WO2016128047A1 - Switched-mode power supply unit - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an intrinsically safe REG ⁇ tes switching power supply according to the preamble of claim 1.
- Intrinsically safe regulated switching power supplies for the generation of galvanically isolated intrinsically safe circuits are known from the prior art and generally have a primary side and a secondary side, with a primary side
- Primary voltage secondary clamping ⁇ voltage can be applied and the secondary side tapped.
- a regulated output voltage is provided by the switching power supply. From DE 10 2012 000 683 B4 a switching power supply is known, in which galvanic isolation is realized in the return channel by means of an opto-coupler ⁇ .
- the rated current is 1 mA to 4 mA.
- Switched-mode power supplies which are used for field devices in so-called HART multidrop operation, have an output current of 4 mA at an output voltage of 20 V, ie. H . always have an efficiency of Weni ⁇ ger than 50% - that such switching power supplies - without the convening z iehung further losses.
- An intrinsically safe controlled switching regulator with a primary ⁇ side and a secondary side at which the primary side a primary märschreib be applied and the secondary side a secondary voltage can be tapped is connected to at least one transformer for converting the primary voltage in the secondary voltage, a return channel with galvanic isolation for transmitting a remindkoppelsig- Nals with information about the amount of the secondary voltage to the primary side and a switching regulator, said remind ⁇ pelsignal is supplied to the primary voltage to the over ⁇ exchanger is characterized in that the galvanic isolation in the return channel with a Kapaz tuitive coupling and / or an inductive coupling is formed.
- the poor transmission ratio may return channel improves the ⁇ . Furthermore, the nonlinearities introduced by the optocoupler in the return channel can be avoided.
- a particularly simple transmission of the information about the magnitude of the secondary voltage to the primary side can be achieved if on the secondary side of a PWM circuit arrangement for generating a pulse width modulated signal is arranged as a feedback signal to which the secondary voltage is applied, and their output to the galvanic Separation is connected.
- a pulse width modulated signal as a feedback signal can be used by a correspondingly high frequency of the pulse width modulation, a very small capacity for the transmission of the feedback signal from the secondary side to the primary side.
- the acting on the secondary side capacitance it can be kept low.
- a high frequency pulse width modulation in comparison with a clock frequency of the switching power supply further comprises a ⁇ from reaching high dynamics of voltage regulation can be achieved.
- a capacitance for the signal transmission 0.5 nF, for example from a series connection of two capacitors per 1 nF.
- a coupling of the ground signal can in this embodiment, for example by means of a capacitance of 5 nF or a series connection of two capacitances ä 10 nF done.
- an inductive coupling may be provided.
- the PWM circuit arrangement may, for example, a three ⁇ ecksignalgenerator for generating a triangular signal aufwei ⁇ sen.
- the PWM circuit arrangement can have a comparator which is preferably implemented by an operational amplifier, to which the secondary voltage and the triangular signal are fed on the input side and to which the pulse-width-modulated signal can be tapped as feedback signal on the output side.
- a pulse width modulated ⁇ Sig nal can be generated, whose pulse width correlated to the amount of the seconding ⁇ därnaps. In this way, the information about the amount of secondary voltage can be easily fed back to the primary side.
- a signal matching circuit and / or a filter can be arranged on the primary side.
- Such Sig- nalanpassungsSchaltungen and / or filters can be formed suitable for Aufberei ⁇ processing of the data transmitted via the capacitive coupling ⁇ feedback signal.
- another comparator can be used as the signal adaptation circuit, which converts the optionally contaminated feedback signal back into a clean square-wave signal.
- a suitable filtering for example a first-order RC filter or an active filter
- the feedback signal processed in this way can be filtered by suitable filtering, for example a saline filter. len-key filter or a Butterworth filter.
- the feedback signal thus processed can be filtered to a DC voltage value which represents the level of the secondary voltage.
- the further processed feedback signal can then be fed to a switching regulator of the switching network ⁇ part, which controls a supply of the primary voltage to the transformer.
- the square wave signal generated by the signal processing may be fed directly to a microprocessor which measures the ON-time of the pulse width modulation underlying and outputting a secondary voltage reflecting the value on ei ⁇ ne digital-to-analog converter to the switching regulator.
- a microprocessor which measures the ON-time of the pulse width modulation underlying and outputting a secondary voltage reflecting the value on ei ⁇ ne digital-to-analog converter to the switching regulator.
- active filters may be advantageous when a signal with reduced noise is needed.
- the switching power supply may be designed especially with a Jacobtaktwand- ler, wherein the transmitter is in this case formed with two opposing primary windings which are connected wech ⁇ balance one another at one end with the primary voltage and at the other via switching means to a ground potential.
- Fig. 1 is a block diagram of a device according to the invention
- FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary embodiment of a switched-mode power supply 1 according to the present application.
- the switching power supply 1 is formed in the present embodiment as a push-pull converter with a transformer 3, which is the primary side with a primary voltage V in acted upon. On the secondary side of the transformer 3, a secondary voltage V ou t can be tapped.
- the transformer 3 has a primary winding and ei ⁇ ne secondary winding, each having a center tap on. On the primary side, the center tap of the primary winding is connected to the primary voltage V in , wherein the primary winding can be connected to earth at the beginning and at the end via switching means 4.
- the switching means 4 are driven via a Heidelbergreg ⁇ ler, so that a time period 5, during which the Pri ⁇ märwood V ir, is connected via one or the other switching means 4 to the ground, is adjustable.
- a time period 5 during which the Pri ⁇ märwood V ir, is connected via one or the other switching means 4 to the ground, is adjustable.
- On the secondary side of the center tap of the secondary winding is connected to ground, said secondary winding start and end ⁇ is mutually connected to the anode of a diode in each case.
- the cathodes of the two diodes 8 are both connected to an output of the switched-mode power supply 1, to which the secondary voltage V ou t can be tapped.
- the two diodes 8 thus act as a rectifier ⁇ 7, so that on the output side of the switching power supply 1 a DC voltage can be tapped.
- the secondary voltage Vout is also fed to a PWM circuit 13 for generating a pulse width modulated feedback signal SR.
- the pulse width modulated feedback signal SR is generated in the present embodiment by means of a comparator 17, on the one hand, the secondary voltage V ou t and on the other hand, a triangular signal So, which is generated in a triangular signal generator 15, is supplied.
- the pulse width modulated feedback signal SR output side is picked up at the comparator 17 and ei ⁇ ner capacitive coupling 11, which in the present case by condensers ren realized is supplied.
- the transmitted feedback signal SR is supplied on the primary side ei ⁇ ner signal conditioning circuit 19, which is connected with a filter 21 in series.
- Signalanpassungs- circuit 19 is the transmitted feedback signal SR aufberei ⁇ tet and converted back into a clean square wave signal.
- the signal adaptation circuit 19 may be designed, for example, as a comparator.
- the signal matching circuit 19 is connected downstream of the filter 21, which may be configured both as a passive and as an active filter. Through the filter, the feedback signal SR is ge ⁇ filtered into a DC voltage value , which is supplied to the switching regulator 5.
- the signal conditioning circuit 19 and the filter 21 can also be realized with an operational amplifier.
- the treatedradkop ⁇ pelsignal SR can also be supplied to the microcontroller, which evaluates the feedback signal SR, and outputs a corresponding signal according to the ON-time of the pulse-width modulation via a digital-to-analog converter, which then supply the switching regulator 5 can be guided.
- the microcontroller and the Wegreg ⁇ ler 5 may be designed as an element that performs both tasks.
- generating the triangular signal SD for example, by integration of a signal generated in a rectangular signal generator 18, or else provided in other suitable manner.
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Abstract
Intrinsically safe regulated switched-mode power supply unit (1) having a primary side (I) and a secondary side (II), to which a primary voltage (Vin) can be applied on the primary side and at which a secondary voltage (Vout) can be tapped off on the secondary side, having at least one transformer (3) for converting the primary voltage (Vin) into the secondary voltage (Vout), a return channel (R) with DC isolation for transmitting a feedback signal containing an item of information relating to the level of the secondary voltage to the primary side (I), and a switching regulator (5) which is supplied with the feedback signal (SR) and supplies the primary voltage (Vin) to the transformer (3), wherein the DC isolation (9) in the return channel (R) is designed with capacitive coupling (11).
Description
Schaltnetzteil Switching Power Supply
Die vorliegende Erfindung betrifft ein eigensicheres geregel¬ tes Schaltnetzteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The present invention relates to an intrinsically safe REG ¬ tes switching power supply according to the preamble of claim 1.
Eigensichere geregelte Schaltnetzteile für die Erzeugung von galvanisch getrennten eigensicheren Stromkreisen sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen in der Regel eine primäre Seite und eine sekundäre Seite auf, wobei primärseitig eineIntrinsically safe regulated switching power supplies for the generation of galvanically isolated intrinsically safe circuits are known from the prior art and generally have a primary side and a secondary side, with a primary side
PrimärSpannung anlegbar und sekundärseitig eine SekundärSpan¬ nung abgreifbar ist . Mit wenigstens einem Übertrager zur Wand¬ lung der PrimärSpannung in eine SekundärSpannung und einem Rückkanal mit galvanischer Trennung zur Übertragung eines RückkoppelSignals mit einer Information über die Höhe der Se¬ kundärspannung auf die Primärseite und einem Sehaltregier, dem das Rückkoppelsignal zugeführt ist und der die PrimärSpannung dem Übertrager zuführt , wird eine geregelte AusgangsSpannung von dem Schaltnetzteil zur Verfügung gestellt . Aus der DE 10 2012 000 683 B4 ist ein Schaltnetzteil bekannt , bei dem die galvanische Trennung in dem Rückkanal mittels eines Optokopp¬ lers realisiert ist . Primary voltage secondary clamping ¬ voltage can be applied and the secondary side tapped. With at least one transformer for Wand ¬ ment of the primary voltage in a secondary voltage and a return channel with galvanic isolation for transmitting a feedback signal with information about the height of Se ¬ kundärspannung on the primary side and a Sehaltregier to which the feedback signal is supplied and the primary voltage Transmitter feeds, a regulated output voltage is provided by the switching power supply. From DE 10 2012 000 683 B4 a switching power supply is known, in which galvanic isolation is realized in the return channel by means of an opto-coupler ¬.
An den bekannten Schaltnetzteilen aus dem Stand der Technik wird es als nachteilig empfunden, dass Optokoppler ein In the known switching power supply of the prior art, it is considered disadvantageous that optocouplers
schlechtes , nicht lineares ÜbertragungsVerhältnis haben und daher insbesondere bei Schaltnetzteilen mit Ausgangsleistungen von weniger als 500 mW einen Großteil der von dem Schaltnetz¬ teil verbrauchten Leistung für sich beanspruchen . Bei typi- sehen LEDs von Optokopplern, die für den Aufbau von eigensi¬ cheren Schaltnetzteilen zugelassen sind liegt der Nennstrom bei 1 mA bis 4 mA . Bei einer SekundärSpannung von 20 V fällt für den Betrieb der Leuchtiode mit einem Vorwiderstand eine
Leistung von 80 mW an. Schaltnetzteile, die für Feldgeräte im sogenannten HART-Multidrop-Betrieb eingesetzt werden, weisen bei einer Ausgangsspannung von 20 V einen Ausgangsstrom von 4 mA auf, d . h . dass derartige Schaltnetzteile - ohne die Einbe- z iehung weiterer Verluste - immer einen Wirkungsgrad von weni¬ ger als 50% aufweisen . have poor, non-linear transmission ratio and therefore claim especially for switching power supplies with output powers of less than 500 mW a large part of the power consumed by the Schaltnetz ¬ part performance for themselves. For typical LEDs of optocouplers, which are approved for the construction of intrinsically ¬ safe switching power supplies, the rated current is 1 mA to 4 mA. At a secondary voltage of 20 V falls for the operation of the light emitting diode with a series resistor Power of 80 mW. Switched-mode power supplies, which are used for field devices in so-called HART multidrop operation, have an output current of 4 mA at an output voltage of 20 V, ie. H . always have an efficiency of Weni ¬ ger than 50% - that such switching power supplies - without the convening z iehung further losses.
Da die für eigensichere Stromkreise zugelassenen Optokoppler intern zwischen Sende- und Empfangsseite beispielsweise eine Kriechstrecke für Leckströme von wenigstens 10 mm aufweisen müssen, ist mit einer Verbesserung des ÜbertragungsVerhältnis¬ ses solcher speziellen Otokoppler nicht zu rechnen . Since the approved for intrinsically safe circuits optocoupler must for example have a leakage path for leakage currents of at least 10 mm internally between the transmitting and receiving side, is not to expect an improvement of the transmission ratio ¬ ses such special Otokoppler.
Ein weiterer Nachteil liegt in den Alterungserscheinungen, de- nen Optokoppler unterworfen sind . Aufgrund dieser Alterungser¬ scheinungen ändert sich das Übertragungsverhalten mit der Zeit , sodass sich die Eigenschaften des Schaltnetzteils über die Zeit verschlechtern . Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein aus demAnother disadvantage lies in the aging phenomena to which optocouplers are subjected. Because of this Old Rungser ¬ phenomena, the transmission behavior changes over time, so that the characteristics of the power supply deteriorate over time. It is the object of the present invention from the
Stand der Technik bekanntes eigensicheres , geregeltes Schalt¬ netzteil derart weiterzubilden, dass es die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht aufweist . Diese Aufgabe wird durch ein eigensicheres geregeltes Schalt¬ netzteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst . State of the art known intrinsically safe, regulated switching ¬ power supply in such a way that it does not have the disadvantages known from the prior art. This object is achieved by an intrinsically safe regulated switching power supply ¬ with the features of claim 1.
Ein eigensicheres geregeltes Schaltnetzteil mit einer Primär¬ seite und einer Sekundärseite, an dem primärseitig eine Pri- märspannung anlegbar und sekundärseitig eine SekundärSpannung abgreifbar ist mit wenigstens einem Übertrager zur Wandlung der PrimärSpannung in die SekundärSpannung, einem Rückkanal mit galvanischer Trennung zur Übertragung eines Rückkoppelsig-
nals mit einer Information über die Höhe der Sekundärspannung auf die Primärseite und einem Schaltregler, dem das Rückkop¬ pelsignal zugeführt ist und der die PrimärSpannung dem Über¬ trager zuführt zeichnet sich dadurch aus , dass die galvanische Trennung in den Rückkanal mit einer kapaz itiven Kopplung und/oder einer induktiven Kopplung ausgebildet ist . An intrinsically safe controlled switching regulator with a primary ¬ side and a secondary side at which the primary side a primary märspannung be applied and the secondary side a secondary voltage can be tapped is connected to at least one transformer for converting the primary voltage in the secondary voltage, a return channel with galvanic isolation for transmitting a Rückkoppelsig- Nals with information about the amount of the secondary voltage to the primary side and a switching regulator, said Rückkop ¬ pelsignal is supplied to the primary voltage to the over ¬ exchanger is characterized in that the galvanic isolation in the return channel with a Kapaz tuitive coupling and / or an inductive coupling is formed.
Dadurch, dass die galvanische Trennung in dem Rückkanal an¬ statt mittels eines Optokopplers mit einer kapazitiven Kopp¬ lung und/oder induktiven Kopplung ausgebildet wird, kann das schlechte ÜbertragungsVerhältnis im Rückkanal verbessert wer¬ den . Ferner können die durch den Optokoppler eingeführten Nichtlinearitäten in dem Rückkanal vermieden werden . Characterized in that the galvanic isolation in the return channel is formed at ¬ place by means of an optical coupler having a capacitive couplers ¬ lung and / or inductive coupling, the poor transmission ratio may return channel improves the ¬. Furthermore, the nonlinearities introduced by the optocoupler in the return channel can be avoided.
Eine besonders einfache Übertragung der Information über die Höhe der SekundärSpannung auf die Primärseite kann erreicht werden, wenn auf der Sekundärseite eine PWM-Schaltungs- Anordnung zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals als RückkoppelSignal angeordnet ist , der die SekundärSpannung zugeführt ist, und deren Ausgang mit der galvanischen Trennung verbunden ist . A particularly simple transmission of the information about the magnitude of the secondary voltage to the primary side can be achieved if on the secondary side of a PWM circuit arrangement for generating a pulse width modulated signal is arranged as a feedback signal to which the secondary voltage is applied, and their output to the galvanic Separation is connected.
Durch die Verwendung eines pulsweitenmodulierten Signals als Rückkoppelsignal kann durch eine entsprechend hohe Frequenz der Pulsweitenmodulation eine sehr geringe Kapazität für die Übertragung des RückkoppelSignals von der Sekundärseite auf die Primärseite eingesetzt werden . Die auf der Sekundärseite wirkende Kapaz ität kann dadurch gering gehalten werden . Durch eine hohe Frequenz der Pulsweitenmodulation im Vergleich zu einer Taktfrequenz des Schaltnetzteils kann außerdem eine aus¬ reichend hohe Dynamik der Spannungsregelung erreicht werden . Bei einer Frequenz des Pulsweitenmodulierten Signals von 100 kHz kann für die Signalübertragung beispielsweise eine Kapaz i-
tat von 0,5 nF, beispielsweise aus einer Reihenschaltung von zwei Kapazitäten je 1 nF verwendet werden . Eine Kopplung des Massesignals kann in dieser Ausgestaltungsform beispielsweise mittels einer Kapazität von 5 nF oder eine Reihenschaltung von zwei Kapaz itäten ä 10 nF erfolgen . By using a pulse width modulated signal as a feedback signal can be used by a correspondingly high frequency of the pulse width modulation, a very small capacity for the transmission of the feedback signal from the secondary side to the primary side. The acting on the secondary side capacitance it can be kept low. By a high frequency pulse width modulation in comparison with a clock frequency of the switching power supply further comprises a ¬ from reaching high dynamics of voltage regulation can be achieved. At a frequency of the pulse width modulated signal of 100 kHz, for example, a capacitance for the signal transmission 0.5 nF, for example from a series connection of two capacitors per 1 nF. A coupling of the ground signal can in this embodiment, for example by means of a capacitance of 5 nF or a series connection of two capacitances ä 10 nF done.
Alternativ kann eine induktive Kopplung vorgesehen sein . Alternatively, an inductive coupling may be provided.
Die PWM-Schaltungsanordnung kann beispielsweise einen Drei¬ ecksignalgenerator zur Erzeugung eines Dreiecksignals aufwei¬ sen . Ferner kann die PWM-Schaltungsanordnung einen vorzugswei¬ se durch einen Operationsverstärker ausgebildeten Komparator aufweisen, dem eingangsseitig die SekundärSpannung und das Dreiecksignal zugeführt sind und an dem ausgangsseitig das pulsweitenmodulierte Signal als RückkoppelSignal abgreifbar ist . Durch einen Vergleich der SekundärSpannung mit einem ent¬ sprechenden Dreiecksignal kann ein pulsweitenmoduliertes Sig¬ nal erzeugt werden, dessen Pulsweite mit der Höhe der Sekun¬ därspannung korreliert . Auf diese Weise kann die Information über die Höhe der SekundärSpannung einfach auf die Primärseite rückgekoppelt werden . The PWM circuit arrangement may, for example, a three ¬ ecksignalgenerator for generating a triangular signal aufwei ¬ sen. Furthermore, the PWM circuit arrangement can have a comparator which is preferably implemented by an operational amplifier, to which the secondary voltage and the triangular signal are fed on the input side and to which the pulse-width-modulated signal can be tapped as feedback signal on the output side. By comparison of the secondary voltage with a ent ¬ speaking triangular signal, a pulse width modulated ¬ Sig nal can be generated, whose pulse width correlated to the amount of the seconding ¬ därspannung. In this way, the information about the amount of secondary voltage can be easily fed back to the primary side.
Im Rückkanal kann ferner primärseitig eine Signalanpassungs- schaltung und/oder ein Filter angeordnet sein . Solche Sig- nalanpassungsSchaltungen und/oder Filter können zur Aufberei¬ tung des über die kapazitive Kopplung übertragenen Rückkoppel¬ signals geeignet ausgebildet sein . Beispielsweise kann als Signalanpassungsschaltung ein weiterer Komparator zum Einsatz kommen, der das gegebenenfalls verunreinigte RückkoppelSignal wieder in ein sauberes Rechtecksignal umwandelt . Mittels einer geeigneten Filterung, beispielsweise ein RC-Filter 1. Ordnung oder ein aktives Filter, kann das so aufbereitete Rückkoppel¬ signal durch eine geeignet Filterung, beispielsweise ein Sal-
len-Key-filter oder ein Butterworth-Filter weiterverarbeitet werden. Insbesondere kann das so aufbereitete Rückkoppelsignal auf einen Gleichspannungswert gefiltert werden, der die Höhe der SekundärSpannung repräsentiert . Das so weiterverarbeitete RückkoppelSignal kann dann einem Schaltregler des Schaltnetz¬ teils zugeführt sein, der eine Zuführung der PrimärSpannung zum Übertrager regelt . Furthermore, in the return channel, a signal matching circuit and / or a filter can be arranged on the primary side. Such Sig- nalanpassungsSchaltungen and / or filters can be formed suitable for Aufberei ¬ processing of the data transmitted via the capacitive coupling ¬ feedback signal. For example, another comparator can be used as the signal adaptation circuit, which converts the optionally contaminated feedback signal back into a clean square-wave signal. By means of a suitable filtering, for example a first-order RC filter or an active filter, the feedback signal processed in this way can be filtered by suitable filtering, for example a saline filter. len-key filter or a Butterworth filter. In particular, the feedback signal thus processed can be filtered to a DC voltage value which represents the level of the secondary voltage. The further processed feedback signal can then be fed to a switching regulator of the switching network ¬ part, which controls a supply of the primary voltage to the transformer.
Alternativ kann das durch die Signalaufbereitung erzeugte Rechtecksignal direkt einem Mikroprozessor zugeführt sein, der die ON-Zeit der zu Grunde liegenden Pulsweitenmodulation misst und einen die SekundärSpannung wiederspiegelnden Wert über ei¬ ne Digital-Analog-Wandler auf den Schaltregler ausgibt . Die Verwendung aktiver Filter kann vorteilhaft sein, wenn ein Signal mit verringertem Rauschen benötigt wird . Alternatively, the square wave signal generated by the signal processing may be fed directly to a microprocessor which measures the ON-time of the pulse width modulation underlying and outputting a secondary voltage reflecting the value on ei ¬ ne digital-to-analog converter to the switching regulator. The use of active filters may be advantageous when a signal with reduced noise is needed.
Das Schaltnetzteil kann insbesondere mit einem Gegentaktwand- ler ausgebildet sein, wobei der Übertrager hierbei mit zwei gegenläufigen Primärwindungen ausgebildet ist , die einenends mit der PrimärSpannung und anderenends über Schaltmittel wech¬ selseitig mit Erdpotential verbunden sind . The switching power supply may be designed especially with a Gegentaktwand- ler, wherein the transmitter is in this case formed with two opposing primary windings which are connected wech ¬ balance one another at one end with the primary voltage and at the other via switching means to a ground potential.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Aus- führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur eingehend erläutert . Es zeigt : The present invention will be explained below with reference to an exemplary embodiment with reference to the accompanying figure. It shows :
Fig . 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Fig. 1 is a block diagram of a device according to the invention
Schaltnetzteils . Switching power supply.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Schaltnetzteils 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung .
Das Schaltnetzteil 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Gegentaktwandler mit einem Übertrager 3 ausgebildet , der primärseitig mit einer PrimärSpannung Vin beaufschlagbar ist . Sekundärseitig ist dem Übertrager 3 eine SekundärSpannung Vout abgreifbar . Der Übertrager 3 weist eine Primärwicklung und ei¬ ne Sekundärwicklung auf, die jeweils einen Mittenabgriff auf weisen . Primärseitig ist der Mittenabgriff der Primärwicklung mit der PrimärSpannung Vin verbunden, wobei die Primärwicklung anfangs- und endseitig jeweils über Schaltmittel 4 mit Masse verbindbar ist . Die Schaltmittel 4 sind über einen Schaltreg¬ ler ansteuerbar, sodass eine Zeitdauer 5, während der die Pri¬ märspannung Vir, über das eine oder das andere Schaltmittel 4 mit Masse verbunden ist , regelbar ist . Sekundärseitig ist der Mittenabgriff der Sekundärwicklung mit Masse verbunden, wobei die Sekundärwicklung anfangs- und end¬ seitig mit der Anode jeweils eine Diode 8 verbunden ist . Die Kathoden der beiden Dioden 8 sind beide mit einem Ausgang des Schaltnetzteils 1 , an dem die SekundärSpannung Vout abgreifbar ist , verbunden . Die beiden Dioden 8 wirken damit als Gleich¬ richter 7 , sodass an dem Schaltnetzteil 1 ausgangsseitig eine Gleichspannung abgreifbar ist . FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary embodiment of a switched-mode power supply 1 according to the present application. The switching power supply 1 is formed in the present embodiment as a push-pull converter with a transformer 3, which is the primary side with a primary voltage V in acted upon. On the secondary side of the transformer 3, a secondary voltage V ou t can be tapped. The transformer 3 has a primary winding and ei ¬ ne secondary winding, each having a center tap on. On the primary side, the center tap of the primary winding is connected to the primary voltage V in , wherein the primary winding can be connected to earth at the beginning and at the end via switching means 4. The switching means 4 are driven via a Schaltreg ¬ ler, so that a time period 5, during which the Pri ¬ märspannung V ir, is connected via one or the other switching means 4 to the ground, is adjustable. On the secondary side of the center tap of the secondary winding is connected to ground, said secondary winding start and end ¬ is mutually connected to the anode of a diode in each case. 8 The cathodes of the two diodes 8 are both connected to an output of the switched-mode power supply 1, to which the secondary voltage V ou t can be tapped. The two diodes 8 thus act as a rectifier ¬ 7, so that on the output side of the switching power supply 1 a DC voltage can be tapped.
Zur Regelung des Schaltnetzteils 1 ist die SekundärSpannung Vout außerdem einer PWM-Schaltungsanordnung 13 zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten RückkoppelSignals SR zugeführt . Das pulsweitemodulierte RückkoppelSignal SR wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines Komparators 17 erzeugt , dem einerseits die SekundärSpannung Vout und andererseits ein Drei- ecksignal So, das in einem Dreiecksignalgenerator 15 erzeugt wird, zugeführt ist . An dem Komparator 17 ist ausgangsseitig das pulsweitemodulierte RückkoppelSignal SR abgreifbar und ei¬ ner kapazitiven Kopplung 11 , die vorliegend durch Kondensato-
ren realisiert ist, zugeführt. Im vorliegenden Ausführungsbei¬ spiel sind für das Rückkoppelsignal SR und das Masssignal je¬ weils eine Kapazität 11 vorgesehen, wobei die einzelnen Kapa¬ zitäten 11 auch durch Reihen- und/oder Parallelschaltungen mehrere Kapazitäten erzeugt sein können . Durch die Kondensato¬ ren 11 wird eine galvanische Trennung 9 realisiert , sodass der Rückkanal R ebenfalls in Primär- und Sekundärseite I , I I ge¬ teilt werden kann . For regulating the switched-mode power supply 1, the secondary voltage Vout is also fed to a PWM circuit 13 for generating a pulse width modulated feedback signal SR. The pulse width modulated feedback signal SR is generated in the present embodiment by means of a comparator 17, on the one hand, the secondary voltage V ou t and on the other hand, a triangular signal So, which is generated in a triangular signal generator 15, is supplied. The pulse width modulated feedback signal SR output side is picked up at the comparator 17 and ei ¬ ner capacitive coupling 11, which in the present case by condensers ren realized is supplied. In the present Ausführungsbei ¬ game are sorted ¬ weils provided a capacitor 11 for the feedback signal SR, and the measure signal, wherein the individual Capa ¬ capacities 11 several capacities can also be produced by series and / or parallel circuits. Through the condensers 11 ren ¬ a galvanic isolation 9 is realized so that the return channel R can also be in the primary and secondary side I, ge ¬ divides II.
Das übertragene Rückkoppelsignal SR ist auf der Primärseite ei¬ ner SignalanpassungsSchaltung 19, die mit einem Filter 21 in Reihe geschaltet ist , zugeführt . Durch die Signalanpassungs- schaltung 19 wird das übertragene Rückkoppelsignal SR aufberei¬ tet und wieder in ein sauberes Rechtecksignal gewandelt . Die SignalanpassungsSchaltung 19 kann beispielsweise als Kompara- tor ausgestaltet sein . Der SignalanpassungsSchaltung 19 ist das Filter 21 nachgeschaltet, das sowohl als passives als auch als aktives Filter ausgestaltet sein kann . Durch das Filter wird das Rückkoppelsignal SR in einen Gleichspannungswert ge¬ filtert , der dem Schaltregler 5 zugeführt ist . The transmitted feedback signal SR is supplied on the primary side ei ¬ ner signal conditioning circuit 19, which is connected with a filter 21 in series. By Signalanpassungs- circuit 19 is the transmitted feedback signal SR aufberei ¬ tet and converted back into a clean square wave signal. The signal adaptation circuit 19 may be designed, for example, as a comparator. The signal matching circuit 19 is connected downstream of the filter 21, which may be configured both as a passive and as an active filter. Through the filter, the feedback signal SR is ge ¬ filtered into a DC voltage value , which is supplied to the switching regulator 5.
Die SignalanpassungsSchaltung 19 und das Filter 21 können auch mit einem Operationsverstärker realisiert werden . Alternativ zu einer Filterung kann das aufbereitete Rückkop¬ pelsignal SR auch dem MikroController zugeführt sein, der das Rückkoppelsignal SR auswertet und entsprechend der ON-Zeit der pulsweiten Modulation über einen Digital-Analog-Wandler ein entsprechendes Signal ausgibt , das dann dem Schaltregler 5 zu- geführt sein kann . The signal conditioning circuit 19 and the filter 21 can also be realized with an operational amplifier. As an alternative to filtration, the treated Rückkop ¬ pelsignal SR can also be supplied to the microcontroller, which evaluates the feedback signal SR, and outputs a corresponding signal according to the ON-time of the pulse-width modulation via a digital-to-analog converter, which then supply the switching regulator 5 can be guided.
Alternativ können auch der MikroController und der Schaltreg¬ ler 5 als ein Element ausgeführt sein, das beide Aufgaben übernimmt .
Durch die Erzeugung des Dreiecksignals SD kann beispielsweise durch Integration eines in einem Rechtecksignalgenerator 18 erzeugten Signals erfolgen oder aber auch auf andere geeignete Art und Weise zur Verfügung gestellt werden .
Alternatively, the microcontroller and the Schaltreg ¬ ler 5 may be designed as an element that performs both tasks. By generating the triangular signal SD, for example, by integration of a signal generated in a rectangular signal generator 18, or else provided in other suitable manner.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Schaltnetzteil 1 switching power supply
3 Übertrager 3 transformers
4 Schaltmittel 4 switching means
5 Schaltregler 5 switching regulator
7 Gleichrichter 7 rectifier
8 Diode 8 diode
9 galvanische Trennung 9 galvanic isolation
11 kapazitive Kopplung/Kondensator 11 capacitive coupling / capacitor
13 PWM-Schaltungsanordnung 13 PWM circuit arrangement
15 Dreiecksignalgenerator 15 triangular signal generator
17 Komparator 17 comparator
18 Rechtecksignalgenerator 18 square wave signal generator
19 SignalanpassungsSchaltung 19 signal conditioning circuit
21 Filter 21 filters
Vm Primärspannung Vm primary voltage
Vout Sekundärspannung V o ut secondary voltage
I Primärseite I primary side
I I Sekundärseite I I secondary side
R Rückkanal R return channel
SR RückkopplungsSignal S R feedback signal
SD Dreiecksignal
S D triangular signal
Claims
Eigensicheres geregeltes Schaltnetzteil (1) mit einer Pri märseite (I) und einer Sekundärseite ( II ) , an dem primär- seitig eine PrimärSpannung (Vin) anlegbar und sekundärsei- tig eine SekundärSpannung (V ) abgreifbar ist mit wenigstens einem Übertrager (3) zur Wandlung der Primär¬ spannung (Vin) in die SekundärSpannung (Vout) , Intrinsically safe regulated switched-mode power supply (1) having a primary side (I) and a secondary side (II) on which a primary voltage (V in ) can be applied on the primary side and a secondary voltage (V) can be tapped on the secondary side with at least one transformer (3) to convert the primary ¬ voltage (V in) in the secondary voltage (V ou t),
einem Rückkanal (R) mit galvanischer Trennung zur Übertra gung eines RückkoppelSignals mit einer Information über die Höhe der SekundärSpannung auf die Primärseite (I) und einem Schaltregler (5) , dem das RückkoppelSignal ( SR) zu¬ geführt ist und der die PrimärSpannung (Vin) dem Übertra¬ ger (3) zuführt , a return channel (R) with galvanic isolation for transmitting a feedback signal with information about the amount of secondary voltage to the primary side (I) and a switching regulator (5) to which the feedback signal (SR) is led to ¬ and the primary voltage (V in ) the Übertra ¬ ger (3) supplies,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die galvanische Trennung (9) in dem Rückkanal (R) mit ei¬ ner kapazitiven Kopplung (11) und/oder einer induktiven Kopplung ausgebildet ist . the galvanic separation (9) in the return channel (R) with egg ¬ ner capacitive coupling (11) and / or an inductive coupling is formed.
Schaltnetzteil (1) nach Anspruch 1, Switching power supply (1) according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
auf der Sekundärseite (II) eine PWM-Schaltungsanordnung (17) zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals als RückkoppelSignal ( SR) angeordnet ist , der die Sekun¬ därspannung (Vout) zugeführt ist, und deren Ausgang mit der galvanischen Trennung (9) verbunden ist . on the secondary side (II) a PWM circuit arrangement (17) for generating a pulse width modulated signal as a feedback signal (SR) is arranged, which is the Sekun ¬ därspannung (Vout) is supplied, and whose output is connected to the galvanic isolation (9).
Schaltnetzteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, Switching power supply (1) according to one of the preceding Ansprü ¬ che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die PWM-Schaltungsanordnung (13) einen Dreiecksignalgene¬ rator ( 15 ) zur Erzeugung eines Dreiecksignals SD aufweist .
Schaltnetzteil (1) gemäß Anspruch 3, the PWM circuit arrangement (13) comprises a triangular signal Gene ¬ rator (15) for generating a triangular signal SD. Switching power supply (1) according to claim 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die PWM-Schaltungsanordnung (13) einen vorzugsweise durch einen Operations erstärker ausgebildeten Komparator (17) aufweist, dem eingangsseitig die SekundärSpannung (Vout) und das Dreiecksignal (SD) zugeführt ist und an dem aus- gangsseitig das pulsweitenmodulierte Signal als Rückkop¬ pelsignal ( SR) abgreif ar ist . the PWM circuit arrangement (13) has a preferably erstärker formed by an Operations comparator (17) is supplied to the input side of the secondary voltage (V ou t) and the triangle signal (SD) and at the output side the pulse width modulated signal as Rückkop ¬ pelsignal (SR) tapping is.
Schaltnetzteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, Switching power supply (1) according to one of the preceding Ansprü ¬ che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
in dem Rückkanal (R) primärseitig eine Signalanpassungs- schaltung (19) und / oder ein Filter (21) angeordnet ist . in the return channel (R) on the primary side a Signalanpassungs- circuit (19) and / or a filter (21) is arranged.
Schaltnetzteil (1) nach gemäß Anspruch 5, Switching power supply (1) according to claim 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
das Filter (21) als RC-Filter erster Ordnung oder als ak¬ tives Filter ausgebildet ist . the filter (21) is designed as an RC-filter of first order or as ak ¬ tive filter.
Schaltnetzteil (1) gemäß Anspruch 6, Switching power supply (1) according to claim 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
das Filter (21) als Sallen-Key-Filter oder als Butter¬ worth-Filter ausgebildet ist . the filter (21) is designed as a Sallen-Key filter or as a Butter ¬ worth filter.
Schaltnetzteil (8) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Switched-mode power supply (8) according to one of Claims 5 to 7, characterized in that
die Signalanpassung (19) als Komparator ausgebildet ist , der das Rückkoppelsignal ( SR) in ein Rechtecksignal wan¬ delt .
signal matching (19) is designed as a comparator, the feedback signal (SR) into a rectangular signal wan ¬ punched.
9. Schaltnetzteil (1) gemäß Anspruch 8 , 9. Switching power supply (1) according to claim 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
das Rechtecksignal einem Mikroprozessor zugeführt ist . the square wave signal is fed to a microprocessor.
10. Schaltnetzteil (1) gemäß Anspruch 8 , 10. Switching power supply (1) according to claim 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
das Rechtecksignal einem Filter (21) eingangsseitig zuge¬ führt ist , an dem ausgangsseitig ein DC-Signal, das eine Höhe der SekundärSpannung (Vout) repräsentiert , abgreifbar ist . is the square-wave signal input side ¬ to a filter (21) at which represents a height of the secondary voltage (V ou t) at its output a DC signal can be tapped off.
11. Schaltnetzteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, 11 switching power supply (1) according to one of the preceding Ansprü ¬ che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Schaltnetzteil (1) als Gegentaktwandler ausgebildet ist . That is, the switching power supply (1) is designed as a push-pull converter.
12. Schaltnetzteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, 12, switching power supply (1) according to one of the preceding Ansprü ¬ che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die kapazitive Kopplung (11) mit wenigstens einem Konden¬ sator ausgebildet ist . the capacitive coupling (11) is formed with at least one capacitor ¬ sator.
13. Schaltnetzteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, 13 switching power supply (1) according to one of the preceding Ansprü ¬ che,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die induktive Kopplung mit wenigstens einem Übertrager ausgebildet ist .
the inductive coupling is formed with at least one transformer.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| PCT/EP2015/052905 WO2016128047A1 (en) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | Switched-mode power supply unit |
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| PCT/EP2015/052905 WO2016128047A1 (en) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | Switched-mode power supply unit |
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| CN114844519B (en) * | 2022-04-06 | 2023-10-10 | 杭州海康威视数字技术股份有限公司 | Isolation device for intrinsic safety circuit and non-intrinsic safety circuit |
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