DE60003265T2

DE60003265T2 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE60003265T2
Application number: DE60003265T
Authority: DE
Inventors: Achim Elgert; Reinhard Koegel
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: CN1144343C; ES2200761T3; JP4488132B2; DE60003265D1; US6349045B1; JP2001054282A; EP1069674B1; EP1069674A2; EP1069674A3; CN1281287A; DE19932711A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit einem Transformator, einem Schalttransistor, der in Serie zu einer Primärwicklung des Transformators geschaltet ist, einer Kontrollschaltung sowie einer sekundärseitigen Regelstufe. Schaltnetzteile dieser Art werden beispielsweise in Geräten der Unterhaltungselektronik verwendet.
Um Geräte mit einem Schaltnetzteil über eine Fernbedienung ein- und ausschalten zu können, ist es notwendig, diese für das Einschalten in einem ständigen Bereitschaftsbetrieb zu halten. Hierdurch wird jedoch durch das Schaltnetzteil ständig Energie verbraucht. Um den Energieverbrauch des Schaltnetzteiles im Bereitschaftsbetrieb möglichst gering zu halten, wurden beispielsweise Schaltnetzteile mit Burst-Mode entwickelt, oder es wird ein separates Netzteil nur für den Standby-Betrieb verwendet. Aus der EP-A 0 803 966 ist beispielsweise ein Netzteil bekannt, in dem ein größeres Schaltnetzteil nur für den Normalbetrieb und ein kleineres Schaltnetzteil für den Bereitschaftsbetrieb verwendet wird. Die beiden Schaltnetzteile sind hierbei derart miteinander verkoppelt, daß während des Normalbetriebs die Regelung des größeren Schaltnetzteiles über das kleine Schaltnetzteil erfolgt und im Bereitschaftsbetrieb das kleine Schaltnetzteil über einen eigenen Oszillator schwingt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art anzugeben, das einen sehr geringen Energieverbrauch aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Schaltnetzteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist in der europäischen Patentanmeldung EP-A- 0696102 angegeben.
Das Schaltnetzteil der Erfindung weist einen Transformator, einen Schalttransistor, der in Serie zu einer Primärwicklung des Transformators geschaltet ist, eine primärseitige Kontrollschaltung und eine sekundärseitige Regelstufe auf. Die Kontrollschaltung bewirkt hierbei die Ansteuerung des Schalttransistors. Die sekundärseitige Regelschaltung dient der Ansteuerung eines Koppelelementes, über das ein Regelsignal von der Sekundärseite zur Primärseite übertragen wird. Zwischen dem Steuereingang des Schalttransistors und einer primärseitigen Betriebsspannung liegt ein erster Schalter, und zwischen der Regelstufe und einer sekundärseitigen Betriebsspannung liegt ein zweiter Schalter, wobei beide Betriebsspannungen mit einem einzigen Steuersignal über die beiden Schalter abschaltbar sind. Das Trennelement überträgt hierbei sowohl die Regelinformation für die primärseitige Kontrollschaltung als auch das Abschaltsignal für den ersten Schalter.
Das Steuersignal zum Abschalten der beiden Schalter liegt hierbei an einem Steuereingang des zweiten Schalters an, und bei einem Sperren dieses Schalters wird gleichzeitig die sekundärseitige Regelstufe abgeschaltet und über das Koppelelement der erste Schalter gesperrt. Das Koppelelement ist vorzugsweise ein Optokoppler, der sekundärseitig von einer Transistorstufe der sekundärseitigen Regelstufe angesteuert wird, an der sowohl die zu regelnde Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles als auch über den zweiten Schalter die Information des Steuersignales anliegt.
Wird der zweite Schalter durch das Steuersignal gesperrt, so werden die Regelstufe und der Optokoppler vollständig stromlos und verbrauchen keine weitere Energie. Hierdurch sperrt der Optokoppler primärseitig, wodurch auch der erste Schalter gesperrt wird, so daß sowohl der Schalttransistor als auch die Kontrollschaltung stromlos werden. Bis auf die Anlaufschaltung ist hierbei das Schaltnetzteil vollständig stromlos, so daß der Energieverbrauch in diesem Zustand unter 0,2 W liegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines schematischen Schaltbildes näher erläutert.
Es zeigen:
Figur ein erfindungsgemäßes Schaltnetzteil mit primärseitiger und sekundärseitiger Beschaltung.
In der Figur ist primärseitig ein Schalttransistor T1 dargestellt, der in Serie zu einer Primärwicklung W1 eines Transformators liegt. Der Transformator ist zur vereinfachten Darstellung in der Figur nicht dargestellt, er ist wie bei Geräten der Unterhaltungselektronik üblich mit Netztrennung aufgebaut und enthält außer der Primärwicklung W1 eine oder mehrere primärseitige Wicklungen für den Betrieb des Schaltnetzteiles und sekundärseitig eine oder mehrere Wicklungen zur Bereitstellung von benötigten Ausgangsspannungen.
Der Transistor T1 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein MOSFET, der durch eine Kontrollschaltung DR gesteuert wird. Über eine primärseitige Hilfswicklung W2a wird eine Betriebsspannung VCC bereitgestellt, die über eine Diode D2 gleichgerichtet und durch einen Kondensator C1 gepuffert ist. Über eine Anlaufschaltung A, die auf bekannte Weise über eine hochohmige Widerstandskette eine Verbindung mit dem Netzgleichrichter oder einer aus dem Netz erzeugten Gleichspannung herstellt, wird der für das Anlaufen des Schaltnetzteiles notwendige Strom bereitgestellt. Parallel zu dem Kondensator C1 ist eine Zenerdiode D3 geschaltet, die die Betriebsspannung VCC begrenzt.
Sekundärseitig ist in der Figur eine Wicklung W3 angedeutet, die über eine Diode D5 und einen Kondensator C3 eine zu stabilisierende Ausgangsspannung UA erzeugt. Diese Ausgangsspannung UA wird durch eine sekundärseitige Regelstufe SR über einen Widerstand R7 abgegriffen und aufbereitet zur Übertragung auf die Primärseite. Die Übertragung wird durch ein Koppelelement bewirkt, das in diesem Ausführungsbeispiel ein Optokoppler OK ist. Andere Koppelelemente, wie beispielsweise Übertrager, können ebenfalls verwendet werden. Das von der Regelstufe SR über den Optokoppler OK übertragene Regelsignal liegt primärseitig an der Kontrollschaltung DR an, das dieses Signal in eine pulsbreitenmodulierte Steuerspannung U2 zur Ansteuerung des Schalttransistors T1 umsetzt. Die Kontrollschaltung DR nutzt zur Ansteuerung außerdem noch eine über einem Widerstand R3 anliegende Spannung U1, die eine Aussage über den durch den Schalttransistor T1 fließenden Strom darstellt.
Das Schaltnetzteil kann sowohl als selbstschwingendes Schaltnetzteil aufgebaut sein, das seine Schaltfrequenz abhängig von der Belastung ändert, als auch als Schaltnetzteil, das pulsbreitenmoduliert bei einer festen Schaltfrequenz arbeitet. Ein Schaltnetzteil dieser Art ist beispielsweise in der EP 0 808 015 A2 angegeben. Häufig wird hier auf eine sekundärseitige Ausgangsspannung geregelt, da dies eine bessere Stabilisierung der Ausgangsspannung ermöglicht.
Zwischen der Betriebsspannung VCC und dem Steuereingang des Schalttransistors T1 befindet sich ein Widerstand R1, um eine Entkopplung zwischen der Steuerspannung U2 der Kontrollschaltung DR und der Betriebsspannung VCC zu ermöglichen. In dieser Verbindung zwischen dem Schalttransistor T1 und der Betriebsspannung VCC ist ein erster Schalter T2 angeordnet, in diesem Ausführungsbeispiel ein Transistor, durch den die Betriebsspannung VCC abschaltbar ist. Der Steuereingang dieses Schalters ist über Widerstände R5 und R6 mit dem Optokoppler OK verbunden, über den der Schalter T2 von der Sekundärseite aus ansteuerbar ist. Ist der Optokoppler OK primärseitig hochohmig, so liegt an dem Steuereingang des ersten Schalters T2 über einen Widerstand R4 die Betriebsspannung VCC an, so daß über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T2 kein Strom fließen kann und dieser dadurch sperrt. Liegt an dem Steuereingang des Schalters T2 eine niedrige Spannung an, so schaltet dieser durch. Die Kontrollschaltung DR ist über eine Diode D1 und dem Widerstand R6 ebenfalls mit dem Optokoppler OK verbunden, so daß durch diesen sowohl die sekundärseitige Regelinformation als auch das Abschaltsignal für den ersten Schalter T2 übertragen wird.
Der Optokoppler enthält sekundärseitig eine Leuchtdiode, die über Anschlüsse 3 und 4 betrieben wird. Diese wird durch eine Transistorstufe mit einem Transistor T3 angesteuert, der den Strom durch die Leuchtdiode des Optokopplers regelt, wobei an dem Anschluß 3 des Optokopplers eine sekundärseitige Betriebsspannung UB über einen zweiten Schalter T4 anliegt. An dem Steuereingang des Transistors T3 liegt eine Konstantspannung, die durch einen Spannungsteiler mit einem Widerstand R9 und einer Zenerdiode D6 gebildet wird, an dem während des Betriebes die Betriebsspannung UB anliegt. Der Emitter des Transistors T3 liegt über einen Spannungsteiler, gebildet aus den Widerständen R7 und R8, an der zu regelnden Ausgangsspannung UA, so daß der Strom durch die Leuchtdiode des Optokopplers OK über die Basis-Emitter- Strecke des Transistors T3 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung UA gesteuert wird. Anstatt dieser Transistorstufe mit dem Transistor T3 kann auch eine variable Zenerdiode verwendet werden zur Übertragung des Regelsignales.
Der zweite Schalter T4 wird über eine Transistorstufe T5 mit Widerständen R21, R12 durch ein Steuersignal US von einer digitalen Schaltung aus ein- und ausgeschaltet. Ist das Steuersignal US "Null", so sperrt Transistor T5, wodurch auch der Transistor, T4 sperrt, da dessen Steuereingang über den Widerstand R10 in diesem Fall auf hohem Potential liegt.
Ist der Schalter T4 geschlossen, so ist sowohl die Transistorstufe mit dem Transistor T3 als auch die Leuchtdiode des Optokopplers OK stromlos. Hierdurch ist auch der Fotowiderstand des Optokopplers OK hochohmig, so daß der erste Schalter T2 ebenfalls sperrt, wie vorangehend beschrieben. In diesem Fall schaltet auch die Kontrollschaltung DR ab, da durch die Diode D1 kein Strom mehr fließt.
Die Regelübertragung über den Optokoppler OK erfolgt in dem Sinne, daß bei einer zu hohen Ausgangsspannung UA der Ausgang des Optokopplers OK, Anschlüsse 1 und 2, hochohmiger ist und bei einer zu niedrigen Ausgangsspannung UA niederohmiger ist. Der als Schalttransistor verwendete MOSFET sperrt bei einer Steuerspannung U2 von unter etwa 2 Volt. Die Kontrollschaltung DR ist durch die Diode D1 ebenfalls von der Betriebsspannung VCC entkoppelt. Ist das Steuersignal US daher Null, so sind sowohl die sekundärseitigen Schaltungsstufen mit den Transistoren T3, T4 und T5 stromlos, als auch die Transistoren T1 und T2 sowie die Kontrollschaltung DR der Primärseite. Im ausgeschalteten Zustand des Schaltnetzteiles wird daher nur noch durch die Anlaufschaltung A eine sehr geringe Energie verbraucht.
Der Anschluß 2 des Optokopplers OK liegt über eine Diode D4 an einer Flyback-Negativ-Wicklung W2b, so daß ein Softstart beim Einschalten des Schaltnetzteiles durchgeführt wird. In der Anlaufphase des Schaltnetzteiles ist die während der Sperrphase des Schalttransistors T1 an der Wicklung W2b anliegende negative Spannung noch relativ niedrig, so daß das über den Optokoppler OK übertragene Regelsignal abgeschwächt wird. Erst im Normalbetrieb, wenn an der Wicklung W2b sich die Flyback-Negativ-Spannung entwickelt hat und der Kondensator C2 auf eine entsprechende negative Spannung aufgeladen ist, wird das Regelsignal in seiner vollen Stärke für die Kontrollschaltung DR aktiv.
Ein Schaltnetzteil dieser Art ist insbesondere in Geräten der Unterhaltungselektronik einsetzbar und ermöglicht es, den Energieverbrauch im Bereitschaftsbetrieb sehr gering zu halten. In diesen Geräten werden vorwiegend Sperrwandler als Netzteil verwendet, die Erfindung ist jedoch auch für andere Typen von Schaltnetzteilen verwendbar Zum Einschalten des Schaltnetzteiles muß jedoch die zweite Betriebsspannung UB immer vorhanden sein. Diese kann beispielsweise durch ein zweites Netzteil bereitgestellt werden oder durch eine Batterie oder einen nachladbaren Akku.

Claims

1. Schaltnetzteil mit einem Transformator, einem Schalttransistor (T1) in Serie zu einer Primärwicklung (W1) des Transformators, einer primärseitigen Kontrollschaltung (DR) und mit einer sekundärseitigen Regelstufe (SR), wobei ein Steuereingang des Schalttransistors (T1) mit einem ersten Schalter (T2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Schalter (T4) zwischen der Regelstufe (SR) und einer Betriebsspannung (UB) liegt, und daß das Sperren des zweiten Schalters (T4) gleichzeitig das Sperren des ersten Schalters (T2) bewirkt.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstufe (SR) über ein Koppelelement (OK) sowohl mit der Kontrollschaltung (DR) als auch mit dem ersten Schalter (T2) verbunden ist.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstufe (SR) eine Transistorstufe (T3, R8, R9, D6) aufweist, deren Anschlüsse mit einer Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles (UA), dem Koppelelement (OK) und dem zweiten Schalter (T4) in Verbindung stehen sowohl zur Übertragung eines Regelsignales als auch eines Steuersignales (US).

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Steuersignals (US) der zweite Schalter (T4) sperrbar ist, so daß die Versorgungsspannung (UB) für die Regelstufe (SR) abgeschaltet wird und hierdurch über das Koppelelement (OK) der erste Schalter (T2) gesperrt wird.

5. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalter (T2) zwischen dem Steuereingang des Schalttransistors (T1) und einer primärseitigen Betriebsspannung (VCC) liegt.

6. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (OK) primärseitig mit einem Anschluß (2) mit einer Hilfswicklung (W2b) des Transformators und mit einem anderen Anschluß (1) sowohl mit dem ersten Schalter (T2) als auch mit der Kontrollschaltung (DR) in Verbindung steht.

7. Schaltnetzteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kontrollschaltung (DR) und dem Koppelelement (OK) sowie dem ersten Schalter (T2) eine Diode (D1) angeordnet ist.

8. Schaltnetzteil nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang des ersten Schalters (T2) über einen Widerstand (R4) mit der primärseitigen Betriebsspannung (VCC) verbunden ist, über den an diesem Steuereingang eine hohe Spannung anliegt zum Sperren des Schalters (T2), wenn das Koppelelement (OK) hochohmig ist.

9. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 -8, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (OK) ein Optokoppler ist, der primärseitig mit einem Emitter- Anschluß (2) an einer Flyback-Negativ-Wicklung (W2b) anliegt, so daß beim Einschalten des Schaltnetzteiles ein Softstart durchgeführt wird.

10. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundärseitige Betriebsspannung (UB) von einem anderen Netzteil erzeugt wird, und daß das Schaltnetzteil als zusätzliches Netzteil dient, das über das Steuersignal (US) vollständig abschaltbar als auch wieder einschaltbar ist.