DE4026461A1 - Blocking DC=DC converter with sec. series opto-coupler - which provides complete galvanic sepn. between transformer sec. winding and cyclically switched circuit on prim. side - Google Patents

Blocking DC=DC converter with sec. series opto-coupler - which provides complete galvanic sepn. between transformer sec. winding and cyclically switched circuit on prim. side

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Abstract

The operational cycle is started by closure of a switch (M) earthing the prim. winding of a transformer (U). The timer (T) is actuated by a Schmitt trigger (K) when the sec. winding current passes through a zero, or falls below a predetermined threshold. The signal for comparison is amplified (V) from the output of a photoreceiver (E) linked (L) to the infrared-emitting diode (S) in series with the sec. winding from which a storage capacitor (C) is charged rapidly during each cycle of operation. ADVANTAGE - High efficiency is achieved with guaranteed galvanic isolation between prim. and sec. circuits.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sperrwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a flyback converter according to the Preamble of claim 1.

Die DE-OS 27 19 125 und 28 14 848 sowie die US-PS 46 17 620 und 43 87 413 beschreiben Sperrwandler bei denen das Signal aus dem im Sekundärkreis fließenden Strom mittels einer zusätzlichen Rückkoppelwicklung abgeleitet wird, in der durch den im Sekundärkreis fließenden Strom eine Spannung induziert wird. Wenn der Verwendungszweck des Sperrwandlers beispielsweise im Fall eines implantierba­ ren Defibrillators verlangt, daß der Sperrwandler klein bauend ist, kann durch die Rückkoppelwicklung der zur Verfügung stehende Wickelraum nicht vollständig für die Leistungsübertragung genutzt werden. Außerdem wird der Rückkoppelwicklung die Steuerleistung für das Schalten des Schaltelementes entnommen, und dadurch wird der Wir­ kungsgrad des Sperrwandlers verschlechtert. Bei diesen bekannten Sperrwandlern wird zur Erzeugung der notwendi­ gen Rückkopplung der Transformator des Sperrwandlers in die Sättigung gesteuert, wodurch der Wirkungsgrad verschlechtert wird.DE-OS 27 19 125 and 28 14 848 and US-PS 46 17 620 and 43 87 413 describe flyback converters in which the Signal from the current flowing in the secondary circuit by means of an additional feedback winding is derived, in the one through the current flowing in the secondary circuit Voltage is induced. If the intended use of the Flyback converter, for example in the case of an implantable Ren defibrillators requires that the flyback converter be small is building, can through the feedback winding Available changing room is not completely available for the Power transmission can be used. In addition, the Feedback winding the control power for switching  of the switching element, and thereby the we efficiency of the flyback converter deteriorated. With these known flyback converters is necessary to generate the gen feedback of the transformer of the flyback converter in The saturation is controlled, which increases efficiency is deteriorating.

In der DE-OS 27 19 125 wird darüber hinaus eine Ausfüh­ rungsform eines Sperrwandlers beschrieben, bei dem der Strom im Sekundärkreis mittels eines in Reihe zur Sekundärwicklung geschalteten Widerstandes gemessen wird, an dem dieser Strom einen Spannungsabfall erzeugt. Dies bedingt eine Verminderung des Wirkungsgrades.In DE-OS 27 19 125 is also an Ausfüh tion form of a flyback converter, in which the Current in the secondary circuit by means of a series Secondary winding switched resistance measured at which this current produces a voltage drop. This requires a reduction in efficiency.

In der US 42 72 806 wird ein Sperrwandler beschrieben, bei dem der Sekundärstrom mittels einer Stromspiegel­ schaltung in den Primärkreis gespiegelt wird. Dort wird dieser Strom verstärkt und derart ausgewertet, daß die Sperrphase des Schaltelementes bei Unterschreiten einer vorbestimmten Stromstärke des Sekundärstroms beendet wird. Diese bekannten Sperrwandler haben für bestimmte Anwendungsfälle den Nachteil, daß der Primär- und Sekundärkreis galvanisch miteinander verbunden sein müssen.In US 42 72 806 a flyback converter is described in which the secondary current by means of a current mirror circuit is mirrored in the primary circuit. There will this current is amplified and evaluated such that the Blocking phase of the switching element when falling below one predetermined current of the secondary current ended becomes. These known flyback converters have for certain Use cases have the disadvantage that the primary and Secondary circuit be galvanically connected to each other have to.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sperrwandler zur Verfügung zu stellen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist und eine galvanische Trennung von Primär- und Sekundärkreis gewährleistet.The invention has for its object a Flyback converter to provide a high Has efficiency and a galvanic separation of Guaranteed primary and secondary circuit.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die technische Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Mit besonderem Vorteil erfolgt die Ableitung des Steuersignals aus dem im Sekundärkreis fließenden Strom mittels einer optischen Kopplung, so daß eine einwandfreie galvanische Trennung erzielt werden kann. Diese optische Kopplung ermöglicht einen platzsparenden Aufbau und der Energiebedarf dieser optischen Kopplung ist für die Leistungsbilanz vernach­ lässigbar. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn der Sperrwandler in an sich üblicher Weise mittels einer niedrigen Batteriespannung betrieben wird und die Batterie und der Sperrwandler in einem Baumodul verei­ nigt sind.This object is achieved by the technical Teaching of claim 1 solved. With a special advantage the control signal is derived from the im Secondary circuit flowing current by means of an optical Coupling, so that perfect electrical isolation  can be achieved. This optical coupling enables a space-saving structure and the energy requirement of this optical coupling is neglected for the current account casual. This is particularly important if the Flyback converter in a conventional manner by means of a low battery voltage is operated and the Battery and flyback converter in one module are nigt.

Mit besonderem Vorteil ist der optische Sender als Infrarot-Sendediode ausgebildet. Als optischer Empfänger ist mit Vorteil eine Fotodiode oder ein Fototransistor vorgesehen.The optical transmitter is particularly advantageous as Infrared transmitter diode formed. As an optical receiver is advantageously a photodiode or a phototransistor intended.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in Serie mit der Sekundärwicklung des Sperrwandlers ein Optokoppler geschaltet, dessen Ausgang mit einem Eingang der Steuer­ schaltung des Schaltelementes verbunden ist.In a preferred embodiment is in series with an optocoupler in the secondary winding of the flyback converter switched, the output of which is connected to an input of the tax circuit of the switching element is connected.

Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, muß das Schaltelement solang eingeschaltet sein, bis der Trans­ formator des Sperrwandlers den Sättigungspunkt erreicht hat. Diese Zeitdauer wird in vorteilhafter Weise durch einen Zeitschalter der Steuerschaltung eingestellt, der auf die Induktivität und den Sättigungspunkt des Trans­ formators abgestimmt ist.To achieve a high level of efficiency, the Switching element must be switched on until the trans Forming the flyback converter reached the saturation point Has. This period of time is advantageously carried out by set a timer of the control circuit, the on the inductance and the saturation point of the trans formators is matched.

Mit Vorteil weist die Steuerschaltung einen Verstärker auf, der über einen Komparator mit dem Eingang des Zeitschalters verbunden ist. Bei einer bevorzugten Auführungsform ist der Komparator ein Schmitt-Trigger und der Zeitschalter ist ein Monoflop.The control circuit advantageously has an amplifier on, which is connected to the input of the Timer is connected. In a preferred one The comparator is a Schmitt trigger and the timer is a monoflop.

Die erfindungsgemäße Ableitung eines Steuersignals aus dem im Sekundärkreis fließenden Strom und die Verarbei­ tung dieses Steuersignals in der einen Verstärker, einen Komparator und ein Zeitglied aufweisenden Steuerschal­ tung ermöglicht mit Vorteil, daß das Schaltelement genau so lange gesperrt werden kann, bis die gesamte Energie in den Sekundärkreis übertragen ist. Dies ist der Fall, wenn im Sekundärkreis kein Strom mehr fließt. Diese Zeitdauer ist nicht fest sondern hängt von der Belastung ab. Ist die gewählte Ausschaltdauer zu lang, wird der Betriebstakt unnötig verlängert. Ist jedoch die Aus­ schaltdauer zu kurz, so wird die Restenergie wieder in den Primärkreis übertragen und in der Folge gerät der Transformator wegen der konstanten Einschaltdauer in die Sättigung, was zu einer drastischen Verringerung des Wirkungsgrades führt. Beim erfindungsgemäßen Sperrwand­ ler wird am Ausgang des Verstärkers eine Spannung erzeugt, die dem Stromfluß im Sekundärkreis proportional ist. Diese Spannung wird von einem nachgeschalteten Komparator ausgewertet. Der Verstärker und der Kompara­ tor sind derart abgeglichen, daß der Komparator umschal­ tet, wenn der Sekundärstrom des Transformators einen vorbestimmten Wert unterschreitet bzw. zu Null wird. Durch dieses Umschalten wird nun die Sperrphase des Schaltelementes, welches üblicherweise ein Transistor ist, beendet. Dieses Schaltelement wird eingeschaltet und der Zeitschalter, der die Einschaltdauer bestimmt, wird gestartet.Deriving a control signal from the invention the current flowing in the secondary circuit and the processing  device of this control signal in one amplifier, one Comparator and a control scarf having a timing element device advantageously allows that the switching element is accurate can be locked until all the energy is transferred to the secondary circuit. This is the case when no more current flows in the secondary circuit. These Duration is not fixed but depends on the load from. If the selected switch-off time is too long, the Operating cycle extended unnecessarily. However, is the end switching time too short, the residual energy is in again transmit the primary circuit and subsequently the Transformer because of the constant duty cycle in the Saturation, resulting in a drastic reduction in the Efficiency leads. In the barrier wall according to the invention There is a voltage at the output of the amplifier generated that is proportional to the current flow in the secondary circuit is. This voltage is from a downstream Comparator evaluated. The amplifier and the Kompara Tor are adjusted in such a way that the comparator switches tet when the secondary current of the transformer falls below a predetermined value or becomes zero. By switching this over, the blocking phase of the Switching element, which is usually a transistor is finished. This switching element is switched on and the timer that determines the duty cycle, is started.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Speicher­ kondensator parallel zur aus Sekundärwicklung und Gleichrichter des Sperrwandlers und optischen Sender bestehenden Serienschaltung geschaltet. Bei dieser Schaltung kann der Speicherkondensator in optimaler Weise aufgeladen werden. Wenn ein derartig ausgebildeter Sperrwandler in einen implantierbaren Defibrillator eingebaut ist, wird bei optimalem Betrieb die Kapazität der eingebauten Batterie mit einem außerordentlich hohen Wirkungsgrad ausgenutzt. Eine derartige Schaltung kann aber auch für Blitzlichtgeräte und ähnliche Geräte, die aus Niederspannungen abgeleitete Hochspannungsstöße benötigen, verwendet werden.In a preferred embodiment is a memory capacitor parallel to the secondary winding and Rectifier of the flyback converter and optical transmitter existing series connection. At this The storage capacitor can be switched in an optimal manner Way to be charged. If such a trained Flyback converter into an implantable defibrillator installed, the capacity will be optimal  the built-in battery with an extraordinarily high Efficiency exploited. Such a circuit can but also for flash units and similar devices that High voltage surges derived from low voltages need to be used.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme der Figuren der Zeichnung erläutert werden.An embodiment of the invention is in the following description with reference to the figures of the Drawing are explained.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Sperrwandlers und Fig. 1 is a block diagram of a flyback converter and

Fig. 2 ein Schaltbild des Sperrwandlers mit einer Ausführungsform des Schaltkreises. Fig. 2 is a circuit diagram of the flyback converter with an embodiment of the circuit.

Der in Fig. 1 dargestellte Sperrwandler weist einen Anschluß B für die Betriebsspannung auf. Die Sekundär­ wicklung U des Transformators dieses Sperrwandlers ist in Reihe mit einer Diode D geschaltet. Parallel zu dieser Reinschaltung liegt der Speicherkondensator C. In den Stromkreis der Primärwicklung deren eine Seite mit der Betriebsspannung B verbunden ist, ist ein Schaltele­ ment M eingeschaltet. Dieses Schaltelement M kann eingeschaltet werden, um einen Betriebszyklus auszulö­ sen.The flyback converter shown in Fig. 1 has a connection B for the operating voltage. The secondary winding U of the transformer of this flyback converter is connected in series with a diode D. Parallel to this clean circuit is the storage capacitor C. In the circuit of the primary winding, one side of which is connected to the operating voltage B, a switching element M is switched on. This switching element M can be switched on to trigger an operating cycle.

Im Sekundärstromkreis ist in Serie mit der Sekundärspule U ein optischer Sender S geschaltet, der über eine optische Übertragungssgtrecke L mit einem optischen Empfänger E verbunden ist. Beim dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel sind diese Bauelemente zu einem an sich bekannten Optokoppler O zusammengefaßt. Der Ausgang dieses Optokopplers O ist mit einem Verstärker V verbun­ den, dem ein Komparator K nachgeschaltet ist. An diesen Komparator K ist ein Zeitschalter T angeschlossen, der auf eine vorbestimmte Schaltzeit t eingestellt ist, und der das Schaltelement M schaltet.In the secondary circuit is in series with the secondary coil U switched an optical transmitter S, which has a optical transmission line L with an optical Receiver E is connected. In the illustrated embodiment These components are an example in themselves known optocoupler O summarized. The exit this optocoupler O is connected to an amplifier V.  the one to which a comparator K is connected. On this Comparator K is connected to a timer T, which is set to a predetermined switching time t, and which switches the switching element M.

Wenn dieser Sperrwandler durch Zuschalten der Betriebs­ spannung B eingeschaltet wird, so werden der Zeitschal­ ter T gestartet und das Schaltelement M eingeschaltet. Entsprechend der Primärinduktivität des Transformators des Sperrwandlers steigt die Primärstromstärke nahezu linear an. Im Sekundärkreis kann kein Strom fließen, da die Diode D in Sperrichtung gepolt ist. Die Einschalt­ dauer t ist so gewählt, daß an ihrem Ende der Sätti­ gungspunkt des Transformatorkerns erreicht ist. Nach Ablauf dieser Zeit t wird mittels des Zeitgliedes T das Schaltelement M abgeschaltet und der Primärstrom unter­ brochen. Dadurch wird durch die im Transformatorkern gespeicherte Energie in der Sekundärwicklung U eine Spannung umgekehrter Polarität induziiert. Die Diode D ist nunmehr in Durchlaßrichtung geschaltet und es fließt ein Strom, der den Speicherkondensator C auflädt. Dieser Sekundärstrom fließt auch durch den optischen Sender S z. B. durch eine in Durchlaßrichtung gepolte Infrarot-Sendediode und Licht wird über die optische Übertragungsstrecke L dem optischen Empfänger E zugelei­ tet.If this flyback converter by switching on the operation voltage B is turned on, so the time scarf ter T started and the switching element M turned on. According to the primary inductance of the transformer of the flyback converter, the primary current strength increases almost linear on. No current can flow in the secondary circuit because the diode D is polarized in the reverse direction. The switch duration t is chosen so that at its end the satti point of the transformer core is reached. To Expiry of this time t by means of the timer T that Switching element M switched off and the primary current below broken. This is done by the in the transformer core stored energy in the secondary winding U a Reverse polarity voltage induced. The diode D is now switched in the forward direction and it a current flows, which charges the storage capacitor C. This secondary current also flows through the optical one Transmitter S z. B. by a polarized in the forward direction Infrared transmitter diode and light is on the optical Transmission line L to the optical receiver E. tet.

Das Ausgangssignal des optischen Empfängers E wird mittels eines einfachen Verstärkers V verstärkt und durch den Komparator oder Schmitt-Trigger K so ausgewer­ tet, daß der Ausgangspegel des Komparators K dann wechselt, wenn der Sekundärstrom einen vorbestimmten Wert unterschreitet oder den Wert Null erreicht. Durch den Wechsel des Ausgangssignals wird das Schaltelement M erneut eingeschaltet und das Zeitglied T gestartet. Dies erfolgt zu dem Zeitpunkt, in dem die im Transformator­ kern gespeicherte Energie völlig in den Speicherkonden­ sator C übertragen ist. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Zyklus von neuem.The output signal of the optical receiver E is amplified by means of a simple amplifier V and so evaluated by the comparator or Schmitt trigger K tet that the output level of the comparator K then changes when the secondary current reaches a predetermined one Value falls below or reaches zero. By the change of the output signal becomes the switching element M switched on again and the timer T started. This  takes place at the time when in the transformer core stored energy completely in the storage probes sator C is transmitted. At this point the Cycle again.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß die Sperrdauer des Schaltelementes M optimal derart regelbar ist, daß bei kurzer Aufladezeit des Kondensators C ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird. Durch die optische Kopplung bei O werden Primär- und Sekundärkreis galvanisch getrennt.The above statements show that the blocking period of the switching element M can be optimally regulated such that with a short charging time of the capacitor C an optimal one Efficiency is achieved. Through the optical coupling at O the primary and secondary circuits are galvanized Cut.

Claims (9)

1. Sperrwandler dessen Schaltelement mittels einer, die Einschaltdauer bestimmenden Schaltung steuerbar ist und die zumindest einen Steuergang aufweist, dem ein aus dem im Sekundärkreis fließenden Strom abgeleitetes Signal zugeleitet wird, welches die Ausschaltzeit des Schaltelementes bestimmt, gekennzeichnet durch einen in Serie mit der Sekundärwicklung (U) des Sperrwandlers geschalteten optischen Sender (S) der über eine optische Übertragungsstrecke (L) mit einem, mit einem Eingang der Steuerschaltung (V, K, T) des Schaltelementes (M) verbundenen optischen Empfänger (E) gekoppelt ist.1. flyback converter whose switching element can be controlled by means of a circuit which determines the duty cycle and which has at least one control gear to which a signal derived from the current flowing in the secondary circuit is fed, which determines the switch-off time of the switching element, characterized by a series with the secondary winding ( U) of the flyback converter optical transmitter (S) which is coupled via an optical transmission path (L) to an optical receiver (E) connected to an input of the control circuit (V, K, T) of the switching element (M). 2. Sperrwandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (S) eine Infrarot-Sendediode ist.2. flyback converter according to claim 1 characterized in that the optical transmitter (S) is an infrared transmitter diode is. 3. Sperrwandler nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfänger (E) eine Fotodiode oder ein Fototransistor ist.3. flyback converter according to claim 1 or 2 characterized in that the optical receiver (E) a photodiode or a Is photo transistor. 4. Sperrwandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit der Sekundärabwicklung (U) des Sperr­ wandlers ein Optokoppler (0) geschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang der Steuerschaltung (V, K, T) des Schaltelementes (M) verbunden ist.4. flyback converter according to claim 1, characterized in that an optocoupler ( 0 ) is connected in series with the secondary processing (U) of the flyback converter, the output of which is connected to an input of the control circuit (V, K, T) of the switching element (M) . 5. Sperrwandler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (V, K, T) einen Zeitschalter (T) aufweist, der auf die Induktivität und den Sätti­ gungspunkt des Sperrwandlertransformators abgestimmt ist.5. flyback converter according to at least one of claims 1 to 4 characterized in that the control circuit (V, K, T) a timer (T) has on the inductance and the saturation matching point of the flyback transformer is. 6. Sperrwandler nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Verstärker (V) aufweist, der über einen Komparator (K) mit dem Eingang des Zeitschalters (T) verbunden ist.6. flyback converter according to claim 5 characterized in that the control circuit has an amplifier (V), which is connected to the input of the via a comparator (K) Timer (T) is connected. 7. Sperrwandler nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (K) ein Schmitt-Trigger ist.7. flyback converter according to claim 6 characterized in that the comparator (K) is a Schmitt trigger. 8. Sperrwandler nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitschalter (T) ein Monoflop ist. 8. flyback converter according to at least one of claims 5 to 7 characterized in that the timer (T) is a monoflop.   9. Sperrwandler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherkondensator (C) parallel zur aus Sekun­ därwicklung (U) und Gleichrichter (D) des Sperrwand­ lers und optischen Sender (S) bestehenden Serien­ schaltung geschaltet ist.9. flyback converter according to at least one of claims 1 till 8 characterized in that a storage capacitor (C) in parallel to the second dar winding (U) and rectifier (D) of the barrier wall lers and optical transmitter (S) existing series circuit is switched.
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