DE3515706A1 - Transformer for a switched-mode power supply - Google Patents
Transformer for a switched-mode power supplyInfo
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Abstract
Description
Transformator für ein SchaltnetzteilTransformer for a switching power supply
In Geräten der Nachrichtentechnik wie z. B. einem Fernsehempfänger werden heute überwiegend Schaltnetzteile (SMPS) für die Erzeugung der Betriebsspannungen verwendet. Ein Schaltnetzteil enthält auf der Primärseite eine Primärwicklung, an die die aus dem Netz gewonnene Gleichspannung über einen periodisch betätigten Schalter, z. B. einen Schalttransistor, angelegt ist. Der Schalter wird über eine selbstschwingende Schaltung periodisch betätigt, so daß in der Primärwicklung jeweils während der Flußphase ein sägezahnförmig ansteigender Strom fließt, der während der sogenannten Sperrphase unterbrochen ist. Während der Sperrphase wird die im Transformator gespeicherte Energie auf die Sekundärseite übertragen und liefert dort über Gleichrichter und Ladekondensatoren die Betriebsspannungen.In telecommunications equipment such as B. a television receiver are now predominantly switched-mode power supplies (SMPS) for generating the operating voltages used. A switched-mode power supply contains a primary winding on the primary side the direct voltage obtained from the network via a periodically operated switch, z. B. a switching transistor is applied. The switch is self-oscillating Circuit operated periodically so that in the primary winding during each Flow phase a sawtooth-shaped increasing current flows, which during the so-called Blocking phase is interrupted. During the blocking phase, the stored in the transformer Transferring energy to the secondary side and delivering it there via rectifier and Charging capacitors the operating voltages.
Am Ende der Flußphase, also zu Beginn der Sperrphase, wird der sägezahnförmig angestiegene Strom durch die Primärwicklung durch Öffnen des Schalters unterbrochen. Durch diese plötzliche Stromunterbrechung und das dadurch bewirkte hohe di/dt sowie durch die Streuinduktivitäten und Streukapazitäten entsteht zu Beginn der Sperrphase an der Primärwicklung und somit auch am Schalter eine gedämpfte Schwingung, die zu Beginn der Sperrphase eine besonders hohe Spannungsspitze aufweist. Diese Spannungsspitze geht über den stationären Spannungswert während der Sperrphase, nämlich die Betriebsgleichspannung auf die Primärseite, beträchtlich hinaus und kann ohne zusätzliche Maßnahmen Werte in der Größenordnung von 1000 Volt und mehr annehmen. Dadurch wird ein den Schalter bildender Leistungstransistor gefährdet. Wenn der Transistor durch die Spannungsspitze nicht gefährdet sein soll, kann nur ein Teil der Spannungsfestigkeit des Transistors für die eigentliche Nutzspannung ausgenutzt werden. Es ist daher notwendig, Maßnahmen zur Verringerung der genannten Spannungsspitze vorzusehen.At the end of the flow phase, i.e. at the beginning of the blocking phase, the is sawtooth-shaped increased current through the primary winding is interrupted by opening the switch. Due to this sudden power interruption and the resulting high di / dt as well as the leakage inductance and leakage capacitance arise at the beginning of the blocking phase a damped oscillation on the primary winding and thus also on the switch, the has a particularly high voltage peak at the beginning of the blocking phase. This voltage spike goes over the steady voltage value during the blocking phase, namely the DC operating voltage on the primary side, considerably and can be valued without additional measures on the order of 1000 volts and more. This will turn on the switch forming power transistor endangered. When the transistor through the voltage spike should not be endangered, only part of the dielectric strength of the transistor can can be used for the actual useful voltage. It is therefore necessary to take action to be provided to reduce the voltage peak mentioned.
Zur Verringerung der Spannungsspitze ist es bekannt, die Streuinduktivität der Primärwicklung so klein wie möglich zu machen. Weiter ist es bekannt, parallel zu der Primärwicklung oder zum Schalter die Reihenschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand vorzusehen. Der Kondensator begrenzt die Steilheit der Spannungsspitze, und der Widerstand dient zur Dämpfung. Durch dieses Däpfungsglied kann die Amplitude der Spannungsspitze verringert werden. Wegen der hohen Spannung sind jedoch sowohl der Kondensator als auch der Widerstand relativ teuere Bauteile.The leakage inductance is known to reduce the voltage spike to make the primary winding as small as possible. Further it is known in parallel the series connection of a capacitor to the primary winding or to the switch and to provide a resistor. The capacitor limits the steepness of the voltage peak, and the resistance is used for damping. Through this attenuator, the amplitude the voltage peak can be reduced. However, because of the high voltage, both the capacitor and the resistor are relatively expensive components.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere beim Einsatz von SMPS-Transformatoren in Kammerwickeltechnik, bei denen die Streuinduktivitäten ca 50% höhersind als bei SMPS-Trafos in Lagenwickeltechnik,die Spannungsspitze zu Beginn der Sperrphase wirksamer und ohne zusätzliche Bauteile zu verringern.The invention is based on the object, in particular in use of SMPS transformers in chamber winding technology, in which the leakage inductances The voltage peaks are approx. 50% higher than with SMPS transformers in layer winding technology Reduce the start of the blocking phase more effectively and without additional components.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the invention described in claim 1 solved. Advantageous further developments of the invention are described in the subclaims.
Die Erfindung beruht auf folgender Erkenntnis: eine Hilfswicklung, die z. B. zur Erzeugung einer Gleichspannung für eine Regelschaltung oder Rückkopplungsschaltung dient, liefert über einen angeschlossenen Gleichrichter während der Sperrphase einen Ladestrom für einen Ledekondensator. Dieser Ladestrom bewirkt zwar eine Belastung des Transformators. Er kann aber auf die Amplitude der Spannungsspitze praktisch keinen Einfluß haben, weil er im wesentlichen erst nach dem Abklingen der Spannungsspitze auftritt. Wenn jedoch die Hilfswicklung mit der Primärwicklung besonders fest gekoppelt ist, wird die Streuinduktivität der Hilfswicklung verringert. Das bedeutet, daß der von der Hilfswicklung gelieferte Strom früher zu Beginn der Sperrphase auftritt und außerdem eine kürzere Dauer und eine größere Amplitude hat. Dieser Strom hat dann whrend der genannten Spannungsspitze bereits einen beträchtlichen Wert und wirkt somit in diesem Zeitpunkt bereits als Belastung für den Transformator, die die genannte Spannungsspitze reduziert. Die Stromflußdauer der Hilfswicklung wird dabei etwa con 8 /us auf 3 /us verringert und der Maximalwert des Stromes von 0,2 A auf 3 A erhöht. Die Hilfswicklung entzieht somit bereits zum Zeitpunkt der Spannungsspitze dem System Leistung und bewirkt dadurch die erwünschte Dämpfung der Spannungsspitze.The invention is based on the following knowledge: an auxiliary winding, the z. B. to generate a DC voltage for a control circuit or feedback circuit is used, supplies a via a connected rectifier during the blocking phase Charge current for a led capacitor. This charging current causes a load of the transformer. But it can be practical on the amplitude of the voltage peak have no effect, because it essentially only occurs after the voltage peak has subsided occurs. However, if the auxiliary winding is particularly tightly coupled to the primary winding is, the leakage inductance of the auxiliary winding is reduced. It means that the current supplied by the auxiliary winding occurs earlier at the beginning of the blocking phase and also has a shorter duration and a larger amplitude. This stream has then while the above-mentioned voltage spike is already a considerable one Value and thus already acts as a load on the transformer at this point in time, which reduces the said voltage spike. The duration of the current flow in the auxiliary winding is reduced by approximately con 8 / us to 3 / us and the maximum value of the current is reduced from 0.2 A increased to 3 A. The auxiliary winding is thus already withdrawn at the time of Voltage spikes affect the system's performance and thereby cause the desired damping the voltage spike.
Die erfindungsgemäße Lösung erfordert somit keinen zusätzlichen Aufwand in Form von Bauteilen, sondern wird lediglich durch eine feste Kopplung, also eine besondere Anordnung der Hilfswicklung relativ zurPrimärwicklung erreicht. Maßnahmen zur Erzielung einer festen Kopplung zwischen zwei Wicklungen sind an sich bekannt und auch in den Unteransprüchen beschrieben.The solution according to the invention therefore does not require any additional effort in the form of components, but is only provided by a fixed coupling, i.e. a special arrangement of the auxiliary winding achieved relative to the primary winding. measures to achieve a firm coupling between two windings are known per se and also described in the subclaims.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Darin zeigen Fig. 1 im Prinzip das Schaltbild eines erfindungsbemäß ausgebildeten Schaltnetzteils, Fig. 2 Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise, Fig. 3 die Anordnung der Transformatorwicklungen zur Erzielung der festen Kopplung und Fig. 4 einen besonderen Aufbau der Hilfswicklung für eine Stabilisierung der erzeugten Spannung.The invention is based on the drawing of an exemplary embodiment explained. 1 shows, in principle, the circuit diagram of one designed in accordance with the invention Switching power supply, FIG. 2 curves to explain the mode of operation, FIG. 3 the arrangement the transformer windings to achieve the fixed coupling and FIG. 4 a special one Construction of the auxiliary winding to stabilize the generated voltage.
In Fig. 1 wird aus der Netzspannung mit dem Brückengleichrichter 1 an dem LQdekondensator 2 eine Gleichspannung gewonnen, die über den Schalter 3 an die Primärwicklung P des Trenntransformators 5 angelegt ist. Mit einer Rückopplungswicklung 6 und einer schwingfähigen Schaltung wird der Schalter 3, insbesondere ein Leistungstransistor, mit einer Frequenz von etwa 15-30 kHz periodisch ein- und ausgeschaltet. Die Sekundärwicklungen S1vS2,S3 liefern über Gleichrichter 9,10,1 an den Ladekondensatoren 12,13,14 verschieden hohe Betriebsspannungen U1,U2, U3.In Fig. 1, the mains voltage with the bridge rectifier 1 a DC voltage obtained at the LQdekondensator 2, which on the switch 3 to the primary winding P of the isolating transformer 5 is applied. With a feedback winding 6 and an oscillatory circuit, the switch 3, in particular a power transistor, periodically switched on and off at a frequency of around 15-30 kHz. The secondary windings S1vS2, S3 supply differently via rectifiers 9,10,1 to the charging capacitors 12,13,14 high operating voltages U1, U2, U3.
Der Transformator 5 enthält außerdem eine Hilfswicklung H, die über den Gleichrichter 15 an dem Ladekondensator 16 eine Hilfsspannung für eine Regelschaltung 18 liefert. Die Regelschaltung 18 steuert die Einschaltdauer des Schalters 3 in dem Sinne, daß die Ausgangsspannungen U1,U2,U3 gegen Änderungen in der Netzspannung und der Belastung stabilisiert werden.The transformer 5 also includes an auxiliary winding H, the over the rectifier 15 to the charging capacitor 16 an auxiliary voltage for a control circuit 18 supplies. The control circuit 18 controls the duty cycle of the switch 3 in the sense that the output voltages U1, U2, U3 against changes in the mains voltage and the load can be stabilized.
Die Hilfswicklung H ist mit der Primärwicklung P über eine besonders feste Kopplung k verkoppelt.The auxiliary winding H is connected to the primary winding P via a special fixed coupling k coupled.
Fig. 2 zeigt die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 Von tl bis t2 ist der Schalter 3 geschlossen, so daß in der Primärwicklung P der sägezahnförmig ansteigende Strom i1 fließt.Fig. 2 shows the operation of the circuit of FIG. 1 from tl to t2, the switch 3 is closed, so that in the primary winding P of the sawtooth shape increasing current i1 flows.
Diese Zeit wird als Flußphase bezeichnet. Im Zeitpunkt t2 endet die Flußphase, und es beginnt die Sperrphase. Der Schalter 3 wird gesperrt, der Strom 11 somit unterbrochen. Die Spannung Ua an der Primärwicklung P und sommt am Kollektor eines den Schalter 3 bildenden Leistungstransistors, nimmt dann an sich den Wert Val an. Vorher kommt es jedoch durch das starke di/dt und die Streuinduktivität zu einem Einschwingvorgang mit einer hohen Spannungsspitze Us. Ohne feste Kopplung k würde die Hilfswicklung H den Strom i2'während der Zeit t2 bis t6 liefern, der in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist.This time is called the flow phase. The ends at time t2 Flow phase, and the blocking phase begins. The switch 3 is blocked, the current 11 thus interrupted. The voltage Ua on the primary winding P and sommt on the collector of a power transistor forming the switch 3, then assumes the value in itself Val on. Before that, however, it comes from the strong di / dt and the leakage inductance to a transient process with a high voltage peak Us. Without a fixed coupling k, the auxiliary winding H would supply the current i2 'during the time t2 to t6, the in Fig. 2 is shown in dashed lines.
Dieser Strom i2' hat im Zeitpunkt t3 der Spannungsspitze Us nur eine geringe Amplitude und somit auf die Amplitude der Spannungsspitze Us keinen Einfluß.This current i2 'has only one voltage peak Us at time t3 low amplitude and therefore no influence on the amplitude of the voltage peak Us.
Durch die feste Kopplung k und die dadurch bewirkte Verringerung der Streuinduktivität der Hilfswicklung H entsteht statt des Stromes i2' der Strom i2. Dieser hat eine kürzere Flußdauer von t2 bis t4, eine wesentlich größere Amplitude als der Strom i2' und liegt zeitlich auch früher. Es ist ersichtlich, daß der Strom i2 im Zeitpunkt t3 eine wesentlich größere Amplitude hat als der Strom i2'. Der Strom i2 stellt daher im Zeitpunkt i3 bereits eine beträchtliche Belastung des Transformators dar und wirkt im Sinne einer Verringerung der Amplitude der Spannungsspitze Us. Im Zeitpunkt t3 hat der Strom i2' z. B. einen Wert von 0,2 A und der Strom i2 einen Wert von 3-7 A. Die Zeitdauer des Stromes i2 wird etwa verkürzt von t2 bis t6 = 8/us auf t2 bis t4 = 3/us.Due to the fixed coupling k and the resulting reduction in The leakage inductance of the auxiliary winding H results in the current i2 instead of the current i2 '. This has a shorter flow duration from t2 to t4, a significantly larger amplitude than the current i2 'and is also earlier in time. It can be seen that the stream i2 at time t3 has a significantly greater amplitude than current i2 '. Of the Current i2 therefore already puts a considerable load on the transformer at time i3 and acts to reduce the amplitude the voltage spike Us. At time t3, the current i2 'has z. B. a value of 0.2 A and the current i2 a value of 3-7 A. The duration of the current i2 is shortened approximately from t2 to t6 = 8 / us on t2 to t4 = 3 / us.
Fig. 3 zeigt die Anordnung der Transformatorwicklungen zur Erzielung der festen Kopplung k zwischen der Hilfswicklung H und der Primärwicklung P. Der Spulenkörper 17 enthält sieben Kammern K1 bis K7, in denen die Primärwicklung P, die Sekundärwicklung S und die Hilfswicklung H untergebracht sind.Fig. 3 shows the arrangement of the transformer windings to achieve the fixed coupling k between the auxiliary winding H and the primary winding P. The Bobbin 17 contains seven chambers K1 to K7, in which the primary winding P, the secondary winding S and the auxiliary winding H are housed.
Die Sekundärwicklung S ist in drei Teilwicklungen S1,S2,S3 aufgeteilt und in den Kammern K2,K4,K6 untergebracht. Die Primärwicklung P ist in sechs Teilwicklungen Pl bis P6 aufgeteilt, von denen je eine in den Kammern K1 und K7 und je zwei in den Kammern K3 und K5 liegen. In den Kammern K3 und K5 liegen die beiden Teilwicklungen H1 und H2 der Hilfswicklung H jeweils zwischen den Teil-Primärwicklungen P2 und P3 bzw. P4 und P5. Durch diese Einbettung der Hilfswicklung Ff in die Primärwicklung P wird die besonders feste Kopplung k zwischen der Hilfswicklung H und der Primrwicklung P erreicht. Die Hilfswicklung H kann auch in mehr als zwei Teilwicklungen aufgeteilt und auf mehrere Kammern eine Kammerspulenkörpers verteilt sein.The secondary winding S is divided into three partial windings S1, S2, S3 and housed in chambers K2, K4, K6. The primary winding P is in six partial windings Pl to P6, of which one each in chambers K1 and K7 and two each in the chambers K3 and K5 lie. The two partial windings are located in chambers K3 and K5 H1 and H2 of the auxiliary winding H between the partial primary windings P2 and P3 or P4 and P5. By embedding the auxiliary winding Ff in the primary winding P becomes the particularly strong coupling k between the auxiliary winding H and the primary winding P reached. The auxiliary winding H can also be divided into more than two partial windings and a chamber bobbin can be distributed over several chambers.
Die Hilfswicklung H kann grundsätzlich eine zur Erzeugung einer Hilfsspannung dienende Wicklung sein, die während der Sperrphase belastet wird. Die Rückkopplungswicklung 6 kann ebenfalls als Hilfswicklung mit fester Kopplung ausgenutzt werden.The auxiliary winding H can in principle be used to generate an auxiliary voltage serving winding, which is loaded during the blocking phase. The feedback winding 6 can also be used as an auxiliary winding with a fixed coupling.
Die durch die Hilfswicklung H am Ladekondensator 16 erzeugte Gelichspannung ist abhängig von der Belastung anderer Wicklungen (Übersprechen). In vielen Fällen besteht der Wunsch, die genannte Gleichspannung dagegen zu stabilisieren. Fig. 4 zeigt einen Aufbau der Hilfswicklung H, mit der eine Übersprechfestigkeit der an der Wicklung erzeugten Spannung erreicht werden kann Die Hilfswicklung H besteht aus Teilwicklungen H1 und H2 mit je 8 rechts gewickelten Windungen und aus einer in Reihe liegenden Teilwicklung H3 mit 6 links, also entgegengestzt gewickelten Windungen. In ihrer Lage bezüglich der übersprechenden Wicklung und in ihren Windungszahlen sind die Teilwicklungen H1,H2 und H3 so gewählt, daß sich für die in ihnen induzierten Spannungen UH1,2 und UH3 unterschiedliche Übersprechfaktoren ergeben, die in ihrem Zusammenwirken als Differenz in der Gesamtwicklung H an den Klemmen 20,21 eine Übersprechfeste Spannung UH zur Folge haben. Von den insgesamt gewickelten 22 Windungen werden also für die Amplitude der erzeugten Spannung nur 10 Windungen wirksam. Das ist jedoch kein nennenswerter Nachteil, weil die Kosten für den zusätzlich benötigten Wicklungsdraht und die Zeit für den Wickelvorgang, insbesondere bei einer Wicklung mit Automaten praktisch nicht ins Gewicht fallen.The DC voltage generated by the auxiliary winding H on the charging capacitor 16 depends on the load on other windings (crosstalk). In many cases there is a desire to stabilize the said DC voltage against it. Fig. 4 shows a structure of the auxiliary winding H with which a crosstalk resistance of the the voltage generated by the winding can be achieved The auxiliary winding H consists of partial windings H1 and H2 each with 8 right-hand turns and from a series of partial winding H3 with 6 on the left, i.e. wound in opposite directions Turns. In their position in relation to the crosstalk winding and in their number of turns the partial windings H1, H2 and H3 are chosen so that for the induced in them Voltages UH1,2 and UH3 result in different crosstalk factors, which in their Interaction as a difference in the total winding H at the terminals 20,21 a crosstalk Voltage UH result. So of the total of 22 turns wound effective only 10 turns for the amplitude of the voltage generated. However, that is no significant disadvantage because of the cost of the additional winding wire required and the time for the winding process, especially when winding with automatic machines practically irrelevant.
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Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19853515706 DE3515706A1 (en) | 1985-05-02 | 1985-05-02 | Transformer for a switched-mode power supply |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19853515706 DE3515706A1 (en) | 1985-05-02 | 1985-05-02 | Transformer for a switched-mode power supply |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3515706A1 true DE3515706A1 (en) | 1986-11-06 |
Family
ID=6269585
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19853515706 Withdrawn DE3515706A1 (en) | 1985-05-02 | 1985-05-02 | Transformer for a switched-mode power supply |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3515706A1 (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1985
- 1985-05-02 DE DE19853515706 patent/DE3515706A1/en not_active Withdrawn
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