FI94197C - Tehonsyöttöjärjestelmä - Google Patents

Description

94197

Tehonsyöttöj ärjestelmä

Keksinnön kohteena on oheisen patenttivaatimuksen 1 5 johdanto-osan mukainen tehonsyöttöjärjestelmä, jossa käytetään hakkuriteholähteitä. Keksinnön mukaisen järjestelmän edullinen käyttökohde on tietoliikennelaitteisto, jossa on useita rinnakkaisia korttiyksiköitä, joista kukin tarvitsee oman teholähteensä.

10 Hakkuriteholähteiden (switched-mode power supply) osuus teholähdesuunnittelussa on jatkuvasti kasvussa. Tämä johtuu niiden useista eduista, joita ovat esim. hyvä hyötysuhde, laaja tulojännitealue sekä mahdollisuus toteuttaa kompakteja ja kevyitä teholähteitä. Hakkuriteholähteissä 15 käytetään nykyisin yhä useammin flyback-topologiaa (topologialla tarkoitetaan sitä piirikonfiguraatiota, joka määrää, miten teho siirtyy teholähteessä). Flyback-tyyp-pisen teholähteen suurin etu on sen yksinkertainen ja halpa rakenne, joka soveltuu käytettäväksi myös moniläh-20 töisissä teholähteissä.

Hakkuriteholähteessä säädetään ensiöpiirissä olevan kytkimen ON- ja OFF-jaksojen suhdetta pulssinleveysmodu-laation (PWM) avulla. Kytkintä ohjaava PWM-säätöpiiri voidaan sijoittaa teholähteessä joko ensiöjännitteiden tai 25 toisiojännitteiden puolelle, riippuen siitä, mitkä ominaisuudet ovat kulloinkin tärkeitä. Seuraavassa näitä kahta ratkaisua kuvataan tarkemmin.

Kuviossa 1 on esitetty sinänsä tunnetun (flyback) hakkuriteholähteen periaatteellista kytkentää, kun 30 PWM-säätöpiiri on sijoitettu ensiöjännitteiden puolelle.

. Teholähde käsittää sinänsä tunnetusti ensinnäkin päämuun- tajan 10, jonka läpi teho siirretään ensiöstä toisioon, ensiöpiirissä olevan kytkimen SW, joka voi olla esim. tehomosfet (kuten kuviossa on esitetty) tai bipolaaritran-35 sistori. Kytkimellä katkotaan ensiökäämin A läpi kulkevaa 2 94197 ensiövirtaa. Lisäksi teholähde käsittää kytkintä ohjaavan säätöpiirin 13, joka kytkimen toimintajaksoa (duty cycle) säätämällä ohjaa ulostulojännitteitä Uoutl ja Uout2, jotka ovat tässä esimerkissä +12V ja +5V. Säätö tapahtuu puls-5 sinleveysmodulaation (PWM) avulla, toisin sanoen säätämällä kytkimen ON- ja OFF-jaksojen pituuksien keskinäistä suhdetta. Kytkinpulssin leveyttä ohjaava säätöpiiri 13 voi toimia joko jännitemoodissa lähtöjännitteeseen perustuen (ns. voltage mode) tai virtamoodissa ensiövirtaan ja lähiö töjännitteeseen perustuen (ns. current mode). Suurin osa (n. 80%) nykyisistä flyback-hakkureista käyttää virtamoo-dipiirejä (koska virtamoodisäädöllä saadaan säädön vaihe-vara paremmaksi kuin jännitemoodisäädöllä). Tämän vuoksi kuvion 1 esimerkissä esitetty säätöpiiri onkin virtamoo-15 dissa toimiva säätöpiiri 13, joka suorittaa säädön ta-kaisinkytkentäpiiriltä FB saamansa jännitetiedon sekä kytkimeltä SW saamansa virtatiedon perusteella. Jännite-tieto muodostetaan ottamalla jännitteenjakovastuksilla R2 ja R3 näyte lähtöjännitteestä amplitudimodulaattoripii-20 rille 14, joka on galvaanisesti kytketty toisiopuolen lähtöön. Amplitudimodulaattoripiirin ulostulosignaali kytketään galvaanisen erotusmuuntajan 15 kautta säätöpiirin 13 jännitetakaisinkytkentäsisäänmenoon Vfb. Virtatieto saadaan kytkimeltä SW virranmittausvastuksella Rm (joka on 25 kytketty MOSFETin SW source-elektrodin ja tulojännitteen Uin miinusnavan väliin) ottamalla vastuksen yli vaikuttavasta jännittestä näyte säätöpiirin virranmittaustuloon Is. Säätöpiiri 13 voi olla esim. tyyppiä UC3843 (tai jokin muu saman perheen piiri), valmistaja Unitrode Corporation, 30 USA. Amplitudimodulaattoripiiri 14 voi puolestaan olla . esim. saman valmistajan piiri UC3901. Vastaavia piirejä on myös muilla valmistajilla.

Teholähteen ensiöpuolella on lisäksi erillinen apu-jännitekäämi B, jonka avulla muodostetaan käyttöjännite 35 (+12V) säätöpiirille 13. Apujännitekäämin napojen välissä 3 94197 on sarjassa tasasuuntausdiodi Dl ja kondensaattori Cl, jonka yli mainittu käyttöjännite muodostuu. Kondensaattorin ja käämin yhteinen napa on kytketty tulojännitteen miinusnapaan ja kondensaattorin ja diodin yhteinen napa 5 puolestaan säätöpiirin käyttöjännitesisäänmenoon Vc, johon muodostuu yhteinen piste P latausvastukselle Rl, kondensaattorille Cl, diodille Dl ja käynnistyskondensaattorille Ck, joka on kytketty tämän yhteisen pisteen ja tulojännitteen miinusnavan väliin. Latausvastus Rl on kytketty tulo-10 jännitteen plusnavan ja säätöpiirin 13 käyttöjänni-tesisäänmenon (pisteen P) väliin.

Teholähteen toisiopiirissä on tässä esimerkissä kaksi toisiokäämiä, joita on merkitty viitemerkeillä C ja D. Toisiokäämien yhteinen napa on kytketty maahan ja tämän 15 yhteisen navan sekä käämin toisen navan väliin on kytketty tasasuuntausdiodi ja ulostulokondensaattori keskenään sarjaan. Käämin C osalta näitä on merkitty viitemerkeillä D2 ja Coutl ja käämin D osalta viitemerkeillä D3 ja Cout2.

Kuvion 1 mukaisen teholähteen käynnistäminen tapah-20 tuu seuraavasti. Latausvastuksen Rl (joka rajoittaa virtaa) kautta ladataan käynnistyskondensaattoria Ck, kunnes säätöpiirin käyttöjännitesisäänmenossa Vc vaikuttava jännite kasvaa niin suureksi, että säätöpiiri alkaa antaa oh-jauspulsseja kytkimelle SW. Tämän seurauksena teholähde 25 käynnistyy ja apujännitekäämiin B syntyy jännite, joka ta-sasuunnataan diodilla Dl ja jota käytetään säätöpiirin käyttöjännitteen ja kytkimen ohjaustehon muodostamiseen.

Säätöpiirin 13 ennen käynnistämistä ottama virta (ns. startup-virta) on pieni (esim. 1 mA) verrattuna sen 3 0 käynnistymisen jälkeen ottamaan virtaan (esim. > 30 mA) .

- Näin ollen järjestely on edullinen, koska vain käynnistys- teho tarvitsee ottaa suuresta tulojännitteestä (esim.

20... 72V) . Säätöpiirin käyttöjännitteen hystereesillä huolehditaan siitä, että teholähde käynnistyy kondensaatto-35 riin Ck latautuneella energialla. Esim. edellä mainitun 4 941 97 piirin UC3843 käynnistymiskynnysjännite on 8,4 V ja mini-mikäyttöjännite 7,6 V.

Edellä kuvatun ratkaisun suurin haitta on erillisen takaisinkytkentäpiirin tarve, mistä seuraa useita ongel-5 mia: - takaisinkytkennässä tarvitaan galvaanisen erotuksen takia muuntaja, jolla on riittävä jännitelujuus (käytännössä ainakin 200 V), - takaisinkytkentä tuo teholähteen toimintaan vii- 10 vettä, - teholähteen vaatima pinta-ala kasvaa, ja - takaisinkytkentäpiiri sekä tarvittava erotusmuun-taja lisäävät kustannuksia.

Erillisestä takaisinkytkentäpiiristä päästään eroon 15 sijoittamalla PWM-säätöpiiri teholähteen toisiojännit- teiden puolelle. Kuviossa 2 on esitetty sinänsä tunnetun hakkuriteholähteen periaatteellista kytkentää, kun PWM-säätöpiiri 13 on sijoitettu toisiojännitteiden puolelle. Tässä tapauksessa otetaan ohjaus säätöpiirin jänniteta-20 kaisinkytkentäsisäänmenoon Vfb teholähteen lähdöstä jän nitteen jakovastusten R4 ja R5 avulla. Tieto ensiövirrasta otetaan ensiöpiirissä olevalla virranmittausmuuntajan 21 kautta säätöpiirin virranmittaustuloon Is, jolloin erillistä virranmittausvastusta ei ole, vaan MOSFETin SW sour-25 ce-elektrodi on kytketty suoraan tulojännitteen Uin miinusnapaan. Koska kytkin SW sijaitsee ensiöpuolella, tarvitaan tässä ratkaisussa kytkimen ohjaukseen oma ohjauspii-rinsä 22, joka on varustettu galvaanisella erotuksella. Erillistä apujännitekäämiä B ei tässä ratkaisussa tarvita, 30 mutta teholähde on varustettava omalla erillisellä käyn-, nistysteholähteellä 23 (hakkuriteholähde), joka saa tulo- jännitteensä teholähteen tulojännitteestä Uin. Käynnistys-teholähteen ulostulojännitteen plusnapa on kytketty käyn-nistysvastuksen Rk kautta säätöpiirin käyttöjännitesisään-35 menoon Vc ja sen ulostulojännitteen miinusnapa on kytketty 5 94197 maahan. Käynnistyskondensaattori Ck on kytketty säätöpiirin käyttöjännitesisäänmenoon Vc ja maan väliin.

Käynnistettäessä teholähde alkaa käynnistysteholähde 23 ladata käynnistyskondensaattoria Ck pienellä latausvir-5 ralla siksi, kunnes säätöpiiri 13 alkaa antaa ohjauspuls-seja ja teholähteen lähtöjännitteet nousevat. Teholähteen lähdön ja säätöpiirin käyttöjännitesisäänmenon Vc väliin estosuuntaan kytketty diodi Dk estää lähdössä mahdollisesti olevien kuormitusten vaikutuksen käynnistystapahtumaan. 10 Kuviossa 2 esitetyn ratkaisun pääasiallisin hait tapuoli on se, että hakkuriteholähde on varustettava erillisellä pienellä käynnistysteholähteellä. Tämä on haitta erityisesti järjestelmissä, joissa tarvitaan useita erillisiä hakkuriteholähteitä. Käytännössä on tämä epäkohta 15 saattanut johtaa siihen, että tällaisissa järjestelmissä hakkuriteholähteet toteutetaan kuvion 1 mukaisella ratkaisulla, jossa säätöpiiri on ensiöpuolella. Tällöin on teholähteillä kuitenkin taka is inkytkennästä johtuvat puutteet, joita kuvattiin edellä.

20 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on päästä eroon edellä kuvatuista epäkohdista ja saada aikaan sellainen tehonsyöttöjärjestelmä, jossa päästään eroon edellä kuvatuista ongelmista. Tämä saavutetaan keksinnön mukaisella tehonsyöttöjärjestelmällä, jolle on tunnusomaista 25 se, mitä kuvataan oheisen patenttivaatimuksen 1 tunnus-merkkiosassa.

Keksinnön mukaisen ratkaisun eräs lisäetu on se, että kaikki hakkuriteholähteet voidaan sammuttaa keskitetysti alentamalla yhteisen apujännitelähteen antamaa apu-3C jännitettä. Tämä tarkoittaa toisaalta sitä, että sammutus-- ta ei tarvitse tehdä erikseen jokaiselle hakkuriteholäh- a teelle ja toisaalta sitä, että keskitetyssä sammutuksessa ei tarvitse katkoa suuria virtoja, kuten jouduttaisiin tekemään, jos sammutus hoidettaisiin katkaisemalla järjes-35 telmän yhteisestä jännitelähteestä tapahtuva syöttö.

6 94197

Seuraavassa keksintöä ja sen edullisia suoritusmuotoja kuvataan tarkemmin viitaten kuvioiden 3 ja 4 mukaisiin esimerkkeihin oheisissa piirustuksissa, joissa kuvio 1 esittää sinänsä tunnetun hakkuriteholähteen 5 periaatteellista kytkentää, kun PWM-säätöpiiri on sijoitettu ensiön puolelle, kuvio 2 esittää sinänsä tunnetun hakkuriteholähteen periaatteellista kytkentää, kun PWM-säätöpiiri on sijoitettu toision puolelle, 10 kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen hajautetun te- honsyöttöjärjestelmän periaatteellista rakennetta, kuvio 4 esittää kuviossa 3 esitetyn järjestelmän yksittäisen teholähteen keksinnön mukaista toteutusta, ja kuvio 5 esittää kuviossa 3 esitetyn järjestelmän 15 toista suoritusmuotoa.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukainen tehonsyöt-töjärjestelmä, jota käytetään tietoliikennelaitteistossa syöttämään teho laitteen piireille. Tällaisen tietoliikennelaitteiston kehikossa on tyypillisesti paljon rinnak-20 kaisia korttiyksiköitä CB, joista kukin tarvitsee oman hakkuriteholähteensä 34, joka syöttää korttiyksiköllä olevia piirejä. Järjestelmä käsittää yhden yhteisen teholii-täntäyksikön 31, jossa muodostetaan akkujännitteestä Ua tulojännite Uin hakkuriteholähteille 34. Tämä taphtuu suo-25 dattamalla akkujännitteestä häiriöt suodatinyksikössä 32.

Suodatettu jännite syötetään jännitesyöttölinjaa SV pitkin kaikkien korttien teholähteille 34.

Liitäntäyksikössä on lisäksi yksi yhteinen, itsenäisesti käynnistyvä apujännitelähde 33, jota käytetään kek-30 sinnön mukaisesti kaikkien hakkuriteholähteiden käynnistä miseen. Käynnistämiseen tarkoitettu apujännite Uap syötetään apulinjaa AP pitkin kaikille hakkuriteholähteille 34. Oleellista keksinnön kannalta on se, että yhteistä apujännitelähdettä käytetään hakkuriteholähteiden käynnistämi-35 seen, jolloin siis apujännite Uap on riittävä (tässä 7 94197 esimerkissä +12V) käynnistämään hakkuriteholähteessä käytetyn säätöpiirin 13.

Keksinnön mukaisesti on yksittäisellä korttiyksi-köllä oleva yksittäinen hakkuriteholähde toteutettu ku-5 viossa 4 esitetyllä tavalla sijoittamalla PWM-säätöpiiri toisiopuolelle, jolloin päästään eroon takaisinkytkennän mukanaan tuomista epäkohdista. Ratkaisu vastaa periaatteessa muuten kuviossa 3 esitettyä ratkaisua, mutta apu-linjan AP plusnapa yhdistetään käynnistysvastuksen Rk 10 kautta säätöpiirin käyttöjännitesisäänmenoon Vc, toisin sanoen erillisestä käynnistysteholähteestä on päästy eroon käyttämällä apujännitettä Uap, jolla korvataan käynnistys-teholähde.

Kun hakkuriteholähde on käynnistynyt, diodin Dk ja 15 vastuksen Rk kautta kulkee virtaa myös linjaan AP päin, mikäli apujännite Uap, joka on normaalisti yhtä suuri kuin lähtöjännite, pyrkii jostain syystä laskemaan. Yksittäiset hakkuriteholähteet 34 varmistavat näin ollen apujännit-teen, joka pysyy ylhäällä, vaikka varsinainen apujännite-20 lähde hajoaisikin (tämä edellyttää, että liitäntäyksikön 31 apujännitelähteessä on diodi sarjassa lähdössä).

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti voidaan pienillä lisäkytkennöillä järjestää myös pakko-ohjaus hakkuriteholähteiden sammuttamiseksi samanaikaisesti (ns. 25 shutdown). Tällöin apujännitteen pakko-ohjaus alle sovitun jännitetason aiheuttaa kunkin hakkuriteholähteen säätöpiirin sammumisen. Esim. jos kysymyksessä on yleisesti käytetty säätöpiiri UC3843, voidaan tämä toteuttaa kytkemällä apujännitelinjan plusnavasta diodi Ds estosuunnassa säätö-30 piirin erovahvistimen lähtöön COMP. Tällöin, jos apujännite Uap laskee, vetää se COMP-nastan jännitetason alas ja sammuttaa säätöpiirin. Pakko-ohjaus voidaan näin suorittaa keskitetysti esim. liitäntäyksikössä 31. Liitäntäyksikkö voidaan esim. varustaa kuvion 5 mukaisesti akkujännitettä 35 Ua valvovalla valvontayksiköllä, joka vertaa akkujännitet- 94197 8 tä referenssijännitteeseen ja ohjaa apujännitelähdettä 33 akkujännitteen laskiessa sallitun referenssiarvon alapuolelle. Tämä ohjaus voidaan suorittaa joko laskemalla apu-jännitelähteen ulostulojännitettä pienemmäksi tai ohjaa-5 maila ulostulojännite nollaksi (esim. ohjaamalla apujänni-telähteen lähtö esim. transistorin avulla oikosulkuun).

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan 10 muunnella edellä ja oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Keksinnön mukaista ratkaisua on periaatteessa mahdollista käyttää myös jännitemoodissa toimivan säätöpiirin (esim. UC 3524, valmistaja Unitrode Corporation, USA) yhteydessä, vaikka kek-15 sintöä onkin edellä selostettu ainoastaan virtamoodissa toimivan piirin yhteydessä. Tällöin kuitenkin menetetään ne edut, jotka virtamoodissa toimiva säätöpiiri omaa jännitemoodissa toimivaan säätöpiiriin nähden. Yhteinen apu-jännitelähde voi olla tyypiltään millainen tahansa (säätö-20 piiri ensiössä tai toisiossa), mutta mikäli säätöpiiri on toisiojännitteiden puolella, on siinä oltava erillinen käynnistysteholähde. Yksittäiset hakkuriteholähteet voivat myös olla eri tyyppisiä. Vaikka edellä olevissa esimerkeissä on käytetty apujännitearvona +12V:a, voi tarvittava 25 jännite vaihdella sen mukaan, kuinka suuren käynnistysjännitteen käytetty säätöpiiri tarvitsee. Uusimmissa säätöpiireissä on tarvittava käyttöjännite alhaisempi, ja esim. +5V saattaa jatkossa riittää, jolloin yksittäisessä hakkuriteholähteessä ei esim. +12V lähtöä tarvita ollenkaan 20 (ellei sitä tarvita muihin tarkoituksiin), vaan keksinnönkin kannalta tullaan toimeen +5V:n lähdöllä, joka hakkuriteholähteissä on tyypillisesti joka tapauksessa.

Claims (5)

9 94197

1. Tehonsyöttöjärjestelmä, joka käsittää useita erillisiä hakkuriteholähteitä (34), joita syötetään yhtei-5 sestä jännitelähteestä, jotka hakkuriteholähteet käsittävät - muuntajan (10), jonka läpi tehoa siirretään en-siöpiiristä toisiopiiriin, - sinänsä tunnetun säätöpiirin (13), joka ohjaa 10 ensiöpiirissä olevaa kytkintä (SW) ja jonka avulla säädetään kytkimen ON- ja OFF-jaksojen keskinäistä pituutta, joka säätöpiiri on sovitettu hakkuriteholähteen toisiopiiriin, tunnettu siitä, että järjestelmässä on useaa hakkuriteholähdettä (34) kohti yhteinen apujännite- 15 lähde (33), joka toimii yhteisenä käynnistysteholähteenä kyseisille hakkuriteholähteille, jolloin kyseisissä hakkuriteholähteissä on mainitulta yhteiseltä apujännitelähteeltä (33) saatava apujännite (Uap) kytketty toiminnallisesti suoraan säätöpiirin (13) käynnistysjännitteeksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tehonsyöttöjär jes telmä, tunnettu siitä, että koko järjestelmällä on yksi yhteinen, käynnistysteholähteenä toimiva apujännite-lähde (33) .

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen tehonsyöttöjärjes-25 telmä, tunnettu siitä, että kussakin hakkuriteho- lähteessä on käynnistysjännitettä syöttävä apulinja (AP) kytketty käynnistysvastuksen (Rk) kautta säätöpiirin käyttö jännitesisäänmenoon (Vc), joka on kytketty estosuuntai-sen diodin (Dk) kautta hakkuriteholähteen lähtöön, jonka 20 nimellisjännite (Uoutl) on apujännitteen (Uap) suuruinen, . jolloin apujännitteen (Uap) laskiessa hakkuriteholähde alkaa syöttää virtaa mainittuun linjaan (AP) päin.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen tehonsyöttöjär jestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää sammu- 35 tuselimet (35, Ds) kaikkien hakkuriteholähteiden (34) sam- 94197 10 muttamiseksi mainittua apujännitettä (Uap) alentamalla.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen tehonsyöttöjärjestelmä, tunnettu siitä, että mainitut sammutuseli-met käsittävät valvontayksikön (35), joka alentaa apujän-5 nitettä (Uap), kun järjestelmän yhteisen jännitelähteen antama jännite (Ua) putoaa alle ennalta määrätyn raja-arvon . « » Il tai fell! ItIH I 11 94197