DE2903481A1 - Switching regulator current supply with voltage regulator - uses threshold voltage switching of control pulse FET switch w.r.t supply level, preventing overshoot - Google Patents
Switching regulator current supply with voltage regulator - uses threshold voltage switching of control pulse FET switch w.r.t supply level, preventing overshootInfo
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Abstract
Description
Stromversorgungsgeräte Power supplies
Die Erfindung betrifft ein nach dem Schaltreglerprinzip arbeitendes Stromversorgungsgerät mit einem eine Sollwert-Spannungsquelle enthaltenden Spannungsregler.The invention relates to a working according to the switching regulator principle Power supply device with a voltage regulator containing a setpoint voltage source.
Derartige Geräte werden für die verschiedensten Zwecke verwendet, z.B. zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers mit Niederspannung aus einem Wechselstromnetz. Dabei werden an die Konstanz der Ausgangsspannung bestimmte Anforderungen gestellt.Such devices are used for a wide variety of purposes, e.g. to supply a direct current consumer with low voltage from an alternating current network. Certain requirements are placed on the constancy of the output voltage.
Ein Gerät dieser Art ist in Fig. 1 dargestellt, wobei die Schaltelemente T1,C4,Rll,R12,R10,C3 und Di wegzudenken sind.A device of this type is shown in Fig. 1, the switching elements T1, C4, Rll, R12, R10, C3 and Di are unimaginable.
IC1 ist hier ein integrierter Schaltkreis, der in Abhängigkeit eines analogen Eingangssignals am Eingang 1 Impulse ST mit konstanter Frequenz liefert, die in ihrem Tastverhältnis veränderbar sind.IC1 is an integrated circuit here, which is dependent on a analog input signal at input 1 supplies pulses ST at a constant frequency, which can be changed in their duty cycle.
Diese Impulse ST dienen als Steuerimpulse zur Aussteuerung eines nicht dargestellten Schalttransistors, wie er an sich allgemein bekannt ist. Der Schalttransistor steuert wiederum ein Gerät, z.B. ein Netzgleichrichtergerät, eine Flußwandlerbaugruppe oder dergleichen derart, daß die Ausgangsspannung weitgehend konstantgehalten wird.These pulses ST serve as control pulses for modulating a not shown switching transistor, as it is generally known per se. The switching transistor in turn controls a device, e.g. a power rectifier device, a Flux converter assembly or the like such that the output voltage largely is kept constant.
Der integrierte Schaltkreis IC1 wird hier durch die Spannungen U und +Usp gespeist. Sein Eingang 1 ist über einen Widerstand R1 mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers IC2 verbunden, der ebenfalls durch die Spannungen -U und +Usp versorgt wird. Das Tastverhältnis der Impulse ST wird in Abhängigkeit von der am Eingang 1 des integrierten Schaltkreises IC1 liegenden Spannung verändert.The integrated circuit IC1 is here by the voltages U and + Usp fed. Its input 1 is connected to the output of a resistor R1 Operational amplifier IC2 connected, which is also through the voltages -U and + Usp is supplied. The duty cycle of the pulses ST is dependent on the am Input 1 of the integrated circuit IC1 lying voltage changed.
Der invertierende Eingang i des Operationsverstärkers IC2 ist über einen Widerstand R2 an einem ersten Spannungsteiler R3, R4 angeschlossen, dem ein Glättungskondensator C1 parallelgeschaltet ist. Dieser erste Spannungsteiler R3,R4 liegt an der von dem nicht dargestellten Speisegerät gelieferten Spannung +V/-V, die von dem erwähnten, nicht dargestellten Schalttransistor gesteuert wird.The inverting input i of operational amplifier IC2 is over a resistor R2 connected to a first voltage divider R3, R4, the one Smoothing capacitor C1 is connected in parallel. This first voltage divider R3, R4 is due to the voltage + V / -V supplied by the power supply (not shown), which is controlled by the switching transistor mentioned, not shown.
Der nicht invertierende Eingang ni des Operationsverstärkers IC2 ist über einen Widerstand R5 an einen zweiten Spannungsteiler R6, R7 angeschlossen, dem eine Zenerdiode ZD parallelgeschaltet ist.The non-inverting input ni of operational amplifier IC2 is connected to a second voltage divider R6, R7 via a resistor R5, which a Zener diode ZD is connected in parallel.
Dabei ist die Zenerdiode ZD über einen Widerstand R8 mit der Spannungsklemme +Usp verbunden. Der mit dem Eingang ni verbundene Abgriff am zweiten Spannungsteiler R6,R7 stellt die vorgegebene Sollwertspannung dar, die mit Hilfe des veränderbaren Widerstandes R7 einstellbar ist, während der mit dem Eingang i verbundene Abgriff am ersten Spannungsteiler R3,R4 die Verbraucher-Istspannung darstellt.The Zener diode ZD is connected to the voltage terminal via a resistor R8 + Usp connected. The tap connected to the input ni on the second voltage divider R6, R7 represent the specified setpoint voltage, which can be changed with the help of the Resistance R7 is adjustable, while the tap connected to input i at the first voltage divider R3, R4 represents the actual consumer voltage.
Der Operationsverstärker IC2 ist in dem dargestellten Beispiel mit der Reihenschaltung eines Widerstandes R9 und eines Kondensators C2 geschaltet. Diese Anordnung bedingt eine an sich bekannte PI-Beschaltung. Es ist aber selbstverständlich auch eine andere Beschaltung, wie z.B. eine PID-Beschaltung, möglich.The operational amplifier IC2 is included in the example shown the series connection of a resistor R9 and a capacitor C2. This arrangement requires a known PI circuit. But it goes without saying other wiring, such as a PID wiring, is also possible.
Wird dieses Gerät an das Netz angeschaltet, so läuft die Spannung -Usp/+Usp abhängig von den vorgeschalteten Siebgliedern hoch. In Abhängigkeit von dem Wert dieser Spannung wird der Ausgang 2 des integrierten Schaltkreises IC1 auf Low- oder High-Pegel gelegt, was in Bild 1 durch die Signalbilder E bzw. A dargestellt ist. Dieses am Ausgang 2 auftretende Signal wird durch das RC-Glied R12, C4 verzögert (R11 dient lediglich zur Entladung des Kondensators C4 bei Abschaltung des Netzes). Der integrierte Schaltkreis IC1 stellt nun abhängig vom Signal an seinem Eingang 1 Steuerimpulse ST bereit, mit denen der nicht dargestellte Schalttransistor angesteuert wird.If this device is connected to the mains, the voltage runs -Usp / + Usp depending on the upstream filter elements high. In dependence of the value of this voltage is output 2 of the integrated circuit IC1 Low or high level, which is shown in Figure 1 by the signal aspects E or A. is. This signal appearing at output 2 is delayed by the RC element R12, C4 (R11 only serves to discharge the capacitor C4 when the network is switched off). The integrated circuit IC1 is now dependent on the signal at its input 1 control pulses ST ready with which the switching transistor, not shown, is controlled will.
Der Operationsverstärker IC2 wird hier als Spannungsregler bezeichnet, da der Unterschied zwischen Sollwert und Istwert am Ausgang als Analogsignal zur Verfügung gestellt wird. Selbstverständlich kann auch in Kaskade ein Stromregler eingefügt werden. Im vorliegenden Fall ist der Istwert nun während des Hochlaufs der Ausgangsspannung -V/V grundsätzlich kleiner als der Sollwert. In der gezeigten Schaltung steht bis zum Erreichen der geforderten Ausgangsspannung am Ausgang des Operationsverstärkers IC2 ein positives Signal an. IC2 ist - bedingt durch die Eingangsspannungsdifferenz -voll übersteuert. Das positive Signal des Operationsverstärkers IC2 ist auf den Eingang 1 des integrierten Schaltkreises IC1 geschaltet. Dieses übersteuerte Signal veranlaßt den Schaltkreis IC1 dazu, Steuerimpulse ST zur Verfügung zu stellen, die eine maximale Ansteuerung des nicht dargestellten Schalttransistors bewirken.The operational amplifier IC2 is referred to here as a voltage regulator, because the difference between setpoint and actual value at the output as an analog signal for Is provided. A current regulator can of course also be cascaded inserted. In the present case, the actual value is now during run-up the output voltage -V / V is generally lower than the setpoint. In the shown The circuit stops until the required output voltage is reached at the Output of the operational amplifier IC2 to a positive signal. IC2 is - conditional Fully overridden by the input voltage difference. The positive signal of the Operational amplifier IC2 is on input 1 of the integrated circuit IC1 switched. This overdriven signal causes the circuit IC1 to generate control pulses ST to provide the maximum control of the not shown Cause switching transistor.
Das Maximum des Tastverhältnisses liegt für Schaltreglergeräte bei 50%.The maximum of the duty cycle is included for switching regulator devices 50%.
Erreicht nun die Ausgangsspannung den vorbestimmten Wert, >(o wird der Spannungsunterschied zwischen dem nicht invertierenden Eingang ni und dem invertierEenden Eingang i des Operationsverstärkers IC2 gleich Null, d.h. der als Spannungsregler arbeitende Operationsverstärker IC2 nimmt das Ausgangssignal zurück. Je nach Größe dieses analogen Ausgangssignals wird nun mittels des integrierten Schaltkreises IC1 das Steuersignal ST in der Impulsbreite verkleinert.If the output voltage now reaches the predetermined value,> (o becomes the voltage difference between the non-inverting input ni and the inverting ends Input i of the operational amplifier IC2 equals zero, i.e. that of the voltage regulator working operational amplifier IC2 takes back the output signal. Depending on size this analog output signal is now by means of the integrated circuit IC1 reduces the pulse width of the control signal ST.
Wie die Kurve A in Bild 2 zeigt, erfolgt mit der vorstehend beschriebenen Schaltung ein starkes Überschwingen der Ausgangsspannung.As curve A in Figure 2 shows, the above is done Circuit a strong overshoot of the output voltage.
Der integrierte Schaltkreis IC1 hat einen internen Tastweitenhochlauf, d.h. bei Freigabe der Steuerimpulse werden diese - ausgehend bis von nahezu Null - hin zur maximalen Impulsbreite stetig vergrößert.The integrated circuit IC1 has an internal range ramp-up, i.e. when the control pulses are released, they are - starting from almost zero - steadily increased towards the maximum pulse width.
Die Gesamtzeit für diesen sogenannten Tastweitenhochlauf wird bestimmt durch das RC-Glied R12/C4. Wird diese Zeitkonstante sehr groß gewählt, dann ist das überschwingen der Ausgangs spannung gering. Ein so langsam ausgelegtes Hochlaufen der Gerätespannung ist für die meisten Stromversorgungsgeräte aber nicht tragbar.The total time for this so-called range ramp-up is determined through the RC element R12 / C4. If this time constant is chosen to be very large, then the overshoot of the output voltage small amount. A slowly laid out one However, the device voltage does not run up for most power supply devices portable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein nach dem Schaltreglerprinzip arbeitendes Stromversorgungsgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem ein überschwingen der Ausgangsspannung vermieden ist, ohne daß ein untragbar langsames Hochlaufen der Gerätespannung in Kauf genommen werden muß. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an eine Eingangsklemme des Spannungsreglers ein Kondensator angeschaltet ist, dessen mit der genannten Eingangsklemme des Spannungs reglers verbundene Belegung über einen oder mehrere Widerstände an den den Spannungsregler betätigenden Pol der Sollwert-Spannungsquelle angeschlossen ist, daß die mit der genannten Eingangsklemme des Spannungs reglers verbundene Belegung des Kondensators über einen Schalter an eine Spannungsquelle anschaltbar ist, deren Spannung die Steuerimpulserzeugung sperrt oder freigibt, und daß eine von der Eingangsspannung des Stromversorgungsgerätes beeinflußte Vorrichtung vorgesehen ist, welche den Schalter im Durchlaßsinn beaufschlagt, solange die Eingangsspannung unterhalb eines Sollwertes liegt.The invention is based on the object of a switching regulator principle to create working power supply device of the type mentioned, in which an overshoot of the output voltage is avoided without an intolerably slow Raising the device voltage must be accepted. This is according to the invention achieved by connecting a capacitor to an input terminal of the voltage regulator is switched on, whose with the said input terminal of the voltage regulator connected assignment via one or more resistors to the voltage regulator actuating pole of the setpoint voltage source is connected that the with the called input terminal of the voltage regulator connected assignment of the capacitor can be connected via a switch to a voltage source, the voltage of which the Control pulse generation blocks or enables, and that one of the input voltage of the power supply device influenced device is provided, which the switch applied in the forward direction as long as the input voltage is below a setpoint lies.
Vorzugsweise ist der genannte Schalter ein Feldeffekttransistor.Preferably said switch is a field effect transistor.
Zweckmäßig ist die von der Eingangs spannung des Stromversorgungsgerätes beeinflußte Vorrichtung ein Steuerteil des Schaltreglers.The input voltage of the power supply device is useful affected device a control part of the switching regulator.
Dem Kondensator kann eine die Aufladung begrenzende Diode parallelgeschaltet sein.A charge-limiting diode can be connected in parallel with the capacitor be.
Vorzugsweise ist die Zeitkonstante des den Kondensator aufladenden Kreises größer als diejenige des Entladekreises.The time constant is preferably that which charges the capacitor Circle larger than that of the discharge circle.
Wie die Kurve B in Bild 2 erkennen läßt, ist mit der erfindungsgemäßen Maßnahme, die nur einen vergleichsweise geringen Schaltungsaufwand erfordert, eine weitgehend überschwingungsfreie Ausgangsspannung erreichbar.As the curve B in Figure 2 shows, is with the invention Measure that requires only a comparatively small amount of circuitry, a Output voltage largely free from overshoots can be achieved.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Bild 1: ein Schaltbild eines Gerätes, das die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthält, und Bild 2: grafische Darstellungen des Hochlaufens der Ausgangsspannung der beschriebenen Geräte.The invention is illustrated below with reference to the drawing using an exemplary embodiment explained in more detail. The drawing shows: Figure 1: a circuit diagram of a device, which contains the circuit arrangement according to the invention, and Figure 2: graphic representations the ramp-up of the output voltage of the devices described.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist zwischen den Null V-Anschluß und den nicht invertierenden Eingang ni des Operationsverstärkers IC2 ein Kondensator C3 geschaltet, dem eine Diode D1 parallelgeschaltet sein kann. Ferner ist der nicht invertierende Eingang ni des Operationsverstärkers IC2 über einen Widerstand R10 an den Drain-Anschluß D des Feldeffekttransistors T1 angeschlossen. Der Gate-Anschluß G des Feldeffekttransistors T1 liegt an der Speisespannung -Usp. Der Source-Anschluß S ist auf den Ausgang 2 des integrierten Schaltkreises IC1 geschaltet. Zwischen der Spannung -U und dem Ausgang 2 des integrierten Schaltkreises IC1 ist ein Kondensator C4 und ein Widerstand R11 in Parallelschaltung gelegt. Weiter ist der Ausgang 2 des integrierten Schaltkreises IC1 über einen Widerstand R12 an die positive Speisespannung+U gesp schaltet.In the circuit arrangement according to the invention, there is between zero V connection and the non-inverting input ni of the operational amplifier IC2 a capacitor C3 connected to which a diode D1 can be connected in parallel. Further is the non-inverting input ni of the operational amplifier IC2 via a Resistor R10 connected to the drain terminal D of the field effect transistor T1. The gate connection G of the field effect transistor T1 is connected to the supply voltage -Usp. The source connection S is connected to the output 2 of the integrated circuit IC1. Between the tension -U and output 2 of the integrated circuit IC1, a capacitor C4 and a resistor R11 are connected in parallel. Further the output 2 of the integrated circuit IC1 is on via a resistor R12 the positive supply voltage + U is switched on.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird erreicht, daß der Hochlauf mit einer kleinen Zeitkonstanten möglich ist, ohne daß ein Überschwingen auftritt (vergleiche Kurve B in Bild 2).With the circuit arrangement according to the invention it is achieved that the Start-up with a small time constant is possible without overshooting occurs (compare curve B in Figure 2).
Für den Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es ohne Bedeutung, ob der integrierte Schaltkreis IC1 einen internen Tastweitenhochlauf besitzt, oder ob er sofort nach der Netzzuschaltung die Steuerimpulse mit maximal möglicher Impulsbreite liefert.There is no need to use the circuit arrangement according to the invention Meaning whether the integrated circuit IC1 has an internal scanning range ramp-up owns, or whether he immediately after switching on the control pulses with a maximum possible pulse width.
Der Funktionsablauf der im Bild 1 dargestellten Schaltung ist folgender: Unmittelbar nach der Netzzuschaltung, wenn also der integrierte Schaltkreis IC1 mit einer geringen Steuersatz spannung -Usp/+Usp versorgt wird, ist die Klemme 2 des integrierten Schaltkreises IC1 leitend gegen die Spannung -U verbunden. Damit ist der Feldeffekttransistor Ti leitend. über den Widerstand RiO fließt der Diodenstrom der Diode D1. Der Kondensator C3 lädt sich auf die Diodendurchlaßspannung negativ auf. Damit ist der Einsatz eines Elektrolytkondensators möglich. Bei Verwendung eines bipolaren Kondensators C3 kann die Diode D1 weggelassen werden, in welchem Falle der Kondensator sich stärker negativ auflädt. Die Anordnung verharrt nun in diesem Zustand, bis die Steuersatzspannung einen von dem integrierten Schaltkreis IC1 vorbestimmten Wert erreicht. Die Ausgangsklemme 2 des integrierten Schaltkreises ICi wird dann gesperrt, wodurch die Sperrung des Feldeffekttransistors T1 bewirkt wird. Der Kondensator C3 wird über die Widerstände R8,R7,R5 positiv aufgeladen.The functional sequence of the circuit shown in Figure 1 is as follows: Immediately after the mains connection, i.e. when the integrated circuit IC1 is supplied with a low tax rate voltage -Usp / + Usp, terminal 2 of the integrated circuit IC1 conductively connected to the voltage -U. In order to the field effect transistor Ti is conductive. The diode current flows through the resistor RiO the diode D1. The capacitor C3 charges to the diode forward voltage negatively on. This enables the use of an electrolytic capacitor. Using of a bipolar capacitor C3, the diode D1 can be omitted in which Case of Capacitor charges itself more negatively. The order now remains in this state until the tax rate voltage is one of the integrated Circuit IC1 reached a predetermined value. The output terminal 2 of the integrated Circuit ICi is then blocked, thereby blocking the field effect transistor T1 is effected. The capacitor C3 is positively charged via the resistors R8, R7, R5.
Bestimmend ist dabei der Widerstand R5, da die anderen Widerstände verhältnismäßig niederohmig sind. Als Treiberspannung ist die Spannung an der Zenerdiode ZD anzusehen.Resistance R5 is decisive here, as the other resistances are relatively low resistance. The voltage at the Zener diode is used as the drive voltage To look at ZD.
Unabhängig vom eigentlichen Sollwert, der durch die Zenerspannung UZD vorgegeben ist, erhält der Spannungsregler (Operationsverstärker IC2) am nicht invertierenden Eingang ni einen Sollwert auf geschaltet, der gemäß einer e-Funktion von einer negativen Spannung hochläuft bis zu einem Wert, der durch die Zenerspannung UZD vorgegeben ist. Dies bedingt, daß der Spannungsregler (Operationsverstärker IC2) nun sofort, also auch bei der Zuschaltung, regelnd eingreift und nicht abrupt von einem Schaltzustand in den anderen springt. Letzteres würde ohne die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eintreten, was dann, bedingt durch die erforderlichen Beschaltungen des Operationsverstärkers - zu einem überschwingen der Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes führen würde.Regardless of the actual setpoint, which is generated by the Zener voltage UZD is specified, the voltage regulator (operational amplifier IC2) does not receive the inverting input ni switched to a setpoint value according to an exponential function increases from a negative voltage up to a value caused by the Zener voltage UZD is specified. This requires that the voltage regulator (operational amplifier IC2) now intervenes immediately, i.e. also when switching on, and not abruptly jumps from one switching state to the other. The latter would be without the inventive Circuit arrangement occur, which then, due to the necessary circuits of the operational amplifier - to an overshoot of the output voltage of the power supply device would lead.
Es sei noch bemerkt, daß bei jedem Netzausfall die Zuschaltung sofort wieder funktionsfähig ist, und zwar unabhängig vom zeitlichen Abstand dieser Störungen.It should be noted that with every power failure the connection is immediate is functional again, regardless of the time interval between these faults.
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