HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Schutzschaltungen für
Netzteile und bezieht sich insbesondere auf eine Überspannungsschutzschaltung für ein
Schaltnetzteil von der Art, die über einen Transformator und einen mit einer Wicklung des
Transformators in Reihe geschalteten Schalttransistor verfügt.
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Eine derartige Überspannungsschutzschaltung ist aus der US-
amerikanischen Patentanmeldung Nr. 5.313.381 bekannt.
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Schaltnetzteile sind in der Technik gut bekannt und werden typischerweise
eingesetzt, um eine gute Regelung (aufgrund der geschalteten Rückkopplung) sowie eine
effiziente und wirtschaftliche Filterung zu erhalten, weil aufgrund der typischerweise
höheren Betriebsfrequenz des Schaltnetzteils Filterkomponenten mit kleineren Werten
verwendet werden können.
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Bei Schaltnetzteilen ist es wünschenswert, einen Überspannungsschutz
vorzusehen, um zu verhindern, dass die Ausgangsleistung einen vorgegebenen Maximalwert
überschreitet, und auf diese Weise eine Fehlfunktion der Schaltung sowie eine mögliche
Beschädigung der vom Schaltnetzteil gespeisten Schaltungen zu vermeiden.
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Bei Überspannungsschutzschaltungen nach dem Stand der Technik, zum
Beispiel der Überspannungsschutzschaltung, die in das Netzteil-Controller-IC MC44603
von Motorola integriert und in Fig. 44 auf Seite 22 des technischen Datenblatts von
Motorola für dieses Bauelement abgebildet ist, erfasst ein ohmscher Teiler eine gefilterte
Gleichspannung (VCC), die dann durch einen Spannungskomparator mit einem
Spannungsreferenzpegel verglichen wird, wobei das Ausgangssignal des Spannungskomparators einer
Schaltung zugeführt wird, die ein Signal erzeugt, welches dazu dient, einen Schalttransistor
innerhalb des Schaltnetzteils auszuschalten, so dass die Ausgangsspannung unter den
Überspannungsschutzpegel fällt. Eine ähnliche Schaltung ist in Fig. 1 der US-amerikanischen
Patentschrift Nr. 5.313.381 und der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 4.914.560
abgebildet.
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Eine Überspannungsschutzschaltung dieses allgemeinen Typs nach dem
Stand der Technik ist in vereinfachter Form in Fig. 1 dargestellt. In Fig. 1 erfasst eine
Überspannungsschutzschaltung 10 eine zusätzliche Versorgungsspannung VCC, die aus
einer Wechselspannung erzeugt wird, welche von einer Zusatzwicklung 20 eines Netzteil-
Transformators 21 abgenommen wird und in der abgebildeten Ausführungsform durch eine
Diode 22 gleichgerichtet und durch einen Filterkondensator 24 gefiltert wird, um die
Spannung VCC am Anschluss 26 zu erzeugen. Die Spannung VCC wird von einem ohmschen
Teiler erfasst, der aus den Widerständen 28 und 30 besteht, wobei eine herunterskalierte
Spannung proportional zu VCC dem nicht-invertierenden Eingang (+) eines
Spannungskomparators 32 zugeführt wird. Dem invertierenden Eingang (-) des
Spannungskomparators 32 wird am Anschluss 34 ein Spannungsreferenzsignal VREF zugeführt. Der Ausgang
des Spannungskomparators 32 ist über die Leitung 36 mit dem Setz-Eingang (5) einer
Schaltung, zum Beispiel der hier abgebildeten Latch-Schaltung 38, verbunden, um am
Ausgang (Q) der Latch-Schaltung an Anschluss 42 ein Überspannungsanzeigesignal VOPV
zu liefern. Um die Stromversorgungsschaltung wieder in ihren normalen Betriebszustand zu
versetzen, wird dem Reset-Anschluss (R) 40 der Latch-Schaltung 38 ein Rücksetzsignal
VRESET zugeführt.
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Die Funktion der Schaltung nach dem Stand der Technik aus Fig. 1 beruht
auf dem Erfassen der gleichgerichteten, gefilterten Spannung VCC, dem Heruntersetzen
dieser Spannung mit Hilfe eines ohmschen Spannungsteilers bestehend aus den
Widerständen 28 und 30 und dem Weiterleiten der heruntergesetzten Spannung an den nicht-
invertierenden Eingang des Komparators 32. Dem invertierenden Eingang 34 des
Komparators wird ein Spannungsreferenzsignal VREF zugeführt, wobei das Dämpfungsverhältnis
des ohmschen Spannungsteilers und der Wert von VREF so gewählt werden, dass der
Komparatorausgang 36 bei einer Spannung auslöst, die den Nennwert von VCC um einen
bestimmten Betrag überschreitet. Wenn der Komparator 32 auslöst, wird der Latch 38 gesetzt
und ein Überspannungsschutzsignal VOVP am Anschluss 42 erzeugt. Dieses Signal wird
einem Schalttransistor (zum Beispiel dem Transistor 40 in Fig. 1 der US-amerikanischen
Patentschrift Nr. 5.313.381 oder dem Transistor TR21 in der US-amerikanischen
Patentschrift Nr. 4.914.560) zugeführt, der mit der Primärwicklung des Schaltnetzteil-
Transformators in Reihe geschaltet ist, um ein Schalten zu verhindern und dadurch die
Ausgangsspannung des Netzteils zu verringern. Wenn der Ausgang des Netzteils auf einen
akzeptablen Pegel zurückkehrt, wird der Latch 38 durch ein Signal VRESET am
Rücksetzanschluss 40 rückgesetzt und die Schaltung kehrt zu ihrer normalen Betriebsart zurück.
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Obwohl die Schaltung aus Fig. 1 einen ausreichenden
Überspannungsschutz bietet, leidet sie unter mehreren Nachteilen. Da diese Überspannungsschutzschaltung
die Spannung über den Kondensator 24 erfasst, bei dem es sich typischerweise um einen
großen Kondensator handelt, der sich relativ langsam auflädt und auch wieder entlädt, wird
die Überspannungsschutzschaltung einen Überspannungszustand aufgrund der erhöhten
Transformatorspannung inhärent relativ spät erkennen. Da VCC darüber hinaus aufgrund
von Faktoren wie den Wicklungsverhältnis-Toleranzen des Transformators um ganze 30
Prozent von ihrem Nennwert abweichen kann, kann die Spannung, die dem nicht-
invertierenden Eingang des Spannungskomparators 32 zugeführt wird und eine
herunterskalierte Version von VCC ist, eine ähnlich große Schwankung aufweisen und somit die
Schaltung relativ ungenau machen.
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Dementsprechend wäre es wünschenswert, eine
Überspannungsschutzschaltung für ein Schaltnetzteil zu haben, die sowohl schneller als auch genauer ist als die
existierenden Überspannungsschutzschaltungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Überspannungsschutzschaltung für ein Schaltnetzteil zu schaffen, die in der Lage ist, schneller zu arbeiten
als Schaltungen nach dem Stand der Technik, und die außerdem eine verbesserte
Genauigkeit im Verglich zu den Schaltungen nach dem Stand der Technik bietet.
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Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch eine neue
Überspannungsschutzschaltung für ein Schaltnetzteil gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie
Folgendes umfasst: einen Erfassungswiderstand mit einem ersten Anschluss, der direkt mit
einer Erfassungswicklung des Transformators verbunden ist, um einen Strom in dem
genannten Erfassungswiderstand zu erzeugen, der proportional zu der Spannung an der
genannten Erfassungswicklung ist, und mit einen zweiten Anschluss; einen Stromspiegel,
wobei der genannte zweite Widerstandsanschluss mit einem Eingang des genannten
Stromspiegels verbunden ist und eine Überspannungs-Referenzstromquelle mit einem Ausgang
des genannten Stromspiegels verbunden ist; einen Stromkomparator, um einen von dem
genannten Stromspiegel reflektierten Strom, der proportional zu dem genannten Erfassungsstrom
in dem genannten Erfassungswiderstand ist, mit einem Überspannungs-
Referenzstrom zu vergleichen, der durch die genannte Überspannungs-Referenzstromquelle
erzeugt wird; und Schaltungsmittel zum Erzeugen eines Signals, um den genannten
Schalttransistor auszuschalten, wenn der genannte reflektierte Strom den genannten
Überspannungs-Referenzstrom überschreitet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei
dem Erfassungswiderstand um einen Stellwiderstand, so dass der darin erzeugte Strom
justiert werden kann, um Schwankungen aufgrund von Faktoren wie den
Wicklungsverhältnis-Toleranzen des Transformators zu kompensieren.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
Stromspiegel mit einer Verzögerungsschaltung ausgestattet, so dass die
Überspannungsschutzschaltung nicht überempfindlich auf eine in hohem Maße transiente
Überspannungsbedingung reagiert.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liefert
die Überspannungs-Referenzstromquelle einen Überspannungs-Referenzstrom, der einen
Nennstrom im Erfassungswiderstand um einen gewählten Prozentsatz überschreitet, der in
etwa dem Prozentsatz über einer Nennspannung des Schaltnetzteils entspricht, bei dem der
Schalttransistor ausgeschaltet werden soll.
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Eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung stellt eine erhebliche
Verbesserung dar, da sie für einen schnelleren, effizienteren und genaueren
Überspannungsschutz für das Schaltnetzteil sorgt, in dem eine derartige
Überspannungsschutzschaltung vorgesehen ist.
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Diese und andere Aspekte der Erfindung werden ausführlich unter
Bezugnahme auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert.
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Die Erfindung lässt sich unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung,
die im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung zu lesen ist, umfassender verstehen.
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Es zeigen:
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Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer
Überspannungsschutzschaltung nach dem Stand der Technik; und
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Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Schaltnetzteils mit einer
erfindungsgemäßen verbesserten Überspannungsschutzschaltung.
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Gleiche oder ähnliche Bauteile haben in allen Figuren die gleichen
Bezugszeichen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer typischen
Überspannungsschutzschaltung nach dem Stand der Technik dargestellt, wie sie weiter oben
beschrieben wurde. Da die Funktion dieser Schaltung auf dem Erfassen der gleichgerichteten,
gefilterten Spannung am Kondensator 24 beruht, funktioniert die Schaltung inhärent
langsam, so dass sie keinen optimalen Überspannungsschutz bietet und möglicherweise eine
Fehlfunktion der Schaltung oder sogar eine dauerhafte Beschädigung von empfindlichen
Schaltungsbauteilen zur Folge haben kann. Da außerdem, wie oben erwähnt, die Spannung
am Kondensator 24 erheblich von ihrem Nennwert abweichen kann, kann die
Überspannungsschutzschaltung nach dem Stand der Technik, die von einer herunterskalierten
Version der Kondensatorspannung ausgeht, einen relativ ungenauen Überspannungs-
Auslösepegel haben.
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Diese Nachteile werden durch die Überspannungsschutzschaltung der
vorliegenden Erfindung überwunden, die in einem vereinfachten Schaltnetzteil 50 in Fig. 2
dargestellt ist. In der Schaltung aus Fig. 2 wird eine Eingangswechselspannung VAC einem
konventionellen Diodenbrückengleichrichter 52 zugeführt, dessen Ausgang mit einem
Filterkondensator 54 und einer Primärwicklung 56 des Transformators 21 verbunden ist. Die
Primärwicklung 56 ist über einen Schalttransistor 64 und optional einen Widerstand 66 mit
Masse verbunden. Der Ausgang der Sekundärwicklung 58 des Transformators 21 ist über
eine Diode 60 mit einem Filterkondensator 62 verbunden, wobei die
Ausgangsgleichspannung VDC der Schaltung an diesem Kondensator abgenommen wird. Eine Erfassungs- oder
Zusatzwicklung 20 des Transformator 21 ist mit der Diode 22 und dem Filterkondensator
24 verbunden, um eine Gleichspannung VCC am Anschluss 26 zu erzeugen, die verwendet
werden kann, um den Steuerstromkreis des Schaltnetzteils zu speisen. Die bisher
beschriebenen Bereiche der Schaltung entsprechen im Wesentlichen denen aus Fig. 1 der US-
amerikanischen Patentschrift Nr. 5.313.381 oder Fig. 2 der US-amerikanischen
Patentschrift 4.914.560, sowohl hinsichtlich der Konfiguration als auch in Hinblick auf ihre
Funktion, und werden daher nicht ausführlicher beschrieben.
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Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Überspannungsschutzschaltungen
nach dem Stand der Technik wird bei der Überspannungsschutzschaltung 70 der
vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, das Eingangssignal der Schutzschaltung am
Verbindungspunkt 72 direkt von der Zusatzwicklung 20 des Transformators 21 abgenommen
statt vom Anschluss 26, an dem das Ausgangssignal der Zusatzwicklung
gleichgerichtet und gefiltert wurde. Dieses Eingangssignal für die Überspannungsschutzschaltung
wird über einen Erfassungswiderstand 74, hier einen Stellwiderstand, dem
Eingangsanschluss 76 eines Stromspiegels 78 zugeführt, um einen Eingangsstrom ISENSE proportional
zu der Spannung an der Verbindungsstelle 72 an den Eingangsanschluss 76 des
Stromspiegels 78 weiterzuleiten. Der Stromspiegel 78 umfasst zwei MOSFET-Transistoren 80 und 82
in einer herkömmlichen Stromspiegel-Konfiguration. Der Stromspiegel 78 kann zusätzlich
eine Verzögerungsschaltung in Form eines RC-Filters bestehend aus dem Widerstand 84
und dem Kondensator 86 umfassen, die optional vorgesehen werden kann, um eine falsche
Auslösebedingung für die Überstromschutzschaltung aufgrund eines transienten
Rauschsignals von kurzer Dauer zu vermeiden. In der Praxis können die Werte des Widerstands 84
und des Kondensators 86 auf bekannte Weise gewählt werden, um eine Verzögerung von
ca. 500 Nanosekunden zu realisieren.
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Der Ausgang des Stromspiegels 78 ist mit einer Stromquelle 88 verbunden,
die mit einer Stromversorgungsleitung 90 gekoppelt ist und einen Strom von n.IREF liefert.
Die Verbindungsstelle 94 zwischen der Stromquelle 88 und dem Transistor 82 des
Stromspiegels 78 ist mit dem Eingang eines Stromkomparators 92 verbunden, so dass der
Stromkomparator den Zustand ändert und dem Latch 38 auf Leitung 36 ein Setz-Eingangsignal
(S) zuführt, wenn der Strom im Stromspiegel-Transistor 82 den Wert n.IREF der
Stromquelle 88 überschreitet. Hierdurch wird wiederum ein Ausgangssignal der
Überspannungsschutzschaltung VOVP vom Q-Ausgang des Latches 38 an Anschluss 42 erzeugt, so dass der
Schalttransistor 64 deaktiviert und die Überspannungsbedingung reduziert wird. Wenn die
Überspannungsbedingung aufhört, wird der Latch 38 durch ein Signal VRESET am R-
Eingang (R) 40 des Latches rückgesetzt, wie dies auch bei der Schaltung nach dem Stand
der Technik aus Fig. 1 der Fall ist.
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Die Stromquelle 88 liefert einen Strom von n.IREF, wobei IREF ein gewählter
Referenzstromwert ist und der Widerstand 74 so eingestellt ist, dass ISENSE gleich IREF ist,
wenn die Spannung an der Verbindungsstelle 72 ihrem nominalen Betriebswert entspricht.
Da der Stromspiegel 78 so gewählt wurde, dass er ein Stromverhältnis von 1 : 1 hat, wird der
Strom im MOSFET 82 gleich ISENSE sein, der im Normalfall gleich IREF ist. Wird nun der
Parameter n so gewählt, dass er einem Wert entspricht, bei dem eine Überspannung erkannt
und ein entsprechender Schutz aktiviert werden soll, kann ein gewünschter
Überspannungsschutzpegel erreicht werden. Wenn n also zum Beispiel auf 1,26 gestellt wird, wird die
Überspannungsschutzschaltung auslösen, wenn der Spannungspegel an der
Verbindungsstelle 72 (der proportional zur Ausgangsspannung VDC ist) seinen Nennwert um 26 Prozent
überschreitet. Die Stromquelle 88, die in Fig. 2 schematisch durch ein
Stromquellensymbol dargestellt ist, kann mit konventionellen Mitteln implementiert werden, zum Beispiel
mit einem Stromspiegel, dessen Eingang mit einer Quelle für den Referenzstrom IMF
verbunden ist und dessen Stromspiegelverhältnis 1 : n beträgt.
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Im Betrieb wird der Widerstandswert des Stellwiderstands 74 so eingestellt,
dass ISENSE unter den nominalen Betriebsbedingungen gleich IREF ist. Durch diese
Anfangsjustierung werden nicht nur die nominalen Betriebsbedingungen der Schaltung
eingestellt, sondern sie dient auch zur Kompensation von Spannungsschwankungen in einer
bestimmten Schaltung aufgrund von Bauelementtoleranzen, zum Beispiel den Toleranzen in
den Wicklungsverhältnissen des Transformators, die um bis zu 30 Prozent variieren
können, so dass ähnliche Spannungsschwankungen in den Schaltungen verursacht werden, die
nominell identische Schaltungskonfigurationen aufweisen. Auf diese Weise wird der
Nachteil der Schaltungen nach dem Stand der Technik, von denen ein Beispiel in Fig. 1
dargestellt ist, nämlich dass Spannungsschwankungen aufgrund von Bauelementtoleranzen
zu erheblichen Schwankungen in dem Überspannungspegel führen können, die die
Überspannungsschutzschaltung aktivieren, eliminiert. Da darüber hinaus das Eingangssignal für
die Überspannungsschutzschaltung der Erfindung direkt von einer Transformatorwicklung
bei der Verbindungsstelle 72 abgenommen wird statt vom Kondensator 24 wie nach dem
Stand der Technik, kann eine Überspannungsbedingung viel schneller erkannt werden, weil
die erhebliche Zeitverzögerung, die erforderlich ist, um den Kondensator 24 zu laden,
eliminiert wurde. Erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltungen sind daher viel
schneller und genauer als Schaltungen nach dem Stand der Technik.
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Statt das Eingangssignal für die Überspannungsschutzschaltung von einer
separaten Zusatzwicklung abzunehmen, kann die Sekundärwicklung oder sogar die
Primärwicklung des Transformators als Erfassungswicklung zum Liefern des Eingangssignals
benutzt werden.
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Obwohl die Erfindung vor allem in Bezug auf mehrere bevorzugte
Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben wurde, wird der Fachkundige erkennen, dass
verschiedene Abwandlungen in der Form und im Detail vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen
definiert ist.