DE3411524A1 - Flux converter switched-mode power supply - Google Patents
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Abstract
Description
Flußwandler-SchaltnetzteilForward converter switching power supply
Die Erfindung betrifft ein Flußwandler-Schaltnetzteil mit einem durch eine Regelschaltung gesteuerten Schalttransistor, der eine Primärwicklung eines Transformators periodisch mit einer Eingangsspannung beaufschlagt.The invention relates to a forward converter switched-mode power supply with a through a regulating circuit controlled switching transistor, which has a primary winding of a Transformer periodically applied with an input voltage.
Für die Stromversorgung typischer Digitalbaugruppen (z.B.For the power supply of typical digital assemblies (e.g.
Personalcomputer, Floppy-Disk) werden bei Spannungen von 5 und 12 V Ströme zwischen 3 und 20 A benötigt. Für diesen Verwendungszweck sind somit Sperrwandler-Schaltnetzteile ungeeignet, die zwar für höhere Ausgangsspannungen aber nur für Ströme bis ca. 2 A ausgelegt sind.Personal computer, floppy disk) are at voltages of 5 and 12 V Currents between 3 and 20 A are required. Flyback converter switch mode power supplies are therefore used for this purpose unsuitable, which for higher output voltages but only for currents up to approx. 2 A are designed.
Für den vorstehend genannten Anwendungszweck eignen sich die eingangs genannten Flußwandler-Schaltnetzteile, die aber bisher erheblich teurer als Sperrwandler-Netzteile sind, da sie einen wesentlich höheren Schaltungsaufwand benötigen. So sind beispielsweise eine eigene Spannungsversorgung für die Steuerungsschaltung und ein Oszillator zur Takterzeugung erforderlich.The at the outset are suitable for the purpose mentioned above called forward converter switched-mode power supplies, which, however, have so far been considerably more expensive than flyback converter power supplies are because they require a much higher circuit complexity. So are for example its own power supply for the control circuit and an oscillator Clock generation required.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein preiswertes Flußwandler-Schaltnetzteil anzugeben, das einen erheblich geringeren Aufwand an Bauteilen aufweist.The object of the invention is to provide an inexpensive forward converter switched-mode power supply indicate that has a significantly lower cost of components.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das eingangs angeführte Flußandler-Schaltnetzteil eine Schaltungsanordnung für eine Zeitschaltung besitzt, die neben der Einschaltzeit und Abmagnetisierzeit eine dritte Zeitperiode erzeugt, die mit dem Abschluß der Abmagnetisierung des Transformators anfängt.This object is achieved in that the initially Cited Flußandler switched-mode power supply a circuit arrangement for a timer has a third time period in addition to the switch-on time and demagnetization time which begins with the completion of the demagnetization of the transformer.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, daß ein Oszillator nicht mehr erforderlich ist. Ferner ist man durch die erfindungsgemäße dritte Schaltzeit nicht mehr darauf festgelegt, ein festfrequentes Tastverhältnis von mindestens 0,5 zu wählen. Dies ist sonst bei FluBwandler-Schaltnetzteilen erforderlich, da bei Tastverhältnissen kleiner als 0,5 der Transformator in die Sättigung gefahren wird und damit der Schalttransistor zerstört wird. Da die erfindungsgemäße dritte Zeitperiode erst nach Ablauf der Abmagnetisierung beginnt, ist unabhängig vom Tastverhältnis gewährleistet, daß der Transformator nicht mehr in die Sättigung gefahren werden kann.This has the advantage that there is no longer an oscillator is required. Furthermore, one is not through the third switching time according to the invention more committed to a fixed-frequency duty cycle of at least 0.5 Select. This is otherwise necessary with FluBwandler switched-mode power supplies, because of duty cycle less than 0.5 the transformer is driven into saturation and thus the switching transistor gets destroyed. Since the third time period according to the invention only after the demagnetization has elapsed starts, it is guaranteed regardless of the duty cycle that the transformer can no longer be driven into saturation.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen FluB-wandler-Schaltnetzteils sind in den Unteransprüchen angeführt und werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.Advantageous embodiments of the FluB converter switched-mode power supply according to the invention are listed in the subclaims and are based on the following exemplary embodiments explained in more detail.
In der dazugehörenden Zeichnung zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild, Fig. 2 ein Impulsdiagramm der Schaltung gemäß Fig. 1, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel und Fig. 4 ein Impulsdiagramm des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3.In the accompanying drawing, Fig. 1 shows a basic circuit diagram, FIG. 2 shows a pulse diagram of the circuit according to FIG. 1, FIG. 3 shows an exemplary embodiment and FIG. 4 shows a pulse diagram of the exemplary embodiment according to FIG. 3.
In der Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäusen Flußwandler-Schaltnetzteils dargestellt. Eine Netzwechselspannung U wird mit Hilfe eines Brückengleichrichters G gleichgerichtet und ergibt eine gleichgerichtete Eingangsspannung UE, die einen Kondensator CL auflädt.1 is a basic circuit diagram of the flux converter switched-mode power supply according to the invention shown. A mains alternating voltage U is generated with the help of a bridge rectifier G rectified and results in a rectified input voltage UE, the one Capacitor CL is charging.
Diese Eingangsspannung UE wird mit Hilfe eines Schalttransistors T periodisch an die Primärwicklung N 1 eines Transformators Tr gelegt. Die Steuerung des Transistors T erfolgt durch eine elektronische Steuerschaltung St.This input voltage UE is with the help of a switching transistor T periodically applied to the primary winding N 1 of a transformer Tr. The control of the transistor T is done by an electronic control circuit St.
Die an der Sekundärwicklung N 4 des Transformators Tr entstehende Spannung wird mit Hilfe der Dioden DA gleichgerichtet und ergibt die Spannung UE' die einer Drossel L zugeführt wird. Am Ausgang der Drossel L kann die durch den Kondensator CA gesiebte Ausgangsspannung UA abgegriffen werden.The arising at the secondary winding N 4 of the transformer Tr Voltage is rectified with the help of the diodes DA and results in the voltage UE ' which is fed to a throttle L. At the output of the throttle L can by the Capacitor CA filtered output voltage UA can be tapped.
Die gleichgerichtete Netzspannung UE wird während der Flußphase, d.h. während der Transistor T leitet, von der Primärwicklung N 4 transformiert.The rectified mains voltage UE is used during the flow phase, i.e. while the transistor T conducts, transformed by the primary winding N 4.
Der Transformator Tr weist weiterhin eine Entmagnetisierwicklung N 2 auf, womit die während der Flußphase im Transformatorkern aufgebaute Energie in der Sperrphase über die Diode D 1 in den Ladekondensator CL zurückgespeist wird. Die Windungszahl der Wicklung N 2 entspricht vorzugsweise derjenigen der Primärwicklung N 1, wodurch die Entmagnetisierzeit genauso lange wie die Flußzeit dauert.The transformer Tr also has a demagnetizing winding N 2, whereby the energy built up in the transformer core during the flow phase is converted into the blocking phase is fed back into the charging capacitor CL via the diode D 1. The number of turns of the winding N 2 preferably corresponds to that of the primary winding N 1, whereby the demagnetization time is as long as the flow time.
Der Transformator Tr weist ferner eine Versorgungswicklung N 3 auf, die die Betriebsspannung für die Steuerschaltung St während der Flußphase über die Diode D 3 liefert. In der Sperrphase wird das durch den Widerstand R und den Kondensator C gebildete RC-Glied aufgeladen mit dessen Hilfe die Schaltfrequenz erzeugt wird.The transformer Tr also has a supply winding N 3, the operating voltage for the control circuit St during the flow phase on the Diode D 3 supplies. In the blocking phase this is done by the resistor R and the capacitor C formed RC element charged with the help of which the switching frequency is generated.
Die Schaltfrequenz ist variabel und abhängig von der gleichgerichteten Netzspannung UE, der Ausgangsspannung UA dem Übersetzungsverhältnis Ü des Transformators Tr und der Zeitkonstante des RC-Gliedes. Die ersten drei Größen sind zum einen vorgegeben und erfordern zum anderen bei nichtlückendem Drosselstrom nur ein bestimmtes Tastverhältnis.The switching frequency is variable and depends on the rectified Mains voltage UE, the output voltage UA and the transformation ratio Ü of the transformer Tr and the time constant of the RC element. The first three sizes are given on the one hand and on the other hand only require a certain pulse duty factor if the inductor current is not discontinuous.
Somit wird die Schaltfrequenz allein durch die Zeitkonstante RC-Gliedes bestimmt und kann hiermit abgeglichen werden.Thus, the switching frequency is determined solely by the time constant of the RC element determined and can be compared with this.
Das Tastverhältnis selbst ist bei nicht lückendem (kontinuierlichen) Drossel strom in erster Näherung nur vom Verhältnis der Eingangsspannung UE zur Ausgangsspannung UA abhängig. Vernachläßigt man Diodenabfälle und ohmsche Verluste, so ergibt sich folgende Gleichung: UA = (tein/(tein + taus)) UE = UE' In der Fig. 2 sind die unterschiedlichen Spannungen sowie der Strom 1L durch die Drossel L dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß während der Abmagnetisierungszeit tab das RC-Glied über die Diode D 2 auf -11,3 V geklemmt wird.The duty cycle itself is with non-discontinuous (continuous) Choke current in a first approximation only from the ratio of the input voltage UE to Output voltage UA dependent. If you neglect diode drops and ohmic losses, this results in the following equation: UA = (tein / (tein + tus)) UE = UE 'In Fig. 2 the different voltages and the current 1L through the choke L are shown. It can be seen from this that the RC element is over during the demagnetization time tab the diode D 2 is clamped to -11.3 V.
Sobald die Energie im Transformator Tr abgebaut ist, geht die Spannung UN) auf Null zurück und der Kondensator C wird über den Widerstand R geladen. Der Nulldurchgang der Spannung URC wird von der Steuerschaltung St erkannt und bewirkt ein Durchschalten des Transistors T und damit eine neue Flußphase. Diese neue Flußphase ist also erst möglich, wenn der Transformator Tr keine magnetische Energie mehr hat. Es wird somit wirksam verhindert, daß der Transformatorkern durch eine Vormagnetisierung in die Sättigung gefahren wird, was zur Zerstörung des Schalttransistors T führen würde.As soon as the energy in the transformer Tr has been dissipated, the voltage goes off UN) back to zero and the capacitor C is charged via the resistor R. Of the The zero crossing of the voltage URC is recognized and effected by the control circuit St a through-connection of the transistor T and thus a new flow phase. This new flow phase is therefore only possible when the transformer Tr no longer has any magnetic energy Has. It is thus effectively prevented that the transformer core is caused by a bias is driven into saturation, which lead to the destruction of the switching transistor T. would.
Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß neben der Einschaltzeit tein und der Abmagnetisierungszeit tab eine dritte Zeitperiode tRC erzeugt wird, die mit dem Abschluß der Abmagnetisierung des Transformators Tr beginnt.From Fig. 2 it can be seen that in addition to the switch-on time tein and the demagnetization time tab a third time period tRC is generated, which with the completion of the demagnetization of the transformer Tr begins.
In der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem als Steuerschaltung St die integrierte Schaltung TDA 46 01 D verwendet wird, die beispielsweise im Prinzip in Siemens "Schaltbespiele", Ausgabe 1980/81, Seiten 194 bis 197 beschrieben ist.In Fig. 3, an embodiment is shown in which as Control circuit St the integrated circuit TDA 46 01 D used is, for example, in principle in Siemens "Schaltbespiele", edition 1980/81, Pages 194 to 197 is described.
Das Schaltnetzteil ist für eine Ausgangsspannung von 5 V und einen Ausgangsstrom von 10 A ausgelegt.The switching power supply is for an output voltage of 5 V and a Output current of 10 A.
Die Netzwechselspannung Us wird über das aus der Doppeldrossel Dr 1 und dem Kondensator C 1 bestehende Filter und den NTC-Widerstand dem Brückengleichrichter G zugeführt.The mains alternating voltage Us is obtained from the double choke Dr 1 and the capacitor C 1 existing filter and the NTC resistor to the bridge rectifier G supplied.
Der Schutzleiter SL ist über den Kondensator C 2 an die Schaltung angekoppelt.The protective conductor SL is connected to the circuit via the capacitor C 2 coupled.
Die gleichgerichtete Netzspannung lädt den Ladekondensator CL auf und wird durch den Schalttransistor T periodisch an die Primärwicklung N 1 des Transformators Tr gelegt. In diesem Strompfad ist eine Sicherung Si eingefügt.The rectified mains voltage charges the charging capacitor CL and is periodically passed through the switching transistor T to the primary winding N 1 of the transformer Door laid. A fuse Si is inserted in this current path.
In der Anlaufphase erfolgt die Spannungsversorgung der Steuerschaltung St über den Widerstand R 1 und den PTC-Widerstand. Im Regelbetrieb erfolgt die Spannungsversorgung durch die Wicklung N 3 über die Diode D 3.The control circuit is supplied with power in the start-up phase St through resistor R 1 and the PTC resistor. The power supply takes place in normal operation through winding N 3 through diode D 3.
Die Steuerschaltung St hat einen Regel eingang 2, der zur Erkennung des Nulldurchgangs der Schaltimpulse dient. An diesen Eingang wird die Spannung URC gelegt, die durch das Zeitschaltglied RC gebildet wird. Wie bei der Fig. 1 beschrieben ist, beginnt sich diese Spannung von einem negativen Wert ausgehend an aufzubauen, wenn die Abmagnetisierung des Transformators Tr abgeschlossen ist.The control circuit St has a rule input 2, which is used for detection the zero crossing of the switching pulses is used. The voltage is applied to this input URC placed, which is formed by the timer RC. As described for FIG. 1 this voltage starts to build up from a negative value, when the demagnetization of the transformer Tr is complete.
Die Regelung der sekundärseitigen Ausgangsspannung UA erfolgt mit Hilfe des Optokopplers OK, bei dem der Strom durch die Sendediode mittels des Regelverstärkers V geregelt wird. Mit dem Potentiometer P 2 kann der Regelpunkt eingestellt werden. Der Optokoppler OK ist über den Widerstand R 13 an den Regeleingang 3 der Steuerschaltung St gelegt.The secondary-side output voltage UA is regulated with Help the optocoupler OK, in which the current through the transmitter diode by means of the control amplifier V regulated will. With the potentiometer P 2 the control point can be set. The optocoupler OK is connected to the control input via resistor R 13 3 of the control circuit St placed.
Der Operationsverstärker OP übernimmt im Uberlastfall an Stelle des Regelverstärkers V die Regelung. Den Einsatzpunkt des Uberlastverstärkers bestimmt die Spannung am Eingang 2 des Operationsverstärkers OP. Sie wird mittels Spannungsteiler (R 14, P 1) aus der temperaturkompensierten Referenzspannung der Steuerschaltung St abgeleitet. Diese steht am Anschluß 4 von St zur Verfügung. Der Widerstand R 3 kompensiert den durch unterschiedliche Netzspannungen hervorgerufenen Fehler. Der andere Eingang des Operationsverstärkers OP liegt am Emitter des Schalttransistors T, wobei der Emitterwiderstand R 4 als Stromfühler eingesetzt ist. Da während der Flußphase der Ausgangsstrom im Transformator Tr im Verhältnis 1:Ü übersetzt wird, wird am Emitterwiderstand R 4 exakt der Ausgangsstrom erfaßt. Durch die angegebene Schaltung wird eine Zerstörung des Schalttransistors durch zu hohe Ströme verhindert.In the event of an overload, the operational amplifier OP takes over instead of the Control amplifier V the regulation. The point of use of the overload amplifier is determined the voltage at input 2 of the operational amplifier OP. It is made by means of a voltage divider (R 14, P 1) from the temperature-compensated reference voltage of the control circuit Derived from st. This is available at connection 4 of St. The resistance R 3 compensates for the error caused by different line voltages. The other input of the operational amplifier OP is at the emitter of the switching transistor T, the emitter resistor R 4 being used as a current sensor. Since during the Flow phase the output current in the transformer Tr is translated in the ratio 1: Ü, the output current is measured exactly at the emitter resistor R 4. Through the specified Circuit, destruction of the switching transistor by excessively high currents is prevented.
Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist über den Widerstand R 5 auf den Regel eingang 3 der Steuerschaltung St gelegt.The output of the operational amplifier OP is through the resistor R. 5 placed on the rule input 3 of the control circuit St.
Während der Impulszeit steuert der Anschluß 8 der Steuerschaltung St über den Widerstand R 2 und den Kondensator C 4 den Koppelkondensator C 3 an. Dieser Kondensator C 3 dient zur Potentialtrennung zwischen dem Transistor T und der Steuerschaltung St. Mit der Änderung des Widerstandes R 2 bzw. des Kondensators C 4 kann der Basisansteuerstrom des Schalttransistors T geändert werden.During the pulse time, the terminal 8 controls the control circuit St on the coupling capacitor C 3 via the resistor R 2 and the capacitor C 4. This capacitor C 3 is used to isolate the potential between the transistor T and of the control circuit St. With the change in the resistance R 2 or the capacitor C 4, the base drive current of the switching transistor T can be changed.
Das RC-Glied R 6/C 6 am Anschluß 4 der Steuerschaltung St bestimmt die maximale Spannung/Zeit-Fläche während der Einschaltzeit am Transformator. Damit wird eine Sättigung des Transformatorkerns verhindert.The RC element R 6 / C 6 at connection 4 of the control circuit St is determined the maximum voltage / time area during the switch-on time at the transformer. In order to saturation of the transformer core is prevented.
In der Fig. 4 ist der typische Spannungsverlauf an den vier Wicklungen N 1 bis N 4 des Transformators Tr dargestellt.4 shows the typical voltage curve on the four windings N 1 to N 4 of the transformer Tr shown.
Den Ausführungsbeispielen ist zu entnehmen, daß das erfindungsgemäße -Flußwandler-Schaltnetzteil als quasi freischwingende Schaltung ausgeführt ist und die Vorteile des nicht synchronisierten Sperrwandlers beinhaltet. Auf den sonst bei Flußwandlern benötigten Festoszillator kann verzichtet werden, wobei die Begrenzung des Regelvorganges durch das Tastverhältnis bestimmt wird. Hierdurch erzielt man einen Freiheitsgrad mehr bei der Regelung. Die Sättigung des Transformatorkerns und damit die Zerstörung des Schalttransistors wird in sicherer Weise verhindert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Steuerschaltung ST intern versorgt wird und somit auf eine externe Spannungsversorgung aus einem zusätzlichen Transformator oder einem verlustbehafteten Vorwiderstand verzichtet werden kann.It can be seen from the exemplary embodiments that the inventive -Flux converter switched-mode power supply is designed as a quasi free-running circuit and includes the advantages of the non-synchronized flyback converter. On the other Fixed oscillator required for flux converters can be dispensed with, whereby the limitation of the control process is determined by the duty cycle. This is how you achieve one more degree of freedom in regulation. The saturation of the transformer core and thus the destruction of the switching transistor is prevented in a safe manner. Another advantage is that the control circuit ST is supplied internally and thus to an external power supply from an additional transformer or a lossy series resistor can be dispensed with.
Dabei ist die Spannung an der Wicklung N 3 des Transformators Tr proportional zur Netzspannung, wodurch eine Unterspannung über die Versorgungsspannung erkannt wird, so daß die Steuerschaltung St abschaltet (Unterspannungsschutzschaltung).The voltage on the winding N 3 of the transformer Tr is proportional to the mains voltage, as a result of which an undervoltage is detected via the supply voltage so that the control circuit St switches off (undervoltage protection circuit).
Das erfindungsgemäße Flußwandler-Schaltnetzteil weist damit im Vergleich zur den bekannten Flußwandler-Schaltnetzteilen einen sehr geringen Aufwand an Bauteilen auf und bietet somit den Vorteil einer erheblichen Kostenreduzierung. Es ist kurzschluß-, überlast- und leerlaufsicher und hat bei Leerlauf nur eine Leistungsaufnahme von 3 W.The flux converter switched-mode power supply according to the invention thus has in comparison to the known forward converter switching power supplies a very low cost of components and thus offers the advantage of a considerable reduction in costs. It is short-circuit, overload and idling safe and has a power consumption of only 3 W.
Im folgenden ist eine bevorzugte Dimensionierung der Bauelemente des in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispieles angeführt: R 220 kOhm R 1 2,7 kOhm R 2 2,2 Ohm R 3 3,9 MOhm R4 1 Ohm R 5 1 kOhm R6 150 Ohm R 7 100 kOhm R 8 10 kOhm R 9 1,5 kOhm R 10 270 kOhm R 11 27 Ohm R 12 36 Ohm R 13 1 kOhm R 14 10 kOhm R 15 470 Ohm R 16 680 Ohm R 17 2,7 k0hm R 18 470 kOhm R 19 100 Ohm P 1 10 kOhm P 2 220 Ohm C 1 nF C 1 0,33 pF C 2 3,3 nF C 3 100 pF /16 V C 4 2,2 C 5 2,2 C6 4,7 nF C 7 100 µF / 25 V C 8 10 CL 150 µF / 385 V CA1 10000 µF / 10 V CA2 22 D 1 BA 159 D 2, D 3 1 N 4148 D 4 1 N 4007 DA BYS 28 T BU 508 A OK CNY 17 F1 V TL 431 OP TAB 1453 St TDA 4601 D Tr AZV 2225 L Drossel 150 µH Dr 1 Entstördrossel 2 x 27 mH Dr 2 Rohrkern 1 Wdg Dr 3 HF-Drossel 1,5 pH G C 2540 -B 250 - C 1000 NTC K 231 PTC J 29 Si 1,25 A - - Leerseite -The following is a preferred dimensioning of the components of the In the embodiment shown in Fig. 3 listed: R 220 kOhm R 1 2.7 kOhm R 2 2.2 Ohm R 3 3.9 MOhm R4 1 Ohm R 5 1 kOhm R6 150 Ohm R 7 100 kOhm R 8 10 kOhm R 9 1.5 kOhm R 10 270 kOhm R 11 27 Ohm R 12 36 Ohm R 13 1 kOhm R 14 10 kOhm R 15 470 ohms R 16 680 ohms R 17 2.7 kOhms R 18 470 kOhms R 19 100 ohms P 1 10 kOhms P 2 220 Ohm C 1 nF C 1 0.33 pF C 2 3.3 nF C 3 100 pF / 16 V C 4 2.2 C. 5 2.2 C6 4.7 nF C 7 100 µF / 25 V C 8 10 CL 150 µF / 385 V CA1 10000 µF / 10 V CA2 22 D 1 BA 159 D 2, D 3 1 N 4148 D 4 1 N 4007 DA BYS 28 T BU 508 A OK CNY 17 F1 V TL 431 OP TAB 1453 St TDA 4601 D Tr AZV 2225 L choke 150 µH Dr 1 suppression choke 2 x 27 mH Dr 2 tube core 1 turn Dr 3 HF choke 1.5 pH G C 2540 -B 250 - C 1000 NTC K 231 PTC J 29 Si 1.25 A - - blank page -
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- 1984-03-28 DE DE19843411524 patent/DE3411524A1/en active Granted
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Legal Events
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| 8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
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| 8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
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| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |