DE3713541A1 - Kombinierter sekundaerschaltregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sekundärschaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Sekundärschaltregler dienen zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung aus einer ungeregelten Eingangsspannung, wobei zwischen dem Eingang und dem Ausgang im Unterschied zu den primärgetakteten Schaltnetzteilen keine Potentialtrennung besteht. Sekundärschaltregler können als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller konzipiert sein. Beim erstgenannten ist die Ausgangsspannung höher, beim Tiefsetzsteller ist die Aus­ gangsspannung niedriger als die jeweils anliegende Eingangs­ spannung.

Aufbau und Wirkungsweise von Sekundärschaltreglern, insbesondere der beiden Ausführungsformen als Hochsetz- bzw. Tiefsetzsteller sind in dem Buch "Halbleiterschaltungstechnik" von Tietze und Schenk, 5. Auflage, Kapitel 16.5.1 beschrieben.

Streut die Eingangsgleichspannung in einem weiten Toleranz­ feld um den Wert der Ausgangsspannung oder soll die Eingangs­ spannung in eine Ausgangsgleichspannung derart umgesetzt wer­ den, daß die Eingangsspannung zur Ausgangsspannung sowohl einen höheren als auch einen tieferen Wert aufweisen kann, so ist es aus der DE-OS 19 05 369 bekannt, Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller zu kombinieren. Die Steuerung eines jeden der beiden Halbleiterschalter erfolgt dabei über eine ihm zu­ geordnete, für sich bekannte Einrichtung mit einem festen oder unterschiedlich einstellbaren Tastverhältnis, so daß die erzielbare Größe der Ausgangsspannung entweder größer, gleich oder kleiner als die Eingangsspannung ist.

Dabei kann für beide Halbleiterschalter eine gemeinsame Takt­ frequenz und die Gleichhaltung der Einschaltzeitpunkte ange­ wandt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer ungeregelten Eingangsgleichspannung in eine geregelte Ausgangsgleichspannung unter Verwendung eines als kombinierten Hoch/Tiefsetzsteller konzipierten Sekundärschalt­ reglers anzugeben, die kostengünstig herstellbar ist und die nur eine geringe Störleistung entwickelt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch eine parallel zur Speicherdrossel liegende Abfrageschaltung wird sichergestellt, daß der Strom durch die Speicherdrossel erst wieder nach dem Abmagnetisieren der Drossel eingeschaltet wird. Da somit die beiden Halbleiterschalter und die Dioden im stromlosen Zustand geschaltet werden, entsteht nur eine ge­ ringe Störleistung und die gesamte Schaltungsanordnung arbeitet sehr störarm.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß für beide Halbleiterschalter (Schalttransistoren) eine gemeinsame Trei­ berschaltung verwendet wird und dadurch eine Verlustleistungs­ reduzierung gegenüber konventionellen Treiberschaltungen er­ reicht wird.

Eine Eingangsspannungsüberwachung, welche bei zu niedriger Eingangsspannung den gesamten Wandler abschaltet, bietet einen sicheren Schutz vor dem möglichen Absinken der Ein­ gangsspannung auf Werte, die weit unterhalb der zulässigen Minimalspannung liegen und die zur unzulässigen Erhöhung des zu schaltenden Eingangsstromes führen würde.

Bei Unterschreiten einer wählbaren Schwelle wird der Sollwert der Regelschaltung reduziert und zugleich wird auch ein sog. Softstart erreicht. Eine solche Ausgangsüberwachungsschaltung hat den Vorteil, daß der Wandler dadurch absolut kurzschluß­ fest und bedingt auch überlastfest wird. Damit ergibt sich im Kurzschlußfall eine geringere thermische Belastung als bei Vollast.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen kombinierten Sekundärschaltregler als Hoch-/Tief­ setzsteller,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der für einen solchen Sekundärschalt­ regler eingesetzten Regelschaltung,

Fig. 3 eine Abfrageschaltung für den Strom durch die Speicher­ drossel,

Fig. 4 eine Treiberschaltung für die Schalttransistoren,

Fig. 5 eine Schaltung für die Eingangsspannungsüberwachung und

Fig. 6 eine Schaltung für die Ausgangsspannungsüberwachung.

Der in Fig. 1 dargestellte Sekundärschaltregler weist zwei Ein­ gangsklemmen E 1 und E 2 auf, an denen eine ungeregelte Eingangs­ gleichspannung UE anliegt, sowie Ausgangsklemmen A 1, A 2, an denen eine geregelte Ausgangsgleichspannung UA abgreifbar ist. Die Eingangsklemme E 2 und die Ausgangsklemme A 2 sind miteinander verbunden und bilden ein Bezugspotential OV. Die Eingangsklemme E 1 ist über die Kollektor-Emitterstrecke eines ersten Halbleiter­ schalters, z. B. eines Schalttransistors V 1, über eine als Speicher­ drossel dienende Induktivität L 2 und weiter über eine in Fluß­ richtung gepolte Diode V 21 mit der Ausgangsklemme A 1 verbunden. Die Anode der Diode V 21 ist über die Kollektor-Emitterstrecke eines weiteren Halbleiterschalters, z. B. ebenfalls eines Schalt­ transistors V 2 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Zwischen den Ausgangsklemmen A 1 und A 2 ist ein Glättungskondensator C 8 geschaltet. Der Emitteranschluß des Schalttransistors V 1 ist über eine in Sperrichtung gepolte Freilaufdiode V 11 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Eine Regelschaltung RS, die u. a. zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung UA dient, ist sowohl mit der Eingangsspannung UE als auch mit der Ausgangs­ spannung UA und dem Bezugspotential OV verbunden. Außerdem sind noch eine Referenzspannung UREF und die Spannung UL an der Induktivität L 2 als Eingangsgrößen für die Regelschaltung RS vorhanden. Als Ausgangsgröße der Regelschaltung RS sind die Treibersignale UT 1 und UT 2 mit den Basisanschlüssen der jeweiligen Schalttransistoren V 1 und V 2 verbunden. Ferner sind die Spannungen UCE 1 und UCE 2 an den Kollektor-Emitterstrecken der beiden Schalttransistoren V 1 und V 2, sowie die Spannungen UV 11 und UV 21 an den Dioden V 11 und V 21 eingezeichnet. Der Strom durch die Induktivität L 2 ist mit IL bezeichnet.

Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der in der Schaltungsan­ ordnung nach Fig. 1 eingesetzten Regelschaltung RS. Diese Regel­ schaltung RS beinhaltet einen Soll/Istwertvergleicher SIV, eine Eingangsspannungsüberwachungsschaltung ESÜ, eine Ausgangs­ spannungsüberwachung ASÜ, eine Abfrageschaltung AFS und eine Treiberschaltung TRS. Der Soll/Istwertvergleicher SIV, an dem die Referenzspannung UREF und die Ausgangsspannung UA als Eingangsgrößen anliegen, gibt ein Regelsignal, nämlich eine Treiberspannung UT ab. Parallel zum Soll/Istwertvergleicher SIV ist die Ausgangsspannungsüberwachung ASÜ geschaltet. An der Ein­ gangsspannungsüberwachung ESÜ liegt die Eingangsspannung UE und die Referenzspannung UREF an. Am Ausgang der Eingangsspannungs­ überwachung ESÜ ist die Treiberspannung UT abgreifbar. Am Ein­ gang der Abfrageschaltung AFS liegt die an der Induktivität L 2 abfallende Spannung UL und die Referenzspannung UREF an. Die Referenzspannung UREF bildet zusammen mit der Treiberspannung UT die Eingangsgrößen für die Treiberschaltung TRS, die zwei Trei­ bersignale UT 1 und UT 2 zum Schalten der beiden Schalttransi­ storen V 1 und V 2 abgibt.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der einzelnen, in der Regelschaltung RS enthaltenen Schaltungskomponenten näher dar­ gestellt.

Dabei zeigt die Fig. 3 die parallel zur Induktivität L 2 lie­ gende Abfrageschaltung AFS für den durch die Induktivität L 2 fließenden Strom IL. Der eingangsseitige Anschluß der Induktivität L 2 ist über eine Serienschaltung, bestehend aus den Widerständen R 15 und R 16 mit dem Bezugspotential OV verbunden. In die Verbindungsleitung der beiden Widerstände R 15, R 16 ist sowohl über einen weiteren Widerstand R 14 die Refe­ renzspannung UREF als auch ein nichtinvertierender Eingang 5 eines als Komparator arbeitenden Operationsverstärkers N 1 angeschaltet. Der ausgangsseitige Anschluß der Induktivität L 2 ist ebenfalls über eine Reihenschaltung von Widerständen R 17 und R 18 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Zwischen diesen beiden Widerständen R 17, R 18 ist ein invertierender Eingang 4 des Operationsverstärkers N 1 angeschaltet. Am Ausgang 2 des Operationsverstärkers N 1 liegt die Treiberspannung UT an. Ein Widerstand R 44, der zwischen dem Ausgang 2 des Operationsver­ stärkers N 1 und dem nicht invertierenden Eingang 5 liegt, bildet eine leichte Mitkopplung zur Verbesserung des Schaltverhaltens. Die Widerstände R 15 bis R 18 bilden zwei Spannungsteiler, welche die Spannung UL an der Induktivität L 2 auf geeignete Ein­ gangswerte für den Komparator N 1 herabsetzen. Die Referenz­ spannung UREF dient zur Kompensation der Eingangs-Offset­ spannung des Operationsverstärkers N 1. So lange der Strom IL in der Induktivität L 2 ansteigt, d. h. di _L /dt größer Null ist, liegt der Ausgang 2 des Komparators N 1 auf "High"-Potential und die Treiberspannung UT hält über die nachgeschaltete Treiber­ stufe TRS die beiden Schalttransistoren V 1 und V 2 im leitenden Zustand. Nach Erreichen eines festgelegten Spitzenstromes werden die Schalttransistoren V 1 und V 2 abgeschaltet und die Abfrage­ schaltung AFS hält diese beiden elektrisch getakteten Schalter V 1 und V 2 weiterhin gesperrt (Ausgang 2 des Komparators N 1 liegt auf "Low"-Potential), bis der abklingende Strom IL in der Induktivität L 2 zu Null geworden ist.

In Fig. 4 ist die für beide Schalttransistoren V 1 und V 2 ge­ meinsame Treiberschaltung TRS dargestellt. Sie enthält einen Transistor V 6, dessen Basisanschluß unmittelbar mit der Trei­ berspannung UT verbunden ist. Weiterhin ist dieser Basisan­ schluß sowohl über einen Widerstand R 9 mit der Referenz­ spannung UREF, als auch über eine in Flußrichtung gepolte Dio­ de V 9 und einer in Sperrichtung gepolten Z-Diode V 10 mit dem Bezugspotential OV verbunden. Ein nicht näher bezeichneter Leitungspunkt, der zwischen den Kathoden der beiden Dioden V 9 und V 10 liegt, ist über einen Widerstand R 8 an die Referenz­ spannung UREF angeschaltet. Die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors V 6 ist über eine Reihenschaltung, bestehend aus den Widerständen R 5 und R 6 an das Bezugspotential OV geschaltet. Am Kollektoranschluß des Transistors V 6 liegt das Treibersignal UT 1 und am Verbindungspunkt der Widerstände R 5 und R 6 liegt das Treibersignal UT 2 an. Mit Hilfe dieser beiden Treibersignale UT 1 und UT 2 werden die Schalttransistoren V 1 und V 2 entweder unmittelbar oder durch Zwischenschaltung von an sich bekannten und deshalb nicht dargestellten Treiberstufen gesteuert. Die Treiberschaltung TRS ist somit als geschaltete Konstantstrom­ quelle realisiert, die beide Schalttransistoren V 1 und V 2 gleichzeitig ansteuert und dadurch sind die Verluste in der geschalteten Treiberschaltung lediglich proportional zur Ein­ gangsspannung UE. Während sich die Kollektor-Emitterspannung am Transistor V 6 um einen relativ großen Betrag ändern kann, bleibt der Kollektorstrom des Transistors V 6 annähernd kon­ stant. Die Spannung an der Z-Diode V 10 entspricht der Spannung an den beiden Widerständen R 5 und R 6. Eine solche als Konstant­ stromquelle geschaltete Treiberschaltung TRS hat einen sehr großen dynamischen Innenwiderstand und entlastet die an der Treiberspannung UT liegenden Komparatoren N 1 und N 3.

Fig. 5 zeigt die Schaltungsanordnung zur Eingangsspannungsüber­ wachung ESÜ, an der die Referenzspannung UREF und die Eingangs­ spannung UE anliegen und die bei zu niedriger Eingangsspannung UE den Wandler abschaltet. Hierzu ist die Referenzspannung UREF an einen invertierenden Eingang 8 eines als Komparator arbei­ tenden Operationsverstärkers N 3 geführt und die Eingangsspannung UE liegt über einen Widerstand R 53 an einem nichtinvertierenden Eingang 9 des Komparators N 3 an. Eine Widerstandskopplung zwischen dem Ausgang 14 und dem nichtinvertierenden Eingang 9 des Komparators N 3 mittels des Widerstandes R 51 erzeugt eine leichte Hysterese und verbessert so das Schaltverhalten des Komparators N 3. Am Eingang 9 des Komparators N 3 liegt ferner eine Parallelschaltung, bestehend aus Widerstand R 52 und Konden­ sator C 6. Die Widerstände R 53 und R 52 bilden einen Eingangs­ spannungsteiler und setzen somit die Eingangsspannung UE auf Werte in der Größenordnung der Referenzspannung UREF herab. Der Kondensator C 6 bildet zusammen mit dem Widerstand R 53 einen Tiefpaß mit der Aufgabe, Störungen auf der Eingangsseite, wie sie zum Beispiel von externen Schaltvorgängen herrühren, zu vermeiden und dadurch die Eingangsspannungsüberwachungsschaltung ESÜ vor ungewünschtem Ansprechen zu schützen. Im Normalfall ist die Eingangsspannung UE immer größer als die Referenzspannung UREF. Damit ist auch die Spannung am nichtinvertierenden Ein­ gang 9 größer als die Referenzspannung UREF und der Ausgang 14 des Komparators N 3 liegt auf "High"-Potential, d. h. die Treiber­ spannung UT ermöglicht über die Treiberschaltung TRS ein An­ sprechen der beiden Schalttransistoren V 1 und V 2. Bei Absinken der Eingangsspannung UE auf Werte, die weit unterhalb der zu­ lässigen Minimalspannung liegen ("Brown-out"), wird die Refe­ renzspannung UREF größer als die Eingangsspannung UE und der Ausgang 14 des Komparators N 3 liegt auf "Low"-Potential und damit gehen die Schalttransistoren V 1 und V 2 in den Sperr­ zustand über, d. h. der Wandler wird abgeschaltet.

In Fig. 6 ist die Schaltungsanordnung zur Ausgangsspannungs­ überwachung ASÜ dargestellt. Diese weist einen gegengekoppelten Operationsverstärker N 2 auf, an dessen nichtinvertierendem Eingang 12 über einen Widerstand R 31 die Ausgangsspannung UA anliegt. An dem invertierenden Eingang 13 ist über einen Wider­ stand R 24 die Referenzspannung UREF angeschlossen. Ein Wider­ stand R 22, der zwischen dem Ausgang 14 des Operationsverstärkers N 2 und dem invertierenden Eingang 13 geschaltet ist, dient der Gegenkopplung. Der nichtinvertierende Eingang 12 des Verstär­ kers N 2 ist über einen Widerstand R 32 gegen das Bezugspotential OV geschaltet. Dieser Widerstand R 32 bildet zusammen mit dem Widerstand R 31 einen Spannungsteiler zur Herabsetzung der Aus­ gangsspannung UA. Am Ausgang 14 des Verstärkers N 3 kann die Treiberspannung UT abgegriffen werden. Die Ausgangsspannung UA bleibt so lange konstant, bis der maximale Ausgangsstrom er­ reicht ist. Bei Unterschreiten einer wählbaren Schwelle für die Ausgangsspannung UA, wie es bei Kurzschluß oder Überlast ein­ tritt, wird mit dieser Schaltungsanordnung ASÜ der Sollwert der Regelschaltung reduziert (rückläufige Kennlinie). Zweckmäßiger­ weise wird die Schwelle mit Hilfe der Widerstände R 31, R 32 eingestellt und beträgt typisch dreiviertel der Ausgangsspannung UA. Bei Absinken der Ausgangsspannung UA auf einen Wert bis zu dreiviertel des Sollwertes bleibt die Überwachungsschaltung für die Ausgangsspannung ASÜ inaktiv und die Regelung der Ausgangs­ spannung UA geschieht mit Hilfe eines parallel zur Schaltungs­ anordnung ASÜ geschalteten Soll/Istwertvergleichers SIV. Ein solcher Soll/Istwertvergleicher SIV ist an sich bekannt und kann beispielsweise ebenfalls mit Hilfe eines Differenzverstärkers ausgeführt sein. Weil durch diese Maßnahme die Regelspannung reduziert wird, ist ein solcher Wandler absolut kurzschlußfest und die thermische Belastung im Kurzschlußfall ist geringer als bei Vollast.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Umsetzen einer ungeregelten Eingangs­ gleichspannung in eine konstante Ausgangsgleichspannung, die, bezogen auf ihre Polarität einen gemeinsamen Bezugspunkt auf­ weist und bei der die Eingangsgleichspannung sowohl einen höheren als auch einen tieferen Wert als die gewünschte Aus­ gangsspannung annehmen kann, mit einer zur Umsetzung der Ein­ gangsgleichspannung durch wechselnde Ladung und Entladung als Energiespeicher dienenden Induktivität und zweier den Lade­ vorgang bewirkenden Schalter und einer den Lade- und Entlade­ vorgang durch periodische Tastung steuernden Regelschaltung mit einem Soll/Istwertvergleicher zur Einstellung eines den Ausgangswert erbringenden Tastverhältnisses, dadurch gekennzeichnet, daß eine parallel zur Induktivi­ tät (L 2) liegende Abfrageschaltung (AFS) für den Strom (IL) durch die Induktivität (L 2) vorgesehen ist, an deren Eingang eine Spannung (UL) an der Induktivität (L 2) und eine Referenz­ spannung (UREF) anliegen und an deren Ausgang (2) nur dann eine Treiberspannung (UT) abgreifbar ist, solange der Strom (IL) in der Induktivität (L 2) bis zu einem festgelegten Spitzenwert ansteigt und die nach Abschalten der beiden Schalter (V 1, V 2) diese solange gesperrt hält, bis der abklingende Strom (IL) in der Induktivität (L 2) zu Null geworden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine als geschaltete Konstant­ stromquelle arbeitende, gemeinsame Treiberschaltung (TRS) für beide Schalter (V 1, V 2) vorgesehen ist, die bei Vorhandensein einer Treiberspannung (UT) die beiden Schalter (V 1, V 2) mittels zweier Treibersignale (UT 1, UT 2) gleichzeitig ansteuert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingangsspannungsüber­ wachungsschaltung (ESÜ) vorgesehen ist, die bei Absinken der Eingangsspannung (UE) auf Werte weit unterhalb einer zulässigen Minimalspannung den Sekundärschaltregler abschaltet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung für die Aus­ gangsspannungsüberwachung (ASU) vorgesehen ist, die bei Unter­ schreiten einer wählbaren Schwelle für die Ausgangsspannung (UA) den Sollwert der Regelspannung (UR) reduziert.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wählbare Schwelle für die Ausgangsspannung (UA) mit Hilfe zweier Widerstände (R 31, R 32) einstellbar ist.