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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Auf-/Abwärts-DC/DC-Wandler mit einer
Induktivität und
einer Leistungsstufe, umfassend eine Reihe von Schaltern, die die
Induktivität
wahlweise zwischen einen Spannungseingang, einen Spannungsausgang und
einen Referenzpegel (Masse) in Übereinstimmung
mit der Abwärts-
oder Aufwärtsbetriebsart schaltet.
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Herkömmlicherweise
werden zwei Rampensignale verwendet, um das Tastverhältnis der
Schalter in dem Wandler zu steuern, eins für den Abwärtsbetrieb und eins für den Aufwärtsbetrieb.
Komparatoren vergleichen das Ausgangssignal eines Fehlerverstärkers mit
den Rampensignalen, um das Pulsbreitenmodulationssignal für die Steuerung
der Schalter in der Wandlerstufe zu erzeugen. Im Abwärtsbetrieb ist
das Eingangssignal höher
als das Ausgangssignal. Im Aufwärtsbetrieb
ist das Eingangssignal niedriger als das Ausgangssignal. Wenn die
Eingangsspannung in einem Bereich nahe der Ausgangsspannung liegt,
tritt ein Wechsel zwischen der Abwärts- und Aufwärtsbetriebsart
auf. Der Wechsel zwischen der Abwärts- und Aufwärtsbetriebsart
hat eine Unterbrechung der Übertragungsfunktion
an dem Übergangspunkt
zur Folge. Eine Lücke
zwischen den Rampensignalen würde
eine Unterbrechung der Pulsbreitenmodulation verursachen, und es
würde ein
unvorhersehbares Niederfrequenzrauschen auftreten. Zur Vermeidung
dieses Problems stellen herkömmliche
Vorgehensweisen eine große Überlappung
zwischen den beiden Rampensignalen bereit. Auf Grund der Überlappung
zwischen den Rampensignalen werden die Schalter in der Wandlerleistungsstufe
sowohl in der Abwärts-
als auch in der Aufwärtsbetriebsart
betrieben. In dem Überlappungsbereich
arbeitet der Wandler in einer Auf-/Abwärtsbetriebsart. Mit einer großen Überlappung
ergibt sich ein Auf-/Abwärtsbetrieb über einen
weiten Versorgungsspannungsbereich. Wenn auch der Auf-/Abwärtsbetrieb
das Problem bezüglich
der Unterbrechung vermeidet, so geschieht dies doch auf Kosten des
Wirkungsgrades. Auf Grund der Betätigung aller Schalter in der Leistungsstufe
in jeder Taktperiode geht viel Energie durch Dissipation verloren.
Daraus ergibt sich eine Wirkungsgradkurve mit einem Abfall in dem
Bereich, in dem die Versorgungsspannung nahe der Ausgangsspannung
liegt. Da dies einen Zustand darstellt, in dem der Wandler die meiste
Zeit betrieben wird, stellt der verringerte Wirkungsgrad während dem
Auf-/Abwärtsbetrieb
einen großen Nachteil
dar.
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US 6,348,781 B1 offenbart
einen Auf-/Abwärts-DC/DC-Wandler,
bei dem ein erstes Rampensignal für eine Abwärtsbetriebsart und ein zweites Rampensignal
für eine
Aufwärtsbetriebsart
bereitgestellt werden. Der Aufwärtswandler-Teil
und der Abwärtswandler-Teil
enthalten jeweils einen Schalter. Eine Steuerschaltung schaltet
innerhalb einer Taktperiode entweder den Schalter des Aufwärtswandlers
oder den Schalter des Abwärtswandlers.
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US 6,166,527 A offenbart
eine Steuerschaltung für
einen Auf-/Abwärts-DC/DC-Wandler, der vier Schalter
umfaßt,
für die
die Steuerschaltung vier Steuersignale bereitstellt. In einer Auf-/Abwärtsbetriebsart
werden alle vier Schalter geschaltet.
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US 5,402,060 A offenbart
einen Auf-/Abwärts-DC/DC-Wandler
mit zwei Schaltern, wobei nur ein Schalter auf einmal geschaltet
wird. Hierfür
wird ein analoges Fehlersignal für
die Steuerung des einen Schalters und das invertierte analoge Fehlersignal
für die
Steuerung des anderen Schalters verwendet.
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Im
Artikel „A
High Efficiency, Non-Inverting, Buck-Boost DC-DC Converter" von M. Gaboriault und
A. Notman im 19th Annual IEEE Applied Power Electronics
Conference and Exposition, 2004, APEC'04, Volume 3, Seiten 1411-1415, werden
verschiedene Auf-/Abwärts-DC/DC-Wandler
diskutiert und insbesondere ein Wandler offenbart, der zwischen
einer Aufwärtsbetriebsart,
einer Abwärtsbetriebsart
und einer Auf-/Abwärtsbetriebsart
unterscheidet. In der Auf-/Abwärtsbetriebsart
sorgt eine Delta-Sigma-Schaltung für ein Zeitmultiplexen von Aufwärts- und
Abwärtssteuersignalen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Auf-/Abwärts-DC/DC-Wandler bereitzustellen, der
den Auf-/Abwärtsbetrieb
in dem Bereich, in dem die Versorgungsspannung nahe der Ausgangsspannung
liegt, vermeidet, wodurch der Wirkungsgrad in diesem Bereich verbessert
wird. Die Erfindung stellt einen Auf-/Abwärts-DC/DC-Wandler mit einer
Induktivität
und einer Leistungsstufe bereit, die eine Reihe von Schaltern umfasst,
die die Induktivität
wahlweise zwischen einen Spannungseingang, einen Spannungsausgang
und einen Referenzpegel (Masse) in Übereinstimmung mit der Abwärts- oder
Aufwärtsbetriebsart
schaltet. Der Wandler hat einen Schaltersteuerblock, der der Reihe
von Schaltern in der Leistungsstufe Steuersignale bereitstellt.
Ein Komparatorblock stellt dem Schaltersteuerblock in der Abwärtsbetriebsart
ein erstes pulsbreitenmoduliertes Signal und in der Aufwärtsbetriebsart
ein zweites pulsbreitenmoduliertes Signal bereit. Ein Rampengeneratorblock
stellt dem Komparatorblock ein erstes Rampensignal für die Abwärtsbetriebsart
und ein zweites Rampensignal für
die Aufwärtsbetriebsart bereit.
Ein Überlappungssteuerblock
stellt dem Rampengenerator in Reaktion auf ein Detektionssignal, das
eine Aktivität
der Schalter in der Leistungsstufe anzeigt, ein Rampenverschiebungssignal
bereit. Das Rampenverschiebungssignal stellt das erste und das zweite
Rampensignal in Bezug aufeinander ein, um jegliche Lücken und
jegliche Überlappungen
zwischen dem ersten und dem zweiten Rampensignal zu minimieren.
Immer dann, wenn die Betätigung
aller Schalter in der Leistungsstufe innerhalb derselben Taktperiode
detektiert wird, werden die Rampensignale im Sinne einer verringerten Überlappung
zwischen den Rampensignalen eingestellt. Umgekehrt werden die Rampensignale,
wenn keine Schalteraktivität
in einer Taktperiode detektiert wird, im Sinne einer vergrößerten Überlappung
zwischen den Rampensignalen eingestellt. Folglich arbeitet der Wandler entweder
in der Abwärts-
oder in der Aufwärtsbetriebsart,
wenn die Eingangsspannung nahe der Ausgangsspannung liegt, wodurch
der Betrieb in einer Auf-/Abwärtsbetriebsart vermieden
wird. Ebenfalls werden jeglicher Versatz und jegliche Temperaturdrifts
automatisch beseitigt, da die Rampensignale durch einen Regelkreis
angepasst werden.
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Eine
günstige
Art und Weise der Anpassung der Rampensignale besteht darin, die
Ladeströme
für die
in dem Rampengeneratorblock verwendeten Kondensatoren zu modulieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat das Rampensignal für
die Abwärtsbetriebsart
eine ansteigende Flanke, und das Rampensignal für die Aufwärtsbetriebsart hat eine abfallende
Flanke. Im Vergleich zu herkömmlichen
Bauarten, bei denen beide Rampen eine positive Flanke aufweisen,
stellt die umgekehrte Flanke der Aufwärtsrampe überraschenderweise ein verringertes
Schaltgeräusch
bereit.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird der Pegel des Rampensignals für die Aufwärtsbetriebsart nach unten verschoben,
um die Überlappung
zwischen dem ersten und dem zweiten Rampensignal zu vergrößern, und
der Pegel des Rampensignals für
die Abwärtsbetriebsart
wird nach unten verschoben, um die Überlappung zwischen dem ersten
und dem zweiten Rampensignal zu verringern. Dies wird auf Grund
einer relativ einfachen Schaltkreisrealisierung bevorzugt. Allgemein
sind jedoch auch andere Arten der Anpassung möglich. Insbesondere ist es
sogar möglich,
den Pegel eines Rampensignals in beide Richtungen zu verschieben, ohne
das andere Rampensignal zu verschieben.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines DC/DC-Wandlers;
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2 ein
vereinfachtes Schaltbild einer Leistungsstufe in dem Wandler;
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3 ein
schematisches Schaltbild des Tastverhältnisregelkreises in dem Wandler;
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4 ein
schematisches Schaltbild eines in dem Wandler verwendeten Rampensignalgeneratorblocks;
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5 ein
Signaldiagramm, das in dem Rampensignalgeneratorblock verwendete
Taktsignale zeigt;
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6 ein
Signaldiagramm, das die von dem Rampensignalgeneratorblock erzeugten
Rampensignale zeigt; und
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7 ein
Schaltbild eines Rampensignalüberlappungssteuerblocks.
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Mit
Bezug auf 1 hat der Auf-/Abwärts-DC/DC-Wandler
eine Leistungsstufe 10 mit einem Versorgungsspannungseingang
Vin, einem Ausgang Vout und Schaltersteuereingängen c1 bis c4. Die Schaltersteuersignale
c1 bis c4 werden von einem Schaltersteuerblock 12 bereitgestellt,
der von einem Komparatorblock 14 die pulsbreitenmodulierten
Signale PWM_abwärts
und PWM_aufwärts
empfängt.
Der Komparatorblock 14 empfängt an einem seiner Eingänge das
Ausgangssignal eines Fehlerverstärkers 15,
der die Ausgangsspannung Vout mit einem Referenzsignal VREF vergleicht.
Die Rampensignale Rampe_abwärts
und Rampe_aufwärts von
einem Rampensignalgenerator 16 werden an zwei weitere Eingänge des
Komparatorblocks 14 angelegt. Der Rampengenerator 16 wird
durch ein Taktsignal CLK von einem Taktgenerator 18 betrieben. Der
Rampengenerator 16 empfängt
an einem Steuereingang ein Rampenverschiebungssteuersignal Rampe_Verschiebung
von einem Rampenüberlappungssteuerblock 20.
Der Rampenüberlappungssteuerblock 20 empfängt ein
Schalteraktivitätsanzeigesignal
Schalter_Aktivität
von dem Schaltersteuerblock 12, wodurch ein Regelkreis
geschlossen wird.
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Obwohl
in 1 separate Baublöcke gezeigt sind, sollte es
klar sein, dass der Wandler als integrierte Schaltung realisiert
ist.
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In
einem typischen nicht invertierenden Auf-/Abwärts-Wandler ist die Leistungsstufe
wie in 2 gezeigt konfiguriert. Sie hat eine Induktivität L, vier
Schalter S1 bis S4, Eingangs- und Ausgangskondensatoren Cin und
Cout und eine Ausgangslast, die durch einen Widerstand Rout dargestellt
wird. Eine Versorgungsspannung VIN wird aus einer Batterie VBAT
gewonnen, deren interner Widerstand durch einen Widerstand Rbat
dargestellt wird. Die Dioden D1 bis D4 sind lediglich parasitäre Bauelemente.
Die vier Schalter sind üblicherweise als
Leistungs-MOS-Transistoren implementiert, deren Gates von den Signalen
c1 bis c4 angesteuert werden.
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In
der Abwärtsbetriebsart,
wenn die Eingangsspannung höher
als die Ausgangsspannung ist, schalten S1 und S2 um, während S3
geöffnet
und S4 geschlossen ist. In der Aufwärtsbetriebsart, wenn die Eingangsspannung
niedriger als die Ausgangsspannung ist, schalten S3 und S4 um, während S1 geschlossen
und S2 geöffnet
ist.
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Das
Tastverhältnis
in der Abwärtsbetriebsart ist
definiert als Einschaltdauer von S1 geteilt durch die Taktperiode.
Es erhöht
sich auf 100%, wenn die Eingangsspannung auf den Wert der Ausgangsspannung
abfällt.
Das Tastverhältnis
in der Aufwärtsbetriebsart
ist definiert als Einschaltdauer S3 geteilt durch die Taktperiode.
Sie beginnt bei 0 % und nimmt zu, wenn die Eingangsspannung unter
den Wert der Ausgangsspannung abfällt. Der Wechsel von der Abwärts- zu
der Aufwärtsbetriebsart
und umgekehrt verläuft
nicht reibungslos. Es gibt an diesem Übergangspunkt eine Unterbrechung
der Übertragungsfunktion. Zur
Vermeidung dieses Problems werden herkömmlicherweise immer alle vier
Schalter innerhalb einer Taktperiode getaktet. Der Nachteil dieser
Auf-/Abwärtsbetriebsart
ist ein geringerer Wirkungsgrad auf Grund von Schaltverlusten. Außerdem kann
der Übergangspunkt
nicht genau genug definiert werden, um entweder eine Lücke ohne
jegliches Umschalten oder einen Überlappungsbereich,
in dem alle vier Schalter aktiv sind, zu vermeiden. Die Unterbrechung ist
immer noch jedes Mal, wenn die Betriebsart geändert wird, vorhanden.
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Bekannte
nicht invertierende Auf-/Abwärts-Wandler
regeln normalerweise das Tastverhältnis, das für eine gewünschte Ausgangsspannung benötigt wird,
indem zwei Rampengeneratoren mit einem Fehlerverstärkerausgangssignal
verglichen werden. Die Rampen können
eine sägezahnförmige oder
dreieckige Wellenform aufweisen. Ein Komparator detektiert, wenn
das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers die untere Rampe kreuzt,
und steuert S1 und S2 dementsprechend. In der Aufwärtsbetriebsart ist
das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers höher als die untere Rampe. S1
ist immer EIN und S2 immer AUS. In diesem Fall detektiert der zweite
Komparator das Kreuzen mit der oberen Rampe, wodurch S3 und S4 gesteuert
werden.
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Mit
Bezug auf 3 verwendet der verbesserte
Auf-/Abwärts-Wandler
gemäß der Erfindung
einen ähnlichen
Ansatz, aber das Verhältnis
der Rampensignale ist anders.
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Der
Schaltersteuerblock 12 in 1 wird in separate
Blöcke „Abwärtssteuerung" und „Aufwärtssteuerung" aufgeteilt, die
mit den von den Komparatoren Komp_abwärts bzw. Komp_aufwärts erzeugten Signalen
PWM_abwärts
bzw. PWM_aufwärts
betrieben werden. Beide Komparatoren empfangen ein Ausgangssignal
VCA von einem Fehlerverstärker
CA an ihren nicht invertierenden Eingängen und Rampensignale an ihren
invertierenden Eingängen.
Das Rampensignal für
den Komparator Komp_abwärts
ist ein Sägezahnsignal
mit einer ansteigenden (positiven) Flanke und einem Pegel, der in
dem bestimmten offenbarten Ausführungsbeispiel
zwischen 0 (Masse) und VIN/2 liegt. Das Rampensignal für den Komparator
Komp_aufwärts
befindet sich „über" dem Abwärtsrampensignal.
Es hat eine abfallende (negative) Flanke und einen Pegel, der in
dem bestimmten offenbarten Ausführungsbeispiel
zwischen VIN/2 und VIN/2+VOUT/2 liegt. Die Abwärtsrampe ist proportional zu
VIN, und die Aufwärtsrampe
ist proportional zu VOUT. Die absolute Höhe der Rampen wurde innerhalb
des Versorgungsbereichs so groß wie
möglich gewählt. Es
gibt weder eine Überlappung
noch eine Lücke
zwischen den beiden Rampensignalen.
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Wie
oben erläutert,
wird durch eine Überlappung
zwischen den beiden Rampen eine Unterbrechung der Übertragungsfunktion
des Wandlers auf Kosten des Wirkungsgrades vermieden. Eine Lücke zwischen
den Rampen würde
sämtliche
Aktivitäten der
Schalter S1 bis S4 stoppen und ein unvorhersehbares Niederfrequenzrauschen
erzeugen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Ansatz
werden die Rampensignale mit einem Regelkreis angepasst, um die Überlappung
und auch die Lücke
zwischen den Rampensignalen zu minimieren, wodurch eine Abwärts- und
Aufwärtsbetriebsart
innerhalb desselben Taktzyklus vermieden wird. Der Regelkreis beseitigt
ebenso Versatz und Temperaturdrifts automatisch.
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Der
Rampensignalgenerator in 4 erzeugt die „ABWÄRTSRAMPE" mit einer einfachen Stromquelle,
einem Kondensator und einem Schalter, der durch das Taktsignal CLK
gesteuert wird, und die „AUFWÄRTSRAMPE" mit einer Kombination
aus Stromquellen, Kondensatoren und Schaltern, die durch die Taktsignale
CLK1, CLK2, CLK1S, CLK2S und CLKS gesteuert werden, die alle von
dem durch den Taktgenerator erzeugten Taktsignal CLK abgeleitet
sind, wie in 5 dargestellt. Die entstehenden Rampensignale
sind in 6 gezeigt. Die „AUFWÄRTSRAMPE" befindet sich über der „ABWÄRTSRAMPE" ohne jegliche Überlappung
und ohne jegliche Lücke.
Die „AUFWÄRTSRAMPE" wird aus den separat
erzeugten Rampensignalen „AUFWÄRTSRAMPE
1" und „AUFWÄRTSRAMPE2" kombiniert, wobei
die Schalter durch die Taktsignale CLK1 und CLK2 gesteuert werden,
was leicht zu verstehen ist. Zwischen einen Knoten „A" und Masse ist eine
variable Impedanz geschaltet, die durch den Kanal eines MOS-Transistors
(M14, 7) gebildet wird, wie mit Bezug auf 7 erklärt wird.
Gleichermaßen
ist zwischen einen Knoten „B" und Masse eine variable
Impedanz geschaltet, die durch den Kanal eines anderen MOS-Transistors (M13, 7)
gebildet wird, wie mit Bezug auf 7 erklärt wird.
Mit diesen variablen Impedanzen werden die tatsächlichen Ladeströme für die Kondensatoren
in dem Rampensignalgenerator nach Bedarf moduliert.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
stellt die Stromquelle für
die Erzeugung der ABWÄRTSRAMPE
einen Strom bereit, der proportional zu der Eingangsspannung VIN
ist. Gleichermaßen
stellen die Stromquellen für
die ansteigenden und abfallenden Rampen der AUFWÄRTSRAMPE Ströme bereit, die
proportional zu den Eingangs- bzw. Ausgangsspannungen sind. Dieses
Vorwärtskopplungskonzept stellt
eine konstante Schleifenverstärkung über den Bereich
der Versorgungsspannungen sicher.
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Mit
Bezug auf 7 empfängt der Rampenüberlappungssteuerblock
(20 in 1) die Detektionssignale OV_INC
und OV_DEC zur Steuerung der Schalter SW1 bis SW4. <B>.
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Immer
dann, wenn ein Umschalten zwischen der Abwärts- und Aufwärtsbetriebsart
innerhalb einer Taktperiode detektiert wird, werden S2 und S3 in 7 geschlossen.
Folglich wird C1 entladen und C2 geladen, der durch M13 fließende Strom
nimmt ab, und der durch M14 fließende Strom nimmt zu. Bei keiner
Umschaltaktivität
innerhalb einer Taktperiode werden S1 und S4 geschlossen. C1 wird
geladen und C2 wird entladen, der durch M13 fließende Strom nimmt zu, und der
durch M14 fließende
Strom nimmt ab.
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Der
Drain von M13 ist mit dem gemeinsamen Knoten B der beiden von VMAX
kommenden Stromquellen und der beiden durch CLK1 und CLK2 getakteten
Schalter in 4 verbunden. Der Drain von M14
ist mit dem Signal ABWÄRTSRAMPE
in 4 bei Knoten A verbunden.
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In
der offenbarten Ausführungsform
wirkt die variable Impedanz an Knoten A in 4, um den
maximalen Rampenpegel der Abwärtsrampe
herabzusetzen. Gleichermaßen
wirkt die variable Impedanz an Knoten B in 4, um den
unteren Teil der Aufwärtsrampe
auf einen niedrigeren Pegel zu verschieben. Dieser Ansatz wurde
gewählt,
um die Schaltungsanordnung zu vereinfachen. Andere Ansätze beständen in
einer Anpassung lediglich des Pegels der Abwärtsrampe oder der Aufwärtsrampe
oder in anderen Kombinationen der Rampenanpassung, solange die Rampenüberlappung
und die Lücke
zwischen den Rampen minimiert werden.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der Erfindung wird durch Umkehrung der Flanke der Aufwärtsrampe
in Bezug auf die Flanke der Abwärtsrampe
erreicht. Wie man herausfand, wird der Einfluss des Schaltgeräuschs mit
diesem Ansatz minimiert.