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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren
zum Betreiben von Aufwärtsgleichspannungsumsetzern, die
eine Speicherdrossel umfassen, die durch Schalter geschaltet wird,
so dass eine Eingangsgleichspannung in eine stabilisierte Ausgangsgleichspannung
umgesetzt wird. Außerdem
bezieht sich die Erfindung auf Aufwärtsgleichspannungsumsetzer,
in denen diese Verfahren implementiert sind.
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Es ist ein Aufwärtsgleichspannungsumsetzer bekannt,
dessen Grundschaltung eine Speicherdrossel umfasst, wovon ein Anschluss
mit dem Eingang des Umsetzers verbunden ist und der andere Anschluss über einen
steuerbaren Schalter mit Masse verbunden werden kann und mit der
Anode einer Diode verbunden ist, wovon die Katode mit dem Ausgang
des Umsetzers verbunden ist. Außerdem
umfasst die Schaltung einen Ausgangskondensator, der zwischen den
Ausgang des Umsetzers und Masse geschaltet ist. Eine solche Grundschaltung
eines Aufwärtsgleichspannungsumsetzers
ist z. B. in dem deutschen Lehrbuch "Halbleiterschaltungstechnik" von U. Tietze und
Ch. Schenk, 11. Auflage, veröffentlicht
vom Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1999, auf den Seiten 985–986 beschrieben.
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Außerdem erfordert ein solcher
Umsetzer einen Taktgeber, dessen Taktsignal den Schaltzyklus des
Umsetzers vorgibt, und eine Regulierungsschaltung, die die Ausgangsspannung
des Umsetzers auf einen vorgegebenen Einstellwert reguliert. Ferner muss
eine Steuerschaltung, z. B. eine Logikschaltung, vorgesehen sein,
die den Schalter mit Hilfe der Taktsignale des Takts und mit dem
Ausgangssignal der Regulierungsschaltung steuert.
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In Übereinstimmung mit einem bekannten Verfahren,
das z. B. in
US 5.481.178 (EP617501)
beschrieben ist, kann der wie obenbeschriebene Aufwärtsgleichspannungsumsetzer
wie folgt betrieben werden:
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Zu Beginn jedes Schaltzyklus wird
der Schalter auf EIN gesetzt, so dass in der Speicherdrossel Energie
gespeichert wird, wobei der über
die Speicherdrossel fließende
Strom linear steigt. In dieser Anordnung überwacht die Regulierungsschaltung diesen
Strom, wobei sie den Schalter auf AUS setzt, wenn ein spezifischer
Stromschwellenwert erreicht ist, der von der existierenden Lastsituation
abhängt, was
dazu führt,
dass die in der Speicherdrossel gespeicherte Energie in einer zweiten
Phase des Schaltzyklus an den Ausgang des Umsetzers abgegeben wird.
Der Drosselstrom, der in dieser Phase von seinem am Ende der ersten
Phase erreichten Spitzenwert linear fällt, fließt über die Diode in den Ausgangskondensator
und in einen an den Ausgang des Umsetzers angeschlossenen Verbraucher.
In dieser Anordnung wirken die Speicherdrossel und ihre Eingangsspannung
wie eine Reihenschaltung von zwei Spannungsquellen, was der Grund
dafür ist, dass
die Ausgangsspannung in Bezug auf die Eingangsspannung um die Speicherdrosselspannung steigt.
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Der Stromschwellenwert wird durch
einen Fehlerverstärker
vorgegeben, der einen Wert ausgibt, der proportional zu der Differenz
zwischen einer vorgegebenen Referenzspannung und einer zu der tatsächlichen
Ausgangsspannung des Umsetzers proportionalen Spannung ist, wobei
dieser Wert in einem Komparator mit einem Spannungswert verglichen
wird, der proportional zu dem über
die Speicherdrossel fließenden
Strom ist. Das Ausgangssignal des Komparators steuert die EIN-Zeit
des Schalters.
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Insgesamt führt die Regulierungsschaltung zu
einer Impulsdauermodulation der EIN-Zeit des Schalters, um die gewünschte Sollausgangsspannung
des Umsetzers zu erreichen.
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Zu Beginn des nächsten Schaltzyklus, wie er durch
die Taktsignale des Takts vorgegeben ist, wird der Schalter dann
auf EIN zurückgestellt
und das Verfahren wieder begonnen.
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In diesem bekannten Verfahren wird
der Aufwärtsgleichspannungsumsetzer
außerdem
in Abhängigkeit
von dem Ausgangslaststrom in drei verschiedenen Betriebsarten betrieben:
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Wenn der Laststrom hoch ist, wird
der Umsetzer in einer ersten Betriebsart, der Betriebsart des ständigen Speicherdrossel-Stromflusses,
betrieben, in der ein ständiger
Strom über
die Speicherdrossel fließt
(siehe 1a). In dieser
Anordnung wird der Schalter zyklisch auf EIN/AUS geschaltet, wodurch der
Speicherdrosselstrom in der zweiten Phase des Schaltzyklus, in der
der Schalter auf AUS gesetzt wird, niemals auf null fällt. Die
Spitze-Spitze-Ausgangsspannungswelligkeit ist in dieser Betriebsart sehr
klein.
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Bei einer Verringerung des Laststroms
muss der Durchschnittsstrom, der durch die Speicherdrossel fließt, automatisch
ebenfalls kleiner werden. Zu einem Zeitpunkt wird dann der Durchschnittsspeicherdrosselstrom
so klein, dass er in der zweiten Phase des Schaltzyklus und vor
dessen Ende auf null fällt
(siehe auch 1b). Dies
ist die zweite Betriebsart, die Betriebsart des unterbrochenen Speicherdrossel-Stromflusses.
In dieser Betriebsart verhindert die Diode einen Rückstrom,
wenn der Speicherdrosselstrom auf null gefallen ist.
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Falls die Diode durch einen zweiten
Schalter ersetzt wird, was in bestimmten Anwendungen, z. B. zur
Verringerung des wegen der Diode auftretenden Energieverlusts, vorteilhaft
sein kann, muss er nach dem Abfall des Speicherdrosselstroms auf
null auf AUS signalisiert werden, d. h. muss er in dem nächsten Schaltzyklus
nach dem AUS des ersten Schalters wieder auf EIN signalisiert werden.
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In den zwei beschriebenen Betriebsarten
ist ein verhältnismäßig hoher
Wirkungsgrad des bekannten Aufwärtsgleichspannungsumsetzers
erreichbar. Da der Umsetzer in diesen zwei Betriebsarten mit einer
definierten bekannten Schaltfrequenz betrieben wird, ist die in
der Spannungswelligkeit auftretende Frequenz gleichfalls bekannt,
was das Herausfiltern des am Ausgang auftretenden Rauschens zu einer
verhältnismäßig leichten
Aufgabe macht. Die Welligkeit der Ausgangsspannung umfasst in diesen
Betriebsarten keine Niederfrequenzkomponenten, was für die Verwendung
diese Umsetzer in Telekommunikationsvonichtungen, z. B. in Mobiltelephonen,
eine herausragende Anforderung ist.
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Damit die Regulierungsfunktion in
der Betriebsart des unterbrochenen Speicherdrossel-Stromflusses
weiter verfügbar
ist, muss der steuerbare Schalter wenigstens für eine bestimmte minimale Zeitdauer,
d. h., so lange die Komparatoren der Regulierungsschaltung und der
Logikschaltung der Steuerschaltung ausreichend Zeit haben, auf spezifische
Pegel auszuregeln, auf EIN sein. Wenn die Laststromanforderung in
der Betriebsart mit unterbrochenem Speicherdrossel-Stromfluss sehr niedrig ist,
kann es sein, dass die zum Ausregeln mindestens erforderliche EIN-Zeit
des Schalters zu hoch ist. In der ersten Schaltphase des Schaltzyklus,
während der
der steuerbare Schalter auf EIN gesetzt ist, wird dann in der Drossel
mehr Energie gespeichert, als zu der Zeit erforderlich ist, um den
Laststrom zu erreichen. In diesem Fall kann der Konverter die Ausgangsspannung
nicht mehr regulieren, d. h., verstößt die Ausgangsspannung gegen
ihren definierten Sollwert.
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Um dieses Problem zu umgehen und
einen guten Wirkungsgrad des Umsetzers selbst dann zu erreichen,
wenn der Laststrom sehr klein oder nicht vorhanden ist, wird der
Konverter, wie er aus
US 5.481.178 bekannt
ist, in einer dritten Betriebsart, einer so genannten Auslassungsbetriebsart,
betrieben. Um die in der Speicherdrossel gespeicherte Energie an
die Anforderung eines sehr niedrigen oder nicht vorhanden Laststroms
anzupassen, werden in der Auslassungsbetriebsart einzelne Schaltzyklen,
in denen keine Energie in der Drossel gespeichert ist, ausgelassen,
so dass auch keine Energie an die Umsetzerschaltung übergeben
werden kann (siehe
1c).
Somit wird der steuerbare Schalter z. B. nur alle 2, 3 oder nur
alle 10 Schaltzyklen auf EIN gesetzt. Die Anzahl der ausgelassenen
Schaltzyklen hängt
von dem Pegel des zu diesem Zeitpunkt erforderlichen Laststroms
ab, wobei ein Komparator vorgesehen sein kann, der die Ausgangsspannung überwacht
und dem Umsetzer EIN signalisiert, sobald ein kritischer Vergleichswert
nicht mehr erreicht wird, während
er AUS signalisiert, sobald dieser Vergleichswert überschritten
wird.
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Allerdings besitzt die Auslassungsbetriebsart,
insbesondere im Fall von Aufwärtsgleichspannungsumsetzern,
wenn sie zur Verwendung in Telekommunika tionsvorrichtungen gedacht
sind, zahlreiche Nachteile. Somit wird der Aufwärtsgleichspannungsumsetzer
in der Auslassungsbetriebsart mit einer unregelmäßigen Frequenz aktiviert, wobei
die Welligkeit der Ausgangsspannung Niederfrequenzkomponenten umfasst,
was die Rauschfilterung erschwert. Im Vergleich zu den beiden anderen
Betriebsarten ist die Welligkeit der Ausgangsspannung in der Auslassungsbetriebsart
ebenfalls stärker,
was darin begründet
ist, dass die Ausgangsspannung lediglich durch eine einfache Auf-Zu-Schaltung
reguliert wird. Schließlich
ist eine zusätzliche
Schaltungsanordnung erforderlich, die den Aufwärtsgleichspannungsumsetzer
zwischen der Betriebsart mit unterbrochenem Speicherdrosselstrom
und der Auslassungsbetriebsart hin- und herschaltet.
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Somit besteht eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung in der Schaffung von Verfahren zum Betrieb von Aufwärtsgleichspannungsumsetzern
und in der Schaffung von Aufwärtsgleichspannungsumsetzern,
in denen die wie obenbeschriebenen Probleme, die in Aufwärtsgleichspannungsumsetzern
auftreten, die in der Auslassungsbetriebsart bei niedrigen Lastströmen betrieben
werden, gemildert werden, während
gleichzeitig ein guter Wirkungsgrad des Umsetzers erreicht wird,
so dass sie insbesondere zur Verwendung in Telekommunikationsvorrichtungen
geeignet sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein erstes Verfahren in Übereinstimmung
mit der Erfindung zum Betreiben eines Aufwärtsgleichspannungsumsetzers,
der eine Speicherdrossel, wovon ein Anschluss mit dem Eingang des
Umsetzers verbunden ist und der andere Anschluss über einen
ersten steuerbaren Schalter mit Masse und über einen zweiten steuerbaren
Schalter mit dem Ausgang des Umsetzers verbunden werden kann; einen
Taktgeber, der ein erstes Taktsignal, das den Schaltzyklus des Umsetzers
vorgibt, und ein zweites Taktsignal, dessen Zyklus jenem des ersten
Taktsignals entspricht, ausgibt; und eine Regulierungsschaltung,
die die Spannung am Ausgang des Umsetzers auf einen Sollwert reguliert,
umfasst, wobei das Verfahren während
jedes Schaltzyklus die folgenden Schritte umfasst: anfängliches
Setzen des ersten Schalters auf EIN und des zweiten Schalters auf
AUS;
dann Setzen des ersten Schalters auf AUS und des zweiten
Schalters auf EIN, wenn der Strom durch die Speicherdrossel einen
Wert erreicht hat, der durch die Regulierungsschaltung vorgegeben
ist; und
Setzen des zweiten Schalters auf AUS, sofern der Speicherdrossel-Strom
vor dem Ende des Schaltzyklus auf null abgefallen ist, wobei der
zweite Schalter am Ende des Schaltzyklus für eine konstante Zeitspanne,
die durch das zweite Taktsignal vorgegeben ist und im Vergleich
zur Länge
der Schaltzyklen kurz ist, wieder auf EIN zurückgesetzt wird, so dass ein vorübergehender
Energiefluss vom Ausgang des Umsetzers zum Eingang des Umsetzers
erfolgt.
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Die Aufgabe in Übereinstimmung mit der Erfindung
wird außerdem
gelöst
durch eine zweite Betriebsart zum Betreiben eines Aufwärtsgleichspannungsumsetzers,
der eine Speicherdrossel, wovon ein Anschluss mit dem Eingang des
Umsetzers verbunden ist und der andere Anschluss über einen
ersten steuerbaren Schalter mit Masse und über einen zweiten steuerbaren
Schalter mit dem Ausgang des Umsetzers verbunden werden kann; eine
Diode, die zu dem zweiten Schalter parallel geschaltet ist und wovon
die Anode mit dem Eingang des Umsetzers verbunden ist; einen Taktgeber,
der ein erstes Taktsignal, das den Schaltzyklus des Umsetzers vorgibt, und
ein zweites Taktsignal, dessen Zyklus jenem des ersten Taktsignals
entspricht, ausgibt; und eine Regulierungsschaltung, die die Spannung
am Ausgang des Umsetzers auf einen Sollwert reguliert, umfasst, wobei
das Verfahren während
jedes Schaltzyklus die folgenden Schritte umfasst: anfängliches
Setzen des ersten Schalters auf EIN und des zweiten Schalters auf
AUS;
dann Setzen des ersten Schalters auf AUS, wenn der Strom
durch die Speicherdrossel einen Wert erreicht hat, der durch die
Regulierungsschaltung vorgegeben wird; und
Setzen des zweiten
Schalters am Ende des Schaltzyklus für eine konstante Zeitspanne,
die durch das zweite Taktsignal vorgegeben und im Vergleich zur Länge der
Schaltzyklen kurz ist, auf EIN, so dass ein vorübergehender Energiefluss vom
Ausgang des Umsetzers zum Eingang des Umsetzers erfolgt.
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Schließlich wird die Aufgabe in Übereinstimmung
mit der Erfindung gelöst
durch Aufwärtsgleichspannungsumsetzer,
bei denen das erste Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung
und das zweite Verfahren in Übereinstimmung
mit der Erfindung implementiert werden können und die sich aus den Ansprüchen 6 bzw.
8 ergeben.
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Die einfachste Art, die Nachteile
der Auslassungsbetriebsart zu umgehen, wäre es, einfach eine kleine
Ersatzlast aufzunehmen. Allerdings würde dies wegen der in der Ersatzlast
auftretenden ohmschen Verluste den Wirkungsgrad des Umsetzers verringern.
Die Erfindung verfolgt den geschickteren Zugang bei der Überwindung
der Probleme im Zusammenhang mit der Auslassungsbetriebsart, indem sie
den Energiefluss in dem Aufwärtsgleichspannungsumsetzer
am Ende jedes Schaltzyklus für
eine kurze konstante Zeitdauer umkehrt, was es ermöglicht,
den Aufwärtsgleichspannungsumsetzer über den
vollen Laststrombereich mit einer festen Frequenz zu betreiben,
was das Filtern der Ausgangsspannung wesentlich erleichtert. Außerdem ist
die Spitze-Spitze-Ausgangsspannungswelligkeit im Vergleich zu der
von Auslassungsbetriebsartumsetzern niedriger.
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Vorteilhafte Aspekte und weitere
Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung, die nun ausführlich
mit Bezug auf die Zeichnung geschildert wird, in der:
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1a–c drei Graphen sind, die
das Profil des Speicherdrosselstroms in Abhängigkeit von der Zeit für verschiedene
Lasten des Umsetzers in Bezug auf ein Verfahren des Standes der
Technik zum Betreiben eines Aufwärtsgleichspannungsumsetzers mit
drei Betriebsarten graphisch darstellen;
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2 ein
Stromlaufplan einer bevorzugten Ausführungsform eines ersten Aufwärtsgleichspannungsumsetzers
in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist;
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3a–b zwei Graphen sind, die
das Profil des Speicherdrosselstroms in Abhängigkeit von der Zeit für verschiedene
Lasten des Umsetzers in Bezug auf die Verfahren in Übereinstimmung
mit der Erfindung zum Betreiben eines Aufwärtsgleichspannungsumsetzers,
der zwei Betriebsarten umfasst, graphisch darstellen;
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4 ein
Stromlaufplan einer bevorzugten Ausführungsform eines zweiten Aufwärtsgleichspannungsumsetzers
in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist.
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Anhand von 1 sind nun drei Graphen gezeigt, die
die drei Betriebsarten eines bekannten Aufwärtsgleichspannungsumsetzers
zeigen, der wie in der Beschreibung des Hintergrunds ausführlich geschildert
arbeitet, wobei I den Speicherdrosselstrom bezeichnet.
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Nunmehr anhand von 2, die den Stromlaufplan einer bevorzugten
Ausführungsform
eines ersten Aufwärtsgleichspannungsumsetzers
in Übereinstimmung
mit der Erfindung zeigt, wird zunächst die Konfiguration der
Grundsteuerschaltung dieses Umsetzers ausführlich geschildert.
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Sie enthält eine Speicherdrossel L,
wovon ein Anschluss mit dem Eingang 1 des Umsetzers 1 verbunden
ist, an den eine konstante Gleichspannung Ve angelegt wird, wie
sie z. B. von einer Batterie geliefert wird. Der andere Anschluss
der Speicherdrossel L kann über
einen ersten steuerbaren Schalter S1 mit Masse und über einen
zweiten steuerbaren Schalter S2 mit dem Ausgang 2 des Umsetzers
verbunden werden, an den die durch den Umsetzer erzeugte Ausgangsspannung
Va angelegt wird, die auf einem höheren Potential als die Eingangsspannung Ve
ist. Die Schalter können
beispielsweise MOSFETs sein. Zwischen den Eingang 1 des
Umsetzers und Masse ist ein Eingangskondensator Ci und zwischen den
Ausgang 2 des Umsetzers und Masse ein Ausgangskondensator
Ca geschaltet. Schließlich
umfasst die Grundschaltung des Umsetzers den Widerstand R1, der zwischen
den Umsetzerausgang 1 und Masse geschaltet ist und der
eine von dem Umsetzer zu liefernde Last symbolisiert.
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Außer der Grundschaltung umfasst
der wie in 2 gezeigte
Aufwärtsgleichspannungsumsetzer
einen Taktgeber, eine Regulierungsschaltung, eine Steuerschaltung
und eine Schaltung zum Abtasten der Richtung des Stroms, die nun
im Folgenden sämtlich
beschrieben werden:
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Der Taktgeber 3 erzeugt
ein erstes Taktsignal, das den Schaltzyklus des Umsetzers definiert, und
ein zweites Taktsignal, das den gleichen Zyklus wie das erste Taktsignal
besitzt, aber zeitlich dazu versetzt ist und eine Impulsdauer besitzt,
die im Vergleich zu der Taktperiode kurz ist. Die Zeitgebung des zweiten
Taktsignals im Vergleich zu der des ersten Taktsignals ist in dem
Kasten angegeben, der den Taktgeber in 2 symbolisiert.
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Die Regulierungsschaltung, deren
Aufgabe die Regulierung der Ausgangsspannung Va des Umsetzers auf
einen vorgegebenen Sollwert ist, umfasst zunächst einen Fehlerverstärker
4,
der an einem Eingang eine von dem Spannungsteiler R1, R2 abgeleitete
Spannung empfängt,
die proportional zu der tatsächlichen
Ausgangsspannung Va des Umsetzers ist, wobei er deren Differenz
zu einer Referenzspannung Vref, die an seinen anderen Eingang angelegt wird,
verstärkt
und ausgibt. Außerdem
umfasst die Regulierungsschaltung einen Komparator
5, der
an einem Eingang des Ausgangssignal des Fehlerverstärkers empfängt und
an seinem anderen Eingang ein Signal empfängt, das der Spannung über den
Abtastwiderstand Rs entspricht und das zu dem Pegel des über die
Speicherdrossel fließenden
Stroms proportional ist. Eine solche Regulierungsschaltung ist aus
dem Stand der Technik bekannt und ergibt sich z. B. aus der obenerwähnten
US 5.481.178. -
Die Steuerschaltung des Aufwärtsgleichspannungsumsetzers,
wie er in 2 gezeigt
ist, umfasst ein Flipflop 6 und eine Logikschaltung 7.
Das Flipflop 6 empfängt
an seinem Rücksetzeingang
R das Ausgangssignal des Komparators 5 der Regulierungsschaltung
und an seinem Setzeingang S das erste Taktsignal des Taktgebers 3.
Das Ausgangssignal des Flipflops 6 steuert den ersten Schalter
S1. Die Logikschaltung 7 empfängt das Ausgangssignal des
Flipflops 6, das zweite Taktsignal des Taktgebers 3 und
das Ausgangssignal einer Schaltung, die wie oben beschrieben die
Stromrichtung abtastet. Das Ausgangssignal der Logikschaltung 7 steuert
den zweiten steuerbaren Schalter S2.
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Die Schaltung, die die Stromrichtung
abtastet, enthält
einen Komparator 8, wovon ein Eingang mit dem Anschluss
des zweiten Schalters S2 verbunden ist, während der andere Eingang davon
mit dem anderen Anschluss des zweiten Schalters S2 verbunden ist.
Das Ausgangssignal des Komparators signalisiert, ob die Energie
von dem Eingang 1 des Umsetzers zum Ausgang 2 des
Umsetzers fließt
oder umgekehrt.
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Anhand der 3a und b,
in denen das Profil des Speicherdrosselstroms I in Abhängigkeit
von der Zeit in den beiden Betriebsarten des Umsetzers graphisch
dargestellt ist, wird nun das Verfahren zum Betrieb des wie in 2 gezeigten Aufwärtsgleichspannungsumsetzers
erläutert.
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Wenn der Laststrom hoch ist, wird
der Umsetzer wie der bekannte Umsetzer in der Betriebsart mit ununterbrochenem
Speicherdrossel-Stromfluss, wie sie in 3a gezeigt ist, betrieben. Da diese Betriebsart
bekannt ist, wird sie im Folgenden lediglich kurz beschrieben. Zu
Beginn eines Schaltzyklus, zum Zeitpunkt t1, wird das Flipflop 6 zuerst
durch die Flanke des ersten Taktsignals gesetzt, wobei das Ausgangssignal
dieses Flipflops daraufhin den ersten steuerbaren Schalter S1 auf
EIN setzt. Außerdem wird
das Ausgangssignal des Flipflops an die Logikschaltung angelegt,
die daraufhin ein Ausgangssignal ausgibt, das den zweiten steuerbaren
Schalter S2 auf AUS setzt. Wie aus 3a offensichtlich
ist, steigt der Steuerdrosselstrom anfangs linear, bis der Komparator 5 der
Regulierungsschaltung ein Steuersignal ausgibt, das angibt, dass
die in der Speicherdrossel L gespeicherte Energie ausreichend ist,
um an der zu dem Zeitpunkt vorhandenen Ausgangslast R1 des Umsetzers
die gewünschte
Ausgangsspannung Va zu erreichen. Wie aus 3a offensichtlich ist, ist dies der Zeitpunkt
t2, zu dem der maximale Strom Imax erreicht wird. Hier wird das
Flipflop 6 durch das Steuersignal des Komparators 5 zurückgesetzt,
so dass der Schalter S1 auf AUS gesetzt wird. Das Ausgangssignal
des Flipflops 6 erreicht gleichfalls die Logikschaltung 7,
die daraufhin ein Ausgangssignal ausgibt, das den Schalter S2 auf
EIN signalisiert. Daraufhin wird die in der Speicherdrossel L gespeicherte
Energie an den Ausgangskondensator Ca und an die Last R1 ausgegeben,
wobei der über
die Speicherdrossel fließende
Strom zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t1 + p linear
bis auf einen Minimalwert Imin fällt,
wobei p die Periode des Schaltzyklus bezeichnet. Zu Beginn eines
neuen Schaltzyklus wird die Prozedur wiederholt. In der Betriebsart
mit ununterbrochenem Speicherdrossel-Stromfluss fällt der über die
Speicherdrossel L geleitete Strom nie unter null.
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Wenn ein Laststrom niedrig ist, arbeitet
der Aufwärtsgleichspannungsumsetzer
in Übereinstimmung
mit der wie in 2a gezeigten Erfindung
in der wie in 3b gezeigten
Betriebsart mit unterbrochenem Speicherdrossel-Stromfluss mit einem Rückstrom,
die die Betriebsart mit unterbrochenem Speicherdrossel-Stromfluss,
wie sie bei vorhandenen Umsetzern und bei der Auslassungsbetriebsart üblich ist
(siehe diesbezüglich 1b und c), ersetzt.
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Die wie in 3b gezeigte Betriebsart mit unterbrochenem
Speicherdrossel-Stromfluss
mit Rückstrom
arbeitet anfangs wie die Betriebsart mit ununterbrochenem Speicherdrossel-Stromfluss
(siehe die Zeitpunkte t1, t2 in 3b,
die den in 3a gezeigten entsprechen). Änderungen
treten erstmals zum Zeitpunkt t3 auf, an dem der Speicherdrosselstrom,
der in der Energieübertragungsphase
fließt und
der nun wegen des niedrigen Durchschnittausgangsstroms des Umsetzers
verringert ist, vor dem Ende des Schaltzyklus (t1 + p) den Wert
null erreicht. Da die Ausgangsspannung Ca des Umsetzers nun höher als
die von dem Eingangsende gelieferte Spannung ist, stellt die Schaltung
zum Abtasten der Stromrichtung zunächst sicher, dass kein Rückstrom in
den Eingang des Umsetzers 1 fließen kann. Sobald der Komparator 8 der
Schaltung zum Abtesten der Stromrichtung die inversen Potentialbedingungen "sieht", gibt er ein Steuersignal
an die Logikschaltung 7 aus, das dann den steuerbaren Schalter S2
auf AUS setzt, woraufhin zwi schen den Zeitpunkten t3 und t4, wie
in 3b gezeigt ist, kein
Speicherdrosselstrom fließt.
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Wie in 3b gezeigt
ist, wird kurz vor dem Ende des Schaltzyklus zum Zeitpunkt t4 daraufhin der
zweite steuerbare Schalter S2 erneut auf EIN signalisiert, während der
erste steuerbare Schalter AUS bleibt. Dies erfolgt durch den Impuls
des zweiten Taktsignals, der über
die Logikschaltung 7 den Steuereingang des zweiten steuerbaren
Schalters S2 erreicht. Dadurch wird der zweite Schalter in jedem
Schaltzyklus während
einer genau definierten konstanten und im Vergleich zu der Dauer
eines Schaltzyklus kurzen Zeitdauer "t4 – t1
+ p" am Ende des
Schaltzyklus auf EIN gesetzt. Dies kann z. B. durch die Impulsdauer
des zweiten Taktsignals erreicht werden, die der Länge der
kurzen konstanten Zeitdauer entspricht, wodurch es um diese Impulsdauer
gegen das erste Taktsignal zeitlich verschoben wird. Nun fließt kurzzeitig
ein von dem Ausgang 2 des Umsetzers zum Eingang 1 des
Umsetzers fließender Strom
(Rückstrom) über die
Speicherdrossel L. Zu Beginn des nächsten Schaltzyklus (Zeitpunkt
t1 + p) wird das Flipflop 6 erneut durch das Haupttaktsignal gesetzt,
was dazu führt,
dass der Schalter S1 auf EIN und der Schalter S2 auf AUS gesetzt
wird. Im Ergebnis dessen wird der über die Speicherdrossel fließende Strom
erneut verringert, wobei er durch Null geht, bevor er daraufhin
erneut auf seinen Maximalwert Imax steigt, wie er durch die Regulierungsschaltung vorgegeben
ist.
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Dadurch wird ein Teil der Energie,
die kurzzeitig von dem Ausgang des Umsetzers zu dem Eingang des
Umsetzers fließt,
in dem Eingangskondensator Ci gespeichert. Wenn als die Quelle der
Eingangsspannung eine wiederaufladbare Batterie verwendet wird,
kann folglich außerdem
ein Teil dieser Energie gespeichert werden.
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In der Betriebsart mit unterbrochenem
Speicherdrossel-Stromfluss mit Rückstrom
wird der erste Schalter S1 auf die gleiche Weise wie in den zu Beginn
beschriebenen Betriebsarten, wie sie im Stand der Technik verwendet
werden (Betriebsart mit ununterbrochenem Speicherdrossel-Stromfluss,
Betriebsart mit unterbrochenem Speicherdrossel-Stromfluss), durch
die Regulierungsschaltung akti viert, die gleichfalls auf die gleiche
Weise wie in herkömmlichen
Aufwärtsgleichspannungsumsetzern
arbeitet.
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Der herausragende Unterschied im
Vergleich zu bestehenden Umsetzern ist, dass der Energiefluss durch
die Drossel nun bidirektional stattfindet. Im Fall einer verschwindenden
Laststromanforderung entspricht die Energie des in der Gegenrichtung
fließenden
Stroms, der zwischen den wiederholten EIN des zweiten Schalters
S2 (Zeitpunkt t4) und dem Zeitpunkt des wiederholten Stromflusses
durch Null nach dem Ende des Schaltzyklus fließt, der Energie (dem Vorwärtsstrom),
die dann im Mittel von dem Umsetzereingang an den Umsetzerausgang fließt: Bei
der Anforderung verschwindenden Laststroms entspricht das Zeitintegral über den
Strom über
der Nulllinie (Vorwärtsstrom),
wie er in 3b gezeigt
ist, dem Zeitintegral über
den Strom unter der Nulllinie (wobei 3b den
Fall zeigt, in dem immer noch eine genaue Anforderung eines sehr
niedrigen Laststroms vorhanden ist, was der Grund dafür ist, dass
das Integral über
den Strom über
der Nulllinie größer als
das Integral über
den Strom unter der Nulllinie ist). Dieser Strom gibt keinen Beitrag
zu dem Laststrom und wird zwischen Umsetzereingang und -ausgang
hin- und hergeschaltet. Die Regulierungsschaltung kann sich ausregeln – obgleich
die Laststromanforderung sehr niedrig oder nicht vorhanden ist -,
wobei für
den Wert der EIN-Zeit des ersten Schalters S1 das Gleichgewicht
erreicht wird. Da kein Laststrom erscheint, gibt es keine praktische
Verringerung des Wirkungsgrads des Umsetzers.
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Dieses Verfahren in Übereinstimmung
mit der Erfindung beseitigt die Auslassungsbetriebsart, wie sie
bisher verwendet wurde, zusammen mit allen ihren Nachteilen. Wie
aus 3b offensichtlich
ist, arbeitet die Schaltung nun mit einer konstanten Schaltfrequenz,
selbst wenn der Laststrom sehr niedrig oder nicht vorhanden ist.
In der Welligkeit der Ausgangsspannung sind keine Niederfrequenzkomponenten
mehr vorhanden, was die Rauschfilterung stark vereinfacht. Somit
ist das Verfahren in Übereinstimmung
mit der Erfindung zur Verwendung in Aufwärtsgleichspannungsumsetzern,
wie sie in Telekommunikationsvorrichtungen, z. B. in Mobiltelephonen,
verwendet werden, besonders geeignet. Außerdem erscheint aber eine
niedrigere Spitze-Spitze-Ausgangsspannungswelligkeit als in bestehenden Umsetzern,
die die Auslassungsbetriebsart verwenden.
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In 4 ist
nun der Stromlaufplan einer bevorzugten Ausführungsform eines zweiten Aufwärtsgleichspannungsumsetzers
in Übereinstimmung
mit der Erfindung gezeigt. Dieser Umsetzer unterscheidet sich von
dem wie in 2 gezeigten
Umsetzer lediglich durch die Schaltung zum Abtasten der Stromrichtung,
d. h., der Komparator 8 ist durch eine Diode D ersetzt,
die zu dem steuerbaren Schalter S2 parallel geschaltet ist. Wie
der in 2 gezeigte Umsetzer wird
der wie in 4 gezeigte
Umsetzer mit den zwei wie in 3 gezeigten
Betriebsarten betrieben. In dieser Anordnung wird das Verfahren
durch die Diode D auf die folgenden drei Schritte verringert, wie
sie in jedem Schaltzyklus implementiert werden:
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- 1. Setzen des ersten Schalters auf EIN und
des zweiten Schalters auf AUS zu Beginn des Schaltzyklus;
- 2. Setzen des ersten Schalters auf AUS, wenn der Strom über die
Speicherdrossel L einen Wert erreicht hat, wie er durch die Regulierungsschaltung vorgegeben
ist; und
- 3. Setzen des zweiten Schalters auf EIN am Ende des Schaltzyklus
während
einer Zeitdauer "t4 – t1 + p", wie sie durch das
zweite Taktsignal definiert ist.
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Schließlich wird angemerkt, dass
das Setzen des zweiten steuerbaren Schalters S2 durch das zweite
Taktsignal während
einer Zeitdauer "t4 – t1 + p" jedes Schaltzyklus
in den wie in 2 und 4 gezeigten Umsetzern beständig, d.
h. unabhängig
davon, ob der Umsetzer in der Betriebsart mit ununterbrochenem Speicherdrossel-Stromfluss oder in
der Betriebsart mit unterbrochenem Speicherdrossel-Stromfluss mit
Rückstrom
ist, erfolgen kann, da der Schalter S2 in dem wie in 2 gezeigten Umsetzer in
der Betriebsart mit ununterbrochenem Speicherdrossel-Stromfluss zwischen "t4 – t1 + p" in jedem Fall EIN
ist, während
in dem wie in 4 gezeigten
Umsetzer wegen des EIN des Schalters S2 in der Betriebsart mit ununterbrochenem
Speicherdrossel-Stromfluss lediglich ein weiterer paralleler Stromweg
zu der Diode D geöffnet
wird.