DE10031196A1 - Start-up circuit for switched-mode power supply e,.g. for TV or video recorders, has storage capacitor connected to a.c. voltage via charging capacitor(s) and rectifier element, regulator connected to threshold circuit - Google Patents
Start-up circuit for switched-mode power supply e,.g. for TV or video recorders, has storage capacitor connected to a.c. voltage via charging capacitor(s) and rectifier element, regulator connected to threshold circuitInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Anlaufschaltung für ein Schaltnetzteil, das einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer primärseitigen Hilfswicklung sowie mindestens einen Schalttransistor, der in Serie zu der Primärwicklung liegt, und eine Treiberstufe aufweist. Anlaufschaltungen für derartige Schaltnetzteile sind beispielsweise aus der DE-A-42 32 865 und der DE-A-197 35 208 bekannt.The invention is based on a starting circuit for Switching power supply, which is a transformer with a Primary winding and a primary-side auxiliary winding as well at least one switching transistor in series with the Primary winding is, and has a driver stage. Start-up circuits for such switching power supplies are for example from DE-A-42 32 865 and DE-A-197 35 208 known.
Anlaufschaltungen dieser Art weisen einen hochohmigen Widerstand auf, der mit der an der Primärwicklung liegenden Eingangsspannung verbunden ist, und der einen Speicherkondensator für den Betrieb der Treiberstufe des Schaltnetzteiles auflädt. Ein Schaltnetzteil, das beispielsweise an der Netzspannung anliegt, braucht zum Anlaufen eine Leistung, die nur aus der Netzspannung gewonnen werden kann. Diese Startleistung besteht aus einer Spannung von beispielsweise 10 V mit einem Strom von ca. 200 mA und muß solange zur Verfügung gestellt werden, bis sich das Schaltnetzteil über die Hilfswicklung des Transformators selbst versorgt. Da dieser Strom nicht direkt aus dem Netz gezogen werden kann, weil hierdurch die Verlustleistung im Anlaufwiderstand viel zu hoch wäre, wird ein Speicherkondensator ausreichender Kapazität verwendet, der nach dem Einschalten des Netzteiles über den Anlaufwiderstand langsam aufgeladen wird. Ab einer bestimmten Schwellwertspannung geht die Treiberstufe in Betrieb und zieht eine entsprechende Leistung aus dem Speicherkondensator, um den Schalttransistor durchzuschalten. Der Speicherkondensator entlädt sich hierdurch solange, bis er über die Hilfswicklung wieder nachgeladen wird.Starting circuits of this type have a high resistance Resistance on that with the lying on the primary winding Input voltage is connected, and one Storage capacitor for the operation of the driver stage of the Switching power supply charges. A switching power supply that for example at the mains voltage, needs to Start up a power that only from the mains voltage can be won. This starting performance consists of a Voltage of, for example, 10 V with a current of approx. 200 mA and must be made available until the switching power supply via the auxiliary winding of the transformer self-catering. Because this electricity is not directly from the network can be drawn because this dissipates the power loss in the Starting resistance would be much too high Storage capacitor used of sufficient capacity, the after switching on the power supply via the Starting resistance is slowly charged. From one certain driver threshold voltage goes into Operation and draws a corresponding benefit from the Storage capacitor to the switching transistor turn on. The storage capacitor discharges this until he is back on the auxiliary winding is reloaded.
Häufig wird in den Treiberstufen von Schaltnetzteilen ein Controller-IC verwendet, das die Regelungsfunktionen sowie Schutzschaltungsfunktionen übernimmt. Wenn der Controller beispielsweise bei einer Startspannung von 16 V startet (Startspannung), und mit mindestens 10 V versorgt werden muß, so kann nach den oben angegebenen Werten die notwendige minimale Kapazität des Speicherkondensators berechnet werden. Diese Kapazität muß über die Lebensdauer des Gerätes garantiert sein. Da die Kapazität bei den üblichen Elektrolytkondensatoren aber erstens sehr toleranzbehaftet ist und zweitens über die Zeit abnimmt, ist eine deutliche Überdimensionierung unumgänglich.Often in the driver stages of switching power supplies Controller IC uses the control functions as well Protection circuit functions takes over. If the controller for example starts at a starting voltage of 16 V. (Start voltage), and be supplied with at least 10 V. must, according to the values given above, the necessary minimum capacitance of the storage capacitor is calculated become. This capacity must last for the life of the device be guaranteed. Because the capacity at the usual First, electrolytic capacitors are very tolerant and secondly, decreasing over time is a clear one Oversizing inevitable.
Eine weitere Randbedingung für die Dimensionierung der Anlaufschaltung ist die Anlaufzeit für das Schaltnetzteil, die für die in Betriebnahme des Gerätes nicht zu hoch sein soll. Diese wird zu einem wesentlichen Teil durch die Aufladung des Speicherkondensators über den Anlaufwiederstand bestimmt, der möglichst groß sein soll, um nicht den Wirkungsgrad des Schaltnetzteiles zu verschlechtern. Insbesondere, wenn Schaltnetzteile einen Standby-Betrieb aufweisen und über längere Zeit im Standby- Betrieb betrieben werden, ist eine hohe Verlustleistung in der Anlaufschaltung unerwünscht.Another boundary condition for the dimensioning of the Start-up circuit is the start-up time for the switching power supply, which are not too high for the commissioning of the device should. This is largely due to the Charging the storage capacitor via the Starting resistance is determined, which should be as large as possible in order to not the efficiency of the switching power supply deteriorate. Especially when switching power supplies Standby mode and standby for a long time Operation is a high power loss in the start-up circuit undesirable.
Aus der EP-A-0 803 966 und EP-A-0 804 026 ist es bekannt, eine Wechselspannung durch zwei Kondensatoren im Stromweg, die als Blindwiderstand arbeiten, zu reduzieren. Hierdurch kann der Energieverbrauch des betreffenden Gerätes gesenkt werden.From EP-A-0 803 966 and EP-A-0 804 026 it is known an AC voltage through two capacitors in the current path, that work as reactance. hereby can reduce the energy consumption of the device in question become.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anlaufschaltung für ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art anzugeben, die eine möglichst geringe Verlustleistung aufweist.The object of the present invention is a Start-up circuit for a switching power supply at the beginning specified type, which is as low as possible Has power loss.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by the one specified in claim 1 Invention solved. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
Die Anlaufschaltung der Erfindung zur Verwendung in einem Schaltnetzteil, das mit Wechselspannung betrieben wird, und das einen Transformator mit entsprechenden Wicklungen sowie mindestens einen Schalttransistor und eine Treiberstufe für den Schalttransistor aufweist, weist einen Speicherkondensator auf, der über mindestens einen Ladekondensator und ein Gleichrichterelement mit der Wechselspannung gekoppelt ist, und ein Regelelement mit einer Schwellwertschaltung, das zwischen den Speicherkondensator und der Treiberstufe geschaltet ist und den Aufladevorgang des Speicherkondensators steuert. Das Regelelement stellt sicher, daß der Speicherkondensator die notwendige Ladungsmenge aufweist für die Initialisierungsphase der Treiberstufe, und um den Schalttransistor durchzuschalten, bis der Speicherkondensator über eine Hilfswicklung des Transformators nachgeladen wird während der Anlaufphase des Schaltnetzteiles.The startup circuit of the invention for use in a Switching power supply, which is operated with AC voltage, and the one transformer with corresponding windings as well at least one switching transistor and a driver stage for has the switching transistor, has a Storage capacitor on at least one Charging capacitor and a rectifier element with the AC voltage is coupled, and a control element with a threshold circuit between the Storage capacitor and the driver stage is switched and controls the charging process of the storage capacitor. The Control element ensures that the storage capacitor has the necessary amount of charge for Initialization phase of the driver stage, and around the Switch transistor through until the Storage capacitor via an auxiliary winding of the Transformer is recharged during the start-up phase of the Switching power supply.
Das Regelelement ist vorteilhafterweise ein Spannungsregler- IC, der einen Steuereingang aufweist, und der beim Überschreiten einer an dem Speicherkondensator anliegenden Schwellwertspannung über den den Steuereingang eingeschaltet wird. Die zugehörige Schwellwertschaltung kann in einfachster Ausführung über eine Zenerdiode, die zwischen dem Eingang und dem Steuereingang des Spannungsregler-ICs liegt und über einen Widerstand mit Masse verbunden ist, realisiert werden. Erreicht die Spannung über dem Speicherkondensator die Schwellwertspannung der Zenerdiode, so fängt diese an zu leiten und schaltet hiermit den Spannungsregler ein. Hierdurch fällt die Spannung an dem Speicherkondensator ab, da die Treiberstufe einen entsprechenden Strom zieht bis zum Durchschalten des Schalttransistors.The control element is advantageously a voltage regulator IC, which has a control input, and which at Exceeding one present at the storage capacitor Threshold voltage switched on via the control input becomes. The associated threshold switching can be done in simplest execution via a Zener diode, between the input and the control input of the voltage regulator IC lies and is connected to ground via a resistor, will be realized. Reaches the tension over the Storage capacitor the threshold voltage of the zener diode, so this begins to lead and hereby switches the Voltage regulator. This causes the tension on the Storage capacitor from, because the driver stage one appropriate current draws until the Switching transistor.
Der Steuereingang des Spannungsreglers ist über eine Diode und einen Widerstand gleichzeitig mit dem Ausgang des Spannungsreglers verbunden, so daß die Ausgangsspannung den Spannungsregler in Betrieb hält, wenn die Spannung an dem Speicherkondensator unter die Schwellwertspannung der Zenerdiode gefallen ist und diese daher wieder sperrt.The control input of the voltage regulator is via a diode and a resistor simultaneously with the output of the Voltage regulator connected so that the output voltage Voltage regulator keeps operating when the voltage on the Storage capacitor below the threshold voltage of the Zener diode has fallen and therefore blocks it again.
Anwendungen der Erfindung ergeben sich insbesondere für Schaltnetzteile von Fernsehgeräten und Videorecordern für einen hohen Wirkungsgrad, und die insbesondere im Bereitschaftsbetrieb einen sehr geringen Energieverbrauch aufweisen. Die Verluste hierbei sind im Vergleich zu einer herkömmlichen Anlaufschaltung um 90% kleiner bei gleichen Startbedingungen, insbesondere bei einer Anlaufzeit von innerhalb 3 sec.Applications of the invention arise in particular for Switching power supplies of television sets and video recorders for high efficiency, and especially in Standby operation has a very low energy consumption exhibit. The losses here are compared to one conventional starting circuit by 90% smaller with the same Starting conditions, especially with a start-up time of within 3 sec.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand des in der Figur dargestellten schematischen Schaltplanes erläutert. Es zeigt:An advantageous embodiment of the invention is in following with reference to that shown in the figure schematic circuit diagram explained. It shows:
Figur: eine Anlaufschaltung für ein Schaltnetzteil.Figure: a start-up circuit for a switching power supply.
Die Anlaufschaltung nach der Figur wurde für einen Serienresonanzkonverter entwickelt, der zwei Schalttransistoren aufweist, die an der Primärwicklung eines Transformators anliegen und im Gegentakt betrieben werden, wie in der WO 99/16163 beschrieben. Sie kann jedoch auch in Sperrwandler-Schaltnetzteilen verwendet werden, wie beispielsweise in der DE-A-42 32 865 beschrieben, und die sehr häufig in Fernsehgeräten oder Videorecordern eingesetzt werden. Da hierüber ausführliche Literatur existiert, wird ein die Anlaufschaltung betreffendes Schaltnetzteil, das insbesondere mit Wechselspannung betrieben wird und ein Transformator mit einer Primärwicklung und einer Hilfswicklung sowie mindestens einen Schalttransistor und eine Treiberstufe für den Schalttransistor aufweist, hier nicht in Einzelheiten beschrieben, sondern diese Dokumente als Referenz mit in die Beschreibung mit einbezogen.The start-up circuit according to the figure was for one Serial resonance converter developed, the two Has switching transistors on the primary winding of a Transformer and are operated in push-pull, as described in WO 99/16163. However, it can also be in Flyback converter switching power supplies are used, such as described for example in DE-A-42 32 865, and the very often used in televisions or video recorders become. Since there is extensive literature on this subject, a switching power supply relating to the starting circuit, the is operated in particular with AC voltage and a Transformer with a primary winding and one Auxiliary winding and at least one switching transistor and has a driver stage for the switching transistor, here not described in detail, but these documents included as a reference in the description.
Die Anlaufschaltung für das Schaltnetzteil weist einen Speicherkondensator C3 auf, der über zwei Ladekondensatoren C1, C2 und ein Gleichrichterelement BR, in diesem Ausführungsbeispiel ein Brückengleichrichter, mit einer Wechselspannung Ue verbunden ist und durch diese geladen wird. Die Eingangsspannung Ue ist insbesondere die an dem Schaltnetzteil anliegende Wechselspannung des Stromnetzes.The start-up circuit for the switching power supply has one Storage capacitor C3 on the two charging capacitors C1, C2 and a rectifier element BR, in this Embodiment a bridge rectifier, with a AC voltage Ue is connected and charged by this becomes. The input voltage Ue is in particular that at the Switching power supply applied AC voltage of the power network.
Die Treiberstufe des Schaltnetzteiles ist in diesem Ausführungsbeispiel eine integrierte Schaltung IC2, die eine gleichgerichtete Betriebsspannung VCC von beispielsweise mindestens 10 V benötigt. Die Anlaufschaltung kann jedoch auch in Schaltnetzteilen mit Treiberstufen, die nur wenige Transistoren verwenden, wie beispielsweise häufig in selbstschwingenden Schaltnetzteilen verwendet, eingesetzt werden. Der Speicherkondensator C3 wird über die Ladekondensatoren C1, C2 mit einem geringen Strom vergleichsweise langsam aufgeladen. Zwischen dem Speicherkondensator C3 und dem Eingang 15 für die Betriebsspannung VCC der integrierten Schaltung IC2 ist ein Regelelement angeschlossen, das bewirkt, daß der Speicherkondensator C3 auf eine ausreichend hohe Spannung aufgeladen ist, bevor die Treiberstufe mit der integrierten Schaltung IC2 in Betrieb geht.In this exemplary embodiment, the driver stage of the switched-mode power supply is an integrated circuit IC2, which requires a rectified operating voltage VCC of, for example, at least 10 V. However, the start-up circuit can also be used in switched-mode power supplies with driver stages that use only a few transistors, such as, for example, frequently used in self-oscillating switched-mode power supplies. The storage capacitor C3 is charged comparatively slowly with a low current via the charging capacitors C1, C2. A control element is connected between the storage capacitor C3 and the input 15 for the operating voltage VCC of the integrated circuit IC2, which causes the storage capacitor C3 to be charged to a sufficiently high voltage before the driver stage with the integrated circuit IC2 goes into operation.
Das Regelelement ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Spannungsregler-IC IC1, das einen Steuereingang on/off aufweist, und über eine hieran angeschlossene Schwellwertschaltung eingeschaltet wird. Die Schwellwertschaltung kann in einfachster Ausführung über eine Zenerdiode ZD2, die zwischen dem Eingang IN und dem Steuereingang on/off geschaltet ist, und einen Widerstand R1, der zwischen der Zenerdiode ZD2 und dem Steuereingang on/off sowie Masse liegt, bewirkt werden. Der Steuereingang on/off ist weiterhin über eine Diode D1 und einen Widerstand R2 mit dem Ausgang des Spannungsreglers IC1 verbunden, so daß sich der Spannungsregler nach dem Durchschalten über seine Ausgangsspannung selbst in Betrieb hält. The control element is a in this embodiment Voltage regulator IC IC1, which has a control input on / off and has a connected to it Threshold switching is switched on. The Threshold switching can be carried out in the simplest version a Zener diode ZD2, which is between the input IN and the Control input is switched on / off, and a resistor R1, which is between the Zener diode ZD2 and the control input on / off as well as mass. The control input on / off is still via a diode D1 and a resistor R2 connected to the output of the voltage regulator IC1, see above that the voltage regulator after switching through maintains its output voltage itself.
Die Anlaufschaltung weist außerdem noch eine Zenerdiode ZD1 auf, die als Überspannungsschutz parallel zu dem Speicherkondensator C3 geschaltet ist, sowie einen Kondensator C4 zur Glättung der Versorgungsspannung VCC. Während des Betriebes des Schaltnetzteiles wird der Speicherkondensator C3 über eine Hilfswicklung W2 des Transformators sowie über eine Diode D2 nachgeladen.The start-up circuit also has a Zener diode ZD1 on that as a surge protector parallel to the Storage capacitor C3 is switched, as well as a Capacitor C4 for smoothing the supply voltage VCC. During operation of the switching power supply, the Storage capacitor C3 via an auxiliary winding W2 Transformer and recharged via a diode D2.
Die Bauteile für eine Anlaufschaltung nach diesem Ausführungsbeispiel weisen folgende Werte auf:The components for a start-up circuit after this Embodiment have the following values:
Ladekondensatoren C1, C2: je 100 Nanofarad, Speicherkondensator C3: 220 Mikrofarad, Schwellwert der Zenerdiode CD2: 30 V. Der Spannungsregler-IC ist ein 12 V Regler und die 30 V am Ladekondensator C3 dürfen während der Anlaufphase bis auf 11 V zusammenbrechen, bevor dieser über die Hilfswicklung W2 des Transformators wieder nachgeladen wird.Charging capacitors C1, C2: 100 nanofarads each, Storage capacitor C3: 220 microfarads, threshold of Zener diode CD2: 30 V. The voltage regulator IC is a 12 V. Regulator and the 30 V on the charging capacitor C3 may be used during the Breakdown phase to 11 V before it over the auxiliary winding W2 of the transformer is reloaded becomes.
Mit einer herkömmlichen Lösung würde die Anlaufschaltung für einen Controller-IC MC 34067 von Motorola einen Speicherkondensator von 450 Mikrofarad für einen sicheren Anlauf benötigen bei einem Startwiderstand von 47 kOhm und 3 Sekunden Anlaufzeit. Die Verluste der Anlaufschaltung wüürden hierbei 1,1 W betragen und immer anliegen. Bei einer Leistung von 80 W, eine Wert wie in etwa bei einem Fernsehgerät üblich, würde dies den Wirkungsgrad um 1,4% reduzieren. Die neue Anlaufschaltung hingegen verbraucht am Netz nur ungefähr 0,1 W und ist insbesondere sinnvoll für Netzteile mit hohem Wirkungsgrad und/oder mit ökologischem Bereitschaftsbetrieb (Eco-Standby-Mode), in dem die Leistung hierdurch deutlich unterhalb von einem Watt liegen kann.With a conventional solution, the starting circuit for a Motorola MC 34067 controller IC 450 microfarad storage capacitor for a safe Starting with a starting resistance of 47 kOhm and 3 Seconds start-up time. Startup circuit losses would be 1.1 W and would always be present. At a Power of 80 W, a value similar to that of a Television common, this would increase efficiency by 1.4% to reduce. The new start-up circuit, however, consumes on Mains only about 0.1 W and is particularly useful for Power supplies with high efficiency and / or with ecological Standby mode (Eco standby mode) in which the power this can be significantly below one watt.
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