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Dokumentenidentifikation DE19545531C2 27.11.1997
Titel Schaltungsanordnung zur Abgabe einer geregelten Spannung oder eines geregelten Stroms
Anmelder Motorola, Inc., Schaumburg, Ill., US
Erfinder Baranowski, Robert, Crystal Lake, Ill., US;
Alberth jun., William P., Crystal Lake, Ill., US;
Millar, Donald J., Libertyville, Ill., US
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, Anwaltssozietät, 80538 München
DE-Anmeldedatum 06.12.1995
DE-Aktenzeichen 19545531
Offenlegungstag 27.06.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.11.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.11.1997
IPC-Hauptklasse G05F 1/56

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einer solchen, z. B. aus der DE 23 50 423 A1 bekannten Schaltungsanordnung wird der Verbraucher mit konstantem Strom oder konstanter Spannung gespeist. Als Speisequelle dient ein üblicher Gleichspannungswandler, dessen beide Ausgänge über je einen Regeltransistor mit den jeweiligen Anschlüssen des Verbrauchers verbunden sind, der hier vorzugsweise eine Meßbrücke ist. Die am Verbraucher auftretende Spannung wird über Meßverstärker an je einen Eingang von zwei Differenzverstärkern gegeben, deren Ausgänge mit den Basen der Regeltransistoren verbunden sind. Die jeweils anderen Eingänge der Differenzverstärker erhalten eine Bezugsspannung, von denen mindestens eine von Hand einstellbar ist. In einer der mit dem Verbraucher verbundenen Ausgangsleitungen der Regeltransistoren ist ein Strommeßwiderstand vorgesehen, um eine dem jeweils an den Verbraucher abgegebenen Strom entsprechende Spannung an einen weiteren Differenzverstärker zu geben, der an seinem anderen Eingang eine ebenfalls von Hand einstellbare Bezugsspannung erhält. Der Ausgang dieses Differenzverstärkers ist mit der Basis eines der Regeltransistoren verbunden, wobei die Ausgänge der mit diesem Regeltransistor verbundenen beiden Differenzverstärker jeweils über Dioden mit der Basis des Regeltransistors verbunden sind, wobei je nach Ausgangssignal der beiden Differenzverstärker nur jeweils eine der Dioden leitend ist, also jeweils nur einer der Differenzverstärker die Basis des einen Regeltransistors ansteuert. Der mit dem Strommeßwiderstand verbundene Differenzverstärker führt mit Hilfe des Regeltransistors dabei eine Regelung mit konstantem Strom aus, während der andere und die am Verbraucher liegende Ausgangsspannung erhaltende Differenzverstärker zusammen mit dem Regeltransistor eine konstante Spannung regelt.

Aus der DE 32 10 269 A1 ist ein regelbarer Gleichspannungswandler bekannt, der wahlweise zum Aufladen einer Batterie oder zum Speisen eines Gleichspannungsverbrauchers benutzt werden kann und eine aus einem Kondensator und einer Drossel bestehende Energiespeicherschaltung aufweist, die über einen ersten elektronischen Schalter vom Gleichspannungswandler aufladbar und über einen zweiten elektronischen Schalter, an den Gleichspannungsverbraucher oder die aufladbare Batterie entladbar ist. Dieser Gleichspannungswandler wird insbesondere in einem aufladbaren Elektrorasierer benutzt.

Spannungs- und Stromregler sind also bekannt. Stromregler erzeugen ein geregeltes Ausgangssignal, das einen vorbestimmten Strompegel aufweist, obschon der Spannungspegel des Ausgangssignals während der Erzeugung des geregelten Strompegels sich beträchtlich ändern kann. Spannungsregler erzeugen ein Ausgangssignal, das einen vorbestimmten Spannungspegel aufweist, wohingegen der Strompegel des Ausgangssignals sich ändern darf.

Eine Vielzahl von elektronischen Vorrichtungen verwendet sowohl Spannungs- als auch Stromregler. Beispielsweise enthalten Funktelefone einen Spannungsregler, um die den elektrischen Komponenten, wie beispielsweise Leistungsverstärkern, zugeführte Spannung zu regeln. Bei Leistungsverstärkern ist die Stabilität der Spannungsversorgung wichtig, da Variationen im Versorgungspegel den übertragenen Signalpegel ändern und somit ein Rauschen verursachen. Es ist daher wünschenswert, den Leistungsverstärker mit einem stabilen Spannungspegel zu versorgen. Funktelefone können auch einen Stromregler enthalten zur Regelung des Ladestroms, der einer wiederaufladbaren Batterie von einer externen Speisequelle aus zugeführt wird. Die Leistung des Batterieladegeräts hängt vom Ladestrom ab, so daß der Ladestrom während des Ladens sorgfältig geregelt wird.

Elektronische Einrichtungen, die sowohl Strom- als auch Spannungsregler verwenden, benutzen getrennte Regler für den Stromregler und den Spannungsregler. Obwohl diese getrennten Regler wirksam sind, um ihre jeweiligen Ausgangssignale zu regeln, so daß sie einen im wesentlichen konstanten Ausgangssignalpegel aufweisen, so ist jeder Regler relativ teuer und verwendet ein beträchtliches Oberflächengebiet einer gedruckten Leiterplatte (PCB), auf die er montiert ist. Bei kleinen Einrichtungen kann die relativ große Leiterplattenoberfläche, die durch die Regler benötigt wird, ein wesentliches Hindernis für Designer darstellen, die versuchen die Größe weiter zu verkleinern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit Spannungs- und Stromregler zu schaffen, die unter Beibehaltung ihrer Leistungsfähigkeit kleiner und billiger sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines konventionellen Funktelefons;

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Teils des Senders des Funktelefons von Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines in der Schaltung der Fig. 2 zu verwendenden Reglers;

Fig. 4 ist ein Schaltungsschema, teilweise als Blockschaltbild des Reglers der Fig. 3;

Fig. 5 ist eine Schaltung eines Schalters für den Regler nach Fig. 4, und

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm eines Regelprogramms für den Regler der Fig. 4.

Die Schaltungsanordnung wird vorteilhafterweise in einem Funktelefon 103 verwendet, das in einem in Fig. 1 gezeigten Funktelefonsystem 100 verwendet wird. Im Funktelefonsystem 100 ist ein ortsfester Sendeempfänger 101 vorhanden, der mit tragbaren und mobilen Funktelefonen im geographischen Abdeckgebiet kommuniziert. Obwohl die Schaltungsanordnung anhand eines tragbaren Funktelefons dargestellt ist, kann sie auch in anderen Einrichtungen, wie beispielsweise Mobiltelefonen, persönlichen digitalen Kommunikatoren, Zweiwegeradios, Computern und dergleichen verwendet werden.

Das Funktelefon 103 umfaßt einen Sender 107, der mit einer Antenne 105 verbunden ist. Die Antenne 105 wird benutzt, um Radiofrequenzsignale bei der Kommunikation mit dem ortsfesten Sendeempfänger 101 zu senden und zu empfangen. Beim Empfang von Signalen wandelt die Antenne 105 die Signalenergie in elektrische Signale um, die an den Empfänger 109 weitergeleitet werden. Der Empfänger 109 demoduliert die elektrischen Signale und wandelt sie in Datensignale um, die vom Rest der Schaltung im Funktelefon 103, der hier durch den digitalen Signalprozessor (DSP) 111 dargestellt wird, verwendet werden können.

Um Radiofrequenzsignale zu senden, liefert der DSP 111 Information über die bidirektionale Signalleitung 113 an den Sender 107. Diese Information umfaßt die Information, die gesendet werden soll, und Steuereinformation für den Sender 107. Der Sender 107 wandelt die Daten in elektrische Signale um und verstärkt diese Signale auf einen passenden Leistungspegel, indem er einen Leistungsverstärker 210 verwendet (Fig. 2). Die Antenne 105 erhält die elektrische Energie des Leistungsverstärkers, um Radiofrequenzsignale auszusenden, damit sie vom ortsfesten Sendeempfänger 101 der Basisstation empfangen werden können.

Der Leistungsverstärker 210 (Fig. 2) und seine zugehörigen Regler sind im Sender 107 angeordnet. Die Funktion des Leistungsverstärkers 210 besteht darin, eingangs RF-Signale, die Sprache oder Daten enthalten, auf einen Leistungspegel zu verstärken, der die Übertragung zum ortsfesten Sendeempfänger 101 erleichtert. Der Leistungsverstärker kann ein kommerziell erhältlicher Leistungsverstärker sein. Eine Speisespannung für den Leistungsverstärker wird durch die positive Speiseschiene 216 und die Erdschiene 218 zugeführt. Die Erdschiene 218 ist mit Erde verbunden. Die positive Speiseschiene 216 ist mit einem spannungsgeregelten Ausgang 219 eines Reglers 220 verbunden.

Der Regler 220 hat einen internen Speisequelleneingang 221, der mit einem Anschluß 217 verbunden ist, der den positiven Anschluß der internen Speisequelle 222 darstellt. Die interne Speisequelle 222 ist in der dargestellten Ausführungsform eine Batterie, und kann als konventionelle elektrochemische Zelle ausgebildet sein. Die interne Speisequelle 222 ist entweder innerhalb eines (nicht gezeigten) Gehäuses, das sie mit dem Sender 107 und dem Empfänger 109 teilt, oder in einem (nicht gezeigten) separaten Gehäuse, das am (nicht gezeigten) Gehäuse des Senders 107 und des Empfängers 109 befestigt ist, untergebracht, wie das bei tragbaren Funktelefonen üblich ist. Die interne Speisequelle 222 speist den Regler 220, wenn das Funktelefon batteriebetrieben ist.

Der Regler 220 umfaßt einen spannungsgeregelten Ausgang 219. Der Regler gibt einen im wesentlichen konstanten geregelten Spannungspegel im Spannungsregelbetrieb am spannungsgeregelten Ausgang 219 ab.

Der Regler 220 umfaßt einen externen Speisequelleneingang 225, der mit einem Verbinder 24 verbunden ist. Der Verbinder 224 dient zur Verbindung mit einer externen Speisequelle 226. Die externe Speisequelle ist eine Fahrzeugbatterie oder eine andere Batterie, ein AC/DC-Wandler, der mit einer konventionellen Wechselspannungsquelle, wie beispielsweise einer Steckdose oder dergleichen, verbunden ist.

Der Regler 220 (Fig. 2) umfaßt auch einen stromgeregelten Ausgang 223, der mit der internen Speisequelle 222 verbunden ist. Während des geregelten Strombetriebs liefert der Regler 220 einen geregelten Strom am geregelten Stromausgang 223.

Der Regler 220 wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 beschrieben. Der Regler umfaßt im allgemeinen: eine Reglersteuerung 330 (Fig. 3); eine Schalterschaltung 345; eine Energiespeicherschaltung 334; eine Betriebs-Auswahlschaltung 336; und eine Speisequellen-Auswahlschaltung 338. Die Speisequellen-Auswahlschaltung 338 wählt als Speisequelle den internen Speisequelleneingang 221 oder den externen Speisequelleneingang 225, um Energie an die Schalterschaltung 345 zu liefern. Die Schalterschaltung liefert ausgewählt Energie an die Energiespeicherschaltung 334. Die Energiespeicherschaltung 334 glättet das an sie angelegte Signal, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Die Betriebs-Auswahlschaltung 336 schaltet den Regler 220 zwischen einem Spannungsregelmodus und einem Stromregelmodus hin und her, und wählt den stromgeregelten Ausgang 223 oder den spannungsregelten Ausgang 219 als aktiven Ausgang. Die Reglersteuerung 330 regelt die Funktion der Schalterschaltung 345 und der Betriebs-Auswahlschaltung 336.

Die Schalterschaltung 345 umfaßt eine Regelschaltung 332 (Fig. 4) und einen Speiseschalter 348. Die gezeigte Regelschaltung 332 ist eine Ausgangsspannungsregelschaltung. In der Praxis wird die Regelschaltung 332 unter Verwendung eines integrierten Schaltkreises mit der Nummer MAX 747 realisiert, der einen Pulsbreitenmodulator (PWM) darstellt, der von MAXIM erhältlich ist. Es können jedoch andere integrierte Schaltungen verwendet werden, um die Regelschaltung zu realisieren, oder es können auch diskrete Bauteile verwendet werden, um die Regelschaltung aufzubauen.

Der MAX 747 hat ein Ausgangssignal mit fester Frequenz und variabler Pulsbreite. Die feste Frequenz ist wünschenswert, da die Schaltfrequenz leicht aus dem Ausgangssignal abgeleitet werden kann, um eine stabile Ausgangsspannung zu liefern. Es ist insbesondere wichtig, eine im wesentlichen schwankungsfreie Spannung für den Leistungsverstärker 210 zu erzeugen, da dieser Verstärker empfindlich auf Spannungsänderungen reagiert und eine konstante Spannung für ein sicheres Funktionieren im Funktelefon benötigt. Es kann leicht eine feste Schaltfrequenz abgeleitet werden, wenn man ein Filter verwendet, das Signale des Schalterschaltungsausgangs verstärkt, die die gleiche Frequenz haben, wie die Frequenz der Regelschaltung. Wenn eine Schalterschaltung mit variabler Frequenz verwendet wird, so wird der Strombetrieb verbessert. Die Welligkeit der Schaltfrequenz ist jedoch wesentlich schwieriger zu entfernen, da sich die Frequenz ändert. Durch Verwendung einer Schalterschaltung mit konstanter Frequenz wird das größere Schaltfrequenzspektrum der Regelschaltung mit variabler Frequenz vermieden.

Die Regelschaltung 332 hat einen FREIGABE-Eingang, der mit einem AN/AUS-Ausgang 373 der Reglersteuerung 330 verbunden ist. Die Regelschaltung 332 wird an- und ausgeschaltet durch einen Wechsel des Pegels des Signals an dem AN/AUS-Ausgang 373. Die Regelschaltung umfaßt auch einen SANFTSTART-Eingang 377, der mit einem Sanftstartschalter 355 und einem Sanftstartkondensator 376 verbunden ist. Der Sanftstartschalter 355 verbindet in ausgewählter Weise den SPANNUNGSREGEL-Ausgang 374 der Reglersteuerung 330 mit dem SANFTSTART-Eingang 377 und dem Sanftstartkondensator 376. Der Sanftstartschalter 355 wird unter Verwendung irgendeines passenden Schalters, wie beispielsweise eines analogen sanftstartenden MOSFET-Elements 501 und eines in Fig. 5 gezeigten Sanftstartschaltwiderstandes realisiert.

Die Regelschaltung 332 (Fig. 4) umfaßt einen Versorgungsspannungseingang 340, der mit einem Speisequellenausgang 303 verbunden ist. Der Speisequellenausgang 303 ist mit der Speisequellen-Auswahlschaltung 338 verbunden, um Leistung für die Regelschaltung von der internen Speisequelle 222 oder der externen Speisequelle 226 zu erhalten. Ein erster Widerstand 342 ist zwischen dem Speisespannungseingang 340 und dem Strommeßeingang 344 der Regelschaltung 332 angeordnet. Der Strommeßeingang ist mit der Source 346 des Speiseschalters 348 verbunden. Das Gate des Speiseschalters 348 ist der Schalterregeleingang, und er ist mit dem Gatetreiberausgang oder einem Regelausgang 350 der Regelschaltung 332 verbunden. Der gezeigte Speiseschalter 348 ist unter Verwendung eines P-Kanal MOSFET-Elements realisiert. Der Schalter kann jedoch unter Verwendung von bipolaren Transistoren oder anderen konventionellen Schaltkomponenten realisiert werden. Die Drain des Speiseschalters 348 ist mit der Kathode einer Schottkydiode 356 verbunden. Die Anode der Schottkydiode 356 ist geerdet. Die Drain des Speiseschalters 348 ist auch mit einem Energiespeicherschaltungseingang 351 verbunden. Der Speiseschalter 348 liefert unter der Regelung des Regelausgangs 350 der Regelschaltung 332 Energie an den Energiespeicherschaltungseingang 351.

Der Energiespeicherschaltungseingang 351 ist mit einem Anschluß einer Induktivität 360 in der Energiespeicherschaltung 334 verbunden. Der andere Anschluß der Induktivität 360 ist mit der Anode eines Energiespeicherkondensators 364 verbunden. Die Kathode des Energiespeicherkondensators 364 ist mit Erde verbunden. Der Regelausgang 350, auch mit EXT bezeichnet, der Regelschaltung 332 regelt den AN/AUS-Zustand des Speiseschalters 348, um die Energiemenge zu regeln, die an die Energiespeicherschaltung 334, einschließlich der Induktivität 360 und des Energiespeicherkondensators 364, geliefert wird.

Der Spannungsmeßeingang VOUT oder 352 der Regelschaltung 332 ist mit einer Spannungsteilerverbindung 375 eines Spannungsteilers verbunden, der einen ersten Spannungsteilerwiderstand 370 und einen zweiten Spannungsteilerwiderstand 372 umfaßt. Dieser Spannungsteiler ist in Serie mit dem Energiespeicherkondensator 364verbunden, und liefert eine Spannung proportional zur Eingangsspannung des Spannungsmeßeingangs 352 der Regelschaltung 332.

Zusätzlich zum Ausgangsspannungsmeßeingang 352 umfaßt die Regelschaltung 332 einen Strommeßeingang CS oder 344. Die Regelschaltung umfaßt einen internen Vergleicher, der das Signal auf dem Signalpegel des Strommeßeingangs 344 mit dem Signal am SANFTSTART-Eingang 377 vergleicht. Durch einen Wechsel des Pegels am SANFTSTART-Eingang wechselt die Reglersteuerung 330 den Ausgangsstrompegel in einen Stromregelbetrieb. Die Regelschaltung 332 umfaßt auch einen internen Vergleicher, der das Signal am Spannungsmeßeingang VOUT mit einem festen vorbestimmten Pegel vergleicht, um eine im wesentlichen feste Ausgangsspannung in einem geregelten Spannungsbetrieb zu erzeugen. Ein Oszillator innerhalb der Schalterschaltung erzeugt Zeitpulse mit einer festen Frequenz, so daß die Ausgangsfrequenz konstant ist.

Die integrierte Schaltung MAXIM MAX 747 hat einen (nicht gezeigten) FB-Eingang, der bei der gezeigten Ausführungsform mit Erde verbunden ist. Dies veranlaßt die integrierte Schaltung sich am Ausgangsspannungsmeßeingang 352 als Spannungsrückkoppeleingang auszurichten.

Wenn im Betrieb die Schalterschaltung 345 am Beginn jedes internen Zeitpulses freigegeben wird, wird das Signal am Regelausgang 350 der Regelschaltung 332, die mit dem Regeleingang des Speiseschalters 348 verbunden ist, niedrig, was den Speiseschalter auf AN schaltet. Der Regelausgang 350 bleibt niedrig bis der Signalpegel des Strommeßeingangs 344 den Signalpegel des SANFTSTART-Eingangs 377 überschreitet, oder der Spannungspegel am Ausgangsspannungsmeßeingang 352 über den festen, vorbestimmten Pegel steigt.

Der Strommeßeingang 344, der Sanftstartkondensator 376 und der SANFTSTART-Eingang 377 liefern eine Sanftstartregelung für die Schalterschaltung 345. Die Regelschaltung gibt ein Signal mit einem hohen logischen Pegel am Regelausgang 350 ab, das den Speiseschalter 348 abschaltet, wenn der CS-Eingangssignalpegel den SANFTSTART-Eingangssignalpegel übersteigt. Der Sanftstartkondensator 376lädt sich langsam durch den Strom des SANFTSTART-Eingangs 377 auf, wenn die Regelschaltung angeschaltet wird, so daß das Signal am Strommeßeingang mit einem niedrigen Pegel beginnt und allmählich ansteigt. Der Strommeßeingang 344 übersteigt folglich typischerweise den SANFTSTART-Eingang schnell, nachdem der Puls beginnt, wenn die Regelschaltung zu Anfang eingeschaltet wird. Wenn jedoch die Regelschaltung in Funktion bleibt, so wird der Speiseschalter 348 durch den über dem Sanftstartkondensator 376 ansteigenden Signalpegel länger offengehalten. Das verhindert Impulsspitzen, wenn die Regelschaltung 332 gestartet wird.

Die Betriebs-Auswahlschaltung 336 umfaßt einen Regeltransistor 380. Der gezeigte Regeltransistor ist ein bipolarer NPN-Transistor, dessen Basis mit dem Spannungs-/Strombetriebs-Regelausgang 382 der Reglersteuerung 330 über einen fünften Widerstand 384 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 380 ist mit einer Regelverbindung 386 verbunden. Der Emitter des Regeltransistors 380 ist geerdet. Die Basis eines Verbindungstransistors 388 ist mit der Regelverbindung 386 über einen vierten Widerstand 381 verbunden. Der Verbindungstransistor ist als bipolarer NPN-Transistor gezeigt. Der Kollektor-Emitter-Pfad des Verbindungstransistors 388 ist parallel dem zweiten Spannungsteilerwiderstand 372 geschaltet, um diesen Widerstand im Stromregelbetrieb kurzzuschließen.

Der Verbindungstransistor 388 ist ein Schalter, um den zweiten Spannungsteilerwiderstand kurzzuschließen, so daß der Spannungsmeßeingang 352 wahlweise geerdet werden kann. Wenn der Ausgangsspannungsmeßeingang 352 geerdet ist, so regelt der Signalpegel an dem Strommeßeingang 344 die Pulsweite des Signals an dem Regelausgang 350 der Regelschaltung 332. Im Spannungsregelbetrieb wird der zweite Spannungsteilerwiderstand 372 nicht durch den Verbindungstransistor 388 kurzgeschlossen. Somit ist der Rückkoppelspannungspegel an der Spannungsteilerverbindung 375 proportional zum Spannungspegel am Energiespeicherschaltungsausgang 305. Diese Rückkoppelspannung am Ausgangsspannungsmeßeingang 352 regelt die Pulsbreite, es sei denn, daß der am Strommeßeingang 344 detektierte Strom stark ansteigt, wie das beim Einschalten geschehen kann.

Die Basis eines Auswahltransistors 389 ist auch über einen sechsten Widerstand 390 mit der Regelverbindung 386 verbunden. Der Auswahltransistor 389 ist als bipolarer Transistor gezeigt. Die Regelverbindung 386 ist auch mit dem Gate eines Spannungsregelbetrieb-Auswahlschalters 392 verbunden. Der dargestellte Spannungsregelbetrieb-Auswahlschalter 392 ist ein MOS-FET-Element. Dieser Schalter verbindet den Energiespeicherschaltungsausgang 305 mit dem Spannungsregelbetriebsausgang 219 im Spannungsregelbetrieb. Ein siebter Widerstand 391 ist mit dem Gate und der Source des Spannungsregelbetriebs-Auswahlschalters 392 verbunden. Der Gate-Anschluß eines Stromregelbetriebs-Auswahlschalters 394 ist mit dem Kollektor des Auswahltransistors 389 verbunden. Der Stromregelbetriebs-Auswahlschalter 394 ist als MOSFET-Element dargestellt. Der Stromregelbetriebs-Auswahlschalter 394 verbindet den Energiespeicherschaltungsausgang 305 mit dem Stromregelbetriebsausgang 223 im Stromregelbetrieb. Ein zehnter Widerstand 399 ist parallel zum Gate- und Source-Anschluß des Stromregelbetrieb-Auswahlschalters 394 geschaltet.

Beim Betrieb der Betriebs-Auswahlschaltung 336 regelt der Transistor 380 deren Zustand. Wenn der Spannungs-/Strombetriebsregelausgang 382 einen hohen Pegel aufweist, um die Spannungsregelbetriebsweise auszuwählen, so versetzt der Basisstrom zum Regeltransistor 380 diesen Transistor in einen leitenden Zustand. Der Regeltransistor 380 bringt somit die Regelverbindung 386 auf Erdpotential. Dies bringt die Basis des Verbindungstransistors 388 und des Auswahltransistors 389 auf Erdpotential. Der Auswahltransistor 389 leitet nicht, und der zehnte Widerstand 399 zieht die Basis des Stromregelbetriebs-Auswahlschalters auf den Pegel am Ausgang 305, womit der Stromregelbetriebs-Auswahlschalter 394 in einem nicht-leitenden Zustand gehalten wird. Wenn sich die Regelverbindung 386 auf Erdpotential befindet, existiert eine Spannung über dem Gate- und Source-Anschluß des Spannungsregelbetriebs-Auswahlschalters 392, die diesen in einem leitenden Zustand hält. Somit ist der Spannungsregelbetriebsausgang 219 im Spannungsregelbetrieb der aktive Ausgang.

Wenn sich der Spannungs-/Strombetriebsausgang 382 auf einem niederen Pegel im Stromregelbetrieb befindet, so ist der Regeltransistor 380 nichtleitend. Die Regelverbindung 386 wird somit durch den siebten Widerstand 391 auf den Pegel des Energiespeicherschaltungsausgangs 305 gezogen. Dies bewirkt, daß der Spannungsregelbetriebs-Auswahlschalter 392 in die Stellung gebracht wird. Die höhere Spannung an der Regelverbindung 386 verursacht einen Strom in die Basis des Auswahltransistors 389, die diese Transistoren in einen leitenden Zustand vorspannt. Der Verbindungstransistor 388 zieht somit die Spannungsteilerverbindung 375 auf Erdpotential, so daß der Strommeßeingang 344 die Pulsweite des Regelsignalausgangs zum Speiseschalter 348 regelt. Wenn er in einen leitenden Zustand vorgespannt wurde, zieht der Auswahltransistor 389 das Gate des Spannungsregelbetrieb -Auswahlschalters 392 auf Erdpotential, was eine Spannung über dem zehnten Widerstand 399 erzeugt, die genügend groß ist, um den Stromregelbetriebs-Auswahlschalter 394 in einem leitenden Zustand zu halten. Dies macht den Spannungsregelbetriebsausgang 219 zum aktiven Ausgang.

Die Betriebs-Auswahlschaltung 336 ergibt somit eine einfache Schaltung zur Ansteuerung des Spannungsreglers und des Stromreglers, um somit eine der bisher verwendeten Schaltungen zu eliminieren und somit die Größe und die Kosten für das Bereitstellen eines Stromreglers und eines Spannungsreglers in einer Einrichtung zu verringern. Zusätzlich isolieren der Spannungsregelbetrieb-Auswahlschalter 392 und der Stromregelbetrieb-Auswahlschalter 394 der Betriebs-Auswahlschaltung 336 den Spannungsregelbetriebsausgang 219 und den Stromregelbetriebsausgang 223, so daß verschiedene Impedanzlasten an diese Ausgänge angeschlossen werden können, ohne die Schaltungsleistung zu beeinflussen.

Die Speisequellen-Auswahlschaltung 338 umfaßt eine Schutzdiode 393, die zwischen dem Stromregelbetriebs-Auswahlschalter 394 und dem Stromregelbetriebsausgang 223 geschaltet ist. Der Stromregelbetriebsausgang 223 ist mit dem Anschluß 217 der internen Speisequelle 222, die in Fig. 4 als Batterie BINT dargestellt ist, verbunden. Der Anschluß 217 ist auch durch den Speisequellen-Auswahlschalter 395 mit dem Speisequellenausgang 303 verbunden. Der Speisequellen-Auswahlschalter ist durch zwei MOSFET-Elemente dargestellt. Der Schalter kann jedoch unter Verwendung anderer passender Komponenten realisiert werden, die in ausgewählter Weise die internen und externen Speisequellen isolieren. Eine Isolationsdiode 396 ist zwischen dem Speisequellenausgang 303 und dem Verbinder 224 angeordnet. Ein neunter Widerstand 398 ist mit den Gates des Speisequellen-Auswahlschalters 395 verbunden, um die darin befindlichen MOSFET-Elemente auf Erdpotential zu halten, es sei denn, daß die Spannung am Gate nach oben gezogen wird, durch eine Verbindung des Verbinders 224 mit einer externen Speisequelle 226, die in Fig. 4 als Batterie BEXT dargestellt ist. Der mit Erde verbundene neunte Widerstand 398 hält den Speisequellen-Auswahlschalter 395 im leitenden Zustand, wenn keine externe Speisequelle mit dem Verbinder 224 verbunden ist, so daß dann die interne Speisequelle 222 die Speisung vornimmt, die mit dem Speisequellenausgang 303 verbunden ist.

Die Reglersteuerung 330 ist unter Verwendung irgendeines geeigneten kommerziell erhältlichen Mikroprozessors realisiert, oder sie wird durch die in Fig. 1 dargestellte DSP bereitgestellt. Es kann beispielsweise eine integrierte Schaltung HC11 von Motorola Inc. für die Realisierung des DSP der Fig. 1 und der Reglersteuerung 330 verwendet werden.

Ein Leiter 401 (Fig. 4) ist zwischen dem internen Speisequelleneingang 221 und einem Eingang der Reglersteuerung 330 angeordnet und ein Leiter 402 ist zwischen dem Verbinder 224 und einem anderen Eingang der Reglersteuerung 330 angeordnet. Die Reglersteuerung 330 mißt den Spannungspegel an diesen Anschlüssen, und ebenso eine Umgebungstemperatur und überwacht den Kommunikationsbetrieb der Einrichtung. Wenn sich die Einrichtung im Kommunikationsbetrieb (das heißt, ein Rufprozessor erzeugt ein Steuersignal, wenn er im aktiven Rufbetrieb ist) befindet, arbeitet die Schaltung im Spannungsregelbetrieb, um die Spannungsversorgung zum Leistungsverstärker 210 zu regeln. Wenn eine externe Batterie an den Verbinder 224 angeschlossen ist, so detektiert der Prozessor das Vorhandensein einer externen Spannung aus dem Spannungspegel an diesem Anschluß und stellt das Vorhandensein einer Speisespannung fest. Wenn sich die Einrichtung nicht im Kommunikationsbetrieb befindet und eine externe Batterie vorhanden ist, so wird die Batteriespeisung nachfolgend in Übereinstimmung mit irgendeinem passenden konventionellen Ladealgorithmus als eine Funktion der Temperatur, des Batteriespannungspegels und ähnlichem geregelt.

Im Betrieb wählt die Reglersteuerung 330 den Spannungsregelbetrieb oder den Stromregelbetrieb aus. Zu Beginn bestimmt die Reglersteuerung, ob der Sender 107 auf "EIN" geschaltet ist, wie das im Entscheidungsblock 600 (Fig. 6) gezeigt ist. Der Sender ist auf "EIN" geschaltet, wenn ein RF-Signal an den Eingang des Leistungsverstärkers 210 angelegt wird. Die Reglersteuerung kann sich im Sendezustand befinden, wenn die Kommunikationseinrichtung sich in einem aktiven Sendestatus befindet, was ein Anzeichen dafür ist, daß ein RF-Signal am Eingang des Leistungsverstärkers 210 vorhanden sein könnte. Im Sendezustand wird unter der Bedingung, daß die Reglersteuerung 330 (Fig. 4) die Schalterschaltung 345 in den Spannungsregelbetrieb setzt dadurch, daß der Spannungs-/Stromregelbetriebsausgang 382 auf einen hohen logischen Pegel geht, die Regelschaltung 332 über einen EIN/AUS-Ausgang 373, wie das in Block 602 (Fig. 6) und Block 604 gezeigt ist, freigegeben. In diesem Betrieb wird der Spannungsausgang auf eine vorbestimmte Charakteristik hin geregelt, die eine konstante Spannung darstellt, die an den Leistungsverstärker 210 geliefert wird, und es ändert sich der Strom, wohingegen der Spannungspegel konstant gehalten wird. Die Reglersteuerung 330 bleibt im Spannungsregelbetrieb bis das Senden beendet ist, wie das im Entscheidungsblock 606 angezeigt ist.

Nachdem der Sendestatus beendet wurde, d. h. während eines Nichtkommunikationsbetriebs, bestimmt die Reglersteuerung, ob die Batterie geladen werden muß, wie das im Entscheidungsblock 608 gezeigt ist. Wenn die Batterie geladen werden muß, so stellt die Reglersteuerung 330 einen Stromregelbetrieb her, indem er den Spannungs-/Stromregelausgang 382 auf einen niedrigen logischen Pegel setzt, wie das in Block 610 gezeigt ist. Die Regelschaltung 332 wird freigegeben, wie das in Block 612 gezeigt ist. Im Stromregelbetrieb wird der Strom auf einen Pegel in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Charakteristik geregelt, die einen Batterieladealgorithmus in der dargestellten Ausführungsform darstellt, und es wird ein Schwanken des Spannungspegels gestattet, wohingegen der Strompegel konstant gehalten wird.

Wenn der Regler im Entscheidungsblock 608 feststellt, daß die Batterie nicht geladen werden muß, so wird die Regelschaltung 332 gesperrt, wie das im Block 614 gezeigt ist und die Reglersteuerung kehrt zum Entscheidungsblock 600 zurück. Wenn entschieden wurde, daß die Batterie geladen wird, so kehrt die Reglersteuerung zum Entscheidungsblock 600 zurück. Die Reglersteuerung durchläuft die Entscheidungsblöcke 600 und 608 zyklisch, bis die Batterie geladen oder der Sender angeschaltet werden soll.

Der Regler 220 (Fig. 2) liefert entweder einen Ladestrom an die Batterie der internen Speisequelle 222, oder daß er gesperrt wird, wenn die Batterie keine Aufladung benötigt und der Leistungsverstärker 210 kein RF-Signal sendet. Die Batterie der internen Speisequelle erfordert ein Aufladen, wenn sie nicht voll aufgeladen ist, eine externe Speisequelle an den Verbinder 224 angeschlossen ist und kein RF-Signal an den Leistungsverstärker 210 geliefert wird (die Einrichtung befindet sich nicht im Kommunikationsbetrieb). Wenn die Batterie eine Aufladung benötigt wird die externe Speisequelle verbunden und die Einrichtung sendet nicht, der Ladealgorithmus liefert einen hohen Ladestrom. Wenn diese drei Bedingungen nicht erfüllt sind, so wird festgestellt, daß die interne Speisequelle keine Aufladung benötigt. Es ist zu erkennen, daß ein Ladestrom von der externen Speisequelle nur dann geliefert werden kann, wenn sie mit dem Verbinder 224 verbunden ist.

Bezieht man sich wieder auf Fig. 4, so wird im Spannungsregelbetrieb der Speiseschalter 348 geschlossen, was es dem Strom erlaubt, vom Speisequellenausgang 303 zu einer Induktivität 360 zu fließen. Der Speiseschalter 348 bleibt in einem leitenden Zustand, bis die Regelschaltung 332 detektiert, daß die Spannung an der Spannungsteilerverbindung 375 einen vorbestimmten Pegel erreicht oder daß der Strom am Strommeßeingang 344 den Grenzwert, der durch den SANFTSTART-Eingang 377 festgesetzt ist, erreicht. Nach der Initialisierung erreicht der Strommeßeingang typischerweise den Strommeßeingangspegel, bevor die Spannung am Ausgangsspannungsmeßeingang VOUT den internen Spannungsschwellenwertpegel erreicht. Nach einem anfänglichen Starten, wird jedoch der Spannungsausgangspegel, der am Eingang VOUT detektiert wird, die Pulsbreite des Signals am Regelausgang 350 regeln, und die Regelschaltung wird im Spannungsregelbetrieb den Energiespeicherschaltungsausgang 305 auf einem im wesentlichen konstanten Pegel halten.

Im Stromregelbetrieb regelt die Regelschaltung 332 den Strompegel am Energiespeicherschaltungsausgang 305, so daß dieser einen gewünschten geregelten Pegel einnimmt. Dieser Signalpegel wird durch den Signalpegel am SANFTSTART-Eingang 377 festgelegt. Im Stromregelbetrieb wird die rückgekoppelte Referenzspannung am Eingang VOUT auf einen vorbestimmten Pegel gesetzt indem man diesen Eingang unter Verwendung des Verbindungstransistors 388 auf Erdpotential herunterzieht. Das sperrt die Spannungsrückkoppelregelung, indem der Ausgangsspannungsmeßeingang 352 auf niedrigem Potential gehalten wird, so daß er einen internen, festen Schwellenwertpegel, der in der Regelschaltung 332 festgesetzt wurde, nicht überschreitet. Der Vergleich des Pegels des Strommeßeingangs mit dem Pegel des SANFTSTART-Eingangs 377 regelt somit die Pulsweite des Signals am Regelausgang 350. Somit wird der Speiseschalter 348 in einem leitenden Zustand gehalten, bis der Pegel am Strommeßeingang den am SANFTSTART-Eingang übersteigt. Der Speiseschalter 348 wird dann bis zur vorderen Kante des nächsten Pulses geschlossen. Dieser Vorgang wird für jeden Puls in der Sequenz fortgesetzt, bis der Stromregelbetrieb beendet wird.

Der SPANNUNGSPEGEL-Ausgang 374 der Reglersteuerung 330 legt den Stromschwellenwert der Schalterschaltung 345 im Stromregelbetrieb fest. Dieser Ausgang kann daher verwendet werden, um den Ausgangsstrom, der während des Ladens der Batterie BINT zugeführt wird, zu ändern. Der Strom kann gemäß einem bekannten Ladealgorithmus, der im (nicht gezeigten) Reglersteuerungsspeicher gespeichert ist, verändert werden. Um dies durchzuführen ist ein (nicht gezeigter) Digital/Analog-(D/A)-Wandler am Ausgang der Reglersteuerung 330 vorgesehen. Der D/A-Wandler kann durch einen konventionellen integrierten D/A-Wandlerschaltkreis verwirklicht werden. Alternativ dazu kann der D/A-Wandler realisiert werden, indem ein (nicht gezeigter) Kondensator mit dem Spannungs-/Stromregelbetriebsausgang 382 verbunden wird und ein variables Pulsbreitensignal am SPANNUNGSREGEL-Ausgang 374 der Reglersteuerung 330 erzeugt wird. Durch Auswahl passender Pulsbreiten filtert der (nicht gezeigte) Kondensator die ausgegebenen Pulse, um verschiedene DC-Signalpegel am SANFTSTART-Eingang 377 zu erzeugen, die die gewünschten Strompegel, die für den Batterieladealgorithmus notwendig sind, darstellen.

Der Leistungsverstärker 210 kann durch Verwendung eines Verstärkers mit LDMOS-Technologie realisiert werden. Verstärker mit LDMOS-Technologie liefern eine wesentlich höhere Impedanz an der Speiseschiene, als dies durch die Batterie BINT erfolgt. Somit wird im Stromregelbetrieb Strom zur Batterie BINT anstatt zur Verstärkerspeiseschiene fließen, sogar wenn man den Spannungsregelbetriebs-Auswahlschalter 392 fortläßt.

Der Regler 220 kann Leistung von der internen Speisequelle 222 oder der externen Speisequelle 226 erhalten, wenn er im Spannungsregelbetrieb arbeitet, um eine geregelte Spannung an den Leistungsverstärker 210 zu liefern.

Somit wurde ein Regler beschrieben, der einen Stromregelbetrieb und einen Spannungsregelbetrieb unter Verwendung einer einzigen Schaltung liefert. Durch Verwendung einer einzigen Schaltung sowohl für den Spannungsregelbetrieb als auch den Stromregelbetrieb kann die Reglersteuerung und die Regelschaltung auf einem kleineren Leiterplattenoberflächengebiet und mit niedrigeren Kosten zur Verfügung gestellt werden. Zusätzlich verwendet die Schaltung eine Energiespeicherschaltung, womit die Zahl der Induktivitäten vermindert wird, was wiederum das für die Realisierung der Strom- und Spannungsregler benötigte Oberflächengebiet vermindert.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung zur Abgabe einer geregelten, im wesentlichen konstanten Spannung oder eines geregelten Stroms an einen Verbraucher (210, 222), mit einer Speisequelle (222, 226) und einer Regelschaltung (332), die Signalpegel erhält, die der Spannung und dem Strom am Verbraucher (210, 222) entsprechen; dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (332) innerhalb einer Schalterschaltung (345) vorgesehen ist und einen Schalter (348) ansteuert, über den eine Energiespeicherschaltung (334) mit der Speisequelle (222, 226) während einer geregelten Pulsbreite derart verbindbar ist, daß an ihrem Ausgang (219, 223) im Spannungsregelbetrieb eine konstante Spannung und im Stromregelbetrieb ein geregelter Strom abgebbar ist.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Speisequellen-Auswahlschaltung (338), mit der eine von mindestens zwei Speisequellen (222, 226) auswählbar ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisequellen-Auswahlschaltung (338) einen Schalter (395) zur Verbindung einer Batterie (222) als Speisequelle mit der Schalterschaltung (345) während des Spannungsregelbetriebs umfaßt.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (332) einen Strommeßeingang (344) und einen Ausgangsspannungsmeßeingang (352) aufweist, an die die Signalpegel gebbar sind, die am Strommeßeingang (344) die Pulsbreite der Regelschaltung (332) im Stromregelbetrieb und am Ausgangsspannungsmeßeingang (352) die Pulsbreite der Regelschaltung (332) im Spannungsregelbetrieb bestimmen.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Schalterschaltung (345) verbundene Betriebs-Auswahlschaltung (336) vorgesehen ist, die einen Schalter (388) umfaßt, um die Spannungsrückkopplungsregelung zu sperren, wenn der Stromregelbetrieb vorliegt.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebs-Auswahlschaltung (336) mindestens einen weiteren Schalter (392, 394) zum ausgewählten Verbinden der Energiespeicherschaltung (336) mit einem Spannungsregelbetriebsausgang (219) und einem Stromregelbetriebsausgang (223) aufweist.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine weitere Schalter (392, 394) einen Spannungsregelbetriebs-Auswahlschalter (392) und einen Stromregelbetriebs-Auswahlschalter (394) umfaßt, wobei der Spannungsregelbetriebs-Auswahlschalter die Energiespeicherschaltung (336) mit dem Spannungsregelbetriebsausgang (219) verbindet, wenn der Spannungsregelbetrieb vorliegt, und der Stromregelbetriebs-Auswahlschalter die Energiespeicherschaltung mit dem Stromregelbetriebsausgang (223) verbindet, wenn der Stromregelbetrieb vorliegt.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbraucher ein Leistungsverstärker (210) zur Verstärkung von RF-Sendesignalen mit dem Spannungsregelbetriebsausgang (219) verbunden ist.
  9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregelbetriebsausgang (223) mit der bei ihrer Aufladung als Verbraucher wirkenden Batterie (222) verbunden ist.






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