DE3301068C2

DE3301068C2 - Schaltregler mit Einrichtung zum Erfassen des Mittelwertes der Ausgangsspannung

Info

Publication number: DE3301068C2
Application number: DE3301068A
Authority: DE
Inventors: Eckhardt 7151 Allmersbach Grünsch; Jürgen Dipl.-Ing. 7150 Backnang Saxarra
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1983-01-14
Filing date: 1983-01-14
Publication date: 1986-11-27
Also published as: GB8400763D0; CA1214209A; GB2134291A; US4580089A; DE3301068A1; GB2134291B

Abstract

Bei einem Schaltregler, dessen Schalttransistor (Ts) von einem Pulsbreitenmodulator (PBM) gesteuert wird, ist ein elektronischer Schalter (S1) vorgesehen, der die potentialführende Ausgangsklemme (A) des Schaltreglers mit einem Steuereingang (E) des Pulsbreitenmodulators (PBM) so lange verbindet, wie Energie aus dem ausgangsseitigen Glättungskondensator (C1) des Schaltreglers herausfließt. Durch diese Anordnung ist ein Erfassen des Mittelwertes der Ausgangsspannung (UA) ohne phasendrehende Integrationsglieder möglich (Fig. 1).

Description

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gang den elektronischen Schalter öffnet und diesen Schalter so lange geöffnet hält, wie Strom in den Glättungskondensator hineinfließt bzw. der Momentanwert der Ausgangsspannung grosser ist als der Mittelwert der Ausgangsspannung. Während der Zeit, in der Strom aus dem Glättungskondensator herausfließt und der Momentanwert der Ausgangsspannung kleiner als der Mittelwert der Ausgangsspannung ist, bleibt der elektronische Schalter geschlossen.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert Es zeigt

Rg. 1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Schaltreglers,

Rg. 2 einen Schaltregler, dessen Meßfühler als Meßübertrager ausgebildet ist,

Rg. 3 Strom- und Spannungsverläufe zum Schaltregler nach Rg. 2,

Rg. 4 einen Schaltregler, dessen Meßfühler aus Trennkondensator und Meßwiderstand besteht,

Rg. 5 einen Schaltregler mit zweitem Komparator und

Rg. 6 einen Schaltregler mit Zwangseinschaltung.

In Rg. 1 ist die Eingangsspannungsquelle mit Ue bezeichnet. Der Schalttransistor Ts wird von einem Pulsbreitenmodulator PBM gesteuert Der mit dem PuIsbreitenmoduiator PBM verbundene Taktoszillator TG bestimmt die Schaltfrequenz des Schalttransistors Ts. Die Einschaltdauer des Schalttransistors Ts wird von einem Signal am Eingang E des Pulsbreitenmodulators PBM bestimmt In Serie zum Schalttransistor Ts liegt die Glättungsdrossel Dr. An die Verbindungsleitung zwischen Schalttransistor Ts und Drossel Z?rist die Katode einer Freilaufdiode DF angeschlossen. Die Anode der Freilanfdiode ist mit der gemeinsamen Masseleitung des Schaltreglers verbunden. Zwischen der potentialführenden Ausgangsklemme A und der gemeinsamen Masseleitung liegt der Lastwiderstand RL An ihm fällt die Ausgangsspannung Ua des Schaltreglers ab. Parallel zum Lastwiderstand RL liegt der Glättungskondensator C1 sowie ein Meßfühler MF, der den Wechselanteil der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms des Schaltreglers erfaßt. Der Ausgang AM des Meßfühlers MF ist mit einem ersten Eingang eines Komparators K 1 verbunden. Der zweite Eingang dieses Komparators K1 ist mit einer Referenzspannung Ur 1 beaufschlagt. Der Ausgang des Komparators K1 ist an den Steuereingang eines elektronischen Schalters Sl geführt. Der elektronische Schalter verbindet im geschlossenen Zustand die potentialführende Ausgangsklemme A des Schaltreglers mit dem Eingang £des Pulsbreitenmodulators PBM. Zwischen Eingang isdes Pulsbreitenmodulators und der Masseleitung ist ein Speicherkondensator C 2 für den Momentanwert der Ausgangsspannung Ua geschaltet.

In Rg. 2 ist ein Schaltregler dargestellt, der prinzipiell wie der Schaltregler gemäß Fig. 1 aufgebaut ist Der Meßfühler MF besteht hier aus einem Meßübertrager TrI. Die Primärwicklung wX dieses Meßübertragers Tr 1 liegt zwischen der potentialführenden Ausgangsklemme A und dem Glättungskondensator CX. Zur nachfolgenden Erklärung der Funktionsweise des Schaltreglers ist in Rg. 2 der ohmsche Ersatzwiderstand Resr des Glättungskondensators Cl getrennt dargestellt. Die Sekundärwicklung w2 des Meßübertragers Tr 1 liegt parallel zu den Eingängen des Komparators K 1 sowie parallel zu einem Meßwiderstand R 1. Zwischen dem Ausgang des elektronischen Schalters 51 und dem Eingang Edes Pulsbreitenmodulators PBMist abweichend zu Rg. 1 ein Regelverstärker RV eingeschaltet

Für die folgenden Betrachtungen sei vorausgesetzt, daß der Blindwiderstand des Glättungskondensators C1 sehr viel kleiner ist als der Wirkwiderstand, also

ι ο Diese Bedingung ist für Schaltregler mit relativ hohen Schaltfrequenzen (20 kHz) und üblichen Glättungskondensatoren fast immer erfüllt Unter dieser Voraussetzung ist der Spannungsabfall an Resr proportional zum Wechselstrom /.

In Rg. 3 sind die zeitlichen Strom- und Spannungsverläufe des Schaltreglers nach Rg. 2 dargestellt

Rg. 3a zeigt den Strom / 1 durch den Schalttransistor Ts. Er fließt zwischen den Zeitpunkten u> und f2. Zum Zeitpunkt ti wird dieser Strom durch den Strom 'idf durch die Freilaufdiode DF abgelöst. Der Strom i'df fließt bis zum Ende einer Schaltperiode T. Der Verlauf des Stromes h durch die Drossel Dr ist in Rg. 3a ebenfalls eingetragen. Mit /o ist der Gleichstrommittelwert für den Lastwiderstand RL bezeichnet

Die Stromwelligkeit der Glättungsdrossel Dr, die als Wechselstrom / _ über den Glättungskondensator C1 fließt, wird mit Hilfe des Meßübertragers Tr 1 transformiert und erzeugt an dem Meßwiderstand R 1 eine dem Wechselstrom proportionale Spannung Ur \. Der zeitliehe Verlauf dieser Spannung Ur ι ist in Rg. 3b dargestellt Außerdem erzeugt der Wechselstrom am Ersatzwide:rstand Resr des Glättungskondensators C1 ebenfalls eine dem Wechselstrom / _ proportionale Spannung Uresr, die der Ausgangsspannung Ua überlagert ist Ihr zeitlicher Verlauf ist entsprechend zum Verlauf in Fig. 3b.

Der Komparator K1 ist so an den Meßwiderstand R 1 angeschlossen, daß er im Strom- bzw. Spannungsnulldurchgang den elektronischen Schalter Sl öffnet und diesen Schalter so lange geöffnet hält, wie Strom in den Glättungskondensator hineinfließt bzw. der Wechselanteil der Ausgangsspannung Ua grosser ist als der Mittelwert der Ausgangsspannung, vgl. Rg. 3c und 3d. Während der Zeit, wo Strom aus dem Glättungskondensator CX herausfließt und die Ausgangsspannung Ua kleiner als der Mittelwert der Ausgangsspannung ist, bleibt der elektronische Schalter S1 geschlossen.
Dieser Vorgang soll nun näher erläutert werden.
Zu dem Zeitpunkt, wo der Schalttransistor Ts leitend wird, fließt noch Strom aus dem Glättungskondensator C1 heraus. Dies bedeutet, daß der elektronische Schalter S1 geschlossen ist und der Speicherkondensator Cl niederohmig mit der Ausgangsspannung Ua verbunden ist und sich dadurch an die Ausgangsspannung anpassen kann-

Die Grenzfrequenz, die sich aus dem niederohmigen Innenwiderstand des elektronischen Schalters 51 und der kleinen Kapazität des Speicherkondensators Cl ergibt, ist so hoch, daß die Spannung Uc2 der Welligkeit der Ausgangsspannung folgen kann. Dies bedeutet auch, daß dieses RC-Gucd Räum einen Cinflüß auf den Regelkreis hat. Mit dem Ansteigen des Stromes /1 steigt die Ausgangsspannung Ua und somit die Spannung; Uc2 an. Gleichzeitig nimmt der Strom, der aus dem Kondensator C1 k _ =0. Das heißt, daß der Spannungsabfall am Ersatzserienwiderstand Resr des Glättungskondensators CX auch null ist. Dies bedeutet, daß zu diesem Zeitpunkt die Ausgangsspannung und damit

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auch die Spannung Ua genau so groß wie der Mittelwert der Ausgangsspannung ist.

Da der Strom /1 weiter ansteigt, beginnt nun Strom in den Kondensator C1 hineinzufließen. Sobald jedoch Strom in den Kondensator C1 hineinfließt, polt sich die Spannung Ur ι um, was zur Folge hat, daß der Komparator K 1 schaltet und der elektronische Schalter S1 geöffnet wird (Rg. 3b und 3c).

Der elektronische Schalter Sl bleibt nun so lange geöffnet, bis sich die Spannung Ur \ wieder umpolt (Zeitpunkt ί 3), d. h„ bis wieder Strom aus dem Kondensator herauszufließen beginnt. Dann wird der elektronische Schalter 51 wieder geschlossen und der Speicherkondensator C2 niederohmig mit der Ausgangsspannung U_A verbunden.

Während der Zeit, wo der Schalter 51 geöffnet ist, behält der Speicherkondensator C 2 die Spannung, die gleich dem Mittelwert der Ausgangsspannung ist und steht als Schaltkriterium zum Abschaltzeitpunkt 12 des Schalttransistors Ts 1 zur Verfügung.

Da diese Spannung eine Gleichspannung ist, kann sie, ohne integriert zu werden, direkt dem Regelverstärker R V zugeführt werden. Dies hat nun den Vorteil, daß ein Integrationsglied und die damit verbundene Phasendrehung entfällt, was bedeutet, daß der Schaltregler wesentlich stabiler wird.

In Rg. 4 ist ein Schaltregler dargestellt, dessen Meßfühler MFanders als im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ausgebildet ist Der Meßfühler MF besteht hier aus einem Gleichspannungsabtrennkondensator Ci mit nachgeschaltetem Meßwiderstand R 1. Der meßwiderstandsferne Anschluß des Gleichspannungsabtrennkondensators C 3 ist an die Verbindungsleitung zwischen potentialführender Ausgangsklemme A und dem Glättungskondensator C1 angeschlossen. Der dem Gleichspannungsabtrennkondensator C 3 nachgeschaltete Meßwiderstand R 1 überbrückt die Eingangsklemmen des Komparators K1. Für den zeitlichen Verlauf der Ströme und Spannungen gelten die entsprechenden Darstellungen gemäß Rg. 3. Die Ausbildung des Meßfühlers nach Rg. 4 hat den Vorteil, daß die einschränkende Bedingung

Resr>

eine Feststellung des Momentanwertes der Gleichspannung Ua über den Schalter 51 mittels des Speicherkondensators C2 auch während der Zeitintervalle ίο bis /ι, f3 bis fs usw. erlaubt. Parallel zum Lastwiderstand RL ist ein Spannungsteiler R 2, R 3 vorgesehen. Der Mittelabgriff dieses Spannungsteilers ist mit einem Eingang des Komparators K 2 verbunden. Der andere Eingang von K 2 ist mit jener Referenzspannung Ur 1 beaufschlagt, die auch das Referenzpotential des Komparators K 1 bestimmt Der Ausgang des Komparators K 2 ist wie der Ausgang des Komparators K1 mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters S1 verbunden. Der Spannungsteiler R 2, R 3 ist so dimensioniert, daß K 2 bei einem Wert anspricht, d. h., den elektronischen Schalter Si schließt, der höher ist als der Spitzenwert Usw (vgl. Rg. 3d), den die Ausgangsspannung Ua ohne Einschaltung des elektronischen Schalters 51 durch K 1 maximal erreichen würde.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Schaltregler. Dem ersten elektronischen Schalter S1, der wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen aktiviert wird, ist ein weiterer elektronischer Schalter 52 parallel geschaltet Sein Steuereingang ist mit dem Taktoszillator TG verbunden. Vom Taktoszillator TG bekommt der weitere elektronische Schalter 5 2 einen Schließbefehl am Ende jeder Schaltperiode T, vgl. Rg. 3. Der Schalter 52 wird demnach vom Taktoszillator TG zwangseingeschaltet, wodurch eine richtige Erfassung des Gleichspannungsaugenblickwertes bei plötzlichen ausgangsseitigen Entlastungen ermöglicht wird. Zur Erreichung eines definierten Einschaltimpulses wird das rechteckförmig vorliegende Ausgangssignal des Taktoszillators über ein Differenzierglied R 4, d an den Steuereingang des elektronischen Schalters 5 2 geführt

Für die Baueinheiten Pulsbreitenmodulator — PBM— und Taktoszillator —TG— kann eine integrierte Schaltung verwendet werden, beispielsweise LAS 3800 oder LAS 6300. Für die elektronischen Schalter 51 und 52, die als bilaterale Schalter ausgebildet sein müssen, kann beispielsweise der integrierte Schaltkreis 4066 verwendet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

nicht mehr eingehalten zu werden braucht Am Meßwiderstand R 1 entsteht eine Spannung, die proportional zum Wechselanteil der Ausgangsspannung U_A ist

Rg. 5 zeigt eine vorteilhafte Ausführung eines Schaltreglers, die insbesondere günstig bezüglich schneller Entlastungen ist Beim Schaltregler nach Rg. 2 wird ein Mittelwert der Ausgangsspannung während einer Taktperiode Γ nur zwischen den Zeitpunkten fo bis fi und ti bis is usw. festgestellt; d. h. bei geschlossenem Schalter 51. Tritt nun eine plötzliche ausgangsseitige Entlastung zwischen den Zeitpunkten t\ und (2 ein, so kann der Spannungsanstieg von Ua durch den Speicherkondensator C2 nicht miterfaßt werden. Es kann daher zur Regelung auf einen falschen Mittelwert kommen. Durch Ver-Wendung eines zweiten Komparators K 2 kann eine solche Änderung der Ausgangsspannung Ua miterfaßt werden. In Rg. 5 ist daher der zweite Komparator K 2 so geschaltet daß im Falle eines Anstiegs der Ausgangsspannung Ua über eine bestimmte Schwelle, die höher liegt als die Ansprechschwelle des ersten Komparators K1, der elektronische Schalter 51 durch ein Ausgangssignal des Komparators K 2 geschlossen wird und so

Claims

Patentansprüche 33 Ol Beschreibung

1. Schaltregler, dessen Schalttransistor (Ts) von einem Pulsbreitenmodulator (PBM) gesteuert ist, wobei im Ausgangskreis des Schaltreglers ein Meßfühler (MF) zur Erfassung des Wechselanteils der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms mit einem ersten Eingang eines !Comparators (K 1) verbunden ist, an dessen zweiten Eingang eine Referenzspannung gelegt ist, dadurch gekennzeich- net, daß ein elektronischer Schalter (51) vorgesehen ist, über den die potentialführende Ausgangsklemme des Schaltreglers mit dem Eingang des Pulsbreitenmodulators (PBM) und mit einer Speichereinrichtung (C2) für den Momentanwert der Ausgangsspannung des Schaltreglers verbunden ist, und daß der Ausgang des !Comparators (K 1) mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters (51) verbunden ist

2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (MF) aus einem Meßübertrager (Tr 1) besteht, dessen Primärwicklung (w\) mit dem einen Anschlußende an die Verbindungsleitung zwischen dem elektronischen Schalter (Sl) und der potentialführenden Ausgangsklemme des Schaltregler!! angeschlossen ist, daß das andere Anschlußende der Primärwicklung (w 1) des Meßübertragers (Tr 1) an den nicht Massepotential führenden Anschluß des Glättungskondensators (C 1) im Ausgangskreis des Schaltreglers angeschlossen ist und daß die Sekundärwicklung (w2) des Meßübertragers (Tr I) mit einem ihr parallelgeschalteten Meßwiderstand (R 1) an den nicht auf Referenzpotential liegenden Eingang des !Comparators (K 1) angeschlossen ist.

3. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (MF) aus einem Gleichspannungsabtrennkondensator (C3) mit nachgeschaltetem Meßwiderstand (R 1) besteht, daß der Gleichspannungsabtrennkondensator (C3) an den gemeinsamen Verbindungspunkt des ersten Eingangs des !Comparators (K 1) mit der potentialführenden Ausgangsklemme des Schaltreglers und dem nicht Massepotential führenden Anschluß des Glättungskondensators (Cl) angeschlossen ist.

4. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Komparator (K 2) vorgesehen ist, daß der Ausgang des weiteren !Comparators (K 2) ebenfalls mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters (Sl) verbunden ist, daß ein Eingang des weiteren !Comparators (K 2) mit einer Referenzspannung beaufschlagt ist und daß ein weiterer Eingang des weiteren !Comparators (K 2) derart mit einem Wert proportional zur Ausgangsspannung des Schaltreglers beaufschlagt ist, daß der Ansprechwert des weiteren !Comparators (K 2) zum Schließen des elektronischen Schalters (Si) höher liegt als jener des ersten !Comparators (K 1).

5. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektronischen Schalter (S 1) ein weiterer elektronischer Schalter (S 2) parallel geschaltet ist und daß der Steuereingang des weiteren elektronischen Schalters (52) mit dem Taktoszillator (TG) des Pulsbreitenmodulators (PBM) verbunden ist.

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Schaltregler ist bekannt aus Electronic Design, November 22,1978, Seite 134.

Dieser Schaltregler besitzt im Ausgangskreis einen Meßfühler, der die Ausgangsspannung erfaßt und den über ein RC-Glied integrierten Mittelwert an einen Komparator weiterleitet Je nach Höhe dieses integrierten Mittelwertes wird die Pulsweite für den Schalttransistor gesteuert Die Integration über das RC-Glied ist nötig, um den Regelkreis stabil zu halten und den Schaltregler vor Störungen — Überschwingen bei Laständerungen — zu schützen. Die Grenzfrequenz des RC-Gliedes bestimmt die Regelgeschwindigkeit des Schaltreglers.

Aus der DE-AS 2S 03 196 ist ebenfalls ein Schaltregler bekannt mit einem Meßfühler, ausgebildet als niederohmiger ohmscher Meßwiderstand, zur Erzeugung einer periodischen Meßspannung, die dem Momentanwert des Wechselstromanteils der hinter dem Stelltransistor erhaltenen Gleichstromimpulse proportional ist Der ohmsche Meßwiderstand ist mit dem Kondensator eines LC-Siebgliedes im Ausgangskreis des Schaltreglers im Querzweig in Reihe geschaltet Einem Komparator im Regelkreis sind zwei Störtendenzmeßwerte zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens zugeführt: der Istwert der Ausgangsspannung und eine aus dem Leistungsteil des Schaltreglers abgeleitete und phasenrichtig überlagerte periodische Meßspannung.

Aus Elektronik 25/26/1981, S. 121 und 122, ist es bekannt, über einen zeitweise leitend gesteuerten Analogschalter einen Istwert zu erfassen und mittels eines Kondensators zu speichern. Die DE-OS 26 35 089 beschreibt einen Schaltregler mit einer Meßwerterfassung über einen Meßübertrager, dessen Primärwicklung in Reihe zum Ladekondensator im Ausgangskreis liegt und dessen Sekundärwicklung mit einem Meßwiderstand beschaltet ist. Aus der GB-PS 11 42 576 ist schließlich eine Meßwerterfassung des Momentanwertes der Ausgangsspannung eines Schaltreglers über einen Gleichspannungsabtrennkondensator bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß eine schnelle Reaktion des Regelkreises auf Ausgangsspannungsänderungen erfolgen kann; d. h., die phasendrehenden Eigenschaften der RC-Glieder im Regelkreis keinen nachteiligen Einfluß auf die Regelgeschwindigkeit mehr haben und damit die Phasenreserve vergrößert wird.

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

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Stromwelligkeit in der Glättungsdrossel des Schaltreglers, die als Wechselstrom über den Glättungskondensator fließt, am Meßwiderstand des Komparators eine dem Wechselstrom proportionale Spannung erzeugt. Außerdem erzeugt der Wechselstrom am Ersatzwiderstand des Glättungskondensators — unter der Voraussetzung, daß der Blindwiderstand des Glättungskondensators sehr viel kleiner ist als sein Wirkwiderstand — ebenfalls eine dem Wechselstrom proportionale Spannung, die der Ausgangsspannung des Schaltreglers überlagert ist. Der Komparator ist so an den Meßwiderstand angeschlossen, daß er im Strom- bzw. Spannungsnulldurch-