DE102020134243A1 - Quasi-resonant (QR) flyback converter with zero-voltage detection and improved digital control - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen quasi-resonanten (QR) Sperrwandler, der eine Transformatorschaltung mit einer Primärwicklung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Eingangsspannung vom Wechselstromeingang empfängt, eine Sekundärwicklung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Ausgangsspannung an den Gleichstromausgang liefert, und eine Hilfswicklung umfasst, die mit einer primärseitigen Nulldurchgangs-Detektionsschaltung verbunden ist, um mindestens einen Nullspannungszustand in der Hilfswicklung und deren Zeitpunkt zu erfassen. Eine primärseitige Steuerschaltung ist so konfiguriert, dass sie ein Schaltelement zum Ein- und Ausschalten der Eingangsspannung an der Primärwicklung steuert. Ferner ist eine sekundärseitige Steuerschaltung so konfiguriert, dass sie den Pegel der Ausgangsspannung und/oder den Pegel eines dem Gleichstromausgang zugeführten Ausgangsstroms erfasst und den erfassten Ausgangsspannungspegel und/oder den erfassten Ausgangsstrompegel in einem zweiten Antwortsignal an die primärseitige Steuerschaltung überträgt und/oder anzeigt. Die primärseitige Steuerschaltung ist so konfiguriert, dass sie für einen späteren Zyklus die AUS-Dauer bis zum erneuten Einschalten der Eingangsspannung unabhängig von der AUS-Dauer des aktuellen Zyklus auf eine vorkonfigurierte Zeitdauer in Übereinstimmung mit dem Ausgangsspannungspegel und/oder dem Ausgangsstrom- und Eingangsspannungspegel, die jeweils in dem zweiten Antwortsignal empfangen werden, einstellt.The present invention relates to a quasi-resonant (QR) flyback converter that includes a transformer circuit having a primary winding configured to receive an input voltage from the AC input, a secondary winding configured to provide an output voltage to the DC output, and an auxiliary winding connected to a primary side zero crossing detection circuit for detecting at least one zero voltage condition in the auxiliary winding and the timing thereof. A primary-side control circuit is configured to control a switching element to turn on and off the input voltage across the primary winding. Furthermore, a secondary-side control circuit is configured to detect the level of the output voltage and/or the level of an output current supplied to the DC output and to transmit and/or display the detected output voltage level and/or the detected output current level in a second response signal to the primary-side control circuit. The primary-side control circuitry is configured to set the OFF-duration to a pre-configured amount of time in accordance with the output voltage level and/or the output current and input voltage levels for a subsequent cycle, regardless of the OFF-duration of the current cycle, until the input voltage is switched back on again. respectively received in the second response signal.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen quasiresonanten QR-Sperrwandler. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen QR-Sperrwandler mit einer sekundärseitigen Transienten-Lastdetektionsschaltung, die ein zusätzliches Datensignal an die primärseitige Steuerschaltung überträgt, die den QR-Sperrwandler steuert.The present invention relates to a quasi-resonant QR flyback converter. In particular, the invention relates to a QR flyback converter having a secondary-side transient load detection circuit that transmits an additional data signal to the primary-side control circuit that controls the QR flyback converter.
In der Vergangenheit wurden quasiresonante (QR) Sperrwandler aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile breit diskutiert, wie z.B. in
In Bezug auf
Die Primärwicklung Lm der Transformatorschaltung T im beispielhaften QR-Sperrwandler wird mit einer Eingangsspannung aus einer Spannungsversorgung Vin versorgt. Die Primärwicklung Lm ist außerdem mit einem Schaltelement S1 (z. B. einem MOSFET) verbunden, das den in der Primärwicklung fließenden Strom schaltet. Das Schaltelement S1 wird von einem QR-Regler nach einem pulsweitenmodulierten (PWM) Steuersignal mit einstellbarer Periodendauer gesteuert.The primary winding Lm of the transformer circuit T in the exemplary QR flyback converter is supplied with an input voltage from a voltage supply Vin. The primary winding Lm is also connected to a switching element S1 (e.g. a MOSFET) which switches the current flowing in the primary winding. The switching element S1 is controlled by a QR controller according to a pulse width modulated (PWM) control signal with an adjustable period.
Der beispielhafte QR-Sperrwandler enthält auch eine Streuinduktivität L_Streu, die dem Streuanteil der Primärinduktivität Lm entspricht, und eine parasitäre Kapazität Cp, die den parasitären Effekten am Drain des Schaltelements S1 entspricht. Sowohl die Streuinduktivität L_Streu als auch die parasitäre Kapazität Cp sind für parasitäre Effekte während des Betriebs des beispielhaften QR-Sperrwandlers verantwortlich.The example QR flyback converter also includes a stray inductance L_stray, which corresponds to the stray component of the primary inductance Lm, and a parasitic capacitance Cp, which corresponds to the parasitic effects on the drain of the switching element S1. Both the stray inductance L_stray and the parasitic capacitance Cp are responsible for parasitic effects during the operation of the exemplary QR flyback converter.
Ferner liefert die Sekundärwicklung der Transformatorschaltung T im beispielhaften QR-Sperrwandler eine Spannung an die Diode D1, die (nach Gleichrichtung) im Kondensator C1 gespeichert wird, um eine Ausgangsspannung V_AUS an eine Last zu liefern. Außerdem liefert die Hilfswicklung der Transformatorschaltung T ein Entmagnetisierungssignal DEM, das von dem QR-Regler empfangen wird.Also, in the exemplary QR flyback converter, the secondary winding of transformer circuit T provides a voltage to diode D1 that (after rectification) is stored on capacitor C1 to provide an output voltage V_OUT to a load. In addition, the auxiliary winding of the transformer circuit T provides a degaussing signal DEM which is received by the QR controller.
Mit Bezug auf
Zum Zeitpunkt t0 steuert der QR-Regler das Schaltelement S1 so, dass es einen EIN-Zustand annimmt. Dementsprechend steigt der Eingangsstrom in der Primärwicklung Lm an, und die Transformatorschaltung T speichert die Energie in Form des induzierten Magnetfelds.At time t0, the QR controller controls the switching element S1 to assume an ON state. Accordingly, the input current in the primary winding Lm increases, and the transformer circuit T stores the energy in the form of the induced magnetic field.
Anschließend, zum Zeitpunkt t1, steuert der QR-Regler das Schaltelement S1 so, dass es den AUS-Zustand annimmt. Dementsprechend wird die in der Primärwicklung Lm gespeicherte Energie aufgrund der induktiven Kopplung zwischen den Wicklungen auf die Sekundärwicklung der Transformatorschaltung T übertragen.Then, at time t1, the QR controller controls the switching element S1 to be in the OFF state. Accordingly, the energy stored in the primary winding Lm is transferred to the secondary winding of the transformer circuit T due to the inductive coupling between the windings.
Gleichzeitig wird in der Primärwicklung Lm der Transformatorschaltung T ein Rückspeisestrom induziert, so dass das Schaltelement S1 einer höheren Spannung (z. B. Drain-Source-Spannung bei einem MOSFET) ausgesetzt ist als zuvor. Die Höhe der Spitzenspannung wird durch die Streuinduktivität L_Streu, die Spannung Vin und die reflektierte Spannung Vr in der Transformatorschaltung T bestimmt. Die Spannung Vr ist gleich N* V_AUS (bei einem Windungsverhältnis von N:1).At the same time, a reverse current is induced in the primary winding Lm of the transformer circuit T, so that the switching element S1 is subjected to a higher voltage (e.g. drain-source voltage for a MOSFET) than before. The magnitude of the peak voltage is determined by the leakage inductance L_stray, the voltage Vin and the reflected voltage Vr in the transformer circuit T. The voltage Vr is equal to N*V_OUT (at a turns ratio of N:1).
Genauer gesagt schwingt die Spitzenspannung über dem Schaltelement S1 (z. B. Drain-Source-Spannung bei einem MOSFET) aufgrund der Streuinduktivität L_Streu, die der parasitären Kapazität Cp entgegenwirkt.More precisely, the peak voltage across the switching element S1 (e.g. drain-source voltage for a MOSFET) oscillates due to the stray inductance L_stray, which opposes the parasitic capacitance Cp.
Anschließend, zum Zeitpunkt t2, ist die induktive Spitze abgeklungen, und der Spannungspegel am Schaltelement S1 kehrt zu der Spannung Vin plus der reflektierten Spannung Vr zurück, die V1 entspricht. Mit anderen Worten, zu diesem Zeitpunkt t2 ist die Streuinduktivität L_Streu (vollständig) entmagnetisiert.Then, at time t2, the inductive spike has died down and the voltage level across switching element S1 returns to voltage Vin plus the reflected voltage Vr, which corresponds to V1. In other words, at this point in time t2, the stray inductance L_Streu is (completely) demagnetized.
Außerdem wird der Sekundärwicklung der Transformatorschaltung T Energie entzogen, indem sie im Kondensator C1 gespeichert wird, der die Ausgangsspannung V_AUS an die Last liefert. Mit anderen Worten, die Sekundärwicklung beginnt sich zu entmagnetisieren.In addition, energy is extracted from the secondary winding of the transformer circuit T by being stored in the capacitor C1, which provides the output voltage V_OUT to the load. In other words, the secondary winding starts to demagnetize.
Anschließend, zum Zeitpunkt t3, fällt der durch die Diode D1 fließende Ausgangsstrom auf Null und als Reaktion darauf beginnt der Spannungspegel am Schaltelement S1 zu sinken. Dieser Spannungspegel am Schaltelement S1 sinkt zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 bis auf den Pegel der Spannung Vin und aufgrund von Resonanzeffekten sogar weiter bis auf Spannung V2. Zum Zeitpunkt t4 endet die Entmagnetisierung der Primärwicklung Lm.Subsequently, at time t3, the output current flowing through diode D1 falls to zero and in response the voltage level across switching element S1 begins to decrease. This voltage level at switching element S1 falls between times t3 and t4 to the level of voltage Vin and even further to voltage V2 due to resonance effects. At time t4, the demagnetization of the primary winding Lm ends.
Das Absinken des Spannungsniveaus resultiert aus Resonanzeffekten, d. h. aus Energie, die in einem Resonanzkreis aus der Primärwicklung Lm und der parasitären Kapazität Cp schwingt, wobei die Resonanzperiode 2* tV durch Lm und Cp bestimmt wird. Wie in
Bei einem dieser Täler beginnt der QR- Regler erneut mit der Steuerung des Schaltelements, um einen EIN-Zustand anzunehmen. Da in den Tälern der Spannungspegel am Schaltelement S1 (z. B. die Drain-Source-Spannung Vds bei einem MOSFET) Null oder ein lokales Minimum ist, verbessert sich der Wirkungsgrad beim Schalten zu diesem Zeitpunkt. So kann beispielsweise das erste Tal gewählt werden, weil es das kleinste lokale Minimum darstellt.At one of these valleys, the QR controller starts again to control the switching element to assume an ON state. Since the voltage level across the switching element S1 (e.g. the drain-source voltage Vds for a MOSFET) is zero or a local minimum in the valleys, the switching efficiency improves at this time. For example, the first valley can be chosen because it represents the smallest local minimum.
Da das erste Tal jedoch auch die kürzest mögliche Zyklusdauer impliziert, schreibt diese Betriebsart des QR-Sperrwandlers die Übertragung der maximalen Energiemenge über die Zeit vor, unabhängig davon, ob diese von der sekundärseitig angeschlossenen Last benötigt wird oder nicht.However, since the first valley also implies the shortest possible cycle time, this mode of operation of the QR flyback converter dictates the transfer of the maximum amount of energy over time, regardless of whether it is required by the secondary connected load or not.
In der Vergangenheit wurden Fortschritte gemacht, um den Betrieb von konventionellen QR-Sperrwandlern flexibler zu steuern.Advances have been made in the past to more flexibly control the operation of conventional QR flyback converters.
Zunächst wurden herkömmliche QR-Sperrwandler so angepasst, dass sie einen Spannungsdetektor enthalten, der die Spannung Vin erfasst. Da die Eingangsspannung Vin den Strom in der Primärwicklung Lm der Transformatorschaltung T bestimmt, bestimmt sie auch die Energie, die in der Primärwicklung Lm gespeichert und anschließend an die Sekundärwicklung der Transformatorschaltung T übertragen wird. Die ermittelte Höhe der Spannung Vin kann vom QR- Regler verwendet werden, um die geeignete Betriebsart zu wählen.First, traditional QR flyback converters were adapted to include a voltage detector that senses the voltage Vin. Since the input voltage Vin determines the current in the primary winding Lm of the transformer circuit T, it also determines the energy that is stored in the primary winding Lm and subsequently transferred to the secondary winding of the transformer circuit T. The determined level of the voltage Vin can be used by the QR controller to select the appropriate operating mode.
Zweitens wurden herkömmliche QR-Sperrwandler so angepasst, dass sie zusätzlich eine Rückkopplungsschaltung enthalten, der auf der Sekundärseite der Transformatorschaltung T beispielsweise die Spannung V_AUS an einem Speicherkondensator (siehe C1 in
Erfindungsgemäß umfasst jeder Schaltzyklus zunächst eine EIN-Periode (als t_AN bezeichnet) und danach eine AUS-Periode (als t_AUS bezeichnet).According to the invention, each switching cycle first includes an ON period (referred to as t_ON) and then an OFF period (referred to as t_OFF).
Wenn also zum Zeitpunkt t0 von AUS auf EIN geschaltet wird, geht der Betrieb des QR-Sperrwandlers von einem vorhergehenden Schaltzyklus (als t_Zyklus -1 bezeichnet) zu einem anderen (nachfolgenden) aktuellen Zyklus (als t_Zyklus bezeichnet) über. Mit dem Umschalten von AUS auf EIN zum Zeitpunkt t5 geht der Betrieb des QR-Sperrwandlers von dem anderen Zyklus (als t_Zyklus bezeichnet) zu einem noch weiteren (nachfolgenden) Schaltzyklus (als t_Zyklus +1 bezeichnet) über.Thus, when switching from OFF to ON at time t0, QR flyback converter operation transitions from a previous switching cycle (referred to as t_cycle -1) to another (subsequent) current cycle (referred to as t_cycle). With the switch from OFF to ON at time t5, the operation of the QR flyback converter transitions from the other cycle (referred to as t_cycle) to yet another (subsequent) switching cycle (referred to as t_cycle +1).
Beide Fortschritte verbessern nachweislich die Flexibilität des Betriebs von QR-Sperrwandlern, sind jedoch im Vergleich zu schnellen Lasttransienten, die sich aus plötzlichen Laständerungen am Ausgang des herkömmlichen QR-Sperrwandlers ergeben, eher langsam. Both advances have been shown to improve the flexibility of QR flyback converter operation, but are rather slow compared to fast load transients resulting from sudden load changes at the output of the traditional QR flyback converter.
In diesem Zusammenhang ist es die Aufgabe der Erfindung, ein schnelleres und präziseres Antworten im Betrieb des QR-Sperrwandlers zu ermöglichen, und zwar dadurch, dass dem primärseitigen Regler des QR-Sperrwandlers zusätzlich ein weiteres digitales (d.h. zweites) Antwortsignal zur Verfügung gestellt wird.In this context, the object of the invention is to enable faster and more precise responses in the operation of the QR flyback converter by additionally providing the primary-side controller of the QR flyback converter with a further digital (i.e. second) response signal.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein quasi-resonanter (QR) Sperrwandler vorgeschlagen, der einen Wechselstromeingang und einen Gleichstromausgang aufweist. Der QR Sperrwandler umfasst eine Transformatorschaltung mit einer Primärwicklung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Eingangsspannung von dem Wechselstromeingang empfängt, einer Sekundärwicklung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Ausgangsspannung an den Gleichstromausgang liefert, und einer Hilfswicklung, die mit einer primärseitigen Nulldurchgangs-Detektionsschaltung verbunden ist, um mindestens einen Nullspannungszustand in der Hilfswicklung und deren Zeitpunkt zu detektierenAccording to a first aspect of the invention, a quasi-resonant (QR) flyback converter is proposed which has an AC input and a DC output. The QR flyback converter includes a transformer circuit having a primary winding configured to receive an input voltage from the AC input, a secondary winding configured to provide an output voltage to the DC output, and an auxiliary winding having a primary-side zero crossing -Detection circuit is connected to detect at least one zero voltage condition in the auxiliary winding and its timing
Weiter eine primärseitige Steuerschaltung ist so konfiguriert, dass sie ein Schaltelement so steuert, dass das Schaltelement in einem aktuellen Zyklus die Eingangsspannung an der Primärwicklung nacheinander EIN- und AUS- schaltet. Ein Zeitpunkt zum Einschalten der Eingangsspannung ist der Zeitpunkt, an dem die Energieübertragung in den Transformator für den aktuellen Zyklus beginnt, ein Zeitpunkt zum Ausschalten der Eingangsspannung wird so eingestellt, dass ein in der Primärwicklung fließender Strom einen Spitzenstrompegel nicht überschreitet, und ein Zeitpunkt für das erneute Einschalten der Eingangsspannung wird für den nächsten Zyklus synchron mit dem Zeitpunkt des erfassten mindestens einen Nullspannungszustands eingestellt.Further, a primary-side control circuit is configured to control a switching element such that the switching element sequentially turns ON and OFF the input voltage to the primary winding in a current cycle. An input voltage turn-on timing is when energy transfer into the transformer starts for the current cycle, an input voltage turn-off timing is set so that a current flowing in the primary winding does not exceed a peak current level, and a timing for that Turning the input voltage back on is set for the next cycle synchronously with the timing of the detected at least one zero voltage condition.
Zusätzlich wird die AUS-Dauer bis zum erneuten Einschalten der Eingangsspannung eingestellt, indem die AUS-Dauer des Zyklus eines vorkonfigurierten Zeitintervalls entsprechend einem von einem sekundärseitigen Spannungsdetektor übertragenen ersten Antwortsignal variiert wird.In addition, the OFF duration until the input voltage is switched on again is adjusted by varying the OFF duration of the cycle of a preconfigured time interval according to a first response signal transmitted from a secondary-side voltage detector.
Der QR-Sperrwandler ferner umfasst eine sekundärseitige Steuerschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie den Pegel der Ausgangsspannung und/oder den Pegel eines dem Gleichstromausgang zugeführten Ausgangsstroms erfasst, und die so konfiguriert ist, dass sie den erfassten Ausgangsspannungspegel und/oder den erfassten Ausgangsstrompegel jeweils in einem zweiten Antwortsignal an die primärseitige Steuerschaltung überträgt, wobei für den Fall, dass die primärseitige Steuerschaltung das zweite Antwortsignal von der sekundärseitigen Steuerschaltung empfängt, diese so konfiguriert ist, dass sie für einen späteren Zyklus AUS bis zum erneuten schalten EIN der Eingangsspannung unabhängig von der AUS-Dauer des aktuellen Zyklus auf eine vorkonfigurierte Zeitdauer in Übereinstimmung mit dem Ausgangsspannungspegel und/oder dem Ausgangsstrompegel, die jeweils in dem zweiten Antwortsignal empfangen wurden, einstellt.The QR flyback converter further includes a secondary-side control circuit configured to sense the level of the output voltage and/or the level of an output current supplied to the DC output and configured to read the sensed output voltage level and/or the sensed output current level each in a second response signal to the primary-side control circuit, wherein in the event that the primary-side control circuit receives the second response signal from the secondary-side control circuit, this is configured so that it is switched OFF for a later cycle until switched ON again of the input voltage regardless of sets the OFF-duration of the current cycle to a pre-configured time duration in accordance with the output voltage level and/or the output current level respectively received in the second response signal.
Dabei ist zu beachten, dass die Einstellung der AUS-Dauer nicht unbedingt innerhalb eines Betriebszyklus der primärseitigen Steuerschaltung (als Regelzyklus bezeichnet) erfolgt, sondern erst für den folgenden Regelzyklus. Der spätere Schaltzyklus, in dem die AUS-Dauer bis zum Wiedereinschalten der Eingangsspannung unabhängig von der AUS-Dauer des aktuellen Zyklus auf eine vorkonfigurierte Zeitdauer gemäß dem empfangenen mindestens einen zweiten Antwortsignal eingestellt wird, ist demnach beispielsweise ein Schaltzyklus, der zehn Schaltzyklen nach dem Schaltzyklus liegt, in dem das zweite Antwortsignal empfangen wird.It should be noted here that the setting of the OFF duration does not necessarily take place within an operating cycle of the primary-side control circuit (referred to as the control cycle), but only for the following control cycle. The later switching cycle, in which the OFF duration until the input voltage is switched on again, independently of the OFF duration of the current cycle, is set to a preconfigured time duration according to the received at least one second response signal, is therefore, for example, a switching cycle that is ten switching cycles after the switching cycle lies in which the second response signal is received.
Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die Informationen über den Ausgangsstrom und/oder die Ausgangsspannung direkt an die primärseitige Steuerung geliefert werden, so dass die Leistung angepasst werden kann. Die primärseitige Steuerung kann einen leistungsfähigen Mikrocontroller umfassen, während die sekundärseitige Steuerung einen kleineren und weniger anspruchsvollen Mikrocontroller umfassen kann, der im Wesentlichen nur zur Erfassung von Daten, wie der Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms, dient. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung kann das zweite Antwortsignal ein digitales Signal sein, das über eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle an die sekundärseitige Steuerung übertragen wird. Die Kommunikation zwischen der primärseitigen Steuerung und der sekundärseitigen Steuerung kann beispielsweise über eine UART-Kommunikation erfolgen.The advantage of this solution is that the information about the output current and/or the output voltage is provided directly to the primary-side controller, so that the performance can be adjusted. The primary-side controller can include a powerful microcontroller, while the secondary-side controller can include a smaller and less sophisticated microcontroller that essentially only serves to collect data such as the output voltage and/or the output current. According to an example of the present disclosure, the second response signal may be a digital signal transmitted to the secondary-side controller via a bi-directional communication interface. The communication between the primary-side controller and the secondary-side controller can take place, for example, via UART communication.
UART steht für Universal Asynchronous Receiver/Transmitter. UART bezeichnet streng genommen kein Kommunikationsprotokoll wie SPI und I2C, sondern eine physikalische Schaltung in einem Mikrocontroller oder einem eigenständigen IC. Der Hauptzweck eines UART besteht darin, serielle Daten zu senden und zu empfangen. UART verwendet nur zwei Leitungen, um Daten zwischen Geräten zu übertragen. Bei der UART-Kommunikation kommunizieren zwei UARTs direkt miteinander. Der sendende UART wandelt parallele Daten von einem Steuergerät wie einer CPU in serielle Daten um, überträgt sie in serieller Form an den empfangenden UART, der die seriellen Daten dann wieder in parallele Daten für das empfangende Gerät umwandelt. Für die Übertragung von Daten zwischen zwei UARTs sind nur zwei Drähte (allgemeiner: zwei elektrisch leitende Leitungen) erforderlich. Die Daten fließen vom Tx-Pin des sendenden UART zum Rx-Pin des empfangenden UART. Die Kommunikation ist bidirektional.UART stands for Universal Asynchronous Receiver/Transmitter. Strictly speaking, UART does not refer to a communication protocol like SPI and I2C, but to a physical circuit in a microcontroller or a standalone IC. The main purpose of a UART is to send and receive serial data. UART uses only two wires to transfer data between devices. In UART communication, two UARTs communicate directly with each other. The sending UART converts parallel data from a control device such as a CPU into serial data, transmits it in serial form to the receiving UART, which then converts the serial data back into parallel data for the receiving device. Only two wires (more generally: two electrically conductive lines) are required for the transmission of data between two UARTs. Data flows from the Tx pin of the sending UART to the Rx pin of the receiving UART. The communication is bidirectional.
UARTs übertragen Daten asynchron, d. h. es gibt kein Taktsignal, um die Ausgabe von Bits durch den sendenden UART mit der Abtastung von Bits durch den empfangenden UART zu synchronisieren. Anstelle eines Taktsignals fügt der sendende UART dem zu übertragenden Datenpaket Start- und Stoppbits hinzu. Diese Bits definieren den Anfang und das Ende des Datenpakets, so dass der empfangende UART weiß, wann er mit dem Lesen der Bits beginnen muss.UARTs transfer data asynchronously, meaning there is no clock signal to synchronize the sending UART's outputting bits with the receiving UART's sampling of bits. Instead of a clock signal, the sending UART adds start and stop bits to the data packet to be transmitted. These bits define the beginning and end of the data packet, so the receiving UART knows when to start reading the bits.
Wenn der empfangende UART ein Startbit erkennt, beginnt er, die eingehenden Bits mit einer bestimmten Frequenz, der so genannten Baudrate, zu lesen. Die Baudrate ist ein Maß für die Geschwindigkeit der Datenübertragung, ausgedrückt in Bits pro Sekunde (bps). Beide UARTs müssen mit etwa der gleichen Baudrate arbeiten. Die Baudrate zwischen dem sendenden und dem empfangenden UART darf sich nur um etwa 10 % unterscheiden, bevor das Timing der Bits zu weit abweicht.When the receiving UART sees a start bit, it starts reading the incoming bits at a specific frequency, called the baud rate. The baud rate is a measure of the speed of data transmission, expressed in bits per second (bps). Both UARTs must operate at approximately the same baud rate. The baud rate between the sending and receiving UART can only differ by about 10% before the timing of the bits differs too much.
Beide UARTs müssen außerdem so konfiguriert sein, dass sie die gleiche Datenpaketstruktur senden und empfangen. Wie allgemein bekannt, sind die von UART übertragenen Daten in Paketen organisiert. Jedes Paket enthält 1 Startbit, 5 bis 9 Datenbits (je nach UART), ein optionales Paritätsbit und 1 oder 2 Stoppbits.Both UARTs must also be configured to send and receive the same data packet structure. As is well known, the data transmitted by UART is organized in packets. Each packet contains 1 start bit, 5 to 9 data bits (depending on the UART), an optional parity bit, and 1 or 2 stop bits.
Es ist jedoch klar, dass für die Kommunikation zwischen der primärseitigen Steuerung und der sekundärseitigen Steuerung im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch andere Kommunikationsschnittstellen als UARTs verwendet werden können.However, it is understood that communication interfaces other than UARTs may be used for communication between the primary-side controller and the secondary-side controller within the scope of the present disclosure.
Gemäß eines vorteilhaften Beispiels der vorliegenden Offenbarung kann der QR-Sperrwandler ferner eine primärseitige Gleichrichterschaltung, die zwischen den Wechselstromeingang und die Primärwicklung geschaltet ist, und eine weitere sekundärseitige Gleichrichterschaltung, die zwischen die Sekundärwicklung und den Gleichstromausgang geschaltet ist, und/oder eine Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC) umfassen.According to an advantageous example of the present disclosure, the QR flyback converter may further include a primary-side rectifier circuit connected between the AC input and the primary winding and another secondary-side rectifier circuit connected between the secondary winding and the DC output, and/or a power factor correction (PFC ) include.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der QR-Sperrwandler ferner einen primärseitigen Elektrolytkondensator, der zum Puffern der Eingangsspannung konfiguriert ist, und einen weiteren sekundärseitigen Elektrolytkondensator, der zum Puffern der Ausgangsspannung konfiguriert ist.According to a further advantageous embodiment, the QR flyback converter further comprises a primary-side electrolytic capacitor configured to buffer the input voltage and a further secondary-side electrolytic capacitor configured to buffer the output voltage.
Vorteilhafterweise kann das mindestens eine zweite Antwortsignal von der sekundärseitigen Steuerschaltung über einen Optokoppler oder einen Y-Kondensator an die primärseitige Steuerschaltung übertragen werden. Damit ist eine sichere galvanische Trennung von Primär- und Sekundärseite gewährleistet.The at least one second response signal can advantageously be transmitted from the secondary-side control circuit to the primary-side control circuit via an optocoupler or a Y-capacitor. This ensures safe galvanic isolation of the primary and secondary sides.
Darüber hinaus kann die primärseitige Steuerschaltung so konfiguriert sein, dass sie den Spitzenstrompegel für den folgenden Zyklus in Abhängigkeit von dem Pegel des vom Wechselstromeingang des aktuellen Zyklus empfangenen Eingangsspannung bestimmt. Normalerweise bleibt der Spitzenstrompegel ein konstanter vorgegebener Wert. Der Pegel der Eingangsspannung kann jedoch als Verschiebung zu einer Shuntspannung addiert werden. Dann ist die resultierende Spitzenspannung in jedem Schaltzyklus zusätzlich von der tatsächlich anliegenden Eingangsspannung abhängig.Additionally, the primary side control circuitry may be configured to determine the peak current level for the following cycle depending on the level of the input voltage received from the AC input of the current cycle. Normally the peak current level remains a constant predetermined value. However, the level of the input voltage can be added as an offset to a shunt voltage. Then the resulting peak voltage in each switching cycle is also dependent on the actually applied input voltage.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die primärseitige Steuerschaltung so konfiguriert, dass sie in einem Zyklus den Zeitpunkt für das Einschalten der Eingangsspannung synchron einstellt, so dass er dem Zeitpunkt einer der mindestens einen im aktuellen Zyklus von der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung erfassten Nullspannungszuständen entspricht.According to an advantageous embodiment, the primary-side control circuit is configured such that it synchronously adjusts the point in time for switching on the input voltage in a cycle so that it corresponds to the point in time of one of the at least one zero-voltage states detected by the zero-crossing detection circuit in the current cycle.
Gemäß eines weiteren vorteilhaften Beispiels ist das vorkonfigurierte Zeitintervall in der primärseitigen Steuerschaltung entsprechend einer Differenz der Zeitpunkte zwischen zwei aufeinanderfolgend detektierten Nullspannungszuständen konfiguriert, und/oder die vorkonfigurierte Zeitdauer ist in der primärseitigen Steuerschaltung entsprechend dem relativen Zeitpunkt eines Zählwerts der mindestens einen Nullspannungszustände, innerhalb des vorherigen Zyklus, konfiguriert.According to a further advantageous example, the pre-configured time interval is configured in the primary-side control circuit according to a difference in the instants between two consecutively detected zero-voltage states, and/or the pre-configured time duration is configured in the primary-side control circuit according to the relative instant of a count value of the at least one zero-voltage states, within the previous one cycle, configured.
Insbesondere kann der Zählwert des mindestens einen Nullspannungszustands anhand einer Nachschlagetabelle ermittelt werden, wobei die Nachschlagetabelle optional einen Zählwert des mindestens einen Nullspannungszustands für verschiedene Sätze eines Eingangsspannungspegels, eines Ausgangsspannungspegels und/oder eines Ausgangsstrompegels speichert. Der Vorteil der Verwendung solcher Nachschlagetabellen ist darin zu sehen, dass eine Anpassung der Ausgangsleistung besonders schnell und präzise erreicht werden kann. Die in der Nachschlagetabelle gespeicherten Werte können beispielsweise auf der Grundlage von Messungen und charakteristischen Parametern für jedes einzelne Stromversorgungsgerät oder für alle Geräte eines jeden Stromversorgertyps ermittelt werden.In particular, the count of the at least one zero voltage condition may be determined using a lookup table, where the lookup table optionally stores a count of the at least one zero voltage condition for different sets of an input voltage level, an output voltage level, and/or an output current level. The advantage of using such look-up tables is that the output power can be adjusted particularly quickly and precisely. The values stored in the look-up table can be determined, for example, on the basis of measurements and characteristic parameters for each individual power supply device or for all devices of each type of power supply.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel speichert die Nachschlagetabelle einen Zählwert des mindestens einen detektierten Nullspannungszustands in Verbindung mit:
- einem Tupel aus einem Eingangsspannungspegel und einem Ausgangsstrompegel, oder
- einem Triple aus einem Eingangsspannungspegel, einem Ausgangsspannungspegel und einem Ausgangsstrompegel.
- a tuple of an input voltage level and an output current level, or
- a triple of an input voltage level, an output voltage level and an output current level.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der primärseitigen Steuerschaltung und optional bei der sekundärseitigen Steuerschaltung gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung um einen Mikrocontroller.As previously mentioned, the primary side control circuit and optionally the secondary side control circuit is a microcontroller according to an example of the present disclosure.
Gemäß eines weiteren Beispiels der vorliegenden Offenbarung ist die primärseitige Steuerschaltung ausgestaltet, bei Empfang des mindestens einen zweiten Antwortsignals den Regelvorgang zur Einstellung der Ausschaltdauer für einen nachfolgenden Zyklus zu unterbrechen.According to a further example of the present disclosure, the primary-side control circuit is configured, upon receipt of the at least one second response signal, to interrupt the control process for setting the switch-off duration for a subsequent cycle.
Darüber hinaus können die primärseitige Steuerschaltung und die sekundärseitige Steuerschaltung für eine bidirektionale Kommunikation konfiguriert sein, zum Beispiel über UART-Kommunikationsschnittstellen.Furthermore, the primary-side control circuit and the secondary-side control circuit can be configured for bi-directional communication, for example via UART communication interfaces.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die sekundärseitige Steuerschaltung dazu eingerichtet, mindestens ein Steuersignal zu übertragen, wenn eine Änderung des Ausgangsstroms und/oder der Ausgangsspannung einen Schwellenwert überschreitet. Exemplarisch gibt es zwei Arten von Signalen, die von der sekundärseitigen Steuerschaltung an die primärseitige Steuerschaltung übertragen werden. Zum einen können die schnellen Antwortsignale FR_Hoch und FR_Tief von der sekundärseitigen Steuerschaltung an die primärseitige Steuerschaltung übertragen werden, wenn die Laständerung mehr als z. B. 40% des Ausgangsnennstroms beträgt. Sobald die primärseitige Steuerschaltung dieses Antwortsignal empfängt, wird eine Unterbrechung durchgeführt und die Anzahl der Täler direkt in Abhängigkeit von der Eingangsspannung eingestellt. Zweitens kann ein Datensignal von der sekundärseitigen Steuerschaltung an die primärseitige Steuerschaltung übertragen werden, das die Information über den Ausgangsstrom und/oder die Ausgangsspannung enthält. Das Datensignal kann kontinuierlich alle 300 µs gesendet werden. Nach dem Empfang durch die primärseitige Steuerschaltung wird die Talzahl auf der Grundlage der Nachschlagetabelle angepasst.According to a further advantageous embodiment, the secondary-side control circuit is set up to transmit at least one control signal when a change in the output current and/or the output voltage exceeds a threshold value. By way of example, there are two types of signals transmitted from the secondary-side control circuit to the primary-side control circuit. On the one hand, the fast response signals FR_Hoch and FR_Tief can be transmitted from the secondary-side control circuit to the primary-side control circuit when the load change is more than e.g. B. is 40% of the rated output current. As soon as the primary-side control circuit receives this response signal, an interruption is performed and the number of valleys is adjusted directly depending on the input voltage. Secondly, a data signal containing the information about the output current and/or the output voltage can be transmitted from the secondary-side control circuit to the primary-side control circuit. The data signal can be sent continuously every 300 µs. Upon receipt by the primary side control circuit, the valley count is adjusted based on the lookup table.
Mit anderen Worten kann die sekundärseitige Steuerschaltung ferner so konfiguriert sein, dass sie mindestens ein Steuersignal an die primärseitige Steuerschaltung sendet, um eine Übertragung des zweiten Antwortsignals anzuzeigen, und optional ist die sekundärseitige Steuerschaltung so konfiguriert, dass sie das mindestens eine Steuersignal sendet, wenn eine Änderung des erfassten Pegels der Ausgangsspannung und/oder des erfassten Pegels des Ausgangsstroms einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.In other words, the secondary-side control circuit can be further configured to send at least one control signal to the primary-side control circuit to indicate a transmission of the second response signal, and optionally the secondary-side control circuit is configured to send the at least one control signal when a Change in the detected level of the output voltage and / or the detected level of the output current exceeds a predetermined threshold.
Insbesondere kann das zumindest eine Steuersignal von der sekundärseitigen Steuerschaltung über einen Optokoppler oder einen Y-Kondensator an die primärseitige Steuerschaltung (132) übertragen werden.In particular, the at least one control signal can be transmitted from the secondary-side control circuit to the primary-side control circuit (132) via an optocoupler or a Y-capacitor.
Darüber hinaus können mehrere Aspekte der Ausführungsformen - einzeln oder in unterschiedlichen Kombinationen - Lösungen gemäß der vorliegenden Erfindung bilden. Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden genaueren Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen sich gleiche Verweise auf gleiche Elemente beziehen, und wobei:
-
1a zeigt eine schematische Darstellung eines quasiresonanten (QR) Sperrwandlers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; -
1b bis1d erläutert ein Reglungsschema zur Steuerung der vom quasiresonanten (QR) Sperrwandler übertragenen Leistung -
2a und2b stellen Regelungsstrategien für den Betrieb des quasiresonanten (QR) Sperrwandlers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; -
3a zeigt ein schematisches Diagramm eines quasiresonanten (QR) Sperrwandlers gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und -
3b zeigt ein Signaldiagramm des Betriebs des quasiresonanten (QR) Sperrwandlers gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; -
3c zeigt ein anderes Signaldiagramm des Betriebs des quasiresonanten (QR) Sperrwandlers gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; -
3d bis3g zeigen weitere Signaldiagramme des Betriebs des quasiresonanten (QR) Sperrwandlers gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; -
4a bis4f zeigen Signaldiagramme, die verschiedene Szenarien für einen abrupten Lastanstieg illustrieren; -
5a bis5e zeigen Signaldiagramme, die verschiedene Szenarien für einen abrupten Lastabwurf illustrieren; -
6a und6b stellen ein schematisches Diagramm und ein entsprechendes Signaldiagramm des Betriebs eines herkömmlichen QR-Sperrwandlers dar.
-
1a -
1b until1d describes a control scheme for controlling the power transmitted by the quasi-resonant (QR) flyback converter -
2a and2 B illustrate control strategies for operation of the quasi-resonant (QR) flyback converter according to an exemplary embodiment of the invention; -
3a -
3b Figure 12 shows a signal diagram of the operation of the quasi-resonant (QR) flyback converter according to another exemplary embodiment of the invention; -
3c Figure 12 shows another signal diagram of the operation of the quasi-resonant (QR) flyback converter according to another exemplary embodiment of the invention; -
3d until3g Figure 12 shows further signal diagrams of the operation of the quasi-resonant (QR) flyback converter according to another exemplary embodiment of the invention; -
4a until4f show signal diagrams illustrating different scenarios for an abrupt load increase; -
5a until5e show signal diagrams illustrating different scenarios for an abrupt load shedding; -
6a and6b Figure 12 illustrates a schematic diagram and corresponding signal diagram of the operation of a conventional QR flyback converter.
Im Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung verschiedener Ausführungsformen des QR-Sperrwandlers gemäß der Erfindung gegeben. Insbesondere bieten alle Ausführungsformen den Vorteil, dass sie schnell auf Lasttransienten reagieren, die sich aus plötzlichen Änderungen der Belastung des Ausgangs des QR-Sperrwandlers ergeben. In the following a detailed description of different embodiments of the QR flyback converter according to the invention is given. In particular, all embodiments offer the advantage of quickly responding to load transients resulting from sudden changes in the load on the QR flyback converter output.
Erfindungsgemäß umfasst die Transformatorschaltung des QR-Sperrwandlers eine Primärwicklung (oder mehrere Wicklungen) und eine Sekundärwicklung (oder mehrere Wicklungen) mit einem vordefinierten Windungsverhältnis Ns: Np. Die Primär- und die Sekundärwicklung sind galvanisch voneinander getrennt. Die Energieübertragung erfolgt von der Primär- auf die Sekundärwicklung der Transformatorschaltung und umgekehrt durch eine induktive (oder magnetische) Kopplung zwischen beiden.According to the invention, the transformer circuit of the QR flyback converter comprises a primary winding (or several windings) and a secondary winding (or several windings) with a predefined turns ratio Ns:Np. The primary and secondary windings are galvanically isolated from each other. The transfer of energy occurs from the primary to the secondary winding of the transformer circuit and vice versa through an inductive (or magnetic) coupling between the two.
Im Rahmen der Erfindung wird auf die primärseitigen und sekundärseitigen Schaltungen des QR-Sperrwandlers Bezug genommen. Dieser Begriff wird verwendet, um die Schaltungen zu bezeichnen, die entweder auf der Primär- oder auf der Sekundärseite der (galvanischen) Isolationsgrenze der Transformatorschaltung (in den Figuren als gestrichelte Linie dargestellt) angeordnet sind.Within the scope of the invention, reference is made to the primary-side and secondary-side circuits of the QR flyback converter. This term is used to denote the circuits placed either on the primary or on the secondary side of the isolation (galvanic) boundary of the transformer circuit (shown as a dashed line in the figures).
Gemäß der Erfindung umfasst die Transformatorschaltung auch eine Hilfswicklung (oder mehrere Wicklungen) mit einem vorgegebenen Windungsverhältnis Na: Ns (oder Na: Np) in Bezug auf die Sekundärwicklung (oder auf die Primärwicklung). Diese Wicklungen sind ebenfalls galvanisch voneinander isoliert. Insofern wird zumindest ein Teil der Energie, jedoch nicht der Hauptteil der Energie, durch induktive Kopplung von der Sekundärwicklung (oder der Primärwicklung) in die Hilfswicklung aufgenommen.According to the invention, the transformer circuit also comprises an auxiliary winding (or several windings) with a predetermined turns ratio Na:Ns (or Na:Np) with respect to the secondary winding (or to the primary winding). These windings are also galvanically isolated from each other. In this respect, at least part of the energy, but not the main part of the energy, is absorbed by inductive coupling from the secondary winding (or the primary winding) into the auxiliary winding.
Im Rahmen der Erfindung arbeitet der QR-Sperrwandler in Zyklen, wobei jeder Zyklus eine EIN-Dauer und eine AUS-Dauer umfasst. In dieser Hinsicht entspricht der Zeitpunkt, zu dem der QR-Sperrwandler das Umschalten von AUS auf EIN steuert, dem Beginn eines Zyklus. Dementsprechend entspricht der Zeitpunkt, zu dem der QR-Sperrwandler das Umschalten von EIN auf AUS steuert, einem Zwischenzeitpunkt desselben Zyklus.In the context of the invention, the QR flyback converter operates in cycles, each cycle including an ON duration and an OFF duration. In this regard, the time at which the QR flyback converter controls the switch from OFF to ON corresponds to the beginning of a cycle. Accordingly, the timing at which the QR flyback converter controls switching from ON to OFF corresponds to an intermediate timing of the same cycle.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Schaltzyklen (d. h. Schaltzyklen des Schaltelements). Insbesondere wird auf einen vorhergehenden Zyklus, einen aktuellen Zyklus und einen nachfolgenden Zyklus Bezug genommen. Obwohl diese Zyklen direkt aufeinander folgen können, kann ein nachfolgender Zyklus auch nicht direkt folgend sein.The following description refers to switching cycles (i.e. switching cycles of the switching element). In particular, reference is made to a previous cycle, a current cycle, and a subsequent cycle. Although these cycles can be contiguous, a subsequent cycle can also be non-consecutive.
Beispielsweise kann sich der vorhergehende Zyklus auf einen Zyklus mit der Zyklusnummer N beziehen, der aktuelle Zyklus auf einen Zyklus mit der Zyklusnummer N+i (wobei i eine ganze Zahl und größer als 0 ist, z. B. 15) und der nachfolgende Zyklus auf einen Zyklus mit der Zyklusnummer N+j (wobei j eine weitere ganze Zahl größer als 0 ist, z. B. 30).For example, the previous cycle may refer to a cycle with cycle number N, the current cycle to a cycle with cycle number N+i (where i is an integer and greater than 0, e.g. 15) and the following cycle a cycle with cycle number N+j (where j is another integer greater than 0, e.g. 30).
Ob der vorherige Zyklus, der aktuelle Zyklus und der nachfolgende Zyklus direkt aufeinander folgen oder nicht, hängt hauptsächlich von der Verarbeitungsgeschwindigkeit der primärseitigen Steuerschaltung (und/oder der Verarbeitungsgeschwindigkeit der sekundärseitigen Steuerschaltung) ab, die weiter unten näher beschrieben wird. Daraus wird ersichtlich, dass die spezifische Implementierung der primär- oder sekundärseitigen Steuerschaltungen das Regelverhalten, z. B. bei schnellen Lasttransienten, verzögern kann.Whether or not the previous cycle, the current cycle and the following cycle are contiguous depends mainly on the processing speed of the primary-side control circuit (and/or the processing speed of the secondary-side control circuit), which will be described in more detail below. From this it can be seen that the specific implementation of the primary or secondary-side control circuits affects the control behavior, e.g. B. in the case of fast load transients.
Wichtig ist, dass eine solche Verzögerung des Regelverhaltens keinen Einfluss auf die Schaltgeschwindigkeit des Schaltelements hat, d. h. die Geschwindigkeit, mit der die Steuerschaltung das Schaltelement steuert.It is important that such a delay in the control behavior has no influence on the switching speed of the switching element, ie the speed with which the control circuit controls the switching element.
Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Regelzyklen. Unter einem Regelzyklus ist eine wiederkehrende Abfolge von Arbeitsschritten eines Mikrocontrollers zu verstehen, manchmal auch als Maschinenzyklus des Mikrocontrollers bezeichnet.Additionally, the present disclosure relates to control cycles. A control cycle is a recurring sequence of work steps of a microcontroller, sometimes also referred to as the machine cycle of the microcontroller.
In einer beispielhaften Implementierung umfasst die primärseitige Steuerschaltung separate (z.B. dedizierte) Schaltungen, die zur Steuerung des Schaltelements konfiguriert sind. Diese separate Schaltung umfasst u.a. einen Spannungskomparator (z.B. in Form eines Operationsverstärkers), der Spannungseingänge an die Steuerschaltung, z.B. den oben diskutierten Spitzenstromwert, mit einem Referenzspannungswert vergleicht und auf dieser Basis das Schaltelement steuert.In an example implementation, the primary-side control circuitry includes separate (e.g., dedicated) circuitry configured to control the switching element. This separate circuit includes, inter alia, a voltage comparator (e.g. in the form of an operational amplifier) which compares voltage inputs to the control circuit, e.g. the peak current value discussed above, with a reference voltage value and on this basis controls the switching element.
Nun zu einer beispielhaften Ausführungsform eines QR-Sperrwandlers 100:
- In
1a ist eine beispielhafte Ausführungsform des quasiresonanten QR-Sperrwandlers 100 in Form eines schematischen Diagramms dargestellt. Dieses schematische Diagramm zeigt die Funktionsschaltungen des QR-Sperrwandlers als abstrakte Blöcke mit dazwischenliegenden Verbindungen, es ist also kein Schaltplan. Diese Darstellungsform wurde gewählt, um die Wechselwirkungen zwischen den Funktionsschaltungen besser sichtbar zu machen.
- In
1a QR flyback converter 100 is illustrated in schematic diagram form. This schematic diagram shows the functional circuits of the QR flyback converter as abstract blocks with interconnections in between, so it is not a schematic. This form of representation was chosen to make the interactions between the functional circuits more visible.
Der QR-Sperrwandler 100 gemäß der beispielhaften Ausführungsform umfasst einen Wechselstromeingang 102 und einen Gleichstromausgang 104. Mit dem Wechselstromeingang 102 kann der QR-Sperrwandler 100 an eine Netzversorgung angeschlossen werden. Darüber hinaus kann der QR-Sperrwandler 100 mit dem Gleichstromausgang 104 eine Gleichstromlast, wie z. B. ein Industriegerät im Bereich der Industrieautomatisierung, antreiben.The
Der Wechselstromeingang 102 ist so konfiguriert, dass er eine Eingangsspannung empfängt, beispielsweise im Bereich von 0 - 264 Volt AC, vorzugsweise eine der Eingangsspannungen 85 Volt AC, 120 Volt AC, 230 Volt AC und 264 Volt AC. Der Gleichspannungsausgang 104 ist so konfiguriert, dass er eine Ausgangsspannung im Bereich von 0-110 Volt DC liefert, vorzugsweise eine der Ausgangsspannungen 5 Volt DC, 15 Volt DC, 24 Volt DC und 110 Volt DC.The
Der QR-Sperrwandler 100 umfasst auch eine Transformatorschaltung 112 mit einem festen Windungsverhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung (d. h. Ns: Np). Ohne Ein- und Ausschalten (d. h. Schaltelement 126) entspräche der Pegel der Ausgangsspannung also dem Produkt aus dem Pegel der Eingangsspannung mal dem Windungsverhältnis Ns: Np. Durch das Schalten des Schaltelements 126, das ebenfalls im QR-Sperrwandler 100 enthalten ist, kann der Pegel der Ausgangsspannung jedoch variabel eingestellt werden.The
Mit anderen Worten: Trotz des festen Windungsverhältnisses Ns: Np ist der QR-Sperrwandler 100 so konfiguriert, dass er variable Ausgangsspannungspegel liefert. Dies wird dadurch erreicht, dass der QR-Sperrwandler 100 das Schaltelement 126 so steuert, dass eine variable Energiemenge von der Primärwicklung 112-1 auf die Sekundärwicklung 112-2 der Transformatorschaltung 112 übertragen wird.In other words, despite the fixed Ns:Np turns ratio,
Im Folgenden wird der QR-Sperrwandler 100 näher beschrieben:
- In dem QR-
Sperrwandler 100ist der Wechselstromeingang 102 mit einer EMI-Filterschaltung 106 verbunden, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Störungen auf der Eingangswechselspannung reduziert. Verschiedene Implementierungen der EMI-Filterschaltung 106 sind in der Technik bekannt, einschließlich richtig abgestimmter analoger Filterschaltungen, die die Störungen im niedrigen Band reduzieren, und Abschirmungsschaltungen, die dieselben Störungen im hohen Band reduzieren.
- In the
QR flyback converter 100, theAC input 102 is connected to anEMI filter circuit 106 configured to reduce electromagnetic interference on the AC input voltage. Various implementations ofEMI filter circuit 106 are known in the art, including properly tuned analog filter circuits that reduce the low band noise and shielding circuits that reduce the same high band noise.
Die EMI-Filterschaltung 106 ist mit einer Gleichrichterschaltung 108 verbunden, die die Eingangswechselspannung (die gefiltert wurde) in eine konstante Eingangsspannung gleichrichtet. Verschiedene Implementierungen der Gleichrichterschaltung 108 sind in der Technik bekannt, einschließlich eines Vollwellengleichrichters, der in den Figuren beispielhaft dargestellt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit kann die Gleichrichterschaltung 108 auch als primärseitige Gleichrichterschaltung 108 bezeichnet werden.The
Alternativ kann die Gleichrichterschaltung 108 auch direkt an den Wechselstromeingang 102 angeschlossen werden (d. h. ohne die EMI-Filterschaltung 106). Eine solche Konfiguration könnte für einen QR-Sperrwandler empfehlenswert sein, wenn eine geringere Teilezahl erreicht werden muss oder wenn Beschränkungen hinsichtlich der Produktionsgröße und/oder der Produktionskosten eingehalten werden müssen.Alternatively, the
Die Gleichrichterschaltung 108 ist mit einem Elektrolytkondensator 110 (in den Figuren mit elcap abgekürzt) verbunden, der zur Pufferung der (konstanten) Eingangsspannung dient, die dann in der Transformatorschaltung 112 verwendet wird. Alternativ kann der Elektrolytkondensator 110 auch durch einen Keramikkondensator oder einen anderen Kondensator ersetzt werden, sofern eine Entkopplungswirkung erreicht wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit kann der Elektrolytkondensator 110 auch als primärseitiger Elektrolytkondensator 110 bezeichnet werden.The
Der Elektrolytkondensator 110 ist mit einer Transformatorschaltung 112 verbunden, die die Energie der (gleichgerichteten) Eingangsspannung (die ebenfalls entkoppelt wurde) von der Gleichrichterschaltung 108 in Energie umwandelt, die es dem Gleichstromausgang 104 ermöglicht, eine (konstante) Ausgangsspannung zur Ansteuerung einer Last zu liefern.The
Darüber hinaus kann auch eine Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC) vorgesehen werden, wie sie in der Technik bekannt ist. Mit der Leistungsfaktorkorrektur wird der Eingangsstrom von Offline-Stromversorgungen so geformt, dass die aus dem Netz verfügbare Wirkleistung maximiert wird. Die Auswahl an Lösungen für die Leistungsfaktorkorrektur reicht von passiven Schaltungen bis hin zu einer Vielzahl von aktiven Schaltungen. Je nach Leistungspegel und anderen Besonderheiten der Anwendung wird die geeignete Lösung unterschiedlich sein. Die Fortschritte bei den diskreten Halbleitern in den letzten Jahren und die Verfügbarkeit von preisgünstigeren Steuer-ICs haben dazu geführt, dass aktive PFC-Lösungen für eine breitere Palette von Anwendungen besser geeignet sind. Es kann jedoch jede geeignete PFC-Lösung mit den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung kombiniert werden.In addition, a power factor correction (PFC) stage can also be provided, as is known in the art. With power factor correction, the input current of offline power supplies is shaped in such a way that the real power available from the grid is maximized. The choice of power factor correction solutions ranges from passive circuits to a variety of active circuits. Depending on the power level and other specifics of the application, the appropriate solution will vary. Advances in discrete semiconductors in recent years and the availability of lower-cost control ICs have made active PFC solutions more suitable for a wider range of applications. However, any suitable PFC solution can be combined with the principles of the present disclosure.
Im Einzelnen umfasst die Transformatorschaltung 112 die Primärwicklung(en) 112-1, die mit der Gleichrichterschaltung 108 verbunden ist, wobei der Elektrolytkondensator 110 dazwischenliegt. Dementsprechend ist die Primärwicklung 112-1 so konfiguriert, dass sie eine Eingangsspannung (d. h. eine konstante Eingangsspannung) erhält. Diese Eingangsspannung wird letztlich vom Wechselstromeingang 102 geliefert, allerdings als Eingangswechselspannung, und wurde anschließend gleichgerichtet.Specifically, the
Die Transformatorschaltung 112 umfasst auch eine Sekundärwicklung (oder -wicklungen) 112-2, die mit einer weiteren Gleichrichterschaltung 114 verbunden ist, die eine konstante Ausgangsspannung an den Gleichstromausgang 104 liefert. Dementsprechend ist die Sekundärwicklung 112-2 so konfiguriert, dass sie letztlich eine Ausgangsspannung liefert, allerdings als Ausgangswechselspannung, die anschließend gleichgerichtet wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit kann die andere Gleichrichterschaltung 114 auch als sekundärseitige Gleichrichterschaltung 114 bezeichnet werden.The
Ferner enthält die Transformatorschaltung 112 eine Hilfswicklung (oder -wicklungen) 112-3, die mit einer Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 verbunden ist.Further, the
Diese Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 ist so konfiguriert, dass sie mindestens einen Nullspannungszustand (oder ein Tal) der von der Hilfswicklung 112-3 gelieferten Spannung erfasst. Mit anderen Worten, sie erkennt einen Zustand, in dem sich die Hilfswicklung in einem entmagnetisierten Zustand befindet (d. h. in dem kein Strom in der Hilfswicklung 112-3 fließt). Darüber hinaus erfasst die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 den Zeitpunkt (t_Tal) des mindestens einen Nullspannungszustands (oder Tal).This zero crossing detection circuit 116-1 is configured to detect at least one zero voltage condition (or valley) of the voltage provided by the auxiliary winding 112-3. In other words, it detects a condition where the auxiliary winding is in a demagnetized state (i.e., no current flows in the auxiliary winding 112-3). In addition, the zero crossing detection circuit 116-1 detects the time (t_Tal) of the at least one zero voltage condition (or valley).
Der Klarheit halber sei darauf hingewiesen, dass der Nullspannungszustand auch als Tal und der Zeitpunkt als t_Tal bezeichnet werden kann. Dementsprechend kann man mit Blick auf diese Terminologie sagen, dass das Einschalten der Eingangsspannung an der Primärwicklung 112-1 so gesteuert wird, dass es zu einem Zeitpunkt erfolgt, der dem Zeitpunkt eines Tals entspricht, insbesondere synchron mit dem Zeitpunkt (t_Tal) eines Tals eines vorherigen Zyklus. Durch Änderung der Anzahl von Tälern, bei denen die Eingangsspannung eingeschaltet wird, kann die Ausschaltzeit t_AUS geändert werden.For the sake of clarity, it should be noted that the zero voltage state can also be referred to as valley and the time as t_valley. Accordingly, in view of this terminology, it can be said that the turn-on of the input voltage to the primary winding 112-1 is controlled to occur at a time corresponding to the time of a trough, specifically synchronous with the time (t_Tal) of a trough previous cycle. By changing the number of valleys at which the input voltage turns on, the turn-off time t_OFF can be changed.
In einer beispielhaften Implementierung ist die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 so konfiguriert, dass sie in einem Zyklus jeden Nullspannungszustand und deren jeweilige Zeitpunkte erkennt. In einer alternativen Implementierung ist die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 so konfiguriert, dass sie in einem Zyklus nur den ersten Nullspannungszustand und dessen Zeitpunkt während eines AUS-Zustands eines Schaltelements 126 erkennt.In an exemplary implementation, the zero crossing detection circuit 116-1 is configured to detect each zero voltage condition and their respective times in a cycle. In an alternative implementation, zero-crossing detection circuit 116-1 is configured to operate in detects only the first zero voltage state and its timing during an OFF state of a
Wie bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erörtert, ist es für den quasiresonanten Betrieb eines QR-Sperrwandlers nur erforderlich, den ersten Nullspannungszustand (oder das erste Tal) und dessen Zeitpunkt in jedem Zyklus zu erfassen, da die nachfolgenden Nullspannungszustände (oder Täler) in einem konstanten Intervall 2*tV folgen, das der Resonanzfrequenz entspricht, die durch die Induktivität L (siehe L_Streu in
Es ist erwähnenswert, dass das Intervall 2*tV nur unter idealen Bedingungen konstant ist. In der Praxis ist zu beobachten, dass das Intervall 2*tV mit abnehmender Amplitude langsam abnimmt (z. B. die Schwingungsfrequenz steigt). Diese Abnahme ist jedoch nur langsam und zwischen aufeinanderfolgenden Tälern vernachlässigbar.It is worth noting that the
Folglich können, selbst wenn die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 nur das erste Tal erkennt, die Zeitpunkte aller nachfolgenden Täler im AUS-Zustand auf der Grundlage der internen Parameter des QR-Sperrwandlers 100 abgeleitet werden. Alternativ dazu erfasst die Nulldurchgangs- Detektionsschaltung 116-1 in einem Zyklus bis zu 20 Nullspannungszustände und deren jeweilige Zeitpunkte.Consequently, even if the zero-crossing detection circuit 116 - 1 detects only the first valley, the timings of all subsequent OFF-state valleys can be derived based on the internal parameters of the
Darüber hinaus ist die Hilfswicklung 112-3 der Transformatorschaltung 112 mit einer Überspannungsschutzschaltung 116-2 verbunden.In addition, the auxiliary winding 112-3 of the
Diese Überspannungsschutzschaltung 116-2 ist so konfiguriert, dass sie den Pegel der Spannung an der Hilfswicklung 112-3 mit einem vorbestimmten Schwellenwert vergleicht. Wenn dieser Schwellenwert überschritten wird, sendet die Überspannungsschutzschaltung 116-2 ein Überspannungserkennungssignal an die angeschlossene Steuerschaltung 132. Die Steuerschaltung 132 kann zum Beispiel bei Empfang des Überspannungsschutzsignals (sofort) alle Operationen des QR-Sperrwandlers 100 beenden. Da dieser Vorgang hier jedoch nicht im Mittelpunkt steht, wurde aus Gründen der Kürze auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet.This overvoltage protection circuit 116-2 is configured to compare the level of the voltage across the auxiliary winding 112-3 with a predetermined threshold. When this threshold is exceeded, the overvoltage protection circuit 116-2 sends an overvoltage detection signal to the
Die andere Gleichrichterschaltung 114 ist mit einem weiteren Elektrolytkondensator 118 (in den Figuren mit elcap abgekürzt) verbunden, der so konfiguriert ist, dass er die (konstante) Ausgangsspannung puffert, die letztlich dem Gleichstromausgang 102 zugeführt wird. Alternativ kann der Elektrolytkondensator 118 auch durch einen Keramikkondensator oder einen anderen Kondensator ersetzt werden, sofern ein Entkopplungseffekt erzielt wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit kann der andere Elektrolytkondensator 118 auch als sekundärseitiger Elektrolytkondensator 118 bezeichnet werden.The
Im Einzelnen wird die (konstante) Ausgangsspannung von der anderen Gleichrichterschaltung 114 über den anderen Elektrolytkondensator 118, eine Filterschaltung 120 und einen Shunt-Widerstand 122 dem Gleichstromausgang 102 zugeführt.More specifically, the (constant) output voltage from the
Die Filterschaltung 120 ist als Tiefpassfilter für die Ausgangsspannung konfiguriert, die als (erstes) Antwortsignal zum Betrieb des QR-Sperrwandler 100 verwendet wird.The
In einer beispielhaften Implementierung ist die Filterschaltung 120 eine Widerstandskondensator-, RC, Tiefpassfilterschaltung oder eine Induktivitätskondensator-, LC, Tiefpassfilterschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie hochfrequente Transienten in der Ausgangsspannung dämpft. Die Grenzfrequenz der Tiefpassfilterschaltung kann so konfiguriert werden, dass Schalttransienten in der Ausgangsspannung unterdrückt werden, die sich aus dem kontinuierlichen Aus- und Einschalten der Eingangsspannung an der Primärwicklung 112-1 der Transformatorschaltung 112 ergeben. Zu diesem Zweck kann die Grenzfrequenz z. B. 100 Hz betragen.In an example implementation, the
Der Klarheit halber soll betont werden, dass diese Filterschaltung 120 ein Grund für eine langsame Reaktion ist, wenn der QR- Sperrwandler 100 nur auf der Grundlage des (ersten) Antwortsignals arbeitet. Einerseits muss die Filterschaltung 120 ein langes Mittelungsfenster für die (oszillierende) Ausgangsspannung bereitstellen, um gute Filterergebnisse zu erzielen, andererseits führt die Filterung zu einer beträchtlichen Verzögerung des ersten Antwortsignals, die die Ausführungsformen zu lösen versuchen.For the sake of clarity, it should be emphasized that this
Die Filterschaltung 120 ist mit einem Spannungsdetektor 124 verbunden, der den Pegel der Ausgangsspannung zu Zwecken der Spannungsregelung erfasst (in den Figuren als V-Regelschaltung 124 bezeichnet). Im Einzelnen ist der Spannungsdetektor 124 so konfiguriert, dass er den Pegel der tiefpassgefilterten Ausgangsspannung erfasst (oder anpasst) und ein dem erfassten Pegel entsprechendes erstes Antwortsignal an die Primärseite des QR-Sperrwandlers 100 überträgt.The
Der Spannungsdetektor 124 ist ein weiterer Grund für eine langsame Reaktion, wenn der QR-Sperrwandler 100 nur auf der Grundlage des (ersten) Antwortsignals arbeitet. Der Spannungsdetektor 124 ist üblicherweise so eingestellt, dass er mit einer langsamen Regelrate arbeitet, um eine oszillierende Regelung des QR- Sperrwandler 100 zu vermeiden, insbesondere in Situationen, in denen der QR- Sperrwandler 100 mit einer hohen Kapazität am Ausgang versehen ist.The
In einer beispielhaften Implementierung ist der Spannungsdetektor 124 ein Operationsverstärker, der die Ausgangsspannung (nach der Filterung) verstärkt/abschwächt, um sie in das erste Antwortsignal umzuwandeln, das dem Pegel der Ausgangsspannung entspricht.In an example implementation, the
Ferner ist die Filterschaltung 120 auch mit dem Shunt-Widerstand 122 verbunden, der die Erfassung des Ausgangsstroms ermöglicht, der zumindest teilweise dem Strom entspricht, der in der Sekundärwicklung 112-2 der Transformatorschaltung 112 induziert wird und (anschließend) zum Gleichstromausgang 104 fließt, insbesondere dem Ausgangsstrom, der zu einer an den QR-Sperrwandler 100 anzuschließenden Last fließt.Furthermore, the
Es ist klar, dass die Anordnung des Shunt-Widerstand 122 zwischen der Filterschaltung 120 und dem Gleichstromausgang 104 nur eine von mehreren Möglichkeiten ist. Beispielsweise kann der Shunt-Widerstand 122 nicht nur in den Vorwärtspfad (Plus) zum Gleichstromausgang 104, sondern auch in den Rückwärtspfad (Minus) vom Gleichstromausgang 104 zur Sekundärwicklung 112-2 verbunden werden. In beiden Pfaden ermöglicht der Shunt-Widerstand 122 die Erfassung des Ausgangsstroms, der in der Sekundärwicklung 112-2 induziert wird.It is clear that the placement of the
Bei der Transformatorschaltung 112 ist die Primärwicklung 112-1 auch mit dem Schaltelement 126 verbunden. Das Schaltelement 126 ist so konfiguriert, dass es die Eingangsspannung an der Primärwicklung 112-1 nacheinander EIN und AUS schaltet. Mit anderen Worten: Das Schaltelement 126 schaltet den in der Primärwicklung 112-1 fließenden Strom. In einer beispielhaften Implementierung ist das Schaltelement 126 ein MOSFET, ein IGBT, ein Hochspannungs-NPN-Transistor oder ein anderer Leistungsschalt-Feldeffekttransistor (FET). In the
Wenn sich das Schaltelement 126 in einem EIN-Zustand befindet, fließt der Strom vom Wechselstromeingang 102 durch die EMI-Filterschaltung 106, die Gleichrichterschaltung 108, lädt den Elektrolytkondensator 110 auf oder umgeht ihn und fließt in die Primärwicklung 112-1. Von dieser Primärwicklung 112-1 fließt derselbe Strom durch das Schaltelement 126 im EIN-Zustand (d. h. im leitenden Zustand) über einen weiteren Shunt-Widerstand 128 zur Erde.When switching
Wenn sich das Schaltelement 126 im AUS-Zustand befindet, kann außerdem Strom vom Wechselstromeingang 102 durch die EMI-Filterschaltung 106 und die Gleichrichterschaltung 108 fließen, um den Elektrolytkondensator 110 zu laden. Der Strom kann jedoch nicht in die Primärwicklung 112-1 fließen, da er aus dieser nicht austreten kann, wenn sich das Schaltelement 126 im AUS-Zustand (d. h. im nichtleitenden Zustand) befindet.In addition, when switching
Dementsprechend schaltet das Schaltelement 126 die vom Wechselstromeingang 102 gelieferte Eingangsspannung in der Primärwicklung 112-1 EIN oder AUS, wodurch ein Stromfluss in der Primärwicklung 112-1 ermöglicht oder blockiert wird. Kurz gesagt, das Schaltelement 126 schaltet die Eingangsspannung an der Primärwicklung 112-1 EIN und AUS.Accordingly, the switching
Ferner ist eine Dämpfungsschaltung 130 parallel zur Primärwicklung 112-1 geschaltet, und zwar zwischen dem Knoten, der die Primärwicklung 112-1 mit dem Schaltelement 126 verbindet, und dem Knoten, der den Elektrolytkondensator 110 mit der Primärwicklung 112-1 verbindet. Die Dämpfungsschaltung 130 ist so konfiguriert, dass sie Spannungsspitzen beim Ausschalten des Schaltelements 126 verhindert. Außerdem verbessert die Dämpfungsschaltung 130 die elektromagnetische Verträglichkeit. In einer beispielhaften Implementierung ist die Dämpfungsschaltung 130 eine Reihenschaltung aus einer Diode und einem Kondensator, die beide mit einem Widerstand parallelgeschaltet sind, wobei die Diode beim Umschalten von einem EIN- zu einem AUS-Zustand Strom von der Primärwicklung 112-1 in den Elektrolytkondensator 110 leitet.Furthermore, a
Schließlich umfasst der QR-Sperrwandler 100 eine Steuerschaltung 132 auf der Primärseite und eine weitere Steuerschaltung 134 auf der Sekundärseite. Sowohl die primärseitige Steuerschaltung 132 als auch die sekundärseitige Steuerschaltung 134 sind vorteilhaft als Mikrocontroller (in den Figuren mit µC abgekürzt) ausgeführt. Aufgrund der Isolationsgrenze sind beide Mikrocontroller mit separaten linearen Spannungsregulator 136 und 138 verbunden, die jeweils eine Versorgungsspannung (z.B. +5 Volt) zur Verfügung stellen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung besteht die primärseitige Steuerung 132 aus einem leistungsstarken Mikrocontroller, während die sekundärseitige Steuerung 134 aus einem kleineren und weniger anspruchsvollen Mikrocontroller besteht, der im Wesentlichen nur zur Erfassung von Daten, wie der Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms, dient. Finally, the
Vorteilhafterweise ermöglicht die Verwendung von Mikrocontrollern mit niedrigen Betriebsgeschwindigkeiten eine deutliche Reduzierung der Herstellungskosten des QR-Sperrwandlers 100 ohne Kompromisse bei der schnellen Reaktion auf Lasttransienten, die sich aus Änderungen der Belastung des Ausgangs des QR-Sperrwandlers ergeben, wie im Folgenden deutlich wird.Advantageously, the use of microcontrollers with low operating speeds allows for a significant reduction in manufacturing cost of the
Es wird nun näher auf die Steuerschaltung 132 eingegangen:
Die Steuerschaltung 132 istmit dem Elektrolytkondensator 110 verbunden. Damit ist dieSteuerschaltung 132 in der Lage, einen Pegel der Eingangsspannung zu erfassen. Der gleiche Eingangsspannungspegel wird (nacheinander) an die Primärwicklung 112-1 angelegt, nämlich beim Einschalten desSchaltelements 126. Insbesondereerfasst die Steuerschaltung 132 die gleichgerichtete Eingangsspannung, dievon der Gleichrichterschaltung 108 ausgegeben wird, und nicht die Eingangswechselspannung, dievom Wechselstromeingang 102 empfangen wird.
- The
control circuit 132 is connected to theelectrolytic capacitor 110 . With this, thecontrol circuit 132 is able to detect a level of the input voltage. The same input voltage level is (sequentially) applied to the primary winding 112-1, namely when the switchingelement 126 turns on. In particular, thecontrol circuit 132 detects the rectified input voltage that is output from therectifier circuit 108, and not the AC input voltage that is received from theAC input 102 .
Außerdem ist die Steuerschaltung 132 auch mit dem Shunt-Widerstand 128 verbunden. Damit ist die Steuerschaltung 132 in der Lage, einen Strom zu erfassen, der durch das Schaltelement 126 (und die Primärwicklung 112-1) fließt, wenn das Schaltelement 126 eingeschaltet wird. Mit anderen Worten, die Steuerschaltung 132 erfasst den Strom, der durch die Primärwicklung 112-1 und das Schaltelement 126 fließt, wenn sich dieses im EIN-Zustand (d. h. im leitenden Zustand) befindet.In addition, the
Die Erfassung des Eingangsspannungspegels und/oder die Erfassung des in der Primärwicklung 112-1 fließenden Stroms ermöglichen es der Steuerschaltung 132, die Energiemenge zu bestimmen, die von der Primärwicklung 112-1 an die Sekundärwicklung 112-2 der Transformatorschaltung 112 übertragen wird. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass der QR-Sperrwandler 100 unterschiedliche (d. h. variierende) Eingangsspannungen in eine gleiche oder unterschiedliche Ausgangsspannung umwandeln kann.Sensing the input voltage level and/or sensing the current flowing in the primary winding 112 - 1 allows the
Auf der Grundlage des erfassten Stroms kann die Steuerschaltung 132 die in der Transformatorschaltung 112 zu übertragende Energiemenge begrenzen, indem sie ständig überprüft, dass der Strom einen Spitzenstrompegel nicht überschreitet. Dazu vergleicht die Steuerschaltung 132 den über den Shunt-Widerstand 128 erfassten Strom wiederholt mit einem vordefinierten Spitzenstrompegel und steuert vor Überschreiten des Spitzenstrompegels das Ausschalten des Schaltelements 126. Durch die Verschiebung des zum Shuntsignal addierten ersten Antwortsignals wird die übertragene Energiemenge gesteuert.Based on the sensed current, the
Im Einzelnen kann die Steuerschaltung 132 so konfiguriert sein, dass sie den Spitzenstrompegel für den nachfolgenden Zyklus in Abhängigkeit von der Höhe der vom Wechselstromeingang des aktuellen Zyklus empfangenen Eingangsspannung bestimmt. Dadurch kann die Steuerschaltung 132 einen Spitzenspannungspegel bestimmen, der erforderlich ist, um auch bei variierenden Eingangsspannungen eine gleiche Energiemenge an die Sekundärwicklung 112-2 zu übertragen.Specifically, the
Insbesondere ist die Steuerschaltung 132 so konfiguriert, dass sie den Spitzenstrompegel für den folgenden Zyklus in Abhängigkeit von der Höhe der Spannung am Elektrolytkondensator 110 bestimmt. Diese Spannung an dem Elektrolytkondensator 110 entspricht der Eingangsspannung. Wichtig ist, dass der von der Steuerschaltung 132 ermittelte Spitzenstrompegel verhindert, dass die Primärwicklung 112-1 in die Sättigung getrieben wird.In particular, the
Wenn die Steuerschaltung 132 beispielsweise einen geringeren Pegel der Eingangsspannung feststellt, kann die Steuerschaltung 132 die t_AN-Zeit des Schalters entsprechend der zum Shuntsignal hinzugefügten Rückkopplungssignalverschiebung auf eine längere EIN-Zeit einstellen, so dass die gleiche Energiemenge von der Primärwicklung 112-1 zur Sekundärwicklung 112-2 übertragen wird. In einem anderen Beispiel kann die Steuerschaltung 132, wenn sie einen erhöhten Pegel der Eingangsspannung feststellt, die t_AN-Zeit des Schalters auf eine kürzere EIN-Zeit einstellen, so dass auch hier die gleiche Energiemenge über einen Zeitraum von mehreren Schaltzyklen (z. B. mindestens 10 Zyklen) übertragen wird. Der Spitzenstrompegel bleibt immer gleich und wird vom Mikrocontroller 132 für den Vergleich herangezogen.For example, if the
Genauer gesagt, wenn die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 so steuert, dass es in den EIN-Zustand schaltet, beginnt ein Strom durch die Primärwicklung 112-1, das Schaltelement 126 und den Shunt-Widerstand 128 zu fließen und steigt auf einen Spitzenstrompegel an.More specifically, when the
Sobald die Steuerschaltung 132 mit Hilfe des Shunt-Widerstands 128 einen Strom erkennt, der dem Spitzenstrom entspricht, steuert die Steuerschaltung 132 das Schaltelement in einen AUS-Zustand. Mit anderen Worten: Der ermittelte Spitzenstrom legt den Zeitpunkt fest, zu dem die Steuerschaltung 132 die Eingangsspannung an der Primärwicklung ausschaltet.Once the
Genauer gesagt steuert die Steuerschaltung 132 den EIN-Zustand des Schaltelements 126 anhand des vorbestimmten Spitzenstrompegels und des erfassten Stroms, der durch den Shunt-Widerstand 128 fließt. Die Steuerschaltung 132 enthält beispielsweise einen Komparator (z. B. in Form eines Operationsverstärkers), der den vorgegebenen Spitzenstrompegel mit dem erfassten Strom vergleicht.More specifically, the
Wenn das Schaltelement 126 auf EIN schaltet, fließt noch kein Strom durch den Shunt-Widerstand 128. Der Vergleich des detektierten Stroms mit dem vorbestimmten Spitzenstrompegel erzeugt daher einen positiven Ausgang. In diesem Fall steuert die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 so an, dass es im EIN-Zustand bleibt.When the
Nachdem das Schaltelement 128 auf EIN geschaltet wurde, beginnt ein langsam ansteigender Strom durch die Primärwicklung 112-1 und damit auch durch den Shunt-Widerstand 128 zu fließen. Solange der Vergleich des erfassten Stroms mit dem vorgegebenen Spitzenstrompegel ein positives Ausgangssignal erzeugt, steuert die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 so, dass es im EIN-Zustand bleibt.After the
Zu einem bestimmten Zeitpunkt übersteigt der langsam ansteigende Strom, der durch die Primärwicklung 112-1 und den Shunt-Widerstand 128 fließt, den vorgegebenen Spitzenstrompegel. Dann wird das Vergleichsergebnis zu einem negativen Ausgang, und die Steuerschaltung 132 steuert das Schaltelement 126 so, dass es in den AUS-Zustand schaltet. Durch den Vergleich des Stroms durch den Shunt-Widerstand 128 mit einem vorbestimmten Spitzenstrompegel steuert die Steuerschaltung 132 also die Dauer des EIN-Zustands.At a certain point in time, the slowly increasing current flowing through the primary winding 112-1 and the
Die obige Beschreibung bezieht sich auf den vereinfachten Fall, dass (nur) der Strom, der durch den Shunt-Widerstand 128 fließt, von der Steuerschaltung 132 erfasst wird. Beim QR-Sperrwandler 100 entspricht der von der Steuerschaltung 132 erfasste Strom dem Strom durch den Shunt-Widerstand 128 und ist mit einer Verschiebung überlagert. Die Verschiebung entspricht einer verstärkten Version des ersten Antwortsignals.The above description refers to the simplified case that (only) the current flowing through the
Zu diesem Zweck ist der Shunt-Widerstand 128 an eine Rückkopplungsschaltung 142 angeschlossen. Die Rückkopplungsschaltung 142 liefert die verstärkte Version eines ersten Antwortsignals (auf das weiter unten näher eingegangen wird). Dieses Ausgangssignal wird mit dem Signal kombiniert (z. B. überlagert), das dem durch den Shunt-Widerstand 128 fließenden Strom entspricht. Mit anderen Worten: Die Steuerschaltung 132 erfasst eine Kombination aus dem durch den Shunt-Widerstand 128 fließenden Strom verschoben durch das erste Antwortsignal.The
Das erste Antwortsignal kann vorzugsweise Werte zwischen 0 V und 5 V annehmen. Über einen Spannungsteiler wird diese Spannung an das Shuntsignal angepasst. Je höher die Verschiebung ist, desto stärker wird die Einschaltzeit reduziert, und je niedriger die Verschiebung ist, desto länger ist die Einschaltzeit des Schalters. Wenn z. B. das erste Antwortsignal einen hohen Wert hat, wird der durch den Shunt-Widerstand 128 fließende Strom aufgrund der Überlagerung um eine hohe Verschiebung erhöht. Die Steuerschaltung 132 erkennt viel früher einen Strom, der über den vorgegebenen Spitzenstrompegel hinausgeht. Daher steuert die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 wesentlich früher an, um vom EIN- in den AUS-Zustand zu schalten. Die EIN-Dauer wird kürzer.The first response signal can preferably assume values between 0V and 5V. This voltage is adjusted to the shunt signal via a voltage divider. The higher the offset, the more the turn-on time is reduced, and the lower the offset, the longer the turn-on time of the switch. if e.g. For example, when the first response signal is high, the current flowing through the
In einem anderen Beispiel wird, wenn das erste Antwortsignal einen niedrigen Wert hat, aufgrund der Überlagerung der erfasste Strom, der durch den Shunt-Widerstand 128 fließt, um eine niedrige Verschiebung verringert. Die Steuerschaltung 132 erkennt erst viel später einen Strom, der über den vorgegebenen Spitzenstrompegel hinausgeht. Daher steuert die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 viel später, um vom EIN- in den AUS-Zustand zu schalten. Die EIN-Dauer wird länger. Mit anderen Worten: Das erste Antwortsignal ist die dem Shuntsignal überlagerte Verschiebung und bewirkt, dass die Ausschaltschwelle „Spitzenstrompegel“ früher erreicht wird, so dass der Schalter 126 früher ausschaltet. Die Erkennung der Ausschaltbedingung folgt immer der untenstehenden Beziehung:
Wichtig ist, dass die Filterschaltung 120 und der Spannungsdetektor 124 langsam sind und nur eine verhältnismäßig kleine Verschiebung in Form des ersten Antwortsignals liefern. Außerdem benötigen die Steuerschaltungen mehrere Regelzyklen, um die Zeitwerte bei Bedarf zurückzusetzen. Daher erlaubt diese Regelung kein ausreichend schnelles Regelverhalten auf Lasttransienten.Importantly, the
Die Steuerschaltung 132 ist auch mit einer Gate-Treiberschaltung 140 verbunden. Damit ist die Steuerschaltung 132 in der Lage, das Schaltelement 126 anzusteuern. Dies ist notwendig, wenn die Steuerschaltung 132 selbst nicht in der Lage ist, das Schaltelement 126 (direkt) mit einem geeigneten Bereich von Steuerspannungen zu versorgen. In einer alternativen Konfiguration ist die Steuerschaltung 132 so konfiguriert, dass sie das Schaltelement 126 direkt ansteuert.The
Zusätzlich ist die Steuerschaltung 132 mit der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 verbunden. Damit ist die Steuerschaltung 132 in der Lage, das Schaltelement 126 in einem Zyklus so anzusteuern, dass der Zeitpunkt für das Einschalten der Eingangsspannung synchron mit dem Zeitpunkt des mindestens einen Nulldurchgangszustands (oder des Tals) eingestellt wird, der von der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 erfasst wird.In addition, the
Mit anderen Worten, die Steuerschaltung 132 ist so konfiguriert, dass sie in einem Schaltzyklus das Schaltelement 126 ansteuert, um die Eingangsspannung von AUS auf EIN zu schalten (d. h. die AUS-Dauer zu definieren), wenn ein Nullspannungszustand (oder ein Tal) vorliegt, nämlich wenn sich die Primärwicklung 112-1 in einem entmagnetisierten Zustand befindet. Mit anderen Worten: Der Zeitpunkt für das Einschalten der Eingangsspannung wird synchron zu den von der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 im Zyklus erfassten Tälern festgelegt. Durch Änderung der Anzahl der Täler, bei denen die Eingangsspannung eingeschaltet wird, kann die Ausschaltzeit t_AUS geändert werden. Eine solche Änderung der Anzahl von Tälern kann von der Steuerschaltung 132 während eines Regelzyklus für einen der folgenden Regelzyklen vorgenommen werden.In other words, the
Im Rahmen der Erfindung ist der Ausdruck „synchron“ so zu verstehen, dass er sich auf einen (bestimmten) Zeitpunkt bezieht, der dem Zeitpunkt (siehe t_Tal in
Wenn die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 beispielsweise nur einen einzigen Nullspannungszustand oder ein einziges Tal im Zyklus erkennt, dann ist der Ausdruck „synchron“ eindeutig so zu verstehen, dass er sich auf diesen (spezifischen) Zeitpunkt bezieht. Wenn die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 beispielsweise mehrere, beispielsweise 10 Nullspannungszustände im Zyklus erkennt, dann kann der Ausdruck „synchron“ so verstanden werden, dass er sich auf jeden dieser (spezifischen) Zeitpunkte bezieht.For example, if the zero crossing detection circuit 116-1 detects only a single zero voltage condition or valley in the cycle, then the term "synchronous" is clearly understood to refer to that (specific) point in time. For example, if the zero crossing detection circuit 116-1 detects multiple, for example 10, zero voltage states in the cycle, then the term "synchronous" can be understood as referring to each of these (specific) points in time.
Dadurch wird die Schalteffizienz des QR-Sperrwandlers 100 im Vergleich zum Schalten zu verschiedenen Zeitpunkten ohne Nullspannungszustand (oder Tal) verbessert.This improves the switching efficiency of the
Wenn sich die Primärwicklung 112-1 zum Zeitpunkt des Schaltens in einem entmagnetisierten Zustand befindet und die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 einen Nullspannungszustand erkennt, ist das Schaltelement 126 einem minimalen Spannungspegel ausgesetzt, der von der Sekundärwicklung 112-2 zur Primärwicklung 112-1 reflektiert wird. Somit wird beim Einschalten des Schaltelements 126 nur der minimale Spannungspegel gegen Masse entladen, was zu einer verbesserten Schalteffizienz führt.If the primary winding 112-1 is in a demagnetized state at the time of switching and the zero crossing detection circuit 116-1 detects a zero voltage condition, the switching
Wenn die Steuerschaltung 132 so konfiguriert ist, dass sie das Schaltelement 126 synchron mit dem erkannten Nullspannungszustand schaltet, wird dies allgemein als Quasi-Resonanzbetrieb verstanden, d. h. als Spezifizierung des Betriebs des QR-Sperrwandlers 100. Mit anderen Worten, der Ausdruck quasiresonanter Sperrwandler, QR, schreibt dem Sperrwandler der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform bereits - inhärent - vor, dass er einen quasiresonanten Betrieb unterstützt.When the
Der Klarheit halber soll noch einmal betont werden, dass ein quasiresonanter Betrieb eines Sperrwandlers jedoch nicht vorschreibt, zu welchem genauen Zeitpunkt (d. h. in welchem Tal) das Schaltelement 126 gesteuert wird, um von AUS auf EIN zu schalten. Mit anderen Worten, da es zahlreiche wiederholt auftretende Nullspannungszustände (oder Täler) zum Schalten des Schaltelements 126 zu den verschiedenen Zeitpunkten der Nullspannungszustände gibt, muss der genaue Zeitpunkt in der Steuerschaltung 132 weiter bestimmt werden.Again, for the sake of clarity, quasi-resonant operation of a flyback converter does not dictate the exact time (i.e., valley) at which the
Zu diesem Zweck empfängt die Steuerschaltung 132 ein erstes Antwortsignal (in den Figuren als Rückkopplung bezeichnet), das auf der Sekundärseite der Transformatorschaltung 112 erfasst wird. In Abhängigkeit von diesem ersten Antwortsignal bestimmt die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer der Eingangsspannung am Schaltelement 126, d. h. die Dauer, wie lange kein Strom durch die Primärwicklung 112-1 fließt, wodurch die auf die Sekundärwicklung 112-2 übertragene Energiemenge bestimmt wird.To this end, the
Ferner steuert die Steuerschaltung 132 die Dauer des Ausschaltens, d. h. bis zum Einschalten, synchron mit dem Zeitpunkt (t Tal in
Dies wird dadurch erreicht, dass die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 so steuert, dass es von AUS auf EIN schaltet (Definition der AUS-Dauer), indem sie die AUS-Dauer in Inkrementen oder Dekrementen eines vorkonfigurierten Zeitintervalls variiert, z. B. in Inkrementen oder Dekrementen von 2*tV. Diese Variation der AUS-Dauer wird von der Steuerschaltung 132 in Abhängigkeit von dem ersten Antwortsignal bestimmt. So kann beispielsweise der Zeitpunkt für das Einschalten der Eingangsspannung vom Einschalten beim ersten Tal zum Einschalten beim dritten Tal geändert werden. Für eine solche Änderung des Einschaltzeitpunkts sind mehrere Regelzyklen erforderlich, da die in den jeweiligen Zeiteinheiten gespeicherten Werte auf die gewünschten neuen Werte gesetzt werden müssen.This is achieved by the
Wenn die Steuerschaltung 132 beispielsweise ein erstes Antwortsignal empfängt, das eine Verringerung des Ausgangsspannungspegels anzeigt, dann bestimmt die Steuerschaltung 132, dass die AUS-Dauer um das vorkonfigurierte Zeitintervall, z. B. 2*tV, verringert wird, während die Steuerschaltung 132, wenn sie ein erstes Antwortsignal empfängt, das eine Erhöhung des Ausgangsspannungspegels anzeigt, bestimmt, dass die AUS-Dauer um das (gleiche) vorkonfigurierte Zeitintervall, z. B. 2*tV, erhöht wird.For example, if the
Im Anschluss an dieses Beispiel kann die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer wie folgt herabsetzen. Angenommen, die AUS-Dauer wurde so bestimmt, dass sie dem zehnten Nullspannungszustand oder Tal entspricht, dann kann die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer so verringern, dass sie dem neunten Nullspannungszustand oder Tal entspricht. Diese Verringerung entspricht dem vorkonfigurierten Zeitintervall, z. B. 2*tV. Die Änderung des Zeitpunkts für das Wiedereinschalten der Eingangsspannung dauert mehrere Regelzyklen, so dass das erfindungsgemäße schnelle Antwortsignal erforderlich ist.Following this example, the
Auch in diesem Beispiel kann die Steuerschaltung 132 die Ausschaltdauer wie folgt erhöhen. Angenommen, die AUS-Dauer wurde beispielsweise so bestimmt, dass sie dem fünfzehnten Nullspannungszustand oder Tal entspricht, dann kann die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer so erhöhen, dass sie dem sechzehnten Nullspannungszustand oder Tal entspricht. Diese Erhöhung entspricht wiederum dem vorkonfigurierten Zeitintervall, z. B. 2*tV.Also in this example, the
Das Zeitintervall (z. B. 2*tV in
Um auf das obige Beispiel zurückzukommen, wird das Zeitintervall so vorkonfiguriert, dass es der Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten (t_Tal) von (genau) zwei aufeinanderfolgenden Nullspannungszuständen entspricht, nämlich dem Zeitintervall 2*tV. Dann erhöht/verringert die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer durch Addition/Subtraktion der Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten der (genau) zwei aufeinanderfolgende Nullspannungszustände.Coming back to the example above, the time interval is preconfigured to correspond to the time difference between the instants (t_Tal) of (precisely) two consecutive zero voltages stands, namely the
In einer alternativen Implementierung enthält die Steuerschaltung 132 eine Zählerschaltung, die für jeden Zyklus die von der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 erkannten Nullspannungszustände (oder Täler) zählt und die Gesamtzahl der gezählten Nullspannungszustände mit der festgelegten Zielanzahl von Nullspannungszuständen vergleicht. Wenn die Steuerschaltung 132 feststellt, dass die Zielanzahl der Nullspannungszustände erreicht ist, steuert sie das Schaltelement 126, um vom AUS- in den EIN-Zustand zu wechseln (AUS-Dauer).In an alternative implementation,
Bei dieser Implementierung erhöht/verringert die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer, indem sie die Zielanzahl der Nullspannungszustände variiert. Empfängt die Steuerschaltung 132 ein erstes Antwortsignal, das eine Verringerung des Ausgangsspannungspegels anzeigt, dann verringert die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer, indem sie die Zielanzahl der Nullspannungszustände entsprechend der vorkonfigurierten Anzahl verringert. Empfängt die Steuerschaltung 132 ein erstes Antwortsignal, das eine Erhöhung des Ausgangsspannungspegels anzeigt, dann erhöht die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer, indem sie die Zielanzahl der Nullspannungszustände entsprechend der vorkonfigurierten Anzahl erhöht.In this implementation, the
Da das Zeitintervall (z.B. 2*tV in
Im Einzelnen empfängt die Steuerschaltung 132 das erste Antwortsignal vom Spannungsdetektor 124 auf der Sekundärseite der Transformatorschaltung 112. Der Spannungsdetektor 124 erfasst den Pegel der Ausgangsspannung auf der Sekundärseite und leitet dann ein entsprechendes erstes Antwortsignal über einen Optokoppler 144 an die Primärseite der Transformatorschaltung 112 weiter.Specifically, the
Der Optokoppler 144 dient der Aufrechterhaltung der (galvanischen) Isolationsgrenze zwischen der Primär- und der Sekundärseite der Transformatorschaltung 112. Dies ist jedoch nur eine von verschiedenen alternativen Implementierungen für die Weiterleitung des ersten Antwortsignals über die (galvanische) Isolationsgrenze. Das erste Antwortsignal kann zum Beispiel auch über einen Y-Kondensator übertragen werden.The
Auf der Primärseite wird das erste Antwortsignal von der Steuerschaltung 132 empfangen. Insbesondere wird das erste Antwortsignal zunächst von einer Rückkopplungsschaltung 142 empfangen. Das erste Antwortsignal kann aufgrund der Versorgungsspannung (üblicherweise +5V) des Optokopplers 144 einen Spannungspegel zwischen 0V und 5V haben. Die Rückkopplungsschaltung 142 erzeugt als Bypass mittels eines Spannungsteilers ein Verschiebungssignal für die Shunt-Spannung, wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch ersichtlich wird. Optional kann die Rückkopplungsschaltung 142 auch das erste Antwortsignal des Optokopplers 144 verstärken und/oder filtern und dann das aufbereitete Signal der Steuerschaltung 132 zuführen, wodurch Schwingungen und unerwünschte transiente Signale reduziert werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das erste Antwortsignal einen Pegelbereich hat, der für die Erfassung durch die Steuerschaltung 132 geeignet ist.The first response signal is received by the
Zusätzlich ist die Rückkopplungsschaltung 142 mit dem Shunt-Widerstand 138 verbunden. Mit dieser Verbindung liefert die Rückkopplungsschaltung 142 die (optional konditionierte) Version des ersten Antwortsignals als Verschiebung bei der Erfassung des Stroms, der durch den Shunt-Widerstand 128 fließt. Mit anderen Worten, das erste Antwortsignal verschiebt den von der Steuerschaltung 132 zu erfassenden Strom, wodurch die EIN-Dauer eingestellt wird, nämlich dann, wenn die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 vom EIN- in den AUS-Zustand steuert.In addition, the
Das erste Antwortsignal ist jedoch langsam (z. B. aufgrund der ersten Filterschaltung 120 und aufgrund der Verarbeitung im Spannungsdetektor 124) und nicht in der Lage, schnelle Lasttransienten am Gleichstromausgang 104 widerzuspiegeln. Dementsprechend kann die Steuerschaltung 132 mit diesem ersten Antwortsignal den Zeitpunkt des Einschaltens der Eingangsspannung an der Primärwicklung 112-1 nur ungenau (d. h. mit einer großen Zeitverzögerung) festlegen. Außerdem sind auch die Vorgänge innerhalb des Mikrocontrollers, der die Steuerschaltung 132 bildet, langsamer als die Schaltzyklen. Wie bereits erwähnt, erfordert die Änderung des Zeitpunkts des Einschaltens der Eingangsspannung mehrere Regelzyklen.However, the first response signal is slow (e.g., due to the
Zur genaueren und schnelleren Bestimmung des Zeitpunkts für das Einschalten der Eingangsspannung empfängt die primärseitige Steuerschaltung 132 ein digitales schnelles (zweites) Antwortsignal von der anderen Steuerschaltung 134 auf der Sekundärseite. Das schnelle (zweite) Antwortsignal ermöglicht eine schnellere Anpassung der Regelparameter an veränderte Lastbedingungen als mit dem ersten Antwortsignal allein. Vorteilhafterweise erfasst der sekundärseitige Mikrocontroller Ausgangsdaten, wie z.B. Daten, die den Ausgangsstrom und/oder Daten, der die Ausgangsspannung anzeigen. Der sekundärseitige Mikrocontroller kann eine Kommunikationsschnittstelle, z. B. einen UART, zur Übertragung dieser Daten an die primärseitige Steuerung umfassen. Die primärseitige Steuerung kann dann über eine Nachschlagetabelle die optimalen Regelparameter abrufen. Dadurch kann eine besonders schnelle Anpassung der Ausgangsleistung erreicht werden.In order to more accurately and quickly determine when to turn on the input voltage, the primary
Der Klarheit halber soll in diesem Zusammenhang betont werden, dass das zweite Antwortsignal, das von der anderen Steuerschaltung 134 an die Steuerschaltung 132 übertragen wird, in der vorliegenden Ausführungsform nicht als Ersatz für das erste Antwortsignal angesehen werden kann. Vielmehr beruht diese Ausführungsform auf dem Verständnis, dass das zweite Antwortsignal das erste Antwortsignal in bestimmten Situationen ergänzt, nämlich im Falle schneller Lasttransienten.For the sake of clarity, it should be emphasized in this connection that the second response signal, which is transmitted from the
Nun zur sekundärseitigen Steuerschaltung 134 im Einzelnen:
Die weitere Steuerschaltung 134 ist auf der Sekundärseite derTransformatorschaltung 112 vorgesehen und ist dazu ausgebildet, dieSteuerschaltung 132 auf der Primärseite zu unterstützen. Insbesondere unterstützt dieSteuerschaltung 134 derSekundärseite die Steuerschaltung 132 beim Auftreten schneller Lasttransienten (d. h. schnelle Lastschritte oder schneller Lastabwurf). Zu diesem Zweck ist dieSteuerschaltung 134 kommunikativmit der Steuerschaltung 132 gekoppelt und stellt diesem ein zweites Antwortsignal zur Verfügung.
- The
further control circuit 134 is provided on the secondary side of thetransformer circuit 112 and is configured to support thecontrol circuit 132 on the primary side. In particular, the secondaryside control circuit 134 assists thecontrol circuit 132 in the event of rapid load transients (ie, rapid load steps or rapid load shedding). For this purpose, thecontrol circuit 134 is communicatively coupled to thecontrol circuit 132 and provides it with a second response signal.
In einer beispielhaften Implementierung sind die Steuerschaltung 134 und die Steuerschaltung 132 gekoppelt, um eine Datenkommunikation zu ermöglichen, optional eine bidirektionale Datenkommunikation. In dieser beispielhaften Ausführung kann die bidirektionale Kommunikation über einen universellen asynchronen Empfänger-Sender (UART) erfolgen, der sowohl in der Steuerschaltung 132 als auch in der Steuerschaltung 134 enthalten ist.In an example implementation,
Insbesondere ist, wie in
Im Einzelnen ist die sekundärseitige Steuerschaltung 134 mit dem Gleichstromausgang 104 verbunden und so konfiguriert, dass sie einen Pegel der von der Sekundärwicklung 112-2 an den Gleichstromausgang 104 gelieferten Ausgangsspannung erfasst. Der ermittelte Pegel der Ausgangsspannung entspricht demjenigen am Gleichstromausgang 104. Darüber hinaus ist die Steuerschaltung 134 mit dem Shunt-Widerstand 122 verbunden und so konfiguriert, dass sie einen Pegel des Ausgangsstroms erfasst, der in der Sekundärwicklung 112-2 induziert und somit ebenfalls an den Gleichstromausgang 104 geliefert wird. Der erfasste Pegel des Ausgangsstroms entspricht demjenigen am Gleichstromausgang 104.Specifically, the secondary
Dementsprechend ist die sekundärseitige Steuerschaltung 134 konfiguriert, um den Pegel der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms zu detektieren und somit kann sie schnelle Lasttransienten erkennen. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 134 so konfiguriert sein, dass sie ein zweites Antwortsignal (insbesondere) sendet, wenn die Änderung des erfassten Pegels der Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet (d. h. höher ist als dieser). Die Steuerschaltung 134 jedoch kann auch so konfiguriert sein, dass sie das zweite Antwortsignal nicht nur unter bestimmten Bedingungen sendet.Accordingly, the secondary
Die Steuerschaltung 134 ist dann so konfiguriert, dass sie das zweite Antwortsignal einschließlich des erfassten Ausgangsspannungspegels und/oder des erfassten Ausgangsstrompegels an die Steuerschaltung 132 auf der Primärseite übermittelt. Mit anderen Worten, das zweite Antwortsignal ist ein Datensignal (kein Steuersignal), das als Daten mindestens den erfassten Ausgangsspannungspegel oder den erfassten Ausgangsstrompegel enthält. In dieser Hinsicht ist die Steuerschaltung 132 in der Lage, das zweite Antwortsignal, einschließlich des erfassten Ausgangsspannungspegels und/oder des erfassten Ausgangsstrompegels, mit einer kurzen Übertragungsverzögerung zu empfangen, die erheblich kürzer ist als die Zeitverzögerung des ersten Antwortsignals.The
In Abhängigkeit von dem empfangenen zweiten Antwortsignal, einschließlich des erfassten Ausgangsspannungspegels und/oder Ausgangsstrompegels ist die primärseitige Steuerschaltung 132 dazu eingerichtet, für den nachfolgenden Zyklus die Dauer des Ausschaltens des Schaltelements 126 auf einen vorkonfigurierten Zeitpunkt einzustellen. Die primärseitige Steuerschaltung 132 kann mit Hilfe einer Nachschlagetabelle den optimalen Betriebspunkt der Stromversorgung für die jeweiligen Ausgangswerte ermitteln.Depending on the second response signal received, including the detected output voltage level and/or output current level, the primary-
Insbesondere wird dieser Zeitpunkt in der Steuerschaltung 132 so vorkonfiguriert, dass er unabhängig von der Dauer des Ausschaltens der Eingangsspannung während des vorherigen Zyklus ist. Beispielsweise kann der vorkonfigurierte Zeitpunkt die Dauer des Ausschaltens der Eingangsspannung entsprechend dem (absoluten) Zeitpunkt eines bestimmten (z. B. ersten/zweiten) Nullspannungszustands (oder eines ersten/zweiten Tals) festlegen, der von der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 erkannt wird.In particular, this point in time is preconfigured in the
Eine schnelle Lasttransiente tritt unabhängig von irgendwelchen Zyklusgrenzen auf. Der Erkennungsvorgang durch die Steuerschaltung 134 auf der Sekundärseite und die Übertragung an die Steuerschaltung 132 auf der Primärseite ist also nicht unbedingt abgeschlossen, bevor die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 im aktuellen Zyklus ansteuert. Mit anderen Worten: Selbst wenn die schnelle Lasttransiente im vorherigen Zyklus auftritt, kann eine entsprechende Reaktion der primären Steuerschaltung 132 im nachfolgenden Zyklus nicht gewährleistet werden. Daher legt die Steuerschaltung 132 die Dauer des Abschaltens der Eingangsspannung nur für den nachfolgenden Zyklus fest.A fast load transient occurs independent of any cycle boundaries. Thus, the detection process by the
Eine solche Ausgestaltung der Steuerschaltung 132 stellt sicher, dass die Ansteuerung des Schaltelements 126 immer nach dem Empfang des mindestens einen zweiten Antwortsignals erfolgt, und zwar unabhängig vom aktuellen Zyklus. Dabei beeinflusst das zweite Antwortsignal (nur) die AUS-Dauer des nachfolgenden Zyklus. Somit kann das zweite Antwortsignal auch während des Startbetriebs verwendet werden. Insbesondere kann eine vorkonfigurierte Zeitdauer von der Steuerschaltung 132 verwendet werden, unabhängig davon, ob dieselbe Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 unmittelbar zuvor gesteuert hat oder nicht. Da der Mikrocontroller langsamer ist, werden immer mehrere Schaltzyklen mit den gleichen Taleinstellungen durchgeführt. Der Ein- und Ausschaltzeitpunkt kann aufgrund des Signals V_Rückkopplung innerhalb eines Prozessor-(Regel-)zyklus nur geringfügig geändert werden.Such an embodiment of the
In einer beispielhaften Implementierung wird die Zeitdauer in der Steuerschaltung 132 für das erste des mindestens einen zweiten Antwortsignals (als FR_Hoch bezeichnet) so vorkonfiguriert, dass sie einem Zeitpunkt eines ersten/zweiten Nullspannungszustands (oder eines ersten/zweiten Tals) entspricht. Diese vorkonfigurierte Zeitdauer kann dann von der Steuerschaltung 132 als Reaktion auf den Empfang des ersten des mindestens einen zweiten Antwortsignals (als FR_Hoch bezeichnet) verwendet werden, das einen schnellen Lasttransienten-Anstieg der angeschlossenen Last anzeigt.In an example implementation, the time duration in the
In einer anderen beispielhaften Implementierung wird die Zeitdauer in der Steuerschaltung 132 für das zweite des mindestens einen zweiten Antwortsignals (als FR_Tief bezeichnet) so vorkonfiguriert, dass sie einem Zeitpunkt eines zwanzigsten/dreißigsten Nullspannungszustands (oder einem zwanzigsten/dreißigsten Tal) entspricht. Diese vorkonfigurierte Zeitdauer kann dann von der Steuerschaltung 132 als Reaktion auf den Empfang des zweiten der mindestens einen zweiten Antwortsignale (als FR_Tief bezeichnet) verwendet werden, das einen schnellen Lasttransienten-Abnahme der angeschlossenen Last anzeigt.In another example implementation, the time duration in
In einer beispielhaften Implementierung bestimmt die Steuerschaltung 132 den Zählwert (d. h. nicht das Timing) des mindestens einen Nullspannungszustands (oder Tals) auf der Grundlage einer Nachschlagetabelle. Mit anderen Worten, die Steuerschaltung 132 speichert eine Nachschlagetabelle, die eine eindeutige Zuordnung zu verschiedenen Zählwerten liefert. Mit diesem Zählwert bestimmt die Steuerschaltung 132 dann die vorkonfigurierte Zeitdauer, entsprechend der die AUS-Dauer für den nächsten Zyklus eingestellt wird.In an example implementation, the
Beispielsweise kann die Nachschlagetabelle einen (eindeutigen) Zählwert (nicht das Timing) des mindestens einen Nullspannungszustands (oder Tals) für verschiedene Sätze eines Eingangsspannungspegels, eines Ausgangsspannungspegels und/oder eines Ausgangsstrompegels speichern. Somit kann die Steuerschaltung 132, die den Eingangsspannungspegel durch ihre Verbindung mit dem Elektrolytkondensator erfasst hat und in dem zweiten Antwortsignal den erfassten Ausgangsspannungspegel und/oder den erfassten Ausgangsstrompegel empfangen hat, mit der Nachschlagetabelle den entsprechenden Zählwert bestimmen, um die AUS-Dauer für den nächsten Zyklus entsprechend einzustellen.For example, the lookup table may provide a (unique) count (not the timing) of the at least one zero voltage state (or valley) for different sets of an input voltage level, an output voltage level and/or an output current level. Thus, the
In einem ausführlicheren Beispiel kann die Nachschlagetabelle einen (eindeutigen) Zählwert des mindestens einen Nullspannungszustands speichern, der entweder einem Tupel (Satz mit zwei Elementen) aus einem Eingangs-Spannungspegel und einem Ausgangsstrompegel oder einem Tripel (Satz mit drei Elementen) aus einem Eingangsspannungspegel, einem Ausgangsspannungspegel und einem Ausgangsstrompegel zugeordnet ist.In a more detailed example, the lookup table may store a (unique) count of the at least one zero voltage state, which is either a tuple (two element set) of an input voltage level and an output current level, or a triple (three element set) of an input voltage level, a Output voltage level and an output current level is assigned.
Unter Bezugnahme auf die
In
Nun zu beispielhaften Regelungsstrategien des QR-Sperrwandlers 100:
- Unter Bezugnahme auf die
2a und2b sollen verschiedene Regelungsstrategien des QR-Sperrwandlers 100 gemäß der beispielhaften Ausführungsform näher erläutert werden. Insbesondere wird in den2a und2b der Inhalt einer Nachschlagetabelle für Zählwerte des mindestens einen Nullspannungszustands visuell dargestellt.
- Referring to the
2a and2 1, various control strategies of theB QR flyback converter 100 according to the exemplary embodiment will be explained in more detail. In particular, in the2a and2 B visually representing the contents of a look-up table for counts of the at least one zero voltage condition.
In beiden Abbildungen sind Assoziationen eines (eindeutigen) Zählwerts mit einem Eingangsspannungspegel (in VAC) und einem Ausgangsstrompegel (als I_nom bezeichnet) dargestellt.Both figures show associations of a (unique) count with an input voltage level (in VAC) and an output current level (denoted as I_nom).
Nehmen wir in Bezug auf
Dann erkennt die Steuerschaltung 134 auf der Sekundärseite eine schnelle Lasttransiente, die aus einem Anstieg der Belastung des Gleichstromausgangs 104 resultiert. Insbesondere erfasst die Steuerschaltung 134 den Pegel der Ausgangsspannung über die Verbindung mit dem Gleichstromausgang 104 und den Pegel des Ausgangsstroms über die Verbindung mit dem Shunt-widerstand 122 und leitet auf dieser Grundlage das zweite Antwortsignal an die primärseitige Steuerschaltung 132 weiter, die den erfassten Ausgangsspannungspegel und/oder den erfassten Ausgangsstrompegel empfängt, die in dem zweiten Antwortsignal enthalten sind.Then the
Beim Empfang des zweiten Antwortsignals ist die primärseitige Steuerschaltung 132 so konfiguriert, dass sie für den nächsten Zyklus (nicht den Zyklus, in dem sie das zweite Antwortsignal empfangen hat) die AUS-Dauer, d. h. bis zum Einschalten der Eingangsspannung, auf eine vorkonfigurierte Zeitdauer einstellt, die unabhängig von der AUS-Dauer des Zyklus ist, in dem das zweite Antwortsignal empfangen wird. Mit anderen Worten: Durch den Empfang des Antwortsignals unterbricht die primärseitige Steuerschaltung 132 die Abhängigkeit zwischen der AUS-Dauer eines Zyklus und der AUS-Dauer des nächsten Zyklus.Upon receipt of the second response signal, the primary-
Insbesondere bezieht sich die Steuerschaltung 132 auf der Primärseite auf eine Nachschlagetabelle (entsprechend
Folglich steuert die primärseitige Steuerschaltung 132 zum Zeitpunkt t2 das Schaltelement 126 so, dass das Schaltelement 126 synchron mit dem Zeitpunkt des vierten Nullspannungszustands (oder des vierten Tals) des vorherigen Zyklus von AUS auf EIN schaltet. In dieser Hinsicht führt die Erfassung eines 50%igen Anstiegs des Ausgangsstroms dazu, dass die primärseitige Steuerschaltung 132 bei erfasster konstanter Eingangsspannung von 230 VAC das Schaltelement von einer AUS-Dauer, die dem Zeitpunkt dem zehnten Nullspannungszustand (oder dem zehnten Tal) entspricht, auf eine AUS-Dauer steuert, die dem Zeitpunkt des dritten Nullspannungszustands (oder dem dritten Tal) entspricht.Thus, at time t2, the primary
Auf diese Weise kann eine schnelle Reaktion auf eine erhöhte Belastung in nur drei aufeinanderfolgenden Zyklen sichergestellt werden, indem die sekundärseitige Steuerschaltung 134 in einem ersten Zyklus die erhöhte Belastung erfasst und dann im selben ersten oder zweiten Zyklus das zweite Antwortsignal an die primärseitige Steuerschaltung 132 sendet, die dann im zweiten Zyklus die entsprechende AUS-Dauer für den dritten Zyklus einstellt. Es ist daher unmittelbar ersichtlich, dass das zweite Antwortsignal den QR-Sperrwandler 100 in die Lage versetzt, schnell auf Lasttransienten zu reagieren, die sich aus plötzlichen Änderungen der Belastung des Ausgangs ergeben.In this way, a fast reaction to an increased load can be ensured in only three consecutive cycles by the secondary-
Nehmen wir in Bezug auf
Nun zu einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines QR-Sperrwandlers:
- Mit Bezug auf
3a ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform des quasiresonanten QR-Sperrwandlers 200 in Form eines schematischen Diagramms dargestellt. Auch dieses schematische Diagramm zeigt die Funktionsschaltungen des QR-Sperrwandlers als abstrakte Blöcke mit dazwischenliegenden Verbindungen, es ist also kein Schaltplan. Diese Darstellungsform wurde gewählt, um die Interaktion zwischen den funktionalen Schaltungen besser sichtbar zu machen.
- Regarding
3a QR flyback converter 200 is shown in schematic diagram form. Again, this schematic diagram shows the functional circuits of the QR flyback converter as abstract blocks with interconnections in between, so it's not a schematic. This form of representation was chosen to make the interaction between the functional circuits more visible.
Der QR-Sperrwandler 200 der anderen beispielhaften Ausführungsform ist dem QR-Sperrwandler 100 sehr ähnlich, wobei aus Gründen der Kürze auf die Beschreibung der gleichen Funktionsschaltungen oder deren Zusammenschaltung verzichtet wurde. Darüber hinaus unterscheidet sich der QR-Sperrwandler 200 von dem QR-Sperrwandler 100 dadurch, dass die primärseitige Steuerschaltung 132 und die sekundärseitige Steuerschaltung nicht nur das zweite Antwortsignal, sondern auch mindestens ein (zusätzliches) Steuersignal (in der Figur als FR_Hoch und FR_Tief bezeichnet) austauschen.The
Der Übersichtlichkeit halber sei betont, dass es sich bei dem zweiten Antwortsignal um ein Datensignal handelt, wie oben im Detail erläutert, und das mindestens eine Steuersignal kein Datensignal, sondern ein Steuersignal ist. In dieser Hinsicht ist es unmittelbar ersichtlich, dass das zweite Antwortsignal und das Steuersignal nicht für denselben Zweck verwendet werden können.For the sake of clarity, it should be emphasized that the second response signal is a data signal, as explained in detail above, and the at least one control signal is not a data signal but a control signal. In this regard, it is immediately apparent that the second response signal and the control signal cannot be used for the same purpose.
Insbesondere wird das mindestens eine Steuersignal (bezeichnet als FR_Hoch und FR_Tief) von der sekundärseitigen Steuerschaltung 134 an die primärseitige Steuerschaltung 132 übertragen, um auf große Lasttransienten vor einer (nachfolgenden) Übertragung des zweiten Antwortsignals zu reagieren. Nach Empfang des mindestens einen Steuersignals kann die primärseitige Steuerschaltung für den Empfang des zweiten Antwortsignals bereitgestellt werden. Das Steuersignal FR_Hoch, FR_Tief wird insbesondere bei großen Lastsprüngen und/oder Lastabwürfen (z.B. bei einer Differenz von mehr als 40% des Ausgangsnennstroms l_AUS) verwendet. Der Grund dafür ist, dass sie noch schneller ist als die Datenübertragung von der Sekundärseite zur Primärseite. Die Datenübertragung kann bis zu 300 µs nach der Lasttransiente dauern. Bei diesem Steuersignal kann die Anzahl der Täler nur in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U_IN eingestellt werden, da noch keine Informationen über die Ausgangsspannung U_AUS oder den Ausgangsstrom I_AUS vorliegen. Daher wird die Anzahl der Täler in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U_IN auf den höchstmöglichen Wert oder einen Wert niedriger als der höchstmögliche Wert eingestellt. Bei einer Eingangsspannung von 85 VAC kann die Anzahl der Täler beispielsweise 1 oder 2 betragen, bei einer Eingangsspannung von 120 VAC kann die Anzahl der Täler 2 oder 3 betragen, bei einer Eingangsspannung von 230 VAC kann die Anzahl der Täler 4 oder 5 betragen (siehe
Nach dem Empfang des Datensignals wird die Anzahl der Täler zusätzlich in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U_AUS und/oder dem Ausgangsstrom I_AUS verändert. Dadurch kann bei großen Lastsprüngen oder Lastabwürfen eine besonders schnelle Reaktion und zusätzlich eine sehr kurze Einschwingzeit erreicht werden.After the data signal has been received, the number of valleys is also changed as a function of the output voltage U_OUT and/or the output current I_OUT. In the event of large load jumps or load shedding, a particularly fast reaction and, in addition, a very short settling time can be achieved as a result.
Zur Übertragung des mindestens einen Steuersignals sind die primärseitige Steuerschaltung 132 und die sekundärseitige Steuerschaltung 134 über Y-Kondensatoren 250 und 252 miteinander verbunden, wobei die eine ein Steuersignal (als FR_Hoch bezeichnet) weiterleitet, das eine Erhöhung der Belastung des Gleichstromausgangs 104 anzeigt, und die zweite ein Steuersignal (als FR_Tief bezeichnet), das (auch) eine Verringerung der Belastung anzeigt. Die Steuersignale FR_Hoch und FR_Tief werden verwendet, um noch schneller auf eine Erhöhung oder Verringerung der Last zu reagieren.To transmit the at least one control signal, the primary-
Trotz der Konfiguration mit zwei getrennten Steuersignalen senden/empfangen die Steuerschaltungen 134 und 132 das gleiche formatierte zweite Antwortsignal, lediglich mit unterschiedlichen Lastdaten. Mit den getrennten Steuersignalen FR_Hoch und FR_Tief kann dem primärseitigen Steuersignal 132 (zusätzlich) angezeigt werden, ob eine sprunghafte Lastzunahme oder -abnahme stattgefunden hat.Despite being configured with two separate control signals, the
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die sekundärseitige Steuerschaltung 134 dazu ausgebildet, das mindestens eine Steuersignal (bezeichnet als FR_Hoch und FR_Tief) zu senden, wenn eine Veränderung des erfassten Pegels der Ausgangsspannung und/oder des erfassten Pegels des Ausgangsstroms einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. In dieser Hinsicht kann die Übertragung des zweiten Antwortsignals auf die Fälle beschränkt werden, in denen eine schnelle Lasttransiente festgestellt wurde.In an exemplary embodiment, the secondary-
Dies ist jedoch nur einer von vielen alternativen Mechanismen, um die primärseitige Steuerschaltung 132 für den Empfang des zweiten Antwortsignals von der sekundärseitigen Steuerschaltung 134 bereit zu machen. In einer anderen Alternative, die sich von dieser Ausführungsform unterscheidet, fordert die primärseitige Steuerschaltung 132 (wiederholt) die Übertragung des zweiten Antwortsignals (zum Beispiel in einem vorkonfigurierten Intervall) über eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle an, die zwischen der primärseitigen Steuerschaltung 132 und der sekundärseitigen Steuerschaltung 134 konfiguriert ist.However, this is only one of many alternative mechanisms for making the primary-
Nach Erhalt des zweiten Antwortsignals führt die primärseitige Steuerschaltung 132 die gleiche Steuerung des Schaltelements 126 durch, wie sie zuvor in Bezug auf die beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde. Wesentliche Aspekte dieser Arbeitsweise des QR-Sperrwandlers 200 sollen anhand von
Untereinander sind in
In
Dann wird der QR-Sperrwandler 200 an eine Last angeschlossen und zum Zeitpunkt t1 geht der QR-Sperrwandler 200 von einem Zustand ohne Last zu einem Zustand mit hoher Last über. Dies zeigt sich darin, dass der Ausgangsstrom von einem niedrigen auf einen hohen Wert ansteigt. Mit anderen Worten, der QR-Sperrwandler 200 muss in diesem Beispiel mit einer schnellen Lasttransiente fertig werden.Then, the
Der Übergang in den Hochlastzustand wirkt sich vor allem auf den Ausgangsstrom aus und nicht die Ausgangsspannung, die im Wesentlichen konstant bleibt. Dieses Verhalten resultiert aus der Tatsache, dass der QR-Sperrwandler 200 mit einem ausreichend großen Elektrolytkondensator 118 konfiguriert ist, der den Anstieg des Ausgangsstroms von der Ausgangsspannung am Gleichstromausgang 104 entkoppelt.The transition to the high-load state primarily affects the output current and not the output voltage, which remains essentially constant. This behavior results from the fact that the
Da die Steuerschaltung 134 auf der Sekundärseite kontinuierlich die Höhe der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms erfasst, stellt sie zum Zeitpunkt t1 auch einen steigenden Pegel des Ausgangsstroms fest. Der Zeitpunkt t1 ist im Übrigen nur einer von vielen Erfassungszeitpunkten, auf die sich die folgenden Ausführungen konzentrieren sollen.Since the
Zum Zeitpunkt t1 stellt die Steuerschaltung 134 fest, dass die erfasste Änderung des Pegels des Ausgangsstroms einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert kann in der Steuerschaltung 134 vorbestimmt werden, um eine Erhöhung und/oder eine Verringerung des Lastzustands feststellen zu können. Zumindest bei Überschreiten des Schwellenwerts ist die Steuerschaltung 134 so konfiguriert, dass sie den erfassten Ausgangsspannungspegel und den erfassten Ausgangsstrompegel an die primärseitige Steuerschaltung 132 übermittelt.At time t1, the
Zuerst sendet die Steuerschaltung 134 auf der Sekundärseite mindestens ein Steuersignal an die Steuerschaltung 132 auf der Primärseite. Für den erhöhten Lastzustand sendet die Steuerschaltung 134 ein entsprechendes Steuersignal mit der Bezeichnung FR_Hoch an die Steuerschaltung 132. Dieses mindestens eine Steuersignal wird von der Steuerschaltung 134 über den Y-Kondensator 248 (oder 250) an die Steuerschaltung 132 übertragen, was den Zeitpunkt verzögert, zu dem es von der Steuerschaltung 132 erkannt werden kann..First, the
Zum Zeitpunkt t2 empfängt die Steuerschaltung 132 das mindestens eine Steuersignal. In diesem Beispiel hat das Steuersignal die Form eines Impulses mit einem hohen Signalpegel, einer steilen Anstiegsflanke und einer steilen Abfallflanke. Dadurch kann der Zeitpunkt t2 von der Steuerschaltung 132 leicht erkannt werden. Mit anderen Worten, es kann leicht von den Signaltransienten des Steuersignals (wie vom Zeitpunkt t3 an gezeigt) unterschieden werden, die daraus resultieren, dass die Steuerschaltung 134 Änderungen in der Ausgangsspannung während des Normalbetriebs des QR-Sperrwandlers 200 detektiert.At time t2, the
Wie bereits erwähnt, empfängt die primärseitige Steuerschaltung 132 nach dem Empfang des mindestens einen Steuersignals FR_Hoch, FR_Tief, das zur Bewältigung großer Lastsprünge und/oder Lastabwürfe verwendet wird, zum in
Zum Zeitpunkt t6 bestimmt die Steuerschaltung 132 einen Zählwert gleich 1 für das Einschalten synchron zu den Zeitpunkten (t_Tal) der Nulldurchgangszustände (oder Täler) in Übereinstimmung mit dem empfangenen Ausgangsspannungspegel und/oder Ausgangsstrompegel, die im zweiten Antwortsignal enthalten sind. Mit anderen Worten: Auf der Grundlage des zweiten Antwortsignals ermittelt die Steuerschaltung 132 zunächst den entsprechenden Zählwert und bestimmt dann dessen relatives Timing, so dass es als vorkonfigurierte Zeitdauer für den nächsten Zyklus (t_Zyklus+1) verwendet werden kann.At time t6, the
Aufgrund der erheblichen Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt t1, zu dem die primärseitige Steuerschaltung 132 auf den zunehmenden Lastzustand aufmerksam gemacht wird, und der entsprechenden Konfiguration des Schaltelements 126 durch entsprechendes Einstellen der Ausschaltdauer zum Zeitpunkt t3, beginnt diese andere beispielhafte Ausführungsform des QR-Sperrwandlers 200 (bereits) mit dem Empfang des mindestens einen Steuersignals zu arbeiten.Due to the significant delay between the time t1 at which the primary-
Mit anderen Worten: In dieser anderen beispielhaften Ausführungsform des QR-Sperrwandlers 200 ist die Steuerschaltung 132 so konfiguriert, dass sie das Schaltelement 126 nur auf der Grundlage des mindestens einen Steuersignals steuert (nämlich zwischen den Zeitpunkten t1 und t6), während die Steuerschaltung 132 zum Zeitpunkt t6 so konfiguriert ist, dass sie das Schaltelement 132 in Reaktion auf das zweite Steuersignal steuert. Dadurch kann ein noch schnelleres Ansprechen und eine kürzere Einstellzeit bis zum Erreichen des Beharrungszustandes gewährleistet werden.In other words, in this other example embodiment of the
Demensprechend unterbricht die Steuerschaltung 132 zum Zeitpunkt t2 ihre Verarbeitung, um die AUS-Dauer für einen nachfolgenden Zyklus, d. h. die Dauer bis zum Einschalten der Eingangsspannung, auf eine vorkonfigurierte Zeitdauer einzustellen. Die vorkonfigurierte Zeitdauer ist unabhängig von der AUS-Dauer des aktuellen Zyklus. Mit anderen Worten: Selbst wenn die Steuerschaltung 132 den Betrieb noch nicht aufgenommen hat, bestimmt sie die AUS-Dauer für den nachfolgenden Zyklus entsprechend einem vorkonfigurierten Wert.Accordingly, at time t2, the
In diesem speziellen Beispiel wird die AUS-Dauer von der Steuerschaltung 132 so eingestellt, dass sie dem Zeitpunkt des zweiten Nullspannungszustandes (oder zweiten Tals) entspricht. Dies ist in der Figur während des nachfolgenden Zyklus zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 zu erkennen. In diesem nachfolgenden Zyklus steuert die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 tatsächlich so, dass es zu einem Zeitpunkt von AUS auf EIN schaltet, der dem erkannten Zeitpunkt des zweiten Nullspannungszustandes (oder des zweiten Tals) entspricht.In this particular example, the OFF duration is adjusted by the
Darüber hinaus wird der Spitzenstrompegel durch einen Referenzspannungswert definiert, der z. B. hardwaremäßig eingestellt wird. Der interne Komparator der primärseitigen Steuerschaltung 132 vergleicht die Spannung am Shunt 128 mit dem Referenzspannungswert. Überschreitet die Shunt-spannung den Referenzspannungswert, wird die Eingangsspannung abgeschaltet. Die Dauer der EIN-Zeit t_AN ergibt sich somit aus der vom Komparator vorgegebenen Ausschaltbedingung.In addition, the peak current level is defined by a reference voltage value, e.g. B. is set by hardware. The internal comparator of the primary-
Zusätzlich kann eine maximale Einschaltdauer eingestellt werden. Diese maximale Einschaltdauer kann als Schutzmaßnahme angesehen werden. Wenn der Regler den Spitzenstrom I_Spitze nicht richtig erkennt, wird die Eingangsspannung nach Ablauf der maximalen EIN-Zeit trotzdem abgeschaltet. Somit wird das Gerät auch im Fehlerfall nicht beschädigt. Die maximale Einschaltzeit ist jedoch so eingestellt, dass unter normalen Bedingungen zuerst das Abschaltkriterium I_Spitze erfüllt wird.In addition, a maximum duty cycle can be set. This maximum duty cycle can be viewed as a protective measure. If the controller does not correctly recognize the peak current I_peak, the input voltage will still be switched off after the maximum ON time has elapsed. This means that the device is not damaged even in the event of an error. However, the maximum switch-on time is set in such a way that, under normal conditions, the switch-off criterion I_peak is met first.
Normalerweise bleibt der Spitzenstrompegel ein konstanter vorgegebener Wert. Der Eingangsspannungspegel kann jedoch als Verschiebung zu einer Shuntspannung addiert werden. Dann ist die resultierende Spitzenspannung in jedem Schaltzyklus zusätzlich von der tatsächlich anliegenden Eingangsspannung abhängig.Normally the peak current level remains a constant predetermined value. However, the input voltage level can be added as an offset to a shunt voltage. Then the resulting peak voltage in each switching cycle is also dependent on the actually applied input voltage.
Die Steuerschaltung 132 steuert dann das Schaltelement 126 so, dass es zu einem beliebigen Zeitpunkt von AUS auf EIN schaltet, da jeder Zeitpunkt des Einschaltens synchron ist. Dieses EIN-Schalten erfolgt zum Start, nachdem die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer eingestellt und den Spitzenstrompegel wie zuvor beschrieben bestimmt hat. Nach diesen beiden Schritten kann sichergestellt werden, dass die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 kontinuierlich mit dem richtigen Timing steuern kann.The
Ferner steuert die Steuerschaltung 132 das Ausschalten der Eingangsspannung so, dass der in der Primärwicklung 112-1 fließende Strom den Spitzenstrompegel nicht überschreitet. Wie bereits erwähnt, ermöglicht der ermittelte Spitzenstrompegel zusammen mit dem erfassten Strom durch den Shunt-Widerstand 128, der durch das erste Antwortsignal verschoben wird, der Steuerschaltung 132 die Steuerung der EIN-Dauer des Schaltelements 126.Further, the
In diesem Beispiel detektiert die Steuerschaltung 132 einen Strom, der mit einer abnehmenden Verschiebung überlagert ist, der einem abnehmenden Antwortsignal entspricht. Die aus V_Rückkopplung resultierende abnehmende Verschiebungsspannung sorgt am Shunt dafür, dass auch die EIN-Zeit erhöht wird und damit die übertragene Energie pro Schaltzyklus steigt. Dadurch steuert die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 so, dass es im aktuellen Zyklus eine längere EIN-Dauer hat als im vorherigen Zyklus, d.h. im Zyklus zwischen dem Zeitpunkt t3 und t4.In this example, the
Beim Ausschalten zum Zeitpunkt t3 hört der in der Primärwicklung 112-1 fließende Strom auf, und eine begrenzte Energiemenge wird auf die Sekundärwicklung 112-2 der Transformatorschaltung 112 übertragen. Dementsprechend ist nach dem Zeitpunkt t3 ein Anstieg der Drain-Source-Spannung am Schaltelement 126 (bezeichnet als U_Drain_Schalter) zu beobachten.Upon turn-off at time t3, the current flowing in the primary winding 112-1 ceases and a limited amount of energy is transferred to the secondary winding 112-2 of the
Da jedoch nur eine begrenzte Energiemenge übertragen wird, sinkt die Drain-Source-Spannung am Schaltelement 126 (als U_Drain_Schalter bezeichnet) anschließend ab, und ein erster und ein zweiter Zeitpunkt eines Nullspannungszustands (oder ein erstes und ein zweites Tal) können von der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 erfasst werden.However, since only a finite amount of energy is being transferred, the drain-to-source voltage across switching element 126 (referred to as U_Drain_Switch) subsequently decreases, and first and second instants of a zero-voltage state (or first and second valleys) can be derived from the zero-crossing detection circuit 116-1.
Da, wie gesagt, die Ausschaltdauer bis zum erneuten Einschalten der Eingangsspannung an der Primärwicklung 112-1 von der Steuerschaltung 132 im vorherigen Zyklus festgelegt wurde, ist sie bereits so konfiguriert, dass die Schalter synchron eingeschaltet werden, d. h. zum Zeitpunkt des zweiten Nullspannungszustandes (oder des zweiten Tals).Since, as stated, the turn-off time before the input voltage on the primary winding 112-1 is switched on again was determined by the
Folglich steuert die Steuerschaltung 132 zum Zeitpunkt t4 den Zeitpunkt des Einschaltens der Eingangsspannung synchron mit dem Zeitpunkt des mindestens einen Nullspannungszustands (oder des Tals). Zum Zeitpunkt t5 wird der Schalter 126 wieder ausgeschaltet.Thus, at time t4, the
Außerdem wird nach dem Zeitpunkt t6 die Anzahl der übersprungenen Täler weiter reduziert, so dass das Einschalten zum frühestmöglichen Zeitpunkt, nämlich beim ersten Tal, erfolgt.In addition, after point in time t6, the number of skipped valleys is further reduced, so that switching on takes place at the earliest possible point in time, namely at the first valley.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der QR-Sperrwandler 200 aufgrund der längeren EIN-Dauer, die durch den abnehmenden Verschiebungswert am Shunt 128 verursacht wird, und der kürzeren AUS-Dauer eine hohe Energiemenge vom Wechselstromeingang 102 zum Gleichstromausgang 104 überträgt. Wie aus der Kurve C1 ersichtlich ist, zum Zeitpunkt t3 wird die Anzahl der Täler abrupt auf 2 reduziert. Dies zeigt, dass die zumindest eine zweite Steuerschaltung 134 dem QR-Sperrwandler ermöglicht auf schnelle Lasttransienten zu reagieren. Im Gegensatz dazu ermöglicht die mindestens eine zweite Steuerschaltung 134 dem QR-Sperrwandler 200, schnell auf Lasttransienten zu reagieren.In summary, the
Darüber hinaus tauschen im QR-Sperrwandler 200 die primärseitige Steuerschaltung 132 und die sekundärseitige Steuerschaltung 134 ein Datensignal aus, das den detektierten Ausgangsspannungspegel und/oder den detektierten Ausgangsstrompegel, den Temperaturpegel einzelner sekundärseitiger Schaltungen, z. B. des Elektrolytkondensators 118, und oder Steuerinformationen wie die von der sekundärseitigen Steuerschaltung 134 zu verwendenden Schwellenwerte enthält.Furthermore, in the
In dieser Hinsicht ist die Steuerschaltung 132 in der Lage, das Datensignal einschließlich des erfassten Ausgangsspannungspegels und/oder des erfassten Ausgangsstrompegels mit einer kurzen Übertragungsverzögerung zu empfangen, die erheblich kürzer ist als die Zeitverzögerung des ersten Antwortsignals.In this regard, the
Insbesondere ist die Steuerschaltung 134 über einen Optokoppler 146 mit der Steuerschaltung 132 verbunden, die das Datensignal in einer Richtung und optional eine entsprechende Anforderung in der anderen Richtung weiterleitet. In einer alternativen Implementierung kann die Verbindung auch über separate Y-Kondensatoren für die Empfangs- und/oder Sendevorgänge oder auf andere Weise realisiert werden, solange die (galvanische) Isolationsgrenze eingehalten wird.In particular, the
Mit dem Datensignal, das den detektierten Ausgangsspannungspegel und/oder den detektierten Ausgangsstrompegel enthält, wird die Steuerschaltung 132 in die Lage versetzt, die Ausschaltdauer für jeden Zyklus genauer einzustellen, da sie die genauen Pegel der Lasttransienten mit einer Reaktionszeit erhält, die nur von der Sendeverzögerung abhängt. Auch hier kann der Regelzyklus die Ausschaltdauer bis zum Einschalten der Eingangsspannung, unabhängig von der Ausschaltdauer des Zyklus, auf ein vorkonfiguriertes Zeitintervall einstellen, das mit dem empfangenen Datensignal übereinstimmt.With the data signal containing the detected output voltage level and/or the detected output current level, the
In
In diesem Beispiel arbeitet der QR-Sperrwandler 200 zunächst in einem hohen Lastzustand, geht dann aber in einen Betrieb mit einem niedrigen Lastzustand über, wie im Folgenden deutlich wird. Dies zeigt sich darin, dass der Ausgangsstrom von einem hohen Stromniveau auf ein niedriges Stromniveau fällt. Mit anderen Worten, der QR-Sperrwandler muss auch in diesem Beispiel mit einer schnellen Lasttransiente fertig werden.In this example,
Der Übergang in den Niedriglastzustand betrifft vor allem den Ausgangsstrom, der sich auch auf die Ausgangsspannung auswirken kann.The transition to the low-load state primarily affects the output current, which can also affect the output voltage.
Da die Steuerschaltung 134 auf der Sekundärseite kontinuierlich den Pegel der Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms erfasst, stellt er zum Zeitpunkt t1 auch einen fallenden Pegel des Ausgangsstroms fest. Dieser Zeitpunkt t1 ist im Übrigen nur einer von vielen Erfassungszeitpunkten, auf die sich die folgenden Ausführungen konzentrieren.Since the
Dann stellt die Steuerschaltung 134 fest, dass die zum Zeitpunkt t1 ermittelte Änderung des Pegels des Ausgangsstroms einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Wie bereits erwähnt, kann der Schwellenwert in der Steuerschaltung 134 vorbestimmt werden, um eine Erhöhung und/oder eine Verringerung des Lastzustands feststellen zu können.Then the
In Reaktion auf diese Feststellung sendet die Steuerschaltung 134 auf der Sekundärseite mindestens ein zweites Antwortsignal an die Steuerschaltung 132 auf der Primärseite. Für den verringerten Lastzustand sendet die Steuerschaltung 134 ein entsprechendes Signal mit der Bezeichnung FR_Tief an die Steuerschaltung 132. Dieses mindestens eine zweite Antwortsignal wird von der Steuerschaltung 134 über den Y-Kondensator 148 an die Steuerschaltung 132 übertragen.In response to this determination, the
Zum Zeitpunkt t2 empfängt die Steuerschaltung 132 das mindestens eine zweite Antwortsignal. In diesem Beispiel hat das zweite Antwortsignal die Form eines Impulses mit einem hohen Signalpegel, einer steilen Anstiegsflanke und einer steilen Abfallflanke. Dadurch kann der Zeitpunkt t2 von der Steuerschaltung 132 leicht erkannt werden. Es kann leicht von den Signaltransienten (Rauschen) des zweiten Antwortsignals vor und nach dem Zeitpunkt t2 unterschieden werden. Diese Signaltransienten stammen aus dem Dauerbetrieb des Schaltelements 126, beeinträchtigen jedoch nicht die Funktion des QR-Sperrwandlers 200.At time t2, the
Als Reaktion auf den Empfang des mindestens einen zweiten Antwortsignals zum Zeitpunkt t2 unterbricht die Steuerschaltung 132 ihre Verarbeitung, um die Ausschaltdauer für einen nachfolgenden Zyklus, d. h. die Dauer des Einschaltens der Eingangsspannung, auf eine andere vorkonfigurierte Zeitdauer einzustellen. Die vorkonfigurierte Zeitdauer ist unabhängig von der Ausschaltdauer des aktuellen Zyklus. Mit anderen Worten, selbst wenn die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer des aktuellen Zyklus in Inkrementen oder Dekrementen eines vorkonfigurierten Zeitintervalls steuert, z. B. 2*tV entsprechend dem ersten Antwortsignal, das vom Spannungsdetektor 124 übertragen wird, bestimmt sie die AUS-Dauer für den nachfolgenden Zyklus als einen vorkonfigurierten Wert.In response to receiving the at least one second response signal at time t2, the
In diesem speziellen Beispiel wird die AUS-Dauer von der Steuerschaltung 132 so eingestellt, dass sie dem Zeitpunkt des zwanzigsten der erkannten Nullspannungszustände (oder des zwanzigsten Tals) entspricht. Dies ist in der Figur während des nachfolgenden Zyklus zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 zu sehen. In diesem nachfolgenden Zyklus steuert die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 tatsächlich so, dass es zu einem Zeitpunkt von AUS auf EIN schaltet, der dem zwanzigsten erfassten Zeitpunkt des zwanzigsten Nullspannungszustands (oder dem zwanzigsten Tal) entspricht.In this particular example, the OFF duration is adjusted by the
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Spitzenstromsignal I_Spitze nur von der durch das Rückkopplungssignal verursachten Verschiebung beeinflusst. Diese Verschiebung ist bei hoher Last klein, so dass möglichst viel Energie übertragen werden kann. Nach dem Lastabwurf ändert sich das Rückkopplungssignal nur langsam und ohne die vorliegende Erfindung würde für viele Schaltzyklen zu viel Energie übertragen werden, bis der Spitzenstrom so weit reduziert ist, dass die Ausgangsspannung nicht mehr ansteigt. Erfindungsgemäß liefert das zweite Antwortsignal (FR_Tief) der Steuerschaltung 132 die Information, dass die Ausgangsleistung deutlich reduziert wurde und daher weniger Energie übertragen werden muss. Die Steuerschaltung 132 reagiert so schnell wie möglich, indem sie die Dauer der AUS-Zeit erhöht. So kann die übertragene Energie sofort reduziert werden, während die aufgeladene Energie gleichbleibt.According to the present invention, the peak current signal I_peak is only affected by the offset caused by the feedback signal. This displacement is small at high loads, so that as much energy as possible can be transferred. After load shedding, the feedback signal changes slowly and without the present invention, too much energy would be transferred for many switching cycles until the peak current is reduced to the point where the output voltage no longer increases. According to the invention, the second response signal (FR_Tief) provides the
Dann steuert die Steuerschaltung 132 das Schaltelement 126 so, dass es zu einem Zeitpunkt von AUS auf EIN schaltet, der eine Variation der AUS-Dauer des vorherigen Zyklus ist. Die voreingestellte Zeitdauer wird erst im folgenden Zyklus wirksam.Then, the
Die Steuerschaltung 132 legt also den Zeitpunkt für das Einschalten synchron mit dem Zeitpunkt fest, zu dem im vorangegangenen Zyklus mindestens ein Nullspannungszustand festgestellt wurde. Insbesondere stellt die Steuerschaltung 132 die AUS-Dauer bis zum Einschalten ein, indem sie die AUS-Dauer des vorherigen Zyklus in Inkrementen oder Dekrementen des vorkonfigurierten Zeitintervalls 2*tV entsprechend dem ersten Antwortsignal des Spannungsdetektors 126 variiert.Thus, the
Ferner steuert die Steuerschaltung 132 das Ausschalten der Eingangsspannung so, dass der Schalter 126 ausgeschaltet wird, wenn der in der Primärwicklung 112-1 fließende Strom den Spitzenstrompegel erreicht. Das Erreichen des Spitzenstrompegels ist die Ausschaltbedingung. Insbesondere ermöglicht, wie bereits erwähnt, der vorbestimmte Spitzenstrompegel zusammen mit dem erfassten Strom durch den Shunt-Widerstand 128, der durch das erste Antwortsignal verschoben wird, der Steuerschaltung 132 die Steuerung der EIN-Dauer des Schaltelements 126.Further, the
In diesem Beispiel erfasst die Steuerschaltung 132 einen Strom, der mit einer zunehmenden Verschiebung überlagert ist, der einem erhöhten ersten Antwortsignal entspricht. Der zunehmende Verschiebungspegel führt zu einer Erhöhung der Eingangsspannung an der Klemme I_Spitze der Steuerschaltung 132 und damit zu einer kürzeren EIN-Zeit des Schalters 126. Ein höherer Verschiebungswert bewirkt also einen niedrigeren Spitzenstrom durch die Primärwicklung 112-1.In this example, the
Beim Ausschalten zum Zeitpunkt t3 hört der durch die Primärwicklung 112-1 fließende Strom auf, und eine begrenzte Energiemenge wird an die Sekundärwicklung 112-2 der Transformatorschaltung 112 übertragen.Upon turn-off at time t3, the current flowing through the primary winding 112-1 ceases and a limited amount of energy is transferred to the secondary winding 112-2 of the
Darüber hinaus ist die Steuerschaltung 132 dazu übergegangen, den Schalter 126 nur zum zwanzigsten Tal einzuschalten, so dass ein erster bis zwanzigster Zeitpunkt eines Nullspannungszustands (oder ein erstes bis zwanzigstes Tal) von der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 116-1 erfasst wird, bevor das Einschalten erfolgt.In addition, the
Da, wie gesagt, die AUS-Dauer bis zum Wiedereinschalten der Eingangsspannung an der Primärwicklung 112-1 von der Steuerschaltung 132 im vorherigen Zyklus eingestellt wurde, ist sie bereits so konfiguriert, dass das Schaltelement 126 synchron, d. h. zum Zeitpunkt des zwanzigsten Nullspannungszustands (oder des zwanzigsten Tals), EIN schaltet.Since, as stated, the OFF duration before the input voltage at the primary winding 112-1 is switched on again was set by the
Folglich steuert die Steuerschaltung 132 zum Zeitpunkt t4 den Zeitpunkt des Einschaltens der Eingangsspannung synchron mit dem Zeitpunkt des mindestens einen Nullspannungszustands (oder des Tals).Thus, at time t4, the
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch den QR-Sperrwandler 200 aufgrund der kürzeren EIN-Dauer (verursacht durch das erste Antwortsignal) und der längeren AUS-Dauer (verursacht durch die Steuerschaltung 132) eine geringe Energiemenge vom Wechselstromeingang 102 zum Gleichstromausgang 104 übertragen wird. Somit ermöglicht die mindestens eine zweite Steuerschaltung dem QR-Sperrwandler 200, schnell auf Lasttransienten zu reagieren.In summary,
Wie in
Anhand der in
Zunächst wird in
Wie aus der Kurve C1 ersichtlich ist, beginnt die Anzahl der Täler zunächst mit 15. Zu dem durch Pfeil 400 angezeigten Zeitpunkt wird das Datensignal empfangen und die Anzahl der Täler auf 5 reduziert. Da der Lastanstieg weniger als 40 % des Nennstroms (1,3 A im vorliegenden Beispiel) beträgt, erfolgt kein zweites Antwortsignal FR_Hoch und der Talwert wird auf der Grundlage des Datensignals, d. h. der Nachschlagetabelle, eingestellt. Die Reaktion auf den Lastanstieg erfolgt also erst nach 450 µs. Für eine so kleine Laständerung ist diese Zeitspanne jedoch ausreichend schnell.As can be seen from curve C1, the number of valleys initially starts at 15. At the time indicated by
In diesem Fall treten das zweite Antwortsignal FR_Hoch und das Datensignal, d. h. die Nachschlagetabelle, als zweites Antwortsignal auf. Das zweite Antwortsignal FR_Hoch reduziert die Talzahl von 20 auf 4 (siehe Pfeil 402) als maximale Anzahl von Tälern im Nennlastpunkt in Abhängigkeit von der Eingangsspannung (230 VAC). Damit wird eine schnelle Reaktion auf den Lastanstieg erreicht. Da das zweite Antwortsignal FR_Hoch nur eine Lasterhöhung von mehr als 40% des Nennstroms anzeigt, hat die primäre Steuerschaltung keine Information darüber, in welchem Lastpunkt sie sich nach der Lasterhöhung befindet. Das erste Antwortsignal Rückkopplung (Kurve C3) ist für diese Information zu langsam. Nach weiteren 300 µs (siehe Pfeil 404) reduziert die primäre Steuerschaltung auf Basis der empfangenen Daten (Ausgangsstrom, Ausgangsspannung) und unter Verwendung der Nachschlagetabelle die Anzahl der Täler auf 7. Damit ist eine schnelle Einschwingzeit gewährleistet, da die optimale Anzahl von Tälern bereits eingestellt werden kann und keine größeren Nachregelungen für das erste Antwortsignal Rückkopplung erforderlich sind.In this case, the second response signal FR_High and the data signal, i. H. the look-up table, as the second response signal. The second response signal FR_High reduces the number of valleys from 20 to 4 (see arrow 402) as the maximum number of valleys at the rated load point depending on the input voltage (230 VAC). This achieves a quick reaction to the increase in load. Since the second response signal FR_High only indicates a load increase of more than 40% of the nominal current, the primary control circuit has no information about the load point it is in after the load increase. The first feedback signal (curve C3) is too slow for this information. After another 300 µs (see arrow 404) the primary control circuit reduces the number of valleys to 7 based on the received data (output current, output voltage) and using the look-up table. This ensures a fast settling time since the optimum number of valleys is already set can be and no major readjustments for the first response signal feedback are required.
In diesem Fall werden das zweite Antwortsignal FR_Hoch und das Datensignal (die Nachschlagetabelle) verwendet. Die Reaktion auf die Lasterhöhung erfolgt nach 150 µs, wobei die Anzahl der Täler von 20 auf 4 reduziert wird. Die primäre Steuerschaltung muss die Anzahl der Täler nach Erhalt des Datensignals nicht anpassen, da bereits durch das FR-Signal die richtige Anzahl von Tälern für diesen Lastpunkt (Nennlast) gewählt wurde.In this case, the second response signal FR_High and the data signal (the look-up table) are used. The response to the load increase occurs after 150 µs, with the number of valleys being reduced from 20 to 4. The primary control circuit does not need to adjust the number of valleys upon receipt of the data signal since the correct number of valleys for that load point (rated load) has already been chosen by the FR signal.
Weiterhin zeigt
Da die Lastzunahme weniger als 40 % des Nennstroms (1,3 A) beträgt, wird nur das Datensignal als zweites Antwortsignal übertragen und die Nachschlagetabelle verwendet. Auf der Grundlage der mit dem zweiten Antwortsignal empfangenen Daten wird die Anzahl der Täler schlagartig von 11 auf 4 reduziert (siehe Pfeil 406). Nach weiteren 200 µs (Pfeil 408) wird die Anzahl der Täler auf 3 reduziert, da das Rückkopplungssignal unter einen Schwellenwert gefallen ist. Die endgültige Reaktion auf den Lastanstieg erfolgt also erst nach 450 µs. Diese Zeitspanne ist jedoch kurz genug für die vergleichsweise geringe Lasterhöhung.Since the load increase is less than 40% of the rated current (1.3A), only the data signal is transmitted as the second response signal and the look-up table is used. Based on the data received with the second response signal, the number of valleys is suddenly reduced from 11 to 4 (see arrow 406). After another 200 µs (arrow 408), the number of valleys is reduced to 3 because the feedback signal has fallen below a threshold. The final reaction to the increase in load therefore only occurs after 450 µs. However, this period of time is short enough for the comparatively small increase in load.
In diesem Fall werden das zweite Antwortsignal FR_Hoch und das Datensignal (die Nachschlagetabelle) verwendet. Die Reaktion auf den Lastanstieg erfolgt nach 150 µs (siehe Pfeil 410). Das zweite Antwortsignal FR_Hoch stellt bei einer Eingangsspannung von 120 VAC die Anzahl der Täler auf 2 ein, was die maximale Anzahl der Täler im Nennlastpunkt in Abhängigkeit von der Eingangsspannung ist. So kann eine schnelle Reaktion auf den Lastanstieg erreicht werden. Da das zweite Antwortsignal FR_Hoch nur eine Lastzunahme von mehr als 40% des Nennstroms anzeigt, hat die primäre Steuerschaltung keine Information darüber, in welchem Lastpunkt sie sich nach der Lastzunahme befindet. Das erste Antwortsignal Rückkopplung (Kurve C3) ist für diese Information zu langsam. Nach weiteren 300 µs (siehe Pfeil 412) reduziert die primäre Steuerschaltung auf Basis der empfangenen Daten (Ausgangsstrom, Ausgangsspannung) und unter Verwendung der Nachschlagetabelle die Anzahl der Täler auf 5. Damit ist eine schnelle Einschwingzeit gewährleistet, da die optimale Anzahl von Tälern bereits eingestellt werden kann und keine größeren Nachregelungen für das erste Antwortsignal Rückkopplung erforderlich sind.In this case, the second response signal FR_High and the data signal (the look-up table) are used. The reaction to the increase in load takes place after 150 µs (see arrow 410). With an input voltage of 120 VAC, the second response signal FR_High sets the number of valleys to 2, which is the maximum number of valleys at the rated load point as a function of the input voltage. In this way, a quick reaction to the increase in load can be achieved. Since the second response signal FR_High only indicates a load increase of more than 40% of the nominal current, the primary control circuit has no information about the load point it is in after the load increase. The first feedback signal (curve C3) is too slow for this information. After a further 300 µs (see arrow 412) the primary control circuit reduces the number of valleys to 5 based on the received data (output current, output voltage) and using the look-up table. This ensures a fast transient time since the optimum number of valleys is already set can be and no major readjustments for the first response signal feedback are required.
In diesem Fall werden das zweite Antwortsignal FR_Hoch und das Datensignal (die Nachschlagetabelle) verwendet. Die Reaktion auf den Lastanstieg erfolgt nach 100µs bis 150 µs (siehe Pfeil 414). Das zweite Antwortsignal FR_Hoch stellt bei einer Eingangsspannung von 120 VAC die Anzahl der Täler auf 2 ein, was die maximale Anzahl von Tälern im Nennlastpunkt in Abhängigkeit von der Eingangsspannung ist. Damit wird eine schnelle Reaktion auf den Lastanstieg erreicht. Nach weiteren 300 µs (siehe Pfeil 416) reduziert die primäre Steuerschaltung auf Basis der empfangenen Daten (Ausgangsstrom, Ausgangsspannung) und unter Verwendung der Nachschlagetabelle die Anzahl der Täler auf 1.In this case, the second response signal FR_High and the data signal (the look-up table) are used. The reaction to the increase in load takes place after 100 µs to 150 µs (see arrow 414). With an input voltage of 120 VAC, the second response signal FR_High sets the number of valleys to 2, which is the maximum number of valleys at the rated load point as a function of the input voltage. This achieves a quick reaction to the increase in load. After another 300 µs (see arrow 416), based on the received data (output current, output voltage) and using the look-up table, the primary control circuit reduces the number of valleys to 1.
Anhand der in
Da der Lastabfall weniger als 40% des Nennstroms (1,3 A) beträgt, wird nur das Datensignal als zweites Antwortsignal übertragen und die Nachschlagetabelle verwendet. Die Reaktion auf den Lastabfall erfolgt erst nach 450 µs (siehe Pfeil 500), wenn nach dem Empfang und der Verarbeitung des Datensignals die Anzahl der Täler von 5 auf 15 erhöht wird. Dieses Timing ist jedoch schnell genug, da der Lastabfall gering ist.Since the load drop is less than 40% of the rated current (1.3A), only the data signal is transmitted as the second response signal and the lookup table is used. The reaction to the drop in load only takes place after 450 μs (see arrow 500) if the number of valleys is increased from 5 to 15 after the data signal has been received and processed. However, this timing is fast enough because the load drop is small.
In diesem Fall werden das zweite Antwortsignal FR_Tief und das Datensignal (die Nachschlagetabelle) verwendet. Die Reaktion auf den Lastabfall erfolgt nach 150 µs (siehe Pfeil 502). Nach dem Empfang des FR_Tief -Signals erhöht die primäre Steuerschaltung bei einer Eingangsspannung von 230 VAC die Anzahl der Täler von 4 auf 20 (maximale Anzahl der Täler) und es kann eine schnelle Reaktion auf den Lastabwurf erreicht werden. Da das FR_Tief -Signal jedoch nur einen Lastabwurf von mehr als 40% des Nennstroms (hier: 1,3 A) anzeigt, hat die primäre Steuerschaltung keine Information darüber, in welchem Lastpunkt sie sich nach dem Lastabwurf befindet. Das erste Antwortsignal ist für diese Information zu langsam. Nach weiteren 300 µs (siehe Pfeil 504) reduziert die primäre Steuerschaltung anhand der empfangenen Daten (Ausgangsstrom, Ausgangsspannung) und ihrer Nachschlagetabelle die Anzahl der Täler auf 15. Damit ist eine schnelle Einschwingzeit gewährleistet, da die optimale Anzahl von Tälern bereits gewählt werden kann und keine größere Nachregelung für das erste Antwortsignal Rückkopplung mehr erforderlich ist.In this case, the second response signal FR_Tief and the data signal (the look-up table) are used. The reaction to the drop in load takes place after 150 μs (see arrow 502). After receiving the FR_Low signal, the primary control circuit increases the number of valleys from 4 to 20 (maximum number of valleys) when the input voltage is 230VAC, and fast response to load shedding can be achieved. However, since the FR_Tief signal only indicates a load shedding of more than 40% of the nominal current (here: 1.3 A), the primary control circuit has no information about the load point it is in after the load shedding. The first response signal is too slow for this information. After another 300 µs (see arrow 504), the primary control circuit reduces the number of valleys to 15 based on the received data (output current, output voltage) and its look-up table no major readjustment for the first response signal feedback is required.
In diesem Fall werden das zweite Antwortsignal FR_Tief und das Datensignal (die Nachschlagetabelle) verwendet. Die Reaktion auf den Lastabfall erfolgt nach 150 µs (siehe Pfeil 506). Nach Erhalt des FR_Tief -Signals stellt die primäre Steuerschaltung die Anzahl der Täler von 4 auf 20 ein (siehe Pfeil 506). Nach weiteren 600 µs (siehe Pfeil 508) wird die Maximalschwelle des Rückkopplungssignals ausgelöst und die primäre Steuerschaltung schaltet den Schalter komplett ab, da zu viel Energie im System ist.In this case, the second response signal FR_Tief and the data signal (the look-up table) are used. The reaction to the drop in load takes place after 150 μs (see arrow 506). Upon receiving the FR_Low signal, the primary control circuit adjusts the number of valleys from 4 to 20 (see arrow 506). After another 600 µs (see arrow 508) the maximum threshold of the feedback signal is triggered and the primary control circuit turns off the switch completely because there is too much energy in the system.
Da die Lastabnahme weniger als 40 % des Nennstroms (1,3 A) beträgt, wird nur das Datensignal als zweites Antwortsignal übertragen und die Nachschlagetabelle verwendet. Es wird kein FR_Tief -Signal verwendet. Die Reaktion auf den Lastabfall erfolgt erst nach 450 µs (siehe Pfeil 510), wenn nach dem Empfang und der Verarbeitung des Datensignals die Anzahl der Täler von 3 auf 13 erhöht wird. Dieses Timing ist jedoch schnell genug, da der Lastabfall gering ist.Since the load drain is less than 40% of the rated current (1.3A), only the data signal is transmitted as the second response signal and the look-up table is used. No FR_Tief signal is used. The reaction to the drop in load only takes place after 450 μs (see arrow 510) if the number of valleys is increased from 3 to 13 after the data signal has been received and processed. However, this timing is fast enough because the load drop is small.
In diesem Fall werden das zweite Antwortsignal FR_Tief und das Datensignal (die Nachschlagetabelle) verwendet. Die Reaktion auf den Lastabfall erfolgt nach 150 µs (siehe Pfeil 512). Nach Empfang des FR_Tief -Signals stellt die primäre Steuerschaltung die Anzahl der Täler von 2 auf 20 ein. Nach weiteren 600 µs (siehe Pfeil 514) wird die Maximalschwelle des Rückkopplungssignals ausgelöst und die primäre Steuerschaltung schaltet den Schalter komplett ab, da zu viel Energie im System ist.In this case, the second response signal FR_Tief and the data signal (the look-up table) are used. The reaction to the load drop takes place after 150 µs (see arrow 512). Upon receipt of the FR_Low signal, the primary control circuit adjusts the number of valleys from 2 to 20. After another 600 µs (see arrow 514) the maximum threshold of the feedback signal is triggered and the primary control circuit turns off the switch completely because there is too much energy in the system.
BezugszeichenlisteReference List
- 100,200100,200
- Quasi-resonanter (QR) SperrwandlerQuasi-resonant (QR) flyback converter
- 102102
- WechselstromeingangAC input
- 104104
- GleichstromausgangDC output
- 106106
- EMI - FilterschaltungEMI filter circuit
- 108108
- Gleichrichterschaltungrectifier circuit
- 110110
- Elektrolytkondensatorelectrolytic capacitor
- 112112
- Transformatorschaltungtransformer circuit
- 112-1112-1
- Primärwicklungprimary winding
- 112-2112-2
- Sekundärwicklungsecondary winding
- 112-3112-3
- Hilfswicklungauxiliary winding
- 114114
- Gleichrichterschaltungrectifier circuit
- 116-1116-1
- Nullstellen-DetektionseinheitNull detection unit
- 116-2116-2
- Überspannungsschutzschaltungovervoltage protection circuit
- 118118
- Elektrolytkondensatorelectrolytic capacitor
- 120120
- Filterschaltungfilter circuit
- 122122
- Shunt-Widerstandshunt resistance
- 124124
- Spannungsdetektorvoltage detector
- 126126
- Schaltelementswitching element
- 128128
- Shunt-Widerstandshunt resistance
- 130130
- Dämpfungsschaltungdamping circuit
- 132132
- Steuerschaltungcontrol circuit
- 134134
- Steuerschaltungcontrol circuit
- 136136
- Linearer SpannungsregulatorLinear Voltage Regulator
- 138138
- Linearer SpannungsregulatorLinear Voltage Regulator
- 140140
- Gate-Treiberschaltunggate driver circuit
- 142142
- Rückkopplungsschaltungfeedback circuit
- 144144
- Optokoppleroptocoupler
- 146146
- Optokoppleroptocoupler
- 248248
- Y-KondensatorY capacitor
- 250250
- Y-KondensatorY capacitor
- FR_HochFR_High
- Steuersignal anzeigend ein Ansteigen der LastControl signal indicating an increase in load
- FR_TiefFR_low
- Steuersignal anzeigend ein Abnehmen der LastControl signal indicating a decrease in load
- T_TalT_Valley
- Zeitpunkt eines Nullspannungszustands (Tal)Time of a zero voltage condition (valley)
- 2*tV2*tv
- Zeitinterval zwischen zwei aufeinanderfolgenden Tälern Time interval between two consecutive valleys
- 400-416400-416
- Pfeile, die Punkte in einem Zeitdiagram anzeigenArrows indicating points on a time chart
- 500-514500-514
- Pfeile, die Punkte in einem Zeitdiagram anzeigenArrows indicating points on a time chart
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 2010/0219802 A1 [0002]US 2010/0219802 A1 [0002]
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DE102016114255A1 (en) | 2015-08-11 | 2017-02-16 | Infineon Technologies Austria Ag | Quasi-resonant multi-mode converter |
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-
2020
- 2020-12-18 DE DE102020134243.8A patent/DE102020134243A1/en not_active Ceased
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