DE3713540A1 - Kombinierter sekundaerschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sekundärschaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Sekundärschaltregler dienen zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung aus einer ungeregelten Eingangsspannung, wobei zwischen dem Eingang und dem Ausgang im Unterschied zu den primärgetakteten Schaltnetzteilen keine Potentialtrennung besteht. Sekundärschaltregler können als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller konzipiert sein. Beim erstgenannten ist die Ausgangsspannung höher, beim Tiefsetzsteller ist die Aus­ gangsspannung niedriger als die jeweils anliegende Eingangs­ spannung.

Aufbau und Wirkungsweise von Sekundärschaltreglern, insbesondere der beiden Ausführungsformen als Hochsetz- bzw. Tiefsetzsteller sind in dem Buch "Halbleiterschaltungstechnik" von Tietze und Schenk, 5. Auflage, Kapitel 16.5.1 beschrieben.

Streut die Eingangsgleichspannung in einem weiten Toleranz­ feld um den Wert der Ausgangsspannung oder soll die Eingangs­ spannung in eine Ausgangsgleichspannung derart umgesetzt wer­ den, daß die Eingangsspannung zur Ausgangsspannung sowohl einen höheren als auch einen tieferen Wert aufweisen kann, so ist es aus der DE-OS 19 05 369 bekannt, Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller zu kombinieren. Die Steuerung eines jeden der beiden Halbleiterschalter erfolgt dabei über eine ihm zu­ geordnete, für sich bekannte Einrichtung mit einem festen oder unterschiedlich einstellbaren Tastverhältnis, so daß die erzielbare Größe der Ausgangsspannung entweder größer, gleich oder kleiner als die Eingangsspannung ist.

Dabei kann für beide Halbleiterschalter eine gemeinsame Takt­ frequenz und die Gleichhaltung der Einschaltzeitpunkte ange­ wandt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer ungeregelten Eingangsgleichspannung in eine geregelte Ausgangsgleichspannung unter Verwendung eines als kombinierten Hoch/Tiefsetzsteller konzipierten Sekundärschalt­ reglers anzugeben, die kostengünstig herstellbar ist und deren Verlustleistung reduziert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch eine Simulationsschaltung, die den Strom in der Indukti­ vität (Speicherdrossel) während des Aufladens der Induktivität als Kondensatorspannung simuliert, werden verlustbehaftete Stromfühlerwiderstände oder aufwendige Stromwandlerschaltungen (Transformatoren) vermieden.

Eine Eingangsspannungsüberwachung, welche bei zu niedriger Eingangsspannung den gesamten Wandler abschaltet, bietet einen sicheren Schutz vor dem möglichen Absinken der Ein­ gangsspannung auf Werte, die weit unterhalb der zulässigen Minimalspannung liegen und die zur unzulässigen Erhöhung des zu schaltenden Eingangsstromes führen würde.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß für beide Halbleiterschalter (Schalttransistoren) eine gemeinsame Trei­ berschaltung verwendet wird und dadurch eine Verlustleistungs­ reduzierung gegenüber konventionellen Treiberschaltungen er­ reicht wird.

Bei Unterschreiten einer wählbaren Schwelle wird der Sollwert der Regelschaltung reduziert und zugleich wird auch ein sog. Softstart erreicht. Eine solche Ausgangsüberwachungsschaltung hat den Vorteil, daß der Wandler dadurch absolut kurzschluß­ fest und bedingt auch überlastfest wird. Damit ergibt sich im Kurzschlußfall eine geringere thermische Belastung als bei Vollast. Im Falle einer Überlast wird die Strombegrenzung gene­ rell durch die Simulationsschaltung erreicht.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen kombinierten Sekundärschaltregler als Hoch-/Tief­ steller,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der für einen solchen Sekundärschalt­ regler eingesetzten Regelschaltung,

Fig. 3 eine Treiberschaltung für die Schalttransistoren,

Fig. 4 eine Schaltung für die Eingangsspannungsüberwachung,

Fig. 5 eine Schaltung für die Ausgangsspannungsüberwachung,

Fig. 6 eine Simulationsschaltung und

Fig. 7 ein Impulsdiagramm für ausgewählte Punkte innerhalb der Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Sekundärschaltregler weist zwei Ein­ gangsklemmen E 1 und E 2 auf, an denen eine ungeregelte Eingangs­ gleichspannung UE anliegt, sowie Ausgangsklemmen A 1, A 2, an denen eine geregelte Ausgangsgleichspannung UA abgreifbar ist. Die Eingangsklemme E 2 und die Ausgangsklemme A 2 sind miteinander verbunden und bilden ein Bezugspotential OV. Die Eingangsklemme E 1 ist über die Kollektor-Emitterstrecke eines ersten Halbleiter­ schalters, z. B. eines Schalttransistors V 1, über eine als Speicherdrossel dienende Induktivität L 2 und weiter über eine in Flußrichtung gepolte Diode V 21 mit der Ausgangsklemme A 1 verbunden. Die Anode der Diode V 21 ist über die Kollektor- Emitterstrecke eines weiteren Halbleiterschalters, z. B. eben­ falls eines Schalttransistors V 2 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Zwischen den Ausgangsklemmen A 1 und A 2 ist ein Glättungskondensator C 8 geschaltet. Der Emitteranschluß des Schalttransistors V 1 ist über eine in Sperrichtung gepolte Freilaufdiode V 11 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Eine Regelschaltung RS, die u. a. zur Konstanthaltung der Ausgangs­ spannung UA dient, ist sowohl mit der Eingangsspannung UE als auch mit der Ausgangsspannung UA und dem Bezugspotential OV verbunden. Außerdem ist noch eine Referenzspannung UREF als Eingangsgröße für die Regelschaltung RS vorhanden. Als Ausgangsgröße der Regelschaltung RS sind die Treibersignale UT 1 und UT 2 mit den Basisanschlüssen der jeweiligen Schalttransi­ storen V 1 und V 2 verbunden. Ferner sind die Spannungen UCE 1 und UCE 2 an den Kollektor-Emitterstrecken der beiden Schalttransi­ storen V 1 und V 2, sowie die Spannungen UV 11 und UV 21 an den Dioden V 11 und V 21 eingezeichnet. Der Strom durch die Indukti­ vität L 2 ist mit IL bezeichnet.

Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der in der Schaltungsan­ ordnung nach Fig. 1 eingesetzten Regelschaltung RS. Diese Regel­ schaltung RS beinhaltet einen Soll/Istwertvergleicher SIV, eine Eingangsspannungsüberwachungsschaltung ESÜ, eine Ausgangs­ spannungsüberwachung ASÜ, eine Simulationsschaltung SNB und eine Treiberschaltung TRS. Der Soll/Istwertvergleicher SIV, an dem die Referenzspannung UREF und die Ausgangsspannung UA als Eingangsgrößen anliegen, gibt die Regelspannung UR ab. Parallel zum Soll/Istwertvergleicher SIV ist die Ausgangsspannungsüber­ wachung ASÜ geschaltet, deren Ausgang mit der Regelspannung UR verbunden ist. An der Eingangsspannungsüberwachung FSÜ liegt die Eingangsspannung UE und die Referenzspannung UREF an. Am Ausgang der Eingangsspannungsüberwachung ESÜ ist eine Treiber­ spannung UT abgreifbar. Die Regelspannung UR, die Eingangs­ spannung UE und die Referenzspannung UREF stellen die Eingangs­ größen, die Treiberspannung UT die Ausgangsgröße der Simu­ lationsschaltung SNB dar. Die Referenzspannung UREF bildet zusammen mit der Treiberspannung UT die Eingangsgrößen für die Treiberschaltung TRS, die zwei Treibersignale UT 1 und UT 2 zum Schalten der beiden Schalttransistoren V 1 und V 2 abgibt.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der einzelnen, in der Regelschaltung RS enthaltenen Schaltungskomponenten näher dar­ gestellt.

Dabei zeigt die Fig. 3 die für beide Schalttransistoren V 1 und V 2 gemeinsame Treiberschaltung TRS. Sie enthält einen Transistor V 6, dessen Basisanschluß unmittelbar mit der Treiberspannung UT verbunden ist. Weiterhin ist dieser Basisan­ schluß sowohl über einen Widerstand R 9 mit der Referenzspannung UREF, als auch über eine in Flußrichtung gepolte Diode V 9 und einer in Sperrichtung gepolten Z-Diode V 10 mit dem Bezugspoten­ tial OV verbunden. Ein nicht näher bezeichneter Leitungspunkt, der zwischen den Kathoden der beiden Dioden V 9 und V 10 liegt, ist über einen Widerstand R 8 an die Referenzspannung UREF angeschaltet. Die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors V 6 ist über eine Reihenschaltung, bestehend aus den Widerständen R 5 und R 6 an das Bezugspotential OV geschaltet. Am Kollektoran­ schluß des Transistors V 6 liegt das Treibersignal UT 1 und am Verbindungspunkt der Widerstände R 5 und R 6 liegt das Treibersignal UT 2 an. Mit Hilfe dieser beiden Treibersignale UT 1 und UT 2 werden die Schalttransistoren V 1 und V 2 entweder unmittelbar oder durch Zwischenschaltung von an sich bekannten und deshalb nicht dargestellten Treiberstufen gesteuert. Die Treiberschaltung TRS ist somit als geschaltete Konstantstrom­ quelle realisiert, die beide Schalttransistoren V 1 und V 2 gleichzeitig ansteuert und dadurch sind die Verluste in der geschalteten Treiberschaltung lediglich proportional zur Ein­ gangsspannung UE. Während sich die Kollektor-Emitterspannung am Transistor V 6 um einen relativ großen Betrag ändern kann, bleibt der Kollektorstrom des Transistors V 6 annähernd kon­ stant. Die Spannung an der Z-Diode VA10 entspricht der Spannung an den beiden Widerständen R 5 und R 6. Eine solche als Konstant­ stromquelle geschaltete Treiberschaltung TRS hat einen sehr großen dynamischen Innenwiderstand und entlastet die an der Treiberspannung UT liegenden Komparatoren N 1 und N 3. Fig. 4 zeigt die Schaltungsanordnung zur Eingangsspannungsüber­ wachung ESÜ, an der die Referenzspannung UREF und die Eingangs­ spannung UE anliegen und die bei zu niedriger Eingangsspannung UE den Wandler abschaltet. Hierzu ist die Referenzspannung UREF an einen invertierenden Eingang 8 eines als Komparator arbei­ tenden Operationsverstärkers N 3 geführt und die Eingangsspannung UE liegt über einen Widerstand R 53 an einem nichtinvertierenden Eingang 9 des Komparators N 3 an. Eine Widerstandskopplung zwischen dem Ausgang 14 und dem nichtinvertierenden Eingang 9 des Komparators N 3 mittels des Widerstandes R 51 erzeugt eine leichte Hysterese und verbessert so das Schaltverhalten des Komparators N 3. Am Eingang 9 des Komparators N 3 liegt ferner eine Parallelschaltung, bestehend aus Widerstand R 52 und Konden­ sator C 6. Die Widerstände R 53 und R 52 bilden einen Eingangs­ spannungsteiler und setzen somit die Eingangsspannung UE auf Werte in der Größenordnung der Referenzspannung UREF herab. Der Kondensator C 6 bildet zusammen mit dem Widerstand R 53 einen Tiefpaß mit der Aufgabe, Störungen auf der Eingangsseite, wie sie zum Beispiel von externen Schaltvorgängen herrühren, zu vermeiden und dadurch die Eingangsüberwachungsschaltung ESÜ vor ungewünschtem Ansprechen zu schützen. Im Normalfall ist die Eingangsspannung UE immer größer als die Referenzspannung UREF. Damit ist auch die Spannung am nichtinvertierenden Ein­ gang 9 größer als die Referenzspannung UREF und der Ausgang 14 des Komparators N 3 liegt auf "High"-Potential, d. h. die Treiber­ spannung UT ermöglicht über die Treiberschaltung TRS ein An­ sprechen der beiden Schalttransistoren V 1 und V 2. Bei Absinken der Eingangsspannung UE auf Werte, die weit unterhalb der zu­ lässigen Minimalspannung liegen ("Brown-out"), wird die Refe­ renzspannung UREF größer als die Eingangsspannung UE und der Ausgang 14 des Komparators N 3 liegt auf "Low"-Potential und damit gehen die Schalttransistoren V 1 und V 2 in den Sperr­ zustand über, d. h. der Wandler wird abgeschaltet.

In Fig. 5 ist die Schaltungsanordnung zur Ausgangsspannungs­ überwachung ASÜ dargestellt. Diese weist einen gegengekoppelten Operatiosverstärker N 2 auf, an dessen nichtinvertierendem Eingang 12 über einen Widerstand R 31 die Ausgangsspannung UA anliegt. An dem invertierenden Eingang 13 ist über einen Wider­ stand R 24 die Referenzspannung UREF angeschlossen. Ein Wider­ stand R 22, der zwischen dem Ausgang 14 des Operationsverstärkers N 2 und dem invertierenden Eingang 13 geschaltet ist, dient der Gegenkopplung. Der nichtinvertierende Eingang 12 des Verstär­ kers N 2 ist über einen Widerstand R 32 gegen das Bezugspotential OV geschaltet. Dieser Widerstand R 32 bildet zusammen mit dem Widerstand R 31 einen Spannungsteiler zur Herabsetzung der Aus­ gangsspannung UA. Am Ausgang 14 des Verstärkers N 3 kann die Regelspannung UR abgegriffen werden. Die Ausgangsspannung UA bleibt so lange konstant, bis der maximale Ausgangsstrom er­ reicht ist. Bei Unterschreiten einer wählbaren Schwelle für die Ausgangsspannung UA, wie es bei Kurzschluß oder Überlast ein­ tritt, wird mit dieser Schaltungsanordnung ASÜ der Sollwert der Regelschaltung, d. h. der Wert der Regelspannung UR reduziert (rückläufige Kennlinie). Zweckmäßigerweise wird die Schwelle mit Hilfe der Widerstände R 31, R 32 eingestellt und beträgt typisch dreiviertel der Ausgangsspannung UA. Bei Absinken der Ausgangs­ spannung UA auf einen Wert bis zu dreiviertel des Sollwertes bleibt die Überwachungsschaltung für die Ausgangsspannung ASÜ inaktiv und die Regelung der Ausgangsspannung UA geschieht mit Hilfe eines parallel zur Schaltungsanordnung ASÜ geschalteten Soll/Istwertvergleichers SIV. Ein solcher Soll/Istwertver­ gleicher SIV ist an sich bekannt und kann beispielsweise eben­ falls mit Hilfe eines Differenzverstärkers ausgeführt sein. Weil durch diese Maßnahme die Regelspannung UR reduziert wird, ist ein solcher Wandler absolut kurzschlußfest und die thermi­ sche Belastung im Kurzschlußfall ist geringer als bei Vollast.

Dem Soll/Istwertvergleicher SIV bzw. der Ausgangsspannungs­ überwachungsschaltung ASÜ ist eine Simulationsschaltung SNB gemäß Fig. 6 nachgeschaltet, die den Strom IL in der Induk­ tivität L 2 während des Aufladens der Induktivität L 2 als Kon­ densatorspannung simuliert. Durch eine solche Stromnachbildung für den Strom IL durch die Induktivität L 2 wird eine wirksame Strombegrenzung bei Überlast des Wandlers erreicht. Hierzu liegen am Eingang dieser Simulationsschaltung SNB die Referenzspannung UREF, die Eingangsspannung UE und die Regelspannung UR an. Die Referenzspannung UREF ist über einen Widerstand R 11 an einen invertierenden Eingang 10 eines Kompa­ rators N 4 und über einen weiteren Widerstand R 12 an das Bezugs­ potential OV angeschaltet. Die Eingangsspannung UE liegt über einen Widerstand R 13 und über eine in Flußrichtung gepolte Diode V 13 sowohl an einem Ausgang 13 des Komparators N 4, als auch an einem invertierenden Eingang 6 eines Komparators N 5, der wiederum über einen Kondensator C 5 mit dem Bezugspotential OV verbunden ist. Die Regelspannung UR ist über einen Widerstand R 20 an den nicht invertierenden Eingang 7 des Komparators N 5 geführt, dessen Ausgang die Treiberspannung UT darstellt und die über eine dynamische Mitkopplung, bestehend aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes R 47 und eines Kondensators C 16, auf dessen nichtinvertierendem Eingang 7 rückgekoppelt wird.

Die Treiberspannung UT liegt auch über eine Parallelschaltung eines Widerstandes R 10 mit einer in Flußrichtung gepolten Diode V 12 am nichtinvertierenden Eingang 11 des Komparators N 4. Der Eingang 11 ist außerdem über einen Kondensator C 4 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Zu einem Zeitpunkt tO (vgl. Fig. 7), wenn der Sekundärschaltregler eingeschaltet wird, ist der als Simulationskondensator für den Drosselstrom IL dienende Kondensator C 5 entladen und die am nichtinvertierenden Eingang 7 des Komparators N 5 anliegende Regelspannung UR ist größer als die am invertierenden Eingang 6 anliegende Spannung. Der Ausgang 1 des Komparators N 5 liegt dann an "High"-Potential und damit ist eine Treiberspannung UT vorhanden, welche die beiden Schalttransistoren V 1 und V 2 in den leitenden Zustand steuert. Damit liegt auch der nichtinvertierende Eingang 11 des weiteren Komparators N 4 auf höherem Potential als dessen invertierender Eingang 10 und damit liegt der Ausgang 13 des Komparators N 4 ebenfalls auf "High"-Potential. Dies hat aber während des Aufladens des Kondensators C 5 keine weiteren Aus­ wirkungen, da die Diode V 13 in Sperrichtung gepolt ist. Die Ladung des Simulationskondensators C 5 steigt also proportional zur Höhe der Eingangsspannung UE an. Dadurch wird bei Änderung der Eingangsspannung UE Gleichlauf zwischen der Spannung UC 5 am Kondensator C 5 und dem Strom IL durch die Speicherdrossel L 2 erreicht. Hat der Strom IL seinen Spitzenwert erreicht, d. h. ist der Kondensator C 5 aufgeladen, so überwiegt die am invertieren­ den Eingang 6 des Komparators N 5 anliegende Spannung gegenüber der Regelspannung UR und der Ausgang 1 des Komparators N 5 führt "Low"-Pegel und dadurch werden die beiden Schalttransistoren V 1 und V 2 gesperrt und di _L /dt kleiner Null. Gleichzeitig führt auch der Ausgang 13 des Komparators N 4 "Low"-Pegel, da jetzt die Referenzspannung UREF überwiegt und der Kondensator C 5 kann sich über die Diode V 13 entladen. Der so beschaltete Komparator N hat damit eine Entladefunktion für den Kondensator C 5. Der Kondensator C 4 bildet zusammen mit dem Widerstand R 10 einen Tiefpaß zur Zeitverzögerung, wenn die Treiberspannung Ut von "High"-Potential auf "Low"-Potential springt und wirkt als Speicherzeitnachbildung für die beiden Schalttransistoren V 1 und V 2. Wechselt die Treiberspannung UT von "Low"- auf "High"-Pegel, so ist diese Zeitverzögerung aufgrund der Diode V 12, die jetzt in Durchlaßrichtung gepolt ist und somit den Widerstand R 10 überbrückt, unwirksam. Die Steigung der Anstiegsflanke des Stromes IL durch die Induktivität L 2 ist proportional der Eingangsspannung UE bzw. der Spannung am Kondensator C 5 und wird durch das Zeitglied aus Widerstand R 13 und Kondensator C 5 bestimmt, während der Verlauf des Stromes IL bei gesperrten Schalttransistoren V 1 und V 2 unabhängig von der Höhe der Eingangsspannung UE ist. In Zeile 1 der Fig. 7 ist dieser Sachverhalt für zwei Eingangsspannungen UE = 18 V und UE = 63 V bei gleicher Ausgangsspannung UE = 38 V dargestellt.

Weiter sind in Fig. 7 noch die Spannungen UCE 1 und UCE 2 an den Kollektor-Emitterstrecken der Schalttransistoren V 1 und V 2, die Spannung UL an der Induktivität L 2 und die Spannungen UV 11 und UV 21 an den beiden Dioden V 11 und V 12 dargestellt. Dabei gelten die links von einer Trennlinie TL eingezeichne­ ten Signalverläufe für eine Eingangsspannung UE kleiner UA, währenddessen rechts von dieser Trennungslinie TL die oben­ bezeichneten Strom- bzw. Spannungsverläufe für einen Wert der Eingangsspannung UE angegeben sind, der größer ist als die gewünschte Ausgangsschaltung UA. Die Zeitpunkte t 0 bzw. t 2 kenn­ zeichnen die Einschaltzeitpunkte und t 1 bzw. t 3 die Ausschalt­ zeitpunkte des Wandlers.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Umsetzen einer ungeregelten Eingangs­ gleichspannung in eine konstante Ausgangsgleichspannung, die, bezogen auf ihre Polarität einen gemeinsamen Bezugspunkt auf­ weist und bei der die Eingangsgleichspannung sowohl einen höheren als auch einen tieferen Wert als die gewünschte Aus­ gangsspannung annehmen kann, mit einer zur Umsetzung der Ein­ gangsgleichspannung durch wechselnde Ladung und Entladung als Energiespeicher dienenden Induktivität und zweier den Ladevor­ gang bewirkenden Schalter, einer den Lade- und Entladevorgang durch periodische Tastung steuernden Regelschaltung mit einem Soll/Istwertvergleicher zur Einstellung eines den Ausgangswert erbringendn Tastverhältnisses, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Simulationsschaltung (SNB) vorge­ sehen ist, welche einen Strom (IL) durch die Induktivität (L 2) während des Aufladens der Induktivität (L 2)als Kondensator­ spannung (UC 5) eines Kondensators (C 5) simuliert, wobei die Ladung des Kondensators (C 5) proportional zur Höhe der Ein­ gangsspannung (UE) ansteigt und dadurch bei Änderungen der Eingangsspannung (UE) Gleichlauf zwischen Kondensatorspannung (UC 5) und dem Strom (IL) durch die Induktivität (L 2) erreichbar ist, und daß bei Erreichen eines vorgebbaren Spitzenwertes für den Strom (IL) die beiden Schalter (V 1, V 2) abgeschaltet werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine als geschaltete Konstant­ stromquelle arbeitende, gemeinsame Treiberschaltung (TRS) für beide Schalter (V 1, VA2) vorgesehen ist, die bei Vorhandensein einer Treiberspannung (UT) die beiden Schalter (V 1, V 2) mittels zweier Treibersignale (UT 1, UT 2) gleichzeitig ansteuert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingangsspannungsüber­ wachungsschaltung (ESÜ) vorgesehen ist, die bei Absinken der Eingangsspannung (UE) auf Werte weit unterhalb einer zulässigen Minimalspannung den Sekundärschaltregler abschaltet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung für die Aus­ gangsspannungsüberwachung (ASU) vorgesehen ist, die bei Unter­ schreiten einer wählbaren Schwelle für die Ausgangsspannung (UA) den Sollwert der Regelspannung (UR) reduziert.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wählbare Schwelle für die Ausgangsspannung (UA) mit Hilfe zweier Widerstände (R 31, R 32) einstellbar ist.