DE19720948A1

DE19720948A1 - Vorrichtung zur Spannungswandlung

Info

Publication number: DE19720948A1
Application number: DE19720948A
Authority: DE
Inventors: Joachim Schenk; Frank Sieger; Volker Breunig; Bernd Aupperle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-05-17
Filing date: 1997-05-17
Publication date: 1998-11-19
Also published as: JP2000515720A; EP0932928A1; WO1998053547A1; US6088248A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungswandlung, insbesonders für Kraftfahrzeuge nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Bei Spannungsversorgungssystemen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen wird die übliche Bordnetzspannung mit Hilfe von Gleichspannungswandlern so verändert, daß Spannungen erhalten werden, die für die Versorgung der Verbraucher optimal sind. Ein solches Spannungsversorgungssystem für ein Kraftfahrzeugbordnetz ist beispielsweise aus der EP-0 363 356 B1 bekannt. Bei diesem Spannungsversorgungssystem sind mehrere sekundärseitig entkoppelte Gleichspannungswandler vorhanden, deren Eingang die Batteriespannung zugeführt wird. Ausgangsseitig führen die Spannungswandler über Entkoppeldioden auf verschieden elektronische Bauelemente, die sie mit einer geregelten Gleichspannung versorgen. Der Einsatz mehrerer Gleichspannungswandler zur Erzeugung einer einzigen Ausgangsspannung ist bei dem bekannten Spannungsversorgungssystem nicht vorgesehen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungswandlung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber bekannten Vorrichtungen den Vorteil, daß eine Spannungswandlung erzielt wird, die eine geringe Versorgungsstromwechselbelastung aufweist. Es ist dadurch in vorteilhafter Weise sichergestellt, daß nur geringe elektromagnetische Abstrahlung durch den Versorgungsstrom verursacht wird und generell nur geringe Versorgungsschwankungen auftreten. Weiterhin werden in vorteilhafter Weise Ausgangsstromschwankungen gegenüber herkömmlichen Systemen vermindert, wodurch ebenfalls eine geringe elektromagnetische Abstrahlung durch den Ausgangsstrom erhalten wird und nur geringe Ausgangsstromschwankungen auftreten. Da die Einzelbelastung der eingesetzten Bauelemente gering ist, ist eine vorteilhafte Realisierung mit kleinen verfügbaren kostengünstigen Bauelementen möglich. Eine technisch aufwendige Parallelschaltung, beispielsweise unter Verwendung von Zusatzwiderständen bei parallelgeschalteten Dioden kann entfallen.

Erzielt werden diese Vorteile, indem anstelle eines einzigen Spannungswandlers eine wählbare Anzahl parallel geschalteter Teilwandler eingesetzt werden, die mit Hilfe einer Synchronisationseinrichtung synchron sequentiell angesteuert werden.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen erzielt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß je nach Erfordernis und/oder Aufwand Teilwandler eingesetzt werden können, die jeweils ein komplettes Regel- und Leistungsteil aufweisen. Es ist auch möglich, die Teilwandler so auszugestalten, daß jeweils ein Teilwandler ein komplettes Regel- und Leistungsteil aufweist, während die anderen Teilwandler nur eigene Leistungsteile umfassen und von einer gemeinsamen Steuerung angesteuert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird nur ein einziger Regelbaustein benötigt, dessen hohe Schaltfrequenz auf verschiedene parallele Leistungsteile über einen Multiplexer aufgeteilt wird, der dann die einzelnen Leistungsteile betreibt. Hierbei ist eine maximale Ausregelung bei geringem Regelaufwand möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigen die Fig. 1, 2 und 3 drei verschieden Ausführungsbeispiele. In Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm für den Multiplexbetrieb des dritten Ausführungsbeispieles angegeben.

Beschreibung

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Spannungswandler aufgeteilt in mehrere getrennte Regler 10a, 10b, 10c, . . ., 10n sowie zugehörige Leistungsteile 11a, 11b, 11c, . . ., 11n. Die Ansteuerung der Regler erfolgt mit Hilfe einer Synchronisationseinrichtung 12. Die Leistungsteile 11a, 11b, 11c, . . ., 11n sind an ihren Ausgängen miteinander verbunden und führen auf die Last 14, die versorgt werden soll. Die zu regelnde bzw. zu wandelnde Spannung U wird jeweils den Leistungsteilen zugeführt. An den Ausgängen der einzelnen Leistungsteile entstehen die Ströme I_a, I_b, I_c usw., deren zeitliche Verläufe in Fig. 1 ebenfalls eingetragen sind.

Mit dem in Fig. 1 dargestellten Spannungswandler, der mehrere komplette Regler sowie mehrere komplette Leistungsteile, die je einen Teilwandler bilden, umfaßt, kann die Versorgungsstrombelastung sowie die wechselnde Ausgangsstromhöhe gegenüber einem Spannungswandler, der lediglich einen Regler und ein Leistungsteil mit jeweils wenigstens einem Schalttransistor umfaßt, reduziert werden. Da die Leistungsteile parallel geschaltet sind, läßt sich bei sequentieller Einschaltung der einzelnen Teilwandler, die jeweils aus einem Regler und einem Leistungsteil bestehen, ein Ausgangsstrom erzielen, der für jedes Einzelsystem jeweils einen kurzen Stromimpuls darstellt. Die Stromimpulse I_a, I_b, I_c, . . . der einzelnen Teilregler sind zeitlich gegeneinander verschoben. Vor Zuführung zur zu versorgenden Last 14 werden die Ströme einander überlagert, so daß der Versorgungsstrom für die Last 14 ein relativ gleichmäßiger, höchstens leicht gewellter Strom ist. Im Idealfall, der bei konstanter Eingangsspannung U und gleichmäßiger Ausgangsbelastung sowie komplementär schaltenden Transistoren immer vorhanden ist, geht die Eingangsstromwechselbelastung gegen 0. Die Ausgangsstromschwankung wird ebenfalls reduziert. Im Normalfall läßt sich die Wechselbelastung sowie die Ausgangsstromschwankungen auf das folgende Maß reduzieren:

δIE = IGE/T
δIA = IGA/T

Wenn die sequentielle Ansteuerung eine Überschneidung von schaltenden Teilwandlern verhindert. Die verwendeten Abkürzungen bedeuten:

δIE: Differenz des Eingangsstromes
IGE: Gesamtstrom am Eingang
δIA: Differenz des Ausgangsstromes
IGA: Gesamtstrom am Ausgang
T: Teilwandleranzahl

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeichnet sich durch die maximale Ausregelung von Ein- und Ausgangsschwankungen aus. Da eine Anzahl separater Regler sowie je ein Leistungsteil erforderlich ist, ist das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 recht aufwendig.

Als Regler lassen sich herkömmliche Spannungsregler bzw. Steuerteile herkömmlicher Spannungsregler einsetzen. Die Leistungsteile können herkömmliche Leistungsteile mit einem entsprechenden Schalttransistor sein. Als Synchronisationseinrichtung 14 kann ein Mikroprozessor eingesetzt werden. Es ist auch möglich ein geeignetes Zeitglied, Schieberegister, ASIC-Logik oder ein geeigneter Taktgeber zur Synchronisation einzusetzen.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers mit synchronisiertem Regler und Steuerung aufgezeigt. Dieser Spannungswandler dient ebenfalls zur Versorgung einer Last 14. Durch den Ersatz der einzelnen Regler 10b bis 10n nach Fig. 1 durch eine Steuerung mit sequentiell gesteuerten Ausgängen kann der Regelungsaufwand gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 reduziert werden. Die Steuerung 15 steht mit dem Regler 10a in Verbindung und steuert die Leistungsteile 11b, 11c, . . ., 11n an. Die Ausregelung von Ein- und Ausgangsschwankungen des Stromes bzw. der Spannung erfolgt am Leistungsteil 12a direkt und an den Leistungsteilen 11b bis 11n vom Regler 10a über die Steuerung 15.

Mit dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bietet sich eine weitere Möglichkeit zur Spannungswandlung. Sie besteht in der Ausregelung nur eines Teilleistungsbereiches über den Leistungsteil 12a. Der restliche Leistungsteil, also die Leistung der Leistungsteile 10b bis 10n bleibt aufgrund der Steuerung konstant.

In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei dieser Variante wird nur ein Regelbaustein 17 benötigt, dessen hohe Schaltfrequenz auf n parallele Leistungsteile 11a, 11b, 11c, . . ., 11n über einen Multiplexer 16 mit einer sich anschließenden Logik 16a aufgeteilt wird. Hierbei ist eine maximale Ausregelung bei geringem Regelaufwand möglich.

Die Verteilung des Ausgangssignales des Reglers kann mit Hilfe des in Fig. 4 aufgezeigten Zeitdiagramms erläutert werden. Der Regler gibt an seinem Ausgang eine Schaltfrequenz von beispielsweise 100 kHz aus. Die Verteilung des Reglerausgangssignales auf beispielsweise 5 Leistungsteile 1 bis 5 wird mit Hilfe des Logiksignales 51 vorgenommen. Die steigende Flanke dieses Signales ist fest synchronisiert und die fallende Flanke wird durch den Regler je nach Eingangssignal variiert. Der Multiplexer 16 verteilt die negativen variablen Flanken auf die Ausgänge a bis n der Logik. Jeweils während der mit X bezeichneten Zeiten gelangen die Ausgangssignale des Reglers zu den entsprechenden Leistungsteilen. Die Signalverläufe sind mit S2 bezeichnet.

Claims

1. Vorrichtung zur Spannungswandlung, insbesonders für Kraftfahrzeuge, mit wenigstens zwei zueinander parallel geschalteten Spannungswandlern mit einem gemeinsamen Eingang, über den die zu wandelnde Spannung zuführbar ist und einem gemeinsamen Ausgang, an dem die gewandelte Spannung abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungswandler Teilwandler sind, die mittels einer Einrichtung zur Synchronisation synchron sequentiell angesteuert werden.

2. Vorrichtung zur Spannungsregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß n Teilwandler vorgesehen sind, die jeweils einen Regler und ein Leistungsteil umfassen, die direkt miteinander verbunden sind und so verschaltet sind, daß die Teilwandler zueinander parallel liegen.

3. Vorrichtung zur Spannungswandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwandler einen ersten Teilwandler mit Regler und getrenntem Leistungsteil und weitere Teilwandler mit einer vom Regler beeinflußbaren Steuerung sowie weiteren Leistungsteilen umfassen, wobei die weiteren Leistungsteile jeweils mit der Steuerung in Verbindung stehen und alle Leistungsteile ausgangsseitig miteinander sowie mit der Last verbunden.

4. Vorrichtung zur Spannungswandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwandler getrennte Leistungsteile umfassen, die eingangsseitig über einen Multiplexer und eine Logik mit einem gemeinsamen Regler in Verbindung stehen und ausgangsseitig miteinander sowie mit der Last verbunden sind.

5. Vorrichtung zur Spannungswandlung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler eingesetzt wird, der an seinem Ausgang ein hochfrequentes Schaltsignal abgibt, das mit Hilfe des Multiplexers und der Logik auf die einzelnen Leistungsteile verteilt wird.

6. Vorrichtung zur Spannungswandlung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Logik ein Signal erzeugt, dessen steigende Flanke fest synchron und dessen fallende Flanke durch den Regler je nach Eingangssignal variiert wird und das dieses Signal zusammen mit dem Multiplexer die Schaltsignale des Reglers auf die einzelnen Leistungsteile verteilt.

7. Vorrichtung zur Spannungswandlung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer die negativen variablen Flanken auf die Ausgänge a bis n verteilt.