DE69727359T2

DE69727359T2 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE69727359T2
Application number: DE69727359T
Authority: DE
Inventors: Gerard Rilly; Markus Rehm; Jose I. Rodriquez-Duran; Thomas Riesle
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: DE69727359D1; DE19705155A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Schaltnetzteil, das einen Schalttransistor sowie einen Trenntransformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung enthält. Diese benötigen einen relativ hohen Bauteileaufwand, insbesondere, wenn eine Regelinformation zur Stabilisierung einer sekundärseitigen Betriebsspannung von der Sekundärseite zur Primärseite übertragen werden muß. Zur Übertragung dieser Information sind verschiedene Ausführungsformen bekannt, beispielsweise unter Verwendung eines Optokopplers. Aus der DE 40 04 707 ist eine Schaltung bekannt, bei der in einem kurzen Zeitintervall während einer Ruhephase des Trenntransformators mittels einer Transistorstufe ein Regelsignal rückübertragen wird. Die Veröffentlichung "UNIQUE CHIP SIMPLIFIES ISOLATED HIGH SIDE SWITCH DRIVE" zeigt ein SMPS mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für Schaltnetzteile dieser Art den Bauteileaufwand zu reduzieren.
Die Erfindung ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird der Steuereingang des Schalttransistors durch die Treiberstufe über ein Differentierelement gesteuert, wobei der Schalttransistor zwischen der Betriebsspannung auf der Eingangsseite und der Primärwicklung des Trenntransformators liegt. Da dadurch der Steuereingang gleichspannungsentkoppelt ist, kann er über einen Widerstand mit dem Potential der Betriebsspannung auf der Eingangsseite verbunden werden.
Die Treiberstufe erzeugt Rechteckimpulse zur Steuerung des Schalttransistors. Die Zeitkonstante des Differentierelementes ist so gewählt, dass der Schalttransistor durch eine positive Impulsflanke ausgeschaltet und durch eine negative Impulsflanke eingeschaltet wird. Die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils kann durch Änderung der Impulsbreite und/oder der Impulsfrequenz geregelt werden.
Da der Schalttransistor in der Stromflußrichtung vor der Primärwicklung des Trenntransformators liegt, wird dasjenige Ende der Primärwicklung, das auf einem niedrigeren Potential liegt, zur Erzeugung einer Betriebsspannung auf der Primärseite benutzt. Diese kann durch ein Netzwerk stabilisiert werden, das zwei Zenerdioden enthält und zur selben Zeit den Anlaufstrom für die Treiberstufe liefert.
Das Schaltnetzteil kann sehr kompakt aufgebaut werden und eignet sich aufgrund seines geringen Energieverbrauchs insbesondere als separates Standby-Netzteil für einen Fernsehempfänger oder Videorecorder. Es betreibt im Standby-Betrieb z. B. nur einen Infrarot-Empfänger und benötigt bei Verwendung in einem Fernsehgerät hierfür nur einen Energieverbrauch von unter 100 mW inclusive Verbraucher.
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand einer schematischen Zeichnung beschrieben, in der die Figur ein Schaltbild eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Schaltnetzteils zeigt.
Das Schaltnetzteil in der Figur enthält einen Brückengleichrichter mit vier Dioden DP01–DP04 zur Erzeugung einer Betriebsspannung UB1 auf der Eingangsseite aus einer Wechselspannung VAC. Die Betriebsspannung UB1 wird durch zwei in Reihe geschaltete Zenerdioden DP05 und DP06 parallel zu zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren CP05 und CP06 stabilisiert. Eine Betriebsspannung UB2 wird zur selben Zeit durch den miteinander verbundenen Mittelabgriff dieser Reihenschaltungen stabilisiert. Die Blindelemente C1 und C2 verringern nennenswert die dem Brückengleichrichter zugeführte Wechselspannung. In dieser beispielhaften Aus führungsform beträgt die Betriebsspannung UB1 36 Volt, und die Betriebsspannung UB2 beträgt 6 Volt.
Die Betriebsspannung UB1 ist mit dem Emitter eines Schalttransistors TP21 verbunden, dessen Kollektor mit der Primärwicklung W1 eines Trenntransformators Tr1 verbunden ist. Der zweite Anschluß 4 der Primärwicklung W1, der auf einem niedrigeren Potential liegt, ist mit der Betriebsspannung UB2 verbunden. Die Betriebsspannung UB2 wird daher durch den Betrieb des Schalttransistors TP21 nicht nur durch die Zenerdiode DP02, sondern außerdem von der Primärwicklung W1 geliefert und wird durch die Zenerdiode DP06 und den Kondensator CP06 stabilisiert. Die Betriebsspannung UB2 dient zur Versorgung einer Treiberstufe IP01 und einer Transistorstufe TP30.
In dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Treiberstufe IP01 ein Oscillator in der Form eines geeignet geschalteten Operationsverstärkers. Er arbeitet als ein astabiler Multivibrator und erzeugt Rechtecksignale. Der Ausgang der Treiberstufe IP01 ist über ein Differentierelement mit dem Steuereingang des Schalttransistors TP21 verbunden. In dieser beispielhaften Ausführungsform enthält das Differentierelement eine Reihenschaltung aus einem Widerstand RP20 und einem Kondensator CP20, deren Werte so gewählt sind, dass sie die Schaltflanken des Oscillatorsignals differentieren.
Parallel zu dem Emitter und der Basis des Schalttransistors TP21 liegt ein Widerstand RP21, der dazu dient, die Basisspannung des Schalttransistors TP21 auf die Betriebsspannung UP1 zu ziehen, so dass der Schalttransistor sich im abgeschaltetem Zustand befindet, wenn kein Treibersignal vorhanden ist. Die Differentiation der Rechteckimpulse ergibt geeignete positive und negative Impulse, die abwech selnd erzeugt werden, um den Schalttransistor TP21 ein- und auszuschalten.
Der Trenntransformator Tr1 enthält eine zusätzliche Primärwicklung W3, die zur Lieferung eines Regelsignals zur Stabilisierung einer oder mehrerer Sekundärausgangsspannungen dient. Dieses Regelsignal wird in einer Transistorstufe TP30 verstärkt und dem Oscillator IP01 zugeführt, um die Impulsbreite und/oder die Frequenz zu regeln.
Das Schaltnetzteil arbeitet zum Beispiel bei einer Oscillatorfrequenz von 100 kHz, die durch den Oscillator IP01 bestimmt wird. Alternativ kann das Schaltnetzteil zum Beispiel über einen Frequenzbereich von 40–150 kHz synchronisiert sein. Mit geeigneten Bauteilwerten kann das Differentierelement an die gewünschte Schwingfrequenz oder einen Schwingbereich angepaßt werden.
Die folgenden Werte wurden für den in der Figur dargestellten Steuerwert für die relevanten Bauteile benutzt:

RP20: 4,7 kOhm

CP20: 100 pF

RP21: 47 kOhm
Der Schalttransistor kann insbesondere ein MOS-Feldeffekttransistor sein, der aufgrund seiner hohen Gate-Eingangsimpedanz mit sehr kleinen Schaltströmen gesteuert werden kann.
Der Trenntransformator Tr1 des Schaltnetzteils enthält eine oder möglicherweise mehrere Sekundärwicklungen W2 zur Erzeugung von Betriebsspannungen. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird eine relativ geringe Last IE, zum Beispiel ein Infrarotempfänger eines Fernsehgeräts oder eines Videorekorders, durch eine Betriebsspannung US1 betrieben.
Die beispielhafte Ausführungsform in der Figur dient vorzugsweise zur Erzeugung von niedrigen Leistungswerten auf der Sekundärseite und hat eine sehr hohe Effizienz. Der Transformator Tr1 kann einen sehr kompakten Aufbau haben, insbesondere, weil er nur für eine niedrige Betriebsspannung ausgelegt ist. Das Schaltnetzteil ist daher besonders geeignet für die Anwendung als ein getrenntes Standby-Schaltnetzteil für elektronische Unterhaltungsgeräte. Alternativ kann es für höhere Leistungswerte ausgebildet werden und ist somit auch zum Beispiel in der Lage, als Gleichspannungs/Gleichspannungs-Konverter (DC-DC-converter) in Verbindung mit einer Autobatterie benutzt zu werden. Das Schaltnetzteil wird in einer einfachen Weise über die Zenerdiode DP05 gestartet.

Claims

Schaltnetzteil mit einem Schalttransistor (TP21), einer Treiberstufe (IP01), einem Trenntransformator (Tr1) mit einer Primärwicklung (W1) und einer Sekundärwicklung (W2) und einer Betriebsspannung (UB1) auf der Eingangsseite, wobei der Schalttransistor (TP21) zwischen dem positiven Anschluß der Betriebsspannung (UB1) und der Primärwicklung (W1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalttransistor (TP21) durch ein Differentierelement (RP20, CP20) zwischen der Treiberstufe (IP01) und dem Schalttransistor (TP21) gesteuert wird und dasjenige Ende (4) der Primärwicklung (W1), das auf der niedrigeren Spannung liegt, zur Erzeugung einer Gleichbetriebsspannung (UB2) auf der Primärseite für den Betrieb der Treiberstufe (IP01) dient.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Differentierelement einen Widerstand (RP20) und einen Kondensator (CP20) in Reihe enthält.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand (RP21) zwischen der Betriebsspannung (UB1) und der Basis des Schalttransistors (TP21) liegt.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberstufe (IP01) Rechteckimpulse zur Steuerung des Schalttransistors (TP21) erzeugt und dass die Zeitkonstante des Differentierelements derart gewählt ist, dass die Differentierung der Rechteckimpulse für die Steuerung des Schalttransistors (TP21) geeignete positive und negative Impulse erzeugt.
Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil eine Reihenschaltung, die an die Betriebsspannung (UB1) angeschlossen ist, und zwei Zenerdioden (DP06, DP05) enthält, um die Betriebsspannung (UB2) zu stabilisieren.
Schaltnetzteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerdiode (DP05), die an die Betriebsspannung (UB1) angeschlossen ist, außerdem zur Lieferung des Anlaufstroms für die Treiberstufe (IP01) dient.
Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung (UB1) auf der Eingangsseite eine Gleichspannung ist, deren Größe kleiner als die Wechselspannung (VAC) auf der Ausgangsseite ist.