DE602004009766T2

DE602004009766T2 - Gleichstrom-gleichstrom-schaltwandlereinrichtung

Info

Publication number: DE602004009766T2
Application number: DE200460009766
Authority: DE
Inventors: Ionel Dan Tucson JITARU; Bogdan-Tudor Building G6 BUCHERU; Lucian AP 128 HRISCU; Marco Antonio Tucson DAVILA
Original assignee: DET International Holding Ltd
Current assignee: DET International Holding Ltd
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: EP1602167A1; US20060197384A1; DE602004009766D1; WO2004082112A1; ES2295834T3; EP1602167B1; ATE377282T1; CN1784821A; CN100508344C; US7719137B2

Description

Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandlereinrichtung, insbesondere eine Quarter-Brick- oder Eighth-Brick-Einrichtung mit einem Industriestandard-Pinout, umfassend eine Impulsbreitenmodulationsschaltung (PWM) zum Ansteuern eines Leistungsumwandlungsschalters und ein Trimmverbindungsstück zum Einstellen einer Ausgangsspannung der Einrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung und ein Verfahren zum Umwandeln einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung.
Allgemeiner Stand der Technik
Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler, d. h. Einrichtungen, die eine Eingangsgleichspannung annehmen und eine Ausgangsgleichspannung erzeugen, insbesondere auf einem anderen Spannungspegel, weisen in der heutigen Leistungselektronik einen großen Anwendungsbereich auf. Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler werden zum Beispiel für Stromversorgungen, zur Gleichstrommotorsteuerung oder für das Batteriemanagement verwendet. Abgesehen vom Umwandeln der Eingangsgleichspannung sorgen sie für Rauschtrennung, Leistungsbustrennung und so weiter. Die Schaltregler gestatten eine Hochsetzoperation oder eine Spannungsumkehrung und bieten im Vergleich zu Linearreglern eine höhere Effizienz. Das Verwenden eines Transformators als das Energiespeicherungselement gestattet auch die elektrische Trennung der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung.
Die Schaltoperation des Wandlers erzeugt jedoch Rauschen, das unterdrückt werden muss, um zu vermeiden, dass elektromagnetische Störung (EMI – Electromagnetic Interference) andere mit dem Leistungswandler verbundene Einrichtungen beeinflusst. Um dies zu erreichen, wird üblicherweise ein EMI-Filter, d. h. ein geeignetes Tiefpassfilter, auf der Eingangsseite des Wandlers angeordnet. Das EMI-Filter weist die von dem Schaltwandler erzeugte, eine feste Frequenz aufweisende Stromwelligkeit zurück.
In Fällen, wo mehr Leistung in andere Lasten geschickt werden muss oder wo unterschiedliche Ausgangsspannungen geliefert werden müssen, werden bekannterweise mehrere Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler parallel geschaltet. Die Wandler teilen sich den gleichen Eingangsbus und verwenden ein gemeinsames EMI-Filter. Diese Anordnung führt jedoch zu Frequenzschwebungsphänomenen zwischen verschiedenen Wandlern, die sich den gleichen Leitungseingang teilen, so wie zu zusätzlichen niederfrequenten Störungen. Die Spitze-Spitze-Amplitude der Störung kann insgesamt etwa fünfmal höher sein als jene einfach der von einem einzelnen Wandler erzeugten Eingangsstromwelligkeit. Dies erhöht die Leistungsanforderung für das System-EMI-Filter stark. Prinzipiell könnte der größte Teil der auf die parallele Anordnung der Wandler zurückzuführenden Störung durch externes Synchronisieren der Schaltfrequenzen des Wandlers vermieden werden.
US 5,045,712 (Raytheon) betrifft eine Schaltung für das Reduzieren von Welligkeits- und Zwischenmodulationsprodukten auf einer gemeinsamen Wechselstrom- oder Gleichstrom-Versorgungsleitung durch Synchronisieren von Schaltnetzteilen. Jedes der Netzteile wird von einem Schaltimpuls von einem Schaltkreis gesteuert, wobei die Impulse eine entsprechende Phase aufweisen. Im Fall von drei mit einer gemeinsamen Versorgung verbundenen Gleichstrom-Gleichstrom-Stromversorgungen können die jeweiligen Phasen jeweils 120° betragen. Der Schaltkreis zum Steuern des Leistungsschalters eines Wandlers umfasst eine phasensynchronisierte Schleife, die sich ohne weiteres mit der Frequenz des synchronisierenden Signals synchronisiert. Der Ausgang der phasensynchronisierten Schleife ist mit dem Eingang eines monostabi len TTL-Multivibrators verbunden, der die Rechteckwelle (oder Sinuswelle) in eine Folge von Auslöseimpulsen umwandelt. Diese Auslöseimpulse werden an den Impulsbreitenmodulator geschickt, der die Stromversorgung steuert.
Eine Synchronisation ist jedoch nicht leicht möglich mit Grundarten von Schaltwandlern, die für Ausgangsspannungen von mehreren Volt und Ausgangsströme von etwa 10–60 A breite Anwendung haben, nämlich die so genannten „Quarter-Brick"- oder „Eighth-Brick"-Wandler. Diese Arten weisen vordefinierte mechanische Abmessungen und ein Industriestandard-Pinout auf, einschließlich zwei Eingangs- und zwei Ausgangsverbindungsstücken, eines Ein/Aus-Verbindungsstücks zum Fernsteuern der Einrichtung, zwei Ausgangserfassungsverbindungsstücken zur IR-Kompensation sowie eines Trimmverbindungsstücks zum Einstellen der Ausgangsspannung der Einrichtung.
Die Industriestandards Quarter-Brick und Eighth-Brick gestatten jedoch nicht, dass ein eigener Pin für eine externe Frequenzsynchronisation zur Verfügung steht. Deshalb muss eine ausgeklügelte EMI-Filtereinrichtung mit Quarter- oder Eighth-Brick-Wandlern verwendet werden, oder die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung muss völlig neu ausgelegt werden, um spezifische Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler zu nutzen, die eigene Pins zur Synchronisation vorsehen. Beide Möglichkeiten sind teuer und mühsam.
US 5,691,889 (Unitrode) betrifft einen Controller für einen Schaltleistungswandler, der Vorwärtskopplungs- und Synchronisationsmerkmale implementiert. Der Leistungswandler umfasst einen Controller-IC, der ein PWM-Ansteuersignal für den Leistungsschalter des Wandlers erzeugt. Um die Notwendigkeit für einen eigenen Pin zur externen Synchronisation des Controllers zu vermeiden, wird das Synchronisationssignal kapazitiv an den Rück kopplungspin des Controller-IC gekoppelt. Der Rückkopplungspin empfängt ein von dem Ausgangsanschluss des Wandlers über einen Widerstandsteiler kommendes Rückkopplungssignal, um das Taktverhältnis des Leistungsschalters so zu regeln, dass eine konstante geregelte Ausgangsgleichspannung entweder durch eine Spannungs- oder eine Strommodussteuerung aufrecht erhalten wird. Dazu wird das empfangene Rückkopplungssignal von einem Fehlerverstärker mit einer Referenzspannung verglichen, um ein Fehlersignal zu liefern, das schließlich zum Einstellen des Taktverhältnisses des PWM-Ansteuersignals verwendet wird. Intern ist der Rückkopplungspin kapazitiv an eine Synchronisationsschaltung gekoppelt, deren Ausgang an den Oszillator gekoppelt ist, der das Rampensignal an den PWM-Vergleicher und das Taktsignal liefert. Das Synchronisationssignal kann zum Beispiel eine Frequenz aufweisen, die das Doppelte der Frequenz der internen Taktfrequenz des Controllers beträgt. Das an den Rückkopplungspin gekoppelte Synchronisationssignal wird von einem Frequenzkompensationsnetz, das einen Widerstand und zwei Kondensatoren enthält, derart tiefpassgefiltert, dass das Synchronisationssignal die Regelung des Wandlers nicht beeinflusst.
Dieser Controller gestattet, eine zusätzliche Synchronisationsmöglichkeit bereitzustellen, indem ein existierender Pin des Controller-IC des Wandlers verwendet wird. Dies bedeutet jedoch weiterhin, dass eine weitere externe Verbindung zum Wandler vorliegt. Zusätzlich zu den existierenden externen Verbindungsstücken des Wandlers muss zudem ein interner Pin des Wandlers angeschlossen werden.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Herstellung einer Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandlereinrichtung auf dem anfänglich erwähnten Erfindungsge biet mit Quarter-Brick- oder Eighth-Brick-Abmessungen und dem oben beschriebenem Industriestandard-Pinout, die die Rauschreduktion in Fällen gestattet, wenn mehrere Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler parallel angeordnet sind und sich einen gemeinsamen Eingangsbus und EMI-Filter teilen, wobei die Einrichtung kosteneffizient ist und leicht in üblichen Wandlerschaltungen implementiert werden kann.
Die Lösung der Erfindung wird durch die Merkmale von Anspruch 1 spezifiziert. Gemäß der Erfindung umfasst die Einrichtung eine Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung, zwischen das Trimmverbindungsstück und die Impulsbreitenmodulationsschaltung geschaltet, zum Verarbeiten eines an das Trimmverbindungsstück angelegten externen Synchronisationssignals zum Synchronisieren der Impulsbreitenmodulationsschaltung mit einem externen Oszillator, der das externe Synchronisationssignal erzeugt. Die Einrichtung umfasst weiterhin ein zwischen das Trimmverbindungsstück und eine Spannungskompensationsschleife der Einrichtung geschaltetes Tiefpassfilter zum Vermeiden von Störungen der Spannungskompensationsschleife durch das externe Synchronisationssignal.
Die übliche Funktionalität des Trimmverbindungsstücks geht nicht verloren, aber das externe Synchronisationssignal wird, falls sie vorliegt, der Trimmgleichspannung überlagert. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung dient das Trimmverbindungsstück zwei Zwecken, nämlich dem Einstellen der Ausgangsspannung und außerdem zum externen Synchronisieren der Impulsbreitenmodulationsschaltung. Dadurch wird eine Synchronisation von mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern ohne zusätzlichen Synchronisationspin ermöglicht. Dies ist insbesondere in dem Fall der breit verwendeten Quarter- oder Eighth-Brick-Wandler mit dem standardmäßigen Pinout vorteilhaft, weil das Verwenden der erfindungsgemäßen Einrichtungen keine umfassende Neugestaltung der üblichen Wandlerschaltungen weder hinsichtlich der elektrischen Schaltung noch der mechanischen Anordnung erfordert. Aufgrund der zusätzlichen Möglichkeit einer externen Synchronisation kann ein recht einfaches EMI-Filter die von mehreren auf parallele Weise angeordneten erfindungsgemäßen Einrichtungen erzeugte Reststörung bewältigen.
Das Tiefpassfilter weist die hochfrequente externe Synchronisationskomponente des kombinierten Signals zurück, wird aber von der Trimmkomponente durchlaufen, die eine im Wesentlichen konstante Gleichspannung ist. Das Filter wird so gewählt, dass es eine Grenzfrequenz weit unter der Frequenz des externen Oszillators und eine Dämpfung, die die hochfrequente Komponente effektiv unterdrückt, aufweist.
Die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung verarbeitet das rohe Synchronisationssignal auf eine Weise, dass es in der Impulsbreitenmodulationsschaltung direkt verwendet werden kann.
Vorteilhaftweise ist die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung so ausgelegt, dass ein externes Synchronisationsrechtecksignal auf einem 5-V-Spitze-Spitze-Amplitude-TTL-Pegel verarbeitet werden kann. Dadurch kann ein einfacher externer Oszillator verwendet werden, der im Handel leicht erhältlich ist und preiswert ist, d. h. einer, der rechteckiges 5-V-Spitze-Spitze-Amplitude-Signal entsprechend dem TTL-(„Transistor-Transistor-Logik")-Industriestandard erzeugt. Ein derartiges Signal lässt sich leicht übertragen, insbesondere weil es nicht rauschanfällig ist und sich aus dem kombinierten Trimm-/Synchronisationssignal leicht herausfiltern lässt.
Bevorzugt ist die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung so ausgelegt und geschaltet, dass eine Oszillatoreinheit der Impulsbreitenmodulationsschaltung von einem Ausgangssignal der Puffer- und Pegelverschiebungsschal tung gesteuert wird, das an einen R/C-Pin (Remote Control – Fernsteuerung) der Oszillatoreinheit geliefert wird. Der interne PWM wird gesperrt und ändert die Schaltfrequenz des Wandlers von der freilaufenden Frequenz zu der externen Synchronisationssignalfrequenz. Dies gestattet den Einsatz der üblicherweise in Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungswandlern verwendeten, kommerziell erhältlichen Oszillatoreinheiten wie etwa kommerziell erhältlicher stromarmer Strommodus-Push-Pull-PWM-Einheiten.
Bevorzugt ist ein Koppelkondensator zwischen den Trimmpin und die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung geschaltet. Der Kondensator filtert die Gleichstromkomponente (Trimmkomponente) des kombinierten Trimm-/Synchronisationssignals heraus und verhindert dadurch, dass sie die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltungsanordnung stört. Die Kapazität ist derart gewählt, dass das hochfrequente Synchronisationssignal effizient von der niederfrequenten Trimmkomponente getrennt wird.
Eine Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung umfasst:

a) mehrere Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler mit Trimmverbindungen zum Einstellen von Ausgangsspannungen der Wandler, wobei die Wandler derart geschaltet sind, dass sie sich einen gleichen Eingangsbus teilen;
b) ein System-EMI-(Electromagnetic Interference – elektromagnetische Störung)-Filter, den alle Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler gemeinsam haben;
c) einen externen Oszillator, der ein externes Synchronisationssignal an die mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler liefert;
d) wobei der externe Oszillator derart ausgelegt ist, dass eine Frequenz des externen Synchronisationssignals höher ist als eine freilaufende Frequenz jedes der mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler; und
e) wobei der externe Oszillator an die Trimmverbindungsstücke der Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler angeschlossen ist.

Dadurch werden die Schaltfrequenzen aller mit dem externen Oszillator verbundenen Wandler von dem externen Synchronisationssignal synchronisiert, das in Phase an die Trimmverbindungsstücke geliefert wird. Dadurch werden die Frequenzschwebungsphänomene zwischen verschiedenen Wandlern eliminiert.
Vorteilhafterweise ist der externe Oszillator so ausgelegt, dass das externe Synchronisationssignal rechteckig und insbesondere auf einem 5-V-Spitze-Spitze-Amplitude-TTL-Pegel ist. Ein derartiges Signal lässt sich leicht übertragen und leicht aus dem an das Trimmverbindungsstück gelieferten kombinierten Signal herausfiltern.
Bevorzugt sind Koppelkondensatoren zwischen den externen Oszillator und die Trimmverbindungsstücke der Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler geschaltet. Dadurch wird einen Auswirkung der (im Wesentlichen eine Gleichspannung darstellenden) Trimmspannung oder eine andere niederfrequente Störung auf den externen Oszillator vermieden.
Bevorzugt umfasst die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung mindestens eine feste Verzögerungszelle, zwischen dem externen Oszillator und einem der mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler geschaltet, um eine Phasenverschachtelung zwischen verschiedenen Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandlern zu gestat ten.
Dies gestattet, das an einen oder mehrere der mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler angelegte externe Synchronisationssignal derart zu verzögern, dass eine Phasenverschachtelung zwischen verschiedenen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern erzielt wird. Aufgrund der Verschachtelung sind Welligkeitseffekte der verschiedenen frequenzsynchronisierten Wandler nicht additiv, so dass die Amplitude der durch das System-EMI-Filter auszufilternden elektromagnetischen Störung weiter reduziert wird.
Ein Verfahren zum Umwandeln einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen mehrerer Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler zum Einstellen von Ausgangsspannungen der Wandler; und Verbinden der Wandler mit einem gleichen Eingangsbus;
b) Verbinden eines System-EMI-(Electromagnetic Interference – elektromagnetische Störung)-Filters mit dem Eingangsbus;
c) Bereitstellen eines externen Synchronisationssignals mit einer Frequenz, die höher ist als eine freilaufende Frequenz jedes der mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler; und
d) Anlegen des externen Synchronisationssignals an die Trimmverbindungsstücke der Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Kombinationen von Merkmalen ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung unten und der Gesamtheit der Ansprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den zum Erläutern der Ausführungsformen verwendeten Zeichnungen zeigen:
1A–C schematische Darstellungen eines Industriestandard-Quarter-Brick-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers und seiner Trimmfunktionalität;
2 eine schematische Darstellung von mehreren parallel geschalteten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern nach dem Stand der Technik, die sich alle einen gemeinsamen Eingangsbus und ein System-EMI-Filter teilen;
3A–C schematische Darstellungen von Störungseffekten mit Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlung unter Verwendung von Schaltwandlern nach dem Stand der Technik;
4 eine schematische Darstellung einer Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung gemäß der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung gemäß der Erfindung, die das Verzögern des Synchronisationssignals aufweist;
6 eine schematische Darstellung einer Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung der Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlereinrichtung sowie ihres Anschlusses an die interne Oszillatoreinheit; und
8A–D schematische Darstellungen der Wellenform des anfänglichen und verarbeiteten Synchronisationssignals in verschiedenen Stadien der Verarbeitung.
In den Figuren haben die gleichen Komponenten die gleichen Bezugssymbole erhalten.
Bevorzugte Ausführungsformen
Die 1A–C sind schematische Darstellungen eines Industriestandard-Quarter-Brick-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers und seiner Trimmfunktionalität. Die 1A zeigt das Pinout eines standardmäßigen Quarter-Brick-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 1. Er weist acht Pins auf, nämlich zwei Eingangspins 2, 3, angezeigt durch V_in(+) bzw. V_in(–), zwei Ausgangspins 4, 5 V_out(+) und V_out(–), zwei Erfassungspins 6, 7, bezeichnet mit Sense(+) und Sense(–), einen Steuerpin 8 (Ein/Aus) und schließlich einen Trimmpin 9 (Trim). Die Abmessungen einer Quarter-Brick-Einrichtung betragen 37 mm × 58 mm (1,45'' × 2,3''), ihre Höhe beträgt üblicherweise etwa 13 mm oder weniger. Die Pins befinden sich auf einer Teilung von 51 mm (2''). Die Erfassungspins 6, 7 gestatten das Erfassen des Netzspannungsabfalls und dementsprechend das Kompensieren der Ausgangsspannung.
Man beachte, dass sich die Erfindung genauso gut auf Eighth-Brick-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit dem gleichen Pinout wie oben beschrieben anwenden lässt. Ihre Standardgröße beträgt 23 mm × 58 mm (0,90'' × 2,3'') bei einer typischen Breite von etwa 9 mm. Wiederum liegen die Pins auf einer Teilung von 51 mm (2'').
Die Trimmfunktionalität ist schematisch in 1B, 1C dargestellt. Eine Last 10 ist durch Ausgangsleitungen 11, 12 an die Ausgangspins 4, 5 angeschlossen, und die Erfassungsleitungen 13, 14 sind mit den jeweiligen Ausgangsleitungen 11, 12 nahe bei der Last 10 verbunden. 13 zeigt die „Hochtrimm"-Konfiguration, wo die Ausgangsspannung erhöht wird, indem ein Hochtrimmwiderstand 15 zwischen dem Trimmpin 9 und die mit dem Sense(+)-Pin 6 verbundene Erfassungsleitung 13 geschaltet ist. Intern wird die an den Trimmpin 9 angelegte Trimmspannung geeignet mit einer Referenzspannung kombiniert und einem Fehlerverstärker zugeführt, wo die kombinierte Spannung mit der tatsächlichen Ausgangsspannung verglichen wird. Je nach der Ausgabe des Fehlerverstärkers wird das Taktverhältnis des Leistungsschalters eingestellt, um die tatsächliche Ausgangsspannung der von der Trimm- und Referenzspannung eingestellten Sollspannung gleichzusetzen.
Analog zeigt 1C die „Heruntertrimm"-Konfiguration, wo die Ausgangsspannung gesenkt wird, indem ein Heruntertrimmwiderstand 16 zwischen das Trimmpin 9 und die mit dem Sense(–)-Pin 7 verbundene Erfassungsleitung 14 geschaltet wird. Im Allgemeinen ist die an den Trimmpin 9 angelegte Spannung im Wesentlichen auf den V_out(–)-Ausgangspin 5 Gleichstrom-bezogen. Spannungstrimmbereiche von typischen Quarter-Brick-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern betragen etwa ±10–20%.
2 ist eine schematische Darstellung von mehreren parallel geschalteten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern nach dem Stand der Technik, die sich einen gemeinsamen Eingangsbus und ein System-EMI-Filter teilen. Die Wandler 1.1, 1.2, ..., 1.n sind an den Eingangsbus 17 angeschlossen, der wiederum mit einer Stromquelle über ein System-EMI-(Electromagnetic Interference – elektromagnetische Störung)-Filter 18 verbunden ist. Das EMI-Filter 18 haben alle Wandler 1.1, 1.2, ..., 1.n gemeinsam, und sein Zweck besteht darin, die Störung, die sie erzeugen, zurückzuweisen. Verschiedene Lasten sind mit den Wandlern 1.1, 1.2, ..., 1.n zwischen den jeweiligen Ausgangspins 4.1, 5.1; 4.2, 5.2; ...; 4.n, 5.n geschaltet. Jeder der Wandler 1.1, 1.2, ..., 1.n kann individu ell getrimmt werden, indem Hochtrimm- und/oder Heruntertrimmwiderstände 15.1, 16.1; 15.2, 16.2; ...; 15.n, 16.n zwischen den Trimmpins 9.1, 9.1, ..., 9.n und den jeweiligen positiven und/oder negativen Erfassungsleitungen 13.1, 14.1; 13.2, 14.2; ...; 13.n. 14.n angeordnet sind.
Die 3A–C sind schematische Darstellungen von Störungseffekten bei Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlung unter Verwendung von Schaltwandlern nach dem Stand der Technik. 3A zeigt eine von einem einzelnen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler erzeugte Stromwelligkeit. Die feste hohe Frequenz dieser Art von Störung entspricht der Schaltfrequenz. Die Stromwelligkeit wird in das Eingangssystem-EMI-Filter eingekoppelt, wo sie so vollständig wie möglich zurückgewiesen werden muss.
3B zeigt eine Wellenform, die typisch für Frequenzschwebungsphänomene zwischen verschiedenen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern ist, die sich den gleichen Eingangsbus teilen. Das Signal mit zum Beispiel einer Frequenz von etwa 25 kHz ist im Wesentlichen die Differenz zwischen den verschiedenen freilaufenden Frequenzen der Wandler. Seine Amplitude ist wesentlich größer als die der hochfrequenten Stromwelligkeit.
In 3C ist zusätzlich eine weitere Störung des Frequenzschwebungssignals dargestellt, nämlich eine parasitäre niederfrequente Störung, die die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler ineinander einführen. Einschließlich der Schwebung der Welligkeitseffekte und dieser Art von Störung ist die Spitze-Spitze-Amplitude der Gesamtstörung etwa fünfmal höher als nur die von einem einzelnen Wandler erzeugte Eingangsstromwelligkeit. Deshalb ist ein höchst ausgeklügeltes Systemeingangs-EMI-Filter erforderlich, um die Interferenz in dem Fall effektiv auszufiltern, wo mehrere parallele Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler nach dem Stand der Technik sich einen gemeinsamen Eingangsbus teilen.
4 ist eine schematische Darstellung einer Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung gemäß der Erfindung. Sie umfasst mehrere der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 101.1, 101.2, ..., 101.n, die sich einen gemeinsamen Eingangsbus 117 und ein gemeinsames System-EMI-Filter 118 teilen. Wieder können verschiedene Lasten an die Wandler 101.1, 101.2, ..., 101.n zwischen den jeweiligen Ausgangspins 104.1, 105.1; 104.2, 105.2; ...; 104.n, 105.n geschaltet sein, und jeder der Wandler 101.1, 101.2, ..., 101.n kann individuell getrimmt werden, indem Hochtrimm- und/oder Heruntertrimmwiderstände 115.1, 116.1; 115.2, 116.2; ...; 115.n, 116.n zwischen den Trimmpins 109.1, 109.2, ..., 109.n und den jeweiligen positiven und/oder negativen Erfassungsleitungen 113.1, 114.1; 113.2, 114.2; ...; 113.n. 114.n angeordnet sind.
Die Schaltfrequenzen der Wandler 101.1, 101.2, ..., 101.n werden durch einen externen Oszillator 119 synchronisiert, der mit den Trimmpins 109.1, 109.2, ..., 109.n der Wandler 101.1, 101.2, ..., 101.n über Koppelkondensatoren 120.1, 120.2, ..., 120.n verbunden ist. Der externe Oszillator 119 erzeugt ein Synchronisationssignal 121 mit einer Frequenz, die höher liegt als die freilaufende Frequenz jedes Wandlers und die nur auf einem 5-V-Spitze-Spitze-Amplitude-TTL-Pegel liegt. Das Signal 121 wird phasengleich an alle Wandler 101.1, 101.2, ..., 101.n geliefert, wo es intern verarbeitet wird, um die interne Impulsbreitenmodulationsschaltung derart zu blockieren, dass die freilaufende Frequenz in die externe Synchronisationssignalfrequenz geändert wird. Dadurch werden die Frequenzschwebungsphänomene und die höheren Störungen zwischen den Wandlern 101.1, 101.2, 101.n wesentlich gemildert, so dass zum Ausfiltern der Eingangsstörung der ganzen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung ein gewöhnliches, einfaches und preiswertes EMI-Filter 118 ausreicht.
5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung gemäß der Erfindung, die das Verzögern des Synchronisationssignals enthält. Die Konfiguration entspricht im Wesentlichen der in 4, doch sind mehrere feste Verzögerungszellen 122.1, 122.2, ..., 122.(n – 1) zwischen dem externen Oszillator 119 und den Koppelkondensatoren 120.1, 120.2, ..., angeordnet, über die das Synchronisationssignal 121 an die Trimmpins 109.1, 109.2, ..., 109.n geliefert wird. Diese Konfiguration gestattet eine Phasenverschachtelung zwischen verschiedenen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern, wodurch vermieden wird, dass Welligkeitseffekte der frequenzsynchronisierten Wandler 101.1, 101.2, ..., 101.n additiv werden. Ansonsten könnte die Frequenzsynchronisierung der Wandler 101.1, 101.2, ..., 101.n zu erhöhter Eingangsstromwelligkeit führen aufgrund einer positiven Störung zwischen den Rauschsignalen, die von den einzelnen Wandlern 101.1, 101.2, ..., 101.n erzeugt werden, was die gewünschten Effekte der Synchronisation teilweise hinfällig machen könnte.
Die von jeder der Verzögerungszellen 122.1, 122.2, ..., 122.(n – 1) dem Signal 121 auferlegte Verzögerung wird derart gewählt, dass die resultierenden konstanten Phasendifferenzen das Auftreten konstruktiver Störung unterdrücken und bevorzugt sogar zu destruktiver Störung der Stromwelligkeit führen. Die Konfiguration der Verzögerungszellen kann wie in 5 dargestellt durch serielles Anordnen der Zellen entlang dem Synchronisationssignalbus gewählt werden, oder der externe Oszillator kann in einer Sternverbindung mit den Trimmpins stehen, wobei an jeder der Verbindungen eine einzelne Verzögerungszelle angeordnet ist, wobei die verschiedenen Zellen dem Synchronisationssignal unterschiedliche Verzögerungen auferlegen.
6 ist eine schematische Darstellung einer Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlereinrichtung gemäß der Erfin dung; von den internen Schaltungen sind nur einige für die Erfindung relevante Komponenten dargestellt. Für die Trimmfunktionalität ist der Trimmpin 109 des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 101 intern mit einem Fehlerverstärker 123 der Spannungskompensationsschleife des Wandlers verbunden. Der Fehlerverstärker 123 dient dem Vergleichen einer Sollspannung mit der tatsächlichen Ausgangsspannung zwischen den Ausgangspins 104, 105 bzw. den Erfassungsleitungen 113, 114. Eine interne Spannungsreferenz V_ref wird zum Zweck der Spannungskompensation geliefert. Ohne externe Hochtrimm-/Heruntertrimmwiderstände 115, 116 beträgt die an den Minuspin des Fehlerverstärkers 123 angelegte Gleichspannung 1,24 V mit einer Genauigkeit von ±1%, wobei die Quelle der Spannungsreferenz V_ref mit dem Minuspin durch seriell geschaltete interne Widerstände 124, 125 verbunden ist. Ein Überbrückungskondensator 126 ist zwischen die beiden internen Widerstände 124, 125 geschaltet und leitet Hochfrequenzrauschen zum Massepotenzial ab, um Rauschen an dem Minuspin des Fehlerverstärkers 123 zu unterdrücken.
Die Ausgangsgleichspannung des Wandlers 101 kann von dem Benutzer durch Verwenden externer Hochtrimm- und/oder Heruntertrimmwiderstände 115, 116 wie oben beschrieben eingestellt werden. Der Mittelpunkt zwischen den internen Widerständen 124, 125 und somit entsprechend das Potenzial an dem Minuspin des Fehlerverstärkers 123 wird durch externes Einstellen der Trimmgleichspannung durch Bereitstellung entsprechender Trimmwiderstände 115, 116 abgestimmt (die zur leichteren Einstellung Potenziometer sein können).
Um zu vermeiden, dass die interne Kompensationsschleife durch das Synchronisationssignal gestört wird, was ebenfalls an den Trimmpin 109 angelegt wird, ist ein Tiefpassfilter 127 vorgesehen. Die erste Zelle des Tiefpassfilters 127 wird von dem Überbrückungskondensator 126 und einem weiteren internen Widerstand 128 ge bildet, zwischen den Trimmpin 109 und die Verbindung zwischen den anderen beiden internen Widerständen 124, 125 geschaltet. Die zweite Zelle ist durch den mit dem Minuspin des Fehlerverstärkers 123 verbundenen internen Widerstand 125, durch einen weiteren, zwischen dem Minuspin und dem Ausgang des Fehlerverstärkers 123 geschalteten Kondensator 129 und durch den Fehlerverstärker 123 selbst aufgebaut. Insgesamt weist das Tiefpassfilter 127 eine Grenzfrequenz von etwa 6 kHz auf, und es liefert eine Dämpfung von etwa –40 dB/Dekade. Folglich wird das am Differenzialeingang des Fehlerverstärkers 123 anliegende Gleichtaktsignal unter 50 mV Spitze-Spitze reduziert. Zudem hilft das Tiefpassfilter 127, zu und von dem Trimmpin 109 geliefertes Rauschen zurückzuweisen.
Zum Bereitstellen der Synchronisationsfunktionalität ist eine Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung 131 mit dem Trimmpin 109 über einen Koppelkondensator 130 verbunden. Die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung 131 verarbeitet das externe Synchronisationssignal und liefert das verarbeitete Signal an die Impulsmodulationsschaltung (PWM) 132 des Wandlers. Der Koppelkondensator 130 weist die niederfrequenten Komponenten des kombinierten Trimm-/Synchronisationssignals zurück, d. h. in erster Linie die Trimmgleichspannung. Dadurch wird die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung 131 nicht von der Trimmkomponente des kombinierten Signals gestört.
7 ist eine schematische Darstellung der Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlereinrichtung sowie ihrer Verbindung mit der internen Oszillatoreinheit. Die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung 131 ist innerhalb des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 101 angeordnet und über den Eintrittskoppelkondensator 130 mit dem Trimmpin 109 verbunden. Die Basis eines pnp-Transistors 133 ist mit dem Eingang der Puffer- und Pegelverschiebungs schaltung 131 über einen Widerstand 134 verbunden. Der Kollektor des Transistors 133 ist mit dem RC-Pin (Nr. 6) einer Oszillatoreinheit 135 über eine Hochgeschwindigkeitsschaltdiode 136 verbunden. Bei dem in

7 dargestellten Beispiel ist die Oszillatoreinheit 135 eine leistungsarme Strommodus-Push-Pull-PWM vom Typ UCC 2808A-2PW (erhältlich von Texas Instruments/Unitrode Products) mit der folgenden Pinzuordnung:

Pin	Name	Funktion
1	OUTA	Ausgang Nr. 1
2	VDD	Leistungseingang
3	COMP	Ausgang des Fehlerverstärkers/Eingang
		des PWM-Vergleichers
4	FB	Invertierender Eingang zum
		Fehlerverstärker
5	CS	Eingang zu PWM-, Spitzenstrom- und
		Überstromvergleichern
6	RC	Oszillatorprogrammierungspin
7	GND	Masse
8	OUTS	Ausgang Nr. 2

Die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung 131 weist weiterhin einen zwischen dem Kollektor von Transistor 133 und Masse geschalteten Widerstand 137 sowie einen zwischen die Basis und den Emitter von Transistor 133 geschalteten Widerstand 138 auf. Strom wird von einem Stromeingang 139 zum Emitter des Transistors 133 geliefert, wobei ein geerdeter Überbrückungskondensator 140 ebenfalls mit dem Emitter verbunden ist, um hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken.
Ein weiterer geerdeter Überbrückungskondensator 141 ist mit dem RC-Pin der Oszillatoreinheit 135 verbunden. Ein Widerstand 142 ist zwischen den RC-Pin und den Leistungseingang 139 geschaltet. Bei dem dargestellten Beispiel können die oben erwähnten Widerstände und Kondensatoren die folgenden Parameter aufweisen:

Widerstände Widerstandswert Kondensator Kapazität

134 1,21 KΩ 130 56 nF

137 10 kΩ 140 330 nF

138 1,21 kΩ 141 100 pF

142 20 kΩ
Die in 7 dargestellte weitere Schaltungsanordnung verbindet weiterhin die Oszillatoreinheit 135 mit dem Leistungseingang 139, der Spannungsschleife 143, dem Vergleicher 144 und mit Ausgangsschaltungen 145, 146.
Die entsprechende Konfiguration wird durch die verwendete Art von Oszillatoreinheit vorbestimmt.
Die 8A–D sind schematische Darstellungen der Wellenform des anfänglichen und verarbeiteten Synchronisationssignals in verschiedenen Stadien der Verarbeitung. Die Orte, wo die dargestellten Spannungen V₁...V₄ in der Schaltung erscheinen, sind in 7 markiert.
8A stellt das anfängliche rechteckige Synchronisationssignal mit einem Taktzyklus von 50% und einer Amplitude von 5 V Spitze-Spitze-TTL dar, wie es von dem externen Oszillator 119 geliefert wird.
8B stellt das von dem Eingangskoppelkondensator 130 der Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung 131 erzeugte differenzierte Wechselstromsignal doppelter Polarität dar. Mit diesem Signal wird der Transistor 133 gesteuert, wobei die positive Komponente abgeschnitten wird und die negative Komponente invertiert und verstärkt wird, um das in 8C dargestellte Signal mit einer Amplitude von wieder 5 V zu erhalten. Das schliesslich an den RC-Pin der Oszillatoreinheit 135 gelieferte Signal ist in 8D dargestellt. Es steigt linear an, bis es ein Potenzial von etwa 4 V erreicht, es folgt ein weiterer linearer Anstieg mit einer stärkeren Steigung, bis die Amplitude von 5 V erreicht ist. Danach klingt das Signal linear und schnell ab, bis das O-V-Potenzial erreicht ist, woraufhin der erste lineare Anstieg von Neuem startet. Die Frequenz der Spitzen ist gleich der Frequenz des anfänglichen Rechtecksignals.
Die Details der Implementierung der Erfindung, insbesondere hinsichtlich des Tiefpassfilters und der Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung, können von dem beschriebenen Beispiel verschieden sein. Insbesondere können sie von dem Gesamtdesign und von den Komponenten, die für die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltungsanordnung verwendet werden, verschieden sein.
Zusammengefasst sei angemerkt, dass die Erfindung eine Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandlereinrichtung erschafft, die die Reduktion von Rauschen in dem Fall gestattet, dass mehrere Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler parallel angeordnet sind und sich einen gemeinsamen Eingangsbus und EMI-Filter teilen, wobei die Einrichtung kosteneffizient ist und sich leicht in übliche Wandlerschaltungen einbauen lässt. Die Erfindung schafft weiterhin eine Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung, die mehrere Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler umfasst, wobei die Erzeugung von Rauschen stark unterdrückt wird.

Claims

Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandlereinrichtung (101) mit Quarter-Brick- oder Eighth-Brick-Abmessungen und mit einem Industriestandard-Pinout, gebildet durch zwei Eingangs- und zwei Ausgangsverbindungsstücke, ein Ein/Aus-Verbindungsstück zum Fernsteuern der Einrichtung, zwei Ausgangserfassungsverbindungsstücke zur IR-Kompensation sowie ein Trimmverbindungsstück zum Einstellen der Ausgangsspannung der Einrichtung, wobei die Einrichtung Folgendes umfasst: a) eine Impulsbreitenmodulationsschaltung (132) zum Ansteuern eines Leistungswandlungsschalters, b) eine Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung (131), die zwischen das Trimmverbindungsstück (109) und die Impulsbreitenmodulationsschaltung (132) geschaltet ist, zum Verarbeiten eines an das Trimmverbindungsstück (109) angelegten externen Synchronisationssignals (121) zum Synchronisieren der Impulsbreitenmodulationsschaltung mit einem externen Oszillator (119), der das externe Synchronisationssignal (121) erzeugt; und c) ein zwischen das Trimmverbindungsstück (109) und eine Spannungskompensationsschleife der Einrichtung (101) geschaltetes Tiefpassfilter (127) zum Vermeiden von Störungen der Spannungskompensationsschleife durch das externe Synchronisationssignal (121).
Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandlereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung (131) derart ausgelegt ist, dass ein externes Synchronisationsrechtecksignal auf einem 5-V-Spitze-Spitze-Amplitude-TTL-Pegel verarbeitet werden kann.
Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung (131) derart ausgelegt und geschaltet ist, dass eine Oszillatoreinheit (135) der Impulsbreitenmodulationsschaltung (132) von einem Ausgangssignal der Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung (131) gesteuert wird, das an einen R/C-Pin (Remote Control – Fernbedienung) der Oszillatoreinheit (135) geliefert wird.
Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen zwischen den Trimmpin (109) und die Puffer- und Pegelverschiebungsschaltung (131) geschalteten Koppelkondensator (130).
Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung, umfassend: a) mehrere Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler (101.1, 101.2, ..., 101.n) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Trimmverbindungsstücken (109.1, 109.2, ..., 109.n) zum Einstellen von Ausgangsspannungen der Wandler (101.1, 101.2, ..., 101.n), wobei die Wandler (101.1, 101.2, 101.n) derart geschaltet sind, dass sie sich einen gleichen Eingangsbus (117) teilen; b) ein System-EMI-(Electromagnetic Interference – elektromagnetische Störung)-Filter (118), den alle Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler (101.1, 101.2, ..., 101.n) gemeinsam haben; c) einen externen Oszillator (119), der ein externes Synchronisationssignal (121) an die mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler (101.1, 101.2, ..., 101.n) liefert; dadurch gekennzeichnet, dass d) der externe Oszillator (119) derart ausgelegt ist, dass eine Frequenz des externen Synchronisationssignals (121) höher ist als eine freilaufende Frequenz jedes der mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler (101.1, 101.2, ..., 101.n); und dass e) der externe Oszillator (119) an die Trimmverbindungsstücke (109.1, 109.2, ..., 109.n) der Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler (101.1, 101.2, ..., 101.n) angeschlossen ist.
Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Oszillator (119) so ausgelegt ist, dass das externe Synchronisationssignal (121) rechteckig und insbesondere auf einem 5-V-Spitze-Spitze-Amplituden-TTL-Pegel ist.
Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch Koppelkondensatoren (120.1, 120.2, ..., 120.n), die zwischen den externen Oszillator (119) und die Trimmverbindungsstücke (109.1, 109.2, ..., 109.n) der Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler (101.1, 101.2, ..., 101.n) geschaltet sind.
Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlungsschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch mindestens eine feste Verzögerungszelle (122.1, 122.2, ..., 122.(n – 1)), die zwischen den externen Oszillator (119) und einen der mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler (101.1, 101.2, ..., 101.n) geschaltet ist, um eine Phasenverschachtelung zwischen verschiedenen Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandlern (101.1, 101.2, ..., 101.n) zu gestatten.
Verfahren zum Umwandeln einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen mehrerer Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler (101.1, 101.2, ..., 101.n) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Quarter-Brick- oder Eighth-Brick-Abmessungen und mit einem Industristandard-Pinout mit Trimmverbindungsstücken (109.1, 109.2, ..., 109.n) zum Einstellen von Ausgangsspannungen der Wandler (101.1, 101.2, ..., 101.n); und Verbinden der Wandler (101.1, 101.2, ..., 101.n) mit einem gleichen Eingangsbus (117); b) Verbinden eines System-EMI-(Electromagnetic Interference – elektromagnetische Störung)-Filters (118) mit dem Eingangsbus (117); c) Bereitstellen eines externen Synchronisationssignals (121) mit einer Frequenz, die höher ist als eine freilaufende Frequenz jedes der mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler (101.1, 101.2, ..., 101.n); und d) Anlegen des externen Synchronisationssignals (121) an die Trimmverbindungsstücke (109.1, 109.2, ..., 109.n) der Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler (101.1, 101.2, ..., 101.n).
Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin umfassend den Schritt des Verzögerns des am einen oder an mehreren der mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (101.1, 101.2, ..., 101.n) angelegten externen Synchronisationssignals (121).