DD240634A1

DD240634A1 - SWITCHING REGULATOR FOR THE CONVERSION OF A DC VOLTAGE INTO ANOTHER

Info

Publication number: DD240634A1
Application number: DD28013085A
Authority: DD
Inventors: Hans-Joachim Schneider; Volkhard Richter
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1985-08-30
Filing date: 1985-08-30
Publication date: 1986-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler zur Wandlung einer Gleichspannung in eine andere, z. B. fuer Stromversorgungseinrichtungen oder Motorsteuerungen. Ziel ist die Verbesserung der Schaltreglereigenschaften, wie Wirkungsgrad, Lastschwankungsausregelung, Erhoehung des Eingangsspannungsbereiches und Verbesserung der Betriebsspannungsausfallueberbrueckung. Aufgabengemaess soll das maximale Tastverhaeltnis des Schaltreglers ueber das begrenzte maximale Tastverhaeltnis der Impulsbreitenmodulation hinaus bis auf 100% gesteigert werden. Mit der Erfindung wird ab einer definierten Lasterhoehung ein vom Impulsbreitenmodulator getaktetes D-Flip-Flop geschaltet, das fuer die Dauer der Lasterhoehung den Schalttransistor unabhaengig vom Impulsbreitenmodulator-Ausgangssignal durchschaltet. Fig. 1The invention relates to a switching regulator for converting a DC voltage into another, z. B. for power supplies or engine controls. The goal is to improve the switching regulator characteristics, such as efficiency, load fluctuation compensation, increasing the input voltage range and improving the supply voltage failure bridging. In accordance with the task, the maximum duty ratio of the switching regulator is to be increased beyond the limited maximum duty ratio of the pulse width modulation to 100%. With the invention, a clocked by the pulse width modulator D-type flip-flop is switched from a defined load increase, which switches through the switching transistor for the duration of the load increase independently of the pulse width modulator output signal. Fig. 1

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler zur Wandlung einer Gleichspannung in eine andere und ist vorrangig vorgesehen zur Anwendung in Stromversorgungseinrichtungen sowie bei Motorsteuerungen.The invention relates to a switching regulator for converting a DC voltage into another and is primarily intended for use in power supplies and motor controls.

Characteristic of the known technical solutions

Zur Ansteuerung von geschalteten Stromversorgungen sind folgende Möglichkeiten bekannt geworden:To control switched power supplies, the following possibilities have become known:

1. Pulsbreitenmodulatoren (fremd gesteuert)1. Pulse width modulators (externally controlled)

2. Frequenzmodulatoren (fremd gesteuert)2. Frequency modulators (externally controlled)

3. Selbstschwingende Schaltungen3. Self-oscillating circuits

Dabei erweisen sich fremdgesteuerte Modulatoren bei erhöhten Anforderungen (geschaltete Netzspannung) als vorteilhaft (z. B. Radio Fernsehen elektronik 1982, Heft 2). Hierfür sprechen die günstigere Ansteuerung des Schalttransistors (steilere Flanken der Ansteuerimpulse), gesteuertes Abschaltregime und bessere Prüfmöglichkeiten im Fertigungsprozeß (Prüfung in Funktionsgruppen). Diese genannten Vorteile wiegen den erhöhten BE-Aufwand bei fremdgesteuerten Modulatoren auf. Bei Pulsbreitenmodulatoren läßt sich auf einfache Weise ein großer Bereich der Ausregelung von Last-und Eingangsspannungsschwankungen realisieren, deren Ausregelung bei FM einen sehr großen Frequenzhub bedeutet. Dies würde sich nachteilig auf die Funkentstörung und auf die Schaltverluste (hohe Frequenzen) auswirken. Als Beispiel für die verbreitet eingesetzten Pulsbreitenmodulatoren nach dem Sägezahnprinzip kann die Is B260 angesehen werden (s. auch DDR-Standard TGL 37514!).In this case, externally controlled modulators prove to be advantageous in the case of increased requirements (switched mains voltage) (eg Radio Fernsehen elektronik 1982, Issue 2). This is supported by the more favorable control of the switching transistor (steeper edges of the drive pulses), controlled shutdown regime and better testing options in the manufacturing process (testing in functional groups). These advantages outweigh the increased BE expense in externally controlled modulators. In the case of pulse width modulators, a large range of the regulation of load and input voltage fluctuations can be realized in a simple manner, the compensation of which in the case of FM means a very large frequency deviation. This would have a negative effect on the radio interference suppression and on the switching losses (high frequencies). As an example of the widely used pulse width modulators according to the sawtooth principle, the Is B260 can be considered (see also DDR standard TGL 37514!).

Ein verbleibender Nachteil des hier angewendeten Sägezahnprinzips ist die obere Begrenzung des Tastverhältnisses (kein Tastverhältnis von 100% möglich), da die Rückführung des Sägezahnes immer eine endliche Zeit in Anspruch nimmt, für die die Endstufe des Modulators gesperrt werden muß.A remaining disadvantage of the sawtooth principle used here is the upper limit of the duty cycle (no duty cycle of 100% possible), since the return of the sawtooth always takes a finite time for which the output stage of the modulator must be disabled.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Schaltreglereigenschaften; insbesondere sollen der Wirkungsgrad, die Ausregelgeschwindigkeit von Lastschwankungen und der Eingangsspannungsbereich erhöht sowie die Eingangsspannungsausfallüberbrückung verbessert werden.The aim of the invention is the improvement of the switching regulator characteristics; In particular, the efficiency, the Ausregelgeschwindigkeit of load fluctuations and the input voltage range are increased and the input voltage failure bridging to be improved.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst einfachen Mitteln und unter Beibehaltung des unveränderten Arbeitsprinzips der Impulsbreitenmodulation über Sägezahnsteuerung das maximale Tastverhältnis des Schaltreglers über das maximale Tastverhältnis des Impulsbreitenmodulators hinaus zu erhöhen. Das Tastverhältnis soll bis auf 100% gesteigert werden können.The invention is based on the object with the simplest possible means and while maintaining the unchanged operating principle of the pulse width modulation via sawtooth control to increase the maximum duty cycle of the switching regulator over the maximum duty cycle of the pulse width modulator addition. The duty cycle should be increased to 100%.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Schaltregler zur Wandlung einer Gleichspannung in eine andere, bei dem ein Impulsbreitenmodulator nach dem Sägezahnprinzip ggf. über eine Treiberstufe mit dem Steuereingang eines Schalttransistors zum Schalten der Eingangsspannung in Verbindung steht und mit mindestens einer Reglerstufe dadurch gelöst, daß der Ausgang des Impulsbreitenmodulators weiterhin mit dem Takteingang eines Flipflops verbunden ist, dessen Ausgang entkoppelt vom Ausgang des Impulsbreitenmodulators ebenfalls auf den Steuereingang des Schalttransistors geführt ist und daß der Ausgang der Reglerstufe über eine Digitalisierstufe mit dem Dateneingang des Flipflops in Verbindung steht.According to the invention, this object is achieved in a switching regulator for converting a DC voltage to another, in which a pulse width modulator according to the Sägezahnprinzip possibly via a driver stage with the control input of a switching transistor for switching the input voltage is connected and solved with at least one regulator stage in that the output the pulse width modulator is further connected to the clock input of a flip-flop whose output is decoupled from the output of the pulse width modulator also guided to the control input of the switching transistor and that the output of the regulator stage is connected via a digitizer with the data input of the flip-flop in combination.

Es ist vorteilhaft, wenn die Ausgänge des Impulsbreitenmodulators und des Flipflops über Dioden voneinander entkoppeltIt is advantageous if the outputs of the pulse width modulator and the flip-flop are decoupled from one another via diodes

Die ohnehin im Schaltregler meist vorhandene analog arbeitende Reglerstufe, die den Impulsbreitenmodulator steuern kann, erkennt eine Belastungsähderung des Schaltreglers und steuert über eine Digitalisierstufe (Schwellwertstufe) zusätzlich den Dateneingang des Flipflops an. Entsprechend dem jeweiligen Belastungsfall stellt sich das Tastverhältnis des Schaltreglers ein.The usually existing in the switching regulator analog operating controller stage that can control the pulse width modulator, detects a Belastungsähderung the switching regulator and controls via a digitizer (threshold level) in addition to the data input of the flip-flop. Depending on the particular load case, the duty cycle of the switching regulator adjusts.

Erkennt die Reglerstufe eine statische bzw. dynamische Lasterhöhung, die ein Tastverhältnis des Impulsbreitenmodulators vonIf the controller level detects a static or dynamic load increase, the duty cycle of the pulse width modulator of

z. B. 95% erfordern würde, wird mit der nächsten H-L-Flanke des Ausgangssignäls des Impulsbreitenmodulators für den Schalttransistor das besagte Flipflop getaktet, dessen Ausgangssignal entkoppelt vom Ausgangssignal des Impulsbreitenmodulators ebenfalls auf den Steuereingang des Schalttransistors gelangt und diesen für die Dauer diesesz. B. 95% would be clocked with the next H-L edge of the output of the pulse width modulator for the switching transistor said flip-flop whose output signal decoupled from the output of the pulse width modulator also passes to the control input of the switching transistor and this for the duration of this

erhöhten Lastzustandes ständig durchschaltet (Tastverhältnis 100%). Ändert sich die Lastbedingung (registriert über den Dateneingang des Flipflops) so wird mit der nächsten taktbedingten Schaltflanke des Impulsbreitenmodulator-Ausgangssignals der Ausgang des Flipflops wieder inaktiv, so daß dieser keinen Einfluß auf das Schaltverhalten des Schalttransistors besitzt. Die ODER-funktionsmäßige Entkopplung der Ausgänge des Impulsbreitenmodulators sowie des Flipflops erfolgt zweckmäßigerweise über zwei Dioden.increased load state constantly turns on (duty cycle 100%). Changes the load condition (registered via the data input of the flip-flop) so the output of the flip-flop becomes inactive again with the next clock-related switching edge of the pulse width modulator output signal, so that it has no influence on the switching behavior of the switching transistor. The OR-functional decoupling of the outputs of the pulse width modulator and the flip-flop is advantageously carried out via two diodes.

Mit der Erfindung kann somit das Tastverhältnis des Schaltreglers unter unveränderter Anwendung der Impulsbreitenmodulation nach dem Sägezahnprinzip und damit ohne Eingriff in die an sich bekannten sowie technisch als Schaltkreise ausgeführten Modulationsstufen über das normalerweise durch die Impulsbreitenmodulationsstufen auf z.B. 95% begrenzte Tastverhältnis hinaus durch minimalen Aufwand auf ein Tastverhältnis von 100% erhöht werden. Damit kann der Schaltregler schneller auf Lasterhöhungen reagieren, er hat durch den Wegfall der Schaltvorgänge einen höheren Wirkungsgrad und die Eingangsspannung kann für diese Betriebsart die Größenordnung der Ausgangsspannung einnehmen. Durch das höhere Tastverhältnis ist darüber hinaus eine längere Eingangsspannungsausfallüberbrückung zu verzeichnen.Thus, with the invention, the duty cycle of the switching regulator can be applied without alteration to the pulse-width modulation on the sawtooth principle and thus without intervention in the modulation stages known per se and technically implemented as circuits, normally through the pulse width modulation stages at e.g. 95% limited duty cycle addition can be increased by minimal effort to a duty cycle of 100%. Thus, the switching regulator can respond faster to load increases, he has by eliminating the switching operations higher efficiency and the input voltage can take the magnitude of the output voltage for this mode. The higher duty cycle also results in a longer input voltage failure bypass.

embodiments

Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawing. Show it:

Fig. 1: erfindungsgemäße Prinzipanordnung des SchaltreglersFig. 1: inventive principle arrangement of the switching regulator

Fig.2: Impulsdiagramme der Prinzipanordnung nach Fig. 12 shows timing diagrams of the principle arrangement according to FIG. 1

Fig.3: Schaltungsanordnung mit Schaltkreis B260 als Impulsbreitenmodulator3 shows circuit arrangement with circuit B260 as a pulse width modulator

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Prinzipanordnung des Schaltreglers dargestellt. Ein Schalttransistor 1 schaltet eine an seinem Emitter anliegende gegen Masse positive Eingangsspannung U_E. Am Kollektor-Ausgang des Schalttransistors 1 ist die Ausgangsspannung Ua angedeutet. Der Ausgang eines Impulsbreitenmodulators 2 steht zur Tastung des Schalttransistors 1 über eine Diode 3 mit dessen Basis in Verbindung und ist außerdem mit dem Takteingang T eines D-Flipflops 4 verbunden, dessen Q-Ausgang über eine Diode 5 ebenfalls mit der Basis des Schalttransistors 1 gekoppelt ist. Eine analoge Regelstufe 6 des Schaltreglers, die den Impulsbreitenmodulator 2 steuert, ist ausgangsseitig ferner mit einer Schwellwertstufe 7, realisiert z. B. als Optokoppler, verbunden, deren Ausgang mit dem Dateneingang D des D-Flipflop 4 verbunden ist.In Fig. 1, the inventive arrangement of the switching regulator is shown. A switching transistor 1 switches a voltage applied to its emitter to ground positive input voltage U _E. At the collector output of the switching transistor 1, the output voltage Ua is indicated. The output of a pulse width modulator 2 is for sampling the switching transistor 1 via a diode 3 with the base in combination and is also connected to the clock input T of a D flip-flop 4, whose Q output via a diode 5 also coupled to the base of the switching transistor 1 is. An analog control stage 6 of the switching regulator, which controls the pulse width modulator 2, is also the output side with a threshold level 7, realized z. B. as an optocoupler, whose output is connected to the data input D of the D flip-flop 4.

Die Wirkungsweise des Schaltreglers soll anhand der in Fig. 2 dargestellten Impulsdiagramme dargestellt werden. Diagramm a) zeigt den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des Impulsbreitenmodulators 2. Solange der Ausgangswert der Regelstufe 6 unter der Referenzschwelle der Schwellwertstufe 7 bleibt (bis zum Zeitpunktti) ist der Q-Ausgang des D-Flipflops 4 inaktiv, d.h. der Schalttransistor 1 wird ausschließlich vom Impulsbreitenmodulator 2 gesteuert, der lastabhängig das Tastverhältnis des Schalttransistors 1 bestimmt.The operation of the switching regulator will be illustrated by means of the timing diagrams shown in Fig. 2. Diagram a) shows the time profile of the output voltage of the pulse width modulator 2. As long as the output value of the control stage 6 remains below the reference threshold of the threshold stage 7 (until the time ti), the Q output of the D flip-flop 4 is inactive, i. the switching transistor 1 is controlled exclusively by the pulse width modulator 2, the load-dependent determines the duty cycle of the switching transistor 1.

Zum Zeitpunkt t-i tritt z. B. während der high-Phase der Impulsbreitenmodulator-Ausgangsspannung (s. Diagramm a)!) eine Lasterhöhung ein, die durch die Reglerstufe 6 die Schwellwertstufe 7 schaltet und einen L-Pegel an den Dateneingang D des Flipflops 4 legt (Diagramm b) in Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Daten-Eingangsspannung des D-Flipflops 4). Mit der nächsten taktbedingten H-L-Schaltflanke der Impulsbreitenmodulator-Ausgangsspannung (Zeitpunkt t₂) wird das D-Flipflop 4 von dieser umgeschaltet, so daß sein Q-Ausgang aktiven L-Pegel aufweist. Dieser aktive L-Pegel wird über die Diode 5 an die Basis des Schalttransistors 1 übertragen (Diagramm c) in Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Basisspannung des Schalttransistors 1) und steuert diesen unabhängig vom Impulsbreitenmodulator-Ausgangssignal (das maximal ein Tastverhältnis von ca. 95% forcieren würde) ständig auf. Das entspricht einem Tastverhältnis von 100%. Dieser Zustand bleibt für die Dauer der erhöhten Lastbedingung erhalten. Sinkt bei Laständerung der Ausgangswert der Reglerstufe unter den Schwellwert der Schwellwertstufe 7 (Zeitpunkt t₃), so schaltet das D-Flipflop 4 mit der nächsten taktbedingten H-L-Schaltflanke der Impulsbreitenmodulator-Ausgangsspannung (s. Diagramm a) in Fig.2!) zum Zeitpunkt t₄ in seinen anderen Zustand zurück, sein Q-Ausgang wird inaktiv und die Ansteuerspannung fürden Schalttransistor 1 (vgl. Diagramm c) in Fig.2!) wird wiederum ausschließlich durch die Ausgangsspannung des Impulsbreitenmodulators 2 bestimmt.At time ti z. For example, during the high phase of the pulse width modulator output voltage (see diagram a)!) A load increase, which switches through the controller stage 6, the threshold level 7 and an L level to the data input D of the flip-flop 4 sets (diagram b) in Fig. 2 shows the timing of the data input voltage of the D flip-flop 4). With the next clock-related HL switching edge of the pulse width modulator output voltage (time t ₂ ), the D flip-flop 4 is switched from this, so that its Q output has active L level. This active L level is transmitted via the diode 5 to the base of the switching transistor 1 (diagram c) in Fig. 2 shows the time course of the base voltage of the switching transistor 1) and controls this independent of the pulse width modulator output (the maximum a duty cycle of approx 95% would force) constantly. This corresponds to a duty cycle of 100%. This condition is maintained for the duration of the increased load condition. If the output value of the regulator stage drops below the threshold value of the threshold stage 7 (time t ₃ ) when the load changes, then the D flip-flop 4 switches to the next clock-related HL switching edge of the pulse width modulator output voltage (see diagram a) in FIG Time t ₄ returns to its other state, its Q output is inactive and the drive voltage for the switching transistor 1 (see diagram c) in Fig. 2!) Is in turn determined solely by the output voltage of the pulse width modulator 2.

An den Setzeingang 9 des D-Flipflops4 ist eine an sich bekannte RC-Kombination mit einem Kondensator 8 gegen Masse und mit einem Widerstand 9 gegen eine Betriebsspannung Ub des D-Flipflops angeschlossen. Mit dieser RC-Kombination wird beim Einschalten der Betriebsspannung Ub ein kurzzeitiger Spannungsimpuls zum definierten Setzen des D-Flipflops 4 erzeugt. Fig.3 zeigt die gleiche Schaltungsanordnung wie Fig. 1, nur daß der Impulsbreitenmodulator 2 konkret durch einen Schaltkreis B260, der über Pin 3 und über einen Widerstand 11 von der Reglerstufe 6 angesteuert wird, realisiert ist. Zwischen den Pins 14 und 15 liegt die Emitter-Kollektor-Strecke des schaltkreisinternen Endtransistors. Das Diagramm a) entspricht dem zeitlichen Verlauf der Spannung am Pin 15. Pin 14 liegt an Masse; am Pin 1 ist eine Versorgungsspannung U, angeschlossen. Es ist zweckmäßig, den Schalttransistor 1 nicht direkt, sondern über eine (in der Zeichnung aus Übersichtsgründen nicht dargestellte) Treiberstufe anzusteuern.At the set input 9 of the D flip-flop 4 a known RC combination with a capacitor 8 to ground and a resistor 9 against an operating voltage Ub of the D flip-flop is connected. When the operating voltage Ub is switched on, a short-term voltage pulse for defined setting of the D flip-flop 4 is generated with this RC combination. 3 shows the same circuit arrangement as in FIG. 1, except that the pulse width modulator 2 is realized in practice by a circuit B260, which is controlled by the controller stage 6 via pin 3 and via a resistor 11. Between the pins 14 and 15 is the emitter-collector path of the circuit-internal end transistor. The diagram a) corresponds to the time profile of the voltage at pin 15. Pin 14 is grounded; at pin 1 is a supply voltage U, connected. It is expedient to control the switching transistor 1 not directly, but via a (not shown in the drawing for reasons of clarity) driver stage.

Claims

- I - £ <4U DO4

claims:

1. switching regulator for converting a DC voltage into another, in which a pulse width modulator according to the Sägezahnprinzip possibly via a driver stage with the control input of a switching transistor for switching the input voltage is in communication, and with at least one regulator stage, characterized in that the output of the pulse width modulator is further connected to the clock input of a flip-flop whose output is decoupled from the output of the pulse width modulator also guided to the control input of the switching transistor, and that the output of the regulator stage is connected via a digitizer with the data input of the flip-flop in combination.

2. Switching regulator according to claim 1, characterized in that the outputs of the pulse width modulator and the flip-flop are decoupled from each other via diodes.

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