DE102008059368A1

DE102008059368A1 - Schaltstromversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102008059368A1
Application number: DE102008059368A
Authority: DE
Inventors: Hironobu Shiroyama
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2009-06-04
Also published as: US20090134859A1; US7859864B2

Abstract

Schaltstromversorgungsvorrichtung, bei welcher weniger Korrekturverluste als nach dem Stand der Technik auftreten und Einstellungen ohne Beeinflussung der Überstrombegrenzung oder anderer Charakteristika möglich sind. Eine integrierte Schaltung zur Stromversorgungssteuerung erzeugt ein Schaltsignal auf der Grundlage eines Rückkopplungssignals von einer Rückkopplungsschaltung und eines Spannungssignals von einer Stromerfassungseingangsklemme und gibt das Schaltsignal von einer Ausgangsklemme an ein Schaltelement aus. Ein spannungsgesteuerter Oszillator ist vorgesehen, welcher dann, wenn die Last auf der Grundlage der Größe des Rückkopplungssignals als gering beurteilt wird, die Schaltfrequenz senkt. Die Korrekturschaltung ist zwischen die Ausgangsklemme der integrierten Schaltung und die Signaleingangsklemme zur Stromerfassung geschaltet, arbeitet nur dann, wenn das Schaltelement eingeschaltet ist und hat die Funktion, die in der integrierten Schaltung eingestellte Schaltfrequenz weiter abzusenken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltstromversorgungsvorrichtung, die eine vorgeschriebene Ausgangsleistung gemäß einer voreingestellten Spannung an eine Last anlegt, und betrifft insbesondere eine Schaltstromversorgungsvorrichtung, die die Schaltfrequenz eines Schaltelements während leichter Belastung oder keiner Belastung oder des Bereitschaftsbetriebs (nachfolgend auch einfach als "leichte Belastung" bezeichnet) absenkt, wodurch ein reduzierter Stromverbrauch während leichter Belastung oder keiner Belastung oder eine reduzierte Bereitschaftsbetriebsleistung während des Bereitschaftsbetriebs erreicht wird.
Nach dem Stand der Technik wurden IC-Schaltungen zur Steuerung von Schaltstromversorgungen verwendet, welche die Leistungseffizienz durch Absenkung der Schaltfrequenz während leichter Belastung verbessern, mit dem Ziel, Schaltverluste in der Schaltstromversorgung zu senken (siehe beispielsweise japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-215316 (Absätze [0002] bis [0025], 4, 5)). In der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-215316 (Absätze [0002] bis [0025], 4, 5) ist eine Steuerschaltung für eine Schaltstromversorgung aufgezeigt, die eine Strommodussteuerung (positives Erfassungsverfahren) verwendet, bei welchem der Wert des in dem Leistungs-MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) oder einem anderen Schaltelement fließenden Stroms als ein positives Spannungssignal erfasst wird.
9 ist ein Blockschaltbild, das die Steuerschaltung einer Quasiresonanz-Schaltstromversorgung zeigt, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-215316 (Absätze [0002] bis [0025], 4, 5) aufgezeigt ist. Die Quasiresonanz-Schaltstromversorgung aus 9 ist nur als ein Beispiel einer Schaltstromversorgung nach dem Stand der Technik gezeigt. Diese Erfindung ist nicht auf Quasiresonanz-Vorrichtungen beschränkt und kann auch in breitem Umfang auf andere Schaltstromversorgungen als Quasiresonanz-Vorrichtungen angewandt werden.
In der Leistungs- bzw. Stromversorgungssteuerschaltung 10 ist eine Bodenerfassungsschaltung (Talerfassung) 11 mit der Eingangsklemme ZCD für die Nullstromerfassung verbunden. Die Bodenerfassungsschaltung 11 ist ein Komparator, der die an die Eingangsklemme ZCD angelegte Spannung mit einer Referenzspannung nahe dem 0 V-Pegel (Schwelle) vergleicht; die Ausgangsklemme dieser Bodenerfassungsschaltung 11 ist mit einer der Eingangsklemmen der UND-Schaltung 12 verbunden und durch die UND-Schaltung 12 mit der monostabilen Schaltung 13 verbunden. Die Ausgangsklemme des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 14 ist mit der anderen Eingangsklemme der UND-Schaltung 12 verbunden. Der spannungsgesteuerte Oszillator 14 ist ein Oszillator, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit von der Größe der Eingangsspannung (VCO-Spannung) verändert, und enthält eine Spannungssignal-Eingangsklemme VCO und eine Rückstellsignal-Eingangsklemme Reset. Die VCO-Spannungs-Eingangsklemme des spannungsge steuerten Oszillators 14 ist mit der Eingangsklemme FB zur Erfassung des Rückkopplungssignals VFB verbunden und die Eingangsklemme für Rückstellsignale Reset ist mit der Ausgangsklemme der monostabilen Schaltung 13 verbunden.
Die Eingangsklemme FB zur Erfassung des Rückkopplungssignals VFB ist mit der invertierenden Eingangsklemme (–) des Komparators 15 verbunden. Die nicht invertierende Eingangsklemme (+) des Komparators 15 ist über eine 0,5 V-Referenzleistungsversorgung E1 geerdet und ein Abschaltsignal Disable wird von der Ausgangsklemme an die Inverterschaltung 16 ausgegeben. Der Ausgang der Inverterschaltung 16 ist mit der Rücksetzklemme (CLR) der monostabilen Schaltung 13 verbunden. Eine 5 V-Referenzleistungsversorgung E2 ist über eine Reihenschaltung eines Widerstands R und einer Diode D mit der Eingangsklemme FB verbunden und bestimmt die FB-Klemmenspannung.
Der Stromkomparator 17 ist mit der Signaleingangsklemme für die Stromerfassung IS verbunden und ein Stromerfassungssignal wird an die nicht invertierende Eingangsklemme (+) der vier Eingangsklemmen des Stromkomparators 17 angelegt. Die verbleibenden drei invertierenden Eingangsklemmen (–) sind mit der Eingangsklemme FB für die Erfassung des Rückkopplungssignals VFB, der 1 V-Referenzleistungsversorgung E3 beziehungsweise der Ausgangsklemme für die Softstart-Schaltung 18 jeweils verbunden. Die Ausgangsklemme des Stromkomparators 17 ist mit der Rückstellklemme R der Flipflopschaltung 19 verbunden. Die Setz-Klemme S der Flipflopschaltung 19 ist mit der Ausgangsklemme der monostabilen Schaltung 13 verbunden. Die Q-Ausgangsklemme der Flipflopschaltung 19 ist über die UND-Schaltung 20 mit der Ausgangsklemme OUT verbunden und das Ausgangssignal Q wird über den Leistungs-MOSFET oder ein anderes extern angeschlossenes Schaltelement Q1 (siehe 10 unten) als ein Schaltsignal von der Ausgangsklemme OUT ausgegeben. Die Softstart-Schaltung 18 erzeugt ein Softstart-Signal, das den Einschaltintervall des Schaltelements Q1 während des Einschaltens der Schaltstromversorgung begrenzt.
Die invertierende Eingangsklemme (–) des Komparators für die Überlasterfassung 21 ist mit der Eingangsklemme FB zur Erfassung des Rückkopplungssignals VFB verbunden und die nicht invertierende Eingangsklemme (+) ist über die 3,3 V-Referenzleistungsversorgung E4 geerdet. Die Ausgangsklemme des Komparators 21 ist mit der Rückstellklemme Reset der Zeitgeberschaltung 22 verbunden. Die Zeitgeberschaltung 22 dient dazu, zwei Verzögerungszeiten einzustellen; das erste Ausgangssignal (niedrig) wird an die UND-Schaltung 20 100 ms nach der Erfassung eines Überlastzustands durch den Komparator 21 ausgegeben und unterbricht zwangsweise die Versorgung des Schaltelements Q1 mit dem Schaltsignal.
Das zweite Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung 22 wird 800 ms nach der Erfassung eines Überlastzustands ausgegeben und wird als ein Rückstellsignal an eine Anlaufschaltung (nicht dargestellt) angelegt, die innerhalb der Stromversorgungssteuerschaltung 10 vorgesehen ist.
In dieser Stromversorgungssteuerschaltung 10 für eine Schaltstromversorgung, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-215316 (Absätze [0002] bis [0025], 4, 5), aufgezeigt ist, ist die an das Schaltelement Q1 bei der Erfassung des Nulldurchgangs angelegte Spannung das Minimum der Resonanzwellenform und das Schaltelement Q1 wird mit dieser Zeitgebung eingeschaltet, um den nächsten Schaltzyklus zu starten, wobei dies allgemein als Quasiresonanz- oder Teilresonanz-Steuerung einer Schaltstromversorgung bezeichnet wird.
In der in 9 gezeigten Steuerschaltung wird während des Normalbetriebs das Stromsignal des Schaltelements Q1 der Eingangsklemme IS eingegeben und der Stromkomparator 17 vergleicht dieses Stromsignal mit dem Rückkopplungssignal VFB, das an die Eingangsklemme FB angelegt wird; die der Sekundärseite zugelieferte Leistung wird geregelt, indem der Strom in dem Schaltelement Q1 niedrig gemacht wird, wenn die Last leicht ist, und der Strom in dem Schaltelement Q1 hoch gemacht wird, wenn die Last groß ist, wobei eine Regelung in der Weise ausgeführt wird, dass die Ausgangsspannung im wesentlichen gleich der Spannungseinstellung ist.
Das an die Eingangsklemme FB angelegte Rückkopplungssignal VFB nimmt ab, wenn die Last gering ist und die Ausgangsspannung hoch ist, und nimmt zu, wenn die Last hoch ist und die Ausgangsspannung abnimmt. Der spannungsgesteuerte Oszillator 14 senkt die Frequenz stärker für ein kleineres Rückkopplungssignal VFB, welches die VCO-Spannung ist, so dass je geringer die Last ist, desto niedriger die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 14 wird, und die Frequenz um so höher wird, je größer die Last ist. Auf eine detaillierte Erläuterung wird hier verzichtet, aber die Frequenz des Schaltsignals (die Schaltfrequenz), die von der Ausgangsklemme OUT der Stromversorgungssteuerschaltung 10 ausgegeben wird, wird durch die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 14 bestimmt, so dass im wesentlichen die Schaltfrequenz um so niedriger ist, je geringer die Last ist. Der Grund dafür liegt darin, dass bei einer leichten Belastung der Anteil der Gesamtverluste, der durch Schaltverluste bewirkt wird, erhöht ist, und somit die Frequenz mit dem Ziel abgesenkt wird, die Schaltverluste während leichter Belastung abzuschwächen. Diese Technik der Senkung der Schaltfrequenz während leichter Belastung wird auch in breitem Umfang bei anderen Schaltstromversorgungen als den Vorrichtungen des Quasiresonanztyps angewandt.
Die Referenzspannung E3 (1 V), die an den Stromkomparator 17 angelegt ist, ist eine Referenzspannung, die dazu dient, Überströme in dem Schaltelement Q1 zu begrenzen. Im Fall eines Überstroms und ähnlicher Ereignisse wird der Maximalwert des Stromsignals auf die Referenzspannung E3 (1 V) begrenzt, um die Stromversorgungsschaltung und die Last zu schützen.
10 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer Schaltstromversorgungsvorrichtung des positiven Erfassungstyps nach dem Stand der Technik zeigt.
Die Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 10 legt Leistung von einer primärseitigen Gleichstrom-Eingangsstromversorgung V_IN eines Transformators T1 gemäß einer Spannungseinstellung an die sekundärseitige Last (nicht dargestellt) an. Eine LC-Resonanzschaltung wird durch die Induktivität (Lp) der primärseitigen Wicklung Lp des Transformators T1 und die Kapazität des Resonanzkondensators Cr (welche auch nur die parasitäre Kapazität des Schaltelements Q1 sein kann) gebildet, die mit dem Leistungs-MOSFET oder einem anderen Schaltelement Q1 parallel geschaltet sind. Die Eingangsspannung V_IN wird an ein Ende des Glättungskondensators C1 und an ein Ende der Primärwicklung Lp des Transformators T1 angelegt; das andere Ende der Primärwicklungen Lp ist mit dem Drain des Schaltelements Q1 verbunden. Die Source des Schaltelements Q1 ist über den Abtastwiderstand Rs mit dem anderen Ende des Glättungskondensators C1 verbunden und das Gate ist über den Widerstand R1 mit der Ausgangsklemme OUT der integrierten Schaltung IC verbunden.
Die integrierte Schaltung IC in der Schaltstromversorgungsschaltung aus 10 ist beispielsweise der Stromversorgungssteuerschaltung 10 aus 9 äquivalent, wobei in 9 nur die Eingangsklemme ZCD für die Nulldurchgangserfassung, die Eingangsklemme FB für die Rückkopplungssignalerfassung, die Signaleingangsklemme für die Stromerfassung IS und die Ausgangsklemme OUT für die Ausgabe des Steuersignals an das Schaltelement Q1 gezeigt sind.
Die Primärwicklung Lp, die Sekundärwicklung Ls und die Hilfswicklung Lb des Transformators T1 sind alle um denselben Kern des Transformators T1 gewickelt. Die Induktivität der Sekundärwicklung Ls ist Ls und die Induktivität der Hilfswicklung Lb ist Lb. Der Resonanzkondensator Cr ist mit der Reihenschaltung des Schaltelements Q1 und des Abtastwiderstands Rs parallel geschaltet, kann jedoch mit der Primärwicklung Lp parallel geschaltet sein. Die Hilfswicklung Lb ist mit einer Gleichrichtdiode D2 und einem Glättungskondensator C2 verbunden, die die Leistungsversorgung der integrierten Schaltung IC bilden. Der Widerstand R2 legt die Spannung an den Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement Q1 und dem Abtastwiderstand Rs an die Signaleingangsklemme für die Stromerfassung IS an; der Widerstand R3 ist vorgesehen, um die Spannung über die Hilfswicklung Lb unverändert, ohne Gleichrichtung an die Eingangsklemme ZCD der integrierten Schaltung IC anzulegen. Der Abtastwiderstand Rs funktioniert als ein Stromerfassungselement.
Eine Diode D3 und ein Glättungskondensator C3, welche die über die Sekundärwicklung Ls vorliegende Spannung gleichrichten, sind an der Sekundärwicklung Ls des Transformators T1 vorgesehen. Die Anode der Diode D3 ist mit einem Ende der Sekundärwicklung Ls verbunden und die Kathode ist mit der Stromversorgungs-Ausgangsklemme Vout sowie mit einem Ende des Glättungskondensators C3 verbunden. Das andere Ende des Glättungskondensators C3 ist mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung Ls sowie mit der Erdungsklemme Gnd verbunden.
Der Pegel an der Ausgangsklemme OUT der integrierten Schaltung IC verändert sich zwischen hoch und niedrig, um das Gate des Schaltelements Q1 anzusteuern, womit das Schaltelement Q1 ein- und ausgeschaltet wird, und durch diese Einrichtung wird die gewünschte geglättete Gleichspannung auf der Seite der Sekundärwicklung Ls des Transformators T1 zwischen der Stromversorgungs-Ausgangsklemme Vout und der Erdungsklemme Gnd erzeugt. Während der Ein-Intervalle fließt ein Drainstrom in dem Schaltelement Q1 und ein Strom fließt auf der Seite der daran angeschlossenen Primärwicklung Lp des Transformators T1, wodurch Energie angesammelt wird. Anschließend schaltet das Schaltelement Q1 ab, aber mittels der in dem Transformator T1 angesammelten Energie fließt ein Strom durch die Diode D3 und fließt in den Glättungskondensator C3 auf der Seite der Sekundärwicklung Ls des Transformators T1 während der Aus-Intervalle des Schaltelements Q1. Auf diese Weise tritt eine geglättete Gleichspannung auf der Seite der Sekundärwicklung Ls des Transformators T1 zwischen der Stromversorgungs-Ausgangsklemme Vout und der Erdungsklemme Gnd auf.
Zwischen der Stromversorgungs-Ausgangsklemme Vout und der Erdungsklemme Gnd ist eine Ausgangserfassungsschaltung vorgesehen, die eine Reihenschaltung von Widerständen R5 und R6, einen Widerstand R7, eine einen Fototransistor Pt und einen Optokoppler enthaltende Fotodiode PD, einen Kondensator C4 und einen Nebenschlussregler D4 enthält. Hier fließt ein Strom in der Fotodiode PD gemäß der Ausgangsspannung (der fließende Strom ist in dem Ausmaß größer, in dem die Ausgangsspannung höher als die Spannungseinstellung ist), die Fotodiode PD emittiert Licht in einer diesem Strom entsprechenden Menge, und ein Rückkopplungssignal wird an den Fototransistor PT angelegt, der zwischen der Eingangsklemme FB der integrierten Schaltung IC zur Erfassung des Rückkopplungssignals und der Erdungsklemme Gnd angeschlossen ist. Je größer die von der Fotodiode PD emittierte Lichtmenge ist, desto größer ist der in dem Fototransistor PT fließende Strom, und dieser Strom fließt in dem Widerstand R, so dass der Spannungsabfall über den Widerstand R zunimmt. Das heißt, je höher die Ausgangsspannung, desto größer ist der in dem Fototransistor PT fließende Strom, so dass das Rückkopplungssignal VFB klein wird. Mittels dieser Rückkopplungsfunktion kann eine Schaltstromversorgungsvorrichtung Strom in Übereinstimmung mit den Schwankungen in der Last (nicht dargestellt) zuliefern. Die Rückkopplungsschaltung 25 umfasst die in der unterbrochenen Linie eingeschlossenen Teile.
Die Schaltstromversorgungsvorrichtung mit positiver Erfassung, die in 10 gezeigt ist, hat einen Abtastwiderstand Rs als ein Stromerfassungselement und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Überlastschutzfunktion enthält (OLP; auch als Überstrom-Schutzfunktion OCP bezeichnet), welche die Last vor Überströmen mittels einer Überstrombegrenzungsschaltung schützt, welche das erhaltene Signal verwendet, indem sie mittels der Widerstände R4 und R2 eine Vorspannung an das von dem Abtastwiderstand Rs erfasste Stromerfassungssignal anlegt (wobei das Signal selbst eine Spannung ist). In Vorrichtungen aus jüngerer Zeit wurde ein reduzierter Stromverbrauch in der Stromversorgungssteuerschaltung 10 selbst angestrebt, und ein Verfahren zur Reduzierung des in dem Pfad von der Eingangsstromversorgung V_IN durch die Widerstände R4, R2, Rs fließenden Stromes ist vorstellbar. Bevor dieses Verfahren erläutert wird, wird zunächst die Funktion der Widerstände R4 und R2 erklärt.
Zunächst wird ein Zustand betrachtet, in dem die Widerstände R4, R2 nicht vorgesehen sind. Diese Überstrombegrenzungsschaltung überwacht nicht direkt einen Überstrom auf der Sekundärseite des Transformators T1, sondern überwacht anstelle dessen Stromveränderungen auf der Seite der Primärwicklung Lp, um Überströme an die Last zu erfassen und den Schaltbetrieb anzuhalten. Der Grund dafür liegt darin, dass bei direkter Überwachung des sekundärseitigen Laststroms eine Schaltung zur Rückkopplung eines Signals zur Primärseite erforderlich wird. Genauer ausgedrückt wird die Spannung über den Abtastwiderstand Rs, der das Stromerfassungselement in 10 ist, mit einer Referenzspannung verglichen, welche eine Überlastschutz-(OLP)-Beurteilungsreferenz ist (und nachfolgend als Beurteilungsreferenzspannung Vth bezeichnet wird), und wenn die Spannung über den Abtastwiderstand Rs diese Referenzspannung erreicht, wird festgestellt, dass ein Überstrom aufgetreten ist.
11 zeigt die primärseitige Stromwellenform, die den unterschiedlichen Eingangsspannungen entspricht. Wenn hier die jeweiligen Eingangsspannungen V_IN als V1 und V2 angelegt werden, ist das Stromerfassungssignal der positiven Erfassung, das über den Widerstand Rs auftritt, als die Stromwellenform dargestellt, die dem in der Primärwicklung Lp des Transformators T1 fließenden Induktorstrom I_L entspricht.
Ein Induktorstrom I_L beginnt in der Primärwicklung Lp an dem Zeitpunkt zu fließen, an dem das Schaltelement Q1, ein N-Kanal-MOS-Transistor, eingeschaltet wird, und dieser Strom nimmt mit einer zu der Eingangsspannung V_IN (dl_L/dt = V_IN/Lp) proportionalen Steigung zu. Wenn das Stromerfassungssignal die Beurteilungsreferenzspannung Vth für den Überlastschutz (OLP) erreicht, stellt die Stromversorgungssteuerschaltung 10 (integrierte Schaltung IC) aus 9 fest, dass ein Überstrom vorliegt, und das Schaltelement Q1 wird ausgeschaltet.
In der in 10 gezeigten Schaltstromversorgungsvorrichtung des positiven Erfassungstyps tritt zwischen dem Zeitpunkt, an dem das Auftreten eines Überstroms in der integrierten Schaltung IC tatsächlich festgestellt wird, und dem Zeitpunkt, an dem das Schaltelement Q1 abgeschaltet wird, eine Ansprechverzögerungszeit Δt auf. Aus diesem Grund tritt, wie unter (A) und (B) in der Figur gezeigt, ein Überschwingen, das die Beurteilungsreferenz übersteigt, in dem tatsächlich in dem Schaltelement Q1 zur Zeit des Überstrombegrenzungsbetriebs fließenden Induktorstrom I_L auf. Während die Steigung des Induktorstroms I_L proportional zu der Eingangsspannung V_IN ist, wird die Ansprechverzögerungszeit Δt, die durch den Betrieb des Steuersystems bestimmt wird, durch die Eingangsspannung V_IN nicht beeinflusst, weil die Stromversorgungsspannung der Stromversorgungssteuerschaltung 10 (der integrierten Schaltung IC in 10) geregelt ist. Somit ist beim Vergleich der Stromerfassungssignale von dem Abtastwiderstand Rs für einen Fall, in dem die Eingangsspannung V_IN ein kleiner Wert (V1) ist, wie unter (A) in 11 gezeigt, und für einen Fall, in dem der Wert V2 ist (> V1), wie unter (B) der Figur gezeigt, das vorstehend beschriebene Ausmaß des Überschwingens ΔV für höhere Werte der Eingangsspannung V_IN größer (ΔV1 < ΔV2).
12 zeigt Veränderungen des Induktorstroms während des Überstrombegrenzungsbetriebs in der Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 10. Wenn das Schaltelement Q1 nach einer Verzögerungszeit, das heißt während des Überstrombegrenzungsbetriebs, abgeschaltet wird, nimmt der in der Primärwicklung Lp des Transformators T1 fließende Induktorstrom I_L im Verhältnis zu der Eingangsspannung V_IN zu, wie in 11 erläutert. In einer herkömmlichen Schaltstromversorgungsvorrichtung des positiven Erfassungstyps, wenn die Vorrichtung beispielsweise als Stromversorgung für einen Personalcomputer in Japan verwendet wird, wird der 100 V Wechselstrom aus dem Netz zur Verwendung als Gleichstrom-Eingangsstromversorgung gleichgerichtet und geglättet. In anderen Ländern kann eine 200 V Wechselstromversorgung verwendet werden. Andererseits sind nur Spannungen von höchstens etwa 10 bis 20 V als die Ausgangsspannungen von der Sekundärwicklung Ls oder von der Hilfswicklung Lb des Transformators T1 erforderlich. Wenn eine Spannungsschwankung der Wechselstrom-Netzversorgung vorliegt, das heißt in der Eingangsspannung V_IN, entstehen dann, wenn der Induktorstrom I_L, der beim Abschalten des Schaltelements Q1 fließt, um so größer ist, je höher die Eingangsspannung V_IN ist, Probleme für die Sicherheit der Stromversorgung.
Somit wird mit dem Ziel, dieses Überschwingen in der in 10 gezeigten Schaltstromversorgungsvorrichtung zu korrigieren, eine Widerstandsschaltung vorgesehen, in der Widerstände R2 und R4 in Reihe geschaltet sind. Mittels dieser Widerstandsschaltung wird der Spannungspegel des Abtastwiderstands Rs in positiver Richtung verschoben. Das Ausmaß der Pegelverschiebung ist für höhere Eingangsspannungen V_IN größer, so dass je höher die Eingangsspannung V_IN ist, ein Überstromzustand in der Phase um so rascher festgestellt werden kann, bevor die Spannung des Abtastwiderstands Rs die Beurteilungsreferenzspannung Vth zur Überstrombegrenzung erreicht. Somit kann das Ausmaß des Überschwingens ΔV bei dem tatsächlichen Abschalten des Schaltelements Q1 durch diese Widerstandsschaltung kompensiert werden.
Bei einem positiven Erfassungsverfahren, bei welchem der Pegel durch eine Widerstandsschaltung verschoben wird, wird jedoch bei Betrachtung vom Standpunkt der Reduzierung des Stromverbrauchs unter leichter Belastung oder keiner Belastung beziehungsweise der Reduzierung des Bereitschaftsstromes während des Bereitschaftsbetriebs, was in der jüngeren Vergangenheit ein immer wichtigeres Thema bei Stromversorgungssystemen wurde, der durch den von der Eingangsstromversorgung V_IN (in einem normalen Stromversorgungssystem hat die Eingangsstromversorgung V_IN die höchste Spannung) durch die Widerstandsschaltung der Widerstände R4, R2, Rs zur Erde (Gnd) fließenden Strom verursachte Leistungsverbrauch zum Problem. Es ist daher ein Verfahren bekannt, bei welchem, um nicht unnotwendig Strom in einer Schaltstromversorgungsvorrichtung fließen zu lassen, während das Phänomen kompensiert wird, dass bei einer um so höheren Eingangsspannung V_IN der Überstrom beim Abschalten des Schaltelements Q1 um so größer wird, der Pegel des Stromerfassungssignals in negativer Richtung verschoben wird, um einen reduzierten Leistungsverbrauch zu erzielen (siehe beispielsweise japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-299351 (Absätze [0016] bis [0018], 2)).
13 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer Schaltstromversorgungsvorrichtung des negativen Erfassungstyps nach dem Stand der Technik zeigt.
Wie beispielsweise im Fall der in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-299351 (Absätze [0016] bis [0018], 2) aufgezeigten Schaltstromversorgungsvorrichtung ist eine Schaltstromversorgungsvorrichtung des negativen Erfassungstyps so konfiguriert, dass eine Stromerfassungseinrichtung einen Abtastwiderstand Rs verwendet, um den in der Primärwicklung fließenden Strom oder den in dem Schaltelement fließenden Strom als eine negative Spannung zu erfassen. Somit sind in der in 13 gezeigten Schaltstromversorgungsvorrichtung die Signaleingangsklemme für die Stromerfassung IS und der Abtastwiderstand Rs über einen Widerstand Ra verbunden. Darüber hinaus ist die Signaleingangsklemme IS mit dem Verbindungspunkt zwischen der Hilfswicklung Lb und der Gleichrichterdiode D2 und mit der Leistungsversorgungsklemme VCC, die die integrierte Schaltung IC mit Leistung versorgt, über den Widerstand Rb beziehungsweise den Korrekturwiderstand Rc verbunden.
Zunächst werden die Funktionen der Widerstände Ra und Rb erläutert (die Funktion des Korrektur widerstands Rc wird weiter unten erläutert). Wie aus der Schaltungskonfiguration in 13 ersichtlich ist, ist der absolute Wert der negativen Spannung, die das Stromerfassungssignal wird, umso größer, je größer der Strom auf der Primärseite ist. Die Widerstände Ra und Rb entsprechen den jeweiligen Widerständen R2 und R4 in dem positiven Erfassungsverfahren aus 10 und sind vorgesehen, um an das Stromerfassungssignal eine negative Vorspannung anzulegen. Während Intervallen, in welchen das Schaltelement Q1 eingeschaltet ist, tritt an dem Verbindungspunkt zwischen der Hilfswicklung Lb und der Gleichrichterdiode D2 ein negatives Potenzial auf. Dieses negative Potenzial ist gegenüber dem Glättungskondensator C2 durch die Gleichrichterdiode D2 isoliert und ist somit proportional zur Eingangsspannung V_IN (jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen). Somit wird ebenso, wie an das Stromerfassungssignal mit positiver Spannung eine positive Vorspannung in dem positiven Erfassungsverfahren angelegt wird, bei dem negativen Erfassungsverfahren an das Stromerfassungssignal mit negativer Spannung eine negative Vorspannung angelegt, die proportional zu der Eingangsspannung V_IN ist.
Bei dem positiven Erfassungsverfahren und dem negativen Erfassungsverfahren unterscheidet sich die in den Widerständen R4, R2 und Rs und den Widerständen Rb, Ra und Rs verbrauchte Leistung stark. Der Grund dafür liegt darin, dass die in einem Widerstand verbrauchte Leistung proportional zum Quadrat der an den Widerstand angelegten Spannung ist ((Spannung)²/Widerstandwert) und die angelegten Spannungen sich stark unterscheiden. Wie vorstehend erläutert ist dann, wenn eine Wechselstrom-Netzversorgung gleichgerichtet und geglättet wird, um eine Eingangsspannung V_IN zu erhalten, der Wert annähernd 100 bis 200 V, wohingegen die Ausgangsspannung (absoluter Wert) von der Hilfswicklung Lb höchstens annähernd 10 bis 20 V ist, so dass der Leistungsverbrauch um etwa zwei Größenordnungen reduziert werden kann.
In der Stromversorgungssteuerschaltung 10 (IC-Schaltung) aus 13 ist nur ein Teil der in der Schaltung enthaltenen Elemente gezeigt. Hier sind der spannungsgesteuerte Oszillator 14, der Stromkomparator 17 und die Flipflopschaltung 19 Schaltungen, die der in 9 gezeigten Steuerschaltung entsprechen, eine Signalumkehrungsschaltung 23 ist so positioniert, dass sie Signale an die nicht invertierende Eingangsklemme (+) des Stromkomparators 17 von der Eingangsklemme FB zur Erfassung des Rückkopplungssignals VFB anlegt, und eine Pegelverschiebeschaltung 24 ist zwischen der Stromerfassungseinrichtung IS und der invertierenden Eingangsklemme (–) des Stromkomparators 17 vorgesehen. Obgleich in 13 ausgelassen, enthält die Stromversorgungssteuerschaltung 10 ferner eine Eingangsklemme ZCD zur Nullstromerfassung, eine Klemme VH, an die Anlaufstrom angelegt wird, und dergleichen.
Der spannungsgesteuerte Oszillator 14 ist eine Oszillator, der verwendet wird, um die Schaltfrequenz zu bestimmen; die Schwingungsfrequenz wird durch ein Rückkopplungssignal VFB geregelt (dieses Signal ist einem so genannten Fehlersignal äquivalent), das von der Rückkopplungsschaltung 25 ausgegeben wird und aus der Verstärkung der Differenz zwischen dem Spannungsausgang an die Last und der Spannungseinstellung resultiert. Die Frequenzcharakteristik ist dergestalt, dass in dem Bereich, in welchem die Last als leicht beurteilt wird (beispielsweise wenn das Rückkopplungssignal VFB 0,9 V oder weniger ist), die Frequenz proportional zu der Spannung des Rückkopplungssignals VFB ist, und im Wesentlichen linear auf die kleinste Frequenz abfällt. Wenn die Last groß ist, ist die Frequenz konstant (höchste Frequenz). Die Rückkopplungsschaltung 25 entspricht der in 10 gezeigten.
Je größer das Rückkopplungssignal VFB ist, als desto höher wird die Last beurteilt, so dass die Steigerung des Ausgangsstroms, so dass die Ausgangsspannung die Sollspannungseinstellung erreicht, schwierig ist, und somit wird die Schaltfrequenz gesteigert, um die Möglichkeit zu schaffen, großen Veränderungen des Laststroms Rechnung zu tragen. Je kleiner das Rückkopplungssignal VFB ist, als desto geringer wird die Last mit einem kleinen Ausgangsstrom beurteilt, so dass die Schaltfrequenz niedrig eingestellt wird.
Wenn das Rückkopplungssignal VFB kleiner als ein vorgeschriebener Wert (beispielsweise 0,4 V) ist, wird der Schaltbetrieb gestoppt und ein Spannungswert des Rückkopplungssignals VFB, der höher als der vorstehend genannte vorgeschriebene Wert von 4 V ist, wird abgewartet. Es wird kein Schaltvorgang durchgeführt, so dass keine elektrische Ladung dem sekundärseitigen Ausgangskondensator C3 zugeliefert wird, und Strom wird nur an die Last angelegt, so dass die Ausgangsspannung abfällt. Als Resultat nimmt die Differenz zwischen der Ausgangsspannung und der Spannungseinstellung zu und der Spannungswert des Rückkopplungssignals VFB steigt an.
14 zeigt die Konfiguration der Signalumkehrungsschaltung 23 der in 13 gezeigten Schaltstromversorgungsvorrichtung. Die Signalumkehrungsschaltung 23 enthält eine Operationsverstärkerschaltung 26, Widerstände R11 und R12 und eine Referenzspannungsversorgung E5, wie 14 zeigt.
Hier wird das Rückkopplungssignal VFB von der Rückkopplungsschaltung 25 über die Eingangsklemme FB als ein Spannungssignal von 1 bis 2 V zugeliefert, geeignet für das positive Erfassungsverfahren. Das Signal wird von der Signalumkehrungsschaltung 23 invertiert und verstärkt, so dass es in ein internes Signal VFB2 mit 2 bis 1,5 V in Konformität mit dem negativen Erfassungsverfahren umgewandelt wird. Die von der Signalumkehrungsschaltung 23 verwendeten Spannungswerte sind Beispiele, die zur Erläuterung des Wertebereichs verwendet werden, den die Signale annehmen können, und die Signale sind nicht auf diese Werte beschränkt.
15 zeigt die Konfiguration der Pegelverschiebeschaltung 24 in der in 13 gezeigten Schaltstromversorgungsvorrichtung. Die Pegelverschiebeschaltung 24 enthält einen Widerstand R13 zum Schutz vor statischer Elektrizität und eine Reihenschaltung aus Widerständen R14, R15 zur Spannungsteilung, die zwischen die interne Referenzspannung E6 und die Signaleingangsklemme zur Stromerfassung IS geschaltet sind, sowie Zenerdioden D5, D6, die den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R13 und R14 erden. Hier wird das Stromerfassungssignal mit negativer Spannung (das Signal selbst ist eine Spannung) VIS, das an die Signaleingangsklemme IS angelegt ist, an den Stromkomparator 17 als internes Signal VIS2, das auf ein positives Potenzial pegelverschoben wurde, von dem Verbindungspunkt der Widerstände R14 und R15 angelegt.
Auf diese Weise wird das Stromerfassungssignal VIS an die Signaleingangsklemme zur Strom erfassung IS als eine negative Spannung (0 bis –1 V) angelegt; da die IC-Schaltung, die keine negative Spannungsversorgung hat, tatsächlich kein negatives Spannungssignal verarbeiten kann, verschiebt die Pegelverschiebeschaltung 24 aus 15 den Signalpegelabfall in positives Potenzial (2 bis 1,5 V).
Dabei werden die Widerstandwerte der Widerstände R11, R12 und anderer so eingestellt, dass der Ausgangspegel diesem Stromerfassungssignal entspricht, auch für die Signalumkehrungsschaltung 23, die das Rückkopplungssignal VFB verarbeitet.
Nachfolgend wird die Funktion des Korrekturwiderstands Rc erläutert. Der Korrekturwiderstand Rc addiert eine positive Offsetspannung (Vorspannung mit positiver Spannung) zu dem Stromerfassungssignal VIS, so dass effektiv die durch die integrierte Schaltung IC bestimmte Schaltfrequenz verringert wird, um den Leistungsverbrauch während geringer Belastung oder ohne Belastung oder die Bereitschaftsbetriebsleistung während des Bereitschaftsbetriebs zu verringern. Nachfolgend ist die Art und Weise erläutert, in der der Korrekturwiderstand Rc die Schaltfrequenz absenkt.
16 ist ein Diagramm der Signalwellenform, das den Korrekturvorgang des Stromerfassungssignals VIS in einer Schaltstromversorgungsvorrichtung erläutert. Hier ist das Signal VFB3 ein hypothetisches Signal, das zur Erläuterung verwendet wird und dem vorstehend beschriebenen internen Signal VFB2 äquivalent ist, mit einem Arbeitsbereich im positiven Spannungsbereich (beispielsweise 2 bis 1,5 V), in der Weise pegelverschoben, dass der obere Grenzwert 0 Volt ist, zur Übereinstimmung mit dem Arbeitsbereich des Stromerfassungssignals VIS, welcher eine negative Spannung ist. Es kann als Resultat der Umkehrung des Rückkopplungssignals VFB betrachtet werden.
Hier wird angenommen, dass die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 14 durch das an die Leistungs- bzw. Stromversorgungssteuerschaltung 10 angelegte Rückkopplungssignal VFB geregelt wird.
Zunächst werden, wie bei (A) in der Figur gezeigt, Zustände betrachtet, bei welchen die Korrektur durch den Korrekturwiderstand Rc nicht durchgeführt wird. Dabei sind das Einschaltzeitverhältnis des Schaltelements Q1 und der Wert des Rückkopplungssignals VFB dergestalt in einem ausgeglichenen Zustand, dass der Spannungsausgang an die Last Vout auf der Einstellspannung ist. Die Schaltfrequenz wird dann durch die Größe des Rückkopplungssignals VFB bestimmt.
Nachfolgend sei angenommen, dass der Korrekturwiderstand Rc hinzugefügt ist und eine Korrektur plötzlich in dem Zustand in (A) in 16 angelegt wird. In diesem Fall ist das Stromerfassungssignal VIS ein Signal, das von einer größeren positiven Spannung als bei (A) in der Figur abzufallen beginnt. Andererseits kann sich das Rückkopplungssignal VFB, das heißt das Signal VFB3 in der Figur, nicht rasch verändern, so dass derselbe Spannungspegel für eine gewisse Zeit andauert. Das Schaltelement Q1 wird nicht abgeschaltet, bis das Stromerfassungssignal VIS VFB3 erreicht, so dass, wie bei (B) in der Figur gezeigt, die Einschaltzeit ton des Schaltelements Q1 verlängert wird (die Einschaltzeit ton ist das Intervall von dem Zeitpunkt, an dem das Stromerfassungssignal VIS abzufallen beginnt, bis zum Erreichen des Signals VFB3). Wenn zu dieser Zeit die Schaltfrequenz unverändert bleibt, wird die Ausschaltzeit innerhalb einer Periode verkürzt und das Einschaltzeitverhältnis des Schaltelements Q1 wird erhöht. Als Resultat steigt die Spannungsausgabe an die Last an, das Rückkopplungssignal VFB wird reduziert und der absolute Wert des Rückkopplungssignals VFB3 wird ebenfalls verringert.
Wenn das Rückkopplungssignal VFB klein wird, nimmt die Schaltfrequenz ab und das Zeitverhältnis fällt, so dass eine Annäherung an das bei (A) in 16 gezeigte anfängliche Einschaltzeitverhältnis erfolgt. Somit entsteht, wie bei (C) in 16 gezeigt, ein Gleichgewicht bei einer neuen Schaltfrequenz und schließlich resultiert dasselbe Einschaltzeitverhältnis wie bei (A) in der Fig.. Zu dieser Zeit sind das Rückkopplungssignal VFB und der absolute Wert des verschobenen Spannungswerts VFB3 kleiner als die Werte vor der Korrektur. Auf diese Weise wird die von dem spannungsgesteuerten Oszillator 14 geregelte Frequenz niedriger und die durch den Stromkomparator 17 bestimmte Einschaltzeit wird ebenfalls verlängert.
In der vorstehend beschriebenen Schaltstromversorgungsvorrichtung des negativen Erfassungstyps bleibt in dem Korrekturwiderstand Rc während leichter Belastung fließender Strom ein Problem hinsichtlich der Förderung der Energieeffizienz. Das heißt, dass aufgrund der Tatsache, dass der Korrekturwiderstand Rc in einer Schaltstromversorgungsvorrichtung nach dem Stand der Technik an die Stromversorgungsklemme VCC angeschlossen ist, stets Strom von der Stromversorgungsklemme VCC durch den Korrekturwiderstand Rc und die Reihenschaltung der Widerstände Ra und Rs sowie durch den Korrekturwiderstand Rc und die Reihenschaltung des Widerstands Rb und der Hilfswicklung Lb an Erde (GND) fließt, so dass das Problem des Auftretens von Leistungsverlusten besteht.
Offsets von zwei Quellen werden an das Stromerfassungssignal VIS angelegt: einer von der Ausgangsspannung der Hilfswicklung Lb über den Widerstand Rb und ein weiterer von der Spannung der Stromversorgungsklemme VCC über den Korrekturwiderstand Rc. Die Spannung der Stromversorgungsklemme VCC ist proportional zu der Ausgangsspannung Vout und die Ausgangsspannung Vout ist so geregelt, dass sie eine konstante Spannung ist, so dass die Spannung der Stromversorgungsklemme VCC ebenfalls eine konstante Spannung ist. Da andererseits die Ausgangsspannung der Hilfswicklung Lb proportional zur Eingangsspannung V_IN ist, schwankt der Wert im Wesentlichen. Somit besteht das Problem, dass der Korrekturwiderstand Rc einen komplexen Effekt auf die Überstromerfassung hat.
Das heißt, dass die Überstromerfassung durch den Vergleich des Spannungssignals von der Stromerfassungs-Eingangsklemme IS mit einer bestimmten Referenzspannung durchgeführt wird; es ist jedoch schwierig, die Schaltungskonstanten dergestalt einzustellen, dass der Vergleich ein konstantes Ergebnis ergibt, ungeachtet des Wertes der Eingangsspannung V_IN. Der Grund dafür liegt darin, dass die Spannung der Hilfswicklung Lb, die proportional zu der Eingangsspannung V_IN ist, an ein Ende des Widerstands Rb angelegt wird, und dieser Widerstand Rb ist mit der Eingangsklemme IS parallel mit dem Korrekturwiderstand Rc verbunden, und an ein Ende desselben wird eine konstante Spannung (die Stromversorgungsspannung VCC der Stromversorgungssteuerschaltung 10, eine geregelte Spannung) angelegt, so dass beide das Stromerfassungssignal VIS beeinflussen und eine konstante Einstellung der Schaltungskonstanten schwierig ist.
Diese Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten Probleme vollzogen und es ist ihre Aufgabe, eine Schaltstromversorgungsvorrichtung zu schaffen, in welcher dann, wenn eine externe Korrekturschaltung hinzugefügt wird und die Schaltfrequenz während leichter Belastung von außen eingestellt wird, Verluste in der Korrekturschaltung im Vergleich zum Stand der Technik reduziert sind, und darüber hinaus die Einstellung möglich ist, ohne dass Überstrombegrenzung oder andere Kennwerte beeinflusst werden.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus Patentanspruch 1. Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Dabei sind auch andere Kombinationen von Merkmalen als in den Ansprüchen beansprucht möglich.
Zur Lösung der vorstehend genannten Probleme schafft diese Erfindung eine Schaltstromversorgungsvorrichtung, enthaltend: eine Gleichstromversorgung; einen Transformator, der Leistung in Übereinstimmung mit einer Spannungseinstellung an eine sekundärseitige Last anlegt; ein Schaltelement, das mit einer Primärwicklung des Transformators in Reihe geschaltet ist; eine Rückkopplungsschaltung, die an die Primärseite des Transformators ein Rückkopplungssignal ausgibt, das durch Verstärkung der Differenz zwischen der Spannungseinstellung und der an die Last ausgegebenen Spannung erhalten wird; eine Schaltstromversorgungssteuereinrichtung zur Durchführung einer Ein-/Aus-Steuerung des Schaltelements auf der Grundlage des Rückkopplungssignals; und eine Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen des Wertes des in dem Schaltelement fließenden Stroms als ein Spannungssignal mit einer Polarität, mit welchem mit zunehmendem Stromwert die Spannung relativ zu dem Referenzpotenzial der Schaltstromversorgungssteuereinrichtung reduziert wird, wobei die Gleichstromversorgung mit der Primärwicklung des Transformators verbunden ist, der Gleichspannungseingang von der Gleichstromversorgung durch das Schaltelement ein- und ausgeschaltet wird, um einen pulsierenden Strom zu erzeugen, und die gewünschte Ausgangsleistung in Übereinstimmung mit der Spannungseinstellung der Last zugeführt wird, wobei die Schaltstromversorgungssteuereinrichtung aufweist: eine Signaleingangsklemme zur Stromerfassung, an welcher das Spannungssignal eingegeben wird; einen Stromkomparator, der das Rückkopplungssignal von der Rückkopplungsschaltung mit dem Spannungssignal vergleicht; einen Schwingkreis, welcher dann, wenn die Belastung auf der Grundlage der Größe des Rückkopplungssignals als leicht beurteilt wird, die Betriebsfrequenz dergestalt absenkt, dass das Schaltintervall des Schaltelements verlängert wird; eine Steuerschaltung, die ein Steuersignal erzeugt, das eine Frequenz und eine Impulsbreite entsprechend der Betriebsfrequenz des Schwingkreises und dem Vergleichsergebnis des Stromkomparators hat, um das Schaltelement anzusteuern; und eine Ausgangsklemme, die das Steuersignal ausgibt, wobei die Schaltstromversorgungsvorrichtung ferner eine Korrekturschaltung enthält, die nur während Ein-Intervallen des Schaltelements arbeitet und die eine positive Offsetspannung an das von der Stromerfassungseinrichtung ausgegebene Spannungssignal anlegt.
In dieser Schaltstromversorgungsvorrichtung wird die Korrektur durchgeführt, indem zu dem zur Erfassung von Stromwerten verwendeten Spannungssignal durch die Korrekturschaltung nur während Intervallen, in welchen das Schaltsignal das Schaltelement einschaltet, ein Offset hinzugefügt wird.
Durch diese Erfindung treten in der Korrekturschaltung auftretende Verluste nur während Intervallen auf, in welchen das Steuersignal eingeschaltet ist, so dass im Vergleich zum Stand der Technik die Leistungsverluste reduziert werden können.
1 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
2 ist ein Blockschaltbild, das die Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß Aspekt 1 zeigt, die eine einen Widerstand verwendende Korrekturschaltung enthält;
3 zeigt Betriebswellenformen von Stromkomparator-Eingangssignalen in der Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 2;
4 ist ein Blockschaltbild, das die Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß Aspekt 2 zeigt, die eine einen Widerstand und einen Kondensator verwendende Korrekturschaltung enthält;
5 zeigt Betriebswellenformen von Stromkomparator-Eingangssignalen in der Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 4;
6 ist ein Blockschaltbild, das die Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß Aspekt 3 zeigt, die eine einen Kondensator verwendende Korrekturschaltung enthält;
7 ist ein Blockschaltbild, das die Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß Aspekt 4 zeigt, die eine einen Widerstand, einen Kondensator und eine Zenerdiode verwendende Korrekturschaltung enthält;
8 zeigt Betriebswellenformen von verschiedenen Abschnitten der Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 7;
9 ist ein Blockschaltbild, das die Steuerschaltung einer Quasiresonanz-Schaltstromversorgung zeigt, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-215316 (Absätze [0002] bis [0025], 4, 5) aufgezeigt ist;
10 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer Schaltstromversorgungsvorrichtung des positiven Erfassungstyps nach dem Stand der Technik zeigt;
11 zeigt die primärseitigen Stromwellenformen, die den verschiedenen Eingangsspannungen entsprechen;
12 zeigt Veränderungen des Induktorstroms während des Überstrombegrenzungsbetriebs in der Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 10;
13 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer Schaltstromversorgungsvorrichtung des negativen Erfassungstyps nach dem Stand der Technik zeigt;
14 zeigt die Konfiguration der Signalumkehrungsschaltung in der Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 13;
15 zeigt die Konfiguration der Pegelverschiebeschaltung in der Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 13; und
16 ist ein Signalwellenformdiagramm, das den Betrieb zur Korrektur des Stromerfassungssignals VIS in einer Schaltstromversorgungsvorrichtung erläutert.
Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Aspekt 1
1 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, und 2 ist ein Blockschaltbild, das die Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß Aspekt 1 zeigt, die eine einen Widerstand verwendende Korrekturschaltung enthält.
Zunächst wird die Schaltstromversorgungsvorrichtung, die wie in 2 dargestellt eine nur einen Widerstand R0 verwendende Korrekturschaltung 2 enthält, erläutert. Hier ist die Korrekturschaltung 2 als eine externe Schaltung mit der integrierten Schaltung IC verbunden.
Wie 2 zeigt, hat die die Stromversorgungssteuerschaltung (Stromversorgungssteuereinrichtung) enthaltende integrierte Schaltung IC einen Stromkomparator 17, der ein Rückkopplungssignal VFB von einer Rückkopplungsschaltung 25 mit einem Spannungssignal von einer Stromerfassungseingangsklemme IS vergleicht; einen spannungsgesteuerten Oszillator, welcher dann, wenn die Last auf der Grundlage der Größe des Rückkopplungssignals VFB als leichte Last beurteilt wird, die Betriebsfrequenz dergestalt absenkt, dass die Schaltintervalle des Schaltelements Q1 verlängert werden; und eine Flipflopschaltung 19, welche Steuersignale erzeugt, die eine Frequenz und Impulsbreite haben, die der Betriebsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 14 und dem Vergleichsergebnis des Stromkomparators 17 entsprechen, um das Schaltelement Q1 anzusteuern. Die Stromversorgungssteuerschaltung 10 hat ferner eine Signalumkehrungsschaltung 23 und eine Pegelverschiebeschaltung 24. Diese entsprechen den in 13 gezeigten, so dass auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet wird. Der Widerstand R0, der als Korrekturschaltung 2 dient, ist zwischen die Ausgangsklemme OUT der Stromversorgungssteuerschaltung 10 und die Signaleingangsklemme für die Stromerfassung IS geschaltet.
Ähnlich wie in 13 gezeigt, ist die Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 1 eine Schaltstromversorgungsvorrichtung des negativen Erfassungstyps. Andererseits unterscheidet sich die Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 13 insofern, als eine Korrekturschaltung 1 so angeschlossen ist, dass eine positive Offsetspannung an das von dem Abtastwiderstand Rs, welcher die Stromerfassungseinrichtung ist, ausgegebene Stromerfassungssignal VIS angelegt wird, und so konfiguriert ist, dass sie nur während Ein-Intervallen des Schaltelements Q1 arbeitet. Im Übrigen entspricht die Konfiguration der in Bezug auf 13 erläuterten; nachfolgend sind entsprechende Abschnitte mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und auf Erklärungen wird verzichtet. Als die Stromversorgungssteuerschaltung 10 selbst in 1 wird eine nach dem Stand der Technik konfigurierte integrierte Schaltung IC verwendet.
In dem Fall der in 2 gezeigten Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß Aspekt 1 fließt Strom in den Korrekturwiderstand R0 nur während Ein-Intervallen des Schaltelements Q1, das heißt nur während Intervallen, in welchen das von der Ausgangsklemme OUT ausgegebene Schaltsignal einen hohen Pegel hat, und während Aus-Intervallen fließt kein Strom. (Da genauer ausgedrückt das Potenzial an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen Rs und R0 während der Aus-Intervalle das Resultat der Teilung der Ausgangsspannung von der Hilfswicklung Lb durch die Widerstände Rb, Ra, Rs ist, fließt ein kleiner Strom, obgleich er geringer ist als der Strom während der Ein-Intervalle.) Folglich können im Vergleich zum Stand der Technik Verluste reduziert werden. Insbesondere ist das Einschaltzeitverhältnis und so kleiner, je leichter die Belastung ist, so dass Leistungsverluste durch in den Korrekturwiderstand R0 fließenden Strom weiter reduziert werden können.
3 zeigt Betriebswellenformen von Eingangssignalen in den Stromkomparator 17 in der Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 2.
In (A) der Fig. ist ein Stromerfassungssignal (Spannungssignal) während hoher Belastung gezeigt. Dieses Stromerfassungssignal ist ein Spannungssignal mit einer Polarität, das in Bezug auf ein Referenzpotenzial (in diesem Fall Erdpotenzial) der Schaltstromversorgungsvorrichtung abfällt, wenn der in dem Schaltelement Q1 fließende Strom zunimmt, und bei Erreichen der Beurteilungsreferenzspannung VFB3 des Stromkomparators 17 (gleich dem hypothetischen Signal VFB3 in der Erläuterung von 16) das Abschalten des Schaltelements Q1 veranlasst. Während des Moments, in welchem das Schaltsignal zum Einschalten des Schaltelements Q1 ausgegeben wurde, das Schaltelement Q1 jedoch noch nicht eingeschaltet wurde, beginnt die Korrektur des Stromerfassungssignals durch den Widerstand R0 und das Stromerfassungssignal nimmt einen positiven Wert an, aber wenn das Schaltelement einschaltet und ein Stromerfassungssignal mit einem großen absoluten Wert entsprechend der schweren Last auftritt, wird das korrigierte Stromerfassungssignal VIS in der Anfangsphase ein negatives Signal.
In (B) in 3 ist ein Stromerfassungssignal bei leichter Belastung dargestellt. Ähnlich wie bei (A) in der Fig. beginnt in dem Moment, in dem das Schaltelement Q1 eingeschaltet wird, die Korrektur des Stromerfassungssignals durch den Widerstand R0 und das Stromerfassungssignal VIS wird positiv. Da der absolute Wert des Stromerfassungssignals für eine leichte Belastung nicht groß ist, ist das Intervall, während dem das korrigierte Stromerfassungssignal VIS positiv ist, ein vergleichsweise längerer Anteil der Periode.
Hier ist nicht nur der absolute Wert der Beurteilungsreferenzspannung VFB3 klein, sondern das Schaltintervall T2 bei leichter Belastung ist im Vergleich zu dem Schaltintervall T1 bei schwerer Belastung lang.
Während Intervallen, in welchen das Schaltelement Q1 aus ist, findet keine Korrektur durch den Widerstand R0 statt, so dass das Stromerfassungssignal VIS auf Erdpotenzial (0 V) ist. Der Widerstandswert des Widerstands Rb ist höher als die Werte der anderen Widerstände R0, Ra, Rs, und der Effekt auf die Werte und den Verbrauch ist kleiner als bei anderen Widerständen, und so wird zur Vereinfachung der Erklärung der Effekt des Widerstands Rb ignoriert (ähnlich in 4 und 6 unten). Die Korrekturschaltung 1 muss keine externe Schaltung sein, sondern kann in die integrierte Schaltung IC eingeschlossen sein.
Aspekt 2
4 ist ein Blockschaltbild, das die Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß Aspekt 2 zeigt, welche eine Korrekturschaltung enthält, die einen Widerstand und einen Kondensator verwendet; 5 zeigt Betriebswellenformen von Eingangssignalen an den Stromkomparator 17 der Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 4.
Hier enthält die Korrekturschaltung 3 die Reihenschaltung des Widerstands R0 und des Kondensators C0. In diesem Fall wird die von dem Widerstand R0 und dem Kondensator C0 bestimmte Zeitkonstante kürzer gemacht als die in der Stromversorgungssteuerschaltung 10 eingestellte Schaltperiode T1.
In (A) in 5 ist das Stromerfassungssignal (Spannungssignal) während schwerer Belastung dargestellt; in (B) derselben Fig. ist das Stromerfassungssignal während leichter Belastung gezeigt. Wenn das Schaltelement Q1 eingeschaltet wird, wechselt das Schaltsignal von niedrig zu hoch, Strom fließt durch den Kondensator C0 und den Widerstand R0 der Korrekturschaltung 3 und ein Offset tritt in dem Stromerfassungssignal auf. Anschließend endet das Laden des Kondensators C0 und es fließt kein Strom mehr in der Korrekturschaltung 3. Aufgrund der Tatsache, dass nur ein Strom zum Laden des Kondensators C0 in der Korrekturschaltung 3 fließt (oder aus anderer Perspektive, da die Korrekturschaltung 3 eine Differenzierschaltung oder ein Hochpassfilter bildet), können auf diese Weise Leistungsverluste in der Korrekturschaltung 3, die während Ein-Intervallen der Steuersignals auftreten, weiter reduziert werden.
Die Überstromerfassung erfolgt durch Vergleich des durch die Korrekturschaltung 3 korrigierten Stromerfassungssignals VIS mit der Referenzspannung, die als Überlastschutz-Beurteilungs referenz (OLP) (Beurteilungsreferenzspannung Vth) dient; da jedoch während des Korrekturintervalls Tc der Korrekturschaltung 3 die Korrekturschaltung als eine Differenzierschaltung unmittelbar nach dem Einschalten des Schaltelements Q1 arbeitet, erfolgt keine Beeinflussung der Überstrombegrenzungsfunktion.
Aspekt 3
6 ist ein Blockschaltbild, das die Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß Aspekt 3 zeigt, in welcher die Korrekturschaltung in 1 einen Kondensator verwendet.
Wenn die Korrekturschaltung 4 nur einen Kondensator C0 enthält, ist der Betriebsablauf im Wesentlichen gleich wie bei der Korrekturschaltung 3, in welcher ein Widerstand R0 und ein Kondensator C0 in Reihe geschaltet sind. Der Grund dafür liegt darin, dass in der tatsächlichen Korrekturschaltung 4 parasitäre Widerstandskomponenten in der Schaltung sowie der Abtastwiderstand Rs oder die in Reihe geschalteten Widerstände Ra und Rb sowie andere Widerstandskomponenten im Betrieb einer Widerstandskomponente äquivalent sind.
In den Schaltstromversorgungsvorrichtungen gemäß Aspekt 2 und Aspekt 3, die vorstehend erörtert wurden, wird die Einschaltzeit während schwerer Belastung, wenn Überströme ein Problem darstellen können, verlängert, so dass mittels einer Konfiguration, die einen Kondensator C0 enthält, wie in den Korrekturschaltungen 3 und 4, die in 4 und 6 gezeigt sind, durch Einstellen der Zeitkonstante auf einen kürzeren Wert als die Einschaltzeit der Effekt der Korrekturschaltung 3 oder 4 eliminiert werden kann, bevor das Stromerfassungssignal die Beurteilungsreferenzspannung Vth erreicht. Als Resultat ist es nicht erforderlich, den Effekt der Korrekturschaltung 3 oder 4 in Bezug auf den Überstromerfassungspegel zu berücksichtigen, und nur die Widerstände Rs, Ra, Rb müssen berücksichtigt werden, so dass die Einstellung der Schaltungskonstanten vereinfacht ist. Der Fall einer Korrekturschaltung 2, die nur einen Widerstand R0 (2) enthält, wie in Aspekt 1, liegt jedoch anders.
Aspekt 4
7 ist ein Blockschaltbild, das die Schaltstromversorgungsvorrichtung gemäß Aspekt 4 zeigt, welche eine Korrekturschaltung enthält, die einen Widerstand, einen Kondensator und eine Zenerdiode verwendet.
Hier ist die Korrekturschaltung 5 aus dem Widerstand R0, dem Kondensator C0 und der Zenerdiode ZD0 gebildet. In diesem Fall ist es erwünscht, dass die durch den Widerstand R0 und den Kondensator C0 bestimmte Zeitkonstante annähernd auf den gleichen Wert eingestellt ist wie das in der Stromversorgungssteuerschaltung 10 eingestellte Schaltintervall T1; die Zeitkonstante kann jedoch länger als das Schaltintervall T1 sein. Die Zenerspannung VZD der Zenerdiode ZD0 ist niedriger eingestellt als der hohe Pegel des Ansteuersignals Q1, das von der Ausgangsklemme OUT ausgegeben wird.
8 zeigt Betriebswellenformen von verschiedenen Abschnitten der Schaltstromversorgungsvorrichtung aus 7.
Wie in (A) der Figur gezeigt, ändert sich dann, wenn das Schaltelement Q1 eingeschaltet wird, die Spannung des Schaltsignals von der Ausgangsklemme OUT der Stromversorgungssteuerschaltung 10 von niedrig auf hoch (Zeitpunkt t1). Dann fließt ähnlich wie im Fall der vorstehend beschriebenen Korrekturschaltung 3 (siehe 4) ein Strom IC0 durch den Widerstand R0 zu dem Kondensator C0 der Korrekturschaltung 5 und dieser Strom IC0 wird in der Mitte der Reihenschaltung aus den Widerständen Rs, Ra, Rb eingespeist, so dass ein Offset in dem Stromerfassungssignal VIS auftritt. Dann wird der Kondensator C0 geladen und die Spannung an einem Punkt A in 7 steigt an (siehe (B) in 8).
Wenn danach die Spannung am Punkt A die Zenerspannung VZD der Zenerdiode ZD0 erreicht, wird der in dem Widerstand R0 fließende Strom von dem Kondensator C0 zu der Zenerdiode ZD0 verschoben und fließt, wie in (C) in 8 gezeigt, nicht mehr in den Kondensator C0. Als Resultat tritt, wie in (D) in 8 gezeigt, nach dem Zeitpunkt t2, an dem der in den Widerstand R0 fließende Strom auf die Zenerdiode ZD0 verschoben wird, der Offset, der in dem Stromerfassungssignal VIS bedingt durch die Korrekturschaltung 5 vorhanden war, nicht länger auf.
Somit kann in Aspekt 4 durch Einstellung der Zenerspannung VZD der Zenerdiode ZD0 der Zeitpunkt, an dem der Offset in dem Stromerfassungssignal aufgrund der Korrekturschaltung 5 auftritt, frei eingestellt werden. Somit kann auch dann, wenn die durch den Widerstand R0 und den Kondensator C0 bestimmte Zeitkonstante so eingestellt wird, dass sie länger als das Schaltintervall T1 ist, durch geeignete Auswahl der Zenerspannung VZD das Intervall, in welchem ein Offset bedingt durch die Korrekturschaltung 5 auftritt, auf unmittelbar nach dem Einschalten des Schaltelements Q1 eingestellt werden, und als Resultat tritt keine Auswirkung auf die Überstrombegrenzungswirkung auf. Somit können im Vergleich mit der Korrekturschaltung 3 aus 4 der Widerstand R0 und der Kondensator C0 aus einem breiteren Bereich von Widerstandswerten oder Kapazitätswerten ausgewählt werden und die Einstellung wird einfacher.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2007-215316 [0002, 0002, 0003, 0009, 0063]
- JP 2003-299351 [0027, 0029]

Claims

Schaltstromversorgungsvorrichtung, enthaltend: eine Gleichstromversorgung; einen Transformator (T1), der Leistung entsprechend einer eingestellten Spannung an eine sekundärseitige Last anlegt; ein Schaltelement (Q1), das mit einer Primärwicklung (Lp) des Transformators (T1) in Reihe geschaltet ist; eine Rückkopplungsschaltung (25), die an die Primärseite des Transformators (T1) ein Rückkopplungssignal ausgibt, das durch Verstärkung der Differenz zwischen der eingestellten Spannung und der an die Last ausgegebenen Spannung erhalten wird; eine Schaltstromversorgungssteuereinrichtung (10) zur Durchführung einer Ein-/Aus-Steuerung des Schaltelements (Q1) auf der Grundlage des Rückkopplungssignals; und eine Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen des Wertes des in dem Schaltelement (Q1) fließenden Stroms als ein vorzeichenbehaftetes Spannungssignal, dessen Spannung mit zunehmendem Stromwert relativ zu dem Referenzpotenzial der Schaltstromversorgungssteuereinrichtung (10) abnimmt, wobei die Gleichstromversorgung mit der Primärwicklung (Lp) des Transformators (T1) verbunden ist, die Eingangsgleichspannung von der Gleichstromversorgung durch das Schaltelement (Q1) ein- und ausgeschaltet wird, um einen pulsierenden Strom zu erzeugen, und die gewünschte Ausgangsleistung entsprechend der eingestellten Spannung der Last zugeführt wird, wobei die Schaltstromversorgungssteuereinrichtung (10) aufweist: eine Signaleingangsklemme zur Stromerfassung, weicher der Wert des zum Schaltelement (Q1) fließenden Stroms als das Spannungssignal eingegeben wird; einen Stromkomparator (17), der das Rückkopplungssignal von der Rückkopplungsschaltung (25) mit dem Spannungssignal vergleicht; einen Schwingkreis, welcher dann, wenn die Belastung auf der Grundlage der Größe des Rückkopplungssignals als leicht beurteilt wird, die Betriebsfrequenz dergestalt absenkt, dass das Schaltintervall des Schaltelements (Q1) verlängert wird; eine Steuerschaltung (19), die ein Steuersignal erzeugt, das eine Frequenz entsprechend der Betriebsfrequenz des Schwingkreises und eine Impulsbreite entsprechend dem Vergleichsergebnis des Stromkomparators (17) hat, um das Schaltelement (Q1) anzusteuern; und eine Ausgangsklemme, die das Steuersignal ausgibt, wobei die Schaltstromversorgungsvorrichtung ferner eine Korrekturschaltung enthält, die nur während Ein-Intervallen des Schaltelements (Q1) arbeitet und die dem von der Stromerfassungseinrichtung ausgegebenen Spannungssignal eine positive Offsetspannung überlagert.
Schaltstromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung ein Widerstand ist, der zwischen der Ausgangsklemme und der Signaleingangsklemme zur Stromerfassung angeschlossen ist.
Schaltstromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung ein Kondensator ist, der zwischen der Ausgangsklemme und der Signaleingangsklemme zur Stromerfassung angeschlossen ist.
Schaltstromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung eine Reihenschaltung eines Widerstands und eines Kondensators ist, die zwischen der Ausgangsklemme und der Signaleingangsklemme zur Stromerfassung angeschlossen ist.
Schaltstromversorgungsvorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung in Bezug auf eine integrierte Schaltung, die die Schaltstromversorgungssteuereinrichtung (10) enthält, extern ist.
Schaltstromversorgungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung innerhalb einer integrierten Schaltung, die die Schaltstromversorgungssteuereinrichtung (10) enthält, integriert ist.
Schaltstromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator sowie einer Zenerdiode enthält, deren Kathode mit einem Verbindungspunkt zwischen einem Ende des Widerstands und einem Ende des Kondensators verbunden ist, das andere Ende des Widerstands mit der Ausgangsklemme verbunden ist, das andere Ende des Kondensators mit der Signaleingangsklemme zur Stromerfassung verbunden ist, und ferner die Anode der Zenerdiode mit dem Referenzpotenzial der Schaltstromversorgungssteuereinrichtung (10) verbunden ist.