FI94198B

FI94198B - Hakkuriteholähde

Info

Publication number: FI94198B
Application number: FI934477A
Authority: FI
Inventors: Matti Tuominen
Original assignee: Nokia Telecomminications Oy
Priority date: 1993-10-11
Filing date: 1993-10-11
Publication date: 1995-04-13
Also published as: FI934477A0; FI94198C; GB2298500A; DE4497667T1; GB9607227D0; WO1995010877A1; GB2298500B; AU7814594A

Description

94198

Hakkuriteholähde

Keksinnön kohteena on oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen hakkuriteholähde.

* 5 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 10 käytetään nykyisin yhä useammin flyback-topologiaa (topologialla tarkoitetaan sitä piirikonfiguraatiota, joka määrää, miten teho siirtyy teholähteessä). Flyback-tyyppisen teholähteen suurin etu on sen yksinkertainen ja halpa rakenne, joka soveltuu käytettäväksi myös moniläh-15 töisissä teholähteissä. Esillä olevan keksinnön mukainen hakkuriteholähde onkin edullisesti flyback-tyyppinen, vaikkakin keksinnön mukainen ratkaisu soveltuu käytettäväksi minkä tahansa tyyppisessä hakkuriteholähteessä, joka käsittää useita (ainakin kaksi) lähtöjä.

20 Haluttaessa toteuttaa usean erisuuruisen lähtöjän nitteen antava hakkuriteholähde, on edullista käyttää yhtä teho-osaa ja yhtä muuntajaa kaikkien jännitteiden muodostamiseen. Tällöin voidaan vain yhtä lähtöjännitettä säätää tarkasti. Muuntajan toision kierroslukujen suhteet vali-25 taan siten, että muut lähtöjännitteet muodostuvat halu-’·' tuiksi, esim. jos 5V:n lähtö säädetään tarkasti, valitaan 12V jännitteen antavan toisiokäämin kierrosluku 5V jännitteen antavan toisiokäämin kierroslukuun nähden suhteessa 12/5. Käytännössä tämä suhde poikkeaa hiukan, koska myös 30 toisiokäämien jännitehäviöt on kompensoitava.

. , Edellä kuvatun menetelmän hankaluutena on se, että sillä voidaan muodostaa ainoastaan sellaisia jännitteitä, , joilla molemmat kierrosluvut ovat kokonaislukuja, koska muuten muuntajan magneettipiiri magnetoituu epäsymmetri-35 sesti ja se saattaa kyllästyä. Toisiokäämin kierrosluku on i 2 94198 lisäksi valittava matalilla jännitteillä melko pieneksi, jotta muuntajan käämeissä syntyvät häviöt olisivat pienet.

Esim. 5V käämien kierrosluku noin 10W tehoisessa hakkuriteholähteessä on tyypillisesti välillä 4...8. Jokainen 5 kierros vastaa tällöin jännitettä, joka on välillä 1,25V...0,625V. Esim. usein tarvittava -4,5V jännitteen muodostaminen ei tällöin onnistu suoraan muuntajan kierrosluvun avulla, vaan lähimmät jännitteet ovat -5V (sama kierrosluku kuin 5V:n toisiokäämissä) tai -3,75V...-4,37V 10 (yksi kierros vähemmän kuin 5V:n toisiokäämissä).

Käytännössä tehdäänkin -4,5V:n jännite usein siten, että muodostetaan -5V:n jännite, ja erillisellä sarjasää-täjällä pienennetään jännitettä tarvittava 0,5V. Tällöin syntyvät tehohäviöt, joiden suuruus on 0,5V x kuormitus-15 virran suuruus, saattavat olla sangen merkittäviä.

Tunnetaan lisäksi rakenteita, joilla voidaan toteuttaa käämien osakierroksia ilman muuntajan kyllästymistä, mutta tällaiset rakenteet edellyttävät monimutkaisia kom-pensointirakenteita käämityksessä.

20 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin päästä eroon edellä kuvatuista epäkohdista ja saada aikaan sellainen hakkuriteholähde, jossa voidaan muodostaa haluttuja lähtöjännitteitä erittäin tarkasti ilman mainittavia teho-häviöitä. Tämä päämäärä saavutetaan keksinnön mukaisella 25 hakkuriteholähteellä, jolle on tunnusomaista se, mitä kuvataan oheisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön ajatuksena on kytkeä hakkuriteholähteen päämuuntajan perään erillinen säästökytketty muuntaja, jolla voidaan laskea lähtöjännite halutulle tasolle.

30 Keksinnön mukainen lisämuuntaja on rakenteeltaan hyvin yksinkertainen ja sillä voidaan toteuttaa useita tarkkoja lähtöjännitteitä.

Seuraavassa keksintöä ja sen edullisia suoritusmuotoja selitetään tarkemmin viitaten esimerkinomaisesti 35 oheisiin piirustuksiin, joissa 941 98 3 kuvio 1 esittää erästä sinänsä tunnettua flyback-tyyppistä hakkuriteholähdettä, jossa on kolme eri lähtö- * jännitettä, kuvio 2 esittää hakkuriteholähteen toisiopiiriä, kun * 5 siihen sovelletaan keksinnön mukaista ratkaisua säästö- muuntajan toimiessa jännitettä laskevana elimenä, ja kuvio 3 havainnollistaa keksinnön mukaisen toi-siopiirin mitoitusta.

Kuviossa 1 on esitetty sinänsä tunnetun flyback-hak-10 kuriteholähteen periaatteellinen kytkentä, kun PWM-säätö- piiri 13 on sijoitettu toisiojännitteiden puolelle. Teholähde käsittää ensinnäkin päämuuntajan Tl, jonka läpi teho siirretään ensiöstä toisioon, ja ensiöpiirissä olevan kytkimen SW1, joka voi olla esim. tehomosfet (kuten ku-15 viossa on esitetty) tai bipolaaritransistori. Kytkimellä SW1, jonka drain-elektrodi on kytketty ensiökäämin toiseen napaan ja source-elektrodi suoraan tulojännitteen uin miinusnapaan, katkotaan päämuuntajan ensiökäämin N läpi kulkevaa ensiövirtaa.

20 Lisäksi teholähde käsittää kytkintä ohjaavan säätö piirin 13, joka kytkimen SW1 toimintajaksoa (duty cycle) säätämällä ohjaa ulostulojännitteitä, jotka ovat tässä esimerkissä +12V, +5V (päälähtö) ja -4,5V. Säätö tapahtuu pulssinleveysmodulaation (PWM) avulla, toisin sanoen sää-25 tämällä kytkimen ON- ja OFF-jaksojen pituuksien keskinäis-* tä suhdetta. Kytkinpulssin leveyttä ohjaava säätöpiiri 13 voi toimia joko jännitemoodissa lähtöjännitteeseen perustuen (ns. voltage mode) tai virtamoodissa ensiövirtaan ja lähtöjännitteeseen perustuen (ns. current mode). Suurin 30 osa (n. 80%) nykyisistä flyback-hakkureista käyttää virta-. . moodipiirejä (koska virtamoodisäädöllä saadaan säädön vaihevara paremmaksi kuin jännitemoodisäädöllä). Tämän vuoksi kuvion 1 esimerkissä esitetty säätöpiiri onkin virtamoodissa toimiva säätöpiiri 13, joka suorittaa säädön 35 hakkuriteholähteen lähdöstä saamansa jännitetiedon sekä 94198 4 ensiövirtatiedon perusteella. Jännitetieto muodostetaan ottamalla jännitteenjakovastuksilla R4 ja R5 näyte pääläh-dön lähtöjännitteestä säätöpiirin jännitetakaisinkytken-täsisäänmenoon Vfb. Tieto ensiövirrasta otetaan ensiöpii-5 rissa olevan virranmittausmuuntajän 21 kautta säätöpiirin virranmittaustuloon Is. Koska säätöpiiri 13 sijaitsee toi-siopuolella ja kytkin SW1 ensiöpuolella, tarvitaan kytkimen ohjaukseen oma vahvistinpiirinsä 22, joka on varustettu galvaanisella erotuksella. Käyttöjännite otetaan sää-10 töpiirille +12V:n lähdöstä. Käyttöjännitesisäänmenoa on merkitty viitemerkillä Vc. Säätöpiiri 13 voi olla esim. tyyppiä UC3843 (tai jokin muu saman perheen piiri), valmistaja esim. Unitrode Corporation, USA.

Teholähteen toisiopiirissä on tässä esimerkissä 15 kolme toisiokäämiä, joita on merkitty viitemerkeillä Nl, N2 ja N3. Toisiokäämin Nl toinen napa on kytketty maahan ja tämän navan sekä käämin toisen navan väliin on kytketty tasasuuntausdiodi Dl ja ulostulokondensaattori Coutl keskenään sarjaan. Vastaavasti on toisiokäämin N2 toinen napa 20 on kytketty maahan ja tämän navan sekä käämin toisen navan väliin on kytketty tasasuuntausdiodi D2 ja ulostulokondensaattori Cout2 keskenään sarjaan. Toisiokäämi N3 ja tasasuuntausdiodi D3 on kytketty vastaavasti, mutta käämityksen ja diodin suunta on toinen, koska lähtöjännite on 25 negatiivinen. Sarjasäätäjällä 23 pienennetään lähtöjännite halutuksi. Kuviossa 1, samoin kuin kuviossa 2 jäljempänä, on yksinkertaisuuden vuoksi kutakin muunta jakäämiä merkitty viitemerkillä N tai Nn (n=1...3).

Edellä kuvatun kaltaisessa teholähteessä on edellä 30 kuvatut ongelmat haluttaessa toteuttaa esim. -4,5Vsn lähtö ilman sarjasäätäjän aiheuttamia tehohäviöitä.

Kuviossa 2 on esitetty osa hakkuriteholähteen, kuten esim. kuviossa 1 esitetyn flyback-tyyppisen hakkuriteholähteen toisiopiiriä, kun siihen on sovellettu keksinnön 35 mukaista ratkaisua.

941 98 5

Keksinnön mukaisesti kytketään päämuuntajän Tl sen toisiokäämin, jonka muodostamaa lähtöä halutaan säätää • (tässä esimerkissä käämin N3), perään toinen, säästökyt- ketty muuntaja T2, jolla lasketaan lähtöjännite U22 halu-5 tulle tasolle. Säästökytketty muuntaja käsittää sinänsä tunnetusti vain yhden käämin, joka toimii sekä ensiö- että toisiokääminä, tai, toisella tavalla ilmaistuna, säästö-kytketyssä muuntajassa on kaksi käämiä siten, että toinen käämi on osa toista käämiä (käämejä ei ole erotettu toi-10 sistaan). Kuviossa 2 on säästökytketyn muuntajan T2 napojen A ja B välillä käämissä NAB kierrosta ja napojen B ja C välillä (joka on käämin yhteinen osa) NBC kierrosta. Toisiokäämin N3 ensimmäinen napa on kytketty säästökytketyn muuntajan napaan A ja tasasuuntausdiodi D3 on kytketty 15 säästökytketyn muuntajan napaan B. Toisiokäämin ensimmäinen napa on kytketty säästömuuntajän napaan A.

Jännite määräytyy kierroslukujen suhteesta siten, että jännite U21=(NBC/(NBC+NAB))x(N3/Nl)xUl. Jännite Ui valitaan siten, että diodin Dl avulla tasasuunnattu jänni-20 te Ull, jota pidetään vakiona hakkuriteholähteen pulssi-suhdetta (kytkimen SW1 toimintajaksoa) säätämällä, on halutun suuruinen.

Kuviossa 2 on toisiokäämin N3 virtaa merkitty viite-merkillä 12, kuorman virtaa viitemerkillä IL ja säästökyt-25 ketyn muuntajan T2 yhteisen osan virtaa viitemerkillä II.

• Koska muuntajan vuo ei muutu, pätee virralle II:

Tl = NAB.T2 = NÄB -TL (1) NBC 1 NAB+NBC 1 (

Kierrosluku NBC voidaan tehdä kierroslukuun NAB verrattuna hyvin suureksi, jolloin edellä jännitteen U2 yhtälössä esiintyvä suhde NBC/(NBC+NAB) voidaan valita hyvin 30 tarkasti, toisin sanoen jännite U21 (ja jännite U22) saa-daan määrättyä hyvin tarkasti. Samalla tulee virran II osuus kuormavirrasta IL hyvin pieneksi, joten käämitys NBC

94198 6 voidaan tehdä hyvin ohuella johdinlangalla.

Keksintöön liittyy resistanssi Rl, jonka merkitys kuvataan jäljempänä.

Kuviossa 3 käytetään seuraavia merkintöjä: 5 Im(t)=säästömuuntajan magnetointivirta, joka kiertää suljetussa toisiovirtapiirissä, IL(t)=kuormaan menevä virta, joka jakautuu säästö-muuntajassa ja sulkeutuu osittain sen, osittain päämuunta-jan toisiokäämin N3 kautta, 10 ILa(t)=säästömuuntajän liitännästä A kulkeva kuorma- virran IL(t) osuus, ILc(t)=säästömuuntajan liitännästä C kulkeva osuus kuormavirrasta IL(t).

Resistanssilla R2 kuvataan kuviossa 3 käämien N3 ja 15 N AB yhteistä resistanssia, joka on noin 10W tehoisessa teholähteessä luokkaa 10...50 milliohmia. Resistanssi R2 aiheuttaa toisiossa tehohäviöitä, minkä vuoksi se pyritään saamaan pieneksi. Rajoittavana tekijänä on muuntajan konstruktio sekä käämiin vaikuttavat suuritaajuisen virran 20 aiheuttamat häviöt.

Resistanssilla Rl kuvataan kuviossa 3 käämin NBC resistanssia sekä mahdollisen lisättävän vastuskomponentin resistanssin summaa, joka vastuskomponentti on, jos se on lisätty, kytketty säästömuuntajän navan C ja maanavan vä-25 liin.

Toisiossa näkyvää jännitettä on merkitty viitemer-killä U2(t). Tämän jännitteen on oltava symmetrinen nol-latason suhteen, eli toimintajakson T ajalta laskettuna sen aikaintegraalin on oltava suuruudeltaan nolla. Muussa 30 tapauksessa teholähteen päämuuntaja kyllästyisi.

. Jotta säästömuuntaja ei kyllästy, tulee myös sen yli vaikuttavan jännitteen integroituna toistuvan toimintajakson T yli olla suuruudeltaan nolla. Muussa tapauksessa säästömuuntajän kautta kulkeva magnetointivirta Im alkaa 35 kasvaa, ja magnetointivirta Im(t) sisältää tasakomponen- 941 98 7 tin.

Säästömuuntajan yli vaikuttaa jännite (UA-UC), kun ' UA on navassa A vaikuttava jännite ja UC on navassa C

vaikuttava jännite. Kun pidetään referenssinä vastuksen Rl ' 5 maapotentiaalissa olevaa napaa (toisiokäämin N2 toinen napa), saadaan jännitteille lausekkeet: UA(t)=U2(t)-ILa(t)xR2-Im(t)xR2, UC(t)=-ILc(t)xRl+Im(t)xRl, UA(t)-UC(t)=U2(t)-ILa(t)xR2+ILc(t)xRl-Im(t)x(Rl+R2). 10 Virrat ILa(t) ja ILc(t) kumoavat toistensa magne- toinnit säästömuuntajassa, eli NABxILa(t)=NBCxILc(t) ja ILa(t)+ILc(t)=IL(t), mistä seuraa, että ILa(t)=IL(t)xNBC/(NBC+NAB) ja ILc(t)= 15 IL(t)xNAB/(NBC+NAB).

Säästömuuntajan yli vaikuttavalle jännitteelle saadaan näin lauseke: UA(t)-UC(t)= U2(t)-IL(t)x(-R2x(NBC/(NBC+NAB)+R1x(NAB/NAB+NBC)))-Im(t)x(Rl+R2).

20 Tämän jännitteen aikaintegraalin toimintajakson T

yli tulee olla suuruudeltaan nolla tasapainotilassa:

T

J( (UA(t) -UC{t) )dt = 0 (2) o . Kuten aiemmin mainittiin, on myös jännitteen U2(t) toimintajakson T yli lasketun integraalin oltava suuruudeltaan nolla, jotta päämuuntaja ei kyllästy. Tästä seu-25 raa, että edellä säästömuuntajan yli vaikuttavan jännitteen yhtälössä esiintyvän keskimmäisen termin aikaintegraalin on oltava nolla, eli f (IL (t) x (Rlx—— - R2x—^=-—)) dfc = 0 (3)

J NBC+NAB NBC+NAB

. o Tämä lauseke on riippumaton IL(t):stä silloin, kun 94198 δ lausekkeessa esiintyvä IL(t):n kertoja on nolla, eli

Rlx—— - R2x ^-·· = 0 (4)

NBC+NAB NBC+NAB

Tämä toteutuu, kun R1/R2=NBC/NAB, jolloin UA(t)-UC(t)=U2(t). Tällöin siis säästömuuntajän magnetointi ei riipu kuormavirrasta, vaan resistanssien Rl ja R2 jännite-5 häviöt kumoavat toisensa, ja säästömuuntajän yli vaikuttava jännite on symmetrinen nollatason suhteen.

Magnetointivirta Im(t) voidaan esittää muodossa Im(t)=ImO+im(t), missä ImO on muuntajaa biasoiva tasavirta ja im(t) on ajan mukana muuttuva funktio ilman tasakom-10 ponenttia.

Jänniteyhtälöstä seuraa suoraan, että lm=0 (koska säästömuuntajän yli vaikuttaa nollatason suhteen symmetrinen jännite), toisin sanoen yllämainitulla vastussuhteella R1/R2 säästömuuntajaan ei synny biasoivaa magnetointia. Se 15 voidaan siis mitoittaa vain jännitteen U2 ja taajuuden perusteella, mikä merkitsee sitä, että se voidaan käytännössä mitoittaa hyvin pienikokoiseksi.

Käytännössä suhteen R1/R2 ei tarvitse olla aivan tarkka, koska tasavirtakomponehtin ImO ei tarvitse olla 20 aivan nolla. Tällöin ImO riippuu kuormavirran IL(t) arvos ta niin, että edellä esitetty kaavan (2) mukainen integraali on edelleen nolla. Tasavirtakomponentille ImO saadaan yleinen lauseke:

ImO - 1 ( —xRl - —xR2) f IL ( t) dt (5)

T R1+R2 NBC+NAB NBC+NAB J

0

Kun tähän lausekkeeseen sijoitetaan vastussuhteelle 25 R1/R2 arvo NBC/NAB, saadaan Im0=0.

Kuten kuvioon 3 liittyvästä esityksestä ilmenee, on resistanssisuhteen R1/R2 valinta sidoksissa säästömuunta-jan käämin kierroslukuihin.

Resistanssi Rl voidaan saada aikaan käämin NBC

9 94198 omalla resistanssilla, ilman erillistä vastuskomponenttia.

Edellä esitetty tarkastelu on yleinen ja pätee yhtä hyvin positiiviselle ja negatiiviselle lähtöjännitteelle, kun jännitteiden, käämityksen ja virtojen suunta valitaan * 5 niitä vastaaviksi.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella edellä ja oheisissa patenttivaatimuksissa esite-10 tyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Kun edellä puhutaan säästökytketystä muuntajasta, tarkoitetaan sillä myös yleisemmin käämejä, jotka on kytketty vastaavaan tapaan, toisin sanoen käämejä, jotka kytkeytyvät toisiinsa sekä magneettisesti että galvaanisesti. Kuten edellä olevasta 15 myös ilmenee, voidaan keksinnön mukaista ratkaisua soveltaa minkä tahansa tyyppiseen hakkuriteholähteeseen.

Claims

1. Hakkuriteholähde, joka käsittää - ensiö- ja toisiokäämeillä (N, Nl, N2) varustetun 5 muuntajan (Tl), jonka läpi teho siirretään ensiöstä toisi- oon, joka muuntaja (Tl) käsittää ainakin kaksi toisiokää-miä (Nl, N2) ainakin kahden erillisen lähdön muodostamiseksi teholähteelle, - ensiöpiirissä olevan ensimmäisen kytkimen (SW1), 10 jolla katkotaan muuntajan ensiökäämin (N) läpi kulkevaa ensiövirtaa, ja - mainittua ensimmäistä kytkintä (SW1) ohjaavan säätöpiirin (13), joka säätää teholähteen ulostulojännitettä pulssinleveysmodulaation avulla säätämällä kytkimen 15 (SW1) ON- ja OFF-jaksojen pituuksien keskinäistä suhdetta, tunnettu siitä, että ainakin yhden toisiokäämin (N3) perään on kytketty sinänsä tunnettu säästökytketty muuntaja (T2).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen hakkuriteholähde, 20 tunnettu siitä, että säästökytketty muuntaja (T2) on kytketty teholähteen toisiokäämin (N3) ensimmäiseen napaan suoraan ja teholähteen toisiokäämin (N3) toiseen napaan määrätyn resistanssin (Rl) kautta.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen hakkuriteholähde, 25 tunnettu siitä, että mainittu resistanssi (Rl) on valittu siten, että suhde (R1/R2) vastaa suhdetta NBC/NAB, missä NBC on säästökytketyn muuntajan käämin yhteisen osan (B-C) kierrosluku ja N AB on käämissä ulostuloliitännän (B) ja mainitun toisiokäämin (N3) ensimmäisen navan liitännän 30 (A) välissä oleva kierrosluku, kun resistanssi R2 on mai nitun toisiokäämin (N3) ja kierrosluvun NAB omaavan kää-minosan sekä niiden välillä kuormavirtaan resistiivistä häviötä aiheuttavien elementtien yhteinen resistanssi. 11 94198