DE69814580T2

DE69814580T2 - Umrichter, integrierte schaltung und telekommunikationsvorrichtung

Info

Publication number: DE69814580T2
Application number: DE69814580T
Authority: DE
Inventors: Henk Derks
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2018-06-12
Also published as: US5990670A; EP0927451B1; WO1999004482A1; DE69814580D1; JP2001501080A; JP3860224B2; EP0927451A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen, in dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschriebenen Umrichter.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen integrierten Schaltkreis mit einem solchen Umrichter sowie auf eine, mit einem solchen Umrichter versehene Telekommunikationsvorrichtung, wie zum Beispiel ein Telefon oder Faxgerät.
Ein Umrichter dieser Art, ebenfalls als Schaltnetzteil bekannt und in einem IC und Telefon verwendet, ist im Allgemeinen bekannt. Insbesondere aus EP-A-0 190 110 ist es bekannt, einen ausgangsspannungsstabilisierten Umrichter in einem integrierten Schaltkreis zu implementieren und in einer Telekommunikationsvorrichtung, wie zum Beispiel einem Telefon, einem Faxgerät, einem Modem o. ä., zu verwenden. Der bekannte Umrichter ist mit einer Schaltregeleinrichtung versehen, um zugeführte Eingangsleistung zu unterbrechen. Diese Umrichter besitzen die bekannte Fähigkeit, die zugeführten Eingangsspannungen und -ströme mit großer Effektivität von einem Wert in einen anderen Wert umzuwandeln. Ihre Fähigkeit wird zum Umwandeln von Netzstrom auf einer Leitung, wie zum Beispiel einer Telefonleitung, in Spannungen und Ströme, welche zum Speisen innerer Elemente des integrierten Schaltkreises, Telefonschaltkreises sowie des Telefons selbst verwendet werden können, eingesetzt.
Heutzutage weisen Fernmeldegeräte zusätzliche, Netzstrom verbrauchende Merkmale, wie zum Beispiel Freisprechen, Mithören, Wahl bei aufgelegtem Handapparat, als Summer verwendeter Lautsprecher usw., auf. Jedes Land stellt unterschiedliche, spezifische Anforderungen an die Telefonleitung und die an diese angeschlossenen Fernmeldegeräte, wenn es um zulässige Spannungen, Ströme und Eingangsimpedanzen bei unterschiedlichen Leitungsbedingungen geht. Die Telefonvorschriften machen es in Verbindung mit bestimmten Leistungsmerkmalen unmöglich, die von lokalen, nationalen Telekommunikationsbehörden auferlegten Anforderungen zu erfüllen. Dieses trifft im Besonderen auf Anforderungen in Bezug auf Größen zu, wie zum Beispiel die zulässige Mindesteingangsimpedanz bei unterschiedlichen Leitungsbedingungen.
So haben bekannte Umrichter den Nachteil, dass sie Leitungseingangsgrößen solcher Telekommunikationsvorrichtungen unter strengen Leitungs-/Lastbedingungen nicht innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen halten können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen integrierbaren IC-Umrichter vorzusehen, welcher einer Übertragungsleitung Energie entnehmen und eine ausreichende Energiemenge unter noch unterschiedlicheren Leitungsbedingungen abgeben kann, wobei den Telekommunikationsanforderungen nachgekommen wird.
Zu diesem Zweck weist ein Ausführungsbeispiel des Umrichters gemäß der vorliegenden Erfindung die in Anspruch 1 umrissenen, kennzeichnenden Merkmale auf. Vorteil des Umrichters gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass die Schaltregeleinrichtung ein Steuersignal von den, den Eingangsstrom bestimmenden Mitteln empfängt. Die den Eingangsstrom bestimmenden Mittel können die Schaltregeleinrichtung mit Hilfe eines abgegebenen Signals, welches eine Schätzung des hauptsächlich wechselnden Eingangsstroms zu dem Umrichter enthält, einstellen. Das heißt, dass, wenn die Eingangsspannung V_in bekannt ist, der wechselnde Eingangsstrom I_in proportional zu V_in beeinflusst werden kann, woraufhin dessen Quotient, bei welchem es sich um die Eingangsimpedanz handelt, zum Beispiel konstant oder über einem erforderlichen Mindestwert, welcher von dem vorhandenen Netzstrom abhängig ist, gehalten werden kann, um den oben erwähnten Anforderungen entsprechen zu können. Dieses ist besonders bei niedrigen Eingangsspannungen von Bedeutung, wobei die verwendeten, bekannten Vorrichtungen eine solche geringe Eingangsimpedanz aufweisen, dass deren Wert noch unter der zuvor erwähnten, vorgeschriebenen Mindesteingangsimpedanz liegt.
Vorteil des Umrichters gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass die unterbreitete Lösung keine (extremen) langen Zeitkonstanten vorsieht, welche die Stabilität des Umrichters als Ganzes sonst in Frage stellen würden.
Ein weiterer Vorteil des Umrichters gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass die vorgeschlagene Lösung den Wirkungsgrad der Umwandlung durch den Umrichter nicht verringert. Des Weiteren sieht die vorgeschlagene Lösung, im Gegensatz zu einigen anderen Umrichtern nach dem Stand der Technik, die Möglichkeit eines IC- Niederspannungsintegrationsverfahrens vor. Darüber hinaus müssen, was den Umrichter gemäß der vorliegenden Erfindung anbelangt, keinerlei Beschränkungen im Hinblick auf zulässige Lasten und Lastbedingungen mehr berücksichtigt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Umrichters gemäß der vorliegenden Erfindung weist translineare Mittel auf, wie in Anspruch 3 näher ausgeführt. Dieses hat den Vorteil, einen analogen, dennoch leicht zu integrierenden Umrichter mit, durch vier verkoppelte Halbleiter verkörperten, translinearen Mitteln vorzusehen.
Ein Ausführungsbeispiel des Unmrichters gemäß der vorliegenden Erfindung, welches in Anspruch 5 beschrieben ist, hat den Vorteil, dass der Ausgang des Differenzverstärkers ein Fehlersignal zur Steuerung der Schaltregeleinrichtung abgibt. Unter bestimmten Lastausgangsbedingungen wird der Einschaltzyklus der Schaltregeleinrichtung mit Hilfe des Fehlersignals eingestellt, um den Eingangsstrom in den Umrichter zu verringern und dadurch eine sehr niedrige Eingangsimpedanz zu verhindern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – ein elektrisches Schaltbild zur Erläuterung möglicher Ausführungsbeispiele des Umrichters gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 – ein elektrisches Schaltbild translinearer Mittel zur Verwendung in dem Umrichter von 1; sowie
3 – eine, als Telefon vorgesehene Telekommunikationsvorrichtung, welche mit dem Umrichter von 1 versehen ist.
In den gesamten Figuren sind gleiche Merkmale durch die gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
1 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Umrichters 1. Der Umrichter 1 weist einen Eingang 2, einen Ausgang 3 sowie eine Schaltregeleinrichtung 4 mit einem Schalter 5 und einem Einschaltzyklusregler 6 zur Steuerung des Schalters 5 auf. Der Schalter 5 der Schaltregeleinrichtung 4 ist mit dem Eingang 2 des Umrichters 1 verbunden. Der Umrichter 1 weist ebenfalls Energiespeichermittel 7, welche eine, mit dem Schalter 5 und Ausgang 3 verbundene, elektrische Spule zur Speicherung elektrischer Energie enthalten, sowie eine Rücklaufdiode 8 auf. Der Ausgang 3 ist so dargestellt, dass an diesen ein Kondensator 9 und eine Last 10 angeschlossen sind. Der Umrichter 1 weist ebenfalls den Eingangsstrom bestimmende Mittel 11 auf, welche zwischen dem Ausgang 3 und einem Steuereingang 12 der Schaltregeleinrichtung 4 geschaltet sind.
Die Arbeitsweise des Umrichters 1 ist so, dass ein Strom I_in und eine Spannung V_in, welche Eingang 2 zugeführt werden, in einen generell anderen Ausgangsstrom I_out und Ausgangsspannung V_out an Ausgang 3 umgewandelt werden. Sollte Schalter 5 der Schaltregeleinrichtung 4 geschlossen sein, beginnt ein linearer, zunehmender Strom durch Spule 7 zu Lastkondensator 9 zu fließen, wobei eine Ausgangsspannung an der Last 10 erzeugt wird. Es fließt ein entsprechender Laststrom durch Last 10. Das Öffnen des Schalters 5 führt durch Rücklaufdiode 8 zu einer Freisetzung der in Spule 7 aufgebauten Energie. Die den Eingangsstrom bestimmenden Mittel 11 bestimmen den (durchschnittlichen) Eingangsstrom auf eine noch zu beschreibende Weise und steuern den Einschaltzyklus von Schalter 5 so, dass zumindest eine zulässige Mindesteingangsimpedanz Z_in, welche V_in/I_in entspricht, aufrechterhalten wird.
Die den Eingangsstrom bestimmenden Mittel 11 können entweder auf digitale Weise mit Hilfe eines Rechenmikroprozessors oder auf analoge Weise, z. B. mit Hilfe translinearer Mittel, wie zum Beispiel in 2 dargestellt, realisiert werden. Bei beiden Ausführungen wird die Ausgangsleistung auf Grund des Ausgangsstroms I_out und der Ausgangsspannung V_out an Ausgang 3 implizit bestimmt oder explizit berechnet. Auf Grund des Wirkungsgrads ¶ des Umrichters 1, welcher nahezu 100% betragen könnte, sowie der Eingangsspannung V_in an Eingang 2 wird der Eingangsstrom I_in bestimmt durch das Verhältnis: Iin = (Vout * Iout)/(¶ * Vin)
Der so bestimmte Eingangsstrom ist durch ein Signal dargestellt, welches eingesetzt werden kann, um von diesem ein Steuersignal an Steuereingang 12 der Schaltregeleinrichtung 4 abzuleiten und den Einschaltzyklus so zu beeinflusen, dass die Eingangsimpedanz Z_in innerhalb vorgeschriebener Grenzen bleibt.
Bei einer Ausführung auf analoge Weise kann von den ebenfalls in 2 dargestellten, translinearen Mitteln 13 Gebrauch gemacht werden. Diese translinearen Mittel 13 ermitteln auf Grund des obigen Verhältnisses ein Signal V, welches zu dem bestimmten Eingangsstrom I_in proportional ist. Die den Eingangsstrom bestimmenden Mittel 11 weisen ebenfalls einen Differenzverstärker 14 mit Eingängen 15 und 16 auf. Der erste Eingang 15 ist mit Eingang 2 des Umrichters 1 und der zweite Eingang 16 mit einem Ausgang 17 der translinearen Mittel 13 verbunden. Das durch Verstärker 14 an Steuereingang 12 erzeugte Signal bildet ein Fehlersignal, um den Einschaltzyklusregler 6 entsprechend zu steuern.
Die translinearen Mittel 13 weisen vier parallele Hauptstrombahnen 18, 19, 20 und 21 auf. Drei Hauptstrombahnen 18, 19 und 20 enthalten Stromquellen, welche Ströme abgeben, die jeweils durch I_out, V_out und ¶ * V_in dargestellt sind. Die Folge ist, dass ein Strom I_in entsprechend dem obigen Verhältnis durch Hauptstrombahn 21 fließt; diese vierte Hauptstrombahn 21 ist über Ausgang 17 der translinearen Mittel 13 an den ersten Steuereingang 12 der Schaltregeleinrichtung 4 gekoppelt. Die Hauptstrombahnen 18–21 sind durch Halbleiter 22–25, wie dargestellt, miteinander verkoppelt. Die allgemeine Theorie über translineare Schaltkreise kann einem Lehrbuch über Elektronik sowie dem Artikel „Translinear Circuits: An Historical Overview" von Barrie Gilbert, veröffentlicht in ,Ana log Integrated Circuits and Signal Processing, 9, Seiten 95–118 (1996), entnommen werden.
3 zeigt einen Umrichter 1, der auf einem IC vorgesehen ist, welches in einer, als Telefon 26, z. B. einen öffentlichen Fernsprecher, verkörperten Telekommunikationseinrichtung angeordnet ist. Ein solches Telefon 26, bei welchem es sich um ein Festtelefon in einem Telekommunikationssystem 27 handeln kann, enthält im Allgemeinen einen Mikroprozessor 28, einen zugeordneten Speicher 29, einen Anzeigeschirm 39, ein Tastenfeld 31, einen Lautsprecher 32 sowie einen zugeordneten Steuerkreis 33. Alles kann, sofern dieses möglich ist, in einem integrierten Schaltkreis enthalten sein. Selbstverständlich weist das Telefon 26 alle weiteren Merkmale, welche ordnungsgemäß integiert und für das erforderliche Funktionieren unerlässlich sind, sowie zusätzliche Merkmale, wie zum Beispiel Freisprechen, Mithören, Lautsprechereinrichtung, Wählmerkmale, Aufladeeinrichtung usw., auf, deren Leistung nun unter vielen verschiedenen Leitungs-/Lastbedingungen von jedem Telefon 26 von der Leitung 34 abgleitet werden kann.
Das elektrische Schaltbild von 1 zeigt, dass die Schaltregeleinrichtung 4 mit einem zweiten Steuereingang 35 versehen ist, welcher im Allgemeinen über einen Differenzverstärker (nicht dargestellt) an den Ausgang 3 des Umrichters 1 gekoppelt ist. Es wird ein Steuersignal an dem zweiten Steuereingang 35 eingesetzt, um die Ausgangsspannung an Ausgang 3 zu stabilisieren. Jedoch hat bei unzureichender Leistung an Eingang 2 des Umrichters 1 das Steuersignal an dem ersten Steuereingang 12 Vorrang vor dem Steuersignal an dem zweiten Steuereingang 35, so dass die zulässige Mindesteingangsimpedanz dann durch entsprechende Abnahme der Ausgangsspannung aufrechterhalten wird.
Inschrift der Zeichnung:

Figur 1

CONTROL: – STEUERUNG
error signal: – Fehlersignal
Algebraic function: – Algebraische Funktion
error amp: – Verstärker der Regelabweichung

(I_out, R_load usw. nicht übersetzen)

Claims

Umrichter mit – einem Eingang (2) und einem Ausgang (3), – einer Schaltregeleinrichtung (4), welche an den Ausgang (3) gekoppelt ist, wobei die Schaltregeleinrichtung (4) mit mindestens einem, an den Ausgang (3) gekoppelten Steuereingang (12) versehen ist, sowie – Energiespeichermitteln (7), welche zwischen der Schaltregeleinrichtung (4) und dem Ausgang (3) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter den Eingangsstrom bestimmende Mittel (11) aufweist, welche zwischen dem Ausgang (3) und mindestens einem Steuereingang (12) der Schaltregeleinrichtung (4) gekoppelt sind, und dass die den Eingangsstrom bestimmenden Mittel (11) dazu dienen, einen Eingangsstrom (I_in) auf Grund einer Eingangsspannung (V_in), einer Ausgangsspannung (V_out), einem Ausgangsstrom (I_out) und eines Wirkungsgradparameters ¶ des Umrichters zu bestimmen.
Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter translineare Mittel (13) aufweist.
Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die translinearen Mittel (13) vier parallele Hauptstrombahnen (18–21) aufweisen, wobei drei Hauptstrombahnen (18–20) Stromquellen enthalten, und die translinearen Mittel (13) so angeordnet sind, dass, wenn die erste Stromquelle einen Strom abgibt, welcher proportional zu Ausgangsstrom I_out ist, die zweite Stromquelle einen Strom abgibt; welcher proportional zu Ausgangsspannung V_out ist und die dritte Stromquelle einen Strom abgibt, welcher proportional zu dem, mit der Eingangsspannung V_in multiplizierten Wirkungsgrad ¶ des Umrichters ist, ein Strom in der vierten Hauptstrombahn (21) fließt, welcher einem Strom entspricht, der zu (V_out * I_out)/(¶ * V_in) proportional ist, wobei die vierte Hauptstrombahn (21) an den ersten Steuereingang (12) der Schaltregeleinrichtung (4) gekoppelt ist.
Umrichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die translinearen Mittel (13) Halbleitermittel (22–25) aufweisen.
Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter einen Differenzverstärker (14) mit zwei Eingängen (15–16) und einem Ausgang aufweist, wobei der erste Eingang (15) mit dem Eingang des Umrichters, der zweite Eingang (16) mit den, den Eingangsstrom bestimmenden Mitteln (11) und der Ausgang des Differenzverstärkers (14) mit dem mindestens einen Steuereingang (12) der Schaltregeleinrichtung (4) verbunden ist.
Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltregeleinrichtung (4) mit einem zweiten Steuereingang (35) versehen ist, um die Ausgangsspannung (V_out) des Umrichters zu stabilisieren, wobei der zweite Steuereingang (35) an den Ausgang (3) des Umrichters gekoppelt ist.
Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter so vorgesehen ist, dass ein Steuersignal an dem zweiten Steuereingang (35) Vorrang vor einem Steuersignal an dem ersten Steuereingang (12) der Schaltregeleinrichtung (4) hat.
Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermittel (7) mindestens eine Spule aufweisen.
Integrierter Schaltkreis, welcher mit einem Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 versehen ist.
Telekommunikationsvorrichtung, wie zum Beispiel ein Telefon, ein Faxgerät o. ä., welche mit einem integrierten Schaltkreis nach Anspruch 9 und/oder einem Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 versehen ist.