DE69132778T2 - Miniaturisiertes Schaltnetzteil mit Gateansteuerung mit programmiertem Niveau - Google Patents

Miniaturisiertes Schaltnetzteil mit Gateansteuerung mit programmiertem Niveau

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Schaltstromversorgungsregulator und seine Steuerschaltung, insbesondere einen, bei dem das Treiben des Ausgangsverstärkers auf einem vorprogrammierten Pegel gesteuert wird.
  • Eine Hauptschwierigkeit bei der Miniaturisierung der Schaltstromversorgungssteuerung besteht in der Wärmeverteilung von Verlusten innerhalb der Stromversorgungsschaltung. Diese Verluste ergeben sich aus einer Anzahl von Faktoren. Es wurde Aufwand betrieben, um diese zu steuern bzw. zu beherrschen. Ein wesentlicher Faktor, welcher in diesem Zusammenhang nicht registriert wurde, betrifft den Bedarf für die Steuerung des Gatetreiberpegels der Endausgangsstromeinheit der Schaltstromversorgung, nämlich ein Leistungs-FET. Es ist wünschenswert, die Größe der Schaltstromversorgung auf etwa die Größe und die Form eines Standard-ICs zu reduzieren, so daß nur ein kleiner Leiterplattenbereich benötigt wird. Darüber hinaus sollte eine Verbindung der Schaltstromversorgung leicht mit Hilfe der Anschlüsse oder Pins erreicht werden. Für den Zusammenbau der Stromversorgung mit anderen Schaltkomponenten kann herkömmliche Montageausrüstung genutzt werden. Das Problem beim Vermindern der Größe von Schaltstromversorgungen auf dieses Niveau besteht wegen Unzulänglichkeiten der Schaltung jedoch darin, daß die Wärmeverteilung so groß ist, daß hinsichtlich der Größe eine untere, erreichbare Grenze besteht. Überschußenergie wird insbesondere dann verteilt, wenn das Gate über dem Punkt betrieben wird, bei dem das Drain schaltet.
  • Das Dokument JP-A 2-111 257 beschreibt eine Steuerschaltung, die mit den Basen eines Transistorpaares verbunden ist, die einen Leistungs-FET treiben. Die Steuerschaltung reagiert auf den Ausgang eines Fehlerverstärkers, welcher ein Fehlersignal von den Differenzen zwischen der mittleren Ausgangsspannung der Steuerschaltung und dem momentanen Stromfluß durch den Leistungs-FET ableitet.
  • Eine der Unzulänglichkeiten, die zu dem Wärmeüberschuß innerhalb der Schaltung beiträgt, ist Überschußtreiben, welches auf das Gate des Endsteuer-FETs angewendet wird.
  • Es besteht deshalb Bedarf für einen Mechanismus zum Begrenzen des Gatetreibens dieser Einheit, so daß Überschußleistungsverteilung reduziert werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mechanismus zum Steuern des Ausgangs an das Gate des Ausgangs-FETs einer miniaturisierten Schaltstromversorgung zu schaffen, um die Leistungsverlustwärme innerhalb der Schaltung zu vermindern.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte, kleine Schaltstromversorgungsschaltung zu schaffen, in welcher die Ausschaltzeit des Ausgangsleistungs-FETs vermindert ist, was dazu führt, daß die Leistungsverlustwärme innerhalb der Schaltung vermindert wird. Die Aufgaben werden mit Hilfe eines programmierbaren Gatetreibers bzw. einer programmierbaren Gatesteuerung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus einem Studium der folgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung. Hierbei zeigen:
  • Fig. 1 ein Funktionsblockdiagramm eines Schaltstromversorgungssteuerabschnitts, welcher einen N-Kanal-FET nutzt;
  • Fig. 2 ein schematisches Schaltdiagramm eines Schaltstromversorgungssteuerabschnitts, welcher einen P-Kanal-FET nutzt;
  • Fig. 3a und 3b ein schematisches Schaltdiagramm einer programmierbaren Gatesteuerung, welche zum Treiben eines Gates eines N-Kanal-FETs genutzt wird, sowie ein Diagramm der Gatespannung;
  • Fig. 4a und 4b ein schematisches Schaltungsdiagramm einer programmierbaren Gatesteuerung zur Nutzung in Verbindung mit einem P-Kanal-FET und ein Diagramm, welches die Gatespannung zeigt;
  • Fig. 5 ein Funktionsblockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Komparator und ein P-Kanal-FET genutzt werden; und
  • Fig. 6 ein schematisches Schaltdiagramm der Vorrichtung nach Fig. 5.
  • Fig. 1 zeigt ein Diagramm einer miniaturisierten Schaltstromversorgung. Die Stromversorgung ist als eine integrierte Schaltung 9 ausgeführt, die eine Anzahl von Pins oder Anschlüssen für den Zugriff auf Schaltungen außerhalb des ICs aufweist. Eine Quelle einer Rückkoppelspannung ist mit einem Stift 13 und von dort mit einem Eingang eines Komparators 14 verbunden. Der andere Eingang des Komparators 14 ist mit einem Stift 15 verbunden, welcher über einen Spike-Filter 17 und einen Widerstand 19 eine positive Rückkoppelspannung empfängt. Die positive Rückkoppelspannung wird von einer Prüfeinheit entwickelt, welche die Ausgangsspannung der Stromversorgung im Vergleich zu einer gewünschten Referenzspannung prüft. Gemäß Fig. 1 ist ein Widerstand 51 mit dem Drain-Source-Stromweg eines N-Kanal-FETs 49 in Reihe verbunden. Die über dem Widerstand 51 entwickelte Spannung ist mit Hilfe einer Leitung 53 mit dem Eingang des Spike-Filters 17 verbunden, welcher das Rückkoppelsignal glättet. Eine andere Stromrückkoppelschaltung kann anstelle des Widerstandes 51 genutzt werden. Ein RS-Flip-Flop 24 ist vorgesehen. Sein Rücksetzeingang ist mit dem Komparator 14 verbunden und sein Setzeingang ist mit dem Ausgang eines Oszillators 22 verbunden, dessen Steuereingang mit einem Stift 20 in Verbindung steht. Der Oszillator 22- liefert Setz-Signale an den Flip-Flop 24 und ein Rampensignal, welches zu dem Stromrückkoppelsignal addiert wird, durch einen Widerstand 21, welcher ein Summennetzwerk mit dem Widerstand 19 bildet. Der Funktionszyklus des Flip-Flops 24 als auch die Impulswiederholungsrate der Ausgangsimpulse von seinem Ausgang hängen von der Betriebsfrequenz des Oszillators 22 als auch von dem Betrieb des Komparators 14 ab.
  • Der Ausgang des Flip-Flops 24 ist mit einem Eingang eines OR-Gatters 40 verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Oszillators 22 verbunden ist. Es empfängt am Stift 6 Spannung von Vcc.
  • Das OR-Gatter 40 liefert zwei invertierte Ausgänge, d. h. einen echten und einen invertierten Ausgang, welche mit den Basen von zwei in Reihe verbundenen Transistoren 44 und 46 verbunden sind. Ein Stift 9 ist mit einem Punkt zwischen den zwei Transistoren 44-und 46 verbunden. Der Stift 9 liefert die Gatespannung an FET 49, der als die Stromsteuereinheit arbeitet. Der FET 49 ist ein N-Kanal-FET (vgl. Fig. 1) oder ein P-Kanal-FET (vgl. Fig. 2), welcher im folgenden detaillierter beschrieben wird. Die Transistoren 44 und 46 sind zwischen den Stiften 5 und 7 in Reihe verbunden, wobei die Stifte 5 und 7 mit Spannungsquellen verbunden sind. Der Stift 7 kann mit einer Massereferenzspannung oder einer anderen Quelle einer Referenzspannung verbunden sein, die geringer als die mit dem Stift 5 verbundene ist.
  • Fig. 3a zeigt ein schematisches Diagramm einer Schaltung, die in Verbindung mit einem N- Kanal-FET genutzt wird. Die Transistoren 44 und 46 nach Fig. 1 sind in Fig. 3 ebenfalls als 44 und 46 gezeigt. Sie sind zwischen und Referenz m Reihe gekoppelt. Die Basissteuersignale für die zwei Transistoren entstehen aus den Verstärkern 48 bzw. 50. Die Verstärker 48 und 50 können in dem OR-Gatter 40 ausgeführt werden oder als zusätzliche Komponenten vorgesehen sein. Eine Zener-Diode 52 ist von der Basis des Transistors 44 mit Masse verbunden. Die gemeinsame Verbindung zwischen dem Emitter des Transistors 44 und dem Kollektor des Transistors 46 ist mit dem Punkt 9 verbunden, um das Gatesteuersignal für den N- Kanal-FET 49 zu liefern.
  • Die Anwesenheit der Zener-Diode 52 an der Basis des Transistors 44 verhindert ein Ansteigen der Basisspannung des Transistors 44 über einen vorbestimmten Wert, etwa gleich der Zener-Spannung der Zener-Diode 52. Dieses verhindert ein Ansteigen der Gatespannung am Stift 9 über das optimale Spannungsniveau zum Steuern des Gates des N-Kanal-FETs. Dieses vermeidet das Laden des Gates mit Überschußenergie als auch Überschußleistungsverlust in den Transistoren 44 und 46 und dem FET 54, so daß die Leistungsverlustwärme der Schaltung in Konsistenz mit dem optimalen Betrieb des N-Kanal-FETs auf einem Minimum gehalten wird. Fig. 3b illustriert, daß die Gatespannung von der Referenzspannung nur auf den Pegel VZ steigen kann.
  • Darüber hinaus existiert eine Nebenkapazität 55 zwischen dem Gate des N-Kanal-FETs und seinem Source- und seinem Drain-Anschluß. Diese Kapazität muß während des Ein- und Ausschaltens des FETs geladen bzw. entladen werden. Weil die Gatesteuerung begrenzt ist, ist die Ladung in diesem Kondensator begrenzt, wodurch die für eine Ladung und Entladung benötigte Zeit reduziert wird. Deshalb ist die Leistungsverlustwärme vermindert und die Effizienz erhöht.
  • Es wurde herausgefunden, daß eine Zener-Diode mit einer Zener-Spannung von etwa 12 V das Optimum für einen mittleren Leistungs-FET ist.
  • Eine Schaltung gemäß Fig. 2 ist ähnlich zu der Schaltung nach Fig. 1, mit den Ausnahmen, daß ein P-Kanal-FET 57 angewendet wird und ein Rückkoppelwiderstand 51a zwischen den Transistor 57 und die Quelle Vcc gekoppelt ist. Die Kreuzung zwischen dem Widerstand 51a und dem Transistor 57 ist mittels einer Leitung 60 mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 62 verbunden, welcher die Basis eines NPN-Transistors 64 treibt. Der andere Eingang des Operationsverstärkers 62 und der Kollektor des Transistors 64 sind mit Vcc und einem Widerstand 68 verbunden. Der Emitter des Transistors 64 ist mit dem Eingang des Spike- Filters 17 und durch einen Widerstand 66 mit einem Referenzpotential verbunden. Hierdurch wird eine Rückkoppelspannung geeigneter Polarität für die Kooperation mit dem P-Kanal- FET 57 erhalten.
  • Fig. 4a zeigt eine Schaltung, die zum Treiben des P-Kanals-FETs-benutzt wird. Die Transistoren 44 und 47 sind dieselben wie die Transistoren 44 und 46 in Fig. 3a, mit der Ausnahme, daß sie NPN- bzw. PNP-Transistoren sind. Sie werden mit Hilfe der Verstärker 48 bzw. 50 getrieben. Gemäß Fig. 3a sind der Kollektor des Transistors 44 mit Vcc und der Emitter des Transistors 47 mit der Referenz verbunden.
  • Eine Zener-Diode 56 ist von Vcc am Kollektor des Transistors 44 mit der Basis des Transistors 47 verbunden. Gemäß Fig. 3a ist der Anschluß 9 mit dem Gate des FETs verbunden, wobei es sich in diesem Fall um einen P-Kanal-FET 57 handelt.
  • Die Zener-Diode 56 verhindert ein Treiben der Basis des Transistors 47 über ein vorbestimmtes Spannungsniveau, welches etwa gleich Vcc - die Zener-Spannung ist, was in Übereinstimmung mit dem optimalen Betrieb des P-Kanal-FETs 57 ist. Dieses vermindert die Leistungsverlustwärme in der Schaltung, wenn es genutzt wird, um einen P-Kanal-FET mit Hilfe desselben, in Verbindung mit Fig. 3a beschriebenen Mechanismus zu treiben. Fig. 4b zeigt, daß die Gatespannung von dem Vcc-Pegel nur auf einen Pegel Vcc - VZ fallen kann.
  • Es wurde gefunden, daß eine Zener-Diode mit einer Zener-Spannung von etwa 12 V das Optimum für einen mittleren Leistungs-FET ist:
  • Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung zum Treiben eines P-Kanal-FETs, welcher nicht die Nutzung des PNP-Transistors 46a verlangt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 werden die NPN-Transistoren 44 und 46 mittels Verstärkern 48 und 50 getrieben, wobei ihre gemeinsame Verbindung mit dem Anschluß 9 verbunden ist, welcher mit dem Gate des P-Kanal- FETs 57 verbunden ist. Der Anschluß 9 ist auch mit einem Eingang mit einem Operationsverstärker 70 verbunden, wobei dessen Eingang durch eine Zener-Diode 56a mit Vcc verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 70 erst mit der Basis eines NPN-Transistors 72 verbunden, dessen Kollektor mit dem Ausgang des Verstärkers 50 und dessen Emitter mit einem Referenzpotential verbunden sind.
  • Der Operationsverstärker 70 liefert ein Signal an den Transistor 72, welcher den Ausgang des Verstärkers 50 auf Masse sendet, wenn das Gate des Transistors 72 relativ zu dem Referenzpotential hoch ist. Dieses tritt nur dann auf, wenn die Spannung am Stift 9 geringer als ein Spannungspegel ist, der Vc vermindert um die Zener-Spannung der Zener-Diode 56a entspricht. Auf diese Weise ist die Steuerung an Stift 9 begrenzt.
  • Fig. 6 zeigt ein schematisches Diagramm einer Schaltung mit der die Anordnung nach Fig. 5 als integrierte Schaltung konstruiert werden kann. Ein Darlington-Paar ersetzt den jeweiligen NPN-Transistor 44 und 46. Die NPN-Transistoren 44a und 44b bilden ein Darlington-Paar, welches den oberen Transistor 44 ersetzt. Die Transistoren 46a und 46b ersetzen den unteren Transistor 46.
  • Die Darlington-Paare sind zwischen das Potential Vcc und das Referenzpotential in Reihe gekoppelt. Die gemeinsame Verbindung zwischen ihnen ist über einen Widerstand 82 mit dem Gateanschluß des P-Kanal-FETs verbunden. Ein Eingangssignal, welches an dem Anschluß 80 geliefert wird, wird mittels eines gemeinsamen Emitters, der mit dem Transistor 48a und 48b verbunden ist, verstärkt und an den Eingang eines oberen Darlington-Paares geliefert. Ein Eingangswiderstand 84 ist zwischen den Eingangsanschluß 80 und die Basis des Transistors 48a gekoppelt. Der Kollektor des Transistors 48a ist mit der Basis des Transistors 48b und über einen Widerstand 86 mit der Quelle positiven Potentials verbunden. Der Kollektor des Transistors 48 ist mit dem Eingang des Transistors 44a und über einen Widerstand 88 mit V verbunden. Der Eingang 80 ist über einen gemeinsamen Emittertransistor 50a auch mit dem Eingang des unteren Darlington, nämlich der Basis des Transistors 46a verbunden. Ein Eingangswiderstand 90 verbindet den Eingangsanschluß 80 mit der Basis des Transistors 50a. Sein Kollektor ist mit der Basis des Transistors 46a und über einen Widerstand 92 mit einer Quelle positiven Potentials verbunden. Es ergibt sich, daß der Transistor 50a das Eingangssignal invertiert, so daß die Steuerung auf dem unteren Darlington-Paar 46a und 46b invers zu der Steuerung ist, die zu dem oberen Darlington-Paar 44a und 44b geliefert wird.
  • Eine Konstantstromanordnung umfaßt einen Widerstand 95 und einen Transistor 96, so daß an die Basis des NPN-Transistors 98 ein Konstantbasisstrom geliefert wird. Der Emitter des Transistors 98 ist mit dem Referenzpotential verbunden. Sein Kollektor ist über einen Widerstand 100 mit der gemeinsamen Kreuzung der zwei Darlington-Paare und der Basis eines NPN-Transistros 102 verbunden. Die Transistoren 96 und 98 und Widerstände 95 und 100 bilden einen Komparator in Form eines Stromspiegels, welcher eine Antwortzeit von etwa 10 ns. erreicht.
  • Der Kollektor des Transistors 102 ist über einen Widerstand 104 mit einer Quelle positiven Potentials, über einen Widerstand 106 mit der Basis eines NPN-Transistors 108 und über einen Widerstand 110 mit der Basis eines Transistors 112 verbunden. Die Emitter der Transistoren 108 und 112 sind beide mit einem Referenzpotential verbunden. Ihre K ollektoren sind jeweils mit den Basen der Transistoren 46a und 46b verbunden, die das untere Darlington- Paar bilden. Im Normalbetrieb ist der Transistor 102 leitend, was das an seinem Kollektor vorliegende Spannungsniveau absenkt, so daß die Transistoren 108 und 112 beide gesperrt gehalten werden. Dieser Betrieb setzt sich so lange fort, bis die Gatespannung und die Spannung an der Kreuzung des oberen und des unteren Darlington-Paares oberhalb eines vorbestimmten Pegels sind, so daß ausreichend Strom durch den Widerstand 100 fließt, um den Transistor 102 angeschaltet zu halten.
  • Wenn die Gatespannung jedoch unter einen vorbestimmten Pegel fällt, vermindert sich der Strom durch den Widerstand 100 und der Transistor 102 wird gesperrt. An diesem Punkt steigt die Spannung an seinem Kollektor, wodurch die Transistoren 108 und 112 leitend werden. Dieses führt dazu, daß sich die Spannungspegel an den Basen der Transistoren 46a und 46b zu vermindern, wodurch eine Tendenz zum Vermindern des Stromflusses durch das untere Darlington-Paar und deshalb eine Tendenz zum Aufrechterhalten des Spannungspegels an dem Gateanschluß G entsteht.
  • Der Konstantbasisstrom durch den Transistor 98 setzt den Pegel, beidem der Transistor 102 leitend oder gesperrt werden kann. Dieses Basisstrom wird kraft der Zener-Diode 56 und des Widerstands 95 gesetzt, der zwischen die Zener-Diode 56 und den Transistor 96 gekoppelt ist. Wenn eine Diode 56 mit einer Zener-Spannung von 12 V gewählt wird, können die anderen Schaltungswerte, beispielsweise die Widerstände 95 und 100, leicht so gewählt werden, daß die Gatespannung am Anschluß G in der Lage ist, nur auf einen vorbestimmten Spannungspegel zu fallen, welcher dem Gate des p-Kanal-FETs entspricht, was gleich der Spannung ist, bei der jegliche weitere Verminderung nicht zu einer wesentlichen Änderung der Leitfähigkeit des Drain-Source-Weges des p-Kanal-FETs führen würde.
  • Der bevorzugte Bereich der Zener-Spannung der Zener-Diode ist 7 Volt bis 15 Volt, was von der Designspannung der Stromversorgung abhängt. Es ist wünschenswert, daß die Zener- Spannung etwas geringer als die Designstrornversorgungsspannung ist, um einen Überlauf zu erlauben. In einem Fall wurde eine Zener-Spannung von 7 Volt als das Optimum für eine Ausgangsspannung von 12 Volt bestimmt. Für andere Ausgangsspannungen kann die optimale Zener-Spannung leicht bestimmt werden.
  • Es ergibt sich, daß mit Hilfe der Nutzung der vorliegenden Erfindung eine einfache und ökonomische Schaltung geschaffen ist, mit deren Hilfe Stromverlustwärme einer miniaturisierten Stromversorgung vermindert wird, so daß das Volumen der Miniatur- bzw. Kleinstromversorgung vermindert werden kann, ohne daß ein Betrieb bei einer vergrößerten Temperatur auftritt, und so daß die Effizienz des Betriebs der Schaltung verbessert ist.

Claims (7)

  1. Programmierbare Gatesteuerung für eine Schaltstromversorgung mit einem ersten und einem zweiten NPN-Transistor (44, 46), die zwischen eine positive Spannungsquelle (Vcc) und eine Referenzspannung (REF. V) in Reihe gekoppelt sind;
    Mitteln (82) zum Verbinden eines Punktes (9) zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor (44, 46) mit einer Steuerelektrode eines P-Kanal-Leistungs-FET (57), wobei der Leistungs-FET (57) dem Regeln der an einem Ausgang der Schaltstromversorgung gelieferten Spannung dient;
    Mitteln (48, 50) zum Treiben von Basen des ersten und des zweiten Transistors (44, 46) mit Signalen, so daß der Leistungs-FET (57) zu vorbestimmten Zeiten während mehrerer Betriebszyklen ein- und ausgeschaltet wird;
    Mitteln (56, 56a) zum Festlegen eines vorbestimmten Spannungspegels;
    Vergleichsmitteln (70; 98, 102), die mit dem Punkt (9) zum Vergleichen einer Spannung an dem Punkt (9) mit dem vorbestimmten Spannungspegel verbunden sind; und
    einem Schalttransistor (72; 108, 112) mit einem Eingang, der mit einem Ausgang der Vergleichsmittel verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einer Basis des zweiten Transistors (46) so verbunden ist, daß der Schalttransistor die Spannung an der Basis des zweiten Transistors reduziert, um eine Steuerversorgung zu dem Leistungs-FET (57) zu begrenzen, wenn das Signal an dem Punkt (9) unter den vorbestimmten Signalpegel fällt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Festlegen eines vorbestimmten Signalpegels eine Zener-Diode (56) umfassen:
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Zener-Diode (56) eine Zenerspannung von etwa 12 Volt aufweist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Zener-Diode (56) mit der positiven Spannungsquelle (Vcc) verbunden ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vergleichsmittel (70; 98, 102) mit dem Punkt (9) ohmisch verbunden sind.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Transistor jeweils ein Darlington-Paar von Transistoren sind.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Schalttransistor von zwei Schalttransistoren (108, 112)- gebildet ist und wobei einer mit einer Basis jedes Transistors des Darlington-Paares des zweiten Transistors verbunden ist.
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