DE3444035C2

DE3444035C2 -

Info

Publication number: DE3444035C2
Application number: DE19843444035
Authority: DE
Inventors: Juergen Ing.(Grad.) 5216 Niederkassel De Hoegener; Wolfgang 5000 Koeln De Schwarz
Original assignee: KLOECKNER-MOELLER ELEKTRIZITAETSGESELLSCHAFT MBH 5300 BONN DE
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1984-12-03
Filing date: 1984-12-03
Publication date: 1989-06-29
Also published as: DE3444035A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für Schaltnetzteile, bei dem im Normalbetrieb die Ausgangsspannung mittels Pulsbrei tenmodulation geregelt wird und mit abnehmender Belastung bei Erreichen einer minimalen Impulsbreite in eine Pulsfrequenzrege lung übergegangen wird.The invention relates to a control method for switching power supplies, in which in normal operation the output voltage by means of pulse pulp is regulated and with decreasing load Reaching a minimum pulse width in a pulse frequency rain is passed over.

Bekannte Verfahren zur Lastregelung von Schaltnetzteilen sind die Pulsweitenmodulation und die Frequenzmodulation.Known methods for load regulation of switching power supplies are Pulse width modulation and frequency modulation.

Das Verfahren der Pulsweitenmodulation weist eine konstante Frequenz auf, wobei je nach Energiebedarf die Einschaltdauer t _e verändert wird. Je geringer der Energiebedarf, um so kürzer wird die Einschaltdauer t _e. Der Leistungstransistor benötigt aber eine minimale Einschaltdauer t _{e min} für seine Ansteuerung. Wird diese unterschritten, ist die Regelung abgeschaltet.The pulse width modulation method has a constant frequency, the duty cycle t _{e being} changed depending on the energy requirement. The lower the energy requirement, the shorter the duty cycle t _e . The power transistor, however, requires a minimum duty cycle t _min for its control. If this falls below, the control is switched off.

Das Verfahren der Frequenzmodulation arbeitet mit konstanter Einschaltdauer t _e. Die Frequenz f wird durch den Energiebedarf des Schaltnetzteils bestimmt. Die minimale Frequenz f _min wird durch den Schaltnetzteilübertrager bestimmt, der je nach Dimensionierung eine untere Grenzfrequenz aufweist. Wird f _min unterschritten, geht der Übertrager in die Sättigung und das Schaltnetzteil wird zerstört.The frequency modulation method works with a constant duty cycle t _e . The frequency f is determined by the energy requirement of the switching power supply. The minimum frequency f _min is determined by the switching power supply transformer, which has a lower cut-off frequency depending on the dimensions. If the value _falls below f _min , the transformer saturates and the switching power supply is destroyed.

In JP 55-1 41 973(A), Patents Abstr. of Japan, Sect E, Vol 5, Nr. 15 (1981) (E-4.3) wird ein Steuersystem für Schaltnetzteile beschrieben, bei dem beide Verfahren zur Optimierung der Lastregelung genutzt werden. Im Normalbetrieb wird hierbei die Impulsbreitenmodulation genutzt. Je nach Energiebedarf geht die Regelung in den Frequenzmodulationsbetrieb über. Sind die internen Verluste des Schaltnetzteils so hoch, daß die Verluste die Energieentnahme übersteigen, die bei t _{e min} und f _min übertragen wird, so ist das Netzteil, von der Last aus gesehen, leerlauffest (Regelung bis zum Leerlauf). Bei Frequenz = 0 wäre die minimale Leerlauffrequenz unterschritten und eine Energieübertragung nicht möglich. Die Ausgangsspannung wäre Null. Bekannt ist auch ein Schaltnetzteil für die Versorgung eines Fernsehgerätes, beschrieben in der Patentschrift DE 26 20 191 C2. Auch dieses Schaltnetzteil arbeitet im Normalbetrieb nach dem Verfahren der Impulsbreitenregelung. Für den Bereitschaftszustand des Fernsehgerätes wird die Regelung, für den Normalbetrieb, des Steuertransistors abgeschaltet. Statt dessen wird der Steuertran sistor mittels einer Impulsgeneratorschaltung durch schmale, fest vorgegebene Steuerimpulse angesteuert und somit die Betriebsspan nung definiert und wesentlich herabgesetzt. Abgesehen von einer nicht mehr vorhandenen Regelung ist auch bei diesem Verfahren bei Frequenz = 0 die Betriebsspannung Null.In JP 55-1 41 973 (A), Patents Abstr. of Japan, Sect E, Vol 5, No. 15 (1981) (E-4.3) describes a control system for switched-mode power supplies in which both methods are used to optimize the load regulation. Pulse width modulation is used in normal operation. Depending on the energy requirement, the control switches to frequency modulation mode. If the internal losses of the switched-mode power supply are so high that the losses exceed the energy consumption that is transmitted at t _{e min} and f _min , the power supply is idle-proof from the load (regulation to idle). With frequency = 0 the minimum idle frequency would be undercut and an energy transfer would not be possible. The output voltage would be zero. A switching power supply for the supply of a television set is also known, described in the patent specification DE 26 20 191 C2. This switching power supply also works in normal operation according to the pulse width control method. The regulation of the control transistor is switched off for the standby state of the television set, for normal operation. Instead, the Steuertran sistor is controlled by means of a pulse generator circuit by narrow, predetermined control pulses and thus the operating voltage is defined and significantly reduced. Apart from a regulation that is no longer available, the operating voltage is zero with frequency = 0.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik nach JP 55-1 41 973 (A) ein Regelverfahren für Schaltnetzteile zu schaffen, das die Energieübertragung auch ohne Energieentnahme und bei geringsten Eigenverlusten aufrecht erhält, wobei die induktiven Bauelemente des Schaltnetzteils verlustarm sind und nicht in die Sättigung gehen können. The object of the present invention is, based on the prior art according to JP 55-1 41 973 (A), a control method for switching power supplies to create that power transmission too Upright without energy consumption and with minimal loss receives, the inductive components of the switching power supply are low loss and cannot go into saturation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Pulsfrequenzregelung als Pulspaketregelung arbeitet.This object is achieved in that the Pulse frequency control works as a pulse packet control.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Regelverfahrens ist es, daß es sich immer den momentan gegebenen Lastbedingungen anpaßt.The particular advantage of the control method according to the invention is that it is always the current load conditions adjusts.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigtThe invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment explained. It shows

Fig. 1 eine Blockdarstellung eines Schaltnetzteils, Fig. 1 is a block diagram of a switching power supply,

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des Regelverhaltens, Fig. 2 is a diagram showing the control behavior,

Fig. 3 einen möglichen Schaltungsaufbau der Regelschaltung. Fig. 3 shows a possible circuit structure of the control circuit.

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 Eingangssi gnal 1 ein Abbild der Ausgangsspannung UA des Sekundärteils B und gibt ein Ausgangssignal 2 an den Primärteil A, wenn sich Abwei chungen der Ausgangsspannungen UA von einem angestrebten Sollwert ergeben. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung UA gegen Schwankungen der Eingangsspannung UE stabilisiert.In Fig. 1 of generally known construction is shown a switching power supply. The control circuit R is the link between the primary part A and the secondary part B. It receives as input signal 1 an image of the output voltage UA of the secondary part B and gives an output signal 2 to the primary part A if there are deviations of the output voltages UA from a desired value. In this way, the output voltage UA is stabilized against fluctuations in the input voltage UE .

Das Regelverhalten ist in Fig. 2 als Spannungs-Zeit-Diagramm dar gestellt. 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 control behavior is shown in Fig. 2 as a voltage-time diagram. The target voltage US is aimed at as the load-side output value. The actual output voltage UA depends on several factors, in particular, however, 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 P 1, P 2, P 3 mit der Regelspannung UR an das Primärteil des Netzteils gegeben. Die Regelspannung UR steht dabei für eine der Energieentnahme entsprechenden Pulsweite t _e an. Bei höherer Energieentnahme wird die Pulsweite t _e 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. Die Mindestpulsweite ist hier als t _{e min} dargestellt. Damit es jedoch nicht zu einer unzulässigen Erhöhung der Ausgangsspannung UA kommt, ist die Pulspaketregelung überlagert.In normal operation, shown in the diagram in the time range Tw , the control circuit works with pulse width control. In this case, the control circuit sends pulses P 1 , P 2 , P 3 with the control voltage UR to the primary part of the power supply unit. The control voltage UR stands for a pulse width t _e corresponding to the energy consumption. With higher energy consumption, the pulse width t _e becomes larger, with lower energy consumption it becomes smaller. However, if the energy requirement falls below a minimum value due to the inertia of the power transistor, regulation via the pulse width is no longer possible. The minimum pulse width is shown here as t _min . However, the pulse packet control is superimposed so that there is no impermissible increase in the output voltage UA .

Ein Pulspaket besteht aus einer Anzahl von Impulsen gleicher Breite. Der Pulsabstand in einem Pulspaket ist konstant. Die Anzahl der Pulse in einem Paket hängt von der Energie ab, die im Moment der Einschaltung der Pulspaketregelung dem Schaltnetzteil entnommen wird. Ist diese Energieentnahme hoch, benötigt das Pulspaket viele Pulse um den Sollwert der Ausgangsspannung zu erreichen. Mit dem letzten Puls des Paketes erreicht die Ausgangsspannung ihren Sollwert und die Regelung schaltet wieder ab. Die Pausenzeit zwischen zwei Pulspaketen hängt wiederum ausschließlich von der Last und somit von der Energieentnahme ab. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung UA bis zum absoluten Leerlauf stabil geregelt werden. Die Regelung paßt sich immer den momentan gegebenen Lastbedingungen an.A pulse packet consists of a number of pulses of the same width. The pulse interval in a pulse packet is constant. The number of pulses in a packet depends on the energy that is taken from the switching power supply when the pulse packet control is switched on. If this energy consumption is high, the pulse packet needs many pulses to reach the target value of the output voltage. With the last pulse of the package, the output voltage reaches its setpoint and the control switches off again. The pause time between two pulse packs in turn depends exclusively on the load and thus on the energy consumption. In this way, the output voltage UA can be stably regulated up to the absolute idling. The control always adapts to the current load conditions.

Eine mögliche Realisierung der Regelschaltung zeigt 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 Soll-Istwert-Vergleicher S mit dem Sollwert US verglichen wird. Der Soll-Istwert-Verglei cher 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 Leistungstransistors T 1 liegt an dem Anschluß 5 des 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 Trigger signal genutzt wird. Die maximale Ein-Zeit wird von dem Wider stand 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 Soll-Istwert-Vergleicher bestimmt ist. Wenn an dem Anschluß 5 des Timer-Bausteins IC die Spannung auf ¹/₃ der Versorgungsspannung UV, die an den Anschlüssen 4 und 8 hängt, abfällt, wird das Regelprinzip 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.A possible implementation of the control circuit is shown in FIG. 3. The control circuit R has an input 1 , via which the input signal corresponding to the output voltage Ua is given by the secondary part of the switching power supply and is compared in the setpoint / actual value comparator S with the setpoint US . The target actual value comparator S is connected to the gate terminal of the power transistor T 1 . The power transistor T 1 behaves like a controllable resistor that influences the pulse width. If the resistance decreases, the on time also decreases. The drain connection of the power transistor T 1 is connected to the connection 5 of the timer module IC . This is triggered via terminal 2 by a clock generator T , the clock generated by the clock generator being proportional to the converter frequency being used as a trigger signal. The maximum on-time is defined by the resistor R 1 and the capacitor C , while the on-time as described above is determined up to the minimum on-time by the power transistor T 1 and the setpoint-actual value comparator. If the timer IC chip, the voltage to ^_1/3 of the supply voltage UV, appended to the terminals 4 and 8 drops to the terminal 5, the control principle of pulse packet control is effective. The control output 2, which is located at the terminal 3 of the timer IC chip remains as long off, is exceeded again until the voltage threshold of ^_1/3 of the supply voltage UV. If the modules are dimensioned favorably, an efficiency of over 70% can be achieved with a 2% higher load and a full control load range up to idling.

Claims

Control method for switched-mode power supplies, in which the output voltage is regulated by means of pulse width modulation in normal operation and, with decreasing load when a minimum pulse width is reached, a transition is made to pulse frequency control, since the pulse frequency control works as a pulse packet control.