DE4422399A1

DE4422399A1 - Schaltungsanordnung zur Erfassung eines Stroms in einem Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE4422399A1
Application number: DE4422399A
Authority: DE
Inventors: Andreas Stiedl
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1994-06-27
Publication date: 1996-01-04

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Schaltnetz teile.

Sie geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Erfassung eines Stromes in einem Schaltnetzteils nach dem Oberbe griff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Eine solche Schaltungsanordnung wird beispielsweise im Datenblatt der Schaltregler-Familie LTC1148 Familie von Linear Technology, 1993, beschrieben.

Üblicherweise werden heute zwei Schaltungen eingesetzt, um den Strom in einem Schaltnetzteil zu erfassen:

- Einerseits wird ein niederohmiger Widerstand in Se rie mit einer Spule geschaltet. Der Spannungsabfall, verursacht durch den durch den Widerstand fließenden Strom, wird gemessen. Dieses Spannungssignal ist gemäß dem Ohmschen Gesetz proportional zum Strom durch den Widerstand und damit zum Spulenstrom. Diese Methode wird im eingangs genannten Datenblatt verwendet (siehe Fig. 1: "High Efficiency Step-Down Converter"). Der Nachteil dieser Schaltung ist ein zusätzlicher Spannungsabfall und damit eine Verlust leistung im Shuntwiderstand. Dies beeinträchtigt den Wirkungsgrad des Schaltnetzteils.
- Andererseits wird in Serie zur Spule ein Stromwand ler, z. B. ein Transformator, vorgesehen. Dieser liegt mit der Primärwicklung im zu messenden Strom kreis und ist sekundärseitig mit einem Widerstand abgeschlossen. Der Primärstrom, d. h. der Spulen strom, wird also sekundärseitig in ein proportiona les Spannungssignal umgewandelt. Diese Variante wird immer dann eingesetzt, wenn die Verlustleistung ei nes Shunts zu groß werden würde. Ein Beispiel für diese Schaltung ist dem Product & Applications Hand book 1993-1994 von Unitrode Integrated Circuits Cor poration, Seiten 9-170 bis 9-181, zu entnehmen. Der Nachteil dieser Schaltung liegt im hohen Preis des Stromwandlers, der typischerweise mindestens das Zehnfache eines Shuntwiderstandes beträgt.

Die Spule kann an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein. In der Application Note "AN9028" der Harris Corpo ration, 1992, werden auf der Seite 30 verschiedene Vari anten von Schaltnetzteiltypen vorgestellt. Allen Varian ten ist gemeinsam, daß sie einen eingangsseitigen und einen ausgangsseitigen, kapazitiven Energiespeicher, ein Schaltelement, einen Gleichrichter und mindestens eine Spule umfassen.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schal tungsanordnung zur Erfassung eines Stromes in einem Schaltnetzteil anzugeben, welche möglichst verlustfrei arbeitet und damit einen hohen Wirkungsgrad aufweist, welche aber dennoch preisgünstig ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der ein gangs genannten Art durch die Merkmale des ersten An spruchs gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, daß parallel zu einer Spule ein Integrator vorgesehen ist, welcher die Spannung über der Spule integriert. In einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel umfaßt der Integrator ein RC-Glied.

Die Spule kann je nach Topologie des Schaltnetzteils an verschiedenen Stelle angeordnet sein. Diese Topologien dienen als Basis für weitere Ausführungsbeispiele.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine reale Spule als Serieschaltung einer idealen Induktivität und eines idealen, induktionslosen, ohmschen Widerstandes dargestellt werden kann. Der Widerstand setzt sich im we sentlichen aus dem Kupferwiderstand des Wicklungsdrahtes der Spule zusammen. Wird das Integral über eine Schaltpe riode der Spannung über der Spule gebildet, so muß das Spannungsintegral über der idealen Induktivität im sta tionären Fall gleich Null sein. Eine ideale Induktivität nimmt ja bekanntlich keine Gleichspannung auf. Der Stromfluß durch den ohmschen Widerstand der Spule verursacht jedoch einen Spannungsabfall, der stets ungleich Null ist. Integriert man nun die Spannung über der Spule, so ist der Wert des Integrals proportional zum Spannungsab fall am Kupferwiderstand der Spule und damit nach dem Ohmschen Gesetz proportional zum Strom, der durch die Spule fließt, d. h. zum Strom in diesem Teil des Schaltnetzteils.

Somit wird die Funktion des Shuntwiderstands durch den Kupferwiderstand der Spule übernommen. Dieser ist im all gemeinen sehr klein. Dadurch werden die Verluste minimal und ein hoher Wirkungsgrad resultiert. Zudem wird die An ordnung auch sehr preisgünstig, denn es muß kein zusätz liches Element vorgesehen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 Ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach Fig. 1;

Fig. 3a-g Verschiedene Topologien von Schaltnetzteilen.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 3a-g zeigen verschiedene Topologien von Schaltnetzteilen. Ein solches Schaltnetzteil umfaßt ganz allgemein einen eingangsseitigen und einen ausgangsseiti gen, kapazitiven Energiespeicher C1, C2. Zudem ist ein Schaltelement S und ein Gleichrichter D vorgesehen. Für die Erfindung von Bedeutung ist, daß mindestens eine Spule 2 vorgesehen ist. Die Funktion der Schaltungen wird als bekannt vorausgesetzt und ist im übrigen in der ein gangs erwähnten Application Note im Detail erläutert. Die Grundelemente können, wie die Figuren zeigen, auf ver schieden Arten zusammengestellt werden.

Um den Strom Itot durch die Spule 2 zu messen, wird eine Anordnung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, vorgese hen. Es kommt dabei nicht darauf an, welche Topologie verwendet wird, bzw. an welcher Stelle die Spule 2 ange ordnet ist.

Die Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeich net, daß parallel zur Spule 2 ist ein Integrator 3 ge schaltet ist, der die Spannung Utot über der Spule 2 über einen Schaltzyklus integriert und ein zum Spulenstrom Itot proportionales Spannungssignal abgibt, welches in einer Spannungserfassungsvorrichtung 4 gemessen wird.

In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darge stellt, bei welchem der Integrator 3 ein RC-Glied, beste hend aus einer Serieschaltung eines Widerstands R und ei nes Kondensators C, umfaßt. Anhand dieses Ausführungs beispiels soll im folgenden analytisch die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erläutert werden.

Die Spule 2 kann im allgemeinen Fall durch die Serie schaltung einer idealen, verlustlosen Induktivität L und eines idealen, induktionslosen, ohmschen Widerstandes Rcu dargestellt werden. Der Widerstand Rcu ergibt sich im we sentlichen durch den Kupferwiderstand des Wicklungs drahtes der Spule 2. Mit realen Werten können folgende vereinfachende Annahmen getroffen werden:

R » R_cu wL ⇒ I_L ≅ I_tot (1)

R » 1/(wC) ⇒ U_R ≅ U_tot (2)

wL » R_cu ⇒ U_L ≅ U_tot (3)

Aus (1)-(3) ergeben sich die folgenden Differen tialgleichungen:

Da U_C = U_Rcur sein soll, folgt für die Wahl der Elemente R und C:

Wenn man also an C die gleiche Spannung wie an Rcu er halten will, muß man nur gemäß (5) die Werte für C und R wählen, denn L und Rcu sind ja bekannt.

Auf diese Weise erhält man aus (1) und (4) den Spulenstrom als:

Wie man sieht erhält man durch Integration der über der Spule 2 liegenden Spannung Utot ein zum Spulenstrom Itot proportionales Signal, welches mittels der dem Integrator 3 nachgeschalteten Spannungsmeßeinrichtung 4 gemessen werden kann.

Im Falle des RC-Gliedes wird die Spannungsmeßeinrichtung 4 parallel zum Kondensator C angeordnet.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist also be züglich Wirkungsgrad und Kosten einen optimalen Aufbau auf.

Bezugszeichenliste

1 Schaltnetzteil
2 Spule
3 Integrator
4 Spannungserfassungsvorrichtung
D Gleichrichter
L ideale Induktivität
R, Rcu ohmsche Widerstände
C, C1, C2 Kondensatoren
S Schaltelement
Utot Spannung über der Spule
URcu Spannung über Rcu
UC Spannung über C
UL Spannung über L
Itot Spulenstrom
IL Strom durch L bzw. Rcu
IR Strom durch R bzw. C
w Kreisfrequenz
T Periodendauer

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Erfassung eines Stromes Itot in einem Schaltnetzteils (1), umfassend eine Spule (2), welche einen Bestandteil des Schaltnetzteils (1) bildet und vom Strom Itot durchflossen wird, Mittel zur Erzeugung eines zum Strom Itot proportio nalen Spannungssignals sowie eine Vorrichtung (4) zur Erfassung des Spannungssignals , dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel parallel zur Spule (2) an geordnet sind und einen Integrator (3) umfassen, welcher die Spannung Utot über der Spule (2) inte griert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spule (2) zwischen einem Gleich richter (D) und einem ausgangsseitigen, kapazitiven Energiespeicher (C2) angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spule (2) einerseits mit dem ge meinsamen Knotenpunkt eines Schaltelements (S) und eines Gleichrichters (D) und andererseits mit dem Bezugspotential verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spule (2) zwischen einem ein gangsseitigen, kapazitiven Energiespeicher (C1) und einem Schaltelement (S) angeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei Spulen (2) vorgesehen sind, von denen die eine zwischen einem eingangsseitigen, ka pazitiven Energiespeicher (C1) und einem Schaltele ment (S) und die andere zwischen einem Gleichrichter (D) und einem ausgangsseitigen, kapazitiven Energie speicher (C2) angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spule (2) Bestandteil eines Wand lers ist, welcher einem eingangsseitigen, kapaziti ven Energiespeicher (C1) nachgeschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator ein RC- Glied, bestehend aus einer Serieschaltung eines Wi derstandes R und eines Kondensators C, umfaßt und daß die Vorrichtung (4) zur Erfassung des Span nungssignals parallel zum Kondensator C geschaltet ist.