DE19603544A1

DE19603544A1 - Non-inductive DC step-down converter using capacitors for telecommunications

Info

Publication number: DE19603544A1
Application number: DE1996103544
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Neuhaus
Original assignee: Deutsche Telephonwerke und Kabelindustrie AG
Current assignee: Deutsche Telephonwerke und Kabelindustrie AG
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 1997-08-07

Abstract

The non-inductive DC current step down converter has switches (S1, S2) for charging and discharging the capacitors (C), controlling the rising and falling flanks of the pulses of a rectangular pulse generator (TG). The first switch (S1) for the charging of the capacitors is formed by a first transistor (T1) and a diode (D1) allocated to each capacitor. The second switch (S2) for the discharging of the capacitors is formed a second transistor (T2) allocated to each capacitor and a diode (D2). The first transistor (T1) has a transistorised level converter (PW) connected in front of it.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktivitätsfreien Gleichstrom- Abwärtswandler unter Verwendung von Kondensatoren, die durch Transistorsteuerungen abwechselnd geladen und entladen werden.The invention relates to an inductance-free direct current Buck converter using capacitors that pass through Transistor controls are charged and discharged alternately.

Gleichstromwandler für die Vervielfachung der angelegten Eingangsspannung sind bekannt (DE 39 31 596 A1).DC converter for multiplying the applied Input voltage are known (DE 39 31 596 A1).

In einem breiten Anwendungsgebiet, insbesondere in Telekommunikationsanlagen und Telekommunikationsendgeräten, ist es erforderlich bei Vorhandensein einer relativ hohen Betriebsspannung, z. B. 48 Volt, eine Niedervoltspannung, z. B. 5 Volt, für die Versorgung der Steuerelektronik zur Verfügung zu stellen. Dieses Problem wird im allgemeinen durch Verwendung von Längsreglerschaltungen oder bei höheren Anforderungen bezüglich der Verlustleistung mittels Gleichstrom/Gleichstrom (DC/DC) -Abwärtswandler gelöst. Die üblichen DC/DC-Abwärtswandler basieren auf einer Steuerschaltung, die die Abwärtswandlung durch Schalten einer Induktivität vornimmt. Diese Schaltungsanordnungen erfordern jedoch neben der Steuerelektronik eine Induktivität, die folgende Nachteile aufweist: Durch das Streufeld der Induktivität, insbesondere bei Stabdrosseln, wird die Taktfrequenz direkt abgestrahlt. Dieses Verhalten läßt sich durch Verwenden eines geschlossenen Kerns verbessern. Außerdem erfordern die Induktivitäten einen relativ hohen Raumbedarf. Weiterhin sind Induktivitäten ihrer Bauform wegen meist nicht mit einfachen Maschinen automatisch zu bestücken. Zudem sind Induktivitäten aufgrund ihrer aufwendigen Herstellung relativ teuere Bauelemente.In a wide range of applications, especially in Telecommunication systems and telecommunication terminals, it is necessary in the presence of a relatively high one Operating voltage, e.g. B. 48 volts, a low voltage, e.g. B. 5 volts for the supply of the control electronics To make available. This problem is generally addressed by Use of series regulator circuits or higher ones Power dissipation requirements using DC / DC step-down converter solved. The Common DC / DC buck converters are based on one Control circuit that the downconversion by switching a Inductance. These circuit arrangements require however, in addition to the control electronics, an inductor that has the following disadvantages: due to the stray field of Inductance, especially with inductors, is the Clock frequency radiated directly. This behavior can be by using a closed core. Furthermore the inductors require a relatively large amount of space. Furthermore, inductors are usually not because of their design can be automatically equipped with simple machines. Also are Inductors relatively due to their complex manufacture expensive components.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen DC/DC- Abwärtswandler ohne Induktivitäten zu schaffen. The invention was based on the object of a DC / DC Buck converter without creating inductors.

Diese Aufgabe ist durch die Erfindung gelöst, wie sie im ersten Patentanspruch dargelegt ist. Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the invention, as in first claim is set out. More beneficial Measures are the subject of the subclaims.

Anhand einer aus zwei Figuren bestehenden Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. In der Zeichnung zeigen dieUsing a drawing consisting of two figures, the Invention explained in more detail below. Show in the drawing the

Fig. 1 die prinzipielle Schaltungsanordnung der Erfindung und die Fig. 1 shows the basic circuit arrangement of the invention and the

Fig. 2 die Schaltungsanordnung eines DC/DC-Abwärtswandlers. Fig. 2 shows the circuit arrangement of a DC / DC buck converter.

Das Prinzip der DC/DC-Abwärtswandlung beruht auf der Steuerung von Schaltern S1, S2 durch einen Rechteck-Taktgenerator. Bei z. B. ansteigender Flanke eines Rechteckimpulses sind die ersten Schalter S1 geschlossen. In dieser Phase werden die in Reihe geschalteten Kondensatoren C auf die Eingangsspannung V1 geladen. Mit der fallenden Flanke des Rechteckimpulses werden dann die zweiten Schalter S2 geschlossen und die ersten Schalter S1 geöffnet. Die Kondensatoren werden somit parallel geschaltet. Am Ausgang der Schaltung steht in dieser Phase die abwärts gewandelte Spannung V2 zur Verfügung. Allgemein beträgt die abwärts geregelte Ausgangsspannung: V2 = 1/N × V1. Darin ist N die Anzahl der eingesetzten Kondensatoren C gleicher Kapazität.The principle of DC / DC down conversion is based on the control of switches S1, S2 by a rectangular clock generator. At e.g. B. rising edge of a rectangular pulse are first switch S1 closed. In this phase, the in Series switched capacitors C to the input voltage V1 loaded. With the falling edge of the rectangular pulse then the second switches S2 closed and the first Switch S1 opened. The capacitors are thus parallel switched. In this phase there is the output of the circuit down-converted voltage V2 available. General the downward regulated output voltage is: V2 = 1 / N × V1. N is the number of capacitors C used same capacity.

In der Fig. 2 ist ein Beispiel eines DC/DC-Abwärtswandlers dargestellt. Um den Bauelementeaufwand gering zu halten, sind die Schalter S1, S2 aus Dioden und Transistoren realisiert. Es entsprechen dem Schalter S1 in der Fig. 1 die Kombination aus dem Transistor T1 und der jedem Kondensator C zugeordneten Diode D1 und dem Schalter S2 die Transistoren T2 mit den Dioden D2. Dem Transistor T1 ist außerdem ein aus zwei Transistoren gebildeter Pegelwandler PW mit Strombegrenzung (bei Bedarf) als Steuerschalter vorgeschaltet. Die Ansteuerung der Schalter S2 bzw. die Transistoren T2 und die Dioden D2 wird von einem Steuertransistor ST vorgenommen.An example of a DC / DC step-down converter is shown in FIG . In order to keep the amount of components low, the switches S1, S2 are made of diodes and transistors. The switch S1 in FIG. 1 corresponds to the combination of the transistor T1 and the diode D1 associated with each capacitor C and the switch S2 the transistors T2 with the diodes D2. The transistor T1 is also preceded by a level converter PW formed from two transistors with current limitation (if required) as a control switch. The control of the switches S2 or the transistors T2 and the diodes D2 is carried out by a control transistor ST.

Ein angelegtes Potential V1 wird, wie bereits erwähnt, mit z. B. der steigenden Flanke eines Impulses des Rechteck- Taktgenerators TG über den ersten Transistor T1 an die Reihenschaltung der Kondensatoren C gelegt, die sich auf das Potential V1 aufladen. Mit der fallenden Flanke des Impulses wird der erste Transistor T1 nichtleitend gesteuert. Über den Steuertransistor ST werden die zweiten Transistoren T2 leitend gesteuert, so daß die Kondensatoren C über die Emitter- Kollektorstrecken der zweiten Transistoren T2 sowie die Dioden D2 parallel geschaltet werden. Gemäß der Anzahl der Kondensatoren C ist ein entsprechend abwärts gewandeltes Ausgangspotential V2, abzüglich der Schalterverluste, abgreifbar. Bei Bedarf kann eine Glättung der Spannung z. B. mittels eines Längsreglers erfolgen, so daß die Ausgangsspannung V3 zur Verfügung steht.An applied potential V1 is, as already mentioned, with e.g. B. the rising edge of a pulse of the rectangular Clock generator TG via the first transistor T1 to the Series connection of the capacitors C placed on the Charge potential V1. With the falling edge of the pulse the first transistor T1 is controlled in a non-conductive manner. On the Control transistor ST, the second transistors T2 are conductive controlled so that the capacitors C via the emitter Collector paths of the second transistors T2 and the diodes D2 can be connected in parallel. According to the number of Capacitors C is a downconverted one accordingly Output potential V2, minus the switch losses, tapped. If necessary, a smoothing of the voltage z. B. by means of a series regulator, so that the Output voltage V3 is available.

Als Überspannungsschutz für die Kondensatoren C sowie zur gleichmäßigen Aufteilung der Spannung V1 sind diesen gegebenenfalls Z-Dioden parallel geschaltet, wie in der Fig. 2 durch gestrichelte Darstellung angedeutet ist.Z-diodes are optionally connected in parallel as overvoltage protection for the capacitors C and for the uniform distribution of the voltage V1, as is indicated in FIG. 2 by a broken line.

Claims

1. Inductance-free DC buck converter using capacitors that are alternately charged and discharged by switch controls, characterized in that the rising and falling edges of pulses of a rectangular clock generator (TG) switches (S1, S2) for charging and discharging the Control capacitors (C) and that the first switch (S1) for charging the capacitors (C) from a first transistor (T1) and a diode associated with each capacitor (C) (D1) and the second switch (S2) for discharging the capacitors (C) are formed from a second transistor (T2) assigned to each capacitor (C) and a diode (D2).

2. Inductance-free DC buck converter after Claim 1, characterized in that the first Transistor (T1) a transistorized level converter (PW) is connected upstream.

3. Inductance-free DC buck converter after Claim 1, characterized in that the second Transistors (T2) via a control transistor (ST) to the Rectangular clock generator (TG) are connected.

4. Inductance-free DC buck converter after Claim 1, characterized in that the capacitors (C) for surge protection and uniform Distribution of the input voltage Z diodes connected in parallel are.