DE3914069A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung einer aus hochsetzsteller und tiefsetzsteller bestehenden spannungsversorgungseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Versorgung von Gleichstromverbrauchern, die eine konstante Speisespannung benötigen, werden heute im allgemeinen getaktete Wandler eingesetzt, die eine eingangsseitige Gleichspannung oder gleichgerichtete Wechselspannung mit hohem Wirkungsgrad in eine gewünschte Ausgangsgleichspannung umwandeln. Je nachdem, ob die Ausgangsspannung niedriger oder höher als die Eingangsspannung eingestellt werden soll, werden Tiefsetzsteller (Buck-Regler) oder Hochsetzsteller (Boost-Regler) verwendet.

Da einerseits der Tiefsetzsteller nur in dem Bereich arbeitet, in dem die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist, andererseits der Hochsetzsteller in dem Bereich, in dem die Eingangsspannung niedriger ist als die Ausgangsspannung, ist es sinnvoll, beide Wandlerarten nebeneinander oder miteinander kombiniert einzusetzen, wenn mit stark schwankenden, die Ausgangsspannung sowohl zeitweise über - als auch unterschreitenden Eingangsspannungen gerechnet werden muß.

So sind z.B. aus der DE-OS 31 04 965 (hier insbesondere den Fig. 3 bis 7 und zugehörigen Beschreibungen) verschiedene Hochsetz-Tiefsetz-Steller-Kombinationen bekannt, die eine konstante Ausgangsspannung unabhängig von der Höhe der zur Verfügung stehenden Eingangsspannung bereitstellen.

Über die Schaltung, die die Steuerimpulse für die in den Hochsetz-Tiefsetz-Stellern verwendeten Taktschalter erzeugt, ist in der genannten Druckschrift nichts offenbart. Es muß davon ausgegangen werden, daß für jeden Steller eine getrennte Schaltung zur Erzeugung der Schaltimpulse für seinen Taktschalter und zur Regelung der Impulsbreiten in Abhängigkeit von der Höhe der Ausgangsspannung vorgesehen ist und daß dazuhin eine Schaltung vorhanden ist, die die Eingangsspannung mit der Ausgangsspannung vergleicht und, abhängig vom Vergleichsergebnis bestimmt, ob der Tiefsetzsteller oder der Hochsetzsteller aktiviert wird.

Diese Art der Steuerung eines kombinierten Tiefsetz-Hochsetz-Stellers ist unbefriedigend. Es gibt nämlich einen Bereich, in dem die Eingangsspannung ungefähr gleich der Ausgangsspannung ist. In diesem Bereich treten Umschalttoleranzen auf, die eine Abweichung der Ausgangsspannung von der Sollspannung zur Folge haben. Sie rühren daher, daß beim Übergang vom Regelbereich des einen Stellers in den des anderen Stellers immer eine der Regelschaltungen übersteuert wird, was beim Zurückregeln eine zusätzliche Reaktionszeit bewirkt. In diesem Bereich werden deshalb SpannungssprÜnge am Eingang direkt an den Ausgang weitergegeben und nicht exakt ausgeregelt. Außerdem erfordert die Umschaltung zwischen beiden Stellersystemen und der Vergleich zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung erheblichen Bauelementeaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung zu schaffen, die bei einer Kombination aus Hochsetz- und Tiefsetzsteller mit möglichst wenig Aufwand an Bauelementen einen stufenlosen Übergang vom Tiefsetzbetrieb in den Hochsetzbetrieb und umgekehrt und eine exakte Regelung der Ausgangsspannung über die Arbeitsbereiche beider Steller hinweg ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Steuerschaltung nach der Erfindung erfolgt keine Umschaltung der beiden Stellersysteme sondern deren überlappender Betrieb. Welches Stellersystem in Betrieb ist, wird dabei nicht primär vom Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung bestimmt, sondern allein von Richtung und Betrag der Abweichung der Ausgangsspannung vom eingestellten Sollwert. Es entfällt dadurch die Erfassung und Bewertung der Eingangsspannung. Liegt die Sollspannung im Bereich unterhalb der Eingangsspannung, so wird vor allem der Tiefsetzsteller benutzt, um die Ausgangsspannung der Sollspannung nachzuführen. Bei Abweichungen der Ausgangsspannung, die deren Korrektur nach oben erfordern, kann aber zusätzlich der Hochsetzsteller in Aktion treten und die Nachführung beschleunigen. Liegt die Sollspannung oberhalb der Eingangsspannung, so ist der Tiefsetzsteller hier zwar ständig durchgesteuert, er kann jedoch zu einer Erhöhung der Ausgangsspannung nicht mehr beitragen, wenn diese die Eingangsspannung übersteigt. Eine Erhöhung der Ausgangsspannung muß in diesem Falle vom Hochsetzsteller allein bewirkt werden. Da Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller im gesamten Eingangsspannungsbereich in Betrieb gehen können - ob sie dies tun hängt nur von der Lage der Ausgangsspannung gegenüber der Sollspannung ab - gibt es keine Umschalt­ und Übersteuerungseffekte bei Gleichheit zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung. Da die Steuerimpulse für die Taktschalter der beiden Steller aus denselben, zueinander synchronisierten periodischen Spannungen abgeleitet werden, treten auch keine Phasenverschiebungen der Steuerimpulse zueinander und keine damit verbundenen Ausgangsspannungsschwankungen auf.

Weiterbildungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So betrifft Anspruch 2 die Verwendung einer dreieckförmigen Spannung (z.B. Sägezahnspannung) als periodische Spannung.

Anspruch 3 beschreibt einen einfachen, zur Erzeugung zweier gegenphasigen Sägezahnspannungen geeigneten Generator.

Gegenstand des Patentanspruchs 4 ist die Ausbildung der beiden Komparatoren des Pulsbreitenmodulators.

Die Ansprüche 5 und 6 geben Ausführungsbeispiele für die zur Bildung von Ansteuerimpulsen für den Taktschalter des Hochsetzstellers verwendete Steuerschaltung an.

Anspruch 7, schließlich, sieht eine Gegenkopplung vor, die die Regelung der beiden Steller stabilisiert und Unterschiede im Regelverhalten des Tiefsetz- und des Hochsetzstellers nicht zur Wirkung kommen läßt.

Anhand von 4 Figuren sollen nun Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ausführlich beschrieben und ihre Funktion erklärt werden.

Fig. 1 zeigt verschiedene, mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung anzusteuernde, bekannte getaktete Wandler,

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit in Reihe geschalteten Und-Gliedern zur Erzeugung der Steuerimpulse für den Taktschalter des Hochsetzstellers,

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer aus parallelen Und-Gliedern aufgebauten Steuerschaltung für den Taktschalter des Hochsetzstellers,

Fig. 4 zeigt Signalverläufe zur Verdeutlichung der Funktion der Schaltungsanordnung.

In Fig. 1 sind schematisch unter a) ein Hochsetzsteller, unter b) ein Tiefsetzsteller und unter c) ein kombinierter Hochsetz-Tiefsetz-Steller dargestellt. Alle drei Steller setzen eine an einem Eingangskondensator C _E anliegende Eingangsgleichspannung U _E in eine Ausgangsspannung U _A um, die an einem Ausgangskondensator C _A ansteht und deren Höhe von der Eingangsspannung verschieden ist. Alle drei Steller benötigen zur Spannungswandlung eine Speicherinduktivität L 1, L 2 und L 3 und mindestens einen Taktschalter SCH, SCH _T , SCH _H , der die Speicherinduktivität taktet. Dioden D 1, D 2, D 3 und D 4 wirken als Ventile und sorgen dafür, daß während der Stromflußphase in der Speicherinduktivität magnetisch gespeicherte Energie während der Abmagnetisierungsphase, in der der Taktschalter abgeschaltet ist, über einen Freilaufstromkreis in den Ausgangskondensator gelangt. Der bzw. die Taktschalter werden von einer Steuerschaltung ST 1, ST 2, ST 3 angesteuert, die, abhängig von der Höhe der Ausgangsspannung in bezug auf eine Sollspannung, Steuerimpulse veränderlicher Breite auf die Steueranschlüsse der Taktschalter ausgibt. Die Breite der Steuerimpulse wird dabei so geregelt, daß die Ausgangsspannung der Sollspannung nachgeführt wird.

Während der Tiefsetzsteller (Fig. 1b) nur Ausgangsspannungen erzeugen kann, die kleiner als die Eingangsspannung sind, und seine größte Ausgangsleistung bei dauernd geschlossenem Schalter SCH liefert, kann der Hochsetzsteller auch Ausgangsspannungen liefern, die höher sind als die Eingangsspannung. Seine größte Leistung gibt der Hochsetzsteller ab, wenn er mit einem Impuls-Pausen-Verhältnis von 1 : 1 getaktet wird.

Kombinierte Hochsetz-Tiefsetzsteller sind dann von Vorteil, wenn die Ausgangsspannung aus unterschiedlichen oder stark schwankenden Eingangsspannungen gewonnen werden muß und die Ausgangsspannung deshalb zeitweise höher und zeitweise niedriger als die Eingangsspannung liegt. Der in Fig. 1c) dargestellte kombinierte Steller stellt eine Reihenschaltung aus Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller dar, in der dieselbe Speicherinduktivität L 3 für beide Steller Verwendung findet. Kombinierte Hochsetz-Tiefsetz-Steller lassen sich aber auch durch Parallelschalten von Hochsetzstellern und Tiefsetzstellern realisieren.

Um eine Hochsetz-Tiefsetzsteller-Schaltung, wie sie in Fig. 1c) dargestellt ist, mit dem besten Wirkungsgrad zu betreiben, sollte die Steuerschaltung ST 3 in dem Bereich, in dem die Ausgangsspannung UA niedriger als die Eingangsspannung UE ist, den Taktschalter SCH _T des Tiefsetzstellers takten. Im Bereich höherer Ausgangsspannung sollte der Taktschalter des Tiefsetzstellers durchgesteuert und der Taktschalter SCH _H des Hochsetzstellers getaktet werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung erfüllt diese Bedingungen.

Sie enthält zur Pulsbreitenmodulation zwei Komparatoren K 1 und K 2, in diesem Falle Operationsverstärker, denen an ihren nicht invertierenden Eingängen eine von der Lage der Ausgangsspannung gegenüber einer Sollspannung abhängige Stellspannung und an ihren invertierenden Eingängen je eine von zwei gleichen, jedoch gegenphasig zueinander verlaufenden Dreieckspannungen zugeführt werden, welche einem Sägezahngenerator SG entnommen werden. Die Gegenphasigkeit der Dreieckspannungen wird dadurch sichergestellt, daß zwei RC-Glieder R 1, C 1 und R 2, C 2 gleicher Zeitkonstante von den Spannungen zweier komplementärer Ausgänge eines einzigen bistabilen Schaltgliedes FF beaufschlagt werden. Das bistabile Schaltglied wird von einem Rechteckgenerator RG mit symmetrischer Ausgangsspannung angesteuert.

Die Ausgangsspannungen der Komparatoren werden einerseits den Eingängen eines Oder-Gliedes OG 1 zugeführt, dessen Ausgang über eine Tiefsetz-Steuerleitung T den Taktschalter des Tiefsetzstellers beaufschlagt, andererseits werden sie in eine Hochsetz-Steuerschaltung S 1 eingegeben und dort in einem ersten Und-Glied UG 1 miteinander konjunktiv verknüpft. Das Ausgangssignal dieses Und-Gliedes wird in einem weiteren Und-Glied UG 2 mit dem Ausgangssignal des Rechteckgenerators RG verknüpft. Der Ausgang des weiteren Und-Gliedes UG 2 steuert über eine Hochsetz-Steuerleitung H den Taktschalter des Hochsetzstellers an.

Die Erzeugung der den Komparatoren zugeführten Stellspannung erfolgt in einem Summierglied SU mittels Addition eines im eingangsseitigen Leistungskreis gewonnenen, stromproportionalen Gegenkopplungssignales zu einer die Abweichung der Ausgangsspannung von einer Sollspannung wiedergebenden Regelspannung. Letztere wird dabei dem Ausgang eines Operationsverstärkers RS entnommen, dessen invertierender Eingang über einen Vorwiderstand R 3 und einen Regeleingang RE mit der Ausgangsspannung des kombinierten Hochsetz-Tiefsetzstellers und dessen nicht invertierender Eingang mit einer Referenzspannungsquelle RF verbunden ist, die die einzustellende Sollspannung wiedergibt. Infolge eines aus dem Widerstand R 4 und dem Kondensator C 3 bestehenden RC-Gliedes im Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers RS wirkt dieser als Integralregler.

Das stromproportionale Gegenkopplungssignal wird mittels eines nicht dargestellten, in den Eingangsstromkreis eingefügten Shunt-Widerstandes oder eines Stromwandlers gewonnen und über einen Stromsignaleingang ST einem Tiefpaßfilter TP zugeführt, das die Taktfrequenz ausfiltert und das Gegenkopplungssignal dann an die Summierschaltung SU weitergibt.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht in Ausführung und Funktion weitgehend der im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Schaltung. Allein die Hochsetz-Steuerschaltung S 2 unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten Hochsetz-Steuerschaltung S 1. Hier werden die Komparator-Ausgangsspannungen parallel zwei Und-Gliedern UG 3 und UG 4 zugeführt. Diese besitzen je zwei weitere Eingänge, von denen je einer mit dem Ausgangssignal des Rechteckgenerators RG, der andere mit einem der Ausgangssignale des bistabilen Schaltgliedes FF beaufschlagt wird. Dabei wird den Und-Gliedern jeweils dasjenige Ausgangssignal des bistabilen Schaltgliedes zugeführt, aus dem die Dreieckspannung gewonnen wird, mit der der mit dem jeweiligen Und-Glied verbundene Komparator arbeitet. Die Ausgänge der beiden Und-Glieder sind über ein Oder-Glied OG 2 auf die Hochsetz-Steuerleitung H geführt.

In Fig. 4 ist oben der zeitliche Verlauf der den Komparatoren K 1 und K 2 zugeführten Dreieckspannungen U _{SG 1}, U _{SG 2} des Sägezahngenerators SG dargestellt.

Beide Spannungen sind in Frequenz und Amplitude gleich, jedoch um 180° gegeneinander phasenverschoben.

Eine Spannung U _RS , die, sofern die Wirkung der stromproportionalen Gegenkopplung des einfacheren Verständnisses wegen einmal außer acht gelassen wird, der den Komparatoren zugeführten Stellspannung entspricht und der Regelschaltung entnommen wird, wird infolge der Regelung so lange in ihrer Höhe nach oben oder nach unten verschoben, bis die Ausgangsspannung der Sollspannung entspricht. Dadurch stellt sich ein vom Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung abhängiges Stellspannungsniveau an den nichtinvertierenden Eingängen der Komparatoren ein.

Ist die Eingangsspannung höher als die eingestellte Ausgangsspannung hat die Stellspannung U _RS beispielsweise den in Fig. 4, links eingezeichneten Wert. Die Komparatoren geben nur noch dann ein positives Ausgangssignal aus, wenn die an ihren invertierenden Eingängen anstehende Dreieckspannung die Stellspannung unterschreitet. Dies ist für beide Komparatoren abwechselnd für kurze Zeit der Fall. Über das Oder-Glied OG 1 wird deshalb eine in Fig. 4 ebenfalls dargestellte Taktimpulsfolge als Steuerspannung U _T für den Taktschalter des Tiefsetzstellers ausgegeben.

Sinkt die Eingangsspannung ab oder wird die Sollspannung erhöht, so wird die Ausgangsspannung kurzzeitig niedriger als die Sollspannung. Dies hat ein Anheben des Stellspannungsniveaus und damit eine Verbreiterung der Taktimpulse für den Tiefsetzsteller und ein Ansteigen der Ausgangsspannung zur Folge. Hat das Stellspannungsniveau bei weiterem Absinken der Eingangsspannung oder Anheben der Sollspannung die Mittenspannung der Dreieckspannungen erreicht, so ist der Tiefsetzsteller, wie in der Mitte von Fig. 4 dargestellt, voll durchgesteuert, wobei die Steuerspannung U _T , wie die Schraffur in Fig. 4 anzeigen soll, abwechselnd von einem und vom anderen Komparator geliefert wird.

Der Hochsetzsteller, dessen Ansteuerung, wie aus Fig. 2 hervorgeht, positives Ausgangssignal an beiden Komparatoren zugleich voraussetzt, ist bisher nicht aktiv. Erst bei weiterem Ansteigen des Stellspannungsniveaus infolge Überschreitens der Eingangsspannung durch die Sollspannung gibt es, wie in Fig. 4, rechts ersichtlich, Überlappungsbereiche ÜB, in denen beide Komparatorausgänge positives Signal abgeben. Innerhalb dieser Überlappungsbereiche erhält das zweite Und-Glied UG 2 in Fig. 2 positives Signal auf einen seiner Eingänge. Da ihm an seinem zweiten Eingang das Ausgangssignal U _RG des Rechteckgenerators, das die doppelte Frequenz der Dreieckspannung aufweist, zugeführt wird, gibt es, wie in Fig. 4, unten rechts erkennbar, nur während der Hälfte des Überlappungsbereiches eine Steuerspannung U _H auf den Taktschalter des Hochsetzstellers aus. Diese Halbierung des Überlappungsbereiches ist erforderlich, da sonst im Falle weiterer Erhöhung des Stellspannungsniveaus der Hochsetzsteller über ein Impuls-Pause-Verhältnis von 1 : 1 hinaus, übersteuert würde.

Infolge der exakten Gegenphasigkeit der beiden Dreieckspannungen arbeiten beide Steller einander überlappend und unabhängig voneinander.

Bei plötzlicher starker Abweichung der Ausgangsspannung von der Sollspannung (z.B. bei Spannungseinbruch infolge Zuschaltung kapazitiver Lasten) können auch im Bereich, in dem die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist, beide Steller arbeiten, was, besonders bei Parallelschaltung von Hochsetz- und Tiefsetzsteller ein schnelleres Ausregeln der Abweichung ermöglicht. Eine Übersteuerung des Hochsetzstellers kann nicht stattfinden, da dieser mit Erreichen der Sollspannung durch die Ausgangsspannung, sofern die Eingangsspannung weiterhin höher als die Sollspannung bleibt, automatisch seinen Betrieb einstellt.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung einer aus einem Hochsetzsteller und einem Tiefsetzsteller bestehenden Spannungsversorgungseinheit, mit Schaltungsteilen zur Versorgung der Taktschalter der beiden Steller mit Ansteuerimpulsen und zur Pulsbreitenmodulation dieser Ansteuerimpulse in Abhängigkeit von einer Regelschaltung, die die Ausgangsspannung der Spannungsversorgungseinheit mit einer Referenzspannung vergleicht und bei Abweichen der Ausgangsspannung von dieser Referenzspannung eine der Abweichung entgegengerichtete Veränderung der Ausgangsspannung veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein beiden Stellern gemeinsam zugeordneter Pulsbreitenmodulator vorgesehen ist, der zwei Komparatoren (K 1, K 2) aufweist, welche aus zwei von einem hierfür geeigneten Generator (SG) gelieferten, gleichen, jedoch gegenphasig zueinander ausgegebenen periodischen Spannungen wechselweise Ausgangsimpulse bilden und deren Breite abhängig von der Höhe einer ihnen zugeführten, vom Ausgangssignal der Regelschaltung abhängigen Stellspannung einstellen, daß die Augangsimpulse dem Taktschalter des Tiefsetzstellers als Ansteuerimpulse über ein Oder-Glied (OG 1) zugeführt werden und daß zur Bildung von Ansteuerimpulsen für den Taktschalter des Hochsetzstellers eine Hochsetz-Steuerschaltung (S 1, S 2) vorhanden ist, die Komparator-Ausgangsimpulse, deren Breite die halbe Periodendauer der periodischen Spannungen übersteigt, erkennt und Impulsanteile, die über die halbe Periodendauer der periodischen Spannungen hinaus an den Ausgängen der Komparatoren anstehen, in ihrer Dauer halbiert und als Steuerimpulse ausgibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander gegenphasigen periodischen Spannungen einen dreieckförmigen Verlauf haben und einem Sägezahngenerator (SG) entnommen werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sägezahngenerator aus einem Rechteckgenerator (RG) einem diesem nachgeschalten 2 : 1-Frequenzteiler (FF) und zwei mit komplementären Ausgängen des Frequenzteilers verbundenen RC-Gliedern (R 1, C 1; R 2, C 2) gleicher Zeitkonstante besteht, an dessen Kondensatoren (C 1, C 2) die dreieckförmigen Spannungen abgegriffen werden.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Komparatoren (K 1, K 2) Operationsverstärker verwendet werden, an deren einem Eingang jeweils eine der beiden periodischen Spannungen, am anderen Eingang die Stellspannung anliegt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bildung von Ansteuerimpulsen für den Taktschalter des Hochsetzstellers vorhandene Steuerschaltung (S 1) zwei in Reihe geschaltete Und-Glieder (UG 1, UG 2) enhält, von denen das erste die Ausgangsimpulse der Komparatoren miteinander, das zweite das Ausgangssignal des ersten Und-Gliedes (UG 1) mit einem mit der periodischen Spannung synchronisierten, die doppelte Frequenz der periodischen Spannung aufweisenden Rechtecksignal konjunktiv verknüpft.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bildung von Ansteuerimpulsen für den Taktschalter des Hochsetzstellers vorhandene Steuerschaltung (S 2) zwei Und-Glieder (UG 3, UG 4) und ein nachgeschaltetes, die Ausgänge der Und-Glieder disjunktiv verknüpfendes Oder-Glied (OG 2) aufweist, daß jedem der Und-Glieder eine der Komparator-Ausgangsspannungen und zwei mit der periodischen Spannung synchronisierte Rechteckspannungen zugeführt werden, von denen eine die doppelte, die andere die gleiche Frequenz wie die periodische Spannung aufweist, und daß die mit der periodischen Spannung gleichfrequente Rechteckspannung den Und-Gliedern jeweils in der Phasenlage zugeführt wird, die die periodische Spannung am Eingang desjenigen Komparators aufweist, dessen Ausgangsspannung an dem jeweiligen Und-Glied anliegt.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer gemeinsamen Stromzuleitung zu beiden Stellern ein Strommeßglied angeordnet ist, dessen Ausgangssignal über ein Tiefpaßfilter (TP) einem Summierglied (SU) zugeführt wird, welches das Strommeßsignal dem Ausgangssignal der Regelschaltung (RS) bei der Bildung der Stellspannung überlagert.