DC-DC CONVERTER WITH A PLURALITY OF REGULATED OUTPUTS

Abstract: For a DC-DC convertor with regulated and follower outputs (Ua1, Ua2), pulse frequency regulation of a pulse generator (IG1) is used. Regulation is always carried out using that output which is the most heavily loaded; the other output or outputs then act as followers. The magnitude of the power supply current (Ja) likewise controls the pulse generator (IG1). Such a convertor has lower switching losses than a pulse-width regulated convertor, but has equally good follower characteristics (Fig. 1). <IMAGE>

Description: Gleichspannungswandler mit mehreren geregelten Ausgängen Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Gleichspannungswandler ist bekannt aus EP 27 015 Bl. Bei dem Gleichspannungswandler gem ss EP 27 015 B1 ist ein freilaufender Oszillator vorgesehen, der die Ein- und Ausschaltzeit des Schalttransistors bestimmt. Zur Regelung der Ausgangsspannung sind mehrere Regelschleifen vorgesehen, die unter anderem die Pulswiederholungsrate des Oszillators sowie die Höhe des Energieaufnahmestromes bestimmen. Aufgabe der Erfindung ist es, den Gleichspannungswandler gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, welcher bei einem geregelten und mindestens einem mitlaufenden Wandlerausgang günstige Mitlaufeigenschaften aufweist. Insbesondere soll der Gleichspannungswandler ebenso günstige Mitlaufeigenschaften aufweisen wie ein Gleichspannungswandler mit Konstantfrequenzbetrieb und Pulsbreitenregelung. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Anspruch 2 gibt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung an. Der Gleichspannungswandler nach der Erfindung lässt sich vorteilhaft als Kleinleist#ngswandler#mit hohen Lastwechseln verwenden und ist daher für Stromversorgungen in ISDN-Netzen besonders geeignet. Der Gleichspannungswandler gemäss der Erfindung weist bezüglich reinen freischwingenden Wandlern den Vorteil einer kleineren Ruheleistung auf und bezüglich reinen pulsbreitenmodulierten Wandlern den Vorteil geringerer Schaltverluste. Im ISDN-Netz muss insbesondere bei Leistungen von etwa 20 mW und Eingangsspannungsschwankungen zwischen 30 und 100 V ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Diese Forderung erfüllt der Wandler nach der Erfindung optimal. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Stromlaufplan des Gleichspannungswandlers, Fig. 2 Spannungs- und Stromverläufe. Wie Fig. 1 zeigt, liegt die Eingangsspannung UE des Gleichspannungswandlers in Serie zur Primärwicklung wl des Wandler- transformators Tr, der Schaltstrecke des Schalttransistors Ts und dem Strommesswiderstand Rl. Der Gleichspannungswandler weist zwei Ausgänge auf, an denen die Ausgangsspannungen Ual und Ua2 abgenommen werden können Der erste Ausgang erhält seine Spannung über die erste Sekundärwicklung w2 des Transformators Tr, die Diode D1 und den ausgangsseitigen Glättungskondensator Cgl; der zweite Ausgang über die zweite Sekundärwicklung w3, die Diode D2 und den ausgangsseitigen Glättungskondensator Cg2. Die Dioden DI und DZ sind derart an die Sekundärwicklungen w2 und w3 angeschlossen, dass der Wandler als Sperrwandler arbeitet. Die Einschalt/-Aussctialt- zeiten des Schalttransistors Ts werden vom Impulsgenerator IG1 gesteuert Führt dessen Ausgang Pin 3 High-Potential, ist der Schalttransistor Ts, in Fig. 1 als FET dargestellt, eingeschaltet. Führt der Ausgang Pin 3 des Impulsgenerators IG1 demgegenüber Low-Potential, ist der Schalttransistor Ts abgeschaltet, Der Impuisgenerator IG1, der durch den Timer IC 7555 realisiert werden kann, ist vom freischwingenden Typ, wobei seine Frequenz durch den Widerstand R6 zwischen Pin 6 und 3 und den Kondensator C1 zwischen Pin 2 und der Verbindung Strommesswiderstand R1 / Eingangsspannung UE bestimmt ist. Der an sich freischwingende Impulsgenerator IG1 wird jedoch über extern zugeführte Blockier- bzw. Entblockiersignale über den mit Pin 2 verbundenen Pin 6 in seiner Impulswiederholfrequenz gesteuert. Diese Steuerung erfolgt, wie anschliessend noch genauer beschrieben wird, in Abhängigkeit der Höhe des Energieaufnahmestroms des Wandlers und in Abhängigkeit der Höhe der Ausgangsspannungen Ual und Ua2. Ohne die Zuführung der externen Blockiersignale würde der Impulsgenerator 1G1 mit der Frequenz, die durch seine frequenzbestimmenden Elemente R6 und Cl festgelegt ist, arbeiten. Die Gleichspannungsversorgung des Impulsgenerators IG1 erfolgt über einen an der Eingangsspannung UE betriebenen Spannungsregler SR. Dazu ist Pin 8 des Impulsgenerators IG1 mit dem Ausgang des Spannungsreglers SR verbunden und Pin 1 mit dem Minuspotential der Eingangsspannung UE. Beide Transistoren T1 und T2 werden ebenfalls über den Spannungsregler SR gleichspannungsversorgt. Zur Beeinflussung des Impulsgenerators IGl in Abhängigkeit vom Energieaufnahmestrom wird der durch den Energieaufnahmestrom verursachte Spannungsabfall am Strommesswiderstand R1 ausgewertet. Unter einem bestimmten Schwellwert fliesst der Energieaufnahmestrom JA, da der Ausgang 3 des Impulsgenerators IG1 High-Potential führt. Übersteigt der Spannungsabfall an R1 einen vorgegebenen Schwellwert, so schaltet der Transistor Tl durch, was wiederum dazu führt, dass auch der dem Transistor Tl nachgeschaltete Transistor T2 durchschaltet. Wenn der Transistor T2 durchgeschaltet ist, kann der Kondensator C1 über die Hilfsspannung UH aufgeladen werden. Sobald der Kondensator C1 den Wert von etwa 2/3 der Höhe der Hilfsspannung UH erreicht hat, springt das Potential am Ausgang 3 des Impulsgenerators IG1 auf Low-Potential und der Schalttransistor Ts schaltet ab. Der Kondensator C1 wird nun über den Widerstand R6 entladen. Sobald sich der Kondensator C1 etwa auf eine Spannung von 1/3 der Hilfsspannung UH entladen hat, springt der Ausgang Pin 3 des Impulsgenerators IG1 auf High-Potential und schaltet den Schalttransistor Ts wieder ein und die Energieaufnahmephase beginnt von neuem. Ohne weitere Beeinflussung seines Eingangs 6 würde der Impulsgenerator IG1 nun ständig solche Einschaltimpulse an den Schalttransistor Ts liefern und zwar mit einer Wiederholfrequenz, die durch die Zeitkonstante R6 Cl bestimmt ist. Diese Wiederholfrequenz entspricht der maximal möglichen Arbeitsfrequenz des Wandlers, die im Kurzschlussfall bei maximaler sekundärseitiger Belastung mindestens eines Ausgangs auftritt. In allen anderen Betriebsfällen wird diese Wiederholfrequenz vermindert und zwar in Abhängigkeit der Höhe der Ausgangsspannungen Ual und Ua2. Für die Beeinflussung der Wiederholfrequenz des Impulsgenerators IGI in Abhängigkeit der Belastung der jeweiligen Ausgänge ist eine zweite Regelschleife vorgesehen, umfassend die bei den Komparatoren Kl, K2 mit zugeordneten Spannungsteilerwiderständen R2, R3; R4, R5 und Referenzspannungsquelle Ur, weiterem Impulsgenerator IG2 > übertrager Ü und Transistor T3. Wenn während der Energieabgabephase des Wandlers die Ausgangsspannungen Ual des ersten Ausgangs einen vorgegebenen Wert unterschreitet, wird der Spannungsabfall am Widerstand R3 des Spannungsteilers R2, R3 grösser als die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle Ur und der Impulsgenerator IG2, der wiederum durch einen Timer IC 7553 realisiert werden kann, wird vom Ausgang des Komparators Kl über seinen Eingang, Pin 4, in Betrieb gesetzt, d h. an seinem Ausgang, Pin 3, entstehen Pulse. Die Wiederholfrequenz dieser Impulse wird durch die frequenzbestimmenden Elemente - Widerstand R7 und Kondensator C2 - des Impulsgenerators IG2 festgelegt. Im Gegensatz zum Impulsgenerator IG1 wird der Impulsgenerator 1G2 mit konstanter Pulswiederholfrequenz betrieben. Ausserdem wird die Ausgangsspannung Ua2 des zweiten Ausgangs überwacht. Wenn diese Ausgangsspannung Ua2 einen vorgegebenen Wert unterschreitet, wird der Spannungsabfall am Widerstand R5 des Spannungsteilers R4, R5 grösser als die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle Ur und der Impulsgenerator 1G2 wird in Betrieb gesetzt. Die Komparatoren K1 und K2 sind derart zusammengeschaltet, dass der Impulsgenerator IG2 immer über jenen Komparator in Betrieb gesetzt wird, dessen zugehörige Ausgangsspannung zuerst den vorgegebenen Wert-unterschreitet. Dabei ist der Ausgang des Komparators K1 unmittelbar an den Eingang des Impulsgenerators IG2 angeschlossen und der Ausgang des Komparators K2 mittelbar über den Komparator Kl; d.h. sein Ausgang ist über die Entkoppeldiode D3 mit dem Signaleingang des Komparators K1 verbunden. Das Ausgangssignal des Komparators K2 beeinflusst die Spannungsverteilung am Spannungsteiler R2, R3 des Komparators K1 derart, dass sein Steuersignal zur Inbetriebsetzung des Impulsgenerators 1G2 auch am Ausgang des Komparators Kl erscheint. Die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators IG2 im Sekundärkreis des Wandlers werden galvanisch getrennt mittels Übertrager Ü mit Primärwicklung w4 und Sekundärwicklung w5 in den Primärkreis des Wandlers übertragen. Die Sekundärwicklung w5 des Übertragers Ü ist zwischen Gate- und Sourceelektrode des FET T3 angeschlossen. Bei Auftreten der Ausgangsimpulse des Impulsgenerators IG2 wird FET T3 pulsweise leitend gesteuert und ebenso der Transistor T2, dessen Basisanschluss über einen Widerstand mit dem Drain-Anschluss des FET T3 verbunden ist. Bei pulsweise leitend gesteuertem Transistor T2 erhält der Impulsgenerator IG1 ein Blockiersignal in der Form, dass der Kondensator C1 über die Schaltstrecke des Transistors T2 pulsweite nachgeladen wird, die Freigabeschaltschwelle von 1/3 UH nicht erreichen kann und so den Impulsgenerator IG1 am Einschalten des Schalttransistors TS hindert. Je länger also einer der Komparatoren Kl oder K2 den Impulsgenerator 1G2 in Betrieb hält, desto länger wird ein Blockiersignal erzeugt und der Schalttransistor Ts am Einschalten gehin dert. Die Wiederholfrequenz der Energieaufnahmeimpulse hängt von dem Ausgang ab, dessen Ausgangsspannung zuerst den vorgegebenen Wert unterschreitet und somit am stärksten belastet ist. Der andere Ausgang läuft mit. Sobald der andere Ausgang jedoch stärker belastet wird, übernimmt dieser die Regelung und der erste Ausgang läuft mit. Die Belastungsabhängigkeit der Wiederholungsfrequenz der Energieaufnahmeimpulse ist in Fig. 2 für einen Ausgang, beispielsweise jener mit der Ausgangsspannung Ual dargestellt. Das I. Diagramm von Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung Ua1 und zwar für den Fall stärkerer Belastung. Die Ausgangsspannung Ual steigt zuerst steil an, überschreitet den vorgegebenen Schwellwert UM - bedingt durch das Aufladen des Glättungskondensators Cgl - zum Zeitpunkt tl und geht in eine Gerade mit vom angeschlossenen Lastwiderstand bestimmter Neigung über. Für die Dauer der Überschreitung des vorgegebenen Wertes UM (Zeitraum tl bis t2) setzt der Komparator Kl den Impulsgenerator IG2 in Betrieb, dessen Blockierimpulse BL (Fig. 2, II. Diagramm) an den Impulsgenerator IGt weitergeleitet werden. Sobald die vorgegebene Spannung UM wieder unterschritten wird, Zeitpunkt t2, kann der Energieaufnahmestrom JA (Fig. 2, III. Diagramm) wieder fliessen. Die Energieaufnahme endet, wenn ein vorgegebener Spitzenstrom T erreicht ist (Zeitpunkt t3), d.h. der Spannungsabfall am Strommesswiderstand R1 seinen vorbestimrnten Wert erreicht hat. Die Diagramme IV bis VI zeigen die zeitlichen Signalverläufe für den Fall schwächerer Belastung. Die Ausgangsspannung Ual geht nach Überschreiten der UN-Schwelle in eine schwächer geneigte Gerade über und unterschreitet daher erst zum Zeitpunkt t2' diesen Wert. Die Blockierimpulse BL treten länger auf Wiederholungsfrequenz der Energieaufnahmestromimpulse a In einer realisierten Ausführung wurde ein Variationsbereich für die Wiederholungsfrequenz der Energieaufnahmestromimpulse Ja zwischen f min - 150 Hz und f max - 8,3 kHz erreicht. Bei Belastungsänderungen an einem Ausgang kommt es bei der erfindungsgemässen Realisierung nur zu unwesentlichen Änderungen, da die Kopplung der Ausgänge nur über die beiden Sekundärwicklungen w2 und w3 erfolgt. Belastungsänderungen am geregelten Ausgang führen so zu Frequenzänderungen, dass die Spannung am geregelten Ausgang konstant bleibt und der andere Ausgang bei konstanter Last mitläuft. Es werden trotz der aus Gründen der schaltverlustgünstigeren Pulsfrequenzregelung die gleichen Mitlaufeigenschaften erzielt wie bei einem Gleichspannungswandler mit Konstantfrequenz und Pulsbreitenregelung.

Claims: Direct voltage converter consisting of at least one regulated and one following output, a transformer (Tr) and at least one switching transistor (Ts) in the primary current circuit of this transformer, a controlled pulse generator (IG1) for the determination of the switching on and off of the switching transistor or transistors (Ts), circuit means of first kind (R1, R2, K1, IG2, Ü, T2, C1, R5) for influencing the frequency of the pulse generator (IG1) in dependence on the height of the output voltage (Ua1) of the direct voltage converter, circuit means of second kind (R1, T1, T2) for influencing the switching-off of the primary energy intake current when this exceeds a predetermined value, characterised by circuit means of third kind (R3, R4, K2, D3) for at least one following further output of the converter for ascertaining whether its output voltage (Ua2) exceeds or falls below a preset value and interlinking of the circuit means of first and third kind in such a manner that the circuit means determine the frequency of the pulse generator (IG1) always for that output, the output voltage (Ua1, Ua2) of which first reaches the respectively preset value. Direct voltage converter according to claim 1, characterised thereby, that the circuit means are formed of comparators (K1, K2), to each of which a respective output voltage (Ua1, Ua2) of a converter output as well as a reference voltage (Ur) is fed by way of voltage sensors (R2, R3, R4, R5), a further pulse generator (IG2) of constant frequency and switchable on and off by an output signal of one of the comparators (K1, K2), an isolating transformer (Ü), the primary winding (w4) of which is connected to the output of the further pulse generator (IG2) and the secondary winding (w5) of which is connected to the control input of the pulse generator (IG1), a current-measuring resistor (R1) in the primary energy intake current circuit, a further switching transistor (T1) connected to this current-measuring resistor (R1) and an interlinking (T2) of the further switching transistor (T1) with the control input of the pulse generator (IG1).

Inventors: GRUENSCH, ECKHARDT, Grünsch, Eckhardt
Applicants: ANT NACHRICHTENTECHNIK GMBH
Application year: 1986
Main classification: H02M3
IPC codes: H02M3