Beschreibung
Stromversorgungseinheit für ein tragbares elektrisches Gerät
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit für ein tragbares elektrisches Gerät mit einem ersten Anschluß für einen internen Energiespeicher, einem zweiten Anschluß für einen externen Energiespeicher und einem dritten Anschluß für eine externe Gleichspannungsversorgung .
Solche Stromversorgungseinheiten werden bei tragbaren Geräten verwendet, die sowohl mobil als auch stationär einsetzbar sind, und dienen zur Versorgung des Geräts und zum Laden der Energiespeicher. Im mobilen Einsatz wird die Energie aus ei- nem internen Energiespeicher bezogen, beispielsweise einem Lithium-Ionen-Akku. Im stationären Einsatz wird dagegen eine externe Gleichspannungsversorgung, in der Regel ein Steckernetzteil angeschlossen. In diesem Fall soll der Strom aus dem Steckernetzteil bezogen werden und nicht aus dem internen Energiespeicher. Um die Betriebsdauer im mobilen Einsatz zu erhöhen, wird oftmals ein zweiter externer Energiespeicher angeboten, der ebenfalls mit dem Gerät verbunden werden kann, wobei in der Regel zuerst der externe Energiespeicher und dann der interne Energiespeicher entladen wird.
Ein Problem besteht darin, daß die von den Geräten aufgenommenen Ströme mitunter pulsförmig sind und Maximalwerte von mehreren Ampere besitzen können. Dies führt zu einem merklichen Spannungsabfall über den Versorgungsleitungen, Steckkon- takten oder dem Innenwiderstand eines Energiespeichers. Dies ist jedoch dann weniger problematisch, wenn die Spannung des externen Energiespeichers verhältnismäßig groß ist. Notebooks besitzen beispielsweise Akkumulatoren mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen, die eine Spannung von typischerweise 10,8 Volt bei drei hintereinander geschalteten Zellen aufweisen. Der Spannungsabfall führt dann nicht dazu, daß eine untere zulässige Grenze unterschritten wird, unterhalb der ein
ordnungsgemäßer Betrieb des Gerätes nicht mehr sichergestellt ist. Bei klein'eren Geräten, wie bei sogenannten Handheld- Geräten, wird aber oftmals mit Akkumulatoren gearbeitet, die lediglich eine Zelle besitzen. Entsprechend liegt die Be- triebsSpannung etwa bei 3,6 Volt. Die untere Grenze zum Betrieb des Gerätes liegt dabei bei 3,3 Volt, so daß der zur Verfügung stehende Spielraum für Spannungsabfälle auf den Versorgungsleitungen usw. verhältnismäßig gering ist. Dies führt dazu, daß auch bei erst teilweiser Entladung des Akku- mulators der Betrieb über diesen Akkumulator bereits abgebrochen werden muß, weil bei dem Auftreten hoher impulsförmiger Ströme die für das Gerät zur Verfügung stehende Spannung unter den Mindestwert von 3,3 Volt absinkt.
Bei Stromversorgungseinheiten ist es bekannt, sogenannte Se- lector-ICs zu verwenden. Beispielsweise ist von der Firma Linear Technologie ein solcher Selector-IC unter der Produktbezeichnung LTC 1479 bekannt, der die Steuerung von zwei Batterien, einer Gleichspannungsversorgung und einem Ladegerät übernimmt. Ein Datenblatt zu diesem IC ist im Internet unter "www.linear.com/prod/datasheet .html?datasheet=370" zu finden. Zusätzlich zu diesem Selector-IC sind mindestens vier MOSFETs erforderlich. Dies bedeutet gerade für kleine Geräte wie die oben genannten Handheld-Geräte einen unvertretbaren Platzbe- darf und erhebliche Kosten sowie einen höheren Widerstand über dem Strompfad, denn es tritt zwei Mal RDS/0N aυ-f • Das oben beschriebene Problem bei niedrigen Zellenspanungen wird durch solche Selector-ICs nicht gelöst.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Stromversorgungseinheit für ein tragbares elektrisches Gerät anzugeben, bei dem auch bei niedrigen Spannungen interner und externer Spannungsquellen bzw. Energiespeicher eine möglichst gute Entladung der Energiespeicher ermöglicht ist. Dabei soll die Stromversorgungseinheit aber auch einfach und kostengünstig im Aufbau sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Stromversorgungseinheit der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der erste Anschluß für eine erste Sollspannung, der zweite Anschluß für eine zweite Sollspannung und der dritte Anschluß für eine dritte Sollspannung ausgelegt ist, wobei die dritte Sollspannung größer als die zweite und diese größer als die erste Sollspannung ist und daß eine Verwendung des Anschlusses mit der höchsten Sollspannung vorgesehen ist, sofern die Istspannung an diesem Anschluß innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt.
Durch die erfindungsgemäße Abstufung der für die drei Anschlüsse vorgesehenen Soll-Eingangsspannungen wird erreicht, daß die drei Anschlüsse auf sehr einfache und kostengünstige Weise gekoppelt werden können. Bei der erfindungsgemäßen
Stromerzeugungseinheit ist es nicht mehr notwendig, jeden Anschluß über einen MOSFET mit einem gemeinsamen Spannungsversorgungsknoten zu verbinden.
In einer vorteilhaften Ausführung ist der zweite und der dritte Anschluß jeweils über eine Diode mit einem gemeinsamen Spannungsversorgungsknoten verbunden, während der erste Anschluß für einen internen Energiespeicher über einen MOSFET mit dem Spannungsversorgungsknoten verbunden ist. Der MOSFET ist durch eine Steuervorrichtung ansteuerbar und wird dann niederohmig, wenn weder von dem externen Energiespeicher noch von der externen Gleichspannungsversorgung eine ausreichende Spannung anliegt.
Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit kann besonders günstig eingesetzt werden, wenn die Soll-Eingangsspannungen zwischen 3 Volt und 6 Volt liegen, da insbesondere in diesem Spannungsbereich der Spannungsabfall über zwischengeschalte- ten Elementen, wie oben angesprochen, besonders beeinträchti- gend ist, vor allem eine gute Entladung des externen Energiespeichers verhindert wird.
Die durch den externen Energiespeicher bereitgestellte Spannung, die erfindungsgemäß zwischen der des internen Energiespeichers und der der externen Gleichspannungsversorgung liegt, wird in vorteilhafter Weise dadurch erzeugt, daß einer Standard-Speicherzelle ein Aufwärtsspannungswandler zur geringfügigen Erhöhung der AusgangsSpannung nachgeschaltet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit.
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit 7 zur Versorgung von Schaltungskomponenten 9. Die Span- nungsversorgungseinheit 7 besitzt dazu drei Anschlüsse 1, 2 und 3, wobei an den ersten Anschluß 1 ein interner Energiespeicher, im vorliegenden Fall ein Lithium-Ionen-Akku fest angeschlossen ist. Die beiden anderen Anschlüsse 2 und 3 sind so ausgelegt, daß an dem zweiten Anschluß 2 ein externer Energiespeicher EE und an dem dritten Anschluß 3 eine externe Gleichspannungsversorgung EG angeschlossen werden kann. Der externe Energiespeicher EE besitzt ebenfalls eine Lithium- Ionen-Speicherzelle 5 sowie einen nachgeschalteten Aufwärts- spannungswandler 6.
Bauartbedingt besitzen einzellige Lithium-Ionen- Speicherzellen eine Spannung von 3 Volt bis 4,2 Volt. Dies ist die Spannung, die durch den internen Energiespeicher IE zur Verfügung gestellt und am ersten Anschluß abgreifbar ist. Die Lithium-Ionen-Speicherzellen 5 des externen Energiespei- chers EE besitzt ebenfalls diese typische Spannung von 3 Volt bis 4,2 Volt, durch den nachgeschalteten Auf ärtsspannungs- wandler 6 ist jedoch eine AusgangsSpannung von 4,5 Volt erzielbar, was somit der Solleingangsspannung VEE der Stromversorgungseinheit 7 entspricht. Der externe Energiespeicher EE besitzt darüber hinaus einen Steuereingang 10, der es der
Stromversorgungseinheit im Bedarfsfalle erlaubt, den externen Energiespeicher EE abzuschalten.
Die externe Gleichspannungsversorgung EG wird typischerweise durch ein Steckernetzteil gebildet und ist an einer Wech- selspannung von 115 Volt oder 230 Volt angeschlossen. Die ex- terne Gleichspannungsversorgung stellt eine Spannung von
5,0 Volt zur Verfügung, die als Soll-Eingangsspannung V^ am Anschluß 3 der Stromversorgungseinheit 7 anliegt.
Sowohl der zweite Anschluß 2 als auch der dritte Anschluß 3 sind über eine Diode D2 bzw. Dl mit dem Spannungsversorgungsknoten Kl verbunden. Der erste Anschluß 1 ist über einen MOSFET Tl mit dem Spannungsversorgungsknoten Kl verbindbar. Die am zweiten Anschluß 2 anliegende Spannung wird durch eine erste Spannungsüberwachungsvorrichtung 11 überwacht, so daß feststellbar ist, ob der externe Energiespeicher an den Anschluß 2 angeschlossen ist . Die an dem dritten Anschluß 3 anliegende Spannung wird durch eine zweite Spannungsüberwa- chungsvorrichtung 12 überwacht. Ob eine externe Gleichspannungsversorgung angeschlossen ist oder nicht, wird dabei durch ein Signal B signalisiert. Die Signale A der ersten Spannungsüberwachungsvorrichtung 11 und B der zweiten Span- nungsüberwachungsvorrichtung 12 sind low-aktiv. Dies bedeutet, daß die Signale A bzw. B den Wert "1" annehmen, wenn keine ordnungsgemäße Spannung an den Anschlüssen 2 bzw. 3 an- liegt. Die Signale A und B werden in einer Kontrolleinheit 8 verknüpft und in der vorliegenden Ausführung einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit dazu verwendet, ein Signal C zu erzeugen, daß an dem Ausgang 10 anliegt zum Einbzw. Ausschalten des externen Energiespeichers EE.
Die Signale A und B werden darüber hinaus in einer einfachen UND-Verknüpfung in einer Steuervorrichtung 4 dazu verwendet, den MOSFET Tl anzusteuern. Wenn sowohl die Spannungsüberwa- chungsvorrichtung 11 als auch die Spannungsüberwachungsvor- richtung 12 feststellen, daß keine ausreichende Spannung an den Anschlüssen 2 und 3 anliegt, wird der MOSFET Tl derart angesteuert, daß er niederohmig wird und damit der interne
Energiespeicher EE, der am Anschluß 1 angeschlossen ist, mit dem Spannungsversorgungsknoten Kl verbunden wird.
Zur detaillierteren Erläuterung der Funktionsweise wird zu- nächst angenommen, daß neben dem internen Energiespeicher IE auch der externe Energiespeicher EE und die externe Gleichspannungsversorgung EG angeschlossen ist. Die externe Gleichspannungsversorgung liefert eine Spannung von 5,0 Volt und liegt damit über der von dem externen Energiespeicher gelie- ferten Spannung von 4,5 Volt. Dies führt dazu, daß von den
Schaltungselementen 9 der Strom ausschließlich aus der externen Gleichspannungsversorgung EG bezogen wird. Durch die Diode D2 ist verhindert, daß ein zusätzlicher Strom in den externen Energiespeicher EE fließt, es findet also eine Ent- kopplung statt. In diesem Betriebszustand ist der interne
Energiespeicher EE von dem Spannungsversorgungsknoten Kl getrennt .
Falls nun die externe Gleichspannungsversorgung EG vom An- Schluß 3 getrennt wird, beispielsweise weil das Gerät im mobilen Betrieb verwendet werden soll, ist ab diesem Zeitpunkt die Spannung des externen Energiespeichers von 4,5 Volt die höchste Spannung im System, die der Stromversorgungseinheit 7 zur Verfügung steht. Die Spannungsüberwachungsvorrichtung 11 erkennt, daß der externe Energiespeicher eine ausreichende
Spannung liefert, so daß der MOSFET Tl nicht angesteuert wird und demzufolge hochohmig ist. Bei hohen Stromimpulsen ergeben sich zwar die physikalisch bedingten Spannungsabfälle über den zwischen der Speicherzelle 5 und den zu versorgenden Schaltungsteilen 9 liegenden Komponenten, da jedoch der Auf- wärtsspannungswandler 6 die Spannung der Speicherzelle 5 auf einen Sollwert von 4,5 Volt anhebt, sinkt die zur Verfügung stehende Spannung nicht soweit ab, daß ein zuverlässiger Betrieb der Schaltungsteile 9 nicht mehr gewährleistet werden könnte.
Zwar werden in dem Aufwärtsspannungswandler 6 zusätzliche Verluste erzeugt, zudem ist die Aufnahme des Aufwärtsspan- nungswandlers 6 mit zusätzlichen Kosten verbunden, jedoch wird dies dadurch zumindest teilweise kompensiert, daß die Speicherzelle 5 nun vollständig entladen werden kann, so daß die Betriebsdauer erheblich verlängert wird. Erst wenn der externe Energiespeicher von dem Anschluß 2 getrennt wird, was die Spannungsüberwachungsvorrichtung 11 erkennt, wird der interne Energiespeicher IE über den MOSFET Tl zugeschaltet und dieser übernimmt nun die weitere Stromversorgung der Schaltungsteile 9.
Eine automatische Abschaltung des externen Energiespeichers erfolgt insbesondere dann, wenn dessen AusgangsSpannung so weit absinkt, daß eine Schädigung des Energiespeichers, in der Regel eines Akkus, zu befürchten ist. Dazu ist eine geeignete Überwachungs- und Abschaltvorrichtung vorzusehen, die verteilhafterweise zwischen der Zelle 5 und dem Aufwärtsspan- nungswandler 6 angeordnet ist .
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Stromversorgungs- einheit 7 besteht darin, daß Teile der Schaltung, nämlich der Aufwärtsspannungswandler 6, in den externen Energiespeicher EE ausgelagert werden können. Somit ist das eigentlich zu versorgende Gerät mit der Stromversorgungseinheit 7 so klein wie möglich gestaltbar, was im allgemeinen wichtiger ist, als die Größe von zusätzlichem Energiespeichern bzw. Akkus zu minimieren.
In einer Weiterführung der Erfindung ist es auch möglich, auch den internen Energiespeicher EE mit einem zusätzlichen Aufwärtsspannungswandler zu versehen, so daß der Ausnutzungsgrad des internen Energiespeichers optimiert wird.
Darüber hinaus ist es selbstverständlich möglich, weitere externe Spannungsquellen, z. B. einen weiteren Akku, anzuschließen. In den letztgenannten Abwandlungen ist darauf zu
achten, daß alle potentiell zur Verfügung stehenden Spannungen korrekt abgestuft sind, vorzugsweise mit einem Abstand von mindestens 0,5 Volt. Durch diese Abstufung der Spannungen wird die Priorität bei der Versorgung der Schaltungsteile 9 festgelegt.
Bezugszeichenliste
1 erster Anschluß
2 zweiter Anschluß 3 dritter Anschluß
4 Steuervorrichtung
5 Speicherzelle
6 Auswärtsspannungswandler
7 Spannungsversorgungseinheit 8 Kontrolleinheit
9 zu versorgende Schaltungsteile
10 Steuerausgang
11 Spannungsüberwachungsvorrichtung
12 Spannungsüberwachungsvorrichtung IE interner Energiespeicher
EE externer Energiespeicher
EG externer Gleichspannungsversorgung
VgE Sollspannung des internen Energiespeichers
VEE Sollspannung des externen Energiespeichers VEG Sollspannung der externen Gleichspannungsversorgung
Kl Spannungsversorgungsknoten
Tl MOSFET
Dl, D2 Dioden A, B, C Signale