DE3219964A1 - Schaltregler mit einem pi- und einem d-regler in der regelschleife - Google Patents

Abstract

Zur Regelung des Tastverhältnisses eines Schaltreglers mit galvanischer Trennung sind zwei voneinander entkoppelte Regler - ein PI- und ein D-Regler - vorgesehen. Der D-Regler umfaßt einen Differenzierkondensator (Cd), dessen Ausgangssignal eine vorgeströmte Photodiode (LMC1) ansteuert. Eine Stromüberwachungsschaltung überwacht den Strom durch einen von der Photodiode (LMC1) gesteuerten Phototransistor (TMC1). Für die Photodiode (LMC1) ist eine Stromgegenkopplung über einen Optokoppler (OK2) vorgesehen. PI- und D-Regler sind ausgangsseitig auf einen mit dem Pulsbreitenmodulator (PBM) verbundenen Summierpunkt (SP) geführt.

Description

• Schaltregler mit einem PI- und einem D-Regler in der Regel-
• schleife Die Erfindung betrifft einen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Die bei Schaltreglern mit hoher Proportionalverstärkung unvermeidbare Integration führt in der Regel zwar zu guten statischen Regeleigenschaften, beeinflußt jedoch wegen ihrer zusätzlichen Phasendrehungen die dynamischen Eigenschaften oftmals ungünstig, so daß in vielen Anwendungsfällen der dynamische Innenwiderstand durch nachgeschaltete statische Verlustregler verbessert werden muß.
• Sieht man einen Differentialregler in der Regelschleife eines Schaltreglers vor., werden dynamische Änderungen der Ausgangsspannung des Schaltreglers phasenrichtig auf den Pulsbreitenmodulator übertragen und führen damit unverzögert zu einer Korrektur des Tastverhältnisses.
• Die geschlossene Regelschleife eines solchen Differentialsystems kann als Verstärker mit Spannungsgegenkopplung betrachtet werden, wobei das Leistungsteil des Schaltreglers im Idealfall mit einer dynamischen Spannungsverstärkung von 0 dB (= 100%ige Gegenkopplung) betrieben wird.
• Durch diese im Gegensatz zur PI-Regelung unverzögerte Gegenkopplung wird auch die Stabilität der Proportional- bzw.
• Proportional-Integralregelung günstig beeinflußt, da im Gegenkopplungsbereich eine Phasenrückdrehung um = 900 erzielt werden kann.
• PID-Regler sind beispielsweise aus "Regeltechnische Praxis und Prozeß-Rechentechnik" 1973, Heft 10, Seiten 237 bis 240 oder aus der DE-AS 23 54 916 bekannt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, welcher den dynamischen Innenwiderstand des Schaltreglers reduziert und bei dem eine ausreichende Entkopplung zwischen PI- und D-Regelschleife gewährleistet ist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
• In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
• Bei dem erfindungsgemäßen Schaltregler ist der dynamische Innenwiderstand gegenüber herkömmlichen Schaltreglern erheblich reduziert.
• Da die Regelgrößen von PI- und D-Reglern über getrennte Systeme übertragen werden und erst am ausgangsseitigen Summierpunkt eine Zusammenführung erfolgt, ergibt sich keine störende Beeinflussung beider Regler. Der erfindungsgemäße D-Regler weist einen'positiven und negativen Aussteuerbereich auf, der automatisch begrenzt wird.
• Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Schaltreglers Fig. 2 die Beschaltung mit einem Kompensationswiderstand und Fig. 3 eine modifizierte Anschaltung des D- und PI-Reglers an die Ausgangsspannung.
• Die Eingangsspannung Ue wird über den von einem Pulsbreitenmodulator PBM gesteuerten Schalttransistor Ts an die Primärwicklung des Transformators Tr gelegt. Der Schaltregler arbeitet, wie aus dem Wicklungssinn der Transformatorwicklungen nach Fig. 1 ersichtlich ist, als Sperrwand-1er. Prinzipiell kann der erfindungsgemäße Schaltregler auch als Flußwandler oder Gegentaktwandler arbeiten Die Sekundärwicklung des Transformators Tr ist über den Gleichrichter Gr mit dem Ladekondensator CL verbunden. An ihm steht die Ausgangsspannung Ua an. Der D-Regler umfaßt folgende Schaltungsteile: Den Differenzierkondensator Cd, die Widerstände R1 bis R5, die Transistoren Ts1 und Ts2 und die Optokoppler OK1 und OK2. Der Differenzierkondensator Cd ist am ausgangsspannungsführenden Pol des Gleichrichters Gr angeschlossen. Parallel zum Differenzierkondensator Cd liegt der Widerstand R4. Die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors Ts2 wird von der Parallelschaltung aus Differenzierkondensator Cd und Widerstand R4 überbrückt. In der Emitterleitung von Transistor Ts2 liegt der Widerstand R3 in Serie zur Photodiode LMC1 des Optokopplers OK1. Zwischen Basis des Transistors Ts2 und dem negativen Potential liegt der Phototransistor TMC2 des Optokopplers OK2. Der Phototransistor TMC1 des Optokopplers OK1 liegt kollektorseitig an der Hilfsspannung Uh. Sein Emitter ist mit der Basis des Transistors Ts1 sowie mit dem Widerstand R2 verbunden.
• Der Kollektor von Ts1 ist ebenfalls an die Hilfsspannung Uh angeschlossen.
• In seiner Emitterleitung liegt der Widerstand R1 in Serie zur'Photodiode LMC2 des Optokopplers OK2. Der Widerstand R2 und damit auch der Emitter von TMC1 und die Basis von Ts1 sind über den Widerstand R5 an den Summierpunkt SP des D-und PI-Reglers geführt.
• Der Schaltungsteil, bestehend aus Differenzierkondensator Cd, Phototransistor LMC1, Transistor Ts2 und den Widerständen R3 und R4, überwacht die Ausgangsspannung Ua des Schaltreglers. Er erfaßt Anderungen der Ausgangsspannung Ua, wie sie z.B. bei Laständerungen auftreten und überträgt diese mit Hilfe des Optokopplers OK1 galvanisch getrennt und phasenrichtig auf den Schaltungsteil, bestehend aus Photctransistor TMC1, Transistor Ts1, den Widerständen R1 und R2 sowie Phototransistor LMC1. Der Augang des D-Reglers ist über den Summierpunkt SP mit dem Eingang des von einem Taktgenerator TG gesteuerten Pulsbreitenmodulators PBM verbunden.
• Die unvermeidbare Integration des PI-Reglers wird hierdurch umgangen, so daß unverzögert eine Korrektur des Tastverhältnisses bei Anderung der Ausgangsspannung Ua durch den Pulsbreitenmodulator PBM erfolgt.
• Die Wirkungsweise des D-Reglers wird nun im einzelnen beschrieben.
• Anderungen der Ausgangs spannung Ua gelangen über den Differenzierkondensators Cd an die Basis von Ts2 und werden über Ts2 in Stromänderungen zur Ansteuerung der Photodiode LMC1 des Optokopplers OK1 umgewandelt. Der Widerstand R3 dient hierbei als Linearisierungs- und Schutzwiderstand. Am Widerstand R2 entsteht durch die Kopplung über den Phototransistor TMC1 ein der Ausgangsspannungsänderung proportionaler Spannungsverlauf. Die Amplitude dieses Signals wird durch den Transistor Ts1 und die Photodiode LMC1 begrenzt. über schreitet die Amplitude am Widerstand R2 die Basis-Emitterspannung von Transistor Ts1 und den Spannungsabfall an der Photodiode LMC2, so setzt eine durch R1 in ihrer Wirkungsintensität einstellbare Begrenzung ein, indem über die Photodiode LMC2 eine Rückstellung des Stromes durch den Phototransistor TMC1 erfolgt. Der Transistor Ts1, der Widerstand R1 und die Photodiode LMC2 wirken also zusammen als Stromüberwachung ÜW für den Phototransistorstrom durch den Phototransistor TMC1. Mit dem Widerstand R4 wird eine von der Ausgangs-Gleichspannung abhängige Vorspannung auf den Widerstand R2 übertragen, so daß der Arbeitspunkt immer im Begrenzungsbereich liegt und damit sowohl eine positive als auch eine negative Aussteuerung um diesen Punkt möglich ist.
• Durch die ständig wirksame Begrenzung ist der D-Regler gegengekoppelt. Wegen der geringen erforderlichen Spannungsverstärkung läßt sich eine große Bandbreite und damit eine gute Linearität erzielen.
• Zur günstigeren Beeinflussung der Übertragungsbandbreite des D-Reglers kann man der Photodiode LMC2 des Optokopplers OK2 einen Integrationskondensator Cp parallel schalten. Zusammen mit dem Widerstand R1 wirkt der Integrationskondensator Cp verzögernd auf die Stromgegenkopplung, d.h. auf die Zurückstellung des Arbeitspunktes des D-Reglers. Mit dem Differenzierkondensator Cd läßt sich zwar der D-Regler auf breitbandiges Verhalten hin dimensionieren, nach Einfügen des Integrationskondensators wird diese Dimensionierung leichter, da ein Freiheitsgrad mehr ausgenutzt werden kann.
• Der PI-Regler umfaßt die Stromquelle Iq, die Referenzdiode Z, den Operationsverstärker V mit Integrationskondensator Ci, den Optokoppler OK3, sowie die Widerstände R6 bis R9.
• Über den Spannungsteiler R6, R7 wird ein Teil der Ausgangsspannung Ua an einen Eingang des Operationsverstärkers V geleitet. Dem anderen Eingang des Operationsverstärkers V ist eine Referenzspannung über den Widerstand R8 zugeführt, die sich aus dem Spannungsabfall an der Referenzdiode Z ergibt. Im Gegenkopplungsweg des Operationsverstärkers V liegt der Integrationskondensator Ci. über den Widerstand R9 wird die integrierte Spannung der Photodiode LMC3 des Optokopplers OK3 zugeführt. über den Phototransistor TMC3 des Optokopplprs OK3 gelangt ein der Ausgangsspannung Ua proportionales Signal mit Integralanteil an den Summierpunkt SP.
• In Fig. 2 ist der D- sowie der PI-Regler nur schematisch dargestellt. Beide Regler sind wie in der Fig. 1 dargestellt aufgebaut. Im Gegensatz zu Fig. 1 sind die beiden Regler nicht unmittelbar an den Gleichrichter Gr angeschlossen, sondern über einen Kompensationswiderstand Rk zur Kompensation des Verlustwiderstandes RC des Ladekondensators CL. Für den Kompensationswiderstand Rk wird ein Widerstandswert gewählt, der ungefähr genau so groß ist wie der Verlustwiderstand RC des Ladekondensators CL. Durch Einfügen des Kompensationswiderstandes Rk ist es möglich, den Einfluß von Laständerungen zu kompensieren; d.h. den dynamischen Innenwiderstand des Schaltreglers weiter zu reduzieren.
• In Fig. 3 ist eine modifizierte Anschaltung des D- und Pl-Reglers angegeben. Der Eingang des D-Reglers ist wie in Fig. 2 über den Kompensationswiderstand Rk angeschlossen, der Eingang des PI-Reglers jedoch erst hinter das ausgangsseitige Siebglied, bestehend aus Längsdrossel Dr und Quersiebkondensator CS. Der PI-Regler greift somit die Ausgangsspannung Ua direkt ab. Würde man den PI-Regler vor dem Siebglied Dr, CS anschließen, würde sich ein Fehler in der Proportionalregelung durch die Spannungsabfälle an den Verlustwiderständen der Längsdrossel Dr und des Quersiebkondensators CS ergeben. Bei Anschluß des PI-Reglers unmittelbar am Ausgang ergibt sich jedoch ein Phasen fehler durch die phasendrehenden Eigenschaften der Längsdrossel Dr und des Quersiebkondensators CS. Dieser Phasenfehler in der Regelung kann erfindungsgemäß dadurch kompensiert werden, daß der D-Regler vor dem Siebglied Dr, CS angeschlossen wird, da er dann ohne Phasenfehler auf den Pulsbreitenmodulator PBM einwirkt.

Claims (4)

1. Patentansprüche Schaltregler mit einem PI- und einem D-Regler in der Regelschleife, wobei im Übertragungsweg der Regelgrößen eine galvanische Trennung vorgesehen ist und wobei beide Regler an ihren Ausgängen auf einen mit dem Pulsbreitenmodulator verbundenen Summierungspunkt geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß für den PI-und den D-Regler voneinander getrennte Optokoppler (OK1; OK2; OK3) vorgesehen sind, daß für den D-Regler die Ausgangsspannung (Ua) des Schaltreglers über einen Differenzierkondensator (Cd) an eine vorgeströmte Photodiode (LMC1) eines ersten Optokopplers (OK1) geführt ist, daß der Phototransistor (TMC1) des ersten Optokopplers (OK1) mit einer Stromüberwachungsschaltung (üW) für dessen Phototransistorstrom verbunden ist, daß der Stromüberwachungsschaltung (ÜW) eine Photodiode (LMC2) eines zweiten Optokopplers (OK2) zugeordnet ist und daß der Phototransistor (TMG2) des zweiten Optokopplers (OK2) mit der Photodiode (LMC1) des ersten Optokopplers (OK1) verbunden ist derart, daß eine Stromgegenkopplung für diese Photodiode (LMC1) zustande kommt.
2. 2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a dcr Eingang des D-Reglers über einen Kompensationswiderstand (Rk) für den Verlustwiderstand (RC) des Ladekondensators an den Ladekondensator (CL) angeschlossen ist.
3. 3. Schaltregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des D-Reglers vor und der Eingang des PI-Reglers hinter der Ausgangssiebung (Dr, CS) angeordnet ist.
4. 4. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Photodiode (LMC2) des zweiten Optokopplers (OK2) ein Integrationsglied (R1, Cp) derart angeschaltet ist, daß die Stromgegenkopplung für die Photodiode (LMC1) des ersten Optokopplers (OK1) eine Regelverzögerung erfährt.