DE10258543A1

DE10258543A1 - Mehrfache Asynchrongleichrichtung für Schaltnetzteile

Info

Publication number: DE10258543A1
Application number: DE10258543A
Authority: DE
Inventors: Markus Rehm; Jose-Ignacio Rodriguez-Duran
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-14
Filing date: 2002-12-14
Publication date: 2004-07-15

Abstract

Schaltnetzteile, die mehrere(n) geregelte Gleichspannungen bereitstellen müssen, benötigen mehrere (n-1) Nachregelungen, was zu einem niedrigen Wirkungsgrad und höhere Kosten führt. DOLLAR A Um dies zu vermeiden, ist auf der Sekundärseite des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils eine "mehrfache Asynchrongleichrichtung" angebracht, siehe Figur 2, welche aus den Schaltern (T1-Tn) besteht, die über die Kontrollschaltungen (Control_1-Control_n) so gesteuert werden, daß die jeweiligen Ausschaltzeitpunkte der Schalter (T1-Tn) bestimmt werden, um damit die Ausgangsspannungen (Vout_1-Vout_n) oder Ströme (Iout_1-Iout_n) zu regeln. Das Schaltnetzteil arbeitet vorteilhafterweise als Resonanzwandler und enthält vorteilhafterweise eine Hilfswicklung (Ws_aux), deren positive Spannungsimpulse zum synchronen Einschalten der Schalter (T1-Tn) dient. DOLLAR A Die "mehrfache Asynchrongleichrichtung" eignet sich vorzugsweise zur Verwendung in Schaltnetzteilen, die mehrere geregelte niedrige Spannungen mit großen Strömen genau erzeugen müssen, so wie es z. B. bei Computern, Fernsehgeräten, Flachbildschirmen, Projektoren und allgemeinen Multimediageräten der Fall ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil, welches eine gleichgerichtete Eingangsspannung zerhackt und auf die Primärwicklung eines Transformators gibt, welcher mittels mehrerer Sekundärwicklungen die entsprechende Wechselspannung über Gleichrichter auf Glättungskondensatoren überträgt, um für ein Gerät die benötigten verschiedenen DC-Spannungen und Strömen bereitzustellen. Dabei ist es egal, um welche Art von Schaltnetzteil es sich handelt, ob z. B. Durchfluß-, Gegentakt- oder Resonanzwandler.
Solch ein Schaltnetzteil verändert Frequenz- oder Pulsweite oder beides, um die verschiedenen Ausgangsspannungen bei unterschiedlichen Bedingungen wie Eingangsspannung, Ausgangsströme, Temperatur oder Bauteiltoleranzen in bestimmten Grenzen zu halten. Genau genommen kann aber immer nur eine bestimmte Ausgangsspannung ausgeregelt werden. Für die anderen Ausgangsspannungen gibt es grundsätzlich keine Regelung.
Die Regelung übernimmt meist ein Netzteil-Controller-IC, welches einen Regelverstärker besitzt und Ausgangsspannungsänderungen in Frequenz- oder Pulsweite-Änderungen verwandelt.
Ein Gerät benötigt aber meistens mehrere präzise Spannungen, welche auch bei unterschiedlichen Bedingungen konstant bleiben müssen.
Deshalb werden herkömmlicherweise zusätzliche Regelsysteme, wie Längsregler oder DC/DC-Wandler hinter jede Ausgangsspannung zum Schaltnetzteil addiert, um die schwankende Ausgangsspannung in eine stabile Spannung zu wandeln. Siehe 1 „Herkömmliche Dioden-Gleichrichtung".
Dies hat große Nachteile wie zusätzlicher Bauteileaufwand, Verlustleistungerhöhung, zusätzlicher Aufwand für die Wärmeabführung durch Kühlkörper und Lüfter sowie höhere Kosten, Gewicht und Volumenbedarf.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die herkömmliche Schaltungskomplexität, welche zur Erzeugung mehrerer geregelter Ausgangsspannungen mit einem Schaltnetzteil erforderlich ist, zu vereinfachen und obige Nachteile zu vermindern.

Dieses Ziel ist durch die Erfindung erreicht, wie sie im 1. Anspruch spezifiziert ist. Vorteilhafte Entwicklungen der Erfindung sind in den nachfolgenden Ansprüchen spezifiziert.

Die Verwendung eines Synchrongleichrichters anstelle der Gleichrichterdioden ist bekannt. Synchrongleichrichter haben kleinere Durchlaßverluste und kleinere Durchlaßspannungsschwankungen bei großen Stromänderungen.

Ein Synchrongleichrichter besteht aus einem Schalter, meistens ein MOSFET, welcher während der positiven Spannungsphase der Sekundärwicklung eingeschaltet ist und den nachfolgenden Glättungskondensator lädt. Wird die Spannung der Sekundärwicklung negativ, wird der Schalter gesperrt. Man benötigt eine zusätzliche Schaltung, die die Logik und die Ansteuerung des Schalters übernimmt. Der Synchrongleichrichter bleibt eingeschaltet bis die Energie im Trafo entladen ist.

Der Aufwand einer Synchrongleichrichterschaltung ist wesentlich größer als einer Diodengleichrichtung, reduziert aber die Verluste deutlich, vor allem bei großen Strömen.

Wie bei der Diodengleichrichtung wird aber nur eine einzelne Ausgangsspannung vom Netzteil geregelt. Bei Netzspannungs- und Laststromänderungen schwanken die anderen Ausgangsspannung noch immer. Nachfolgende Regler sind deshalb weiterhin notwendig.

Neu ist die Idee, die Leitendzeit aller Synchrongleichrichter nach der Größe der entsprechenden Gleichspannung zu regeln. Wenn Energie aus dem Trafo auf die Sekundärseite übertragen werden soll, werden alle Synchrongleichrichter eingeschaltet. Der Ausschaltzeitpunkt jedes einzelnen Synchrongleichrichters wird nach entsprechender Ausgangsspannung bestimmt.

Wenn eine der Ausgangsspannung kleiner wird, wird der Synchrongleichrichter länger leitend gehalten, mehr Energie fließt vom Trafo auf den Glättungskondensator und die Spannung wir größer. Bei Erhöhung der Ausgangsspannung wird die Einschaltdauer des Synchrongleichrichters verkürzt und die Spannung wird kleiner.

Alle Ausgangsspannungen werden unabhängig voneinander stabil und brauchen nicht mit zusätzlichen Längsreglern oder DC/DC-Wandlern nachgeregelt werden, dies bedeutet: Volumeneinsparung, kleinere Verluste und weniger Kosten.

In Analogie zum Asynchronmotor, bei dem die Drehzahl unabhängig von der Netzfrequenz geregelt wird, wurde die Erfindung Asynchrongleichrichtung genannt, weil die gleichgerichtete Spannung unabhängig der Schaltfrequenz geregelt wird. Vorteilhafterweise wird diese Asynchrongleichrichtung mehrfach eingesetzt, um mehrere Ausgangsspannungen zu regeln.

Da moderne Geräte niedrige Spannungen mit großen Strömen benötigen und kleine Abmessungen haben müssen, werden oft schon Synchrongleichrichter eingesetzt. Die Umstellung zu mehrfachen Asynchrongleichrichtern wird dann ein geringer Aufwand und eliminiert alle nachfolgende Regelungen.

Es ist auch einfacher, jede einzelne Ausgangsspannung je nach Applikation auf unterschiedliche Werte zu festzulegen. Wenn z.B. als Verbraucher unterschiedliche Prozessoren eingesetzt werden (desktop oder laptop) dann kann der Wert der Spannung automatisch zwischen 3.3 Volt und 1.8 Volt eingestellt werden.

Die vorliegende Erfindung ist für viele Netzteiltypen geeignet (Durchfluß-, Gegentakt-, Resonanzwandler, etc.), ist jedoch vorteilhafter für Anwendungen, welche bei kleinen Ausgangsspannungen und hohen Strömen geringe Verluste und kleine Bauweise erfordern.

Es ist bekannt, daß kleinere Übertragungsverluste nur mit einer hohen Schaltfrequenz erreichbar sind. Eine hohe Schaltfrequenz kann verlustarm nur mit einer Topologie realisiert werden, die kleine Schaltverluste hat. Somit empfiehlt sich ein Resonanzwandler, am besten mit Halbbrücke, weil dadurch die MOSFETs nur die halbe Sperrspannung benötigen und der Trafo in beide Richtungen ausgesteuert wird, was dessen Baugröße minimiert. Die Ströme verteilen sich auf die beiden MOSFETs, was die Temperaturabführung erleichtert und auch die Verluste reduziert. Es gibt einige ICs, bei denen die Ansteuerung einer Halbbrücke integriert ist.

Auf der einen Seite kann der höchste Wirkungsgrad nur mit einem Serienresonanzwandler erzielt werden, auf der anderen Seite ergibt nur ein Parallelresonanzwandler eine breite Netzausregelung. Einen guten Kompromiß bekommt man mit der Kombination, also einem Serienparallelresonanzwandler.

Auch zur Erfüllung der PFC-Norm (EN61000.3.2) gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Am besten eignet sich für geringe Verluste und kleine Bauweise eine intrinsische Lösung.

Aus obigen Gründen wird die Erfindung „Mehrfache Asynchrongleichrichtung" am Beispiel eines hochfrequenten, einstufigen Serienparallelresonanzwandlers mit Halbbrücke und intrinsischer PFC vorgestellt, welcher mit einer Schaltfrequenz bis zu 1MHz und einem hohen Wirkungsgrad mehrere geregelte kleine Ausgangsspannungen mit großen Strömen erzeugt.

1 zeigt einen Resonanzwandler mit herkömmlicher standard Brückengleichrichtung (Rs1 – Rsn) auf der Sekundärseite.

Die Eingangsspannung Vac (90 – 264 Vac) gelangt über das Netzfilter und den Netzgleichrichter Rp1 auf die PFC-Schaltung, welche dafür sorgt, daß die Norm EN61000.3.2 erfüllt wird.

Auf dem Speicherkondensator (Cp1) wird die gleichgerichtete Spannung geglättet.

Der Resonanzkreis besteht aus den Serienresonanzkondensatoren Cser1 und Cser2, der Resonanzspule Lres und den Parallelresonanzkondensatoren, die je nach Bedarf an die verschiedenen Trafowicklungen geschaltet sind aber in der 1 als äquivalenter Kondensator (Cpar) auf der Primärseite zusammengefaßt sind.

Im Resonanzkreis liegt der Trafo Tr, der durch die magnetische Kopplung die Spannung von der Primärwicklung Wp je nach Windungsverhältnis auf die verschiedenen Sekundärwicklungen (Ws_1 – Ws_n) überträgt.

Bestromt wird die Schaltung von der Halbbrücke, welche aus den Schaltern Tp1 und Tp2 besteht. Die Halbbrücke wird durch einem Treiber geschaltet, welcher widerum von der Steuerung gesteuert wird.

Die Steuerung besteht meistens aus einer Integrierten Schaltung, welche auch andere Funktionen wie z. B. Anlauf, Kurzschlußüberwachung und Fehlerverstärker beinhaltet. Der Fehlerverstärker verstärkt die Abweichung der zu regelnden Spannung vom Sollwert und erzwingt eine Änderung der Schaltfrequenz, um dieser Abweichung entgegen zu wirken.

Mit der Hilfswicklung Wp_aux wird eine Spannung erzeugt, welche für die verlustarme Versorgung der Primärseite nach dem Anlauf zur Verfügung steht. Teilweise wird diese Spannung auch für eine Primärregelung benutzt.

Die Spannung am Glättungskondensator Csn wird über eine Schaltung (Regelung) auf die Primärseite geführt und auf die Steuerung gegeben, die die Schaltfrequenz so variiert, daß die Spannung an Csn auf einen konstanten Wert geregelt wird. Die Spannungen an den anderen Glättungskondensatoren Cs1 und Cs2 sind nicht geregelt und variieren je nach Kopplung der entsprechenden Wicklungen des Trafos Tr, der Lastströme, etc.

Da die meisten Geräte aber stabile Versorgungsspannungen benötigen, müssen diese anderen Spannungen an Cs1 und Cs2 zusätzlich geregelt werden, was über nachgeschaltete Längsregler oder DC/DC-Wandler realisiert werden kann. Die Spannungen Vout_1 an Cout_1 und Vout_2 an Cout_2 sind dann stabil, es gibt aber folgende Nachteile:

– Bei einem Längsregler fallen hohe Leistungsverluste an, die den Wirkungsgrad verschlechtern und als Wärme abgeführt werden müssen. Außerdem verursachen sie zusätzliche Kosten, benötigen zusätzlichen Platz und eine aufwendige Montage.
– Ein DC/DC-Wandler hat zwar einen höheren Wirkungsgrad als ein Längsregler, ist dafür aber noch teurer. Da er mit einer Frequenz getaktet wird, die unterschiedlich zur Schaltfrequenz des Schaltnetzteils ist, ergeben sich zusätzliche Störungen, die spezifische EMV-Maßnahmen benötigen.

Benötigt ein Gerät mehrere stabile Versorgungsspannungen, so müssen entsprechend auch mehrere zusätzliche Regler eingebaut werden.

2 zeigt einen beispielhaften Resonanzwandler, an dem die vorliegende Erfindung dargestellt wird. Die Betriebsspannung an dem Kondensator Cp1 wird über die gleichgerichtete Netzspannung und einer PFC-Schaltung erzeugt, kann aber auch von einer batteriegespeisten Gleichspannung kommen.

Der Regelkreis kann folgendermaßen beschrieben werden: Änderungen auf jeder Sekundärwicklung verändern über die Kopplung des Trafos die gleichgerichtete Spannung, die von der Hilfswicklung Wp_aux erzeugt wird. Diese gleichgerichtete Spannung gelangt auf das Netzteil-Controller-IC (Steuerung) und bestimmt damit die Schaltfrequenz des Schaltnetzteiles. Damit wird das Tastverhältnis jeder Sekundärwicklung geändert und die Asynchrongleichrichter bestimmen dann über die entsprechende Ausschaltzeitpunkte die jeweilige Ausgangsspannung.

Die Erfindung „Mehrfache Asynchrongleichrichtung" soll erst einmal an einem Asynchrongleichrichter beschrieben werden: er besteht aus dem Schalter (T1), der entsprechend der Schaltfrequenz schnell geschalten werden muß. Vorteilhafterweise eignet sich dafür ein MOS-Feldeffekttransistor. Der Schalter wird von einer Kontrollschaltung (Control_1) gesteuert. Das Einschalten des Schalters erfolgt über einen Impuls, welcher aus einer sekundärseitigen Hilfswicklung (Ws_aux) gewonnen wird. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Synchrongleichrichter wird der Schalter T1 durch die Kontrollschaltung (Control_1) ausgeschaltet, aber nicht abhängig von dem Magnetisierungszustand des Trafos Tr, sondern in Abhängigkeit der entsprechenden Ausgangsspannung (Vout_1) bzw. Ausgangsstrom (Iout_1) gesteuert. Dabei wird die Leitendzeit des Schalters (T1) verlängert, wenn die Ausgangsspannung zu klein ist und verkürzt, wenn sie zu groß ist. Somit kann die Ausgangsspannung verändert werden ohne die Regelinformation von der Sekundärseite auf die Primärseite übertragen zu müssen und ohne daß ein nachfolgender Längsregler erforderlich ist.

Das Strommeßelement Isens_1 hilft in bestimmten Fällen, die Kontrollschaltung (Control_1) des geregelten Synchrongleichrichters zu stabilisieren.

Um eine möglichst große Energieübertragung in einen bestimmten Kondensator (z. B. Cout_1) zu bekommen, muß der Schalter (T1) so lange leiten, bis der Trafo (Tr) entmagnetisiert ist und der Strom zu Null wird. Wenn der Schalter (T1) weiter leitet, fließt Strom vom Kondensator (Cout_1) in die Wicklung (Ws_1) zurück und führt zu einer Trafomagnetisierung. Diese Energie kann von der Primärseite oder einer anderen Sekundärwicklung entnommen werden.

Mit dieser Möglichkeit kann vorteilhafterweise der Regelbereich des gesamten Netzteiles verbessert werden. Wenn eine der Ausgangsspannungen zu wenig Energie benötigt, vermeidet diese Energieverschiebung deren Überhöhung. Im Gegensatz dazu müssen herkömmliche Netzteile bei kleiner Last in andere Betriebszustände gehen, was mit zusätzlichem Aufwand verbunden ist.

Die Erfindung „Mehrfache Asynchrongleichrichtung" besteht aus mehreren Asynchrongleichrichtern. Man kann beliebig viele geregelte Asynchrongleichrichter auf der Sekundärseite betreiben, die alle nach der gleichen Methode funktionieren. Der Einschaltimpuls der Schalter (T1 – Tn) kommt von der sekundären Hilfswicklung (Ws_aux), die Ausschaltimpulse werden durch die Kontrollschaltungen (Control_1 – Control_n) unabhängig vom Energieinhalt der entsprechenden Trafowicklung (Ws_1 – Ws_n) erzeugt, wie in Anspruch 1 spezifiziert. Die Ausschaltimpulse können in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung erzeugt werden, siehe Anspruch 2, womit eine Spannungsregelung erzielt wird. Die Ausschaltimpulse können auch in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom erzeugt werden, siehe Anspruch 3, womit eine Stromregelung erzielt wird.

Wenn keine enge Toleranzen erforderlich sind, können zusammen mit den mehrfachen Asynchrongleichrichtern auch herkömmliche Gleichrichtungen verwendet werden.

Claims

Schaltnetzteil mit einem Transformator (Tr) mit mehreren Sekundärwicklungen (Ws_1 –Ws_n) zur Erzeugung mehrerer sekundärseitigen Ausgangsspannungen (Vout_1 –Vout_n), dadurch gekennzeichnet, daß im Strompfad jeder einzelnen sekundärseitigen Wicklung (Ws_1 –Ws_n) ein Schalter (T1 –Tn) im Sinne einer Gleichrichtung angeordnet ist, der von einer Kontrollschaltung (Control_1 –Control_n) gesteuert wird, um den Ausschaltzeitpunkt dieses Schalters (T1 –Tn) unabhängig von dem Magnetisierungszustand des Transformators (Tr) zu bestimmen.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschaltzeitpunkt der Schalter (T1 – Tn) abhängig von der jeweils entsprechenden Ausgangsspannung (Vout_1 – Vout_n) ist, um geregelte Ausgangsspannungen zu erzeugen.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschaltzeitpunkt der Schalter (T1 – Tn) abhängig von dem jeweiligen entsprechenden Strom (Iout_1 – Iout_n) ist, um geregelte oder konstante Ausgangsströme zu erzeugen.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strompfad jeder Sekundärwicklung (Ws_1 – Ws_n) ein Strommeßelement (Isens_1 – Isens_n) angeordnet ist, welches über die Steuerschaltung (Control_1 – Control_n) den Ausschaltzeitpunkt des entsprechenden Schalters (T1 – Tn) mit bestimmt.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator eine sekundärseitige Hilfswicklung (Ws_aux) enthält, die über die Steuerschaltungen (Control_1 – Control_n) das Einschalten aller Schalter (T1 – Tn) mit dem Einschalten von Tp1 und dem Einschalten von Tp2 synchronisiert.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (T1 – Tn) MOS-Transistoren sind.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strommeßelement (Isens_1 – Isens_n) ein zweiter Transformator ist, der eine niedrigohmige Wicklung enthält, die im Strompfad der entsprechenden Wicklung (Ws_1 – Ws_n) liegt und eine zweite Wicklung aufweist, welche ein Abbild des durch die niedrigohmige Wicklung fließenden Stromes generiert.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schalter (T1 – Tn) so lange eingeschaltet wird, so daß der Strom durch die entsprechende Wicklung (Ws_1 – Ws_n) in Umkehrrichtung fließen kann, um den entsprechenden Kondensator (Cout_1 – Cout_n) zu entladen, so daß die Ausgangsspannung (Vout_1 – Vout_n) reduziert wird.