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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Schaltwandler gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Annspruchs 1.
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Ein derartiger Schaltwandler ist
beispielsweise in Köstner,
Möschwitzer:
"Elektronische Schaltungen", Hanser Verlag, 1993, Seite 287, beschrieben. Aufgabe
solcher Schaltwandler ist es in hinlänglich bekannter Weise aus
einer über
der Reihenschaltung mit der Primärspule
und dem Schalter anliegenden Eingangsspannung eine lastunabhängige Ausgangsspannung
bereitzustellen. Der Schalter wird hierzu getaktet angesteuert,
wobei die Primärspule
bei geschlossenem Schalter Energie aufnimmt und über die Sekundärspule an
die Last abgibt. Die Leistungsaufnahme, und damit die Ausgangsspannung,
ist abhängig
vom Duty-Cycle, also dem Verhältnis
von Einschaltdauer zu Periodendauer einer Taktperiode, wobei dieser
Duty-Cycle geregelt wird, um bei einer sich verändernden Last die Leistungsaufnahme
so zu regeln, dass die Ausgangsspannung konstant bleibt.
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Bei Lasten, wie beispielsweise Fernseh- oder
Videogeräten,
Monitoren, Computern, Mobiltelefonen usw. gibt es neben einem Normalbetriebszustand,
bei dem die Leistungsaufnahme schwanken kann, einen Standby-Zustand
mit einer gegenüber dem
Normalbetriebzustand erheblich reduzierten Leistungsaufnahme. Heutige
Schaltwandler müssen dazu
ausgelegt sein, solche Lasten sowohl im Normalbetriebeszustand als
auch im Standby-Zustand zu
versorgen. Hinzu kommt eine durch den Gesetzgeber vorgegebene Randbedingung,
wonach die Leistungsaufnahme der Last einschließlich des Netzteils im Standby-Betrieb
vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten
darf. Diese Grenzwerte liegen bei Fernseh- und Videogeräten derzeit
bei 1W, bei Mo nitoren bei 3W und bei getakteten Stromversorgungen für Batterieladegeräte oder
Notebook Adapter bei 100mW.
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Zur Erreichung dieser Grenzwerte
sind in den Schaltnetzteilen besondere Vorkehrungen zu treffen.
So ist es bekannt, in Netzteilen während des Standby-Betriebs
nicht notwendige Schaltungskomponenten abzuschalten und/oder die
Taktfrequenz, mit welcher der Schalter angesteuert wird, zu reduzieren.
So erfolgt bei den Schaltnetzteil-Ansteuerschaltungen des Typs ICEAS01/ICE3B501
der Anmelderin, eine Reduktion der Taktfrequenz von 67/100 kHz auf
20/21,5 kHz. Dennoch sind auch bei reduzierten Taktfrequenzen, die
in dem Schaltnetzteil anfallenden Schaltungsverluste während des
Standby-Betriebs nicht unerheblich.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, ein Schaltnetzteil zur Verfügung
zu stellen, das zur Spannungsversorgung einer Last im Normalbetriebszustand
und im Standby-Betrieb bei niedrigen Schaltverlusten geeignet ist.
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Dieses Ziel wird durch einen Schaltwandler gemäß der Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Schaltwandler umfasst eine
erste und eine zweite Klemme zum Anlegen einer ersten Spannung und
Ausgangsklemmen zum Bereitstellen einer zweiten Spannung für eine Last.
Zwischen die ersten und zweiten Klemmen und die Ausgangsklemmen
ist eine Wandlereinheit geschaltet, die einen ersten Transformator
mit einer Primärspule
und einer Sekundärspule,
einen in Reihe zu der Primärspule
geschalteten Schalter und eine Ansteuerschaltung für den Schalter
aufweist. Die Reihenschaltung mit der Primärspule und dem Schalter ist
dabei an die erste und zweite Klemme und die Sekundärspule ist
an die Ausgangsklemmen gekoppelt. Erfindungsgemäß umfasst der Schaltwandler
eine zweite Wandlereinheit, die einen zweiten Transformator mit
einer Primärspule
und einer Sekundärspule
aufweist, wobei die Primärspule
an eine Versorgungsspannung in dem die Primärspule des ersten Transformators
enthaltenden Primärstromkreis
gekoppelt ist und wobei die Sekundärspule an die Ausgangsklemmen
gekoppelt ist.
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Die zweite Wandlereinheit ist dabei
vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie eine wesentlich niedrigere
maximale Leistung von dem Primärstromkreis an
die Ausgangsklemmen wie die erste Wandlereinheit überträgt, wobei
die durch die zweite Wandlereinheit übertragene Leistung vorzugsweise
auf die Leistungsaufnahme während
des Standby-Betriebs einer an die Ausgangsklemmen angeschlossenen Last
abgestimmt ist. Da die zweite Wandlereinheit bezüglich ihrer Leistungsübertragungsfähigkeit
geringer als die erste Wandlereinheit dimensioniert ist, sind die
in der zweiten Wandlereinheit auftretenden Schaltverluste entsprechend
niedriger. Bei dem erfindungsgemäßen Schaltwandler
kann die erste Wandlereinheit während
des Standby-Betriebs
einer an die Ausgangsklemmen angeschlossenen Last abgeschaltet werden,
wobei die Last dann durch die zweite Wandlereinheit versorgt wird
und in dem Schaltwandler bzw. dem Schaltnetzteil lediglich die im
Vergleich zur ersten Wandlereinheit niedrigeren Verluste der zweiten
Wandlereinheit entstehen.
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Der Transformator der zweiten Wandlereinheit
ist vorzugsweise als Transformator mit planaren, d.h. in einer Ebene
liegenden Wicklungen ohne Transformatorkern – häufig auch als Coreless Fransformer
bezeichnet – ausgebildet.
Derartige Coreless Transformer sind mittels herkömmlicher Halbleiterprozesse
herstellbar und somit in einem Chip oder in zwei übereinander
angeordneter Chips platzsparend realisierbar. Ein Ausführungsbeispiel
für einen
solchen Coreless Transformer ist beispielsweise in der
DE 101 00 282 A1 beschrieben.
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Die Versorgungsspannung, die primärseitig an
dem Transformator der zweiten Wandlereinheit anliegt, ist bei einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schaltwandlers
identisch mit der ersten Spannung, die auch primärseitig an dem ersten Transformator
anliegt. Bei einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass in dem primärseitigen
Schaltkreis, in dem die Primärspule
des ersten Transformators verschaltet ist, eine Versorgungsspannungsquelle
vorhanden ist, die eine Versorgungsspannung bereitstellt, die niedriger
als die erste Spannung ist. An diese niedrigere Versorgungsspannung
ist bei diesem Ausführungsbeispiel
die Primärspule
des zweiten Transformators gekoppelt, wobei die entstehenden Verluste
geringer sind als bei der Ausführungsform,
bei der der Transformator der zweiten Wandlereinheit primärseitig
an die erste Spannung angeschlossen ist.
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Die zweite Wandlereinheit umfasst
eine Ansteuerschaltung, die an die Primärspule des zweiten Transformators
angeschlossen ist und über
welche die Primärspule
getaktet an die Versorgungsspannung angelegt wird. Zwischen die
Sekundärspule des
zweiten Transformators und die Ausgangsklemmen ist eine Gleichrichtereinheit
geschaltet, die aus dem an der Sekundärspule ankommenden impulsförmigen Energie-
bzw. Stromfluss eine gleichgerichtete Spannung erzeugt. Die Ansteuerschaltung
ist vorzugsweise so ausgebildet, dass über die zweite Wandlereinheit
eine konstante Leistung übertragen wird,
die an die Leistungsaufnahme einer an die Ausgangsklemmen angeschlossenen
Last im Standby-Betrieb abgestimmt ist.
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Die zweite Wandlereinheit dient,
wie erläutert,
zur Spannungsversorgung einer an die Ausgangsklemmen anschließbaren Last
im Standby-Betrieb der Last. Vorzugsweise dient die zweite Wandlereinheit
zusätzlich
zur Signalübertragung
eines Signals von der Sekundärseite,
beispielsweise eines von der Ausgangsspannung abhängigen Signals,
an die Primärseite.
Zur Regelung der Ausgangsspannung im Normalbetriebszustand ist in
der ersten Wandlereinheit eine Information über den Momentanwert der Ausgangsspannung
erforderlich, um die Ausgangsspannung über eine geänderte Leistungsaufnahme bei
Lastschwankungen entsprechend nachregeln zu können. Zur Signalübertragung von der
Sekundärseite
auf die Primärseite
bei elektrischer Entkopplung der Sekundärseite von der Primärseite werden
bei bekannten Schaltnetzteilen beispielweise Optokoppler eingesetzt,
wie dies bei bekannten Schaltunterteilen in Köstner, Möschwitzer a.a.O. beschrieben
ist. Auf solche zusätzlichen
Optokoppler zur Signalübertragung
von der Sekundärseite
auf die Primärseite
kann verzichtet werden, wenn die zweite Wandlereinheit dazu ausgebildet
ist, Leistung von der Primärseite
auf die Sekundärseite
zu übertragen
und zudem Signale von der Sekundärseite
auf die Primärseite
zu übertragen.
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Hierzu ist bei einer Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dass an die Primärspule des zweiten Transformators
eine Empfängereinheit
gekoppelt ist und dass an die Sekundärspule des zweiten Transformators
eine Sendereinheit gekoppelt ist. Die Sekundärspule dient bei einer Signalübertragung von
dem Sekundärstromkreis
zu dem Primärstromkreis
als Primärspule,
während
die Primärspule
als Sekundärspule
funktioniert. Die Leistungsübertragung
von der Primärseite
zur Sekundärseite
und die Signalübertragung
von der Sekundärseite
zur Primärseite
kann dabei im zeitlichen Wechsel erfolgen, wobei beispielsweise
eine Signalübertragung
immer in Schaltpausen der Leistungsübertragung stattfindet, wobei
hierfür
die Pausen nach jeder Energieaufnahme der Primärspule des zweiten Transformators genutzt
werden können,
oder wobei jeweils nach einer Anzahl von Taktperioden die Leistungsübertragung
für eine
vorgegebene Zeitdauer für
die Signalübertragung
in umgekehrter Richtung unterbrochen wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die zweite Wandlereinheit neben dem zweiten
Transformator einen dritten Transformator aufweist, der ausschließlich für die Signalübertragung
von der Sekundärseite
zu der Primärseite
genutzt wird, während
der zweite Transformator ausschließlich zur Leistungsübertragung
von der Primärseite
auf die Sekundärseite
genutzt wird. An die Primärspule
des zweiten Transformators ist dabei nur eine, die Primärspule mit
Energie versorgende Ansteuerschaltung angeschlossen, und an die
Sekundärspule
des zweiten Transformators ist dabei nur eine Gleichrichtereinheit
angeschlossen, wobei die Gleichrichtereinheit an die Ausgangsklemme
gekoppelt ist. An die Primärspule
des dritten Transformators ist eine Sendereinheit angeschlossen,
wobei diese Sendereinheit beispielsweise an die Ausgangsklemmen
gekoppelt ist, um die anliegende Ausgangsspannung zu erfassen und
in ein für
die Übertragung über den
dritten Transformator geeignetes Signal umzusetzen. An die Sekundärspule des
dritten Transformators ist eine Empfängereinheit angeschlossen,
die dazu ausgebildet ist, ein an der Sekundärspule eines dritten Transformators
empfangenes Signal in ein für
die Weiterverarbeitung in dem Primärstromkreis geeignetes Signal
umzusetzen, wobei die Empfängereinheit
beispielsweise ein Ausgangssignal bereitstellt, welches der Ansteuerschaltung
der ersten Wandlereinheit zugeführt
ist.
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Umfasst die zur Leistungsübertragung
und Signalübertragung
ausgestaltete zweite Wandlereinheit nur einen Transformator, so
ist sowohl primärseitig,
als auch sekundärseitig
ein Umschalter vorgesehen, wobei der primärseitige Umschalter wechselweise
die Ansteuerschaltung oder die Empfängereinheit an die Primärspule des
zweiten Transformators anschließt
und wobei der sekundärseitige
Umschalter wechselweise die Gleichrichtereinheit und die Sendereinheit
an die Sekundärspule
des zweiten Transformators anschließt.
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Die Sendereinheit für die Signalübertragung umfasst
beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler zur Umsetzung der Ausgangsspannung
bzw. eines von der Ausgangsspannung abhängigen Signals in ein digitales
Signal und einen, dem Analog-Digital-Wandler
nachgeschalteten Kodierer, der das digitale Signal in eine für die Übertragung über den
zweiten oder dritten Transformator geeignete Impulsfolge umsetzt.
Diesem Kodierer ist vorzugsweise eine Treiberschaltung nachgeschaltet,
die die Sekundärspule des
zweiten Transformators bzw. die Primärspule des ersten Transformators
für die
Signalüber tragung ansteuert.
Entsprechend umfasst die Empfängereinheit
eine Dekodiereinheit, die an die Primärspule des zweiten Transformators
bzw. die Sekundärspule
des ersten Transformators angeschlossen ist und die eine an dieser
Spule abgreifbare Impulsfolge in ein digitales Signal umsetzt. Der
Dekodiereinheit ist dabei ein Digital-Analog-Wandler nachgeschaltet,
der ein zur Weiterverarbeitung in dem Primärstromkreis geeignetes Analogsignal
aus dem digitalen Signal bereitstellt.
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Der erfindungsgemäße Schaltwandler umfasst vorzugsweise
eine Leistungsregelanordnung (Power-Factor-Controller) zur Bereitstellung
der ersten (gleichgerichteten) Spannung aus einer Netzwechselspannung.
Aufgabe solcher Power-Factor-Controller ist es in hinlänglich bekannter
Weise, die Leistungsaufnahme so zu regeln, dass möglichst keine
Blindleistung aufgenommen wird und damit die Rückkopplung höherfrequenter
Störsignale
in das Netz weitgehend vermieden wird.
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Vorzugsweise ist dieser Power-Factor-Controller
so ausgestattet, dass er neben der ersten Spannung eine Versorgungsspannung
für die
zweite Wandlereinheit und die Ansteuerschaltung des Schalters in
der ersten Wandlereinheit bereitstellt, wobei diese Versorgungsspannung
niedriger als die erste Spannung ist.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in
Ausführungsbeispielen
anhand von Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
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1 ein
Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils
mit einer ersten und zweiten Wandlereinheit,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer zweiten Wandlereinheit,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Schaltwandlers
mit einer ersten und zweiten Wandlereinheit,
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils
mit einer ersten und zweiten Wandlereinheit,
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5 ein
Ausführungsbeispiel
einer zweiten Wandlereinheit, die neben einer Leistungsübertragung
auch zur Signalübertragung
dient,
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6 ein
Ausführungsbeispiel
einer Sendereinheit, bei der zweiten Wandlereinheit gemäß 5,
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7 ein
Ausführungsbeispiel
einer Empfängereinheit
bei der zweiten Wandlereinheit gemäß 5,
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8 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer sowohl zur Leistungsübertragung
als auch zur Signalübertragung
dienenden zweiten Wandlereinheit.
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In den Figuren bezeichnen, sofern
nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelemente
und Funktionseinheiten mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Schaltnetzteils,
das erste und zweite Klemmen K1, K2 aufweist, an denen eine erste
Spannung Uin über
einem Glättungskondensator
C1 anliegt. Das Schaltnetzteil umfasst weiterhin Ausgangsklemmen
K3, K4, an denen eine aus der ersten Spannung Uin bereitgestellte
zweite Spannung Uout zur Versorgung einer gestrichelt eingezeichneten
Last anliegt.
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Das Schaltnetzteil umfasst eine erste
Wandlereinheit 10 mit einem Transformator TR1, der eine Primärspule Lp1
und eine Sekundärspule
Ls1 aufweist, die vorzugsweise mittels eines Transformatorkerns
induktiv miteinander gekoppelt sind. Die Primärspule Lp1 ist in Reihe zu
einem als Leistungstransistor T1 ausgebildeten Schalter zwischen
die erste und zweite Klemme K1, K2 geschaltet. Zur Ansteuerung des
als n-Kanal-MOSFET ausgebildeten Transistors T1 ist eine Ansteuerschaltung 12 vorgesehen, die
in eingeschaltetem Zustand ein pulsweitenmoduliertes Signal S1 zur
getakteten Ansteuerung des Transistors T1 bereitstellt. Zwischen
die Sekundärspule
Ls1 des ersten Transformators TR1 und die Ausgangsklemmen K3, K4
ist eine Gleichrichteranordnung geschaltet, die beispielhaft als
Reihenschaltung einer Diode D2 und eines Kondensators C2 dargestellt
ist, wobei die Ausgangsspannung Uout über dem Kondensator C2 anliegt.
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Neben der ersten Wandlereinheit 10 umfasst das
erfindungsgemäße Schaltnetzteil
eine zweite Wandlereinheit 20 mit einem zweiten Transformator TR2,
der eine Primärspule
Lp2 und eine Sekundärspule
Ls2 aufweist, wobei die Primärspule
Lp2 über eine
Ansteuerschaltung 21 an die erste und zweite Klemme K1,
K2 gekoppelt ist und wobei die Sekundärspule Ls2 über eine Gleichrichteranordnung 22 an die
Ausgangsklemmen K3, K4 gekoppelt ist.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für die
in 1 dargestellte zweite
Wandlereinheit mit der an die Primärspule Lp2 gekoppelten Ansteuereinheit 21 und
der an die Sekundärspule
Ls2 gekoppelten Gleichrichteranordnung 22 im Detail.
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Die Ansteuerschaltung 21 umfasst
in dem Beispiel eine Stromquelle Iq1 die in Reihe zu einem Schalter
S24 an die Primärspule
Lp2 angeschlossen ist, wobei die Reihenschaltung mit der Stromquelle Iq1
dem Schalter S24 und der Primärspule
Lp2 zwischen Eingangsklemmen K11, K12 der zweiten Wandlereinheit 20 geschaltet
und über
diese Eingangsklemmen K11, K12 an die erste und zweite Klemme K1,
K2 angeschlossen ist. Zur Ansteuerung des Schalters S24 ist eine
Ansteuerschaltung 24 vorgesehen, die den Schalter S24 getaktet öffnet und schließt.
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Selbstverständlich kann die Reihenschaltung
mit der Stromquelle Iq1 und dem Schalter S24 auch durch eine gesteuerte
Stromquelle mit einem Steuereingang ersetzt sein, wobei das von
der Ansteuerschaltung 24 gelieferte Steuersignal dabei
der Stromquelle direkt zugeführt
ist, um die Stromquelle getaktet ein- und auszuschalten.
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An die Sekundärspule Ls2 der zweiten Wandlereinheit 20 ist
eine Gleichrichtereinheit 22 mit einer Reihenschaltung
einer Diode D22 und einem Kondensator C22 angeschlossen, wobei der
Kondensator C22 über
Ausgangsklemmen K13, K14 der zweiten Wandlereinheit 20 an
die Ausgangsklemmen K3, K4 des Schaltnetzteils angeschlossen ist.
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Die Stromquelle Iq1 liefert bei geschlossenem
Schalter S24 einen konstanten Strom I1 an die Primärspule Lp2,
wodurch die Primärspule
Lp2 Energie aufnimmt, die über
die Sekundärspule
Ls2 und die Gleichrichteranordnung 22 an die Ausgangsklemmen
K3, K4 abgegeben wird. Die Steuerschaltung 24 steuert den
Schalter S24 vorzugsweise mit einem konstanten Duty-Cycle an, so
dass eine im Mittelkonstante Leistung an die Ausgangsklemmen K3,
K4 übertragen
wird, wobei diese Leistung vorzugsweise auf die Leistungsaufnahme
einer an die Ausgangsklemme K3, K4 angeschlossenen Last während des Standby-Betriebes
dieser Last abgestimmt ist.
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Während
die Ansteuerschaltung 24 der zweiten Wandlereinheit 20 vorzugsweise
ein pulsweitenmoduliertes Signal zur Ansteuerung des Schalters S24
mit einer konstanten Pulsweite erzeugt, variiert die Pulsweite des
pulsweitenmodulierten Signals S1 zur Ansteuerung des Transistors
T1 abhängig
von einem Signal S12, das von der Ausgangsspannung Uout abhängig ist.
Steigt die Ausgangsspannung Uout bei kleiner werdender Last, so
wird die Pulsweite des Signals S1 und damit die Einschaltzeit des Transistors
T1 pro Taktperiode reduziert, um die Leistungsübertragung zu reduzieren und
damit die Ausgangs spannung Uout zurück zu regeln, und umgekehrt.
Die Ansteuerschaltung 12 ist vorzugsweise so ausgebildet,
dass sie bei Unterschreiten einer vorgegebenen Leistungsschwelle
bzw. bei Unterschreiten einer minimalen Einschaltdauer pro Taktperiode
des Schalters T1 abschaltet, wobei die Spannungsversorgung der Last
dann ausschließlich über die
zweite Wandlereinheit 20 übernommen wird, was dem Standby-Betrieb
des Netzteils entspricht.
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In der Ansteuerschaltung 12 der
ersten Wandlereinheit 10 ist während dieses Standby-Betriebs
lediglich eine Versorgung relevanter Schaltungskomponenten gewährleistet,
die bei einem Absinken der Ausgangsspannung Uout, beispielsweise nach
einem Übergang
der Last von dem Standby-Betrieb in den Normalbetrieb, ein Anlaufen
der Ansteuerschaltung 12, d.h. eine erneute getaktete Ansteuerung
des Transistors T1 gewährleistet.
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Über
die zweite Wandlereinheit 20 wird vorzugsweise permanent
eine konstante Leistung an die Ausgangsklemmen K3, K4 übertragen,
wobei diese Leistung wesentlich geringer ist, als die bei Normalbetrieb über die
erste Wandlereinheit 10 übertragene Leistung und wobei
die über
die zweite Wandlereinheit 20 übertragene Leistung auf die
Leistungsaufnahme der Last während
des Standby-Betriebs abgestimmt ist.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils,
bei dem die erste Spannung Uin zwischen den ersten und zweiten Klemmen
K1, K2 durch eine Leistungsregelanordnung 30 (Power-Factor-Controller)
aus einer Netzeingangsspannung Un, die an den Eingangsklemmen K3,
K4 anliegt, bereitgestellt wird. Der Power-Factor-Controller 34 umfasst
in hinlänglich
bekannter Weise einen Brückengleichrichter 30,
dessen Eingänge
an die Eingangsklemmen K3, K4 angeschlossen sind und zwischen dessen
Ausgangsklemmen eine Reihenschaltung mit einer Drossel L30 und einem
Transistor T2 geschaltet ist, wobei ein Laststreckenanschluss des
Transistors T2 über
eine Diode D30 an die erste Klemme K1 und der andere Laststreckenanschluss
des Transistors T2 an die zweite Klemme K2 angeschlossen ist. Der
Transistor T2 ist mittels einer Ansteuerschaltung 32 angesteuert,
wobei dieser Ansteuerschaltung 32 ein von der ersten Spannung
Uin abhängiges
Signal S32 und ein von einem Eingangsstrom Iin abhängiges Signal
S33 zugeführt
ist und die Ansteuerschaltung 32 den Schalter T2 derart
ansteuert, dass ein Eingangsstrom Iin erreicht wird, der proportional
zum Momentanwert Netzeingangsspannung Un ist, um eine minimale Blindleistungsaufnahme
zu erreichen.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Schaltnetzteils, bei dem der Power-Factor-Controller 30 eine
Versorgungsspannungsquelle 31 aufweist, die eine Versorgungsspannung
Vcc bereitstellt, mittels welcher die Ansteuerschaltung 32 des
Transistors T2 in dem Power-Factor-Controller, die Ansteuerschaltung 12 des
in Reihe zu der Primärspule
Lp1 des ersten Transformators TR1 geschalteten Transistors T1 und
die zweite Wandlereinheit 20 versorgt wird. Die Spannungsquelle 31 umfasst
eine mit der Drossel L30 induktiv gekoppelte Spule L31, die in Reihe
zu einem Widerstand R31, einer Diode D31 und einem Kondensator C31
zwischen Klemmen für
Bezugspotential GND geschaltet ist, an welches auch die zweite Klemme
K2 angeschlossen ist. Die Versorgungsspannung Vcc liegt dabei über dem Kondensator 31 an
und ist geringer als die Eingangsspannung Uin zwischen der ersten
und zweiten Klemme K1, K2.
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Bei dem Schaltnetzteil gemäß 3 kann der Power-Factor-Controller 30 im
Standby-Betrieb der Last abgeschaltet werden. In diesem Fall wird
der Kondensator C1 über
die Drossel L30 unmittelbar auf den Spitzenwert der Netzeingangsspannung
Un aufgeladen, wobei die zweite Wandlereinheit 20 über diese
Spannung versorgt wird. Nachteilig ist hierbei, dass die Stromquelle
Iq1 in der Ansteuerschaltung 21 dabei hochspannungsfest
sein muss, wodurch entsprechend höhere Schaltverluste auftreten.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 bei welchem die Versorgungsspannung
Vcc der zweiten Wandlereinheit 20 durch den Power-Factor-Controller 30 bereitgestellt
wird, kann der Power-Factor-Controller während des Standby-Betriebs der
Last nicht abgeschaltet werden, allerdings sind bei dieser Ausführungsform
die in der zweiten Wandlereinheit 20 anfallenden Schaltverluste
geringer, da die Versorgungsspannung Vcc entsprechend niedriger
ist. Bei einer als konstant angenommenen Versorgungsspannung Vcc
kann bei der Ansteuerschaltung 21 in 4 auf eine Stromquelle Iq1 gemäß 2 verzichtet werden und
Primärspule
Lp1 kann unmittelbar über
den Schalter S24 an die Eingangsklemmen K11, K12, zwischen denen
die Versorgungsspannung Vcc anliegt, angeschlossen werden.
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Die bislang erläuterten Ausführungsbeispiele der
zweiten Wandlereinheit 20 dienen zur Übertragung von Leistung von
einem Primärstromkreis,
der die Primärspule
Lp1 des ersten Transformators TR1 umfasst zu einem Sekundärstromkreis,
der die Sekundärspule
Ls1 des ersten Transformators TR1 sowie die Ausgangsklemmen K3,
K4 umfasst.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer zweiten Wandlereinheit 20, die neben der Leistungsübertragung
von der Primärseite
auf die Sekundärseite
zur Signalübertragung
von der Sekundärseite auf
die Primärseite
dient. An die Primärspule
Lp2 des zweiten Transformator TR2 ist dazu eine Ansteuer- und Empfängerschaltung 21 angeschlossen,
die eine Ansteuereinheit 211 und eine Empfängereinheit 212 umfasst.
Die Ansteuereinheit 211 ist beispielsweise entsprechend
der Ansteuereinheit in 2 aufgebaut
und eingangsseitig an die Eingangsklemmen K11, K12 angeschlossen
und ausgangsseitig über
einen Umschalter S21 an die Primärspule
Lp2 angeschlossen. Die Empfängereinheit 212 ist
ebenfalls über
den Umschalter S21 an die Primärspule
Lp2 angeschlossen und stellt ein noch zu erläuterndes Steuersignal S12 zur
Verfügung.
Zur Umschaltung zwischen der Ansteuereinheit 211 und der
Empfängereinheit 212 dient
eine Ansteuerschaltung 213 des Umschalters S21.
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Sekundärseitig ist an den zweiten
Transformator TR2 eine Gleichrichter- und Empfängeranordnung 22 angeschlossen,
die eine Gleichrichtereinheit 221 und eine Sendereinheit 222 umfasst.
Die Gleichrichtereinheit 221 ist beispielsweise entsprechend der
in 2 dargestellten Gleichrichtereinheit
mit der Diode D22 und dem Kondensator C22 aufgebaut. Die Sekundärspule Ls2
wird wechselseitig an die Gleichrichtereinheit 221 und
die Sendereinheit 222 angeschlossen, wofür ein Umschalter
S22 vorgesehen ist, der durch eine Ansteuerschaltung 223 angesteuert ist.
Die Gleichrichtereinheit 221 ist dabei eingangsseitig über den
Schalter S22 an die Sekundärspule Ls2
angeschlossen und ausgangsseitig an die Ausgangsklemmen K13, K14
der zweiten Wandlereinheit 20 angeschlossen. Die Sendereinheit 222 ist
eingangsseitig an die Ausgangsklemme K13, K14 und ausgangsseitig über den
Schalter S22 an die Sekundärspule
Ls2 angeschlossen.
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Die in 5 dargestellte
zweite Wandlereinheit 22 kann wechselseitig im Leistungsübertragungsbetrieb
und im Signalübertragungsbetrieb
betrieben werden, wie nachfolgend erläutert ist.
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Im Leistungsübertragungsbetrieb schließt der Schalter
S21 die Ansteuereinheit 211 an die Primärspule Lp2 an und der Schalter
S22 schließt
die Sekundärspule
Ls2 an die Gleichrichtereinheit 221 an. Dadurch wird Leistung
von dem Primärstromkreis an
den Sekundärstromkreis
zur Versorgung einer an die Ausgangsklemmen K3, K2 angeschlossenen Last übertragen.
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Zur Signalübertragung werden die Umschalter
S21, S23 umgeschaltet, wobei dann die Sendereinheit 222 an
die Sekundärspule
Ls2 und die Empfängereinheit 212 an
die Primärspule
Lp2 angeschlossen ist. Die Sekundärspule Ls2 dient während der
Signalübertagung
als Primärspule
und überträgt eine
von der Sendereinheit 221 generierte Impulsfolge an die
Primärspule
Lp2, die während
der Signalübertragung
als Sekundärspule
fungiert. Die in der Primärspule
Lp2 empfangene Impulsfolge wird in der Empfängereinheit 212 in
das Ansteuersignal S12 umgesetzt. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Sendereinheit 22 dazu
ausgebildet, eine von der Ausgangsspannung Uout abhängige Impulsfolge
S222 zu erzeugen und über
den Transformator TR2 an die Empfängereinheit 212 zu übertragen. Diese
empfangene Impulsfolge wird in der Empfängereinheit 212 in
das Steuersignal S12 umgesetzt, welches in der Ansteuereinheit 12 des
Transistors T1 der ersten Wandlereinheit 10 zur Erzeugung
des pulsweitenmodulierten Signals S1 verwendet wird.
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Der Wechsel von Leistungsübertragung
zu Signalübertragung
und umgekehrt erfolgt vorzugsweise nach einem fest vorgegebenen
Muster. So besteht die Möglichkeit,
während
jeder Taktperiode, also der Periode, während der der Schalter S24
gemäß 2 oder ein dem Schalter
S24 entsprechender Schalter einmal geöffnet und geschlossen wird, zeitlich
aufeinanderfolgend sowohl Energie von der Primärseite zu der Sekundärseite als
auch ein Signal von der Sekundärseite
zu der Primärseite
zu übertragen.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit,
für eine Anzahl
von Taktperioden Energie zu übertragen
und nach diesen Taktperioden für
eine vorgegebene Anzahl von Taktperioden auf die Signalübertragung
umzuschalten.
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Außerdem besteht die Möglichkeit,
die während
der Leistungsübertragung
von der Primärspule Lp2
zur Sekundärspule
Ls2 übertragenen
Stromimpulse so zu modulieren, so dass darin ein Ankündigungssignal
für eine
Signalübertragung
enthalten ist, wobei die Ansteuerschaltung 223 in diesem
Fall die an der Sekundärspule
Ls2 empfangenen Signale permanent überwacht und bei Detektion
eines eine Signalübertragung
ankündigenden
Signalmusters den Schalter S22 für
die Signalübertragung
umschaltet. Mit dem Umschalten liefert die Ansteuerschaltung
223 dann
ein Signal an die Sendereinheit 222 um mit der Signalübertragung
zu beginnen.
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Entsprechend kann in dem an die Primärspule Lp2
während
der Signalübertragung übertragenen Signal
die Information über
eine Beendigung einer Signalübertragung
enthalten sein, wobei die Ansteuerschaltung 213 den Schalter
S21 dann für
die Leistungsübertragung
und die Ansteuerschaltung 223 den Schalter S22 ebenfalls
für die
Leistungsübertragung
umschaltet.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Sendereinheit 222 gemäß 5. Die Sendereinheit umfasst einen Analog-Digital-Wandler ADC,
dem die Ausgangsspannung Uout zugeführt ist. Dieser Analog-Digital-Wandler
ADC stellt ein der Ausgangsspannung Uout entsprechendes digitalisiertes
Signal zur Verfügung,
welches einem Kodierer COD zugeführt
ist. Der Kodierer COD setzt dieses digitalisiertes Signal in eine
für die Übertragung über den
zweiten Transformator TR2 geeignete Impulsfolge Scod um, die über eine
Treiberschaltung DRV und den Schalter S22 an die Sekundärspule Ls2
angelegt wird.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer zu der Sendereinheit gehörigen
Empfängereinheit 212. Diese
Empfängereinheit 212 umfasst
einen Dekodierer DEC dem die von der Primärspule Lp2 empfangene Impulsfolge
zugeführt
ist. Dieser Dekodierer DEC setzt diese Impulsfolge in ein entsprechendes
digitalisiertes Signal um, dass einem Digital-Analog-Wandler DAC
zugeführt
ist, der aus diesem digitalisierten Signal das Steuersignal S12
bereitstellt.
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8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Wandlereinheit 20, bei der neben dem zweiten Transformator
TR2 ein dritter Transformator TR3 mit einer Primärspule Lp3 und einer Sekundärspule Ls3
vorgesehen ist. An die Primärspule
Lp3 dieses dritten Transformators TR3 ist eine Sendereinheit 222 angeschlossen,
deren Funktion der Sendereinheit gemäß der 5 oder 6 entspricht.
An die Sekundärspule Ls3
des dritten Transformators TR3 ist eine Empfängereinheit 212 angeschlossen,
die das Steuersignal S12 bereitstellt und deren Funktion der Funktion
der Empfängereinheit 212 gemäß der 5 oder 7 entspricht. An
den zweiten Transformator TR2 ist primärseitig die Ansteuereinheit 211 angeschlossen, deren
Funktion der in 5 erläuterten
Ansteuereinheit 211 entspricht. Sekundärseitig ist an den zweiten Transformator
TR2 eine Gleichrichtereinheit 221 angeschlossen, deren
Funktion der Gleichrichtereinheit 221 gemäß 5 entspricht.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 dient der zweite Transformator
TR2 mit der Ansteuereinheit 211 und der Gleichrichtereinheit 221 ausschließlich zur
Leistungsübertragung
von der Primärseite
des Schaltnetzteils zur Sekundärseite
bzw. über die
Ausgangsklemmen K13, K14 der Wandlereinheit 20 an die Ausgangsklemmen
K3, K4 des Schaltnetzteils. Der dritte Transformator TR3 mit der
Sendereinheit 222 und der Empfängereinheit 112 dient
bei diesem Ausführungsbeispiel
ausschließlich
zur Signalübertragung
von der Sekundärseite
auf die Primärseite,
wobei die Empfängereinheit 222 an
die Ausgangsklemmen K13, K14 angeschlossen sein kann, um ein von
der Ausgangsspannung Uout abhängiges
Signal zu übertragen
von dem das Steuersignal S12 abhängig
ist. Des Weiteren besteht die Möglichkeit,
weitere sekundärseitige
Signal über
die Übertragungseinheit mit
dem dritten Transformator TR3, der Sendereinheit 222 und
der Empfängereinheit 212 zu übertragen.
Das Ausführungsbeispiel
gemäß 8 bietet gegenüber dem
in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
den Vorteil, dass gleichzeitig eine Leistungsübertragung von der Primärseite zu
der Sekundärseite
und eine Signalübertragung
von der Sekundärseite
zur Primärseite
stattfinden kann.
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Vorzugsweise sind die Ansteuerschaltung 12 des
ersten Transistors T1, die Ansteuerschaltung 32 des zweiten
Transistors T2 sowie die primärseitigen Schaltungskomponenten
der zweiten Wandlereinheit 20 in einer gemeinsamen integrierten
Schaltung IC1 integriert, während
die sekundärseitigen
Schaltungskompo nenten der zweiten Wandlereinheit 20 in
einer zweiten integrieren Schaltung IC2 integriert sind, wie dies
schematisch in 9 dargestellt
ist. Die beiden integrierten Schaltungen IC1, IC2 sind dabei beispielsweise
in Chip-on-Chip-Technologie übereinander
angeordnet, um eine induktive Kopplung der primärseitigen Spulen Lp2, Ls3 der
zweiten Wandlereinheit 20 und der sekundärseitigen
Spulen Ls2, Lp3 der zweiten Wandlereinheit 20 zu erreichen.
Dem Ausführungsbeispiel
gemäß 9 liegt eine Wandlereinheit
gemäß 8 mit einem zweiten und
dritten Transformator TR2, TR3 zugrunde. Selbstverständlich gilt
die Unterbringung der primärseitigen
Schaltungskomponenten der zweiten Wandlereinheit 20 in einem
ersten Chip IC1 und der sekundärseitigen Schaltungskomponenten
in einen zweiten Chip IC2 entsprechend für eine Ausführungsform mit lediglich einem
Transformator in der zweiten Wandlereinheit 20.
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- 10
- erste
Wandlereinheit
- 12
- Ansteuerschaltung
- 20
- zweite
Wandlereinheit
- 21
- Ansteuerschaltung,
Ansteuer- und Empfängerschaltung
- 211
- Ansteuereinheit
- 212
- Empfängereinheit
- 213,
223
- Ansteuerschaltungen
- 22
- Gleichrichtereinheit,
Gleichrichter- und Senderschaltung
- 221
- Gleichrichtereinheit
- 222
- Sendereinheit
- 30
- Power-Factor-Controller
- 31
- Versorgungsspannungsquelle
- 32
- Ansteuerschaltung
- 34
- Brückengleichrichter
-
-
- ADC
- Analog-Digital-Wandler
- C1
- Kondensator
- C31
- Kondensator
- COD
- Kodierer
- D1
- Diode
- D30
- Diode
- D31
- Diode
- DAC
- Digital-Analog-Wandler
- DEC
- Dekodierer
- DRV
- Treiberschaltung
- Iin
- Eingangsstrom
- K1
- erste
Klemme
- K11,
K12
- Eingangsklemmen
der zweiten Wandlereinheit
- K13,
K14
- Ausgangsklemmen
der zweiten Wandlereinheit
- K2
- zweite
Klemme
- K3,
K4
- Ausgangsklemmen
- L30
- Drossel
- Lp1,
Lp2
- Primäspulen
- Lp3
- Primärspule
- Ls1,
Ls2
- Sekundärspulen
- Ls3
- Sekundärspule
- Ls30
- Sekundärspule
- S1
- Ansteuersignal
- S12
- Steuersignal
- S21,
S22
- Umschalter
- S32,
S33
- Steuersignal
- T1
- erster
Transistor
- T2
- zweiter
Transistor
- TR1
- erster
Transformator
- TR2
- zweiter
Transformator
- TR3
- dritter
Transformator
- Uin
- erste
Spannung
- Un
- Netzeingangsspannung
- Uout
- Ausgangsspannung
- Vcc
- Versorgungsspannung