DE102018130957A1 - Switching power supply with coupled step-down stages - Google Patents

Switching power supply with coupled step-down stages Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil (400, 500, 600), mit: einem von einer Eingangsspannung (V) gespeisten Eingangsschaltkreis (401); einem mit dem Eingangsschaltkreis gekoppelten Ausgangsschaltkreis (402) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung (V); und einem galvanischen Trennelement (103) zwischen dem Eingangsschaltkreis (401) und dem Ausgangsschaltkreis (402), welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung (V) und der Ausgangsspannung (V) einzuhalten, wobei der Eingangsschaltkreis (401) zwei gekoppelte Tiefsetzerstufen (403) umfasst, von denen eine erste Tiefsetzerstufe (404) in der positiven Eingangsspannung (+V) und eine zweite Tiefsetzerstufe (405) in der negativen Eingangsspannung (-V) dem galvanischen Trennelement (103) vorgeschaltet sind.The invention relates to a switching power supply (400, 500, 600), comprising: an input circuit (401) fed by an input voltage (V); an output circuit (402) coupled to the input circuit for providing an output voltage (V); and a galvanic isolating element (103) between the input circuit (401) and the output circuit (402), which is designed to meet a specified safety requirement with regard to insulation between the input voltage (V) and the output voltage (V), the input circuit (401) comprises two coupled step-down steps (403), of which a first step-down step (404) in the positive input voltage (+ V) and a second step-down step (405) in the negative input voltage (-V) are connected upstream of the galvanic isolating element (103).

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisch getrenntes Schaltnetzteil mit zwei gekoppelten Tiefsetzerstufen zur Herabsetzung der Isolationsanforderungen zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung.The invention relates to a galvanically isolated switching power supply with two coupled step-down stages for reducing the insulation requirements between the input voltage and the output voltage.

Im Bereich der sicheren Trennung haben Stromversorgungen die Aufgabe, die Spannung an den jeweiligen Verbraucher anzupassen. Je nach speisender Quelle ist die Eingangsspannung im berührgefährlichen Bereich oberhalb einer gewissen Spannungsgrenze. So wird ein industrieller Schaltschrank üblicherweise von einer berührgefährlichen Spannung von 120VAC oder 230VAC bzw. Niederspannung bis 1000VAC / 1500VDC gespeist. Hierzu sind Anforderungen an die elektrische Sicherheit wie Isolationsabstände oder -materialien oder einen Berührschutz einzuhalten. Die Verbraucher in dem Schaltschrank, wie z.B. eine Steuerung (SPS) oder Sensoren oder Aktoren, werden von einer berührbaren Sicherheits-Kleinspannung (SELV = safety extra low voltage) gespeist, damit diese keine besonderen Anforderungen an die elektrische Sicherheit in dem Verbraucher oder dessen Anschlüssen umsetzen müssen.In the area of safe separation, power supplies have the task of adapting the voltage to the respective consumer. Depending on the supply source, the input voltage in the hazardous area is above a certain voltage limit. An industrial control cabinet is usually supplied with a dangerous voltage of 120VAC or 230VAC or low voltage up to 1000VAC / 1500VDC. For this purpose, requirements for electrical safety such as insulation distances or materials or protection against accidental contact must be observed. The consumers in the control cabinet, e.g. a controller (PLC) or sensors or actuators are fed by a touchable safety extra low voltage (SELV) so that they do not have to implement any special requirements for electrical safety in the consumer or its connections.

Aufgabe einer Stromversorgung ist es daher auch, die berührgefährliche Eingangsspannung von der berührbaren Ausgangsspannung sicher zu trennen.It is therefore also the task of a power supply to safely separate the dangerous input voltage from the accessible output voltage.

Hierzu werden innerhalb einer Stromversorgung entsprechend der jeweiligen Anwendung normative Anforderungen an minimale Luft- und Kriechstrecken (LuK) zur Trennung zwischen der berührgefährlichen Eingangsspannung und der berührbaren Ausgangsspannung gestellt. Grundsätzliche Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken sind z.B. in der Normenreihe IEC 60664: „Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen“ definiert. Entsprechend dem Produkt und der Anwendung sind die jeweiligen Produktnormen wie IEC 62109: „Sicherheit von Wechselrichtern zur Anwendung in photovoltaischen Energiesystemen“,
IEC 60950: „Einrichtungen der Informationstechnik - Sicherheit“ oder IEC 61010: „Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte“ oder IEC62368: „Einrichtungen für Audio/Video-, Informations- und Kommunikationstechnik -
Teil 1: Sicherheitsanforderungen“ maßgeblich.For this purpose, normative requirements for minimum clearances and creepage distances (LuK) are set within a power supply for the separation between the dangerous input voltage and the touchable output voltage. Basic requirements for clearances and creepage distances are defined, for example, in the IEC 60664 series of standards: "Insulation coordination for electrical equipment in low-voltage systems". According to the product and the application, the respective product standards such as IEC 62109: "Safety of inverters for use in photovoltaic energy systems",
IEC 60950: "Information technology equipment - Security" or IEC 61010: "Security regulations for electrical measuring, control, regulating and laboratory devices" or IEC62368: "Equipment for audio / video, information and communication technology -
Part 1: Security requirements ”is decisive.

1 zeigt ein Prinzipschaltbild der Isolation in einer galvanisch getrennten Stromversorgung 100 und verdeutlicht die auftretenden Isolationsspannungen VIS1 , VIS2 und VIS3 über der galvanischen Trennstrecke 103. Dazu werden die Schalter S1 und S2 geschlossen und die Eingangsspannung VIN und die Ausgangsspannung VOUT an jeweils einem Punkt geerdet. Über den Trennstrecken IS1 ... IS5 wird die höchste auftretende Spannung üblicherweise bei maximaler Eingangsspannung VIN gemessen. 1 shows a schematic diagram of the insulation in a galvanically isolated power supply 100 and illustrates the insulation voltages that occur V IS1 , V IS2 and V IS3 over the galvanic isolating section 103 . To do this, the switches S1 and S2 closed and the input voltage V IN and the output voltage V OUT grounded at one point each. Over the dividing lines IS1 ... IS5 the highest voltage that occurs is usually at the maximum input voltage V IN measured.

2 zeigt ein Prinzipschaltbild der Isolation in einem galvanisch getrennten Schaltnetzteil 200. Im Wesentlichen ergeben sich Isolationsanforderungen über dem Trafo Tr1 sowie über der Rückkopplung, d.h. Fehlerregelung der Ausgangsgrößen über den Optokoppler OC1. Die Ausgangsgrößen können u.a. die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom sein, ggf. auch für mehrere Ausgangsspannungen. 2nd shows a schematic diagram of the insulation in a galvanically isolated switching power supply 200 . Essentially, there are insulation requirements above the transformer Tr1 as well as via the feedback, ie error control of the output variables via the optocoupler OC1 . The output variables can include the output voltage or the output current, possibly also for several output voltages.

Hier nicht dargestellt ist ggf. eine eingangsseitige Gleichrichtung und Glättung für ein Schaltnetzteil mit Wechselspannungsspeisung sondern nur der eigentlich galvanisch trennende DC/DC-Wandler. Ebenso ist das Prinzipschaltbild unabhängig von der Funktionsweise des DC/DC-Wandlers. Dieser kann nach bekannten Schaltungsgrundprinzipien realisiert werden, z.B. als Sperrwandler oder Flusswandler oder Halbbrücken- oder Vollbrücken- oder Resonanzwandler realisiert werden. Insbesondere bei hohen Eingangsspannungen werden auch Schaltungsgrundkonzepte wie 2-Transistor-Wandler oder eine Reihenschaltung aus obigen Konzepten verwendet. Das verwendete Ansteuerprinzip des Leistungsschalters S3 kann z.B. hartschaltend mit Pulsweitenmodulation (PWM) oder resonant mit Frequenzmodulation (PFM) erfolgen.A rectification and smoothing on the input side for a switched-mode power supply unit with AC voltage supply, but only the actually galvanically isolating DC / DC converter, is not shown here. The block diagram is also independent of the functioning of the DC / DC converter. This can be implemented according to known basic circuit principles, for example as a flyback converter or forward converter or half-bridge or full-bridge or resonance converter. In particular at high input voltages, basic circuit concepts such as 2-transistor converters or a series connection from the above concepts are also used. The control principle used for the circuit breaker S3 can be hard switching with pulse width modulation (PWM) or resonant with frequency modulation (PFM).

Ebenso kann der Leistungsschalter S3 unabhängig von der verwendeten Technologie als beliebig ein- und ausschaltbarer Leistungsschalter realisiert sein und kann z.B. als MOSFET oder Bipolartransistor oder IGBT oder GAN-FET oder SiC-FET realisiert werden.The circuit breaker can also S3 can be implemented as a power switch that can be switched on and off independently of the technology used and can be implemented, for example, as a MOSFET or bipolar transistor or IGBT or GAN-FET or SiC-FET.

Die 3a und 3b zeigen Prinzipschaltbilder des Bezugspotentials der primärseitigen Ansteuerung und des Optokopplers OC1 in einem galvanisch getrennten Schaltnetzteil 300a, 300b. Die primärseitige Ansteuerung des Leistungsschalters S3 und des Rückkopplungsoptokopplers OC1 besitzen als Bezugspotential üblicherweise die negative Eingangsspannung -VIN. Hierdurch kann der Leistungsschalter S3 direkt angesteuert werden.The 3a and 3b show block diagrams of the reference potential of the primary-side control and the optocoupler OC1 in a galvanically isolated switching power supply 300a , 300b . The primary control of the circuit breaker S3 and the feedback optocoupler OC1 usually have the negative input voltage -V IN as reference potential. This allows the circuit breaker S3 can be controlled directly.

Auch kann der Optokoppler OC1 sowohl als eigentlicher Optokoppler als auch magnetischer Koppler realisiert werden.The optocoupler can also OC1 can be implemented both as an actual optocoupler and as a magnetic coupler.

Die Isolationsspannungen ergeben sich bei maximaler Eingangsspannung. Ist z.B. die speisende Spannung eine Gleichspannung, wird diese entweder an +VIN oder - VIN geerdet. Bei kleiner Ausgangsspannung spielt es nur untergeordnet eine Rolle, ob +VOUT oder -VOUT als geerdet betrachtet wird. Über die Trennstrecke am Trafo Tr1 mit VIS1 und VIS2 ergeben sich die höchsten Isolationsspannungen, wenn -VIN geerdet wird. Da der Optokoppler OC1 meistens Bezug zu -VIN hat, ergibt sich die höchste Isolationsspannung VIS3 , wenn +VIN geerdet betrachtet wird. Die Isolationsspannung VIS2 ist effektiv kleiner als die Eingangsspannung VIN , kann jedoch je nach Schaltnetzteilprinzip als Spitzenwert deutlich über VIN liegen.The insulation voltages result from the maximum input voltage. For example, if the supply voltage is a DC voltage, this is either grounded to + V IN or - V IN . With a low output voltage, it is only of minor importance whether + V OUT or -V OUT is regarded as grounded. Via the isolating section on the transformer Tr1 With V IS1 and V IS2 the highest insulation voltages result if - V IN is grounded. Because the optocoupler OC1 usually has reference to -V IN , the highest insulation voltage results V IS3 if + V IN is considered grounded. The insulation voltage V IS2 is effectively less than the input voltage V IN However, depending on the principle of the switching power supply, the peak value can be significantly higher V IN lie.

Soll das Schaltnetzteil universell verwendet werden, kann es entweder an positiver oder negativer Eingangsspannung geerdet werden. Durch die verschiedenen Erdungsmöglichkeiten ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Isolationen über der Trennstrecke.If the switching power supply is to be used universally, it can be grounded either at a positive or negative input voltage. The various grounding options result in very high demands on the insulation across the isolating section.

Daraus resultiert die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltnetzteil mit herabgesetzten Isolationsanforderungen bereitzustellen.This results in the object of the present invention to provide a switching power supply with reduced insulation requirements.

Durch eine Erweiterung des Schaltungsgrundkonzeptes sollen die Isolationsanforderungen über der Trennstrecke deutlich herabgesetzt werden. Die Isolationsspannungen über den Bauteilen der Trennstrecke sollen unabhängig von der Erdung der Ein- und Ausgangsspannungen verringert werden.By expanding the basic circuit concept, the insulation requirements across the isolating section are to be significantly reduced. The insulation voltages across the components of the isolating section should be reduced regardless of the grounding of the input and output voltages.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.This object is achieved by the objects with the features according to the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims, the description and the drawings.

Ein Grundkonzept der Erfindung besteht darin, dem galvanisch trennenden DC/DC-Wandler sowohl in positiver als auch negativer Eingangsspannung jeweils einen Tiefsetzer vorzuschalten. Über den beiden Tiefsetzerstufen ergibt sich ein Spannungsabfall V11 und V12 (siehe 4), wodurch sich die Isolationsspannung über der Trennstrecke VIS1 unabhängig von der Erdung herabsetzt. Vorteilhaft ist es, die Spulen der beiden Tiefsetzerschaltungen zu kombinieren bzw. zu koppeln und auf einen Ferritkern zu wickeln, wodurch sich beide Tiefsetzerstufen automatisch symmetrieren und Toleranzen zwischen den Spulen keine Rolle spielen. Hierzu ist eine gleichzeitige Ansteuerung der Leistungsschalter der beiden Tiefsetzer notwendig.A basic concept of the invention is to provide a step-down converter in front of the galvanically isolating DC / DC converter in both positive and negative input voltage. There is a voltage drop across the two step-down stages V 11 and V 12 (please refer 4th ), causing the insulation voltage across the isolating path V IS1 regardless of grounding. It is advantageous to combine or couple the coils of the two step-down converter circuits and to wind them on a ferrite core, as a result of which both step-down converter stages automatically symmetrize and tolerances between the coils play no role. This requires simultaneous activation of the circuit breakers of the two step-down converters.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Schaltnetzteil, mit: einem von einer Eingangsspannung gespeisten Eingangsschaltkreis; einem mit dem Eingangsschaltkreis gekoppelten Ausgangsschaltkreis zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung; und einem galvanischen Trennelement zwischen dem Eingangsschaltkreis und dem Ausgangsschaltkreis, welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung einzuhalten, wobei der Eingangsschaltkreis zwei gekoppelte Tiefsetzerstufen umfasst, von denen eine erste Tiefsetzerstufe in der positiven Eingangsspannung und eine zweite Tiefsetzerstufe in der negativen Eingangsspannung dem galvanischen Trennelement vorgeschaltet sind.According to a first aspect, the object is achieved by a switched-mode power supply, comprising: an input circuit fed by an input voltage; an output circuit coupled to the input circuit for providing an output voltage; and a galvanic isolating element between the input circuit and the output circuit, which is designed to meet a specified safety requirement with regard to insulation between the input voltage and the output voltage, the input circuit comprising two coupled step-down stages, one of which has a first step-down step in the positive input voltage and a second step-down step are connected upstream of the galvanic isolating element in the negative input voltage.

Mit einem solchen Schaltnetzteil wird der technische Vorteil erreicht, dass sich über den beiden Tiefsetzerstufen ein Spannungsabfall ergibt, wodurch sich die Isolationsspannung über der Trennstrecke unabhängig von der Erdung herabsetzt. With such a switched-mode power supply, the technical advantage is achieved that there is a voltage drop across the two step-down converter stages, as a result of which the insulation voltage across the isolating section is reduced independently of the grounding.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils sind die beiden Tiefsetzerstufen ausgebildet, einen Spannungsabfall der Eingangsspannung zu bewirken und damit eine Isolationsspannung über dem galvanischen Trennelement herabzusetzen.In an advantageous embodiment of the switching power supply, the two step-down converter stages are designed to bring about a voltage drop in the input voltage and thus to reduce an insulation voltage across the galvanic isolating element.

Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass sich die vorgegebenen Sicherheitsanforderungen bezüglich Isolation zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung leichter einhalten lassen, d.h. die Anforderungen an das galvanische Trennelement können reduziert werden.This achieves the technical advantage that the specified safety requirements with regard to insulation between the input voltage and the output voltage can be more easily met, i.e. the requirements for the galvanic isolating element can be reduced.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfassen die beiden Tiefsetzerstufen jeweils eine Spule, welche auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind.In an advantageous embodiment of the switching power supply, the two step-down converter stages each comprise a coil, which are wound on a common core.

Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass sich die beiden Tiefsetzerstufen automatisch symmetrieren und Toleranzen zwischen den Spulen keine Rolle spielen.This achieves the technical advantage that the two step-down steps are automatically symmetrical and tolerances between the coils are irrelevant.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfassen die beiden Tiefsetzerstufen jeweils einen Leistungsschalter, eine Freilaufdiode und die über den gemeinsamen Kern gekoppelten Spulen. Die Freilaufdioden können auch als Leistungsschalter realisiert sein.In an advantageous embodiment of the switching power supply, the two step-down converter stages each comprise a circuit breaker, a freewheeling diode and the coils coupled via the common core. The freewheeling diodes can also be implemented as circuit breakers.

Durch die gleichartige Struktur der beiden Tiefsetzerstufen wird der technische Vorteil erzielt, dass der Spannungsabfall über beide Tiefsetzerstufen gleich ist und die Isolationsanforderungen über dem galvanischen Trennelement immer um den entsprechenden Spannungsabfall herabgesetzt werden.The similar structure of the two step-down stages has the technical advantage that the voltage drop across the two step-down stages is the same and that the insulation requirements across the galvanic isolating element are always reduced by the corresponding voltage drop.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils sind die beiden Tiefsetzerstufen über ein Ansteuersignal gemeinsam ansteuerbar.In an advantageous embodiment of the switched-mode power supply, the two step-down converter stages can be controlled jointly via a control signal.

Durch die gemeinsame Ansteuerung der beiden Tiefsetzerstufen wird der technische Vorteil erzielt, dass der Spannungsabfall über beide Tiefsetzerstufen gleich ist und die Isolationsanforderungen über dem galvanischen Trennelement immer um den entsprechenden Spannungsabfall herabgesetzt werden.By controlling the two step-down stages together, the technical advantage is achieved that the voltage drop across the two step-down stages is the same and that the insulation requirements across the galvanic isolating element are always reduced by the corresponding voltage drop.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfasst der Eingangsschaltkreis einen Impulsübertrager oder eine Treiberschaltung, welche ausgebildet sind, das Ansteuersignal der beiden Tiefsetzerstufen an ein Bezugspotential der beiden Leistungsschalter anzupassen. In an advantageous embodiment of the switching power supply, the input circuit comprises a pulse transformer or a driver circuit, which are designed to adapt the control signal of the two step-down converters to a reference potential of the two power switches.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfasst der Eingangsschaltkreis eine Ansteuerschaltung, welche ausgebildet ist, das Ansteuersignal zu erzeugen, wobei ein Bezugspotential der Ansteuerschaltung mit einem Mittelabgriff zwischen den beiden Tiefsetzerstufen verbunden ist.In an advantageous embodiment of the switching power supply, the input circuit comprises a control circuit which is designed to generate the control signal, a reference potential of the control circuit being connected to a center tap between the two step-down stages.

Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass sich die Eingangsspannung an der Ansteuerschaltung halbiert, wodurch die Isolationsspannung unabhängig von der Erdung in etwa auf die Hälfte herabgesetzt wird.This achieves the technical advantage that the input voltage at the control circuit is halved, which means that the insulation voltage is reduced to about half regardless of the grounding.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils sind die beiden Tiefsetzerstufen eingangsseitig über zwei in Reihe geschaltete Eingangskondensatoren miteinander gekoppelt, deren Mittelabgriff den Mittelabgriff zwischen den beiden Tiefsetzerstufen bildet.In an advantageous embodiment of the switching power supply, the two step-down converter stages are coupled to one another on the input side via two input capacitors connected in series, the center tap of which forms the center tap between the two step-down converter stages.

Durch die Tiefsetzer wird die Eingangsspannung halbiert, die Kondensatoren glätten den AC-Anteil.The input voltage is halved by the step-down converter, the capacitors smooth the AC component.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils sind die beiden Eingangskondensatoren zwischen der positiven Eingangsspannung und der negativen Eingangsspannung in Reihe geschaltet.In an advantageous embodiment of the switching power supply, the two input capacitors are connected in series between the positive input voltage and the negative input voltage.

Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass die beiden Eingangskondensatoren einen Spannungsteiler realisieren, dessen Mittenabgriff leicht zugänglich ist.This gives the technical advantage that the two input capacitors implement a voltage divider whose center tap is easily accessible.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils sind die beiden Tiefsetzerstufen ausgangsseitig über einen einzelnen Ausgangskondensator miteinander gekoppelt.In an advantageous embodiment of the switching power supply, the two step-down converter stages are coupled to one another on the output side via a single output capacitor.

Damit wird der technische Vorteil einer leichteren Realisierung der Tiefsetzerstufen erreicht, da ausgangsseitig kein Mittenabgriff benötigt wird.This gives the technical advantage of an easier implementation of the step-down converter stages, since no center tap is required on the output side.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfasst das galvanische Trennelement einen Transformator, der über einen Leistungsschalter durch die Ansteuerschaltung ansteuerbar ist.In an advantageous embodiment of the switching power supply, the galvanic isolating element comprises a transformer which can be controlled by the control circuit via a circuit breaker.

Durch die Ansteuerung des Transformators über die Ansteuerschaltung, deren Bezugspotential mit einem Mittelabgriff zwischen den beiden Tiefsetzerstufen verbunden ist, wird der technische Vorteil erreicht, dass sich die Isolationsspannung über dem Transformator bei Erdung an der positiven Eingangsspannung auf die Hälfte der positiven Eingangsspannung reduziert.Controlling the transformer via the control circuit, the reference potential of which is connected to a center tap between the two step-down stages, has the technical advantage that the insulation voltage across the transformer is reduced to half the positive input voltage when grounded at the positive input voltage.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfasst der Eingangsschaltkreis einen zwischen die Ansteuerschaltung und den Leistungsschalter geschalteten Transformator, welcher die Ansteuerschaltung von dem Leistungsschalter galvanisch trennt.In an advantageous embodiment of the switching power supply, the input circuit comprises a transformer, which is connected between the control circuit and the circuit breaker and which galvanically isolates the control circuit from the circuit breaker.

Durch einen Übertrager wird das Ansteuersignal an das Bezugspotential des Leistungsschalters angepasst.The control signal is adapted to the reference potential of the circuit breaker by means of a transformer.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schaltnetzteils umfasst das galvanische Trennelement ein Rückkopplungselement zur Regelung des Eingangsschaltkreises, insbesondere einen Optokoppler oder einen magnetischen Koppler. Der Optokoppler wird von der sekundärseitigen Regelung 202 angesteuert (siehe 2).In an advantageous embodiment of the switching power supply, the galvanic isolating element comprises a feedback element for regulating the input circuit, in particular an optocoupler or a magnetic coupler. The optocoupler is controlled by the secondary control 202 controlled (see 2nd ).

Der Ausgang des Rückkopplungselements in die primärseitige Ansteuerschaltung und dessen Bezugspotential ist mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Tiefsetzerstufen verbunden, wodurch der technische Vorteil erreicht, dass sich die Isolationsspannung über dem Rückkopplungselement in etwa auf die Hälfte reduziert.The output of the feedback element in the primary-side control circuit and its reference potential is connected to the center tap between the two step-down stages, which achieves the technical advantage that the insulation voltage across the feedback element is reduced by approximately half.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Schaltnetzteil an der der positiven Eingangsspannung oder an der negativen Eingangsspannung geerdet.In an advantageous embodiment, the switching power supply is grounded at the positive input voltage or at the negative input voltage.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herabsetzen der Isolationsanforderung an ein Schaltnetzteil mit einem von einer Eingangsspannung gespeisten Eingangsschaltkreis; einem mit dem Eingangsschaltkreis gekoppelten Ausgangsschaltkreis zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung; und einem galvanischen Trennelement zwischen dem Eingangsschaltkreis und dem Ausgangsschaltkreis, welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung einzuhalten, mit den folgenden Schritten: Schalten zweier gekoppelter Tiefsetzerstufen in den Eingangsschaltkreis des Schaltnetzteils, von denen eine erste Tiefsetzerstufe in der positiven Eingangsspannung und eine zweite Tiefsetzerstufe in der negativen Eingangsspannung dem galvanischen Trennelement vorgeschaltet wird.According to a second aspect, the invention relates to a method for reducing the isolation requirement for a switching power supply with an input circuit fed by an input voltage; an output circuit coupled to the input circuit for providing an output voltage; and a galvanic isolating element between the input circuit and the output circuit, which is designed to meet a specified safety requirement with regard to insulation between the input voltage and the output voltage, with the following steps: switching two coupled step-down stages into the input circuit of the switching power supply, of which a first step-down stage in the positive input voltage and a second step-down converter in the negative input voltage is connected upstream of the galvanic isolating element.

Mit einem solchen Verfahren wird der technische Vorteil erreicht, dass sich über den beiden Tiefsetzerstufen ein Spannungsabfall ergibt, wodurch sich die Isolationsspannung über der Trennstrecke, d.h. dem galvanischen Trennelement, unabhängig von der Erdung herabsetzt.With such a method, the technical advantage is achieved that there is a voltage drop across the two step-down stages, as a result of which the insulation voltage across the isolating section ie the galvanic isolating element, regardless of the earthing.

Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen eines derartigen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird. Die Regelung des Netzteils kann analog oder digital realisiert werden.According to a third aspect, the object is achieved by a computer program with a program code for executing such a method when the program code is executed on a computer. The control of the power supply can be implemented analog or digital.

Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein Prinzipschaltbild der Isolation in einer galvanisch getrennten Stromversorgung 100;
  • 2 ein Prinzipschaltbild der Isolation in einem galvanisch getrennten Schaltnetzteil 200;
  • 3a/b/c Prinzipschaltbilder des Bezugspotentials der primärseitigen Ansteuerung und des Optokopplers OC1 in einem galvanisch getrennten Schaltnetzteil 300a, 300b sowie eines Tiefsetzers 300c;
  • 4 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 400 mit herabgesetzten Isolationsanforderungen gemäß einer Ausführungsform;
  • 5 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 500 mit geringerer Spannungsbelastung am Optokoppler durch Veränderung des Bezugspotentials der primärseitigen Ansteuerung gemäß einer Ausführungsform;
  • 6 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 600 mit gekoppelten Tiefsetzerstufen gemäß einer Ausführungsform; und
  • 7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens 700 zum Herabsetzen der Isolationsanforderungen an ein Schaltnetzteil gemäß einer Ausführungsform.
Further embodiments are explained with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic diagram of the insulation in a galvanically isolated power supply 100 ;
  • 2nd a schematic diagram of the insulation in a galvanically isolated switching power supply 200 ;
  • 3a / b / c Block diagrams of the reference potential of the primary-side control and the optocoupler OC1 in a galvanically isolated switching power supply 300a , 300b as well as a step-down converter 300c ;
  • 4th a schematic diagram of a switching power supply 400 with reduced insulation requirements according to one embodiment;
  • 5 a schematic diagram of a switching power supply 500 with a lower voltage load on the optocoupler by changing the reference potential of the primary-side control according to one embodiment;
  • 6 a schematic diagram of a switching power supply 600 with coupled step-down stages according to one embodiment; and
  • 7 a schematic representation of a method 700 to reduce the isolation requirements for a switching power supply according to an embodiment.

Die im Folgenden vorgestellten Schaltnetzteile umfassen Tiefsetzer mit gekoppelten Tiefsetzerstufen.The switching power supplies presented below include step-down converters with coupled step-down converter stages.

Ein Tiefsetzer entsprechend 3c bzw. Tiefsetzsteller, Abwärtswandler, Abwärtsregler (englisch step-down converter oder buck converter) bezeichnet einen schaltenden Gleichspannungswandler, bei dem die Ausgangsspannung VOUT stets kleiner ist als der Betrag der Eingangsspannung VIN .A step-down converter accordingly 3c or step-down converter, step-down converter, step-down converter (buck converter) denotes a switching DC-DC converter in which the output voltage V OUT is always less than the amount of the input voltage V IN .

Der Tiefsetzer umfasst einen Schalter S, der in Reihe mit einer Diode D zwischen die positive +VIN und negative Eingangsspannung -VIN geschaltet ist. Der Schalter S ist ferner in Reihe mit einer Spule L zwischen die positive Eingangsspannung +VIN und die positive Ausgangsspannung +VOUT geschaltet. Ferner ist ein Kondensator C zwischen die positive +VOUT und die negative Ausgangsspannung -VOUT geschaltet. The buck converter comprises a switch S, which is in series with a diode D is connected between the positive + V IN and negative input voltage -V IN . The switch S is also connected in series with a coil L between the positive input voltage + V IN and the positive output voltage + V OUT . There is also a capacitor C. switched between the positive + V OUT and the negative output voltage -V OUT .

Der Schalter S (meist ein Transistor) wird von einer Steuerung regelmäßig ein- und ausgeschaltet; üblicherweise werden einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde durchgeführt. Dadurch wird elektrische Energie von der eingangsseitig angeschlossenen Spannungsquelle VIN zur ausgangsseitig angeschlossenen Last transferiert. Der Tiefsetzer umfasst zwei Energiespeicher, nämlich die Spule L und den Kondensator C, welche die Versorgung der Last in den Phasen ermöglichen, in denen der Schalter geöffnet ist. Die Induktivität der Spule L hält die höhere Eingangsspannung von der Last fern. Die Ausgangsgröße kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters S eingestellt werden. Diese Steuerung erfolgt üblicherweise durch einen Regler, um Ausgangsspannung oder - strom auf einem gewünschten Wert zu halten.The switch S (usually a transistor) is regularly switched on and off by a controller; A few hundred to several million switching cycles are usually carried out per second. This causes electrical energy from the voltage source connected on the input side V IN transferred to the load connected on the output side. The step-down converter comprises two energy stores, namely the coil L and the capacitor C. which enable the load to be supplied in the phases in which the switch is open. The inductance of the coil L keeps the higher input voltage away from the load. The output variable can be set by controlling the switch S on and off times. This control is usually done by a regulator to keep the output voltage or current at a desired value.

Während der Einschaltzeit fließt der Laststrom durch die Spule und durch den Verbraucher; die Diode D sperrt. Während der Ausschaltphase wird die in der Spule gespeicherte Energie abgebaut: Der Strom durch den Verbraucher fließt weiter, nun jedoch durch die Diode D und aus dem Kondensator C.During the switch-on time, the load current flows through the coil and through the consumer; the diode D locks. During the switch-off phase, the energy stored in the coil is dissipated: the current through the consumer continues to flow, but now through the diode D and out of the capacitor C. .

Die Spule L und der Kondensator C bilden einen Tiefpass zweiter Ordnung. Effektiv wird die Abwärtswandlung dadurch erreicht, dass aus der Rechteckspannung der Gleichanteil herausgefiltert wird. Wie hoch dieser übrigbleibende Gleichanteil ist, kann durch das Tastverhältnis eingestellt werden.The coil L and the capacitor C. form a second order low pass. The downconversion is effectively achieved by filtering out the DC component from the square-wave voltage. The duty cycle can be used to set how high this remaining DC component is.

4 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 400 mit herabgesetzten Isolationsanforderungen gemäß einer Ausführungsform. 4th shows a schematic diagram of a switching power supply 400 with reduced insulation requirements according to one embodiment.

Das Schaltnetzteil 400 umfasst einen von einer Eingangsspannung VIN gespeisten Eingangsschaltkreis 401; einen mit dem Eingangsschaltkreis 401 gekoppelten Ausgangsschaltkreis 402 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung VOUT ; und ein galvanisches Trennelement 103 zwischen dem Eingangsschaltkreis 401 und dem Ausgangsschaltkreis 402, welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VOUT einzuhalten. Der Eingangsschaltkreis 401 umfasst zwei gekoppelte Tiefsetzerstufen 403, von denen eine erste Tiefsetzerstufe 404 in der positiven Eingangsspannung +VIN und eine zweite Tiefsetzerstufe 405 in der negativen Eingangsspannung -VIN dem galvanischen Trennelement 103 vorgeschaltet sind.The switching power supply 400 includes one from an input voltage V IN fed input circuit 401 ; one with the input circuit 401 coupled output circuit 402 to provide an output voltage V OUT ; and a galvanic isolator 103 between the input circuit 401 and the output circuit 402 , which is designed to meet a specified safety requirement with regard to insulation between the input voltage V IN and the output voltage V OUT to adhere to. The input circuit 401 comprises two coupled step-down stages 403 , of which a first step down 404 in the positive input voltage + V IN and a second step-down 405 in the negative input voltage -V IN in the galvanic isolating element 103 are upstream.

Die beiden Tiefsetzerstufen 403 bewirken einen Spannungsabfall der Eingangsspannung VIN und setzen damit eine Isolationsspannung VIS1 , VIS2 , VIS3 über dem galvanischen Trennelement 103 herab.The two step-down levels 403 cause a voltage drop in the input voltage V IN and thus set an insulation voltage V IS1 , V IS2 , V IS3 over the galvanic isolator 103 down.

Das galvanische Trennelement 103 umfasst einen Transformator Tr1, der einen Leistungspfad 406 des Eingangsschaltkreises 401 von dem Ausgangsschaltkreis 402 des Schaltnetzteils 400 entkoppelt. Über dem Transformator Tr1 fallen die Isolationsspannungen VIS1 und VIS2 zwischen Eingangsschaltkreis 401 und Ausgangsschaltkreis 402 ab. Das galvanische Trennelement 103 umfasst ferner einen Optokoppler OC1, der eine Regelung 407 des Eingangsschaltkreises 401 von dem Ausgangsschaltkreis 402 des Schaltnetzteils 400 entkoppelt. Über dem Optokoppler OC1 fällt die Isolationsspannung VIS3 zwischen Eingangsschaltkreis 401 und Ausgangsschaltkreis 402 ab.The galvanic isolator 103 includes a transformer Tr1 who have a performance path 406 of the input circuit 401 from the output circuit 402 of the switching power supply 400 decoupled. Above the transformer Tr1 the insulation voltages drop V IS1 and V IS2 between input circuit 401 and output circuit 402 from. The galvanic isolator 103 further includes an optocoupler OC1 which is a scheme 407 of the input circuit 401 from the output circuit 402 of the switching power supply 400 decoupled. Above the optocoupler OC1 the insulation voltage drops V IS3 between input circuit 401 and output circuit 402 from.

Über den beiden Tiefsetzerstufen 404, 405 ergibt sich ein jeweiliger Spannungsabfall von V11 und V12 , wodurch sich die Isolationsspannung über der Trennstrecke VIS1 unabhängig von der Erdung herabsetzt. Vorteilhaft ist es, die Spulen der beiden Tiefsetzerschaltungen 404, 405 zu kombinieren bzw. zu koppeln und auf einen Ferritkern zu wickeln, wodurch sich beide Tiefsetzerstufen 404, 405 automatisch symmetrieren und Toleranzen zwischen den Spulen keine Rolle spielen. Hierzu ist eine gleichzeitige Ansteuerung der Leistungsschalter der beiden Tiefsetzer 404, 405 notwendig.Above the two step-down levels 404 , 405 there is a respective voltage drop of V 11 and V 12 , causing the insulation voltage across the isolating path V IS1 regardless of grounding. It is advantageous to use the coils of the two step-down circuits 404 , 405 to combine or couple and wind on a ferrite core, whereby both step-down steps 404 , 405 automatically symmetrize and tolerances between the coils play no role. For this purpose, the circuit breakers of the two step-down converters are controlled simultaneously 404 , 405 necessary.

Ein Bezugspotential der Regelung 407 des Eingangsschaltkreises 401 ist mit einem Mittelabgriff 409 zwischen den beiden Tiefsetzerstufen 404, 405 verbunden. Damit ergibt sich eine Halbierung der Isolationsspannung VIS3 über dem Optokoppler OC1 auf etwa die halbe Eingangsspannung VIN/2.A reference potential of the regulation 407 of the input circuit 401 is with a center tap 409 between the two step-down levels 404 , 405 connected. This results in a halving of the insulation voltage V IS3 over the optocoupler OC1 to about half the input voltage V IN / 2.

5 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 500 mit geringerer Spannungsbelastung am Optokoppler durch Veränderung des Bezugspotentials der primärseitigen Ansteuerung gemäß einer Ausführungsform. In dem Schaltnetzteil 500 sind die beiden Tiefsetzerstufen nicht dargestellt, es dient lediglich der vereinfachten Darstellung des Prinzips der Veränderung des Bezugspotentials der primärseitigen Ansteuerung. 5 shows a schematic diagram of a switching power supply 500 with a lower voltage load on the optocoupler by changing the reference potential of the primary-side control according to one embodiment. In the switching power supply 500 the two step-down stages are not shown, it merely serves to simplify the principle of changing the reference potential of the primary-side control.

Die Regelung des Eingangsschaltkreises 501 wird anstatt mit dem negativen Eingangsspannungspotential -VIN mit dem Mittelpunkt 509 zwischen beiden Tiefsetzerstufen verbunden, welche dem Mittelabgriff der zwei Eingangskondensatoren C11 und C12 entspricht, wodurch die Eingangsspannung VIN halbiert wird auf VIN / 2 und die Isolationsspannung VIS3 unabhängig von der Erdung auf etwa die Hälfte herabgesetzt wird.The regulation of the input circuit 501 becomes the center instead of the negative input voltage potential -V IN 509 connected between the two step-down stages, which is the center tap of the two input capacitors C11 and C12 corresponds to what the input voltage V IN is cut in half V IN / 2 and the insulation voltage V IS3 is reduced to about half regardless of grounding.

6 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils 600 mit gekoppelten Tiefsetzerstufen gemäß einer Ausführungsform. 6 shows a schematic diagram of a switching power supply 600 with coupled step-down stages according to one embodiment.

Das Schaltnetzteil 600 umfasst einen von einer Eingangsspannung VIN gespeisten Eingangsschaltkreis 601; einen mit dem Eingangsschaltkreis 601 gekoppelten Ausgangsschaltkreis 602 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung VOUT ; und ein galvanisches Trennelement 103 zwischen dem Eingangsschaltkreis 601 und dem Ausgangsschaltkreis 602, welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VOUT einzuhalten. Das galvanische Trennelement 103 entspricht dem zu 4 beschriebenen galvanischen Trennelement 103. Der Eingangsschaltkreis 601 umfasst zwei gekoppelte Tiefsetzerstufen 603, von denen eine erste Tiefsetzerstufe in der positiven Eingangsspannung +VIN und eine zweite Tiefsetzerstufe in der negativen Eingangsspannung -VIN dem galvanischen Trennelement 103 vorgeschaltet sind.The switching power supply 600 includes one from an input voltage V IN fed input circuit 601 ; one with the input circuit 601 coupled output circuit 602 to provide an output voltage V OUT ; and a galvanic isolator 103 between the input circuit 601 and the output circuit 602 , which is designed to meet a specified safety requirement with regard to insulation between the input voltage V IN and the output voltage V OUT to adhere to. The galvanic isolator 103 corresponds to that 4th described galvanic isolating element 103 . The input circuit 601 comprises two coupled step-down stages 603 , of which a first step-down converter in the positive input voltage + V IN and a second step-down converter in the negative input voltage -V IN in the galvanic isolating element 103 are upstream.

Die beiden Tiefsetzerstufen bewirken einen Spannungsabfall der Eingangsspannung VIN und setzen damit eine Isolationsspannung VIS1 , VIS2 , VIS3 über dem galvanischen Trennelement 103 herab.The two step-down stages result in a voltage drop in the input voltage V IN and thus set an insulation voltage V IS1 , V IS2 , V IS3 over the galvanic isolator 103 down.

Die beiden Tiefsetzerstufen 603 umfassen jeweils eine Spule L11, welche auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Die beiden Tiefsetzerstufen 603 umfassen jeweils einen Leistungsschalter S11, S12, eine Freilaufdiode D11, D12 und die über den gemeinsamen Kern gekoppelten Spulen L11. Die beiden Tiefsetzerstufen 603 sind über ein Ansteuersignal 604 gemeinsam ansteuerbar. Der Eingangsschaltkreis 601 umfasst einen Impulsübertrager Tr11 oder alternative eine Treiberschaltung (nicht dargestellt), welche ausgebildet sind, das Ansteuersignal 604 der beiden Tiefsetzerstufen 603 an ein Bezugspotential der beiden Leistungsschalter S11, S12 anzupassen.The two step-down levels 603 each include a coil L11 which are wound on a common core. The two step-down levels 603 each include a circuit breaker S11 , S12 , a free-wheeling diode D11 , D12 and the coils coupled over the common core L11 . The two step-down levels 603 are via a control signal 604 controllable together. The input circuit 601 includes a pulse transmitter Tr11 or alternatively a driver circuit (not shown), which are designed, the drive signal 604 of the two step-down levels 603 to a reference potential of the two circuit breakers S11 , S12 adapt.

Der Eingangsschaltkreis 601 umfasst eine Ansteuerschaltung 201, welche ausgebildet ist, das Ansteuersignal 604 zu erzeugen. Ein Bezugspotential 605 der Ansteuerschaltung 201 ist mit einem Mittelabgriff 606 zwischen den beiden Tiefsetzerstufen 603 verbunden. Die beiden Tiefsetzerstufen 603 sind eingangsseitig über zwei in Reihe geschaltete Eingangskondensatoren C11, C12 miteinander gekoppelt, deren Mittelabgriff 606 den Mittelabgriff 606 zwischen den beiden Tiefsetzerstufen 603 bildet. Die beiden Eingangskondensatoren C11, C12 sind zwischen der positiven Eingangsspannung +VIN und der negativen Eingangsspannung -VIN in Reihe geschaltet. Die beiden Tiefsetzerstufen 603 sind ferner ausgangsseitig über einen einzelnen Ausgangskondensator C13 miteinander gekoppelt.The input circuit 601 comprises a control circuit 201 , which is designed, the control signal 604 to create. A reference potential 605 the control circuit 201 is with a center tap 606 between the two step-down levels 603 connected. The two step-down levels 603 are on the input side via two input capacitors connected in series C11 , C12 coupled together, the center tap 606 the center tap 606 between the two step-down levels 603 forms. The two input capacitors C11 , C12 are connected in series between the positive input voltage + V IN and the negative input voltage -V IN . The two step-down levels 603 are also on the output side via a single output capacitor C13 coupled with each other.

Der Transformator Tr1 des galvanischen Trennelements 103 ist über einen Leistungsschalter S3 durch die Ansteuerschaltung 201 ansteuerbar. The transformer Tr1 of the galvanic isolating element 103 is via a circuit breaker S3 through the control circuit 201 controllable.

Der Eingangsschaltkreis 601 umfasst einen zwischen die Ansteuerschaltung 201 und den Leistungsschalter S3 geschalteten Transformator Tr2 oder eine nicht gezeigte Treiberstufe, welcher die Ansteuerschaltung 201 an das Bezugspotential des Leistungsschalter S3 anpasst.The input circuit 601 includes one between the control circuit 201 and the circuit breaker S3 switched transformer Tr2 or a driver stage, not shown, which is the control circuit 201 to the reference potential of the circuit breaker S3 adjusts.

Das galvanische Trennelement 103 umfasst ferner ein Rückkopplungselement OC1 zur Regelung des Eingangsschaltkreises 601, welches als Optokoppler OC1 (wie in 6 dargestellt) oder als magnetischer Koppler (nicht in 6 gezeigt) realisiert sein kann. Das Rückkopplungselement ist durch die sekundärseitige Regelung 202 ansteuerbar.The galvanic isolator 103 further comprises a feedback element OC1 to control the input circuit 601 , which is used as an optocoupler OC1 (as in 6 shown) or as a magnetic coupler (not in 6 shown) can be realized. The feedback element is due to the secondary regulation 202 controllable.

Das Schaltnetzteil 600 kann an der der positiven Eingangsspannung +VIN oder an der negativen Eingangsspannung -VIN geerdet sein.The switching power supply 600 can be grounded at the positive input voltage + V IN or at the negative input voltage -V IN .

6 zeigt damit eine Ausführungsform eines Schaltnetzteils 600, dem zwei gekoppelte Tiefsetzerstufen 603 vorgeschaltet sind. Die Tiefsetzerstufen 603 bestehen jeweils aus dem in beliebiger Technologie gefertigten beliebig ein- und ausschaltbaren Leistungsschalter S11 bzw. S12, der Freilaufdiode D11 bzw. D12, die auch ein beliebig ein- und ausschaltbarer Leistungsschalter sein kann, und der gekoppelten Spule L11. Hierbei werden die ausgangsseitigen Spulen der Tiefsetzer 603 auf einen Kern gewickelt. Ebenso erfolgt die Ansteuerung 201 der Tiefsetzerstufen 603 mit einem Signal. Das Ansteuersignal 604 kann über einen Impulsübertrager Tr11 an das Bezugspotential der beiden Leistungsschalter S11 bzw. S12 angepasst werden. Ebenfalls ist eine Anpassung über eine Treiberschaltung (nicht in 6 gezeigt) möglich. 6 shows an embodiment of a switching power supply 600 , which has two coupled step-down stages 603 are upstream. The step-down levels 603 consist of circuit breakers that can be switched on and off using any technology S11 respectively. S12 , the freewheeling diode D11 respectively. D12 , which can also be any circuit breaker that can be switched on and off, and the coupled coil L11 . Here, the output coils of the buck converter 603 wrapped on a core. Control is also carried out 201 of the step-down levels 603 with a signal. The control signal 604 can be via a pulse transformer Tr11 to the reference potential of the two circuit breakers S11 respectively. S12 be adjusted. An adjustment via a driver circuit (not in 6 shown) possible.

Durch die gemeinsame Spule und Ansteuerung wird erreicht, dass der Spannungsabfall V11 und V12 über beiden Tiefsetzerstufen 603 gleich ist und die Isolationsanforderungen VIS1 und VIS2 über dem Trafo Tr1 je nach eingangsseitiger Erdung immer um den Spannungsabfall V11 oder V12 herabgesetzt werden. Dadurch verringert sich auch für das nachfolgende Schaltnetzteil die Spannungsbelastung insbesondere der Leistungshalbleiter.The common coil and control ensures that the voltage drop V11 and V12 above both step-down levels 603 is the same and the insulation requirements V IS1 and V IS2 above the transformer Tr1 depending on the grounding on the input side, always around the voltage drop V11 or V12 be reduced. This also reduces the voltage load, in particular of the power semiconductors, for the subsequent switched-mode power supply.

Bei eingangsseitiger Erdung an +VIN ergibt sich bei üblichem Bezug der primärseitigen Ansteuerung 201 bzw. Regelung an -VIN die Isolationsspannung VIS3 über der Rückkopplung bzw. Optokoppler OC1 in Höhe der maximalen Eingangsspannung VIN . Durch Änderung des Bezugs der primärseitigen Ansteuerung 201 auf den Mittelabgriff 606, VIN / 2 zwischen beiden Tiefsetzern 603 halbiert sich bei Erdung an +VIN die Isolationsspannung VIS3 auf VIN / 2.With grounding at + V IN on the input side, the primary side control is obtained with normal reference 201 or control at -V IN the insulation voltage V IS3 over the feedback or optocoupler OC1 at the maximum input voltage V IN . By changing the reference of the primary control 201 on the center tap 606 , V IN / 2 between the two bucks 603 The insulation voltage is halved when grounded at + V IN V IS3 on V IN / 2nd

Der Optokoppler OC1 kann sowohl als eigentlicher Optokoppler als auch magnetischer Koppler realisiert werden.The optocoupler OC1 can be implemented as an actual optocoupler as well as a magnetic coupler.

Bei dem Schaltnetzteil 600 der 6 wird nur ein Ansteuersignal 604 für beide Tiefsetzerschaltungen 603 benötigt, das z.B. über einen Impulsübertrager Tr11 mit zwei Ausgangswicklungen an die Leistungsschalter S11 und S12 abgegeben werden kann.With the switching power supply 600 the 6 only a control signal 604 for both step-down circuits 603 needed, for example via a pulse transformer Tr11 with two output windings to the circuit breakers S11 and S12 can be delivered.

Ein Vorteil des Schaltnetzteils 600 ist die Herabsetzung der nachfolgenden Isolationsspannungen über dem galvanischen Trennelement 103.An advantage of the switching power supply 600 is the reduction of the subsequent insulation voltages across the galvanic isolating element 103 .

Der Mittelpunkt 606, VIN / 2 der beiden Tiefsetzerschaltungen bzw. Tiefsetzerstufen 603 kann zur Herabsetzung der Isolationsspannung insbesondere für die Regelung und den Rückkopplungsoptokoppler OC1 verwendet werden.The middle-point 606 , VIN / 2 of the two step-down circuits or step-down steps 603 can be used to reduce the insulation voltage especially for the control and the feedback optocoupler OC1 be used.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass anstatt zwei Kondensatoren nur ein ausgangsseitiger Kondensator C13 verwendet wird.Another advantage is that instead of two capacitors, only one output-side capacitor C13 is used.

Ebenso ergibt sich bei real etwas unterschiedlichen Schaltzeiten der Halbleiterschalter eine größere Toleranz. Wird z.B. der Schalter S11 zuerst eingeschaltet, fließt der Strom durch beide Spulen von L11, C13 oder Tr1, D12 und C12 zum Netzanschluss. Aufgrund der doppelten Windungszahl N ergibt sich eine quadratisch größere Induktivität, da L = N2 * AL. Bei gleichen Kondensatoren vervierfacht sich damit die Zeitkonstante t = L * C.Likewise, with real slightly different switching times of the semiconductor switches, there is a greater tolerance. For example, the switch S11 first turned on, the current flows through both coils of L11 , C13 or Tr1 , D12 and C12 for mains connection. Due to the double number of turns N, there is a quadratic larger inductance, since L = N 2 * A L. With the same capacitors, the time constant t = L * quadruples C. .

Die vorgestellte Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz bei einem Schaltnetzteil mit hoher Eingangsspannung von z.B. 1500VDC bei unbekannter Erdung und damit sehr hohen Isolationsanforderungen.The presented invention is particularly suitable for use in a switching power supply with a high input voltage of e.g. 1500VDC with unknown grounding and therefore very high insulation requirements.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 700 zum Herabsetzen der Isolationsanforderungen an ein Schaltnetzteil gemäß einer Ausführungsform. 7 shows a schematic representation of a method 700 to reduce the isolation requirements for a switching power supply according to an embodiment.

Das Schaltnetzteil kann ein Schaltnetzteil 400, 500, 600 sein, wie oben zu den 4 bis 6 beschrieben. Insbesondere umfasst das Schaltnetzteil einen von einer Eingangsspannung VIN gespeisten Eingangsschaltkreis 401; einen mit dem Eingangsschaltkreis 401 gekoppelten Ausgangsschaltkreis 402 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung VOUT ; und ein galvanisches Trennelement 103 zwischen dem Eingangsschaltkreis 401 und dem Ausgangsschaltkreis 402, welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VOUT einzuhalten.The switching power supply can be a switching power supply 400 , 500 , 600 be like the above 4th to 6 described. In particular, the switching power supply comprises one of an input voltage V IN fed input circuit 401 ; one with the input circuit 401 coupled output circuit 402 to provide an output voltage V OUT ; and a galvanic isolator 103 between the input circuit 401 and the output circuit 402 , which is designed to meet a specified safety requirement with regard to insulation between the input voltage V IN and the output voltage V OUT to adhere to.

Das Verfahren 700 umfasst die folgenden Schritte: Schalten 701 zweier gekoppelter Tiefsetzerstufen 403 in den Eingangsschaltkreis 401 des Schaltnetzteils 400, 500, 600, von denen eine erste Tiefsetzerstufe 404 in der positiven Eingangsspannung +VIN und eine zweite Tiefsetzerstufe 405 in der negativen Eingangsspannung -VIN dem galvanischen Trennelement 103 vorgeschaltet wird.The procedure 700 includes the following steps: Switch 701 two coupled step-down stages 403 into the input circuit 401 of the switching power supply 400 , 500 , 600 , of which a first step down 404 in the positive input voltage + V IN and a second step-down 405 in the negative input voltage -V IN in the galvanic isolating element 103 is connected upstream.

Claims (15)

Schaltnetzteil (400, 500, 600), mit: einem von einer Eingangsspannung (VIN) gespeisten Eingangsschaltkreis (401); einem mit dem Eingangsschaltkreis gekoppelten Ausgangsschaltkreis (402) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung (VOUT); und einem galvanischen Trennelement (103) zwischen dem Eingangsschaltkreis (401) und dem Ausgangsschaltkreis (402), welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung (VIN) und der Ausgangsspannung (VOUT) einzuhalten, wobei der Eingangsschaltkreis (401) zwei gekoppelte Tiefsetzerstufen (403) umfasst, von denen eine erste Tiefsetzerstufe (404) in der positiven Eingangsspannung (+VIN) und eine zweite Tiefsetzerstufe (405) in der negativen Eingangsspannung (-VIN), die dem galvanischen Trennelement (103) vorgeschaltet sind.Switched-mode power supply (400, 500, 600), comprising: an input circuit (401) fed by an input voltage (V IN ); an output circuit (402) coupled to the input circuit for providing an output voltage (V OUT ); and a galvanic isolating element (103) between the input circuit (401) and the output circuit (402), which is designed to comply with a predetermined safety requirement with regard to insulation between the input voltage (V IN ) and the output voltage (V OUT ), the input circuit ( 401) comprises two coupled step-down steps (403), of which a first step-down step (404) in the positive input voltage (+ V IN ) and a second step-down step (405) in the negative input voltage (-V IN ), which are connected to the galvanic isolating element (103 ) are connected upstream. Schaltnetzteil (400, 500, 600) nach Anspruch 1, wobei die beiden Tiefsetzerstufen (403) ausgebildet sind, einen Spannungsabfall der Eingangsspannung (VIN) zu bewirken und damit eine Isolationsspannung (VIS1, VIS2, VIS3) über dem galvanischen Trennelement (103) herabzusetzen.Switching power supply (400, 500, 600) after Claim 1 , wherein the two step-down stages (403) are designed to cause a voltage drop in the input voltage (V IN ) and thus to reduce an insulation voltage (V IS1 , V IS2 , V IS3 ) across the galvanic isolating element (103). Schaltnetzteil (600) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Tiefsetzerstufen (603) jeweils eine Spule (L11) umfassen, welche auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind.Switching power supply (600) after Claim 1 or 2nd , wherein the two step-down stages (603) each comprise a coil (L11) which are wound on a common core. Schaltnetzteil (600) nach Anspruch 3, wobei die beiden Tiefsetzerstufen (603) jeweils einen Leistungsschalter (S11, S12), eine Freilaufdiode (D11, D12) und die über den gemeinsamen Kern gekoppelten Spulen (L11) umfassen.Switching power supply (600) after Claim 3 , wherein the two step-down stages (603) each comprise a circuit breaker (S11, S12), a freewheeling diode (D11, D12) and the coils (L11) coupled via the common core. Schaltnetzteil (600) nach Anspruch 4, wobei die beiden Tiefsetzerstufen (603) über ein Ansteuersignal (604) gemeinsam ansteuerbar sind.Switching power supply (600) after Claim 4 , wherein the two step-down stages (603) can be controlled jointly via a control signal (604). Schaltnetzteil (600) nach Anspruch 5, wobei der Eingangsschaltkreis (601) einen Impulsübertrager (Tr11) oder eine Treiberschaltung umfasst, welche ausgebildet sind, das Ansteuersignal (604) der beiden Tiefsetzerstufen (603) an ein Bezugspotential der beiden Leistungsschalter (S11, S12) anzupassen.Switching power supply (600) after Claim 5 , The input circuit (601) comprises a pulse transformer (Tr11) or a driver circuit, which are designed to adapt the drive signal (604) of the two step-down stages (603) to a reference potential of the two power switches (S11, S12). Schaltnetzteil (600) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Eingangsschaltkreis (601) eine Ansteuerschaltung (201) umfasst, welche ausgebildet ist, das Ansteuersignal (604) zu erzeugen, wobei ein Bezugspotential (605) der Ansteuerschaltung (201) mit einem Mittelabgriff (606) zwischen den beiden Tiefsetzerstufen (603) verbunden ist.Switching power supply (600) after Claim 5 or 6 , wherein the input circuit (601) comprises a control circuit (201), which is designed to generate the control signal (604), wherein a reference potential (605) of the control circuit (201) with a center tap (606) between the two step-down stages (603) connected is. Schaltnetzteil (600) nach Anspruch 7, wobei die beiden Tiefsetzerstufen (603) eingangsseitig über zwei in Reihe geschaltete Eingangskondensatoren (C11, C12) miteinander gekoppelt sind, deren Mittelabgriff (606) den Mittelabgriff (606) zwischen den beiden Tiefsetzerstufen (603) bildet.Switching power supply (600) after Claim 7 The two step-down stages (603) are coupled to one another on the input side via two series-connected input capacitors (C11, C12), the center tap (606) of which forms the center tap (606) between the two step-down stages (603). Schaltnetzteil (600) nach Anspruch 8, wobei die beiden Eingangskondensatoren (C11, C12) zwischen der positiven Eingangsspannung (+VIN) und der negativen Eingangsspannung (-VIN) in Reihe geschaltet sind.Switching power supply (600) after Claim 8 , wherein the two input capacitors (C11, C12) are connected in series between the positive input voltage (+ V IN ) and the negative input voltage (-V IN ). Schaltnetzteil (600) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die beiden Tiefsetzerstufen (603) ausgangsseitig über einen einzelnen Ausgangskondensator (C13) miteinander gekoppelt sind.Switching power supply (600) according to one of the Claims 7 to 9 , The two step-down stages (603) on the output side being coupled to one another via a single output capacitor (C13). Schaltnetzteil (600) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das galvanische Trennelement (103) einen Transformator (Tr1) umfasst, der über einen Leistungsschalter (S3) durch die Ansteuerschaltung (201) ansteuerbar ist.Switching power supply (600) according to one of the Claims 7 to 10th The galvanic isolating element (103) comprises a transformer (Tr1) which can be controlled by the control circuit (201) via a circuit breaker (S3). Schaltnetzteil (600) nach Anspruch 11, wobei der Eingangsschaltkreis (601) einen zwischen die Ansteuerschaltung (201) und den Leistungsschalter (S3) geschalteten Transformator (Tr2) umfasst, welcher die Ansteuerschaltung (201) von dem Leistungsschalter (S3) galvanisch trennt.Switching power supply (600) after Claim 11 The input circuit (601) comprises a transformer (Tr2) connected between the control circuit (201) and the power switch (S3), which galvanically isolates the control circuit (201) from the power switch (S3). Schaltnetzteil (600) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das galvanische Trennelement (103) ein Rückkopplungselement (OC1) zur Regelung des Eingangsschaltkreises (601) umfasst, insbesondere einen Optokoppler (OC1) oder einen magnetischen Koppler, welches durch eine sekundärseitige Regelung (202) ansteuerbar ist.Switching power supply (600) according to one of the Claims 7 to 12 , wherein the galvanic isolating element (103) comprises a feedback element (OC1) for regulating the input circuit (601), in particular an optocoupler (OC1) or a magnetic coupler, which can be controlled by a secondary regulation (202). Schaltnetzteil (400, 500, 600) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches an der positiven Eingangsspannung (+VIN) oder an der negativen Eingangsspannung (-VIN) geerdet ist.Switched-mode power supply (400, 500, 600) according to one of the preceding claims, which is grounded at the positive input voltage (+ V IN ) or at the negative input voltage (-V IN ). Verfahren (700) zum Herabsetzen der Isolationsanforderung an ein Schaltnetzteil (400, 500, 600) mit einem von einer Eingangsspannung (VIN) gespeisten Eingangsschaltkreis (401); einem mit dem Eingangsschaltkreis (401) gekoppelten Ausgangsschaltkreis (402) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung (VOUT); und einem galvanischen Trennelement (103) zwischen dem Eingangsschaltkreis (401) und dem Ausgangsschaltkreis (402), welches ausgebildet ist, eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen der Eingangsspannung (VIN) und der Ausgangsspannung (VOUT) einzuhalten, mit den folgenden Schritten: Schalten (701) zweier gekoppelter Tiefsetzerstufen (403) in den Eingangsschaltkreis (401) des Schaltnetzteils (400, 500, 600), von denen eine erste Tiefsetzerstufe (404) in der positiven Eingangsspannung (+VIN) und eine zweite Tiefsetzerstufe (405) in der negativen Eingangsspannung (-VIN) dem galvanischen Trennelement (103) vorgeschaltet wird.Method (700) for reducing the isolation requirement for a switching power supply (400, 500, 600) with an input circuit (401) fed by an input voltage (V IN ); an output circuit (402) coupled to the input circuit (401) for providing an output voltage (V OUT ); and a galvanic isolating element (103) between the input circuit (401) and the output circuit (402), which is designed to meet a specified safety requirement with regard to insulation between the input voltage (V IN ) and the output voltage (V OUT ), with the following steps: switching (701) two coupled step-down stages (403) into the Input circuit (401) of the switching power supply (400, 500, 600), of which a first step-down stage (404) in the positive input voltage (+ V IN ) and a second step-down stage (405) in the negative input voltage (-V IN ) the galvanic isolating element (103) is connected upstream.
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