DE60003809T2

DE60003809T2 - Direkt an das Netz anschliessbarer Umwandler mit niedrigem Verbrauch

Info

Publication number: DE60003809T2
Application number: DE60003809T
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Gattavari; Claudio Adragna
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2020-07-29
Also published as: DE60003809D1; US20020021576A1; US6424549B1; EP1176705B1; EP1176705A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Umwandler, Adapter, Batterielader und ähnliche Kreise, und insbesondere ein Verfahren zum Steuern eines direkt mit dem Netz verbindbaren Umwandlers.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Stromversorgungen werden allgemein von einem Gleichspannungswandler, der über eine oder mehrere Stufen mit dem Netz gekoppelt ist, gebildet. In einem PWM-Schaltumwandler steuert eine Rechteckwelle den Steuerpol eines Leistungsschalters, um dessen leitenden und nicht-leitenden Zustand zu bestimmen. Die Ausgangsspannung wird erhöht durch Erhöhen der Dauer der Leitungsphase des Schalters bzw. vermindert durch Erhöhen der Nicht-Leitungsphase; somit wird die Ausgangsspannung durch Verändern des Arbeitszyklus der steuernden Rechteckwelle gesteuert.
Wenn der Leistungsschalter ein MOS-Schalter ist, wird eine nicht vernachlässigbare Leistungsmenge verbraucht um das Tor des Schalttransistors periodisch zu laden. Die Dissipation von Leistung nimmt mit der Zunahme der Schaltfrequenz in einem Maße zu, welche die Gesamteffizienz des Umwandlers empfindlich beeinträchtigt. Eine solche Leistungsdissipation senkt die Effizienz des Umwandlers insbesondere dann, wenn die Last relativ klein ist. Aus diesem Grund setzen moderne Geräte eine Ab senkung der Schaltfrequenz ein, wenn eine relativ kleine Last geliefert wird.
In der folgenden Beschreibung wird auf einen Zweistufen-Umwandler, wie er in 1 gezeigt ist, wegen seiner weitaus größeren Verbreitung als andere Umwandlertypen Bezug genommen, obgleich die gemachten Betrachtungen gleichermaßen, mutatis mutandis, auch für einen Umwandler mit einer Anzahl von Stufen von größer als zwei gelten.
Ein Zweistufen-Umwandler kann, wie in 1 veranschaulicht ist, aus einem mit dem Netz gekoppelten Gleichrichter, einem Leistungsfaktor-Korrektur-Vorregulierungskreis (Leistungsfaktor-Korrektor), welcher mit der gerichteten Netzspannung gespeist wird und eine Gleichspannung eines bestimmten Nennwerts erzeugt, und einem Gleichspannungsumwandler, welcher mit Gleichspannung eines Nennwerts gespeist wird und eine Last steuert, bestehen. Der Gleichspannungswandler kann auf einem Kontrollschema einer geeigneten Art basieren (PWM, quasiresonant, usw.).
Eine wohlbekannte Lösung zum Vermindern des Energieverbrauchs bei Zuständen mit einer relativ kleinen oder Null Last, besteht darin, die Schaltfrequenz der Schalter der PFC-Stufe oder der Gleichspannungsstufen getrennt zu vermindern.
US-Patent Nr. 5,903,138 offenbart einen Schaltregulator, welcher einen Niedrig-Lastzustand durch kontinuierliches und in vielfältiger Weise erfolgtes Verändern der folgenden vier Funktionszustände regelt.

a) sowohl der PFC als auch der Umwandler sind an;
b) der PFC ist aus und der Umwandler ist an;
c) der PFC ist an und der Umwandler ist aus;
d) sowohl der PFC als auch der Umwandler sind aus.

Der Schaltregulator kann seinen Funktionszustand sogar dann ändern, wenn die gelieferte Last konstant ist.
US-Patent Nr. 5,960,207 zeigt einen Schaltregulator mit einer Hauptleistungsumwandlungsstufe und einem mit der Last verbundenen externen Kontroller, welcher ein Signal zum Sperren des Leistungsfaktorkorrekturumwandlers erzeugt, wenn die Stromversorgung in einem Niedrigleistungsmodus arbeitet.
Dieser Kontroller, welcher direkt mit der Last verbunden ist, muss den Lastkreis von dem Leistungsfaktorkontroller gegenseitig isolieren.
Sogar wenn die Energieeinsparung, die mit diesen Maßnahmen erhalten werden kann, nicht vernachlässigbar ist, bleibt der Energieverbrauch unannehmbar groß im Falle von Systemen, die für einen langen Zeitraum in einem Bereitschaftszustand verbleiben oder eine relativ niedrige Last liefern.
GEGENSTAND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gefunden und Aufgabe der Erfindung ist ein Umwandler und/oder ein Verfahren zum Steuern eines Umwandlers, welche eine beträchtliche Verminderung der Leistungsdissipation ermöglichen, wenn die Last kleiner als ein bestimmter Grenzwert ist. Die Erfindung ermöglicht die Realisierung von Stromversorgungen, welche die durch CEMEP erlassenen europäischen Energiesparvorschriften bezüglich Energieverbrauch bei kleinen Lastzuständen voll erfüllen.
Genauer ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein direkt mit dem Netz verbindbarer Umwandler mit einer Gleichrichterstufe für die Netzspannung, einem Vorregulierungskreis, welcher mit der gerichteten Netzspannung gespeist wird und eine Gleichspannung eines bestimmten Nennwerts erzeugt, einem Gleichspannungswandler, welcher mit der nominalen Gleichspannung gespeist wird und eine vorbestimmte Gleichspannung an einem Ausgangsknoten erzeugt, und einem Erfassungskreis, der ein die derzeit von dem Umwandler gelieferte Last darstellendes Signal erzeugt, um möglicherweise den Vorregulierungskreis zu sperren. Ein wesentliches Merkmal ist das Vorliegen eines Steuerkreises, welcher als einen Eingang das Signal empfängt, das den derzeitigen Lastwert darstellt, und erzeugt ein Sperrsignal solange die Last einen voreingestellten Wert nicht übersteigt.
Im allgemeinen kann ein Umwandler, der mit dem oben genannten Steuerkreis versehen ist, entsprechend einem Verfahren gesteuert werden, mit den Schritten Erfassen des derzeit gelieferten Lastwerts, Vergleichen der erfassten Last mit einem voreingestellten Grenzwert und Erzeugen des oben genannten Sperrsignals solange die Last niedriger als der voreingestellte Grenzwert bleibt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Umwandlers der Erfindung umfasst einen Vorregulierungskreis mit einem Leistungsfaktor-Korrekturkreis, welcher mit der gerichteten Netzspannung gespeist wird und an einem Eingang ein die nominale Gleichspannung darstellendes Signal empfängt und ein Korrektursignal erzeugt, einem Leistungstreiber, welcher mit der gerichteten Netzspannung gespeist wird und als einen Eingang ein Antriebssignal und das Korrektursignal empfängt und die nominale Gleichspannung erzeugt, wenn die Antriebsspannung gesperrt ist, und einem Antriebssteuerkreis, welcher das Antriebssignal erzeugt, wenn die Spannung an einem Eingangsknoten hiervon Null ist.
In einer solchen Stromversorgung kann der Antriebssteuerkreis einfach realisiert werden durch funktionelles Koppeln eines Vergleichers, welcher das Sperrsignal erzeugt, wenn das die Last darstellende Signal einen voreingestellten Grenzwert übersteigt, mit einem von dem Sperrsignal gesteuerten Schalter, welcher den Eingangsknoten des Antriebskreises von einer Referenzspannung elektrisch isoliert oder damit verbindet.
Weitere Ausführungsformen der Versorgungseinheit der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 und 4 definiert. Das Antriebsverfahren der Erfindung ist in Anspruch 5 definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die verschiedenen Aspekte und Vorteile der Erfindung werden durch eine genaue Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, welche zeigen:
1 ist ein grundlegendes Diagramm eines Zweistufen-Umwandlers der Erfindung;
2 zeigt zwei mögliche Ausführungsformen der Erfindung;
3 ist ein Blockdiagramm des L6561-Geräts von 2;
4 ist ein Blockdiagramm des L5991-Geräts von 2.
BESCHREIBUNG VON MEHREREN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Der Umwandler der Erfindung zeigt eine verbesserte Leistung in Bezug auf Energieeinsparung als vergleichbare bekannte Umwandler, weil wenn der Gleichspannungswandler eine relativ niedrige Last erfasst, der PFC-Vorregulierungskreis automatisch in einen Niedrigverbrauchs-(Bereitschafts-)Zustand versetzt wird. Andererseits, wenn die Last zunimmt, nimmt der PFC wieder seine normale Funktion auf und gibt die gewünscht Leistung und Spannung ab.
Durch Abschalten des PFC wird die Spannung an dem Massekondensator Co, welcher den PFC an den Umwandler koppelt, von dem Wert der regulierten Spannung zu der weitaus niedrigeren, gerichteten und gefilterten Netzspannung vermindert. In Anbetracht der Tatsache, dass der Leckstrom des Kondensators zunimmt, wenn die angelegte Spannung zunimmt, ungefähr entsprechend der folgenden Formel: Ileak ≤ 0,02·C(μF)·VR (V) + 15 μAführt das Abschalten des PFC zu einer Verminderung des Selbstverbrauchs des Kondensators, und somit zu einer weiteren Energieeinsparung. Die Verminderung der Spannung an den Kondensator Co, wodurch die dem Umwandler zugeführte Spannung vermindert wird, ermöglicht zudem eine Verminderung der Schaltverluste des Umwandlers und des PFC, welche durch parasitäre Elemente verursacht sind.
Lediglich zum Zwecke als Beispiel wird ein Zweistufen-Umwandler, wie jener der in 1 gezeigt ist, betrachtet.
Das Steuerverfahren der Erfindung besteht im wesentlichen in einem Erfassen des gelieferten Lastwerts, Sperren des PFC-Vorregulierungskreises jedes Mal wenn die Last unter einen voreingestellten Grenzwert fällt und Ermöglichen der Funktion des PFC-Vorregulierungskreises, wenn die Last den Grenzwert erreicht und/oder übersteigt.
Ein Umwandler kann mit einem gewöhnlichen Gleichspannungswandler durch Erfassen das Lastwerts, Zuführen eines den derzeitigen Lastzustand darstellenden Signals an einen Bereitschafts-Steuerkreis, welcher einen An/Aus-Kreis zum Kontrollieren der Funktion der PFC-Vorregulierungsstufe des Umwandlers steuert, realisiert werden. Das sperrende An/Aus-Signal, welches der PFC-Stufe des Umwandlers zugeführt wird, kann innerhalb des Gleichspannungswandlers selbst oder durch einen externen Kreis, welcher die zur Last gelieferte Leistung erfasst, erzeugt werden.
Zwei mögliche Ausführungsformen der Erfindung, die in herkömmlicher Weise einen im Handel erhältlichen PFC-Vorregulierungskreis und Gleichspannungswandler verwenden, jeweils die Geräte L6561 und L5991 von STMicroelectronics, sind in 2 gezeigt. Die Blockdiagramme der beiden kommerziellen Geräte sind in 3 bzw. 4 gezeigt.
Das Gerät L6561 besteht im wesentlichen aus einem Spannungsregulator VOLTAGE REGULATOR, welcher mit der gerichteten Netzspannung V_cc gespeist ist und an seinem Eingang INV ein die nominale Gleichspannung darstellendes, von dem Vorregulator erzeugtes Signal empfängt, und einem Leistungstreiber DRIVER, welcher mit der Spannung V_cc versorgt wird und von einem Antriebskreis DISABLE gesteuert ist und den Treiber sperrt, wenn die Spannung am Knoten ZCD Null ist.
In diesem Fall reicht es aus, den Knoten ZCD mit Erde zu verbinden um das Gerät L6561 zu sperren, zum Beispiel durch den in 2A gezeigten Steuerkreis zwischen den beiden im Handel erhältlichen Geräten.
Der Transistor 1.a ist an die Zenerdiode gekoppelt und wirkt als ein Vergleicher, welcher an der Basis des Transistors 1.b eine Null Kollektor-Emitter-Spannung erzeugt, wenn die Spannung am Knoten ST-BY gleich oder größer als 5V ist, oder eine Spannung, die geeignet ist, den Transistor 1.b in Leitungszustand zu versetzen, wenn an ST-BY kleiner als 5V vorliegt. Eine solche Kollektor-Emitter-Spannung stellt das Sperrsignal dar. Der Transistor 1.b ist ein Schalter, welcher von dem Sperrsignal gesteuert ist, welches den Knoten ZCD des L6561-Geräts mit Erde verbindet oder trennt.
Ein alternativerWeg zum Abschalten des Geräts L6561 kann jener sein, dieses von der Versorgungsleitung in der in 2 gezeigten Weise zu trennen. In dieser zweiten Ausführungsform koppelt der von dem Sperrsignal gesteuerte Schalter das Gerät L6561 mit der VCC-Leitung.
Das kommerzielle Gerät L5991, dessen Blockdiagramm in 4 gezeigt ist, ist mit einem das PWM-Antriebssignal regelnden logischen Kreis versehen, welcher an dem Eingangsknoten ISEN ein Signal, welches den an die Last gelieferten Strom darstellt, an dem Knoten SC ein Arbeitszyklus-Regulationssignal und an dem Knoten RCT ein Taktsignal empfängt.
Das Gerät L5991 ist auch mit einem Treiber zu den Ausgangsknoten OUT und PGND, von denen der Ausgangsbrückenkreis gekoppelt ist, und mit einem Bereitschafts-Kreis STAND-BY, welcher ein Auswahlsignal an dem Knoten ST-BY erzeugt, um die Frequenz des externen Oszillators, welcher das Taktsignal erzeugt, auf ei nen Minimalwert zu vermindern, wann immer die Last unter einen bestimmten voreingestellten Grenzwert fällt, versehen.
Ein solcher Bereitschafts-Kreis liegt für gewöhnlich in mehreren anderen im Handel verfügbaren Umwandlern zum Vermindern der Schaltverluste, wenn die Last relativ niedrig ist, vor.
Der verbesserte Umwandler der Erfindung kann in einfacher Weise realisiert werden, indem einem der Steuerkreise von 2 das Auswahlsignal, das bereits innerhalb dieser im Handel verfügbaren Umwandler erzeugt ist, als ein den Lastwert darstellendes Signal zugeführt wird.
Übersetzung zu 1

ON/OFF = AN/AUS
DC-DC-CONV. = GLEICHSPANNUNGSWANDLER
STAND-BY = BEREITSCHAFT

Übersetzung zu 2

Normal load = Normallast
Standby = Bereitschaft
from the self-supply circuit = von dem Selbstversorgungskreis

Übersetzung zu 3

VOLTAGE REGULATOR = SPANNUNGSREGULATOR
OVER-VOLTAGE DETECTION = ÜBERSPANNUNGSERFASSUNG
MULTIPLIER = MULTIPLIZIERER
INTERNAL SUPPLY 7V = INTERNE VERSORGUNG 7V
DRIVER = TREIBER
ZERO CURRENT DETECTOR = NULLSTROM-DETEKTOR
STARTER = STARTER
DISABLE = SPERRE

Übersetzung zu 4

TIMING = TAKTGEBUNG
BLANKING = ÜBERLAGERUNG
OVER CURRENT = ÜBERSTROM
FAULT SOFT START = FEHLER-SOFTSTART
STAND-BY = BEREITSCHAFT

Claims

Direkt mit dem Netz verbindbarer Umwandler mit einer Gleichrichterstufe für die Netzspannung, einem Leistungsfaktor-Korrektur-Vorregulierungskreis (PFC), welcher mit der gerichteten Netzspannung gespeist wird und eine Gleichspannung eines bestimmten Nennwerts erzeugt, einem Gleichspannungswandler, welcher mit der Gleichspannung eines bestimmten Werts und einem Taktsignal gespeist wird, das von einem externen Oszillator erzeugt wird und dessen Frequenz zwischen wenigstens zwei verschiedenen Werten als Funktion eines Auswahlsignals (ST-BY) geändert wird, welcher eine vorbestimmte Gleichspannung an einem Ausgangsknoten erzeugt und einen Bereitschaftskreis (STAND-BY) umfasst, der das Auswahlsignal als Funktion des Ausgangsstroms erzeugt, und einem Steuerkreis, dem das Auswahlsignal (ST-BY) zugeführt wird und ein Sperrsignal des Leistungsfaktor-Korrektur-Vorregulierungskreises erzeugt, wenn das Auswahlsignal (ST-BY) die Frequenz des Oszillators auf ihren minimalen Wert einstellt.
Umwandler von Anspruch 1, wobei der Leistungsfaktor-Korrektur-Vorregulierungskreis umfasst: einen Korrekturkreis, der an einem Eingang ein die gewünschte Nenngleichspannung darstellendes Signal empfängt und ein Korrektursignal erzeugt, einen mit der gerichteten Netzspannung gespeisten und als Eingangssignal ein Antriebssignal und das Korrektursignal empfangenden Leistungstreiber, der die Nenngleichspannung erzeugt, wenn das Treibersignal gesperrt wird, einen Antriebskreis, der das Antriebssignal erzeugt, wenn die Spannung an einem Eingangsknoten hiervon Null ist, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst: einen Vergleicher, der das Sperrsignal erzeugt, wenn das den Lastwert darstellende Signal die vorbestimmte Schwelle übersteigt; einen von dem Sperrsignal gesteuerten Schalter, der den Eingangsknoten des Antriebssteuerkreises von einer Bezugsspannung elektrisch isoliert oder damit verbindet.
Umwandler von Anspruch 1, wobei der Steuerkreis umfasst: einen Vergleicher, der das Sperrsignal erzeugt, wenn das die Last darstellende Signal eine bestimmte Schwelle übersteigt; einen von dem Sperrsignal gesteuerten Schalter, der den Leistungsfaktor-Korrektur-Vorregulierungskreis mit dem Ausgang der Gleichrichterstufe elektrisch verbindet oder trennt.