DE3619256A1 - Switched-mode regulator - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Schaltregler ist bekannt aus DE-PS 29 50 340.The invention relates to a switching regulator according to the preamble of claim 1. Such a switching regulator is known from DE-PS 29 50 340.
Der Frequenzgang von Schaltreglerstellgliedern weist meistens ein integrales Verhalten auf. Wenn das Stellglied ein lineares Übertragungsverhalten aufweisen würde, wäre es einfach durch ein in Reihe geschaltetes D-Glied den J-Anteil auszugleichen.The frequency response of switching regulator actuators usually shows an integral behavior. If the actuator is a linear Transmission behavior, it would be easy to compensate for the J component by means of a D element connected in series.
Bekanntlich stört der auf den Pulsbreitenmodulator wirkende "Rippel" (J. Wüstehube, Schaltnetzteile, Expert Verlag, Grafenau, 1979, Seite 382) die Funktionsweise des Pulsbreitenmodulators. Aus diesem Grunde wird vor dem Pulsbreitenmodulator ein Integrator vorgesehen, der die Rippel-Spannungen, bzw. -ströme verringert (Silicon General Applikationsschrift "Lineare IC's - zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von Schaltreglern"). Die Reihenschaltung eines D-Anteils in den Regelkreis zur Kompensation des Frequenzganges des Schaltreglerstellgliedes würde den Rippel wieder stark erhöhen und der Modulator beim Schaltregler gemäß Fig. 1 wäre nicht funktionsfähig.As is known, the "ripple" acting on the pulse width modulator (J. Wüstehube, Schaltnetzteile, Expert Verlag, Grafenau, 1979, page 382) interferes with the functioning of the pulse width modulator. For this reason, an integrator is provided in front of the pulse width modulator, which reduces the ripple voltages and currents (Silicon General application specification "Linear ICs - to improve the dynamic behavior of switching regulators"). The series connection of a D component in the control circuit to compensate for the frequency response of the switching regulator actuator would again greatly increase the ripple and the modulator in the switching regulator according to FIG. 1 would not be functional.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß der J-Anteil des Stellgliedes kompensiert wird, ohne gleichzeitig den Rippel vor dem Pulsbreitenmodulator zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Schaltreglers nach der Erfindung auf.The object of the invention is therefore according to a switching regulator the preamble of claim 1 so that the J component of the actuator is compensated without simultaneously to increase the ripple in front of the pulse width modulator. These Task is characterized by the characterizing features of the claim 1 solved. The sub-claims show advantageous Refinements of the switching regulator according to the invention.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Zwischenschaltung einer Abtast-Halteschaltung (Sample and Hold) zwischen Intergrationsglied und Pulsbreitenmodulator im Regelkreis lediglich die Höhe der Ausgangsgleichspannung und des maximalen Rippels weitergegeben wird. Eine Anhebung des Frequenzganges nach der Abtast-Halte-Schaltung erhöht deshalb den Rippel nicht mehr. Dem Einbau eines Kompensationsgliedes steht nichts mehr im Wege. Das Kompensationsglied wird bezüglich seinem Frequenzgang reziprok zum Frequenzgang des Stellgliedes gewählt.The invention is based on the knowledge that when interposed a sample and hold circuit between Integration link and pulse width modulator in the control loop only the level of the DC output voltage and the maximum Rippels is passed. An increase in the frequency response after the sample and hold circuit therefore increases the ripple no longer. The installation of a compensation element nothing stands in the way. The compensation link is regarding its frequency response is reciprocal to the frequency response of the Actuator selected.
Im Gegensatz zur Kompensation bei der DE-PS 29 50 340, wo ein Doppel-T-Glied in die Rückführung eines Kompensationsverstärkers geschaltet ist und der erzeugte positive Phasenüberschuß die ansonsten unverändert belassene Regelschleife kompensiert, dient bei vorliegender Erfindung das Kompensationsglied (Doppel-D-Glied) dazu, das Stellglied bezüglich seines Frequenzganges völlig zu kompensieren, wie auch in seiner Übertragungsfunktion daraus ersichtlich ist, daß ein Nenner fehlt. Durch diese Kompensation kann man die Durchtrittsfrequenz der Regelschleife mit dem Integrationsglied für den Rippel frei wählen. Der Schaltregler gemäß der Erfindung wirkt also noch schneller auf sprungartige Änderungen als der Schaltregler gemäß DE-PS 29 50 340. Die erzielbare Regelgeschwindigkeit bei der Erfindung kommt in die Nähe der Schaltfrequenz. Beim Gegenstand gemäß DE-PS 29 50 340 liegt die Durchtrittsfrequenz im Bode-Diagramm relativ niedrig; sie ist durch das Leistungsteil und das Integrationsglied für den Rippel bestimmt. Durch den positiven Phasenüberschuß des Kompensationsverstärkers wird die Phase bei der Durchtrittsfrequenz angehoben um Stabilität zu erreichen. In contrast to the compensation in DE-PS 29 50 340, where a double-T element in the feedback of a compensation amplifier is switched and the positive phase excess generated the otherwise unchanged control loop compensated, the compensation element is used in the present invention (Double-D element) to the actuator to completely compensate for its frequency response, as in Its transfer function shows that a Denominator is missing. With this compensation you can change the crossover frequency the control loop with the integration element choose freely for the ripple. The switching regulator according to the invention acts even more quickly on sudden changes as the switching regulator according to DE-PS 29 50 340. The achievable Control speed in the invention comes close the switching frequency. With the object according to DE-PS 29 50 340 the crossover frequency is relatively low in the Bode diagram; it is through the power section and the integration link intended for the ripple. Through the positive phase excess of the compensation amplifier, the phase at the crossover frequency increased to achieve stability.
Anhand der weiteren Zeichnungen wird der Schaltregler gemäß der Erfindung näher erläutert. Es zeigenUsing the other drawings, the switching regulator is according to the invention explained in more detail. Show it
Fig. 2 den Aufbau des Schaltreglers gemäß der Erfindung, Fig. 2 shows the structure of the switching regulator according to the invention,
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des Schaltregler-Stellgliedes, Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of the switching controller-actuator,
Fig. 4 die Amplituden- und Phasengänge offener Schleifen im Vergleich, Fig. 4 shows the amplitude and phase responses of open loops in the comparison,
Fig. 5 zeitliche Signalverläufe des Schaltreglers,5 shows temporal waveforms. Of the switching regulator,
Fig. 6 den Aufbau des Kompensationsgliedes. Fig. 6 shows the structure of the compensation element.
Den Aufbau des Schaltreglers gemäß der Erfindung zeigt Fig. 2 in einem Prinzipschaltbild. Zwischen den Eingangsklemmen 1-2 liegt die Eingangsgleichspannung U 0. Die Ausgangsgleichspannung U A des Schaltreglers ist zwischen den Klemmen 3-F4 aehmbar. Das Stellglied SG des Schaltreglers befindet sich zwischen den Klemmen 1-3. Seine Übertragungsfunktion lautet z. B. im Falle eines Abstellers (Buckregler):The structure of the switching regulator according to the invention, Fig. 2 shows in a schematic diagram. The input DC voltage U 0 lies between the input terminals 1 - 2 . The DC output voltage U A of the switching regulator can be accepted between terminals 3 - F4 . The actuator SG of the switching regulator is located between terminals 1 - 3 . Its transfer function is z. B. in the case of a shutdown (buck regulator):
wobei
s = j ω,
ϑ 2 = den Dämpfungsgrad,
t/T = das Tastverhältnis und
τ 1 und τ 2 die Eckfrequenzen angeben.
T = Schaltperiode des Stellgliedes.
in which
s = j ω ,
ϑ 2 = the degree of damping,
t / T = the duty cycle and
τ 1 and τ 2 indicate the cutoff frequencies.
T = switching period of the actuator.
Mit dem Ersatzschaltbild nach Fig. 3 gilt für das Stellglied SG:With the equivalent circuit diagram according to FIG. 3, the following applies to the actuator SG :
τ 1 = R c · C
t 2 = L · C τ 1 = R c · C
t 2 = L * C
Die Übertragungsfunktion F (s) zeigt im Zähler einen linearen D-Anteil und im Nenner einen quadratischen J-Anteil. Die Regelschleife des Schaltreglers besteht aus dem Integrationsglied IG 1. Ordnung mit der Übertragungsfunktion:The transfer function F ( s ) shows a linear D component in the numerator and a quadratic J component in the denominator. The control loop of the switching regulator consists of the integration element IG 1st order with the transfer function:
der Abtast-Halteschaltung AH, dem Regelverstärker RV, dem Doppel-D-Kompensationsglied KG mit der Übertragungsfunktion:the sample and hold circuit AH , the control amplifier RV , the double D compensation element KG with the transfer function:
F D(s) = K · [s 2 τ 1 τ 2 + s (t-1 + τ 2) + 1] F D ( s ) = K · [ s 2 τ 1 τ 2 + s ( t - 1 + τ 2 ) + 1]
und dem Pulsbreitenmodulator PBM mit der Zeitfunktion:and the pulse width modulator PBM with the time function:
F PBM(s) = U Z · e -st F PBM ( s ) = U Z · e - st
wobei t t = T = die Sample-Periode des Abtast- und Haltegliedes ist. where t t = T = the sample period of the sample and hold element.
Der Frequenzgang des offenen Kreises wird vom Integrationsglied IG bestimmt und ergibt sich zu:The frequency response of the open loop is determined by the integration element IG and results in:
F 0(s) = K′ · (1 + s τ 1) · F I(s) · -e -st . F 0 ( s ) = K ′ · (1 + s τ 1 ) · F I ( s ) · -e - st .
Der Gesamtfrequenzgang wird damit vom wählbaren Frequenzgang F I(s) des Integrationsgliedes IG bestimmt. Die Anordnung ist sehr stabil, da der Integralteil des Stellgliedes St kompensiert ist. Fig. 4 zeigt diese Tatsache. In Fig. 4 sind die Amplituden- und Phasengänge offener Schleifen im Bode-Diagramm im Vergleich dargestellt Kurve zeigt den Amplitudenverlauf eines typischen Reglers und Kurve den entsprechenden Phasenverlauf. Kurve zeigt den Phasenverlauf und Kurve den Amplitudenverlauf des Doppel-D-Kompensationsgliedes KG. Die Kurven und zeigen Phasen- und Amplitudengang des Gesamtreglers nach der Erfindung. Der Phasenrand d R1 des typischen Reglers beträgt etwa 20° und der Phasenrand ϕ R2 des Reglers nach der Erfindung etwa 100°. Die erreichbare Regelgeschwindigkeit kommt in die Nähe der Schaltfrequenz.The total frequency response is thus determined by the selectable frequency response F I ( s ) of the integration element IG . The arrangement is very stable since the integral part of the actuator St is compensated. Fig. 4 shows this fact. In FIG. 4, the amplitude and phase responses are open loops in the Bode diagram shown in comparison curve shows the amplitude response curve of a typical regulator and the corresponding phase response. Curve shows the phase curve and curve shows the amplitude curve of the double-D compensation element KG . The curves and show the phase and amplitude response of the overall controller according to the invention. The phase edge d R 1 of the typical regulator is approximately 20 ° and the phase edge ϕ R 2 of the regulator according to the invention is approximately 100 °. The achievable control speed comes close to the switching frequency.
Der Pulsbreitenmodulator PBM wird üblicherweise von einem Sägezahnoszillator SZ gesteuert. Als Abtast-Halteschaltung AH kann eine übliche integrierte Schaltung verwendet werden, die durch einen vom Sägezahnoszillator SZ gewonnenen kurzen Impuls geschaltet wird.The pulse width modulator PBM is usually controlled by a sawtooth oscillator SZ . A conventional integrated circuit can be used as the sample and hold circuit AH , which is switched by a short pulse obtained from the sawtooth oscillator SZ .
Fig. 5 zeigt die zeitlichen Signalverläufe des Schaltreglers an ausgewählten Punkten, die im Prinzipschaltbild gemäß Fig. 2 und in Fig. 5 gleich bezeichnet sind. Der Signalverlauf am Punkt zeigt die Ansteuerung des Schalttransistors im Reglerstellglied SG, das Ausgangssignal des Sägezahnoszillators U Z erscheint am Punkt und die Steuerspannung U PBM am Eingang des Pulsbreitenmodulators PBM am Punkt . Die Ausgangsspannung des Abtast-Haltegliedes AH erscheint am Punkt , die Ausgangsspanung des Rippelintegrators (Integrationsglied 1. Ordnung) IG am Punkt und die mittels einer Pulserzeugungsstufe PE, beispielsweise ein Flip-Flop, aus dem Ausgangssignal des Sägezahnoszillators SZ gewonnenen Sampleimpulse für die Abtast-Halteschaltung AH am Punkt . Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, wird die Ansteuerung der Abtast- Halteschaltung AH erfindungsgemäß im Zeitpunkt des Abfalls des vom Sägezahnoszillator SZ abgegebenen Sägezahnsignals vorgenommen. Diese Maßnahme wird aus folgendem Grund getroffen: Da Abtast-Halteschaltungen in der Praxis im Moment des Abtastens kleine Überschwinger erzeugen, werden diese vom Doppel-D-Glied KG verstärkt und würden so zu Störungen des Pulsbreitenmodulators PBM führen. FIG. 5 shows the signal waveforms of the switching regulator at selected points, which are identified in the same way in the basic circuit diagram according to FIG. 2 and in FIG. 5. The signal curve at the point shows the activation of the switching transistor in the regulator actuator SG , the output signal of the sawtooth oscillator U Z appears at the point and the control voltage U PBM at the input of the pulse width modulator PBM at the point. The output voltage of the sample and hold element AH appears at the point, the output voltage of the ripple integrator (1st order integration element) IG at the point and the sample pulses for the sample and hold circuit obtained from the output signal of the sawtooth oscillator SZ by means of a pulse generation stage PE , for example a flip-flop AH at the point. As can be seen from FIG. 5, the control of the sample and hold circuit AH is carried out according to the invention at the time of the drop in the sawtooth signal output by the sawtooth oscillator SZ . This measure is taken for the following reason: Since sample and hold circuits generate small overshoots in practice at the moment of sampling, these are amplified by the double D element KG and would thus lead to faults in the pulse width modulator PBM .
Als Doppel-D-Glied KG können beliebige Schaltungen Verwendung finden, die einen bezüglich des Frequenzganges des Stellgliedes SG inversen Frequenzgang aufweisen. Als besonders vorteilhaft bezüglich Einstellung der Eckfrequenzen, Dämpfung und Stabilität hat sich eine Schaltung gemäß Fig. 6 erwiesen. Sie besteht aus zwei in Serie geschalteten Operationsverstärkern Op 1 und Op 2, in deren Rückkopplungszweigen jeweils eine RC-T- Schaltung angeordnet ist. Vor dem eingangsseitigen Operationsverstärker Op 1 und zwischen den beiden Operationsverstärkern ist jeweils ein Widerstand R 1 bzw. R 4 angeordnet. Die RC-T- Schaltungen bestehen jeweils aus zwei Widerständen R 2, R 3; bzw. R 5, R 6 im Längszweig und einem Kondensator C im Querzweig. Die Übertragungsfunktion ergibt sich zu:Any circuits which have a frequency response which is inverse with respect to the frequency response of the actuator SG can be used as the double D element KG . A circuit according to FIG. 6 has proven to be particularly advantageous with regard to setting the corner frequencies, damping and stability. It consists of two operational amplifiers Op 1 and Op 2 connected in series, in the feedback branches of which an RC-T circuit is arranged. A resistor R 1 or R 4 is arranged in front of the operational amplifier Op 1 on the input side and between the two operational amplifiers. The RC-T circuits each consist of two resistors R 2 , R 3 ; or R 5 , R 6 in the longitudinal branch and a capacitor C in the transverse branch. The transfer function results in:
mitWith
undand
In abgekürzter Schreibweise erhält man:In an abbreviated form you get:
wobei q die Dämpfung,
ω p und ω d Eckfrequenz bzw. Durchtrittsfrequenz
im Bode-Diagramm bedeuten und
V den Verstärkungsfaktor angibt, der
≈ 1 gewählt werden kann.where q is the damping,
ω p and ω d mean frequency or crossover frequency in the Bode diagram and
V indicates the gain factor that can be selected ≈ 1.
Claims (5)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19863619256 DE3619256C2 (en) | 1986-06-07 | 1986-06-07 | Switching regulator |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19863619256 DE3619256C2 (en) | 1986-06-07 | 1986-06-07 | Switching regulator |
Publications (2)
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|---|---|
| DE3619256A1 true DE3619256A1 (en) | 1987-12-10 |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3619256C2 (en) |
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|---|---|---|---|---|
| WO1991000644A1 (en) * | 1989-06-23 | 1991-01-10 | Hewlett-Packard Company | Ac to dc converter with unity power factor |
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| DE2950340C2 (en) * | 1979-12-14 | 1986-02-27 | ANT Nachrichtentechnik GmbH, 7150 Backnang | DC voltage converter for the stabilized power supply of telecommunications equipment |
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1986
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| US5508907A (en) * | 1992-12-15 | 1996-04-16 | Gec Alsthom Transport Sa | Chopper control apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3619256C2 (en) | 1994-06-16 |
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