WO2002045249A2 - Circuit arrangement for dc/dc converters with low output voltage - Google Patents

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WO2002045249A2
WO2002045249A2 PCT/DE2001/004439 DE0104439W WO0245249A2 WO 2002045249 A2 WO2002045249 A2 WO 2002045249A2 DE 0104439 W DE0104439 W DE 0104439W WO 0245249 A2 WO0245249 A2 WO 0245249A2
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Bostjan Bitenc
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
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    • H02M3/33592Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer having a synchronous rectifier circuit or a synchronous freewheeling circuit at the secondary side of an isolation transformer
    • HELECTRICITY
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Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement of a DC / DC converter at least with a primary side with a DC voltage input and a primary-side winding which is driven in a clocked manner via a primary-side MOSFET, a secondary side with at least one DC voltage output and one which is inductively connected to the primary-side winding.
  • secondary-side winding into which an alternating voltage is induced a secondary-side MOSFET having a control circuit being provided, through which the voltage induced in the second winding is conducted in the same direction to the DC voltage output, and also a primary and secondary auxiliary voltage supply.
  • Such a circuit arrangement which is preferably used as a converter for low powers with medium to high output voltages, is known, for example, from German patent application DE 34 22 777.
  • the inventor proposes that the known circuit arrangement of a DC / DC converter with a primary side with a a DC voltage input (in +, in-) and a primary-side winding, which is driven in a clocked manner via a primary-side MOSFET, a secondary side with at least one DC voltage output and a secondary-side winding, which is inductively connected to the primary-side winding and into which an AC voltage is induced, wherein a secondary-side MOSFET is provided with a control circuit through which the voltage induced in the second winding is rectified to the DC voltage output, and further a primary and secondary auxiliary voltage supply to improve in that a control circuit for clocking the primary-side and the secondary-side MOSFET with drivers coupled to one another is provided in such a way that simultaneous switching on of the two windings is prevented.
  • a special embodiment of the circuit arrangement provides that at least one of the drivers has a time delay element.
  • a modulator can be connected upstream of the primary-side driver, the modulator being a pulse width modulator or pulse frequency modulator or a combination of both types.
  • the circuit arrangement between the controller and the modulator has an optocoupler for complete electrical decoupling from the primary and secondary sides.
  • a further embodiment of the circuit arrangement provides that a third and fourth winding are provided for the primary and secondary-side auxiliary voltage supply, all windings, that is to say also the first and second windings, being connected to the same inductance, preferably a ferrite core.
  • the secondary-side driver can have a logical AND logic operation.
  • an LC low-pass filter can be provided on the secondary side to improve and smooth the output voltage.
  • two, preferably four, windings can be designed as a circuit board transformer for a particularly compact construction.
  • the number of turns of the first secondary winding can be 1.
  • Figure 1 Structure of a DC / DC converter
  • FIG. 1 buck converter combined with push-pull converter
  • Figure 3 Classic flyback converter
  • Figure 4 flyback converter with MOSFET as a rectifier
  • FIG. 6 measured values and behavior of the circuit arrangement from FIG. 5 at a low output current
  • FIG. 7 measured values and behavior of the circuit arrangement from FIG. 5 with a high output current
  • FIG. 8 flyback converter according to the invention for low output voltage without auxiliary windings
  • FIG. 9 flyback converter according to the invention for low output voltage with auxiliary windings for auxiliary voltages;
  • FIG. 10 Measured values and behavior of the viewing arrangement from FIG. 9 at a low output current;
  • FIG. 11 Measured values and behavior of the circuit arrangement from FIG. 9 with a high output current
  • Figure 12 Pinout of the isolated drivers
  • FIG. 13 Isolated driver with time delay element
  • Figure 14 Isolated driver with logical AND gate.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a DC / DC converter 1 with an output voltage UA, consisting of a clocked converter 2, a regulator 3 for the output voltage UA and other application-specific functional units, such as monitoring devices, filters, etc.
  • onboard SVM So-called onboard power supply modules (hereinafter referred to as onboard SVM) are known for use in systems (e.g. switching system). These are DC / DC converters with small dimensions that can be soldered or soldered into a system assembly like components. These onboard SVM are available with different output voltage values.
  • FIG. 1 A topology that has been used in practice for several years is shown in FIG. With this topology, onboard SVMs with low output voltages can be implemented with economically justifiable effort from a nominal output current of approx. 5A. The reason for this is the comparatively high outlay on components due to the multi-stage concept with a step-down divider and push-pull converter. For onboard power supply modules with a small output current ( ⁇ 5A) and very small dimensions, it is not sensible to use the topology from FIG. 2, since the elements required for control would take up too much space and the costs related to the output power would be too high.
  • onboard SVM onboard power supply modules
  • onboard SVM onboard power supply modules
  • a target size of approx. 2 x 5 cm therefore an alternative topology with a simple control circuit is sought.
  • good dynamic behavior i.e. small output voltage drops in the event of load changes can be realized. This is very important at low output voltages, as connected consumers, e.g. ASICs or processors, often have very small permissible ranges for their operating voltage.
  • Very small DC / DC converters have so far often been implemented in the form of a classic forward converter without synchronous rectification, with diodes used for rectification in the output circuit. The efficiency of these modules is therefore not good.
  • a further reduction in component expenditure is possible if a topology is used, for the secondary side only one rectifying element is required.
  • the classic flyback converter represents such a topology. This can be seen in FIG.
  • MOSFET M2 the parasitic diode contained in each power MOSFET is also shown. The orientation of this diode corresponds to that of diode D from FIG. 3. MOSFET M2 must be controlled by a suitable circuit.
  • the resistor R1 and the current transformer consisting of the windings swl and sw2 - which do not match the windings wl and w2 are coupled - mimicking the behavior of a diode.
  • the current direction of current through the MOSFET M2 is detected by means of the current converter and the MOSFET M2 is accordingly switched on and off by the driver circuit T1, T2 connected upstream and connected to the current converter.
  • FIG. 6 shows the measured values and the behavior of the circuit arrangement from FIG. 5 at a low output current UA.
  • the output current of the transformer reaches zero long before the MOSFET Ml switches on again, such as at point 2 can be seen in Figure 6. So there is enough time to turn off the MOSFET M2.
  • the MOSFET M2 can only be switched on when Ml is already switched off, shown at point 1 in FIG. 6.
  • the drain currents ID1 and ID2 through MOSFET Ml or M2 have a triangular shape here. For this reason, this operating mode is also called triangular operation.
  • the operating mode also changes when there is a load increase at the output from a certain load 4, as shown in FIG.
  • the shape of the current now changes from the triangular shape to a trapezoidal shape.
  • Timely reversal of the current can be ensured by dimensioning the transformer for stationary operation (constant load at the output), i.e. triangular operation in the permissible load range is ensured, but it is disadvantageous that a relatively large transformer is necessary. With rapid load changes, e.g. If a processor switches from sleep mode to normal operation, this condition can be violated, which can lead to briefly disturbed operation and influence the consumer (e.g. crash).
  • the secondary-side transistor M2 is controlled by an isolated driver in principle, ie, except for additional runtimes, in push-pull to the primary-side transistor Ml.
  • the secondary-side auxiliary voltage U se k, au ⁇ required for this can be supplied externally, as shown in FIG. 8, or is derived from a transformer winding w4, as shown in FIG.
  • the primary-side auxiliary voltage U Pr i m , aux, for supplying the two drivers and the modulation controller, likewise comes either externally or from the winding w3.
  • FIGS. 10 and 11 show the signal curves corresponding to FIGS. 6 and 7 for the circuit arrangement from FIG. 9.
  • the transistor M2 is not switched off when the current passes through M2, but rather it is switched off a reversal is permitted until shortly before the MOSFET Ml is switched on again. This means that with this type of control, there is only trapezoidal operation, regardless of the load at the output. Short-term short circuits due to the simultaneous conduction of the transistors M1 and M2 are certainly excluded here.
  • the switch-on of the MOSFET M2 must be delayed out by a delay element 12 in the driver.
  • a driver 7 in the embodiment according to FIG. 13 is used for this.
  • the switching on of the MOSFET M2 can be logically locked until the voltage on the auxiliary winding w4 assumes a positive value, since this criterion indicates that the MOSFET Ml is switched off.
  • a driver 9 according to FIG. 14 with a logic AND gate 13 can be used for this variant according to the invention.
  • the transformer can preferably be designed as a so-called circuit board transformer. The scatter-L of the transformer can thus be kept to a minimum.
  • the output current is relatively high, which means that a large conductor cross-section at w2 is advantageous.
  • the cross-section can be maximized without the use of multiple PCB layers and transfers.
  • the auxiliary voltages derived via the windings w3 and w4 are also load-independent. This greatly simplifies the circuit design, especially the circuit for the controller. This has a positive effect on the manufacturing costs and the realizable size of the power supply module.
  • a current mode control can advantageously be used for the pulse width modulation control, as a result of which the duty cycle is determined with the aid of a ramp-shaped current measurement signal. This signal is designated “ramp" in FIG. 9 and is tapped at a measuring shunt "shunt".
  • an optional filter in the form of a simple LC low pass "choke” + C4 can be added.
  • the inductance value of the choke “choke” must be as small as possible, the value of the capacitor C4 however, be chosen as large as possible.
  • This new principle has the following advantages: Very high efficiency despite low output voltage; good dynamic behavior even with nominal load jumps; extremely low component effort; very robust and fault-sensitive construction; any capacitance values for dynamic improvement can be switched on at the output. Furthermore, it is possible to intercept the pulse current coming from the winding w2 almost completely without loss using ceramic capacitors, so that even relatively large output power lines (eg 1.5V / 10A) can be realized with this principle.
  • the invention thus shows a circuit arrangement of a DC / DC flyback converter with a clocked controller, a control circuit for clocking a primary-side and a secondary-side MOSFET with drivers coupled to one another being provided such that simultaneous switching on of the two windings w1 and w2 is prevented.
  • the circuit arrangement can be implemented in a very compact manner and with few components, and in addition a good load resistance is achieved for low output voltages.
  • PWM PW modulator
  • PFM PF modulator

Abstract

The invention relates to a circuit arrangement for a DC/DC blocking oscillator (1) comprising a clocked control system wherein a control circuit for clocking with a primary side and a secondary side MOSFET (M1, M2) is provided with coupled drivers (7, 8, 9) under each other in such a way that prevents a simultaneous activation of the two windings (w1, w2).

Description

Beschreibungdescription
Schaltungsanordnung für DC/DC-Wandler mit niedriger AusgangsspannungCircuit arrangement for DC / DC converter with low output voltage
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung eines DC/DC- Wandlers zumindest mit einer Primärseite mit einem Gleichspannungseingang und einer primärseitigen Wicklung, welche über einen primärseitigen MOSFET getaktet angesteuert wird, einer Sekundärseite mit mindestens einem Gleichspannungsausgang und einer, mit der primärseitigen Wicklung induktiv in Verbindung stehenden, sekundarseitigen Wicklung, in welche eine WechselSpannung induziert wird, wobei ein sekundärseiti- ger MOSFET mit einer Steuerschaltung vorgesehen ist, durch den die in der zweiten Wicklung induzierte Spannung gleichgerichtet zum Gleichspannungsausgang geführt wird, und außerdem je einer primären und sekundären Hilfsspannungsversorgung.The invention relates to a circuit arrangement of a DC / DC converter at least with a primary side with a DC voltage input and a primary-side winding which is driven in a clocked manner via a primary-side MOSFET, a secondary side with at least one DC voltage output and one which is inductively connected to the primary-side winding. secondary-side winding into which an alternating voltage is induced, a secondary-side MOSFET having a control circuit being provided, through which the voltage induced in the second winding is conducted in the same direction to the DC voltage output, and also a primary and secondary auxiliary voltage supply.
Eine solche Schaltungsanordnung, die vorzugsweise als Wandler für kleine Leistungen mit mittleren bis höheren Ausgangsspannungen genutzt wird, ist beispielsweise aus der Deutschen Patentanmeldung DE 34 22 777 bekannt.Such a circuit arrangement, which is preferably used as a converter for low powers with medium to high output voltages, is known, for example, from German patent application DE 34 22 777.
Der Nachteil dieser bekannten Schaltungsanordnung liegt in einer ungenügenden Lastfestigkeit . Zudem ist sie für niedrige AusgangsSpannungen ungeeignet.The disadvantage of this known circuit arrangement is an insufficient load resistance. It is also unsuitable for low output voltages.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung für einen sehr kompakten und wenig Bauteile aufweisenden, je- doch lastfesten DC/DC-Wandler für niedrige Ausgangsspannungen zu beschreiben.It is therefore an object of the invention to describe a circuit arrangement for a very compact and few components, but load-resistant DC / DC converter for low output voltages.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.
Demgemäss schlägt der Erfinder vor, die bekannte Schaltungsanordnung eines DC/DC-Wandlers mit einer Primärseite mit ei- nem Gleichspannungseingang (in+, in-) und einer primärseitigen Wicklung, welche über einen primärseitigen MOSFET getaktet angesteuert wird, einer Sekundärseite mit mindestens einem Gleichspannungsausgang und einer, mit der primärseitigen Wicklung induktiv in Verbindung stehenden, sekundarseitigen Wicklung, in welche eine WechselSpannung induziert wird, wobei ein sekundärseitiger MOSFET mit einer Steuerschaltung vorgesehen ist, durch den die in der zweiten Wicklung induzierte Spannung gleichgerichtet zum Gleichspannungsausgang geführt wird, und des weiteren je einer primären und sekundären Hilfsspannungsversorgung, dahingehend zu verbessern, dass eine Steuerschaltung zur Taktung des primärseitigen und des sekundarseitigen MOSFET mit untereinander gekoppelten Treibern derart vorgesehen ist, dass ein gleichzeitiges Einschal- ten der beiden Wicklungen verhindert wird.Accordingly, the inventor proposes that the known circuit arrangement of a DC / DC converter with a primary side with a a DC voltage input (in +, in-) and a primary-side winding, which is driven in a clocked manner via a primary-side MOSFET, a secondary side with at least one DC voltage output and a secondary-side winding, which is inductively connected to the primary-side winding and into which an AC voltage is induced, wherein a secondary-side MOSFET is provided with a control circuit through which the voltage induced in the second winding is rectified to the DC voltage output, and further a primary and secondary auxiliary voltage supply to improve in that a control circuit for clocking the primary-side and the secondary-side MOSFET with drivers coupled to one another is provided in such a way that simultaneous switching on of the two windings is prevented.
Eine besondere Ausbildung der Schaltungsanordnung sieht vor, dass mindestens einer der Treiber ein Zeitverzögerungsglied aufweist. Des weiteren kann erfindungsgemäß dem primärseiti- gen Treiber ein Modulator vorgeschaltet werden, wobei der Modulator ein Pulsweitenmodulator oder Pulsfrequenzmodulator oder eine Kombination beider Typen sein kann.A special embodiment of the circuit arrangement provides that at least one of the drivers has a time delay element. Furthermore, according to the invention, a modulator can be connected upstream of the primary-side driver, the modulator being a pulse width modulator or pulse frequency modulator or a combination of both types.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung zwischen dem Regler und dem Modulator einen Optokoppler, zur vollständigen elektrischen Entkopplung von Primär- und Ξekundärseite, auf.In a particularly advantageous embodiment, the circuit arrangement between the controller and the modulator has an optocoupler for complete electrical decoupling from the primary and secondary sides.
Eine weitere Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sieht vor, dass zur primärseitigen und sekundarseitigen Hilfsspannungs- versorgung eine dritte und vierte Wicklung vorgesehen wird, wobei alle Wicklungen, also auch die erste und zweite Wicklung, mit der gleichen Induktivität, vorzugsweise einem Ferritkern, verbunden sind. Bei der besonders vorteilhaften Schaltungsanordnung mit insgesamt vier Wicklungen kann der sekundärseitige Treiber eine logische UND-Verknüpfung aufweisen.A further embodiment of the circuit arrangement provides that a third and fourth winding are provided for the primary and secondary-side auxiliary voltage supply, all windings, that is to say also the first and second windings, being connected to the same inductance, preferably a ferrite core. In the particularly advantageous circuit arrangement with a total of four windings, the secondary-side driver can have a logical AND logic operation.
Erfindungsgemäß kann zur Verbesserung und Glättung der Ausgangsspannung sekundärseitig ein LC-Tiefpassfilter vorgesehen werden. Außerdem können für eine besonders kompakte Bauweise zwei, vorzugsweise vier, Wicklungen als Leiterplattentrafo ausgebildet sein.According to the invention, an LC low-pass filter can be provided on the secondary side to improve and smooth the output voltage. In addition, two, preferably four, windings can be designed as a circuit board transformer for a particularly compact construction.
Sollen besonders niedrige Ausgangsspannungen realisiert werden, so kann die Windungszahl der ersten sekundarseitigen Wicklung 1 sein.If particularly low output voltages are to be realized, the number of turns of the first secondary winding can be 1.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.Further features of the invention emerge from the subclaims and the following description of the exemplary embodiments with reference to the drawings.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen und Ausführungsbeispiele näher erklärt:The invention is explained in more detail below with reference to the drawings and exemplary embodiments:
Figur 1: Aufbau eines DC/DC-Wandlers ;Figure 1: Structure of a DC / DC converter;
Figur 2: Tiefsetzsteiler kombiniert mit Gegentaktwandler ;Figure 2: buck converter combined with push-pull converter;
Figur 3 Klassischer Sperrwandler; Figur 4 Sperrwandler mit MOSFET als Gleichrichter;Figure 3 Classic flyback converter; Figure 4 flyback converter with MOSFET as a rectifier;
Figur 5 Sperrwandler mit MOSFET als Gleichrichter und bekannter Steuerung;Figure 5 flyback converter with MOSFET as a rectifier and known controller;
Figur 6 Messwerte und Verhalten der Schaltungsanordnung aus Figur 5 bei niedrigem Ausgangsstrom; Figur 7 Messwerte und Verhalten der Schaltungsanordnung aus Figur 5 bei hohem Ausgangsstrom;FIG. 6 measured values and behavior of the circuit arrangement from FIG. 5 at a low output current; FIG. 7 measured values and behavior of the circuit arrangement from FIG. 5 with a high output current;
Figur 8 Erfindungsgemäßer Sperrwandler für niedrige Ausgangsspannung ohne Hilfswicklungen;FIG. 8 flyback converter according to the invention for low output voltage without auxiliary windings;
Figur 9 Erfindungsgemäßer Sperrwandler für niedrige Aus- gangsspannung mit Hilfswicklungen für Hilfsspannungen; Figur 10: Messwerte und Verhalten der Sehaltungsanordnung aus Figur 9 bei niedrigem Ausgangsstrom;FIG. 9 flyback converter according to the invention for low output voltage with auxiliary windings for auxiliary voltages; FIG. 10: Measured values and behavior of the viewing arrangement from FIG. 9 at a low output current;
Figur 11: Messwerte und Verhalten der Schaltungsanordnung aus Figur 9 bei hohem Ausgangsstrom; Figur 12: Pinbelegung der isolierten Treiber;FIG. 11: Measured values and behavior of the circuit arrangement from FIG. 9 with a high output current; Figure 12: Pinout of the isolated drivers;
Figur 13: Isolierter Treiber mit Zeitverzögerungsglied;Figure 13: Isolated driver with time delay element;
Figur 14: Isolierter Treiber mit logischem UND-Glied.Figure 14: Isolated driver with logical AND gate.
Die Figur 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines DC/DC- Wandlers 1 mit einer Ausgangsspannung UA, bestehend aus einem getakteten Umrichter 2 , einem Regler 3 für die Ausgangsspannung UA und weiteren anwendungsspezifischen Funktionseinheiten, wie beispielsweise Überwachungen, Filter, etc.1 shows the basic structure of a DC / DC converter 1 with an output voltage UA, consisting of a clocked converter 2, a regulator 3 for the output voltage UA and other application-specific functional units, such as monitoring devices, filters, etc.
Für den Einsatz in Systemen (z.B. Vermittlungssystem) sind sogenannte Onboard-Stromversorgungsmodule (im weiteren Onbo- ard-SVM genannt) bekannt. Dieses sind DC/DC-Wandler mit kleinen Abmessungen, die wie Bauteile in eine Systembaugruppe ein- oder aufgelötet werden können. Diese Onboard-SVM gibt es mit unterschiedlichen Ausgangsspannungswerten.So-called onboard power supply modules (hereinafter referred to as onboard SVM) are known for use in systems (e.g. switching system). These are DC / DC converters with small dimensions that can be soldered or soldered into a system assembly like components. These onboard SVM are available with different output voltage values.
Für die Erzeugung niedriger Ausgangsspannungen (UA < 3.3V) wird seit einigen Jahren die sogenannte „Synchrone Gleichrichtung" in einer Vielzahl von Varianten eingesetzt, da sich aufgrund des geringen Durchlasswiderstandes RDS,ON und damit geringem Spannungsabfall moderner MOSFETs im Vergleich zu einer herkömmlichen Gleichrichtung mit Dioden eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades erzielen läßt.For several years, the so-called "synchronous rectification" has been used in a variety of ways to generate low output voltages (UA <3.3V), since the low on-state resistance R DS , ON and thus the low voltage drop of modern MOSFETs compared to conventional rectification can achieve a significant improvement in efficiency with diodes.
Eine seit einigen Jahren in der Praxis eingesetzte Topologie ist in Figur 2 dargestellt. Mit dieser Topologie lassen sich Onboard-SVM mit niedrigen Ausgangsspannungen mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand ab einem Nenn-Ausgangsstrom von ca. 5A realisieren. Der Grund hierfür ist der vergleichsweise ho- he Bauteileaufwand aufgrund der Mehrstufigkeit dieses Konzeptes mit Tiefsetzsteiler und Gegentaktwandler . Für Onboard-Stromversorgungsmodule mit kleinem Ausgangsstrom (< 5A) und sehr kleinen Abmessungen ist eine Anwendung der Topologie aus Figur 2 nicht sinnvoll, da die zur Steuerung nötigen Elemente zu viel Platz einnehmen würden und außerdem die Kosten bezogen auf die Ausgangsleistung zu hoch wären.A topology that has been used in practice for several years is shown in FIG. With this topology, onboard SVMs with low output voltages can be implemented with economically justifiable effort from a nominal output current of approx. 5A. The reason for this is the comparatively high outlay on components due to the multi-stage concept with a step-down divider and push-pull converter. For onboard power supply modules with a small output current (<5A) and very small dimensions, it is not sensible to use the topology from FIG. 2, since the elements required for control would take up too much space and the costs related to the output power would be too high.
Für sehr kleine Onboard-Stromversorgungsmodule (= Onboard- SVM) , z.B. 1.5V / 4A mit einer angestrebten Größe von ca. 2 x 5 cm, uss daher eine alternative Topologie mit einer ög- liehst einfachen Ansteuerschaltung gesucht werden. Mit dieser Topologie sollte ein guter Wirkungsgrad und damit eine geringe Eigenerwärmung des Onboard-SVM möglich sein. Zudem sollte ein gutes dynamisches Verhalten, d.h. kleine Ausgangsspan- nungs-Einbrüche bei Lastwechsel, realisierbar sein. Dies ist bei kleinen Ausgangsspannungen sehr wichtig, da angeschlossene Verbraucher, z.B. ASICs oder Prozessoren, oft sehr kleine zulässige Bereiche für deren Betriebsspannung besitzen.For very small onboard power supply modules (= onboard SVM), e.g. 1.5V / 4A with a target size of approx. 2 x 5 cm, therefore an alternative topology with a simple control circuit is sought. With this topology, it should be possible to achieve a high level of efficiency and therefore low self-heating of the onboard SVM. In addition, good dynamic behavior, i.e. small output voltage drops in the event of load changes can be realized. This is very important at low output voltages, as connected consumers, e.g. ASICs or processors, often have very small permissible ranges for their operating voltage.
Sehr kleine DC/DC-Wandler werden bislang oft in Form eines klassischen Durchflusswandlers ohne Synchrone Gleichrichtung realisiert, hierbei werden im Ausgangskreis Dioden zur Gleichrichtung verwendet. Der Wirkungsgrad dieser Module ist daher nicht gut.Very small DC / DC converters have so far often been implemented in the form of a classic forward converter without synchronous rectification, with diodes used for rectification in the output circuit. The efficiency of these modules is therefore not good.
Um eine Synchrone Gleichrichtung auch bei kleinen Onboard-SVM einsetzen zu können, muss überlegt werden, wie der hierzu nötige Aufwand reduziert werden kann. In der Literatur sind zahlreiche Alternativen zu der in Figur 2 dargestellten Topologie beschrieben. Diese besitzen zwar in den meisten Fällen nur eine Umrichterstufe, nachdem sie aber meist auf demIn order to be able to use synchronous rectification even with small onboard SVMs, it must be considered how the effort required for this can be reduced. Numerous alternatives to the topology shown in FIG. 2 are described in the literature. In most cases, these only have one converter stage, but after they are mostly on the
Durchflusswandler-Prinzip basieren, besitzen sie zwei Gleichrichttransistoren im Ausgangskreis. Nachdem jeder Transistor eine spezielle Ansteuerschaltung benötigt, ist der Bauteileaufwand auch hier nicht gering.Flow converter principle, they have two rectifying transistors in the output circuit. Since each transistor requires a special control circuit, the amount of components involved is not small here either.
Eine weitere Reduzierung des Bauteileaufwandes ist möglich, wenn eine Topologie zum Einsatz kommt, bei der sekundärseitig nur ein Gleichrichtelement benötigt wird. Eine solche Topologie stellt der klassische Sperrwandler dar. Dieser ist in Figur 3 zu sehen.A further reduction in component expenditure is possible if a topology is used, for the secondary side only one rectifying element is required. The classic flyback converter represents such a topology. This can be seen in FIG.
Um bei niedrigen AusgangsSpannungen hohe Wirkungsgrade erzielen zu können, muss die üblicherweise verwendete sekundärsei- tige Diode D durch einen niederohmigen MOSFET in der dargestellten Weise ersetzt werden. Diese Modifikation ist in der Figur 4 zu sehen. Bei, MOSFET M2 ist zusätzlich die in jedem Leistungs-MOSFET enthaltene parasitäre Diode eingezeichnet. Die Orientierung dieser Diode entspricht der von Diode D aus Figur 3. Der MOSFET M2 muss durch eine geeignete Schaltung angesteuert werden.In order to be able to achieve high efficiencies at low output voltages, the commonly used secondary-side diode D must be replaced by a low-resistance MOSFET in the manner shown. This modification can be seen in FIG. 4. At, MOSFET M2, the parasitic diode contained in each power MOSFET is also shown. The orientation of this diode corresponds to that of diode D from FIG. 3. MOSFET M2 must be controlled by a suitable circuit.
Eine solche Ansteuerschaltung für die in Figur 4 gezeigte Topologie ist aus dem oben zitierten Patent DE 3422777 Bl bekannt. Der dort enthaltene Lösungsansatz ist in Figur 5 dargestellt, wobei die Bezeichnungen der Elemente an den hier vorliegenden Text angeglichen wurden.Such a control circuit for the topology shown in FIG. 4 is known from the above-cited patent DE 3422777 B1. The solution contained therein is shown in FIG. 5, the names of the elements being adapted to the text here.
Im wesentlichen wird in der bekannten Schaltungsanordnung nach Figur 5 mit Hilfe des sekundarseitigen MOSFET M2 und der eingezeichneten Steuerschaltung, bestehend aus den Transistoren T1,T2, dem Widerstand Rl und dem Stromwandler, bestehend aus den Wicklungen swl und sw2 - welche nicht mit den Wicklungen wl und w2 gekoppelt sind -, das Verhalten einer Diode nachgeahmt. Um dies zu bewerkstelligen wird die aktuelle Stromrichtung durch den MOSFET M2 mittels des Stromwandlers erfasst und den MOSFET M2 durch die vorgeschaltete, mit dem Stromwandler verbundene Treiberschaltung Tl, T2 entsprechend ein- und ausgeschaltet.Essentially, in the known circuit arrangement according to FIG. 5, with the help of the secondary-side MOSFET M2 and the control circuit shown, consisting of the transistors T1, T2, the resistor R1 and the current transformer, consisting of the windings swl and sw2 - which do not match the windings wl and w2 are coupled - mimicking the behavior of a diode. In order to accomplish this, the current direction of current through the MOSFET M2 is detected by means of the current converter and the MOSFET M2 is accordingly switched on and off by the driver circuit T1, T2 connected upstream and connected to the current converter.
Die Figur 6 zeigt die Messwerte und das Verhalten der Schaltungsanordnung aus Figur 5 bei niedrigem Ausgangsstrom UA. Im Falle einer relativ kleinen Last 4 am Ausgang erreicht der Ausgangsstrom des Übertragers den Wert null lange bevor der MOSFET Ml wieder einschaltet, wie beispielsweise an Punkt 2 in der Figur 6 zu erkennen ist. Es bleibt also genügend Zeit um den MOSFET M2 auszuschalten. Umgekehrt kann der MOSFET M2 erst eingeschaltet werden, wenn Ml bereits abgeschaltet ist, dargestellt an Punkt 1 in der Figur 6. Die Drainströme IDl und ID2 durch MOSFET Ml oder M2 haben hier eine Dreiecksform. Aus diesem Grund wird diese Betriebsart auch Dreiecksbetrieb genannt .FIG. 6 shows the measured values and the behavior of the circuit arrangement from FIG. 5 at a low output current UA. In the case of a relatively small load 4 at the output, the output current of the transformer reaches zero long before the MOSFET Ml switches on again, such as at point 2 can be seen in Figure 6. So there is enough time to turn off the MOSFET M2. Conversely, the MOSFET M2 can only be switched on when Ml is already switched off, shown at point 1 in FIG. 6. The drain currents ID1 and ID2 through MOSFET Ml or M2 have a triangular shape here. For this reason, this operating mode is also called triangular operation.
Bei der in Figur 5 gezeigten Schaltungsanordnung ändert sich bei einer Lasterhöhung am Ausgang ab einer bestimmten Last 4 auch die Betriebsart, wie es in Figur 7 dargestellt ist. Die Form des Stromes geht nun von der Dreiecksform auf eine Trapezform über.In the circuit arrangement shown in FIG. 5, the operating mode also changes when there is a load increase at the output from a certain load 4, as shown in FIG. The shape of the current now changes from the triangular shape to a trapezoidal shape.
Das Problem besteht nun darin, dass im Trapezbetrieb derThe problem now is that in trapezoidal mode the
Stromwert null nicht vor der Wiedereinschaltung des MOSFET Ml erreicht wird. Erst wenn der MOSFET Ml eingeschaltet ist kann der sekundärseitige Strom abfallen. Nachdem aber der MOSFET M2 erst durch den Nulldurchgang des sekundarseitigen Stromes zum Abschalten veranlasst wird, fließt für kurze Zeit ein erheblicher Kurzschlußstrom durch die beiden MOSFET Ml und M2. Dies wirkt sich auf den Wirkungsgrad äußerst negativ aus.Current value zero is not reached before the MOSFET Ml is switched on again. Only when the MOSFET Ml is switched on can the secondary current drop. However, after the MOSFET M2 is only caused to switch off by the zero crossing of the secondary current, a considerable short-circuit current flows through the two MOSFETs M1 and M2 for a short time. This has an extremely negative impact on efficiency.
Die rechtzeitige Stromumkehr kann zwar durch eine entspre- chende Dimensionierung des Trafos für den stationären Betrieb (konstante Last am Ausgang) gewährleistet werden, d.h. es wird für einen Dreiecksbetrieb im zulässigen Lastbereich gesorgt, allerdings ist von Nachteil, dass ein verhältnismäßig großer Übertrager notwendig ist. Bei schnellen Lastwechseln, z.B. wenn ein Prozessor vom Sleep-Modus in den Normalbetrieb schaltet, kann diese Bedingung aber verletzt werden, was zu einem kurzzeitig gestörten Betrieb und einer Beeinflussung des Verbrauchers (z.B. Absturz) führen kann.Timely reversal of the current can be ensured by dimensioning the transformer for stationary operation (constant load at the output), i.e. triangular operation in the permissible load range is ensured, but it is disadvantageous that a relatively large transformer is necessary. With rapid load changes, e.g. If a processor switches from sleep mode to normal operation, this condition can be violated, which can lead to briefly disturbed operation and influence the consumer (e.g. crash).
Ein weiterer Nachteil der in Figur 5 dargestellten bekannten Ansteuerung liegt darin, dass der Stromwandler eine erhebliche Induktivität darstellt, welche die Kopplung zwischen Pri- mär- und Sekundärseite des Umrichters stark verschlechtert. Eine schlechte Kopplung wirkt sich unter anderem auch auf den Wirkungsgrad negativ aus und führt zu einer zusätzlichen Belastung von Bauelementen, wie zum Beispiel zu einer höheren Spannungsbelastung des MOSFET Ml.Another disadvantage of the known control shown in FIG. 5 is that the current transformer represents a considerable inductance, which is the coupling between pri- Martial and secondary side of the converter deteriorated significantly. A poor coupling also has a negative effect on the efficiency, among other things, and leads to an additional load on components, such as, for example, a higher voltage load on the MOSFET Ml.
Der Erfinder hat nun erkannt, dass sich die Nachteile dieser bekannten Schaltungsanordnung vermeiden lassen, wenn eine Steuerung gemäß den Figuren 8 oder 9 zum Einsatz kommt.The inventor has now recognized that the disadvantages of this known circuit arrangement can be avoided if a controller according to FIGS. 8 or 9 is used.
Hier wird der sekundärseitige Transistor M2 über einen isolierten Treiber im Prinzip, d.h. bis auf zusätzliche Laufzeiten, im Gegentakt zu dem primärseitigen Transistor Ml gesteuert. Die hierfür nötige sekundärseitige Hilfsspannung Usek,auχ kann extern, wie in Figur 8 gezeigt, zugeführt werden oder wird aus einer Trafowicklung w4 abgeleitet, wie es in der Figur 9 dargestellt ist. Die primärseitige Hilfsspannung UPrim,aux, zur Versorgung der zwei Treiber und der Modulations- Steuerung, kommt ebenfalls entweder von extern oder aus der Wicklung w3.Here, the secondary-side transistor M2 is controlled by an isolated driver in principle, ie, except for additional runtimes, in push-pull to the primary-side transistor Ml. The secondary-side auxiliary voltage U se k, auχ required for this can be supplied externally, as shown in FIG. 8, or is derived from a transformer winding w4, as shown in FIG. The primary-side auxiliary voltage U Pr i m , aux, for supplying the two drivers and the modulation controller, likewise comes either externally or from the winding w3.
Die Figuren 10 und 11 zeigen die zu Figur 6 und 7 korrespondierenden Signalverläufe für die Schaltungsanordnung aus Figur 9. Im Gegensatz zur bekannten Schaltungsanordnung der Fi- gur 5 wird bei dieser neuen Schaltungsanordnung der Transistor M2 nicht beim Nulldurchgang des Stromes durch M2 abgeschaltet, sondern es wird eine Umkehr bis kurz vor dem Wiedereinschalten des MOSFET Ml zugelassen. Dies führt dazu, dass es bei dieser Ansteuerungsart, unabhängig von der Last am Ausgang, nur einen Trapezbetrieb gibt. Kurzzeitige Kurzschlüsse durch gleichzeitiges Leiten der Transistoren Ml und M2 sind hier sicher ausgeschlossen.FIGS. 10 and 11 show the signal curves corresponding to FIGS. 6 and 7 for the circuit arrangement from FIG. 9. In contrast to the known circuit arrangement from FIG. 5, in this new circuit arrangement the transistor M2 is not switched off when the current passes through M2, but rather it is switched off a reversal is permitted until shortly before the MOSFET Ml is switched on again. This means that with this type of control, there is only trapezoidal operation, regardless of the load at the output. Short-term short circuits due to the simultaneous conduction of the transistors M1 and M2 are certainly excluded here.
Um ein gleichzeitiges Leiten beider Transistoren Ml und M2 sicher auszuschließen, werden erfindungsgemäß zwischen denIn order to reliably rule out simultaneous conduction of both transistors M1 and M2, according to the invention, between the
Leitphasen der beiden Transistoren zeitliche Übergänge eingebaut, in denen beide nicht leitend sind. Dies ist möglich, da nach einer Abschaltung eines MOS-Transistors ein eventuell vorhandener Strom auf die im Transistor immer enthaltene parasitäre Diode Dp kommutieren kann.Conduction phases of the two transistors built temporal transitions in which both are not conductive. This is possible because after a MOS transistor has been switched off, a current which may be present can commutate to the parasitic diode Dp which is always present in the transistor.
Erfindungsgemäß muss, wenn der MOSFET Ml leitend ist und eine Einschaltung des MOSFET M2 ansteht, entweder die Einschaltung des MOSFET M2 durch ein Laufzeitglied 12 im Treiber heraus gezögert werden. Hierfür kommt ein Treiber 7 in der Ausführung nach Figur 13 zum Einsatz. Andererseits kann das Ein- schalten des MOSFET M2 logisch so lange verriegelt werden, bis die Spannung an der Hilfswicklung w4 einen positiven Wert annimmt, da dieses Kriterium anzeigt, dass der MOSFET Ml abgeschaltet ist. Für diese erfindungsgemäße Variante kann ein Treiber 9, gemäß der Figur 14, mit einem logischen UND-Glied 13 verwendet werden.According to the invention, if the MOSFET Ml is conductive and a switch-on of the MOSFET M2 is pending, either the switch-on of the MOSFET M2 must be delayed out by a delay element 12 in the driver. A driver 7 in the embodiment according to FIG. 13 is used for this. On the other hand, the switching on of the MOSFET M2 can be logically locked until the voltage on the auxiliary winding w4 assumes a positive value, since this criterion indicates that the MOSFET Ml is switched off. A driver 9 according to FIG. 14 with a logic AND gate 13 can be used for this variant according to the invention.
Im umgekehrten Fall, wenn der MOSFET M2 leitend ist und eine Einschaltung des Transistors Ml ansteht, wird dieser Vorgang so lange hinausgezögert, bis M2 sicher abgeschaltet ist. Hierzu ist in den dargestellten Beispielen auf der Primärseite ein Treiber mit einer genügend großen Einschaltverzögerung (Turn On Delay) also einem Zeitglied T gemäß Figur 13 vorgesehen.In the opposite case, when the MOSFET M2 is conductive and the transistor M1 is pending to be switched on, this process is delayed until M2 is safely switched off. For this purpose, a driver with a sufficiently large switch-on delay (turn on delay), that is to say a timer T according to FIG. 13, is provided on the primary side in the examples shown.
Im Gegensatz zur bekannten Schaltung aus Figur 5 wird bei der neuen Steuerung kein Stromwandler benötigt, weshalb die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite nicht verschlechtert wird.In contrast to the known circuit from FIG. 5, no current transformer is required in the new control, which is why the coupling between the primary and secondary side is not deteriorated.
Da für die Erzeugung sehr kleiner Ausgangsspannungen (z.B.Since very small output voltages (e.g.
1,5V) aus einer relativ hohen EingangsSpannung (z.B. 48V einer Amtsbatterie) ein extremes Übersetzungsverhältnis (wl/w2 >> 1) benötigt wird, wirkt sich eine sekundärseitige Streu- Induktivität L, z.B. die des Trafos, aber auch die von Lei- terbahnschleifen, extrem aus, da sie sich primärseitig mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses abbildet (LS,PRIM = (wl/w2 )2 * LS,SEK) . Um die bestmöglich Kopplung zu erreichen, kann der Transformator vorzugsweise als sogenannter Leiterplattentrafo ausgebildet werden. Das Streu-L des Trafos kann damit minimal gehalten werden.1.5V) from a relatively high input voltage (e.g. 48V of an official battery) and an extreme transmission ratio (wl / w2 >> 1) is required, a secondary-side leakage inductance L, for example that of the transformer, but also that of printed circuit loops , extremely, because it is shown on the primary side with the square of the gear ratio (L S , PRIM = (wl / w2) 2 * L S , SEK ). In order to achieve the best possible coupling, the transformer can preferably be designed as a so-called circuit board transformer. The scatter-L of the transformer can thus be kept to a minimum.
Aufgrund des extremen Übersetzungsverhältnisses wl/w2 und kleiner Ausgangsspannung ist der Ausgangsstrom relativ hoch, wodurch ein hoher Leiterbahnquerschnitt bei w2 vorteilhaft ist. Indem die Wicklung w2 nur mit einer einzigen Windung realisiert wird, kann der Querschnitt ohne Einsatz mehrerer Leiterplattenlagen und Umsteiger maximiert werden.Because of the extreme transmission ratio wl / w2 and the small output voltage, the output current is relatively high, which means that a large conductor cross-section at w2 is advantageous. By implementing the w2 winding with only one turn, the cross-section can be maximized without the use of multiple PCB layers and transfers.
Durch die starre Gegentaktsteuerung der von M2 zu Ml ergibt sich noch ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gegenüber dem Prinzip aus Figur 5. Bei dem hier vorgestellten Prinzip kann der Strom durch die Wicklung w2 auch rückwärts fließen beziehungsweise negativ werden. Dies führt dazu, dass unabhängig von der am Ausgang anliegen- den Last ein Trapezbetrieb vorliegt, wodurch das dynamische Verhalten des Umrichters unter allen Lastbedingungen gleich bleibt. Das dynamische Verhalten ist deshalb deutlich besser und zusätzlich sehr gut optimierbar. Mit diesem Prinzip sind mühelos Lastsprünge von null auf Nennlast und umgekehrt mit niedrigen Spannungseinbrüchen auf der Ausgangsspannung realisierbar.The rigid push-pull control from M2 to Ml results in yet another advantage of the circuit arrangement according to the invention over the principle from FIG. 5. With the principle presented here, the current through the winding w2 can also flow backwards or become negative. This means that regardless of the load at the output, there is a trapezoidal operation, which means that the dynamic behavior of the converter remains the same under all load conditions. The dynamic behavior is therefore significantly better and can also be optimized very well. With this principle, load jumps from zero to nominal load and vice versa can be easily achieved with low voltage drops on the output voltage.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass aufgrund des ständigen Trapezbetriebes auch der Tastgrad (= Verhältnis der Einschalt- dauer von Ml zu Periodendauer der Schaltfrequenz) nahezu lastunabhängig ist. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die über die Wicklungen w3 und w4 abgeleiteten Hilfsspannungen auch lastunabhängig sind. Das Schaltungsdesign, vor allem die Schaltung für den Regler, vereinfacht sich dadurch sehr. Dies wirkt sich positiv auf die Herstellkosten und die realisierbare Baugröße des Stromversorgungsmoduls aus . Für die Pulsweitenmodulationssteuerung kann vorteilhaft eine Current-Mode-Steuerung verwendet werden, hierdurch wird der Tastgrad mit Hilfe eines rampenförmigen Strom-Meßsignals bestimmt. Dieses Signal ist in Figur 9 mit „ramp" bezeichnet und wird an einem Meß-Shunt „shunt" abgegriffen. Da es bei dieser Steuerung zu einer regelungstechnischen Bedämpfung der sich zwischen der Wicklung w2 und den ausgangsseitigen Kondensatoren C3, C4 ausbildenden Resonanz kommt, kann der u.U. sehr hohe sekundärseitige Effektivstrom (= Pulsstrom von w2 nach C3 ) mit einem rein keramischen C3 verlustarm abgefangen werden. Keramische Kondensatoren haben den Vorteil, daß sie die niedrigsten Innenwiderstände besitzen, kostengünstig und zuverlässig sind.It is also advantageous that, due to the constant trapezoidal operation, the duty cycle (= ratio of the duty cycle of Ml to the period of the switching frequency) is almost independent of the load. This has the further advantage that the auxiliary voltages derived via the windings w3 and w4 are also load-independent. This greatly simplifies the circuit design, especially the circuit for the controller. This has a positive effect on the manufacturing costs and the realizable size of the power supply module. A current mode control can advantageously be used for the pulse width modulation control, as a result of which the duty cycle is determined with the aid of a ramp-shaped current measurement signal. This signal is designated "ramp" in FIG. 9 and is tapped at a measuring shunt "shunt". Since this control results in a damping of the control response between the winding w2 and the output capacitors C3, C4, the possibly very high effective current on the secondary side (= pulse current from w2 to C3) can be absorbed with a purely ceramic C3 with little loss. Ceramic capacitors have the advantage that they have the lowest internal resistances, are inexpensive and reliable.
Für Fälle, in denen kleine Ausgangswelligkeiten benötigt werden, kann optional ein Filter in Form eines einfachen LC- Tiefpasses „choke" + C4 nachgeschaltet werden. Für ein optimales dynamisches Verhalten muss der Induktivitätswert der Drossel „choke" möglichst klein, der Wert des Kondensators C4 hingegen möglichst groß gewählt werden.For cases in which small output ripples are required, an optional filter in the form of a simple LC low pass "choke" + C4 can be added. For optimal dynamic behavior, the inductance value of the choke "choke" must be as small as possible, the value of the capacitor C4 however, be chosen as large as possible.
Insgesamt wird also durch die Entwicklung der neuen Schaltungsanordnung mit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung eine Schaltungsanordnung für einen sehr kompakten und wenig Bauteile aufweisenden, jedoch lastfesten DC/DC-Wandler für niedrige AusgangsSpannungen, beschrieben.Overall, the development of the new circuit arrangement with the control circuit according to the invention thus describes a circuit arrangement for a very compact and few components, but load-resistant DC / DC converter for low output voltages.
Mit diesem neuen Prinzip ergeben sich folgende Vorteile: Sehr hoher Wirkungsgrad trotz niedriger Ausgangsspannung; gu- tes dynamisches Verhalten selbst bei NennlastSprüngen; äußerst geringer Bauteileaufwand; sehr robuste und störungsempfindliche Bauweise; es können am Ausgang beliebige Kapazitätswerte zur Dynamikverbesserung angeschaltet werden. Des weiteren ist es möglich, den aus der Wicklung w2 kommenden Pulsstrom gänzlich mit keramischen Kondensatoren fast verlustlos abzufangen, so dass auch relativ große Ausgangsleis- tungen (z.B. 1.5V / 10A) mit diesem Prinzip realisiert werden können.This new principle has the following advantages: Very high efficiency despite low output voltage; good dynamic behavior even with nominal load jumps; extremely low component effort; very robust and fault-sensitive construction; any capacitance values for dynamic improvement can be switched on at the output. Furthermore, it is possible to intercept the pulse current coming from the winding w2 almost completely without loss using ceramic capacitors, so that even relatively large output power lines (eg 1.5V / 10A) can be realized with this principle.
Insgesamt wird also durch die Erfindung eine Schaltungsanord- nung eines DC/DC- Sperrwandlers mit einer getakteten Steuerung gezeigt, wobei eine Steuerschaltung zur Taktung eines primärseitigen und eines sekundarseitigen MOSFET mit untereinander gekoppelten Treibern derart vorgesehen ist, dass ein gleichzeitiges Einschalten der beiden Wicklungen wl und w2 verhindert wird. Hierdurch wird erfindungsgemäß erreicht, dass sich die Schaltungsanordnung sehr kompakt und mit wenig Bauteilen realisieren lässt, wobei außerdem eine gute Lastfestigkeit für niedrige AusgangsSpannungen erzielt wird. Overall, the invention thus shows a circuit arrangement of a DC / DC flyback converter with a clocked controller, a control circuit for clocking a primary-side and a secondary-side MOSFET with drivers coupled to one another being provided such that simultaneous switching on of the two windings w1 and w2 is prevented. In this way, according to the invention it is achieved that the circuit arrangement can be implemented in a very compact manner and with few components, and in addition a good load resistance is achieved for low output voltages.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 DC/DC-Wandler1 DC / DC converter
2 Umrichter2 inverters
3 Regler3 controllers
4 Last4 load
5 Spannungs/Signal-Wandler5 voltage / signal converters
6 PW-Modulator (PWM) / PF-Modulator (PFM)6 PW modulator (PWM) / PF modulator (PFM)
7 Treiber mit Zeitverzögerungsglied auf Primärseite7 drivers with time delay element on primary side
8 Treiber mit Zeitverzögerungsglied auf Sekundärseite8 drivers with time delay element on the secondary side
9 Treiber mit logischem UND-Glied9 drivers with logical AND gate
10 Optokoppler10 optocouplers
11 Isolierung11 insulation
12 Zeitverzögerungsglied12 time delay element
13 UND-Glied13 AND gate
14 Leistungstreiber14 performance drivers
15 Sender für galvanische Trennung ( optisch oder magnetisch )15 transmitters for electrical isolation (optical or magnetic)
16 Empfänger für galvanische Trennung (optisch oder magnetisch ) a Position im Diagramm b Position im Diagramm c Position im Diagramm16 receivers for electrical isolation (optical or magnetic) a position in the diagram b position in the diagram c position in the diagram
Cx KapazitätCx capacity
D/Dx DiodeD / Dx diode
Dp parasitäre Diode eines MOSFETDp parasitic diode of a MOSFET
ID Drainstrom in+,in- GleichspannungseingangID drain current in +, in DC voltage input
Lx InduktivitätLx inductance
L S,PRIM Primärseitige Streuinduktivität L S, PRIM primary-side leakage inductance
LSSEK Sekundärseitige StreuinduktivitätL SSEK Secondary leakage inductance
Mx MOSFET out+, out- GleichspannungsausgangMx MOSFET out +, out- DC voltage output
Rx WiderstandRx resistance
S Stellsignal swl, sw2 Wicklungen des StromwandlersS control signal swl, sw2 windings of the current transformer
Tr Transformator Tx TransistorTr transformer Tx transistor
UA AusgangsSpannungUA output voltage
UE EingangsSpannungUE input voltage
Uprim;aux primärseitige HilfsspannungUprim ; aux auxiliary voltage on the primary side
Usek,aux sekundärseitige HilfsspannungUsek, aux secondary auxiliary voltage
VGS Gate-Source SpannungVGS gate-source voltage
Wx WicklungWx winding
Wx*ID Produkt aus Windungszahl und Drainstrom Wx * ID Product of number of turns and drain current

Claims

Patentansprüche claims
1. Schaltungsanordnung eines DC/DC- Wandler (1) zumindest mit : einer Primärseite mit einem Gleichspannungseingang (in+, in-) und einer primärseitigen Wicklung (wl) , welche über einen primärseitigen MOSFET (Ml) getaktet angesteuert wird, einer1. Circuit arrangement of a DC / DC converter (1) at least with: a primary side with a DC voltage input (in +, in-) and a primary-side winding (wl), which is driven in a clocked manner via a primary-side MOSFET (Ml), one
Sekundärseite mit mindestens einem GleichspannungsausgangSecondary side with at least one DC voltage output
(out+, out-) und einer, mit der primärseitigen Wicklung (wl) induktiv in Verbindung stehenden, sekundarseitigen Wicklung (w2), in welche eine Wechselspannung induziert wird, wobei ein sekundärseitiger MOSFET (M2) mit einer Steuerschaltung vorgesehen ist, durch den die in der zweiten Wicklung (w2) induzierte Spannung gleichgerichtet zum Gleichspannungsaus- gang (out+, out-) geführt wird, und des weiteren je einer primären und sekundären Hilfsspannungsversorgung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Steuerschaltung zur Taktung des primärseitigen und des sekundarseitigen MOSFET (Ml, M2 ) mit untereinander gekop- pelten Treibern (7, 8, 9) derart vorgesehen ist, daß ein gleichzeitiges Einschalten der beiden Wicklungen (wl, w2) verhindert wird.(out +, out-) and one, with the primary-side winding (wl) inductively connected, secondary-side winding (w2), into which an alternating voltage is induced, whereby a secondary-side MOSFET (M2) is provided with a control circuit through which the voltage induced in the second winding (w2) is rectified to the DC voltage output (out +, out-), and further a primary and secondary auxiliary voltage supply, characterized in that a control circuit for clocking the primary-side and the secondary-side MOSFET (Ml, M2 ) with interconnected drivers (7, 8, 9) is provided in such a way that simultaneous switching on of the two windings (wl, w2) is prevented.
2. Schaltungsanordnung gemäß dem voranstehenden Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens einer der Treiber (7, 8) ein Zeitverzöge rungsglied (12) aufweist.2. Circuit arrangement according to the preceding claim 1, so that at least one of the drivers (7, 8) has a time delay element (12).
3. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden An- sprüche 1-2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem primärseitigen Treiber (7) ein Modulator (6) vor geschaltet ist.3. Circuit arrangement according to one of the preceding claims 1-2, so that a modulator (6) is connected upstream of the primary-side driver (7).
4. Schaltungsanordnung gemäß dem voranstehenden Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Modulator (6) ein Pulsweitenmodulator (PWM) oder Pulsfrequenzmodulator (PFM) oder eine Kombination beider Typen ist.4. Circuit arrangement according to the preceding claim 3, characterized in that the modulator (6) is a pulse width modulator (PWM) or pulse frequency modulator (PFM) or a combination of both types.
5.Schaltungsanordnung gemäß dem voranstehenden Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen dem Regler (3) und dem Modulator (6) ein Optokoppler (10) geschaltet ist.5.Circuit arrangement according to the preceding claim 4, so that an optocoupler (10) is connected between the controller (3) and the modulator (6).
6. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur primärseitige und sekundärseitige HilfsSpannungsversorgung eine dritte und vierte Wicklung (w3, w4) vorgesehen ist, wobei alle Wicklungen (wl-w4) mit der gleichen Induktivität, vorzugsweise einem Ferritkern, verbunden sind.6. Circuit arrangement according to one of the preceding claims 1-5, characterized in that a third and fourth winding (w3, w4) is provided for the primary-side and secondary-side auxiliary voltage supply, all windings (wl-w4) having the same inductance, preferably a ferrite core, are connected.
7. Schaltungsanordnung gemäß dem voranstehenden Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der sekundärseitige Treiber (9) anstatt dem Zeitverzögerungsglied (12) eine logische UND-Verknüpfung (13) aufweist.7. Circuit arrangement according to the preceding claim 6, so that the secondary driver (9) has a logical AND link (13) instead of the time delay element (12).
8. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sekundärseitig ein LC-Tiefpassfilter vorgesehen ist.8. Circuit arrangement according to one of the preceding claims 1-7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that an LC low-pass filter is provided on the secondary side.
9. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zwei, vorzugsweise vier, Wicklungen (wl-w2; wl-w4) als Leiterplattentrafo ausgebildet sind. 9. Circuit arrangement according to one of the preceding claims 1-8, characterized in that the two, preferably four, windings (wl-w2; wl-w4) are designed as circuit board transformers.
10. Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Windungszahl der ersten sekundarseitigen Wicklung (w2) 1 ist, um niedrige Spannungen zu erreichen. 10. Circuit arrangement according to one of the preceding claims 1-9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the number of turns of the first secondary winding (w2) is 1 in order to achieve low voltages.
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