EP2115862A1 - Power supply unit - Google Patents

Power supply unit

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Publication number
EP2115862A1
EP2115862A1 EP08707415A EP08707415A EP2115862A1 EP 2115862 A1 EP2115862 A1 EP 2115862A1 EP 08707415 A EP08707415 A EP 08707415A EP 08707415 A EP08707415 A EP 08707415A EP 2115862 A1 EP2115862 A1 EP 2115862A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power supply
voltage
voltage divider
lsr
switching power
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08707415A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Klaus Vestergaard Kragelund
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Grundfos Management AS
Original Assignee
Grundfos Management AS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Grundfos Management AS filed Critical Grundfos Management AS
Publication of EP2115862A1 publication Critical patent/EP2115862A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/02—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/2176—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only comprising a passive stage to generate a rectified sinusoidal voltage and a controlled switching element in series between such stage and the output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/1563—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators without using an external clock

Definitions

  • the invention relates to a power supply for converting a mains voltage into an operating voltage for electronic circuits.
  • the power supply according to the invention is designed in two stages, wherein two different electronic circuits are used in the two stages for voltage reduction.
  • the voltage is first reduced to an intermediate voltage which forms the input voltage for the second stage.
  • the intermediate voltage is then reduced from the second stage to the desired output voltage.
  • the first stage is a voltage divider, i. H. a linear voltage divider or a linear power supply used, which reduces the mains or input voltage to an intermediate voltage.
  • This intermediate voltage forms the input voltage for an electronic switching power supply used as a second stage.
  • the structure of this electronic switched-mode power supply can correspond to known switching power supplies. According to the invention, however, there is the advantage that the switching power supply can be designed as a low-voltage switching power supply, d. H. it does not have to be designed for mains voltage as input voltage. This makes it possible to use cheaper electronic components for the switching power supply, which are designed for lower maximum voltages, since they are not exposed to the mains voltage as input voltage. Thus, the switching power supply can be constructed more cost-effective overall.
  • any voltage peaks in the mains voltage are absorbed or compensated by the upstream linear voltage divider, so that the switching power supply is not exposed to such voltage peaks.
  • This also makes it possible to dimension the electronic components of the switching power supply weaker, so that less expensive components can be used.
  • the Differenzsp ⁇ nnung which decreases alone on the voltage divider kept low.
  • the losses in the voltage divider are kept low compared with the exclusive use of a voltage divider to provide the operating voltage for the electronic circuits.
  • electromagnetic interference can also be reduced by the arrangement according to the invention. Furthermore, the entire arrangement is very robust and patissi- rather.
  • the entire circuit of the power supply can be designed short-circuit-proof and tolerate loads with alternating load cycles with high and low current.
  • the voltage divider in a first branch preferably has at least one electrical resistance or transistor.
  • a resistor or transistor it is also possible to provide a plurality of such components, in particular a series connection of electrical resistors.
  • inexpensive, smaller-sized components can be used here.
  • a Zener diode or Zener diode is arranged in a second branch of the voltage divider. This can form the voltage divider together with transistors or resistors in the first branch, which reduces the input or mains voltage to the intermediate voltage for the downstream switching power supply.
  • the output voltage of the voltage divider which represents the intermediate voltage, which is supplied to the input of the downstream switching power supply, tapped at the connection point of the first and second branches, ie tapped between the at least one electrical resistance and the Zener diode.
  • a conventional voltage divider is formed whose output voltage Essentially depends on the breakdown of the Zener diode used. Depending on the applied load, this output voltage may fluctuate slightly.
  • At least one diode arranged on the input side can be provided for rectifying the mains voltage in the voltage divider.
  • a rectifier may be arranged.
  • the voltage feiler is provided with a backup capacitor.
  • This is preferably located in the first branch of the voltage divider behind the resistors or transistors and located between the first branch and ground.
  • This backup capacitor serves to smooth the voltage profile of the voltage divider and in particular to maintain the function of the switching power supply with its stored energy, when the input voltage of the voltage divider is interrupted due to the rectified AC voltage, for example by arranging a diode.
  • the switched-mode power supply can in principle be designed as any known switched-mode power supply which is suitable for reducing the intermediate voltage which is present at the output of the voltage divider to the desired operating voltage for an electronic circuit.
  • the switched-mode power supply can be a buck converter or flyback converter.
  • These circuits can be adapted in their design to the reduced by the voltage divider input voltage. It can be used in their dimensions correspondingly weaker and thus less expensive electronic components.
  • any switching network parts for example half-bridge converter, full-bridge converter, Flow converter (forw ⁇ rdconverter).
  • Gegent ⁇ ktw ⁇ ndler pushh-pull converter
  • CUK converter can be used.
  • a starting circuit is provided in the inventive power supply, which is designed such that it sets the switching power supply at power off as long as until in all branches of the voltage divider, a predetermined current flow is given, i. the voltage divider has reached its operating state.
  • This circuit ensures safe commissioning of the voltage divider. Otherwise, a load on the output could prevent proper start-up of the voltage divider.
  • the ratio of the voltages to each other, d. H. of input voltage or mains voltage, intermediate voltage and output voltage to each other, can be selected depending on the requirement.
  • the intermediate voltage may range between 20 and 150 volts when the line voltage is at 230 volts.
  • the output voltage may be, for example, between 2 and 10 or more volts.
  • other voltage conditions can be realized.
  • the power supply according to the invention can be used to supply power to electronic components in a pump set.
  • pump units such as Bankungsum stiilzpumpenaggregaten running in continuous operation
  • an efficient energy utilization is desirable, so that the losses of the electronic components and in particular in the power supply should be minimized as possible.
  • the overall efficiency of the power supply can be increased compared to known power supplies. Consequently, a pump unit with a power supply according to the foregoing description is the subject of the invention.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of an embodiment of the power supply according to the invention
  • Fig. 6 voltage and current waveforms over time in the power supply of FIG. 2.
  • the power supply according to the invention fundamentally consists of two parts, namely a linear voltage source LSR in the form of a voltage divider and a downstream switching power supply SMPS.
  • the voltage divider LSR generates from an input voltage E an intermediate voltage VDD, which is supplied to the switching power supply SMPS as an input voltage.
  • the switching power supply lowers the intermediate voltage VDD to the output voltage A.
  • the input voltage is 230 volts, ie mains voltage.
  • the intermediate voltage VDD is approximately 43 volts and the output voltage A is 5 volts.
  • the voltage divider LSR is essentially formed by series-connected resistors R1 to R5 and a zener diode Z1.
  • the resistors Rl to R5 is preceded by a diode Dl for rectification.
  • the Zener diode in this example has a breakdown voltage of 43 volts, so that the output voltage of the voltage divider LSR in the example shown also substantially 43 volts, at maximum load is also lower.
  • a step-down divider (back boost converter) of known design is used in this exemplary embodiment. It should be understood that other switched-mode power supplies, such as a flyback converter, may be used here as well.
  • the upstream connection of the voltage part LSR has the advantage that in the switching power supply SMPS components, which are designed for a maximum voltage of 60 volts, can be used, so that a cheaper construction is possible. There is no need to use expensive mains voltage rated components. On the other hand reduces in the voltage divider by the downstream of the switching power supply SMPS of the occurring current in comparison to the sole use of a voltage part for converting the mains voltage 230 volts in an output voltage of 5 volts.
  • a capacitor Cl is arranged as a backup capacitor in the voltage divider.
  • the backup capacitor Cl serves to maintain the operation of the switching power supply SMPS even when the voltage behind the diode Dl drops to zero due to the incoming AC voltage.
  • a start-up circuit UVLO (under-voltage-lock-out) is further provided. This is used when commissioning first of all, to deactivate the switching power supply SMPS in order to ensure the startup of the voltage divider LSR.
  • the circuit UVLO deactivates the switching power supply until the voltage across the capacitor Cl reaches the level at which the zener diode Zl becomes conductive, ie reaches the breakdown voltage of the zener diode Zl, 43 volts in the present example.
  • the starting circuit could be integrated in the switching power supply SMPS.
  • the starting circuit UVLO When the breakdown voltage is reached, the starting circuit UVLO provides a voltage of about 4 volts at the output voltage branch and the comparator Ul-D of the switching power supply, so that it starts its operation. If the switching power supply then the target output voltage A, in the present case 5 volts, reaches the transistor Ql 1 the start circuit UVLO provide no further output voltage and the output voltage of the switching power supply SMPS of 5 volts is supplied to the comparator Ul-D of the switching power supply. As a result, the current consumption is reduced from the voltage divider LSR in normal operation, whereby the power loss of the system is kept low.
  • the voltage V (In) is the supply voltage behind the diode Dl.
  • the voltage V (VDD) is the intermediate voltage at the output of the voltage divider. This voltage rises slowly at startup from 0 volts.
  • the curve IC (Q2) shows the output current of the starting circuit UVLO, which is supplied to the comparator Ul-D of the switching power supply as well as the output voltage branch 5V.
  • the curve avg shows the average current in the inductance Ll of the switching power supply.
  • the curve V (5V) shows the curve of the output voltage A in the output voltage branch.
  • the intermediate voltage VDD initially rises slowly. It can also be seen that the starting point Voltage A rises rapidly when the starting circuit UVLO activates the switching power supply SMPS after about 22 milliseconds. Furthermore, it can be seen from the current avg in the inductance Ll of the switched-mode power supply that during startup the switched-mode power supply SMPS contributes to raising the output voltage to the level of 5 volts, ie to achieve the desired output voltage A through the switching power supply SMPS.
  • Fig. 6 shows the voltage and current waveforms after a long operation after 80 milliseconds.
  • the charge stored in the capacitor Cl helps to keep the switching power supply SMPS in operation when the supply voltage behind the diode Dl drops to 0, until the capacitor Cl again in the next period of the voltage behind the Diode Dl is loaded.
  • the curve I (MI: s) indicates the current in the transistor Q3 of the switching power supply SMPS.
  • the current flow is very discontinuous.
  • the current I (Rdrop) runs continuously, so that no EMC filter for filtering electromagnetic interference is required.
  • the switched-mode power supply outputs a substantially constant output voltage A.
  • FIG. 3 and 4 show alternative embodiments for the voltage divider LSR.
  • the voltage divider according to FIG. 3 is constructed based on a MOS field-effect transistor (MOS-FET) M1.
  • MOS-FET MOS field-effect transistor
  • BJT bipolar transistor
  • the input voltage E is initially reduced to an intermediate voltage VDD, which is then subsequently supplied to a low-voltage switching power supply SMPS.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The invention relates to a power supply unit for converting a system voltage (E) into an operating voltage (A) for electronic circuits, wherein the power supply unit has a voltage divider (LSR) and a switched mode power supply (SMPS) connected downstream and in series.

Description

Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein Netzteil zur Umwandlung einer Netzspannung in eine Betriebsspannung für elektronische Schaltungen.The invention relates to a power supply for converting a mains voltage into an operating voltage for electronic circuits.
In jüngster Zeit werden als Netzteile zur Stromversorgung von elektronischen Schaltungen üblicherweise elektronische Schaltnetzteile eingesetzt, welche die Netzspannung auf die erforderliche Betriebsspannung für die elektronischen Schaltungen herabsetzen. Ein Nachteil dieser e- lektronischen Schaltnetzteile ist der, dass sie relativ teuer sind, da be- lastbare elektronische Bauteile Verwendung finden müssen, um auch Spannungsspitzen in der Netzspannung aushalten zu können. Die Verwendung weniger belastbarer elektronischer Bauteile macht die Schaltungen anfällig gegenüber Spannungsspitzen. Ein weiteres Problem ist, dass derartige Schaltnetzteile elektromagnetische Störungen emittieren und daher Filter zur Funkentstörung benötigen.Recently, as power supplies for powering electronic circuits usually electronic switching power supplies are used, which reduce the mains voltage to the required operating voltage for the electronic circuits. A disadvantage of these electronic switching power supplies is that they are relatively expensive, since load-bearing electronic components must be used in order to withstand voltage peaks in the mains voltage. The use of less resilient electronic components makes the circuits susceptible to voltage spikes. Another problem is that such switching power supplies emit electromagnetic interference and therefore require filters for radio interference suppression.
Im Hinblick auf diese Probleme ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes elektronisches Netzteil zur Umwandlung einer Netzspannung in eine Betriebsspannung für elektronische Schaltungen bereitzustellen, welches zum einen kostengünstiger und zum anderen unempfindlich gegen Spannungsspitzen in der Netzspannung ist.In view of these problems, it is an object of the invention to provide an improved electronic power supply for converting a mains voltage into an operating voltage for electronic circuits, which is both cost-effective and insensitive to voltage spikes in the mains voltage.
Diese Aufgabe wird durch ein Netzteil mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Das erfindungsgemäße Netzteil ist zweistufig ausgebildet, wobei zwei verschiedene elektronische Schaltungen in den beiden Stufen zur Spannungsreduktion verwendet werden. So wird von der ersten Stufe die Spannung zunächst auf eine Zwischenspannung reduziert, welche die Eingangsspannung für die zweite Stufe bildet. Die Zwischenspannung wird dann von der zweiten Stufe auf die gewünschte Ausgangsspannung reduziert.This object is achieved by a power supply having the features specified in claim 1. Preferred embodiments will become apparent from the dependent claims and the following description and the accompanying drawings. The power supply according to the invention is designed in two stages, wherein two different electronic circuits are used in the two stages for voltage reduction. Thus, from the first stage, the voltage is first reduced to an intermediate voltage which forms the input voltage for the second stage. The intermediate voltage is then reduced from the second stage to the desired output voltage.
Erfindungsgemäß wird als erste Stufe ein Spannungsteiler, d. h. ein linearer Spannungsteiler bzw. ein lineares Netzteil verwendet, welcher die Netz- bzw. Eingangsspannung auf eine Zwischenspannung herabsetzt. Diese Zwischenspannung bildet die Eingangsspannung für ein als zweite Stufe verwendetes elektronisches Schaltnetzteil. Der Aufbau dieses e- lektronischen Schaltnetzteiles kann bekannten Schaltnetzteilen entsprechen. Erfindungsgemäß besteht jedoch der Vorteil, dass das Schaltnetzteil als Niederspannungsschaltnetzteil ausgebildet werden kann, d. h. es muss nicht auf die Netzspannung als Eingangsspannung ausgelegt werden. Dies ermöglicht es, kostengünstigere elektronische Bauteile für das Schaltnetzteil zu verwenden, welche für geringere maximale Spannungen ausgelegt sind, da sie nicht der Netzspannung als Eingangsspannung ausgesetzt sind. So kann das Schaltnetzteil insgesamt kostengünstiger aufgebaut werden. Darüber hinaus werden etwaige Spannungsspitzen in der Netzspannung durch den vorgeschalte- ten linearen Spannungsteiler aufgenommen bzw. kompensiert, sodass das Schaltnetzteil nicht derartigen Spannungsspitzen ausgesetzt wird. Auch das ermöglicht es, die elektronischen Bauteile des Schaltnetzteiles schwächer zu dimensionieren, sodass kostengünstigere Bauteile Verwendung finden können.According to the invention, the first stage is a voltage divider, i. H. a linear voltage divider or a linear power supply used, which reduces the mains or input voltage to an intermediate voltage. This intermediate voltage forms the input voltage for an electronic switching power supply used as a second stage. The structure of this electronic switched-mode power supply can correspond to known switching power supplies. According to the invention, however, there is the advantage that the switching power supply can be designed as a low-voltage switching power supply, d. H. it does not have to be designed for mains voltage as input voltage. This makes it possible to use cheaper electronic components for the switching power supply, which are designed for lower maximum voltages, since they are not exposed to the mains voltage as input voltage. Thus, the switching power supply can be constructed more cost-effective overall. In addition, any voltage peaks in the mains voltage are absorbed or compensated by the upstream linear voltage divider, so that the switching power supply is not exposed to such voltage peaks. This also makes it possible to dimension the electronic components of the switching power supply weaker, so that less expensive components can be used.
Darüber hinaus wird aufgrund der Tatsache, dass der Spannungsteiler die Eingangs- bzw. Netzspannung nur auf eine Zwischenspannung re- duziert, die Differenzspαnnung, welcher allein über den Spannungsteiler abfällt gering gehalten. Auf diese Weise werden auch die Verluste im Spannungsteiler gering gehalten verglichen mit der ausschließlichen Verwendung eines Spannungsteilers zur Bereitstellung der Betriebsspan- nung für die elektronischen Schaltungen.In addition, due to the fact that the voltage divider, the input or mains voltage only to an intermediate voltage Duziert, the Differenzspαnnung, which decreases alone on the voltage divider kept low. In this way, the losses in the voltage divider are kept low compared with the exclusive use of a voltage divider to provide the operating voltage for the electronic circuits.
Neben den genannten Vorteilen können durch die erfindungsgemäße Anordnung darüber hinaus elektromagnetische Störungen verringert werden. Ferner ist die gesamte Anordnung sehr robust und störungssi- eher. Die gesamte Schaltung des Netzteiles kann kurzschlussfest ausgebildet werden und Lasten mit wechselnden Lastzyklen mit hohem und niedrigem Strom vertragen.In addition to the advantages mentioned, electromagnetic interference can also be reduced by the arrangement according to the invention. Furthermore, the entire arrangement is very robust and störungssi- rather. The entire circuit of the power supply can be designed short-circuit-proof and tolerate loads with alternating load cycles with high and low current.
Vorzugsweise weist der Spannungsteiler in einem ersten Zweig zumin- dest einen elektrischen Widerstand oder Transistor auf. Anstelle eines Widerstandes oder Transistors können auch mehrere solcher Bauelemente, insbesondere eine Reihenschaltung von elektrischen Widerständen vorgesehen werden. So können hier kostengünstige, kleiner dimensionierte Bauelemente Verwendung finden.The voltage divider in a first branch preferably has at least one electrical resistance or transistor. Instead of a resistor or transistor, it is also possible to provide a plurality of such components, in particular a series connection of electrical resistors. Thus, inexpensive, smaller-sized components can be used here.
Weiter bevorzugt ist in einem zweiten Zweig des Spannungsteilers eine Z-Diode bzw. Zener-Diode angeordnet. Diese kann gemeinsam mit Transistoren bzw. Widerständen in dem ersten Zweig den Spannungsteiler bilden, welcher die Eingangs- bzw. Netzspannung auf die Zwischen- Spannung für das nachgeschaltete Schaltnetzteil reduziert.More preferably, a Zener diode or Zener diode is arranged in a second branch of the voltage divider. This can form the voltage divider together with transistors or resistors in the first branch, which reduces the input or mains voltage to the intermediate voltage for the downstream switching power supply.
Vorzugsweise wird die Ausgangsspannung des Spannungsteilers, welche die Zwischenspannung darstellt, die dem Eingang des nachgeschalteten Schaltnetzteils zugeführt wird, an dem Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Zweiges abgegriffen, d. h. , zwischen dem zumindest einen elektrischen Widerstand und der Z-Diode abgegriffen. So wird ein üblicher Spannungsteiler gebildet, dessen Ausgangsspan- nung im Wesentlichen von der Durchbruchspαnnung der eingesetzten Zener-Diode abhängt. Abhängig von der anliegenden Last kann diese Ausgangsspannung geringfügig schwanken.Preferably, the output voltage of the voltage divider, which represents the intermediate voltage, which is supplied to the input of the downstream switching power supply, tapped at the connection point of the first and second branches, ie tapped between the at least one electrical resistance and the Zener diode. Thus, a conventional voltage divider is formed whose output voltage Essentially depends on the breakdown of the Zener diode used. Depending on the applied load, this output voltage may fluctuate slightly.
Ferner kann in dem Spannungsteiler zumindest eine eingangsseitig angeordnete Diode zum Gleichrichten der Netzspannung vorgesehen sein. Alternativ kann ein Gleichrichter angeordnet sein.Furthermore, at least one diode arranged on the input side can be provided for rectifying the mains voltage in the voltage divider. Alternatively, a rectifier may be arranged.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Spannungs- feiler mit einem Stützkondensator versehen. Dieser ist vorzugsweise im ersten Zweig des Spannungsteilers hinter den Widerständen oder Transistoren angeordnet und zwischen dem ersten Zweig und Masse gelegen. Dieser Stützkondensator dient dazu, den Spannungsverlauf des Spannungsteilers zu glätten und insbesondere dazu, mit seiner gespei- cherten Energie die Funktion des Schaltnetzteiles dann aufrecht zu erhalten, wenn die Eingangsspannung des Spannungsteilers aufgrund der gleichgerichteten Wechselspannung, beispielsweise durch Anordnung einer Diode, unterbrochen ist.According to a further preferred embodiment, the voltage feiler is provided with a backup capacitor. This is preferably located in the first branch of the voltage divider behind the resistors or transistors and located between the first branch and ground. This backup capacitor serves to smooth the voltage profile of the voltage divider and in particular to maintain the function of the switching power supply with its stored energy, when the input voltage of the voltage divider is interrupted due to the rectified AC voltage, for example by arranging a diode.
Das Schaltnetzteil kann grundsätzlich als beliebiges bekanntes Schaltnetzteil ausgebildet sein, welches geeignet ist, die Zwischenspannung, welche am Ausgang des Spannungsteilers anliegt, auf die gewünschte Betriebsspannung für eine elektronische Schaltung zu reduzieren. Besonders bevorzugt kann das Schaltnetzteil ein Abwärtssteller (bück con- verter) oder flyback-converter sein. Diese Schaltungen können in ihrer Auslegung an die durch den Spannungsteiler reduzierte Eingangsspannung angepasst werden. Es können in ihrer Dimensionierung entsprechend schwächere und damit kostengünstigere elektronische Bauteile verwendet werden. Grundsätzlich können jedoch beliebige Schaltnetz- teile (switchmode Converter), beispielsweise Halbbrückenwandler (halfbridge Converter), Vollbrückenwandler (fullbridge Converter), Durchflusswαndler (forwαrdconverter). Gegentαktwαndler (push-pull Converter) und CUK-Konverter eingesetzt werden.The switched-mode power supply can in principle be designed as any known switched-mode power supply which is suitable for reducing the intermediate voltage which is present at the output of the voltage divider to the desired operating voltage for an electronic circuit. Particularly preferably, the switched-mode power supply can be a buck converter or flyback converter. These circuits can be adapted in their design to the reduced by the voltage divider input voltage. It can be used in their dimensions correspondingly weaker and thus less expensive electronic components. In principle, however, any switching network parts (switchmode converter), for example half-bridge converter, full-bridge converter, Flow converter (forwαrdconverter). Gegentαktwαndler (push-pull converter) and CUK converter can be used.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in dem erfin- dungsgemäßen Netzteil eine Startschaltung vorgesehen, welche derart ausgebildet ist, dass sie das Schaltnetzteil beim Einschalten solange außer Funktion setzt, bis in allen Zweigen des Spannungsteilers ein vorbestimmter Stromfluss gegeben ist, d.h. der Spannungsteiler seinen Betriebszustand erreicht hat. Durch diese Schaltung wird die sichere Inbe- triebnahme des Spannungsteilers sichergestellt. Andernfalls könnte eine Last am Ausgang die korrekte Inbetriebnahme des Spannungsteilers verhindern.According to a further preferred embodiment, a starting circuit is provided in the inventive power supply, which is designed such that it sets the switching power supply at power off as long as until in all branches of the voltage divider, a predetermined current flow is given, i. the voltage divider has reached its operating state. This circuit ensures safe commissioning of the voltage divider. Otherwise, a load on the output could prevent proper start-up of the voltage divider.
Das Verhältnis der Spannungen zueinander, d. h. von Eingangsspan- nung bzw. Netzspannung, Zwischenspannung und Ausgangsspannung zueinander, kann je nach Anforderung gewählt werden. Beispielsweise kann die Zwischenspannung im Bereich zwischen 20 und 150 Volt liegen, wenn die Netzspannung bei 230 Volt liegt. Die Ausgangsspannung kann beispielsweise zwischen 2 und 10 oder mehr Volt liegen. Jedoch sind auch andere Spannungsverhältnisse realisierbar.The ratio of the voltages to each other, d. H. of input voltage or mains voltage, intermediate voltage and output voltage to each other, can be selected depending on the requirement. For example, the intermediate voltage may range between 20 and 150 volts when the line voltage is at 230 volts. The output voltage may be, for example, between 2 and 10 or more volts. However, other voltage conditions can be realized.
Besonders bevorzugt kann das erfindungsgemäße Netzteil zur Spannungsversorgung elektronischer Komponenten in einem Pumpenaggregat eingesetzt werden. Gerade bei Pumpenaggregaten, wie bei- spielsweise Heizungsumwälzpumpenaggregaten, welche im Dauerbetrieb laufen, ist eine effiziente Energieausnutzung wünschenswert, so- dass die Verluste der elektronischen Bauteile und insbesondere auch in der Spannungsversorgung möglichst minimiert werden sollen. Mit dem erfindungsgemäßen zweistufigen aufgebauten Netzteil kann der Ge- samtwirkungsgrad des Netzteils gegenüber bekannten Netzteilen erhöht werden. Folglich ist auch ein Pumpenaggregat mit einem Netzteil gemäß der vorangehenden Beschreibung Gegenstand der Erfindung. Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. In diesen zeigt:Particularly preferably, the power supply according to the invention can be used to supply power to electronic components in a pump set. Especially with pump units, such as Heizungsumwälzpumpenaggregaten running in continuous operation, an efficient energy utilization is desirable, so that the losses of the electronic components and in particular in the power supply should be minimized as possible. With the two-stage constructed power supply according to the invention, the overall efficiency of the power supply can be increased compared to known power supplies. Consequently, a pump unit with a power supply according to the foregoing description is the subject of the invention. The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. In these shows:
Fig. 1 schematisch den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Netzteiles,1 shows schematically the basic structure of the power supply according to the invention,
Fig. 2 einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Netzteiles,2 shows a circuit diagram of an embodiment of the power supply according to the invention,
Fig. 3 eine alternative Ausgestaltung des Spannungsteilers,3 shows an alternative embodiment of the voltage divider,
Fig. 4 eine zweite Alternative des Spannungsteilers,4 shows a second alternative of the voltage divider,
Fig. 5 undFig. 5 and
Fig. 6 Spannungs- und Stromverläufe über die Zeit bei dem Netzteil gemäß Fig. 2.Fig. 6 voltage and current waveforms over time in the power supply of FIG. 2.
Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht das erfindungsgemäße Netzteil grund- sätzlich aus zwei Teilen, nämlich einer linearen Spannungsquelle LSR in Form eines Spannungsteilers und einem nachgeschaltetem Schaltnetzteil SMPS. Der Spannungsteiler LSR erzeugt aus einer Eingangsspannung E eine Zwischenspannung VDD, welche dem Schaltnetzteil SMPS als Eingangsspannung zugeführt wird. Das Schaltnetzteil setzt die Zwischen- Spannung VDD auf die Ausgangsspannung A herab.As shown in FIG. 1, the power supply according to the invention fundamentally consists of two parts, namely a linear voltage source LSR in the form of a voltage divider and a downstream switching power supply SMPS. The voltage divider LSR generates from an input voltage E an intermediate voltage VDD, which is supplied to the switching power supply SMPS as an input voltage. The switching power supply lowers the intermediate voltage VDD to the output voltage A.
Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 2) beträgt die Eingangsspannung 230 Volt, d. h. Netzspannung. Die Zwischenspannung VDD beträgt ungefähr 43 Volt und die Ausgangsspan- nung A beträgt 5 Volt. Der Spannungsteiler LSR wird im Wesentlichen von in Reihe geschalteten Widerständen Rl bis R5 und einer Zener-Diode Zl gebildet. Den Widerständen Rl bis R5 ist zur Gleichrichtung eine Diode Dl vorgeschaltet. Die Zenerdiode hat in diesem Beispiel eine Durchbruchspannung von 43 Volt, sodass die Ausgangsspannung des Spannungsteilers LSR im gezeigten Beispiel ebenfalls im Wesentlichen 43 Volt, bei maximaler Last auch niedriger ist.In the embodiment described below (see FIG. 2), the input voltage is 230 volts, ie mains voltage. The intermediate voltage VDD is approximately 43 volts and the output voltage A is 5 volts. The voltage divider LSR is essentially formed by series-connected resistors R1 to R5 and a zener diode Z1. The resistors Rl to R5 is preceded by a diode Dl for rectification. The Zener diode in this example has a breakdown voltage of 43 volts, so that the output voltage of the voltage divider LSR in the example shown also substantially 43 volts, at maximum load is also lower.
Als nachgeschaltetes Schaltnetzteil SMPS kommt bei diesem Ausfüh- rungsbeispiel ein Abwärtssteiler (bück boost Converter) in bekannter Ausgestaltung zur Anwendung. Es ist zu verstehen, dass hier auch andere Schaltnetzteile, beispielsweise ein flyback Converter Verwendung finden können. Die Voranschaltung des Spannungsteiles LSR hat den Vorteil dass in dem Schaltnetzteil SMPS Bauteile, welche für eine Maxi- malspannung von 60 Volt ausgelegt sind, Verwendung finden können, sodass ein preisgünstigerer Aufbau möglich ist. Es müssen keine teuren auf Netzspannung ausgelegte Bauteile verwendet werden. Auf der anderen Seite reduziert sich in dem Spannungsteiler durch die Nachschaltung des Schaltnetzteiles SMPS der auftretende Strom im Vergleich zu der alleinigen Verwendung eines Spannungsteiles zur Wandlung der Netzspannung 230 Volt in eine Ausgangsspannung von 5 Volt. So wird der Verlust im Spannungsteiler reduziert und auch die verwendeten Widerstände können entsprechend schwächer dimensioniert werden, was einen preiswerten Aufbau des Spannungsteilers ermöglicht. In dem Spannungsteiler ist darüber hinaus ein Kondensator Cl als Stützkondensator angeordnet. Der Stützkondensator Cl dient dazu, den Betrieb des Schaltnetzteiles SMPS auch dann aufrechtzuerhalten, wenn die Spannung hinter der Diode Dl aufgrund der eingehenden Wechselspannung auf null abfällt.As downstream switched-mode power supply SMPS, a step-down divider (back boost converter) of known design is used in this exemplary embodiment. It should be understood that other switched-mode power supplies, such as a flyback converter, may be used here as well. The upstream connection of the voltage part LSR has the advantage that in the switching power supply SMPS components, which are designed for a maximum voltage of 60 volts, can be used, so that a cheaper construction is possible. There is no need to use expensive mains voltage rated components. On the other hand reduces in the voltage divider by the downstream of the switching power supply SMPS of the occurring current in comparison to the sole use of a voltage part for converting the mains voltage 230 volts in an output voltage of 5 volts. Thus, the loss is reduced in the voltage divider and also the resistors used can be dimensioned correspondingly weak, which allows a low-cost construction of the voltage divider. In addition, a capacitor Cl is arranged as a backup capacitor in the voltage divider. The backup capacitor Cl serves to maintain the operation of the switching power supply SMPS even when the voltage behind the diode Dl drops to zero due to the incoming AC voltage.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner eine Startschaltung UVLO (un- der-voltage-lock-out) vorgesehen. Diese dient dazu, bei Inbetriebnah- me der Schaltung zunächst das Schaltnetzteil SMPS zu deaktivieren, um die Inbetriebnahme des Spannungsteilers LSR sicherzustellen. Die Schaltung UVLO deaktiviert das Schaltnetzteil solange bis die Spannung über dem Kondensator Cl das Niveau erreicht, bei dem die Zener-Diode Zl leitfähig wird, d. h. die Durchbruchspannung der Zener-Diode Zl , im vorliegenden Beispiel 43 Volt, erreicht. Die Startschaltung könnte in das Schaltnetzteil SMPS integriert sein.In this embodiment, a start-up circuit UVLO (under-voltage-lock-out) is further provided. This is used when commissioning first of all, to deactivate the switching power supply SMPS in order to ensure the startup of the voltage divider LSR. The circuit UVLO deactivates the switching power supply until the voltage across the capacitor Cl reaches the level at which the zener diode Zl becomes conductive, ie reaches the breakdown voltage of the zener diode Zl, 43 volts in the present example. The starting circuit could be integrated in the switching power supply SMPS.
Wenn die Durchbruchspannung erreicht ist, liefert die Startschaltung UVLO eine Spannung von etwa 4 Volt an dem Ausgangsspannungszweig und den Vergleicher Ul-D des Schaltnetzteiles, sodass dieses seinen Betrieb aufnimmt. Wenn das Schaltnetzteil dann die Sollausgangsspannung A, im vorliegenden Fall 5 Volt, erreicht, wird der Transistor Ql 1 der Startschaltung UVLO keine weitere Ausgangsspannung liefern und die Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles SMPS von 5 Volt wird dem Vergleicher Ul-D des Schaltnetzteiles zugeführt. Hierdurch wird die Stromaufnahme aus dem Spannungsteiler LSR im Normalbetrieb reduziert, wodurch die Verlustleistung des Systems gering gehalten wird.When the breakdown voltage is reached, the starting circuit UVLO provides a voltage of about 4 volts at the output voltage branch and the comparator Ul-D of the switching power supply, so that it starts its operation. If the switching power supply then the target output voltage A, in the present case 5 volts, reaches the transistor Ql 1 the start circuit UVLO provide no further output voltage and the output voltage of the switching power supply SMPS of 5 volts is supplied to the comparator Ul-D of the switching power supply. As a result, the current consumption is reduced from the voltage divider LSR in normal operation, whereby the power loss of the system is kept low.
Die auftretenden Spannungsverläufe werden anhand der Fig. 5 und 6 näher erläutert. Die Spannung V (In) ist die Versorgungsspannung hinter der Diode Dl . Die Spannung V (VDD) ist die Zwischenspannung am Ausgang des Spannungsteilers. Diese Spannung steigt bei Inbetriebnahme langsam von 0 Volt an. Die Kurve IC (Q2) zeigt den Ausgangs- ström der Startschaltung UVLO, welcher dem Vergleicher Ul-D des Schaltnetzteiles sowie dem Ausgangsspannungszweig 5V zugeführt wird. Die Kurve avg zeigt den mittleren Strom in der Induktivität Ll des Schaltnetzteiles. Die Kurve V (5V) zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung A im Ausgangsspannungszweig.The occurring voltage profiles are explained in more detail with reference to FIGS. 5 and 6. The voltage V (In) is the supply voltage behind the diode Dl. The voltage V (VDD) is the intermediate voltage at the output of the voltage divider. This voltage rises slowly at startup from 0 volts. The curve IC (Q2) shows the output current of the starting circuit UVLO, which is supplied to the comparator Ul-D of the switching power supply as well as the output voltage branch 5V. The curve avg shows the average current in the inductance Ll of the switching power supply. The curve V (5V) shows the curve of the output voltage A in the output voltage branch.
Es ist zu sehen, dass bei Inbetriebnahme die Zwischenspannung VDD zunächst langsam ansteigt. Ferner ist zu erkennen, dass die Ausgangs- Spannung A schnell ansteigt, wenn die Startschaltung UVLO nach etwa 22 Millisekunden das Schaltnetzteil SMPS aktiviert. Ferner ist anhand des Stroms avg in der Induktivität Ll des Schaltnetzteiles zu erkennen, dass bei Inbetriebnahme das Schaltnetzteil SMPS mit dazu beiträgt, die Aus- gangsspannung auf das Niveau von 5 Volt zu heben, d. h. die gewünschte Ausgangsspannung A durch das Schaltnetzteil SMPS zu erreichen.It can be seen that at start-up, the intermediate voltage VDD initially rises slowly. It can also be seen that the starting point Voltage A rises rapidly when the starting circuit UVLO activates the switching power supply SMPS after about 22 milliseconds. Furthermore, it can be seen from the current avg in the inductance Ll of the switched-mode power supply that during startup the switched-mode power supply SMPS contributes to raising the output voltage to the level of 5 volts, ie to achieve the desired output voltage A through the switching power supply SMPS.
Fig. 6 zeigt die Spannungs- und Stromverläufe nach einem längeren Betrieb nach 80 Millisekunden. Hier ist zu erkennen, dass die in dem Kondensator Cl gespeicherte Ladung dazu beiträgt, das Schaltnetzteil SMPS in Betrieb zu halten, wenn die Versorgungsspannung hinter der die Diode Dl auf 0 abfällt, bis der Kondensator Cl dann wieder in der nächsten Periode der Spannung hinter der Diode Dl geladen wird. Die Kurve I (MI :s) gibt den Strom in dem Transistor Q3 des Schaltnetzteiles SMPS an. Hier ist zu sehen, dass der Stromverlauf stark diskontinuierlich ist. Es ist jedoch gleichzeitig zu erkennen, dass der Strom I (Rdrop) kontinuierlich verläuft, sodass kein EMC-Filter zur Filterung elektromagnetischer Störungen erforderlich ist. Ferner ist in der Kurve V (5V) zu erken- nen, dass das Schaltnetzteil eine im Wesentlichen konstante Ausgangsspannung A abgibt.Fig. 6 shows the voltage and current waveforms after a long operation after 80 milliseconds. Here it can be seen that the charge stored in the capacitor Cl helps to keep the switching power supply SMPS in operation when the supply voltage behind the diode Dl drops to 0, until the capacitor Cl again in the next period of the voltage behind the Diode Dl is loaded. The curve I (MI: s) indicates the current in the transistor Q3 of the switching power supply SMPS. Here you can see that the current flow is very discontinuous. However, it can be seen at the same time that the current I (Rdrop) runs continuously, so that no EMC filter for filtering electromagnetic interference is required. Furthermore, it can be seen in the curve V (5V) that the switched-mode power supply outputs a substantially constant output voltage A.
Fig. 3 und 4 zeigen alternative Ausgestaltungen für den Spannungsteiler LSR. Der Spannungsteiler gemäß Fig. 3 ist basierend auf einem MOS- Feldeffekt-Transistor (MOS-FET) Ml aufgebaut. Der Spannungsteiler gemäß Fig. 4 ist basierend auf einen Bipolar-Transistor (BJT) Ql aufgebaut. Auch bei diesen Schaltungen wird gemäß der vorangehenden Beschreibung die Eingangsspannung E zunächst auf eine Zwischenspannung VDD reduziert, welche dann nachfolgend einem Niederspan- nungsschaltnetzteil SMPS zugeführt wird. Bezugszeichenliste3 and 4 show alternative embodiments for the voltage divider LSR. The voltage divider according to FIG. 3 is constructed based on a MOS field-effect transistor (MOS-FET) M1. The voltage divider of FIG. 4 is constructed based on a bipolar transistor (BJT) Q1. In these circuits as well, the input voltage E is initially reduced to an intermediate voltage VDD, which is then subsequently supplied to a low-voltage switching power supply SMPS. LIST OF REFERENCE NUMBERS
E EingαngsspαnnungE Input signal
A AusgαngsspαnnungA Ausgαngsspαnnung
VDD ZwischenspαnnungVDD interlude
LSR Spannungsteiler (linear shunt regulator)LSR voltage divider (linear shunt regulator)
SMPS Schaltnetzteil (switch mode power supply)SMPS switching power supply (switch mode power supply)
Rl bis R5 WiderständeRl to R5 resistors
Zl Zener-DiodeZl Zener diode
Dl DiodeDI diode
UVLO StartschaltungUVLO start switch
Ul -D VergleicherUl -D comparator
Q3, Ql I TransistorenQ3, Ql I transistors
Cl KondensatorCl capacitor
Ll Induktivität Ll inductance

Claims

Ansprüche claims
1. Netzteil zur Umwandlung einer Netzspannung (E) in eine Betriebsspannung (A) für elektronische Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil einen Spannungsteiler (LSR) und einen in Reihe nachgeschaltetes Schaltnetzteil (SMPS) aufweist.1. power supply for converting a mains voltage (E) into an operating voltage (A) for electronic circuits, characterized in that the power supply has a voltage divider (LSR) and a series-connected switching power supply (SMPS).
2. Netzteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler (LSR) in einem ersten Zweig zumindest einen elektrischen Widerstand (Rl - R5) oder Transistor (Ql , Ql 1 ) aufweist.2. Power supply according to claim 1, characterized in that the voltage divider (LSR) in a first branch at least one electrical resistance (Rl - R5) or transistor (Ql, Ql 1).
3. Netzteil nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem in einem zweiten Zweig des Spannungsteilers (LSR) eine Z-Diode (Zl ) angeordnet ist.3. Power supply according to claim 1 or 2, wherein in a second branch of the voltage divider (LSR), a Zener diode (Zl) is arranged.
4. Netzteil nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (VDD) des Spannungsteilers (LSR) an dem Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Zweiges abgegrif- fen wird.4. Power supply according to claim 2 and 3, characterized in that the output voltage (VDD) of the voltage divider (LSR) is tapped at the connection point of the first and the second branch.
5. Netzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler (LSR) zumindest eine ein- gangseitig angeordnete Diode (Dl ) zum Gleichrichten der Netzspannung (E) aufweist.5. Power supply according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage divider (LSR) has at least one input side arranged diode (Dl) for rectifying the mains voltage (E).
6. Netzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler (LSR) mit einem Stützkondensator (Cl ) versehen ist. 6. Power supply according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage divider (LSR) is provided with a backup capacitor (Cl).
7. Netzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil (SMPS) ein Abwärtssteller (bück Converter) oder Flyback-Converter ist.7. Power supply according to one of the preceding claims, characterized in that the switched-mode power supply (SMPS) is a buck converter (bück converter) or flyback converter.
8. Netzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Startschaltung (UVLO) vorgesehen ist, welche derart ausgebildet ist, dass sie das Schaltnetzteil (SMPS) solange außer Funktion setzt, bis in allen Zweigen des Spannungsteilers (LSR) ein vorbestimmter Stromfluss gegeben ist. 8. Power supply according to one of the preceding claims, character- ized in that a start circuit (UVLO) is provided, which is designed such that it sets the switching power supply (SMPS) as long as out of function, up in all branches of the voltage divider (LSR) predetermined current flow is given.
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