SE511444C2 - Förfarande för begränsning av utströmmen ur switchat kraftaggregat av flyback-typ i överbelastningssituationer och switchat kraftaggregat av flyback-typ - Google Patents

Description

10 l5 20 25 30 35 511 444 2 ofta omåttligt höga, speciellt då den energi som reser- verats för de övriga utgàngarna överförs till den över- belastade utgången. Separata strömmätningskretsar av- sedda för lösning av problemet blir omåttligt dyra och fordrar specialarrangemang, eftersom styrkretsen i dag av ekonomiska orsaker vanligtvis befinner sig på primär- sidan.

US-patent 4,908,755 beskriver ett förfarande för begränsning av utströmmen ur ett kraftaggregat av flyback-typ. Styrningen utförs genom att styra primär- strömmens toppvärde som funktion av in- och utspänning- arna. Också i detta fall förverkligas styrningen medelst en tämligen komplicerad krets, i vilken parametrarna bör dimensioneras så att det formella ömsesidiga beroendet mellan in- och utspänningarna och primärströmmens topp- värde i kraftaggregatet av flybacktyp kan simuleras.

Avsikten med föreliggande uppfinning är att eliminera de ovannämnda nackdelarna medelst en lösning, som garanterar ett så kostnadseffektivt praktiskt för- verkligande som möjligt. Detta uppnås med förfarandet och kraftaggregatet enligt uppfinningen, vilket förfa- rande är kännetecknat av vad som framförs i den känne- tecknande delen av bifogade patentkrav J. och vilket kraftaggregat är kännetecknat av vad som framförs i den kännetecknande delen av bifogade patentkrav 5.

Idén med uppfinningen är att utnyttja den se- kundärspänning som reflekteras genom transformatorn tillbaka till primärsidan, genom att från denna spänning bilda en styrsignal, som styr den krets som styr ström- brytaren.

På grund av lösningen enligt uppfinningen be- höver kylningen och folien hos likriktare inte överdi- mensioneras, och ytterligare finns det vid planering av transformatorns sekundärlindningar inget behov av att gardera sig mot omåttligt höga strömmar i varje lind- 10 15 20 25 30 511 444 3 ning. Dessutom kommer en eventuell skada på lastsidan i fall av en kortslutning att vara mindre.

I det följande skall uppfinningen och dess föredragna utföringsformer beskrivas mer detaljerat med hänvisning till exemplen enligt de bifogade ritningarna, där figur 1 visar ett kraftaggregat av flyback-typ enligt uppfinningen, figur 2 är ett blockdiagram av den strömbe- gränsningskrets som visas i figur 1, figur 3 visar den av strömbegränsningskretsen enligt figur“ 2 levererade styrströmmens beroende av kraftaggregatets utspänning, figur 4 visar en mer detaljerad utföringsform av kraftaggregatet enligt figur l, och figur 5 visar utströmmens och utspänningens beteende i ett kraftaggregat enligt teknikens ståndpunkt och i kraftaggregatet enligt figur 4.

Figur l visar ett kraftaggregat av flyback-typ enligt uppfinningen, vilket aggregat omformar en likrik- tad spänning Uin, som matats till en ingàngskondensators Cin klämmor, till en annan likspänning Uout, som är när- varande i en utgàngskondensators Cout klämmor. Kraft- aggregatet uppvisar på ett i och för sig känt sätt en transformator 10, genom vilken energin överförs från primärsidan till sekundärsidan, en strömbrytare SW i primärkretsen, vilken strömbrytare bryter primärström- men, som passerar genom en primärlindning lOa, och en styrkrets 13, som styr strömbrytaren, vilken krets styr utspänningen Uout genom att reglera strömbrytarens ar- betskvot (duty cycle). Styrningen sker medelst puls- breddsmodulering (PWM), dvs. genom att justera förhål- landet mellan längderna av strömbrytarens TILL- och FRÅN-faser. I sekundärkretsen är en likriktardiod Dl och 10 15 20 25 30 35 511 444 4 en utgångskondensator Cout seriekopplade parallellt med en sekundärlindning l0b.

Kraftaggregatet av flyback-typ fungerar enligt följande. Då strömbrytaren Sw är sluten (ON), uppstår en positiv spänning vid transformatorns punktändar. I det fall verkar en spärrspänning tvärsöver likriktardio- den Dl i utgången, och därför är dioden oledande. Därav följer att sekundärströmmen.ärrmflJ.under strömbrytarens TILL-läge. På primärsidan ökar den genom strömbrytaren passerande strömmen dock lineärt under TILL-läget.

Transformatorn lagrar energi i sitt magnetiska flöde (luftspalt) under denna fas, och därför är transforma- torn i själva verket en induktans försedd med en sekun- därlindning. Då strömbrytaren styrs till ett oledande (öppet, dvs. FRÅN-) läge, omkastar den i transformatorns magnetiska flöde lagrade energin spänningen hos lind- ningen (flyback-fenomen), i vilken situation sekundär- sidans likriktardiod Dl blir ledande och en ström börjar passera genom transformatorns sekundärlindning. I mot- sats till primärströmmen minskar sekundärströmmen line- ärt under FRÅN-läget. Samtidigt upprätthåller sekundär- strömmen den erforderliga utspänningen tvärsöver ut- gàngskondensatorn Cout.

Om belastningen av utgången ökar, behöver en- dast den tid förlängas under vilken strömbrytaren är i TILL-läget, vilket leder till att primärströmmen har tillräckligt med tid för att öka, och därför är sekun- därströmmen under FRÅN-läget i motsvarande grad högre.

Kraftaggregatet av flyback-typ kan fungera antingen i kontinuerligt tillstànd (sekundärenergin har inte tid att bli fullständigt:urladdadeafter flyback-tillståndet) eller i okontinuerligt tillstånd, i vilket energin lad- das ur fullständigt i slutet av varje period. Också sådana kraftaggregat av flyback-typ finns som fungerar i kontinuerligt och okontinuerligt tillstånd, beroende 10 15 20 25 30 35 511444 5 pá belastningen. Kraftaggregatet enligt föreliggande uppfinning kan vara av vilken som helst ovanbeskrivna typ.

Antalet lindningsvarv hos transformatorns pri- märlindning betecknas med hänvisning Np och antalet lindningsvarv hos sekundärlindningen pà motsvarande sätt med hänvisning Ns på ritningen. Strömbrytaren SW visas i figuren endast som ett idealt element, som illustrerar dess funktion; i praktiken förverkligas strömbrytaren typiskt med en MOSFET (metalloxidhalvledar-fälteffekt- transistor) eller en bipolär transistor. Den styrkrets 13 som styr bredden av en kopplingspuls kan fungera antingen i spänningstillstànd (voltage mode), som base- rar sig på utspänningen, eller i strömtillstånd (current mode), som baserar sig pà primärströmmen och utspänning- en. Majoriteten (cirka 80 %) av dagens switchade kraft- aggregat av flyback-typ utnyttjar strömtillstàndskretsar (genom strömtillstàndsstyrning åstadkoms ett bättre fas- marginal för styrningen än genom spänningstillstànds- styrning). Av denna orsak är den styrkrets som visas i utföringsformen enligt figur l en styrkrets 13 som fung- erar i strömtillstàndet och utför styrningen som svar på den spänningsinformation som erhålls från en diffe- rentialförstärkare 15 och den ströminformation som er- hålls från strömbrytaren. Spänningsinformationen bildas genom att jämföra utspänningen med en referensspänning i differentialförstärkaren och genom att mata en diffe- renssignal t.ex. genom en optokopplare 14 till styrkret- sens di fferensspänningsingàng EV. Ströminformationen er- hàlls från strömbrytaren SW genom ett motstånd Rcs till styrkretsens strömmätningsingàng CS. Informationen er- hålls som en spänning som verkar tvärsöver ett strömmat- ningsmotstànd R7 (som har ett litet värde jämfört med motstàndets Rcs värde). Styrkretsen 13 kan vara av typ UC 3843 (eller någon annan krets av samma familj), till- 10 15 20 25 30 35 511 444 6 verkare Unitrode Corporation, U.S.A. Andra tillverkare har också motsvarande kretsar.

Lösningen enligt uppfinningen utnyttjar den sekundärspänning som reflekterar tillbaka till primärsi- dan. Som bekant är spänningen Vs tvärsöver strömbrytaren i FRÅN-läget i ett kraftaggregat av flyback-typ: Vs = Uin + gå (Um + Uout) (1) Um är den spänning som verkar tvärsöver likriktardioden Dl på sekundärsidan. Eftersom denna spänning är liten jämförd med utspänningen Uout, behöver den inte nödvän- digtvis beaktas. I enlighet med uppfinningen är en sepa- rat strömbegränsningskretsJjlansluten till primärsidan, och spänningen tvärsöver strömbrytarenlnatas till ingång A av denna krets. Strömbegränsningskretsens 12 utsignal (utström) Icc är à sin sida kopplad till styrkretsens strömmätningsutgàng CS, där en styrspänning bildas för styrkretsen 13 från strömmen Icc vid motståndet Rcs.

Styrkretsen har en hög ingångsimpedans, och därför går ingen ström in i kretsen.

StrömbegränsningskretsensutsignalIccähraktiv endast i överbelastningssituationer, varvid den begrän- sar kraftaggregatets utström Iout, såsom i det följande skall beskrivas.

Figur 2 visar de två huvudblocken av strömbe- gränsningskretsen 12 enligt uppfinningen, dvs. en topp- värdeslikriktarkrets 22 och en styrbar strömgenerator 21, som styrs av nämnda toppvärdeslikriktarkrets_ Lik- riktarkretsen 22 erhåller till sin ingång spänningen Vs, som tidigare hänvisats till. Strömgeneratorn är à sin sida förbunden med inspänningens Uin plusklämma och bil- dar i sin utgång en styrström Icc, som är omvänt pro- portionell.mot kraftaggregatets utspänning Uout. (Efter- som strömgeneratorn är förbunden med inspänningens Uin plusklämma, verkar tvärsöver den en spänning Ug, som 10 15 20 25 30 35 511 444 7 motsvarar den senare delen av formeln (1), som är obe- roende av inspänningen Uin.) Figur 3 visar den av strömbegränsningskretsen 12 emitterade styrströmmen Icc som funktion av utspän- ningen Uout. Då utströmmen har sjunkit från sitt nomi- nella värde Uoutl till ett pà förhand bestämt värde kl*Uout1, börjar strömgeneratorn 21 fungera. Om utspän- ningens nominella värde Uoutl i kraftaggregatet är till exempel 5 V, kunde startpunkten motsvara exempelvis 80 % av den nominella spänningen (kl = 0,8). Strömgenera- torn börjar således fungera då utspänningen har sjunkit till 4 V. Vidare är strömgeneratorn dimensionerad så att dess maximiström (som motsvarar fullständig kortslut- ning, Uout = 0 V) inte är kapabel att helt sluta styr- kretsen 13. Styrkretsen 13 har nämligen ett troskelvär- de, som helt frånkopplar styrningen, varvid ingen energi erhålls från kraftaggregatet. Föreliggande beskrivning utnyttjar som exempel ett typiskt styrkretströskelvärde 1 V, som motsvarar en ström Ith = 1 mA, då motstàndets Rcs värde är 1 kQ (motstàndets R7 värde är mycket litet, t.ex. 1Q, och har sålunda ingen verkan). Styrkretsens Icc maximivärde är således en på förhand bestämd andel, t.ex. cirka 75 % (k2 = 0,75), av nämnda strömtröskelvär- de Ith, som helt sluter styrkretsen 13.

Figur 4 visar en mer detaljerad utföringsform av kraftaggregatet enligt figurerna 1 och 2. För enkel- hets skull visar figur 4 endast primärkretsens konfigu- ration, eftersom sekundärkretsen i detta fall motsvarar den konfiguration som visas i figur l. Vidare har den återkopplingsslinga (feedback loop) som bildats av dif- ferentialförstärkaren och optokopplaren lämnats ovisad.

En zenerdiod Zl och ett motstånd R3 är seriekopplade mellan ingångsklämmorna (ingàngskondensatorn Cin visas inte i figur 4). Ett motstånd R2 leder fràn deras gemen- samma nod till basen av en p-n-p transistor Trl, till 10 15 20 25 30 35 511444 8 punkt Pl. Transistorns emitter är kopplad via ett mot- stånd Rg till inspänningens Uin plusklämma. Transistorns kollektor är kopplad till den gemensamma noden för styr- punktens 13 strömmätningsingång CS and motståndet Rcs.

Transistorns bas är också ansluten via ett motstånd Rl till punkt P i likriktarkretsen 22, vilken punkt är kopplad till inspänningens minusklämma via en kondensa- tor Cl. Primärlindningens och strömbrytarens SW gemen- samma klämma är också kopplad till punkt P genom serie- koppling av ett motstånd R5 och en likriktardiod D2.

Moståndet RS, dioden D2 och kondensatorn Cl utgör en toppvärdeslikriktarkrets 22, och punkt P utgör sålunda en matningspunkt, från vilken spänningen enligt formeln (1) ovan matas till strömgeneratorn 21, som utgörs av zenerdioden Zl, motstànden Rl - R4 och Rg och transis- torn Trl. Såsom framgår av formeln (l), minskar denna till punkt P matade spänning då utspänningen Uout min- skar (kortslutning).

Vad dess övriga delar beträffar, motsvarar primärkretsen den konfiguration som visas i figur l, vilket betyder att styrkretsens 13 strömmätningsingång CS är kopplad via motståndet Rcs till strömbrytarens andra klämma, vilken klämma är kopplad via ett motstånd R7 till inspänningens Uin minusklämma.

För att strömgeneratorn 21 skall kunna fungera på det sätt som ovan beskrivs, måste kretsens motstånds- värden vara korrekt dimensionerade. I det följande an- vänds samma exempelvärden som i samband med figur 3, och det antas vidare att antalet lindningsvarv hos transfor- matorns primärlindning är 13, antalet lindningsvarv hos sekundärlindningen är 3 och motståndet R2 förspänner ze- nerdioden Zl så att spänningen tvärsöver zenerdioden är 6,2 V. I ett balansläge (dvs. i ett läge då utspänningen Uout har minskat till tröskeln (4 V), vid vilken ström- generatorn börjar fungera), börjar transistorn Trl just 10 15 20 25 30 511 444 9 bli ledande, varvid dess bas-emitterspänning är cirka O V (0 - 0,2 V). Strömmen genom motståndet Rg är ännu noll, och därför måste spänningen tvärsöver motståndet R2 motsvara spänningen tvärsöver zenerdioden. Om det antas att motståndet R2 har ett värde av exempelvis 56 kQ, är strömmen I2 genom motståndet R2 cirka 110 uA. I ett balansläge är spänningen vid transistorns Trl bas (vid punkt Pl) =Uin och transistorns basström noll, och därför kan strömmen I2 erhållas endast via motståndet R1. Eftersom spänningen tvärsöver motståndet Rl är =l7,3 V (l3ß3 * 4 V), fås för motståndet Rl värdet Rl=l5O kQ.

Då utspänningen Uout är högre än 4 V, är den via motståndet Rl passerande strömmen i motsvarande grad högre, och bas-emitterspänningen håller transistorn i slutet tillstånd. Då utspänningen sjunker till 4 V, bör- jar styrströmmen Icc flyta, och ju mer utströmmen min- skar, desto mindre är motsvarande den annulleringseffekt som fås via motståndet Rl, och sålunda är styrströmmen Icc i motsvarande grad högre.

I den andra extrema situationen är det total kortslutning vid kraftaggregatets utgång (Uout = 0 V), och sålunda är spänningen vid punkt P VP=Uin (antaget att dioden Dl är ideal, dvs. spänningen tvärsöver den är noll). I den situationen är motståndets Rg värde Rg=5,7 kQ (antaget att transistorns förstärkning är till exempel 30), då strömmens Icc önskade maximivärde är cirka 750 pA (spänningen tvärsöver motståndet Rg är 6,2 V minus transistorns bas-emitterspänning, som är cirka 0,5 V, och spänningen tvärsöver motståndet R2, vilken spänning är cirka 1,4 V).

Motståndets R3 värde bör vara dimensionerad så att den genom motståndet R2 passerande strömmen inte kan störa zenerdiodens Zl förspänning. 10 15 20 25 30 35 511 444 lO Genom att ändra förhållandet mellan motstånden Rl ochfülkan strömgeneratorns begränsningströskel (Uout = 4 V) varieras. Å andra sidan kan olika begränsnings- kurvor åstadkommas genom att ändra motstàndets Rg värde.

Dessa kurvor beskrivs i det följande.

Figur 5 visar utströmmen Iout ur kraftaggrega- tet, som visas i figur 4, som funktion av utspänningen Uout. Balanspunkten är betecknad med hänvisning B. Det normala operationsomràdet är ett område inom vilket ut- spänningen Uout upprätthålls vid dess nominella värde Uoutl (till exempel 5 V). Vinkelpunkt L motsvarar den tröskel av styrkretsen 13 vid vilken en avkänning av styrkretsens primärström börjar reducera pulsbredden.och kraftaggregatet övergår till ett nästan konstant till- stånd, i vilket utspänningens och utströmmens ömsesidiga beroende illustreras av kurvan D. Enligt uppfinningen har dock en balanspunkt B av ovanbeskrivna typ åstad- kommits, och utgående från denna punkt begränsas ut- strömmen ytterligare medelst styrströmmen Icc levererad av strömgeneratorn 21. Då utspänningen Uout sjunker till balanspunkten, begränsas utströmmen sålunda effektivare än hittills, varvid det ömsesidiga beroendet mellan ut- spänningen och utströmmen betecknas exempelvis med en av de räta linjerna Fl - F5. Den riktning som nämnda begränsningskurva kommer att inta beror på motstàndets Rg värde. Det användbara området betecknas i figuren med en pil H. Om motståndets Rg värde ökar så att det över- stiger det värde som motsvarar den räta linjen F5, så sker en övergång från området H mot kurvan D, varvid lösningen enligt uppfinningen är till ringa nytta. Å andra sidan förblir kraftaggregatet spärrat, om motstån- dets Rg värde sjunker under det värde som motsvarar den räta linjen Fl. Såsom tidigare konstaterades, kan ba- lanspunktens B position pà kurvan D ändras genom att ändra förhållandet mellan motstånden Rl och R2. 10 15 20 25 511 444 ll Även om uppfinningen ovan har beskrivits med hänvisning till utföringsformer enligt bifogade ritning- ar, är det uppenbart att uppfinningen inte bör begränsas därtill, utan den kan varieras inom ramen av den ovan och i de bifogade patentkraven beskrivna uppfinnings- idén. I praktiken kan kraftaggregatet exempelvis ha ett flertal utgångar, även om de ovanbeskrivna utförings- exemplen uppvisar endast en utgång. Strömgeneratorns detaljerade förverkligande kan också variera pà många sätt. Den ovanbeskrivna strukturen tillàter dock en an- slutning av de tilläggskännetecken som uppfinningen erbjuder till switchade kraftaggregat av flyback-typ så ekonomiskt som möjligt. I princip är det också möjligt att utnyttja lösningenienligt uppfinningen i samband med en styrkrets som fungerar i spänningstillstàndet, även om uppfinningen ovan har beskrivits endast i samband med en krets som fungerar i strömtillstàndet. Om det är önskvärt att använda en krets som fungerar i spännings- tillståndet, mäste dock en för spänningstillstàndskret- sen (t.ex. UC 3524, tillverkare Unitrode Corporation, USA) lämplig styrsignal bildas från styrströmmen Icc.

I det fallet kommer lösningen att vara mer komplicerad än den ovanbeskrivna, och samtidigt gár fördelarna med en styrkrets som fungerar i strömtillstàndet förlorade jämfört med en styrkrets som fungerar i spänningstill- ståndet.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 511444 12 Patentkrav:

1. Förfarande för begränsning av utströmmen (Iout) ur ett switchat kraftaggregat av flyback-typ i överbelastningssituationer, enligt vilket förfarande utströmmen(Iout)begränsasmedelstpulsbreddsmodulering (PWM) genom att med en i och för sig känd styrkrets (13) justera förhållandet mellan längderna av strömbrytarens (SW) TILL- och FRÅN-faser i primärkretsen, k ä n n e - t e c k n a t av, att den spänning (Vs) som är närva- rande pà en transformators (10) primärsida och som är beroende av kraftaggregatets utspänning (Uout), utnytt- jas för styrning av en strömgenerator (21), vars utström (Icc) används för att bilda en styrsignal för styrkret- sen (13).

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e - t e c k n a t av, att en utström (Icc), som avviker fràn noll och är omvänt proportionell mot kraftaggrega- tets utspänning (Uout), levereras fràn strömgeneratorn (21), då utspänningen har sjunkit till en på förhand bestämd andel (kl) av sitt nominella värde (Uoutl).

3. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a t av, att den av strömgeneratorn (21) leve- rerade maximiströmmen hålls under den tröskelström (Ith) som helt sluter styrkretsen (13).

4. Förfarande enligt patentkrav 3, i vilket styrkretsen (13) fungerar i strömtillstànd, k ä n n e - t e c k n a t av, att utströmmen (Icc) ur strömgenera- torn (Zl) matas till styrkretsens (13) strömmätningsin- gång, i vilken på ett i och för sig känt sätt också ástadkoms en signal proportionell mot transformatorns (10) primärström.

5. Switchat kraftaggregat av flyback-typ, vil- ket aggregat uppvisar en transformator (10), som är för- sedd med en primär- och en sekundärlindning (lOa, lOb) 10 15 20 25 511 444 13 och genom vilken energi överförs från primärsidan till sekundärsidan, en strömbrytare (SW) i primärkretsen, vilken strömbrytare bryter den primärström som passerar genom transformatorns primärlindning (10a), och en styr- krets (13), som styr strömbrytaren, vilken krets styr utspänningen (Uout) ur kraftaggregatet medelst puls- breddsmodulering genom att justera förhållandet mellan längderna av strömbrytarens (SW) TILL- och FRÅN-faser, k ä n n e t e c k n a t av, att det uppvisar medel (21, 22) för bildande av en diskret styrsignal (Icc) som svar på den spänning (Vs) som är närvarande pà transforma- torns primärsida och som är beroende av kraftaggregatets utspänning (Uout), vilka medel kopplar nämnda styrsignal till styrkretsen (13).

6. Kraftaggregat enligt patentkrav 5, vars styrkrets (13) är en strömtillståndskrets, k ä n n e - t e c k n a t av, att nämnda medel uppvisar en topp- värdeslikriktarkrets (22), till vilken nämnda spänning (Vs) är kopplad, och en strömgenerator (21), till vilken likriktarkretsens utgång är kopplad, varvid utgången av nämnda strömgenerator är kopplad till strömmätningsin- gången (CS) av nämnda styrkrets (13).

7. Kraftaggregat enligt patentkrav 6, k ä n - n e t e c k n a t av, att strömgeneratorn (21) är kop- plad till inspänningens (Uin) plusklämma.