DE3444035A1

DE3444035A1 - Control principle for a switched-mode power supply

Info

Publication number: DE3444035A1
Application number: DE19843444035
Authority: DE
Inventors: Jürgen Ing.(grad.) 5216 Niederkassel Högener; Wolfgang 5000 Köln Schwarz
Original assignee: Kloeckner Moeller Elektrizitaets 5300 Bonn GmbH; Kloeckner Moeller Elektrizitaets GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1984-12-03
Filing date: 1984-12-03
Publication date: 1986-06-05
Also published as: DE3444035C2

Abstract

The subject-matter of the invention is a control principle for a switched-mode power supply for complete load control. In this case, the control circuit operates using the combination of the two control principles of pulse-width control and multi-cycle control. In the region of normal load operation tw, the control circuit operates on the principle of pulse-width control, while, in the event of the loading being reduced below the minimum load temin for pulse-width control, it changes over in the region tp to the control principle of multi-cycle control tp. In this way, the output voltage UA can be controlled in a stable manner down to no load. <IMAGE>

Description

Regelprinzip für SchaltnetzteilControl principle for switching power supply

Die Erfindung betrifft ein Regel prinzip für Schaltnetzteile mit einer vollkommenen Lastregelung.The invention relates to a control principle for switching power supplies with a perfect load control.

Bekannte Schaltnetzteile zur Versorgung elektronischer Schaltkreise mit geregelter Spannung arbeiten üblicherweise nach dem Prinzip der Pulsweitenregelung oder der Frequenzregelung.Known switched-mode power supplies for supplying electronic circuits with regulated voltage usually work according to the principle of pulse width regulation or frequency control.

Die Regelung erfolgt dabei über einen Leistungstransistor, der von einer Treiberstufe gesteuert wird, und dessen Einschaltdauer die Ausgangsgröße des Schaltnetzteils stabilisiert. Dabei wirkt sich jedoch eine bauartbedingte Trägheit dieser Leistungstransistoren, meist Bipolar- oder Mosfet-Transistoren, nachteilig aus, weil eine untere Grenze für die Einschaltdauer nicht unterschritten werden kann. Aus dieser minimalen Einzeit erfolgt eine minimale Energieübertragung von der Primär- zur Sekundärseite des Schaltnetzteils. Verringert sich der Energiebedarf des Lastkreises unter den Minimal bedarf, muß die Restenergie gespeichert werden, was eine Spannungserhöhung im Schaltnetzteil zur Folge hat. Eine Stabilisierung des Schaltnetzteils ist daher in diesem Bereich nicht möglich.The regulation takes place via a power transistor, which is from a driver stage is controlled, and its duty cycle is the output of the Switching power supply stabilized. However, a design-related inertia has an effect these power transistors, usually bipolar or MOSFET transistors, are disadvantageous off, because a lower limit for the duty cycle is not undershot can. A minimal energy transfer of takes place from this minimal on-time the primary to the secondary side of the switched-mode power supply. The energy requirement is reduced of the load circuit below the minimum requirement, the remaining energy must be stored, which results in an increase in voltage in the switched-mode power supply. A stabilization of the switched-mode power supply is therefore not possible in this area.

In der Energietechnik wird das Problem der Lastregelung von großen Energieanlagen mit einer Schwingungspaketregelund gelöst.In power engineering, the problem of load control becomes major Energy systems with a vibration packet rule and solved.

Dabei wird während einiger Schwingungen - dem Schwingungspaket -Energie übertragen, und dann wird ganz abgeschaltet bis im Lastkreis wieder Energie benötigt wird. Die Dauer der Abschaltpause richtet sich hierbei also nach dem Energiebedarf des Lastkreises.During some vibrations - the vibration packet - energy and then it is completely switched off until energy is required again in the load circuit will. The duration of the switch-off pause depends on the energy requirement of the load circuit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Regel prinzip für ein Schaltnetzteil zu schaffen, das, ohne daß eine minimale Last angeschlosen werden muß, eine vollkommene Lastregelung ermöglicht, und das es damit erlaubt, das Schaltnetzteil bis zum Leerlaufbetrieb voll auszuregelen.The object of the present invention is to provide a rule principle for a To create switched-mode power supply that can be connected without a minimal load must, a perfect load control allows, and it allows the switched-mode power supply to be fully regulated until idling.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Regel prinzip mit der Kombination der beiden Regelprinzipien Pulsweitenregelung und Schwingungspaketregelung arbeitet. Im Bereich des normalen Lastbetriebes arbeitet das Regelprinzip nach dem Prinzip der Pulsweitenregelung, während sie unterhalb der Minimal last der Pulsweitenregelung in das Regelprinzip der Schwinguntspaketregelung übergeht.This object is achieved according to the invention in that the rule principle with the combination of the two control principles of pulse width control and vibration packet control is working. In the area of normal load operation, the control principle works according to the Principle of the pulse width control while it is below the minimum load of the pulse width control merges into the control principle of the oscillation package control.

Anhand eines Ausfühfungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.

Es zeigen: Fig. 1 eine Blockdarstellung eines Schaltnetzteils Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des Regelverhaltens Fig. 3 einen möglichen Schaltungsaufbau einer Regelschaltung, die nach dem erfindungsgemäßen Regel prinzip arbeitet.1 shows a block diagram of a switched-mode power supply. 2 shows a diagram to illustrate the control behavior. FIG. 3 shows a possible circuit structure a control circuit that works according to the control principle according to the invention.

In Fig. 1 ist der allgemein bekannte Aufbau eines Schaltnetzteils dargestellt Die Regelschaltung R ist das Bindeglied zwischen dem Primärteil A und dem Sekundärteil B. Sie erhält als Eingangssignal 1 ein Abbild der Ausgangsspannung UA des Sekundärteils B und gibt ein Ausgangssignal 2 an den Primärteil A, wenn sich Abweichungen der Ausgangsspannungen UA von einem angestrebten Sollwert ergeben. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung UA gegen Schwankungen der Eingangsspannung UE stabilisiert.In Fig. 1 is the well-known structure of a switching power supply The control circuit R is the link between the primary part A and the secondary part B. It receives an image of the output voltage as input signal 1 UA of the secondary part B and gives an output signal 2 to the primary part A when Deviations of the output voltages UA from a desired target value result. In this way, the output voltage UA is protected against fluctuations in the input voltage UE stabilized.

Das Regel verhalten ist in Fig. 2 als Spannungs-Zeit-Diagramm dargestellt. Als lastseitiger Ausgangswert ist die Sollspannung US angestrebt. Die tatsächliche Ausgangsspannung UA ist von mehreren Faktoren, insbesondere jedoch von der Energieentnahme, abhängig und schwankt daher innerhalb eines Toleranzbandes. Sie ist als schwache Sägezahnkurve dargestellt.The rule behavior is shown in Fig. 2 as a voltage-time diagram. The target voltage US is aimed for as the output value on the load side. The actual Output voltage UA is of several Factors, in particular, however depends on the energy consumption and therefore fluctuates within a tolerance band. It is shown as a weak sawtooth curve.

Bei Normalbetrieb, im Diagramm dargestellt im Zeitbereich tw, arbeitet die Regelschaltung mit Pulsweitenregelung. Dabei werden im bestimmten Takt von der Regelschaltung Pulse P1, P2, P3 mit der Regelspannung UR an das Primärteil des Netzteils gegeben.In normal operation, shown in the diagram in the time range tw, works the control circuit with pulse width control. The Control circuit Pulse P1, P2, P3 with the control voltage UR to the primary part of the power supply unit given.

Die Regelspannung UR steht dabei für eine der Energieentnahme entsprechenden Pulsweite te an. Bei höherer Energieentnahme wird die Pulsweite te größer, bei geringerem Energiebedarf wird sie kleiner. Sinkt jedoch der Energiebedarf unter einen durch die Trägheit des Leistungstransistors bedingten Mindestwert ab, ist eine Regelung über die Pulsweite nicht mehr möglich.The control voltage UR stands for one corresponding to the energy drawn Pulse width on. The pulse width te becomes larger with higher energy consumption, with less It will require less energy. However, if the energy requirement falls below you the inertia of the power transistor caused the minimum value, is a regulation no longer possible via the pulse width.

Die Mindespulsweite ist hier als te-min dargestellt. Damit es jedoch nicht zu einer unzulässigen Erhöhung der Ausgangsspannung UA kommt, ist die Pulspaketregelung überlagert. Sie ist in Fig. 2 im Zeitbereich tp dargestellt. Die Regelspannung UR steht für mehrere Pulse P4, P5, das Pulspaket am Primärteil, an und dann wird die Regelschaltung abgeschaltet bis sich die Restenergie abgebaut hat. Danach erfolgt eine erneute Energiezufuhr mit dem Pulspaket P6, P7. Dabei ist die Abschaltzeit ta zwischen P5 und P6 flexibel und richtet sich nach der Restenergie bzw. dem Energiebedarf. Bei geringerem Energiebedarf ist die Abschaltzeit ta lang, bei höherem Energiebedarf entsprechend kürzer. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung UA bis zum Leerlauf stabil geregelt werden.The minimum pulse width is shown here as te-min. With that, however The pulse package control does not result in an impermissible increase in the output voltage UA superimposed. It is shown in FIG. 2 in the time range tp. The control voltage UR stands for several pulses P4, P5, the pulse package on the primary part, and then the Control circuit switched off until the residual energy has dissipated. Then takes place renewed energy supply with the pulse package P6, P7. This is the switch-off time ta flexible between P5 and P6 and depends on the remaining energy or the energy requirement. If the energy requirement is lower, the switch-off time is ta long, if the energy requirement is higher correspondingly shorter. In this way, the output voltage UA can idle can be regulated in a stable manner.

Eine mögliche Realisierung der Regelschaltung zeigt Fig. 3.One possible implementation of the control circuit is shown in FIG. 3.

Die Regelschaltung R besitzt einen Eingang 1 über den das der Ausgangsspannung UA entsprechende Eingangssignal vom Sekundärteil des Schaltnetzteils gegeben wird und im Sollwert - Istwert -Vergleicher S mit dem Sollwert US verglichen wird. Der Sollwert Istwert - Vergleicher S ist mit dem Gateanschluß des Leistungstransistors T 1 verbunden. Der Leistungstransistor T 1 verhält sich wie ein steuerbarer Widerstand, der die Pulsweite beeinflußt. Wird der Widerstand kleiner, wird auch die Ein-Zeit kleiner. Der Drain-Anschluß des Leistungsstransistors T 1 liegt an dem Anschluß 5 eines Timer-Bausteins IC. Dieser wird über den Anschluß 2 von einem Taktgenerator T getriggert, wobei der von dem Taktgenerator erzeugte der Umrichterfrequenz proportionale Takt als Triggersignal genutzt wird. Die maximale Ein-Zeit wird von dem Widerstand R 1 und dem Kondensator C definiert, während die Ein-Zeit wie oben beschrieben bis zur minimalen Ein-Zeit durch den Leistungstransistor T 1 und den Sollwert - Istwert - Vergleicher bestimmt ist. Wenn an dem Anschluß 5 des Timer-Bausteins IC die Spannung auf 1/3 der Versorgungsspannung UV, die auf die Anschlüssen 4 und 8 gegeben wird, abfällt, wird das Regel prinzip der Pulspaket-Regelung wirksam. Der Regelausgang 2, der an dem Anschluß 3 des Timer-Bausteins IC liegt, bleibt so lange abgeschaltet, bis die Spannungsschwelle von 1/3 der Versorgungsspannung UV wieder überschritten wird. Bei günstiger Dimensionierung der Bausteine läßt sich bei 2% mehr Last noch ein Wirkungsgrad von über 70% erreichen und ein voller Regellastbereich bis zum Leerlauf hin.The control circuit R has an input 1 via which the output voltage UA corresponding input signal from the secondary part of the switching power supply is given and compared in the setpoint - actual value comparator S with the setpoint US will. The setpoint actual value comparator S is connected to the gate connection of the power transistor T 1 connected. The power transistor T 1 behaves like a controllable resistor, which influences the pulse width. If the resistance becomes smaller, the on-time also becomes smaller. The drain connection of the power transistor T 1 is connected to the connection 5 of a timer module IC. This is via the connection 2 of a clock generator T triggered, the frequency generated by the clock generator being proportional to the converter frequency Clock is used as a trigger signal. The maximum on-time is determined by the resistor R 1 and the capacitor C are defined during the on-time as described above to at the minimum on-time through the power transistor T 1 and the setpoint - actual value - comparator is determined. When the voltage at terminal 5 of the timer module IC to 1/3 of the supply voltage UV that is applied to connections 4 and 8, falls, the control principle of the pulse package control becomes effective. The rule output 2, which is connected to connection 3 of the timer module IC, remains switched off as long as until the voltage threshold of 1/3 of the supply voltage UV is exceeded again will. With more favorable dimensioning of the modules, 2% more load can be achieved Achieve an efficiency of over 70% and a full control load range up to Idle.

Die vorliegende Erfindung ist durch die voranstehende Beschreibung des Schaltungsbeispiels keineswegs auf die dargestellte Ausführungsform der Schaltung beschränkt. Sie läßt sich auch durch weitere im Rahmen der Erfindung liegende Abwandlungen und Anpassungen realisieren.The present invention is illustrated by the foregoing description of the circuit example in no way refers to the illustrated embodiment of the circuit limited. It can also be made possible by further modifications within the scope of the invention and make adjustments.

Claims

Claims 7 L. control principle for switching power supply for perfect load control, v characterized in that the control circuit (R) with the combination of the two Control principles Pulse width control and vibration control works.

2. Control principle according to claim 1, characterized in that the Control circuit (R) in the area of normal load operation based on the principle of pulse width control works and after falling load below the minimum load of the pulse width control goes over to the principle of vibration packet control.