DE4219354A1 - Voltage stabilisation circuitry using PWM - has semiconductor switch coupled to pulse width modulation regulator using sawtooth voltage signal - Google Patents

Voltage stabilisation circuitry using PWM - has semiconductor switch coupled to pulse width modulation regulator using sawtooth voltage signal

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DE4219354A1 DE19924219354 DE4219354A DE4219354A1 DE 4219354 A1 DE4219354 A1 DE 4219354A1 DE 19924219354 DE19924219354 DE 19924219354 DE 4219354 A DE4219354 A DE 4219354A DE 4219354 A1 DE4219354 A1 DE 4219354A1
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Abstract

The circuit is used for at least one auxiliary output of a network stage, with a semiconductor switch (T2) coupled to a pulse width modulation regulator. The latter converts the regulation disparity into a pulse width modulation signal using a sawtooth voltage which is synchronised with the appts. clock frequency. Pref. the sawtooth voltage signal is supplied during the transmission phase of the network stage and is blocked in the pause intervals, the negative flank of the network stage transformer voltage being used to initiate the sawtooth voltage signal. ADVANTAGE - Good voltage regulation with reduced circuit complexity.n

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsstabilisierung durch Impulsbreiten-Modulation (PWM) wenigstens einer Zusatz- Ausgangsschaltung an einem Schaltnetzteil.The invention relates to a circuit arrangement for Voltage stabilization through pulse width modulation (PWM) at least one additional output circuit on a switching power supply.

In einem Schaltnetzteil, z. B. einer Durchflußwandler-Schaltung werden häufig mehrere Ausgangsschaltungen verwendet. Da über eine PWM-Regelung der primärseitigen Schalttransistoren nur eine Ausgangsspannung genau geregelt werden kann, müssen in einem solchen Fall die Spannungen der zusätzlichen Ausgangsschaltungen nachstabilisiert werden. In Fig. 1 sind einige bekannte Schaltungen gezeigt, mit denen dieses Problem gelöst werden kann.In a switching power supply, e.g. B. a forward converter circuit, multiple output circuits are often used. Since only one output voltage can be precisely controlled by PWM control of the primary-side switching transistors, the voltages of the additional output circuits must be stabilized in such a case. In Fig. 1 some known circuits are shown with which this problem can be solved.

Fig. 1 zeigt unter a) die Haupt-Ausgangschaltung, deren Spannung durch PWM-Regelung eines primärseitigen Schalttransistors geregelt ist. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung sehr genau geregelt werden. b) zeigt eine zusätzliche Ausgangsschaltung, deren Spannung nicht geregelt ist. Hier ergibt sich eine Ausgangsspannung UA2 , die bei unterschiedlichen Belastungen um ΔUA2 schwankt. Diese Spannungsschwankung errechnet sich aus dem Spannungsabfall ΔUD2 längs der Diode und der Speicherdrossel zuzüglich des transformierten Spannungsabfalls ΔUD1 des primär geregelten Kreises: Fig. 1 shows in a) the main output circuit, whose voltage is regulated by PWM control of a primary-side switching transistor. In this way, the output voltage can be regulated very precisely. b) shows an additional output circuit whose voltage is not regulated. This results in an output voltage U A2 which fluctuates around ΔU A2 under different loads. This voltage fluctuation is calculated from the voltage drop ΔU D2 along the diode and the storage choke plus the transformed voltage drop ΔU D1 of the primary regulated circuit:

Diese Spannungsschwankungen können mit den Schaltungen nach c)-e) ausgeregelt werden. c) ist ein nachgeschalteter Schaltregler, bei welchem die Speicherdrossel und der Siebelektrolytkondensator zweifach vorhanden sind, so daß ein großer Aufwand an Bauelementen vorhanden ist. d) enthält einen stetigen Längsregler, bei welchem die überschüssige Energie in Wärme umgesetzt wird, so daß sich ein schlechter Wirkungsgrad ergibt. e) ist ein Transduktor-Regler mit hohem Wirkungsgrad, jedoch ist die Transduktor-Drossel verhältnismäßig teuer, insbesondere dann, wenn der Ausgang über eine Strombegrenzung bis in den Kurzschluß belastet wird. In manchen Fällen ist diese Schaltung auch regelungstechnisch problematisch.These voltage fluctuations can be reduced with the circuits according to c) -e) be corrected. c) is a downstream switching regulator, at  which the storage choke and the sieve electrolytic capacitor twice are present, so that a large amount of components is available. d) contains a continuous series regulator, in which the excess energy is converted into heat, so that a poor efficiency results. e) is a transducer controller with high efficiency, however, is the transducer choke relatively expensive, especially if the exit is over a current limitation until the short circuit is loaded. In some In some cases, this circuit is also problematic in terms of control technology.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei vergleichsweise geringem Aufwand eine gute Regelung ermöglicht.The invention has for its object a circuit arrangement of the type mentioned at the outset, which at comparatively allows good regulation with little effort.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Zusatz-Ausgangsschaltung zwischen einer Sekundärwicklung des Transformators des Schaltnetzteiles und einem wenigstens ein Speicherelement und ein Siebelement enthaltenden Schaltungsteil ein Halbleiterschaltelement enthält, das über einen PWM-Regler beaufschlagt ist, wobei der PWM-Regler so aufgebaut ist, daß die Regelabweichung über ein von der Gerätetaktfrequenz synchronisiertes Sägezahn-Spannungssignal in ein PWM-Signal umgewandelt wird.This is achieved in that the Additional output circuit between a secondary winding of the Transformer of the switching power supply and one at least one Memory element and a circuit part containing a sieve element Contains semiconductor switching element via a PWM controller is applied, the PWM controller being constructed so that the Control deviation over a synchronized from the device clock frequency Sawtooth voltage signal is converted into a PWM signal.

Der PWM-Regler kann so aufgebaut sein, daß das Sägezahn- Spannungssignal während der Übertragungsphase des Schaltnetzteiles freigegeben und in der Pausenzeit gesperrt ist. Zweckmäßig ist der PWM-Regler so aufgebaut, daß das Sägezahn-Spannungssignal von der negativen Flanke der Transformatorspannung freigegeben wird, wobei ein Schaltelement, z. B. ein Monoflop, vorgesehen sein kann, durch das die Freigabe des Sägezahn-Spannungssignals um eine vorbestimmte Zeitspanne verzögert wird.The PWM controller can be designed so that the sawtooth Voltage signal during the transfer phase of the switching power supply is released and blocked during the break. The is expedient PWM controller constructed so that the sawtooth voltage signal from the negative edge of the transformer voltage is released, whereby a switching element, e.g. B. a monoflop can be provided by the release of the sawtooth voltage signal by a predetermined one Time period is delayed.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht eine einwandfreie Regelung der Ausgangsspannung bei vergleichsweise gutem Wirkungsgrad, ohne daß ein großer Schaltungsaufwand erforderlich ist.The circuit arrangement according to the invention enables a faultless one Regulation of the output voltage with a comparatively good one Efficiency without a large amount of circuitry required is.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigenThe invention is based on the drawing Embodiments explained in more detail. Show in the drawing

Fig. 1 Schaltungsanordnungen nach dem Stand der Technik, Fig. 1 circuit arrangements according to the prior art,

Fig. 2a und 2b Prinzipschaltbilder möglicher Schaltungsanordnungen nach der Erfindung, FIGS. 2a and 2b principle diagrams of possible circuit arrangements according to the invention,

Fig. 3 Spannungsdiagramme einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Fig. 3 voltage diagrams of a circuit arrangement according to the invention,

Fig. 4 Spannungsdiagramme, welche die zeitliche Zuordnung der Transformatorspannung zum Sägezahn-Spannungssignal und zwei Möglichkeiten zur Erzeugung des Sägezahn-Spannungssignals zeigen, Fig. 4 voltage graphs showing the temporal assignment of the transformer voltage to the sawtooth voltage signal and two options for generating the sawtooth voltage signal,

Fig. 5 Spannungsdiagramme, welche eine weiter Möglichkeit zur Erzeugung des Sägezahn-Spannungssignals zeigen, und Fig. 5 voltage diagrams showing a further possibility for producing the sawtooth voltage signal, and

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung. Fig. 6 shows an embodiment of a circuit arrangement according to the invention.

Als Alternativ-Lösung zum Transduktor-Regler nach Fig. 1e) kann eine der Schaltungen nach Fig. 2a oder 2b verwendet werden, bei denen anstelle der Transduktordrossel ein Halbleiterschalter eingesetzt ist, der in der Zeichnung als einfacher mechanischer Schalter dargestellt ist. Fig. 2a zeigt eine Schaltung, bei welcher der Schalter im positiven Zweig der Schaltung eingesetzt ist, während in Fig. 2b der Schalter im negativen Zweig eingesetzt ist. Dabei können die Drosselspule und die Gleichrichterdiode im positiven Zweig oder im negativen Zweig liegen.As an alternative solution to the transducer controller according to Fig. 1e), one of the circuits according to Fig. 2a or 2b can be used, in which a semiconductor switch is used instead of the transducer choke, which is shown in the drawing as a simple mechanical switch. Fig. 2a shows a circuit in which the switch is used in the positive branch of the circuit, while in Fig. 2b the switch is used in the negative branch. The choke coil and the rectifier diode can be in the positive branch or in the negative branch.

Voraussetzung für die Funktion der gezeigten Schaltungsanordnungen ist, daß die Pulsbreitenmodulation synchron mit der Übertragungsfrequenz des Transformators erfolgt. Für eine primärseitige "Current-Mode"-Regelung ist es erforderlich, daß die Einschaltung in der Flußphase verzögert wird und nicht eine frühere Abschaltung erfolgt. Siehe das Spannungs-Zeit-Diagramm in Fig. 3. A prerequisite for the function of the circuit arrangements shown is that the pulse width modulation is carried out synchronously with the transmission frequency of the transformer. For a "current mode" control on the primary side, it is necessary that the switch-on is delayed in the flow phase and that there is no earlier switch-off. See the voltage-time diagram in Fig. 3.

Die vom Spannungs-Strom-Regler erzeugte Regelabweichung wird über eine von der Gerätefrequenz synchronisierte Sägezahn-Spannung in des PWM-Signal umgewandelt. Die Synchronisierung erfolgt üblicherweise in der Form, daß die Sägezahn-Spannung während der Übertragungsphase des Flußwandlers freigeben wird und in der Pausenzeit gestoppt wird. Fig. 4 zeigt die zeitliche Zuordnung der Transformatorspannung zur Bildung der Sägezahn-Spannung. Dabei zeigen: a) die Spannung am Transformator, b) eine Art der Bildung des Sägezahn- Spannungssignals, bei welcher die Sägezahn-Spannung konstant bleibt, während die Spannungsschwelle proportional zur Regelabweichung verändert wird, c) eine Art der Bildung des Sägezahn- Spannungssignals, bei welcher die Spannungsschwelle konstant bleibt, während der Anstieg der Sägezahn-Spannung durch die Regelabweichung gesteuert wird, d) die Spannung nach dem PWM-Schalter. Diese Art der Synchronisation der Sägezahn-Spannung nach Fig. 4 hat den Nachteil, daß der PWM-Schalter nicht auf das volle vom Transformator angebotene Tastverhältnis gesteuert werden kann (siehe T1 in Fig. 4).The control deviation generated by the voltage-current controller is converted into the PWM signal via a sawtooth voltage synchronized with the device frequency. The synchronization usually takes place in such a way that the sawtooth voltage is released during the transmission phase of the flux converter and is stopped during the pause. Fig. 4 shows the temporal allocation of the voltage transformer is to form the sawtooth voltage. Thereby show: a) the voltage at the transformer, b) a way of forming the sawtooth voltage signal, in which the sawtooth voltage remains constant while the voltage threshold is changed in proportion to the control deviation, c) a way of forming the sawtooth voltage signal, at which the voltage threshold remains constant while the increase in the sawtooth voltage is controlled by the control deviation, d) the voltage after the PWM switch. This type of synchronization of the sawtooth voltage according to FIG. 4 has the disadvantage that the PWM switch cannot be controlled to the full duty cycle offered by the transformer (see T1 in FIG. 4).

Dieser Nachteil kann dadurch ausgeschaltet werden, daß die Sägezahn-Spannung nicht durch durch die positive Transformatorspannung freigegeben wird, sondern durch die negative Flanke der Transformatorspannung, durch die z. B. ein Monoflop gestartet wird, welches nach Ablauf einer vorbestimmten konstanten Zeitspanne T2 die Sägezahn-Spannung freigibt. Die Zeitspanne T2 ist so bemessen, daß die Sägezahn-Spannung vor der positiven Flanke der Transformatorspannung so hoch ist, daß eine Steuerung auf das volle Tastverhältnis möglich ist. Auch kann die Vergleichsspannungsschwelle U1 so hoch gelegt werden, daß ein großer Störabstand erreicht wird (siehe Fig. 5). Auch in diesem Falle können beide Verfahren zur Bildung der Sägezahn-Spannung nach Fig. 4b) und Fig. 4c) angewandt werden.This disadvantage can be eliminated in that the sawtooth voltage is not released by the positive transformer voltage, but by the negative edge of the transformer voltage, by the z. B. a monoflop is started, which releases the sawtooth voltage after a predetermined constant time period T2. The time period T2 is dimensioned such that the sawtooth voltage before the positive edge of the transformer voltage is so high that control over the full duty cycle is possible. The reference voltage threshold U1 can also be set so high that a large signal-to-noise ratio is achieved (see FIG. 5). In this case too, both methods for forming the sawtooth voltage according to FIG. 4b) and FIG. 4c) can be used.

Eine spezielle erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in Fig. 6 dargestellt. Mit TR ist der Transformator mit einer Primärwicklung 11 und zwei Sekundärwicklungen 12 und 13 bezeichnet. Die zusätzliche Ausgangsschaltung enthält die Sekundärwicklung 12, die Dioden D3 und D4, die Drosselspule L1, den Kondensator C6 sowie den PWM-Schalter, der hier ein Transisitor T2 ist.A special circuit arrangement according to the invention is shown in FIG. 6. TR is the transformer with a primary winding 11 and two secondary windings 12 and 13 . The additional output circuit contains the secondary winding 12 , the diodes D3 and D4, the choke coil L1, the capacitor C6 and the PWM switch, which is a transistor T2 here.

Die Schaltung zur Steuerung des PWM-Schalters T2 enthält die Sekundärwicklung 13. Über die Diode D1 und den Widerstand R1 wird eine Hilfsspannung VCC erzeugt. Der Transisitor T1 bildet zusammen mit den Widerständen R5, R6 und R7 sowie dem Kondensator C4 eine Stromkonstantquelle. Die integrierten Schaltungen IC1a, IC1b und IC1c bilden zusammen mit dem Widerstand R4 und dem Kondensator C2 ein Monoflop. C1 und R2 bilden zusammen ein Differenzierglied.The circuit for controlling the PWM switch T2 contains the secondary winding 13 . An auxiliary voltage VCC is generated via the diode D1 and the resistor R1. The transistor T1 forms a constant current source together with the resistors R5, R6 and R7 and the capacitor C4. The integrated circuits IC1a, IC1b and IC1c form a monoflop together with the resistor R4 and the capacitor C2. C1 and R2 together form a differentiator.

Nach Beendigung der Flußwandlerübertragungsphase wird über das Differenzierglied C1, R2 das Monoflop IC1a, IC1b, IC1c, R4, C2 gestartet und die Sägezahn-Spannung über D2 (C3 entladen) gestoppt. Nach Zeitablauf des Monoflops baut sich die Sägezahn-Spannung an C3 mit einer variablen, vom Regler vorgebenen Zeitkonstanten wieder auf, und zwar über die Konstantstromquelle T1, R5, R6, R7. Überschreitet die Sägezahn-Spannung die feste Spannungsschwelle von IC1d, so wird der PWM-Endstufentransistor TR2 über den Treiber IC2 und den Widerstand R8 eingeschaltet.After the flow converter transmission phase has ended, the Differentiator C1, R2 the monoflop IC1a, IC1b, IC1c, R4, C2 started and the sawtooth voltage stopped via D2 (C3 discharged). After the monoflop has elapsed, the sawtooth voltage builds up at C3 with a variable time constant specified by the controller, namely via the constant current source T1, R5, R6, R7. Exceeds the sawtooth voltage becomes the fixed voltage threshold of IC1d the PWM output stage transistor TR2 via the driver IC2 and the Resistor R8 switched on.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsstabilisierung durch Impulsbreiten-Modulation (PWM) wenigstens einer Zusatz- Ausgangsschaltung an einem Schaltnetzteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatz-Ausgangsschaltung zwischen einer Sekundärwicklung des Transformators des Schaltnetzteiles und einem wenigstens ein Speicherelement und ein Siebelement enthaltenden Schaltungsteil ein Halbleiterschaltelement (TR2) enthält, das über einen PWM-Regler beaufschlagt ist, wobei der PWM-Regler so aufgebaut ist, daß die Regelabweichung über ein von der Gerätetaktfrequenz synchronisiertes Sägezahn-Spannungssignal in ein PWM-Signal umgewandelt wird.1. Circuit arrangement for voltage stabilization by pulse width modulation (PWM) at least one additional output circuit on a switched-mode power supply, characterized in that the additional output circuit between a secondary winding of the transformer of the switched-mode power supply and an at least one storage element and a circuit element containing a semiconductor switching element (TR2 ), which is acted upon by a PWM controller, the PWM controller being constructed in such a way that the control deviation is converted into a PWM signal via a sawtooth voltage signal synchronized by the device clock frequency. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der PWM-Regler so aufgebaut ist, daß das Sägezahn- Spannungssignal während der Übertragungsphase des Schaltnetzteiles freigegeben und in der Pausenzeit gesperrt ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the PWM controller is designed so that the sawtooth Voltage signal during the transmission phase of the Switching power supply is released and locked during the break. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der PWM-Regler so aufgebaut ist, daß das Sägezahn- Spannungssignal von der negativen Flanke der Transformatorspannung freigegeben wird.3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that that the PWM controller is designed so that the sawtooth Voltage signal from the negative edge of the Transformer voltage is released. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltelement vorgesehen ist, durch das die Freigabe des Sägezahn-Spannungssignals um eine vorbestimmte Zeitspanne (T2) verzögert wird. 4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that a switching element is provided by which the release of the Sawtooth voltage signal for a predetermined period of time (T2) is delayed.   5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verzögerung der Freigabe des Sägezahn- Spannungssignals ein Monoflop (IC1a, IC1b, IC1c) vorgesehen ist.5. Circuit arrangement according to claims 3 and 4, characterized characterized that to delay the release of the sawtooth Voltage signal a monoflop (IC1a, IC1b, IC1c) is provided.
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