DE4013477C2 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsspannung mit einem steuerbaren Schalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für die Versorgung elektronischer Geräte werden Gleichspannungswandler benötigt, die eine oder mehrere Gleichspannungen liefern. Bei getakteten Gleichspannungswandlern sind insbesondere die Grundtypen Sperrwandler und Durchflußwandler zu unterscheiden. Dabei wird eine Gleichspannung mit Hilfe eines steuerbaren Schalters in eine Rechteckspannung umgewandelt, die gleichgerichtet und gesiebt wird. Der steuerbare Schalter kann beispielsweise mit Frequenzen zwischen 50 kHz und 200 kHz betrieben werden. Die Schaltfrequenz wird deshalb so hoch gewählt, um ein kleinstmögliches Bauvolumen der benötigten Bauteile, insbesondere der Kondensatoren und Spulen, zu erreichen. Der steuerbare Schalter wird durch Impulse gesteuert, die in ihrer Breite (Einschaltdauer) in Abhängigkeit von Lastschwankungen der Ausgangsspannung moduliert werden. Die Impulse werden von einer Steuerschaltung, beispielsweise einem Pulsbreitenmodulator, erzeugt und an die Steuerelektrode des steuerbaren Schalters gelegt. Zur Regelung der Ausgangsspannung wird aus EMV- Gründen bei konstanter Schaltfrequenz meist die Pulsbreite verändert.

Aus EP-A-0 321 049 ist ein Fernmeldeendgerät mit einem Gleichspannungswandler bekannt. Die Steuerung des Gleichspannungswandlers erfolgt dabei mittels eines Signalprozessors, der aufgrund seiner besonderen inneren Struktur auch komplizierte Rechenoperationen mit hoher Geschwindigkeit ausführen kann und beispielsweise speziell für die Verarbeitung von Sprachsignalen eingesetzt wird.

In dem Aufsatz "16-Bit-Mikrokontroller steuert Hochleistungsnetzgerät", erschienen in de/der Elektromeister und Deutsches Elektrohandwerk, de 19/88, Seiten 1319- 1324", offenbart H. Bernstein ein Schaltregler-Netzgerät, dessen Schaltregler bestehend aus einem Operationsverstärker, einem Rechteckgenerator und einem UND- Gatter durch einen Mikrokontroller ersetzt wird. Der Mikrokontroller verfügt neben einem Ausgang für eine Puls- Breiten-Modulation (PWM) über vier analoge Eingänge, die einem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden. Mit dem PWM- Ausgangssignal wird ein Schalttransistor angesteuert, während die Analo-Digital-Wandler die Ausgangs- und Referenzspannung in einen digitalen Wert umsetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem unter Beibehaltung eines geringen Bauvolumens die Ansteuerung des steuerbaren Schalters auf kostengünstige Weise erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß für ein geringes Bauvolumen des Gleichspannungswandlers zwar Schaltfrequenzen des steuerbaren Schalters von beispielsweise 50 bis 200 kHz notwendig sind, für den Regelvorgang jedoch Frequenzen von wenigen kHz völlig ausreichend sind, da der Regelvorgang auch dann bereits im Millisekundenbereich erfolgt.

Der steuerbare Schalter wird dabei mit einer hohen Schaltfrequenz getaktet und ermöglicht so ein geringes Bauvolumen der im Gleichspannungswandler enthaltenen Kondensatoren und Spulen. Der Mikroprozessor übernimmt die Aufgabe zur Erzeugung der den steuerbaren Schalter ansteuernden Impulse. Dabei erfolgt eine beispielsweise durch Schwankungen der Ausgangsspannung hervorgerufene Änderung der Impulsbreite, d. h. der Einschaltdauer des steuerbaren Schalters mit einer gegenüber der Schaltfrequenz des steuerbaren Schalters verringerten Frequenz.

Die Einschaltdauer wird erst nach einer vorgebbaren An­ zahl von Einschaltzyklen verändert. Hierdurch wird es möglich, als Mikroprozessoren "langsame", handelsübliche und somit preiswerte Typen zu verwenden, ohne die Regel­ eigenschaften des Gleichspannungswandlers zu verschlech­ tern. Somit wird eine kostengünstige Verwendung von Mi­ kroprozessoren zur Regelung von Gleichspannungswandlern ermöglicht, die bisher aufgrund der für hohe Frequenzen erforderlichen kostenaufwendigen Signalprozessoren gegen­ über analogen Regelschaltungen ausschied.

Bei einer Ausgestaltungsform bildet der Mikroprozessor aus einem aus der Ausgangsspannung durch A/D-Wandlung ge­ bildeten Digitalsignal und einem in einem Speicher des Mikroprozessors abgelegten Referenzwert ein Differenzsi­ gnal und aus dem Differenzsignal durch Unterabtastung ein Regelsignal, das über eine Treiberstufe den steuerbaren Schalter ansteuert.

Dazu wird dem Mikroprozessor die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zugeführt. Die A/D-Wandlung der Ausgangsspannung kann durch einen dem Mikroprozessor vor­ geschalteten externen A/D-Wandler erfolgen oder der Mi­ kroprozessor weist bereits die Möglichkeit zur A/D-Wand­ lung auf. Der aus der Ausgangsspannung durch A/D-Wandlung erhaltene jeweilige Digitalwert des Digitalsignals bildet den Ist-Wert und wird mit dem im Mikroprozessor gespei­ cherten digitalen Referenzwert verglichen. Durch die Un­ terabtastung und das daraus gebildete Regelsignal für die Treiberstufe wird bewirkt, daß die Einschaltdauer des steuerbaren Schalters für eine vorgebbare Anzahl von Ein­ schaltzyklen beibehalten wird. Die Unterabtastung kann dabei auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß die Schaltfrequenz des steuerbaren Schalters ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Unterabtastung beträgt. Der Mikroprozessor liefert bei dieser Ausgestaltungsform an die Treiberstufe die "schnelle" erste Taktfrequenz als Schaltfrequenz des steuerbaren Schalters, während die "langsame" zweite Taktfrequenz die Arbeitsfrequenz des Mikroprozessors und damit die Frequenz für die Änderung der Einschaltdauer festlegt.

Bei einer weiteren Ausgestaltungsform wird das Differenz­ signal vor der Unterabtastung gefiltert. Durch die Fil­ terung können Stabilitätsprobleme der aus dem Mikropro­ zessor und der Treiberstufe gebildeten Regelschleife aus­ geglichen werden.

Bei einer Ausgestaltungsform erfolgt nach der Unterabtas­ tung eine Quantisierung. Der Quantisierer liefert für ei­ nen bestimmten Wertebereich jeweils einen diskreten Wert zur Steuerung der Treiberstufe und bewirkt eine Anpassung zwischen der gewünschten Auflösung und der durch den Mi­ kroprozessor vorgegebenen Auflösung.

Bei einer weiteren Ausgestaltungsform bildet der Mikro­ prozessor aus dem Digitalsignal und dem Referenzwert ein Überwachungssignal. Aufgrund des digital arbeitenden Mi­ kroprozessors ist damit auf einfache Weise eine Überwa­ chung des Regelvorgangs und somit der Schwankungen der Ausgangsspannung möglich.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt das Blockschaltbild eines Gleichspan­ nungswandlers.

Die Figur zeigt einen Gleichspannungswandler 1, an dessen Eingang eine Eingangsspannung Ue anliegt. Der Gleichspan­ nungswandler 1 weist einen steuerbaren Schalter 13 auf, der von einem Steuersignal A einer Treiberstufe 7 ge­ steuert wird. Am Ausgang des, beispielsweise als Sperr- oder Durchflußwandler ausgebildeten, Gleichspannungswand­ lers 1 liegt eine Ausgangsspannung Ua. Die Regelung der Ausgangsspannung Ua erfolgt mittels eines Mikroprozes­ sors 12, der in Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ua ein Regelsignal E für die Treiberstufe 7 erzeugt. Für die vom Mikroprozessor 12 im einzelnen auszuführenden Arbeits­ schritte wurden in der Figur aus Gründen der Übersicht­ lichkeit einzelne Blöcke eingezeichnet, die vom Mikropro­ zessor 12 im wesentlichen als Software ausgeführt wer­ den. Dazu wird dem Mikroprozessor 12 die Ausgangsspan­ nung Ua zugeführt, die zunächst mittels eines A/D-Wand­ lers 2 in ein Digitalsignal Ud gewandelt wird. Die Werte des Digitalsignals Ud werden mit einem in einem Spei­ cher 9 gespeicherten Referenzwert Uref mittels eines Ver­ gleichers 3 verglichen. Dem Vergleicher 3 ist ein Fil­ ter 4 in Reihe mit einem Unterabtaster 5 und einem Quan­ tisierer 6 nachgeschaltet. Der Unterabtaster 5 wird mit einer zweiten Taktfrequenz f2 getaktet. Am Ausgang des Quantisierers 6 liegt das Regelsignal E für die mit einer ersten Taktfrequenz f1 getaktete Treiberstufe 7. Die er­ ste Taktfrequenz f1 wird von einem Taktgenerator 8 gelie­ fert und beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der zweiten Taktfrequenz f2. Dazu wird die zweite Taktfrequenz f2 aus der ersten Taktfrequenz f1 mittels eines Taktteilers 14 abgeleitet. Die Treiberstufe 7 erzeugt aus dem Regelsi­ gnal E das Steuersignal A zur Regelung der Pulsbreite (Einschaltdauer) des steuerbaren Schalters 13 des Gleich­ spannungswandlers 1. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Mikroprozessor 12 außerdem eine Überwachungseinrichtung 10 auf, der das aus der Aus­ gangsspannung Ua abgeleitete Digitalsignal Ud sowie der Referenzwert Uref zugeführt werden. Die Überwachungsein­ richtung 10 steuert eine Signalisierungseinrichtung 11, die ein Überwachungssignal S liefert.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt im Mikroprozessor 12 zunächst mittels des A/D- Wandlers 2 eine Wandlung der analogen Ausgangsspannung Ua in das Digitalsignal Ud. Dieses wird mit dem im Spei­ cher 9 enthaltenen Referenzwert Uref, der als Sollwert vorher programmiert wurde, mit Hilfe des Vergleichers 3 verglichen. Der am Ausgang des Vergleichers 3 anliegende Differenzwert Udif aus dem Referenzwert Uref und dem je­ weiligen Wert des Digitalsignals Ud stellt eine Meßgröße für den Fehler der Ausgangsspannung Ua dar und gelangt anschließend zum Schleifenfilter 4. Das Schleifenfilter 4 bildet softwaremäßig das Verhalten eines analogen Schlei­ fenfilters nach und dient der Beseitigung von Stabili­ tätsproblemen des Regelkreises, so daß durch eine geeig­ nete Auslegung des Schleifenfilters 4 die Stabilität des Regelkreises sichergestellt werden kann. Der so gefilter­ te Wert am Ausgang des Schleifenfilters 4 wird zunächst dem Unterabtaster 5 und anschließend dem Quantisierer 6 zugeführt. Hierdurch wird eine Reduzierung des Rechenauf­ wands bzw. eine Verminderung der Rechenzeit des Mikropro­ zessors 12 bewirkt. Damit wird es möglich, langsame han­ delsübliche und damit preiswerte Bauteile zu verwenden. Die Werte am Ausgang des Quantisierers 6 bilden das Re­ gelsignal E der beispielsweise als Pulsbreitenmodulator 7 ausgebildeten Treiberstufe, die hieraus das Steuersi­ gnal A zur Regelung der Pulsbreite des steuerbaren Schal­ ters 13 berechnet. Die Treiberstufe 7 arbeitet dabei mit der ersten Taktfrequenz f1, die ein ganzzahliges Viel­ faches der zweiten Taktfrequenz f2 beträgt. Damit erhält der Pulsbreitenmodulator 7 einen festen Grundtakt in Form der ersten Taktfrequenz f1, jedoch wird die Einschalt­ dauer des Steuersignals A für mehrere Einschaltzyklen beibehalten und erst nach jeweils einem vorgebbaren Viel­ fachen der Einschaltzyklen verändert (Unterabtastung). Dabei wird die Einschaltdauer des steuerbaren Schal­ ters 13 durch den Mikroprozessor 12 nicht kontinuier­ lich, sondern in quantisierter Form vorgegeben, d. h. der Quantisierer 6 liefert jeweils für einen bestimmten Wer­ tebereich lediglich einen bestimmten Wert. Diese Wertere­ duzierung führt zu einer Anpassung zwischen der gewünsch­ ten Auflösung und der durch den Mikroprozessor vorgegebe­ nen Auflösung. Die erste Taktfrequenz f1 bestimmt dabei die Schaltfrequenz des steuerbaren Schalters 13, während die zweite Taktfrequenz f2 die Grenzfrequenz des Regelsi­ gnals für die Ausgangsspannung UA kennzeichnet. Auf diese Weise können trotz der geringeren zweiten Taktfrequenz f2 die Vorteile einer hohen ersten Taktfrequenz f1 (Schalt­ frequenz des Gleichspannungswandlers) erhalten bleiben, d. h. ein geringes Raumvolumen der benötigten Bauteile des Gleichspannungswandlers 1. Die zweite Taktfrequenz f2 kann unabhängig von der ersten Taktfrequenz f1 festgelegt werden. Für die zweite Taktfrequtnz f2 sind meist Fre­ quenzen von wenigen kHz völlig ausreichend, da der Regel­ vorgang dann bereits im msec-Bereich erfolgt.

Bei einem am Rechner simulierten Beispiel eines Gleich­ spannungswandlers wird beispielsweise ein handelsüblicher 8-Bit-Mikroprozessor zugrundegelegt, wobei die erste Taktfrequenz f1 des Steuersignals A des Pulsbreitenmodu­ lators 7 beispielsweise 50 kHz beträgt. Für das Regelver­ halten des Gleichspannungswandlers 1 ist jedoch eine Grenzfrequenz von 10 kHz völlig ausreichend. Damit weist der Taktteiler 14 den Faktor 5 auf. Dadurch kann eine einmal im Mikroprozessor 12 in der bereits beschriebenen Weise berechnete (quantisierte) Pulsbreite (Einschalt­ dauer) des Steuersignals A für fünf Zyklen der ersten Taktfrequenz f1 beibehalten werden (Unterabtastung). Diese Anforderungen können von einem 8-Bit-Mikroprozessor noch erfüllt werden und machen so eine preiswerte Reali­ sierung möglich.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Mikroprozessor 12 auch noch die Aufgabe, mit Hil­ fe der Überwachungseinrichtung 10 sowie der Signalisie­ rungseinrichtung 11 und eines von der Signalisierungsein­ richtung 11 erzeugten Überwachungssignals S den Regelvor­ gang des Gleichspannungswandlers 1 zu überwachen. Diese Überwachung ist aufgrund des digital arbeitenden Mikro­ prozessors auf einfache Weise möglich, da dieses in einer geeigneten Zeitlücke abgearbeitet werden kann.

Claims (5)

1. Gleichspannungswandler zur Erzeugung mindestens einer geregelten Ausgangsspannung mit einem steuerbaren Schalter, der mittels eines Mikroprozessors mit breitengeregelten Impulsen (Einschaltdauer) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse (Steuersignal A) eine hohe Frequenz haben und die Regelung mit einer niedrigeren Frequenz arbeitet, sodaß mittels Unterabtastung die Breite der Impulse für ein mindestens der Periode der niedrigen Frequenz entsprechendes Intervall jeweils konstant ist.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (12) aus einem aus der Ausgangs­ spannung (Ua) durch A/D-Wandlung (2) gebildeten Digital­ signal (Ud) und einem in einem Speicher (9) des Mikropro­ zessors (12) abgelegten Referenzwert (Uref) ein Diffe­ renzsignal (Udif) und aus dem Differenzsignal (Udif) durch Unterabtastung (5) ein Regelsignal (E) bildet, das über eine Treiberstufe (7) den steuerbaren Schalter (13) ansteuert.

3. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzsignal (Udif) vor der Unterabtastung (5) gefiltert wird.

4. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Unterabtastung (5) eine Quantisierung (6) erfolgt.

5. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (12) aus dem Digitalsignal (Ud) und dem Referenzwert (Uref) ein Überwachungssignal (S) bildet.