DE69329723T2

DE69329723T2 - Schaltkreis zur Spannungserhöhung

Info

Publication number: DE69329723T2
Application number: DE69329723T
Authority: DE
Inventors: Norio Matsuda; Masami Okano
Original assignee: Bosch Electronics Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2013-10-01
Also published as: KR0130187B1; JPH0636383U; EP0590666A3; KR940010506A; DE69329723D1; EP0590666A2; JP2582749Y2; EP0590666B1; US5408203A

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungserhöhungsschaltung, die in einer Umschaltregler-Anordnung angeordnet ist.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Im allgemeinen wird eine Spannungserhöhungsschaltung, die in einer Umschaltregler-Struktur aufgebaut ist, häufig bei einer Steuerungsschaltung oder einer Fehler(Ausfall)-Diagnoseschaltung für eine Sicherheitsvorrichtung, wie z. B. einen Airbag für ein Fahrzeug vorgesehen. Dies läßt sich folgendermaßen begründen. Um die Betätigung einer solchen Vorrichtung selbst dann zu ermöglichen, wenn die Batteriespannung der Vorrichtung auf Grund eines Fehlers oder anderer Umstände abgesenkt ist, muß ausreichend viel Energie in einem Elektrolytkondensator gespeichert werden, wobei in diesem Fall die gespeicherte Energie W gesteigert wird, wenn die Spannung V erhöht wird, wie dies in der Gleichung W = 1/2 CV² dargestellt ist.
Eine Spannungserhöhungsschaltung (Booster), die auf dem oben erwähnten Anwendungsgebiet verwendet wird, wurde herkömmlicherweise so ausgelegt, daß sie ausreichend leistungsfähig ist, damit sie auch bei einem anderen Anwendungsgebiet wirksam als Stromversorgungsschaltung angewendet werden kann, und weist verschiedene Vorteile auf, wonach die Steuerungsgenauigkeit am Ausgang hervorragend ist, die Ausgabe bei einer Laständerung weniger stark schwankt, eine große Strommenge erhalten werden kann, etc.
Allerdings bringt der obige Leistungsumfang der herkömmlicherweise verwendeten Spannungserhöhungsschaltung nicht ausreichend viele Vorteile für eine Airbag-Steuerungseinheit oder dergleichen mit sich, die als relativ geringe Last wirkt. Außerdem tritt bei dem oben beschriebenen Anwendungsgebiet für Fahrzeuge bei einer herkömmlichen Spannungserhöhungsschaltung eine starke Einschaltbelastung bei einem Umschaltvorgang auf, wodurch sie beim Einschaltvorgang einen großen Stromstoß aufweist. Somit tritt bei der herkömmlichen Spannungserhöhungsschaltung häufig wegen ihres großen Ein/Aus-Stroms starkes Rauschen auf, weshalb eine Gegenmaßnahme gesondert vorgesehen werden muß, um die Beeinträchtigung der elektromagnetischen Kompatibilität durch Rauschen zu verhindern. Der Schaltungsaufbau zum Erzielen des obigen Leistungsumfangs, der für die Airbag- Steuerungseinheit oder dergleichen nötig ist, ist komplizierter, weshalb die Kosten der Spannungserhöhungsschaltung mit einem derart komplizierten Schaltungsaufbau hoch sind.
Die US-A-4,322,787 offenbart eine Umschaltschaltung zur Spannungserhöhung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Bei diesem Dokument ist die Signaleingabe an der Basis des Umschalttransistors ein Modulationssignal. Dieses Modulationssignal wird in die Basis eines Umschalttransistors eingegeben, während es durch eine Zenerdiode und einen weiteren Transistor hindurchgeleitet wird. Außerdem wird die Ausgangsspannung der Schaltung durch die Zehnerdiode rückgekoppelt.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Spannungerhöhungsschaltung mit einer Umschaltregler-Struktur bereitzustellen, die in geeigneter Weise in einem anwendungsorientierten Gerät, wie z. B. einer Airbag-Steuerungseinheit für ein Fahrzeug, verwendet werden kann, die als relativ geringe Last wirkt, keine hohe Ausgangsgenauigkeit erfordert, bei der jedoch das Auftreten von Rauschen unterdrückt werden muß und die mit einer relativ einfachen Konstruktion mit relativ geringen Kosten ausgeführt werden kann.
Um die genannte Aufgabe zu lösen, wird eine Spannungserhöhungsschaltung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Die Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der Spannungserhöhungsschaltung der Erfindung wird ein Schmitt-Trigger-Inverter für die Takt-Oszillationsschaltung verwendet, die in einer Umschaltbetriebsart betrieben wird, und ein Rückkopplungsweg zum Rückkoppeln der Ausgabe von der Takt-Oszillationsschaltung wird bereitgestellt, um das Einschaltverhältnis der Takt-Oszillationsschaltung veränderlich zu machen. Die in dem Rückkopplungsweg angeordnete Zenerdiode wird verwendet, um die Ausgangsspannung der Spannungserhöhungsschaltung auf einen im wesentlichen konstanten Wert zu regeln. Daher kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Spannungserhöhungsschaltung die Spannungserhöhungsschaltung der Erfindung mit einem einfachen Aufbau und mit geringen Kosten aufgebaut werden, obwohl ihre Ausgangsgenauigkeit gering ist. Der durch den Rückkopplungsweg an die Takt-Oszillationsschaltung rückgekoppelte Strom wirkt so, daß das Einschaltverhältnis einen kleineren Wert als das vorbestimmte Referenz-Einschaltverhältnis (in dem folgenden Ausführungsbeispiel 50%) eingestellt wird, um zu verhindern, daß das Einschaltverhältnis das Referenz-Einschaltverhältnis übersteigt, so daß der Ein/Aus-Strom bei dem Umschaltbetrieb auf einen Wert unterhalb eines vorbestimmten Werts beschränkt wird, und das Rauschen unterdrückt werden kann.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Spannungserhöhungsschaltung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist ein Ausgang-Signalverlaufsdiagramm, das den Betrieb der Spannungserhöhungsschaltung des Ausführungsbeispiels zeigt; und
Fig. 3 ist ein Ausgang-Signalverlaufsdiagramm, das den Betrieb der Spannungserhöhungsschaltung des Ausführungsbeispiels zeigt, wenn eine Last verringert wird.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Es wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß dieser Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 ist ein Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannungserhöhungsschaltung zeigt.
In Fig. 1 entspricht ein Abschnitt, der von einer strichpunktierten Linie umgeben ist, einer Oszillatorschaltung (OSC) mit einem veränderlichen Tastverhältnis (Einschaltverhältnis). Die Oszillatorschaltung OSC enthält einen Schmitt-Trigger-Inverter IC1 aus CMOS, wobei die Hysterese des Inverters IC1 so eingestellt ist, daß sie einen breiten Bereich von etwa ±0,5 V an der Mitte bei 2,5 V hat, das heißt, sie hat einen oberen (maximalen) Pegel von 3 V und einen unteren (minimalen) Pegel von etwa 2 V, wie in Fig. 2 gezeigt. Ein Rückkopplungswiderstand R1 ist zwischen dem Eingangs- und Ausgangsanschluß des Schmitt-Trigger-Inverters IC1 geschaltet, und ein Kondensator C1 ist zwischen dem Eingangsanschluß des Schmitt-Trigger-Inverters IC1 und der Erde geschaltet, wodurch die Oszillatonsschaltung gebildet wird, die durch sich wiederholende Lade- und Entladevorgänge des Kondensators C1 durch den Rückkopplungswiderstand R1 zum Schwingen gebracht wird.
Der Ausgangspunkt a der Takt-Oszillationsschaltung ist mit einem Steuerungsanschluß (Gate) eines Umschalttransistors (FET) Tr1 verbunden, um den Transistor Tr1 im Umschaltbetrieb zu betreiben.
Ein Source/Drain-Weg des Transistors Tr1 ist zwischen der Erde und einem Anschluß einer Umschaltspule L1 geschaltet, wobei der andere Anschluß der Umschaltspule L1 mit einer Batterie VB verbunden ist und der gemeinsame Verbindungspunkt c zwischen der Umschaltspule L1 und dem Transistor Tr1 durch eine den Rückstrom verhindernde Diode D1 mit einem Anschluß eines Elektrolytkondensators C2 zur Energiespeicherung verbunden ist. Der andere Anschluß des Elektrolytkondensators C2 ist mit der Erde verbunden.
Eine Hochspannung, die durch den Umschaltbetrieb des Transistors Tr1 induziert wird, wird durch die Diode D1 dem Kondensator C2 zugeführt, das heißt, die in der Spule L1 gespeicherte Energie wird durch die Diode D1 zu dem Kondensator C2 übertragen, um den Kondensator C2 zu laden. Die Ladespannung des Kondensators C2 wird daraufhin als eine verstärkte Ausgangsspannung V0 herausgezogen und z. B. an eine Airbag-Steuerungsschaltung für ein Fahrzeug ausgegeben.
Die verstärkte Ausgangsspannung V0 wird durch die Zenerdiode D3 zu der Takt-Oszillationsschaltung OSC rückgekopplet, wie oben beschrieben. Das heißt, der Ausgangsanschluß für die Bereitstellung der Ausgangsspannung V0 ist durch die Zenerdiode D3, eine den Rückstrom verhindernde Diode D2 und einen Strombegrenzungswiderstand R2 mit dem Eingangsanschluß b der Takt-Oszillationsschaltung in Serie geschaltet.
Folglich wird die Ausgangsspannung V0 in ihrer Amplitude geregelt, damit sie im wesentlichen gleich dem Summenwert (z. B. von 15 V bis 16 V) der Spannung am Eingangsanschluß b der Takt-Oszillationsschaltung (die von 2 V bis 3 V schwankt) und der Zenerspannung der Zehnerdiode D3 ist.
Zusätzlich zu dem obigen Vorgang wird der Strom, dessen Stärke entsprechend dem Betrag der Last an der Verstärkungsschaltung verändert wird, von dem Kondensator C2 zu dem Eingangsanschluß b der Takt-Oszillationsschaltung rückgekoppelt, um den Kondesator C1 zu laden, so daß die Lade- und Entladezeit des Kondensators C1 veränderlich gemacht wird. Mit dieser Wirkung wird das Einschaltverhältnis des Ausgangstaktes der Takt-Oszillationsschaltung automatisch verändert, wodurch die automatische Einstellung der Lade- und Entladegeschwindigkeit des Elektrolytkondensators C2 in Übereinstimmung mit der Last freigegeben wird.
Der Betrieb der so aufgebauten Verstärkungsschaltung wird nun anhand von Fig. 2 und 3 beschrieben.
Fig. 2 ist e in Ausgabe-Signalverlaufsdiagramm jedes Punktes (a, b, c), wenn der Verstärkungsvorgang abgeschlossen ist und der Rückkopplungsstrom von dem Elektrolytkondensator C2 im wesentlichen gleich Null ist. In diesem Zustand wird die Ausgabe der Oszillationsschaltung zu einem Taktimpuls mit einem Einschaltverhältnis von 50%, wie durch den Signalverlauf am Punkt a von Fig. 1 gezeigt, da die Lade- und Entladevorgänge des Kondensators. C1 der Oszillationsschaltung mit derselben Periode wiederholt werden, wie es durch den Signalverlauf am Punkt b gezeigt ist. Wenn der Taktimpuls auf einem niedrigen Pegel ist, das heißt, wenn der Umschalttransistor Tr1 ausgeschaltet ist, wird eine verstärkte Spannung, wie sie durch den Signalverlauf am Punkt c gezeigt ist, am Punkt c des Ausgangsanschlusses der Spule L1 induziert, um den Elektrolytkondensator C2 zu laden. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Teil der Ausgangsspannung des Elektrolytkondesators C2, der den Spannungswert Von 15 V bis 16 V übersteigt, wie oben beschrieben, durch die Wirkung der Zenerdiode D3 abgeschnitten. Das heißt, die verstärkte Ausgangsspannung V0 wird so geregelt, daß sie gleich dem Spannungswert 15 V bis 16 V entspricht.
Wenn die Last stärker verringert wird als in dem obigen Fall, würde der Rückkopplungsstrom von dem Elektrolytkondensator C2 zu der Oszillationsschaltung fließen, so daß die Ladezeit des Kondensators C1 in der Oszillationsschaltung verkürzt wird, während die Entladezeit verlängert wird. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird daher das Einschaltverhältnis des Ausgangstaktes der Oszillationsschaltung klein, so daß die Einschaltzeit des Transistors Tr1 verkürzt wird und die in der Spule L1 während der Einschaltzeit des Transistors Tr1 zu speichernde Energie verringert wird. Somit wird auch die in den Elektrolytkondensator C2 einströmende Energie verringert.
Wenn die Last stärker verringert wird als in diesem Zustand, wird der Rückkopplungsstrom verringert, und das Einschaltverhältnis des Oszillationstaktes wird erhöht, so daß die einströmende Energie in den Elektrolytkondensator C2 auch erhöht wird.
Durch die obigen Vorgänge wird das Einschaltverhältnis in dem Umschalt-Regelbetrieb in Übereinstimmung mit der Größe der Last verändert, und die Ausgangsspannung der Verstärkungsschaltung wird im wesentlichen konstant gehalten.
Selbst wenn in diesem Fall die Last erhöht wird und das Einschaltverhältnis angehoben wird, ist das Einschaltverhältnis auf maximal 50% begrenzt. Wenn daher die Last weiter erhöht wird, kommt es zu einer Verringerung der Ausgangsspannung V0. Allerdings bewirkt die Verringerung des Einschaltverhältnisses des Wertes unter 50%, daß der Ein/Aus-Strom ebenfalls unter einen entsprechenden Wert begrenzt wird, wodurch das Rauschen ebenfalls unterdrückt wird. Somit erzeugt die obige Wirkung eine starke Verbesserung bei einem anwendungsorientierten Gerät, wie z. B. einer Airbag-Steuerungsschaltung für ein Fahrzeug, bei dem eine Einwirkung durch Rauschen auf die elektromagnetische Kompatibilität verhindert werden muß.
Da außerdem ein derartiges anwendungsorientiertes Gerät keine hohe Ausgangsgenauigkeit erfordert und seine Last gering ist, hat das Ausführungsbeispiel der Erfindung den Vorteil, daß ein ausreichendes gewünschtes Leistungsvermögen in einer einfachen Anordnung und mit niedrigen Kosten bereitgestellt werden kann.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß dieser Erfindung eine Verstärkungsschaltung mit einer Umschaltreglerstruktur und mit unterdrücktem Rauschen in einem relativ einfachen Aufbau bereitgestellt werden.

Claims

1. Umschaltschaltung zur Spannungserhöhung mit:

einem Oszillationsmittel (OSC) zum Erzeugen eines Taktimpulses;

einem Spannungserhöhungsmittel (TR1, L1, VB), das in einer Umschalt-Betriebsart betrieben wird als Reaktion auf den Ausgang-Taktimpuls des Oszillationsmittels (OSC), um eine erhöhte Spannung zu induzieren;

einem ersten Kapazitätsmittel (C2), das durch die erhöhte Spannung von dem Spannungserhöhungsmittel geladen wird, um einer Last zuzuführende Energie zu speichern; und

einem Rückkopplungsmittel (D3, D2, R2) zum Rückkoppeln eines Stroms, der entsprechend einer Last veränderlich ist, von dem ersten Kapazitätsmittel (C2) zu dem Oszillationsmittel (OSC);

dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungsstrom derart wirkt, daß das Tastverhältnis eines Umschaltvorgangs auf einen kleineren Wert als ein vorbestimmtes Referenz-Tastverhältnis eingestellt wird;

das Oszillationsmittel einen Schmitt-Trigger-Inverter (IC1) hat und einem seiner Eingänge der Rückkopplungsstrom zugeführt wird;

das Oszillationsmittel (OSC) ein zweites Kapazitätsmittel (C1) enthält, das an den Eingang des Schmitt-Trigger-Inverters (IC1) gekoppelt ist, so daß das Tastverhältnis des durch das Oszillationsmittel erzeugten Taktimpulses auf eine Ladungszeitdauer des zweiten Kapazitätsmittels (C1) reagiert;

wobei sich die Ladungszeit des zweiten Kapazitätsmittels (C1) mit dem Rückkopplungsstrom ändert.

2. Umschaltschaltung zur Spannungserhöhung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungserhöhungsmittel einen Schalttransistor (TR1), der in einer Umschalt-Betriebsart betrieben wird, sowie eine Spule (L1) zum Induzieren der erhöhten Spannung ausgehend von dem Umschaltvorgang des Schalttransistors aufweist.

3. Umschaltschaltung zur Spannungserhöhung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kapazitätsmittel (C2) einen Elektrolytkondensator aufweist.

4. Umschaltschaltung zur Spannungserhöhung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsmittel (D3, D2, R2) eine Zenerdiode (D3) enthält zum Verringern der erhöhten Spannung unter einen vorbestimmten Wert.

5. Umschaltschaltung zur Spannungserhöhung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsmittel (D3, D2, R2) außerdem eine Rückfluß verhindernde Diode (D2) und einen Strombegrenzungswiderstand (R2) enthält zum Rückkoppeln der Spannung unterhalb des vorbestimmten Werts an das Oszillationsmittel.