DE3245759A1 - Switched-mode power supply having voltage control and current control - Google Patents
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Abstract
Description
Schaltnetzteil mit Spannungs- und StromregelungSwitching power supply with voltage and current regulation
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil mit Spannungs- und Stromregelung, bestehend aus der Reihen schaltung eines Schaltelementes, einer Speicherspule, einem Stromfühler und einem Stützkondensator am Ausgang und findet Anwendung bei geregelten Stromversorgungsgeräten.The invention relates to a switching power supply with voltage and Current control, consisting of the series connection of a switching element, a storage coil, a current sensor and a backup capacitor at the output and is used at regulated power supply devices.
Bei vielen Schaltnetzgeräten wird aus einer hohen unstabilisierten Gleichspannung eine niedrige stabilisierte Gleichspannung erzeugt. Hierfür sind Schaltungen bekannt, beispielsweise aus dem Prospekt der Fa. National Semiconductor Corp. vom April 1967. Aus Fig. 21 dieses Prospektes sowie der zugehörigen Beschreibung ist die Wirkungsweise eines derartigen Netzgerätes ersichtlich.With many switched-mode power supplies, a high becomes unregulated DC voltage generates a low stabilized DC voltage. For this are Circuits known, for example from the prospectus from National Semiconductor Corp. dated April 1967. From Fig. 21 of this prospectus and the associated description the mode of operation of such a power supply unit can be seen.
ttber ein Stellglied (Q1,Q2) wird die hohe Eingangsspannung auf eine Spule (L1) gegeben. Die Spule bildet mit dem Ausgangskondensator (C3) einen Reihenresonanzkreis.Via an actuator (Q1, Q2) the high input voltage is increased to a Coil (L1) given. The coil forms a series resonant circuit with the output capacitor (C3).
Ein Regler (LM100) stellt fest, ob die geforderte Spannung am Ausgang vorhanden ist. Bei zu niedriger Spannung schaltet der Regler das Stellglied (Q1,Q2) voll durch.A regulator (LM100) determines whether the required voltage at the output is available. If the voltage is too low, the controller switches the actuator (Q1, Q2) full through.
leber die Spule (L1) fließt ein ansteigender Strom in den Kondensator (C3) und lädt diesen bis zur geforderten Ausgangsspannung auf. Der Regler schaltet sodann das Stellglied wieder ab. Der Strom durch die Spule fließt aber weiter, so daß die Spule als Generator wirkt. Der abklingende Strom fließt jetzt über den Kondensator (C3), Massepotential und Freilaufdiode (dz). Bei zu niedriger Spannung wiederholt sich der physikalische Vorgang mit dem langsam ansteigenden Strom durch die Spule, dem Zu- und Abschalten des Stellgliedes und dem Abklingen bei Erreichen der geforderten Werte. Je größer der Kondensator am Ausgang ist, desto langsamer füllt er sich auf, und die Spule muR mehr Strom liefern. Nachteilig hierbei ist die Abhängigkeit der gesamten Schaltung von der Größe des Kondensatns. Ist der Kondensator zu groß, können die Stellglieder beschädigt werden, oder der Eisenkern der Spule kann in die Sättigung gelangen.As a result of the coil (L1), an increasing current flows into the capacitor (C3) and charges it up to the required output voltage. The controller switches then the actuator off again. The current through the coil continues to flow, like this that the coil acts as a generator. The decaying current now flows through the capacitor (C3), ground potential and freewheeling diode (dz). Repeated if the voltage is too low the physical process with the slowly increasing current through the coil, the switching on and off of the actuator and the decay when the required level is reached Values. The larger the capacitor at the output, the slower it fills up, and the coil must deliver more current. The disadvantage here is the dependency on entire circuit on the size of the condensate. If the capacitor is too big, you can the actuators will be damaged, or the iron core of the coil may become saturated reach.
Der Kondensator muß deshalb sehr genau an die Schaltung angepaßt werden. Bei Kurzschluß am Ausgang können ebenfalls Bauteile beschädigt werden.The capacitor must therefore be matched very precisely to the circuit. Components can also be damaged if there is a short circuit at the output.
Um im Betriebszustand den Strom durch die Spule nicht gefährlich ansteigen zu lassen, ist aus dem obengenannten Prospekt eine Strombegrenzerschaltung (03,Q4) bekannt. Diese Anordnung schaltet bei erhöhtem Ausgangsstrom den Strom durch die Spule ab und kurz darauf wieder zu. Hierdurch ergibt sich eine hohe Schwingfrequenz mit einer großen Verlustleistung. Ein dauernd anstehender Kurzschluß am Ausgang wird kurz abgeschaltet und wieder zugeschaltet, so daß Bauteile leicht beschadigt werden können. Es ist somit nur ein Schutz gegen kurze Laststöße gegeben.In order not to dangerously increase the current through the coil in the operating state a current limiter circuit (03, Q4) is to be allowed from the above-mentioned brochure known. This arrangement switches the current through the when the output current increases The bobbin unwinds and then closes again shortly afterwards. This results in a high oscillation frequency with a large power dissipation. A permanent short circuit at the output is switched off briefly and switched on again, so that components are easily damaged can be. There is therefore only protection against brief load surges.
Es sind auch Netzgeräte mit kurzschlußfeteri Endstufen bekannt. Aus einer Veröffentlichung "Application Note U-80" der Fa. Unitrode Corporation von 1979 wird anhand der Seiten 9 bis 11 die Wirkungsweise einer derartigen Schaltung erläutert. Die Kurzschlußfestigkeit dieses Netzgerates beruht physikalisch darauf, daß der Drossel Zeit gegeben wird, einen Teil der aufgenommenen Energie abzugeben. Dazu wird in einer Strombegrenzerschaltung (SG1524) festgestellt, ob ein zu hoher Strom fließt. Ist dies der Fall, wird silber ein Schaltteil (PIC600) der Ausgang abgetrennt und bei Kurzschluß oder Überlast periodisch über ein Zeitglied (Q2,R10,R13,C7) wieder zugeschaltet (beispielsweise mit einer Taktfrequenz von 500kHz). Am Ausgang einer derartigen Schaltung wird gern ein Kondensator mit großer KaPazitEt eingesetzt, um die Welligkeit der Spannung zu verringern und gute Regeleigenschaften zu erzielen (Kondensator Überbrückt Laststöße). Dieser große Kondensator wirkt aber beim Zuschalten der Spannung nach einem Kurzschluß wie ein erneuter KurzschluR, so daß ein Takten möglich ist und das Netzgerät dauernd auf Störung bleibt.There are also known power supply units with short-circuit-proof output stages. the end a publication "Application Note U-80" by Unitrode Corporation by 1979 is based on pages 9 to 11 show how such a device works Circuit explained. The short-circuit resistance of this power supply is based on physics that the choke is given time to absorb some of the energy submit. For this purpose, a current limiter circuit (SG1524) determines whether too high a current is flowing. If this is the case, a switching part will be silver (PIC600) the output is disconnected and periodically via a timer in the event of a short circuit or overload (Q2, R10, R13, C7) switched on again (for example with a clock frequency of 500kHz). A capacitor with a large capacity is often used at the output of such a circuit used to reduce voltage ripple and good control properties to achieve (capacitor bridges load surges). But this large capacitor works when switching on the voltage after a short circuit like a new short circuit, so that pulsing is possible and the power supply unit remains permanently faulty.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Schaltnetzteil mit einer geregelten Gleichspannung und einem geregelten Maximalstrom zu finden, das sehr einfach aufgebaut, das kurzsehluB- und berlastfest ist und eine schnelle Spannungszuschaltung gewährleistet.It is therefore an object of the invention to provide a switched-mode power supply with a Regulated DC voltage and a regulated maximum current to find that very simple structure, short-circuit and overload-proof and quick voltage connection guaranteed.
ErfindungsgemSß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs erreicht.According to the invention this is illustrated by the characterizing features of the patent claim achieved.
Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil kann zur Erhöhung der abgegebenen Leistung in vorteilhafter Weise mit anderen Netzteilen derselben Bauart parallel geschaltet werden. Durch die getaktete Regelung des Maximalstromes kann am Ausgang des Netzteils ein beliebig großer Kondensator eingesetzt werden. Große Kondensatoren am Ausgang eines Netzgerates bewirken aber ein Stützen der Ausgangsspannung gegen Spannungseinbriiche (Laststöße).The switched-mode power supply according to the invention can be used to increase the output Performance in parallel with other power supplies of the same type in an advantageous manner be switched. The clocked regulation of the maximum current allows at the output Any size capacitor can be used in the power supply unit. Big capacitors at the output of a power supply, however, cause the output voltage to be counterbalanced Voltage drops (load surges).
Die Leistungsbauteile des Netzgerätes werden geschont, weil beispielsweise bei Kurzschluß am Ausgang die Energiebabgabe in der Spule sehr langsam erfolgt und die Leistungshalbleiter kalt bleiben. Vorteilhaft ist auch besonders, daß der große Kondensator mit einem maximalen Strom geladen wird und sich dadurch die Ausgangsspannung sehr schnell und sicher auf den vorgeschriebenen Wert einstellt.The power components of the power supply are spared because, for example in the event of a short circuit at the output, the energy output in the coil takes place very slowly and the power semiconductors stay cold. It is also particularly advantageous that the large Capacitor is charged with a maximum current and thereby the output voltage adjusts to the prescribed value very quickly and safely.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erlautert.An embodiment of the invention is described below with reference to FIG Drawing explained in more detail.
Am Eingang UE des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils liegt eine ungeregelte Gleichspannung (ca. 24V) an, die am Ausgang UA einen niedrigen, gegen Kurzschluß und Stromüberhöhung gesicherten Wert (ca. 5V) annimmt. Eingang und Ausgang beziehen sich auf das Potential O-Volt.At the input UE of the switched-mode power supply according to the invention there is an unregulated DC voltage (approx. 24V), which at output UA a low, against short circuit and current surge assumes a secured value (approx. 5V). Relate input and output refer to the potential 0-volt.
Der Eingang UE führt auf ein Schaltelement 1 tbeispielsweise Schalttransistor), das durch ein ODER-Glied 2 gesteuert wird. Dieses Schaltelement 1 trennt bei Kurzschluß oder erhöhtem Strom den Ausgang UA vom Eingang UE. Dem Schaltelement 1 ist eine Spule 3 mit Eisenkern (Speicherdrossel) und ein Stromfühler 4 nachgeschaltet.The input UE leads to a switching element 1 (e.g. switching transistor), which is controlled by an OR gate 2. This switching element 1 disconnects in the event of a short circuit or increased current the output UA from the input UE. The switching element 1 is a Coil 3 with iron core (storage choke) and a current sensor 4 connected downstream.
Hinter dem Stromfühler liegt am Ausgang UA die geregelte Ausgangsspannung an. Der Stromfühler 4 kann auch zwischen das Schaltelement 1 und die Spule 3 eingeschaltet werden. Vom Ausgang UA ist ein Kondensator 9 gegen O-Volt-Potential geschaltet. Der Stromfühler 4 steuert einen Zweipunkt-Stromregler 6 an, der wiederum auf das ODER-Glied 2 wirkt. Vom Ausgang UA wird weiterhin noch ein Zweipunkt-Spannungsregler 7 angesteuert, der wiederum auf das ODER-Glied 2 einwirkt. Zwischen Schaltelement 1 und Spule 3 ist noch zusätzlich eine Freilaufdiode 8 gegen O-Volt-Potential gelegt.The regulated output voltage is located behind the current sensor at output UA at. The current sensor 4 can also be connected between the switching element 1 and the coil 3 will. A capacitor 9 is connected to 0 volt potential from the output UA. The current sensor 4 controls a two-point current regulator 6, which in turn reacts to the OR element 2 is effective. A two-point voltage regulator is still used from output UA 7, which in turn acts on OR gate 2. Between switching element 1 and coil 3, a free-wheeling diode 8 is also placed against 0-volt potential.
Diese erfindungsgemäße Anordnung arbeitet wie folgt: Die Spannung am Ausgang UA soll spannungs- und strommE-ßig geregelt werden. Wenn die Spannung am Ausgang UA zu niedrig ist, wird dies über den Zweipunktregler 7 festgestellt. Dleser Regler beeinflußt das ODER-Glied 2, wodurch das Schaltelement 1 schließt. Durch die Reihenschaltung von Schaltelement 1, SDule 3, Stromffihler 4 fließt nun ein Strom vom Eingang UE zum Ausgang UA. Die Spule 3 wirkt dabei als Speicher tImpedanzverhalten).This arrangement according to the invention works as follows: the The voltage at the output UA is to be regulated in terms of voltage and current. If the The voltage at the output UA is too low, this is determined by the two-position controller 7. The controller influences the OR gate 2, whereby the switching element 1 closes. The series connection of switching element 1, SDule 3, current sensor 4 now flows a current from the input UE to the output UA. The coil 3 acts as a memory (impedance behavior).
Dor Strom durch die Spule 3 steigt solange an, bis am Kondensator 5 bzw. am Ausgang UA ein oberer Grenzwert erreicht ist. Der Zweipunkt-Spannungsregler 7 hat einen definierten oberen Einschaltpunkt und einen definierten unteren Ausschaltpunkt und wirkt so bei Erreichen des oberen Grenzwertes am Kondensator 5 über das ODER-Glied -2 auf das Schaltelement 1 ein. Das heißt, der Stromfluß vom Eingang UE zum Ausgang UA wird unterbrochen.The current through the coil 3 rises until the capacitor 5 or an upper limit value has been reached at output UA. The two-point voltage regulator 7 has a defined upper switch-on point and a defined lower switch-off point and so acts when the upper limit value is reached on capacitor 5 via the OR gate -2 on the switching element 1. That is, the current flow from the input UE to the output UA is interrupted.
Die Speicherspule 3 wirkt nun als Generator. Sie kehrt ihre Polarität um und gibt einen Strom ab, der über den Stromfühler 4, den Kondensator 5, die Freilaufdiode 8 wieder zurck zur Spule 3 fließt. Wird nach einer gewissen Zeit die Stromabgabe von der Speicherspule 3 immer geringer, schaltet bei Erreichen eines unteren Grenzwertes am Kondensator 5 der Zweipunkt-Spannungsregler 7 das Schaltelement 1 über das ODER-Clied 2 wieder zu.The storage coil 3 now acts as a generator. She reverses her polarity around and emits a current that passes through the current sensor 4, the capacitor 5, the free-wheeling diode 8 flows back to the coil 3 again. After a certain period of time, the electricity will be released from the storage coil 3 is always lower, switches when a lower limit value is reached on the capacitor 5 of the two-point voltage regulator 7, the switching element 1 via the OR-Clied 2 closed again.
Die Stromregelung erfolgt auf ähnliche Art, nur wird jetzt der Strom von dem Strommeßfühler 4 abgenommen und auf den Zweipunkt-Stromregler 6 geführt. Dieser Stromregler 6 weist wiederum einen definierten oberen Einschaltpunkt und einen definierten unteren Ausschaltpunkt auf. Auch der Stromregler 6 wirkt über das ODER-Glied 2 auf das Schaltelement 1. Ein Strom fließt jetzt wieder durch die Speicherspule, so daß über den Strommeßfühler Lt der Stromregler 6 abschaltend auf das ODER-Glied 2 und das Schalteleint 1 einwirkt.The current is regulated in a similar way, only the current is now removed from the current sensor 4 and fed to the two-point current regulator 6. This current regulator 6 in turn has a defined upper switch-on point and a defined lower switch-off point. The current regulator 6 also has an effect the OR gate 2 to the switching element 1. A current now flows through the again Storage coil, so that the current regulator 6 switches off via the current sensor Lt the OR gate 2 and the switching line 1 acts.
Im Falle von Kurzschluß oder berlast am Ausgang UA wird über den Stromfühler 4 der Zweipunkt-Stromregler 6 angesteuert, wodurch das Schaltelement 1 den Eingang UE vom Ausgang UA trennt. Durch den Stromfühler 4 fließt ein Konstantstrom, so daß am Ausgang UA auch bei Vollast und großem Kondensator 5 eine kurze Einschaltdauer gewährleistet ist. Durch diese Konstantstrombegrenzung am Meßfühler 4 werden beim Einschalten unzulässig hohe Strom werte durch die Spei-cherspule 3 und damit durch das Schaltelement 1 unterbunden.In the event of a short circuit or overload at output UA, the current sensor 4, the two-point current regulator 6 is controlled, whereby the switching element 1 is the input Disconnects UE from output UA. A constant current flows through the current sensor 4, so that A short switch-on time at output UA even with full load and large capacitor 5 is guaranteed. By this constant current limitation at the sensor 4 are the Switching on impermissibly high current values through the storage coil 3 and thus through the switching element 1 prevented.
Das Erfindungswesentliche ist also eine getrennte Zweipunkt-Spannungs- und -Stromregelung, die über ein Verknüpfungsglied auf das Schaltelement einwirkt. Durch ein weiteres nicht gezeigtes Verknilpfungsglied kann in vorteilhafter Weise eine Vorrangigkeit beispielsweise des Stromreglers vor dem Spannungsregler erzielt werden. Die erfindungsgem§Re Anordnung läßt sich auch bei Eintaktdurchflußwandlern oder nach dem Gegentaktt>rinzip arbeitenden primärgetakteten Durchflußwandlern einsetzen.What is essential to the invention is therefore a separate two-point voltage and current control, which acts on the switching element via a logic element. By means of a further linking element (not shown), it is possible in an advantageous manner priority is achieved, for example, for the current regulator over the voltage regulator will. The arrangement according to the invention can also be used with single-ended flow converters or according to the push-pull> principle working primary clocked flow converters insert.
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| DE3245759A1 true DE3245759A1 (en) | 1984-06-14 |
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