DE3219964C2 - 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

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Schaltregler ist bekannt aus DE-OS 26 25 036.

Beim Schaltregler gemäß DE-OS 26 25 036, Fig. 5, ist in der Regelschleife ein PI-Regler und ein P-Regler vorgesehen, deren beide Ausgänge einem gemeinsamen am Eingang eines Pulsbreitenmodulators gelegenen Summationspunkt zugeführt sind. Das Ausgangssignal des iPI-Reglers wird dort auch über einen Optokoppler zum iSummationspunkt geleitet.

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 IdealfaJl mit einer dynamischen Spannungsverstärkung von OdB (= 100%ige Gegenkopplung) betrieben wird. Aus der EP-Al 0 14 833 ist ei:i Schaltregler bekannt, der einen solchen D-Regler in der Regelschleife aufweist. Es läßt sich damit der Phasenrand vergrößern und die Stabilität erhöhen. Die Regelung wirkt sowohl den dynamischen Laständerungen als auch den Änderungen der Versorgungsspannung schnell entgegen.

Durch diese ϊγπ Gegensatz zur PI-Rcgclung ünverzögerte Gegenkopplung wird auch die Stabilität der Proportional- bzw. Proportional-lntegralregelung günstig beeinflußt, da im Gegenkopplungsbereich eine Phasenrückdrehung um φ — 90° erzielt werden kann.

PID-Regler bei Schaltreglern sind au^c »Regelungstechnik«, 30. Jg, 1982, ι left 4, Seiten 111 — 120, bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schaltregler ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem sowohl dynamische Laständerungen ais auch Änderungen der Versorgungsspannung schnell ausgeregelt werden können und eine ausreichende Entkopplung zwischen der PI- und der Regelschleife des weiteren Reglers gewährleistet ist, insbesondere für den Fall, daß beide Regier vom Ausgangskreis gesteuert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. Den PI-Regler hinter der Ausgangssiebung und den zweiten Regler davor anzuordnen, ist aus der DE-OS 26 25 036 (Fig. 2) prinzipiell bekannt. Ebenso ist es aus dieser Entgegenhaltung prinzipiell bekannt, an einen Optokoppler ein Integrationsglied zu schalten.

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 zeigt

Fig. i ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Schallreglers,

Fig. 2 die Beschallung 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 Pulsbreitenrnodiijator PBM gesteuerte Schalttransistor 75 an die Primärwicklung des Transformators Tr gelegt. Der Schaltregler arbeitet, wie aus dem Wicklungssinn

der Transformatorwicklungen nach Fig. 1 ersichtlich ist, als Sperrwandler. 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 R 1 bis R 5, die Transistoren Ts 1 und Ts 2 und die Optokoppler OK 1 und OK 2. Der Difierenzierkondensator Cd ist am ausgangsspannungsführenden Pol des Gleichrichters Gr angeschlossen. Parallel zum Differenzierkondensator Cd liegt der Widerstand R 4. Die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors Ts 2 wird von der Parallelschaltung aus Differenzierkondensator Cd und Widerstand R 4 überbrückt. In der Emitterleitung von Transistor Ts 2 liegt der Widerstand R 3 in Serie zur Photodiode LMC \ des Optokopplers OK 1. Zwischen Basis des Transistors Ts 2 und dem negativen Potential liegt der Phototransistor TMC2 des Optokopplers OK 2. Der Phototransistor TMCi des Optokopplers OK ί iiegt kollektorsei'iig an der Hilfsspannung Uh. Sein Emitter ist mit der Basis des Transistors Ts 1 sowie mit dem Widerstand R 2 verblinden. Der Kollektor von Ts 1 ist ebenfalls an die Hilfsspannung Uh angeschlossen.

In seiner Emitterleitung liegt der Widerstand R 1 in Serie zur Photodiode LMC 2 des Optokopplers OK 2. Der Widerstand R 2 und damit auch der Emitter von TMC1 und die Basis von Ts 1 sind über den Widerstand Λ5 an den Summierpunkt SP des D- und PI-Regiers geführt

Der Schaltungsteil, bestehend aus Differenzierkondensator Cd, Phototransistor LMCl, Transistor Ts 2 und den Widerständen R 3 und R 4, überwacht die Ausgangsspanung Ua des Schaltreglers. Er erfaßt Änderungen der Ausgangsspannung Us, '.vie sie z. B. bei Laständerungen auftreten und überträgt diese mit Hilfe des Optokopplers OK I galvanisch getrennt und phasenrichtig auf den Schaltungsteil, bestehend aus Phototransistor TMCi, Transistor Ts 1, den Widerständen Ri und R 2 sowie Phototransistor LMC1. Der Ausgang des D-Reglers ist über den Summierpunkt SP .nit 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 Änderung der Ausgangsspannung Ua durch den Pulsbreitenmodulator PBMerfolgt

Die Wirkungsweise des D-Reglers wird nun im einzelnen beschrieben.

Änderungen der Ausgangsspannung Ua gelangen über den Differenzierkondensator Cd an die Basis von Ts 2 und werden über Ts 2 in Stromänderungen zur Ansteuerung der Photodiode LMCi des Optokopplers OK 1 umgewandelt. Der Widerstand R 3 dient hierbei als Linearisierungs- und Schutzwiderstand. Am Widerstand R 2 entsteht durch die Kopplung über den Phototransistor TMC1 ein der Ausgangsspannungsänderung proportionaler Spannungsverlauf. Die Amplitude dieses Signals wird durch den Transistor Ts 1 und die Photodiode LMC2 begrenzt. Überschreitet die Amplitude am ■Widerstand R 2 die Basis-Emitterspannung von Transistor Ts 1 und den Spannungsabfall an der Photodiode LMC2, so setzt eine durch R i in ihrer Wirkungsintensität einstellbare Begrenzung ein, indem über die .Photodiode LMC2 eine Rückstellung des Stromes durch den Phototransistor TMCi erfolgt. Der Transistor Ts 1, der Widerstand R 1 und die Photodiode LMCl wirken also zusammen als Stromüberwachung OW für den Phototransistorstrom durch den Phototransistor TMCl. Mit dem Widerstand A4 wird eine von der Ausgangs-Gleichspannung abhängige Vorspannung auf den Widerstand R 2 übertragen, so daß der Arbeitspunkt immer im Begrenzungsbereich Iiegt 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 R 1 wirkt der Integrationshondensator Cp verzögernd auf die Stromgegenkopplung, d. h. auf die Zurückstellung des Arbeitspunktes des D-Reglers. Mit dem Differenzierkondensator Cd I??t sich zwar der D-Regler auf breitbandiges Verhalten :;in 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 OK 3, sowie die Widerstände R 6 bis R 9. Über den Spannungsteiler R 6, R 7 wird ein Teil der Ausgangsspannung Ua an einen Eingang des Operationsverstärkers V geleitet. Dem anderen Eingang des Operationsverstärkers Vist eine Referenzspannung über den Widerstand R 8 zugeführt, die sich aus dem Spannungsabfall an der Referenzdiode Z ergibt. Im Gegenkopplungsweg des Operationsverstärkers fliegt der Integr?tionskondensator Ci. Über den Widerstand R 9 wird die integrierte Spannung der Photodiode LMC3 des Optokopplers OK 3 zugeführt. Über den Phototransistor TMC3 des Optokopplers OK 3 gelangt ein der Ausgangsspannung Ua proportionales Signal mit Integralanteil an den Summierpunkt SP.

In F i g. 2 ist der D- sowie der PI-Regler nur schematisch dargestellt. Beide Regler sind wie in der F i g. 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 ÄCdes Ladekondensators CL. Durch Einfügen des Kompensationswiderstandes Rk ist es möglich, den Einfluß von Laständenmgen zu kompensieren; d. h. den dyr".mischen Innenwiderstand des Schaltreglers weiter zu reduzieren.

In F i g. 3 ist eir.i. modifizierte Anschaltung des D- und PI-Reglers angegeben. Der Eingang des D-Reglers 1st wie in F i g. 2 über den Kompensationswiderstad Rk angeschlossen, de" Eingang des PI-Reglers jedoch erst hir,-ter das ausgangsseitige Siebglied, bestehend aus Längsdrossel £Vund Quersiebkondensator CS. Der PI-Regler greift somit die-Ausgangsspannung Ua direkt g,b. Würde man den PI-Regler vor'dem Siebglicd Or, CS anschließen, würde sich ein Fehler in der Propörtionalregelung 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 Phasenfehler 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-PSMeinwirkt.

Hierzu 2 Blatt 2Ieichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltregler mit einem PI-Regler und einem vom PI-Regier getrennten zweiten Regler in der Regelschleife, wobei im Übertragungsweg des PI-Reglers eine galvanische Trennung vorgesehen ist, wobei die Ausgänge beider Regler auf einen Summierpunkt geführt sind, wobei das am Summierpunkt erhaltene Signal einem von einem Taktgenerator angeregten Pulsbreitenmodulator zugeführt wird und wobei zur galvanischen Trennung des PI-Reglers vom Pulsbreitenmodulator ein Optokoppler vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regler ein an sich bekannter D-Regler ist, welcher zur galvanischen Trennung seines Regelzweiges vom Optokoppler (OK 3) des PI-Reglers getrennte weitere Optokoppler (OKI; OK2) aufweist, daß für den D-Regler die Ausgangsspannung (Ua) des Schaltreglers über einen Differenzierkondensator (Cd) an eine vorgestromte Photodiode (LMCi) des ersten der beiden weiteren Optokoppler (OK 1) geführt ist, daß der Phototransistor (TMCl) dieses ersten Optokopplers (OKi) mit einer Stromüberwachungsschaltung für dessen Phototransistorstrom verbunden ist, daß der Stromüberwachungsschaltung eine Photodiode (LMC2) des zweiten der beiden weiteren Optokoppler (OK 2) zugeordnet ist und daß der Phototransistor (TMC2) dieses zweiten Optokopplers (OK 2) mit der Photodiode (LMCi) des ersten Optokopplers (OK 1) verbunden ist der'-t, daß eine Stromgegenkopplung für diese Photodiode (LMCi) zustande kommt.

2. Schaltregier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des D-P.eglers über einen Kompensationswiderstand (Rk) iur den Verlustwiderstand (RC) des Ladekondensators an den Ladekondensator (CL) angeschlossen ist.

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 (Or. CS) angeordnet ist.

4. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Photodiode (LMC 2) des zweiten Optokopplers (OK 2) ein Integrationsglied (R 1, Cp) derart angeschaltet ist, daß die Stromgegenkopplung für die Photodiode (LMCi) des ersten Optokopplers (OK 1) eine Regelverzögerung erfährt.