DE19741672A1 - Switch mode power supply for audio-video equipment - Google Patents

Switch mode power supply for audio-video equipment

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Thomas Riesle
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

The power supply has an on-mode and a stand-by mode. The circuit includes a series-parallel resonant converter with a half-bridge. In 'on' mode, the switching frequency is defined by capacitors on the primary side, while when in stand-by mode the frequency is defined by capacitors on the secondary side. A series resonance converter is also claimed, in which a current is drawn from the mains via a network (CP17,LP15,DP15) depending on a voltage on a series resonant capacitor (Cs).

Description

1.1 Einführung1.1 introduction

Ein herkömmliches Schaltnetzteil für die Unterhaltungselektronik besteht meistens aus einem Sperrwandler. Trotz des häufigen Einsatzes hat solch ein Sperrwandler gravierende Nachteile:
A conventional switched-mode power supply for consumer electronics usually consists of a flyback converter. Despite the frequent use, such a flyback converter has serious disadvantages:

  • 1. Die Schaltfrequenz ist begrenzt auf ungefähr 150 kHz, da die Schaltverluste mit zunehmender Frequenz größer werden.1. The switching frequency is limited to approximately 150 kHz because of the switching losses get bigger with increasing frequency.
  • 2. Der Leistungstransformator ist recht groß und hat relative große Verluste.2. The power transformer is quite large and has relatively large losses.
  • 3. Die Spannung am Schalttransistor ist sehr groß (über 800 Volt)3. The voltage at the switching transistor is very high (over 800 volts)
  • 4. Der Regelbereich für kontinuierliche Frequenz ist begrenzt (z. B. SMPS FROSIN: 15 Watt bis 90 Watt Ausgangsleistung bei 264 Volt bis 180 Volt Netzspannung: 150 kHz-40 kHz).
    (mains-load variation: 90/15.264/180 ≈ 9, frequency variation: 150/40 ≈ 3.8)
    Der serien-parallel Resonanzwandler mit Halbbrücke hat folgende Vorteile:    4. The control range for continuous frequency is limited (eg SMPS FROSIN: 15 watts to 90 watts output power at 264 volts to 180 volts mains voltage: 150 kHz-40 kHz).
    (mains-load variation: 90 / 15.264 / 180 ≈ 9, frequency variation: 150/40 ≈ 3.8)
    The series-parallel resonance converter with half-bridge has the following advantages:
  • 1. Schaltfrequenz bis über 1 MHz möglich, da keine Einschaltverluste (ZVS)1. Switching frequency up to over 1 MHz possible, as no switch-on losses (ZVS)
  • 2. Kleiner Leistungstransformator (planar technology) mit geringen Verlusten wegen großer Schaltfrequenz (300 kHz bis 700 kHz)2. Small power transformer (planar technology) with low losses due to high switching frequency (300 kHz to 700 kHz)
  • 3. Die Spannung an den beiden Schalttransistoren beträgt maximal 400 V3. The voltage at the two switching transistors is a maximum of 400 V.
  • 4. Der Regelbereich für kontinuierliche Frequenz ist sehr groß (z. B. gemessen im SMPS for GREEN TV: 1 Watt bis 90 Watt Ausgangsleistung bei 268 Volt bis 180 Volt Netzspannung: 715 kHz bis 310 kHz), siehe Bilder 1 und 2.
    (mains-load variation: 90/1.268/180 ≈ 134, frequency variation: 715/310 ≈ 2.3)    4. The control range for continuous frequency is very large (eg measured in the SMPS for GREEN TV: 1 watt to 90 watt output power at 268 volt to 180 volt mains voltage: 715 kHz to 310 kHz), see Figures 1 and 2.
    (mains-load variation: 90 / 1,268 / 180 ≈ 134, frequency variation: 715/310 ≈ 2.3)
1.2 Funktionsweise des Schaltnetzteiles1.2 How the switching power supply works 1.2.1 Resonanzwandler1.2.1 Resonance converter

Grundsätzlich besteht ein Resonanzwandler aus einem Schwingkreis, bei dem die Energie sinusförmig von einem Kondensator zur Drossel und wieder zurück fließt. Der Strom wird dabei durch die Last gedämpft. Der große Vorteil besteht darin, daß man im Spannungsnulldurchgang einschalten kann und somit keine Einschaltverluste hat. Deswegen kann man eine sehr hohe Schaltfrequenz verwenden, was das Volumen des Transformators wesentlich reduziert. Die Nachteile: man benötigt zusätzliche Bauteile zur Realisierung des Schwingkreises und hat höhere Durchlaßverluste in den Schaltern sowie Verluste wegen der Blindenergie, die im Schwingkreis hin- und hergeschoben wird.Basically, a resonance converter consists of an oscillating circuit in which the energy is sinusoidal from a capacitor to the choke and back again flows. The current is damped by the load. The big advantage is there in that you can turn on in the zero voltage crossing and therefore none Has start-up losses. That's why you can have a very high switching frequency use, which significantly reduces the volume of the transformer. The Disadvantages: you need additional components to implement the Resonant circuit and has higher forward losses in the switches and losses because of the reactive energy that is pushed back and forth in the resonant circuit.

1.2.2 Halbbrücke1.2.2 Half bridge

Gegenüber eines einzelnen Transistors hat eine Halbbrücke den Vorteil, daß die beiden Transistoren nur die halbe Spannung vertragen müssen. Dies ist optimal für MOSFETs, die für hohe Frequenz geeignet sind und bei halber Spannungsfestigkeit viel billiger sind und auch ein kleineres RDSon haben. Aber die Ansteuerung der Schalter ist schwieriger. Durch die Halbbrücke wird der Transformator in beide Richtungen ausgesteuert, somit wird die Transformatorgröße halbiert und die Entmagnetisierung entfällt. Aber eine Diodenbrücke auf der Sekundärseite ist erforderlich.Compared to a single transistor, a half-bridge has the advantage that the two transistors only have to tolerate half the voltage. This is optimal for MOSFETs that are suitable for high frequency and are much cheaper at half the dielectric strength and also have a smaller R DSon . But controlling the switches is more difficult. The transformer is driven in both directions by the half-bridge, thus the transformer size is halved and the demagnetization is eliminated. But a diode bridge on the secondary side is required.

1.2.3 parallel resonant converter (PRC) and series resonant converter (SRC)1.2.3 parallel resonant converter (PRC) and series resonant converter (SRC)

Bei der kombinierten serien-parallel Resonanz bestimmt der Serienkondensator (Cs = CP18 + CP19) die Resonanzfrequenz im ON-Betrieb des Gerätes und der Parallelkondensator (Cp = CP80) die Resonanzfrequenz im leistungsarmen Betrieb (Standby Mode, Searchmode).
(f = 1/(2 Π √(LC)); Parallelresonanzfrequenz: fp = 330 kHz, Serienresonanz­ frequenz: fs = 230 kHz).With the combined series-parallel resonance, the series capacitor (Cs = CP18 + CP19) determines the resonance frequency when the device is in ON mode and the parallel capacitor (Cp = CP80) determines the resonance frequency in low-power mode (standby mode, search mode).
(f = 1 / (2 Π √ (LC)); parallel resonance frequency: fp = 330 kHz, series resonance frequency: fs = 230 kHz).

Der Übergang von großer zu kleiner Leistung verläuft kontinuierlich, zusätzliche Bauteile zur Regelung der kleinen Leistung (z. B. zur Erzeugung eines burst- Betriebes) sind nicht notwendig. Gearbeitet wird immer über der Resonanzfrequenz (ABM = above resonance mode). Der Strom ist lückend (DCM = discontinuous conduction mode).The transition from large to small output is continuous, additional ones Components for controlling the low power (e.g. for generating a burst Operation) are not necessary. It is always worked over the Resonance frequency (ABM = above resonance mode). The current is incomplete (DCM = discontinuous conduction mode).

Verlustbehaftete Dämpfungsglieder zur Verkleinerung der Schaltverluste entfallen.Lossy attenuators to reduce switching losses omitted.

Der sinusförmige Strom durch den Transformator verkleinert EMC Probleme.The sinusoidal current through the transformer reduces EMC problems.

2. Power Factor Correction circuit2. Power factor correction circuit 2.1 Einführung2.1 Introduction

Für Netzteile gibt es Vorschriften (EN 61000.3.2 und IEC 555) über die zulässige Belastung der Oberwellen. Das Ziel ist es, einen möglichst sinusförmigen Strom aus dem Netz zu ziehen. Um die Normen einzuhalten, gibt es grundsätzlich zwei Methoden. Entweder man setzt zwischen Schaltnetzteil und Netz ein zusätzliches Netzteil (z. B. boost converter) oder man verändert das Schaltnetzteil derart, daß die Normen erfüllt werden. Im ersten Fall ist der Aufwand enorm und der Wirkungsgrad des Systems ist sehr schlecht, dafür zieht man aber einen fast sinusförmigen Strom aus dem Netz. Im zweiten Fall ist der Aufwand klein, der Wirkungsgrad gut, aber es gibt problematische Nebeneffekte und der Strom aus dem Netz ist nicht sinusförmig, sondern nur so, daß die Normen gerade noch erfüllt werden. Die Erfindung bezieht sich auf den zweiten Fall.For power supplies there are regulations (EN 61000.3.2 and IEC 555) on the permissible Harmonic load. The goal is to get a sinusoidal current to pull out of the network. In order to comply with the standards, there are basically two Methods. Either you put an additional one between the switching power supply and the network Power supply (e.g. boost converter) or you can change the switching power supply in such a way that the standards are met. In the first case, the effort is enormous The efficiency of the system is very bad, but you almost pull it for that sinusoidal current from the network. In the second case, the effort is small Efficiency good, but there are problematic side effects and the electricity off the network is not sinusoidal, but only so that the standards just barely be fulfilled. The invention relates to the second case.

2.2 Herkömmliche Lösungen2.2 Conventional solutions

Für die Einhaltung obiger Normen wird herkömmlicherweise in einem existierenden Schaltnetzteil der Leistungsschalter noch zusätzlich verwendet, um aus dem Netz über einen längeren Zeitraum Strom zu ziehen. Dadurch wird die Spitze des Stromes im Spannungsmaximum kleiner und der Winkel breiter. Je nach der Schaltfrequenz des Schalttransistors wird Ladung aus dem Netz auf den Speicherelko (CN) gepumpt.To comply with the above standards, the circuit breaker is conventionally also used in an existing switching power supply in order to draw power from the network over a longer period of time. As a result, the peak of the current becomes smaller at the maximum voltage and the angle wider. Depending on the switching frequency of the switching transistor, charge is pumped from the network to the storage electrolytic capacitor (C N ).

Die bekannten Nachteile sind:
The known disadvantages are:

  • 1. Der Leistungsschalter wird zusätzlich mit mehr Strom und Spannung belastet, was eine größere Dimensionierung erforderlich macht.1. The circuit breaker is additionally loaded with more current and voltage, which requires a larger dimension.
  • 2. Bei einem freilaufenden Netzteil hat man bei kleinerer Leistung (oder größerer Netzspannung) eine größere Frequenz, folglich zieht man mehr Energie aus dem Netz, die man gar nicht benötigt. Die Spannung am Speicherelko (CN) steigt, dadurch wird die Frequenz noch größer. Da die Spannung an CN nicht kontrolliert wird, entsteht eine gefährliche Überspannung, welche die Halbleiter oder den Speicherelko zerstören kann. Deshalb kann eine kleinere Leistung nicht ohne Aufwand geregelt werden.2. With a free-running power supply unit you have a higher frequency with lower power (or higher mains voltage), consequently you draw more energy from the mains which you do not need at all. The voltage at the storage electrolytic capacitor (C N ) increases, which increases the frequency. Since the voltage at C N is not controlled, a dangerous overvoltage arises which can destroy the semiconductors or the storage electrolytic capacitor. Therefore a smaller output cannot be regulated without effort.
  • 3. Die zusätzlichen Bauteile wie Kondensator und Drossel sind relativ groß.3. The additional components such as the capacitor and choke are relatively large.
  • 4. Die Normen werden meistens nur in den spezifizierten test conditions (Farbbalken: mit 80 cd/m2 für Weiß, 2 cd/m2 für Schwarz, etc.) eingehalten. Bei größerer Leistungsaufnahme des Gerätes, was durchaus oft vorkommt, werden die Oberwellen dann doch stärker belastet.4. The standards are usually only met in the specified test conditions (color bars: with 80 cd / m 2 for white, 2 cd / m 2 for black, etc.). If the device consumes a large amount of power, which is often the case, the harmonics are then subjected to greater stress.
2.3 Neue Lösung2.3 New solution

Unsere Erfindung "power factor correction for series resonant converter" hat folgende Vorteile (die Werte beziehen sich auf das neue Konzept "half bridge series-parallel resonant power supply" im Vergleich zu FROSIN plus ICC17):
Our invention "power factor correction for series resonant converter" has the following advantages (the values refer to the new concept "half bridge series-parallel resonant power supply" compared to FROSIN plus ICC17):

  • 1. Die zusätzliche Belastung des Leistungsschalters ist so klein, daß eine größere Dimensionierung nicht notwendig ist.1. The additional load on the circuit breaker is so small that one larger dimensions are not necessary.
  • 2. Bei dem freilaufenden Netzteil (Serienresonanzkonverter) zieht man bei kleiner Leistung und großer Frequenz fast gar keine zusätzliche Energie aus dem Netz, folglich gibt es kaum eine Spannungserhöhung am Speicherelko (CN). Die reduzierte Überbelastung der Bauteile erhöht die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Netzteiles.2. With the free-running power supply unit (series resonance converter), with little power and high frequency, almost no additional energy is drawn from the network, consequently there is hardly any voltage increase at the storage electrolytic capacitor (C N ). The reduced overloading of the components increases the reliability and service life of the power supply.
  • 3. Die zusätzlichen Bauteile, Kondensator und Drossel sind klein. Das Volumen der Drossel beträgt ungefähr nur 5% (ca. 20 mal kleiner), der Kondensator ist ungefähr zehn mal kleiner.3. The additional components, capacitor and choke are small. The volume the choke is only about 5% (approx. 20 times smaller), the capacitor is about ten times smaller.
  • 4. Die Normen werden nicht nur bei den spezifizierten test conditions eingehalten, sondern auch bei größerer Leistung werden die Oberwellen noch mehr gedämpft.4. The standards are not only specified in the specified test conditions the harmonics are adhered to, but also with greater power muffled even more.

Nachteile gibt es eigentlich keine. Die PFC-Schaltung kann in einem Serien­ resonanzwandler eingesetzt werden, egal ob ein Schalttransistor (single-ended), zwei (Halbbrücke) oder vier (Vollbrücke). Die Schaltung ist sehr ökologisch und weist in Kombination mit dem "half bridge series-parallel resonant power supply" einen hervorragenden Wirkungsgrad auf:
Bei 230 V Netzspannung und maximaler Ausgangsleistung (99 W): η = 86%, bei Nominalleistung (65 W): η = 83%, bei kleiner Ausgangsleistung (25 W): η = 73%, und bei der kleinsten Ausgangsleistung von einem Watt nimmt die ganze Schaltung gerade mal drei Watt auf.There are actually no disadvantages. The PFC circuit can be used in a series resonance converter, whether one switching transistor (single-ended), two (half-bridge) or four (full-bridge). The circuit is very ecological and in combination with the "half bridge series-parallel resonant power supply" has an excellent efficiency:
At 230 V mains voltage and maximum output power (99 W): η = 86%, at nominal power (65 W): η = 83%, at low output power (25 W): η = 73%, and at the lowest output power of one watt the whole circuit consumes just three watts.

2.4 Funktionsweise der PFC-Schaltung:2.4 How the PFC circuit works:

Bedingt durch die Wirkungsweise eines Serienresonanzwandlers, ist die Spannung am Serienresonanzkondensator (Cs = CP18 + CP19) ein mit der Schaltfrequenz modulierter Sinus. Je nach der Größe dieser Spannung wird über CP17, LP15 und DP15 ein Strom aus dem Netz gezogen. DP15 verhindert ein Zurückfließen des Stromes, was den Wirkungsgrad der Schaltung erhöht und die Strombelastung der Bauteile vermindert. Due to the mode of operation of a series resonance converter, the Voltage at the series resonance capacitor (Cs = CP18 + CP19) with the Switching frequency of modulated sine. Depending on the size of this voltage will be about CP17, LP15 and DP15 draw a current from the network. DP15 prevents one Back flow of the current, which increases the efficiency of the circuit and the Current load on the components is reduced.  

Ist die Spannung an Cs kleiner als die gleichgerichtete, ungeglättete Netzspannung am Filterkondensator CP15, wird CP17 über LP15 und DP15 aufgeladen. Sobald die Spannung an Cs größer als die an CP15 wird, werden die zuvor in LP15 und CP17 gespeicherten Energieen über DP17 auf den Speicherkondensator CP16 geladen.If the voltage across Cs is less than the rectified, unsmoothed one Mains voltage at filter capacitor CP15, CP17 becomes LP15 and DP15 charged. As soon as the voltage on Cs becomes greater than that on CP15, the energies previously stored in LP15 and CP17 via DP17 on the Storage capacitor CP16 charged.

Im Gegensatz zu den Patenten DE 42 38 808 C2 und DE 44 31 120 A1 wird der Strom aus dem Netz nicht mit einem Rechtecksignal gezogen, sondern mit einem Sinussignal. Das reduziert die erzeugten Störungen (EMC-Problematik) erheblich und bedeutet auch weniger Streß für die schaltenden Bauteile.In contrast to the patents DE 42 38 808 C2 and DE 44 31 120 A1 the electricity from the network is not drawn with a square wave signal, but with a sine signal. This reduces the interference generated (EMC problem) significantly and also means less stress for the switching Components.

Im Gegensatz zu den Patenten DE 42 38 808 C2 und DE 44 31 120 A1 wird der Strom aus dem Netz nicht nur mit einer leistungsumgekehrtproportionalen Schaltfrequenz, sondern auch mit der leistungsproportionalen Sinusspannung gezogen. Somit wird im Gegensatz zu obigen Patenten die Leistungsfaktorkorrektur bei größerer Leistung besser. Dies wird zwar nicht von der Norm gefordert, ist aber ökologisch viel sinnvoller, verkleinert die Bauteile und verhindert eine Spannungsüberhöhung am Speicherkondensator (CP16).In contrast to the patents DE 42 38 808 C2 and DE 44 31 120 A1 Electricity from the grid not only with an inversely proportional output Switching frequency, but also with the power-proportional sine voltage drawn. Thus, in contrast to the above patents Power factor correction better with higher performance. While this won't required by the standard, but makes much more sense ecologically, reduces the size Components and prevents a voltage surge on the storage capacitor (CP16).

Im Gegensatz zu Patent DE 44 31 120 A1 wird der in der Drossel (LH) gespeicherte Strom nicht über eine Diode (DH) gezogen, sondern über einen Kondensator CP17. Dies ergibt eine wünschenswerte Strombegrenzung.In contrast to patent DE 44 31 120 A1, the throttle (LH) stored current is not drawn via a diode (DH), but via a Capacitor CP17. This results in a desirable current limitation.

Durch die Anordnung von DP15, LP15 und DP17 kann die Diode DP16 zwischen Netzgleichrichter und Speicherkondensator (CP16) entfallen. Bei den beiden oben erwähnten Patenten ist dies nicht möglich.Due to the arrangement of DP15, LP15 and DP17, the diode DP16 between line rectifier and storage capacitor (CP16) are not required. Both this is not possible in the two patents mentioned above.

Claims (3)

1. Schaltnetzteil mit einem ON-Betriebsmode und einem leistungsarmen Betriebsmode, z. B. Standby-Betrieb, insbesondere für ein Gerät der Unterhaltungselektronik, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltnetzteil als serien-parallel Resonanzwandler mit Halbbrücke aufgebaut ist, und daß im ON-Mode eine oder mehrere primärseitige Kapazitäten (Cs), und daß im leistungsarmen Mode eine oder mehrere sekundärseitige Kapazitäten (Cp) die Schaltfrequenz bestimmen.1. Switching power supply with an ON operating mode and a low-power operating mode, for. B. standby mode, in particular for a consumer electronics device, characterized in that the switching power supply is constructed as a series-parallel resonance converter with a half bridge, and that in the ON mode one or more primary-side capacitances (Cs), and that in the low-power mode one or several secondary capacitances (Cp) determine the switching frequency. 2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalttransistor (TP035) in Serie und ein Schalttransistor (TP036) in Reihe zu einer primärseitigen Wicklung des Trenntransformators (LP01) geschaltet sind, die über einen Treibertransformator (LP030) von einer Schaltung (IP021) im Gegentakt angesteuert werden.2. Switching power supply according to claim 1, characterized in that a Switching transistor (TP035) in series and one switching transistor (TP036) in series to a primary winding of the isolating transformer (LP01) connected via a driver transformer (LP030) from a Circuit (IP021) can be controlled in push-pull. 3. Serienresonenzwandler, insbesondere für ein Gerät der Unterhaltungselektronik, mit einem Serienresonanzkondensator (Cs), an dem eine mit der Schaltfreqeuenz modulierte Sinusspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Größe dieser Spannung über ein Netzwerk (CP17, LP15, DP15) ein Strom aus dem Netz (Mains) gezogen wird.3. Series resonance converter, especially for a device Consumer electronics, with a series resonance capacitor (Cs) which has a sine voltage modulated with the switching frequency, characterized in that depending on the size of this voltage over a Network (CP17, LP15, DP15) a current drawn from the network (Mains) becomes.
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