WO1998016002A1 - Getaktete stromversorgung von schaltnetzteilen - Google Patents

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WO1998016002A1
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Michael Herfurth
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a clocked power supply for switched-mode power supplies, in particular for switched-mode power supplies with stand-by operation, with the following features: a) with a main converter for the galvanic separation of the primary and secondary circuit and for the transformation of the voltages of the primary circuit and secondary - circuit, b) with a clocked second converter, c) with a first control loop for the intermediate circuit voltage, the first control loop being assigned to the second converter, d) with a first output circuit connected downstream of the second converter.
  • Modern electronic devices such as PC, fax or TV devices usually have a standby or standby function today.
  • the device In the case of a TV set in stand-by mode, the device is "switched off" and can be switched back to nominal operation via a remote control, for example.
  • the device In the case of a fax device, the device is ready to receive and is activated, for example, by a The different device states standby or device operation therefore often require special requirements for the power supply of the switching power supply. In standby mode, the current consumption should be as low as possible
  • the power supply is usually implemented today with a main power supply for the nominal / maximum load and an additional auxiliary power supply for the minimum load, as is the case, for example, in stand-by operation of a PC Device is required.
  • the main power supplies will in future often include a so-called PFC converter in addition to the well-known PWM converter (pulse width modulation; DC / DC converter) for the main power supply of the device.
  • PFC converter Power Factor Correction; AC / DC converter
  • AC / DC converter serves the prescribed improvement of the power factor
  • the power factor is defined as the ratio between absorbed active power and absorbed apparent power. Ideally, the power factor is one. In this case there is no reactive power.
  • PFC converters are typically designed as step-up converters for cost reasons and because of their high efficiency. Alternatively, the PFC converter can also be designed as a flyback converter, for example.
  • a generic power supply for a switched-mode power supply is, for example, from "Power Factor Controller TDA 4815/19 improves power factor of switched-mode power supplies" by Werner Schott, in brochure Siemens Components 31 (1993), No. 2, pages 46 to 50
  • Figure 2 shows a switching power supply with an active harmonic filter and flow converter (PWM converter) designed as a step-up converter (PFC converter).
  • PWM converter active harmonic filter and flow converter
  • the invention has for its object a clocked
  • a second control loop for the DC link voltage is provided here, which is assigned to the second converter and which is at least temporarily superimposed on the first control loop or at least temporarily completely replaces the first control loop, the control time constant of the first control loop being greater than the control time constant of the second control loop .
  • An essential part of the invention is the introduction of a second control loop for the intermediate voltage.
  • This second control loop is superimposed on the power converter.
  • the power converter is advantageously a converter with power factor correction (PFC converter).
  • the power converter is designed as an active harmonic filter, which allows sinusoidal current consumption and wide-range transformation.
  • the second control loop dynamically controls much faster than the inherently slow first control loop of the PFC converter.
  • the power converter can be activated if necessary and partially overlay or replace the first power supply. In stand-by mode, the power supply is provided by the power converter even without using a separate auxiliary power supply.
  • the power converter is typically designed as a step-up converter.
  • the converter part is replaced with another power converter, such as a flyback converter, a step-up / step-down converter or the like.
  • step-up converters are preferable as power converters due to their higher efficiency or for reasons of cost.
  • a further output circuit with a short delay time is connected in parallel in the output circuit of the PFC converter. This enables the energy flow to be detected more quickly.
  • a further winding voltage is tapped at the choke coil via at least one further winding.
  • Each of these winding voltages is fed to a rectifier circuit.
  • a separate output voltage is present at the respective outputs of the rectifier circuits.
  • this rectifier circuit can be designed as a bridge rectifier or as a charge pump.
  • at least one output voltage of the rectifier circuits is used as the primary-side supply voltage.
  • This primary-side supply voltage can control the system control of the integrated circuit, for example.
  • Another output voltage can be used as the secondary supply voltage.
  • These supply voltages can be provided, for example, for the secondary-side power supply of device functions, in particular for stand-by operation.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a known power supply unit with an integrated control circuit for current control
  • FIG. 2 shows the block diagram of a current control unit according to the invention with an integrated control circuit, which additionally has a second dynamically fast control loop and a second output circuit for the
  • FIG. 3 shows the circuit diagram for a rectifier circuit for providing a separate supply voltage, which acts as a bridge rectifier (a) or as a charge pump
  • FIG. 1 shows the block diagram of a known clocked power supply for a switching power supply with a PFC power converter.
  • the switched-mode power supply with PFC converter according to FIG. 1 is constructed in a known manner and has an input 17 with a downstream choke 18, capacitor 19 and rectifier 20.
  • the positive pole of the rectifier 20 is connected in series with a transformer 31 via an inductor 26 and a diode 28.
  • the negative pole of the rectifier 20 is connected in series to a winding of the transformer 31 via a resistor 40 and a diode 39 and to a second winding of the transformer 31 via the resistor 38 and a MOSFET 37.
  • a capacitance 27 is connected between the positive and negative output of the rectifier 20, and a second MOSFET 29 after the inductance 26 in parallel with the reference potential of the circuit.
  • a further capacitor 30 is connected between the nodes of the series circuit comprising diode 28 and transformer 31 and reference ground, to which the intermediate circuit voltage U A is applied.
  • the output circuit of the switching power supply consists of the two diodes 32 and 33 as well as the downstream coil 34 and the capacitor 35, which are connected in a known manner.
  • the output voltage of the switching power supply can be tapped off at the terminals 36.
  • the integrated control circuit IC has connections 1 to 16 which are connected via respective resistors 41 to 44, 46 to 48, 50 and the components 45, 49 and 57 to 67 to the switching power supply via the lines shown in FIG. 1.
  • the elements 51 to 56 form a feedback branch with the optocoupler 56.
  • the elements 57-59 form one
  • the winding 57 can, for example, on the transformer 31 or on the Choke coil 26 may be attached.
  • This auxiliary power supply is coupled into the integrated circuit IC at terminal 7. In this case, the capacitance 60 is charged and when a limit voltage, which is typically 50 V, is exceeded, the capacitance 60 is discharged and supplies the integrated circuit IC.
  • the circuit according to FIG. 1 is designed as a current control. By connecting the connections 1 and 3 differently, the circuit according to FIG. 1 can also be used to control the voltage.
  • the terminals of the control circuit of the integrated circuit IC can be assigned as follows.
  • the PWM control voltage which is normally provided via the optocoupler 56, can be applied to the terminal 1.
  • Terminal 2 is used to limit the PWM current.
  • Terminal 3 is the PWM current sensor input, which usually has an input range of 0 to 1.5 V in the current mode and typically a range of 0 to 6 V in the voltage mode.
  • Terminal 5 is the ground connection.
  • Terminal 6 is the output of the PWM gate driver.
  • Terminal 7 is the connection for the supply voltage.
  • An internal reference voltage can be tapped off at terminal 8 and is supplied to terminals 1, 4, 15 via resistors 62, 64, 66.
  • Terminal 9 is an output for compensation of the PFC current.
  • Terminals 10 and 11 form are connected to the output of a multiplier.
  • Terminal 10 is also connected to the non-inverting input of an error amplifier.
  • Terminal 12 is the output for a PVC current loop error amplifier for voltage compensation as well as the safety comparator for missing load.
  • Terminal 13 is the inverting input of a BUS voltage error amplifier, which contains a PFC overvoltage comparator and PWM overvoltage comparators.
  • the gate connection of the PFC driver transistor can be connected to terminal 14.
  • Terminal 15 is created when connected to a capacitor against ground and a resistor after terminal 8 a ramp voltage to form the duty cycle for the PFC converter part.
  • Terminal 16 forms the inverting input of the PFC residual current amplifier for compensation.
  • Figure 2 shows the block diagram of the clocked power supply of a switching power supply according to the invention, which additionally has a second dynamic fast control circuit and a second output circuit.
  • the same elements are provided with the same reference numerals as in FIG.
  • the clocked power supply of the switched-mode power supply in FIG. 2 essentially contains the elements of the switched-mode power supply from FIG. 1.
  • the power converter is formed here by a PFC converter part.
  • the PFC converter in FIG. 2 is formed by the step-up converter.
  • the step-up converter consists of the choke coil 26, the diode 28 and the capacitances 27 and 30 and the MOSFET 29.
  • the capacitance 30 is typically designed as an electrolytic capacitor with a relatively large capacitance.
  • the PFC converter part it would also be conceivable for the PFC converter part to be formed by another power converter, such as a flyback converter, a step-up / step-down converter or the like. For cost reasons or because of its higher efficiency, however, the step-up converter is preferable as a power converter.
  • the second output circuit for the intermediate circuit voltage consisting of the diode 28 and the capacitor 30 is connected in parallel with a second output circuit consisting of the diode 70, a capacitor 71 and a resistor 41.
  • the capacitance 71 is very much lower than the capacitance of the electrolytic capacitor 30. Typical values for the capacitance 30 are 100 ⁇ F and for the capacitance 101 100 nF. Because of this, the delay time of the second output circuit with the above numerical values is shorter by factors than the delay time of the first output circuit.
  • the resistor 41 has a relatively large resistance value of typically about 200K ⁇ and mainly serves to limit the current.
  • the clocked PFC converter connected upstream of the main converter designed as a transformer 31 contains a first control loop for the intermediate voltage.
  • This first control loop which provides a control signal at terminal 12 of the integrated circuit IC, is designed to be dynamically slow in principle.
  • a further control loop is superimposed on the PFC converter.
  • This second control loop dynamically has a fast response time.
  • the second control loop is formed with the output circuit that has the shorter delay.
  • the signal from terminal 2' is fed to the inverting input of an OTA 74 (Operational Transconductance Amplifier).
  • the positive input of the OTA ⁇ 74 is connected to the reference voltage REF.
  • the OTA 74 controls terminal 10.
  • a second dynamically fast control signal can then be tapped at the terminal 10.
  • control time constants of the first and second control loops are essentially determined by the capacitances 30, 71 and 49. Typical values for the control time constants are 100 msec for the first control loop and 1 msec for the second fast control loop.
  • the choke coil 26 of the PFC converter in FIG. 2 has a further winding 75.
  • the two ends of the winding 75 are connected to the terminals A, B, because the winding voltage drops.
  • the winding voltage dropping at terminals A, B is fed to a rectifier circuit GR.
  • the current signal AUX1 is fed into the terminal 7 and is used for the primary-side auxiliary power supply, in particular for the integrated circuit IC. Because of this, the elements of the auxiliary power supply 57 - 59 from FIG. 1 are omitted.
  • the choke coil 26 of the PFC converter in FIG. 2 has a third winding 76.
  • the two ends of the winding 76 are connected via the terminals C, D, at which the winding voltage drops, to a further rectifier circuit GR.
  • a second separate supply voltage V 0U ⁇ 2 with the current signal AUX2 is provided on the output side of the rectifier circuit GR.
  • the current signal AUX2 is fed into terminal 7 as an auxiliary power supply. This current signal is used on the secondary side
  • Auxiliary power supply In particular, device functions such as the power supply for standby operation are supplied here.
  • FIG. 3 shows two circuit diagrams for the rectifier circuit GR to provide a separate supply voltage
  • the rectifier circuit GR is designed with a bridge rectifier 80 of the known type, the inputs of which are connected to the terminals A, B.
  • Two capacitances 81, 83 are connected in parallel between the positive and negative output of the bridge circuit.
  • the capacitors 81, 83 serve as intermediate storage elements and are advantageously designed as electrolytic capacitors. Electrolytic capacitors are advantageous on account of their high performance, since they can absorb high charge currents.
  • a series regulator 82 which is designed as an analog voltage regulator, is also connected between the capacitors 81, 83. The separate supply voltage is at the output terminals
  • a resistor 84 can be connected upstream of the bridge rectifier 80.
  • the rectifier circuit GR is designed as a charge pump.
  • the charge pump consists of a discharge circuit and a charging circuit.
  • the discharge circuit includes a first capacitor 90, a current limiting element 92 and a first diode 91 in series.
  • Current limiting element 92 is typically a resistor.
  • the first capacitance 90 is discharged or charged with a negative polarity.
  • the charging current is limited via the current limiting element 92.
  • the charging circuit contains the first capacitance 90, a second diode 93 and a second capacitance 94 in series, and a voltage limiting element 95 connected in parallel with the second capacitance 94.
  • the voltage limiting element 95 is typically a zener diode, the second capacitance 94 is usually as Electrolytic capacitor executed. When the voltage rises after the circuit breaker is switched off, the first capacitance 90 becomes via the second diode 93
  • the charging circuit is conducted via the second capacitor 94 as a storage element for the separate supply voltage.
  • the current limiting element can also be connected in series with the first capacitance 90. However, this variant is more lossy.
  • the rectifier circuits GR shown in FIG. 2 for the provision of a primary-side and secondary-side supply voltage V 0 u ⁇ , V 0 u ⁇ 2 may not necessarily be identical.
  • Additional separate supply voltages for additional device functions can be provided via further windings on the choke coil 26 and further rectifier circuits GR.

Abstract

Getaktete Stromversorgung von Schaltnetzteilen, insbesondere für Schaltnetzteile mit Stand-by-Betrieb, mit den folgenden Merkmalen: mit einem Hauptwandler für die galvanische Trennung des primären und sekundären Stromkreises sowie für die Transformation der Spannungen des Primärkreises und Sekundärkreises; mit einem getakteten zweiten Wandler; mit einer ersten Regelschleife für die Zwischenkreisspannung, wobei die erste Regelschleife dem zweiten Wandler zugeordnet ist; mit einem dem zweiten Wandler nachgeschalteten ersten Ausgangskreis; mit einer zweiten Regelschleife für die Zwischenkreisspannung, die dem zweiten Wandler zugeordnet ist, die der ersten Regelschleife mindestens zeitweise aktivierbar überlagert ist oder die erste Regelschleife mindestens zeitweise vollständig ersetzt, wobei die Regelzeitkonstante der ersten Regelschleife größer ist als die Regelzeitkonstante der zweiten Regelschleife.

Description

Beschreibung
Getaktete Stromversorgung von Schaltnetzteilen
Die Erfindung betrifft eine getaktete Stromversorgung von Schaltnetzteilen, insbesondere von Schaltnetzteilen mit Stand-by-Betrieb, mit den folgenden Merkmalen: a) mit einem Hauptwandler für die galvanische Trennung des primären und sekundären Stromkreises sowie für die Trans- formation der Spannungen des Primärkreises und Sekundär- kreises, b) mit einem getakteten zweiten Wandler, c) mit einer ersten Regelschleife für die Zwischenkreisspannung, wobei die erste Regelschleife dem zweiten Wandler zugeordnet ist, d) mit einem dem zweiten Wandler nachgeschalteten ersten Ausgangskreis .
Moderne elektronische Geräte wie zum Beispiel PC-, Fax- oder TV-Geräte weisen heute üblicherweise eine Stand-by- oder Bereitschaftsfunktion auf. Bei einem TV-Gerät im Stand-by-Zu- stand ist ist das Gerät „ausgeschaltet" und kann beispielsweise über eine Fernbedienung wieder in den Nennbetrieb geschaltet werden. Bei einem Fax-Gerät ist das Gerät in Emp- fangsbereitschaft und wird beispielsweise durch ein ankommendes Faxsignal eingeschaltet. Die unterschiedlichen Gerätezu- stände Stand-by-Betrieb oder Gerätebetrieb benötigen daher häufig gesonderte Anforderungen an die Stromversorgung des Schaltnetzteiles. Im Stand-by-Betrieb soll die Stromaufnahme möglichst gering sein. Insbesondere sollen dabei nur solche
Gerätefunktionen versorgt werden, die für eine schnelle Einsatzbereitschaf notwendig sind und die für die Erkennung eines Startsignals wie zum Beispiel das Infrarotsignal einer Fernbedienung oder das Empfangssignal eines Faxmodems erfor- derlich sind. Unter Berücksichtigung eines möglichst hohen Wirkungsgrades für die Betriebszustände eines Gerätes, wird die Stromversorgung heute üblicherweise realisiert mit einer HauptStromversorgung für die Nominal-/Maximal-Last und einer zusätzlichen Hilfsstromversorgung für die Minimal-Last , wie sie beispielsweise im Stand-by-Betrieb eines PC-Gerätes erforderlich ist.
Aus technologisch/wirtschaftlichen Erwägungen und zur Erfüllung anstehender nationaler und internationaler Normen und Regelungen enthalten die Hauptstromversorgungen zukünftig neben dem bekannten PWM-Wandler (Pulsweitenmodulation; DC/DC- Wandler) für die HauptStromversorgung des Gerätes häufig einen weiteren sogenannten PFC-Wandler. Der PFC-Wandler (Power- Factor-Correction; AC/DC-Wandler) dient der vorgeschriebenen Verbesserung des Leistungsfaktors, während der klassische
PWM-Wandler die Transformation und Netztrennung vornimmt. Der Leistungsfaktor ist definiert als das Verhältnis zwischen aufgenommener Wirkleistung und aufgenommener Scheinleistung. Idealerweise ist der Leistungsfaktor gleich eins. In diesem Fall gibt es keine Blindleistung. Typischerweise sind PFC- Wandler aus Kostengründen und aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades als Hochsetzsteller ausgeführt. Alternativ kann der PFC-Wandler beispielsweise auch als Sperrwandler ausgeführt sein.
Es wäre nun vorteilhaft bei ausgeschaltetem Gerät bzw. PWM- Wandlerteil den PFC-Wandler als Stromversorgung für im Stand- by-Betrieb einzusetzen und damit eine separate Hilfsstromversorgung einzusparen. In der Praxis scheiterte diese auf den ersten Blick triviale Nutzung des PFC-Wandlers daran, daß die Regelschleife für die Ausgangsspannung des PFC-Wandlers prinzipbedingt dynamisch langsam ausgelegt werden muß, um Modulationen des aufgenommenen Netzstromes durch die Regelung gering zu halten. Dies führt in zahlreichen Betriebszuständen wie zum Beispiel beim Hochlauf der Stromversorgung oder bei Lastsprüngen zu längeren Pausen im getakteten Betrieb, wodurch der Energiefluß für die Nutzung als Hilfsstromversor- gung unterbrochen wird. Eine Überbrückung der Tastpausen, zum Beispiel durch größere Speicherkondensatoren, scheitert daran, daß in bestimmten Betriebszuständen die Betriebsdauer zur Nachladung nicht ausreicht.
Eine gattungsgemäße Stromversorgung eines Schaltnetzteiles ist beispielsweise aus „Power-Factor-Controller TDA 4815/19 verbessert Leistungsfaktor von Schaltnetzteilen" von Werner Schott, in der Brochure Siemens Components 31 (1993), Heft 2, Seiten 46 bis 50 angegeben. Hier ist insbesondere in Bild 2 ein Schaltnetzteil mit einem als Hochsetzsteller (PFC-Wandler) ausgeführten aktivem Oberschwingungsfilter und Durchflußwandler (PWM-Wandler) angegeben.
Weitere gattungsgemäße integrierte Schaltungen sind beispielsweise aus den Datenblättern zum Baustein TK 84 819 der Firma Toko, zum Baustein LT 1509 der Firma Linear Technology und zum Baustein ML 4824 der Firma Micro Linear beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine getaktete
Stromversorgung für Schaltnetzteile der eingangsgenannten Art anzugeben, bei der auf eine separate HilfStromversorgung, insbesondere für den Stand-by-Betrieb, verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Es ist hier eine zweite Regelschleife für die Zwischenkreisspannung vorgesehen, die dem zweiten Wandler zugeordnet ist und die der ersten Regelschleife mindestens zeitweise aktivierbar überlagert ist oder die erste Regelschleife mindestens zeitweise vollständig ersetzt, wobei die Regelzeitkonstante der ersten Regelschleife größer ist als die Regelzeitkonstante der zweiten Regelschleife.
Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Einführung einer zweiten Regelschleife für die Zwischenspannung. Diese zweite Regelschleife ist dem Leistungswandler überlagert. Der Leistungswandler ist vorteilhafterweise ein Wandler mit Po- wer-Factor Correction (PFC-Wandler) . Der Leistungswandler ist als aktives Oberschwingungsfilter ausgeführt, das eine sinusförmige Stromaufnahme sowie eine Weitbereichtransformation zuläßt. Die zweite Regelschleife regelt dynamisch sehr viel schneller als die prinzipbedingt dynamisch langsame erste Regelschleife des PFC-Wandlers. Der Leistungswandler kann bei Bedarf aktiviert werden und die erste Stromversorgung teilweise überlagern oder ganz ersetzen. Im Stand-by-Betrieb er- folgt die Stromversorgung durch den Leistungswandler selbst ohne Verwendung einer separaten Hilfsstromversorgung.
In einer Ausgestaltung ist der Leistungswandler typischerweise als Hochsetzsteller ausgeführt. Alternativ ist auch denkbar, das Wandlerteil durch einen anderen Leistungswandler wie zum Beispiel einen Sperrwandler, einen Hoch- /Tiefsetzsteller oder ähnlichem zu ersetzen. Allerdings sind Hochsetzsteller aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades bzw. aus Kostengründen als Leistungswandler vorzuziehen.
In einer Weiterbildung ist im Ausgangskreis des PFC-Wandlers ein weiterer Ausgangskreis mit kurzer Verzögerungszeit parallel geschaltet. Dadurch kann der Energiefluß schneller erfaßt werden.
In einer Ausgestaltungen wird an der Drosselspule über mindestens eine weitere Wicklung jeweils eine weitere Wicklungsspannung abgegriffen. Jede diese Wicklungsspannungen wird jeweils einer Gleichrichterschaltung zugeführt. An den jeweili- gen Ausgängen der Gleichrichterschaltungen liegt jeweils eine separate AusgangsSpannung an.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann diese Gleichrichterschaltung als Brückengleichrichter oder als Ladungs- pumpe ausgebildet sein. In einer Ausgestaltung wird mindestens eine Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltungen als primärseitige Versorgungsspannung verwendet. Diese primärseitige Versorgungsspannung kann beispielsweise die Systemsteuerung der integrierten Schaltung ansteuern. Eine weitere Ausgangsspannung kann als sekundärseitige Versorgungsspannung verwendet werden. Diese VersorgungsSpannungen können beispielsweise für die sekundärseitige Stromversorgung von Gerätefunktionen, insbesondere für den Stand-by-Betrieb, vorgesehen sein.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es vorteilhafterweise möglich, auch bei völliger Entlastung des PFC-Wandlers an seinem Hauptausgang den getakteten Betrieb zur Versorgung weiterer Verbraucher, wie beispielsweise die Stand-by-Geräte- funktion bzw. die Systemsteuerung, aufrecht zu erhalten, ohne daß die Spannung am Hauptausgang unzulässig ansteigt oder daß die Taktpausen zu groß werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Auεführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt :
Figur 1 ein Blockschaltbild einer bekannten Stromversorgungseinheit mit integrierter Steuerschaltung zur Strom- Steuerung,
Figur 2 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromsteuerungseinheit mit integrierter Steuerschaltung, die zusätzlich eine zweite dynamisch schnelle Regel- schleife sowie einen zweiten Ausgangskreis für die
Zwischenspannung aufweist.
Figur 3 das Schaltbild für eine Gleichrichterschaltung zur Bereitstellung einer separaten Versorgungsspannung, die als Brückengleichrichter (a) bzw als Ladungspumpe
(b) ausgeführt ist. Figur 1 zeigt das Blockschaltbild einer bekannten getakteten Stromversorgung für ein Schaltnetzteil mit PFC-Leistungswand- ler.
Das Schaltnetzteil mit PFC-Wandler gemäß Figur 1 ist in bekannter Weise aufgebaut und weist einen Eingang 17 mit nachgeschalteter Drossel 18, Kondensator 19 und Gleichrichter 20 auf. Der positive Pol des Gleichrichters 20 ist über eine Induktivität 26 und eine Diode 28 in Reihe mit einem Übertrager 31 verschaltet. Der negative Pol des Gleichrichters 20 ist über einen Widerstand 40 und einer Diode 39 in Reihe mit einer Wicklung des Übertragers 31 und über den Widerstand 38 und einen MOSFET 37 mit einer zweiten Wicklung des Übertragers 31 verbunden. Zwischen dem positiven und negativen Aus- gang des Gleichrichters 20 ist eine Kapazität 27 geschaltet, sowie nach der Induktivität 26 ein zweiter MOSFET 29 parallel zum Bezugspotential der Schaltung. Zwischen den Knotenpunkten der Reihenschaltung aus Diode 28 und Übertrager 31 und Bezugsmasse ist eine weitere Kapazität 30 geschaltet, an der die Zwischenkreisspannung UA anliegt.
Der Ausgangskreis des Schaltnetzteils besteht aus den beiden Dioden 32 und 33 sowie der nachgeschalteten Spule 34 und dem Kondensator 35, die in bekannter Weise verschaltet sind. An den Klemmen 36 kann die AusgangsSpannung des Schaltnetzteils abgegriffen werden.
Die integrierte Steuerschaltung IC weist Anschlüsse 1 bis 16 auf, die über jeweilige Widerstände 41 bis 44, 46 bis 48, 50 sowie die Bauelemente 45, 49 und 57 bis 67 mit dem Schaltnetzteil über die in Figur 1 dargestellten Leitungen verbunden sind.
Die Elemente 51 bis 56 bilden einen Rückkopplungszweig mit dem Optokoppler 56. Die Elemente 57 - 59 bilden eine
Hilfsstromversorgung für die integrierte Schaltung IC. Die Wicklung 57 kann beispielsweise am Übertrager 31 oder an der Drosselspule 26 angebracht sein. Diese Hilfsstromversorgung wird in die integrierte Schaltung IC an der Klemme 7 eingekoppelt. Dabei wird die Kapazität 60 aufgeladen und bei einem Übersteigen einer Grenzspannung, die typischerweise bei 50 V liegt, wird die Kapazität 60 entladen und versorgt die integrierte Schaltung IC.
Die Schaltung gemäß Figur 1 ist als Stromsteuerung ausgelegt. Durch unterschiedliche Beschaltung der Anschlüsse 1 und 3 kann durch die Schaltung entsprechend Figur 1 auch eine Span- nungsεteuerung erfolgen.
Die Klemmen der Steuerschaltung der integrierten Schaltung IC können wie folgt belegt sein. An der Klemme 1 ist die PWM- Steuerspannung anlegbar, welche normalerweise über den Optokoppler 56 bereitgestellt wird. Klemme 2 dient der PWM-Strom- begrenzung. Klemme 3 ist der PWM-Stromfühlereingang, der im Strommodus üblicherweise einen Eingangsbereich von 0 bis 1,5 V hat und im Spannungsmodus typischerweise einen Bereich von 0 bis 6 V. An Klemme 4 wird eine externe Kapazität mit dem
Oszillator verbunden. Anschlußklemme 5 ist der Masseanschluß. Anschlußklemme 6 ist der Ausgang des PWM-Gatetreiber . Klemme 7 ist der Anschluß für die Versorgungsspannung. An Klemme 8 ist eine interne Referenzspannung abgreifbar, die über die Widerstände 62, 64, 66 den Klemmen 1, 4, 15 zugeführt wird.
Klemme 9 ist ein Ausgang für Kompensation des PFC-Stroms. Anschlußklemmen 10 und 11 bilden sind mit dem Ausgang eines Multiplizierers verbunden. Anschluß 10 ist zusätzlich auch mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Fehlerverstärker verbunden. Klemme 12 ist der Ausgang für einen PVC-Strom- schleifenfehlerverstärker für die Spannungskompensation sowie mit dem Sicherheitskomparator für fehlende Last verbunden. Klemme 13 ist der invertierende Eingang eines BUS-Spannungs- fehlerverstärker, der einen PFC-Überεpannungskomparator sowie PWM-Überspannungskomparatoren enthält. An Klemme 14 kann der Gateanεchluß des PFC-Treibertranεistors angeschlossen werden. An Klemme 15 entsteht bei Beschaltung mit einem Kondensator gegen Masse und einem Widerstand nach Klemme 8 eine Rampenspannung zur Bildung des Tastverhältnisses für den PFC- Wandlerteil. Klemme 16 bildet den invertierenden Eingang deε PFC-Fehlerstromverstärkers zur Kompensation.
Figur 2 zeigt das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen getakteten Stromversorgung eines Schaltnetzteiles, die zusätzlich einen zweiten dynamischen schnellen Regelkreis sowie einen zweiten Ausgangskreis aufweist. Gleiche Elemente sind entsprechend Figur 1 mit gleichem Bezugszeichen versehen.
Die getaktete Stromversorgung des Schaltnetzteil in Figur 2 enthält im wesentlichen die Elemente des Schaltnetzteiles aus Figur 1. Der Leistungswandler wird hier durch ein PFC-Wand- lerteil gebildet. Der PFC-Wandler in Figur 2 ist durch den Hochsetzsteller ausgebildet. Der Hochsetzsteller besteht im Beispiel von Figur 2 aus der Drosselspule 26, der Diode 28 sowie den Kpazitäten 27 und 30 und dem MOSFET 29. Die Kapazität 30 ist typischerweise als Elektrolytkondensator mit ver- hältnismäßig großer Kapazität auεgeführt. Eε wäre auch denkbar, daε PFC-Wandlerteil durch einen anderen Leistungswandler wie zum Beispiel einen Sperrwandler, einen Hoch- /Tiefεetzεteller oder ähnlichem zu bilden. Aus Kostengründen bzw. aufgrund seines höheren Wirkungsgrades ist allerdingε der Hochεetzεteller als Leistungswandler vorzuziehen.
Dem ersten Ausgangεkreis für die Zwischenkreisspannung bestehend aus der Diode 28 und der Kapazität 30 ist ein zweiter Ausgangskreis beεtehend auε der Diode 70, einer Kapazität 71 und einem Widerstand 41 parallel geεchaltet. Die Kapazität 71 ist sehr viel niedriger als die Kapazität des Elektrolytkon- densators 30. Typische Werte sind für die Kapazität 30 100 μF und für die Kapazität 101 100 nF. Aufgrund dessen ist die Verzögerungszeit des zweiten Ausgangskreises mit den obigen Zahlenwerten um Faktoren kürzer als die Verzögerungszeit des ersten Ausgangskreises. Der Widerstand 41 weist einen ver- hältnismäßig großen Widerstandswert von typischerweise etwa 200KΩ auf und dient vornehmlich zur Strombegrenzung.
Der dem als Übertrager 31 ausgebildeten Hauptwandler vorge- schalteter getakteter PFC-Wandler enthält eine erste Regel- εchleife für die Zwiεchenεpannung. Diese erste Regelschleife, welche an der Klemme 12 der integrierten Schaltung IC ein Regelsignal bereitstellt, ist prinzipbedingt dynamisch langsam ausgelegt. Erfindungsgemäß ist dem PFC-Wandler eine weitere Regelschleife überlagert. Diese zweite Regelschleife weist dynamisch eine schnelle Reaktionszeit auf. Die zweite Regelschleife wird dabei mit dem Ausgangskreis gebildet, der die kürzere Verzögerung aufweist. Am Fußpunkt des Spannungstei- lerε bestehend aus den Widerstandselementen 72, 73 wird ein Signal abgegriffen und der Klemme 2' der integrierten Schaltung IC zugeführt. Die Klemme 2' unterscheidet sich damit von Klemme 2 aus Figur 1. In der integrierten Schaltung IC wird das Signal von der Klemme 2' dem invertierenden Eingang eines OTAs 74 (Operational Transconductance Amplifier) zugeführt. Der positive Eingang des OTAε 74 iεt mit der Referenzspannung REF verbunden. Ausgangsseitig steuert der OTA 74 die Klemme 10 an. An der Klemme 10 ist dann ein zweites dynamisch schnelles Regelsignal abgreifbar.
Die Regelzeitkonstanten der ersten und zweiten Regelschleife werden im wesentlichen von den Kapazitäten 30, 71 und 49 bestimmt. Typische Werte für die Regelzeitkonstanten sind 100 msec für die ersten Regelschleife und 1 msec für die zweite εchnelle Regelεchleife.
Die Drosselspule 26 des PFC-Wandlers in Figur 2 weist eine weitere Wicklung 75 auf. Die beiden Enden der Wicklung 75 sind mit den Klemmen A, B verbunden, an denn die Wicklungs- spannung abfällt. Die an den Klemmen A, B abfallende Wick- lungsspannung wird einer Gleichrichterschaltung GR zugeführt. Ausgangsseitig an der Gleichrichterschaltung GR wird eine erste separate VersorgungsSpannung V0uτι und ein Stromsignal AUXl bereitgestellt. Das Stromsignal AUX1 wird in die Klemme 7 eingespeist und dient der primärseitigen Hilfsstromversor- gung, insbesondere für die integrierte Schaltung IC. Aufgrund dessen entfallen die Elemente der Hilfsstromversorgung 57 - 59 aus Figur 1.
Zusätzlich weist die Drosselspule 26 des PFC-Wandlers in Figur 2 eine dritte Wicklung 76 auf. Die beiden Enden der Wicklung 76 sind über die Klemmen C, D verbunden, an denn die Wicklungsεpannung abfällt, mit einer weiteren Gleichrichterschaltung GR verbunden. Ausgangsseitig an der Gleichrichterschaltung GR wird eine zweite separate Versorgungsεpannung V0Uτ2 mit dem Stromεignal AUX2 bereitgestellt. Das Stromsignal AUX2 wird in die Klemme 7 als Hilfsstromversorgung einge- speist. Dieseε Stromεignal dient der εekundärεeitigen
Hilfsstromversorgung. Insbesondere werden hier für Gerätefunktionen wie zum Beispiel der Stromversorgung für den Stand-by-Betrieb versorgt.
Figur 3 zeigt zwei Schaltbilder für die Gleichrichterschaltung GR zur Bereitstellung einer separaten Versorgungsεpan¬
In Figur 3 a) ist die Gleichrichterschaltung GR mit einem Brückengleichrichter 80 der bekannten Art ausgeführt, desεen Eingänge mit den Klemmen A, B verbunden εind. Zwiεchen poεi- tivem und negativem Auεgang der Brückenεchaltung sind zwei Kapazitäten 81, 83 parallel geschaltet. Die Kapazitäten 81, 83 dienen als Zwischenspeicherelement und εind vorteilhafter- weiεe alε Elektrolykondensatoren ausgeführt. Elektrolytkondensatoren sind aufgrund ihrer hohen Leistungεfähigkeit vorteilhaft, da εie hohe Laεtströme auffangen können. Zwischen den Kapazitäten 81, 83 ist außerdem ein Längεregler 82, der alε analoger Spannungsregler auεgeführt ist, geschaltet. An den Ausgangsklemmen liegt die separate Versorgungsspannung
VOUT an sowie der Ausgangεstrom AUX an. Zur Begrenzung deε La- destromes kann als Strombegrenzungselement ein Widerstand 84 dem Brückengleichrichter 80 vorgeschaltet sein.
In Figur 3 b) ist die Gleichrichterschaltung GR als Ladungs- pumpe ausgeführt. Die Ladungspumpe besteht aus einem Entladestromkreis und einem Ladestromkreis . Der Entladestromkreis enthält eine erste Kapazität 90, ein Strombegrenzungselement 92 und eine erste Diode 91 in Reihe. Das Strombegrenzungselement 92 ist typischerweise ein Widerstand. Zu Beginn einer Taktperiode wird die erste Kapazität 90 entladen beziehungsweise mit negativer Polarität geladen. Über das Strombegrenzungselement 92 wird dabei der Ladeεtromeε begrenzt. Der La- destromkreis enthält die erste Kapazität 90, eine zweite Diode 93 und eine zweite Kapazität 94 in Reihe, sowie ein der zweiten Kapazität 94 parallelgeschaltetes Spannungsbegren- zungsele ent 95. Das Spannungsbegrenzungεelement 95 iεt typischerweise eine Zenerdiode, die zweite Kapazität 94 ist üblicherweise als Elektrolytkondensator ausgeführt. Bei einem Spannungsanstieg nach dem Ausschalten des Leiεtungsschalters wird die erεte Kapazität 90 über die zweite Diode 93 zur
Trennung deε Strompfades mit positiver Polarität geladen. Der Ladestromkreis wird über die zweite Kapazität 94 als Speicherelement für die separate Versorgungεεpannung geleitet . Daε Strombegrenzungselement kann auch in Reihe mit der ersten Kapazität 90 geschaltet sein. Diese Variante ist allerdings verlustreicher.
Die in Figur 2 gezeigten Gleichrichterεchaltungen GR für die Bereitεtellung einer primärseitigen und sekundärseitigen Ver- sorgungεεpannung V0uτι, V0uτ2 können aber müεεen nicht notwendigerweise identisch sein.
Über weitere Wicklungen an der Drosselspule 26 und weitere Gleichrichterschaltungen GR können weitere separate Versor- gungsSpannungen für zusätzliche Gerätefunktionen bereitgestellt werden.
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0002

Claims

Patentansprüche
1. Getaktete Stromversorgung von Schaltnetzteilen, insbesondere von Schaltnetzteilen mit Stand-by-Betrieb, a) mit einem Hauptwandler (31) für die galvanische Trennung des primären und sekundären Stromkreises sowie für die Transformation der Spannungen des Primärkreises und Sekundärkreises, b) mit einem getakteten zweiten Wandler (26-30) , c) mit einer ersten Regelschleife für die Zwischenkreisspannung, wobei die erste Regelschleife dem zweiten Wandler (26-30) zugeordnet ist, d) mit einem dem zweiten Wandler (26-30) nachgeschalteten ersten Ausgangskreis, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß e) eine zweite Regelschleife für die Zwischenkreisspannung vorgesehen ist, die dem zweiten Wandler (26-30) zugeordnet ist und die der ersten Regelschleife mindestens zeitweise aktivierbar überlagert ist oder die erste Regelschleife mindestens zeitweise vollständig ersetzt, wobei die
Regelzeitkonstante der ersten Regelschleife größer ist als die Regelzeitkonstante der zweiten Regelschleife.
2. Getaktete Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wandler (26-30) ein aktives Oberschwingungs- filter ist.
3. Getaktete Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der zweite Wandler (26-30) ein Hochsetzsteller ist.
4. Getaktete Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Ausgangskreis (28, 30) des zweiten Wandlers (26-30) ein zweiter Ausgangskreis (41, 70, 71) enthaltend ein lineares Element (41) und ein Speicherelement (71) parallel angeordnet ist, wobei die Verzögerungszeit des zweiten Aus- gangskreises (41, 70, 71) kürzer ist als die Verzögerungszeit des ersten Ausgangskreises, wobei die zweite Regelschleife mit dem Ausgangskreis gebildet wird, der die kürzeste Verzögerungszeit aufweist.
5. Getaktete Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule (26) des zweiten Wandlers (26-30) mindestens eine weitere Wicklung (75, 76) aufweist, an der jeweils eine Wicklungsspannung abgreifbar ist, die über jeweils eine Gleichrichterschaltung (GR) jeweils eine separate Versor- gungsspannung ( QUTI/ V0UT2 ) bereitstellt.
6. Getaktete Stromversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung (GR) einen Brückengleichrich- ter (80) enthält.
7. Getaktete Stromversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung (GR) eine Ladungspumpe ent- hält.
8. Getaktete Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der VersorgungsSpannungen (VQUTI) primär- seitig zur Systemsteuerung einer integrierten Schaltung (IC) vorgesehen ist .
9. Getaktete Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere der Versorgungsspannungen (Voτj 2) sekundärseitig für die Stromversorgung von Gerätefunktionen, insbesondere im Stand-by-Betrieb, vorgesehen ist.
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