DE102012104160A1 - Switching power supply and working method for a switching power supply - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil (1) aufweisend eine erste Schaltstufe (6) zur Erzeugung einer gleichgerichteten Zwischenspannung (Vc) aus einer primären Wechselspannung (Vp), ein Speicherelement (7) zur Zwischenspeicherung der von der ersten Schaltstufe (6) erzeugten Zwischenspannung (Vc) und eine zweite Schaltstufe (8) zur Erzeugung einer sekundären Ausgangsspannung (Vs) aus der zwischengespeicherten Zwischenspannung (Vc). Das Schaltnetzteil (1) weist eine Steuerschaltung (9) zum Aktivieren und Deaktivieren der ersten Schaltstufe (6) auf, wobei die Steuerschaltung (9) dazu eingerichtet ist, die erste Schaltstufe (6) für einen durch die Steuerschaltung (9) bestimmten Teilbereich einer ersten Halbwelle (11) der primären Wechselspannung (Vp) zu aktivieren und für wenigstens eine nachfolgende Halbwelle (12, 13) der primären Wechselspannung (Vp) zu deaktivieren. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Arbeitsverfahren zum Betrieb eines derartigen Schaltnetzteils (1).The invention relates to a switched-mode power supply (1) comprising a first switching stage (6) for generating a rectified intermediate voltage (Vc) from a primary alternating voltage (Vp), a memory element (7) for temporarily storing the intermediate voltage (Vc) generated by the first switching stage (6) ) and a second switching stage (8) for generating a secondary output voltage (Vs) from the latched intermediate voltage (Vc). The switching power supply (1) has a control circuit (9) for activating and deactivating the first switching stage (6), wherein the control circuit (9) is adapted to the first switching stage (6) for a determined by the control circuit (9) portion of a to activate the first half-wave (11) of the primary AC voltage (Vp) and for at least a subsequent half-wave (12, 13) of the primary AC voltage (Vp) to disable. The invention further relates to a working method for operating such a switching power supply (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil aufweisend eine erste Schaltstufe zur Erzeugung einer gleichgerichteten Zwischenspannung aus einer primären Wechselspannung, ein Speicherelement zur Zwischenspeicherung der von der ersten Schaltstufe erzeugten Zwischenspannung und eine zweite Schaltstufe zur Erzeugung einer sekundären Ausgangsspannung aus der zwischengespeicherten Zwischenspannung. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Arbeitsverfahren zum Betrieb eines derartigen Schaltnetzteils.The invention relates to a switching power supply having a first switching stage for generating a rectified intermediate voltage from a primary alternating voltage, a memory element for buffering the intermediate voltage generated by the first switching stage and a second switching stage for generating a secondary output voltage from the buffered intermediate voltage. The invention further relates to a working method for operating such a switching power supply.
Unterschiedliche Typen von Schaltnetzteilen zur Versorgung von tragbaren Computern und anderen elektronischen Geräten mit einer aus einer primären Netzwechselspannung erzeugten sekundären Gleichspannung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Grundsätzlich weisen derartige Schaltnetzteile einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad auf und erlauben die Gestaltung von leichten und kostengünstigen Netzteilen für eine Vielzahl von Anwendungsbereiche. Various types of switched-mode power supplies for supplying portable computers and other electronic devices with a secondary DC voltage generated from a primary AC mains voltage are known in the art. Basically, such switching power supplies have a relatively high efficiency and allow the design of lightweight and cost-effective power supplies for a variety of applications.
Ein Nachteil bekannter Schaltnetzteile liegt jedoch darin, dass sie im so genannten Schwachlastbereich, also in einem Arbeitsbereich, in dem die sekundärseitig abgegebene Leistung nur einen geringen Bruchteil einer möglichen Ausgangsleistung darstellt, einen verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad aufweisen. However, a disadvantage of known switching power supplies lies in the fact that they have a relatively poor efficiency in the so-called low-load range, ie in a work area in which the secondary-output power represents only a small fraction of a possible output power.
Dieses Problem wird unter anderem durch die verhältnismäßig hohen Verluste der in einem Schaltnetzteil verwendeten Schaltstufen im nahezu leistungslosen Bereich verursacht. Um einen elektronischen Halbleiterschalter, wie insbesondere einen MOSFET-Transistor, zu schalten, benötigt man Energie, welche unabhängig von der zu schaltenden Leistung ist. Bei höheren geschalteten Leistungen fällt diese Energie kaum ins Gewicht, wohingegen diese Energie im Schwachlastbereich einen sehr hohen Anteil der Verlustleistung ausmacht.This problem is caused, inter alia, by the relatively high losses of the switching stages used in a switching power supply in the almost powerless area. In order to switch an electronic semiconductor switch, in particular a MOSFET transistor, one needs energy which is independent of the power to be switched. At higher switched powers, this energy hardly matters, whereas in the low load range, this energy accounts for a very high proportion of the power loss.
Insbesondere bei Geräten der elektronischen Datenverarbeitung (EDV) und Unterhaltungselektronik werden oftmals Geräte eingesetzt, die im Betrieb eine relativ hohe Aufnahmeleistung im Bereich zwischen 50 und 250 Watt besitzen, in einer so genannten Standby- oder Bereitschaftsbetriebsart jedoch nur eine Aufnahmeleistung von weniger als 5 Watt und oftmals von weniger als 1 Watt aufweisen.In particular, in devices of electronic data processing (EDP) and consumer electronics devices are often used that have a relatively high recording power in the range between 50 and 250 watts in a so-called standby or standby mode, however, only a recording power of less than 5 watts and often less than 1 watt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltnetzteil und ein Verfahren zu seinem Betrieb zu beschreiben, das die Verlustleistung des Schaltnetzteils in dem sogenannten Schwachlastbereich verbessert. Insbesondere sollen Lösungen aufgezeigt werden, die die Schaltverluste beim Betrieb eines Schaltnetzteils mit 10 Prozent oder weniger seiner maximalen Ausgangsleistung reduzieren.An object of the present invention is to describe a switching power supply and a method of its operation, which improves the power loss of the switching power supply in the so-called low load range. In particular, solutions are to be shown that reduce the switching losses during operation of a switching power supply with 10 percent or less of its maximum output power.
Unterschiedliche Ausgestaltungen besonders energieeffizienter Schaltnetzteile und Arbeitsverfahren zu deren Betrieb sind in den angehängten Patentansprüchen offenbart.Different embodiments of particularly energy-efficient switching power supplies and working methods for their operation are disclosed in the appended claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schaltnetzteil aufweisend eine erste Schaltstufe zur Erzeugung einer gleichgerichteten Zwischenspannung aus einer primären Wechselspannung, ein Speicherelement zur Zwischenspeicherung der von der ersten Schaltstufe erzeugten Zwischenspannung und eine zweite Schaltstufe zur Erzeugung einer sekundären Ausgangsspannung aus der zwischengespeicherten Zwischenspannung offenbart. Das Schaltnetzteil weist eine Steuerschaltung zum Aktivieren und Deaktivieren der ersten Schaltstufe auf, wobei die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, eine von der primären Wechselspannung abhängige erste Größe zu überwachen und die erste Schaltstufe in wenigstens einer Betriebsart des Schaltnetzteils in Abhängigkeit der ersten Größe für einen durch die Steuerschaltung bestimmten Teilbereich einer ersten Halbwelle der primären Wechselspannung zu aktivieren und für wenigstens eine nachfolgende Halbwelle der primären Wechselspannung zu deaktivieren. According to a first aspect of the present invention, a switching power supply is disclosed comprising a first switching circuit for generating a rectified intermediate voltage from a primary AC voltage, a storage element for latching the intermediate voltage generated by the first switching stage and a second switching stage for generating a secondary output voltage from the buffered intermediate voltage. The switching power supply has a control circuit for activating and deactivating the first switching stage, wherein the control circuit is adapted to monitor a dependent on the primary AC voltage first size and the first switching stage in at least one mode of the switching power supply in dependence of the first size for one of the Control circuit to activate certain portion of a first half-wave of the primary AC voltage and disable for at least a subsequent half cycle of the primary AC voltage.
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Abstimmung der Aktivierung einer ersten Schaltstufe zum Laden eines Speicherelements mit einer Zwischenspannung mit den Halbwellen einer zur Versorgung des Schaltnetzteils verwendeten primären Wechselspannung sowie der Deaktivierung der ersten Schaltstufe für ein oder mehrere darauf folgende Halbwellen eine Verbesserung der Energieeffizienz des Schaltnetzteils insgesamt erreicht werden kann.The invention is based inter alia on the finding that by tuning the activation of a first switching stage for charging a memory element with an intermediate voltage with the half-waves of a primary AC voltage used to power the switching power supply and the deactivation of the first switching stage for one or more subsequent half-waves Improvement of the energy efficiency of the switching power supply can be achieved in total.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, die erste Schaltstufe am Beginn der ersten Halbwelle zu aktivieren und am Ende der ersten Halbwelle zu deaktivieren. Ein derartiges Vorgehen erlaubt die Nutzung der gesamten Energie einer Halbwelle und somit die Verringerung der erforderlichen Schaltzyklen. Zugleich führt eine derartige Ausnutzung einer gesamten Halbwelle zu einer deutlichen Verbesserung bezüglich der von dem Schaltnetzteil verursachten harmonischen Verzerrung. According to an advantageous embodiment, the control circuit is adapted to activate the first switching stage at the beginning of the first half-wave and to deactivate it at the end of the first half-wave. Such a procedure allows the use of the entire energy of a half wave and thus the reduction of the required switching cycles. At the same time, such an utilization of an entire half-wave leads to a significant improvement with respect to the harmonic distortion caused by the switched-mode power supply.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerschaltung des Weiteren dazu eingerichtet, eine vom Ladezustand des Speicherelements abhängige zweite Größe, insbesondere eine Höhe der Zwischenspannung, zu überwachen und in der wenigstens einen Betriebsart den ersten Teilbereich der ersten Halbwelle der primären Wechselspannung zum Aktivieren der ersten Schaltstufe und die Anzahl von Halbwellen der primären Wechselspannung zum Deaktivieren der ersten Schaltstufe in Abhängigkeit der zweiten Größe zu bestimmen. Durch Berücksichtigung des Ladezustands des Speicherelementes kann ein zuverlässiger Betrieb des Schaltnetzteils unter Berücksichtigung einer größtmöglichen Energieeffizienz sichergestellt werden.According to an advantageous embodiment, the control circuit is further configured to monitor a dependent of the state of charge of the memory element second size, in particular a level of the intermediate voltage, and in the at least one mode, the first portion of the first half-wave of the primary AC voltage for activating the first switching stage and determining the number of half-waves of the primary alternating voltage for deactivating the first switching stage as a function of the second variable. By taking into account the state of charge of the memory element, a reliable operation of the switching power supply can be ensured taking into account the highest possible energy efficiency.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Schaltstufe wenigstens ein von der Steuerschaltung ansteuerbares Halbleiterschaltelement zum Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Eingang der ersten Schaltstufe zum Anschluss der primären Wechselspannung und dem Speicherelement auf. Durch die Verwendung eines ersten Halbleiterschaltelements zum Trennen der ersten Schaltstufe kann die Energieaufnahme des Schaltnetzteils aus einem primären Wechselspannungsversorgungsnetzwerk gesteuert werden.According to an advantageous embodiment, the first switching stage at least one controllable by the control circuit semiconductor switching element for disconnecting an electrical connection between an input of the first switching stage for connecting the primary AC voltage and the memory element. By using a first semiconductor switching element to disconnect the first switching stage, the power consumption of the switching power supply can be controlled from a primary AC power supply network.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die erste Schaltstufe wenigstens eine Gleichrichterschaltung zum Umwandeln einer primären Wechselspannung in eine primäre Gleichspannung und wenigstens einen ersten Schaltwandler zur Erzeugung der Zwischenspannung aus der primären Gleichspannung. Dabei ist das wenigstens eine Halbleiterschaltelement zwischen der Gleichrichterschaltung und dem Schaltwandler angeordnet. According to one embodiment, the first switching stage comprises at least one rectifier circuit for converting a primary alternating voltage into a primary direct voltage and at least one first switching converter for generating the intermediate voltage from the primary direct voltage. In this case, the at least one semiconductor switching element is arranged between the rectifier circuit and the switching converter.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, die Höhe der primären Gleichspannung zu überwachen. Eine derartige Anordnung gestattet eine besonders einfache Überwachung eines Zustands der extern angelegten primären Wechselspannung.In an advantageous embodiment, the control circuit is set up to monitor the level of the primary DC voltage. Such an arrangement allows a particularly simple monitoring of a state of the externally applied primary AC voltage.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Steuerschaltung einen Mikrocontroller, wobei der Mikrocontroller dazu eingerichtet ist, eine Schaltschwelle für ein Nachladen des Speicherelements in Abhängigkeit einer Betriebsart und/oder Ausgangsleistung der zweiten Schaltstufe des Schaltnetzteils vorzugeben. Durch das Anpassen von wenigstens einer Schaltschwelle an eine tatsächliche Ausgangsleistung des Schaltnetzteils kann die Nutzung von vorbestimmten Teilen beziehungsweise vollständigen Halbwellen einer primären Wechselspannung sichergestellt werden.According to a further advantageous embodiment, the control circuit comprises a microcontroller, wherein the microcontroller is adapted to specify a switching threshold for recharging the memory element as a function of a mode and / or output power of the second switching stage of the switching power supply. By adapting at least one switching threshold to an actual output power of the switching power supply, the use of predetermined parts or complete half-waves of a primary AC voltage can be ensured.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dient der Mikrocontroller unter anderem zur Ansteuerung einer Schaltung zur Pulsweitenmodulation, die dazu eingerichtet ist, ein pulsweitenmoduliertes Signal zur Ansteuerung wenigstens eines Halbleiterschaltelements des Schaltnetzteils zu erzeugen, wobei der Mikrocontroller dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Betriebsparameter der Schaltung zur Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von der Betriebsart und/oder der Ausgangsleistung der zweiten Schaltstufe des Schaltnetzteils vorzugeben.According to an advantageous embodiment, the microcontroller is used inter alia for driving a circuit for pulse width modulation, which is adapted to generate a pulse width modulated signal for driving at least one semiconductor switching element of the switching power supply, wherein the microcontroller is adapted to at least one operating parameter of the circuit for pulse width modulation in dependence from the operating mode and / or the output power of the second switching stage of the switching power supply to specify.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Arbeitsverfahren für ein Schaltnetzteil zum Erzeugen einer sekundären Gleichspannung aus einer primären Wechselspannung beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Überwachen wenigstens einer von der primären Wechselspannung abhängigen ersten Größe,
- – Aktivieren wenigstens einer ersten Schaltstufe des Schaltnetzteils zur Erzeugung einer gleichgerichteten Zwischenspannung aus der primären Wechselspannung für einen vorbestimmten Teilbereich einer ersten Halbwelle der primären Wechselspannung in Abhängigkeit der ersten Größe,
- – Zwischenspeichern der gleichgerichteten Zwischenspannung in einem Speicherelement,
- – Deaktivieren der wenigstens einen ersten Schaltstufe des Schaltnetzteils für wenigstens eine nachfolgende Halbwelle der primären Wechselspannung und
- – Erzeugen der sekundären Gleichspannung aus der zwischengespeicherten Zwischenspannung des Schaltnetzteils.
- Monitoring at least one of the primary alternating voltage-dependent first variable,
- Activating at least one first switching stage of the switched-mode power supply to generate a rectified intermediate voltage from the primary alternating voltage for a predetermined partial area of a first half-wave of the primary alternating voltage as a function of the first variable,
- Buffering the rectified intermediate voltage in a memory element,
- - Disabling the at least one first switching stage of the switching power supply for at least one subsequent half-wave of the primary AC voltage and
- - Generating the secondary DC voltage from the cached intermediate voltage of the switching power supply.
Durch die oben genannten Verfahrensschritte wird die Aktivierung und Deaktivierung der ersten Schaltstufe mit den Halbwellen einer zur Versorgung des Schaltnetzteils verwendeten primären Wechselspannung synchronisiert. Durch die Verwendung eines vorbestimmten Teils der ersten Halbwelle, insbesondere der gesamten ersten Halbwelle, und die Deaktivierung der ersten Schaltstufe für wenigstens eine nachfolgende Halbwelle werden die Schaltverluste des Schaltnetzteils reduziert und es wird gleichzeitig eine Verringerung einer harmonischen Verzerrung bewirkt.The above-mentioned method steps synchronize the activation and deactivation of the first switching stage with the half-waves of a primary AC voltage used to supply the switching power supply. By using a predetermined part of the first half-wave, in particular the entire first half-wave, and the deactivation of the first switching stage for at least one subsequent half-wave, the switching losses of the switching power supply are reduced and simultaneously causes a reduction of harmonic distortion.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Verfahren den Schritt des Bestimmens einer Aktivierungsfrequenz zum Aktivieren der wenigstens einen ersten Schaltstufe in Abhängigkeit einer Betriebsart und/oder einer Ausgangsleistung der wenigstens einen zweiten Schaltstufe derart, dass die doppelte Frequenz der primären Wechselspannung einem ganzzahligem Vielfachen der bestimmten Aktivierungsfrequenz entspricht.According to an advantageous embodiment, the method comprises the step of determining an activation frequency for activating the at least one first switching stage as a function of an operating mode and / or an output power of the at least one second switching stage such that the double frequency of the primary alternating voltage corresponds to an integer multiple of the determined activation frequency ,
Durch die Bestimmung einer Aktivierungsfrequenz, die in einem harmonischen Verhältnis der Frequenz der zur Versorgung verwendeten Wechselspannung steht, kann die durch das Schaltnetzteil erzeugte harmonische Verzerrung beziehungsweise der zu ihrer Kompensation erforderliche Schaltungsaufwand reduziert werden.By determining an activation frequency which is in a harmonic ratio of the frequency of the alternating voltage used for the supply, the harmonic distortion generated by the switching power supply or the circuitry required for their compensation can be reduced.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen sowie der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen offenbart.Further advantageous embodiments are described in the dependent claims and the disclosed in the following detailed description of exemplary embodiments.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angehängten Figuren näher erläutert. In den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen werden gleiche Bezugsarten für gleiche oder gleichartige Komponenten verwendet.The invention will be explained in more detail with reference to different embodiments with reference to the attached figures. In the different embodiments, the same reference types are used for the same or similar components.
In den Figuren zeigen:In the figures show:
Ein primärer Netzeingang
Das Schaltnetzteil
Bei der Steuerschaltung
Wenn die Steuerschaltung
Es wird darauf hingewiesen, dass das Schaltnetzteil
Um die Leistungsaufnahme des Netzteils gemäß
Die neue Sequenz zur Leistungsübertragung ist in der
Aus der
Des Weiteren ist ersichtlich, dass auch ein Tastverhältnis zur Aktivierung der ersten Schaltstufe
In der
Bei konventioneller Ansteuerung einer ersten Schaltstufe
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zumindest in einem Schwachlastbereich, beispielsweise bei einer Auslastung von weniger als 10 Prozent der maximalen Ausgangsleistung, andere Schaltschwellen verwendet. Hierzu verändert die Steuerschaltung
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird jeweils eine komplette Halbwelle
Anstelle der in den
In einer Ausgestaltung wird die Anpassung der Sequenz der Leistungsübertragung an die aktuelle Ausgangsleistung des Schaltnetzteils
Zur weiteren Verbesserung der Effizienz bei sehr kleinen sekundären Ausgangsleistungen ist es auch möglich, die zweite Schaltstufe
Die Schaltung
Die Logikschaltung
Bei dem Schaltwandler
Wegen der Trennung des Schaltwandlers
In einer vorteilhaften Ausgestaltung überwacht die Logikschaltung
Im Ausführungsbeispiel schaltet die Logikschaltung
Abweichend von der
Zur korrekten Ansteuerung der Transistoren Q3 bis Q6 sowie zum Überwachen des Phasenverlaufs der primären Wechselspannung ist die Logikschaltung
Anstelle der in der
Des Weiteren umfasst die Schaltung
Jede der Schaltungen
Zur Vereinfachung der Schaltung ist es jedoch auch möglich, auf eine vollständige Netztrennung zu verzichten und stattdessen die Spannung VC des Speicherelements
In der Figur ist eine Schaltung
Die bezüglich der einzelnen Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale können in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Obwohl die Schaltungen
Vorteilhaft für die Verringerung der harmonischen Verzerrung des Schaltnetzteils
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Schaltnetzteil Switching Power Supply
- 22
- elektronisches Gerät electronic device
- 33
- Wechselspannungsversorgungsnetzwerk AC power supply network
- 44
- primärer Netzeingang primary power input
- 55
- Gleichrichter rectifier
- 66
- erste Schaltstufe first switching stage
- 77
- Speicherelement storage element
- 88th
- zweite Schaltstufe second switching stage
- 99
- Steuerschaltung control circuit
- 1111
- erste Halbwelle first half wave
- 1212
- zweite Halbwelle second half-wave
- 1313
- dritte Halbwelle third half wave
- 1414
- vierte Halbwelle fourth half-wave
- 2121
- erste Einschaltschwelle first switch-on threshold
- 2222
- erste Ausschaltschwelle first switch-off threshold
- 2323
- zweite Einschaltschwelle second switch-on threshold
- 2424
- zweite Ausschaltschwelle second switch-off threshold
- 3030
- erste Schaltung first circuit
- 3131
- erster Knoten first node
- 3232
- Logikschaltung logic circuit
- 3333
- Schaltwandler switching converters
- 3434
- zweiter Knoten second node
- 3535
- Gleichrichterschaltung Rectifier circuit
- 4040
- zweite Schaltung second circuit
- 4141
- Schaltwandler switching converters
- 4242
- Logikschaltung logic circuit
- 4343
- Gleichrichterschaltung Rectifier circuit
- 5050
- dritte Schaltung third circuit
- 5151
- erste Schaltstufe first switching stage
- 5252
- zweite Schaltstufe second switching stage
- 5353
- Logikschaltung logic circuit
- 6060
- vierte Schaltung fourth circuit
- 6161
- Logikschaltung logic circuit
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