DE2854441A1

DE2854441A1 - Gleichspannungsregler

Info

Publication number: DE2854441A1
Application number: DE19782854441
Authority: DE
Inventors: Akio Koizumi; Hiroshi Nakanzawa
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1977-12-16
Filing date: 1978-12-16
Publication date: 1979-06-28
Also published as: GB2011194A; FR2412113A1; GB2011194B; NL189016B; AU527678B2; NL189016C; FR2412113B1; DE2854441C2; US4236196A; JPS61993B2; AU4252578A; CA1126811A; JPS5484252A; NL7812274A

Description

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Die Erfindung bezieht sich, allgemein auf einen Gleichspannungsregler und insbesondere auf einen Gleichspannungsregler mit einem Schaltelement, dessen Schaltgeschwindigkeit hoch ist.

Zur Verbesserung der Schaltgeschwindigkeit des Schaltelementes wird, wenn das Schaltelement ausgeschaltet wird, das Steuerpotential in Richtung der Sperrvorspannung geändert, um die elektrische Ladung schnell abzuführen, die in dem Schaltelement gespeichert wird, wenn es eingeschaltet ist.

Figur 1 zeigt ein Beispiel eines bekannten Gleichspannungsreglers mit verbesserter Schaltgeschwindigkeit. Ein Netzstecker 1, der zum Beispiel mit einer handelsüblichen Netzspannung versorgt wird, ist über einen Netzschalter 2 mit einem Gleichrichterkreis 3 verbunden, dessen Ausgangsseite über die Primärwicklung 4a eines Transformators 4, der einen Magnetkern aufweist, und ein Schaltelement, zum Beispiel die Kollektor-Emitter-Strecke eines Schalttransistors 5» geerdetist.Die Sekundärwicklung 4b des Transformators 4 ist mit einem Gleichrichterkreis 6 verbunden, der eine stabile Gleichspannung für eine Last erzeugt. Die Basis des Schalttransistors 5 ist mit der Ausgangsseite eines Treiberkreises 7 verbunden, der von einer Gleichspannungsquelle 8 mit elektrischer Energie versorgt wird, die wiederum mit der Ausgangsseite des Gleichrichterkreises 3 verbunden ist. Der Treiberkreis 7 enthält einen Transistor 9, der von einem impulsbreitenmodulierten Signal (d.h. einem Einschaltimpuls) angesteuert wird, um den Schaltvorgang durchzuführen, einen Transistor 10, der in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Transistors 9 geöffcstwird, einen Transistor 11, der geöffnet wird, um den Schalttransistor 5 anzusteuern, wenn der Transistor 10 geöffnet wird, einen Tran-

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sistor 13, dessen Basis mit dem Emitter des Transistors 9 zum Beispiel über einen Differenzierkreis 12 verbunden ist, der einen Impuls, d.h. einen Ausschaltimpuls, erzeugt, um das Basispotential des Schalttransistors 5 in Richtung der Sperrvorspannung zu andern, wenn er ausgeschaltet ist, sowie einen !Transistor 14, der in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Transistors 13 eingeschaltet wird, um die Basis des Schalttransistors 5 mit der negativen Spannungsseite der Gleichspannungsquelle 8 zu verbinden.

Die Ausgangsseite des Gleichrichterkreises 6 ist mit einem Spannungsdetektorkreis 15 verbunden, der einen Teil der Ausgangsgleichspannung des Gleichrichterkreises 6 erfaßt. Die Ausgangsseite des Spannungsdetektorkreises 5 ist über einen Isolator 16,wie einen Photokoppler, einen Transformator oder dergleichen, der die Primärseite des Transformators 4 von dessen Sekundärseite trennt, mit einem Impulsbreitenmodulator 17 verbunden, der die Gleichspannung des Gleichspannungdetektorkreises 15 mit einer Bezugsspannung vergleicht und die Impulsbreite seines Ausgangsimpulses durch das Vergleichsfehlersignal steuert.und damit ein impulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt. Dieses impulsbreitenmodulierte Signal wird auf die Eingangsseite des Treiberkreises 7 gegeben, d.h., auf die Basis des Transistors 9» um den Treiberkreis 7 in Betrieb zu nehmen. Die Einschaltzeit des Schalttransistors 5 wird von dem Treiberkreis 7 derart gesteuert, daß der Gleichrichterkreis 6 an der Ausgangsseite eine stabile Ausgangsgleichspannung erzeugt.

Bei dem bekannten Gleichspannungsregler mit dem zuvor beschriebenen Aufbau wird, um die Schaltgeschwindigkeit des Schalttransistors 5 hoch zu machen, d.h. die Ausschaltzeit des Schalttransistors 5 kurz zu machen, ein

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Ausschaltimpuls, der das Basispotential des Schalttransistors 5 in Richtung der Sperrvorspannung ändert, derart erzeugt, daß der Einschaltimpuls, der verwendet wird, um den Schalttransistor 5 einzuschalten, zum Beispiel von dem Differenzierkreis 12 in Figur 1 geformt, um den Ausschaltimpuls zu erzeugen. Wenn daher die Impulsbreite des von dem Impulsbreitenmodulator 17 auf die Basis des Transistors 9 gegebenen impulsbreitenmodulierten Signals klein wird, tritt die Schwierigkeit auf, daß die im Kondensator des Differenzierkreises 12 gespeicherte Ladung zum Einschalten des Transistors 13 nicht ausreicht. Da die Impulsbreite des Ausschaltimpulses nicht ausreicht, wird die in dem Schalttransistor 5 gespeicherte Ladung nicht ausreichend abgeführt und daher kann die Schaltfreq»'°nz nicht hoch gemacht werden, so daß der Wirkungsgrad verringert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik einen Gleichspannungsregler zu schaffen, bei dem aus einem impulsbreitenmodulierten Signal ein Ein- und ein Ausschaltimpuls, nämlich ein das Tastverhältnis begrenzender Impuls und ein Steuerimpuls, dessen Tastverhältnis größer ist als das des das Tastverhältnis begrenzenden Impulses, erzeugt werden und ein Schalttransistor von den Ein- und Ausschaltimpulsen gesteuert wird.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 4- beispielsweise erläutert. Es zeigt:

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Figur 1 ein Schaltbild eines Beispiels eines bekannten Gleichspannungsreglers,

Figur 2 ein Schaltbild eines Beispiels des Gleichspannungsreglers der Erfindung,

Figur 3 ein Blockschaltbild eines Beispiels einer bei dem Regler in Figur 2 verwendeten Torschaltung und

Figur 4A. bis 4E Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Regler in Figur 2 und 3.

Ein Beispiel des Gleichspannungsreglers der Erfindung wird nun anhand der Figuren 2 bis M- beschrieben, in denen Teile entsprechend denen in Figur 1 mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind.

Figur 2 ist ein Schaltbild eines Beispiels des Gleichspannungsreglers der Erfindung. Bei diesem Beispiel sind ein Steuerimpulsgenerator 25, der einen Steuerimpuls erzeugt, der den Maximalwert des Tastverhältnisses des impulsbreite nmodulierte η Signals des Impulsbreitenmodulators 17 und einen weiteren Steuerimpuls erzeugt, der eine um einen bestimmten Betrag größere Impulsbreite als der begrenzende Impuls hat, und eine Torschaltung 18 zusätzlich zu dem Impulsbreitenmodulator 17 vorhanden, der Ein- und Ausschaltimpulse in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Steuerimpulsgenerators 25 in einer später beschriebenen Weise erzeugt. Vom theoretischen Standpunkt aus kann das Tastverhältnis des impulsbreitenmodulierten Signals (im folgenden als PDM-Signal bezeichnet) von O bis 100 % geändert werden, in der Praxis jedoch kann der Schalttransistor 5» wenn das Tastverhältnis von 0 bis 100 % geändert wird, infolge sei-. nes Trägerspeichereffektes nicht mehr normal betrieben wer-

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den. Im allgemeinen wird daher der begrenzende Impuls dem PDM-Signal zugefügt, um PDM-Signale zu erzeugen, die einen Maximalwert des Tastverhältnisses von 50 %, 37,5 %, 31,5 % usw. haben.

Bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel werden der obige begrenzende Impuls und ein Steuerimpuls, der eine Impulsbreite hat, die um einen bestimmten Betrag größer als die des vorherigen Impulses ist, verwendet, um den Ausschaltimpuls für den Schalttransistor 5 zu erzeugen. Ein Treiberkreis 7-A- enthält anstelle der Transistoren 9 und 10 und des Differenzierkreises 12, die bei der bekannten Schaltung in Figur 1 verwendet sind, Transistoren 19 und 20, denen die obigen Ein- bzw. Ausschaltimpulse zugeführt werden. Der Transistor 19 wird in Abhängigkeit von dem Einschaltimpuls eingeschaltet, um den Transistor 11 und damit den Schalttransistor 5 einzuschalten. Der Transistor 20 wird in Abhängigkeit von dem Ausschaltimpuls eingeschaltet, um die Transistoren 13 und 14 einzuschalten und dadurch die Basis des Schalttransistors 5 mit der negativen Seite der Gleichspannungsquelle 8 zu verbinden und damit den Schalttransistor 5 auszuschalten. Der übrige Schaltungsaufbau ist im wesentlichen gleich dem der bekannten Schaltung in Figur 1.

Figur 3 zeigt ein Beispiel der bei der Schaltungsanordnung in Figur 1 verwendeten Torschaltung 18, in der die obigen Ein- und Ausschaltimpulse digital erzeugt werden; die Figuren 4-A bis 4E zeigen den Verlauf dieser Impulse.

Bei dem Beispiel der Figur 3 besteht die Torschaltung aus UND-Gliedern 30 und 4-0 und einem Inverter 50. Das PDM-Signal, d.h. der Einschaltimpuls £qjt, der von dem Impulsbreitenmodulator 17 (Figur 2) abgegeben wird und den in Figur 4-A gezeigten Verlauf hat, wird auf den einen Ein-

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gang 31 des UND-Gliedes 30 und auch auf den Inverter 50 gegeben, um den invertierten Impuls P^ zu erzeugen, der in Figur 4B gezeigt ist und auf den Eingang 41 des anderen UND-Gliedes 40 gegeben wird. Der andere Eingang 32 des UND-Gliedes 30 erhält einen Steuer- bzw. Begrenzungsimpuls P_D, der von dem Steuerimpulsgenerator 25 (Figur 2) abgegeben wird und den in Figur 4C gezeigten Verlauf hat, um den Maximalwert des Tastverhältnisses des PDM-Signals zu begrenzen, während der andere Eingang 4-2 des UND-Gliedes 40 einen Steuerimpuls P^ erhält, der von dem Steuerimpulsgenerator 25 erzeugt wird und eine Impulsbreite hat, die um einen bestimmten Betrag OC- größer als die des Begrenzüngsimpulses P_D ist, wie Figur 4D zeigt. Am Ausgang 33 des UND-Gliedes 30 wird daher der in Figur 4A gezeigte Einschaltimpuls P_QN erhalten, und am Ausgang 43 des UND-Gliedes 40 wird der in Figur 4E gezeigte Ausschaltimpuls Pq^j- erhalten. Der Steuerimpuls P₀^ wird derart erzeugt, daß, wenn die den Maximalwert des Tastverhältnisses begrenzenden Impulse zu 50 %, 37,5 %, 31,3 %-25 %, 12,5 % und 6,3 % erzeugt werden, der Impuls P durch Kombination der obigen Impulse gebildet werden. Wenn zum Beispiel die Begrenzungsimpulse von 50 % und 12,5 % kombiniert werden, kann der Impuls P^ mit einem Maximalwert von 62,5 % des Tastverhältnisses erhalten werden. Der Impuls Έ>φ hat daher eine Impulsbreite, die um einen bestimmten Betrag, d.h. 12,5 %·> größer als die des Begrenzungsimpulses von 50 % ist.

Es wird nun die Arbeitsweise des Gleichspannungsreglers beschrieben, wenn ihm die auf diese Weise erzeugten Ein- und Ausschaltimpulse zugeführt werden.

Wenn in Figur 2 der in Figur 4A gezeigte Einschaltimpuls Pq„ auf die Basis des Transistors 19 gegeben wird, wird er eingeschaltet. Wenn der Transistor 19 eingeschaltet wird, werden der Transistor 11 und damit der Schaltran-

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sistor 5 eingeschaltet. Dieser Schalttransistor 5 bleibt während der Impulsbreite des Einschaltimpulses Pqjj in seinem Einschaltzustand und wird danach ausgeschaltet. Wenn der Schalttransistor 5 ausgeschaltet wird und der in Figur 4E gezeigte Ausschaltimpuls angrenzend an den Einschaltimpuls Pq_n gegeben wird, werden der Transistor 20 und damit die Transistoren 13 und 14 eingeschaltet. Die in der Basis des Schalttransistors 5 im Einschaltzustand gespeicherten Ladungen werden daher schnell abgeführt. Die Abfallzeit des Schalttransistors 5 wird daher verkürzt, so daß ein Schaltvorgang mit einer hohen Geschwindigkeit möglich ist.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, wird bei dt.ji Gleichspannungsregler der Erfindung der Einschaltimpuls für das Schaltelement bzw. den Schalttransistor aus dem PDM-Signal und dem Begrenzungsimpuls erzeugt, der den Maximalwert des Tastverhältnisses des PDM-Signals begrenzt, und der Ausschaltimpuls zum Ausschalten des Schaltelements wird durch das gleiche PDM-Signal, den Begrenzungsimpuls und den Steuerimpuls erzeugt, der eine Impulsbreite hat, die um einen bestimmten Betrag größer als die des Begrenzungsimpulses ist. Der Ausschaltimpuls wird angrenzend an den Einschaltimpuls auf das Schaltelement gegeben. Die Abfallzeit des Schaltelementes kann daher verkürzt und die Schaltgeschwindigkeit des Schaltelementes und sein Wirkungsgrad können verbessert werden. Außerdem ist die Arbeitsweise dieses Gleichspannungsreglers stabil.

Bei dem obigen Beispiel sind UND-Glieder und ein Inverter verwendet, um die Torschaltung zu bilden, die die Ein- und Ausschaltimpulse erzeugt. Es ist jedoch offensichtlich, daß andere Torschaltun gen mit den gleichen Wirkungen verwendet werden können.

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ΛΑ

Leerseite

Claims

ν—' .

Patentansprüche

M /Weichspannungsregler mit einer Gleichspannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Gleichspannungsausgang, einem Schalttransistor mit Primär- und Sekundärwicklung und einem Magnetkern, einem Schalttransistor mit einer Steuerelektrode, dessen Hauptstrompfad in
Reihe zu der Primärwicklung zwischen den ersten und
zweiten Gleichspannungsausgang geschaltet ist, einem Gleichrichterkreis, der über die Sekundärwicklung geschaltet und mit einer Last verbindbar ist, und mit
einem Impulsbreitenmodulator, dem das Ausgangssignal des Gleichrichterkreises zugeführt wird, um ein impulsbreitenmoduliertes (PDM)-Steuersignal zu erzeugen, dessen Tastverhältnis der Spannung des Gleichrichterkreises proportional ist, gekennzeichnet durch einen Steuerimpulsgenerator zur Erzeugung eines ersten Steuerimpulssignals, das das maximale Tastverhältnis des PDM-Steuersignals begrenzt, und eines zweiten Steuerimpulssignals, dessen Tastverhältnis größer als das des ersten Steuerimpulssignals ist, eine Tor-

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ORIGINAL INSPECTED

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Schaltung, der das PDM-Steuersignal und das erste und zweite Steuerimpulssignal zugeführt werden, um einen Ein- und Ausschaltimpuls nach Vergleich zwischen diesen zu erzeugen, und eine Verbindungseinrichtung, um die Ein- und Ausschaltimpulse dem Schalttransistor zuzuführen und diesen ein- oder auszuschalten.
2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung ein erstes UND-Glied mit zwei Eingängen aufweist, denen das PDM-Steuersignal und der erste Steuerimpuls zugeführt wird, und mit einem Ausgang, der den Einschaltimpuls abgibt, sowie ein zweites UND-Glied mit zwei Eingängen, denen dad invertierte Signal des PDM-Steuersignals und der zweite Steuerimpuls zugeführt werden, und mit einem Ausgang, der den Ausschaltimpuls abgibt.
3· Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das invertierte PDM-Steuersignal von einem Inverter erzeugt wird, der zwischen den Ausgang des Impulsbreitenmodulators und einen der beiden Eingänge des zweiten UND-Gliedes geschaltet ist.
4. Regler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen ersten Treiberkreis, der zwischen den Ausgang des ersten UND-Gliedes und die Steuerelektrode des Schalttransistors geschaltet ist, und einen zweiten Treiberkreis, der zwischen den Ausgang des zweiten UND-Gliedes und die Steuerelektrode des Schalttransistors geschaltet ist.
5. Regler nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Treiberkreis einen ersten Treibertransistor mit Basis, Emitter und Kollektor aufweist, dessen Basii der Einschaltimpuls des ersten UND-Gliedes zugeführt wird und dessen Emitter-Kollektor-Kreis in

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Emitterschaltung geschaltet ist, sowie einen zweiten Treibertransistor mit Basis, Emitter und Kollektor, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Treibertransistors verbunden ist, dessen Emitter-Kollektor-Kreis in Emitterschaltung geschaltet ist, und dessen Kollektor mit der Steuerelektrode des Schalttransistors verbunden ist.
6. Regler nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Treiberkreis einen dritten Treibertransistor mit Basis, Emitter und Kollektor aufweist, dessen Basis der Ausschaltimpuls des zweiten UND-Gliedes zugeführt wird und dessen Kollektor-Emitterkreis in Emitterschaltung geschaltet ist, einen vierten Treibertransistor mit Basis, Emitter und Kollektor, dessen Basis mit dem Kollektor des dritten Treibertransistors und dessen Kollektor-Emitterkreis in Emitterschaltung geschaltet ist, sowie einen fünften Treibertransistor mit Basis, Emitter und Kollektor, dessen Basis mit dem Kollektor des vierten Treibertransistors verbunden ist, dessen Kollektor-Emitter-Kreis in Emitterschaltung geschaltet ist und dessen Kollektor mit der Steuerelektrode des Schalttransistors verbunden ist.

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