NL8203155A

NL8203155A - CHAIN FOR MONITORING A POWER LINE AND CONTROLLING A SWITCHED POWER SUPPLY.

Info

Publication number: NL8203155A
Application number: NL8203155A
Authority: NL
Original assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1981-08-28
Filing date: 1982-08-10
Publication date: 1983-03-16
Also published as: DE3231817A1; FR2512290A1; GB2105129B; FR2512290B1; GB2105129A; JPS5846417A

Description

-1- * ji-1- * ji

823110/Ti/vL823110 / Ti / vL

Korte aanduiding: Keten voor het bewaken van een voedingslijn en regelen van een geschakelde voedingShort designation: Chain for monitoring a power line and controlling a switched power supply

De uitvinding heeft betrekking op een spanningsregelketen en in het bijzonder op de combinatie van een gecoinbineerde voe-dingslijnbewakingsinrichting en een regelketen voor een puls-breedtemodulatie geschakelde gelijkstroomvoeding.The invention relates to a voltage control circuit and in particular to the combination of a combined power supply line monitoring device and a control circuit for a pulse width modulation switched DC power supply.

5 Pulsbreedtemodulatieschakelen is een bekende regeltechniek die wordt toegepast in bepaalde gelijkstroomvoedingen. Het hoofd- c.Pulse width modulation switching is a known control technique used in certain DC power supplies. The main c.

voordeel van deze soort regeling is het lage in de voeding ge-dissipeerde vermogen in combinatie met een betrekkelijk hoge regelfactor, waardoor kleine, lichte transformatoren en keten-10 componenten kunnen worden gebruikt.the advantage of this type of control is the low power dissipated power in combination with a relatively high control factor, allowing the use of small, light transformers and chain-10 components.

Beschermingsketen voor het automatisch uitschakelen bij het optreden van afwijkingen in de netvoeding zijn bekend; der-gelijke ketens omvatten blokkeerketens, besturingssiliciumge-lijkrichters en programmeerbare unijunctiontransistoren. De tra-15 ditionele spanningsregelaars voor het opwekken van geregelde referentiespanningen zijn eveneens bekend. Het toevoegen ech-ter van ketens en componenten doet het voordeel dat door de pulsbreedtemodulatieschakeltechniek kan worden verkregen te-niet. De behoefte bestaat aan een commercieel beschikbare puls-20 breedtemodulatie geschakelde voeding met specifieke bescher-mings- en regelfuncties waarbij het voordeel van de toepassing van eenvoudige goedkope en kleine componenten behouden blijft en het opgenomen vermogen klein is.Protection chain for automatic shutdown in the event of anomalies in the mains supply are known; such circuits include blocking circuits, control silicon rectifiers and programmable unijunction transistors. The traditional voltage regulators for generating regulated reference voltages are also known. However, adding chains and components does away with the advantage that can be obtained by the pulse width modulation switching technique. There is a need for a commercially available pulse-20 width modulation switched power supply with specific protection and control functions that retain the advantage of using simple inexpensive and small components and the power consumption is small.

De uitvinding verschaft een eenvoudige gecombineerde voe-25 dingslijnbewakings- en regelketen voor een geschakelde voeding waarin verschillende beschermings- en regelfuncties met een betrekkelijk klein aantal componenten worden uitgevoerd. Gebruik wordt gemaakt van een enkele in de handel verkrijgbaar als ge-integreerde keten uitgevoerde spanningsregelaar, een transis-30 tor en een klein aantal extra passieve componenten voor het verrichten van de functies van het detecteren van het voedings-lijnniveau, cyclusuitval, spanningsregeling, opwekken van de 8203155The invention provides a simple combined power line monitoring and control circuit for a switched power supply in which various protection and control functions with a relatively small number of components are performed. Use is made of a single commercially available integrated circuit voltage regulator, a transistor and a small number of additional passive components to perform the functions of detecting the power line level, cycle failure, voltage regulation, generation of the 8203155

« V«V

-2- referentiespanning en het opwekken van bepaalde als overgangs-verschijnsel optredende stuursignalen.-2- reference voltage and the generation of certain control signals occurring as a transient phenomenon.

De inrichting volgens de uitvinding wordt hiertoe geken-merkt door middelen voor het afleiden van een representatief 5 wisselspanningsmonster uit de voedingslijnspanning, eerste middelen voor het omzetten van de wisselspanning in de gelijkspanning, spanningsregelmiddelen gekoppeld met de eerste omzetmid-delen voor het leveren van een geregelde uitgangsgelijkspanning, tweede middelen voor het omzetten van de wisselspanning in een 10 gelijkspanning, met middelen voor het detecteren van fouttoe-standen in de voedingslijn en middelen gekoppeld met de tweede omzetmiddelen voor het in responsie op de foutcondities opwekken van de besturingssignalenTo this end, the device according to the invention is characterized by means for deriving a representative AC voltage sample from the supply line voltage, first means for converting the AC voltage into the DC voltage, voltage control means coupled to the first converting means for supplying a controlled DC output voltage, second means for converting the AC voltage into a DC voltage, with means for detecting error conditions in the power line and means coupled to the second converting means for generating the control signals in response to the error conditions

Een voorkeursuitvoeringsvorm wordt daardoor gekenmerkt 15 dat de spanningsregelmiddelen een seriedoorlaatelement en een uit een operationele versterker opgebouwde stuurketen daardoor omvatten, waarbij de spanningregelmiddelen voorts middelen om-vatten die zijn verbonden met middelen voor het opwekken van de besturingssignaal voor het uitschakelen van het serie-element 20 in responsie op een gedetecteerde fouttoestandA preferred embodiment is characterized in that the voltage control means comprises a series pass element and a control circuit built up from an operational amplifier thereby, the voltage control means further comprising means connected to means for generating the control signal for switching off the series element 20 in response to a detected error condition

Bij voorkeur bestaan de tweede omzetmiddelen uit een diode en de foutconditiedetectiemiddelen uit een impedantienetwerk met een voorafbepaalde tijdconstante.Preferably, the second converting means consists of a diode and the fault condition detecting means consists of an impedance network with a predetermined time constant.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de teke- 25 ning.The invention will be elucidated on the basis of the drawing.

Fig. 1 is een blokschema van een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding; fig. 2 toont een meer uitgewerkt schema van deze uitvoeringsvorm.Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of the invention; Fig. 2 shows a more detailed diagram of this embodiment.

30 Het blokschema van een uitvoeringsvorm volgens de uitvin ding is weergegeven in fig. 1. Deze figuur toont de wisselspan-ningsvoedingslijn die via een transformator 10 is verbonden met een gelijkricht- en filterketen 12. Een gelijkgerichte en gefilterde gelijkspanning hierdoor opgewekt wordt toegevoerd 35 aan de geschakelde uitgangstrap 14 die een of meer geregelde gelijkspanningen levert. In een bepaalde, in de handel te bren-gen uitvoeringsvorm omvat de geschakelde uitgangstrap 14 een 8203155 Μ -Λ -3- paar transistoren die afwisselend met een frequentie van 20 kilohertz geleiden en blokkeren ter sturing van de primaire wik-keling van de uitgangstransformator. Deze kan een of meer se-cundaire wikkelingen hebben, elk met een bijbehorende gelijk-5 richt- en filterketen voor het opwekken van de uitgangsspannin-gen. Monsters van de uitgangsspanningen worden teruggekoppeld naar een uitgangsregelketen 16 die het monster vergelijkt met een voorafbepaalde referentiespanning en uit deze vergelijking een logisch besturingssignaal opwekt dat een indicatie is van 10 het uitgangsniveau en aangeeft of dit boven of onder het nomi-nale niveau ligt. Het besturingssignaal wordt toegevoerd aan een besturingsketen 18 die in pulsbreedte gemoduleerde stuur-signalen opwekt voor het sturen van de geschakelde uitgangs-trap 14. In een voorgestelde commerciele uitvoeringsvorm wordt 15 de besturingslogica gestuurd door een 40 kilohertz klok die wordt gedeeld en gemodificeerd door verschillende besturingssignalen, inclusief het logisch besturingssignaal van de uit-gangsregelaar 16 voor het opwekken van geschikte 20 kilohertz, in pulsbreedte gemoduleerde, besturingssignalen ter sturing 20 van de geschakelde uitgangstrap 14. Deze stuurketens zijn bij voorkeur uitgevoerd met geaard-emittertransistoren die reage-ren op de in pulsbreedte gemoduleerde besturingssignalen voor het leveren van een geschiktestuurstroom aan de uitgangstrap.The block diagram of an embodiment of the invention is shown in Figure 1. This figure shows the AC power supply line connected through a transformer 10 to a rectifier and filter circuit 12. A rectified and filtered DC voltage generated thereby is supplied to the switched output stage 14 supplying one or more controlled DC voltages. In a particular commercially available embodiment, the switched output stage 14 comprises an 8203155 Μ -Λ -3 pair of transistors which alternately conduct and block at a frequency of 20 kilohertz to control the primary winding of the output transformer. It may have one or more secondary windings, each with an associated rectifier and filter circuit for generating the output voltages. Samples of the output voltages are fed back to an output control circuit 16 which compares the sample to a predetermined reference voltage and generates from this comparison a logic control signal indicative of the output level and indicating whether it is above or below the nominal level. The control signal is applied to a control circuit 18 which generates pulse width modulated control signals for controlling the switched output stage 14. In a proposed commercial embodiment, the control logic is controlled by a 40 kilohertz clock which is divided and modified by different control signals. including the logic control signal from the output controller 16 to generate suitable 20 kilohertz pulse width modulated control signals to control the switched output stage 14. These control circuits are preferably constructed with grounded-emitter transistors which respond to the pulse width modulated control signals for supplying a suitable control current to the output stage.

Een gecombineerde voedingslijn-bewakings- en regelketen 20 25 is verbonden met de transformator 10 voor het verrichten van de functies van voedingslijndetectie, lijncyclusuitval, stuur-spanningsregeling, het opwekken van een referentiespanning en het opwekken van "waardige" en "veilige" signaaltoestanden, en * aan de stuurketen 18 en een of meer indicatieketens.A combined power line monitor and control circuit 20 is connected to the transformer 10 to perform the functions of power line detection, line cycle failure, control voltage control, generating a reference voltage and generating "worthy" and "safe" signal states, and * on the control chain 18 and one or more indication chains.

30 Details van de regelketen 20 blijken uit fig. 2. De voe- ding wordt afgeleid uit een 16 volt secondaire wikkeling 40 van de transformator 10 en dus direct van de voedingswissel-spanning, en is aldus een representatief monster daarvan. De wisselspanning wordt via een zekering 42 toegevoerd aan een 35 enkelzijdige gelijkrichtketen met een diode 44 en een condensa-tor 44 en een condensator 46 zodat nominaal 20 volt gelijkspan-ning ontstaat. Deze spanning wordt toegevoerd aan een regel- 8203155 i.Details of the control circuit 20 are shown in FIG. 2. The power is derived from a 16-volt secondary winding 40 of the transformer 10 and thus directly from the AC supply voltage, and is thus a representative sample thereof. The alternating voltage is supplied via a fuse 42 to a single-sided rectifier circuit with a diode 44 and a capacitor 44 and a capacitor 46, so that nominally 20 volts DC is produced. This voltage is applied to a control 8203155 i.

-4- keten 50 die schematisch is getekend binnen met streeplijnen aangegeven vierkant.-4 chain 50 which is schematically drawn within a dashed square.

De regelketen 50 is een in de handel verkrijgbare span-ningsregelketen van het type A723. Slechts de belangrijke in-5 wendige details zijn aangegeven en zullen in het kort worden toegelicht. De spanningregelketen kan uiteraard ook zijn opge-bouwd uit discrete componenten hoewel dan de voordelen van kleine ruimte, lage kosten en laag opgenomen vermogen althans gedeeltelijk verloren gaan.The control circuit 50 is a commercially available voltage control circuit type A723. Only the important internal details are indicated and will be briefly explained. The voltage control circuit can of course also be built up from discrete components, although the advantages of small space, low costs and low power consumption are then at least partly lost.

10 In de regelketen 50 is de serie-regeltransistor Qq opge nomen tussen de afsluitingen V+ en V en een uitgangsaanslui-ting VQ. De uitgangsaansluiting VQ is geaard via een diode 52 en de serieweerstanden VQ is geaard via een diode 52 en de se-rieweerstanden 54 en 56. Een geregelde +10 volt gelijkspanning 15 wordt opgewekt over de weerstanden 54 en 56 en is als voeding beschikbaar voor de verschillende schakelketens. Het knooppunt van de weerstanden 54 en 56 is verbonden met de inverterende ingang van een inwendige differentieelversterker DA en geeft een gedeelde tegenkoppelspanning voor het instellen van het 20 werkpunt van de uitgangsserietransistor Qq. Een inwendige refe-rentiespanningsketen (REF. CKT.) levert een referentiespanning van +7.15 volt die beschikbaar is voor de uitwendige ketens via de aansluiting VREF. De niet-inverterende ingang (NON INV) van de differentieelversterker DA is ook verbonden met de spanning 25 +7.15 volt. De doorverbonden emitters van het differentieelver-sterkerpaar zijn via een stroombron geaard via de substraat aansluiting V . Een compensatiecondensator 58 is opgenomen tussen de aansluitingen INV en FREQ COMP van de regelketen 50.In the control circuit 50, the series control transistor Qq is included between the terminals V + and V and an output terminal VQ. The output terminal VQ is grounded through a diode 52 and the series resistors VQ is grounded through a diode 52 and the series resistors 54 and 56. A regulated +10 volts DC 15 is generated across resistors 54 and 56 and is available as a power supply for the different switching chains. The junction of the resistors 54 and 56 is connected to the inverting input of an internal differential amplifier DA and provides a shared negative feedback voltage for setting the operating point of the output series transistor Qq. An internal reference voltage circuit (REF. CKT.) Provides a reference voltage of +7.15 volts which is available to the external circuits via the VREF terminal. The non-inverting input (NON INV) of the differential amplifier DA is also connected to the voltage 25 +7.15 volts. The jumpered emitters of the differential amplifier pair are grounded through a power source through the substrate terminal V. A compensation capacitor 58 is included between the INV and FREQ COMP terminals of the control circuit 50.

Een stroombegrenzingstransistor QCL is in de regelketen 30 opgenomen voor het uitschakelen van de serie-transistor Qq on-der bepaalde, in het hierna volgende te bespreken, condities.A current limiting transistor QCL is included in the control circuit 30 to turn off the series transistor Qq under certain conditions to be discussed below.

De basis van transistor is via een aansluiting (CUR LIM) en een stroombegrenzingsbasisweerstand 60 verbonden met de collector van het schakeltransistor 62. De collector van de scha-35 keltransistor 62 is via een belastingweerstand 64 verbonden met +20 volt; de emitter is geaard. De emitter van het stroombe-grenzingstransistor QCL is geaard via de stroomaftastaansluiting 8203155 r- -5- CUR SEN en een paar kleine weerstanden 68 en 70. Een paar klem-dioden 72 en 74 verzekert dat het knooppunt van de weerstanden 68 en 70 onder alle omstandigheden vrijwel aardpotentiaal heeft. Dit punt is eveneens verbonden met de zekering 42 en dus met 5 een einde van de secundaire wikkeling 40 en vormt een referen-tie voor de lijnbewakingsketen die de schakeltransistor 62 be-vat.The base of transistor is connected via a terminal (CUR LIM) and a current limiting base resistor 60 to the collector of the switching transistor 62. The collector of the switching transistor 62 is connected to +20 volts via a load resistor 64; the emitter is grounded. The emitter of the current limiting transistor QCL is grounded through the current sensing terminal 8203155 r--5- CUR SEN and a pair of small resistors 68 and 70. A pair of terminal diodes 72 and 74 ensures that the junction of resistors 68 and 70 is under all conditions has almost earth potential. This point is also connected to the fuse 42 and thus to one end of the secondary winding 40 and forms a reference for the line monitor circuit containing the switching transistor 62.

Een diode 80 en condensator 82 2?ijn in serie verbonden over de secundaire wikkeling 40 en een weerstand 84 verbindt 10 het knooppunt daarvan met de basis van transistor 62. Een in-stelweerstand 86 gaat van de basis van transistor 62 naar aar-de, Onder normale werkomstandigheden laadt de condensator 82 tot +20 volt waardoor de transistor 62 geleidend is. De collector van transistor 62 krijgt vrijwel aardpotentiaal als de 15 transistor verzadigd is waardoor de transistor Q__ in de regel-keten 50 wordt geblokkeerd. Met transistor Q_T geblokkeerd wordt de serieuitgangstransistor Qq vrijgegeven waardoor de gereguleerde +10 volt uitgangsspanning een constante eindwaar-de krijgt wanneer transistor Qq geleidt, Deze +10 volt wordt 20 als positieve tegenkoppeling via de weerstand 90 toegevoerd naar de basis van transistor 62 waardoor het geleidend worden van de transistor 62 wordt begunstigd zodat de uitgangsspanning zeer snel wordt ingeschakeld.A diode 80 and capacitor 82 are connected in series across the secondary winding 40 and a resistor 84 connects its node to the base of transistor 62. An adjustment resistor 86 goes from the base of transistor 62 to ground, Under normal operating conditions, capacitor 82 charges to +20 volts, making transistor 62 conductive. The collector of transistor 62 acquires almost ground potential when the transistor is saturated, thereby blocking transistor Q__ in control circuit 50. When transistor Q_T is blocked, the series output transistor Qq is released, giving the regulated +10 volt output voltage a constant end value when transistor Qq conducts. This +10 volt is supplied as positive negative feedback through resistor 90 to the base of transistor 62, making it conductive transistor 62 is favored so that the output voltage is turned on very quickly.

De tijdconstante van bovengenoemd impedantienetwerk met 25 de condensator 82 en de weerstand 84 wordt zeer' klein gekozen, bijvoorbeeld kort genoeg om een twee-periode uitval van de voe-dingslijnspanning te detecteren. In een dergelijke situatie, of wanneer de voedingslijnspanning tot beneden een voorafbepaal-de niveau daalt, ontlaadt de condensator 82 tot op een punt 30 waarop de transistor 62 begint te blokkeren, de collectorspan-ning ervan neemt toe naarmate de transistor 62 uit verzadiging komt. Dit doet de transistor QCL geleidend worden waardoor de serieuitgangstransistor Qq wordt geblokkeerd. Naarmate de uitgangsspanning uitgaande van de nominale waarde van +10 volt 35 daalt en de regelketen 50 de stroom gaat beperken zal de spanning aan de aansluiting FREQ COMP snel dalen.The time constant of the above impedance network with capacitor 82 and resistor 84 is chosen to be very small, for example, short enough to detect a two-period power line voltage failure. In such a situation, or when the supply line voltage drops below a predetermined level, capacitor 82 discharges to a point 30 at which transistor 62 begins to block, its collector voltage increases as transistor 62 comes out of saturation. This causes the transistor QCL to become conductive thereby blocking the series output transistor Qq. As the output voltage decreases from the nominal value of +10 volt 35 and the control circuit 50 starts to limit the current, the voltage at the connection FREQ COMP will drop rapidly.

Uit bovenstaande blijkt dat de toestandssignalen die de 8203155 -6- werking van de regelaar aangeven worden opgewekt aan de collector van transistor 62 en de aansluiting FREQ COMP. Bij een juiste werking van de regelketen 50 is de collector van de transistor 62 laag en is de aansluiting FREQ COMP hoog. Wan-5 neer een fout optreed, zoals bovenomschreven, wordt de collector van transistor 62 hoog en gaat de aansluiting FREQ COMP laag. De collector van transistor 62 is via een paar weerstan-den 94 en 96 verbonden met de basissen van de stuurtransisto-ren 18-1 en 18-2 in de stuurketen 18 (zie fig. 1) voor het 10 blokkeren van het pulsbreedtebesturingssignaal naar de gescha-kelde uitgangstrap bij het optreden van een fout, en om de pulsbreedtestuursignalen bij normaal bedrijf door te laten.From the above, it can be seen that the state signals indicating the 8203155-6 operation of the controller are generated at the collector of transistor 62 and the terminal FREQ COMP. With proper operation of the control circuit 50, the collector of the transistor 62 is low and the FREQ COMP terminal is high. When an error occurs, as described above, the collector of transistor 62 goes high and the terminal FREQ COMP goes low. The collector of transistor 62 is connected through a pair of resistors 94 and 96 to the bases of the control transistors 18-1 and 18-2 in the control circuit 18 (see FIG. 1) to block the pulse width control signal to the switched output stage when an error occurs, and to pass the pulse width control signals in normal operation.

De lage toestand aan de aansluiting FREQ COMP van de regelaar 50 bij het optreden van de fout wordt via de diode 100 toege-15 voerd naar bepaalde indicatieketens waardoor een indicatie wordt gegeven betreffende de werking van de spanningsregelaar en daarmee de toestand van de voeding.The low state at the terminal FREQ COMP of the controller 50 at the occurrence of the error is applied through the diode 100 to certain indication circuits, thereby giving an indication of the operation of the voltage regulator and thus the state of the power supply.

De gecombineerde voedingslijnbewakings- en regelketen le-vert de besturingsketen van een pulsbreedtemodulatie gescha-20 kelde voeding onafhankelijk van overgangsverschijnselen, duur van spanningsuitval, cyclusuitvalherhalingsfrequentie, waar-schuwingssignalen en levert tevens referentiespanningen.The combined power line monitor and control circuit provides the control circuit of a pulse width modulation switched power supply independent of transient phenomena, duration of power failure, cycle failure repetition frequency, warning signals and also supplies reference voltages.

82031558203155

Claims

1. Corinated power line monitoring and control circuit characterized by means for deriving a representative AC voltage sample from the power line voltage, first means for converting the AC voltage 5 to the DC voltage, voltage control means coupled to the first inverter means for providing a controlled output. DC output voltage, second means for converting the AC voltage into a DC voltage, with means for detecting error conditions in the supply line and means 10 coupled to the second converting means for generating the control signals in response to the error conditions.

2. A circuit according to claim 1, characterized in that the voltage control means comprise a series pass element and a control circuit built up therefrom an operational amplifier, the voltage control means further comprising means connected to means for generating the control signal for switching off the power supply. series element in response to a detected error condition.

Chain according to claim 2, characterized in that the second conversion means comprise a diode and the error condition detection means comprise an impedance network with a predetermined time constant.

Chain according to claim 3, characterized in that the means for generating the control signal comprise switching means coupled to an impedance network.

Circuit according to claim 4, characterized in that the switching means comprise a transistor, the base of which is connected to the impedance network.

A circuit according to claim 5 with gate 30 characterized in that the regulated DC output voltage of the voltage control means is supplied to the base of the switching transistor.

A circuit according to claim 2, characterized in that the voltage control means comprise means for generating state signals indicative of the state of the voltage regulator. 8203155