EP0299292A2 - Längsspannungsregler mit reduziertem Ausgangsrückstrom - Google Patents

Längsspannungsregler mit reduziertem Ausgangsrückstrom Download PDF

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EP0299292A2
EP0299292A2 EP88110506A EP88110506A EP0299292A2 EP 0299292 A2 EP0299292 A2 EP 0299292A2 EP 88110506 A EP88110506 A EP 88110506A EP 88110506 A EP88110506 A EP 88110506A EP 0299292 A2 EP0299292 A2 EP 0299292A2
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
output
regulator
transistor
longitudinal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP88110506A
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English (en)
French (fr)
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EP0299292A3 (de
Inventor
Gert Dipl.-Ing. Rudolph
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics GmbH
Original Assignee
SGS Thomson Microelectronics GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by SGS Thomson Microelectronics GmbH filed Critical SGS Thomson Microelectronics GmbH
Publication of EP0299292A2 publication Critical patent/EP0299292A2/de
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
    • G05F1/571—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection with overvoltage detector

Definitions

  • the invention relates to a longitudinal voltage regulator according to the preamble of claim 1.
  • Such a longitudinal voltage regulator is shown, for example, in FIG. 1 of DE-PS 33 41 345, but the type of load remains open.
  • Longitudinal voltage regulators of this type are used, for example, to supply microprocessors or microcomputers.
  • a buffer capacitor is usually connected in parallel with the controller output in order to absorb voltage drops in the controller output voltage feeding the microprocessor or microcomputer. Such voltage dips occur when voltage dips in the regulator input voltage occur which can no longer be corrected by the series voltage regulator.
  • Such a longitudinal voltage regulator the output voltage of which is buffered with the aid of a capacitor connected in parallel with the output, is known from ELEKTRONIK 1974, number 1, pages 30 and 31.
  • Modern microprocessors or microcomputers are able to internally save their operating state and their storage values in the event of a drop in the supply voltage supplied to them. It's all for that However, a minimum supply voltage must be maintained for a certain time.
  • the object of the invention is to remedy this, i.e. to improve the series voltage regulator specified at the outset in such a way that it discharges the output-side buffer capacitor much more slowly in the event of a voltage dip on the input side.
  • the invention is based on the knowledge that when the regulator input voltage drops below the nominal regulator output voltage stored in the buffer capacitor, the regulating element formed by a regulating transistor or current mirror arranged in the longitudinal regulator branch switches to inverse operation. That is, the control element begins to conduct in the direction opposite to normal operation, which leads to an output reverse current of the series voltage regulator, the direction of which is opposite to that of the normal regulator output current and thus the Buffer capacitor discharges. As a result of this discharge of the buffer capacitor, there is a drop in the regulator output voltage, which the series voltage regulator attempts to regulate via its error amplifier. The result of this is that the error amplifier drives the control transistor with increasing strength, which leads to a rapid increase in the output reverse current of the series voltage regulator and thus to an accelerated breakdown of the voltage across the buffer capacitor. This output reverse current is only limited by the current gain of the control transistor. However, since this is possibly quite high in order to achieve good normal operation of the series voltage regulator, an output reverse current of enormous magnitude arises and thus a very rapid breakdown of the voltage across the buffer capacitor.
  • the comparator detects the drop in the controller input voltage below the controller nominal output voltage and, when this operating state occurs, the control transistor is switched off using the controllable switch. Since this also causes the control element to be switched off, the control element is prevented from drawing an output reverse current. The consequence of this is that the voltage across the buffer capacitor can easily be kept above the minimum voltage value for a sufficiently long time, so that the microprocessor or microcomputer has enough time to achieve the internal state and data backup.
  • control current mirror with current amplification as the control element, which leads to a corresponding current reduction in the inverse operation of the control element. Any leakage current that is supplied to the control current mirror despite the control transistor being switched off then only causes an output reverse current of the series voltage regulator that is reduced in accordance with the reciprocal of the current mirror current gain.
  • Such current amplification of the control current mirror can be achieved by making the active semiconductor area of the current mirror transistor larger than the active semiconductor area of the current mirror diode to an extent corresponding to the desired current mirror gain.
  • the switching transistor can either be connected in parallel to the control input side of the control transistor, so that the controllable switch in its activated state switches the control transistor off directly. Or you can switch the controllable switch in the main circuit of the control transistor and interrupt the main circuit by the activated controllable switch. Furthermore, the controllable switch can be used to switch off the reference voltage in the case of the activated controllable switch. You can either switch off the reference voltage source or switch the controllable switch between the reference voltage source and the reference voltage input of the error amplifier, such that the controllable switch in its activated state switches the reference voltage input of the error amplifier to Reference potential of the longitudinal voltage regulator, for example to ground potential.
  • the regulated output voltage of the longitudinal voltage regulator for example when supplying microcomputers, is often in the range of 5 V, for the sake of safety one expects overvoltages of up to 50 V. Because on the one hand the on-board voltage of trucks is usually 24 V and on the other hand the alternator or its regulator can Deliver overvoltages of approximately the same level, so that a total voltage of approximately twice the nominal battery voltage can result. Since the breakdown voltage of the differential amplifiers used for conventional comparators is far below such voltage values, in a particularly preferred embodiment of the series voltage regulator according to the invention, the two comparator inputs are preceded by protective diodes which have a dielectric strength that takes such overvoltages into account.
  • This offset behavior of the comparator can be achieved by appropriate dimensioning of its differential amplifier stage.
  • a preferred possibility is to dimension the active semiconductor areas of the two voltage protection diodes so differently that the desired offset behavior is achieved.
  • the comparator is preferably designed as a control electrode-coupled differential amplifier, in the case of using bipolar transistors as a base-coupled differential amplifier.
  • the voltage which is proportional to the controller output voltage and which is fed to the error amplifier is usually obtained with the aid of a voltage divider connected in parallel with the controller output.
  • a high-resistance voltage divider is preferably used in order to keep the output reverse current of the series voltage regulator and thus the discharge load on the buffer capacitor as low as possible when the controllable switch is activated and the control element is therefore switched off.
  • the series voltage regulator according to the invention can be constructed with bipolar transistors, with field effect transistors, in particular MOS transistors, or with both types of transistors. In a preferred embodiment, it is designed as a monolithically integrated semiconductor circuit.
  • the current of the control transistor is only limited, but neither the control transistor nor the control transistor is switched off.
  • the differential circuit supplies the output signal which intervenes via the limiting transistor at a different threshold value than the circuit according to the invention.
  • Even if in the known longitudinal voltage regulators caused by the differential circuit of the limiting intervention there can still be a very high output reverse current, which very quickly discharges a buffer capacitor connected to the output of such a known longitudinal voltage regulator. Because when the input voltage drops to the nominal value of the controller output voltage after the limiting transistor has been used, a high output reverse current flows, which is at least just below the quite high saturation current of the control transistor and thus represents an enormous load for the buffer capacitor, which leads to its very rapid discharge.
  • These known longitudinal voltage regulators can therefore hardly enable the microprocessor or microcomputer supplied by them to secure their internal status and data.
  • a control element in the form of a control current mirror with a transistor Q1 connected as a diode in the diode branch and a transistor Q2 in the transistor branch is provided in the supply voltage-side longitudinal branch of the longitudinal voltage regulator shown in the figure, i.e. between an input E and an output A.
  • both transistors are designed as PNP transistors. Their emitters are connected together to the controller input E.
  • the collector of transistor Q1 is connected to the collector of a control transistor Q3, while the collector of transistor Q2 is connected to controller output A.
  • the control transistor Q3 is designed as a bipolar NPN transistor. Its base is connected to the output of an error amplifier F. A reference voltage VREF is present at its non-inverting input. Its inverting input is connected to a voltage divider point of a voltage divider connected in parallel with the regulator output A with two resistors R1 and R2.
  • a buffer capacitor CA is connected in parallel to controller output A.
  • the part of the circuit shown in the figure described so far corresponds to the construction of conventional longitudinal voltage regulators. It comes with a longitudinal tension Regulator, which only has the circuit part described, to a drop in the input voltage VE below the nominal value of the output voltage VA, Q2 of the current mirror reaches an inverse operating state, ie the emitter and collector of this transistor interchange their function. The result is an output reverse current discharging the buffer capacitor CA through the transistor Q2.
  • the error amplifier F tries to compensate for the drop in the controller output voltage resulting from the discharge of the buffer capacitor, for which purpose it controls the control transistor Q3 in an increasingly more conductive manner. This leads to a rapid increase in the output reverse current flowing through Q2 and to a strong acceleration of the discharge of the buffer capacitor CA.
  • a comparator with two PNP transistors Q4 and Q5 and two NPN transistors Q6 and Q7 is provided according to the invention.
  • Transistors Q4 and Q5 form a differential amplifier, the inputs of which are formed by the emitters of transistors Q4 and Q5, which are connected to controller input E and controller output A via a diode D2 and D1, respectively.
  • the collectors of Q4 and Q5 are connected to ground via load elements in the form of transistors Q6 and Q7, respectively.
  • a connection point K between the collectors of transistors Q4 and Q6 forms the output of the comparator and is connected to the base of a PNP switching transistor Q8 which forms the controllable switch. Its emitter is connected to the base of the control transistor Q3, while its collector is connected to ground. The emitter of the control transistor Q3 and the ends of the voltage divider R1, R2 and the buffer capacitor CA not connected to the regulator output A are also connected to ground.
  • the transistors Q6 and Q7 serving as load elements form a load current mirror, for which purpose the transistor Q7 is connected as a diode.
  • the transistors Q4 and Q5 forming the differential amplifier are each formed with a double collector, the collectors of Q4 and Q5 not connected to the load current mirror Q6, Q7 being connected to a switching point P connecting the base electrodes of the two transistors Q4 and Q5.
  • Each of the two double-collector transistors Q4 and Q5 thus forms a current mirror.
  • the circuit point P is connected to ground via a constant current source S.
  • the diodes D1 and D2 are connected with their cathodes to the emitters of the transistors Q5 and Q4 and with their anodes to the controller output A and the controller input E.
  • the active semiconductor area of the diode D1 is preferably ten times as large as the active area of the diode D2.
  • the active semiconductor area of the transistor Q2 is made larger than the active semiconductor area of the transistor Q1 to an extent corresponding to the desired current gain.
  • the active semiconductor area of Q2 is made B times as large as that of transistor Q1. If a certain leakage current enters the input branch of the control current mirror Q1, Q2 when the switching transistor Q8 is activated and thus when the control transistor Q3 is switched off, this only leads to a collector current of the transistor Q2 reduced by a factor of 1 / B and thus to a correspondingly small output reverse current.
  • the comparator Q4 to Q7 turns the switching transistor Q8 on via its output K, whereby the control transistor Q3 is switched off. This blocks the control current mirror Q1, Q2, so that it cannot draw an output reverse current.
  • the buffer capacitor CA can now only be loaded with the current flowing through the voltage divider R1, R2 and the emitter current of the transistor Q5. These currents can be selected by choosing a high-resistance voltage divider and by a current source S, which only delivers a low base current in the differential current mirror Q4, Q5, be kept very low.
  • the output reverse current thus remains limited to a very low current value, so that the buffer capacitor CA is discharged only correspondingly slowly and the microprocessor or microcomputer supplied by the series voltage regulator has sufficient time for internal status and Has backup.
  • the switching transistor Q8 remains switched off, so that the regulator properties of the series voltage regulator in this normal operating state are practically not impaired by the circuit arrangement protecting against high output reverse current.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Längsspannungsregler für eine elektrische Energie speichernde Last, mit einem in einem Reglerlängszweig angeordneten Regelelement (Q1, Q2), das über einen Steuertransistor (Q3) von einem Fehlerverstärker (F) angesteuert wird, der eine Abweichung einer der Reglerausgangsspannung (VA) proportionalen Spannung von einer Referenzspannung (VREF) ausregelt. Erfindungsgemäß ist ein die Reglerausgangsspannung (VA) mit der Reglereingangsspannung (VE) vergleichender Komparator (Q4 bis Q7) vorgesehen, dessen Ausgang (K) einen steuerbaren Schalter (Q8) aktiviert, der ein Ausschalten des Steuertransistors (Q3) bewirkt, wenn die Reglereingangsspannung (VE) auf einen Wert unterhalb der Reglernennausgangsspannung abfällt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Längsspannungsregler ge­mäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Einen derartigen Längsspannungsregler zeigt beispiels­weise Fig. 1 der DE-PS 33 41 345, wobei jedoch die Art der Last offenbleibt.
  • Derartige Längsspannungsregler werden beispielsweise zur Versorgung von Mikroprozessoren oder Mikrocomputern verwendet. Dabei wird üblicherweise dem Reglerausgang ein Pufferkondensator parallel geschaltet, um Spannungs­einbrüche der den Mikroprozessor oder Mikrocomputer speisenden Reglerausgangsspannung aufzufangen. Solche Spannungseinbrüche treten auf, wenn Spannungseinbrüche der Reglereingangsspannung auftreten, die vom Längs­spannungsregler nicht mehr ausgeregelt werden können.
  • Ein derartiger Längsspannungsregler, dessen Ausgangsspan­nung mit Hilfe eines dem Ausgang parallel geschalteten Kondensators gepuffert wird, ist bekannt aus ELEKTRONIK 1974, Heft 1, Seiten 30 und 31.
  • Aus der DE-OS 30 47 802 ist eine Schaltungsanordnung zum Überbrücken kurzzeitiger Speisespannungsausfälle bekannt, die eine Spannungsstabilisierungsschaltung mit zwei Aus­gängen aufweist, von denen einer mit einem Pufferkonden­sator und einer vorgeschalteten Entkopplungsdiode ausge­stattet ist.
  • Moderne Mikroprozessoren bzw. Mikrocomputer sind dazu in der Lage, bei einem Einbruch der ihnen zugeführten Versorgungsspannung ihren Betriebszustand und ihre Speicherwerte intern zu sichern. Hierfür ist es aller­ dings erforderlich, daß eine minimale Versorgungspannung für eine bestimmte Zeit aufrechterhalten wird.
  • Es wurde nun festgestellt, daß es bei herkömmlichen Längsspannungsreglern bei eingangsseitigen Spannungs­einbrüchen der beschriebenen Art zu einer derart raschen Entladung des ausgangsseitigen Pufferkondensators kommt, daß der Mikroprozessor bzw. Mikrocomputer die für die Zustands- und Datensicherung erforderliche minimale Ver­sorgungsspannung nicht mehr über die benötigte Minimal­zeit erhält.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen, d.h., den eingangs angegebenen Längsspan­nungsregler derart zu verbessern, daß er im Falle eines eingangsseitigen Spannungseinbruchs den ausgangsseitigen Pufferkondensator wesentlich langsamer entlädt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben und kann den Unteransprüchen gemäß vorteilhaft weiterge­bildet werden.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde daß dann, wenn die Reglereingangsspannung unter die im Puffer­kondensator gespeicherte Reglernennausgangsspannung absinkt, das durch einen im Reglerlängszweig ange­ordneten Regeltransistor oder Stromspiegel gebildete Regelelement in einen Inversbetrieb übergeht. D.h., das Regelelement beginnt in der zum Normalbetrieb ent­gegengesetzten Richtung zu leiten, was zu einem Aus­gangsrückstrom des Längsspannungsreglers führt, dessen Richtung derjenigen des normalen Regleraus­gangsstroms entgegengesetzt ist und der somit den Pufferkondensator entlädt. Aufgrund dieser Entladung des Pufferkondensators kommt es zu einem Abfall der Reglerausgangsspannung, die der Längsspannungsregler über seinen Fehlerverstärker auszuregeln versucht. Die Folge davon ist, daß der Fehlerverstärker den Steuer­transistor mit zunehmender Stärke ansteuert, was zu einer raschen Erhöhung des Ausgangsrückstroms des Längsspannungsreglers führt und somit zu einem be­schleunigten Zusammenbruch der Spannung über dem Pufferkondensator. Dieser Ausgangsrückstrom wird lediglich durch die Stromverstärkung des Steuertran­sistors begrenzt. Da diese aber möglicherweise recht hoch ist, um einen guten Normalbetrieb des Längs­spannungsreglers zu erzielen, entsteht ein Ausgangs­rückstrom enormer Höhe und somit ein sehr schneller Zusammenbruch der Spannung über dem Pufferkondensator.
  • Dem wird erfindungsgemäß dadurch entgegengetreten, daß mit Hilfe des Komparators das Absinken der Reglerein­gangsspannung unter die Reglernennausgangsspannung detektiert und beim Auftreten dieses Betriebszustandes mit Hilfe des steuerbaren Schalters der Steuertransistor ausgeschaltet wird. Da dies ein Ausschalten auch des Regelelementes bewirkt, wird das Regelelement daran ge­hindert, einen Ausgangsrückstrom zu ziehen. Die Folge davon ist, daß die Spannung über dem Pufferkon­densator problemlos genügend lange oberhalb des Mini­malspannungswertes gehalten werden kann, so daß der Mikroprozessor bzw. Mikrocomputer genügend Zeit hat, die interne Zustand- und Datensicherung zu erreichen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, als Regelelement einen Regelstromspiegel mit Stromverstärkung zu verwenden, die im Inversbetrieb des Regelelements zu einer ent­sprechenden Stromreduzierung führt. Irgendein Leck­strom, welcher dem Regelstromspiegel trotz Aus­schaltens des Steuertransistors zugeführt wird, ver­ursacht dann nur noch einen entsprechend dem Kehrwert der Stromspiegel-Stromverstärkung reduzierten Ausgangs­rückstrom des Längsspannungsreglers.
  • Eine derartige Stromverstärkung des Regelstromspiegels kann man dadurch erzielen, daß man die aktive Halb­leiterfläche des Stromspiegeltransistors in einem der gewünschten Stromspiegelverstärkung entsprechenden Aus­maß größer macht als die aktive Halbleiterfläche der Stromspiegeldiode.
  • Den Schalttransistor kann man entweder parallel zur Steuereingangsseite des Steuertransistors schalten, so daß der steuerbare Schalter in seinem aktivierten Zu­stand den Steuertransistor direkt ausschaltet. Oder man kann den steuerbaren Schalter auch in den Hauptstrecken­kreis des Steuertransistors schalten und dessen Haupt­stromkreis durch den aktivierten steuerbaren Schalter unterbrechen. Des weiteren kann man den steuerbaren Schalter zum Abschalten der Referenzspannung im Fall des aktivierten steuerbaren Schalters einsetzen. Dabei kann man entweder die Referenzspannungsquelle aus­schalten oder den steuerbaren Schalter zwischen die Referenzspannungsquelle und den Referenzspannungsein­gang des Fehlerverstärkers schalten, derart, daß der steuerbare Schalter in seinem aktivierten Zustand den Referenzspannungseingang des Fehlerverstärkers auf das Bezugspotential des Längsspannungsreglers, beispiels­weise auf Massepotential, legt.
  • Beim Einsatz im Kraftfahrzeugbereich können auf der Eingangsseite des Längsspannungsreglers erhebliche Überspannungen auftreten. Während die geregelte Aus­gangsspannung des Länsgspannungsreglers beispiels­weise bei der Versorgung von Mikrocomputern häufig im Bereich von 5 V liegt, rechnet man sicherheits­halber mit eingangsseitigen Überspannungen bis 50 V. Denn einerseits liegt die Bordspannung von Lkws üb­licherweise bei 24 V und andererseits kann die Licht­maschine bzw. deren Regler Überspannungen etwa gleicher Höhe liefern, so daß sich eine Summenspannung etwa doppelter Batterienennspannung ergeben kann. Da die Durchbruchspannung der für übliche Komparatoren ver­wendeten Differenzverstärker weit unterhalb solcher Spannungswerte liegt, sind bei einer besonders be­vorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Längs­spannungsreglers den beiden Komparatoreingängen Schutz­dioden vorgeschaltet, die eine solchen Überspannungen Rechnung tragende Spannungsfestigkeit aufweisen.
  • Da übliche Komparatoren ausgangsseitig nur mit einer gewissen Verzögerung auf das Erreichen des zu über­wachenden eingangsseitigen Schwellenwertes reagieren, kann es bis zu diesem verzögernden Reagieren kurz­zeitig zu einem relativ starken Ausgangsrück­strom kommen, bevor der steuerbare Schalter aktiviert und der Steuertransistor und somit das Regelelement ausgeschaltet werden. Dem wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch begegnet, daß in den Komparator ein Offset-Verhalten eingebaut wird, so daß der steuerbare Schalter bereits aktiviert wird, bevor die Reglereingangsspannung auf die Ansprech­schwelle abgesunken ist. D.h., der steuerbare Schalter wird bereits aktiviert, wenn die Reglereingangsspannung auf einen etwas oberhalb der Reglernennausgangsspannung liegenden Wert abgesunken ist. Dieser Aktivierungs­schwellenwert liegt vorzugsweise etwa 2 bis 5 % höher als die Reglerausgangsnennspannung. Im Fall der oben als Beispiel angegebenen Reglernennausgangsspannung von 5V liegt die Aktivierungsschwelle beispielsweise bei 5,1 V.
  • Dieses Offset-Verhalten des Komparators kann durch ent­sprechende Dimensionierung seiner Differenzverstärker­stufe erreicht werden. Eine bevorzugte Möglichkeit ist die, die aktiven Halbleiterflächen der beiden Spannungs­schutzdioden derart unterschiedlich zu dimensionieren, daß das gewünschte Offset-Verhalten erreicht wird.
  • Der Komparator wird vorzugsweise als steuerelektroden­gekoppelter Differenzverstärker ausgebildet, im Fall der Verwendung von Bipolartransistoren als basisge­koppelter Differenzverstärker.
  • Die der Reglerausgangsspannung proportionale Spannung, die dem Fehlerverstärker zugeführt wird, wird üblicher­weise mit Hilfe eines zum Reglerausgang parallel ge­schalteten Spannungsteilers gewonnen. Hierfür wird vorzugsweise ein hochohmiger Spannungsteiler verwendet, um den Ausgangsrückstrom des Längsspannungsreglers und damit die Entladungsbelastung des Pufferkondensators bei aktiviertem steuerbarem Schalter und somit ausge­schaltetem Regelelement möglichst niedrig zu halten.
  • Der erfindungsgemäße Längsspannungsregler kann mit Bi­polartransistoren, mit Feldeffekttransistoren, insbe­sondere MOS-Transistoren, oder beiden Transistorarten aufgebaut werden. In bevorzugter Ausführungsart ist er als monolithisch integrierte Halbleiterschaltung aus­gebildet.
  • Es sind bereits Längsspannungsregler bekannt (Fig. 3 der DE-PS 33 41 345; Fig. 2 der GB-PS 14 74 265; Veröffent­lichung "Very low drop voltage regulator with a fully complementary power process" von R. Gariboldi und M. Morelli anläßlich der European Solid-State Circuit Conference 1986), bei denen eine Sättigung des Regel­transistors, die den Längsspannungsregler regelunfähig machen würde, dadurch verhindert wird, daß mit Hilfe einer Hilfsspannung und einer Differenzschaltung das Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung des Regel­transistors bis auf einen Schwellenwert, der etwas ober­halb der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Regeltransistors liegt, überwacht wird und beim Er­reichen dieses Schwellenwertes ein Begrenzungstransistor leitend geschaltet wird, der den vom Steuertransistor an den Regeltransistor gelieferten Strom derart begrenzt, daß der Regeltransistor knapp unterhalb der Sättigung oder nur in schwacher Sättigung gehalten wird.
  • Bei diesen bekannten Längsspannungsreglern wird der Strom des Steuertransistors lediglich begrenzt, jedoch weder der Steuertransistor noch der Regeltransistor ausgeschaltet. Außerdem liefert die Differenzschaltung das über den Begrenzungstransistor begrenzend ein­greifende Ausgangssignal bei einem anderen Schwellen­wert als die erfindungsgemäße Schaltung. Selbst wenn bei den bekannten Längsspannungsreglern von der Diffe­renzschaltung der Begrenzungseingriff veranlaßt wird, kann es weiterhin zu einem sehr hohen Ausgangsrück­strom kommen, der einen an den Ausgang eines solchen bekannten Längsspannungsreglers angeschlossenen Pufferkondensator sehr rasch entlädt. Denn wenn die Eingangsspannung nach dem Begrenzungseinsatz des Be­grenzungstransistors auf den Nennwert der Regleraus­gangsspannung absinkt, fließt ein hoher Ausgangsrück­strom, der immerhin knapp unterhalb des recht hohen Sättigungsstroms des Regeltransistors liegt und somit für den Pufferkondensator eine enorme Belastung darstellt, die zu dessen sehr schneller Entladung führt. Diese bekannten Längsspannungsregler können einem von ihnen versorgten Mikroprozessor bzw. Mikro­rechner somit die interne Zustands- und Datensicherung kaum ermöglichen.
  • Eine Entladung eines Kondensators infolge Absinkens der Eingangsspannung dadurch zu vermeiden, daß man einen zwischen Eingang und Kondensator eingefügten Schalter öffnet, ist an sich bereits aus der DE-OS 30 16 244 be­kannt. Diese Druckschrift zeigt eine RC-Schaltung mit einem Kondensator und einem Widerstand, wobei der Kon­densator als Spitzenspannungsspeicher für Meßzwecke dient. Zur Vermeidung einer unerwünschten Entladung des Kondensators bei Absinken der Eingangsspannung des RC-­Gliedes unter das Niveau der Ausgangsspannung werden diese beiden Spannungen verglichen und wird gegebenen­falls ein zwischen dem Widerstand und dem Kondensator sich befindender Schalter geöffnet.
  • Die Erfindung wird nun anhand einer Ausführungsform näher erläutert, die in der einzigen Figur der beilie­genden Zeichnung dargestellt ist.
  • In dem versorgungsspannungsseitigen Längszweig des in der Figur dargstellten Längsspannungsreglers, also zwischen einen Eingang E und einen Ausgang A, ist ein Regelelement in Form eines Regelstromspiegels mit einem als Diode geschalteten Transistor Q1 im Dioden­zweig und einem Transistor Q2 im Transistorzweig vor­gesehen. Beide Transistoren sind bei der dargestellten Ausführungsform als PNP-Transistoren ausgebildet. Deren Emitter sind gemeinsam mit dem Reglereingang E ver­bunden. Der Kollektor des Transistors Q1 ist mit dem Kollektor eines Steuertransistors Q3 verbunden, während der Kollektor des Transistors Q2 an den Reglerausgang A angeschlossen ist.
  • Der Steuertransistor Q3 ist als bipolarer NPN-Transistor ausgebildet. Seine Basis ist mit dem Ausgang eines Fehlerverstärkers F verbunden. An dessen nicht-inver­tierendem Eingang liegt eine Referenzspannung VREF. Dessen invertierender Eingang ist mit einem Spannungs­teilerpunkt eines dem Reglerausgang A parallel geschal­teten Spannungsteilers mit zwei Widerständen R1 und R2 verbunden.
  • Parallel zum Reglerausgang A ist ein Pufferkondensator CA geschaltet.
  • Der bisher beschriebene Teil der in der Figur gezeigten Schaltung entspricht dem Aufbau herkömmlicher Längs­spannungsregler. Kommt es bei einem Längsspannungs­ regler, der nur den beschriebenen Schaltungsteil auf­weist, zu einem Abfall der Eingangsspannung VE bis unter den Nennwert der Ausgangsspannung VA, gelangt Q2 des Stromspiegels in einen inversen Betriebszustand, d.h., Emitter und Kollektor dieses Transistors ver­tauschen ihre Funktion. Die Folge ist ein den Puffer­kondensator CA entladender Ausgangsrückstrom durch den Transistor Q2. Der Fehlerverstärker F versucht den aus der Entladung des Pufferkondensators resultie­renden Abfall der Reglerausgangsspannung auszuregeln, zu welchem Zweck er den Steuertransistor Q3 zunehmend stärker leitend steuert. Dies führt zu einer rapiden Zunahme des durch Q2 fließenden Ausgangsrück­stroms und zu einer starken Beschleunigung der Ent­ladung des Pufferkondensators CA.
  • Dies wird erfindungsgemäß durch die weiteren Schal­tungsteile des in der Figur gezeigten Ausführungs­beispiels verhindert.
  • Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß ein Komparator mit zwei PNP-Transistoren Q4 und Q5 und zwei NPN-Transisto­ren Q6 und Q7 vorgesehen. Die Transistoren Q4 und Q5 bilden einen Differenzverstärker, dessen Eingänge durch die Emitter der Transistoren Q4 und Q5 gebildet sind, die über je eine Diode D2 bzw. D1 an den Reglereingang E bzw. den Reglerausgang A angeschlossen sind. Die Kollektoren von Q4 und Q5 sind über Lastelemente in Form der Transistoren Q6 bzw. Q7 mit Masse verbunden.
  • Ein Verbindungspunkt K zwischen den Kollektoren der Transistoren Q4 und Q6 bildet den Ausgang des Kompa­rators und ist mit der Basis eines den steuerbaren Schalter bildenden PNP-Schalttransistor Q8 verbunden. Dessen Emitter ist an die Basis des Steuertransistors Q3 angeschlossen, während sein Kollektor mit Masse ver­bunden ist. Mit Masse sind des weiteren der Emitter des Steuertransistors Q3 und die nicht mit dem Regler­ausgang A verbunden Enden des Spannungsteilers R1, R2 und des Pufferkondensators CA verbunden.
  • Die als Lastelemente dienenden Transistoren Q6 und Q7 bilden einen Laststromspiegel, wozu der Transistor Q7 als Diode geschaltet ist.
  • Die den Differenzverstärker bildenden Transistoren Q4 und Q5 sind je mit einem Doppelkollektor ausgebildet, wobei die nicht mit dem Laststromspiegel Q6, Q7 ver­bundenen Kollektoren von Q4 und Q5 mit einem die Basiselektroden der beiden Transistoren Q4 und Q5 mit­einander verbindenen Schaltungspunkt P verbunden sind. Somit bildet jeder der beiden Doppelkollektor-Transisto­ren Q4 und Q5 einen Stromspiegel. Der Schaltungspunkt P ist über eine Konstantstromquelle S mit Masse ver­bunden.
  • Die Dioden D1 und D2 sind mit ihren Kathoden an die Emitter der Transistoren Q5 bzw. Q4 und mit ihren Anoden an den Reglerausgang A bzw. den Reglereingang E angeschlossen.
  • Zur Erzielung des bereits erwähnten Offset-Verhaltens des Komparators ist die aktive Halbleiterfläche der Diode D1 vorzugsweise zehnmal so groß wie die aktive Fläche der Diode D2.
  • Zur Erzielung der bereits erwähnten Stromverstärkung des Regelstromspiegels Q1, Q2 wird die aktive Halb­leiterfläche des Transistors Q2 in einem der gewünsch­ten Stromverstärkung entsprechenden Ausmaß größer ge­macht als die aktive Halbleiterfläche des Transistors Q1. Zur Erzielung einer Stromverstärkung B wird die aktive Halbleiterfläche von Q2 B-mal so groß wie die des Transistors Q1 gemacht. Gelangt bei aktiviertem Schalttransistor Q8 und somit bei ausgeschaltetem Steuertransistor Q3 ein bestimmter Leckstrom in den Eingangszweig des Regelstromspiegels Q1, Q2, führt dies lediglich zu einem um den Faktor 1/B verringer­ten Kollektorstrom des Transistors Q2 und somit zu einem entsprechend kleinen Ausgangsrückstrom.
  • Bricht im Betrieb des Längsspannungsreglers dessen Eingangsspannung VE bis auf den Aktivierungsschwellen­wert zusammen, bei dem vorausgehenden Zahlenbeispiel also auf beispielsweise 5,1 V, schaltet der Kompa­rator Q4 bis Q7 über seinen Ausgang K den Schalttran­sistor Q8 leitend, wodurch der Steuertransistor Q3 ausgeschaltet wird. Dies sperrt den Regelstromspiegel Q1, Q2, so daß dieser keinen Ausgangsrückstrom ziehen kann. Der Pufferkondensator CA kann nun nur noch mit dem durch den Spannungsteiler R1, R2 fließenden Strom und dem Emitterstrom des Transistors Q5 belastet werden. Diese Ströme können durch Wahl eines hochohmigen Spannungsteilers und durch eine Stromquelle S, die nur einen geringen Basisstrom in den Differenzstromspiegel Q4, Q5 liefert, sehr niedrig gehalten werden. Durch die Aktivierung des Schalttransistors Q8 im Fall des Abfalls der Reglereingangsspannung VE bleibt der Ausgangs­rückstrom somit auf einen sehr geringen Stromwert begrenzt, so daß der Pufferkondensator CA nur ent­sprechend langsam entladen wird und der vom Längs­spannungsregler versorgte Mikroprozessor bzw. Mikro­computer genügend Zeit zur internen Zustands- und Daten­sicherung hat.
  • Solange die Eingangsspannung oberhalb des Aktivierungs­schwellenwertes bleibt, bleibt der Schalttransistor Q8 ausgeschaltet, so daß die Reglereigenschaften des Längsspannungsreglers in diesem Normalbetriebszustand durch die vor hohem Ausgangsrückstrom schützende Schal­tungsanordnung praktisch nicht beeinträchtigt werden.

Claims (14)

1. Längsspannungsregler für eine elektrische Energie speichernde Last, insbesondere Last mit kapazitiver Kom­ponente,
mit einem in einem Reglerlängszweig angeordneten Regel­element (Q1, Q2), das über einen Steuertransistor (Q3) von einem Fehlerverstärker (F) angesteuert wird, der eine Abweichung einer der Reglerausgangsspannung (VA) pro­portionalen Spannung von einer Referenzspannung (VREF) ausregelt,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein die Reglerausgangsspannung (VA) mit der Regler­eingangsspannung (VE) vergleichender Komparator (Q4 bis Q7) vorgesehen ist, dessen Ausgang einen steuerbaren Schalter (Q8) aktiviert, der ein Abschalten des Steuer­transistors (Q3) bewirkt, wenn die Reglereingangs­spannung (VE) auf einen Wert unterhalb der Reglernenn­ausgangsspannung abfällt.
2. Längsspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (Q8) an die Steuerelektrode des Steuertransistors (Q3) angeschlossen ist und in seinem aktivierten Zustand den Steuertran­sistor (Q3) ausschaltet.
3. Längsspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß der steuerbare Schalter in den Haupt­streckenkreis des Steuertransistors (Q3) eingefügt ist und in seinem aktivierten Zustand diesen Hauptstrecken­kreis unterbricht.
4. Längsspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß der steuerbare Schalter zwischen die Referenzspannungsquelle (VREF) und den damit verbundenen Eingang (+) des Fehlerverstärkers (F) eingefügt ist und im aktivierten Zustand die Referenzspannung (VREF) ab­schaltet.
5. Längsspannungsregler nach mindestens einem der An­sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Regler­element ein Regelstromspiegel (Q1, Q2) ist,
daß die Eingänge der beiden Regelstromspiegelzweige mit dem Reglereingang (E) verbunden sind
und daß der Ausgang des Diodenzweiges (Q1) des Regel­stromspiegels mit dem Ausgang des Steuertransistors (Q3) und der Ausgang des Transistorzweiges (Q2) des Regel­ stromspiegels mit dem Reglerausgang (A) verbunden ist.
6. Längsspannungsregler nach Anspruch 5, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Regelstromspiegel (Q1, Q2) ein verstärkender Stromspiegel ist, wozu die aktive Halb­leiterfläche seines mit dem Reglerausgang (A) ver­bundenen Transistors (Q2) entsprechend größer dimen­sioniert ist als die aktive Halbleiterfläche seiner mit dem Reglereingang (E) verbundenen Diode (Q1).
7. Längsspannungsregler nach mindestens einem der An­sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der steuer­bare Schalter ein Schalttransistor (Q8) ist, dessen Steuerelektrode an den Ausgang des Komparators (Q4) bis Q7) angeschlossen ist.
8. Längsspannungsregler nach mindestens einem der An­sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompa­rator (Q4 bis Q7) einen steuerelektrodengekoppelten Differenzverstärker (Q4, Q5) aufweist, dessen Eingänge mit dem Reglereingang (E) bzw. dem Reglerausgang (A) verbunden sind und dessen Ausgänge mit je einem Last­element (Q6, Q7) verbunden sind.
9. Längsspannungsregler nach Anspruch 8, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Lastelemente durch je einen Zweig eines Laststromspiegels (Q6, Q7) gebildet sind.
10. Längsspannungsregler nach Anspruch 8 oder 9, da­durch gekennzeichnet, daß jeder Zweig des Differenzver­stärkers durch einen Differenzstromspiegel (Q4, Q5) ge­bildet ist, dessen Diodenzweige einen Endes je mit dem zugehörigen Differenzverstärkereingang (E bzw. A) ver­ bunden und anderen Endes gemeinsam an eine Stromquelle (S) angeschlossen und deren Transistorzweige zwischen den je zugehörigen Differenzverstärkereingang (E bzw. A) und das je zugehörige Lastelement (Q6 bzw. Q7) ge­schaltet sind,
und daß der Verbindungspunkt (K) zwischen dem Transistor­zweig und dem Lastelement (Q6) des einen Differenz­stromspiegels (Q4) den mit dem steuerbaren Schalter (Q8) verbundenen Komparatorausgang bildet.
11. Längsspannungsregler nach mindestens einem der An­sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Eingänge des Komparators (Q4 bis Q7) und den Regler­eingang (E) bzw. den Reglerausgang (A) je eine Diode (D2 bzw. D1) geschaltet ist.
12. Längsspannungsregler nach Anspruch 11, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Dioden (D1, D2) hohe Durchbruchs­spannungsfestigkeit aufweisen.
13. Längsspannungsregler nach mindestens einem der An­sprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompa­rator (Q4 bis Q7) mit einem Offset-Verhalten ausgebildet ist, derart, daß er den steuerbaren Schalter (Q8) bei einer Reglereingangsspannung (VE) aktiviert, die etwas, vorzugsweise im Bereich von etwa 1 % bis 5 % , vorzugs­weise etwa 1 % bis 2 % oberhalb der Reglernennausgangs­spannung liegt.
14. Längsspannungsregler nach Anspruch 13, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Offset-Verhalten durch voneinan­der verschiedene aktive Halbleiterflächen der Diodenflächen der beiden Dioden (D1, D2), bewirkt wird.
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