DE3241668A1 - DC-DC converter - Google Patents
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Abstract
Description
Gleichspannungswandler DC-DC converter
Die Erfindung bezieht sich auf einen getakteten Gleichspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1,.The invention relates to a clocked DC voltage converter according to the preamble of claim 1 ,.
Aus der technischen Mitteilung über "Integrierte Schaltnetzteil-Steuerschaltungen TDA 4700/TDA 4718 Funktion und Anwendung" von Siemens, Bestell-Nr. B/23}2, ist ein Halbbrücken-Schaltnetzteil (Bild 19) bekannt, das einen Pulsbreitenmodulator und einen Stromwandler aufweist.From the technical communication on "Integrated Switching Power Supply Control Circuits TDA 4700 / TDA 4718 Function and Application "from Siemens, Order No. B / 23} 2, is a Half-bridge switched-mode power supply (Fig. 19), which has a pulse width modulator and has a current transformer.
Der Ausgang des Stromwandlers ist mit einem Komparator (Bild 1) verbunden, an den eine GLeichspannung als Referenzspannung angelegt ist und der auf ein Impulsabschalt-Flipflop wirkt, damit bei einem auftretenden überstrom eine Abschaltung des SchaLtnetzteiles erfolgt.The output of the current transformer is connected to a comparator (Figure 1), to which a DC voltage is applied as a reference voltage and that to a pulse switch-off flip-flop acts so that the switching power supply is switched off in the event of an overcurrent he follows.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten getakteten Gleichspannungsw-andler so auszugestalten, daß eine schnelle dynamische Strombegrenzung zugleich mit einer Stromregelung vorhanden ist.The invention is based on the object of the above-mentioned clocked Design DC voltage converter so that a fast dynamic current limitation is present at the same time as a current control.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen worden.This problem is solved with those specified in claim 1 Means. Advantageous refinements can be found in the subclaims.
Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführung eines getakteten Gleichspannungswandlers und Fig. 2 eine zweite Ausführung des getaktetenG lei chspannungswandlers.The invention will now be explained with reference to drawings of exemplary embodiments explained in more detail. 1 shows a schematic circuit diagram of a first embodiment of a pulsed DC / DC converter and FIG. 2 shows a second embodiment of the pulsed G. voltage converter.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten getakteten GLeichspannungswandler handelt es sich um einen Eintakt-Durchflußwandler.In the clocked DC voltage converter shown in FIG it is a single-ended flow converter.
Es sei darauf hingewiesen, daß andere Wandlertypen und Gegentaktwandler gleichermaßen verwendet werden können. Es gelangt eine Eingangsgleichspannungs Ue, die aus einer Batterie oder einem an einer Netzwechselspannung betriebenen Gleichrichter stammen kann (nicht dargestellt), über einen elektronischen Schalter, beispielsweise einen Transo tor 1, auf eine Primärwicklung eines Transformators 2.It should be noted that other converter types and push-pull converters can be used equally. An input DC voltage Ue arrives, those from a battery or a rectifier operated on a mains AC voltage can originate (not shown), via an electronic switch, for example a Transo tor 1, on a primary winding of a transformer 2.
Der Transistor 1 wird an seiner Basis von einem Pulsbreitenmodulator 3 gesteuert. An eine Sekundärwicklung des Transformators 2 ist eine Gleichrichter- und Filterschaltung 4 angeschlossen, die eine Ausgangsgleichspannung Ua bereitstellt. Von der Ausgangsgleichspannung Ua ist beispielsweise der negative Pol mit dem Nullpotential verbunden. Der positive Pol ist mit dem Pulsbreitenmodulator 3 durch eine Leitung a verbunden, um den Istwert der Ausgangsgleichspannung Ua dem Putsbreitenmodulator 3 zur Regelung zuzuführen.The transistor 1 is at its base by a pulse width modulator 3 controlled. A rectifier is connected to a secondary winding of the transformer 2 and filter circuit 4 connected, which provides a DC output voltage Ua. The negative pole of the DC output voltage Ua is, for example, with zero potential tied together. The positive pole is connected to the pulse width modulator 3 through a line a connected to the actual value of the DC output voltage Ua to the put width modulator 3 to be supplied for regulation.
Zwischen dem Transistor 1 und der Primarwicklung des Transformators 2 ist ein Stromwandler 11 mit einem Bürdenwiderstand Rl, einer Gleichrichterschaltung 5 und einer ohmschen Belastung durch einen Widerstand R2 geschaltet. Ein Anschluß des Widerstandes R2 ist mit dem Nullpotential verbunden. An dem anderen Anschluß kann eine dem Strom durch den Primärkreis aus dem Transistor 1 und der Primä rwi c lung des Transformators 2 entsprechende Spannung abgenommen werden. Diese Spannung ist bei richtiger Wahl der Beschaltung des Stromwandlers 11 proportional dem Strom im Primärkreis.Between the transistor 1 and the primary winding of the transformer 2 is a current converter 11 with a load resistor Rl, a rectifier circuit 5 and an ohmic load switched through a resistor R2. One connection of resistor R2 is connected to zero potential. To the Another connection can be the current through the primary circuit from transistor 1 and the Primä rwi c development of the transformer 2 corresponding voltage removed will. If the wiring of the current transformer is selected correctly, this voltage is the same 11 proportional to the current in the primary circuit.
An den Pulsbreitenmodulator 3 ist eine Schaltung zum weichen Anlauf 6 angeschlossen, die beim Einschalten wirkt. Die Anlaufschaltung 6 besteht aus einem Komparator 7 und einer nachgeschalteten UND-Schaltung 8. An den nicht invertierenden Eingang des Komparators 7 ist ein Kondensator Cl angeschaltet, der über einen Widerstand R3 von einer positiven Spannung + nach dem Einschalten des Gleichspannungswandlers geladen wird. An den invertierenden Eingang des Komparators ist eine sägezahnförmige Spannung angelegt, die aus einer rechteckförmigen Oszillatorspannung abgeleitet ist.On the pulse width modulator 3 is a circuit for soft start 6 connected, which takes effect when switched on. The start-up circuit 6 consists of one Comparator 7 and a downstream AND circuit 8. To the non-inverting The input of the comparator 7 is a capacitor Cl connected via a resistor R3 from a positive voltage + after switching on the DC / DC converter is loaded. At the inverting input of the comparator is a sawtooth-shaped Voltage applied, derived from a square-wave oscillator voltage is.
Der Ausgang des Komparators ist mit einem Eingang der UND-Schaltung 8 verbunden, an dessen anderem Eingang die rechteckförmige Oszillatorspannung angelegt ist.The output of the comparator is connected to an input of the AND circuit 8 connected, at the other input of which the square-wave oscillator voltage is applied is.
Nach dem Einschalten des Gleichspannungswandlers wird der Kondensator C1 geladen und erreicht seine Spannung die sägezahnförmige Spannung, so geht der Ausgang des Komparators 7 kurzzeitig auf einen hohen Pegel. Mit steigender Spannung am Kondensator C1 erhöht sich dann die Impulsbreite des hohen Pegels. Ist die Spannung des Kondensators C1 dann gleich oder größer als die sägezahnförmige Spannung, so bleibt der Ausgang des Komparators 7 auf -hohem Pegel.After switching on the DC / DC converter, the capacitor C1 is charged and if its voltage reaches the sawtooth voltage, then the Output of the comparator 7 briefly at a high level. With increasing tension The pulse width of the high level then increases at the capacitor C1. Is the tension of the capacitor C1 is then equal to or greater than the sawtooth voltage, see above the output of the comparator 7 remains at -high level.
Entsprechend e-r sc-heinen am Ausgang der UND-Schaltung 8 erst keine, dann schmale Impulse, die breiter werden, bis die Breite der rechteckförmigen Oszill2torspannung erreicht ist. Auf diese Weise wird der Transistor 1 über den Pulsbreitenmodulator 3 weich eingeschaltet.According to e-r there are at first none at the output of the AND circuit 8, then narrow pulses that become wider until the width of the square-wave oscillator voltage is reached. In this way, the transistor 1 is via the pulse width modulator 3 switched on softly.
Auf den Kondensator C1 wirkt eine SchaLtung ein, die in Abhängigkeit vom Strom im Primärkreis die Ladung des Kondensators C1 vermindert und zwar er-st dann, wenn ein zu großer Strom durch einen Fehler, eine zu geringe Last oder einenKurzschluß fließt. Durch die Entladung des Kondensators C1 in diesen Fällen wird der weiche Anlauf mit seinem verringerten Strom im Primärkreis hervorgerufen, was einer Regelung zur Strombegrenzung entspricht oder eine Abschaltung im Falle eines Kurzschlusses bedeutet. A circuit acts on the capacitor C1, which depends on from the current in the primary circuit, the charge on capacitor C1 is reduced, namely first when a too large current is caused by a fault, too little load or a short circuit flows. The discharge of the capacitor C1 in these cases becomes the soft Start-up with its reduced current in the primary circuit caused what a regulation for current limitation or a shutdown in the event of a short circuit means.
Die Schaltung besteht aus einem Komparator 9, dessen Ausgang über einen Widerstand R4 mit dem Kondensator C1 verbunden ist, einem zum Widerstand R4 parallel liegenden Kondensator C2 und einem Transistor 10. Der Emitter des Transistors 10 ist mit dem Nullpotential verbunden und seine Basis-Kollektorstrecke liegt parallel zum Widerstand R4. Der invertierende Eingang des Komparators 9 ist mit dem Widerstand R2 verbunden und an den nicht invertierenden Eingang ist eine Wechselspannung angelegt. Diese Wechselspannung hat einen dreiecksförmigen, vorzugsweise einen sägezahnförmigen Verlauf. Diese Sägezahnspannung ist aus der rechteckförmigen Oszillatorspannung abgeleitet und weist deshalb deren Frequenz auf.The circuit consists of a comparator 9, the output of which has one resistor R4 is connected to capacitor C1, one to resistor R4 parallel capacitor C2 and a transistor 10. The emitter of the transistor 10 is connected to zero potential and its base-collector path is parallel to resistor R4. The inverting input of the comparator 9 is with the resistor R2 is connected and an alternating voltage is applied to the non-inverting input. This alternating voltage has a triangular shape, preferably a sawtooth shape Course. This sawtooth voltage is derived from the square-wave oscillator voltage derived and therefore shows their frequency.
Steigt die Spannung am Widerstand R2 an, weil sich der Strom im Primärkreis erhöht, dann erreicht sie die Sägezahnspannung und der Ausgang des Komparators 9 geht kurzzeitig auf einen niedrigen Pegel. Dadurch wird über den Widerstand R4 dem Kondensator Cl kurzzeitig Strom entnommen. Bei weiter ansteigender Spannung am Widerstand R2 erhöht sich die Impulsbreite des niedrigen Pegels am Ausgang des Komparators 9, wodurch dem Kondensator C1 mehr Strom entnommen wird. Da der Widerstand R3 sehr groß ist, sinkt die Spannung am Kondensator C1 und dadurch wird die Pulsbreite zur Aussteuerung des Transistors 1 reduziert. Dies hat zur Folge, daß der Strom im Primärkreis wieder sinkt.The voltage at resistor R2 increases because the current is in the primary circuit increases, then it reaches the sawtooth voltage and the output of the comparator 9 briefly goes to a low level. As a result, via resistor R4 the Capacitor Cl briefly withdrawn power. If the voltage at the resistor continues to rise R2 increases the pulse width of the low level at the output of the comparator 9, drawing more current from capacitor C1. Since the resistor R3 is very is large, the voltage across the capacitor C1 drops and this causes the pulse width to become Modulation of transistor 1 is reduced. This has the consequence that the current in the primary circuit sinks again.
Dieser zum beschriebenen weichen Anlauf umgekehrte Vorgang ergibt sich daraus, daß die jeweils steuernde Spannung dem Komparator 9 am invertierenden und dem Komparator 7 am nicht invertierenden Eingang zugeführt wird.This process, which is the reverse of the soft start-up described, results from the fact that the respective controlling voltage to the comparator 9 on the inverting and fed to the comparator 7 at the non-inverting input.
Im Falle eines Kurzschlusses steigt die Spannung am Widerstand R2 so weit an, daß sie die Sägezahnspannung übersteigt. Dann ist der Ausgang des Komparators dauernd auf niedrigem Pegel und bleibt auch dort, weil über den Widerstand R4 nicht so viel Ladung dem Kondensator C1 entnommen werden kann, daß der Transistor 1 abgeschaltet wird. Jetzt lädt sich der Kondensator C2 so weit auf, bis an ihm die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 10 ansteht. Dann wi rd der Transistor 10 leitend und entLädt dadurch den Kondensator C1 sehr schnell. Das bewirkt, daß von der Anlaufschaltung 6 keine Impulse mehr abgegeben werden und dadurch der Transistor 1 abgeschaltet wird.In the event of a short circuit, the voltage across resistor R2 increases so far that it exceeds the sawtooth voltage. Then the output of the comparator is permanently at a low level and remains there because not via the resistor R4 so much charge can be removed from the capacitor C1 that the transistor 1 is switched off will. The capacitor C2 is now charged until it has the base-emitter voltage of transistor 10 is pending. Then the transistor 10 becomes conductive and thereby discharges the capacitor C1 very quickly. This has the effect that of the start-up circuit 6 none More pulses are emitted and the transistor 1 is switched off as a result.
Die Schaltung weist durch diese Möglichkeit des schnellen Entladens des Kondensators C1 eine geringe Reaktionszeit auf. Durch die Größe der Sägezahnspannung am nicht invertierenden Eingang des Kondensators 9 kann der Proportionalanteil der Regelung eingestellt werden. Da der Strom durch den Widerstand R3 und der durch den Widerstand R4 die Spannung am Kondensator Cl bestimmen, ergibt sich ein integrales Verhalten, wobei der Strom durch den Widerstand R3 im Falle der Strombegrenzung als konstant angenommen wird.The circuit has this possibility of rapid discharge of the capacitor C1 has a short response time. By the size of the sawtooth voltage at the non-inverting input of the capacitor 9, the proportional component of the Regulation can be set. As the current flows through resistor R3 and the through the resistor R4 determine the voltage across the capacitor Cl, the result is an integral Behavior, with the current flowing through resistor R3 in the case of current limiting is assumed to be constant.
Der Komparator 9 arbeitet im Schalterbetrieb, wodurch Störfelder und Störimpulse nur sehr geringe Auswirkungen haben.The comparator 9 works in switch mode, which causes interference fields and Glitches have very little effect.
Eine noch weiter vereinfachte Schaltung des getakteten Gleichspannungswandlers ist in Fig. 2 dargestellt, in der für gleiche Teile wie in Fig. 1 gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Der Ausgang des Komparators 9 ist mit dem Ausgang des Komparators tors 7 verbunden. Die Arbeitsweise die- ser Schaltung ist die gleiche wie die schon beschriebene.An even further simplified circuit of the pulsed DC voltage converter is shown in Fig. 2, in which the same reference numerals for the same parts as in FIG be used. The output of the comparator 9 is with the output of the comparator tors 7 connected. The way of working this circuit is the same like the one already described.
Das integrale Verhalten ist bei dieser Schaltung nicht gegeben, auf dieses kann aber in vielen Anwendungsfällen verzichtet werden, da sehr oft größere Toleranzen für die Strom begrenzung zugelassen sind.The integral behavior is not given in this circuit however, this can be dispensed with in many applications, as it is very often larger Tolerances for the current limitation are permitted.
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Claims (8)
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