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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Energieversorgungsschaltungen,
wie beispielsweise geregelte AC/DC (Wechselspannung/Gleichspannung)
und DC/DC (Gleichspannung/Gleichspannung)-Wandler, insbesondere
eine Spannungsversorgungsregelung und insbesondere die Feinsteuerung
von partiell geregelten Spannungsversorgungen.
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Stand der
Technik
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Spannungswandler
in Energieversorgungen haben oft mehr als eine Ausgabe. Um Raum
und Geld zu sparen, ist es nicht ungewöhnlich, dass Energieversorgungen
mit mehreren Ausgängen
eine der Ausgaben fein regeln und andere der Ausgaben nur grob oder
untergeordnet regeln. Ein Nachteil mit grob oder untergeordnet geregelten
Ausgängen
ist es, dass sie eine unerwünschte
inhärente
Lastabhängigkeit
aufweisen, d. h. die Ausgänge
verändern sich
in Abhängigkeit
von der Last. Die Lastabhängigkeit
eines jeden dieser Ausgänge
ist eine zusammengesetzte Abhängigkeit,
die die Last und Lastveränderung
des fraglichen Ausgangs umfasst, und einen kreuzabhängigen Teil
von den Lasten und Lastveränderungen
der anderen Ausgänge.
Die Quer- bzw. Kreuzlastabhängigkeit
wird insbesondere durch die Lasten der geregelten Ausgänge und
Lastveränderungen
bewirkt. Aufgrund dessen werden die Nenn-Lastbereiche solcher Energieversorgungen sehr
konservativ bemessen, um sicherzustellen, dass die unterschiedlichen Spannungen
an den Ausgängen
zu allen Zeiten innerhalb akzeptabler Pegel sind.
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Dieses
legt den Verwendungen solcher Energieversorgungen sehr strenge Beschränkungen auf.
Solche Beschränkungen
können
zum Zeitpunkt einer Herstellung akzeptabel sein, falls die Energielasten
solcherart sind, dass sie sich nur innerhalb der Nenn-Lastbereichsbeschränkungen
der Energieversorgung bewegen. Es wird jedoch ein Problem eher wahrscheinlich
dann geben, wenn ein Aufbau/eine Vorrichtung modernisiert wird,
da eine Modernisierung oft eine Änderung
von viel Energie verbrauchenden Teilen in modernere Niedrigenergievorrichtungen
umfassen wird, oder der Hauptgrund dafür sein wird. Eine für höhere Lasten
optimierte Energieversorgung kann in solchen Fällen vollständig überflüssig werden, falls sie ihre
Ausgänge
nicht innerhalb vorgegebener Begrenzungen mit der neuen Last oder
neuen Lasten halten kann. Es ist höchst unerwünscht, eine ansonsten funktionierende
Energieversorgung vollständig
auszutauschen.
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Daher
gibt es eine Notwendigkeit dafür,
den Lastbereich von existierenden Energieversorgungen mit ungeregelten,
grob geregelten und/oder untergeordnet geregelten Ausgängen zu
erweitern. Energieversorgungen, die heute entwickelt werden, müssen normalerweise
in der Lage sein, eine oder mehrere Spannungen innerhalb recht enger
Begrenzungen über
einem weiten Lastbereich zu liefern, aufgrund, beispielsweise, Energiesparfunktionen,
die bewirken können,
dass einer oder mehrere Teile einer Vorrichtung von einem sehr hohen
Energieverbrauch auf einen sehr niedrigen oder null Energieverbrauch
wechseln. Diese Erweiterung oder Bereitstellung eines großen Lastbereichs
sollte vorzugsweise auf kosteneffiziente Weise vorgenommen werden,
mit einer hohen Effizienz und niedrigen zusätzlichen Verlusten, und sollte
wenige, kleine, direkt verfügbare
und kostengünstige
Komponenten erfordern, da der verfügbare Raum recht beengt sein
kann. Der zusätzliche
Regler oder die Reglern, die benötigt
werden, sollten vorzugsweise auch robust sein, und irgendwelche
existierenden Regler oder mehrere Regler komplementieren und nicht
negativ beeinflussen, und sie sollten keine speziellen oder zusätzlichen Versorgungen
für ihre
Funktion erfordern.
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Es
gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Spannungsreglern, die dazu
verwendet werden, geregelte oder grob geregelte Spannungen zu regeln. Es
gibt herkömmliche
Serienregler und geschaltete Regler, um nur einige zu nennen. Ein
herkömmlicher Serienregler
ist in
US 5,528,127 beschrieben.
Die Nachteile mit herkömmlichen
Serienreglern liegen darin, dass sie eine relativ geringe Effizienz
aufweisen und normalerweise irgendeine Art von Überlastschutz benötigen. Geschaltete
Regler weisen eine höhere
Effizienz als herkömmliche
Serienregler auf, jedoch benötigen
sie normalerweise mehr Komponenten, wie beispielsweise magnetische
Komponenten, die unhandlich und teuer sind, und sie benötigen ebenso
normalerweise irgendeinen Überlastschutz. Zudem
können
geschaltete Regler aufgrund der hohen Schaltfrequenzen eine Interferenz
bewirken, die schwer abzuschwächen
ist.
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Die
meisten herkömmlichen
Regler haben Gemeinsamkeiten darin, dass eine fehlerhafte Komponente,
d. h., der Regler arbeitet nicht richtig, zu einer Ausgangsspannung
führen
kann, die zu hoch ist, d. h. schädlich,
oder eine Ausgangsspannung, die keine solche ist, also null ist.
Regler können
so aufgebaut sein, dass ihre Ausgänge hinsichtlich Ausgabe von
schädlichen
Spannungen geschützt
sind, dieses wird jedoch normalerweise, wenn der Schutz aktiviert
wird, stattdessen zu einem unbrauchbaren Ausgang oder einer vollständig unbrauchbaren
Energieversorgung führen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und kostengünstigen
Regler zu definieren, der auch im Falle eines vollständigen Ausfalls
in der Lage ist, einen nicht schädlichen
und möglicherweise immer
noch nutzbaren Ausgang zu liefern.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Regler
zu definieren, der lediglich eine Minimalanzahl von Komponenten
erfordert, und der während
eines Betriebs keine oder nur sehr geringe Interferenz erzeugt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Regler zu definieren,
der robust ist und der einfach dimensioniert werden kann, so dass
kein spezieller Lastschutz erforderlich ist.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Regler zu definieren,
der auf einfache Art zu einer existierenden Energieversorgung hinzugefügt werden
kann, durch Verwendung existierender Bezugspotentiale und Versorgungsspannungen
für einen
Betrieb, um dadurch den Lastbereich der Energieversorgung und eine
Reglung auf einfache und kostengünstige
Weise zu verbessern.
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Die
oben erwähnten
Aufgaben werden in Übereinstimmung
mit der Erfindung durch einen Spannungsregler gelöst, der
eine sehr geringe Drop-Out-(Abfall)Spannung aufweist. Der Regler
verwendet einen invers vorgespannten Metalloxydhalbleiter-Feldeffekttransistor
(MOSFET) als Reglungselement/Einheit. Der Feldeffekttransistor wird
linear gesteuert durch einen Fehlerverstärker, der den geregelten Ausgang
mit einer Bezugsspannung vergleicht. Der Feldeffekttransistor erzeugt
einen Spannungsabfall zwischen dem Eingang und dem geregelten Ausgang über eine
Diodenfunktion innerhalb des Feldeffekttransistors. Der Feldeffekttransistor umgeht
diese Diodenfunktion mit einer linear gesteuerten Widerstandsfunktion,
um dadurch einen geregelten Ausgang zu erzeugen.
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Die
vorhergehend genannten Aufgaben werden in Übereinstimmung mit der Erfindung
auch durch einen Spannungsregler gelöst, der einen Bezugsanschluss,
einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss, eine Reglereinheit
und eine Steuereinheit umfasst. Der Eingangsanschluss ist für einen
Anschluss einer Spannungsquelle zwischen dem Eingangsanschluss und
dem Bezugsanschluss vorgesehen. Der Ausgangsanschluss ist für einen Anschluss
einer Last zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Bezugsanschluss
vorgesehen. Die Reglereinheit umfasst einen Eingangsknoten, einen Ausgangsknoten
und einen Reglerknoten. Die Reglereinheit ist in Serie zwischen
dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss auf solche Art und
Weise gekoppelt, dass der Eingangsknoten mit dem Eingangsanschluss
gekoppelt ist und der Ausgangsknoten mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.
Die Steuereinheit umfasst einen mit einer vorgegebenen Bezugsspannung
gekoppelten Bezugsknoten, einen mit dem Ausgangsanschluss gekoppelten Messknoten,
und einen mit dem Reglerknoten der Reglereinheit gekoppelten Steuerknoten.
Die Steuereinheit erzeugt ein Analogsignal auf dem Steuerknoten
in Abhängigkeit
von der Spannungsdifferenz zwischen dem Bezugsknoten und dem Messknoten
für eine
Steuerung der Reglereinheit auf solche Art und Weise, dass versucht
wird, dass eine vorgegebene Spannungsdifferenz zwischen dem Bezugsknoten und
dem Messknoten erhalten wird. In Übereinstimmung mit der Erfindung
umfasst die Reglereinheit eine zwischen dem Eingangsknoten und dem
Ausgangsknoten der Reglereinheit gekoppelte Spannungsabfalleinheit.
Die Spannungsabfalleinheit erzeugt einen Spannungsabfall, der kleiner
als die erwünschte
Spannung der Spannungsquelle ist. Der Spannungsabfall ist im wesentlichen
unabhängig
von dem Strom durch die Spannungsabfalleinheit. Weiter umfasst in Übereinstimmung
mit der Erfindung die Reglereinheit auch eine im wesentlichen linear
steuerbare Nebenschlusseinheit. Die Nebenschlusseinheit weist die
Funktion eines im wesentlichen linear variablen Widerstands auf
und ist zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten der Reglereinheit
angeschlossen, und weist einen Steuereingang auf, der mit dem Reglerknoten
gekoppelt ist. Der variable Widerstand verändert seinen Widerstand in Übereinstimmung
mit einem an den Steuereingang angelegten Analogsignal, um dadurch
die Spannungsabfalleinheit auf solche Art und Weise zu umgehen,
dass der Ausgangsanschluss spannungsgeregelt wird.
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Die
Spannungsabfalleinheit kann auf vorteilhafte Weise in einigen Ausführungsbeispielen
eine oder mehrere Dioden umfassen, die in Serie gekoppelt sind,
um dadurch den erwünschten
Spannungsabfall zu erzielen. Die im wesentlichen linear steuerbare
Nebenschlusseinheit ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor. Der
Feldeffekttransistor kann vorteilhafterweise vom Typ Metalloxydhalbleiter
sein, der invers vorgespannt ist, um dadurch eine Diodenfunktion
ebenso innerhalb des Feldeffekttransistors zu erzeugen, die als
die Spannungsabfalleinheit arbeitet.
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Die
vorhergehend genannten Aufgaben werden in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung auch durch eine Energieversorgung gelöst, die mindestens zwei Ausgänge aufweist.
Von diesen Ausgängen
ist mindestens ein Ausgang geregelt, und mindestens ein Ausgang
ist vorgeregelt. In Übereinstimmung
mit der Erfindung ist weiter mindestens einer des mindestens einen
vorregulierten Ausgangs weiter mittels eines Spannungsreglers geregelt.
Der Spannungsregler umfasst einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss,
eine Reglereinheit und eine Steuereinheit. Der Eingangsanschluss
ist für
einen Anschluss des vorgeregelten Ausgangs. Der Ausgangsanschluss
ist für
einen Anschluss einer Last. Die Reglereinheit umfasst einen Eingangsknoten,
einen Ausgangsknoten und einen Reglerknoten. Die Reglereinheit ist
in Serie zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss
auf solche Art und Weise angeschlossen, dass der Eingangsknoten
mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist, und der Ausgangsknoten
mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Die Steuereinheit umfasst
einen mit einer vorgegebenen Bezugsspannung gekoppelten Bezugsknoten,
einen mit dem Ausgangsanschluss gekoppelten Messknoten und einen
mit dem Reglerknoten der Reglereinheit gekoppelten Steuerknoten.
Die Steuereinheit erzeugt ein Analogsignal auf dem Steuerknoten
in Abhängigkeit
von der Spannungsdifferenz zwischen dem Bezugsknoten und dem Messknoten,
für eine
Steuerung der Reglereinheit auf solche Art und Weise, dass versucht
wird, dass eine vorgegebene Spannungsdifferenz zwischen dem Bezugsknoten
und dem Messknoten erzielt wird. In Übereinstimmung mit der Erfindung
umfasst die Reglereinheit eine Spannungsabfalleinheit, die zwischen
dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten der Reglereinheit angeschlossen
ist. Die Spannungsabfalleinheit erzeugt einen Spannungsabfall, der
kleiner als die erwünschte
Spannung des vorgeregelten Ausgangs ist, mit dem der Eingangsanschluss
verbunden ist. Der Spannungsabfall ist im wesentlichen unabhängig vom
dem Strom durch die Spannungsabfalleinheit. Weiter umfasst die Reglereinheit
eine im wesentlichen linear steuerbare Nebenschlusseinheit, die
die Funktion eines im wesentlichen linear variablen Widerstands aufweist.
Die Nebenschlusseinheit ist zwischen dem Eingangsknoten und dem
Ausgangsknoten der Reglereinheit angeschlossen, und weist einen
Steuereingang auf, der mit dem Reglerknoten gekoppelt ist. Der variable
Widerstand verändert
seinen widerstand in Übereinstimmung
mit einem Analogsignal, das an den Steuereingang angelegt wird,
um dadurch die Spannungsabfalleinheit auf solche Art und Weise zu umgehen,
dass der Ausgangsanschluss spannungsgeregelt wird.
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Vorteilhafterweise
ist der Bezugsknoten der Steuereinheit mit einem der mindestens
einen geregelten Ausgänge
verbunden. Vorzugsweise ist die Spannungsabfalleinheit mindestens
eine Diode oder eine Diodenfunktion, um dadurch den erwünschten Spannungsabfall
zu erzielen. Vorzugsweise ist die im wesentlichen linear steuerbare
Nebenschlusseinheit ein Feldeffekttransistor, und besonders bevorzugt kann
der Feldeffekttransistor ein Metalloxydhalbleiter sein, der invers
vorgespannt ist, und der dadurch auch eine Diodenfunktion in dem
Feldeffekttransistor erzeugt, die als Spannungsabfalleinheit dient.
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Die
vorhergehend erwähnten
Aufgaben werden auch durch einen Spannungsregler gelöst, der einen
Bezugsanschluss umfasst, einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss,
eine Reglereinheit und eine Steuereinheit. Der Eingangsanschluss ist
für einen
Anschluss einer Spannungsquelle zwischen dem Eingangsanschluss und
dem Bezugsanschluss. Der Ausgangsanschluss ist für einen Anschluss einer Last
zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Bezugsanschluss. Die Reglereinheit
umfasst einen Eingangsknoten, einen Ausgangsknoten und einen Reglerknoten.
Die Reglereinheit ist in Serie zwischen dem Eingangsanschluss und
dem Ausgangsanschluss auf solche Art und Weise gekoppelt, dass der
Eingangsknoten mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist, und der
Ausgangsknoten mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Die Steuereinheit
umfasst einen mit einer vorgegebenen Bezugsspannung gekoppelten
Bezugsknoten, einen mit dem Ausgangsanschluss gekoppelten Messknoten,
und einen Steuerknoten, der mit dem Reglerknoten der Reglereinheit
gekoppelt ist. Die Steuereinheit erzeugt ein Analogsignal auf dem Steuerknoten
in Abhängigkeit
von der Spannungsdifferenz zwischen dem Bezugsknoten und dem Messknoten
für eine
Steuerung der Reglereinheit auf solche Art und Weise, dass versucht
wird, eine vorgegebene Spannungsdifferenz zwischen dem Bezugsknoten
und dem Messknoten zu erzielen. Die Reglereinheit umfasst einen
invers vorgespannten Metalloxydhalbleiter-Feldeffekttransistor,
der im wesentlichen als linear variabler Widerstand dient. Der Feldeffekttransistor
ist zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten der Reglereinheit
angeschlossen und weist einen Steuereingang auf, der mit dem Reglerknoten
verbunden ist. Der Feldeffekttransistor erzeugt weiter einen Spannungsabfall
zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten. Der Spannungsabfall
wird durch eine Diodenfunktion im Feldeffekttransistor erzeugt.
Der Spannungsabfall ist kleiner als die erwünschte Spannung der Spannungsquelle
und im wesentlichen unabhängig
von dem am Ausgangsknoten gezogenen Strom. Der Feldeffekttransistor
verändert
seinen Widerstand in Übereinstimmung
mit einem an den Steuereingang angelegten Analogsignal, um dadurch
den Spannungsabfall auf solche Art und Weise zu umgehen, dass der
Ausgangsanschluss spannungsgeregelt wird.
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Indem
ein einfacher Regler in Übereinstimmung
mit der Erfindung bereitgestellt wird, kann eine Vielzahl von Vorteilen
gegenüber
dem Stand der Technik Reglern erzielt werden. Aufgrund der innovativen
Auslegung kann eine sehr geringe Abfall(Drop-Out)-Spannung erzielt
werden. Indem ein Regler mit einer sehr geringer Abfall-Spannung
bereitgestellt wird, ist eine sehr geringe Abstrahlung möglich. Aufgrund
der einfachen Auslegung unter Verwendung eines Feldeffekttransistors
(FET) und der innovativen Nutzung der FET-inhärenten Eigenschaften kann der
Regler kostengünstig
mit einer begrenzten Anzahl von kostengünstigen Komponenten aufgebaut
werden, und wird daher geringes Gewicht aufweisen und eine kleine
Einbaugröße. Der
Regler in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist inhärent
robust und kann einfach dimensioniert werden, so dass kein zusätzlicher
oder spezieller Lastschutz für
einen Schutz des Reglers notwendig ist. Da der Regler einen sehr
begrenzten dynamischen Steuerungsbereich aufweist, führt dies
zu keinem oder nur einem sehr geringen Überwachungsaufwand für den Regler selbst.
Im Vergleich mit geschalteten Reglern bewirkt der Regler in Übereinstimmung
mit der Erfindung keine Hochfrequenzinterferenz. Aufgrund seiner
Einfachheit, geringer Kosten, geringem Gewicht und Volumen ist es
extrem einfach und wünschenswert,
ihn auch an existierende Energieversorgungen anzuwenden, bei denen
eine bessere Regelung einer oder mehrerer Spannungen bereitgestellt
werden soll.
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Beschreibung
der Figuren
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Die
Erfindung wird nunmehr detaillierter für erläuternde Zwecke und in keiner
Weise beschränkend
mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Spannungsreglers/Wandlers, bei dem die Erfindung
vorteilhaft implementiert werden kann,
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines Spannungsreglers in Übereinstimmung mit der Erfindung,
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3 zeigt
einen N-Kanal MOSFET, der in Übereinstimmung
mit der Erfindung gekoppelt ist, und eine negative Versorgung regelt,
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4 zeigt
einen P-Kanal MOSFET, der in Übereinstimmung
mit der Erfindung gekoppelt ist, und eine positive Versorgung regelt,
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einer typischen Implementierung,
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6 zeigt
ein Diagramm geregelter und ungeregelter Spannungsausgaben in Verbindung
mit 1 und 5.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Um
das System in Übereinstimmung
mit der Erfindung zu erläutern,
werden nunmehr einige Beispiele seiner Anwendung in Verbindung mit
den 1 bis 6 beschrieben.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Spannungsreglers/Wandlers 150,
bei dem die Erfindung vorteilhafterweise implementiert werden kann.
Die Energieversorgung kann entweder vom Typ einer AC zu DC (Wechselspannung
zu Gleichspannung)-Wandlers sein, oder vom Typ eines DC zu DC (Gleichspannung/Gleichspannung)-Wandlers.
Welche Art von Eingangsenergie 101 der Wandler 150 erfordert,
ist bei der vorliegenden Erfindung nicht wichtig. Der Wandler 150 in Übereinstimmung
mit 1 liefert einen geregelten Ausgang 120 und
drei ungeregelte, grob geregelte oder untergeordnet geregelte Ausgänge 130, 131 und
auch 132. Eine Last, die unter diesen Umständen vorzugsweise eine Vorrichtung
mit zwei Anschlüssen
ist, die mit irgendeinem der Ausgänge 120, 130, 131, 132 verbunden
ist, ist normalerweise auch mit einer Rückführleitung 100, allgemein
als Masse bezeichnet, verbunden. Um den geregelten Ausgang 120 geregelt
zu halten, wird ein Regelrückkopplungssignal 121 mit
einem Bezugsspannungssignal 122 verglichen, um dadurch ein
Fehlersignal 123 zu erzeugen, das anzeigt, um wie viel
der Ausgang 120 vom erwünschten
Pegel abweicht. Das Fehlersignal 123 wird in einem Verstärker 151 verstärkt, um
ein ausreichend starkes und/oder großes Steuersignal 124 zu
erzeugen, das zum Wandler 150 geführt wird, um irgendeine notwendige
Einstellung des Ausgangspegels des geregelten Ausgangs 120 auszuführen.
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Wie
vorhergehend erwähnt,
sind die Nenn-Strompegel des geregelten 120 wie auch die grob
oder untergeordnete geregelten Ausgänge 130, 131, 132 normalerweise
extrem beschränkt,
um dadurch in der Lage zu sein, die Ausgangsspannungen innerhalb
nutzbarer Pegel auszulegen. Diese beschränkten Auslegungen (Ratings),
die nicht nur eine obere Begrenzung sondern auch eine untere Begrenzung
aufweisen, ergeben sich u. a. aufgrund einer Kreuzlastabhängigkeit
zwischen den Ausgängen. Die
Regelung und Einstellung des geregelten Ausgangs 120 beeinflusst
die anderen mehr oder weniger ungeregelten Ausgänge 130, 131, 132.
Dies ist normalerweise eine nicht erwünschte Eigenschaft. Diese Eigenschaft
wird noch weniger wünschenswert,
wenn die Arbeitsbedingungen, die Lasten, der Energieversorgungen
sich ändern,
oder wenn eine Energieversorgung zu erstellen/auszulegen ist, die keine
beschränkte
Nenn-Ströme
der Ausgänge
aufweist, um Ausgangsspannungen innerhalb gegebener Beschränkungen
aufzuweisen.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines Spannungsreglers in Übereinstimmung mit der Erfindung. Der
Spannungsregler in Übereinstimmung
mit der Erfindung umfasst im wesentlichen ein Steuerelement/Einheit 270 und
ein Reglerelement/Einheit 260. Vorzugsweise ist eine mindestens
teilweise geregelte Energiequelle mit einem Energieeingang 202 und
einem Masseanschluss 200 gekoppelt, in diesem Beispiel
wird angenommen, dass es ein positives Potential auf dem Energieeingang 202 in
Bezug auf den Masseanschluss 200 gibt. Eine erwünschte Last kann
mit einem geregelten Ausgang 240 und dem Masseanschluss 200 gekoppelt
sein. Die Reglereinheit 260 umfasst zwei Passierelemente 261, 262,
in Serie zwischen dem ungeregelten Eingang 202 und dem
geregelten Ausgang 240 gekoppelt.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung umfasst die Reglereinheit 260 eine Spannungsabfalleinrichtung 261 als
erstes Passierelement. Die Spannungsabfalleinrichtung 261 ist
als eine ideale Batterie veranschaulicht, die der an den Energieeingang 202 angelegten
Spannung entgegengerichtet ist, und eine ideale Diode ist in Serie
mit ihrer Kathode an dem geregelten Ausgang 260 angeschlossen.
Die Reglereinheit 260 umfasst auch einen Nebenschluss 262 als
zweites Passierelement, parallel über der Spannungsabfalleinrichtung 261 angeschlossen,
und zur gleichen Zeit in Serie zwischen dem Energieeingang 202 und
dem geregelten Ausgang 240. Der Nebenschluss 262 ist
an einem Steuereingang über
ein kontinuierlich veränderliches
Steuersignal 243 von der Steuereinheit 270 steuerbar.
Das analoge Steuersignal 243 soll den Nebenschluss 262 auf
solche Art und Weise steuern, dass versucht wird, einen Ausgleich
zwischen einem vorgegebenen Verhältnis eines
Bezugsspannungseingangs 242 und einem Rückkopplungssignal 241 von
dem geregelten Ausgang 260 zu erzielen.
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Die
Spannungsabfalleinrichtung 261 vermindert das Potential
des geregelten Ausgangs 240 um eine vorgegebene Größe im Vergleich
mit dem Potential, das am Energieeingang 202 existiert.
Der vorgegebene Spannungsabfall ist geringer als das erwünschte Potential
am Energieeingang 202, d. h., der Spannungsabfall sollte
immer geringer als die Spannung sein, für die der Regler als eine Eingangsspannung
ausgelegt ist. Der vorgegebene Spannungsabfall ist vorzugsweise
so ausgelegt, dass er gleich oder etwas größer als die maximale differenzielle
Spannung ist, die zwischen dem Energieeingang 202 und dem
geregelten Ausgang 240 auftreten kann, wenn der Regler
innerhalb seiner Dimensionierungen betrieben wird. Der Nebenschluss 262 wird durch
die Steuereinheit 270 gesteuert, um so die Spannungsabfalleinrichtung 261 mit
einer Größe zu umgehen,
die gerade ausreichend ist, das Potential an dem geregelten Ausgang 240 auf
einem erwünschten
Pegel zu halten. In der Praxis bedeutet dies, dass der vorgegebene
Spannungsabfall recht gering eingestellt wird und der Regler nur
den Ausgang in diesem begrenzten dynamischen Bereich einstellt.
Große
Vorteile werden durch diese begrenzte dynamische Bereichsregelung
erzielt. Auch wenn ein Kurzschluss in einem Passierelement auftritt, oder
auch ein Bruch in einem beliebigen der geregelten Ausgänge, erreicht
dieses keine schädlichen
Pegel, sondern höchstwahrscheinlich
einen Pegel, der immer noch nutzbar ist.
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Die
Spannungsabfalleinrichtung 261 kann vorteilhaft eine oder
mehrere reale Dioden umfassen, die in Serie gekoppelt sind, da sie
einen Spannungsabfall erzeugen werden, der relativ unabhängig vom passierenden
Strom ist. Als ein Beispiel wird eine Siliziumdiode einen Spannungsabfall
von ungefähr
0,6 bis 0,7 Volt erzeugen, und eine Germaniumdiode wird einen Spannungsabfall
im Bereich von 0,2 Volt erzeugen. Der Nebenschluss 262 kann
vorteilhafterweise ein Feldeffekttransistor sein, der als ein regelbarer
variabler Widerstand genutzt werden kann. Durch Verwenden eines
Feldeffekttransistors, der für eine
lineare Steuerung invers vorgespannt ist, kann eine parallele Diode
erzielt werden, die die Maximalspannung begrenzt, die der Regler über sich
tragen kann. Ein getrennter externer Spannungsabfall/Diode ist in
diesen Ausführungsbeispielen
nicht notwendig, was die Komponentenanzahl kleiner macht.
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Sowohl
positive als auch negative Potentiale können entweder mit einem N-Kanal
oder einem P-Kanal MOSFET geregelt werden, vorzugsweise Leistungs-MOSFETs.
Die einzigen Beschränkungen sind,
dass die Richtungen des Stroms von dem Source zum Drain bei einem
N-Kanal FET sein sollten, und vom Drain zum Source, wenn ein P-Kanal
FET verwendet wird. Es ist jedoch vorteilhaft, einen N-Kanal für die Regelung
negativer Potentiale und einen P-Kanal für die Regelung positiver Potentiale
zu verwenden, da keine externe Spannungsquelle benötigt wird,
um das jeweilige Gate in diesen Fällen zu steuern. Dieses wird
einfachere und somit günstigere
Regulatoren zur Folge haben.
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3 zeigt
einen MOSFET, der in Übereinstimmung
mit der Erfindung gekoppelt ist, und eine negative Versorgung regelt.
Der ungeregelte Eingang 302 weist ein negatives Potential
im Verhältnis zur
Masse 300 auf. Der ungeregelte Eingang 302 ist mit
dem Drain 365 und dem Eingangsknoten des MOSFET 360 gekoppelt
und das Source 366 und der Ausgangknoten des MOSFET 360 ist
mit dem geregelten Ausgang 340 gekoppelt. Das Gate 367 und der
Reglerknoten ist mit einem Steuerelement/Einheit gekoppelt, nicht
gezeigt. In der Figur ist weiter die Richtung des Stroms 315 über eine
Last 310 angezeigt.
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4 zeigt
einen P-Kanal MOSFET, der in Übereinstimmung
mit der Erfindung gekoppelt ist und eine positive Versorgung regelt.
Der ungeregelte Eingang 402 weist ein positives Potential
in Bezug auf Masse 400 auf. Der ungeregelte Eingang 402 ist
mit dem Drain 465, Eingangsknoten, des MOSFET 460 gekoppelt,
und das Source 466, Ausgangsknoten, des MOSFET 460 ist
mit dem geregelten Ausgang 440 gekoppelt. Das Gate 467,
Reglerknoten, ist mit einem Steuerelement/Einheit gekoppelt, nicht
gezeigt. In der Figur ist auch die Richtung eines Stroms 415 durch
eine Last 410 gezeigt.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einer typischen Implementierung, bei der der Regler
in Übereinstimmung
mit der Erfindung an einen existierenden Aufbau angefügt ist.
In diesem Beispiel ist der existierende Aufbau eine Flyback Schaltenergieversorgung 550 mit
zwei Ausgängen 520, 530,
einem positiven Ausgang 520, der geregelt ist, und einem
negativen ungeregelten/untergeordnet geregelten Ausgang 530.
Der existierende Aufbau 550 ist nur teilweise gezeigt,
mit einem Transformator 557, Gleichrichterdioden 553, 554,
Ausgangskondensatoren 555, 556 und einem Rückkopplungssignal 521 für eine Regelung
des positiven geregelten Ausgangs 520.
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Der
Niederabfallregler in Übereinstimmung mit
der Erfindung umfasst einen invers vorgespannten Feldeffekttransistor 560 (FET),
vorzugsweise einen sog. MOSFET als ein Reglerelement/Einheit, was
beide Passierelemente umfasst, eine Diode und einen FET 562.
Um weiter die Anzahl von zusätzlichen
Komponenten zu minimieren, die der Niederausfallregler benötigt, nimmt
der Fehlerverstärker 571 seine
Energieversorgung 572, 573 von dem positiven geregelten
Ausgang 520 und dem geregelten Ausgang 540 des
Niederabfallreglers. Um weiter den Aufbau zu optimieren, wird die
Bezugsspannung 542, die der Niederabfallregler benötigt, von
dem positiven geregelten Ausgang 520 abgenommen. Das Beispiel
in Übereinstimmung
mit 5 nutzt die Verfügbarkeit eines positiven und
eines negativen Ausgangs aus. Die optimale Konfiguration eines Fehlerverstärkers, seiner
Energieversorgung und zugeordneten Bezugsspannung wird von der speziellen
Situation abhängen.
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Die
Bezugsspannung 542 und ein Rückkopplungssignal 541 von
dem Ausgang 540 des Niederabfallreglers wird an den Fehlerverstärker 571 über einen
Widerstandsteiler R1 576 und R2 577 geführt. Der
Fehlerverstärker 571 steuert
den MOSFET 560 mittels eines Steuersignals 543 in
Verbindung mit der Abweichung des Rückkopplungssignals 541 von
einem erwünschten
Pegel, um den geregelten Ausgang geregelt zu halten.
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Z1 574 und
Z2 575 gehören
zu einem Impedanzrückkopplungsnetzwerk
des Fehlerverstärkers 571.
Das Rückkopplungsnetzwerk
ist ausgelegt, eine geeignete Frequenzantwort des Reglers zu erzielen. Ein
Entkopplungskondensator 525, 545 ist vorzugsweise
zwischen jedem geregelten Ausgang 520, 540 und
Masse 500 verbunden.
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6 zeigt
ein Diagramm geregelter und ungeregelter Spannungsausgaben 690, 692, 693, 694 in
Verbindung mit 1 und 5. Die X-Achse 682 zeigt
die Zeit, während
die Y-Achse 681 Spannung und
Strompegel zeigt. Das Diagramm soll zeigen, wie Kreuzlastabhängigkeit
geregelte 690, ungeregelte/untergeordnet geregelte 693, 694 und
niederabfallsgeregelte 692 Ausgänge beeinflusst. Die oberen Spuren
zeigen die Spannung 690 und Strom 691, bezogen
auf einen geregelten Ausgang, beispielsweise dem positiven geregelten
Ausgang 520 von 5. Bei einem ersten Zeitpunkt 685 beginnt
der Strom 691, sich zu erhöhen, und fährt damit fort bis zu einem
zweiten Zeitpunkt 686, an dem der gezogene Strom auf einem
höheren
Pegel flach verläuft.
Wie zu sehen ist, verändert
sich die Spannung 690 des geregelten Ausgangs nicht, und
sie sollte dies auch nicht tun, solange der Strom 691 innerhalb
der Dimensionierung des Reglers/der Energieversorgung liegt. Die
drei unteren Spuren 692, 693, 694 zeigen die
Spannung eines geregelten Ausgangs 692 in Übereinstimmung
mit der Erfindung, und zwei Spuren 693, 694 eines
geregelten/untergeordnet geregelten Ausgangs, beispielsweise der
Ausgänge 540 und 530,
jeweils von 5. Es wird angenommen, dass
die Last auf diesen Ausgängen
während
jeder Spur konstant ist. Die oberste 692 dieser drei Spuren zeigt,
wie ein mit einem Niederabfallregler in Übereinstimmung mit der Erfindung
geregelten Ausgang nicht veränderlich
ist, nicht vor oder nach der ersten 685 und zweiten 686 gezeigten
Zeiten, d. h. es gibt keine merkliche Lastabhängigkeit. Die zwei unteren Spuren 693, 694 zeigen
beispielsweise einen untergeordnet geregelten Ausgang mit unterschiedlichen Lasten
am fraglichen Ausgang. Der untergeordnet geregelte Ausgang kann
beispielsweise einer der Ausgänge 130, 131, 132 von 1 oder
der untergeordnet geregelte Ausgang 530 von 5 sein,
ohne den Niederabfallregler. Unabhängig davon ist ein Ausgang
für eine
Regelung in Übereinstimmung
mit der Erfindung geeignet. Die oberste 693 dieser Spuren
zeigt die Spannung an diesem Ausgang, wenn der Ausgang mit seinem
maximalen Nenn-Ausgangsstrom
belastet ist. Die Spur 694 ganz unten zeigt die Spannung
an diesem Ausgang, wenn der Ausgang mit seinem minimalen Ausgangsstrom
belastet ist. Es ist aus dem Unterschied zwischen dem Pegel zwischen
den zwei unteren Spuren 693, 694 klar, dass die
Ausgangsspannung an diesem Ausgang in Abhängigkeit von der Last am Ausgang
variiert. Es ist weiter klar, dass die Erhöhung einer Last 691 an
dem geregelten Ausgang 690 auch bewirkt, dass der untergeordnet
geregelte Ausgang seine Ausgangsspannung erhöht.
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Zusammenfassend
kann die Erfindung im wesentlichen als Niederabfallsregler beschrieben werden,
der an den invers vorgespannten MOSFET als lineares Regelelement/Einheit
verwendet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern kann im Umfang der angefügten
Patentansprüche variiert
werden.