DE3921955A1 - Verfahren zur erzeugung eines stellsignals fuer einen schaltregler - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist bekannt aus der DE 27 15 571 C2.

Bei der Einrichtung gemäß DE 27 15 571 C2 wird ein zum Schaltregler-Laststrom proportionales Signal zusammen mit einer konstanten Referenzspannung durch eine Vergleichseinrichtung mit einem zur Schaltregler-Ausgangsspannung proportionalen Signal verglichen. Das Vergleichssignal bestimmt die Pulsbreitensteuerung des Schaltregler-Stellgliedes.

Aus Proceedings of the 2nd International Powerconversion Conference, Sept. 3-5, 1980, München, Seiten 3A.4-1 bis 3A.4-10, ist es bekannt, ein pulsbreitenbestimmendes Signal für das Schaltreglerstellglied aus dem Vergleich eines aus der Ausgangsspannung abgeleiteten Fehlersignals mit einer Sägezahnspannung zu gewinnen. Im Falle eines Überstroms wird für den Vergleich nicht das Fehlersignal sondern ein vom Schaltregler-Laststrom abgeleitetes Signal zur Pulsbreitensteuerung herangezogen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzuentwickeln, daß der Schaltregler eine vorgegebene Ausgangskennlinie annehmen kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Durch die gleichzeitige Erfassung des Laststromes und der Schaltregler-Ausgangsspannung bzw. davon abgeleiteter Signale und deren multiplikative Verknüpfung läßt sich die Pulsbreite des Stellgliedes jedes beliebigen Schaltreglers so steuern, daß der Schaltregler im Rahmen seiner Regelgrenzen stets eine konstante Ausgangsleistung liefert. Mit dem Verfahren nach der Erfindung läßt sich ohne großen Mehraufwand zusätzlich auch der Schaltregler-Laststrom begrenzen. Das Verfahren nach der Erfindung ist für alle Schaltreglertypen (Buck, Boost, Sperrwandler ...) einsetzbar. Eine Umstellung auf andere Ausgangskennlinien kann leicht vorgenommen werden. Aus Tietze/Schenk 5. Auflage (1980), S. 223 bis 224, ist ein Time-Division-Multiplizierer bekannt, bei welchem mittels eines Komparators eine Dreieckspannung mit einer ersten Eingangsspannung verglichen wird und das entstandene Vergleichssignal einen Umschalter (Torschaltung), der mit einer zweiten Eingangsspannung beaufschlagt ist, steuert. Am Ausgang eines solchen Multiplizierers erhält man ein Signal variablen Tastverhältnisses. Abgesehen davon, daß diese Veröffentlichung keinen Hinweis enthält, welche Signalspannungen sich derart sinnvoll verknüpfen lassen, liefert sie keinen Hinweis in Richtung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltreglers mit der Erzeugung des Stellsignals für das Schaltregler-Stellglied nach dem Verfahren der Erfindung,

Fig. 2 Zeitdiagramme für ausgewählte Signalverläufe,

Fig. 3 die Kennlinie des Schaltreglers, dessen Stellglied mit einem Stellsignal, welches nach dem Verfahren der Erfindung erzeugt wird, betrieben ist,

Fig. 4 einen Stromlaufplan einer Steuerschaltung für das Stellglied eines Schaltreglers.

In Fig. 1 ist ein Schaltregler vom Typ eines Sperrwandlers dargestellt. Die Eingangsgleichspannungsquelle QE mit der Spannung UE ist über das Schaltregler-Stellglied in Form des Schalttransistors TS und dem Gleichrichter GL mit dem Lastwiderstand RL, an dem die Ausgangsspannung UA des Schaltreglers abfällt, verbunden. Die Schaltregler-Induktivität LR, die im Falle eines Schaltreglers mit galvanischer Trennung aus zwei gegensinnig gewickelten Spulen auf einem gemeinsamen Kern besteht, liegt zwischen der Verbindung Schalttransistor TS/Gleichrichter GL einerseits und gemeinsamem Massepotential andererseits. Der Schaltregler-Laststrom Ia wird über einen, beispielsweise zwischen den Ausgangskondensator Ca und den Lastwiderstand RL angeordneten, Strommeßwiderstand Rm erfaßt und dem Komparator K1 an einem seiner Vergleichseingänge - im Ausführungsbeispiel dem invertierten Eingang - zugeführt. Der andere Vergleichseingang des Komparators K1 ist mit einem zwischen zwei Grenzwerten periodisch alternierend im wesentlichen linear steigenden bzw. fallenden Signal, beispielsweise einer Sägezahnspannung USZ oder einer Dreieckspannung, beaufschlagt. Das am Ausgang des Komparators K1 erscheinende Vergleichssignal wird der Torschaltung TO als deren Steuersignal zugeführt. Die Ausgangsspannung UA des Schaltreglers wird über den Spannungsteiler R1, R2 der Toschaltung TO zugeführt. Das Ausgangssignal der Torschaltung TO wird dem Pulsbreitenmodulator PBM für das Schaltreglerstellglied TS als pulsbreitenbestimmendes Steuersignal zugeführt. Ein Taktgenerator TG, der Pulse konstanter Frequenz liefert, steuert den Pulsbreitenmodulator PBM in üblicher Weise ebenfalls. Es ist auch möglich, einen Schaltregler mit variabler Schaltfrequenz zu betreiben. In diesem Falle wird der Taktgenerator beispielsweise durch ein Monoflop ersetzt. Die Baugruppen Pulsbreitenmodulator PBM und Taktgenerator TG sind in zahlreichen Versionen erhältlich, z.B. als integrierte Schaltungen SG 1524, TDA 1060, ZN 1066.

Die Funktionsweise der Schaltregler-Stellgliedsteuerung ist folgendermaßen:
Durch den Vergleich des zum Schaltregler-Laststrom proportionalen Signals mit dem Sägezahnsignal USZ entsteht ein pulsbreitenmoduliertes Signal PS mit einer Pulsbreite umgekehrt proportional zur Höhe des Schaltregler-Laststroms Ia und einer Wiederholfrequenz, die durch die Periodendauer der Sägezahnimpulse festgelegt ist. Fig. 2, Zeile 1, zeigt den zeitlichen Verlauf des Sägezahnsignals USZ und des stromproportionalen Signals Ia. Die Torschaltung TO wird durch dieses pulsbreitenmodulierte Signal PS (Fig. 2, Zeile 2) so gesteuert, daß jeweils für die Zeit des Ausbleibens der Impulse das Signal proportional zur Ausgangsspannung UA über die Torschaltung zum Pulsbreitenmodulator PBM geführt wird. Wenn das pulsbreitenmodulierte Signal PS am Ausgang des Komparators K1 Pulse langer Pulsbreite liefert, ist die Torschaltung TO zur Weiterleitung des Signals proportional zur Ausgangsspannung UA länger geschlossen und liefert so ein pulsbreitenbeeinflussendes Signal an den Pulsbreitenmodulator PBM des Schaltregler-Stellgliedes TS. Die Einschaltzeit des Schaltregler-Stellgliedes TS ist somit nicht nur, wie bei üblichen Schaltreglern von der Höhe der Ausgangsspannung UA des Schaltreglers, sondern zusätzlich auch von der Höhe des Schaltregler-Laststroms Ia sowie dem Produkt aus Ausgangsspannung UA und Ausgangsstrom Ia abhängig.

Da das Produkt aus Ausgangsspannung UA und Laststrom Ia der Schaltregler-Ausgangsleistung entspricht, ist mit der Erzeugung des Stellsignals nach der Erfindung eine Regelung der Ausgangsleistung des Schaltreglers sowie deren Begrenzung möglich. Insbesondere läßt sich bei der Vorgehensweise nach der Erfindung die Ausgangsleistung eines Schaltreglers konstant halten.

Eine Begrenzung der Ausgangsleistung läßt sich durch Einschleifen eines Komparators K2 zwischen den Ausgang der Torschaltung TO und Eingang des Pulsbreitenmodulators PBM erreichen. Der Komparator K2 vergleicht das Ausgangssignal der Torschaltung TO, dessen Mittelwert proportional zur Schaltregler-Ausgangsleistung Pa ist, mit einem Bezugssignal Ur2, welches entsprechend der Schaltregler-Ausgangs-Nennleistung gewählt ist. Sobald das Signal am Ausgang der Torschaltung TO einen Wert erreicht, der der Schaltregler-Nennleistung entspricht, tritt eine Begrenzung ein.

Fig. 3 zeigt die Kennlinie eines Schaltreglers, dessen Stellglied ein nach dem Verfahren der Erfindung erzeugtes Stellsignal zugeführt bekommt. Diese Kennlinie ist ein Hyperbel-Ast mit den Grenzen UA max und Ia max.

In Fig. 4 ist ein Stromlaufplan einer Steuerschaltung für das Stellglied TS eines Schaltreglers dargestellt. Der Komparator K1 ist mit seinem invertierenden Eingang mit einem Strommeßwiderstand Rm verbunden, der mit dem Schaltregler-Laststrom Ia beaufschlagt ist. Das Sägezahnsignal, das dem Komparator K1 über seinen nichtinvertierenden Eingang zugeführt ist, wird mittels eines Sägezahngenerators SZG erzeugt. Dieser besteht aus einem Operationsverstärker Op1, der über eine Dioden-Widerstands-Reihenschaltung R5, D1 sowie Widerstand R9 gegengekoppelt und über einen Widerstand R6 mitgekoppelt ist.

Sein nichtinvertierender Eingang ist über einen Spannungsteiler R7, R8 mit einer stabilisierten Versorgungsgleichspannung UV verbunden und sein invertierender Eingang ist über einen Kondensator C1 mit Massepotential verbunden.

Bevor das mittels des Sägezahngenerators SZG erzeugte Sägezahnsignal dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators K1 zugeführt wird, erfolgt eine Gleichspannungstrennung über den Trennkondensator C2. Nach dem Trennkondensator C2 erfolgt jedoch wieder eine Herstellung des Gleichspannungswertes des Sägezahnsignals und zwar so, daß der untere Grenzwert des Sägezahnsignals mit dem Bezugswert des laststromproportionalen Signals übereinstimmt. Dies wird durch eine Bezugswertregelschaltung BZR, bestehend aus dem Operationsverstärker Op2 und dem vom Ausgang des Operationsverstärkers Op2 gesteuerten Transistor T1 erreicht. Der Operationsverstärker Op2 detektiert, ob der untere Grenzwert des Sägezahnsignals unter dem Bezugswert für das laststromproportionale Signal (Massepotential) liegt. Wenn das Potential am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers Op2, dem das gleichspannungsgetrennte Sägezahnsignal zugeführt ist, negativer wird als Massepotential (invertierender Eingang), führt der Ausgang des Operationsverstärkers Op2 ebenfalls Massepotential. Der Transistor T1 ist dann leitend - Basisstrom über Widerstand R10 - und der Kondensator C3, der zusammen mit dem Widerstand R11 in Serie zur Schaltstrecke des Transistors T1 liegt, wird so lange aufgeladen, bis der untere Grenzwert des Sägezahnsignals auf Massepotential aufsitzt.

Falls der untere Grenzwert des Sägezahnsignals positiver als Massepotential wird, sperrt Transistor T1 und Kondensator C3 wird über die Widerstände R12/R13 entladen.

Die Torschaltung TO ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 durch einen Feldeffekttransistor F1 realisiert, dem gateseitig das Ausgangssignal des Komparators K1 zugeführt wird. Die Drainelektrode des Feldeffekttransistors F1 ist sowohl an den mit der Ausgangsspannung UA beaufschlagten Spannungsteiler R1, R2 als auch über den Widerstand R12 an den Komparator K2 angeschlossen. Liegt der Ausgang des Komparators K1 auf Massepotential, sperrt der Feldeffekttransistor F1 und das ausgangsspannungsproportionale Signal kann die Torschaltung TO passieren (Mittelwertbildung über Widerstand R12 und Kondensator C4). Die Spannung am Kondensator C4 ist proportional zum Produkt der Ausgangsspannung UA und dem Laststrom Ia.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erzeugung eines Stellsignals für das Stellglied eines Schaltreglers mit folgenden Verfahrensschritten:

• a) Erfassen eines vom Schaltregler-Laststrom (Ia) abgeleiteten Signals,
• b) Erfassen eines von der Schaltregler-Ausgangsspannung (UA) abgeleiteten Signals,
• c) Vergleichen des vom Laststrom (Ia) abgeleiteten Signals mit einem zwischen zwei Grenzwerten periodisch alternierend im wesentlichen linear steigenden bzw. fallenden Signal (USZ),
• d) Steuern einer Torschaltung (TO) in Abhängigkeit des durch den Vergleich gewonnenen Signals,
• e) Weiterleiten des von der Ausgangsspannung abgeleiteten Signals über die Torschaltung (TO) zu einem Pulsbreitenmodulator (PBM) für das Schaltreglerstellglied (TS) als pulsbreitenbestimmendes Steuersignal,

wobei die Schritte a) und b) den Oberbegriff und die Schritte c) bis e) das Kennzeichen bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Torschaltung (TO) vor der Weiterleitung an den Pulsbreitenmodulator (PBM) einem Komparator (K2) zugeführt wird, mittels dessen letzteres Signal mit einem Bezugssignal (Ur2) verglichen wird, welches proportional zur Nennleistung des Schaltreglers ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen zwei Grenzwerten periodisch alternierend steigende bzw. fallende Signal ein Sägezahnsignal ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen zwei Grenzwerten periodisch alternierend ansteigende bzw. fallende Signal ein Dreiecksignal ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen zwei Grenzwerten periodisch alternierend ansteigende bzw. fallende Signal bezüglich seines unteren Grenzwertes auf den Bezugswert des laststromproportionalen Signals geregelt wird.