DE69300359T2 - Integrierte Schaltung für Schaltnetzteil mit Selbst-Vorspannung beim Start. - Google Patents

Integrierte Schaltung für Schaltnetzteil mit Selbst-Vorspannung beim Start.

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Description

    1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Netzteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Netzteil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus der Zeitschrift Electronique Nr. 19 (1992), Seite 86, bekannt.
  • Die Herstellungskosten eines Netzteils sind ein wesentlicher Punkt bei der Auswahl des in speziellen Anwendungen zu verwendenden Netzteiltyps, ferner auch bei den zur Herstellung auszuwählenden Komponenten. Schaltende Netzteile sind hinsichtlich Kosten konkurrenzfähig mit den viel einfacheren linearen Netzteilen geworden, weil die integrierte Schaltungstechnik (IC) solche Fortschritte gemacht hat, daß eine Vielzahl von komplexen Schaltungen für Schaltungsbetrieb auf einem einzelnen Chip integriert werden können. Als Faustregel kann gelten, daß, je weniger notwendige Anschlußstifte auf einer IC-Packung sind, um so niedriger die Kosten liegen. Weniger Stützbauteile und weniger teure periphere Bauteile führen ebenfalls zur Herabsetzung der Gesamtkosten eines Netzteils.
  • Fig. 1 stellt ein Netzteil 10 des Standes der Technik dar, welches einen Vollwegbrückengleichrichter 12, einen Transformator 14 mit einer Primärwicklung 16 und zwei Sekundärwicklungen 18 und 20, ein Netzteilchip 22 für Schaltungsbetrieb, eine Mehrzahl von Filterkondensatoren 24- 27, zwei Dioden 28 und 30 und einen Hochspannungs-/Hochleistungswiderstand 32 umfaßt. Die zum Betrieb des Chips 22 notwendige Leistung wird durch die Sekundärwicklung 20, die Diode 30 und den Kondensator 27 bereitgestellt und als Vbias bezeichnet. Beim Stromversorgungsanlauf jedoch ist der Chip 22 ohne Strom, weil die Primärwicklung 16 offen ist und keine Spannung in die Sekundärwicklung 20 induziert wird, weil das Chip 22 noch nicht schaltet. Um das Schalten zu iniziieren, wird eine Stelle mit hoher Gleichspannung am Brückengleichrichter 12 über den Widerstand 32 abgezapft und der Strom wird durch den Kondensator 25 geglättet. Diese Abzapfung führt gerade genug Strom über den Widerstand 32 zu, um das Chip 22 zu starten. Leider muß der Widerstand 32 vom Hochleistungstyp sein, weil beträchtliche Leistungsbeträge im Verfahren der Herabsetzung der hohen Spannung der Leitung auf die niedrige, vom Chip benötigte Spannung umgesetzt werden können. Die Stromverschwendung ist andauernd, selbst nachdem Vbias verfügbar ist. Dieses Problem ist insbesondere dann gravierend, wenn der Bereich der Eingangsspannung breit ist (z.B. 80-275 VAC für universellen Betrieb beträgt). Nach den Konstruktionsregeln für den schlechtesten Fall muß der Widerstand 32 so ausgelegt werden, daß er den nötigen Anlaufstrom für die niedrigste erwartete Spannung liefert. Daher muß bei der höchst erwarteten Spannung der Widerstand 32 die gesamte Mehrleistung verbraten. Zu dem Problem kommt noch hinzu, daß solche Hochleistungswiderstände extra Raum- und Luftzirkulation erforderlich machen.
  • Fig. 2 stellt ein Netzteil 50 des Standes der Technik dar, das zum Netzteil 10 ähnlich ist, außer daß der Widerstand 32 fortgelassen und das Chip 22 durch ein Netzteilchip 52 mit Schaltungsbetrieb ersetzt worden ist. Ein innerhalb des Chip 52 untergebrachter Spannungsregler ermöglicht das Fortlassen des Widerstandes 32 und umfaßt einen Hochspannungs- Vorregeltransistor 54, einen in Serie geschalteter Durchlaßtransistor 56 und einen Unterspannungsvergleicher 58. Ein Widerstand 60 spannt den Transistor 54 leitend vor, und während des anfänglichen Leistungsanlaufs zieht der Transistor 54 den Transistor 56 nach oben und liefert Strom an einen Impulsbreitenmodulator (PWM) 62, der einen Leistungsausgangstransistor 64 anschaltet. An der Primärwicklung 16 entwickelt sich eine Spannung und induziert eine Spannung in der Sekundärwicklung 20, wodurch Vbias geliefert wird. Mit zugeführtem Vbias arbeitet der Vergleicher 58, um den Transistor 54 abgeschaltet zu halten, d. h. es wird keine Hochspannungsleistung mehr benötigt. Das Abschalten des Hochspannungsvorreglers 54 spart Strom nach dem Start, jedoch ist die Verwirklichung einer derartigen Funktion teurer, da ein Hochspannungstransistor und ein extra Anschlußstift mit Sicherheitsabstand für die Hochspannung benötigt werden.
  • Der typische Hochspannungstransistor des Stands der Technik, wie er in dem Vorregler des Netzteiltyps mit Schaltbetriebsweise verwendet wird, ist gewöhnlich eine kleine Vorrichtung. Die Unempfindlichkeit des Transistors gegenüber Leitungsspannungsschwankungen ist deshalb begrenzt. Daher wird der dem Transistor zugeordnete Anschlußstift zu einem begrenzenden Faktor für die Bewertung nach elektrostatischer Entladung (ESD) und nach sicherem Betriebsbereich (SOA) des schaltenden Regelchips.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einer Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Netzteilchip für Schaltungsbetrieb geschaffen, welches keinen ausdrücklichen Klemmenstift zum Angriff der Hochspannung während des Anlaufens benötigt.
  • Die vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 offenbart.
  • In Kurzdarstellung stellt eine Ausführungsform der Erfindung ein schaltendes Netzteil dar, welches einen Vollwegbrückengleichrichter zur Gleichrichtung ankommender Leitungswechselspannung, einen Transformator mit einer Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen und ein Netzteilchip für Schaltungsbetrieb umfaßt, welches einen integrierten Hochspannungsleistungs-MOSFET mit Niederspannungsabgriff in der Driftregion aufweist. Der MOSFET steuert die Leistungsschaltung der Primärwicklung des Transformators und besitzt eine Hochspannung, die während des anfänglichen Hochfahrens zugegen ist. Diese Hochleistungsspannung fällt an dem JFET-Teil des MOSFET ab und versorgt einen Regler mit Leistung entweder zeitweilig oder andauernd, um einen Impulsbreitenmodulator in dem Chip zu betreiben, der das Schalten des MOSFET steuert.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine integrierte Schaltung vorgesehen ist, die keinen Hochleistungsvorspannungswiderstand oder einen Hochspannungsvorregler benötigt.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine integrierte Schaltung vorgesehen ist, die den Einsatz eines einfachen, voll-integrierten Netzteilchips mit wenig Anschlußstiften und externen Komponenten ermöglicht.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die integrierte Schaltung ökonomisch sein kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung beruht darauf, daß die integrierte Schaltung wesentliche Leistung spart, verglichen mit Netzteilen nach dem Stand der Technik, bei denen ein Widerstand mit abfallender Hochspannung benutzt wird.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die integrierte Schaltung ein voll-integriertes schaltendes Netzteil mit nur einem Hochspannungsanschlußstift ermöglicht, so daß die elektrostatische Entladung und die Bedenken hinsichtlich sicheren Betriebsbereich gegenüber vorbekannten Verwirklichungen reduziert sind, bei denen mindestens zwei Hochspannungsstifte erforderlich sind.
  • Diese und andere Zielrichtungen und Vorteile der Erfindung werden den Fachleuten nach Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich, die in den verschiedenen Figuren dargestellt sind.
    • Die Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines vorbekannten Netzteils, welches einen Widerstand mit Hochspannungsabfall aufweist, um die Anfahr-/Startvorspannung zu erzeugen;
  • Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren vorbekannten Netzteils, welches einen Hochspannungsregeltransistor mit einem Netzteilchip umfaßt, um die Hochfahr-/Startvorspannung zu erzeugen;
  • Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Netzteils für Schaltungsbetrieb der vorliegenden Erfindung und
  • Fig. 4 ist eine Skizze des Layouts des Netzteilchips, so wie es in dem Netzteil der Fig. 3 verwendet wird.
    • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
  • Fig. 3 stellt eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Netzteils dar, das mit dem allgemeinen Bezugszeichen 70 bezeichnet ist. Das Netzteil 70 umfaßt einen Vollwegbrückengleichrichter 72, einen Transformator 74 mit einer Primärwicklung 76 und zwei Sekundärwicklungen 78 und 80 sowie ein Netzteilchip 82 für Schaltungsbetrieb. Ein Hochspannungs-Leistungs-Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor (MOSFET) 84 ist innerhalb des Chips 82 vorgesehen und umfaßt das Äquivalent eines Sperrschichtfeldeffekttransistors (JFET) 86 und eines isolierten Gate-FET (IGFET) 88. Ein Abgriff 90 führt einem Regeltransistor 92 und einem Widerstand 94 Niederspannung zu, wenn das IGFET 88 abgeschaltet ist.
  • Das MOSFET 84 ist vorzugsweise dem in US-A 4,811,075 beschriebenen MOSFET ähnlich, das am 7. März 1989 Klas H. Eklund erteilt wurde. Ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate und ein doppelseitiger Sperrschichtfeldeffekttransistor sind in Serie auf dem gleichen Halbleiterchip zur Bildung eines Hochspannungs-MOS- Feldeffekttransistors geschaltet. Eine ausgedehnte Drainregion ist auf der Oberseite des Substrats aus entgegengesetztem Leitfähigkeitsmaterial gebildet. Eine Oberschicht aus Material ähnlich zu dem des Substrats wird durch Ionenimplantation durch das gleiche Maskenfenster wie die ausgedehnte Drainregion erzeugt. Die oberseitige Schicht bedeckt nur einen mittleren Teil des ausgedehnten Drains, welches Enden besitzt, die sich mit einer Siliciumdioxidschicht treffen. Der Stromfluß durch das ausgedehnte Drain wird durch das Substrat und die oberseitige Schicht gesteuert, die das ausgedehnte Drain zwischen sich in einer bekannten Feldeffektweise einklemmen. Die Driftregion des MOSFET 84 wird zur Herabsetzung der hohen Leitungspannung auf eine niedrige Spannung für die Vorspannung des Chips 82 benutzt. Die Verbindung zwischen dem JFET 86 und dem IGFET 88 am Angriff 90 ist typischerweise auf 15 bis 20 Volt begrenzt, und zwar infolge der Abklemmwirkung des JFET 86.
  • Zwei Widerstände 96 und 98 stellen einen Spannungsteiler für einen Unterspannungsvergleicher 100 dar, der einen in Serie geschalteten Durchlaßtransistor 102 steuert. Der Ausgang des Transistors 102 stellt eine interne Niederspannungszufuhr an den Impulsbreitenmodulator (PWM) 104 dar. Sobald die interne Niederspannungszufuhr aufkommt, kann der Impulsbreitenmodulator 104 das IGFET 88 ein- und ausschalten. Dies bringt den Transformator 74 in Betrieb und dazu, eine Spannung in der Wicklung 80 zu induzieren. Eine Diode 106 und zwei Kondensatoren 108 und 110 sorgen für einen geglätteten Niederspannungsgleichstrom, der als Vbias bezeichnet wird und an eine Verbindung 112 geliefert wird. Das JFET 86, welches abgeklemmt wird, verhält sich wie eine Stromquelle und liefert den Strom zur Aufladung des Bypass- Kondensators 110. Vbias liefert danach die Quelle für die interne Niederspannungsversorgung und der Transistor 92 kann ausgeschaltet werden. Wenn die Spannung am Verbindungspunkt 112 den erforderlichen Wert erreicht, kann die Spannung durch Steuerung des Transistors 102 geregelt werden.
  • Solange der IGFET 88 während jedes Zyklus abgeschaltet ist, fließt genug Strom durch den JFET 86, um den mittleren internen Niederspannungszufuhrstromanforderungen zu genügen. Der Chip 82 könnte kontinuierlich von der Hochspannungsleitung betrieben werden, wenn dies erwünscht wird. Jedoch führt der Chipzufuhrstrom von der Hochspannungsleitung für den normalen Betrieb dazu, daß bedeutsame Leistungsverluste im JFET 86 auftreten, was durch Anwendung der Niederspannungsvorspannung Vbias vermieden werden kann, die von dem Transformatorausgang abgeleitet wird. In diesem Fall wird der Transistor 92 abgeschaltet, wenn das Chip 82 aktiviert wird, nachdem die Spannung am Verbindungspunkt 112 seine Betriebsspannung erreicht und Vbias wird weiterhin zur Leistungsversorgung des Chips 82 verwendet. Damit dies klappt, hat der Kondensator 110 groß genug zu sein, um den Zufuhrstrom ohne bedeutsamen Abfall der Spannung zu liefern, bis Vbias aufkommt. Die Hysterese am Vergleicher 100 läßt einiges an Spannungsabfall am Kondensator 110 während der Übergangsperiode zu, die zwischen dem Abschalten des Transistors 92 und dem Anstieg von Vbias auf ihren normalen Betriebspegel kommt. Wenn die Spannung am Kondensator 110 unterhalb des Hysteresewertes fällt, bevor Vbias seinen vollen Wert annimmt, schaltet der Vergleicher 100 den Schaltungstransistor 92 an und den Transistor 102 ab, und der Anfahrzyklus wiederholt sich, bis Vbias verfügbar ist.
  • Fig. 4 stellt ein typisches Layout für das Chip 82 dar. Weil es sich beim MOSFET 84 um einen Hochspannungs-Hochstromtyp handelt, ist die tatsächliche Flächeneinteilung des Chips für seine Verwirklichung signifikant. Im Beispiel des Standes der Technik nach Fig. 2 würde der Hochspannungstransistor 54 auch einen bedeutsamen Betrag der Chipfläche beanspruchen. Deshalb verringert der Fortfall eines derartigen Transistors als Hochspannungstransistor 54 in der vorliegenden Erfindung sowohl die Größe als auch die Herstellungskosten.

Claims (9)

1. Netzteil mit einem Transformator (74), der eine Primärwicklung (76) und mindestens eine Sekundärwicklung (80) und eine integrierte Schaltungseinrichtung umfaßt, mit folgenden Merkmalen:
eine Leistungsschalteinrichtung (84) in Serie mit der Primärwicklung (76), um den Strom an- und auszuschalten;
eine Pulsbreitenmodulationseinrichtung (104) zur Steuerung der Leistungsschalteinrichtung (84) zur Regelung des Ausgangsstroms des Transformators (74), und
eine Spannungsregeleinrichtung (92, 94, 100, 102) zur Erzeugung einer ursprünglichen Spannungsversorgung für die Impulsbreitenmodulationseinrichtung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistungsschalteinrichtung (84) folgendes umfaßt:
einen ersten FET-Transistor (86) mit einer Source, einem Drain und einem Gate,
einem zweiten FET-Transistor (88) mit einer Source,
einem Drain und einem Gate und
einer gemeinsamen Verbindung der Source des ersten Transistors (86) und dem Drain des zweiten Transistors (88), wobei der erste Transistor die an das Drain des zweiten Transistors angelegte Spannung begrenzt,
ein Niederspannungsabgriff (90), der mit der gemeinsamen Verbindung verbunden ist, um eine reduzierte Spannung abzuziehen, verglichen mit der am Drain des ersten Transistors erscheinenden Spannung, und
daß die Spannungsregeleinrichtung (92, 94, 100, 102) mit dem Niederspannungsabgriff (90) verbunden ist.
2. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistungsschalteinrichtung (84) eine MOSFET- Einrichtung umfaßt,
daß der erste Transistor (86) ein Sperrschicht- Feldeffekttransistor (JFET) mit einem geerdeten Gate darstellt und
daß der zweite Transistor (88) ein isolierter Gate- Feldeffekttranstor (IGFET) mit einem geerdeten Source darstellt.
3. Netzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Regeleinrichtung (92, 94, 102) einen dritten FET-Transistor (92) und einen Widerstand (94) umfaßt, um das Gate des dritten Transistors (92) hochzuziehen, und
daß ein Spannungsvergleicher (100) zur Aufrechterhaltung einer geregelten Spannung am Source des dritten Transistors vorgesehen ist.
4. Netzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungsvergleicher (100) eine mit dem Gate des dritten Transistors (92) verbundenen Ausgang und zwei Eingänge aufweist, die mit einer Vergleichsspannung und einer Probe (über 96, 98) der geregelten Spannung verbunden sind.
5. Netzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Transistor (86), der zweite Transistor (88), der Niederspannungsabgriff (90) und die Regeleinrichtung (92, 94, 100, 102) in einer integrierten Schaltung (IC) mit einer intern erzeugten Vorspannung für Stromversorgung eingeschlossen sind.
6. Netzteil nach Anspruch 5 mit folgenden weiteren Merkmalen:
eine Vollwegbrückengleichrichtereinrichtung (72) zur Erzeugung einer hohen Gleichspannung aus einem Wechselspannungseingang und
eine Filterkondensatoreinrichtung (81) zur Glättung der hohen Gleichrichterspannung der Vollwegbrückengleichrichtereinrichtung (72), worin
die Transformatoreinrichtung (74) zur Erzeugung isolierter Gleichrichterausgangs- und Versorgungsspannungen aus der hohen Gleichrichterspannung ausgebildet ist und
die integrierte Schaltungseinrichtung zum Schalten der hohen Gleichrichterspannung über die Transformatoreinrichtung (74) ausgebildet ist, so daß die isolierte Gleichrichterausgangs- und Versorgungsspannung geregelt werden.
7. Netzteil nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sperrschichtfeldeffekttransistor (86) mit seinem Drain zu der hohen Gleichspannung über die Transformatoreinrichtung verbunden ist, so daß eine der hohen Gleichstromspannung gleichkommende Spannung daran gehindert wird, an der Source des JFET (86) zu erscheinen und
daß die Pulsbreitenmodulationseinrichtungen (PWM) (104) zum Treiben des Gate des IGFET (88) in Abhängigkeit von einer am isolierten Gleichspannungsausgang abgenommenen Spannung ausgebildet ist.
8. Netzteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungsregeleinrichtung
eine erste Spannungsregeleinrichtung (92, 94) zur Zufuhr eines Betriebsstromes an die PWM-Einrichtung (104) von einer an der Source des JFET (86) verfügbaren Spannung und
eine zweite Spannungsregeleinrichtung (100, 102) zur Zufuhr eines Betriebsstromes an die PWM-Einrichtung (104) von der isolierten Vorspannung (112) umfaßt.
9. Netzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die nachfolgenden Bauteile alle in einem Chip untergebracht sind:
die Leistungsschalteinrichtung (84) zum Ein- und Ausschalten der Primärwicklung (76) des Schaltnetzteil- Transformators (74), welche Leistungsschalteinrichtung (84) den ersten Transistor (86) zur Begrenzung der an dem Drain des zweiten Transistors anliegenden Spannung umfaßt,
der Niederspannungsabgriff (90), der mit dem Drain des zweiten Transistors verbunden ist und
die Regeleinrichtung (92, 94, 100, 102) zur Erzeugung der Versorgungsspannung, die zum kontinuierlichen Betrieb der Leistungsschalteinrichtung (84) ausreicht.
DE69300359T 1992-09-01 1993-08-25 Integrierte Schaltung für Schaltnetzteil mit Selbst-Vorspannung beim Start. Expired - Lifetime DE69300359T2 (de)

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JP3250881B2 (ja) 2002-01-28

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