DE3627671A1

DE3627671A1 - Method for reducing the interference current in a switched-mode power supply

Info

Publication number: DE3627671A1
Application number: DE19863627671
Authority: DE
Inventors: Bertold Brockel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-08-14
Filing date: 1986-08-14
Publication date: 1988-02-25

Abstract

The invention relates to a switched-mode power supply having a pulsed transformer. The object is to compensate for the interference current occurring as a result of the capacitances between the windings. This is achieved by means of an additional capacitance (Ck) which is connected in parallel with a capacitance and is connected to the winding in such a manner that the sum of the charges flowing backwards and forwards between all capacitances during each switching process is approximately equal to zero. Applicable to video screen telephones. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Störstromes für ein einen getakteten Übertrager aufweisendes Schaltnetzteil.The invention relates to a method for reducing the Interference current for a clocked transformer Switching power supply.

Schaltnetzteile finden bevorzugt z. B. in Fernsehgeräten Anwendung. Dabei wird die gleichgerichtete Netzspannung (220 V, 50 Hz) einem Übertrager zugeführt, der je nach Anschaltung als Sperrwandler oder Durchflußwandler den Energietransport auf die Sekundärseite vornimmt. Diese Netzteile arbeiten mit einer hohen Schaltfrequenz (20 . . . 50 kHz).Switched-mode power supplies are preferably found, for. B. in televisions Application. The rectified mains voltage (220 V, 50 Hz) to a transformer which, depending on the connection as flyback converter or flow converter the energy transport on the secondary side. These power supplies work with a high switching frequency (20 ... 50 kHz).

Bei einer Zahl von Anwendungsfällen, z. B. Sichtschirmtelefonen, müssen neben der üblichen Entstörung der Netzleitung durch spezielle Filter auch die Teilnehmerleitungen entstört werden.In a number of use cases, e.g. B. screen telephones, in addition to the usual interference suppression of the mains cable the subscriber lines thanks to special filters be suppressed.

Das Schaltnetzteil stört durch seine Grundfrequenz und deren Oberwellen etwa im Bereich 25 kHz bis 500 kHz. Die Störquelle ist die getaktete Primärwicklung des Übertragers. Über die Kapazität zwischen Primär- und Sekundärwicklung gelangt die Störung auf die Verbraucherseite (Steuerung und Monitor) und von dort ebenfalls kapazitiv über benachbarte Leitungen und Bauteile zur Signalübertragung wie Optokoppler u. ä. auf den Fernsprechteil und die Teilnehmerleitungen.The switching power supply interferes with its fundamental frequency and its Harmonics around 25 kHz to 500 kHz. The source of interference is the clocked primary winding of the transformer. Via the capacity between primary and secondary winding the fault on the consumer side (control and Monitor) and from there also capacitively over neighboring Lines and components for signal transmission such as optocouplers u. Ä. on the telephone part and the subscriber lines.

Prinzipiell sind LC-Filter an allen Teilnehmeranschlüssen geeignet. Bei der hohen geforderten Dämpfung (ca. 40 dB) in dem genannten Frequenzbereich würden die Filter jedoch sehr umfangreich ausfallen.In principle there are LC filters on all subscriber connections suitable. With the high required attenuation (approx. 40 dB) in the frequency range mentioned, however, the filters would turn out to be very extensive.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe die genannten Störungen bereits im Schaltnetzteil ausreichend bedämpft werden, so daß aufwendige Filter entfallen können.It is an object of the invention to provide a method with whose help already mentioned the malfunctions in the switching power supply are sufficiently damped so that complex filters are not required can.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch Erhöhung oder Verminderung der zwischen den Wicklungen des Übertragers vorhandenen primär/sekundärseitigen Kapazitäten mittels einer externen parallel dazu geschalteten Zusatzkapazität und/oder durch Änderung der Windungszahlen und/oder veränderter Isolationsdicke bei jedem Schaltvorgang die Summe der zwischen allen Kapazitäten hin- und herfließenden positiven und negativen Ladungen annähernd Null ist.The object is achieved according to the invention in that by increasing or decreasing the between windings existing primary / secondary side of the transmitter Capacities by means of an external connected in parallel Additional capacity and / or by changing the number of turns and / or changed insulation thickness for each Switching process the sum of all capacities and flowing positive and negative charges approximately Is zero.

Soll das Schaltnetzteil als Sperrwandler geschaltet sein, wobei die Primärwicklung des Übertragers von den innersten und den äußeren Lagen gebildet ist, und wobei zwischen diesen Lagen zumindest eine Sekundärwicklung und zumindest eine zwischen diesen Wicklungen angeordnete Hilfswicklung zur Erfassung der Regelgröße bzw. zur Stromversorgung eines Reglers vorhanden ist, so ist es zweckmäßig, daß sowohl die Wickelanfänge der Hilfswicklung(en) als auch der (die) Wickelanfang (Wickelanfänge) der Sekundärwicklung(en) an ihrer Bezugsmasse liegen und daß bei erforderlicher Vergrößerung des negativen Anteils der Lagen eine Zusatzkapazität zwischen dem Wickelende einer Hilfswicklung und der sekundärseitigen Masse oder eine Zusatzkapazität zwischen dem (den) Wickelanfang (Wickelanfängen) der Sekundärwicklung(en) und der primärseitigen Masse geschaltet ist.If the switching power supply is to be switched as a flyback converter, with the primary winding of the transformer from the innermost and the outer layers is formed, and wherein between these layers at least one secondary winding and at least one auxiliary winding arranged between these windings for detection the controlled variable or for the power supply of a controller is present, it is appropriate that both the winding starts the auxiliary winding (s) as well as the winding start (s) (Winding starts) of the secondary winding (s) on their Reference mass and that with the required magnification the negative proportion of the layers an additional capacity between the winding end of an auxiliary winding and the secondary side Mass or additional capacity between the start of the winding (Winding starts) of the secondary winding (s) and the primary-side ground is switched.

Damit wird der Negativanteil der Ladung vergrößert, so daß die Summe der Ladungen ohne großen Aufwand gegen Null geht. Die beschriebenen Maßnahmen setzen wegen der strengen Anforderungen an die Entstörung eine außergewöhnlich präzise und gleichmäßige Fertigung der Wicklung oder eine äußerst feine Stufung und enge Toleranz von Kondensatoren voraus.This increases the negative proportion of the charge, so that the total of the loads goes to zero without much effort. The measures described take due to the strict requirements the interference suppression is exceptionally precise and uniform manufacture of the winding or one extremely fine gradation and tight tolerance of capacitors ahead.

Zur Erzielung einer äußerst wirkungsvollen Reduzierung der Störung ist es daher von Vorteil, wenn die Zusatzkapazität zwischen der sekundärseitigen Masse und dem Abgriff eines ohmschen Regelwiderstandes geschaltet ist, wobei der Widerstand zwischen den Enden einer der genannten Hilfswicklungen geschaltet ist.To achieve an extremely effective reduction in Disruption is therefore an advantage if the additional capacity between the secondary mass and the tap of one ohmic control resistor is connected, the resistance between the ends of one of the auxiliary windings mentioned is switched.

Damit ist die Spannung auf jeden beliebigen Wert einstellbar, so daß auch das Produkt von Kapazität und Spannung, was der Ladung entspricht, einfach auf den gewünschten Wert einstellbar ist.So the voltage can be adjusted to any value, so that the product of capacitance and tension, what the Charge corresponds, simply to the desired value is adjustable.

Im folgenden sei die Erfindung anhand von fünf Figuren näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to five figures explained. It shows

Fig. 1 ein Schaltnetzteil, das schematisch einen primär getakteten Sperrwandler darstellt, Fig. 1 shows a switching power supply, schematically illustrating a primary switched-mode flyback converter,

Fig. 2 einen für das Schaltnetzteil üblichen Lagenaufbau des Übertragers, Fig. 2 is a customary for the switching power supply layer structure of the transformer,

Fig. 3 ein Stör-Ersatzschaltbild des Übertragers bei gesperrtem Transistor, Fig. 3 is a disturbance equivalent diagram of the transformer with open transistor,

Fig. 4 ein störstromkompensiertes Schaltnetzteil und Fig. 4 is an interference current-compensated switching power supply and

Fig. 5 ein störstromkompensiertes Schaltnetzteil mit abgleichbarer Entstörung. Fig. 5 is an interference current-compensated switching power supply with adjustable interference suppression.

Wesentlicher Bestandteil des in Fig. 1 gezeigten Schaltnetzteiles ist der Übertrager. Dieser Übertrager weist eine Primärwicklung auf, die aus den Lagen L 1, L 2, L 7 und L 8 besteht. Sekundärseitig ist der Übertrager mit zwei weiteren Lagen L 5, L 6 ausgestattet, um verschiedene Spannungen zu erzeugen. Weiterhin weist der Übertrager zwei Hilfswicklungen in der Lage L 3 auf, die zur Erfassung der Regelgröße bzw. zur Stromversorung des Reglers dienen. Die Hilfswicklungen gehören galvanisch zur Primärseite. Die Punkte an den Wicklungen bezeichnen die Wickelanfänge. Die Beschaltung des Schaltnetzteiles ist bekannt (z. B. Funkschau 12/1986 "Grundschaltungen der Elektronik", S. 51 ff). So ist das Netzfilter NF und die Gleichrichterschaltung GL erkennbar. Weiterhin ist ein Kondensator C 4 vorgesehen, der an das Wicklungsende der Lage L 8 und an die primärseitige Masse MP angeschlossen ist. An den Wicklungsanfang der Lage L 1 ist der Kollektor des Transistors T angeschlossen, der Emitter ist mit den Wicklungsanfängen der Wicklungen von L 3 und mit der primärseitigen Masse verbunden. Die Basis des Transistors steht mit einem Regler R in Verbindung.The transformer is an essential component of the switched-mode power supply shown in FIG. 1. This transformer has a primary winding, which consists of the layers L 1 , L 2 , L 7 and L 8 . On the secondary side, the transformer is equipped with two further layers L 5 , L 6 in order to generate different voltages. Furthermore, the transformer has two auxiliary windings in position L 3 , which are used to detect the controlled variable or to supply the controller with power. The auxiliary windings are galvanically part of the primary side. The points on the windings indicate the start of the winding. The wiring of the switching power supply is known (eg Funkschau 12/1986 "Basic circuits of electronics", p. 51 ff). This shows the line filter NF and the rectifier circuit GL . Furthermore, a capacitor C 4 is provided, which is connected to the winding end of the layer L 8 and to the primary-side ground MP . The collector of transistor T is connected to the start of winding L 1 , the emitter is connected to the beginning of the windings of L 3 and to the primary-side ground. The base of the transistor is connected to a regulator R.

Die Wicklungsenden der Lagen L 5, L 6 sind mit der sekundärseitigen Masse MS verbunden. Die weitere Schaltung auf der Sekundärseite stellt eine übliche Gleichrichterschaltung mit einer Last L dar.The winding ends of the layers L 5 , L 6 are connected to the secondary mass MS . The further circuit on the secondary side represents a conventional rectifier circuit with a load L.

Fig. 2 zeigt den für diese Schaltnetzteile üblichen Lagenaufbau des Übertragers, bei dem die Primärwicklung L 1, L 2, L 7, L 8 aus magnetischen Gründen von den innersten (L 1, L 2) und den äußersten Lagen (L 7, L 8) gebildet wird. Die Lagen haben insgesamt die gleiche Wickelbreite, was durch Anpassung der Ganghöhe an die Windungszahl erreicht wird. Zwischen den Lagen der Pimärwicklung befinden sich die Sekundärwicklungen L 5, L 6 sowie die beiden Hilfswicklungen L 3. Die Übertragerachse ist mit A bezeichnet. Fig. 2 shows the usual layer structure of the transformer for these switching power supplies, in which the primary winding L 1 , L 2 , L 7 , L 8 for magnetic reasons from the innermost (L 1 , L 2 ) and outermost layers (L 7 , L 8 ) is formed. The layers have the same overall winding width, which is achieved by adapting the pitch to the number of turns. Are the secondary windings L 5, L 6, and the two auxiliary windings L 3 between the layers of Pimärwicklung. The transformer axis is labeled A.

Die Kapazität zwischen Primär und Sekundärseite ist im wesentlichen durch die Einzelkapazitäten C 1, C 2, C 3 zwischen den aneinandergrenzenden Lagen L 3, L 4 und L 6, L 7 gegeben. The capacity between the primary and secondary side is essentially given by the individual capacitances C 1 , C 2 , C 3 between the adjacent layers L 3 , L 4 and L 6 , L 7 .

Der Störungsgrad ist von diesen Kapazitäten und den an ihnen auftretenden Spannungen abhängig. Am Anschluß 2 liegt wegen des periodischen Schaltens des Transistors T eine etwa trapezförmige Wechselspannung von ca. 550 Vss, bezogen auf die primäre Masse MP. Die Wechselspannung nimmt in Richtung Anschluß 1 in jeder Windung um einen für alle Wicklungen gleichen Betrag Uw (Windungsspannung) ab und erreicht am Anschluß 1 den Wert 0. Die Spannung in der Mitte der Lage 7 (oder die mittlere Spannung dieser Lage) beträgt demnachThe degree of interference depends on these capacities and the voltages that occur on them. Due to the periodic switching of the transistor T, an approximately trapezoidal AC voltage of approximately 550 Vpp, based on the primary ground MP , is present at the terminal 2 . The AC voltage decreases in the direction of connection 1 in each turn by an amount Uw (winding voltage) that is the same for all windings and reaches the value at connection 1. The voltage in the middle of layer 7 (or the mean voltage of this layer) is accordingly

U _{p 1} = U _w (n _{L 8} + ½ n _{L 7}) (1) U _{p 1} = U _w (n _{L 8} + ½ n _{L 7} ) (1)

wenn n _{L 7} und n _{L 8} die Windungszahlen der Lagen 7 und 8 sind. Entsprechendes gilt für alle Wicklungen. Die Spannungen haben überall die gleiche Trapezform, wobei U _{s 1}, U _{s 2}, U _{s 3}, bezogen auf MS gleichphasig mit U _{p 1} sind, U _{p 2} und U _{p 3} jedoch gegenphasig zu U _{p 1}. Dies ergibt sich aus dem Induktionsgesetz mit Rücksicht darauf, daß die Wicklungsanfänge 4, 6 bzw. die Wicklungsenden 9, 11 an der jeweiligen Bezugsmasse liegen.if n _{L 7} and n _{L 8 are} the number of turns of layers 7 and 8 . The same applies to all windings. The voltages have the same trapezoidal shape everywhere, whereby U _{s 1} , U _{s 2} , U _{s 3} , in relation to MS, are in phase with U _{p 1} , but U _{p 2} and U _{p 3} are in phase opposition to U _{p 1} . This results from the law of induction with consideration that the winding starts 4, 6 and the winding ends 9, 11 are at the respective reference ground.

Fig. 3 ist ein Stör-Ersatzschaltbild des Übertragers. Die Spannungsflanken und die Vorzeichen sind so eingetragen, wie sie beim Sperren des Transistors auftreten. Die Wechselspannungsbezugspunkte sind die primäre und sekundäre Masse MP und MS. Figure 3 is a fault equivalent circuit diagram of the transmitter. The voltage edges and the signs are entered as they occur when the transistor is blocked. The AC reference points are the primary and secondary masses MP and MS .

Störungen können nur in einem geschlossenen Stromkreis übertragen werden. Bei Störspannungsmessungen wird er über Netz- und Leitungsnachbildungen und Erde hergestellt, in Fig. 3 durch die (nur gedachte) gestrichelte Verbindung MP-MS.Faults can only be transmitted in a closed circuit. For interference voltage measurements, it is produced via network and line simulations and earth, in Fig. 3 by the (only imaginary) dashed connection MP-MS .

Bei jedem Sperren des Transistors fließt durch den Stromkreis die LadungEach time the transistor turns off, it flows through the circuit the charge

Q = C₁(U _{p 1} - U _{s 1}) - C₂(U _{p 2} + U _{s 2}) - C₃(U _{p 3} + U _{s 3}), (2) Q = C ₁ (U _{p 1} - U _{s 1} ) - C ₂ (U _{p 2} + U _{s 2} ) - C ₃ (U _{p 3} + U _{s 3} ), (2)

Bei jedem Durchschalten fließt die Ladung -Q zurück. Läuft das Schaltnetzteil mit der Frequenz f, so fließt der Störstrom J _st=fQ.The charge -Q flows back each time it is switched on. If the switching power supply runs at frequency f , the interference current J _st = fQ flows .

Die im folgenden beschriebenen Maßnahmen zielen darauf ab, eine möglichst vollkommene Kompensation der positiven und negativen Anteile von Q zu erreichen, so daß Q=0 und der Störstrom I _st=0 wird.The measures described below aim to achieve the most complete possible compensation of the positive and negative components of Q , so that Q = 0 and the interference current I _st = 0.

Dabei wird zunächst von einem Übertrager ausgegangen, der ohne Rücksicht auf Entstörung dimensioniert ist, und bei dem das positive Glied C₁U _{p 1} in (2) überwiegt, so daß U < 0.It is initially assumed that there is a transformer which is dimensioned without regard to interference suppression and in which the positive term C ₁ U _{p 1} in (2) predominates, so that U <0.

Die folgenden Maßnahmen zur Entstörung sind denkbar.The following troubleshooting measures are possible.

a) Compensation via the winding structure, especially the primary main winding

Da Q < 0 vorausgesetzt ist, ist C₁U _{p 1} zu groß. U _{p 1} wird nach (1) durch Vermindern der Windungszahlen n _{L 7} und/oder n _{L 8} (bei entsprechender Erhöhung in den Lagen L₁ und L₂) verringert. Mit n _{L 7} wird zugleich auch C₁ kleiner, da L₇ dann mit einer geringeren effektiven Fläche der Lage L₆ gegenübersteht. C₁ kann in Grenzen auch mittels verstärkter Isolation zwischen L₆ und L₇ verringert werden. Damit wird der positive Anteil von Q nach Formel (2) verringert. Die Herstellung derartiger Wicklungen ist jedoch schwierig.Since Q <0 is assumed, C ₁ U _{p 1 is} too large. U _{p 1} is reduced according to (1) by reducing the number of turns n _{L 7} and / or n _{L 8} (with a corresponding increase in the layers L 1 and L 2). With n _{L 7} , C ₁ also becomes smaller, since L ₇ then faces L ₆ with a smaller effective area. C ₁ can also be reduced within limits by means of increased insulation between L ₆ and L ₇. This reduces the positive proportion of Q according to formula (2). However, the manufacture of such windings is difficult.

b) compensation with external capacitance

Anstatt den positiven Anteil von Q zu verkleinern, kann auch der Betrag des negativen Anteils vergrößert werden. Dazu kann (Fig. 4) eine geeignet bemessene Kapazität C _k z. B. zwischen die Anschlüsse 3 und MS oder 5 und MS gelegt werden. Die Ladungen U₃C _k bzw. U₅C _k wirken gleichsinnig wie U _{p 2} C₂ und U _{p 3} C₃ und verstärken daher deren Wirkung. Dasselbe ist auch mit einer Kapazität von Anschluß 7, 8 oder 10 nach MP möglich. Instead of reducing the positive part of Q , the amount of the negative part can be increased. For this purpose ( FIG. 4) a suitably dimensioned capacitance C _k z. B. between the connections 3 and MS or 5 and MS . The charges U ₃ C _k and U ₅ C _k act in the same direction as U _{p 2} C ₂ and U _{p 3} C ₃ and therefore reinforce their effect. The same is also possible with a capacity of connection 7, 8 or 10 to MP .

c) compensation with external capacitance and adjustment

Die unter a) und b) beschriebenen Maßnahmen setzen wegen der strengen Anforderungen an die Entstörung eine außergewöhnliche präzise und gleichmäßige Fertigung der Wicklung voraus. Die zur Kompensation nach b) benötigten hochspannungsfesten Kondensatoren sind kaum in der gewünschten feinen Stufung und engen Toleranz verfügbar. Dieser Schwierigkeiten werden durch eine abgleichbare Entstörung nach Fig. 5 behoben. Die Kompensation wird durch U _k C _k gebildet, wobei U _k auf jeden Wert zwischen 0 und U₃ eingestellt werden kann. Der Übertrager ist so dimensioniert, daß bei U _k=U₃ eine Überkompensation vorliegt. Damit U _k keinen Phasenfehler erhält, der die Kompensation verschlechtern würde, muß der Wert des Potentiometers R « 1/(2 π fC _k) sein.The measures described under a) and b) require an exceptionally precise and uniform manufacture of the winding due to the strict requirements for interference suppression. The high-voltage resistant capacitors required for compensation according to b) are hardly available in the desired fine gradation and narrow tolerance. These difficulties are eliminated by means of an adjustable interference suppression according to FIG. 5. The compensation is formed by U _k C _k , where U _{k can be set} to any value between 0 and U ₃. The transformer is dimensioned so that there is overcompensation at U _k = U ₃. So that U _k does not receive a phase error that would worsen the compensation, the value of the potentiometer must be R «1 / (2 π fC _k ).

Zum Abgleichen kann die breitbandige Messung des Störstroms zwischen MP und MS oder der Störspannung zwischen MS und Erde herangezogen werden. Das Potentiometer wird auf das Minimum der Anzeige eingestellt.The broadband measurement of the interference current between MP and MS or the interference voltage between MS and earth can be used for comparison. The potentiometer is set to the minimum of the display.

d) Ist entgegen der bisherigen Voraussetzung zunächst Q < 0, so können die Maßnahmen a) bis c) mit leicht überschaubaren Umkehrungen ebenso wirksam eingesetzt werden.d) If, contrary to the previous requirement, Q <0, measures a) to c) can be used just as effectively with easily manageable inversions.

Claims

1. A method for reducing the interference current for a switching transformer having a clocked transformer, characterized in that by increasing or decreasing the existing between the windings of the transformer primary / secondary capacities (C 1 , C 2 , C 3 ) by means of an external connected in parallel Additional capacity (C _k ) and / or by changing the number of turns (n) and / or changing the insulation thickness with each switching operation, the sum of the positive and negative charges (Q) flowing back and forth between all capacities is approximately zero.

2. Equipped according to the method of claim 1, switched as flyback converter switching power supply, wherein the primary winding (L 1 , L 2 , L 7 , L 8 ) of the transformer is formed by the innermost and the outer layers, with at least one secondary winding between these layers (L 5 , L 6 ) and at least one auxiliary winding (L 3 ) arranged between these windings for detecting the controlled variable or for supplying power to a controller (R) , characterized in that both the winding starts ( 4, 6 ) of the auxiliary winding ( en) (L 3 ) as well as the (the) winding start (winding starts) ( 7, 10 ) of the secondary winding (s) (L 5 , L 6 ) each lie on their reference mass (MP / MS) and that with the required magnification of the negative Proportion of the charge an additional capacity (C _k ) between the winding ends of an auxiliary winding ( 3, 5 ) and the secondary-side mass (MS) or an additional capacity (C _k ) between the winding start (s) ( 7, 8, 10 ) of the secondary winding (s) ) (L 5 , L 6 ) and the primary-side mass (MP) is connected.

3. Switched-mode power supply according to Claim 2, characterized in that the additional capacitance (C _k ) is connected between the secondary-side ground (MS) and the tap of an ohmic control resistor (R _k ), the resistance between the ends ( 3, 4 or 5, 6 ) one of the said auxiliary windings (L 3 ) is connected.