LU101871B1

LU101871B1 - Power supply with two power stages on the primary side

Info

Publication number: LU101871B1
Application number: LU101871A
Authority: LU
Inventors: Alexander Moser; Thomas Sprink
Original assignee: Phoenix Contact Gmbh & Co
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-12-20

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Stromversorgung, die eine erste Eingangsklemme (1) mit einem ersten Spannungspotential, eine zweite Eingangsklemme (2) mit einem zweiten Spannungspotential, einen Transformator mit mindestens einer ersten und einer zweiten primärseitigen Wicklung (111, 112), mindestens einer sekundärseitigen Wicklung (113) und mit einer galvanischen Trennung (100) aufweist, sowie eine erste primärseitige Leistungsstufe (101), eine zweite primärseitige Leistungsstufe (102), einen sekundärseitigen Ausgangskreis (103), eine primärseitige Kontrollschaltung (120) zum Steuern der beiden Leistungsstufen (101,102), und ein Koppelelement (114) zur Übertragung eines Regelsignals (VR) von dem Ausgangskreis (103) zur Kontrollschaltung (120). Die beiden Leistungsstufen (101,102) sind hierbei in Serie geschaltet sind in Bezug auf die beiden Eingangsklemmen (1, 2), und die Kontrollschaltung (120) weist während des Betriebs der Stromversorgung ein Bezugspotential (123) auf, das zwischen den beiden Spannungspotentialen der Eingangsklemmen (1, 2) liegt.The invention relates to a power supply which has a first input terminal (1) with a first voltage potential, a second input terminal (2) with a second voltage potential, a transformer with at least one first and one second primary-side winding (111, 112), at least one secondary-side winding Winding (113) and having a galvanic isolation (100), and a first primary-side power stage (101), a second primary-side power stage (102), a secondary-side output circuit (103), a primary-side control circuit (120) for controlling the two power stages ( 101,102), and a coupling element (114) for the transmission of a control signal (VR) from the output circuit (103) to the control circuit (120). The two power stages (101,102) are connected in series with respect to the two input terminals (1, 2), and the control circuit (120) has a reference potential (123) during operation of the power supply, which is between the two voltage potentials of the input terminals (1, 2) lies.

Description

1 lu101871 | Stromversorgung mit zwei primärseitigen Leistungsstufen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers, wobei die Stromversorgung zwei Leistungsstufen und eine galvanische Trennung aufweist. Durch den internen Aufbau der Stromversorgung wird eine Reduzierung der Isolationsanforderungen an Komponenten erreicht. Stromversorgungen haben die Aufgabe, eine Spannung oder einen Strom an einen jeweiligen Verbraucher anzupassen. Je nach speisender Quelle ist dabei die Eingangsspannung im berührgefährlichen Bereich oberhalb einer gewissen Spannungsgrenze. So wird ein industrieller Schaltschrank üblicherweise von einer berührgefährlichen Spannung von 120 VAC oder 230 VAC oder von Niederspannungen bis 1000 VAC / 1500 VDC gespeist. Hierfür sind Anforderungen an die elektrische Sicherheit von Materialien und Isolationsabstände einzuhalten, außerdem muss ein Berührschutz gewährleistet werden. Die Verbraucher in dem Schaltschrank, wie beispielsweise 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.1lu101871 | Power supply with two power stages on the primary side The present invention relates to a power supply for supplying an electrical load, the power supply having two power stages and a galvanic isolation. The internal structure of the power supply reduces the insulation requirements for components. Power supplies have the task of adapting a voltage or current to a respective consumer. Depending on the feeding source, the input voltage is in the hazardous area above a certain voltage limit. An industrial control cabinet is usually supplied with a voltage of 120 VAC or 230 VAC that is dangerous to touch or with low voltages of up to 1000 VAC / 1500 VDC. For this purpose, requirements for the electrical safety of materials and insulation distances must be observed, and protection against accidental contact must also be guaranteed. The consumers in the control cabinet, such as a controller (PLC) or sensors or actuators, are powered by a touchable safety extra-low voltage (SELV = safety extra low voltage), so that they do not have any special requirements for electrical safety in the consumer or its connections have to implement.

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

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 einer Normenreihe IEC60664: „Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen“ definiert. Entsprechend einem Verbraucher und seiner Anwendung sind jeweilige Produktnormen wie IEC 61010: „Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- undFor this purpose, normative requirements for minimum air and creepage distances (LuK) for the separation between the input voltage that is dangerous to touch and the output voltage that can be touched are made within a power supply according to the respective application. Basic requirements for air and creepage distances are defined, for example, in a series of standards IEC60664: "Insulation coordination for electrical equipment in low-voltage systems". According to a consumer and its application, respective product standards such as IEC 61010: "Safety regulations for electrical measuring, control, regulating and

2 1u101871 Laborgeräte“ oder IEC 62109: „Sicherheit von Wechselrichtern zur Anwendung in | photovoltaischen Energiesystemen“ maßgeblich. Eine Stromversorgung dieser Art mit einer galvanischen Trennung 33 ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt. Die Stromversorgung weist einen Eingangskreis 20 auf, der eingangsseitig mit zwei Eingangsklemmen 1, 2 verbunden ist, einen Ausgangskreis 21, der ausgangsseitig mit zwei Ausgangsklemmen10, 11 verbunden ist, sowie einen Transformator 30. Der Transformator 30 enthält eine Primarwicklung 31, die mit dem Eingangskreis 20 verbunden ist, eine Sekundärwicklung 32, die mit dem Ausgangskreis 21 verbunden ist, und eine galvanische Trennung 33 zwischen den gekoppelten Wicklungen Primärwicklung 31 und Sekundärwicklung 32. Der Transformator 30 kann weitere Wicklungen enthalten, welche ebenfalls mit der Primärwicklung 31 und der Sekundärwicklung 32 gekoppelt sind.2 1u101871 laboratory devices" or IEC 62109: "Safety of inverters for use in | photovoltaic energy systems”. A power supply of this type with a galvanic isolation 33 is shown schematically in FIG. The power supply has an input circuit 20, which is connected to two input terminals 1, 2 on the input side, an output circuit 21, which is connected to two output terminals 10, 11 on the output side, and a transformer 30. The transformer 30 contains a primary winding 31 which is connected to the input circuit 20, a secondary winding 32 which is connected to the output circuit 21, and a galvanic isolation 33 between the coupled windings primary winding 31 and secondary winding 32. The transformer 30 can contain further windings which are also coupled to the primary winding 31 and the secondary winding 32 are.

An den Eingangsklemmen 1, 2 liegt eine Eingangsspannung Vin an, die während des Betriebs der Stromversorgung in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung Vout gewandelt wird. Die Eingangsspannung Vin kann eine gleichgerichtete Spannung sein oder eine Wechselspannung, welche innerhalb des Eingangskreises 20 gleichgerichtet und in einem Glättungskondensator gespeichert wird. Für eine Regelung der Ausgangsspannung Vour weist die Stromversorgung ein Koppelelement 40 auf, über das während des Betriebs der Stromversorgung ein Regelsignal von dem Ausgangskreis 21 zum Eingangskreis 20 übertragen wird. Die Stromversorgung ist vorzugsweise ein Schaltnetzteil, beispielsweise ein Sperrwandler. Bei Schaltnetzteilen entstehen während des Betriebs gefährliche Spannungsspitzen, die entsprechende Isolationsanforderungen an die galvanische Trennung 33 stellen. So tritt an dem Transformator 30 eine Isolationsspannung Vis: auf und an dem Koppelelement 40 eine Isolationsspannung Vısz auf.An input voltage Vin is present at the input terminals 1, 2 and is converted into a rectified output voltage Vout during operation of the power supply. The input voltage Vin may be a rectified voltage or an AC voltage which is rectified within the input circuit 20 and stored in a smoothing capacitor. To regulate the output voltage Vour, the power supply has a coupling element 40, via which a control signal is transmitted from the output circuit 21 to the input circuit 20 during operation of the power supply. The power supply is preferably a switching power supply, for example a flyback converter. In switched-mode power supplies, dangerous voltage peaks occur during operation, which place corresponding insulation requirements on the galvanic isolation 33 . Thus, an isolation voltage Vis: occurs at the transformer 30 and an isolation voltage Visz occurs at the coupling element 40 .

Wenn die Stromversorgung geerdet wird, treten weitere Isolationsspannungen auf: Eine Isolationsspannung Viss zwischen dem Eingangskreis 20 und Erde 50 und eine lIsolationsspannung Vis4s zwischen dem Ausgangskreis 21 und Erde 50.When the power supply is grounded, other isolation voltages appear: an isolation voltage Viss between the input circuit 20 and ground 50, and an isolation voltage Vis4s between the output circuit 21 and ground 50.

| 3 1u101871 Hierbei kann die positive Eingangsklemme 1 mit der Erde 50 verbunden werden oder die negative Eingangsklemme 2 oder keine der beiden Klemmen.| 3 1u101871 Here the positive input terminal 1 can be connected to earth 50 or the negative input terminal 2 or neither terminal.

Das Gleiche gilt für die Ausgangsseite.The same applies to the exit side.

Hier kann die positive Ausgangsklemme 10 mit der Erde 50 verbunden werden oder die negative Ausgangsklemme 11 oder keine der beiden Klemmen.Here the positive output terminal 10 can be connected to ground 50, or the negative output terminal 11, or neither terminal.

Somit ergeben sich neun theoretischeThis results in nine theoretical ones

Erdungsmöglichkeiten.grounding options.

In der Fig. 2 ist schematisch eine Stromversorgung dargestellt, die als ein Schaltnetzteil ausgestaltet ist.In FIG. 2, a power supply is shown schematically, which is designed as a switched-mode power supply.

Das Schaltnetzteil weist einen Transformator 60 mit einer Primärwicklung 61, einer Sekundärwicklung 62 und einer galvanischen Trennung 63 auf.The switched-mode power supply has a transformer 60 with a primary winding 61 , a secondary winding 62 and a galvanic isolation 63 .

Das Schaltnetzteil weist zudem einen Eingang und einen Ausgang auf, welche jeweils zwei Eingangsklemmen 1, 2, bzw. zwei Ausgangsklemmen 10, 11 enthalten.The switched-mode power supply also has an input and an output, each of which contains two input terminals 1, 2 and two output terminals 10, 11, respectively.

An die Eingangsklemmen 1, 2 wird eine Gleichspannung, Eingangsspannung Vin, angelegt.A DC voltage, input voltage Vin, is applied to the input terminals 1, 2.

An die Ausgangsklemmento the output terminals

10, 11 kann ein Verbraucher angeschlossen werden.10, 11 a consumer can be connected.

Die Primärwicklung 61 ist mit einem ersten Anschluss mit der Eingangsklemme 1 gekoppelt und mit einem zweiten Anschluss mit einem Leistungsschalter 71. Der Leistungsschalter 71 weist zwei stromführende Anschlüsse und einen Steuereingang auf, wobei die zwei stromführenden Anschlüsse den zweiten Anschluss der Primärwicklung 61 mit der Eingangsklemme 2 koppeln.The primary winding 61 is coupled with a first connection to the input terminal 1 and with a second connection to a circuit breaker 71. The circuit breaker 71 has two current-carrying connections and a control input, the two current-carrying connections connecting the second connection of the primary winding 61 to the input terminal 2 couple.

Der Steuereingang des Leistungsschalters 71 ist mit einer primärseitigen Ansteuerung 70 gekoppelt, die während des Betriebs des Schaltnetzteils ein Steuersignal erzeugt, durch das der Leistungsschalter 71 fortlaufend geöffnet und geschlossen wird.The control input of the circuit breaker 71 is coupled to a primary-side control 70, which generates a control signal during operation of the switched-mode power supply, by means of which the circuit breaker 71 is continuously opened and closed.

Hierdurch fließt ein pulsierender Gleichstrom durch die Primärwicklung 61, wodurch der Transformator 60 magnetisiert wird und hierdurch eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung 62 induziert wird, die durch eine Diode 82 gleichgerichtet wird und einen Glättungskondensator 83 auflädt, so dass an den Ausgangsklemmen 10, 11 eine geglätteteAs a result, a pulsating direct current flows through the primary winding 61, whereby the transformer 60 is magnetized and this induces an alternating voltage in the secondary winding 62, which is rectified by a diode 82 and charges a smoothing capacitor 83, so that at the output terminals 10, 11 a smoothed

Gleichspannung, Ausgangsspannung Vour, anliegt.DC voltage, output voltage Vour, is present.

Zur Regelung der Ausgangsspannung weist das Schaltnetzteil eine sekundärseitige Regelung 80 und ein Koppelelement 81, beispielsweise einenTo control the output voltage, the switched-mode power supply has a secondary-side control 80 and a coupling element 81, for example a

4 1u101871 Optokoppler, auf, wobei das Koppelelement 81 die sekundärseitige Regelung 80 mit der primärseitigen Ansteuerung 70 verbindet. Nicht dargestellt in der Fig. 2 ist eine eingangsseitige Gleichrichtung und Glattung einer Netzspannung für das Schaltnetzteil, sondern nur das Schaltnetzteil in seiner Funktion als ein galvanisch trennender DC/DC-Wandler. Das Prinzip-Schaltbild ist hierbei unabhängig von der Funktionsweise des DC/DC-Wandlers. Dieser kann nach bekannten Schaltungsgrundprinzipien realisiert sein, zum Beispiel als Sperrwandler oder Flusswandler, oder als Halbbrücken- oder Vollbrücken- oder Resonanzwandler. Insbesondere bei hohen Eingangsspannungen können auch Schaltungsgrundkonzepte wie Zwei- Transistor-Wandler oder eine Reihenschaltung aus obigen Konzepten verwendet werden. Das verwendete Ansteuerprinzip des Leistungsschalters 71 kann dabei beispielsweise hartschaltend mit Pulsweitenmodulation (PWM) oder resonant mit Frequenzmodulation (PFM) erfolgen. Ebenso kann der Leistungsschalter 71 unabhängig von der verwendeten Technologie sein und kann z.B. als Feldeffekttransistor (MOSFET) oder Bipolartransistor oder IGBT oder GAN-FET realisiert werden. Das Koppelelement 81 kann sowohl als ein Optokoppler als auch als ein magnetischer Koppler realisiert sein.4 1u101871 optocoupler, wherein the coupling element 81 connects the secondary-side control 80 to the primary-side control 70. Not shown in FIG. 2 is an input-side rectification and smoothing of a mains voltage for the switched-mode power supply, but only the switched-mode power supply in its function as a galvanically isolating DC/DC converter. The basic circuit diagram is independent of the functionality 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 as a half-bridge or full-bridge or resonant converter. In the case of high input voltages in particular, basic circuit concepts such as two-transistor converters or a series connection from the above concepts can also be used. The driving principle used for the circuit breaker 71 can, for example, be hard switching with pulse width modulation (PWM) or resonant with frequency modulation (PFM). Likewise, the power switch 71 can be independent of the technology used and can be implemented, for example, as a field effect transistor (MOSFET) or bipolar transistor or IGBT or GAN-FET. The coupling element 81 can be implemented both as an optocoupler and as a magnetic coupler.

In dem in der Fig. 2 dargestellten Schaltnetzteil ergeben sich im Wesentlichen Isolationsanforderungen an den Transformator 60 mit den Isolationsspannungen Viss, Vis7, sowie an das Koppelelement 81 mit der Isolationsspannung Viss, über das eine Rückkopplung von der sekundärseitigen Regelung 80 zur primérseitigen Ansteuerung 70 hergestellt wird. 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 Vout spielt es nur eine untergeordnete Rolle, ob + Vout oder — Vour als geerdet betrachtet wird. Uber der Trennstrecke Vıse ergibt sich die höchste Isolationsspannung, wenn - Vin geerdet wird. Da der Optokoppler 81 meistens als Bezugspotential - Vin hat, ergibt sich die hôchste Isolationsspannung Viss, wenn + Vin als Erde verwendet wird. Die Isolationsspannung Vis7 ist effektiv kleiner als die Eingangsspannung Vin, kannIn the switched-mode power supply shown in FIG. 2, there are essentially insulation requirements for the transformer 60 with the insulation voltages Viss, Vis7, and for the coupling element 81 with the insulation voltage Viss, via which feedback is produced from the secondary-side control 80 to the primary-side control 70 . The insulation voltages result at the maximum input voltage. For example, if the supply voltage is DC, it will be grounded to either +Vin or -Vin. If the output voltage Vout is small, it is only of secondary importance whether + Vout or - Vour is considered to be grounded. The highest insulation voltage occurs across the isolating distance Vıse when -Vin is grounded. Since the optocoupler 81 is mostly referenced to -Vin, the highest isolation voltage Viss results when +Vin is used as ground. The isolation voltage Vis7 is effectively smaller than the input voltage Vin, can

1u101871 jedoch als Spitzenwert während des Betriebs des Schaltnetzteils deutlich über der Eingangsspannung Vın liegen.1u101871 however, as a peak value during operation of the switched-mode power supply, are significantly above the input voltage Vın.

Soll das Schaltnetzteil universell verwendet werden, So muss es sowohl an 5 positiver als auch an negativer Eingangsspannung geerdet werden können.If the switched-mode power supply is to be used universally, it must be able to be grounded at both the 5 positive and negative input voltage.

Durch die verschiedenen Erdungsmöglichkeiten ergeben sich daher sehr hohe Anforderungen für die Isolationen an der galvanischen Trennung. Die DE 10 2017 103 762 A1 offenbart eine Stromversorgung, die einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung aufweist, sowie eine sekundärseitige Synchrongleichrichtung und eine Spannungsrückkopplung durch den Transformator. Für das Schaltnetzteil können verschiedenste Topologien verwendet werden, beispielsweise auch Zwei-Transistor-Sperrwandler.The various grounding options therefore result in very high requirements for the insulation on the galvanic isolation. DE 10 2017 103 762 A1 discloses a power supply that has a transformer with a primary winding and a secondary winding, as well as secondary side synchronous rectification and voltage feedback through the transformer. A wide variety of topologies can be used for the switched-mode power supply, including two-transistor flyback converters, for example.

Aus der DE 33 47 930 A1 ist eine Schaltungsanordnung für ein freischwingendes Sperrwandler-Schaltnetzteil bekannt, das einen Transformator mit drei primärseitigen Wicklungen und einer sekundärseitigen Wicklung aufweist. Über einen Schalttransistor wird hierbei eine gleichgerichtete und geglättete Eingangsspannung periodisch an eine erste der primärseitigen Wicklungen angelegt. Eine zweite primärseitige Wicklung hat die Funktion einer Versorgungswicklung und liefert während der Sperrphase des Schalttransistors eine Versorgungsspannung, und die dritte primärseitige Wicklung hat die Funktion einer Regelwicklung und empfängt während der Flussphase des Schalttransistors eine Messspannung. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Stromversorgung mit herabgesetzten Isolationsanforderungen für Komponenten innerhalb der Stromversorgung bereitzustellen.DE 33 47 930 A1 discloses a circuit arrangement for a free-running flyback converter switched-mode power supply which has a transformer with three primary-side windings and one secondary-side winding. In this case, a rectified and smoothed input voltage is periodically applied to a first of the primary-side windings via a switching transistor. A second primary-side winding has the function of a supply winding and supplies a supply voltage during the blocking phase of the switching transistor, and the third primary-side winding has the function of a control winding and receives a measuring voltage during the conducting phase of the switching transistor. It is an object of the invention to provide a power supply with reduced isolation requirements for components within the power supply.

Diese Aufgabe wird durch eine Stromversorgung gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a power supply according to claim 1.

6 1u101871 Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung. Die Stromversorgung weist eine erste Eingangsklemme mit einem ersten Spannungspotential, eine zweite Eingangsklemme mit einem zweiten Spannungspotential, einen Transformator mit mindestens einer ersten und einer | zweiten primärseitigen Wicklung, mindestens einer sekundärseitigen Wicklung und mit einer galvanischen Trennung, eine erste primärseitige Leistungsstufe, die mit einer ersten der primärseitigen Wicklung , und eine zweite primärseitige Leistungsstufe, die mit der zweiten primärseitigen Wicklung auf. Die Stromversorgung weist weiterhin mindestens einen sekundärseitigen Ausgangskreis auf, welcher auch die sekundärseitige Regelung beinhaltet, der mit der sekundärseitigen Wicklung verbunden ist. Weiterhin ist eine primärseitige Kontrollschaltung zum Steuern der beiden Leistungsstufen, und ein Koppelelement zur Übertragung eines Regelsignals von dem Ausgangskreis zur Kontrollschaltung vorhanden. Die beiden Leistungsstufen sind hierbei in Serie geschaltet in Bezug auf die beiden Eingangsklemmen, und die Kontrollschaltung weist während des Betriebs der Stromversorgung ein Bezugspotential auf, das zwischen den beiden Spannungspotentialen der Eingangsklemmen liegt.6 1u101871 The dependent claims contain advantageous developments and improvements of the invention according to the following description. The power supply has a first input terminal with a first voltage potential, a second input terminal with a second voltage potential, a transformer with at least a first and a | second primary-side winding, at least one secondary-side winding and with a galvanic isolation, a first primary-side power stage connected to a first primary-side winding, and a second primary-side power stage connected to the second primary-side winding. The power supply also has at least one secondary-side output circuit, which also contains the secondary-side control, which is connected to the secondary-side winding. Furthermore, there is a control circuit on the primary side for controlling the two power stages, and a coupling element for transmitting a control signal from the output circuit to the control circuit. In this case, the two power stages are connected in series with respect to the two input terminals, and during operation of the power supply the control circuit has a reference potential which lies between the two voltage potentials of the input terminals.

Gemäß einer bevorzugten Variante weist die Stromversorgung eine erste und eine zweite Ansteuerschaltung auf, wobei die erste Leistungsstufe von der Kontrollschaltung über die erste Ansteuerschaltung und die zweite Leistungsstufe von der Kontrollschaltung über die zweite Ansteuerschaltung ansteuerbar ist, und wobei die beiden Leistungsstufen, die beiden Ansteuerschaltungen und die Kontrollschaltung symmetrisch aufgebaut sind in Bezug auf eine an den Eingangsklemmen anliegende Eingangsspannung. Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante sind während des Betriebs der Stromversorgung die Differenz zwischen dem Bezugspotential und dem Spannungspotential der ersten Eingangsklemme und die Differenz zwischen dem Bezugspotential und dem Spannungspotential der zweiten Eingangsklemme gleich innerhalb eines Toleranzbereiches für akzeptableAccording to a preferred variant, the power supply has a first and a second drive circuit, the first power stage being able to be driven by the control circuit via the first drive circuit and the second power stage being able to be driven by the control circuit via the second drive circuit, and the two power stages, the two drive circuits and the control circuit is constructed symmetrically in relation to an input voltage present at the input terminals. According to a further preferred variant, during the operation of the power supply, the difference between the reference potential and the voltage potential of the first input terminal and the difference between the reference potential and the voltage potential of the second input terminal are equal within a tolerance range for acceptable

7 lu101871 Abweichungen. Durch Bauteiltoleranzen sind gewisse Abweichungen | unvermeidlich, die innerhalb eines festgesetzten Toleranzbereiches noch akzeptabel sind.7 lu101871 deviations. Due to component tolerances, certain deviations | unavoidable, which are still acceptable within a specified tolerance range.

In einer weiteren bevorzugten Variante weist die Stromversorgung zwei oder mehr Kondensatoren, die in Reihe geschaltet sind, in Bezug auf die beiden Eingangsklemmen auf, und einen Knoten zwischen den beiden Kondensatoren, wobei der Knoten mit der Kontrollschaltung verbunden ist zur Bereitstellung des Bezugspotentials für die Kontrollschaltung während des Betriebs der Stromversorgung. Insbesondere liegt an dem Knoten während des Betriebs der Stromversorgung die halbe Eingangsspannung an. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Leistungsstufen jeweils als ein Zwei-Transistor-Sperrwandler ausgestaltet, und insbesondere als zwei identische oder im wesentlichen identische Zwei-Transistor-Sperrwandler ausgestaltet. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stromversorgung eine Anlaufschaltung auf, die eine Versorgungsspannung für die Kontrollschaltung beim Einschalten der Stromversorgung bereitstellt, und die mit dem Knoten gekoppelt ist zur Bereitstellung eines Bezugspotentials für die Anlaufschaltung. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der sekundärseitige Ausgangskreis eine Regelschaltung auf, die mit Ausgangsklemmen der Stromversorgung gekoppelt ist zur Erzeugung des Regelsignals während des Betriebs der Stromversorgung zur Regelung einer Ausgangsspannung und/oder eines Ausgangsstroms der Stromversorgung, wobei die Regelschaltung mit dem Koppelelement gekoppelt ist zur Übertragung des Regelsignals zur Kontrollschaltung. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Transformator und das Koppelelement derart ausgebildet, dass während des Betriebs derIn a further preferred variant, the power supply has two or more capacitors connected in series with respect to the two input terminals and a node between the two capacitors, the node being connected to the control circuit to provide the reference potential for the control circuit during operation of the power supply. In particular, half the input voltage is present at the node during operation of the power supply. In a preferred exemplary embodiment, the two power stages are each designed as a two-transistor flyback converter, and in particular designed as two identical or essentially identical two-transistor flyback converters. In a further preferred exemplary embodiment, the power supply has a start-up circuit which provides a supply voltage for the control circuit when the power supply is switched on, and which is coupled to the node in order to provide a reference potential for the start-up circuit. In a further preferred exemplary embodiment, the secondary-side output circuit has a control circuit, which is coupled to output terminals of the power supply to generate the control signal during operation of the power supply to control an output voltage and/or an output current of the power supply, the control circuit being coupled to the coupling element for Transmission of the control signal to the control circuit. In a further preferred embodiment, the transformer and the coupling element are designed such that during operation of the

8 1u101871 Stromversorgung eine vorgegebene Sicherheitsanforderung bezüglich einer Isolation zwischen einer an den Eingangsklemmen anliegenden Eingangsspannung und einer von dem sekundärseitigen Ausgangskreis erzeugten Ausgangsspannung eingehalten wird.8 1u101871 power supply, a specified safety requirement with regard to isolation between an input voltage present at the input terminals and an output voltage generated by the secondary-side output circuit is complied with.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist das Koppelelement eine galvanische Trennung auf und ist als ein Optokoppler oder ein magnetischer Koppler ausgestaltet. In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Stromversorgung während des Betriebs an einer positiven Eingangsspannung oder an einer negativen Eingangsspannung geerdet. Durch den symmetrischen Aufbau der Leistungsstufen und die Verwendung der halben Eingangsspannung als Bezugspotential für die Kontrollschaltung sind während des Betriebs an den Komponenten innerhalb der Stromversorgung | auftretende Isolationsspannungen bei Erdung an der positiven Eingangsspannung und bei Erdung an der negativen Eingangsspannung gleich oder im Wesentlichen gleich und unabhängig von der Polung. Hierdurch sind die Isolationsanforderungen an den Komponenten innerhalb des Schaltnetzteils im Vergleich zu bekannten Stromversorgungen deutlich reduziert. Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Stromversorgung mit einer galvanischen Trennung nach dem Stand der Technik; Fig. 2 ein Schaltnetzteil mit einer galvanischen Trennung nach dem Stand der Technik; Fig. 3 eine Stromversorgung mit einer galvanischen Trennung nach der Erfindung; undIn a further advantageous exemplary embodiment, the coupling element has a galvanic isolation and is designed as an optocoupler or a magnetic coupler. In a further advantageous embodiment, the power supply is grounded to a positive input voltage or to a negative input voltage during operation. Due to the symmetrical structure of the power stages and the use of half the input voltage as reference potential for the control circuit, during operation the components within the power supply | insulation voltages that occur when grounded at the positive input voltage and when grounded at the negative input voltage are the same or substantially the same and independent of the polarity. As a result, the insulation requirements for the components within the switched-mode power supply are significantly reduced compared to known power supplies. Several exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures shown in the drawings. 1 shows a power supply with galvanic isolation according to the prior art; 2 shows a switched-mode power supply with galvanic isolation according to the prior art; 3 shows a power supply with a galvanic isolation according to the invention; and

9 1u101871 Fig. 4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Stromversorgung der Figur 3. Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemaBen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Ausführungen zu konzipieren, die zwar hier | nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemafen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.4 shows a preferred embodiment of the power supply of FIG. 3. This description illustrates the principles of the inventive disclosure. It is thus understood that those skilled in the art will be able to conceive various implementations which, while detailed here | are not explicitly described, but which embody principles of the disclosure according to the invention and should also be protected in their scope.

Eine erfindungsgemäße Stromversorgung mit einer galvanischen Trennung 100 ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Stromversorgung weist einen Transformator mit einer ersten Primärwicklung 111, einer zweiten Primärwicklung 112 und mindestens einer Sekundärwicklung 113 auf. Durch die galvanische Trennung 100 ist eingangsseitig eine Primärseite und ausgangsseitig eine Sekundärseite definiert. Die Stromversorgung weist zudem einen Eingang mit zwei Eingangsklemmen 1, 2 und einen Ausgang mit zwei Ausgangsklemmen 10, 11 auf. An die Eingangsklemmen 1, 2 wird eine Gleichspannung Vin angelegt, in diesem Ausführungsbeispiel lieg an der Eingangsklemme 1 ein positives Potential an und an der Eingangsklemme 2 ein negatives Potential. An den Ausgangsklemmen 10, 11 liegt eine Ausgangsspannung Vour an, die für einen Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor (nicht dargestelit), verwendet werden kann.A power supply according to the invention with a galvanic isolation 100 is shown in FIG. The power supply has a transformer with a first primary winding 111, a second primary winding 112 and at least one secondary winding 113. The galvanic isolation 100 defines a primary side on the input side and a secondary side on the output side. The power supply also has an input with two input terminals 1, 2 and an output with two output terminals 10, 11. A direct voltage Vin is applied to the input terminals 1, 2; in this exemplary embodiment, a positive potential is present at the input terminal 1 and a negative potential is present at the input terminal 2. An output voltage Vour is present at the output terminals 10, 11, which can be used for a consumer, for example an electric motor (not shown).

An die Primarwicklung 111 ist eine erste Leistungsstufe 101 und an die Primarwicklung 112 ist eine zweite Leistungsstufe 102 angeschlossen. Die erste Leistungsstufe 101 ist zudem mit der Eingangsklemme 1 und die zweite Leistungsstufe 102 mit der Eingangsklemme 2 verbunden. Im gezeigten Beispiel bestehen sogar direkte Verbindungen zwischen Eingangsklemme und Leistungsstufe. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können zwischengeschaltete Bauteile vorhanden sein. Als Beispiel wird eine Verpolschutzdiode oder eine Sicherung oder ein Thermistor genannt. Wird ein Thermistor in Form eines PTC-Widerstandes eingesetzt, kann er als Uberlastschutz dienen. Weiterhin ist die erste Leistungsstufe 101 mit der zweitenA first power stage 101 is connected to the primary winding 111 and a second power stage 102 is connected to the primary winding 112 . The first power stage 101 is also connected to the input terminal 1 and the second power stage 102 to the input terminal 2 . In the example shown, there are even direct connections between the input terminal and the power stage. In other embodiments of the invention, intervening components may be present. A reverse polarity protection diode or a fuse or a thermistor is mentioned as an example. If a thermistor in the form of a PTC resistor is used, it can serve as overload protection. Furthermore, the first power stage 101 with the second

10 lu101871 Leistungsstufe 102 über eine Verbindung 104 derart gekoppelt, dass die beiden | Leistungsstufen 101, 102 in Bezug auf die beiden Eingangsklemmen 1, 2 in Serie geschaltet sind. Zu den beiden Eingangsklemmen 1, 2 sind zudem zwei Kondensatoren C1, C2 in Serie geschaltet. Die an den Eingangsklemmen 1, 2 liegende Eingangsspannung Vin liegt hierdurch sowohl über der Serienschaltung der beiden Kondensatoren C1, C2 als auch über der Serienschaltung der beiden Leistungsstufen 101, 102 an. Für einen Betrieb der beiden Leistungsstufen 101, 102 ist auf der Primärseite der Stromversorgung eine Kontrolischaltung 120 angeordnet, die über einen ersten Ansteuerkreis 121 die erste Leistungsstufe 101 und die über einen zweiten Ansteuerkreis 122 die zweite Leistungsstufe 102 betreibt. Die Kontrollschaltung 120 ist zudem mit einem Knoten 123, der zwischen den beiden Kondensatoren C1, C2 angeordnet ist, verbunden, wodurch ein Bezugspotential für die Kontrollschaltung 120 bereitgestellt wird. Auf der Sekundärseite der Stromversorgung ist ein Ausgangskreis 103 angeordnet, der mit der Sekundärwicklung 113 gekoppelt ist und der über die Ausgangsklemmen 10, 11 eine gleichgerichtete Ausgangsspannung Vout während des Betriebs des Schaltnetzteils bereitstellt. Für eine Regelung der Ausgangsspannung Vour wird ein Regelsignal VR von dem Ausgangskreis 103 über ein Koppelelement 114 zur primärseitigen Kontrolischaltung 120 übertragen. Das Koppelelement 114 kann sowohl als ein Optokoppler als auch als ein magnetischer Koppler ausgestaltet sein.10 lu101871 power stage 102 is coupled via a connection 104 in such a way that the two | Power stages 101, 102 are connected in series with respect to the two input terminals 1, 2. In addition, two capacitors C1, C2 are connected in series with the two input terminals 1, 2. As a result, the input voltage Vin present at the input terminals 1, 2 is present both across the series connection of the two capacitors C1, C2 and across the series connection of the two power stages 101, 102. For operation of the two power stages 101, 102, a control circuit 120 is arranged on the primary side of the power supply, which operates the first power stage 101 via a first drive circuit 121 and the second power stage 102 via a second drive circuit 122. The control circuit 120 is also connected to a node 123, which is arranged between the two capacitors C1, C2, whereby a reference potential for the control circuit 120 is provided. On the secondary side of the power supply there is an output circuit 103 which is coupled to the secondary winding 113 and which provides a rectified output voltage Vout via the output terminals 10, 11 during operation of the switched-mode power supply. To regulate the output voltage Vour, a control signal VR is transmitted from the output circuit 103 via a coupling element 114 to the control circuit 120 on the primary side. The coupling element 114 can be configured both as an optocoupler and as a magnetic coupler.

Die Stromversorgung der Fig. 3 ist daher ais ein galvanisch trennender DC/DC- Wandler ausgestaltet, der auf der Primärseite zwei in Reihe geschaltete Leistungsstufen 101, 102 aufweist. Die Leistungsstufen 101, 102 und die Kondensatoren C1, C2 sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel identisch oder im Wesentlichen identisch, so dass durch die Reihenschaltung der beiden Leistungsstufen 101, 102 die Eingangsspannung Vin zu gleichen Teilen auf die beiden Leistungsstufen 101, 102 aufgeteilt wird. An den beiden Kondensatoren C1, C2 liegt hierbei jeweils die halbe Eingangsspannung Vin/2 an. Der KnotenThe power supply of FIG. 3 is therefore designed as a galvanically isolating DC/DC converter which has two power stages 101, 102 connected in series on the primary side. In a preferred exemplary embodiment, the power stages 101, 102 and the capacitors C1, C2 are identical or essentially identical, so that the series connection of the two power stages 101, 102 divides the input voltage Vin equally between the two power stages 101, 102. In this case, half the input voltage Vin/2 is applied to the two capacitors C1, C2. The knot

11 1u101871 123 stellt hierdurch ein Bezugspotential für die Kontrollschaltung 120 bereit, das der halben Eingangsspannung Vin/2 entspricht. Durch den symmetrischen Aufbau der Stromversorgung sind die Isolationsanforderungen an die Stromversorgung gleich, unabhängig davon, ob die Eingangsklemme 1 oder die Eingangsklemme 2 mit Erde verbunden ist. Dies führt zu erheblich reduzierten Isolationsanforderungen für das Koppelelement 114, sowie für die primärseitige Kontrolischaltung 120 und die beiden Ansteuerschaltungen 121, 122.11 1u101871 123 thereby provides a reference potential for the control circuit 120 which corresponds to half the input voltage Vin/2. Due to the symmetrical design of the power supply, the isolation requirements for the power supply are the same regardless of whether the input terminal 1 or the input terminal 2 is connected to ground. This leads to significantly reduced insulation requirements for the coupling element 114, as well as for the primary-side control circuit 120 and the two drive circuits 121, 122.

Die beiden Leistungsstufen 101, 102 sind insbesondere als Schaltnetzteile ausgestaltet. Die Wandlertopologie der Schaltnetzteile ist hierbei so gewählt, dass im funktionalen Einsatz keine funktionsbedingte Überspannung erzeugt wird. Die Position der Kontrollschaltung 120 bzw. das Bezugspotential der Kontrollschaltung 120 hat hierbei einen großen Einfluss auf die Spannungsbelastungen und Isolationsanforderungen für die zu der Kontrolischaltung 120 zugehörigen Peripherie. Dazu gehören insbesondere das Koppelelement 114 der Regelschleife und die Ansteuerschaltungen 121, 122 für die Leistungsstufen 101, 102. Durch den symmetrischen Aufbau der Primärseite werden die Spannungsbelastungen an den Isolationsstrecken so klein wie möglich gehalten, unabhängig davon, ob der positive Pol der Eingangsspannung oder der negative Pol der Eingangsspannung mit Erde verbunden ist. Hierdurch ergeben sich die geringsten Isolationsanforderungen für die beiden Schaltnetzteile.The two power stages 101, 102 are designed in particular as switched-mode power supplies. The converter topology of the switched-mode power supplies is selected in such a way that no function-related overvoltage is generated during functional use. The position of the control circuit 120 or the reference potential of the control circuit 120 has a major influence on the voltage loads and insulation requirements for the peripherals associated with the control circuit 120 . These include, in particular, the coupling element 114 of the control loop and the control circuits 121, 122 for the power stages 101, 102. The symmetrical design of the primary side keeps the voltage loads on the isolation gaps as small as possible, regardless of whether the positive pole of the input voltage or the negative pole of the input voltage is connected to ground. This results in the lowest insulation requirements for the two switched-mode power supplies.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der anhand der Fig. 3 beschriebenen Stromversorgung ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Stromversorgung ist hierbei als ein Schaltnetzteil ausgestaltet, das vorzugsweise zwei Zwei-Transistor- Sperrwandler aufweist. Das Schaltnetzteil enthält einen Transformator mit einer ersten Primärwicklung 111, einer zweiten Primärwicklung 112 und mindestens einer Sekundärwicklung 113, sowie eine galvanische Trennung 100, und entspricht beispielsweise dem Transformator der Fig. 3. Die beidenA preferred embodiment of the power supply described with reference to FIG. 3 is shown in FIG. The power supply is designed as a switching power supply, which preferably has two two-transistor flyback converters. The switched-mode power supply contains a transformer with a first primary winding 111, a second primary winding 112 and at least one secondary winding 113, as well as a galvanic isolation 100, and corresponds, for example, to the transformer of FIG. 3. The two

12 1u101871 Leistungsstufen der Fig. 4 enthalten zwei Leistungsschalter M1, M2 und zwei | Dioden D1, D2, bzw. zwei Leistungsschalter M3, M4 und zwei Dioden D4, D5. Der Leistungsschalter M1 ist mit einem ersten Stromanschluss mit der Eingangsklemme 1 und mit einem zweiten Stromanschluss mit einem ersten Anschluss der Primärwicklung 111 gekoppelt. Der Leistungsschalter M2 ist mit einem ersten Stromanschluss mit einem zweiten Anschluss der Primärwicklung 111 gekoppelt und mit einem zweiten Stromanschluss mit dem Knoten 123 gekoppelt. Die Diode D1 ist mit inrer Anode mit dem zweiten Anschluss der Primarwicklung 111 gekoppelt und mit ihrer Kathode mit der Eingangsklemme 1 gekoppelt, und die Diode D2 ist mit ihrer Kathode mit dem ersten Anschluss der Primarwickiung 111 gekoppelt und mit ihrer Anode mit dem Knoten 123 gekoppelt.12 1u101871 power stages of Fig. 4 contain two power switches M1, M2 and two | Diodes D1, D2, or two power switches M3, M4 and two diodes D4, D5. The power switch M1 has a first power connection coupled to the input terminal 1 and a second power connection coupled to a first connection of the primary winding 111 . Power switch M2 has a first power terminal coupled to a second terminal of primary winding 111 and a second power terminal coupled to node 123 . Diode D1 has its anode coupled to the second terminal of primary winding 111 and its cathode coupled to input terminal 1, and diode D2 has its cathode coupled to the first terminal of primary winding 111 and its anode coupled to node 123 .

Der Leistungsschalter M3 ist mit einem ersten Stromanschluss mit dem Knoten 123 gekoppelt und mit einem zweiten Stromanschluss mit einem ersten Anschluss der Primärwicklung 112 gekoppelt. Der Leistungsschalter M4 ist mit einem ersten Stromanschluss mit einem zweiten Anschluss der Primärwicklung 112 gekoppelt und mit einem zweiten Stromanschluss mit der Eingangsklemme 2 gekoppelt. Die Diode D4 ist mit ihrer Anode mit dem zweiten Anschluss der Primärwicklung 112 gekoppelt und mit ihrer Kathode mit dem Knoten 123 gekoppelt, und die Diode D5 ist mit ihrer Kathode mit dem ersten Anschluss der Primärwicklung 112 gekoppelt und mit ihrer Anode mit der Eingangsklemme 2 gekoppelt.Power switch M3 has a first power terminal coupled to node 123 and a second power terminal coupled to a first terminal of primary winding 112 . Power switch M4 has a first power terminal coupled to a second terminal of primary winding 112 and a second power terminal coupled to input terminal 2 . Diode D4 has its anode coupled to the second terminal of primary winding 112 and its cathode coupled to node 123, and diode D5 has its cathode coupled to the first terminal of primary winding 112 and its anode coupled to input terminal 2 .

Die beiden Leistungsstufen der Fig. 4 sind hierdurch symmetrisch angeordnet in Bezug auf die Eingangsklemmen 1, 2 und die Primärwicklungen 111, 112 und in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel identisch aufgebaut in Bezug auf ihre Bauteile. Die Leistungsschalter M1 — M4 sind insbesondere Schalttransistoren, wie beispielsweise niederohmige Feldeffekttransistoren (MOS-FET, SiC-JFET, GaN-FET). Die Dioden D1 — D4 reduzieren als Freilaufdioden durch diese Beschaltung in bekannter Weise Spannungsspitzen an den Primärwicklungen 111 bzw. 112 des Transformators während des Betriebs des Schaltnetzteils.As a result, the two power stages of FIG. 4 are arranged symmetrically in relation to the input terminals 1, 2 and the primary windings 111, 112 and, in a preferred exemplary embodiment, are of identical construction in relation to their components. The power switches M1-M4 are in particular switching transistors, such as low-impedance field effect transistors (MOS-FET, SiC-JFET, GaN-FET). As free-wheeling diodes, the diodes D1-D4 reduce voltage peaks in the primary windings 111 and 112 of the transformer during operation of the switched-mode power supply in a known manner due to this wiring.

13 lu101871 Die Kondensatoren C1, C2 der Figur 4 entsprechen den Kondensatoren C1, C2 der Figur 3 und weisen vorteilhafterweise die gleiche Kapazität auf.13 lu101871 The capacitors C1, C2 in FIG. 4 correspond to the capacitors C1, C2 in FIG. 3 and advantageously have the same capacitance.

Die Leistungsschalter M1 — M4 werden während des Betriebs des Schaltnetzteils fortlaufend geöffnet und geschlossen. Hierdurch fließt ein pulsierender Gleichstrom durch die Primärwicklungen 111, 112, so dass der Transformator magnetisiert wird und hierdurch eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung 113 induziert wird, die durch ein Gleichrichterelement D3 gleichgerichtet wird und einen Glättungskondensator C3 auflädt, so dass an den Ausgangsklemmen 10, 11 eine geglättete Gleichspannung, Ausgangsspannung Vour, anliegt. Sekundärseitig ist weiterhin eine Regelschaltung 130 angeordnet, die mit dem Koppelelement 114 verbunden ist. Primärseitig ist eine Kontrollschaltung 140 angeordnet, die mit dem Koppelelement 114 verbunden ist. Die Kontroilschaltung 140 steuert über Ansteuerschaltungen 121a, 121b, 122a, 122b die Leistungsschalter M1- M4: Ansteuerschaltung 121a steuert den Leistungsschalter M1, Ansteuerschaltung 121b steuert den Leistungsschalter M2, Ansteuerschaltung 122a steuert den Leistungsschalter M3 und Ansteuerschaltung 121b steuert den Leistungsschalter M4.The power switches M1 - M4 are continuously opened and closed during operation of the switched-mode power supply. As a result, a pulsating direct current flows through the primary windings 111, 112, so that the transformer is magnetized and thereby an alternating voltage is induced in the secondary winding 113, which is rectified by a rectifying element D3 and charges a smoothing capacitor C3, so that at the output terminals 10, 11 a smoothed DC voltage, output voltage Vour, is present. A control circuit 130 which is connected to the coupling element 114 is also arranged on the secondary side. A control circuit 140 which is connected to the coupling element 114 is arranged on the primary side. The control circuit 140 controls the power switches M1-M4 via drive circuits 121a, 121b, 122a, 122b: drive circuit 121a controls the power switch M1, drive circuit 121b controls the power switch M2, drive circuit 122a controls the power switch M3 and drive circuit 121b controls the power switch M4.

Das Koppelelement 114 verbindet die sekundärseitige Regelschaltung 130 mit der primärseitigen Kontrollschaltung 140, so dass über eine Rückkopplung die Ausgangsspannung Vourt und/oder ein Ausgangsstrom des Schaltnetzteils während des Betriebs des Schaltnetzteils geregelt wird. Die sekundärseitige Regelschaltung 130 misst hierzu beispielsweise die Ausgangsspannung Vour und den Ausgangsstrom des Schaltnetzteils, und vergleicht diese mit Maximalwerten. Die Regelschaltung 130 weist hierfür beispielsweise einen Komparator und eine Referenzspannungsquelle auf zur Erzeugung einer Referenzspannung. Wird einer der Maximalwerte überschritten, so signalisiert die sekundärseitige Regelschaltung 130 dies als Fehler und überträgt ein Fehlersignal, Regelsignal Vr, über das Koppelelement 114 zur primärseitigen Kontrolischaltung 140. Die primärseitige Kontrolischaitung 140 reduziert nachfolgend die über den Transformator übertragene Energie, z.B. bei TTS ——————The coupling element 114 connects the secondary-side control circuit 130 to the primary-side control circuit 140, so that the output voltage Vourt and/or an output current of the switched-mode power supply is controlled via feedback during the operation of the switched-mode power supply. For this purpose, the secondary-side control circuit 130 measures, for example, the output voltage Vour and the output current of the switched-mode power supply and compares these with maximum values. For this purpose, the control circuit 130 has, for example, a comparator and a reference voltage source for generating a reference voltage. If one of the maximum values is exceeded, the secondary-side control circuit 130 signals this as an error and transmits an error signal, control signal Vr, via the coupling element 114 to the primary-side control circuit 140. The primary-side control circuit 140 subsequently reduces the energy transmitted via the transformer, e.g. with TTS —— ————

14 1u101871 Pulsweitenmodulation (PWM) durch Reduzierung des Tastverhältnisses, solange, bis die Ausgangsspannung Vout und/oder der Ausgangsstrom die Maximalwerte wieder unterschreiten. Darauf wird die Energieübertragung zum Beispiel durch Vergrößerung des Tastverhältnisses wieder bis zur Überschreitung einer der maximalen Ausgangsgrößen erhöht. Diese Erhöhung und Absenkung der übertragenen Energie wird fortlaufend während des Betriebs des Schaltnetzteils wiederholt, um beispielsweise auch auf Änderungen der Last zu reagieren.14 1u101871 Pulse width modulation (PWM) by reducing the duty cycle until the output voltage Vout and/or the output current falls below the maximum values again. The energy transfer is then increased again, for example by increasing the pulse duty factor, until one of the maximum output variables is exceeded. This increase and decrease in the transmitted energy is continuously repeated during the operation of the switched-mode power supply in order to also react to changes in the load, for example.

Die erste Leistungsstufe des Schaltnetzteils mit den Leistungsschaltern M1, M2 ist vorteilhafterweise als ein Sperrwandier ausgeschaltet und stellt in diesem Ausführungsbeispiel einen Zwei-Transistor-Sperrwandler dar. Die zweite Leistungsstufe mit den Leistungsschaltern M3, M4 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel identisch zu der ersten Leistungsstufe, so dass das Schaltnetzteil in Bezug auf die beiden Leistungsstufen voll symmetrisch aufgebaut ist. Die zwei Kondensatoren C1, C2 weisen vorteilhafterweise die gleiche Kapazität auf, die Eingangsspannung Vin wird hierdurch durch die in Reihe geschalteten Kondensatoren C1, C2 symmetrisch geteilt. Die beiden Zwei-Transistor-Sperrwandler arbeiten daher jeweils an einem der beiden Kondensatoren C1 und C2 während des Betriebs des Schaltnetzteils: Der erste Zwei-Transistor-Sperrwandler mit den Leistungsschaltern M1, M2 am Kondensator C1 und der zweite Zwei-Transistor-Sperrwandler mit den Leistungsschaltern M3, M4 am Kondensator C2.The first power stage of the switched-mode power supply with the power switches M1, M2 is advantageously switched off as a flyback converter and in this exemplary embodiment represents a two-transistor flyback converter. In a preferred exemplary embodiment, the second power stage with the power switches M3, M4 is identical to the first power stage, so that the switched-mode power supply is fully symmetrical in relation to the two power stages. The two capacitors C1, C2 advantageously have the same capacitance, the input voltage Vin is thereby divided symmetrically by the capacitors C1, C2 connected in series. The two two-transistor flyback converters therefore each work on one of the two capacitors C1 and C2 during operation of the switched-mode power supply: the first two-transistor flyback converter with the power switches M1, M2 on the capacitor C1 and the second two-transistor flyback converter with the Circuit breakers M3, M4 on capacitor C2.

Das Schaltnetzteil weist zudem eine Anlaufschaltung 150 auf, die insbesondere eine Versorgungsspannung für die Kontrollschaltung 140 beim Einschalten des Schaltnetzteils und während dessen Betriebs bereitstellt. Die Anlaufschaltung 150 ist mit dem Knoten 123 verbunden, wodurch fiir die Anlaufschaltung 150 als Bezugspotential die halbe Eingangsspannung Vin verwendet wird. Das Bezugspotential der Kontrollschaltung 140 ist ebenfalls die halbe Eingangsspannung Vin, entsprechend ebenso für die Ansteuerschaltungen 121a, 121b, 122a, 122b.The switched-mode power supply also has a start-up circuit 150, which in particular provides a supply voltage for the control circuit 140 when the switched-mode power supply is switched on and during its operation. The start-up circuit 150 is connected to the node 123, as a result of which half the input voltage Vin is used for the start-up circuit 150 as a reference potential. The reference potential of the control circuit 140 is also half the input voltage Vin, correspondingly for the drive circuits 121a, 121b, 122a, 122b.

15 1u101871 Durch die Verwendung der halben Eingangsspannung Vin als Bezugspotential ist die Spannungsbelastung fiir die Ansteuerschaltungen 121a, 121b, 122a, 122b auf die halbe Eingangsspannung Vin reduziert, damit sind auch die Isolationsanforderungen innerhalb der Ansteuerschaltungen 121a, 121b, 122a, 122b entsprechend reduziert. Durch die Position der Kontrollschaltung 140 auf der halben Eingangsspannung Vin/2 ist ebenfalls die Spannungsbelastung über dem Koppelelement 114 auf die halbe Eingangsspannung Vin limitiert. Dies ist unabhängig von der Erdung der Eingangsspannung Vin. Das heißt, bei Erdung des Schaltnetzteils am positiven Pol, hier Eingangsklemme 1, als auch am negativen Pol, hier Eingangsklemme 2, der Eingangsspannung Vin ergibt sich immer die halbe Eingangsspannung Vin/2 als Arbeitsspannung am Koppelelement 114. Das Schaltnetzteil der Fig. 4 weist weiterhin noch einen oder zwei Filterkondensatoren auf, in diesem Ausführungsbeispiel die Filterkondensatoren C4, C5. Diese koppeln den Knoten 123 mit dem negativen Pol der Ausgansspannung Vout, Ausgangsklemme 11. Die Isolationsanforderungen der Filterkondensatoren C4, C5 liegen daher in der Größenordnung des Koppelelements 114.15 1u101871 By using half the input voltage Vin as a reference potential, the voltage load for the drive circuits 121a, 121b, 122a, 122b is reduced to half the input voltage Vin, so the insulation requirements within the drive circuits 121a, 121b, 122a, 122b are reduced accordingly. The position of the control circuit 140 at half the input voltage Vin/2 also limits the voltage load across the coupling element 114 to half the input voltage Vin. This is independent of grounding of the input voltage Vin. This means that when the switched-mode power supply is grounded at the positive pole, here input terminal 1, and at the negative pole, here input terminal 2, of the input voltage Vin, half the input voltage Vin/2 always results as the working voltage at the coupling element 114. The switched-mode power supply in Fig. 4 has furthermore one or two filter capacitors, in this exemplary embodiment the filter capacitors C4, C5. These couple node 123 to the negative pole of the output voltage Vout, output terminal 11. The isolation requirements of the filter capacitors C4, C5 are therefore of the order of magnitude of the coupling element 114.

Durch die Verwendung einer Reihenschaltung von zwei identischen oder im wesentlichen identischen Zwei-Transistor-Sperrwandlern fir die Stromversorgung werden keine betriebsbedingten Uberspannungen während des Betriebs der Stromversorgung erzeugt, im Gegensatz zu einfachen Sperrwandlern. Bei einem einfachen Sperrwandier kann die betriebsbedingte Uberspannung, die Spannungsbelastung an dem Leistungsschalter, auf den doppelten Wert der Eingangsspannung Vin ansteigen und somit ist bei dem einfachen Sperrwandler die Arbeitsspannung an der trennenden Isolation des Transformators deutlich héher. Zudem wird durch die Verwendung eines optimal gewählten Mittelpunktes, Knoten 123, für die Anlaufschaltung 150 und die Kontrollschaltung 140 die Isolationsanforderung für das Koppelelement 114 reduziert.By using a series connection of two identical or substantially identical two-transistor flyback converters for the power supply, no operational overvoltages are generated during operation of the power supply, in contrast to simple flyback converters. In the case of a simple flyback converter, the operational overvoltage, the voltage load on the circuit breaker, can increase to twice the value of the input voltage Vin, and the working voltage at the separating insulation of the transformer is therefore significantly higher in the case of the simple flyback converter. In addition, the use of an optimally chosen center point, node 123, for the start-up circuit 150 and the control circuit 140 reduces the isolation requirement for the coupling element 114.

16 1u101871 Die vorgeschlagene Stromversorgung realisiert daher eine kostengünstige Lösung mit einer kleinstmöglichen Anzahl an Komponenten: Sie entspricht einem „Ein-Stufenwandler“. Es werden keine vorgeschalteten Tiefsetzerstufen benötigt zur Reduzierung der Isolationsanforderungen innerhalb der Stromversorgung.16 1u101871 The proposed power supply therefore implements a cost-effective solution with the smallest possible number of components: it corresponds to a "single-stage converter". No upstream buck converter stages are required to reduce the isolation requirements within the power supply.

Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.The disclosure is not limited to the exemplary embodiments described here. There is room for various adaptations and modifications that those skilled in the art would contemplate based on their skill in the art as well as belonging to the disclosure.

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Bezugszeichenliste Eingangsklemmen 1,2 Ausgangsklemmen 10, 11 Eingangskreis 20 Ausgangskreis 21 Transformator 30 Primärwicklung 31 Sekundärwicklung 32 Galvanische Trennung 33 Koppelelement 40 Erde 50 Primärseitiger Schalter S1 Sekundarseitiger Schalter S2 Eingangsspannung Vin Ausgangsspannung Vout Isolationsspannung des Transformators 30 Vis1 Isolationsspannung des Koppelelements 40 Vis2 Isolationsspannung des Eingangskreises Vis3 Isolationsspannung des Ausgangskreises Visa Transformator 60 Primärwicklung 61 Sekundärwicklung 62 Galvanische Trennung 63 Primärseitige Ansteuerung 70 Leistungsschalter 71 Sekundärseitige Regelung 80 Koppelelement 81 Diode 82 Glattungskondensator 83 Isolationsspannungen des Transformators 60 Vise, Vis? Isolationsspannung des Koppelelements 81 VissList of reference symbols Input terminals 1, 2 Output terminals 10, 11 Input circuit 20 Output circuit 21 Transformer 30 Primary winding 31 Secondary winding 32 Galvanic isolation 33 Coupling element 40 Ground 50 Primary-side switch S1 Secondary-side switch S2 Input voltage Vin Output voltage Vout Insulation voltage of the transformer 30 Vis1 Insulation voltage of the coupling element 40 Vis2 Insulation voltage of the input circuit Vis3 Insulation voltage of the output circuit Visa transformer 60 Primary winding 61 Secondary winding 62 Galvanic isolation 63 Primary-side control 70 Circuit breaker 71 Secondary-side control 80 Coupling element 81 Diode 82 Smoothing capacitor 83 Insulation voltages of the transformer 60 Vise, Vis? Insulation voltage of the coupling element 81 Viss

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Galvanische Trennung 100 Erste Leistungsstufe 101 Zweite Leistungsstufe 102Galvanic isolation 100 First power level 101 Second power level 102

Ausgangskreis 103 Verbindung 104 Erste Primärwicklung 111 Zweite Primärwicklung 112 Sekundärwicklung 113Output circuit 103 Connection 104 First primary winding 111 Second primary winding 112 Secondary winding 113

Koppelelement 114 Primärseitige Kontrollschaltung 120 Erste Ansteuerschaltung 121 Zweite Ansteuerschaltung 122 Knoten 123Coupling element 114 Primary-side control circuit 120 First drive circuit 121 Second drive circuit 122 Node 123

Kondensatoren C1, C2 Regelsignal VR Ansteuerschaltungen fiir die erste Leistungsstufe 121a, 121b Ansteuerschaltungen für die zweite Leistungsstufe 122a, 122bCapacitors C1, C2 Control signal VR Drive circuits for the first power stage 121a, 121b Drive circuits for the second power stage 122a, 122b

Sekundarseitige Regelschaltung 130 Primärseitige Kontrollschaltung 140 Anlaufschaltung 150 Gleichrichterelement D3 Glattungskondensator C3Secondary-side control circuit 130 Primary-side control circuit 140 start-up circuit 150 rectifier element D3 smoothing capacitor C3

Leistungsschalter M1 — M4 Dioden D1, D2, D4, D5 Filterkondensatoren C4, C5Power switch M1 — M4 Diodes D1, D2, D4, D5 Filter capacitors C4, C5

Claims

19 1u101871 (patent) claims

First power supply, having a first input terminal (1) with a first voltage potential, | a second input terminal (2) with a second voltage potential, a transformer with at least one first and one second primary-side winding (111, 112), at least one secondary-side winding (113) and with a galvanic isolation (100), a first primary-side power stage (101 ; M1, M2) coupled to a first of the primary side windings (111) and a first of the input terminals (1), a second primary side power stage (102; M3, M4) coupled to the second primary side winding (112) and the is coupled to the second input terminal (2), a secondary-side output circuit (103; D3, C3, 130) which is coupled to the secondary-side winding (113), a primary-side control circuit (120; 140) for controlling the two power stages (101, M1, M2; 102, M3, M4), and a coupling element (114) for transmitting a control signal (Vr) from the output circuit (103; D3, C3, 130) to the control circuit (120; 140), the two power stages (101, M1, M2; 102, M3, M4) are connected in series with respect to the two input terminals (1, 2), and the control circuit (120; 140) has a reference potential (123) during operation of the power supply, which is between the two voltage potentials of the input terminals ( 1, 2).

2. Power supply according to claim 1, comprising a first and a second drive circuit (121, 122; 121a, 121b, 122a, 122b), wherein the first power stage (101; M1, M2) from the control circuit (120; 140) via the first Control circuit (121; 121a, 121b) and the second power stage (102; M3, M4) can be controlled by the control circuit (120; 140) via the second control circuit (122; 122a, 122b), and wherein the two power stages (101, M1 , M2; 102, M3, M4), the two drive circuits (121, 122; 121a, 121b, PR EE eee es —————————

20lu101871 | 122a, 122b) and the control circuit (120; 140) are constructed symmetrically with respect to an input voltage present at the input terminals (1, 2).

3. Power supply according to claim 1 or 2, wherein during the operation of the power supply the difference between the reference potential (123) and the voltage potential of the first input terminal (1) and the difference between the reference potential (123) and the voltage potential of the second input terminal (2) are the same within a tolerance range for acceptable deviations.

4, power supply according to claim 1, 2 or 3, comprising two capacitors (C1, C2) connected in series with respect to the two input terminals (1, 2), and a node (123) between the two capacitors (C1, C2) which is coupled to the control circuit (120, 140) to provide the reference potential for the control circuit (120, 140) during operation of the power supply.

5. The power supply of claim 4, wherein during operation of the power supply, half the input voltage (Vin/2) is present at the node (123).

6. Power supply according to one of the preceding claims, wherein the two power stages (101, M1, M2; 102, M3, M4) are each configured as a two-transistor barrier (M1, M2; M3, M4).

7. Power supply according to claim 6, wherein the two power stages (101, M1, M2; 102, M3, M4) are configured as two identical or essentially identical two-transistor flyback converters (M1, M2; M3, M4).

8. Power supply according to claim 6 or 7, comprising a start-up circuit (150) which provides a supply voltage for the control circuit (120, 140) when the power supply is switched on, and which is coupled to the node (123) to provide a reference potential for the start-up circuit (150).

DM

211u101871

9. Power supply according to claim 6, 7 or 8, wherein the secondary-side output circuit (D3, C3, 130) has a control circuit (130) with | output terminals (10, 11) of the power supply for generating the control signal (Vr) during operation of the power supply for controlling an output voltage (Vour) and/or an output current of the power supply, and wherein the control circuit (130) is connected to the coupling element (114) is coupled to transmit the control signal (Vr) to the control circuit (140).

10. Power supply according to one of the preceding claims, wherein the transformer and the coupling element (114) are designed to meet a predetermined safety requirement with regard to isolation between an input voltage (Vin) present at the input terminals (1, 2) and one of the output voltage (Vour) generated by the secondary-side output circuit.

11. Power supply according to one of the preceding claims, wherein the coupling element (114) has a galvanic isolation (100) and is configured as an optocoupler (114) or a magnetic coupler.

12. A power supply according to any one of the preceding claims, wherein the power supply is grounded to a positive input voltage (+) or to a negative input voltage (-) during operation.

13. The power supply of claim 12, wherein isolation voltages encountered during operation within the power supply when grounded to the positive input voltage (+) and grounded to the negative input voltage (-) are identical or substantially identical.

The