DE19901936A1

DE19901936A1 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE19901936A1
Application number: DE19901936A
Authority: DE
Inventors: Seiki Igarashi; Akio Suzuki
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 1999-09-02
Also published as: US6111762A; JP2956681B2; JPH11252916A; TW420899B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil (Schaltstromversorgung), die aus einer Gleichspannungsquelle mittels eines Transformators und eines Halbleiterschalters eine gegenüber der Gleichspannungsquelle potentialgetrennte Gleichspannung (Gleichstromleistung) liefert. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Schaltnetzteil mit einer Umschalt einrichtung zur Ermöglichung eines Energiesparbetriebs einschließlich eines Bereitschaftsmodus.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eines herkömmlichen Schaltnetzteils mit solch einer Umschalteinrich tung.

Gemäß Darstellung in Fig. 3 ist ein Kondensator CO parallel an die Ausgangsanschlüsse eines Gleichrichters RECT1 angeschlossen. Eine Reihenschaltung aus einer Primärwicklung N1 eines Transformators TR1 und eines Halbleiterschalters Q1, etwa eines MOSFET, ist parallel zu dem Kondensator C0 geschaltet. Ein Kondensator C1 ist über eine Diode D1 an eine erste Sekundär wicklung N21 des Transformators TR1 angeschlossen. Ein Kondensator C2 ist über eine Diode D2 an eine zweite Sekundärwicklung N22 des Transformators TR1 angeschlossen. Eine Haupt last ist parallel an den Kondensator C1 (Anschlußklemmen A und D in Fig. 3) angeschlossen. Eine Zusatzlast ist parallel an den Kondensator C2 (Anschlußklemmen C und D in Fig. 3) angeschlossen. Bei dieser Zusatzlast kann es sich beispielsweise um den Stromversorgungskreis eines Microcomputers handeln. Die Anschlußklemmen A und D stellen den Ausgang einer Hauptstromversorgung, die Anschlußklemmen C und D den Ausgang einer Zusatzstromversor gung dar. Ein Kondensator C3 ist über eine Diode D3 an eine Tertiärwicklung N3 des Transfor mators TR1 angeschlossen. Der Kondensator C3 ist außerdem über eine Diode D4 und einen Transistor T4 an eine Quartärwicklung N4 des Transformators TR1 angeschlossen. Der Eingang einer Spannungsmeßschaltung liegt parallel zum Kondensator C1. Die Spannungsmeßschaltung enthält Widerstände R2 bis R5, einen Fotokoppler PC1, einen Nebenschlußregler IC3 und einen Transistor T3. Eine Schaltanordnung aus Transistoren T1 und T2 liegt zwischen den Dioden D1 und D2. Ein Energiesparsignal wird über die Anschlußklemme B den Transistoren T2, T3 und einem Fotokoppler PC2 eingegeben. Der Ausgang einer Steuerschaltung IC1 für normalen Betrieb und der Ausgang einer Steuerschaltung IC2 für Energiesparbetrieb sind mit dem Gate des Halbleiterschalters Q1 verbunden. Der Ausgang der Fotokoppler PC1 und PC2, die Widerstände R6, R7 und der Kondensator C3 sind mit jeweiligen Eingangsanschlüssen der Steuerschaltungen IC1 und IC2 verbunden. Die Steuerschaltungen IC1 und IC2 und der Schalter Q1 sind gewöhnlich als Leistungs-IC in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, wie durch gestrichelte Linien in Fig. 3 angedeutet.

Die Schaltung von Fig. 3 richtet eine Wechselspannung mit dem Gleichrichter RECT1 gleich und legt die resultierende Gleichspannung an den Kondensator CO an. Durch Einschalten des Schalters Q1 wird die in dem Kondensator CO gespeicherte elektrische Energie auf die Primär wicklung N1 übertragen. Durch Ausschalten des Schalters 01 wird die im Transformator TR1 gespeicherte Energie über die erste Sekundärwicklung N21 und die zweite Sekundärwicklung N22 in die Kondensatoren C1 beziehungsweise C2 und die an diese jeweils parallel angeschlos senen Lasten gespeist. Die Schaltung von Fig. 3 ändert das Ein/Aus-Verhältnis des Schalters Q1 zur Regelung der Ausgangsspannung, d. h. der Spannung VC1 am Kondensator C1. Die Schal tung mit den Widerständen R2 bis R6, dem Fotokoppler PC1 und dem Nebenschlußregler IC3 mißt die potentialgetrennte Ausgangsspannung und stellt das Ein/Aus-Verhältnis des Schalters Q1 über die Steuerschaltungen IC1 und IC2 so ein, daß die gemessene Spannung auf einem bestimmten Wert gehalten wird.

Die Spannungsmeßschaltung arbeitet in folgender Weise.

Der Nebenschlußregler IC3 speist einen solchen Strom in den Widerstand R3, daß die Steueran schlußspannung des Nebenschlußreglers, die durch den Ausdruck

VC1.[R4.R5/(R3.R4+R4.R5+R5.R3)]

gegeben ist, konstant wird. Als Folge davon fließt ein konstanter Eingangsstrom des Fotokopplers PC1. Dementsprechend fließt ein von der Stromverstärkung des Fotokopplers PC1 bestimmter konstanter Ausgangsstrom an dessen Ausgangsseite. Als Folge davon wird die Spannung am Widerstand R6, der mit dem Ausgang des Fotokopplers PC1 in Reihe geschaltet ist, konstant. Die Spannung des Widerstands R6 ist damit proportional zur Ausgangsspannung VC1.

Die Steuerleistungsquelle arbeitet wie folgt.

Eine Spannung VC1.N3/N21, die das N3/N21-fache der Ausgangsspannung VC1 beträgt, steht über der Tertiärwicklung N3 des Transformators TR1, wobei N3 und N21 die Windungszahl der Tertiärwicklung N3 beziehungsweise diejenige der ersten Sekundärwicklung N21 des Transformators TR1 bezeichnen. Über die Diode D3 wird Gleichstromenergie im Kondensator C3 gespeichert. Der Kondensator C3 liefert die elektrische Steuerleistung für die Steuerschaltungen IC1 und IC2. Zu gleicher Zeit wird Gleichstromleistung von der Quartärwicklung N4 des Transformators TR1 über die Diode D4 an den Kondensator C4 geliefert. Dadurch, daß die Spannung VC3 des Kondensators C3 und die Spannung der Referenzdiode ZD1, die mit der Basis des Transistors T4 verbunden ist, gleich gemacht werden, fließen vom Kondensator C4 abgeführte elektrische Ladungen zur Referenzdiode ZD1. Da infolge dieser Potentialverhältnisse kein Strom zur Basis des Transistors T4 fließt, ist dieser Transistor gesperrt, so daß keine elektrische Leistung an den Kondensator C3 geliefert wird.

Der durch ein Energiesparsignal ausgelöste Energiesparbetrieb ist wie folgt.

Wenn das Energiesparsignal eingegeben wird, sperrt der Transistor T3 und klemmt damit den Widerstand 5 ab. Da die Steueranschlußspannung des Nebenschlußreglers IC3 konstant gehalten wird, müssen die Teilspannung über dem Widerstand R3 und damit die Ausgangsspannung sinken. Die Transistoren T1 und T2 werden eingeschaltet und die im Kondensator C1 gespei cherte Energie der den Kondensator C2 umfassenden Zusatzstromversorgung zugeführt. Bei normalem Betrieb ist die Spannung der Zusatzstromversorgung gewöhnlich niedriger als diejenige der Hauptstromversorgung. Beim Energiesparbetrieb wird die Spannung der Hauptstromversor gung auf die der Zusatzstromversorgung abgesenkt.

Das Energiesparsignal wird über den Fotokoppler PC2 auch Betriebsartumschaltanschlüssen der Steuerschaltungen IC1 und IC2 eingegeben. Daraufhin beginnt die Steuerschaltung IC2 für den Energiesparbetrieb zu arbeiten, während die Steuerschaltung IC1 zu arbeiten aufhört. Im Energiesparmodus senkt die Steuerschaltung IC2 die Betriebsfrequenz gegenüber der bei normalem Betrieb, so daß die Verluste im Transformator TR1 und im Schalter Q1 verringert werden.

Schließlich soll noch die Steuerleistungsquelle für die ICs erläutert werden.

Die Spannung der Tertiärwicklung N3 verringert sich zusammen mit dem Absenken der Span nung der Hauptstromversorgung. Daraufhin fließen die im Kondensator C4 aufgrund der Spannung an der Quartärwicklung N4 gespeicherten Ladungen über den Widerstand R8 und die Basis des Transistors T4 zum Kondensator C3, wodurch der Transistor T4 eingeschaltet wird. Als Ergebnis davon, liefert der Kondensator C3 die elektrische Steuerleistung für die Steuerschal tungen über die Diode D4 von der Quartärwicklung N4. Wenn die Spannung des Kondensators C3 höher als die der Referenzdiode ZD1 wird, wird der Transistor T4 gesperrt, da dann sein Basisstrom unterbrochen wird. Damit wird die Spannung am Kondensator C3 gleich derjenigen der Referenzdiode ZD1. Dadurch, daß die Spannung der Tertiärwicklung N3 gleich der der Referenzdiode ZD1 gemacht wird, wird somit die Steuerspannung, d. h. die Spannung am Kondensator C3 bei normalem Betrieb gleich derjenigen beim Energiesparbetrieb.

Anders ausgedrückt, liefert die Schaltung von Fig. 3 normalerweise elektrische Leistung an die Hauptlast bei hoher Frequenz, was die Verringerung der Abmessungen des Transformators und dergleichen Komponenten ermöglicht. Dagegen arbeitet die Schaltung von Fig. 3 bei niedriger Frequenz, um elektrische Leistung ausschließlich an die Zusatzlast (etwa einen Microcomputer) zu liefern. Da gegenwärtig Normen für den elektrischen Energieverbrauch im Energiesparmodus erstellt werden, ist die Umschaltung zwischen normalem Betrieb und Energiesparbetrieb, so wie er bei der Schaltung von Fig. 3 erfolgt, nötig.

Die Schaltung von Fig. 3 erfordert jedoch die Verwendung des Fotokopplers PC2 zur Übertra gung des Umschaltsignals zur Umschaltung zwischen normalem Betrieb und Energiesparbetrieb von der Sekundärseite (vom Microcomputer) zu den Steuerschaltungen IC1 und IC2.

Da ein bestimmter Isolationsabstand, der durch Isolationsnormen vorgegeben ist, für den Fotokoppler aufrechterhalten werden muß, müssen die gedruckte Leiterplatte und dergleichen strukturelle Teile große Abmessungen aufweisen, was zu einem großen und teueren Schaltnetz teil führt.

Der zusätzlich zur Übertragung des Umschaltsignals vorgesehene Fotokoppler PC2 erhöht die Anzahl von Anschlußschriften des Leistungs-IC, der die Steuerschaltungen IC1 und IC2 und den Schalter Q1 enthält, was den Leistungs-IC groß und teuer macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltnetzteil zu schaffen, das den Einsatz eines in den Abmessungen und Kosten reduzierten Leistungs-IC erlaubt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Abmessungen und Kosten des Schaltnetzteils zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltnetzteil gemäß Anspruch 1 beziehungs weise Anspruch 2 gelöst.

Bei der Lösung gemäß Anspruch 1, verringert sich die Spannung der Tertiärwicklung in Verbin dung mit dem Absenken der Spannung der Hauptstromversorgung im Energiesparbetrieb, was zu einer Verringerung der Spannung des Steuerstromversorgungsteils führt. Die Spannung des Steuerstromversorgungsteils wird überwacht und der Betrieb in den Energiesparbetrieb umge schaltet, wenn ein Absenken dieser Spannung festgestellt wird. Da diese Schaltungsanordnung das Energiesparsignal über die Tertiärwicklung des Transformators überträgt, wird der beim Stand der Technik eingesetzte Fotokoppler für die Signalübertragung überflüssig. Da weiterhin der Anschluß zur Eingabe des Energiesparsignals nicht mehr erforderlich ist, kann die Anzahl von Anschlüssen des Leistungs-IC verringert werden.

Bei dem Schaltnetzteil gemäß Anspruch 2 wird der Energiesparbetrieb dadurch erzielt, daß die Ausgangsspannung der Quartärwicklung im Energiesparbetrieb auf einen geringeren Wert als die Ausgangsspannung der Tertiärwicklung gebracht und die Spannung der Steuerstromversorgung erfaßt wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Schaltnetzteils mit Umschalteinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Schaltnetzteils mit Umschalteinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 3 ein Schaltbild eines herkömmlichen Schaltnetzteils mit Umschalteinrichtung.

In allen Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Teile mit denselben Bezugszahlen versehen. Anhand von Fig. 3 bereits erläuterte Elemente werden nachfolgend nicht noch einmal erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines Schaltnetzteils mit einer Umschaltanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das Schaltnetzteil von Fig. 1 enthält nicht die Quartärwicklung N4, die Diode D4, die Wider stände R7 und R8, den Transistor T4, die Referenzdiode ZD1, den Kondensator C4 und den Fotokoppler PC2. ist im Leistungs-IC ein Komparator IC5 vorgesehen. Da das Schaltnetzteil von Fig. 1 bei normalem Betrieb in gleicher Weise wie das von Fig. 3 arbeitet, wird nachfolgend nur der Energiesparbetrieb erläutert.

Wenn bei der Schaltung von Fig. 1 das Energiesparsignal eingegeben wird, wird der Transistor T3 gesperrt, was zu einer verringerten Ausgangsspannung führt. Zusammen mit dem Absenken der Spannung VC1 des Hauptstromversorgungsteils sinkt die Spannung der Tertiärwicklung N3 und damit die Spannung VC3 des Steuerstromversorgungsteils. Wenn der Komparator IC5 ein Absenken der Spannung VC3 feststellt, wird der normale Betrieb mittels der Steuerschaltung IC1 gestoppt und die Steuerschaltung IC2 für den Energiesparbetrieb in Gang gesetzt. Dadurch, daß die Steuerschaltung IC2 bei einer niedrigeren Frequenz als der Betriebsfrequenz der Steuerschal tung IC1 arbeitet, werden Verluste im Transformator und im Schalter Q1 verringert. Die Schal tung von Fig. 1 erfordert also weder den Fotokoppler PC2 zur Übertragung des Energiespar signals, noch Umschaltanschlüsse am Leistungs-IC.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines Schaltnetzteils mit einer Umschalteinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das Schaltbild von Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 3 durch den Wegfall des Widerstands R7 und des Fotokopplers PC2. Statt dessen sind im Leistungs-IC ein Komparator IC5 und eine Referenzdiode ZD2, deren Referenzspannung niedriger als die Spannung VN3 der Tertiärwicklung N3 ist, anstelle der Referenzdiode ZD1 vorgesehen. Da das Schaltnetzteil von Fig. 2 im normalen Betrieb in gleicher Weise wie dasjenige von Fig. 3 arbeitet, wird nachfolgend nur der Energiesparbetrieb beschrieben.

Bei dem Schaltnetzteil von Fig. 2 wird der Transistor T3 bei Eingabe eines Energiesparsignals an der Anschlußklemme B gesperrt, womit die Ausgangsspannung VC1 gesenkt wird. In Verbindung mit dem Absenken der Spannung VC1 der Hauptstromversorgung sinkt die Spannung der Tertiärwicklung N3, was zu einer geringeren Spannung VC3 der Steuerstromversorgung führt. Daraufhin fließen im Kondensator C4 gespeicherte elektrische Ladungen über den Widerstand R8 und die Basis des Transistors T4 zum Kondensator C3, was den Transistor T4 einschaltet. Als Folge davon erhält der Kondensator C3 elektrische Leistung von der Quartärwicklung über die Diode D4 und den Transistor T4. In diesem Moment ist die Spannung VC3 des Kondensators C3 gleich der Spannung der Referenzdiode ZD2. Dadurch, daß die Referenzspannung der Referenz diode ZD2 auf einen Wert gesetzt wird, der niedriger als die Spannung der Tertiärwicklung bei normalem Betrieb ist, wird die Spannung VC3 im Energiesparbetrieb niedriger als bei normalem Betrieb. Durch Erfassen der Absenken der Spannung VC3 mittels des Komparators IC5 wird es möglich, den Betrieb der Steuerschaltung IC1 zur Steuerung des normalen Betriebs zu beenden und denjenigen der Steuerschaltung IC2 zur Steuerung des Energiesparbetriebs zu starten.

Bei der Schaltung von Fig. 1 kann der Fall auftreten, daß die Spannung der Steuerstromversor gung zu niedrig zum Betrieb des MOSFETs Q1 ist, und zwar infolge einer zu großen Differenz zwischen den Spannungen der Hauptstromversorgung und der Zusatzstromversorgung. Dieses Problem wird mit der Schaltung von Fig. 2 vermieden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Übertragung des Umschaltsignals zur Umschaltung zwischen Normalbetrieb und Energiesparbetrieb von der Sekundärseite (Microcomputerseite) zu den Steuerschaltungen IC1 und IC2 ohne Einsatz des Fotokopplers PC2 bewirkt weshalb die Abmessungen der strukturellen Teile, etwa der gedruckten Leiterplatte, zur Montage des Fotokopplers und dergleichen Einrichtungen, geringer werden, was zu einem kleineren und kostengünstigeren Schaltnetzteil führt.

Da ferner die Anzahl von Anschlußstiften des Leistungs-IC, der die Steuerschaltungen IC1, IC2 und den MOSFET Q1 enthält, in dem Schaltnetzteil verringert ist, wird auch der Leistungs-IC selbst kleiner und billiger.

Claims

1. Schaltnetzteil, umfassend:
eine Gleichstromversorgung (AC, RECT1),
einen Transformator (TR1) mit einer Primärwicklung (N1), einer Sekundärwicklung (N21, N22) und einer Tertiärwicklung (N3), von denen die Primärwicklung (N1) mit der Gleichstromversorgung verbunden ist,
einen Halbleiterschalter (Q1), der mit der Gleichstromversorgung verbunden ist,
eine Gleichrichterschaltung (D1; D2), die mit der Sekundärwicklung verbunden ist,
eine Steuerschaltung (IC1, IC2) zur Steuerung des Einschaltens und Ausschaltens des Halbleiterschalters und damit zur Ausgabe einer isolierten Gleichspannung,
einen Stromversorgungskreis, die die Ausgangsleistung der Tertiärwicklung gleichrichtet und sie der Steuerschaltung zuführt, und
eine Spannungsmeßschaltung (IC5) zur Erfassung einer einen vorbestimmten Wert unterschreitenden Spannung, der der Steuerschaltung gelieferten elektrischen Leistung,
wobei die Steuerschaltung die Betriebsfrequenz des Halbleiterschalters bei Erfassen der den vorbestimmten Wert unterschreitenden Spannung verringert und dadurch auf einen Energie sparbetrieb umschaltet.

2. Schaltnetzteil, umfassend:
eine Gleichstromversorgung (AC, RECT1),
einen Transformator (TR1) mit einer Primärwicklung (N1), einer Sekundärwicklung (N21, N22), einer Tertiärwicklung (N3) und einer Quartärwicklung (N4), von denen die Primärwicklung mit der Gleichstromversorgung verbunden ist,
einen mit der Gleichstromversorgung verbundenen Halbleiterschalter (Q1),
eine mit der Sekundärwicklung verbundene Gleichrichterschaltung (D1, D2),
eine Steuerschaltung (IC1, IC2) zur Steuerung des Einschaltens und Ausschaltens des Halbleiterschalters und damit zur Ausgabe einer isolierten Gleichspannung,
einen ersten Stromversorgungskreis, der die Ausgangsleistung der Tertiärwicklung gleichrichtet, um der Steuerschaltung bei einem Normalbetrieb elektrische Leistung zuzuführen,
einen zweiten Stromversorgungskreis, der die Ausgangsleistung der Quartärwicklung gleichrichtet, um der Steuerschaltung in einem Energiesparbetrieb elektrische Leistung zuzufüh ren, und
eine Spannungsmeßschaltung (IC5), die die Differenz zwischen den Spannungen der Tertiärwicklung und der Quartärwicklung erfaßt, um eine Spannung niedriger als ein vorbestimm ter Wert der der Steuerschaltung zugeführten elektrischen Leistung zu erfassen,
wobei die Steuerschaltung die Betriebsfrequenz des Halbleiterschalters bei Erfassen der den vorbestimmten Wert unterschreitenden Spannung verringert und dadurch auf den Energie sparbetrieb umschaltet.

3. Schaltnetzteil, umfassend:
eine Gleichstromquelle (AC, RECT1),
einen Transformator (TR1) mit einer Primärwicklung (N1), einer Sekundärwicklung (N21, N22) und einer Tertiärwicklung (N3), von denen die Primärwicklung (N1) über einen Halbleiterschalter (01) an die Gleichstromquelle angeschlossen ist,
eine Gleichrichterschaltung (D1; D2), die an die Sekundärwicklung angeschlossen ist,
eine Steuerschaltung (IC1, IC2) zum Einschalten und Ausschalten des Halbleiterschal ters und damit zur Ausgabe einer gegenüber der Gleichstromquelle (AC, RECT1) potentialge trennten Gleichspannung von der Gleichrichterschaltung,
eine Steuerstromversorgungsschaltung zum Gleichrichten der Ausgangsspannung der Tertiärwicklung und zur Speisung der Steuerschaltung mit einer Steuerleistung, und
eine Spannungsmeßschaltung (IC5) zur Ausgabe eines Auslösungssignals, wenn die Spannung der der Steuerschaltung gelieferten Steuerleistung einen vorbestimmten Wert unter schreitet,
wobei die Steuerschaltung so beschaffen ist, daß die Schaltfrequenz des Halbleiterschalters in Reaktion auf das Auslösesignal verringerbar ist und dadurch auf einen Energiesparbetrieb umschaltbar ist.

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Transformator (TR1) eine Quartärwicklung (N4) aufweist,
die Steuerstromversorgung einen ersten Steuerstromversorgungskreis zum Gleichrichten der Ausgangsspannung der Tertiärwicklung und zur Speisung der Steuerschaltung mit einer Steuerleistung bei einem Normalbetrieb, sowie einen zweiten Steuerstromversorgungskreis zum Gleichrichten der Ausgangsspannung der Quartärwicklung und zur Speisung der Steuerschaltung mit einer Steuerleistung bei einem Energiesparbetrieb umfaßt, und
die Spannungsmeßschaltung (IC5) die Differenz zwischen der Spannung der Tertiär wicklung und derjenigen der Quartärwicklung überwacht, um festzustellen, wenn die Spannung der der Steuerschaltung gelieferten Steuerleistung den vorbestimmten Wert unterschreitet.