausgangsspan nung durch Veränderung der Frequenz der Ansteuerimpuls folge für den Schalttransistor bestimmt. Ist eine feste Frequenz für diese Ansteuerimpulsfolge vorgegeben, so kann das Tastverhältnis über eine Pulsbreitenmodulation verän dert werden. Die notwendige Regler- und Steueranordnung enthält also in einem solchen Fall neben einem Oszillator einen Pulsbreitenmodulator. There are different basic ones for switching voltage regulators Embodiments known. About the changes in Duty cycle, d. H. the relationship between the Switch-on time and the blocking time of the switching used transistor takes place in connection with the inductance, a diode with suitable polarity and a charging capacitor the regulation of the output voltage. This inductance can a storage choke or the primary or secondary Represent inductance of a suitable transformer. In a variant with constant switch-on time or with constant switch-off time, the duty cycle will depend on the actual value deviation of the output chip voltage by changing the frequency of the control pulse follow intended for the switching transistor. Is a fixed one Frequency specified for this control pulse sequence, so can change the pulse duty factor via pulse width modulation be changed. The necessary regulator and control arrangement contains in such a case next to an oscillator a pulse width modulator.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, den durch den Einsatz eines Feldeffekt-Transistors gegebenen Verhältnissen auf schaltungstechnisch einfache Art Rechnung zu tragen.It is the object of the invention through use of a field effect transistor given conditions Circuitry simple way to take into account.

Dies wird dadurch erreicht, daß der jeweilige Ist-Wert durch den diesen Wert proportionalen Ausgangsspannungswert eines als Differenzverstärker beschalteten Operationsver stärkers gebildet ist, der über seinen einen Eingang mit dem Potential des ersten Ausgangsspannungsanschlußpunktes und über seinen andereren Eingang mit dem Potential des zwei ten Ausgangsspannungsanschlußpunktes gekoppelt ist.This is achieved in that the respective actual value by the output voltage value proportional to this value an operational ver connected as a differential amplifier is formed by one of its inputs the potential of the first output voltage connection point and through its other input to the potential of the two th output voltage connection point is coupled.

Durch die Anwendung des Differenzverstärkers erhält man bei geeigneter Wahl der Anschlußpunkte und der Widerstands werte der für die äußere Beschaltung verwendeten Widerstän de von seinem Ausgang einen Spannungswert, der als Ist-Wert der Regler- und Steueranordnung unmittelbar zugeführt wer den kann. Durch den Differenzverstärker wird nämlich der jeweilige Ist-Wert der bestehenden Ausgangsspannung auf einen durch die Regler- und Steueranordnung unmittelbar zu verarbeitenden Spannungswert und gleichzeitig auf das für diese Anordnung maßgebende Bezugspotential gebracht.By using the differential amplifier you get with a suitable choice of connection points and resistance values of the resistances used for the external wiring de from its output a voltage value, which is the actual value the regulator and control arrangement supplied directly to who that can. Because of the differential amplifier respective actual value of the existing output voltage one directly through the regulator and control arrangement voltage value to be processed and at the same time on the relevant reference potential for this arrangement.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Feld effekt-Transistor durch eine in MOS-Technologie integrier te und die Parallelschaltung einer Mehrzahl solcher Tran sistoren enthaltende Transistoranordnung mit extrem nie drigem Kanalwiderstand (Power-MOS-FET) gebildet ist. Es ergibt sich damit eine Ausführungsform, die höhere Strom werte zuläßt, ohne daß dabei Probleme bezüglich der Wärme entwicklung entstehen. Der geringe Verlust infolge des niedrigen Durchlaßwiderstandes vereinfacht den für die Kühlung notwendigen Aufwand.A further development of the invention provides that the field Effect transistor through an integrated in MOS technology te and the parallel connection of a plurality of such Tran transistor arrangement containing transistors with extremely never third channel resistance (power MOS FET) is formed. It This results in an embodiment that has higher current values without causing problems with the heat development arise. The small loss due to the low on resistance simplifies that for Cooling necessary effort.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung liegt die mit dem zweiten Ausgangsspannungsanschlußpunkt verbundene Induktanz mit der Schaltstrecke des Transistors in Reihe. Die An kopplung des invertierenden Eingangs des als Differenz verstärker beschalteten Operationsverstärkers an den ge nannten zweiten Ausgangsspannungspunkt erfolgt über einen Widerstand, wobei zwischen diesem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers ein Rückkopplungswiderstand angeordnet ist. Der nicht invertierende Eingang ist mit dem Teiler punkt einer zwischen dem genannten ersten Ausgangsspan nungs-Anschlußpunkt und dem induktanzfernen Anschlußpunkt der Transistorschaltstrecke liegenden Widerstandsteiler schaltung verbunden. Die zwischen der mit dem Transistor verbundenen Anschluß der Induktanz und dem ersten Aus gangsspannungs-Anschlußpunkt liegende Diode ist derart gepolt, daß sie durch die beim Übergang vom leitenden in den gesperrten Schaltzustand des Transistors induzierten Spannung in Durchlaßrichtung beaufschlag wird.According to a development of the invention, the is with second output voltage connection point connected inductance with the switching path of the transistor in series. The An coupling of the inverting input of the as difference operational amplifier connected to the ge named second output voltage point takes place via a Resistance, being between this input and the output a feedback resistor is arranged in the amplifier is. The non-inverting input is with the divider point one between the first starting chip mentioned voltage connection point and the connection point remote from the inductance the transistor switching path lying resistance divider circuit connected. The one between the one with the transistor connected connection of the inductance and the first off Diode located at the output voltage connection point is such poled that by the transition from senior to induced the blocked switching state of the transistor Voltage is applied in the forward direction.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Patentansprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments of the invention are the other claims.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei spiel der Erfindung beschrieben, das nur die für das Ver ständnis erforderlichen Einzelheiten enthält.An embodiment is shown below with the aid of the drawing Game of the invention described, that only for the Ver contains the necessary details.

Als Ausführungsbeispiel ist ein nach dem Durchflußwandler- Prinzip arbeitender Schaltspannungsregler gezeigt, der die Eingangsgleichspannung Ue in die am Ladekondensator C als Versorgungsspannung für einen Lastkreis LK abnehmbare Aus gangsspannung Ua umwandelt. Die Eingangsgleichspannung kann beispielsweise durch eine in üblicher Weise gleichge richtete und gesiebte Wechselspannung gebildet sein. Der Schalttransistor, der die Gleichspannung zerhackt, ist ein sogenannter Power-MOS-Transistor, der einen extrem niedri gen Kanalwiderstand aufweist. Ein solcher Transistor ent steht durch die Parallelschaltung einer Vielzahl von FET- MOS-Einheiten. Bei einem solchen Transistor handelt es sich um einen spannungsgesteuerten Schalter, wobei unter der Voraussetzung eines n-Substrats zur Durchschaltung die Steuerspannung am Gate G positiv gegenüber der Spannung an Source S sein muß. Der Power-MOS-Transistor TI, dessen Source-Anschluß S mit dem negativen Pol der Eingangsgleich spannung verbunden ist, stellt einen Transistor des ge nannten Typs dar. In Reihe zu der Schaltstrecke S-D liegt als Induktanz die Drosselspule L. Die nicht mit ihr ver bundene Belegung des Ladekondensators C ist mit dem po sitiven Pol der Eingangsspannung und mit einer Diode D 1 verbunden, die weiterhin an den transistornahen Anschluß punkt der Drosselspule L angeschaltet ist. Der Power-MOS- Transistor SI wird durch eine als integrierte Einheit RS vorhandene Regler- und Steueranordnung durch die von ihr am Ausgang Ar gelieferten impulsbreitenmodulierten Impul se einer Taktimpulsfolge konstanter Frequenz angesteuert. Die Einheit RS enthält also u. a. einen Oszillator und einem Pulsbreitenmodulator, durch den in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem jeweiligen Ist-Wert der Aus gangsspannung und einem vorgegebenen Sollwert das Tast verhältnis, d. h. also das Zeitverhältnis zwischen Durch lassen und Sperren festgelegt wird. Die impulsbreitenmo dulierten Ansteuerimpulse, deren Taktfrequenz beispiels weise zwischen 20 kHz und 50 kHz liegt, werden dem Steuer eingang G des Transistors SI zugeführt. Um die Differenz zwischen Istwert- und Sollwert in Impulsbreitensteuerung umzusetzen, kann als Sollwert eine der Einheit RS zuge hörige stabilisierte Spannungsquelle herangezogen werden. Damit der Wert dieser Referenzspannung größenordnungsmä ßig mit dem Wert der über den Differenzverstärker gewon nenen Ist-Spannung übereinstimmt muß gegebenenfalls eine entsprechende Anpassung vorgenommen werden. Dies kann bei spielsweise durch einen aus den Widerständen R 1 und R 2 ge bildeten externen Spannungsteiler erfolgen. Als Versor gungsspannung für die z. B. in monolithischer Ausführung angebotene Regler- und Steueranordnung RS kann in den Fällen, in denen die Eingangsspannung Ue nicht die für den Baustein zulässige Spannung überschreitet, unmittelbar die Eingangsspannung Ue verwendet werden. Sollte die Ein gangsspannung diesen zulässigen Wert überschreiten, so muß, wie dies in der Figur durch den Widerstand R 3 und die Zenerdiode D 2 angedeutet ist, der Spannungwert ent sprechend herabgesetzt werden. Diese Spannung wird auch als Versorgungsspannung für den Operationsverstärker OP verwendet.As an exemplary embodiment, a switching voltage regulator working according to the forward converter principle is shown, which converts the input DC voltage Ue into the output voltage Ua which can be removed from the charging capacitor C as the supply voltage for a load circuit LK . The DC input voltage can be formed, for example, by an AC voltage rectified and screened in a conventional manner. The switching transistor that chops the DC voltage is a so-called power MOS transistor, which has an extremely low channel resistance. Such a transistor is created by connecting a plurality of FET-MOS units in parallel. Such a transistor is a voltage-controlled switch, the control voltage at gate G having to be positive with respect to the voltage at source S, provided that an n substrate is used for switching. The power MOS transistor TI , the source terminal S of which is connected to the negative pole of the DC input voltage, represents a transistor of the type mentioned. In series with the switching path SD , the inductance is the inductor L. The not connected with it the assignment of the charging capacitor C is connected to the positive pole of the input voltage and to a diode D 1 , which continues to be connected to the transistor-close connection point of the inductor L. The power MOS transistor SI is controlled by a controller and control arrangement provided as an integrated unit RS by the pulse-width-modulated pulses of a clock pulse sequence of constant frequency supplied by it at the output Ar . The unit RS thus contains, inter alia, an oscillator and a pulse width modulator, by means of which, depending on the difference between the respective actual value of the output voltage and a predetermined target value, the duty cycle, that is to say the time ratio between passing and blocking, is determined. The pulse width modulated control pulses, the clock frequency example, between 20 kHz and 50 kHz, are fed to the control input G of the transistor SI . In order to convert the difference between the actual value and the setpoint into pulse width control, a stabilized voltage source belonging to the unit RS can be used as the setpoint. In order for the value of this reference voltage to match the value of the actual voltage obtained via the differential amplifier, an appropriate adjustment may have to be made. This can be done for example by an external voltage divider formed from the resistors R 1 and R 2 . As a supply voltage for the z. B. offered in monolithic design regulator and control arrangement RS can be used directly in the cases in which the input voltage Ue does not exceed the allowable voltage for the module, the input voltage Ue . If the input voltage exceeds this permissible value, then, as indicated in the figure by the resistor R 3 and the Zener diode D 2 , the voltage value must be reduced accordingly. This voltage is also used as the supply voltage for the operational amplifier OP .

In dem Prinzipschaltbild nach der Figur ist als Bezugs punkt für die Spannungen der negative Pol der zu regeln den Eingangsgleichspannung gewählt. Bei dem im Prinzip schaltbild gezeigten Schaltregler ohne Potentialtrennung fließt während der Durchlaßzeit des Schalttransistors SI ein linear ansteigender Strom durch die Induktanz L. Die Spannung am nachgeschalteten Ladekondensator C wird auf einen konstanten Wert geregelt, indem der Strom durch die Induktanz je nach Breite des Öffnungsimpulses des Schalt transistors mehr oder weniger ansteigen kann. Während der Sperrzeit des Schalttransistors baut die Induktanz die in ihr gespeicherte Energie durch einen linear abfallenden Strom ab, der über die Rücklaufdiode D 1 fließt.In the basic circuit diagram according to the figure, the negative pole of the DC input voltage to be regulated is chosen as the reference point for the voltages. In the switching regulator shown in principle in the circuit diagram without potential separation, a linearly increasing current flows through the inductance L during the passage time of the switching transistor SI . The voltage at the downstream charging capacitor C is regulated to a constant value by the current through the inductance can increase more or less depending on the width of the opening pulse of the switching transistor. During the blocking time of the switching transistor, the inductance dissipates the energy stored in it by a linearly falling current which flows through the flyback diode D 1 .

Durch den mittels der Widerstände R 4 bis R 7 als Differenz verstärker beschalteten Operationsverstärker OP wird aus gangsseitig eine der Ladespannung Ua proportionale Span nung geliefert. Diese wird als Ist-Spannung Ui dem hier für vorgesehenen Eingang des Regler- und Steuerbausteins RS zugeführt. Bedingt durch den Leitmechanismus des Power- MOS-FET ist das am Ausgangspannungs-Anschlußpunkt A 2 ent stehende Potential nicht eindeutig hinsichtlich des Bezugs punktes definiert. Durch den Einsatz des Differenzverstär kers wird es ermöglicht, die Ist-Spannung auf denjenigen Bezugspunkt zurückzuführen, auf den sich die für die Reg ler- und Steueranordnung maßgebenden Spannungen beziehen. Dies ist beispielsweise der mit dem negativen Pol der Eingangsspannung übereinstimmende Bezugspunkt BP, mit dem im Ausführungsbeispiel auch der Masseanschluß des Bau steins RS verbunden ist. Vermittels des Differenzverstär kers wird weiterhin die der Ausgangsspannung Ua propor tionale und dem Ist-Spannungseingang des Bausteins RS zu geführte Spannung Ui auf einen durch diesen Baustein un mittelbar zu verarbeitenden Spannungswert von beispiels weise 2,5 V gebracht. Der Referenzspannungswert Ur ist die sen Spannungswert angepaßt. Die durch den Differenzver stärker zu bewertenden Potentiale an den Ausgangsspannungs- Anschlußpunkten A 1 und A 2 werden dem jeweiligen Eingang E 1 bzw. E 2 über eine Spannungsteileranordnung bzw. einen Eingangswiderstand zugeführt. Der nicht invertierende Ein gang E 1 wird mit der am Teilerpunkt T 2 eines aus den Wi derständen R 4 und R 5 gebildeten Teilers entstehenden Span ung beaufschlagt. Dieser Spannungsteiler liegt zwischen dem Ausgangsspannungs-Anschlußpunkt A 1 und dem für die Einheit RS gewählten und mit dem negativen Pol der Ein gangsgleichspannung übereinstimmenden Bezugspunkt BP. Das Potential des Ausgangsspannungs-Anschlußpunktes A 2 wird über den Widerstand R 6 dem invertierenden Eingang E 2 zu geführt. Zwischen diesem Eingang und dem Ausgang des Differenzverstärkers liegt der Rückkopplungswiderstand R 7. Die Widerstandswerte für die genannten Widerstände sind so gewählt, daß die Widerstände R 4 und R 6 bzw. die Wider stände R 5 und R 7 wertemäßig übereinstimmen.By means of the operational amplifier OP connected as a differential amplifier by means of the resistors R 4 to R 7, a voltage proportional to the charging voltage Ua is supplied from the output side. This is supplied as the actual voltage Ui to the input of the regulator and control module RS provided here. Due to the guiding mechanism of the Power-MOS-FET, the potential arising at the output voltage connection point A 2 is not clearly defined with respect to the reference point. The use of the differential amplifier makes it possible to trace the actual voltage back to the reference point to which the voltages relevant for the regulator and control arrangement relate. This is, for example, the reference point BP which corresponds to the negative pole of the input voltage and to which the ground connection of the block RS is connected in the exemplary embodiment. By means of the differential amplifier, the voltage Ui, which is proportional to the output voltage Ua and the actual voltage input of the module RS , is further brought to a voltage value of 2.5 V, for example, which can be processed directly by this module. The reference voltage value Ur is adapted to this voltage value. The potentials at the output voltage connection points A 1 and A 2 , which are to be evaluated more strongly by the difference ver, are fed to the respective input E 1 or E 2 via a voltage divider arrangement or an input resistor. The non-inverting input E 1 is acted upon by the voltage at the divider point T 2 of a divider formed from the resistors R 4 and R 5 . This voltage divider lies between the output voltage connection point A 1 and the reference point BP chosen for the unit RS and with the negative pole of the input DC voltage. The potential of the output voltage connection point A 2 is fed to the inverting input E 2 via the resistor R 6 . The feedback resistor R 7 lies between this input and the output of the differential amplifier. The resistance values for the resistors mentioned are chosen so that the resistors R 4 and R 6 or the resistors R 5 and R 7 correspond in value.

Claims

1.Switching voltage regulator for providing a stabilized and regulated output voltage derived from an input DC voltage, which is a semiconductor switch element in the form of a field effect which can be changed as a function of the difference between the setpoint value and the actual value of the output voltage in its duty cycle by a corresponding, preferably integrated regulator and control arrangement -Transistor has, in conjunction with a diode and an inductance in connection with a storage element (charging capacitor) through which the output voltage is available for supplying a downstream load circuit, is replenished, characterized in that the respective actual value by this Value proportional output voltage value of an operational amplifier (OP) connected as a differential amplifier is formed, which has one input (E 1 ) with the potential of the first output voltage connection point (A 1 ) and its other input (E 2 ) m it is coupled to the potential of the second output voltage connection point (A 2 ).

2. Switching voltage regulator according to claim 1, characterized characterized in that the field effect transi stor through an integrated in MOS technology and the Pa parallel connection of a plurality of such transistors ent holding transistor arrangement with extremely low channel resistance (Power MOS FET) is formed.

3. Switching voltage regulator according to claim 1 or claim 2, characterized in that with the second output voltage connection (A 2 ) connected inductance (L) with the switching path (SD) of the switching transistor (SI) is in series that the coupling of the inverting input (E 2 ) of the operational amplifier (OP) connected as a differential amplifier to said second output voltage connection point (A 2 ) via a resistor (R 6 ), a feedback resistor (R 7 ) being arranged between these inverting inputs and the output is that the non-inverting input (E 1 ) with the dividing point (T) between the said first output voltage connection point (A 1 ) and the inductance remote connection point of the transistor path (SD) lying resistance divider circuit (R 4 , R 5 ) connected is.

4. Switching voltage regulator according to claim 3, characterized in that between the connected to the switching transistor (SI) connection of the inductance (L) and the first output voltage connection point (A) lying diode (D 1 ) is polarized so that the the state of the switching transistor (SI) induced voltage in the forward direction is applied during the transition from the conductive to the blocked Schaltzu.

5. Switching voltage regulator according to claim 3 or 4, characterized in that the positive pole (+) of the input voltage (Ue) with the first output voltage connection point (A 1) and the negative pole (-) with the connection point remote from the inductance (Source S) the transistor switching path (SD) is connected.

6. Switching voltage regulator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the control and regulator arrangement (RS) of the output voltage value of the operational amplifier connected as a differential amplifier (OP) is supplied as the actual voltage value, the control (G) of the switching transistor (SI) caused by pulse width-controlled clock pulses.