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WO2015022097A1 - Kennlinienbasierte vorsteuerung von eingangsspannungs- und ausgangsstromänderungen in einem schaltnetzteil - Google Patents

Kennlinienbasierte vorsteuerung von eingangsspannungs- und ausgangsstromänderungen in einem schaltnetzteil Download PDF

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WO2015022097A1
WO2015022097A1 PCT/EP2014/060662 EP2014060662W WO2015022097A1 WO 2015022097 A1 WO2015022097 A1 WO 2015022097A1 EP 2014060662 W EP2014060662 W EP 2014060662W WO 2015022097 A1 WO2015022097 A1 WO 2015022097A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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control
voltage
power supply
str
output voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/060662
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Diego ANTONGIROLAMI
Göran SCHUBERT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Microelectronic GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Conti Temic Microelectronic GmbH filed Critical Conti Temic Microelectronic GmbH
Publication of WO2015022097A1 publication Critical patent/WO2015022097A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for regulating the output voltage at a switched-mode power supply.
  • Switching power supply units for converting an input voltage into an output voltage are known from the prior art, in which the output voltage is regulated by means of a control voltage to an output voltage setpoint.
  • Control voltage is compared by means of a comparator against a sawtooth generated by a sawtooth voltage, wherein at the output of the comparator, a square wave signal having a duty cycle determined by the control voltage in the manner of a pulse-width modulation (PWM) is generated.
  • PWM pulse-width modulation
  • an electronic switching element for example, a field effect transistor (FET) is operated, which causes the charging of an output ⁇ capacitor when the switching state is closed.
  • FET field effect transistor
  • Output capacitor tapable output voltage whose mean value by means of the duty cycle of the square wave signal and thus by means of the control voltage between zero volts as a minimum and the input voltage is set as the maximum.
  • Switching power supplies are also known from the prior art
  • PFM pulse-frequency modulation
  • Switching power supplies designed as boost converters or step-up converters are also known from the prior art, with which, in a manner substantially analogous to the down converter, an average output voltage can be determined by means of the
  • Control voltage can be set to a value above the input voltage.
  • the set at a certain fixed control voltage average output voltage depends on other parameters of the switching power supply and the wiring of the
  • Variations in parameters in a switching power supply and / or in the circuitry of a switching power supply are at least partially compensated.
  • control methods in the manner of a proportional-integral (PI) controller are known in which the actual value of the output voltage with the PI controller.
  • Output voltage setpoint is compared and from the
  • the invention is based on the object to provide a method for controlling a switching power supply, with the overshoot or undershoot of the output voltage is avoided and a lower delay in tracking the
  • Output voltage has as a method of the prior art.
  • the invention is further based on the object to provide a device for implementing such a method.
  • the object is achieved by the features of claim 1.
  • the object is achieved by the device.
  • the controller determines by means of a
  • the fine control determines from one
  • Control signal is derived from the superposition of the first and second control sub-voltage, the second
  • Control sub-voltage of the fine control in the manner of a Regulator is continuously updated to minimize the control deviation.
  • control signal is generated by means of a comparator by comparing a predetermined sawtooth signal with a control voltage in the manner of a pulse width modulated signal, wherein the
  • Control sub-voltage is determined.
  • Precise and stable generators for sawtooth signals and switching power supplies are known from the prior art, whose output voltage is adjustable by means of a pulse width modulated control signal.
  • control signal is generated in the manner of a pulse-frequency-modulated signal, wherein the pulse frequency is determined by the control voltage, which is the sum of the first and the second
  • Control sub-voltage is determined. From the prior art accurate and stable generators for pulse frequency modulated signals are known whose frequency over a Control voltage is adjustable. Switching power supplies are known from the prior art, the output voltage by means of a pulse frequency modulated or a
  • pulse width modulated control signal is adjustable.
  • the fine control is designed as an integrating or I-controller.
  • Such a fine control designed as an I controller has a high accuracy in steady-state operation, in other words with little or no change in the output voltage of the switched-mode power supply, and can be implemented inexpensively and simply.
  • Adjustment time of the fine control to a value of at least 1 ms, in particular 2 ms or more ms are set. With such a value for the reset time can be
  • Variations typically extend over time intervals that are significantly greater than the selected reset time.
  • Integral time a greater robustness against sudden deviations due to the lower tendency to oscillate.
  • Control voltage reference characteristic formed as a control voltage reference table, which comprises voltage values for the first control sub-voltage in a matrix-like arrangement, wherein a first horizontal matrix index to
  • Input voltage and a second vertical matrix index corresponds to the load current.
  • Such a control voltage reference table can be determined with little effort, for example experimentally or by means of simulation.
  • Input voltage are sufficiently close to the values that correspond to the voltage selected from the control voltage reference table voltage value.
  • the controller generates a voltage value from the control voltage reference table as a first control sub-voltage corresponding to an input voltage and a load current, both of which each have a minimum deviation from the
  • Figure 1 schematically shows the structure of a two-stage controlled
  • Figure 3 shows schematically the course of the output voltage and the first and a second control sub-voltage at a jerky output current load.
  • FIG. 1 shows schematically an inventive device
  • Control device 2 for controlling a switching power supply 1.
  • the switching power supply 1 is at the entrance with a
  • the output voltage U_a is adjustable by means of a control signal S_str, which is generated by the
  • Control device 2 is provided. The
  • Switching power supply 1 includes internal components not shown in detail, for example a diode, a
  • Switching power supply 1 writable.
  • Such internal parameters of the switching power supply 1 may be temporally, for example, due to temperature due to heating or aging, change.
  • Such internal parameters can also be temporally, for example, due to temperature due to heating or aging, change.
  • Such internal parameters can also be temporally, for example, due to temperature due to heating or aging, change.
  • a load 3 is supplied with a load current I_L.
  • the control device 2 measures the input voltage U_e, the output voltage U_a and the load current I_L and generates the control signal S_str.
  • the control device 2 comprises a comparator 2.1, at whose output the
  • Control signal S_str is provided.
  • the control signal S_str for setting the output voltage U_a is designed as a rectangular signal which can assume a first high or a second low voltage level.
  • the duty cycle ie the ratio of the duration of a high voltage level to the total duration of a high and a subsequent low
  • the control signal S_str may, for example, be modulated in the manner of a pulse width modulation (PWM)
  • Rectangular signal are generated with the entire duration of a high and a subsequent low voltage level remains constant, but the duty cycle is variable.
  • a PWM-modulated control signal S_str can be generated for example by means of the comparator 2.1 by comparing a fixed, internally generated or fed sawtooth signal with a control voltage U_str, wherein the control signal S_str at the output of the comparator 2.1 assumes a high voltage level when the voltage level of the sawtooth signal below the control voltage U_str is and wherein the control signal S_str at the output of Comparator 2.1 assumes a low voltage level when the voltage level of the sawtooth signal above the
  • Control voltage U_str is. Thus reduces or increases the duty cycle of the control signal S_str at a reduction or increase in the
  • the control device 2 comprises, in addition to the comparator 2.1, a control 2.2 for determining the approximate duty factor of the control signal S_str and a
  • Fine control 2.3 for tracking this duty cycle.
  • the controller 2.2 determines from the measured input voltage U_e and the measured load current I_L based on a control voltage reference characteristic a first control sub-voltage U_ol.
  • This first control subvoltage U_ol effects a duty cycle which, for certain, typical internal parameters of the switched-mode power supply 1 and for a certain, typical load 3 at the output of the switched-mode power supply 1, leads to the setting of the desired setpoint output voltage U_a_soll.
  • the actual connected load 3 as well as the actual internal parameters of the switched-mode power supply 1 may differ during operation from the values which were used as the basis for the control voltage reference characteristic.
  • the output voltage U_a which is set with the duty cycle read from the control voltage reference characteristic curve, deviate more or less strongly from the desired setpoint output voltage U_a_soll.
  • Fine control 2.3 determined from the control deviation, a second control sub-voltage U_vl, which by means of a
  • the fine control 2.3 outputs a comparatively small second control subvoltage U_ol. Is that from the
  • the fine control 2.3 can be designed, for example, as an integral (I) controller.
  • Figure 2 describes the operation of the controller 2.2 based on the underlying control voltage reference characteristic curve for the set duty cycle of the control signal S_str more accurate.
  • One point of such a control voltage reference characteristic describes a duty cycle as a function of the
  • Control voltage reference characteristic point may be, for example, experimentally and / or by simulation for a
  • a first control sub-voltage U_ol specifies that leads to the experimental and / or simulation determined duty cycle for the control signal S_str, which the desired target output voltage U_a_soll
  • the control voltage reference table R can be
  • Row index of a matrix element to an input ⁇ voltage U_e corresponds and wherein the column index of a matrix element to a load current I_L corresponds and wherein the matrix element itself indicates the first control sub-voltage U_ol.
  • Input voltage U_e along a matrix line and / or the load current I_L along a matrix column can be varied with equidistant intervals. It is thus possible to identify, for a pair of measured values for the input voltage U_e and the load current I_L, the respectively closest matrix element which determines an assigned value for the first control subvoltage U_ol.
  • Figure 3 illustrates the interaction of the controller 2.2 and the fine control 2.3 based on the course of the output ⁇ voltage U_a as a function of the course of the first control sub-voltage U_ol and the second control sub-voltage U_vl over the time axis t.
  • t_L At a switching time t_L is at the output of
  • Switching power supply 1 a load 3 is switched on, which causes an increase of the load current I_L. At an unchanged
  • Control 2.2 based on the input voltage U_e and the load current I_L the first control sub-voltage U_ol from a first voltage value U_oll to a lower second voltage ⁇ value U_ol2, which is the control voltage reference table R is removed.
  • the lower second voltage value U_ol2 causes a lower control voltage U_str at the input of the comparator 2.1 and thus a larger duty cycle of the control signal S_str at the output of the comparator 2.1, which almost equal to the load-related drop in the output voltage U_a
  • Fine control 2.3 leads this deviation only gradually to a change in the second control sub-voltage U_vl, which counteracts the control deviation, so that a curve of the output voltage U_a in the intended tolerance range is reached by the output voltage setpoint U_a_soll.
  • Load change caused change in the output voltage U_a is characterized by a relatively slow tracking of
  • the fine control 2.3 avoids over- or Undershoot the output voltage U_a by a sufficiently large reset time or low upper limit frequency, which is not dominated by the controller 2.2 control delay of the control device 2
  • Output voltage U_a of the target output voltage U_a_soll can be adapted to rapid changes of the load 3 or the input voltage U_a than with methods and devices according to the prior art. Furthermore, the control device 2 according to the invention is easier to implement and allows a more robust and less complicated control by the
  • Fine control 2.3 converted control loop Fine control 2.3 converted control loop.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung (2) mit einer Steuerung (2.2) und einer Feinregelung (2.3) zur Regelung einer mittels eines Steuersignals (S str) veränderbaren Ausgangsspannung (U a) eines Schaltnetzteils (1), wobei die Steuerung (2.2) mittels einer Steuerspannungs-Referenzkennlinie aus einer Eingangsspannung (U e) und einem Laststrom (I L) des Schaltnetzteils (1) eine erste Steuerteilspannung (U ol) bestimmt und wobei die Feinregelung (2.3) aus einer Regelabweichung zwischen der Ausgangsspannung (U a) und einer vorbestimmten Sollausgangsspannung (U a soll) eine zweite Steuerteilspannung (U vi) bestimmt und wobei das Steuersignal (S str) aus der Überlagerung der ersten und zweiten Steuerteilspannung (U ol, U vi) abgeleitet wird, wobei die zweite Steuerteilspannung (U vi) von der Feinregelung (2.3) in der Art eines Reglers fortlaufend zur Minimierung der Regelabweichung nachgeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Regelungsverfahren zur Regelung der Ausgangsspannung (U a) eines Schaltnetzteils (1) mittels einer solchen Regelungsvorrichtung (2), wobei die Steuerung (2.2) einen solchen Spannungswert für die erste Steuerteilspannung (U ol) aus einer Steuerspannungs-Referenztabelle (R) generiert, der zu einer Eingangsspannung (U e) und zu einem Laststrom (I L) korrespondiert, welche beide jeweils eine minimale Abweichung von der gemessenen Eingangsspannung (U e) beziehungsweise von dem gemessenen Laststrom (I L) aufweisen.

Description

Beschreibung
KENNLINIENBASIERTE VORSTEUERUNG VON EINGANGSSPANNUNGS- UND
AUSGANGSSTROMÄNDERUNGEN IN EINEM SCHALTNETZTEIL Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannung an einem Schaltnetzteil.
Aus dem Stand der Technik sind Schaltnetzteile zur Umwandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung bekannt, bei denen die Ausgangsspannung mittels einer Steuerspannung auf einen Ausgangsspannungssollwert geregelt wird.
Beispielsweise sind als Abwärtswandler oder Tiefsetzsteller ausgebildete Schaltnetzteile bekannt, bei welchen eine
Steuerspannung mittels eines Komparators gegen eine von einem Sägezahngenerator generierte Sägezahnspannung verglichen wird, wobei am Ausgang des Komparators ein Rechtecksignal mit einem von der Steuerspannung bestimmten Tastverhältnis in der Art einer Puls-Weiten-Modulation (PWM) erzeugt wird. Mittels dieses Rechtecksignals wird ein elektronisches Schaltelement, beispielsweise ein Feldeffekt-Transistor (FET) , betätigt, das bei geschlossenem Schaltzustand die Aufladung eines Ausgangs¬ kondensators bewirkt. Bei einem solchen Abwärtswandler oder Tiefsetzsteller stellt sich eine parallel zum
Ausgangskondensator abgreifbare Ausgangsspannung ein, deren Mittelwert mittels des Tastverhältnisses des Rechtecksignals und somit mittels der Steuerspannung zwischen Null Volt als Minimum und der Eingangsspannung als Maximum einstellbar ist. Aus dem Stand der Technik sind ferner Schaltnetzteile
bekannt, bei welchen mittels einer Steuerspannung die
Frequenz eines Rechtecksignals mit vorgegebenem
Tastverhältnis in der Art einer Puls-Frequenz-Modulation (PFM) verändert wird. Ein derartiges, mittels PFM moduliertes Rechtecksignal lässt sich zur Einstellung einer mittleren Ausgangsspannung am Ausgangskondensator in im Wesentlichen analoger Weise zu einem mittels PWM modulierten
Rechtecksignal einsetzen. Aus dem Stand der Technik sind ferner als Aufwärtswandler oder Hochsetzsteller ausgebildete Schaltnetzteile bekannt, mit welchen in im Wesentlichen zum Abwärtswandler analoger Weise eine mittlere Ausgangsspannung mittels der
Steuerspannung auf einen Wert oberhalb der Eingangsspannung eingestellt werden kann.
Die bei einer gewissen, fest vorgegebenen Steuerspannung eingestellte mittlere Ausgangsspannung hängt von weiteren Parametern des Schaltnetzteils und der Beschaltung des
Schaltnetzteils ab. Beispielsweise bewirkt eine Schwankung der Eingangsspannung eine Schwankung der Ausgangsspannung. Ebenso bewirkt eine Schwankung des Ausgangsstroms oder
Laststroms durch einen parallel zur Ausgangsspannung
angeschlossenen Lastwiderstand eine Schwankung der
Ausgangsspannung. Ferner bewirken Veränderungen in der
Charakteristik interner Bauelemente des Schaltnetzteils eine Schwankung der Ausgangsspannung, beispielsweise eine durch Erwärmung oder Alterung verursachte Drift einer zur
Generierung der Steuerspannung verwendeten
Referenzspannungsquelle .
Aus dem Stand der Technik sind Regelungsverfahren bekannt, mit denen die Steuerspannung so verändert wird, dass
Schwankungen von Parametern in einem Schaltnetzteil und/oder in der Beschaltung eines Schaltnetzteils mindestens teilweise kompensiert werden. Beispielsweise sind Regelungsverfahren in der Art eines Proportional-Integral (PI) Reglers bekannt, bei denen der Istwert der Ausgangsspannung mit dem
Ausgangsspannungssollwert verglichen wird und aus dem
Vergleich eine Veränderung der Steuerspannung zur Nachführung der Ausgangsspannung an den Ausgangsspannungssollwert
ermittelt wird. Derartige PI-Regler sind so zu
dimensionieren, dass auch bei den schnellsten zu erwartenden Parameteränderungen ein Über- oder Unterschwingen der
Ausgangsspannung außerhalb eines vorgegebenen
Toleranzkorridors um den Ausgangsspannungssollwert vermieden wird. Zwangsläufig wird dadurch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Regelungsverfahren eine Verzögerung
bedingt, mit der der Ausgangsspannungssollwert bei einer plötzlichen Parameteränderung, beispielsweise bei einem
Zuschalten eines Lastwiderstands oder bei einer Verringerung der Eingangsspannung, frühestens wieder erreicht werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Regelung eines Schaltnetzteils anzugeben, mit dem ein Über- oder Unterschwingen der Ausgangsspannung vermieden wird und das eine geringere Verzögerung bei der Nachführung der
Ausgangsspannung aufweist als Verfahren nach dem Stand der Technik. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Umsetzung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung zur Regelung einer mittels eines Steuersignals veränderbaren Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils umfasst eine Steuerung und eine
Feinregelung. Die Steuerung bestimmt mittels einer
Steuerspannungs-Referenzkennlinie aus einer Eingangsspannung des Schaltnetzteils und einem Laststrom durch eine am Ausgang des Schaltnetzteils angeschlossene Last eine erste
Steuerteilspannung. Die Feinregelung bestimmt aus einer
Regelabweichung, welche als Differenz zwischen der
Ausgangsspannung und einer vorbestimmten Sollausgangsspannung ermittelt wird, eine zweite Steuerteilspannung. Das
Steuersignal wird aus der Überlagerung der ersten und zweiten Steuerteilspannung abgeleitet, wobei die zweite
Steuerteilspannung von der Feinregelung in der Art eines Reglers fortlaufend zur Minimierung der Regelabweichung nachgeführt wird.
In vorteilhafter Weise ist mittels der Steuerung eine sehr schnelle näherungsweise Kompensation von Schwankungen der
Eingangsspannung und/oder des Laststroms möglich. Mittels der Feinregelung ist eine genaue Kompensation solcher
Schwankungen sowie eine genaue Kompensation von
typischerweise langsamen Schwankungen interner Parameter, beispielsweise auf Grund von Erwärmung oder Alterung, möglich. Dadurch kann die Feinregelung mit einer größeren Nachlaufzeit beziehungsweise einer niedrigeren oberen
Grenzfrequenz für ausregelbare Schwankungen versehen werden. Dies ermöglicht insgesamt eine robustere Regelung und den Einsatz einfacherer Regler als bei Regelungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik bei zugleich verbesserter
Regelungsgeschwindigkeit und Regelabweichung.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Steuersignal mittels eines Komparators durch Vergleich eines vorgegebenen Sägezahnsignals mit einer Steuerspannung in der Art eines pulsweitenmodulierten Signals generiert, wobei die
Steuerspannung als Summe aus der ersten und der zweiten
Steuerteilspannung bestimmt wird. Aus dem Stand der Technik sind genaue und stabile Generatoren für Sägezahnsignale sowie Schaltnetzteile bekannt, deren Ausgangsspannung mittels eines pulsweitenmodulierten Steuersignals einstellbar ist. In vorteilhafter Weise ist somit eine besonders einfache
Konstruktion der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung möglich.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Steuersignal in der Art eines pulsfrequenzmodulierten Signals generiert wird, wobei die Pulsfrequenz von der Steuerspannung bestimmt wird, welche als Summe aus der ersten und der zweiten
Steuerteilspannung bestimmt wird. Aus dem Stand der Technik sind genaue und stabile Generatoren für pulsfrequenzmodulierte Signale bekannt, deren Frequenz über eine Steuerspannung einstellbar ist. Aus dem Stand der Technik sind ferner Schaltnetzteile bekannt, deren Ausgangsspannung mittels eines pulsfrequenzmodulierten oder eines
pulsweitenmodulierten Steuersignals einstellbar ist. In vorteilhafter Weise ist somit eine besonders einfache
Konstruktion der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung möglich .
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Feinregelung als integrierender oder I-Regler ausgebildet. Bei einer solchen als I-Regler ausgebildeten Feinregelung wird die Differenz zwischen der fortlaufend gemessenen
Ausgangsspannung und einer vorgegebenen Sollausgangsspannung als Regelabweichung ermittelt und fortlaufend zu einem
Regelabweichungsintegral aufintegriert oder der Näherungswert eines solchen Regelabweichungssignal ermittelt. Der
fortlaufend ermittelte Wert des Regelabweichungsintegrals wird durch eine Nachstellzeit dividiert und ergibt die zweite SteuerteilSpannung .
Eine solche als I-Regler ausgebildete Feinregelung weist eine hohe Genauigkeit im stationären Betrieb, mit anderen Worten: bei geringen oder keinen Änderungen an der Ausgangsspannung des Schaltnetzteils, auf und lässt sich kostengünstig und einfach umsetzen.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann die
Nachstellzeit der Feinregelung auf einen Wert von mindestens 1 ms, insbesondere 2 ms oder mehr ms festgelegt werden. Mit einem solchen Wert für die Nachstellzeit lassen sich
Schwankungen der internen Parameter des Schaltnetzteils mittels der Feinregelung ausregeln, da sich solche
Schwankungen typischerweise über Zeitintervalle erstrecken, die deutlich größer sind als die gewählte Nachstellzeit.
Zugleich weist eine Feinregelung mit einer solchen
Nachstellzeit eine größere Robustheit gegenüber sprunghaften Regelabweichungen aufgrund der geringeren Schwingneigung auf. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die
Steuerspannungs-Referenzkennlinie als Steuerspannungs- Referenztabelle ausgebildet, welche in einer matrixartigen Anordnung Spannungswerte für die erste Steuerteilspannung umfasst, wobei ein erster horizontaler Matrixindex zur
Eingangsspannung und ein zweiter vertikaler Matrixindex zum Laststrom korrespondiert. Eine derartige Steuerspannungs- Referenztabelle ist mit geringem Aufwand beispielsweise experimentell oder mittels Simulation ermittelbar.
Beispielsweise kann für gewisse bekannte interne Parameter eines Schaltnetzteils für ein vorgegebenes Wertepaar, bestehend aus einer Eingangsspannung und einem Laststrom, durch Variation der Steuerspannung ein solcher Wert für die Steuerspannung ermittelt werden, der eine für diese Parameter und Beschaltung des Schaltnetzteils eine Ausgangsspannung bewirkt, die in einem vorgegebenen Toleranzbereich um die Sollausgangsspannung liegt. Durch wiederholte Messung oder Simulation kann eine Vielzahl solcher Steuerspannungen für eine Vielzahl von Wertepaaren aus Eingangsspannung und
Laststrom ermittelt und als Steuerspannungs-Referenztabelle abgelegt werden. In vorteilhafter Weise ist durch Einstellung einer ersten Steuerteilspannung gemäß dieser Steuerspannungs- Referenztabelle mindestens näherungsweise die
Ausgangssollspannung erzielbar, wenn der tatsächlich
gemessene Laststrom und die tatsächlich gemessene
Eingangsspannung hinreichend nahe bei den Werten liegen, die zu dem aus der Steuerspannungs-Referenztabelle gewählten Spannungswert korrespondieren.
Bei einem Regelungsverfahren zur Regelung der
Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils mittels einer
Regelungsvorrichtung nach dieser Ausführungsform generiert die Steuerung einen Spannungswert aus der Steuerspannungs- Referenztabelle als erste Steuerteilspannung, der zu einer Eingangsspannung und zu einem Laststrom korrespondiert, welche beide jeweils eine minimale Abweichung von der
gemessenen Eingangsspannung beziehungsweise von dem gemessenen Laststrom aufweisen. Somit ist es möglich, mit einer vergleichsweise geringen Anzahl experimentell und/oder durch Simulation bestimmter Steuerspannungswerte einen großen Variationsbereich für die Eingangsspannung und für den
Laststrom abzudecken, in welchem eine mindestens
näherungsweise Einstellung der Ausgangssollspannung mittels der Steuerung möglich ist.
Weitere Details und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Figur 1 schematisch den Aufbau eines zweistufig geregelten
Schaltnetzteils,
Figur 2 schematisch den Aufbau einer Referenztabelle zur
Einstellung einer ersten Steuerteilspannung und Figur 3 schematisch den Verlauf der Ausgangsspannung sowie der ersten und einer zweiten Steuerteilspannung bei einer stoßartigen Ausgangsstrombelastung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße
Regelungsvorrichtung 2 zur Regelung eines Schaltnetzteils 1. Das Schaltnetzteil 1 wird am Eingang mit einer
Eingangsspannung U_e gespeist und gibt am Ausgang eine
Ausgangsspannung U_a ab. Die Ausgangsspannung U_a ist mittels eines Steuersignals S_str einstellbar, die von der
Regelungsvorrichtung 2 bereitgestellt wird. Das
Schaltnetzteil 1 umfasst nicht näher dargestellte interne Bauelemente, beispielsweise eine Diode, einen
Ausgangskondensator oder eine Drossel. Das Verhalten solcher interner Bauelemente ist über interne Parameter des
Schaltnetzteils 1 beschreibbar. Derartige interne Parameter des Schaltnetzteils 1 können sich zeitlich, beispielsweise temperaturbedingt bei Erwärmung oder durch Alterung, verändern. Derartige interne Parameter können zudem
exemplarspezifische Abweichungen auf Grund von
Fertigungstoleranzen aufweisen. Am Ausgang des Schaltnetzteils 1 wird eine Last 3 mit einem Laststrom I_L versorgt.
Die Regelungsvorrichtung 2 misst die Eingangsspannung U_e, die Ausgangsspannung U_a sowie den Laststrom I_L und erzeugt das Steuersignal S_str. Die Regelungsvorrichtung 2 umfasst einen Komparator 2.1, an dessen Ausgang das
Steuersignal S_str bereitgestellt wird.
Das Steuersignal S_str zur Einstellung der Ausgangs- Spannung U_a ist als Rechtecksignal ausgebildet, welches einen ersten hohen oder einen zweiten tiefen Spannungspegel annehmen kann. Das Tastverhältnis, also das Verhältnis der Zeitdauer eines hohen Spannungspegels zur gesamten Zeitdauer eines hohen und eines darauf folgenden tiefen
Spannungspegels, wirkt auf die Ausgangsspannung U_a ein.
Beispielsweise kann ein größeres Tastverhältnis bei ansonsten unveränderten Parametern des Schaltnetzteils 1 und der
Beschaltung des Schaltnetzteils 1 eine höhere
Ausgangsspannung U_a bewirken.
Das Steuersignal S_str kann beispielsweise in der Art eines mittels Puls-Weiten-Modulation (PWM) modulierten
Rechtecksignals generiert werden, wobei die gesamte Zeitdauer eines hohen und eines darauf folgenden tiefen Spannungspegels konstant bleibt, wobei jedoch das Tastverhältnis variierbar ist. Ein solches PWM-moduliertes Steuersignal S_str kann beispielsweise mittels des Komparators 2.1 durch Vergleich eines festen, intern generierten oder eingespeisten Sägezahnsignals mit einer Steuerspannung U_str generiert werden, wobei das Steuersignal S_str am Ausgang des Komparators 2.1 einen hohen Spannungspegel annimmt, wenn der Spannungspegel des Sägezahnsignals unterhalb der Steuerspannung U_str liegt und wobei das Steuersignal S_str am Ausgang des Komparators 2.1 einen tiefen Spannungspegel annimmt, wenn der Spannungspegel des Sägezahnsignals oberhalb der
Steuerspannung U_str liegt. Somit verringert beziehungsweise vergrößert sich das Tastverhältnis des Steuersignals S_str bei einer Verringerung beziehungsweise Vergrößerung der
Steuerspannung U_str.
Die Regelungsvorrichtung 2 umfasst neben dem Komparator 2.1 ferner eine Steuerung 2.2 zur näherungsweisen Ermittlung des Tastverhältnisses des Steuersignals S_str sowie eine
Feinregelung 2.3 zur Nachführung dieses Tastverhältnisses. Die Steuerung 2.2 ermittelt aus der gemessenen Eingangsspannung U_e und dem gemessenen Laststrom I_L anhand einer Steuerspannungs-Referenzkennlinie eine erste Steuerteil- Spannung U_ol. Diese erste Steuerteilspannung U_ol bewirkt ein Tastverhältnis, das für gewisse, typische interne Para¬ meter des Schaltnetzteils 1 sowie für eine gewisse, typische Last 3 am Ausgang des Schaltnetzteils 1 zur Einstellung der gewünschten Sollausgangsspannung U_a_soll führt.
Die tatsächlich angeschlossene Last 3 sowie die tatsächlichen internen Parameter des Schaltnetzteils 1 können im Betrieb von den Werten abweichen, die der Steuerspannungs- Referenzkennlinie zu Grunde gelegt wurden. Somit ist es möglich, dass die Ausgangsspannung U_a, die mit dem aus der Steuerspannungs-Referenzkennlinie abgelesenen Tastverhältnis eingestellt wird, mehr oder weniger stark von der gewünschten Sollausgangsspannung U_a_soll abweichen. Die Differenz zwischen der Sollausgangsspannung U_a_soll und der
tatsächlichen Ausgangsspannung U_a wird als Regelabweichung an den Eingang der Feinregelung 2.3 geführt. Die
Feinregelung 2.3 ermittelt aus der Regelabweichung eine zweite Steuerteilspannung U_vl, welche mittels eines
Addierers 2.4 auf die erste Steuerteilspannung U_ol
überlagert wird und die Steuerspannung U_str erzeugt.
Ist das aus der Steuerspannungs-Referenzkennlinie ermittelte Tastverhältnis, und somit die Ausgangsspannung U_a zu groß, so gibt die Feinregelung 2.3 eine vergleichsweise kleine zweite Steuerteilspannung U_ol aus. Ist das aus der
Steuerspannungs-Referenzkennlinie ermittelte Tastverhältnis, und somit die Ausgangsspannung U_a dagegen zu klein, so gibt die Feinregelung 2.3 eine vergleichsweise große zweite
Steuerteilspannung U_ol aus. Ungenauigkeiten in der
Abschätzung des Tastverhältnisses durch die Steuerung 2.2 werden somit durch die Feinregelung 2.3 kompensiert, so dass sich die Ausgangsspannung U_a um die gewünschte
Sollausgangsspannung U_a_soll einschwingt.
Die Feinregelung 2.3 kann beispielsweise als Integral (I) - Regler ausgebildet sein. Figur 2 beschreibt die Funktionsweise der Steuerung 2.2 anhand der zu Grunde gelegten Steuerspannungs- Referenzkennlinie für das einzustellende Tastverhältnis des Steuersignals S_str genauer. Ein Punkt einer solchen Steuerspannungs-Referenzkennlinie beschreibt ein Tastverhältnis in Abhängigkeit von der
Eingangsspannung U_e und dem Laststrom I_L . Ein solcher
Steuerspannungs-Referenzkennlinienpunkt kann beispielweise experimentell und/oder durch Simulation für ein
Schaltnetzteil 1 mit einer gewissen Arbeitstemperatur und einen gewissen Alterungszustand sowie für weitere, dem
Fachmann bekannte interne Parameter sowie für eine gewisse, an das Schaltnetzteil 1 angeschlossene Last 3 durch Variation des Tastverhältnisses an einem Steuersignal S_str gewonnen werden, bis sich für die gegebene Eingangsspannung U_e und den gegebenen Laststrom I_L die Sollausgangsspannung U_a_soll einstellt .
Es ist möglich, eine solche Steuerspannungs-Referenzkennlinie durch eine Steuerspannungs-Referenztabelle R zu
approximieren, welche zu bestimmten Wertepaaren, bestehend aus einem Wert für die Eingangsspannung U_e und einem Wert für den Laststrom I L, eine erste Steuerteilspannung U_ol vorgibt, die zu dem experimentell und/oder durch Simulation ermittelten Tastverhältnis für das Steuersignal S_str führt, welches die gewünschte Sollausgangsspannung U_a_soll
einstellt. Die Steuerspannungs-Referenztabelle R kann
beispielsweise als Matrix ausgebildet sein, wobei der
Zeilenindex eines Matrixelements zu einer Eingangs¬ spannung U_e korrespondiert und wobei der Spaltenindex eines Matrixelements zu einem Laststrom I_L korrespondiert und wobei das Matrixelement selbst die erste Steuerteil- Spannung U_ol angibt. In vorteilhafter Weise kann die
Eingangsspannung U_e entlang einer Matrixzeile und/oder der Laststrom I_L entlang einer Matrixspalte mit äquidistanten Abständen variiert werden. Somit ist es möglich, zu einem Paar gemessener Werte für die Eingangsspannung U_e und den Laststrom I_L das jeweils nächstliegende Matrixelement zu identifizieren, welches einen zugeordneten Wert für die erste Steuerteilspannung U_ol bestimmt.
Figur 3 erläutert das Zusammenwirken der Steuerung 2.2 und der Feinregelung 2.3 anhand des Verlaufs der Ausgangs¬ spannung U_a in Abhängigkeit vom Verlauf der ersten Steuerteilspannung U_ol und der zweiten Steuerteilspannung U_vl über der Zeitachse t. Zu einem SchaltZeitpunkt t_L wird am Ausgang des
Schaltnetzteils 1 eine Last 3 zugeschaltet, die eine Erhöhung des Laststroms I_L bewirkt. Bei einem unveränderten
Steuersignal S_str mit unverändertem Tastverhältnis würde der erhöhte Laststrom I_L eine verringerte Ausgangsspannung U_a außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs um die
Sollausgangsspannung U_a_soll bewirken.
Unmittelbar nach dem Zuschalten der Last 3 passt die
Steuerung 2.2 anhand der Eingangsspannung U_e und des Last- Stroms I_L die erste Steuerteilspannung U_ol von einem ersten Spannungswert U_oll auf einen niedrigeren zweiten Spannungs¬ wert U_ol2 an, der der Steuerspannungs-Referenztabelle R entnommen wird. Der niedrigere zweite Spannungswert U_ol2 bewirkt eine niedrigere Steuerspannung U_str am Eingang des Komparators 2.1 und somit ein größeres Tastverhältnis des Steuersignals S_str am Ausgang des Komparators 2.1, das dem lastbedingten Abfall der Ausgangsspannung U_a nahezu
unverzögert entgegen wirkt invertierend oder nicht
invertierend. Auf Grund der beschriebenen Abweichungen zwischen den angenommenen internen Parametern des
Schaltnetzteils 1 und der angenommenen Last 3 von den
tatsächlich wirkenden internen Parametern des Schaltnetzteils 1 und der tatsächlich wirkenden Last 3 sowie ferner auf Grund der Diskretisierung der Steuerspannungs-Referenzkennlinie in eine Steuerspannungs-Referenztabelle R wird mittels der
Änderung der ersten Steuerteilspannung U_ol der Abfall der Ausgangsspannung U_a jedoch nicht vollständig kompensiert. Somit wird durch die Feinregelung 2.3 eine Regelabweichung als Differenz der Ausgangsspannung U_a vom
Ausgangsspannungssollwert U_a_soll gemessen.
Auf Grund der Trägheit der als I - Regler ausgebildeten
Feinregelung 2.3 führt diese Regelabweichung erst allmählich zu einer Änderung der zweiten Steuerteilspannung U_vl, welche der Regelabweichung entgegenwirkt, so dass ein Verlauf der Ausgangsspannung U_a im vorgesehenen Toleranzbereich um den Ausgangsspannungssollwert U_a_soll erreicht wird.
In vorteilhafter Weise wird durch die Steuerung 2.2 mittels der Steuerspannungs-Referenztabelle R eine sehr schnelle Anpassung der Ausgangsspannung U_a an eine Laständerung ermöglicht. Diese schnelle Anpassung vermeidet ein Über- oder Unterschwingen der Ausgangsspannung U_a, da mit der
Steuerung 2.2 kein Regelkreis über der Ausgangsspannung U_a gebildet wird.
Die unvollständige Kompensation einer durch eine solche
Laständerung bewirkten Änderung der Ausgangsspannung U_a wird durch eine vergleichsweise langsame Nachführung der
Ausgangsspannung U_a mittels der Feinregelung 2.3
ausgeglichen. Die Feinregelung 2.3 vermeidet ein Über- oder Unterschwingen der Ausgangsspannung U_a durch eine ausreichend große Nachstellzeit beziehungsweise geringe obere Grenzfrequenz, welche die durch die Steuerung 2.2 dominierte Regelverzögerung der Regeleinrichtung 2 jedoch nicht
wesentlich beeinträchtigt.
Es ist somit ein Vorteil der erfindungsgemäßen
Regeleinrichtung 2, dass ein Schaltnetzteil 1 sowohl
schneller als auch mit geringeren Abweichungen der
Ausgangsspannung U_a von der Sollausgangsspannung U_a_soll an schnelle Änderungen der Last 3 oder der Eingangsspannung U_a angepasst werden kann als mit Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik. Ferner ist die erfindungsgemäße Regeleinrichtung 2 einfacher umsetzbar und ermöglicht eine robustere und weniger aufwändige Regelung durch die
verminderte obere Grenzfrequenz in der durch die
Feinregelung 2.3 umgesetzten Regelschleife.
B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E
1 Schaltnetzteil
2 Regelungsvorrichtung
2.1 Komparator
2.2 Steuerung
2.3 Feinregelung
2.4 Addierer
3 Last
U_e Eingangsspannung
U_a Ausgangsspannung
U_a_soll Sollausgangsspannung
S_str Steuersignal
I_L Laststrom
U_str Steuerspannung
U_ol erste Steuerteilspannung
U_oll erster Spannungswert der ersten
Steuerteilspannung
U_ol2 zweiter Spannungswert der zweiten
Steuerteilspannung
U_vl zweite Steuerteilspannung
R Steuerspannungs-Referenztabelle t Zeitachse
t L SchaltZeitpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Regelungsvorrichtung (2) mit einer Steuerung (2.2) und einer Feinregelung (2.3) zur Regelung einer mittels eines Steuersignals (S_str) veränderbaren Ausgangsspannung (U_a) eines Schaltnetzteils (1), wobei die Steuerung (2.2) mittels einer Steuerspannungs-Referenzkennlinie aus einer
Eingangsspannung (U_e) und einem Laststrom (I_L) des
Schaltnetzteils (1) eine erste Steuerteilspannung (U_ol) bestimmt und wobei die Feinregelung (2.3) aus einer
Regelabweichung zwischen der Ausgangsspannung (U_a) und einer vorbestimmten Sollausgangsspannung (U_a_soll) eine zweite Steuerteilspannung (U_vl) bestimmt und wobei das
Steuersignal (S_str) aus der Überlagerung der ersten und zweiten Steuerteilspannung (U_ol, U_vl) abgeleitet wird, wobei die zweite Steuerteilspannung (U_vl) von der
Feinregelung (2.3) in der Art eines Reglers fortlaufend zur Minimierung der Regelabweichung nachgeführt wird.
2. Regelungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (S_str) mittels eines Komparators (2.1) durch Vergleich eines vorgegebenen
Sägezahnsignals mit einer Steuerspannung (U_str) in der Art eines pulsweitenmodulierten Signals generiert wird, wobei die Steuerspannung (U_str) als Summe aus der ersten und der zweiten Steuerteilspannung (U_ol, U_vl) bestimmt wird.
3. Regelungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (S_str) in der Art eines pulsfrequenzmodulierten Signals generiert wird, wobei die Pulsfrequenz von der Steuerspannung (U_str) bestimmt wird, welche als Summe aus der ersten und der zweiten
Steuerteilspannung (U_ol, U_vl) bestimmt wird.
4. Regelungsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Feinregelung (2.3) als I-Regler ausgebildet ist.
5. Regelungsvorrichtung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellzeit der Feinregelung (2.3) mindestens 1 ms, insbesondere 2 ms oder mehr ms beträgt.
6. Regelungsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannungs- Referenzkennlinie als Steuerspannungs-Referenztabelle (R) , umfassend eine matrixartige Anordnung von Spannungswerten für die erste Steuerteilspannung (U_ol) , ausgebildet ist, wobei ein erster horizontaler Matrixindex zur
Eingangsspannung (U_e) und ein zweiter vertikaler Matrixindex zum Laststrom (I_L) korrespondiert.
7. Regelungsverfahren zur Regelung der
Ausgangsspannung (U_a) eines Schaltnetzteils (1) mittels einer Regelungsvorrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2.2) einen solchen
Spannungswert aus der Steuerspannungs-Referenztabelle (R) als erste Steuerteilspannung (U_ol) generiert, der zu einer
Eingangsspannung (U_e) und zu einem Laststrom (I_L)
korrespondiert, welche beide jeweils eine minimale Abweichung von der gemessenen Eingangsspannung (U_e) beziehungsweise von dem gemessenen Laststrom (I L) aufweisen.
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