DE102009031002A1

DE102009031002A1 - Vorrichtungen und Verfahren zum Umwandeln oder Puffern einer Spannung

Info

Publication number: DE102009031002A1
Application number: DE102009031002A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Barrenscheen; Marcus Nuebling; Werner Roessler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-03-25
Also published as: US20100027303A1; US7907431B2

Abstract

Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Umwandeln oder Puffern einer Spannung, mit einem Induktor, der so konfiguriert ist, dass er wenigstens eine primäre Funktion durchführt, und dass er wiederverwendet wird, um zum Umwandeln oder Puffern der Spannung als sekundäre Funktion beizutragen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Vorrichtungen und Verfahren zum Umwandeln oder Puffern einer Spannung.
Heutzutage werden auf vielen technischen Gebieten, und insbesondere bei Energieversorgungssystemen für Fahrzeuge, verschiedene elektrische Bauteile eingesetzt, um eine Vielzahl verschiedener Funktionen durchzuführen, beispielsweise Kommunikationskopplung, Schalten höherer elektrischer Leistungen oder schnelles Schalten, beispielsweise bei einem Inverter für einen Elektromotor.
Die oben genannten verschiedenen elektrischen Bauteile benötigen häufig zusätzliche Versorgungsspannungen, die von einer primären Energieversorgung erzeugt werden können, beispielsweise einer Batterie oder einer Hochleistungsbatterie eines Fahrzeugs.
Im Folgenden wird zu Illustrationszwecken die Erfindung unter Bezug auf eine Vorrichtung zum Umwandeln und Puffern einer Spannung beschreiben zum Zuführen der umgewandelten oder gepufferten Spannung zu wenigstens einem der oben genannten verschiedenen elektrischen Bauteile in einem Fahrzeug, beispielsweise einer Vielzahl elektronischer Schalter einem Elektrohybridfahrzeug.
Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann auch in Zusammenhang mit beliebigen anderen Arten elektrischer Bauteile verwendet werden, für die eine Spannung umgewandelt oder gepuffert werden sollte, basierend auf einer Energieversorgung, die eine ungeeignete Spannung für das je weilige Bauteil bereitstellt, oder die zusammenbricht, so dass die gepufferte Spannung wenigstens zeitweise bestimmte der elektrischen Bauteile versorgen kann, umgewandelt oder gepuffert werden sollte.
Typischerweise werden bei einem Fahrzeug zum Zwecke des Umwandelns von Spannungen zur Versorgung von elektrischen Bauteilen mit einer anderen Spannung im Hinblick auf die Versorgungsspannung einer Batterie als Energieversorgung kapazitiv arbeitende Spannungswandler basierend auf Ladungspumpen verwendet, da diese mit einer geringen Anzahl günstiger externer Bauelemente, wie beispielsweise Speicherkondensatoren, gebaut werden können.
Die Anzahl der Schalttransistoren ist bei derartigen Ladungspumpen jedoch häufig relativ hoch, und die energetische Effizienz der Spannungsumwandlung ist relativ niedrig, insbesondere in Fällen, bei denen die Ladung über mehrere Stufen gepumpt werden muss. Da externe Induktoren normalerweise teuerer sind, als einfache Kondensatoren, werden in der Praxis induktiv arbeitende Spannungswandler, die auf solchen teueren externen Induktoren basieren, nur für stärkere Ströme verwendet.
Die Erfindung löst diese bzw. andere Aufgaben durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 7, 15, 17, 20, 22, und 26. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung werden Vorrichtungen und Verfahren zum Umwandeln oder Puffern einer Spannung bereitgestellt, insbesondere wie in Zusammenhang mit wenigstens einer der Figuren gezeigt und/oder beschrieben, und wie in den Ansprüchen umfassender dargelegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen werden einbezogen, um ein weitergehendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, und sind in diese Schrift aufgenommen und stellen einen Teil davon dar. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Grundgedanken der Erfindung. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und viele der angestrebten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres geschätzt werden, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden.
1 zeigt ein schematisches Schaltbild gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Spule eines Relais als Teil eines Spannungswandlers wiederverwendet wird, um die High-Side-Schalter eines Inverters für einen Elektromotor zu versorgen, wobei die Spule des Relais hauptsächlich als Teil eines Hauptschalters für den Inverter (H-Brücken-Schaltung) fungiert;
2 zeigt ein schematisches Schaltbild gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei die Spule eines Relais als Teil eines Spannungspuffers wiederverwendet wird, um einen elektronischen Schalter parallel zu dem Relais zu versorgen, wobei die Spule des Relais hauptsächlich als Teil eines Hauptschalters für einen Inverter fungiert;
3 zeigt ein schematisches Schaltbild gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Induktor zum Erzeugen einer positiven Verstärkungsspannung wiederverwendet wird;
4 zeigt ein schematisches Schaltbild gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Induktor zum Erzeugen einer negativen Verstärkungsspannung wiederverwendet wird;
5 zeigt ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Induktor zum Puffern einer Versorgungsspannungsdomäne wiederverwendet wird;
6 zeigt ein vereinfachtes charakteristisches Diagramm eines transienten Stroms für einen Strom durch eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in unterschiedlichen Betriebsmodi;
7 zeigt ein schematisches Schaltbild, wobei eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als Teil eines Abwärtswandlers für einen Mehrstufen-Spannungswandler verwendet werden kann;
8 zeigt ein schematisches Schaltbild, wobei eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als Teil eines verbesserten Abwärtswandlers verwendet werden kann.
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in der zur Erläuterung bestimmte Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Es ist selbstverständlich, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder anderweitige Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass vom Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die folgende detaillierte Beschreibung soll daher nicht im beschränkenden Sinne aufgefasst werden, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird von den beigefügten Ansprüchen definiert.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Vorrichtung so konfiguriert sein, dass die eine Spannung umwandelt oder puffert, die von einer Energieversorgung, beispielsweise einer Batterie, bereitgestellt wird. Die Vorrichtung kann einen Induktor aufweisen, der so konfiguriert ist, dass er wenigstens eine primäre Funktion in einer Schaltung durchführt, und kann des Weiteren so konfiguriert sein, dass er wiederverwendet wird, um zum Umwandeln oder Puffern der Spannung als sekundäre Funktion beizutragen.
Bei einer Ausführungsform kann die Vorrichtung so konfiguriert sein, dass sie einen modulierten Strom durch einen Induktor treibt, um eine umgewandelte Spannung zum Versorgen eines Verbrauchers zu erzeugen. Ein Verbraucher kann verschiedene elektrische Bauelemente aufweisen, die eine Versorgungsspannung benötigen, die sich von der Versorgungsspannung der Energieversorgung unterscheidet. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der durch den Induktor getriebene Strom impulsbreite-moduliert sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung so konfiguriert sein, dass sie eine Energie, die in dem Induk tor gespeichert ist, umwandelt, um eine gepufferte Spannung zum Versorgen eines Verbrauchers bereit zu stellen.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Vorrichtung kann der Induktor eine Spule eines Relais sein, wobei es eine primäre Funktion der Spule des Relais ist, einen Kontakt des Relais zu schalten.
Bei vielen Anwendungen im Fahrzeugbereich oder in der Industrie werden Relais verwendet, um das sichere Herstellen oder Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen verschiedenen elektrischen Vorrichtungen zu ermöglichen. Dies trifft insbesondere für Fälle zu, bei denen höhere Energien geschaltet werden müssen, da die bei elektronischen Schaltern – z. B. Feldeffekttransistoren (Field Effect Transistors; FETs), Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistors; IGBTs) und Thyristoren – involvierte höhere Komplexität im Vergleich zur Verwendung der bekannten und kostenoptimierten Relais zu höheren Kosten führt.
Des Weiteren stellt das Verwenden eines Relais als Schalter einen Vorteil in Bezug auf die Verlustleistung während des angeschalteten Zustands des Relais bereit, d. h. mit Bezug auf Leitungsverluste in dem parasitären Reihenwiderstand des Schalters im angeschalteten Zustand. Um beispielsweise einen Strom von 100 A mit einer Spannung von 300 V wie im Falle eines Batterie-Hauptschalters in einem Elektrohybridfahrzeug zu schalten, führt ein einfaches Relais in einer Preislage von ca. 1 Euro mit einem Widerstand von 0,5 mΩ im angeschalteten Zustand zu einer Durchlassverlustleistung, die nur 5 W beträgt. Der Einsatz eines IGBT als Schalter führt jedoch unter denselben Bedingungen zu einer Durchlassverlustleistung, die mehr als eine Zehnerpotenz größer sein kann, als bei der Verwendung des oben genannten Relais-Schalters.
1 zeigt ein Beispiel einer Anwendung für eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Umwandeln einer Spannung, wobei eine Spule 12 eines Relais 10 als Teil eines Spannungswandlers wiederverwendet werden kann, um die High-Side-Schalter HS1 und HS2 eines Inverters 90 für einen Elektromotor 95 zu versorgen, wobei die Spule 12 des Relais 10 primär als Teil eines Hauptschalters für den Inverter 90 fungiert.
Wie in 1 gezeigt ist, kann ein typisches Beispiel für den Inverter 90 eine H-Brückenschaltung zum Steuern der Drehrichtung und -geschwindigkeit des Elektromotors 95 sein, wobei die H-Brückenschaltung über das Relais 10 an den positiven Versorgungsanschluss 36 gekoppelt sein kann. Bei dieser Ausführungsform fungiert der positive Versorgungsanschluss 36 als Hochleistungs-Versorgungsanschluss für den Elektromotor 95. Daher erfüllt das Relais 10 eine Sicherheitsfunktion, die es ermöglicht, den Gleichstrom-Elektromotor 95 über eine getrennte Schaltvorrichtung auch dann abzuschalten, wenn der H-Brückenschaltungs-Inverter 90 defekt ist und den Elektromotor 95 nicht mehr abschalten kann. Diese Architektur ist ein Beispiel für das Erhöhen der Sicherheit durch Einführen von Redundanz.
Bei einer Anwendung gemäß 1 kann es nötig sein, dass die Versorgungsspannung der High-Side-Schalter HS1 und HS2 beispielsweise 10 bis 15 V höher sein sollte, als die Spannung an dem positiven Versorgungsanschluss 36. Zum Zweck des Erzeugens einer Spannung mit einem Arbeitszyklus zwischen 0% und 100% für den Gleichstrom-Elektromotor 95 kann ein herkömmlicher Bootstrap-Kondensator nicht ohne weitere Maßnahmen verwendet werden, um die Spannung zu erzeugen, die höher ist, als die Spannung an dem positiven Versorgungsanschluss 36 für die High-Side-Schalter HS1 und HS2, da die Verwendung des Bootstrap-Kondensators den erzielbaren Arbeitszyklus-Bereich einschränken würde. Folglich würde das Erzeugen einer geeigneten Versorgungsspannung für die High-Side-Schalter HS1 und HS2 normalerweise die Verwendung eines zusätzlichen Spannungswandlers mit sich bringen, der typischerweise auf Ladungspumpen basiert, wie oben beschrieben worden ist.
Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform kann jedoch die Spule 12 des Relais 10 als Teil eines induktiv arbeitenden Spannungswandlers wiederverwendet werden, um den oben erwähnten zusätzlichen kapazitiv arbeitenden Spannungswandler oder einen externen teueren Induktor für einen induktiv arbeitenden Standard-Spannungswandler überflüssig zu machen.
Daher kann bei der in 1 gezeigten Ausführungsform die Spule 12 eines Relais 10 als Induktor der Vorrichtung verwendet werden, die so konfiguriert sein kann, dass sie wenigstens indirekt an den positiven Versorgungsanschluss 36 und an die beiden High-Side-Schalter HS1 und HS2 des Inverters 90 gekoppelt ist, um die beiden High-Side-Schalter HS1 und HS2 mit einer Spannung zu versorgen, die höher ist, als die Spannung an dem positiven Versorgungsanschluss 36, um jeden vorgegebenen Arbeitszyklus zwischen 0% und 100% für die High-Side-Schalter HS1 und HS2 des Inverters 90 zu erreichen.
Außerdem kann die Versorgung der Low-Side-Schalter LS1 und LS2 bei den Ausführungsformen gemäß 1 im Allgemeinen durch die entsprechende Schaltung bereitgestellt werden, die die Low-Side-Schalter LS1 und LS2 im Fall der relativ hohen Versorgungsspannung bei industriellen Anwendungen treibt. Im Fall der typischerweise relativ niedrigen Versorgungsspannungen bei Fahrzeugen kann jedoch die Versorgung der Low-Side- Schalter LS1 und LS2 bei Ausführungsformen gemäß 1 im Allgemeinen durch den positiven Versorgungsanschluss der Energieversorgung bereitgestellt werden. Die Energieversorgung für die primäre Seite des Relais 10 kann normalerweise von derselben Versorgungsspannungsdomäne bereitgestellt werden wie für die Low-Side-Schalter LS1 und LS2.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Vorrichtung so konfiguriert sein, dass sie Energie verwendet, die in der Spule des Relais gespeichert ist, um einen elektronischen Schalter in Betrieb zu setzen.
Bei diesen Ausführungsformen kann sich bei Schaltanwendungen für Elektro- oder Elektrohybridfahrzeuge, bei denen ein Relais als Hauptbatterieschalter zwischen den elektronischen Leistungsbauteilen und der Batterie dient, die eine Reihe von Akkumulatorzellen aufweisen kann, ein Problem ergeben, das mit dem der Ausführungsform von 1 vergleichbar ist. Diese elektronischen Leistungsbauteile können beispielsweise einen Hochleistungs-Inverter und einen Hochleistungs-Elektromotor aufweisen. Die oben genannten Anwendungen können Ströme und Spannungen wie in dem oben genannten Beispiel für eine Verlustleistungsschätzung für die Durchlassverlustleistung eines Relais als Hauptbatterieschalter entstehen lassen. Da diese hohen Ströme und Spannungen zu beträchtlichen Schaltbelastungen für die mechanischen Kontakte des Relais führen können, wurden bisher spezielle Relais typischerweise mit einem Schutzgas verwendet, um die Entstehung elektrischer Lichtbögen zu verhindern, und um eine gewisse Lebensdauer des Relais als Batterieschalter zu gewährleisten.
Da diese speziellen Relais häufig vergleichsweise teuer sind, da sie besondere und komplizierte Bauteile sind, kann ein Halbleiter-Leistungsschalter parallel zu den Schaltkontak ten eines Standard-Relais verwendet werden, um die tatsächliche Schaltoperation durchzuführen. In diesem Fall kann die Funktion des Standard-Relais sein, die Durchlassverlustleistung der gesamten Schaltanordnung zu reduzieren, die den Halbleiter-Leistungsschalter und das Standard-Relais umfasst.
Eine entsprechende Ausführungsform ist in 2 gezeigt. Wie gezeigt ist, kann diese Ausführungsform das Relais 10 aufweisen, dessen Schaltkontakte 13 parallel mit dem Halbleiter-Leistungsschalter 20, beispielsweise einem FET, einem IGBT oder ähnlichem, verbunden sind. Das Relais 10 und der Halbleiter-Leistungsschalter 20 können zwischen einen Inverter 91 und einen positiven Versorgungsanschluss 36 einer Batterie 37 geschaltet sein. Ähnlich den High-Side-Schaltern HS1 und HS2 bei der Ausführungsform von 1 kann der Halbleiter-Leistungsschalter 20 Schaltspannungen Vswitch zum Betrieb benötigen, die höher sind, als die Spannung an dem positiven Versorgungsanschluss 36.
Daher kann bei einer Ausführungsform gemäß 2 die Spule 12 des Relais 10 als Teil eines Spannungswandlers wiederverwendet werden, um den Halbleiter-Leistungsschalter 20 mit einer Schaltspannung Vswitch zu versorgen, die höher ist, als die Spannung an dem positiven Versorgungsanschluss 36.
Bei bestimmten Ausführungsformen gemäß 2 kann es sein, dass die Kontakte 13 des Relais 10 durch die Spule 12 des Relais 10 nicht geschlossen werden, wenn der Halbleiter-Leistungsschalter 20 noch nicht angeschaltet worden ist, und folglich die Spannung über dem Halbleiter-Leistungsschalter 20 niedrig ist, oder wenn kein Strom durch die Kontakte 13 des Relais 10 fließt, was zu einer reduzierten Schaltbelastung des Relais 10 führt. In diesem Fall führt der Halbleiter-Leistungsschalter 20 die tatsächliche Schaltfunktionalität durch, während die Funktion des Relais 10 vielmehr ist, den Gesamtwiderstand im angeschalteten Zustand zwischen dem positiven Versorgungsanschluss 36 und dem Inverter 91 zu verringern.
Bei weiteren Ausführungsformen gemäß 2 kann eine in der Spule 12 des Relais gespeicherte Energie – aufgrund eines durch die Spule 12 fließenden Stroms – verwendet werden, um den Halbleiter-Leistungsschalter 20 auszulösen oder zu versorgen, damit er sich anschaltet, wenn das Relais 10 dabei ist, die Batterie 37 von dem Inverter 91 zu trennen. Auf diese Weise kann der Halbleiter-Leistungsschalter 20 den Strom durch die Kontakte 13 des Relais 10 übernehmen, wenn der Strom durch die Spule 12 des Relais 10 abgeschaltet wird, um die Kontakte 13 des Relais 10 zu trennen.
Folglich kann aufgrund der mechanischen Trägheit der Kontakte 13 des Relais 10 der Halbleiter-Leistungsschalter 20 – mittels der in der Spule 12 des Relais 10 gespeicherten Energie – angeschaltet werden, bevor die Kontakte 13 des Relais 10 tatsächlich getrennt werden. Der geschlossene Halbleiter-Leistungsschalter 20 führt wiederum zu einer niedrigen Spannung über den Kontakten 13 des Relais 10, was wiederum zu einer reduzierten Schaltbelastung für das Relais 10 führt. Daher führt in diesem Fall das Relais 10 die tatsächliche Schaltfunktionalität durch, während die Funktion des Halbleiter-Leistungsschalters 20 ist, die Spannung über den Kontakten 13 des Relais 10 während des Abschaltebetriebs zu reduzieren, um die Schaltbelastung für die Kontakte 13 zu verringern.
Die zuletzt beschriebene Funktionalität kann auch bereitgestellt werden, wenn die Hauptenergieversorgung durch die Batterie 37 zusammenbricht. In diesem Fall induziert der Zusammenbruch des Stroms durch die Spule 12 des Relais 10 eine Spannung über den Kontakten 13 der Spule 12 des Relais 10, die verwendet werden kann, um den Schalter bei Betrieb des Halbleiter-Leistungsschalters 20 auszulösen oder zu versorgen.
Somit zeigen die oben beschriebenen Beispiele, dass Ausführungsformen der Erfindung die in der Spule eines Relais gespeicherte Energie zur Erzeugung zusätzlicher Versorgungsspannungen verwenden können, die sich von der von einer Energieversorgung bereitgestellten Spannung unterscheiden, oder – zum Beispiel aus Sicherheitsgründen – zum Puffern einer Spannung, um vorgegebene Teile einer Schaltung im Falle eines Zusammenbruchs der primären Versorgungsspannung zu versorgen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf einen Relaistreiber, wobei die Spule des Relais zum Umwandeln oder Puffern einer Spannung, die von einer Energieversorgung bereitgestellt wird, wiederverwendet wird.
Bei Anwendungen, bei denen ein Relais primär als Leistungsschalter verwendet wird, um eine Schaltfunktionalität mit geringer Durchlassverlustleistung bereitzustellen, können die Topologie und der Betriebsmodus des Relaistreibers so konfiguriert werden, dass sie die primäre Funktion des Treibens und Betreibens des Relais durch Liefern eines Betriebsstroms und eines Haltestroms bereitstellen, und die sekundäre Funktionalität des Umwandelns einer Spannung, z. B. des Verstärkens der primären Versorgungsspannung, um eine zusätzliche Versorgungsspannung bereitzustellen. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Relaistreiber so konfiguriert werden, dass er beispielsweise einen Mikrocontroller versorgt, der die oben genannte H-Brückenschaltung steuern kann.
Im Gegensatz zu dem oben Gesagten liegt bei gegenwärtigen Relaistreibern der Fokus auf dem Trieben eines Relais auf verlustarme Weise. Demgemäß wurde die Erzeugung der zum Ver sorgen logischer Blöcke mit zusätzlichen Spannungen benötigten Energie noch nicht zusammen mit der Relaistreiber-Funktionalität betrachtet. Doch auch wenn daraus ein niedrigerer Effizienzgrad der tatsächlichen Relaistreiber-Funktionalität resultieren kann, kann der gesamte Effizienzgrad des Systems beträchtlich ansteigen, wenn ein induktiv arbeitender Spannungswandler anstelle der herkömmlich verwendeten kapazitiv arbeitenden Ladungspumpen verwendet wird. Außerdem kann im Fall eines integrierten Relaistreibers die oben genannte Maßnahme den erforderlichen Siliziumbereich im Vergleich zu einer Spannungswandlerschaltung verringern, die eine vergleichbare zusätzliche Versorgungsspannung mit kapazitiven Ladungspumpen erzeugt.
Die Wiederverwendung der Spule eines Relais als Induktor für einen Spannungswandler kann bei Anwendungen verwendet werden, bei denen ohnehin ein Relais zum Einsatz kommt. Die mechanische Trägheit der Kontakte des Relais kann als wichtiger Aspekt für diese Mehrfachverwendung der Spule des Relais betrachtet werden. Insbesondere kann diese mechanische Trägheit der Kontakte des Relais einen derartigen Umfang haben, dass kleinere Schwankungen des Stroms durch die Spule des Relais zu keinen Einschränkungen für die tatsächliche Relaisfunktionalität führen. Daher kann die Spule eines Relais, das beispielsweise von einem impulsbreite-modulierten Strom angetrieben wird, ohne Weiteres in die Topologie eines Spannungswandlers integriert werden.
Die beträchtlich bessere energetische Effizienz eines derartigen induktiven Spannungswandlers im Vergleich zu kapazitiv arbeitenden Ladungspumpen führt zu dem zusätzlichen Vorteil eines reduzierten Verlusts der Wärme, die von einem entsprechenden Relaistreiber, der in eine integrierte Schaltung integriert ist, abgeleitet werden muss.
Bei einer Ausführungsform kann der Relaistreiber so konfiguriert sein, dass er die in der Spule des Relais gespeicherte Energie bereitstellt, so dass bestimmte – besonders kritische – Teile einer Schaltung mit der gespeicherten Energie versorgt werden, anstatt eine externe große Kapazität zum Speichern dieser Energie zu verwenden. Insbesondere im Fall von unbeabsichtigtem Trennen des Relaistreibers von seiner Spannungsversorgung – z. B. im Fall eines Unfalls – kann die Spule des Relais als Energiespeicher dienen. Dies kann ein wichtiges Sicherheitsmerkmal darstellen, das die Verwendung vergleichsweise kleiner Kondensatoren ermöglicht und demzufolge zu einem Kostenvorteil führt.
Somit können bestimmte Ausführungsformen so konfiguriert sein, dass vorgegebene Betriebsbedingungen auf die oben beschriebene einfache Art und Weise ermittelt werden, und können so konfiguriert sein, dass sie vorgegebene Reaktionen auf diese Betriebsbedingungen auslösen, beispielsweise bestimmte Teile der Schaltung mit der in der Spule eines Relais gespeicherten Restenergie versorgen.
Zu Illustrationszwecken kann wieder auf ein Beispiel eines elektronischen Schalters Bezug genommen werden, der parallel zu den Schaltkontakten eines Relais geschaltet ist. Sobald ein baldiger Abfall des Relais von einer in der Spule des Relais induzierten Spannung aufgrund des entsprechenden Zusammenbruchs des Stroms durch die Spule des Relais signalisiert wird, kann der elektronische Schalter mit Hilfe der in der Spule des Relais gespeicherten Energie geschlossen werden, auch wenn die tatsächliche Spannungsversorgung des Relaistreibers zusammenbricht. Der elektronische Schalter kann ausgeschaltet werden, sobald das Relais abgefallen ist.
Daher kann bei bestimmten Ausführungsformen die Funktion eines Relaistreibers mit der Funktion eines induktiven Spannungswandlers kombiniert werden. Ein Algorithmus zum Steuern des Stroms durch die Spule des Relais kann so konfiguriert sein, dass er die gewünschte Schaltfunktionalität des Relais durch einen Strom bereitstellt, der verursacht, dass das Relais arbeitet (Betriebsstrom), und einen Strom, der verursacht, dass das Relais hält (Haltestrom). Des Weiteren kann der Algorithmus so konfiguriert sein, dass er den Strom durch die Spule des Relais entsprechend erhöht und moduliert, wenn ein erhöhter Strombedarf für die Spannungswandlungsfunktionalität besteht. Wie oben beschrieben, kann es im Hinblick auf die gesamte energetische Effizienz effizienter sein, den Strom durch die Spule des Relais zu erhöhen, um die zusätzliche Spannungswandlungsfunktionalität bereitzustellen, wenn – anderenfalls notwendige – kapazitive Ladungspumpen vermieden werden können.
Im Folgenden werden einige grundlegende Topologien zur Wiederverwendung eines Induktors beschrieben, beispielsweise eine Spule eines Relais zum Umwandeln einer Spannung. Dies bedeutet, dass kein externer oder zusätzlicher Induktor notwendig ist, sondern vielmehr ein verfügbarer Induktor, z. B. die Spule eines Relais, als Energiespeicher wiederverwendet wird. Bestimmte Ausführungsformen können kleinere Modifikationen der grundlegenden Topologien enthalten, um die primäre Funktion, z. B. die Schaltfunktionalität eines Relais, mit der sekundären Funktion des Umwandelns oder Pufferns einer Spannung zu kombinieren.
Bei anderen Ausführungsformen können Teile der grundlegenden Topologien auf unterschiedliche Art und Weise miteinander kombiniert werden. Der wiederverwendete Induktor kann jedoch des Weiteren einen externen oder zusätzlichen Induktor ersetzen, um eine Spannungswandlertopologie zu erstellen.
3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform, die in eine grundlegende Topologie für einen Spannungswandler eingebettet ist, wobei ein Induktor 15 – z. B. eine Spule eines Relais – zum Erzeugen einer positiven Verstärkungsspannung Vboost+ wiederverwendet wird. Wie gezeigt ist, kann die Vorrichtung einen Low-Side-Schalter LS, einen positiven Versorgungsanschluss 36, einen Schaltanschluss 38 und einen negativen Versorgungsanschluss 39 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform kann der wiederverwendete Induktor 15 zwischen den positiven Versorgungsanschluss 36 und den Schaltanschluss 38 geschaltet sein. Der Low-Side-Schalter LS kann zwischen den Schaltanschluss 38 und den negativen Versorgungsanschluss 39 geschaltet sein.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform kann die Vorrichtung des Weiteren eine erste Diode 34 und einen Verstärkungskondensator 33 aufweisen. Die erste Diode 34 kann mit ihrer Anode an den Schaltanschluss 38 und mit ihrer Kathode an einen ersten Anschluss des Verstärkungskondensators 33 gekoppelt sein. Ein zweiter Anschluss des Verstärkungskondensators 33 kann an den positiven Versorgungsanschluss 36 gekoppelt sein.
Der Betrieb der in 3 gezeigten Ausführungsform kann in zwei Hauptzyklen aufgeteilt werden. In einem ersten Zyklus kann der Low-Side-Schalter LS geschlossen sein und der Strom Ir kann von dem positiven Versorgungsanschluss 36 durch den Induktor 15 über den Low-Side-Schalter LS an den negativen Versorgungsanschluss 39 fließen. Die erste Diode 34 kann jegliche Ladung, die an dem ersten Anschluss des Verstärkungskondensators 33 gespeichert ist, blockieren, sich über den Schal tanschluss 38 und den Induktor 15 zu dem zweiten Anschluss des Verstärkungskondensators 33 zu entladen.
Ein zweiter Betriebszyklus der Ausführungsform in 3 kann beginnen, sobald der Low-Side-Schalter LS abgeschaltet ist, und folglich wird eine Spannung in den Induktor 15 induziert, die gegen die Stromveränderung durch den Induktor 15 wirkt, die durch das Entfernen des Strompfads über den Low-Side-Schalter LS verursacht wird. Gleich nach dem Abschalten des Low-Side-Schalters LS zwingt die induzierte Spannung den Strom Ir dazu, in derselben Richtung wie vorher bei der Situation, bevor der Low-Side-Schalter abgeschaltet wurde, durch den Induktor 15 weiterzufließen. In diesem zweiten Zyklus ist die erste Diode 34 in Durchlassrichtung vorgespannt und kann einen Pfad für den Strom Ir bereitstellen, damit er weiterfließt und den Verstärkungskondensator 33 lädt.
Durch die Verbindung des zweiten Anschlusses des Verstärkungskondensators 33 mit dem positiven Versorgungsanschluss 36 wird die Spannung über dem Verstärkungskondensator 33 auf die Spannung an dem positiven Versorgungsanschluss 36 referenziert. Daher kann der erste Anschluss des Verstärkungskondensators 33 verwendet werden, um einen Verbraucher mit einer Spannung zu versorgen, die in Bezug auf die Versorgungsspannung Vsupply um den Betrag Vboost+ verstärkt, d. h. höher, ist.
4 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform, die in eine grundlegende Topologie für einen Spannungswandler eingebettet ist, wobei ein Induktor 15 – z. B. eine Spule eines Relais – zum Erzeugen einer negativen Verstärkungsspannung Vboost wiederverwendet wird. Wie gezeigt ist, kann die Vorrichtung einen High-Side-Schalter HS, einen positiven Versorgungsanschluss 36, einen Schaltanschluss 38 und einen negativen Versorgungsanschluss 39 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform kann der wiederverwendete Induktor 15 zwischen den negativen Versorgungsanschluss 39 und den Schaltanschluss 38 geschaltet sein. Der High-Side-Schalter HS kann zwischen den Schaltanschluss 38 und den positiven Versorgungsanschluss 36 geschaltet sein.
Auch bei der in 4 gezeigten Ausführungsform kann die Vorrichtung des Weiteren eine erste Diode 34 und einen Verstärkungskondensator 33 aufweisen. Hier kann die erste Diode 34 mit ihrer Kathode an den Schaltanschluss 38 und mit ihrer Anode an einen ersten Anschluss des Verstärkungskondensators 33 gekoppelt sein. Ein zweiter Anschluss des Verstärkungskondensators 33 kann an den negativen Versorgungsanschluss 39 gekoppelt sein.
Wie bei der in 3 gezeigten Ausführungsform kann der Betrieb der in 4 gezeigten Ausführungsform in zwei Hauptzyklen aufgeteilt werden. In einem ersten Zyklus kann der High-Side-Schalter HS geschlossen sein und der Strom Ir kann von dem positiven Versorgungsanschluss 36 über den High-Side-Schalter HS durch den Induktor 15 zu dem negativen Versorgungsanschluss 39 fließen. Die erste Diode 34 kann jegliche an dem ersten Anschluss des Verstärkungskondensators 33 gespeicherte Ladung blockieren, sich über den Schaltanschluss 38 und den Induktor 15 zu dem zweiten Anschluss des Verstärkungskondensators 33 zu entladen.
Ein zweiter Betriebszyklus der Ausführungsform in 4 kann beginnen, sobald der High-Side-Schalter HS abgeschaltet ist, und als Folge wird eine Spannung in dem Induktor 15 induziert, die gegen die Stromänderung durch den Induktor 15 wirkt, die durch Entfernen des Strompfads über den High-Side-Schalter HS verursacht wird. Gleich nach dem Abschalten des High-Side-Schalters HS zwingt die induzierte Spannung den Strom Ir dazu, in derselben Richtung wie vorher bei der Situation, bevor der High-Side-Schalter abgeschaltet wurde, durch den Induktor 15 weiterzufließen. In diesem zweiten Zyklus ist die erste Diode 34 in Durchlassrichtung vorgespannt und kann einen Pfad für den Strom Ir bereitstellen, damit er weiterfließt und den Verstärkungskondensator 33 lädt.
Durch die Verbindung des zweiten Anschlusses des Verstärkungskondensators 33 mit dem negativen Versorgungsanschluss 39 wird die Spannung über dem Verstärkungskondensator 33 auf die Spannung an dem negativen Versorgungsanschluss 39 referenziert. Daher kann der erste Anschluss des Verstärkungskondensators 33 verwendet werden, um einen Verbraucher mit einer Spannung zu versorgen, die in Bezug auf die Versorgungsspannung Vsupply um den Betrag Vboost– verstärkt, d. h. niedriger, ist.
Bei einer Ausführungsform, bei der eine Spule eines Relais als Induktor 15 für die Spannungsumwandlungsfunktion wiederverwendet wird, kann die Spule des Relais von einem Strom Ir getrieben werden, der in der in 3 angegebenen Richtung positiv ist, sowie von einem Strom Ir, der in der in 4 angegebenen Richtung positiv ist, da die mechanische Schaltfunktionalität des Relais nicht von der Richtung des Stroms durch die Spule des Relais abhängt.
5 zeigt ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Induktor 15 zum Puffern einer Spannung in einer Versorgungsspannungsdomäne Vboost+ wiederverwendet wird. Unter Bezug auf die Ausführungsform in 3 kann die Vorrichtung außer der ersten Diode 34 und dem Verstärkungskondensator 33 des Weiteren eine zweite Diode 32 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform kann die erste Diode mit ihrer Anode an den Schaltanschluss 38 und mit ihrer Kathode an einen ersten Anschluss des Verstärkungskondensators 33 gekoppelt sein. Die zweite Diode 32 kann mit ihrer Anode an den positiven Versorgungsanschluss 36 und mit ihrer Kathode an den ersten Anschluss des Verstärkungskondensators 33 gekoppelt sein. Ein zweiter Anschluss des Verstärkungskondensators 33 kann an den negativen Versorgungsanschluss 39 gekoppelt sein.
Daher zeigt 5 eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die in eine alternative Topologie eingebettet ist, die insbesondere zum Puffern einer Versorgungsspannung für Teile einer Schaltung geeignet ist, die unabhängig von der Versorgungsspannung Vsupply versorgt werden sollten. Wahlweise kann die Spannung Vboost+ mit einem nachfolgenden Spannungswandler in eine niedrigere Spannung umgewandelt werden.
Die in dem Induktor 15, z. B. der Spule des Relais, gespeicherte Energie kann in dem Kondensator 33 der Vboost+ Versorgungsspannungsdomäne gespeichert werden, nachdem das Relais abgeschaltet worden ist. Diese Energie kann verwendet werden, um ein erweitertes Puffern der Spannung in der Vboost+ Versorgungsspannungsdomäne bereitzustellen, auch wenn die Versorgungsspannung Vsupply bereits sehr abgenommen hat. Dadurch kann, insbesondere gleich nach dem Abschalten des Induktors 15, die Spannung Vboost+ über die Versorgungsspannung Vsupply ansteigen. Diese anfänglich erhöhte Spannung kann durch die Versorgung eines Verbrauchers in der Vboost+ Versorgungsspannungsdomäne allmählich abnehmen.
Die zweite Diode 32, die parallel an den Induktor 15 und die erste Diode 34 gekoppelt ist, ermöglicht einen Betrieb der Schaltung in der Versorgungsspannungsdomäne Vboost+, auch wenn der Induktor 15 von einem Strom mit einem Arbeitszyklus von 100% getrieben wird, d. h. einem Strom, der nicht moduliert ist. In diesem Fall kann die in dem Induktor 15 gespeicherte Energie zum Puffern der Spannung in der Vboost+ Versorgungsspannungsdomäne bereitgestellt werden, nachdem der Low-Side-Schalter LS abgeschaltet worden ist.
6 zeigt ein vereinfachtes charakteristisches Diagramm eines transienten Stroms für einen Strom durch einen Induktor als Teil einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Betriebsmodi. In dem gezeigten Fall kann die Vorrichtung beispielsweise die Spule eines Relais aufweisen, die als Induktor wiederverwendet wird. Die vereinfachte Charakteristik des transienten Stroms für den Strom Ir durch die Spule des Relais repräsentiert, zum Zweck der Vereinfachung in chronologischer Reihenfolge, verschiedene Betriebsmodi der Vorrichtung. Die Vereinfachung in 6 bezieht sich auf die linear gezeigte Stromcharakteristik und die nur grundsätzlich gezeigten Strom-Schwellenwerte, was keine qualitativen Beziehungen zwischen diesen Strom-Schwellenwerten widerspiegelt.
In der genannten chronologischen Reihenfolge der in 6 gezeigten Betriebsmodi kann das Relais zu Beginn abgeschaltet sein. Auch in diesem ersten Betriebsmodus der Vorrichtung kann ein Relais-Ruhestrom 16 impulsbreite-moduliert sein – wie in 6 durch die dreieckförmige Charakteristik angegeben ist –, um einen Verstärkungseffekt, d. h. einen Spannungsumwandlungseffekt, zu erreichen. Anders ausgedrückt kann, solange der Mittelwert des Relais-Ruhestroms 16 ausreichend unter dem Schwellenwert eines Relais-Betriebsstroms 17 bleibt, eine Spannungsumwandlung durch die Spule des Relais auch dann durchgeführt werden, wenn das Relais nicht betrieben wird. Wie in einem zweiten Abschnitt der Stromcharakteristik in 6 gezeigt ist, kann das Relais nur arbeiten, wenn der Strom Ir durch die Spule des Relais den Schwellenwert des Relais-Betriebsstroms 17 für einen vorgegebenen Zeitraum übersteigt.
Wie in einem dritten Abschnitt der Stromcharakteristik in 6 gezeigt ist, kann der Strom durch die Spule des Relais dann auf einen ersten Relais-Haltestrom 18 verringert werden, ohne einen Ausfall des Relais zu verursachen. In 6 ist der Relais-Haltestrom 18 für den Fall einer ersten Last in der Vboost+ Versorgungsspannungsdomäne gezeigt, wobei sich der Begriff Last hier auf den Stromverbrauch in der Vboost+ Versorgungsspannungsdomäne bezieht.
In dem in 6 gezeigten Fall ist diese erste Last so gering, dass der minimale Relais-Haltestrom 14, wie durch die gestrichelte Linie angezeigt, ausreichen kann, um die Spannungsumwandlung zu ermöglichen.
Wie in einem vierten Abschnitt der Stromcharakteristik in 6 gezeigt ist, kann der Strom durch die Spule des Relais auf einen zweiten Relais-Haltestrom 19 erhöht werden, wenn eine größere zweite Last in der Vboost+ Versorgungsspannungsdomäne mit einer ausreichenden Menge Energie versorgt werden soll.
Die vorliegenden Charakteristiken eines Stroms durch die Spule eines Relais, die von der Last in einer Versor– gungsspannungsdomäne abhängen, die von der Spule des Relais wie der in 6 gezeigten verstärkt wird, sind mittels gegenwärtiger Relais-Treiber noch nicht implementiert worden. Tatsächlich ist bei der Verwendung eines vorliegenden Relais-Treibers der Strom durch die Spule des entsprechenden Relais typischerweise 0, wenn das Relais abgeschaltet ist. Basierend auf beispielsweise einem impulsbreite-modulierten Relais-Ruhestrom 16 wie oben beschrieben, kann eine Verstärkungsopera tion, d. h. eine Spannungsumwandlungsfunktion, bis zu einer gewissen Last in der Vboost+ Versorgungsspannungsdomäne durch Wiederverwendung der Spule des Relais möglich sein.
Daher können bestimmte Ausführungsformen ein Relais aufweisen, das einen vergleichsweise hohen Relaisbetriebsstrom hat, um eine Spannungsumwandlung für die Vboost+ Versorgungsspannungsdomäne mittels der Spule des Relais auch in Fällen zu bewirken, in denen das Relais nicht betrieben wird. Für diese Ausführungsformen kann eine Analyse der Häufigkeit von Schaltoperationen des Relais mit den entsprechenden Lastströmen in der verstärkten Versorgungsspannungsdomäne geeignet sein, um einen geeigneten modulierten Relais-Ruhestrom für einen entsprechenden Betriebspunkt zu finden.
Daher kann bei den oben genannten Ausführungsformen die Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung so konfiguriert sein, dass sie einen eines modulierten Relais-Ruhestroms, eines modulierten Relais-Betriebsstroms oder eines modulierten Relais-Haltestroms durch die Spule des Relais treibt, um eine umgewandelte Spannung zum Versorgen eines Verbrauchers unabhängig von dem Schaltzustand des Relais zu erzeugen.
Somit hat, immer noch mit Bezug auf 6, die Verwendung der Spule eines Relais als wiederverwendeter Induktor den Effekt, dass die primäre Funktion des Induktors, nämlich das Schalten des Relais, und die sekundäre Funktion, nämlich die Spannungsumwandlungsfunktion, so ausgelegt werden können, dass sie voneinander unabhängig sind. Ein Grund für diese Unabhängigkeit zwischen der primären Funktion und der sekundären Funktion der Spule als Induktor ist, dass das Relais immer so ausgelegt werden kann, dass der Schwellenwert des Relais-Betriebsstroms 17 und/oder der minimale Relais-Haltestrom 14 einen gewünschten und geeigneten Pegel haben. Dies kann erreicht werden durch eine entsprechende Wahl der mechanischen, z. B. der Stärke einer Feder, die einen beweglichen der Kontakte des Relais vorspannt, oder der elektrischen Charakteristiken des Relais, z. B. der Anzahl von Wicklungen der Spule des Relais.
7 zeigt ein schematisches Schaltbild, wobei eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in eine andere Spannungswandler-Topologie eingebettet sein kann, nämlich die Topologie eines Abwärtswandlers für einen Mehrstufen-Spannungswandler 100. Die Schaltung gemäß 7 kann verwendet werde, um eine Versorgungsspannung für eine Steuerlogik zu erzeugen, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller oder ähnlichem basieren kann.
Bei einer Ausführungsform kann der Mehrstufen-Spannungswandler 100 einen ersten Spannungswandler 110 aufweisen, der einen Schaltregler 112 aufweist, der eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist, um eine Zwischenspannung Vim bereitzustellen. Des Weiteren kann der Mehrstufen-Spannungswandler 100 einen zweiten Spannungswandler 120 aufweisen, der einen ersten linearen Regler mit der Zwischenspannung Vim als Eingangsspannung aufweist, um eine Lastspannung Vload an einem Lastanschluss 97 bereitzustellen.
Bei einer Ausführungsform des Mehrstufen-Spannungswandlers 100 kann der erste Spannungswandler 110 des Weiteren einen zweiten linearen Regler 111 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform kann der Mehrstufen-Spannungswandler 100 so ausgelegt sein, dass er den ersten Spannungswandler 110 zwischen dem Schaltregler 112 und dem zweiten linearen Regler 111 schaltet, um die Zwischenspannung Vim an dem Zwischenanschluss 96 bereitzustellen.
Ausgehend von einer primären Versorgungsspannung Vsupply bei der Ausführungsform von 7, z. B. 12–14 V in einem Fahrzeug, wird die Zwischenspannung Vim erzeugt. Falls der Schaltregler 112 des ersten Spannungswandlers inaktiv ist, kann der zweite lineare Regler 111 verwendet werden, um Vsupply in Vim umzuwandeln. Der zweite Spannungswandler 120, der den ersten linearen Regler aufweist, kann dazu dienen, Vim in die tatsächliche Ausgangsspannung Vload mit einem vorgegebenen Wert, z. B. 3,3–5 V, für eine Last 98 umzuwandeln. Ohne Schaltregler ist der Effizienzgrad einer Schaltung, wie sie in 7 gezeigt ist, begrenzt, da eine Energie, die Iload·(Vsupply – Vload) beträgt, in den ersten und zweiten linearen Reglern abgeführt wird.
Jedoch kann die Verwendung eines getakteten Reglers, d. h. eines Schaltreglers, anstelle des zweiten linearen Reglers 111 als erster Spannungswandler 110 zum Aufnehmen des größten Teils der Spannungsdifferenz, in dem gezeigten Fall Vsupply – Vim, den Effizienzgrad enorm steigern, da nur ein kleinerer Teil an Energie, der Iload·(Vim – Vload) beträgt, in dem ersten linearen Regler als Teil des zweiten Spannungswandlers 120 abgeführt wird.
Die Tatsache, dass Mehrstufen-Umwandlung verwendet wird, die die Zwischenspannung Vim einführt, kann den Zweck haben, die verbleibende Welligkeit der Ausgangsspannung des Schaltreglers 112 für die Last 98 zu ebnen. Bei einer Topologie gemäß 7 kann im Falle einer vergleichsweise kleinen Last 98 oder falls die Spule eines Relais, die als Induktor für den Schaltregulator 112 verwendet wird, komplett abgeschaltet, d. h. stromlos, ist, die Last 98 nur durch die ersten und zweiten linearen Regler 111 versorgt werden, während der Schaltregler 112 entsprechend abgeschaltet ist.
Im Gegensatz dazu kann im Falle einer größeren Last 98 und/oder falls die Spule des Relais von einem modulierten Strom getrieben wird, der zweite lineare Regler 111 abgeschaltet werden, da der Schaltregler 112 dann die Zwischenspannung Vim auf effizientere Weise erzeugen kann.
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann auch bei der in 7 gezeigten Ausführungsform eine Spule eines Relais als Induktor und somit als Energiespeicher für den Schaltregler 112 verwendet werden, wie in einer Abwärtswandler-Topologie in 8 gezeigt ist, die als Schaltregler 112 verwendet werden kann.
In einem solchen Fall kann, im Gegensatz zu herkömmlichen Abwärtswandlern, die Entscheidung, ob der zweite lineare Regler 111 oder der Schaltregler 112 verwendet werden sollte, um die Zwischenspannung Vim zu erzeugen, von der Last 98 und dem Schaltzustand des Relais abhängen. Die Zwischenspannung Vim kann beispielsweise von dem zweiten linearen Regler 111 erzeugt werden, wenn das Relais abgeschaltet ist, oder in von der Last 98 abhängenden Fällen, so dass ein Relais, das abgeschaltet ist, nicht wegen eines zu hohen Stroms durch die Spule des Relais zum Betrieb angeregt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein gemischter Modus in Form einer Stromteilung zwischen dem zweiten linearen Regler 111 und dem Schaltregler 112 vorgesehen werden, was jedoch manchmal weiteren Aufwand zum Steuern des Schaltreglers 112 und des zweiten linearen Reglers 111 beinhaltet.
Des Weiteren sollte es bei einer Abwärtswandler-Topologie, bei der die Spule eines Relais als Induktor für den Schaltregler wiederverwendet wird, berücksichtigt werden, dass die Spannung über der Spule des Relais nur Vsupply – Vim betragen kann. Dem kann entgegengewirkt werden, indem ein Relais mit einer kleineren Nennspannung verwendet wird.
In 8 ist ein schematisches Schaltbild gezeigt, wobei eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als Teil eines verbesserten Abwärtswandlers 114 verwendet werden kann.
Wie in 8 gezeigt ist, weist der Abwärtswandler 114 einen Schaltregler 113 auf, der die Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform wie oben beschrieben aufweist, um die Zwischenspannung Vim an dem Zwischenanschluss 96 bereitzustellen. Der Abwärtswandler 114 kann des Weiteren einen ersten Schalter S1 aufweisen, um den Induktor 15 der Vorrichtung mit dem negativen Versorgungsanschluss 39 zu verbinden, und einen zweiten Schalter S2, um den Induktor 15 der Vorrichtung mit dem Zwischenanschluss 96 zu verbinden. Bei gewissen Ausführungsformen kann der negative Versorgungsanschluss 39 ein Erdanschluss sein.
Durch die Einführung der zusätzlichen Schalter S1 und S2 in eine Standard-Abwärtswandler-Topologie kann erreicht werden, dass die gesamte Menge der Versorgungsspannung Vsupply zum Betrieb des Relais für die Spule des Relais bereitgestellt wird, das als Induktor 15 wiederverwendet wird. Des Weiteren kann in Fällen von Lasten des Abwärtswandlers 114, bei denen kleinere Ströme als minimaler Relais-Haltestrom erforderlich sind, ein Teil des Stroms Ir durch die Spule des Relais an den negativen Versorgungsanschluss 39 gerichtet werden, anstatt an den Stützkondensator 31 für die Zwischenspannung Vim. Im Betriebszustand des Relais kann die Spannungsdifferenz Vsupply – Vim verwendet werden, um den Relais-Haltestrom bereitzustellen.
Des Weiteren sollte berücksichtigt werden, dass der Laststrom durch den inneren Widerstand der Spule des Relais hindurchgeht und zu einem Spannungsabfall und damit zu einer Verschlechterung des Effizienzgrads in Bezug auf eine Standard-Abwärtswandler-Topologie mit einer externen Spule mit niedrigem Widerstand führen kann.
Insofern als dieser Spannungsabfall sich nicht in den Bereich von Vsupply – Vim erstreckt, in Bezug auf 7, kann die Verwendung eines Abwärtswandlers als Schaltregler 112 aus energetischer Sicht im Vergleich zu der Verwendung eines weiteren linearen Reglers, wie beispielsweise dem zweiten linearen Regler 111 bei der Ausführungsform in 7, günstiger sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Mehrstufen-Spannungswandlers 100 wie in 7 gezeigt, kann der erste Spannungswandler 110 den Abwärtswandler 114 wie in 8 gezeigt als Schaltregler 112 aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Umwandeln oder Puffern einer Spannung, die eine Induktoreinrichtung zum Durchführen wenigstens einer primären Funktion und zum Beitragen zum Umwandeln oder Puffern der Spannung als sekundäre Funktion aufweist.
Bei einer Ausführungsform kann die oben genannte Einrichtung so konfiguriert sein, dass sie eine Energie bereitstellt, die in der Induktoreinrichtung gespeichert ist, um die Spannung zu Puffern, um einen sicherheitsrelevanten Verbraucher im Falle eines Versorgungsspannungs-Zusammenbruchs zu versorgen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das das Wiederverwenden eines Induktors mit wenigstens einer primären Funktion zum Umwandeln oder Puffern einer Spannung umfasst.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren das Treiben eines modulierten Stroms durch den Induktor, um eine umgewandelte Spannung zum Versorgen eines Verbrauchers zu erzeugen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren das Verwenden einer in dem Induktor gespeicherten Energie zum Auslösen wenigstens einer Sicherheitsmaßnahme.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren das Umwandeln einer in dem Induktor gespeicherten Energie zum Bereitstellen einer gepufferten Spannung zum Versorgen eines Verbrauchers.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das das Verwenden einer in einer Spule eines Relais gespeicherten Energie umfasst, um eine an einen Verbraucher gelieferte Spannung zu verstärken oder zu Puffern.

Claims

Vorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Spannung umwandelt oder puffert, mit: einem Induktor, der so konfiguriert ist, dass er wenigstens eine primäre Funktion durchführt und wiederverwendet wird, um zum Umwandeln oder Puffern der Spannung als sekundäre Funktion beizutragen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die so konfiguriert ist, dass sie einen modulierten Strom durch den Induktor treibt, um eine umgewandelte Spannung zum Versorgen eines Verbrauchers zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die so konfiguriert ist, dass sie eine in dem Induktor gespeicherte Energie umwandelt, um eine gepufferte Spannung zum Versorgen eines Verbrauchers bereitzustellen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Induktor eine Spule eines Relais ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die so konfiguriert ist, dass sie eine in der Spule des Relais gespeicherte Energie verwendet, um zu veranlassen, dass ein elektronischer Schalter arbeitet.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, die so konfiguriert ist, dass sie einen eines modulierten Relais-Ruhestroms, eines modulierten Relais-Betriebsstroms oder eines modulierten Relais-Haltestroms durch die Spule des Relais treibt, um eine umgewandelte Spannung zu erzeugen, um einen Verbraucher unabhängig von dem Schaltzustand des Relais zu versorgen.
Relais-Treiber, der die Vorrichtung nach Anspruch 4 aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Induktor so konfiguriert ist, dass er wenigstens indirekt mit einem Versorgungsanschluss und wenigstens einem elektronischen Schalter gekoppelt ist, um den wenigstens einen elektronischen Schalter mit einer Spannung zu versorgen, die sich von der Spannung an dem Versorgungsanschluss unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der wenigstens eine elektronische Schalter wenigstens einen High-Side-Schalter aufweist, wobei der Versorgungsanschluss ein positiver Versorgungsanschluss ist, und wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie an einen Inverter eines Elektromotors gekoppelt wird, um den wenigstens einen High-Side-Schalter als Teil des Inverters mit einer Spannung zu versorgen, die höher ist, als die Spannung an dem positiven Versorgungsanschluss, um jeden vorgegebenen Arbeitszyklus zwischen 0 und 100% für den wenigstens einen High-Side-Schalter des Inverters zu erreichen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die des Weiteren aufweist: einen Low-Side-Schalter; einen positiven Versorgungsanschluss; einen Schaltanschluss; einen negativen Versorgungsanschluss, wobei der Induktor zwischen den positiven Versorgungsanschluss und den Schaltanschluss geschaltet ist, und wobei der Low-Side-Schalter zwischen den Schaltanschluss und den negativen Versorgungsanschluss geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die des Weiteren aufweist: einen High-Side-Schalter; einen positiven Versorgungsanschluss; einen Schaltanschluss; einen negativen Versorgungsanschluss, wobei der Induktor zwischen den negativen Versorgungsanschluss und den Schaltanschluss geschaltet ist, und wobei der High-Side-Schalter zwischen den positiven Versorgungsanschluss und den Schaltanschluss geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, die des Weiteren aufweist: eine erste Diode; und einen Verstärkungskondensator, wobei die erste Diode mit ihrer Anode an den Schaltanschluss und mit ihrer Kathode an einen ersten Anschluss des Verstärkungskondensators gekoppelt ist, und wobei ein zweiter Anschluss des Verstärkungskondensators an den positiven Versorgungsanschluss gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, die des Weiteren aufweist: eine erste Diode; und einen Verstärkungskondensator, wobei die erste Diode mit ihrer Kathode an den Schaltanschluss und mit ihrer Anode an einen ersten Anschluss des Verstärkungskondensators gekoppelt ist, und wobei ein zweiter Anschluss des Verstärkungskondensators an den negativen Versorgungsanschluss gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, die des Weiteren aufweist: eine erste Diode; eine zweite Diode; und einen Verstärkungskondensator, wobei die erste Diode mit ihrer Anode an den Schaltanschluss und mit ihrer Kathode an einen ersten Anschluss des Verstärkungskondensators gekoppelt ist, wobei die zweite Diode mit ihrer Anode an den positiven Versorgungsanschluss und mit ihrer Kathode an den ersten Anschluss des Verstärkungskondensators gekoppelt ist, und wobei ein zweiter Anschluss des Verstärkungskondensators an den negativen Versorgungsanschluss gekoppelt ist.
Abwärtswandler, der aufweist: einen Schaltregler, der die Vorrichtung nach Anspruch 1 aufweist, um eine Zwischenspannung an einem Zwischenanschluss bereitzustellen.
Abwärtswandler nach Anspruch 15, der des Weiteren aufweist: einen ersten Schalter, um den Induktor der Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem negativen Versorgungsanschluss zu verbinden; und einen zweiten Schalter, um den Induktor der Vorrichtung nach Anspruch 1 mit dem Zwischenanschluss zu verbinden.
Mehrstufen-Spannungswandler, der aufweist: einen ersten Spannungswandler, der einen Schaltregler mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 aufweist, um eine Zwischenspannung bereitzustellen; und einen zweiten Spannungswandler mit einem ersten linearen Regler mit der Zwischenspannung als Eingangsspannung, um eine Lastspannung bereitzustellen.
Mehrstufen-Spannungswandler nach Anspruch 17, wobei der erste Spannungswandler den Abwärtswandler nach Anspruch 16 aufweist.
Mehrstufen-Spannungswandler nach Anspruch 17 oder 18, wobei der erste Spannungswandler des Weiteren einen zweiten linearen Regler aufweist, und wobei der Mehrstufen-Spannungswandler so ausgelegt ist, dass er den ersten Spannungswandler zwischen dem Schaltregler und dem zweiten linearen Regler schaltet, um die Zwischenspannung bereitzustellen.
Einrichtung zum Umwandeln oder Puffern einer Spannung, mit: einer Induktoreinrichtung zum Durchführen wenigstens einer primären Funktion und zum Beitragen zum Umwandeln oder Puffern der Spannung als sekundäre Funktion.
Einrichtung nach Anspruch 20, die so konfiguriert ist, dass sie eine in der Induktoreinrichtung gespeicherte Energie zum Puffern der Spannung bereitstellt, um einen sicherheitsrelevanten Verbraucher im Falle eines Versorgungsspannungs-Zusammenbruchs zu versorgen.
Verfahren, das umfasst: Wiederverwenden eines Induktors mit wenigstens einer primären Funktion zum Umwandeln oder Puffern einer Spannung.
Verfahren nach Anspruch 22, das des Weiteren umfasst: Treiben eines modulierten Stroms durch den Induktor, um eine umgewandelte Spannung zum Versorgen eines Verbrauchers zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, das des Weiteren umfasst: Verwenden einer in dem Induktor gespeicherten Energie, um wenigstens eine Sicherheitsmaßnahme auszulösen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, das des Weiteren umfasst: Umwandeln einer in dem Induktor gespeicherten Energie, um eine gepufferte Spannung zum Versorgen eines Verbrauchers bereitzustellen.
Verfahren, das umfasst: Verwenden einer in einer Spule eines Relais gespeicherten Energie, um eine an einen Verbraucher gelieferte Spannung zu verstärken oder zu Puffern.