EP1310851A2 - Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung - Google Patents

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EP1310851A2
EP1310851A2 EP02018301A EP02018301A EP1310851A2 EP 1310851 A2 EP1310851 A2 EP 1310851A2 EP 02018301 A EP02018301 A EP 02018301A EP 02018301 A EP02018301 A EP 02018301A EP 1310851 A2 EP1310851 A2 EP 1310851A2
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circuit
voltage
der
transistor
resistor
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Roland Bittner
Stefan Schmitt
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Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Original Assignee
Semikron GmbH and Co KG
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/18—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using Zener diodes
    • G05F3/185—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using Zener diodes and field-effect transistors

Definitions

  • the invention describes a circuit arrangement for voltage regulation for generating a limited output voltage from an applied input voltage.
  • Such circuit arrangements are used when an uninterruptible power supply from any consumer is necessary, where the input voltage can exceed the maximum permissible operating voltage of the consumer.
  • Such circuit arrangements are required, for example, when the voltage rises during the charging process in battery-powered systems or when the voltage rises during the regenerative operation of a converter or during the so-called "load dump" in generator supply.
  • a Energy storage e.g. a capacitor or an accumulator.
  • a third possibility is so-called “clamping”, i.e. the use of special components such as. Zener diodes, varistors or suppressor diodes, which in the difference between the overvoltage and the maximum operating voltage contained energy Destroy conversion into heat. This is also the disadvantage of this possibility founded. Such components are limited in their power dissipation and are can only be used for short-term or low-energy overvoltages.
  • a fourth possibility is the use of series regulator circuits. These are both known as discrete as well as integrated circuits.
  • the disadvantage of Series regulator circuits is that they are also in the operating state in which the Value of the input voltage below the maximum permissible value of the operating voltage the consumer lies, have not inconsiderable power loss.
  • Even integrated Circuits with minimized losses, so-called “low-drop controllers” have one more Voltage drop of approx. 200mV across the component.
  • the present invention has the task of presenting a voltage control, the Losses in the presence of an input voltage less than or equal to the maximum permissible Operating voltage of the consumers are minimal, and their components and Circuit effort for the control when an input voltage is greater than maximum permissible operating voltage of the consumers are low.
  • a typical series regulator circuit 2 consists in its The simplest form of a transistor 24, a resistor 20 and a Zener diode 22.
  • the applied input voltage 6 becomes regulated via the transistor 24 Output voltage 8.
  • the series connection of the with the input (drain) acts as a control of the MOS-FET 24 connected resistor 20 with the zener diode 22, the anode the Zener diode with ground and the cathode of the Zener diode 22 with the control input (Gate) of the MOS-FET 24 are connected.
  • the series regulator circuit is expanded according to the invention by a clocked one Charge pump circuit 4, consisting in its simplest form of a resistor 40, a diode 46, a capacitor 42 and a clocked voltage source 44 is the output of transistor 24 with a series connection of resistor 40, Capacitor 42, the clocked voltage source 44 connected to a ground connection.
  • the anode of the diode 46 is at the midpoint between the resistor 40 and the Capacitor 42 connected while the cathode of diode 46 connected to the control input (Gate) of transistor 24 is connected.
  • Fig. 2 shows the inventive circuit arrangement (according to Fig. 1) supplemented by one additional switch, e.g. the transistor 12 to turn off the output voltage 8 can.
  • the collector of transistor 12 is connected to the gate of MOS-FET 24 connected.
  • Fig. 3 shows a variant of the inventive circuit arrangement (according to Fig. 2).
  • a regulated switching element 26 e.g. TL431 for controlling the Series regulator circuit used.
  • the necessary voltage input of the switching element 26 is formed by a voltage divider circuit made up of resistors 260 and 262.
  • the circuit arrangement shows a simulation of the functioning of the inventive circuit arrangement.
  • the basis of the simulation is a continuously increasing input voltage 50.
  • the curve 60 shows the output voltage of the inventive circuit arrangement, with a maximum Output voltage of 20V was approved.
  • Curve 70 shows the power loss of the inventive circuit arrangement.
  • the area 62 marks the work area of the Circuit arrangement in which the supply voltage is below the maximum permissible Value of the operating voltage of the consumer. In this area follows the course of the Output voltage 60 the course of the input voltage 50 with minimal losses 70.
  • the area 64 marks the working area of the circuit arrangement in which the Supply voltage above the maximum permissible value of the operating voltage of the Consumer lies.
  • the circuit arrangement works analogously Series regulator circuit according to the prior art with almost identical losses of two variants.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung zur Erzeugung einer in ihrer Höhe begrenzten Ausgangsspannung aus einer anliegenden Eingangsspannung. Die Schaltungsanordnung besteht aus einer Kombination einer Längsreglerschaltung mit einer getakteten Ladungspumpenschaltung. Die Ladungspumpenschaltung besteht aus einem Widerstand 40, einer Diode 46, einem Kondensator 42 sowie einer getakteten Spannungsquelle 44 und ist derart mit der Längsreglerschaltung verschaltet, dass am Ausgang des Transistors 24 der Widerstand 40, der Kondensator 42 und die getaktete Spannungsquelle 44 seriell mit dem Bezugspotential 10 verbunden sind und die Diode 46 anodenseitig mit dem Mittelpunkt zwischen Widerstand 40 und Kondensator 42 sowie kathodenseitig mit dem Steuereingang des Transistors 24 der Längsreglerschaltung verbunden ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung zur Erzeugung einer in ihrer Höhe begrenzten Ausgangsspannung aus einer anliegenden Eingangsspannung. Derartige Schaltungsanordnungen finden Verwendung, wenn eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung von beliebigen Verbrauchern notwendig ist,
wobei die Eingangsspannung die maximal zulässige Betriebsspannung der Verbraucher übersteigen kann. Beispielhaft werden derartige Schaltungsanordnungen benötigt beim Spannungsanstieg während des Ladevorgangs in batteriegespeisten Systemen oder beim Spannungsanstieg während des Rückspeisebetriebs eines Umrichters oder während des sog. "Load Dump" bei Generatorspeisung.
Zum Stand der Technik zählen die im folgenden genannten Schaltungsanordnungen wie sie zum Teil beschrieben sind in "Halbleiter Schaltungstechnik" Tietze, Schenk ISBN 3-540-19475-4.
Prinzipiell müssen zwei Betriebszustände der Schaltungsanordnung unterschieden werden:
  • 1. Der Wert der Versorgungsspannung liegt unterhalb des maximal zulässigen Werts der Betriebsspannung der Verbraucher. Hierbei sind keine regelnden Maßnahmen notwendig.
  • 2. Der Wert der Versorgungsspannung liegt oberhalb des maximal zulässigen Werts der Betriebsspannung der Verbraucher. Hierbei muss der Wert der Ausgangsspannung unterhalb oder auf dem maximal zulässigen Wert der Betriebsspannung liegen.
    • Eine Möglichkeit Verbraucher vor einer Spannung, die über der maximal zulässigen Spannung für diese Verbraucher liegt, zu schützen ist die zeitweise Trennung der Verbraucher von dieser Spannung. Während dieser zeitweisen Trennung werden die Verbraucher, um einen unterbrechungsfreien Betrieb zu sichern durch einen Energiespeicher, wie z.B. einen Kondensator oder einen Akkumulator, versorgt.
    Der Nachteil dieser Trennung der Verbraucher von der Versorgungsspannung liegt darin, dass die Kapazitäten derartiger Energiespeicher begrenzt sind. Der Einsatz von Kondensatoren bedingt z.B. auch hohe Ladeströme dieser Kondensatoren beim Einschalten der Schaltung. Akkumulatoren benötigen im Gegensatz dazu eine zusätzliche Ladeeinrichtung. Daher ist die Trennung von der Versorgungsspannung nur bei kleinen Leistungen der Verbraucher und / oder kurzzeitigen Überspannungen anwendbar. Der Hauptnachteil eines erheblichen schaltungstechnischen Aufwands sowie eines erheblichen Platzbedarfs der beschriebenen Einrichtungen bleibt allerdings bestehen.
    Eine weitere Möglichkeit Verbraucher vor einer Überspannung zu schützen besteht darin, alle Verbraucher bereits bei der Konstruktion für die maximal mögliche Überspannung auszulegen. Hierbei müssen alle Bauteile der Verbraucherschaltung auf diese maximal zu erwartende Spannung ausgelegt werden, dies bedingt meist höhere Kosten sowie höhere Verluste, da z.B. Halbleiterbauelementen für höhere Spannungen in der Regel auch eine schlechtere Leitfähigkeit aufweisen. Aus den genannten Gründen ist diese Lösung nur für den Schutz vor Überspannungen sinnvoll, deren Maximalwert nur geringfügig über der normalen Betriebsspannung liegt.
    Eine dritte Möglichkeit besteht im sog. "Clamping", d.h. dem Einsatz spezieller Bauelemente wie z.B. Zenerdioden, Varistoren oder Suppressordioden, die die in der Differenz zwischen der Überspannung und der maximalen Betriebsspannung enthaltene Energie durch Umwandlung in Wärme vernichten. Darin liegt auch der Nachteil dieser Möglichkeit begründet. Derartige Bauelemente sind in ihrer Verlustleistungsaufnahme begrenzt und sind somit nur bei kurzzeitigen oder energiearmen Überspannungen einsetzbar.
    Eine vierte Möglichkeit besteht im Einsatz von Längsreglerschaltungen. Diese sind sowohl als diskrete als auch als integrierte Schaltungen bekannt. Der Nachteil von Längsreglerschaltungen besteht darin, dass sie auch in dem Betriebszustand, bei dem der Wert der Eingangsspannung unterhalb des maximal zulässigen Werts der Betriebsspannung der Verbraucher liegt, nicht unerhebliche Verlustleistung aufweisen. Selbst integrierte Schaltungen mit minimierten Verlusten, sog. "Low-Drop-Regler", weisen noch einen Spannungsabfall von ca. 200mV über dem Bauelement auf.
    Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Spannungsregelung vorzustellen, deren Verluste bei Anliegen einer Eingangsspannung kleiner oder gleich der maximal zulässigen Betriebsspannung der Verbraucher minimal sind, und deren Bauteile- und Schaltungsaufwand für die Regelung bei Anliegen einer Eingangsspannung größer der maximal zulässigen Betriebsspannung der Verbraucher gering sind.
    Die Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
    Der Grundgedanke der Erfindung ist die Kombination einer bekannten Längsreglerschaltung mit einer ebenfalls bekannten, hier getakteten, Ladungspumpenschaltung. Zur Erläuterung der Erfindung werden wiederum die beiden Betriebszustände unterschieden:
  • 1. Der Wert der Versorgungsspannung liegt unterhalb des maximal zulässigen Werts der Betriebsspannung der Verbraucher. Hierbei sind keine regelnden Maßnahmen notwendig. Daher wird der Transistors der Längsreglerschaltung nicht als ein über die Längsreglerschaltung angesteuertes Regelglied, sondern als über die getaktete Ladungspumpenschaltung angesteuerter Schalter betrieben. Somit entsteht Verlustleistung nur durch die Leitungsverluste des Transistors, nicht aber durch die Längsreglerschaltung. Der zusätzliche schaltungstechnische Aufwand einer Ladungspumpenschaltung ist gering, zumal ein Taktsignal in vielen Anwendungen bereits zur Verfügung steht.
  • 2. Der Wert der Versorgungsspannung liegt oberhalb des maximal zulässigen Werts der Betriebsspannung der Verbraucher. Hierbei wirkt die erfinderische Schaltungsanordnung wie eine Längsreglerschaltung nach dem Stand der Technik. Die Ladungspumpenschaltung arbeitet weiterhin und erzeugt einen zusätzlichen, allerdings unerheblichen Anteil an der Verlustleistung. Die Vorteile der Längsreglerschaltung, dass z.B. keine Trennung von der Eingangsspannung erforderlich ist oder dass ausschließlich die Bauteile der Schutzschaltung auf die Überspannung ausgelegt sein müssen, bleiben erhalten.
    • Spezielle Ausgestaltungen der erfinderischen Lösungen werden an Hand der Fig. 1 bis 4 erläutert.
    Fig. 1
    zeigt die erfinderische Kombination einer Längsreglerschaltung mit einer getakteten Ladungspumpenschaltung.
    Fig. 2
    zeigt die erfinderische Schaltungsanordnung (nach Fig. 1) ergänzt um die Möglichkeit die Spannungsversorgung abzuschalten.
    Fig. 3
    zeigt eine Variante der erfinderischen Schaltungsanordnung (nach Fig. 2).
    Fig. 4
    zeigt eine Simulation der Funktionsweise der erfinderischen Schaltungsanordnung.
    Fig. 1 zeigt die erfinderische Kombination einer Längsreglerschaltung 2 mit einer getakteten Ladungspumpenschaltung 4. Eine typische Längsreglerschaltung 2 besteht in ihrer einfachsten Form aus einem Transistor 24, einem Widerstand 20 sowie einer Zenerdiode 22. Dabei wird die anliegende Eingangsspannung 6 über den Transistor 24 zur geregelten Ausgangsspannung 8. Als Regelung wirkt die Reihenschaltung des mit dem Eingang (Drain) des MOS-FETs 24 verschalteten Widerstandes 20 mit der Zenerdiode 22, wobei die Anode der Zenerdiode mit Masse und die Kathode der Zenerdiode 22 mit dem Steuereingang (Gate) des MOS-FET 24 verbunden sind.
    Erfinderisch erweitert wird die Längsreglerschaltung um eine getaktete Ladungspumpenschaltung 4, bestehend in ihrer einfachsten Form aus einem Widerstand 40, einer Diode 46, einem Kondensator 42 sowie einer getakteten Spannungsquelle 44. Hierbei ist der Ausgang des Transistors 24 mit einer Reihenschaltung des Widerstandes 40, des Kondensators 42, der getakteten Spannungsquelle 44 zu einem Masseanschluss verbunden. Die Anode der Diode 46 ist mit dem Mittelpunkt zwischen dem Widerstand 40 und dem Kondensator 42 verbunden, während die Kathode der Diode 46 mit dem Steuereingang (Gate) des Transistors 24 verbunden ist.
    Für die Funktionsweise der erfinderischen Schaltungsanordnung sind wiederum zwei Betriebszustände zu betrachten:
  • 1. Der Wert der Versorgungsspannung 6 liegt unterhalb des maximal zulässigen Werts der Betriebsspannung der Verbraucher. Hierbei sind keine regelnden Maßnahmen notwendig. Der MOS-FET 24 wird als Schalter betrieben, indem über die getaktete Ladungspumpenschaltung 4 sein Gate, das einen Kondensator darstellt, geladen wird. Der MOS-FET wird somit eingeschaltet.
    Um die Vorteile dieser Betriebsweise zu verdeutlichen, dient folgende Beispielrechnung
    maximale Eingangsspannung 6
    Uin,max = 100V
    maximale Ausgangsspannung 8
    Uout,max = 20V
    gewünschte Ausgangsspannung 8
    Uout = 15V
    Ausgangsleistung
    Pout = 20W
    Widerstand 20
    R20 = 10kOhm
    Ausgangsstrom
    Iout = Pout / Uout = 1,33A
    Damit eine Längsreglerschaltung mit einem Standardtransistor die gewünschten Werte der Ausgangsgrößen liefert, stellt sich die Spannung zwischen Kollektor und Emitter UCE ungefähr auf den gleichen Wert ein wie die Spannung zwischen Basis und Emitter UBE. Typische Werte für UBE liegen bei 0,6V. Daraus ergibt sich für den Leistungsverlust der Längsreglerschaltung PLR: PLR = UCE · Iout = 0,80W Integrierte Schaltungen wie die bereits oben erwähnten Low-Drop-Regler weisen einen Spannungsabfall über dem Bauelement von typisch 0,2V auf. Damit ergibt sich eine Verlustleistung PLD: PLD = 0,2V · 1,33A=0,27W Bei der erfinderischen Schaltungsanordnung bestimmen zwei Größen die Verlustleistung PE, einerseits der Verlust über dem MOS-FET PMF und andererseits die Verluste der Ladungspumpenschaltung PLP: PE = PMF + PLP wobei PMF die Leitungsverluste des MOS-FET sind, die durch den Widerstand über Drain-Source RDSon im leitenden Zustand bestimmt werden RDSon = 0,02Ohm ⇒ PMF = RDSon · IOUT 2 = 0,036W Die Verluste der Ladungspumpenschaltung PLP ergibt sich aus folgenden Werten
    Widerstand 40
    R40 = 10kOhm
    Kondensator 42
    C42 = 1nF
    Spannung der Spannungsquelle 44
    U44 = 10V
    Frequenz der Spannungsquelle 44
    f44 = 500kHz
       ⇒
    PLP = ½ ·C · U2 ·f = 0,025W
       ⇒
    PE = PMF + PLP = 0,061W
    Somit ist offensichtlich, dass der Gesamtverlust der erfinderischen Schaltungsanordnung in diesem Betriebszustand um mehr als den Faktor 4 unterhalb des Standes der Technik liegt. Dies verdeutlicht auch noch einmal folgende Tabelle:
    Figure 00060001
  • 2. Der Wert der Versorgungsspannung liegt oberhalb des maximal zulässigen Werts der Betriebsspannung der Verbraucher. Hierbei wirkt die erfinderische Schaltungsanordnung wie eine Längsreglerschaltung nach dem Stand der Technik, wobei die Ladungspumpenschaltung eine zusätzliche, allerdings unerhebliche (vgl. Punkt 1) Erhöhung der Verlustleistung bewirkt.
    • Fig. 2 zeigt die erfinderische Schaltungsanordnung (nach Fig. 1) ergänzt um einen zusätzlichen Schalter, z.B. den Transistor 12, um die Ausgangsspannung 8 abschalten zu können. Dazu wird der Kollektor des Transistors 12 mit dem Gate des MOS-FET 24 verbunden.
    Fig. 3 zeigt eine Variante der erfinderische Schaltungsanordnung (nach Fig. 2). Hierbei wird anstelle der Zenerdiode 22 ein geregeltes Schaltelement 26 (z.B. TL431) zur Steuerung der Längsreglerschaltung verwendet. Der notwendige Spannungseingang des Schaltelements 26 wird durch eine Spannungsteilerschaltung aus den Widerständen 260 und 262 gebildet.
    Fig. 4 zeigt eine Simulation der Funktionsweise der erfinderischen Schaltungsanordnung. Grundlage der Simulation ist eine stetig ansteigende Eingangsspannung 50. Die Kurve 60 zeigt die Ausgangsspannung der erfinderischen Schaltungsanordnung, wobei eine maximale Ausgangsspannung von 20V zugelassen wurde. Die Kurve 70 zeigt die Verlustleistung der erfinderischen Schaltungsanordnung. Der Bereich 62 markiert den Arbeitsbereich der Schaltungsanordnung, in dem die Versorgungsspannung unterhalb des maximal zulässigen Werts der Betriebsspannung der Verbraucher liegt. In diesem Bereich folgt der Verlauf der Ausgangsspannung 60 dem Verlauf der Eingangsspannung 50 bei minimalen Verlusten 70. Der Bereich 64 markiert den Arbeitsbereich der Schaltungsanordnung, in dem die Versorgungsspannung oberhalb des maximal zulässigen Werts der Betriebsspannung der Verbraucher liegt. Hierbei arbeitet die Schaltungsanordnung analog einer Längsreglerschaltung nach dem Stand der Technik mit nahezu identischen Verlusten der beiden Varianten.

    Claims (4)

    1. Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung bestehend aus einer Längsreglerschaltung 2 und einer Ladungspumpenschaltung 4, wobei die Längsreglerschaltung 2 zumindest aus einem Transistor 24, einem Widerstand 20 und einer Z-Diode 22 besteht und die Ladungspumpenschaltung 4 zumindest aus einem Widerstand 40, einer Diode 46, einem Kondensator 42 sowie einer getakteten Spannungsquelle 44 besteht und derart mit der Längsreglerschaltung 2 verschaltet ist, dass am Ausgang des Transistors 24 der Widerstand 40, der Kondensator 42 und die getaktete Spannungsquelle 44 seriell mit dem Bezugspotential 10 verbunden sind und die Diode 46 anodenseitig mit dem Mittelpunkt zwischen Widerstand 40 und Kondensator 42 sowie kathodenseitig mit dem Steuereingang des Transistors 24 der Längsreglerschaltung verbunden ist.
    2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
      der Transistor 24 der Längsreglerschaltung 2 ein Biopolartransistor, ein MOS-FET oder ein IGBT (insulated gate bipolar transistor) ist.
    3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
      der Steuereingang des Transistors 24 über einen Schalter 12 mit Bezugspotential 10 verbunden ist, um die Schaltungsanordnung abschaltbar zu machen.
    4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
      die Z-Diode 22 ein über einen Spannungsteiler (260, 262) von der Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung versorgtes und geregeltes Schaltelement 26 ist.
    EP02018301A 2001-09-11 2002-08-14 Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung Withdrawn EP1310851A3 (de)

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