DE3810225A1

DE3810225A1 - Circuit arrangement for current and voltage regulation of a switched-mode power supply

Info

Publication number: DE3810225A1
Application number: DE19883810225
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Ing Bartussek; Manfred Dipl Ing Schlenk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-03-25
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1989-10-05

Abstract

The regulating circuit contains a voltage regulator amplifier (URV) followed by a voltage-controlled oscillator (VCO), a first current regulator amplifier (IRV1) which is supplied by the current loop of the switching transistor (V1), and a second current regulator amplifier (IRV2) which is connected between the output loop of the switched-mode power supply and the input of the voltage-controlled oscillator (VCO). The outputs of the voltage-controlled oscillator (VCO) and of the first current regulator amplifier (IRV1) are each connected via a diode (V2, V3) to the input of the switching transistor (V1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Strom und Spannungsregelung eines Schaltnetzteils nach den Merk malen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for electricity and voltage control of a switching power supply according to the Merk paint the preamble of claim 1.

Stromversorgungen werden wegen des hohen erreichbaren Wir kungsgrades auch bei kleinen Ausgangsleistungen üblicherweise als Schaltnetzteile ausgebildet. Bei kleinen Ausgangslei stungen überwiegt dabei das Sperrwandlerprinzip. Zum Schutz des Schalttransistors vor einer möglichen Überlastung weisen Schalt netzteile vielfach integrierte Regelbausteine auf, die eine kombinierte Spannungs- und Stromregelung gestatten. Die Rege lung der Ausgangsspannung erfolgt dabei insbesondere nach dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation. Es sind auch Regelprinzipien bekannt, bei denen zusätzlich die Arbeitsfrequenz des Schalt transistors verändert werden kann. Ein weiteres Regelprinzip sieht vor, daß die Regelung der Ausgangsspannung über das "current-mode"-Prinzip bei fester Arbeitsfrequenz des Wandlers erfolgt. Trotz der mit bekannten Regelbausteinen erreichbaren guten dynamischen Regeleigenschaften sind den genannten Regel prinzipien bei großen Belastungs- und Betriebsspannungsände rungen Grenzen gesetzt.Power supplies are due to the high achievable we efficiency even with small output powers designed as switching power supplies. With small output lines stung outweighs the flyback principle. To protect the Switching transistor before switching possible have switching power supply units often integrated control modules, the one allow combined voltage and current regulation. The brisk development of the output voltage takes place in particular after Principle of pulse width modulation. They are also rule principles known, in which the operating frequency of the switching transistor can be changed. Another rule principle provides that the regulation of the output voltage via the "current-mode" principle with a fixed operating frequency of the converter he follows. Despite what can be achieved with known control modules good dynamic control properties are the rule mentioned principles for large load and operating voltage changes limits.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Regelung eines Schaltnetzteils in der Weise zu verbessern, daß auch bei großen Lastsprüngen eine ausreichend kurze Ausregelzeit erreicht wird.The present invention is therefore based on the object a circuit arrangement for controlling a switching power supply to improve in such a way that even with large load jumps a sufficiently short settling time is achieved.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.This object is achieved according to the invention by the characterizing features of claim 1.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigenAn embodiment of the invention is described below the drawing explained in more detail. Show

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Regelschaltung gemäß der Erfindung Fig. 1 shows the basic circuit diagram of a control circuit according to the invention

Fig. 2 ein detailliertes Schaltungsbeispiel der Schaltung ge mäß Fig. 1 FIG. 2 shows a detailed circuit example of the circuit according to FIG. 1

In der Fig. 1 sind nur die für die Erläuterung der Erfindung notwendigen Komponenten dargestellt. Sie zeigt im einzelnen einen zur Spannungsübersetzung und Netztrennung dienenden Über trager T, dessen Primärkreis von einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle einem Schalttransistor V 1 und einem Meßwiderstand R 1 gebildet wird. Der auf der Sekundärseite vor gesehene Ausgangskreis enthält unter anderem einen Verbraucher RV. Ferner ist eine aus insgesamt vier Komponenten bestehende Regelschaltung vorgesehen. Sie besteht im einzelnen aus einem Spannungsregelverstärker URV, der die Ausgangsspannung Ua mit einer ersten Referenzspannung Urefl vergleicht und dessen Ausgang mit dem Eingang eines spannungsgesteuerten Oszilla tors VCO verbunden ist. Sie besteht ferner aus einem aus dem Stromkreis des Schalttransistors V 1 gespeisten Stromregelver stärker IRV 1, dessen zweiter Eingang mit einer zweiten Refe renzspannung Uref 2 beaufschlagt ist. Der Ausgang dieses Strom regelverstärkers IRV 1 und der Ausgang des spannungsgesteuer ten Oszillators VCO sind über je eine Diode mit dem Eingang des Schalttransistors V 1 verbunden. Zur Regelschaltung gehört schließlich ein zweiter Stromregelverstärker IRV 2, der zwischen dem Ausgang des Schaltnetzteils und dem Eingang des spannungs gesteuerten Oszillators VCO eingeschaltet ist.In Fig. 1, only necessary for the explanation of the invention components are presented. It shows in detail a serving for voltage translation and network separation T , whose primary circuit is formed by a DC voltage source, not shown, a switching transistor V 1 and a measuring resistor R 1 . The output circuit seen on the secondary side contains, among other things, a consumer RV . Furthermore, a control circuit consisting of a total of four components is provided. It consists in detail of a voltage control amplifier URV , which compares the output voltage Ua with a first reference voltage Urefl and whose output is connected to the input of a voltage-controlled oscillator VCO . It further consists of a from the circuit of the switching transistor V 1 supplied Stromregelver more IRV 1, the second input with a second Refe rence voltage Uref 2 is applied. The output of this current control amplifier IRV 1 and the output of the voltage-controlled oscillator VCO are each connected via a diode to the input of the switching transistor V 1 . Finally , the control circuit includes a second current control amplifier IRV 2 , which is connected between the output of the switching power supply and the input of the voltage-controlled oscillator VCO .

Die bei der Schaltung gemäß Fig. 1 vorgesehene Regelung des Schaltnetzteils erfolgt über die Betriebsfrequenz des Wandlers in Verbindung mit einer unterlagerten Stromregelung. Entspre chend diesem Regelprinzip schwingt der spannungsgesteuerte Oszillator VCO und damit der Wandler im eingeschwungenen Zu stand mit der Frequenz, die nötig ist, um die Ausgangsspannung Ua bei einem bestimmten Verbraucherstrom Ia auf ihrem Nenn wert zu halten. Diese Frequenz ist proportional der Ausgangs spannung U 1 des Spannungsregelverstärkers URV.The regulation of the switching power supply provided in the circuit according to FIG. 1 takes place via the operating frequency of the converter in connection with a subordinate current regulation. Corresponding to this control principle, the voltage-controlled oscillator VCO and thus the converter in the steady state oscillates with the frequency that is necessary to keep the output voltage Ua at a certain consumer current Ia at its nominal value. This frequency is proportional to the output voltage U 1 of the voltage regulating amplifier URV .

Über den Meßwiderstand R wird der momentane Primärstrom des Wandlers erfaßt. Im Überlast- bzw. Kurzschlußfall hat dies zur Folge, daß, sobald der Spannungsabfall am Meßwiderstand R die Höhe der zweiten Referenzspannung Uref 2 erreicht, der erste Stromregelverstärker IRV 1 den Schalttransistor V 1 sperrt.The instantaneous primary current of the converter is detected via the measuring resistor R. In the overload or short-circuit case, this has the consequence that, as soon as the voltage drop across the measuring resistor R reaches the height of the second reference voltage Uref 2, the first current control amplifier IRV 1 blocks the switching transistor V1.

Über den zweiten Stromregelverstärker IRV2, der den Ausgangs strom Ia des Wandlers mißt, wird ein zweiter Regelkreis ge bildet, der direkt auf den spannungsgesteuereten Oszillator VCO einwirkt. Dadurch kann sich die Regelschaltung bei einer Laständerung ohne die durch den Ausgangskreis des Wandlers be dingte Zeitverzögerung sofort auf den neuen Betriebszustand einstellen, so daß auch bei plötzlichen Lastsprüngen kurze Ausregelzeiten erzielt werden können.About the second current control amplifier IRV2, which measures the output current Ia of the converter, a second control circuit is formed, which acts directly on the voltage-controlled oscillator VCO . As a result, the control circuit can immediately adjust to the new operating state in the event of a load change without the time delay caused by the output circuit of the converter, so that short settling times can be achieved even in the event of sudden load jumps.

Durch die Wahl des maximalen Primärstroms Ia bzw. durch die entsprechende Wahl der zweiten Referenzspannung Uref 2 und durch die Wahl der maximalen Frequenz des spannungsgesteuer ten Oszillators VCO wird die dem Wandler entnehmbare Leistung festgelegt.The power that can be taken from the converter is determined by the choice of the maximum primary current Ia or by the corresponding choice of the second reference voltage Uref 2 and by the choice of the maximum frequency of the voltage-controlled oscillator VCO .

Fig. 2 zeigt ein detailliertes Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Regelprinzips anhand eines Sperrwandlernetz teils, bei dem eine negative Ausgangsspannung erzeugt wird. Fig. 2 shows a detailed embodiment of the inventive control principle based on a flyback converter network, in which a negative output voltage is generated.

Der Operationsverstärker N 1 stellt zusammen mit der im Rück kopplungszweig vorgesehenen Serienschaltung aus dem Konden sator C 1 und dem Widerstand R 4 den Spannungsregelverstärker URV dar. Um diesen Spannungsregelverstärker URV nur mit einer einzigen Betriebsspannung versorgen zu müssen, wird die negative Ausgangsspannung -Ua über einen Spannungsteiler mit den Widerständen R 1, R 2 zu positiven Spannungswerten hin verschoben. Der Regelungssollwert wird über die Referenzspan nung +Uref und einen weiteren Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R 3 und R 5 gewonnen.The operational amplifier N 1 , together with the series circuit provided in the feedback branch from the capacitor C 1 and the resistor R 4, represents the voltage regulating amplifier URV . In order to only have to supply this voltage regulating amplifier URV with a single operating voltage, the negative output voltage - Ua via a Voltage divider with resistors R 1 , R 2 shifted towards positive voltage values. The control setpoint is obtained via the reference voltage + Uref and a further voltage divider consisting of the resistors R 3 and R 5 .

Ein zweiter Operationsverstärker N 2 bildet in Verbindung mit einem frequenzbestimmenden RC-Glied - Widerstand R 10, Konden sator C 2 - und den Steuerwiderständen R 6, R 11 und R 13 den spannungsgesteuerten Oszillator VCO, der dem Spannungsregel verstärker URV unmittelbar in Serie geschaltet ist. Der Aus gang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO ist über die Diode V 2 mit dem Eingang des Schalttransistors V 1 verbunden.A second operational amplifier N2, in conjunction with a frequency-determining RC network - resistor R 10, condensate sator C 2 - and the control resistors R 6, R 11 and R 13 the voltage controlled oscillator VCO, which is connected to the voltage control amplifier URV directly in series . From the output of the voltage controlled oscillator VCO is connected via the diode V 2 to the input of the switching transistor V 1 .

Der dritte Operationsverstärker N 3 stellt den ersten Strom regelverstärker IRV 1 dar. Die dem zweiten Eingang dieses Stromregelverstärkers IRV 1 zugeführte zweite Referenzspan nung Uref 2 (siehe Fig. 1) wird aus der Referenzspannung +Uref über einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R 7 und R 8, gewonnen. Zur Begrenzung der Verlustleistung im Kurzschlußfall wird über die Widerstände R 9, R 14 und den Kon densator C 3 entsprechend der Zeitkonstante (R 9 + R 14) × C 3 ein Einschalten des Schalttransistors V 1 für eine bestimmte Zeit verhindert. Die Arbeitsfrequenz des Wandlers wird dadurch abgesenkt. Der vierte Operationsverstärker N 4 schließlich bildet zusammen mit den Widerständen R 19 und R 20 sowie mit dem Strommeßwider stand R 17 den zweiten Stromregelverstärker IRV 2. Dessen Aus gangssignal wirkt über den Widerstand R 16 direkt auf die Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator VCO (Operationsverstärker N 2) und somit auf dessen Frequenz ein.The third operational amplifier N 3 illustrates the first current control amplifier IRV 1. The second input of this current control amplifier IRV 1 supplied second reference clamping voltage Uref 2 (see Fig. 1) from the reference voltage + Vref through a voltage divider consisting of the resistors R 7 and R 8 . To limit the power loss in the event of a short circuit, switching on the switching transistor V 1 for a certain time is prevented by the resistors R 9 , R 14 and the capacitor C 3 in accordance with the time constant ( R 9 + R 14 ) × C 3 . This lowers the working frequency of the converter. The fourth operational amplifier N 4 , together with the resistors R 19 and R 20 and the current measuring resistor R 17, finally formed the second current control amplifier IRV 2 . From whose output signal acts via the resistor R 16 directly on the control voltage for the voltage-controlled oscillator VCO (operational amplifier N 2 ) and thus on its frequency.

Beim Anlegen der Betriebsspannung +Ub liegt der Ausgang des ersten Operationsverstärkers N 1 zunächst auf seiner positiven Aussteuerungsgrenze. Der spannungsgesteuert Oszil lator VCO schwingt daher mit seiner maximalen Frequenz.When the operating voltage + Ub is applied, the output of the first operational amplifier N 1 is initially at its positive modulation limit. The voltage controlled oscillator VCO therefore vibrates at its maximum frequency.

Die Ausgangsspannung -Ua beginnt zu steigen mit der Folge, daß die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO verringert wird. Die sich im eingeschwungenen Zustand ein stellende Frequenz ist abhängig vom Energiebedarf des durch den Widerstand R 18 symbolisierten Verbrauchers.The output voltage - Ua begins to increase, with the result that the frequency of the voltage-controlled oscillator VCO is reduced. The frequency that settles in the steady state is dependent on the energy requirement of the consumer symbolized by the resistor R 18 .

Der Schalttransistor V 1 wird in der Schaltung gemäß Fig. 2 stets dann eingeschaltet, wenn der Ausgang des spannungsge steuerten Oszillators VCO bzw. des zweiten Operationsver stärkers N 2 auf seiner positiven Aussteuerungsgrenze liegt. Im Überlastfall erreicht der Spannungsabfall am Strommeßwider stand R 15 die am nicht invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers N 3 anstehende Spannung. Der Ausgang dieses ersten Stromregelverstärkers IRV 1 springt damit auf seine negative Aussteuerungsgrenze mit der Folge, daß der Schalttransistor V 1 über die Diode V 3 abgeschaltet wird. Bei Verwendung eines Vierfachoperationsverstärkers mit niedrigem Eigenstrombedarf für die insgesamt vier Operationsverstärker N 1, N 2, N 3, N 4 ergibt sich gegenüber herkömmlichen Lösungen eine deutliche Verringerung des Eigenstrombedarfs des Schalt netzteils.The switching transistor V 1 is always switched on in the circuit according to FIG. 2 when the output of the voltage-controlled oscillator VCO or the second operational amplifier N 2 is at its positive modulation limit. In the event of an overload, the voltage drop across the current measuring resistor reached R 15 , the voltage present at the non-inverting input of the third operational amplifier N 3 . The output of this first current control amplifier IRV 1 thus jumps to its negative modulation limit, with the result that the switching transistor V 1 is switched off via the diode V 3 . When using a four-way operational amplifier with low own current requirement for the four operational amplifiers N 1 , N 2 , N 3 , N 4 , there is a significant reduction in the own current requirement of the switching power supply compared to conventional solutions.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Strom- und Spannungsregelung eines Schaltnetzteils, das einem Übertrager (T) mit einem von einer Gleichspannungsquelle mit einem Schalttransistor (V 1) gebil deten Primärkreis und einem mindestens einen Verbraucher ent haltenden Sekundärkreis besteht, unter Verwendung einer primär seitigen Regelschaltung, die aus einem die Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleichenden Spannungsregelverstärker (URV) mit nachfolgendem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und aus einem aus dem Ausgangsstromkreis des Schalttransistors (V 1) gespeisten Stromregelverstärkers (IRV 1) besteht, wobei die Ausgänge des spannungsgesteuerten Oszillators (VTO) und des Stromregelverstärkers (IRV 1) über je eine Diode (V 2, V 3) mit dem Eingang des Schalttransistors (V 1) verbunden sind, da durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgangskreis des Schaltnetzteils und dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) ein zweiter Strom regelverstärker (IRV 2) eingeschaltet ist. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Spannungsregelverstärker (URV), für die beiden Stromregel verstärker (IRV 1, IRV 2) und für den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) jeweils Operationsverstärker (N 1, N 2, N 3, N 4) vorgesehen sind.1. Circuit arrangement for current and voltage control of a switching power supply, which consists of a transformer ( T ) with a primary voltage from a DC voltage source with a switching transistor ( V 1 ) and a secondary circuit containing at least one consumer, using a primary-side control circuit Consists of a voltage control amplifier (URV) comparing the output voltage with a reference voltage followed by a voltage-controlled oscillator (VCO) and a current control amplifier (IRV 1 ) fed from the output circuit of the switching transistor ( V 1 ), the outputs of the voltage controlled oscillator (VTO) and the Current control amplifier (IRV 1 ) via a diode (V 2 , V 3 ) are connected to the input of the switching transistor ( V 1 ), characterized in that between the output circuit of the switching power supply and the input of the voltage controlled oscillator (VCO) a second current control amplifier (IRV 2 ) is switched. 2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that for the voltage control amplifier (URV) , for the two current control amplifiers (IRV 1 , IRV 2 ) and for the voltage-controlled oscillator (VCO) each operational amplifier ( N 1 , N 2 , N 3 , N 4 ) are provided.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für sämt liche Operationsverstärker ein gemeinsamer Mehrfach-Operations verstärker-Baustein mit niedrigem Eigenstrombedarf verwendet wird.3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that for all Liche operational amplifier a common multiple operations amplifier module with low own power consumption used becomes.