-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils
als Sperrwandler, welches an einer Eingangsspannung anliegt und
ein Schaltelement umfasst, das zur Regelung einer Ausgangsspannung
in Abhängigkeit
eines Ausgangsstromes mit verändertem
Tastverhältnis
zyklisch ein- und
ausgeschaltet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung
zur Durchführung
des Verfahrens.
-
Schaltnetzteile
sind in den verschiedensten Ausprägungen bekannt und dienen dem
Anschluss elektrischer Lasten an ein Stromnetz oder an eine Stromquelle.
Eine Variante stellen so genannte Sperrwandler dar, bei welchen
während
einer Flussphase durch einen durch die Primärwicklung eines Transformators
fließenden
Strom magnetische Energie gespeichert wird. Diese wird während einer Sperrphase
nach Gleichrichtung und Glättung
an eine sekundärseitig
angeschlossene Last abgegeben. Ein Schaltelement, das in Reihe mit
der Primärwicklung
des Transformators liegt, wird von einer Steuereinrichtung lastabhängig ein-
und ausgeschaltet.
-
In
den meisten Fällen
wird bei Sperrwandlern die Taktfrequenz konstant gehalten und eine
Regelung, z.B. der Ausgangsspannung, erfolgt über eine Änderung des Tastverhältnisses.
Dabei wird in der Regel eine Ausgangskennlinie (U/I-Kennlinie) als Verlauf
der Ausgangsspannung in Abhängigkeit
des Ausgangsstromes vorgegeben. Die Regelung der Ausgangsspannung
folgt dann auch bei Änderungen der
Eingangsspannung diesem vorgegebenen Verlauf.
-
Dabei
wird zumeist die Ausgangsspannung in einem Nennleistungsbereich
konstant gehalten und der Ausgangsstrom bis zu einem Nennstromwert erhöht, indem
bei gleich bleibender Periodendauer die Einschaltzeit des Schaltelements
verlängert
wird. Steigt der Strom über
den Nennwert, sind nach dem Stand der Technik Einrichtungen zur
gleichmäßigen Absenkung
der Ausgangspannung und somit zur Leistungsbegrenzung vorgesehen.
-
Das
können
beispielsweise sekundärseitige Regelungseinrichtungen
sein. Dabei ist primärseitig nur
eine von der Ein- und Ausgangsspannung unabhängige Strombegrenzung vorhanden.
Sekundärseitig
sind zumeist ein Strommesswiderstand mit Strommessung und Stromregler
sowie ein Spannungsregler vorhanden. Nachteilig sind dabei die sich
durch den Strommesswiderstand ergebenden Verluste und die Notwendigkeit
einer Hilfsversorgung für
die sekundärseitigen
Regler- und Messvorrichtungen.
-
Zur
Absenkung der Ausgangsspannung bei überschrittenem Nennstromwert
ist nach dem Stand der Technik auch eine primärseitige Beeinflussung der
Taktfrequenz mittels diskreter analoger Bauteile bekannt. Dabei
führt eine Überschreitung
des Nennstromwerts zu einer Reduktion der Taktfrequenz, was wiederum
eine Absenkung der Ausgangsspannung bewirkt. Die Dimensionierung
dieser Bauteile muss dabei in der Weise erfolgen, dass die gewünschte Funktion über den
gesamten Eingangsspannungsbereich hinweg gegeben ist. Das ist einerseits
sehr aufwendig und führt
andererseits zu Ergebnissen mit großen Toleranzen beim Ausgangsspannungsverlauf.
-
Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem
Stand der Technik verbesserte Lösung
anzugeben.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Schaltzyklen
des Schaltelements mittels eines Mikrocontrollers gesteuert werden
und wobei der Verlauf der Ausgangsspannung zumindest teilweise durch Änderung
der Taktfrequenz der Schaltzyklen bestimmt wird.
-
Zudem
wird die Aufgabe durch ein Schaltnetzteil gelöst, das einen Mikrocontroller
zur Veränderung
des Tastverhältnisses
und zur Veränderung der
Taktfrequenz in Abhängigkeit
der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung umfasst und bei dem
Mittel zur Erfassung der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung
vorgesehen sind.
-
Durch
den Einsatz eines Mikrocontrollers als programmierbaren Logikbaustein
zur Takterzeugung wird eine präzise
und gleichzeitig flexibel steuerbare Leistungskontrolle für Schaltnetzteile
mit Sperrwandler-Topologie geschaffen.
-
Die
Steuerung des Schaltelements mittels Mikrocontroller ermöglicht dabei
die Vorgabe eines beliebigen statischen Nennverlaufs (U/I-Kennlinie) durch Änderung
der Taktfrequenz. Darüber
hinaus ist auch die Vorgabe eines dynamischen Nennverlaufs möglich, beispielsweise
zur Bestimmung eines definierten Überlastverhaltens oder für ein optimales
Anlaufverhalten. Somit ist eine primärseitige Regelung für die Ausgangsspannung
und den Ausgangsstrom gegeben, wobei eine einfache Anpassung an
unterschiedliche Rahmenbedingungen wie unterschiedliche Eingangsspannungen
oder eine geänderte
Umgebungs- oder Bauteiltemperatur möglich ist.
-
Ein
weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, toleranzbedingte
Unterschiede von Bauteilen in einzelnen Schaltnetzteilen auszugleichen.
Das kann beispielsweise im Rahmen eines automatischen Ausgleichs
bei Endtest erfolgen. Durch den Einsatz des Mikrocontrollers wird
auch für
ein Inbetriebnahme- oder Servicepersonal die Möglichkeit geschaffen, eine
Anpassung der Nennverläufe
an spezielle Umgebungsbedingungen vorzunehmen.
-
Eine
vorteilhafte Ausprägung
der Erfindung sieht vor, dass dem Mikrocontroller ein Nennverlauf der
Ausgangsspannung über
dem Ausgangsstrom vorgegeben wird und dass die Ausgangsspannung bis
zum Erreichen eines Nennstromwertes durch Veränderung des Tastverhältnisses
bei konstanter Taktfrequenz und bei überschrittenem Nennstromwert
durch Veränderung
der Taktfrequenz bestimmt wird. Die Komponenten des Schaltnetzteils
sind dann für
den Betrieb mit konstanter Taktfrequenz im Nennbereich beispielsweise
hinsichtlich der Baugröße und möglicher
Störemissionen
optimierbar. Im Bereich höherer
Ausgangsströme
ist die Ausgangspannung über
die veränderte
Taktfrequenz regelbar, ohne dass eine zusätzliche sekundärseitige
Regelung oder diskrete analoge Bauteile erforderlich sind.
-
Vorteilhafterweise
wird bei überschrittenem Nennstromwert
der aktuelle Ausgangsstrom dem vorgegebenen Ausgangsstrom gemäß dem Nennverlauf
durch Verringerung der Taktfrequenz angenähert. Das Tastverhältnis ändert sich
dabei ebenfalls, da die Einschaltzeiten des Schaltelements im Wesentlichen
gleich bleiben. Mit sinkender Taktfrequenz und steigender Periodendauer
steigen also die Ausschaltzeiten und die Einschaltzeiten bleiben
gleich, wodurch sich die Ausgangsspannung verringert und so dem
Nennverlauf nachgeregelt wird.
-
Eine
weitere vorteilhafte Ausprägung
der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Leistungsbauteil thermisch überwacht
wird, wobei ein kritischer thermischer Zustand vorgegeben wird,
bei dessen Erreichung ein geringerer Nennstromwert vorgegeben wird.
Die Ansteuerung des Schaltelements geht dann bereits bei Erreichung
des geringeren Nennstromwertes von einer Änderung des Tastverhältnisses
in eine Änderung
der Taktfrequenz über,
wodurch die Ausgangsspannung und damit die Ausgangsleistung reduziert
werden.
-
Für die Ausgangsspannung
wird ein vorteilhafter Nennvorlauf vorgegeben, der bis zur Erreichung
des Nennstromwertes eine konstante Ausgangsspannung und bei überschrittenem
Nennstromwert eine gleichmäßig abfallende
Ausgangsspannung vorsieht. Damit steht für sekundärseitig angeschlossene Lasten über den
gesamten Nennbereich eine konstante Versorgungsspannung zur Verfügung.
-
Zur
Abdeckung von Überlasten
ist es dabei von Vorteil, wenn bei überschrittenem Nennstromwert
bis zur Erreichung eines Überlaststromwertes die
Taktfrequenz erhöht
wird. Dieser Überlaststromwert
kann dabei fix vorgegeben oder in Abhängigkeit vom thermischen Zustand
des Schaltnetzteils festgelegt werden. Die Erhöhung der Taktfrequenz führt dabei
auch zu einer Veränderung
des Tastverhältnisses,
da die Einschaltzeiten des Schaltelements im Wesentlichen gleich
bleiben und die Ausschaltzeiten kürzer werden. In einer fixen
Zeitspanne, die ein Vielfaches der durchschnittlichen Periodendauer
ausmacht, steigt somit die Summe der Einschaltzeiten im Verhältnis zur
Summe der Ausschaltzeiten des Schaltelements. Damit lässt sich
die Leistung weiter erhöhen,
um kurze Überlasten
ohne Ausfall des Schaltnetzteils abzufangen. Bei günstigen
thermischen Bedingungen kann so aber auch dauerhaft eine über dem
Nennbereich des Schaltnetzteils liegende Leistung übertragen
werden.
-
Dabei
ist es vorteilhaft, wenn bei überschrittenem
Nennstromwert bis zur Erreichung des Überlaststromwertes eine konstante
Ausgangsspannung und bei überschrittenem Überlaststromwert
eine gleichmäßig abfallende
Ausgangsspannung vorgegeben wird. Für eine Last steht dann auch
im Überlastbereich
eine konstante Versorgungsspannung zur Verfügung, bis beim Erreichen des Überlaststromwertes
eine Abregelung der Ausgangsspannung erfolgt.
-
Eine
weitere günstige
Aufprägung
der Erfindung ist dann gegeben, wenn in einem Leerlaufbetrieb eine
Verringerung der Taktfrequenz vorgegeben wird. Bei fehlender oder
sehr kleiner Last wird die Taktfrequenz gesenkt, um die Leerlaufstromaufnahme
gering zu halten. Dadurch kann das Tastverhältnis so gewählt werden,
dass die Einschaltzeiten nicht unbeherrschbar kurz werden und es
zu keinem „Aussetzbetrieb" kommt, bei welchem über mehrere
Takte keine Einschaltimpulse auftreten.
-
Günstig ist
es außerdem,
wenn die Taktfrequenz mit einem so genannten Jitter beaufschlagt wird.
Dabei wird bei aufeinander folgenden Taktzyklen die Periodendauer
geringfügig
verändert,
wobei im Mittel die Taktfrequenz unverändert bleibt. Durch die unterschiedlichen
Periodendauern erreicht man so ein verbessertes EMV-Verhalten, da die
im Takt der Schaltzyklen und in Vielfachen davon vorkommenden Störimpulse
bei unterschiedlichen Frequenzen auftreten. Bei jeder einzeln betrachteten
Frequenz ergeben sich also über
die Zeit gesehen weniger Störimpulse.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme
auf die beigefügten Figuren
erläutert.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 vereinfachte
Topologie eines Schaltnetzteils
-
2 U/I-Kennlinien
-
In
der 1 ist der vereinfachte Aufbau eines Schaltnetzteils
als Sperrwandler dargestellt. Ein Transformator 1 umfasst
eine Primärwicklung 2,
eine gegengleich gewickelte Sekundärwicklung 3 und eine
gegengleich gewickelte Hilfswicklung 4, die um einen gemeinsamen
Kern gewickelt sind. Die Primärwicklung 2 ist
dabei in Reihe mit einem Schaltelement 5 an eine Eingangsspannung
U1 angeschaltet. Die Sekundärwicklung 3 ist über eine
Gleichrichterschaltung, beispielsweise aus einer Diode 7 und
einem Kondensator 8 bestehend, mit den Ausgangskontakten
verbunden, an denen die Ausgangsspannung U2 anliegt.
-
Das
Schaltelement 5 ist mit einem Mikrocontroller 6 verbunden,
der über
die Hilfswicklung 4 mit Strom versorgt wird. Diese Hilfswicklung 4 kann
zudem in einfacher Weise zur Messung der Ausgangsspannung U2 herangezogen
werden, da die über
die Hilfswicklung 4 übertragene
Energie proportional zur sekundärseitig über die
Sekundärwicklung 3 abgegebenen
Energie ist. Über
Messleitungen 11 ist der Mikrocontroller 6 auch
an die Eingangsspannung U1 angeschlossen, um deren Wert zu messen.
-
Alternativ
dazu kann die Ausgangsspannung U2 auch sekundärseitig erfasst und die Messwerte auf
die Primärseite
zum Mikrocontroller, beispielsweise mit einem Trennverstärker, übertragen
werden.
-
Zusätzlich ist
eine einfache beispielhafte Regleranordnung dargestellt, bestehend
aus einer Reglereinheit 9 und einem Optokoppler 10. Über diese
Regleranordnung wird dem Mikrocontroller 6 eine Abweichung
der Ausgangsspannung U2 signalisiert und eine Anpassung des Tastverhältnisses
vorgegeben.
-
Im
Mikrocontroller 6 werden die Messgrößen ausgewertet. Das sind zumindest
die aktuelle Eingangsspannung U1 und die aktuelle Ausgangsspannung
U2. Im Mikrocontroller 6 sind zudem alle erforderlichen
Vorgaben zur Bestimmung der Steuersignale zur Ansteuerung des Schaltelements 5 hinterlegt.
Das kann beispielsweise eine tabellarische Zuordnung der Ausgangsleistung
zur Ausgangsspannung U2 sein, woraus sich der Ausgangsstrom I ergibt.
Des Weiteren kann der vorgegebene Ausgangs-Nennstromwert IN und ein definiertes Tastverhältnis bei
Erreichung des Ausgangs-Nennstromeswertes IN sowie
ein Überlaststromwert
IÜ hinterlegt sein.
Daraus werden im Mikrocontroller 6 die Steuersignale zur
Ansteuerung des Schaltelements 5 ermittelt, wobei auch
Grenzwerte für
die primäre
Strombegrenzung berücksichtigt
werden. Optional können auch
das Tastverhältnis,
der Primär-Iststrom
und die Signalform am Transformator erfasst und zur Ermittlung der
Steuersignale herangezogen werden.
-
In 2 sind
beispielhafte Verläufe
einer U/I-Kennlinie dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse der
Ausgangsstrom I und auf der Ordinate die Ausgangsspannung U2 aufgetragen.
Im Leerlauf liefert das Schaltnetzteil am Ausgang die Ausgangsspannung
U2 mit einem vorgegebenen Spannungswert UN bei
einer minimalen Leerlauf-Stromentnahme. Mit dem Ansteigen einer
sekundärseitigen
Belastung steigt der Ausgangsstrom I entsprechend einem Nennverlauf
a, wobei die Ausgangsspannung U2 auf den konstanten vorgegebenen
Spannungswert UN geregelt wird. Entsprechen
die thermischen Verhältnisse
den Vorgaben für
den Nennbereich, steigt der Ausgangsstrom I bis zum Nennstromwert
IN an.
-
Mit
dem Erreichen des Nennstromwertes IN wird
die Einschaltdauer des Schaltelements 5 pro Schaltzyklus
konstant gehalten. Das Schaltnetzteil überträgt dann mit jedem Schaltimpuls
die maximale Energie. Wird von der angeschlossenen Last ein höherer Ausgangsstrom
I entnommen, reduziert der Mikrocontroller 6 in weiterer
Folge die Taktfrequenz. Dadurch sinkt die Summe der Einschaltzeiten
im Verhältnis
zur Summe der Ausschaltzeiten des Schaltelements und die Ausgangsspannung
U2 sinkt gleichmäßig bis
zum Wert Null ab. Dieses Absinken der Ausgangsspannung U2 bei nur
geringfügigem
Anstieg des Ausgangsstromes I resultiert also aus der Reduktion
der Schaltimpulse pro Zeiteinheit, wobei mit jedem Schaltimpuls
weiterhin die maximale Energie übertragen
wird.
-
Bei
geringeren Umgebungstemperaturen oder zusätzlicher Belüftung kann
für den
Verlauf der Ausgangsspannung U2 ein Überlastverlauf c vorgesehen
sein. Dabei wird über
den Nennstromwert IN hinaus die Ausgangsspannung
U2 auf den vorgegebenen konstanten Spannungswert UN geregelt,
indem die Taktfrequenz angehoben wird. Es erfolgen also pro Zeiteinheit
mehr Schaltimpulse mit maximaler Energieübertragung.
-
Der
Ausgangsstrom I steigt dann bei zunehmender sekundärseitiger
Belastung bis zu einem Überlaststromwert
IÜ.
Eine weitere sekundärseitige Belastung
führt wieder
zum Absenken der Ausgangsspannung U2 bis zum Wert Null durch Reduktion
der Taktfrequenz. Dabei kann der Überlaststromwert IÜ dem
Mikrocontroller 6 fix vorgegeben oder in Abhängigkeit
von der thermischen Situation bestimmt werden.
-
Für ungünstige Betriebsbedingungen
kann auch eine U/I-Kennlinie
c mit einem reduzierten Nennstromwert IN1 bzw.
eine reduzierte übertragbare Leistung
vorgegeben werden. Das kann beispielsweise bei Umgebungstemperaturen
der Fall sein, die über
dem zulässigen
Wert für
den Nennbereich eines Schaltnetzteils liegen. Die Reduktion des
Nennstromwertes kann dabei automatisch oder durch ein Inbetriebsetzungs-
oder Servicepersonal durchgeführt
werden. Die automatische Reduktion setzt voraus, dass das Schaltnetzteil
Mittel zur Erfassung der thermischen Situation umfasst, deren Messsignale dem
Mikrocontroller 6 zur Auswertung zugeführt werden.
-
Führt eine
steigende Belastung des Schaltnetzteils zu einer Überschreitung
des auf diese Weise reduzierten Nennstromwertes IN1,
dann erfolgt wieder eine Absenkung der Ausgangspannung U2 gemäß der entsprechenden
U/I-Kennlinie c durch eine Reduktion der Taktfrequenz.
-
Über den
gesamten Verlauf der U/I-Kennlinie kann die Taktfrequenz mit einem
so genannten Jitter überlagert
werden, das gilt insbesondere für
einen Eingangsspannungsbereich von 230V ± 15V. Dabei erfolgt mit jedem
Takt abwechselnd eine geringfügige Verlängerung
oder Verkürzung
der Periodendauer, wobei die Taktfrequenz im Mittel unverändert bleibt.
-
Damit
werden mittels Mirocontroller 6 als programmierbaren Logikbaustein
eine Steuerung der Ausgangskennlinie (U/I-Kennlinie), des EMV-Verhaltens und die
Realisierung einer Powermanagement-Funktion durch eine primärseitige
Vorgabe der Taktfrequenz ermöglicht.