DD235532A1

DD235532A1 - UNIVERSALLY ADJUSTABLE SWITCHING CONTROLLER

Info

Publication number: DD235532A1
Application number: DD27412785A
Authority: DD
Inventors: Joachim Heinrich
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1985-03-13
Filing date: 1985-03-13
Publication date: 1986-05-07

Abstract

Universell einsetzbarer Schaltregler zur Versorgung von Geraeten mit stabilisierter Gleichspannung. Er besteht aus einer Zusammenschaltung von mindestens einem Schaltreglermodul mit einem Steuermodul. In Abhaengigkeit von der Groesse der Ein- und Ausgangsparameter koennen die Ein- und Ausgaenge des Schaltreglermoduls mit denen weiterer Schaltreglermodule sowohl in Reihe als auch parallel zusammengeschaltet werden. Dadurch kann der Schaltregler beliebigen Ein- und Ausgangsparametern angepasst werden, ohne dass eine Anpassschaltung erforderlich ist. Pro gewuenschter Ausgangsspannung wird nur ein Steuermodul benoetigt. Das bedeutet gegenueber bekannten Stabilisierungsschaltungen einen geringeren Fertigungsaufwand und die Moeglichkeit einer schnellen flexiblen Anpassbarkeit bei Veraenderung der Ein- oder Ausgangsparameter. Ausserdem weist der Schaltregler einen besonders hohen Wirkungsgrad auf. Er benoetigt keine Schutzbeschaltung. Fig. 1Universally applicable switching regulator for supplying devices with stabilized DC voltage. It consists of an interconnection of at least one switching regulator module with a control module. Depending on the size of the input and output parameters, the inputs and outputs of the switching regulator module can be interconnected with those of other switching regulator modules both in series and in parallel. As a result, the switching regulator can be adapted to any input and output parameters without the need for a matching circuit. Per desired output voltage only one control module is required. Compared with known stabilizing circuits, this means lower production costs and the possibility of rapid, flexible adaptability with changes in the input or output parameters. In addition, the switching regulator has a particularly high efficiency. He needs no protection circuit. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen universell einsetzbaren Schaltregler zur Versorgung von Geräten mit untersetzter oder überhöhter stabilisierter Gleichspannung. Sie ist insbesondere dort vorteilhaft einsetzbar, wo kostengünstig, bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad Stromversorgungsschaltungen benötigt werden und wo sich von Zeit zu Zeit die zur Verfügung stehenden Eingangsparameter oder die gewünschten Ausgangsparameter ändern.The invention relates to a universally applicable switching regulator for the supply of devices with reduced or excessive stabilized DC voltage. In particular, it can be used advantageously where cost-effective power supply circuits are required with simultaneously high efficiency and where the available input parameters or the desired output parameters change from time to time.

Characteristic of the known technical solutions

Schaltregler besitzen gegenüber stetig geregelten Stromversorgungsschaltungen einen wesentlich höheren Wirkungsgrad. Ihre breite Anwendung wird aber durch den höheren technischen und ökonomischen Aufwand begrenzt.Switching regulators have a much higher efficiency compared to continuously regulated power supply circuits. Their broad application is limited by the higher technical and economic effort.

Um diesen Aufwand zu senken, wurden konstruktiv abgeschlossene Typenreihen entwickelt. Dadurch wurde allerdings auch die Anzahl der möglichen Ein- und Ausgangsparameter beschränkt. Werden Ein- oder Ausgangsparameter benötigt, welche in der Typenreihe nicht berücksichtigt sind, so ist eine entsprechende Anpaßschaltung notwendig. Diese dienen meistens zur Reduzierung oder Überhöhung der gegebenen Ausgangsspannung.To reduce this effort, structurally completed type series have been developed. However, this also limited the number of possible input and output parameters. Be input or output parameters needed which are not considered in the series, a corresponding matching circuit is necessary. These are usually used to reduce or increase the given output voltage.

Zur Spannungsreduzierung werden meistens stetig geregelte Längsregler verwendet. Sie lassen sich sehr kostengünstig herstellen, besitzen aber einen relativ schlechten Wirkungsgrad, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Stromversorgungsschaltung sich wesentlich verschlechtert.For voltage reduction mostly steadily controlled series regulators are used. They can be produced very inexpensively, but have a relatively poor efficiency, whereby the overall efficiency of the power supply circuit deteriorates significantly.

Für die Spannungsüberhöhung hat sich das Greinacher und das Villartprinzip durchgesetzt. Anpassungsschaltungen nach dem Greinacher Prinzip sind auf Grund des geringen Innenwiderstandes des Schaltungsausgangs beständiger gegenüber Lastschwankungen als Schaltungen, die nach dem Villartprinzip aufgebaut wurden. Dagegen lassen sich mit dem Villartprinzip größere Ausgangsleistungen übertragen.The Greinacher and the Villart principle have prevailed for the increase in voltage. Due to the low internal resistance of the circuit output, matching circuits according to the Greinacher principle are more resistant to load fluctuations than circuits constructed according to the Villart principle. By contrast, larger output powers can be transmitted with the Villart principle.

Im Patent DD-64742 wird eine Schaltung zur Spannungsüberhöhung, basierend auf dem Villartprinzip, vorgestellt. Durch eine geeignetere Anordung und Ansteuerung der Schaltelemente gegenüber dem ursprünglichen Villartprinzip, konnte der Innenwiderstand des Schaftungsausgangs wesentlich verringert werden, so daß die Schaltungsanordnung neben einer größeren Leistungsübertragbarkeit die gleiche Beständigkeit gegenüber Lastschwankungen aufweist wie Schaltungen nach dem Greinacher Prinzip.In the patent DD-64742 a circuit for voltage overshoot, based on the Villartprinzip, presented. By a more appropriate arrangement and control of the switching elements compared to the original Villartprinzip, the internal resistance of the Schaftungsausgangs could be substantially reduced, so that the circuit arrangement in addition to a larger Leistungsübertragbarkeit the same resistance to load fluctuations as circuits according to the Greinacher principle.

Die Hauptnachteile dieser Schaltung, sowie der anderen genannten Anpaßschaltungen, sind der relativ geringe Wirkungsgrad und ihre festgelegten Vexschattungsprinzipien, wodurch eine Anpassung an beliebige Ein- und Ausgangsparameter nur bedingt möglich ist, indem für jeden konkreten Anwendungsfall, die jeweilige Anpaßschaltung neu dimensioniert und aufgebaut werdenThe main disadvantages of this circuit, as well as the other mentioned matching circuits, are the relatively low efficiency and their fixed Vexschattungsprinzipien, whereby an adaptation to any input and output parameters is only possible to a limited extent, for each specific application, the respective matching circuit dimensioned and rebuilt

Dies bedeutet einen hohen fertigungstechnischen und ökonomischen Aufwand.This means a high production engineering and economic costs.

-2- 74127 Ziel der Erfindung-2- 74127 Aim of the invention

Ziel der Erfindung ist eine mit geringem technologischen Aufwand herstellbare und universell einsetzbare Stromversorgungsschaltung mit einem hohen erzielbaren Gesamtwirkungsgrad.The aim of the invention is a producible with little technological effort and universally applicable power supply circuit with a high achievable overall efficiency.

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Stromversorgungsschaltung zu entwickeln, die beliebigen Ein- und Ausgangsgrößen angepaßt werden kann.The invention has for its object to develop a power supply circuit that can be adjusted to any input and output variables.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem universell einsetzbaren Schaltregier mit Kondensatoren und Schaltelementen dadurch gelöst, daß er in Abhängigkeit von der Größe der Ein- und Ausgangsparameter aus mindestens einem Schaltreglermodul und je nach der Anzahl der gewünschten Ausgangsparameter aus mindestens einem Steuermodul besteht, wobei ein Schaltreglermodul einen positiven und einen negativen Eingang, zwei Takteingange und einen positiven und einen negativen Ausgang, sowie der Steuermodul einen positiven und einen negativen Eingang und zwei Taktausgänge aufweist, daß die Ausgänge des Schaltreglermoduls mit den Eingängen des Steuermoduls sowie die Taktausgänge des Steuermoduls mit den Takteingängen des Schaltreglermoduls elektrische Verknüpfungen aufweisen, daß sowohl zwischen dem positiven Eingang und dem positiven Ausgang des Schaltreglermoduls jeweils zwei Schaltelemente in Reihe geschaltet vorhanden sind, wobei die eingangsseitig angeordneten Schaltelemente mit dem einen Takteingang und ihre Ausgänge untereinander über einen ersten Kondensator, und die ausgangsseitig angeordneten Schaltelemente mit dem zweiten Takteingang und ihre Ausgänge untereinander über einen zweiten Kondensator verknüpft sind, daß die beiden Eingänge des Steuermoduls über einen Meßspannungsteiler verbunden sind, dessen Abgriff an einem ersten Eingang eines Komperators anliegt und dessen zweiter Eingang mit einer Referenzspannungsquelle eine Verbindung aufweist, und daß der Ausgang des Komperators am Eingang eines Impulsbreitenmodulators anliegt, dessen Ausgang zum einen über einen ersten Takttreiber mit einem der beiden Taktausgänge und zum anderen über einen Negator und einen zweiten Takttreiber mit dem anderen Taktausgang verknüpft ist. Vorteilhafterweise ist zur Begrenzung des Spitzenlade- und -entladestromes der im Schaltreglermodul befindlichen Kondensatoren zusätzlich zwischen dem positiven Eingang des Schaltreglermoduls und mit diesem verbundenen Schaltelement eine Eingangskreisdrossel mit Entmagnetisierungswicklung vorhanden, wobei die Entmagnetisierungswicklung mit der Anode einer ersten Freilaufdiode verknüpft ist, deren Katode am negativen Eingang des Schaltreglermoduls anliegt und zusätzlich zwischen dem negativen Ausgang und mit diesem verbundenen Schaltelement eine Ausgangskreisdrossel angeordnet ist, die eingangsseitig mit der Anode einer zweiten Freilaufdiode verknüpft ist, deren Katode am negativen Ausgang des Schaltreglermoduls anliegt. Die Freilaufdioden dienen hier zur Entmagnetisierung, was eingangsseitig eine Rückführung von Energie in das Netz und ausgangsseitig ein Glätten der Ausgangsspannung bewirkt.Zu den besonderen Vorteilen der Erfindung gehören der hohe Gesamtwirkungsgrad und daß die Schaltung beliebigen Ein- und Ausgangsgrößen angepaßt werden kann, ohne daß eine zusätzliche Anpaßschaltung erforderlich ist. Es ist nur die Fertigung und Prüfung der beiden Module Schaltreglermodul und Steuermodul erforderlich, so daß der Fertigungsaufwand gegenüber anderen hergestellten Typenreihen wesentlich gesenkt werden kannAccording to the invention this object is achieved with a universally applicable Schaltregier with capacitors and switching elements characterized in that it consists of at least one control module depending on the size of the input and output parameters of at least one switching regulator module and depending on the number of desired output parameters of at least one control module, wherein a switching regulator module a positive and one negative input, two clock inputs and one positive and one negative output, and the control module has one positive and one negative input and two clock outputs, the outputs of the switching regulator module to the inputs of the control module and the clock outputs of the control module to the clock inputs of the switching regulator module have electrical connections that both switching elements are connected in series between the positive input and the positive output of the switching regulator module, wherein the input side arranged switching elements with the one clock input and their outputs with each other via a first capacitor, and the output side arranged switching elements with the second clock input and their outputs are linked to each other via a second capacitor, that the two inputs of the control module are connected via a Meßspannungssteiler whose tap on a first Input of a comparator is applied and the second input to a reference voltage source has a connection, and that the output of the comparator at the input of a pulse width modulator is applied, the output of a first clock driver with one of the two clock outputs and the other via a negator and a second clock driver is linked to the other clock output. Advantageously, to limit the peak charging and discharging current of the capacitors located in the switching regulator module in addition between the positive input of the switching regulator module and connected thereto switching element an input circuit choke with demagnetization present, the demagnetization is associated with the anode of a first freewheeling diode whose cathode at the negative input is applied to the switching regulator module and in addition an output circuit choke is arranged between the negative output and connected to this switching element, which is the input side connected to the anode of a second freewheeling diode whose cathode is applied to the negative output of the switching regulator module. The freewheeling diodes are used here for demagnetization, which on the input side, a return of energy in the network and the output side smoothing of the output voltage causes. The particular advantages of the invention include the high overall efficiency and that the circuit can be adapted to any input and output variables without a additional matching circuit is required. It is only the production and testing of the two modules switching regulator module and control module required, so that the production cost compared to other types series produced can be significantly reduced

Der Schaltregler benötigt keine zusätzliche Schutzbeschaltung. The switching regulator needs no additional protective circuit.

exemplary

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show

Fig. 1: das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltreglers mit einem Schaltreglermodul und einem Steuermodul und Rg. 2: die Zusammenschaltung mehrerer Schaltregler- und Steuermodule zur Erzeugung einer Dualspannung, größer als die Eingangsspannung.1 shows the block diagram of a switching regulator according to the invention with a switching regulator module and a control module, and FIG. 2 shows the interconnection of a plurality of switching regulator and control modules for generating a dual voltage, greater than the input voltage.

Ein erfindungsgemäßer Schaltregler mit einem Schaltreglermodul 1 und einem Steuermodul 2 ist in Figur 1 dargestellt. Das Schaltreglermodul 1 ist so aufgebaut, daß zwischen den positiven Ein- und Ausgangsklemmen die Eingangskreisdrossel 3, die Schaltelemente 4 und 7 und die Ausgangskreisdrossel 8 und zwischen den negativen Ein- und Ausgangsklemmen die Schaltelemente 6 und 10 in Reihe geschaltet angeordnet sind. Die beiden Leitungsstränge sind hinter den Schaltelementen 4 und 6 über den Kondensator 5, am Ausgang über den Kondensator 9 und hinter den Schaltelementen 7 und 10 über die zweite Freilaufdiode 12 miteinander verknüpft, wobei die Anode mit dem positiven Leitungsstrang verbunden ist. Eine erste Freilaufdiode 11 weist anodenseitig mit der Entmagnetisierungswicklung der Eingangskreisdrossel 3 und katodenseitig mit dem negativen Leitungsstrang eine Verbindung auf.An inventive switching regulator with a switching regulator module 1 and a control module 2 is shown in FIG. The switching regulator module 1 is constructed so that between the positive input and output terminals, the input circuit reactor 3, the switching elements 4 and 7 and the output circuit 8 and between the negative input and output terminals, the switching elements 6 and 10 are arranged in series. The two line strands are connected behind the switching elements 4 and 6 via the capacitor 5, at the output via the capacitor 9 and behind the switching elements 7 and 10 via the second freewheeling diode 12, wherein the anode is connected to the positive wiring harness. A first freewheeling diode 11 has on the anode side with the demagnetization of the input circuit inductor 3 and the cathode side with the negative wiring harness on a compound.

Zwischen den beiden Eingangsklemmen des Steuermoduls 2, welche mit den Ausgangsklemmen des Schaltreglermoduls 1 verbunden sind, ist der Meßspannungsteiler 13 angeordnet. Der Abgriff des Meßspannungsteilers 13 ist ebenso wie der Ausgang der Referenzspannungsqueile 14 mit den Eingängen des Komperators 15 verknüpft, dessen Ausgang mit dem Eingang des Impulsbreitenmodulators 16 in Verbindung steht. Der Ausgang des Impulsbreitenmodulators 16 ist zum einen direkt mit dem Takttreiber 17 und über einen Negator mit dem Takttreiber 18 verbunden. Ausgangsseitig weist der Takttreiber 17 mit den Takteingängen der Schaltelemente 4 und 6 und der Takttreiber 18 mit den Schaltelementen 7 und 10 eine Verbindung auf. Je nach den gegebenen Eingangsparametern und den gewünschten Ausgangsparametern werden, wobei pro gewünschte Ausgangsspannung nur ein Steuermodul 2 erforderlich ist.Between the two input terminals of the control module 2, which are connected to the output terminals of the switching regulator module 1, the Meßspannungssteiler 13 is arranged. The tap of the measuring voltage divider 13, like the output of the reference voltage sources 14, is connected to the inputs of the comparator 15 whose output is connected to the input of the pulse width modulator 16. The output of the pulse width modulator 16 is connected directly to the clock driver 17 and via an inverter to the clock driver 18. On the output side, the clock driver 17 with the clock inputs of the switching elements 4 and 6 and the clock driver 18 with the switching elements 7 and 10 on a compound. Depending on the given input parameters and the desired output parameters, only one control module 2 is required per desired output voltage.

Nachfolgend soll das dynamische Verhalten eines erfindungsgemäßen Schaltreglers erläutert werden. Die an den Eingangsklemmen des Schaltreglermoduls 1 anliegende Spannung U„ lädt bei geschlossenen Schaltelementen 4 und 6 über die Eingangskreisdrossel 3 je nach Schiießdauer den Kondensator 5 atä Mit dem Öffnen der Schaltelemente 4 und 6 werden die Schaltelemente 7 und 10 geschlossen. Durch diesen Vorgana wird снетшег dem Kondensator 5 anliegende Spannung zum Aufladen des Kondensators 9 über die Ausgangskreisdrossel 8 genutzt.The dynamic behavior of a switching regulator according to the invention will be explained below. The voltage U "applied to the input terminals of the switching regulator module 1 charges the capacitor 5 at closed switching elements 4 and 6 via the input circuit choke 3 depending on the duration of the firing. With the opening of the switching elements 4 and 6, the switching elements 7 and 10 are closed. By this Vorgana снетшег the capacitor 5 voltage applied to charge the capacitor 9 via the output circuit 8 is used.

-3- 74127-3- 74127

By varying the opening and closing times, which are adjusted in the control module 2, the above the capacitor

9 anliegende Ausgangsspannung U₁ stabilisiert werden. Die Eingangskreisdrossel 3 und die Ausgangskreisdrossel 8 dienen zur9 adjacent output voltage U _{1 are} stabilized. The input circuit throttle 3 and the output circuit 8 are used for

Limiting the peak charging and Ententadestromes of the capacitors 5 and 9, whereby a substantial improvement of the Efficiency of the overall circuit is achieved. The first and second free-wheeling diodes 11 and 12 are used for demagnetization

der Eingangskreisdrossel 3 und der Ausgangskreisdrossel 8, wobei die Eingangskreisdrossel 3 zur Entmagnetisierung einezusätzliche Entmagnetisierungswicklung besitzt. Ausgangsseitig wird dadurch neben der Entmagnetisierung einethe input circuit reactor 3 and the output circuit reactor 8, the input circuit reactor 3 having an additional demagnetization winding for demagnetization. On the output side, this will cause a demagnetization

Harmonics smoothing over the capacitor 9 applied output voltage U reached. According to the voltage applied to the capacitor 9 output voltage U, is applied to the Meßspannungssteiler 13. in the Comparator 15 is a part of the output voltage U ₈ with the coming of the reference voltage source 14 voltage Uref

verglichen und als Gleichspannungspegel dem Impulsbreitenmodulator" 16 zugeführt, der daraus ein definiertes Tastverhältnisableitet. Dieses Tastverhältnis wird sowohl dem Takttreiber 17 als auch in negierter Form dem Takttreiber 18 zugeführt, undgelangt an die Schaltelemente 4,6,7 und 10.This duty cycle is supplied both to the clock driver 17 and in a negated form to the clock driver 18, and to the switching elements 4, 6, 7 and 10.

The Meßspannungsteiler T3 must be dimensioned so that in the normal operation of the Meßspannungsteiler 13th

abgegriffene Gleichspannung immer niedriger ist als die Referenzspannung U«f. Auf Grund der spezifischen Eigenschaften destapped DC voltage is always lower than the reference voltage U << f. Due to the specific properties of the

Pulse width modulator 16 in connection with the switching regulator module 1 are no additional protective circuits for

den Überstrom-oder Oberspannungsschutz notwendig.the overcurrent or high voltage protection necessary.

The said protection arises solely in that in the end positions of the pulse width modulator 16 due to the structure of the Switching module always there is a separation between input and output. By guaranteeing inverse operation of the Switching elements 4 and 6 with respect to the switching elements 7 and 10 is also the output voltage during operation

galvanisch von der Eingangsspannung getrennt, wodurch sowohl die Eingänge als auch die Ausginge mit denen weiterergalvanically isolated from the input voltage, whereby both the inputs and the outputs with those further

Schalteglermodule can be combined with each other. This allows input current and input voltage

beliebig untersetzt als auch überhöht stabilisiert werden.be arbitrarily stocked as well as over-inflated.

An example is shown in FIG. To generate a dual voltage greater than the DC input voltage, the inputs of old switching regulator modules

parallel und die Ausgänge in Reihe geschaltet. Die beiden Steuermodule sind jeweils so einem Teil der in Reihe geeetttrttetenparallel and the outputs connected in series. The two control modules are each part of the series

Outputs connected in parallel, that they both stabilize the same amount of voltage. This stabilization takes place independently of each other.

Claims

-1- 74127 claim for invention:

1. Universally applicable switching regulator with capacitors and switching elements, characterized in that it consists of at least one control module depending on the size of the input and output parameters from at least one switching regulator module and depending on the number of desired output parameters, wherein a switching regulator module has a positive and a negative input, two clock inputs and a positive and a negative output and the control module have a positive and a negative input and two clock outputs that have the outputs of the switching regulator module with the inputs of the control module and the clock outputs of the control module with the clock inputs of the switching regulator module electrical connections, that in each case two switching elements are connected in series both between the positive input and the positive output, as well as between the negative input and negative output of the switching regulator module, wherein the input side a associated switching elements with the one clock input and their outputs to each other via a capacitor and the output side arranged switching elements with the second clock input and their outputs are linked to each other via a second capacitor,

the two inputs of the control module are connected via a measuring voltage divider whose tap is applied to a first input of a comparator and whose second input has a connection to a reference voltage source,

and that the output of the comparator is applied to the input of a pulse width modulator whose output is linked to a first clock driver with one of the two clock outputs and the other via a negator and a second clock driver to the other clock output.

2. Switching regulator according to item 1, characterized in that the switching regulator module is present between its positive input and connected to this switching element an input circuit choke with demagnetization, wherein the demagnetization is linked to the anode of a first freewheeling diode whose cathode at the negative input of the switching regulator module is present and

that between the positive output and connected to this switching element, an output circuit choke is arranged, which is the input side connected to the anode of a second freewheeling diode whose cathode is applied to the negative output of the switching regulator module.