DE69814073T2

DE69814073T2 - Vollständig integrierte Einschaltregelschleife eines Hochspannungsleistungstransistors eines quasiresonanten Sperrwandlers

Info

Publication number: DE69814073T2
Application number: DE69814073T
Authority: DE
Inventors: Sergio Tommaso Spampinato; Donato Tagliavia; Antonino Torres
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1998-09-23
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: US6078510A; DE69814073D1; EP0989662A1; EP0989662B1

Description

ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Rücklauf-DC/DC-Umsetzer, die in einer Quasiresonanz- oder "Nullspannungs"-Einschaltbetriebsart arbeiten, die einschaltet, wenn die Spannung an den Stromanschlüssen des Schaltelements in der Umgebung von null Volt liegt.
HINTERGRUND
Die Quasiresonanz-Betriebsart der Rücklauf-DC/DC-Umsetzer in Bedingungen des stabilen Zustands ist besonders effizient, weil sie verglichen mit herkömmlichen Rücklaufanwendungen (Hartumschaltungs-Betriebsart) sowohl eine Verringerung der Verlustleistung während der Schaltphasen als auch eine Verringerung des elektromagnetischen Rauschens erlaubt.
1 zeigt das Grundschema eines Rücklaufumsetzers für Quasiresonanz-Anwendungen. Das Schaltelement Q1 ist als ein Bipolarübergangstransistor gezeigt, obwohl er ein anderer Typ sein kann.
Die D1- und C1-Komponenten erlauben den quasiresonanten Betrieb, der außerdem als QRC-Betriebsart bezeichnet wird. In herkömmlichen Anwendungen, wie z. B. Hartumschaltungs-Anwendungen, wird ihre Funktion durch dedizierte Stoßdämpfer- oder Klemmeinrichtungs-Schaltungen ausgeführt.
Der Typ der Steuerung der Umschaltvorgänge des Leistungsschalters (Q1) ist ähnlich zu der der selbstoszillierenden Schaltungen, die häufig als SOPS (selbstoszillierende Leistungsversorgung) bezeichnet werden, weil das Einschalten immer in der Umgebung des Zeitpunktes befohlen wird, zu dem der Strom der Sekundärwicklung des Rücklauftransformators null wird. Folglich arbeitet der Umsetzer immer in einer diskontinuierlichen Weise, d. h., der Strom wird bei jedem Zyklus null, obwohl er an der Grenze zwischen kontinuierlichen und diskontinuierlichen Betriebsbedingungen bleibt.
Während der EIN-Phase von Q1 ist die D2-Diode AUS, wobei es eine Akkumulation von Energie in der Primärwicklung des Transformators gibt, die während der AUS-Phase von Q1 zur Sekundärwicklung übertragen wird. In dieser Phase ist die Spannung Vc an den Q1-Anschlüssen
Vc = Valim + (N1 : N2)V2 (wobei V2 ≈ Vout gilt).
Wenn die Energie vollständig übertragen ist (I_F _(D2) = 0), oszilliert die Spannung Vc bei der durch

gegebenen Resonanzfrequenz.
Durch das geeignete Bemessen der elektrischen Parameter ist es möglich, eine Oszillation zu erzeugen, die der Diode D1 erlauben kann, für eine kurze Zeitperiode zu leiten, um einen Steuertransistor der Ql-Leistung während dieser Phase zu verwirklichen und folglich die Einschaltverluste zu beseitigen.
Deshalb gehört der Rücklaufumsetzer zur Klasse der sogenannten "Nullspannungs-Quasiresonanz"-Umsetzer.
US-A-5.796.597 offenbart eine Schaltbetriebsart-Leistungsversorgung mit Überstromschutz, die einen DC/DC-Rücklaufumsetzer verwendet, wenn der in einer abgestimmten Schaltbetriebsart unter einer Strombetriebsartsteuerung auf einer Stromimpuls-für-Stromimpuls-Steuerbasis arbeitet.
Das Datenblatt und die Anwendungsrichtlinien für die Vorrichtungen der von dem japanischen Unternehmen Sanken Electric Co., Ltd. erzeugten SMPS PRIMARY IC der STR-F6600-Serie offenbaren die Merkmale einer Familie integrierter DC/DC-Rücklaufumsetzerschaltungen, die in einer Quasiresonanz-Betriebsart arbeiten.
Diese Umsetzer werden häufig in TV- und VCR-Leistungsversorgungen verwendet, in denen die Eingangsspannung Valim durch das Gleichrichten und Filtern der Netzspannung erhalten wird. Ein derartiger Vorzug ist außerdem auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Architektur dieser Umsetzer mehrere Ausgänge durch das einfache Vergrößern der Anzahl der Sekundärwicklungen des Rücklauftransformators erlaubt.
Die Hilfswicklung AUS wird für den Eigenantrieb der Steuerschaltung während des Betriebs im stabilen Zustand verwendet.
Für derartiger Anwendungen muß während der Ausschaltphase der Leistungstransistor Q1, der den Schalter implementiert, Spannungen standhalten, die tausend Volt erreichen oder sogar überschreiten können. In dem Fall der vollständig monolithischen Verwirklichung (die Steuerschaltungen und die Leistungsvorrichtung sind auf dem gleichen Chip verwirklicht) muß eine Fertigungstechnologie verwendet werden, die normalerweise als Smart Power (intelligente Leistung), geeignet für Hochspannungsanwendungen, bezeichnet wird.
Die herkömmlichen QRC-Rückkopplungsumsetzer sind mit diskreten Bauelementen oder in der Form einer integrierten Vorrichtung verwirklicht, die eine Niederspannungs-Steuerschaltung, einen Hochspannungs-Leistungs-MOS-Transistor und schließlich einige der passiven Komponenten enthält, nachdem sie in der sogenannten SMD-Technologie verwirklicht worden ist.
Wie beispielhaft in 3 dargestellt ist, wird das Einschalten unter einer Quasiresonanz-Bedingung durch ein externes TDELAY-Netzwerk erhalten, das mit der AUS-Hilfswicklung verbunden und so bemessen ist, um die Bedingung Vc ≈ 0 mit dem Umschalten eines Komparators der im CONTROL-IC-Block enthaltenen Steuerschaltung innerhalb des Zeitintervalls zu synchronisieren, das in den graphischen Darstellungen nach 2 als TDELAY angezeigt ist.
Deshalb steuert die integrierte Schaltung des Blocks CONTROL IC eine selbstoszillierende Betriebsart oder SOPS-Betriebsart des Umsetzers. In der Tat würde durch das Ersetzen des Verzögerungsblocks TDELAY durch einen Widerstand eine klassische Hartumschaltungs-Rücklaufanwendung erzeugt.
In herkömmlichen Schaltungen wird die QRC-Funktion folglich durch externe Netzwerke erhalten, die insbesondere in Fernsehanwendungen, wo es große Variationen der Versorgungsspannung und/oder der Last gibt, eine bedeutende Anzahl von Komponenten erforderlich machen, wie im Block TDELAY nach 3 ausführlich veranschaulicht ist, wobei jedoch abhängig von den spezifischen Eigenschaften der Anwendung andere Schaltungstopologien des Verzö gerungsnetzwerks verwendet werden können.
Deshalb besitzen die bekannten Schaltungen den Nachteil, daß sie die Verwirklichung eines TDELAY-Netzwerks mit diskreten Elementen außerhalb der integrierten Schaltung erfordern. Außerdem ist das Umschalten unter Nullspannungsbedingungen sowohl an die Genauigkeit des TDELAY-Netzwerks (d. h. die Streuung der tatsächlichen Werte der Komponenten des Netzwerks) als auch an die elektrischen Parameter, die die Resonanzfrequenz bestimmen (die Streuung der Werte von Lp und Cr), gebunden.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Umfang der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen quasiresonanten selbstoszillierenden QRC-Rücklauf-DC/DC-Umsetzer zu schaffen, in dem die Synchronisation des Einschaltens des Leistungstransistors, wenn die Spannung daran null wird, mit einer völlig integrierten Schaltung verwirklicht ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe gelöst, indem die Spannung, die am Stromanschluß des Leistungstransistors anliegt, der mit der Primärwicklung des Rücklauftransformators verbunden ist, anstatt der Spannung, die an einer Hilfswicklung des Rücklauftransformators anliegt, wie es normalerweise in den bekannten Schaltungen ausgeführt wird, überwacht wird, und indem der "Setz"-Anschluß eines Ansteuer-Flipflops des Leistungstransistors durch ein ODER-Logikgatter gesteuert wird, wobei an einen Eingang von diesem der Ausgang des Komparators der am Stromknoten des Leistungstransistors vorhandenen Spannung gekoppelt ist, während der andere Eingang von diesem durch ein integriertes TDELAY-Netzwerk an den Ausgang des Komparators der an der Hilfswicklung in bezug auf eine durch eine Steuerschaltung des Umsetzers erzeugte Referenzspannung vorhandenen Spannung gekoppelt ist.
Der Komparator der Spannung am Stromanschluß des Leistungstransistors in bezug auf das Massepotential der Schaltung ist mit der gleichen Hochspannungs-Fertigungstechnologie integriert, die verwendet wird, um die Hochspannungs-Leistungstransistoren zu verwirklichen, d. h. die Komponenten der Eingangstufe des Komparators, die Spannungen ausgesetzt sind, die Tausende von Volt erreichen und überschreiten können.
Die Erfindung ist im beigefügten Anspruch 1 genauer definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die verschiedenen Aspekte und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer Ausführungsform und durch Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung noch deutlicher, worin:
1 ein Grundschema eines quasiresonanten Rücklaufumsetzers ist;
2 die Signalformen des Stroms und der Spannung bezüglich des Leistungstransistors zeigt;
3 ein komplettes Grundschema eines typischen QRC-DC/DC-Rücklaufumsetzers zeigt;
4 ein komplettes Grundschema eines QRC-Rücklauf-DC/DC-Umsetzers zeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
5 die Signalformen des Stroms durch den Leistungstransistor und der Spannung an den Stromanschlüssen des Transistors für die Einschaltphase und den stabilen Zustand zeigt.
6 zeigt eine Anzahl vergrößerter Signalformen der signifikanten Signale an.
BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
4 zeigt das Grundschema einer Ausführungsform eines quasiresonanten selbstoszillierenden Rücklaufumsetzers der Erfindung.
Alle innerhalb des rechteckigen Umfangs enthaltenen Komponenten sind integriert.
Die integrierte Schaltung wird im stabilen Zustand durch den V_DD -Anschlußstift ausgeführt, indem ein Speisekondensator C mit großer Kapazität durch eine Diode D, deren Anode entsprechend einer üblichen Praxis an die in der AUS-Hilfswicklung des Transformators induzierte Spannung gekoppelt ist, geladen wird. Selbst wenn dies in 4 nicht explizit angezeigt ist, gibt es innerhalb oder außerhalb der integrierten Schaltung Mittel, die das Laden der C-Kapazität während der Einschaltphase sicherstellen. Die sekundäre Regelschleife der Ausgangsspannung verwendet gewöhnlich einen Fehlerverstärker ERROR AMP, dessen Ausgang mittels der Photodiode und des Phototransistors an den relativen Anschlußstift COMP der integrierten Schaltung gekoppelt ist, mit dem ein Kompensationskondensator CCOMP der sekundären Regelnschleife der Ausgangspannung verbunden ist.
Eine primäre Regelschleife, deren Funktion in der folgenden Beschreibung erklärt ist, ist durch den Komparator COMP 1 verwirklicht, der die Spannung der Hilfswicklung AUS mit einem im voraus festgelegten Schwellenwert Vrefl, der durch die Steuerschaltungsanordnung, die als ganzes durch den CONTROL-Block der graphischen Darstellung nach 4 dargestellt ist, festgelegt wird, vergleicht.
Die sekundäre Steuerschleife der Ausgangspannung schaltet den Schalter POWER aus, indem sie das Rücksetzen des Befehls-Flipflops FF entsprechend einem herkömmlichen Steuerschema ansteuert.
Gemäß einem grundlegenden Aspekt der Erfindung wird die Synchronisation des Einschaltens des POWER-Schalters mit dem Zeitpunkt des Nulldurchgangs der HVC-Spannung am Stromanschluß des Leistungstransistors POWER, der mit der Primärwicklung des Rücklauf-Transformators verbunden ist, durch das Steuern des Setzbefehls des Flipflops FF durch ein ODER-Logikgatter ausgeführt, dessen erster Eingang an den Ausgang eines Hochspannungs-Komparators HVCOMP der vorhandenen Spannung, die am Stromanschluß von POWER in bezug auf das Massepotential der Schaltung anliegt, gekoppelt ist. Eine derartige Spannung stimmt mit dem Potential des Substrats der integrierten Schaltung überein.
Der Ausgang des ersten Komparators COMP1 ist durch ein Verzögerungsnetz werk ON DELAY, das mit dem Ausgang des COMPl-Komparators funktional in Kaskade geschaltet ist, an den zweiten Eingang des ODER-Logikgatters gekoppelt.
Aus 4 kann leicht verifiziert werden, daß für eine Substratspannung Vsub = V_HVC ≤ 0 V die Ausgangsspannung des Hochspannungs-Komparators V_OUTHVC_OMP von einem tiefen Logikzustand in einen hohen Logikzustand schaltet und das Setzen des Flipflops FF und dadurch das Einschalten des Leistungstransistors POWER provoziert.
Dies verwirklicht die Synchronisation des Einschaltens während des quasiresonanten Betriebs im stabilen Zustand des Umsetzers ohne externe Komponenten.
In jedem Fall ist die Quasiresonanz-Bedingung nur während des Betriebs im stabilen Zustand, aber nicht während der Einschalt- und Erholungsphasen vorhanden.
Während dieser Phasen ist die Ausgangsspannung verringert, wobei sie zum Zeitpunkt des Einschaltens null sein kann. Deshalb ist die in der Hilfswicklung induzierte Spannung unzureichend groß, um Oszillationen mit ausreichender Amplitude zu erlauben.
Unter derartigen Bedingungen muß die Steuerschaltung das Einschalten des Schalters POWER garantieren, wobei diese Funktion durch den Komparator COMP1 durch den OO DELAY-Block und das ODER-Logikgatter ausgeführt wird.
Der ON DELAY-Block ist konstruiert, um sicherzustellen, daß während des selbstoszillierenden Betriebs im stabilen Zustand das Setzen des Befehls-Flipflops FF durch das Schalten des Hochspannungs-Komparators HVCOMP anstatt durch das Schalten des Komparators COMP1 verursacht wird. Dies sichert ein POWER-Einschalten des Leistungstransistors POWER in einer Quasiresonanz-Bedingung. Diese Verzögerung kann außerdem festgelegt werden, wenn die Schaltung konstruiert wird, ähnlich zu dem, was für den Verzögerungsblock Tdelay des herkömmlichen Schemas nach 3 getan wird, um den Leistungsschalter bei den Nullspannungs-Bedingungen an seinen Anschlüssen einzuschalten. Es ist jedoch offensichtlich, daß ohne einen zweiten Hochspannungs-Komparator HVCOMP eine perfekte Synchronisation des Schaltens nicht garantiert werden kann, wobei die Schaltung den Wirkungen der Abweichungen von den nominellen Konstruktionswerten der verschiedenen Komponenten, die auf den Fertigungsprozeß zurückzuführen sind, unterworfen sein würde.
Folglich stellt der Hochspannungs-Komparator HVCOMP das richtige Arbeiten des Nullspannungs-Quasiresonanz-Umsetzers der Erfindung ungeachtet der Prozeßstreuungen der Lp- und Cr-Werte sicher, die die Resonanzfrequenz des Umsetzers festlegen.
Die Schaltung der Erfindung wurde computer-simuliert, wobei die 5 und 6 die Haupt-Signalformen bezüglich des simulierten Betriebs der Schaltung nach 4 mit einer widerstandsbehafteten Last, die an den Schaltungsausgang OUT gekoppelt ist, anzeigen.
Nach der Beobachtung der Strom- und Spannungs-Signalformen der Leistungstransistoren POWER, die in 5 gezeigt sind, bezüglich einer Einschaltphase und einer nachfolgenden Bedingung des stabilen Zustands erscheinen anfangs die Hartumschaltungs-Bedingung (Stromspitzen beim Einschalten, die auf die Entladung des Kondensators Cr zurückzuführen sind) und der nachfolgende Übergang zum quasiresonanten Schalten (der Beseitigung der Spitzen und dadurch der Schaltverluste) offensichtlich.
6 zeigt die Signalformen der vorhergehenden 5 zusammen mit der Steuerspannung der Leistungstransistor-Umschaltvorgänge und den Ausgangspannungen des Hochspannungs-Komparators HVCOMP bzw. des Blocks ON DELAY in Übereinstimmung mit dem Übergang von der Hartumschaltungs-Betriebsart in die QRC-Betriebsart ausführlicher.

Claims

Rücklauf-DC/DC-Umsetzer, der während eines Betriebs im stabilen Zustand in Quasiresonanz (QRC) selbstoszillierend ist und einen Rücklauftransformator zum Speichern und Übertragen von Energie an eine Last, die eine Hilfswicklung (AUX) besitzt, deren Spannung durch einen Komparator (COMP1) mit einem Schwellenwert (VREF1) verglichen wird, verwendet, um seinen Nulldurchgang zu erfassen und als Folge davon durch ein Steuer-Flipflop (FF) einen Leistungstransistor (POWER) anzusteuern, der die Primärwicklung des Transformators für eine neue Phase des Leitens und Akkumulierens von Energie ansteuert, deren Dauer durch eine sekundäre Regelschleife der Ausgangsspannung (ERROR AMP, CONTROL) bestimmt ist, die das Sperren des Leistungstransistors während einer nachfolgenden Phase der Übertragung an die Last jener Energie, die in dem Transformator während der vorhergehenden Leitungsphase gespeichert wird, bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt-Steuerschaltung vollständig integriert ist und umfaßt: einen zweiten Komparator (HVCOMP), der die Spannung, die an dem Stromanschluß des Leistungstransistors (POWER), der mit der Prtmärwicklung des Transformators verbunden ist, anliegt, mit dem Massepotential der Schaltung vergleicht; ein Logikgatter (OR), das einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang des zweiten Komparators (HVCOMP) verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Setzanschluß des Steuer-Flipflops (FF) gekoppelt ist besitzt; ein Verzögerungsnetzwerk (ON DELAY), das in Kaskade mit dem Ausgang des ersten Komparators (COMP1) gekoppelt ist und mit einem Ausgang mit einem zweiten Eingang des Logikgatters (OR) gekoppelt ist und unter Betriebsbedingungen des Umsetzers in stabilem Zustand das Setzen des Flipflops (FF) durch den zweiten Komparator (HVCOMP) statt durch den ersten Komparator (COMP1) sicherstellt.
Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Komparator (HVCOMP) aus Komponenten verwirklicht ist, die mit einem Hochspannungs-Fertigungsprozeß integrtert werden.