FR2702606A1 - Switched-mode electrical power supply - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne de façon générale des alimentations électriques à découpage. The present invention relates generally to switching power supplies.
Les alimentations électriques à découpage sont universellement employées pour fournir des courants à des charges électriques à partir de sources électriques (typiquement à partir du secteur). Classiquement, dans une alimentation à découpage, le courant destiné à un dispositif d'emmagasinage d'énergie (par exemple une bobine d'induction) est alternativement fourni et interrompu avec une fréquence élevée, par exemple 40 irez, en réponse à un signal de commutation qui est appliqué à un transistor de commutation. Dans un trajet de réaction, la tension de sortie résultante est comparée à une valeur voulue, et on fait varier le signal de commutation de la façon nécessaire pour que la tension de sortie suive la valeur voulue. Le montage ci-dessus décrit nécessite ordinairement un gros condensateur. Switched power supplies are universally used to supply currents to electrical loads from electrical sources (typically from the mains). Conventionally, in a switching power supply, the current intended for a device of energy storage (for example an induction coil) is alternately supplied and interrupted with a high frequency, for example 40 go, in response to a signal of switching which is applied to a switching transistor. In a feedback path, the resulting output voltage is compared to a desired value, and the switching signal is varied as necessary for the output voltage to follow the desired value. The above described assembly usually requires a large capacitor.
Un problème associé à ce montage est que, en utilisation, la caractéristique de charge peut varier, si bien qu'on extrait alors du secteur un courant non sinusoïdal. Ceci provoque la réinjection dans le secteur d'une importante distorsion harmonique non voulue. A problem associated with this arrangement is that, in use, the load characteristic can vary, so that a non-sinusoidal current is then extracted from the sector. This causes the reinjection into the sector of a large unwanted harmonic distortion.
L'injection de cette distorsion harmonique dans le secteur constitue un problème de plus en plus préoccupant. Une norme industrielle bien connue en préparation, à savoir la norme IEC555-2, imposera aux alimentations électriques à découpage d'avoir un courant extrait du secteur suivant une forme sinusoïdale, ce qui ntest typiquement pas le cas aujourd'hui. The injection of this harmonic distortion into the sector is an increasingly worrying problem. An industrial standard well known in preparation, namely the IEC555-2 standard, will require switching power supplies to have a current extracted from the sector in a sinusoidal form, which is typically not the case today.
L'invention vise à produire une alimentation électrique à découpage dans laquelle les inconvénients ci-dessus mentionnés sont atténués. The invention aims to produce a switching power supply in which the above-mentioned drawbacks are mitigated.
On présente ci-dessous l'invention de façon résumée. The invention is summarized below.
Un circuit d'alimentation électrique à découpage comprend une borne d'entrée destinée à recevoir un courant électrique d'entrée possédant une première fréquence f1 et une borne de sortie destinée à produire une tension de sortie d'un niveau voulu. A switching power supply circuit includes an input terminal for receiving an electrical input current having a first frequency f1 and an output terminal for producing an output voltage of a desired level.
Un dispositif de commutation est couplé entre la bome d'entrée et la borne de sortie et possède une entrée de commande destinée à recevoir un signal de commande qui commande sa commutation et, par conséquent, commande la quantité de courant circulant entre la borne d'entrée et la borne sortie. A switching device is coupled between the input terminal and the output terminal and has a control input intended to receive a control signal which controls its switching and, therefore, controls the amount of current flowing between the terminal input and output terminal.
Un dispositif de réaction est également couplé à la borne de sortie et à la borne de commande du dispositif de commutation pour produire le signal de commande et, ainsi, assurer que le niveau de la tension de sortie est sensiblement égal au niveau voulu. A feedback device is also coupled to the output terminal and the control terminal of the switching device to produce the control signal and thereby ensure that the level of the output voltage is substantially equal to the desired level.
Le dispositif de réaction comporte un dispositif d'échantillonnage et de maintien servant à périodiquement réviser le signal de commande à une deuxième fréquence f2, qui est reliée à la première fréquence f1 pour que la distorsion harmonique du signal d'entrée soit diminuée. The feedback device includes a sampling and holding device for periodically revising the control signal at a second frequency f2, which is connected to the first frequency f1 so that the harmonic distortion of the input signal is reduced.
Un dispositif de détection de tension peut être couplé à la borne d'entrée afin de produire un signal de cadencement périodique en réponse à la détection d'un point prédéterminé de la forme d'onde d'alimentation électrique d'entrée, la fréquence du signal de cadencement étant la deuxième fréquence f2. Le dispositif de détection de tension peut être tel que la fréquence f2 soit 2 (f1/n), où n est un entier positif. A voltage sensing device may be coupled to the input terminal to produce a periodic timing signal in response to the detection of a predetermined point in the input power supply waveform, the frequency of the timing signal being the second frequency f2. The voltage detection device can be such that the frequency f2 is 2 (f1 / n), where n is a positive integer.
Le dispositif de détection de tension peut également être un détecteur de tension nulle et le point prédéterminé de la forme d'onde d'alimentation électrique d'entrée peut être un point de tension nulle, sa fréquence f2 étant égale à 2 fit
Le dispositif d'échantillonnage et de maintien peut être couplé de façon à recevoir le signal de cadencement périodique afin de commander la période de révision du signal de commande.The voltage detection device can also be a zero voltage detector and the predetermined point of the input power supply waveform can be a point of zero voltage, its frequency f2 being equal to 2 fit
The sampling and holding device can be coupled to receive the periodic timing signal to control the revision period of the control signal.
Le dispositif de réaction peut comporter un multiplicateur qui pondère le signal obtenu sur la bome de sortie à l'aide du présent signal de commande de commutation échantillonné, afin de produire un signal pondéré à destination du dispositif d'échantillonnage et de maintien. The feedback device may include a multiplier which weights the signal obtained on the output terminal using the present sampled switching control signal, in order to produce a weighted signal intended for the sampling and holding device.
Le dispositif de commutation peut être un transistor à effet de champ qui possède une première électrode de conduction de courant couplée entre la borne d'entrée et la bome de sortie, une deuxième électrode de conduction de courant qui sert à réaliser la connexion à la terre, et où l'entrée de commande est une électrode de commande couplée de façon à recevoir le signal de commande afin de commander l'intensité de courant entre les première et deuxième électrodes de conduction de courant du transistor. The switching device can be a field effect transistor which has a first current conduction electrode coupled between the input terminal and the output terminal, a second current conduction electrode which serves to make the connection to earth , and wherein the control input is a control electrode coupled to receive the control signal to control the intensity of current between the first and second current conduction electrodes of the transistor.
Le dispositif de réaction peut être couplé à une borne de tension de référence destinée à recevoir une tension du niveau voulu. The feedback device can be coupled to a reference voltage terminal for receiving a voltage of the desired level.
Le dispositif de réaction peut comporter un amplificateur d'erreur servant à comparer les tensions de la borne de référence et de la borne de sortie et à produire un signal de sortie qui est indicatif de la différence de tension existant entre eux, à destination du multiplicateur. The reaction device may include an error amplifier used to compare the voltages of the reference terminal and the output terminal and to produce an output signal which is indicative of the voltage difference between them, intended for the multiplier .
La description suivante conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur la figure unique, qui représente un mode de réalisation préféré d'alimentation électrique à découpage selon l'invention. The following description, designed to illustrate the invention, aims to give a better understanding of its characteristics and advantages; it is based on the single figure, which represents a preferred embodiment of switching power supply according to the invention.
Sur la figure unique, est représentée une alimentation électrique à découpage suivant un montage "élévateur". L'alimentation électrique comprend une borne d'entrée 8 connectée à un circuit redresseur en pont 6 afin de recevoir de celui-ci un signal d'entrée redressé sur les deux alternances. Le circuit redresseur en pont 6 est typiquement connecté à une source d'alimentation électrique, par exemple le secteur, qui possède une fréquence fixe f1, typiquement 50 Hz. In the single figure, a switching power supply is shown in an "elevator" arrangement. The power supply includes an input terminal 8 connected to a bridge rectifier circuit 6 in order to receive therefrom an input signal rectified on the two half-waves. The bridge rectifier circuit 6 is typically connected to a source of electrical power, for example the sector, which has a fixed frequency f1, typically 50 Hz.
Une borne de sortie 10 est couplée à une charge externe (non représentée), la borne 10 fournissant une tension de sortie afin d'exciter la charge. An output terminal 10 is coupled to an external load (not shown), the terminal 10 providing an output voltage to excite the load.
Une bobine d'induction 11 est connectée entre la borne d'entrée 8 et la borne de sortie 10. Typiquement, l'inductance de la bobine est de 500 H. An induction coil 11 is connected between the input terminal 8 and the output terminal 10. Typically, the inductance of the coil is 500 H.
Une diode 12 est connectée entre la bobine d'induction 11 et la borne de sortie 10. A diode 12 is connected between the induction coil 11 and the output terminal 10.
Un condensateur 13 connecté par une première électrode à la borne de sortie 10 et par une deuxième électrode à une ligne de mise à la terre assure le filtrage pour la tension de sortie de la borne de sortie 10, la capacité du condensateur étant typiquement de 47 ,eeF. A capacitor 13 connected by a first electrode to the output terminal 10 and by a second electrode to a grounding line provides filtering for the output voltage of the output terminal 10, the capacitance of the capacitor being typically 47 , eeF.
Un transistor à effet de champ 14 possède une électrode de drain connectée entre la bobine d'induction 11 et la diode 12, une électrode de source connectée à la ligne de terre, et une électrode de grille destinée à recevoir un signal de commutation permettant de commander la commutation du transistor. A field effect transistor 14 has a drain electrode connected between the induction coil 11 and the diode 12, a source electrode connected to the ground line, and a gate electrode intended to receive a switching signal enabling command the switching of the transistor.
Un circuit 15 d'excitation de transistor en mode courant classique, qui est bien connu dans la technique, est connecté de façon à recevoir un signal de commande et est également connecté à l'électrode de commande du transistor 14 afin de produire le signal de commutation ci-dessus mentionné en réponse au signal de commande, ledit signal de commutation étant composé d'impulsions de commutation, sa fréquence nominale étant de l'ordre de 40 kHz, et sa durée étant indicative de la valeur instantanée du signal de commande. A transistor current excitation circuit in conventional current mode, which is well known in the art, is connected so as to receive a control signal and is also connected to the control electrode of the transistor 14 in order to produce the signal above mentioned switching in response to the control signal, said switching signal being composed of switching pulses, its nominal frequency being of the order of 40 kHz, and its duration being indicative of the instantaneous value of the control signal.
Un dispositif de réaction 16 comporte un amplificateur d'erreur 17 possédant deux bornes d'entrée, respectivement connectées à la borne de sortie 10 et à une borne 9 de tension de référence, et produisant un signal de sortie qui est indicatif de la différence entre les tensions de ses deux bornes d'entrée. A reaction device 16 comprises an error amplifier 17 having two input terminals, respectively connected to the output terminal 10 and to a reference voltage terminal 9, and producing an output signal which is indicative of the difference between the voltages of its two input terminals.
Le dispositif 16 comporte également un multiplicateur 18, qui est connecté de façon à recevoir le signal de sortie de l'amplificateur d'erreur 17 et à recevoir un signal de réaction qui sera expliqué ci-après. Le multiplicateur 18 est destiné à produire un signal de sortie indicatif du signal de sortie de l'amplificateur d'erreur 17, mais pondéré à l'aide de la valeur du signal de réaction. The device 16 also includes a multiplier 18, which is connected so as to receive the output signal from the error amplifier 17 and to receive a feedback signal which will be explained below. The multiplier 18 is intended to produce an output signal indicative of the output signal of the error amplifier 17, but weighted using the value of the feedback signal.
Un convertisseur analogique-numérique (AD) 19 est connecté de façon à recevoir le signal de sortie du multiplicateur 18 afin de produire une valeur numérisée représentative du niveau du signal de sortie. An analog-to-digital converter (AD) 19 is connected to receive the output signal from the multiplier 18 to produce a digitized value representative of the level of the output signal.
Un registre d'échantillonnage et de maintien 20 est connecté de façon à recevoir la valeur numérisée venant du convertisseur AD 18. Le registre 20 est également connecté de façon à recevoir un signal de cadencement, comme expliqué ci-après, de sorte que, à la réception du signal de cadencement, le registre 20 échantillonne la valeur numérisée venant du convertisseur AD 19. Cette valeur numérisée échantillonnée est maintenue dans le registre 20 jusqu'à réception du signal de cadencement suivant. A sampling and holding register 20 is connected so as to receive the digitized value coming from the converter AD 18. The register 20 is also connected so as to receive a timing signal, as explained below, so that, at upon receipt of the timing signal, register 20 samples the digitized value from converter AD 19. This sampled digitized value is maintained in register 20 until reception of the next timing signal.
Un convertisseur numérique-analogique (DA) 22 est connecté de façon à recevoir la valeur numérisée échantillonnée du registre 20. Le convertisseur 22 produit, à partir de la valeur numérisée échantillonnée, le signal de commande susmentionné qui est appliqué au circuit 15 d'excitation de transistor, et qui constitue également le signal de réaction appliqué au multiplicateur 18. A digital-analog converter (DA) 22 is connected so as to receive the sampled digitized value from the register 20. The converter 22 produces, from the sampled digitized value, the above-mentioned control signal which is applied to the excitation circuit 15 of transistor, and which also constitutes the reaction signal applied to the multiplier 18.
Un détecteur de tension nulle 21 classique, dont la disposition est bien connue dans la technique, est couplé au secteur par l'intermédiaire d'une borne de référence 7. Le détecteur 21 est également couplé au registre d'échantillonnage et de maintien 20 de façon à fournir à celui-ci le signal de cadencement. Le signal de cadencement est produit lorsqu'un point de tension nulle est détecté sur le signal du secteur via la borne de référence 7. A conventional zero voltage detector 21, the arrangement of which is well known in the art, is coupled to the mains by means of a reference terminal 7. The detector 21 is also coupled to the sampling and holding register 20 of so as to provide the latter with the timing signal. The timing signal is produced when a point of zero voltage is detected on the mains signal via the reference terminal 7.
En fonctionnement, du courant est tiré, par l'intermédiaire de la bobine d'induction 11, du signal d'entrée présent sur la borne d'entrée 8, soit à destination de la ligne de terre via le transistor 14, soit à destination de la borne de sortie 10 via la diode 12, selon l'état de conduction du transistor 14. Le transistor 14 commute entre les états conducteur et non conducteur sous l'effet du signal venant du circuit d'excitation de transistor. In operation, current is drawn, via the induction coil 11, from the input signal present on the input terminal 8, either to the ground line via the transistor 14, or to the destination of the output terminal 10 via the diode 12, according to the conduction state of the transistor 14. The transistor 14 switches between the conductive and non-conductive states under the effect of the signal coming from the transistor excitation circuit.
La fréquence fixe f1 du secteur donne naissance à deux points de tension nulle par période (soit à une fréquence 2 fil). Lorsqu'un tel point apparaît, il est détecté par le détecteur 21 de passage par zéro via la borne de référence 7, le détecteur 21 produisant le signal de cadencement à destination du registre d'échantillonnage et de maintien 20 en réponse au point de passage par zéro détecté. Le registre d'échantillonnage et de maintien 20 échantillonne alors la valeur numérisée du signal de commande venant du multiplicateur 18 via le con vertisseur AD 19, qui est le signal de sortie de l'amplificateur d'erreur 17 pondéré à l'aide de la valeur de sortie échantillonnée existante.La nouvelle valeur numérisée échantillonnée est alors indicative de la différence de tension existant entre la bome de sortie 10 et la borne de tension de référence 9, mais avec pondération par la valeur échantillonnée précédente. De cette manière, un processus itératif stable s'effectue dans le dispositif de réaction 16, le multiplicateur 18 fournissant l'itération stable au dispositif de réaction 16. The fixed frequency f1 of the sector gives rise to two points of zero voltage per period (ie at a 2-wire frequency). When such a point appears, it is detected by the zero crossing detector 21 via the reference terminal 7, the detector 21 producing the timing signal intended for the sampling and holding register 20 in response to the crossing point. by zero detected. The sampling and holding register 20 then samples the digitized value of the control signal coming from the multiplier 18 via the converter AD 19, which is the output signal from the error amplifier 17 weighted using the existing sampled output value. The new digitized sampled value is then indicative of the voltage difference existing between the output terminal 10 and the reference voltage terminal 9, but with weighting by the previous sampled value. In this way, a stable iterative process takes place in the reaction device 16, the multiplier 18 providing the stable iteration to the reaction device 16.
La valeur numérisée échantillonnée du signal de commande est ensuite maintenue dans le registre 20 jusqu a réception par celui-ci du signal de cadencement suivant, après quoi un nouvel échantillonnage a lieu. The digitized sampled value of the control signal is then kept in register 20 until the latter receives the next timing signal, after which a new sampling takes place.
Le convertisseur DA 22 met le signal de commande sous une forme analogique, représentative de la valeur numérisée échantillonnée qui est maintenue dans le registre 20. The DA converter 22 puts the control signal in an analog form, representative of the sampled digitized value which is maintained in the register 20.
Le circuit 15 d'excitation de transistor reçoit le signal de commande de la part du convertisseur DA 22 et produit le signal de commutation en réponse au signal de commande. The transistor excitation circuit 15 receives the control signal from the DA converter 22 and produces the switching signal in response to the control signal.
Le signal de commutation, qui est indicatif de la différence existant entre le niveau de tension de référence et le niveau de tension de sortie, commande donc la quantité de courant circulant entre la bobine d'induction 11 et la borne de sortie 10. Le condensateur 13 filtre la tension de sortie au niveau de la borne de sortie 10 et, par conséquent, la borne de sortie 10 maintient sensiblement un niveau de tension égal à celui de la borne de tension de référence 9. The switching signal, which is indicative of the difference between the reference voltage level and the output voltage level, therefore controls the amount of current flowing between the induction coil 11 and the output terminal 10. The capacitor 13 filters the output voltage at the output terminal 10 and, consequently, the output terminal 10 maintains substantially a voltage level equal to that of the reference voltage terminal 9.
La valeur échantillonnée contenue dans le registre 20 est périodiquement remise à jour, à la fréquence 2f1, puisqu'il reçoit, à cette fréquence, le signal de cadencement venant du détecteur de passage par zéro 21. The sampled value contained in the register 20 is periodically updated, at the frequency 2f1, since it receives, at this frequency, the timing signal coming from the zero crossing detector 21.
Par conséquent, le signal de commutation produit par le circuit 15 d'excitation de transistor est remis à jour à la fréquence 2fui. De cette manière, le courant tiré de la borne d'entrée 8 par l'intermédiaire de la bobine d'induction 11 ne varie qu'à la fréquence 2fui. Ainsi, toute distorsion injectée dans l'alimentation électrique d'entrée aura la fréquence 2f1 et non pas une quelconque autre fréquence. Consequently, the switching signal produced by the transistor excitation circuit 15 is updated at the frequency 2fui. In this way, the current drawn from the input terminal 8 via the induction coil 11 only varies at the frequency 2fui. Thus, any distortion injected into the input power supply will have the frequency 2f1 and not any other frequency.
L'homme de l'art comprendra que d'autres modes de réalisation peuvent être réalisés. Par exemple, on pourrait utiliser une alimentation électrique à découpage du type à "très haute tension" isolée, où on remplace la bobine d'induction 11 par le premier enroulement d'un transformateur, et on connecte le deuxième enroulement du transformateur à la borne de sortie 11. Those skilled in the art will understand that other embodiments can be realized. For example, one could use an isolated switching power supply of the "very high voltage" type, where the induction coil 11 is replaced by the first winding of a transformer, and the second winding of the transformer is connected to the terminal output 11.
On doit également comprendre qu'il est possible d'utiliser à la place du transistor à effet de champ 14 n'importe quel commutateur de puissance, par exemple un transistor bipolaire à "grille isolée" (IGBT) ou un transistor bipolaire. It should also be understood that it is possible to use in place of the field effect transistor 14 any power switch, for example a bipolar transistor with "insulated gate" (IGBT) or a bipolar transistor.
De plus, on peut employer d'autres montages à la place du détecteur de tension nulle, par exemple un détecteur de crête, qui pourrait produire le signal de cadencement en relation avec l'apparition d'une crête de tension.In addition, other arrangements can be used in place of the zero voltage detector, for example a peak detector, which could produce the timing signal in connection with the appearance of a voltage peak.
On doit également comprendre que le circuit 15 d'excitation de transistor peut être conçu pour fonctionner d'une manière différente de celle cidessus décrite, et que, par exemple, il pourrait être conçu pour produire un signal modulé en largeur d'impulsion de fréquence fixe. It should also be understood that the transistor excitation circuit 15 can be designed to operate in a manner different from that described above, and that, for example, it could be designed to produce a signal modulated in frequency pulse width. fixed.
La fréquence d'échantillonnage peut être réalisée sous la forme d'une division entière de la valeur ci-dessus mentionnée, par exemple une fréquence donnée par 2f1/n, où n est un entier positif. Par exemple, le détecteur de tension nulle 21 pourrait être conçu de façon à produire un signal de cadencement à l'apparition d'un sur deux des points zéro, ce qui limiterait la distorsion éjectée à la fréquence du secteur, soit f1. The sampling frequency can be realized in the form of an integer division of the above mentioned value, for example a frequency given by 2f1 / n, where n is a positive integer. For example, the zero voltage detector 21 could be designed so as to produce a timing signal on the appearance of one in two of the zero points, which would limit the distortion ejected at the sector frequency, ie f1.
On pourrait aussi utiliser à la place des convertisseurs AD et DA 19 et 22 et du registre 20 un montage analogique qui comporterait un montage à condensateur permettant de maintenir une valeur analogique (une tension) du signal de commande. One could also use instead of the AD and DA converters 19 and 22 and of the register 20 an analog circuit which would include a capacitor circuit making it possible to maintain an analog value (a voltage) of the control signal.
De plus, on comprendra que le fonctionnement du dispositif de réaction 16 est indépendant de la capacité du condensateur 13, dont la seule fonction est de filtrer les onduIations de tension sur la bome de sortie 10. Furthermore, it will be understood that the operation of the reaction device 16 is independent of the capacity of the capacitor 13, the sole function of which is to filter the voltage ripples on the output terminal 10.
Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'alimentation électrique dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. Of course, those skilled in the art will be able to imagine, from the power supply, the description of which has just been given by way of illustration only and in no way limitative, various variants and modifications which do not depart from the scope of the invention.
Claims (11)
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Applications Claiming Priority (1)
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| FR9302710A FR2702606B1 (en) | 1993-03-09 | 1993-03-09 | CUT-OUT ELECTRICAL SUPPLY. |
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| FR2702606A1 true FR2702606A1 (en) | 1994-09-16 |
| FR2702606B1 FR2702606B1 (en) | 1996-03-01 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR9302710A Expired - Fee Related FR2702606B1 (en) | 1993-03-09 | 1993-03-09 | CUT-OUT ELECTRICAL SUPPLY. |
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| FR (1) | FR2702606B1 (en) |
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| EP0825699A3 (en) * | 1996-08-01 | 1999-04-14 | Benchmarq Microelectronics, Inc. | Phase controlled switching regulator power switch |
| US6072708A (en) * | 1996-08-01 | 2000-06-06 | Benchmarq Microelectronics, Inc. | Phase controlled switching regulator power supply |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2702606B1 (en) | 1996-03-01 |
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