DE3619256C2

DE3619256C2 - Schaltregler

Info

Publication number: DE3619256C2
Application number: DE19863619256
Authority: DE
Inventors: Siegfried Ing Grad Lechler
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1986-06-07
Filing date: 1986-06-07
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2006-06-08
Also published as: DE3619256A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Schaltregler ist bekannt aus DE 29 50 340 C2.

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.

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. 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.

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.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Zwischenschaltung einer Abtast-Halteschaltung (Sample and Hold) zwischen Integrationsglied 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.

Im Gegensatz zur Kompensation bei der DE 29 50 340 C2, 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 29 50 340 C2. Die erzielbare Regelgeschwindigkeit bei der Erfindung kommt in die Nähe der Schaltfrequenz. Beim Gegenstand gemäß DE 29 50 340 C2 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 erhöhen.

Anhand der weiteren Zeichnungen wird der Schaltregler gemäß der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 2 den Aufbau des Schaltreglers gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des Schaltregler-Stellgliedes,

Fig. 4 die Amplituden- und Phasengänge offener Schleifen im Vergleich,

Fig. 5 zeitliche Signalverläufe des Schaltreglers,

Fig. 6 den Aufbau des Kompensationsgliedes.

Den Aufbau des Schaltreglers gemäß der Erfindung zeigt Fig. 2 in einem Prinzipschaltbild. Zwischen den Eingangsklemmen 1-2 liegt die Eingangsgleichspannung U_O. Die Ausgangsgleichspannung U_A des Schaltreglers ist zwischen den Klemmen 3-4 abnehmbar. Das Stellglied SG des Schaltreglers befindet sich zwischen den Klemmen 1-3. Seine Übertragungsfunktion lautet z. B. im Falle eines Abstellers (Buckregler):

wobei

s = jω,
ϑ₂ = den Dämpfungsgrad,
t/T = das Tastverhältnis und
τ₁ und τ₂ die Eckfrequenzen angeben.
T = Schaltperiode des Stellgliedes.

Mit dem Ersatzschaltbild nach Fig. 3 gilt für das Stellglied SG:

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:

der Abtast-Halteschaltung AH, dem Regelverstärker RV, dem Doppel-D-Kompensationsglied KG mit der Übertragungsfunktion:

F_D(s) = K · [s² τ₁ τ₂ + s (τ₁ + τ₂) + 1]

und dem Pulsbreitenmodulator PBM mit der Zeitfunktion:

wobei t_t = T = die Sample-Periode des Abtast- und Haltegliedes ist.

Der Frequenzgang des offenen Kreises wird vom Integrationsglied IG bestimmt und ergibt sich zu:

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 ϕ_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.

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.

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 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 Ausgangsspannung 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.

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 Op1 und Op2, in deren Rückkopplungszweigen jeweils eine RC-T- Schaltung angeordnet ist. Vor dem eingangsseitigen Operationsverstärker Op1 und zwischen den beiden Operationsverstärkern ist jeweils ein Widerstand R1 bzw. R4 angeordnet. Die RC-T- Schaltungen bestehen jeweils aus zwei Widerständen R2, R3; bzw. R5, R6 im Längszweig und einem Kondensator C im Querzweig. Die Übertragungsfunktion ergibt sich zu:

In abgekürzter Schreibweise erhält man:

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.

Claims

1. Schaltregler mit einem das Stellglied in Abhängigkeit der Höhe der Ausgangsspannung steuernden Pulsbreitenmodulator, wobei im Regelkreis zwischen dem Schaltreglerausgang und dem Pulsbreitenmodulator ein Integrationsglied sowie ein Kompensationsglied vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Integrationsglied (IG) und dem Pulsbreitenmodulator (PBM) eine Abtast-Halteschaltung (AH) angeordnet ist, daß der Abtasthalteschaltung (AH) das Kompensationsglied (KG) nachgeschaltet ist und daß das Kompensationsglied (KG) einen bezüglich des Frequenzganges des Stellgliedes (SG) inversen Frequenzgang aufweist.

2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsglied (KG) aus einem Doppel-D-Glied besteht.

3. Schaltregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast-Halteschaltung (AH) durch einen Sägezahnoszillator (SZ) gesteuert ist, welcher auch den Pulsbreitenmodulator (PBM) steuert.

4. Schaltregler nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Schaltmittel (FF) zur Ansteuerung der Abtast-Halteschaltung (AH) im Zeitpunkt des Abfalls des vom Sägezahnoszillator (SZ) abgegebenen Sägezahnsignals.

5. Schaltregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppel-D-Glied aus zwei in Serie geschalteten Operationsverstärkern (Op1, Op2) besteht, in deren Gegenkopplungszweigen jeweils ein T-Glied angeordnet ist mit Widerständen (R1, R2; R3, R4) in den Längszweigen und Kondensatoren (C) in den Querzweigen.