DE4308424C1 - Schaltregler insbesondere zum Betrieb an Verbrauchern mit kapazitivem Anteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (DE 41 36 809 A1).

Schaltregler werden oft als Vorregler für nachgeschaltete Gegentaktgleichspannungswandler benutzt (DE 41 20 147 A1, DE 38 40 385 A1, DE 29 41 009 C2), insbesondere wenn die Eingangsspannung stark variiert.

Schaltregler, die an Verbrauchern mit hohem kapazitivem Anteil betrieben werden, müssen während einer Anlaufphase, insbesondere während der Ladephase der Kapazitäten, einen hohen Ladestrom bereitstellen und so ausgelegt sein, daß sie auch für diesen Betriebsfall ein stabiles Regelverhalten aufweisen.

Bei dem Schaltregler gemäß DE 41 36 809 A1 wird die Verstärkung des Fehlerverstärkers zwischen einer diskontinuierlichen und einer kontinuierlichen Betriebsweise umgeschaltet, so daß die gesamte Schleifenverstärkung im wesentlichen ungeachtet der Betriebsweise die gleiche ist. Die Umschaltung der Schleifenverstärkung erfolgt durch Umschalten des RC-Gliedes in einem Gegenkopplungszweig des Fehlerverstärkers. Das Steuersignal für diese Umschaltung wird durch Schwellwertvergleich der gemittelten Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung gewonnen.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Schaltregler anzugeben, der für Verbraucher mit kapazitivem Anteil einsetzbar ist und ein gutes dynamisches Verhalten insbesondere bei Lastwechseln und Betrieb mit einem nachgeschalteten Gleichspannungswandler aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 2 und 3 betreffen Anordnungen, in denen der Schaltregler nach Anspruch 1 als Vorregler arbeitet. Die weiteren Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen auf.

Die Maßnahmen der Erfindung beruhen auf folgenden Erkenntnissen:
Im Normalbetrieb soll der Schaltregler eine hohe Regelverstärkung aufweisen, damit er ein gutes dynamisches Verhalten aufweist, d. h. auf Lastsprünge schnell reagieren kann. Während einer Anlaufphase, bzw. beim Laden der Kapazitäten eines Verbrauchers wird die Regelverstärkung des Schaltreglers zurückgenommen, damit kein instabiles Verhalten auftritt. Bei dem Schaltregler nach der Erfindung kann die ausgangsseitige Kapazität des Schaltreglers gegenüber herkömmlichen Lösungen verringert werden, ohne daß Nachteile auftreten. Diese Maßnahme beruht auf der Erkenntnis, daß die im Ausgangskreis/in den Ausgangskreisen eines nachgeschalteten Sperrwandlers, Flußwandlers bzw. Gegentaktgleichspannungswandlers befindlichen Kapazitäten, z. B. ausgangsseitigen Glättungskapazitäten, Streukapazitäten, zum Ausgang des Vorreglers hin transformiert werden. Eine hohe Regelverstärkung des Schaltreglers/Vorreglers im Normalbetrieb kann somit eingestellt werden. Für die Anlaufphase wird die Regelverstärkung des Schaltreglers/Vorreglers demgegenüber reduziert, um die Schwingneigung zu vermindern. Diese Reduzierung der Regelverstärkung in der Anlaufphase stört nicht, da ein angeschlossener Sperrwandler, Flußwandler bzw. Gegentaktgleichspannungswandler in diesem Betriebsfall sowieso noch nicht wirksam ist. Während der Anlaufphase, z. B. eines Gegentaktwandlers gemäß der nachveröffentlichten deutschen Patentschrift 42 34 769, transformieren sich die Ausgangskapazitäten des Gegentaktwandlers noch nicht zum Ausgang des Vorreglers hin, da der Gegentaktwandler in diesem Betriebsfall nur mit kurzen Einschaltimpulsen betrieben wird. In diesem Falle müßte die ausgangsseitige Kapazität des Vorreglers sehr groß sein, damit der Vorregler stabil ist. Durch die Maßnahmen der Erfindung ist es nicht notwendig den ausgangsseitigen Kondensator des Vorreglers für diesen Betriebsfall zu dimensionieren, d. h. für die Kapazität einen hohen Wert zu wählen.

Anhand der Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltreglers nach der Erfindung, der als Vorregler für einen Gegentaktgleichspannungswandler dient,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines Schaltreglers nach der Erfindung,

Fig. 3 den Frequenzgang der Verstärkung des Schaltreglers mit einem Verbraucher, der einen kapazitiven Anteil aufweist, und

Fig. 4 Signalverläufe zur Aufbereitung von Steuerpulsen.

Fig. 1 zeigt als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Schaltregler SR, der als PID-Regler aufgebaut ist, und dem ein Gegentaktgleichspannungswandler GW nachgeschaltet ist. Das Stellglied des Schaltreglers SR besteht aus dem Schalter S1, beispielsweise einem Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor. Die Eingangsgleichspannungsquelle QE des Schaltreglers ist über das Stellglied S1 mit der Glättungsinduktivität GI des Schaltreglers SR verbunden. Die Freilaufdiode DF ist zwischen Massepotential der Eingangsgleichspannungsquelle und die Verbindung des Schalters S1 mit der Glättungsinduktivität GI geschaltet. Am Schaltreglerausgang - Klemmen 1, 2 - befindet sich der Kondensator CA. An diesem Kondensator CA fällt die Ausgangsspannung US des Schalterreglers ab, die die Eingangsspannung für den nachgeschalteten Gegentaktgleichspannungswandler GW bildet. Der Schaltregler SR arbeitet demnach als Vorregler für den Gegentaktgleichspannungswandler GW.

Die Ausgangsspannung US wird über einen Sensor erfaßt und einem Fehlerverstärker FV zugeleitet. Der Sensor kann beispielsweise aus einem oder mehreren Meßwiderständen und/oder Meßwandler bestehen. Im ausgeführten Beispiel besteht er aus einem Widerstands-Spannungsteiler R2, R3. Der Ausgang des Sensors - hier Mittelabgriff des Spannungsteilers R2, R3 - ist über einen Widerstand R1 mit dem Fehlersignaleingang des Fehlerverstärkers FV verbunden. Der Widerstand R1 ist erfindungsgemäß für mindestens einen vorgegebenen Betriebsfall des nachgeschalteten Verbrauchers - hier Gegentaktgleichspannungswandler GW - niederohmig überbrückbar. Zu dieser niederohmigen Überbrückung ist beispielsweise, wie dargestellt, ein elektronischer Schalter F1 in Form eines MOS-Feldeffekttransistors geeignet, der über die Steuerschaltung ST aktivierbar ist. Der Fehlerverstärker FV vergleicht ein von der Schaltregler-Ausgangsspannung US abgeleitetes Signal mit der Referenzspannung Ur und gibt in Abhängigkeit dieses Vergleiches ein Fehlersignal an den Pulsbreitenmodulator PBM oder alternativ hierzu an einen Pulsfrequenzmodulator ab, der die Steuerpulse für das Stellglied S1 liefert. Der Pulsbreitenmodulator PBM erhält als weitere Steuersignale ein periodisches Sägezahnsignal SZ und ein Pulssignal PS. Die Aufbereitung des Sägezahnsignals und des Pulssignals sowie gegebenenfalls Zusatzsignalen, z. B. eines eingangsstromproportionalen Signals, mit Optimierung des Regelverhaltens sind der EP 355 333 B1 entnehmbar.

Wenn der Schalter F1 geöffnet ist, ist die Regelverstärkung in der Regelschleife des Schaltreglers SR gegenüber dem normalen Betriebszustand - Schalter F1 geschlossen - herabgesetzt. Dieser Betriebszustand liegt beispielsweise dann vor, wenn sich der Gegentaktgleichspannungswandler GW in einer Anlaufphase befindet; d. h. die Einschaltimpulse für seine Gegentaktschalter S2 und S3, die ebenfalls von der Steuerschaltung ST aufbereitet werden, sind noch relativ kurz und seine ausgangsseitigen Kondensatoren C1 und C2 in den Gegentaktausgängen sind noch nicht geladen. In diesem Falle transformieren sich die Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C2 noch nicht mit dem Übersetzungsverhältnis des Transformators Tr des Gegentaktgleichspannungswandlers GW zum Ausgang des Vorreglers/Schaltreglers SR hin. Um in diesem Falle den Vorregler stabil zu halten, müßte am Ausgang des Vorreglers eine hohe Kapazität wirksam sein, die den Nachteil hätte, daß das dynamische Verhalten der Gesamtanordnung (Schaltregler SR) und Gegentaktgleichspannungswandler GW); d. h. die Reaktion z. B. auf Lastsprünge, zu träge wäre. Hohe, bzw. zusätzliche Kapazitäten beanspruchen Platz und Gewicht, was beim Einsatz für Satelliten nachteilig ist. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird bei der Erfindung bewußt ein anderer Weg gewählt. Die ausgangsseitige Kapazität CA des Schaltreglers SR wird bewußt geringer bemessen, als es für die Anlaufphase erforderlich wäre, und um dennoch ein stabiles Verhalten zu erreichen, wird die Regelverstärkung in der Regelschleife des Schaltreglers herabgesetzt.

Nach Beendigung der Anlaufphase des Gegentaktgleichspannungswandlers GW wird der Schalter F1 geschlossen. Die Kapazitäten C1 und C2 werden nun zum Ausgang des Vorreglers/Schaltreglers SR hin transformiert, so daß die dort wirksame Kapazität hoch genug ist, um auch bei erhöhter Regelverstärkung im Regelkreis des Vorreglers Stabilität zu erreichen.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des Schaltreglers nach Fig. 1. Die Eingangsspannung Ui wird über ein PID-Glied geführt. Die Ausgangsspannung U1 des PID-Gliedes steuert eine Stromquelle, die den Strom I = γU1 für den Verbraucher, hier durch den Widerstand RL und die Kapazität CL symbolisiert, liefert. Der Frequenzgang der Verstärkung V (ω) ist in Fig. 3 für eine Anlaufphase dargestellt. Die Kurve I zeigt, daß bei kleiner ausgangsseitiger Kapazität die Verstärkung zu groß ist und damit instabiles Verhalten auftritt. Die Kurve II zeigt die Übertragungsfunktion bei großer ausgangsseitiger Kapazität. Die Kurve III stellt den Frequenzgang der Verstärkung bei Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung dar.

Zur Aufbereitung der Steuerpulse für den Schalter F1 können die Schaltsignale für die Schalter S2, S3 des Gegentaktgleichspannungswandlers GW herangezogen werden, z. B. die Einschaltflanke des Schaltsignals SC für den Schalter S2 (Fig. 4). Mit dieser Einschaltflanke zum Zeitpunkt t1 wird ein Monoflop MF getriggert, dessen Haltezeit z. B. 25 ms (entspricht t2-t1) beträgt. Diese Haltezeit ist etwas größer gewählt als die Anlaufzeit des Gegentaktgleichspannungswandlers GW. Die Gatespannung UG für den MOS-Feldeffekttransistor F1 ist in Fig. 4 ebenfalls dargestellt.

Damit beim Schalten dieses MOS-Feldeffekttransistors F1 die Regelschleife nicht gestört wird, erfolgt das Einschalten dieses MOS-Feldeffekttransistors F1 über einen sehr hochohmigen Gatewiderstand R4. Die Gate-Source-Kapazität wird so relativ langsam geladen, wohingegen das Abschalten des MOS- Feldeffekttransistors F1 über einen relativ niederohmigen Widerstand R5 erfolgt (siehe Verläufe der Gatespannung UG in Fig. 4).

Der Schaltregler SR kann natürlich auch als Vorregler für einen Sperrwandler oder Flußwandler dienen. Hier können die Ausgangskapazitäten in den Ausgangskreisen ebenso transformiert werden und dazu ausgenutzt werden, daß eine hohe Regelverstärkung in der Regelschleife bei kleinem ausgangsseitigen Kondensator CA erreichbar ist.

Entsprechend können die Steuerpulse für den Schalter F1 auch von den Einschalt- oder Ausschaltpulsen für den Sperrwandler oder Flußwandler abgeleitet werden. Wird einer von mehreren Ausgängen des Sperrwandlers, Gegentaktgleichspannungswandlers oder Flußwandlers abgeschaltet, so kann der Schalter F1 hochohmig geschaltet werden, weil in diesem Falle die transformierte Kapazität der/des verbleibenden Ausgänge/Ausgangs nicht mehr ausreicht, um Stabilität zu erreichen, oder es kann, zur Verminderung der Regelverstärkung für diesen Fall, nur ein Teil des Widerstandes R1 überbrückt werden oder ein Widerstand anderer Größe zwischen Sensor und Fehlerverstärker FV geschaltet werden.

Claims (5)

1. Schaltregler (SR), insbesondere zum Betrieb an Verbrauchern mit kapazitivem Anteil, mit folgenden Merkmalen:

• - die ausgangsseitige Kapazität (CA) des Schaltreglers ist geringer bemessen als es der für die Betriebsfälle eines nachgeschalteten Verbrauchers (GW) notwendigen Kapazität entspricht,
• - die Steuerschaltung (ST) des Schaltreglers (SR) weist Mittel (R1, F1) auf zur Herabsetzung der Regelverstärkung des Schaltreglers für mindestens einen vorgegebenen Betriebsfall des nachgeschalteten Verbrauchers (GW),
• - die Steuerschaltung (ST) zur Aufbereitung des Stellsignals für das Schaltregler-Stellglied (S1) weist einen Fehlerverstärker (FV) und einen Sensor (R2, R3) auf zur Erfassung der Schaltregler-Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlersignaleingang des Fehlerverstärkers (FV) mit dem Sensor (R2, R3) über einen Widerstand (R1) verbunden ist, der außerhalb einer Anlauf- oder Belastungsänderungsphase mittels eines elektronischen Schalters (F1) niederohmig überbrückbar ist.

2. Anordnung bestehend aus einem Schaltregler (SR) nach Anspruch 1 und einem Sperrwandler oder Flußwandler mit einem oder mehreren Ausgangskreisen als nachgeschaltetem Verbraucher.

3. Anordnung bestehend aus einem Schaltregler nach Anspruch 1 und einem Gegentaktgleichspannungswandler (GW) als nachgeschaltetem Verbraucher.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (F1) über die Schaltpulse für den Sperrwandler (SW) bzw. die Schaltpulse für den Flußwandler oder Gegentaktgleichspannungswandler (GW) triggerbar ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronischer Schalter (F1) ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist, der über einen hochohmigen Gatewiderstand (R4) langsam einschaltbar ist.