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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungskonversion,
einen Spannungskonverter, eine Verwendung eines Spannungskonverters
und ein Verfahren zur Spannungskonversion.
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Schaltungsanordnungen
zur Versorgung elektrischer Lasten finden beispielsweise Einsatz
in Geräten
der Mobilkommunikation und in Kameras. Sie werden unter anderem
zur Versorgung von Leuchtdioden, abgekürzt LEDs, verwendet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur
Spannungskonversion, einen Spannungskonverter und ein Verfahren
zur Spannungskonversion bereitzustellen, die eine hohe Flexibilität bei der
Versorgung einer elektrischen Last gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird mit den Gegenständen der
Patentansprüche
1 und 23 sowie dem Verfahren gemäß Patentanspruch
26 gelöst.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst
eine Schaltungsanordnung zur Spannungskonversion einen Vorwärtszweig
und einen Rückkopplungszweig,
der mit dem Vorwärtszweig
gekoppelt ist. Der Vorwärtszweig weist
einen ersten Lastanschluss auf. An den ersten Lastanschluss ist
eine elektrische Last anschließbar. Der
Rückkopplungszweig
umfasst eine Abtastvorrichtung. Die Abtastvorrichtung ist zum Abtasten
einer Spannung, die an der elektrischen Last abgreifbar ist, ausgelegt.
Die elektrische Last ist pulsweitenmoduliert mit elektrischer Energie
versorgbar.
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Mittels
des Vorwärtszweigs
der Schaltungsanordnung wird an dem ersten Lastanschluss eine Ausgangsspannung
bereitgestellt. Aufgrund des pulsweitenmodulierten Betriebs der
elektrischen Last weist die Energie, die von dem Vorwärtszweig
der Schaltungsanordnung an die elektrische Last abgegeben wird,
ebenfalls eine pulsweitenmodulierte Form auf. Mittels der Abtastvorrichtung
in dem Rückkopplungszweig
kann ein Zeitpunkt eingestellt werden, an dem eine an der elektrischen
Last abgreifbare Spannung abgetastet wird und von dem Rückkopplungszweig
dem Vorwärtszweig
zur Steuerung der Spannungskonversion bereitgestellt wird.
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Mit
Vorteil kann mittels der Abtastvorrichtung eine Taktphase und ein
Zeitpunkt in der Taktphase, an dem das an der elektrischen Last
abgreifbare Signal abgetastet wird, eingestellt werden, so dass
von dem Rückkopplungszweig
dem Vorwärtszweig
eine Information bereitgestellt wird, die in erster Näherung unabhängig von
den beiden Taktphasen des pulsweitenmodulierten Betriebs der elektrischen
Last ist.
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Die
Schaltungsanordnung kann zum Betrieb von mindestens einer Leuchtdiode
als elektrischer Last vorgesehen sein. Mit Vorteil kann mittels
des Tastverhältnisses
eine Helligkeit, welche die LED zur Verfügung stellt, eingestellt werden.
Dabei kann eine lineare Beziehung zwischen der Helligkeit und dem Tastverhältnis bestehen.
Mit Vorteil wird die Leuchtdiode in einer eingeschalteten Phase
des pulsweitenmodulierten Betriebs mit jeweils dem gleichen Strom betrieben,
so dass sich ein Farbspektrum der Leuchtdiode auch bei einer Änderung
der Helligkeit nicht verändert.
Mit Vorteil können
beispielsweise Frequenzen über
20 Kilohertz für
den pulsweitenmodulierten Betrieb verwendet werden, da bei derartigen Frequenzen
keine hörbaren
mechanischen Schwingungen von Bauelementen in einem System wie etwa
einem Gerät
der Mobilkommunikation auftreten. Mit Vorteil ist aufgrund der Abtastvorrichtung
im Rückkopplungszweig
ein Signal, das dem Vorwärtszweig
zur Steuerung bereitgestellt wird, von der Frequenz der Pulsweitenmodulation
näherungsweise unabhängig.
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In
einer Ausführungsform
ist in der Abtastvorrichtung ein erster Schalter realisiert, der
einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist und an dem ersten
Anschluss mit einem Anschluss der elektrischen Last verbunden ist.
Der erste Schalter weist einen Steueranschluss auf, der mit einem
Takteingang der Schaltungsanordnung verbunden ist. Der Takteingang
ist zur Zuführung
eines pulsweitenmodulierten Taktsignals an die Schaltungsanordnung vorgesehen.
Der erste Schalter kann als Bipolar-Transistor ausgebildet sein.
Alternativ kann der erste Schalter als Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor,
abgekürzt
MOSFET, realisiert sein. Der erste Schalter kann als p-Kanal MOSFET
ausgebildet sein. Mit Vorteil ist der erste Schalter als n-Kanal MOSFET
ausgebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erste Schalter
als Transmission-Gate realisiert und weist eine Parallelschaltung
eines n-Kanal und eines p-Kanal MOSFETs auf.
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Die
Abtastvorrichtung kann als Abtasthalteschaltung realisiert sein
und kann ein Halteglied umfassen.
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Mit
Vorteil weist die Abtastvorrichtung einen ersten Kondensator auf.
Eine Elektrode des ersten Kondensators ist an einem zweiten Anschluss
des ersten Schalters angeschlossen.
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In
einer Ausführungsform
ist eine weitere Elektrode des ersten Kondensators an einem Bezugspotenzialanschluss
angeschlossen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist die weitere Elektrode des ersten Kondensators an dem ersten
Lastanschluss angeschlossen. In einer anderen Ausführungsform
ist die weitere Elektrode des ersten Kondensators mit dem ersten
Lastanschluss gekoppelt. Ein zweiter Kondensator kann vorgesehen
sein, der die weitere Elektrode des ersten Kondensators mit dem
ersten Lastanschluss verbindet. Somit wird mit Vorteil ein Spannungssprung
an der Ausgangsspannung über
den ersten beziehungsweise über
den ersten und den zweiten Kondensator dem zweiten Anschluss des
ersten Schalters zugeführt.
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In
einer Ausführungsform
umfasst der Rückkopplungszweig
einen Verstärker,
der an einem zweiten Eingang mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalters
verbunden ist. Ein Ausgang des Verstärkers ist mit dem Vorwärtszweig
verbunden. Einem ersten Eingang des Verstärkers ist eine Referenzspannung
zuführbar.
Ein Signal an dem Ausgang des Verstärkers kann in Abhängigkeit
einer Differenz der Signale an dem ersten und dem zweiten Eingang
des Verstärkers
bereitgestellt werden. Der Verstärker kann
als Differenzverstärker
realisiert sein, der eine Differenz der beiden anliegenden Eingangsspannungen
verstärkt
und ein analoges Signal an dem Ausgang des Verstärkers bereitstellt. Der Verstärker kann
als Operationsverstärker,
englisch voltage feedback operational amplifier, vorgesehen sein.
Alternativ kann der Verstärker
als Komparator ausgebildet sein und an dem Ausgang ein digitales
Signal bereitstellen. In einer weiteren alternativen Ausführungsform
kann der Verstärker
als Transkonduktanzverstärker,
englisch operatio nal transconductance amplifier, abgekürzt OTA,
realisiert sein.
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In
einer Ausführungsform
weist der Rückkopplungszweig
eine Stromsenkenanordnung auf, die über einen zweiten Lastanschluss
mit der elektrischen Last gekoppelt ist. Die Stromsenkenanordnung
ist dazu ausgelegt, einen durch die elektrische Last fließenden Laststrom
in Pulsweitenform zu modulieren. Die elektrische Last kann zwischen
dem ersten Lastanschluss und dem zweiten Lastanschluss angeordnet
sein. In einer Ausführungsform ist
der erste Anschluss des ersten Schalters mit dem zweiten Lastanschluss
verbunden. Die Stromsenkenanordnung kann mit dem Takteingang verbunden sein.
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Bevorzugt
ist in der Stromsenkenanordnung ein Stromsenkenschalter angeordnet,
der mit dem Takteingang der Schaltungsanordnung zur Zuführung des
pulsweitenmodulierten Taktsignals verbunden ist. Die Stromsenkenanordnung
kann einen Widerstand aufweisen, der seriell zu dem Stromsenkenschalter
geschaltet ist, sodass eine Serienschaltung, umfassend den Widerstand
und den Stromsenkenschalter, den zweiten Lastanschluss mit dem Bezugspotenzialanschluss
verbindet.
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In
einer Ausführungsform
weist die Stromsenkenanordnung einen MOSFET auf, der mittels einer
Steuerspannung an einem Steueranschluss entsprechend dem pulsweitenmodulierten
Taktsignal ein- beziehungsweise ausgeschaltet wird. Mittels eines
Werts der Steuerspannung in der eingeschalteten Phase des Taktsignals
kann ein Wert für
den Laststrom eingestellt werden.
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Mit
Vorteil umfasst die Stromsenkenanordnung einen Stromspiegel. In
einer Ausführungsform umfasst
der Stromspiegel der Stromsenkenanordnung den Stromsenkenschalter.
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In
einer Ausführungsform
kann der Vorwärtszweig
zur Spannungswandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung
vorgesehen sein. In einer anderen Ausführungsform dient der Vorwärtszweig
zur Abwärtskonversion
einer Gleichspannung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vorwärtszweig
für eine
Aufwärtskonversion
einer Gleichspannung ausgebildet.
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Der
Vorwärtszweig
umfasst einen Eingang zum Koppeln mit einer Versorgungsquelle. Der
Vorwärtszweig
kann einen Steuerschalter aufweisen, der an einem ersten Anschluss
mit dem Eingang und an einem zweiten Anschluss mit dem Bezugspotenzialanschluss
verbunden ist. Der Vorwärtszweig
kann eine Steuerungsanordnung aufweisen, die zwischen der Rückkopplungsanordnung
und einen Steueranschluss des Steuerschalters geschaltet ist.
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Eine
Periodendauer eines Steuersignals, welches dem Steueranschluss des
Steuerschalters zugeführt
wird, kann unabhängig
von einer Periodendauer des pulsweitenmodulierten Taktsignals sein. Das
pulsweitenmodulierte Taktsignal kann somit mit Vorteil eine geringere
Periodendauer und damit eine höhere
Frequenz als das Steuersignal aufweisen. Somit kann eine elektrische
Last mit einer Spannung versorgt werden, die nur wenige Frequenzanteile
in einem hörbaren
Spektrum aufweist, welches Frequenzen kleiner als zwanzig Kilohertz
umfasst.
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In
einer Ausführungsform
weist der Vorwärtszweig
eine Diode auf, die den Eingang der Schaltungsanordnung mit dem
ersten Lastanschluss koppelt. Bevorzugt ist die Diode als Schottky-Diode ausgebildet
und zeigt eine geringe Durchlassspannung. Alternativ weist der Vorwärtszweig
einen zweiten Schalter zur Kopplung des Eingangs der Schaltungsanordnung
mit dem ersten Lastanschluss auf. Der zweite Schalter kann als MOSFET
realisiert sein.
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Die
Schaltungsanordnung kann auf einem Halbleiterkörper realisiert sein. Zur Herstellung
der Schaltungsanordnung auf dem Halbleiterkörper kann eine Bipolar-Integrationstechnik
verwendet werden. Bevorzugt wird zur Herstellung der Schaltungsanordnung
auf dem Halbleiterkörper
eine Complementary Metal Oxide Semiconductor Integrationstechnik,
abgekürzt
CMOS-Integrationstechnik,
eingesetzt.
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In
einer Ausführungsform
nach dem vorgeschlagenen Prinzip umfasst ein Spannungskonverter die
Schaltungsanordnung und eine Induktivität, die eine Versorgungsquelle
mit dem Eingang der Schaltungsanordnung verbindet. In einer Ausführungsform kann
die elektrische Last eine Leuchtdiode aufweisen. Alternativ kann
die elektrische Last mehrere in Serie geschaltete Leuchtdioden umfassen.
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Der
Spannungskonverter kann für
eine Anzeige- oder Beleuchtungseinrichtung eingesetzt sein. Der
Spannungskonverter kann als Gleichspannungs-/Gleichspannungswandler,
englisch direct current/direct current-converter, abgekürzt DC/DC-Converter,
verwendbar sein.
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Erfindungsgemäß sieht
ein Verfahren zur Spannungskonversion folgende Schritte vor: Einer elektrischen
Last wird elektrische Energie pulsweitenmoduliert bereitgestellt.
Eine Rückkoppelspannung,
die an einem Anschluss der elektrischen Last abgreifbar ist, wird
abgetastet. Die Abtastung erfolgt in einer ersten Taktphase, während der
die elektrische Last mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Wert
der Rückkoppelspannung,
welcher an dem Ende der ersten Taktphase abgreifbar ist, wird in
einer zweiten Taktphase gehalten. Während der zweiten Taktphase
wird die elektrische Last nicht mit elektrischer Energie versorgt.
Eine Spannungskonversion wird in Abhängigkeit von der Rückkoppelspannung
gesteuert. Mittels der Spannungskonversion wird elektrische Energie
für die
elektrische Last bereitgestellt.
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Mit
Vorteil wird zur Steuerung der Spannungskonversion ausschließlich ein
Signal eingesetzt, das während
des Betriebs der elektrischen Last abgreifbar ist. Mit Vorteil wird
somit bei der Steuerung der Spannungskonversion diejenige Taktphase
nicht berücksichtigt,
in der die pulsweitenmoduliert betriebene elektrische Last keine
elektrische Energie verbraucht.
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In
einer Weiterbildung wird der Wert der Rückkoppelspannung in der zweiten
Taktphase um näherungsweise
den Wert erhöht,
um den eine Ausgangsspannung des Spannungskonverters ansteigt.
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In
einer Weiterbildung wird nicht in jeder ersten Taktphase die Rückkoppelspannung
abgetastet, sondern erfolgt ein Abtasten in jeder zweiten der ersten
Taktphasen. Alternativ erfolgt das Abtasten in jeder n-ten ersten
Taktphase.
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In
einer Ausführungsform
wird während
der gesamten ersten Taktphase die elektrische Last mit Energie versorgt
und die Rückkoppelspannung
an dem Anschluss der elektrischen Last abgegriffen. In einer anderen
Ausführungsform
kann eine Zeitspanne, während
der die Rückkoppelspannung
abgegriffen wird, kleiner als eine Zeitspanne der ersten Taktphase
sein, aber innerhalb der ersten Taktphase liegen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der
Figuren näher
erläutert.
Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente tragen gleiche
Bezugszeichen. Insoweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in
ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder
der folgenden Figuren wiederholt.
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1A und 1B zeigen
beispielhafte Ausführungsformen
einer Schaltungsanordnung zur Spannungskonversion nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2A zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
einer Abtastvorrichtung,
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2B zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
eines Verstärkers,
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3 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
einer Stromsenkenanordnung und
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4A und 4B zeigen
beispielhafte Ausführungsformen
eines ersten Schalters.
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1A zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
einer Schaltungsanordnung zur Spannungskonversion nach dem vorgeschlagenen
Prinzip. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst einen Vorwärtszweig 60 und
einen Rückkopplungszweig 61. Der
Rückkopplungszweig 61 weist
eine Stromsenkenanordnung 50 auf, der eine Abtastvorrichtung 30 nachgeschaltet
ist, der wiederum ein Verstärker 20 nachgeschaltet
ist. Der Rückkopplungszweig 61 ist ausgangsseitig
mit dem Vorwärtszweig 60 gekoppelt. Der
Vorwärtszweig 60 weist
eine Steuerungsanordnung 14 auf, die eingangsseitig mit
dem Rückkopplungszweig 61 gekoppelt
ist und der ein Steuerschalter 10 nachgeschaltet ist, dem
wiederum eine Diode 15 nachgeschaltet ist. Ein Anschluss
der Diode 15 ist mit einem ersten Lastanschluss 45 verbunden.
Eine elektrische Last 47 ist zwischen dem ersten Lastanschluss 45 und
einem zweiten Lastanschluss 46 angeordnet. Die elektrische
Last 47 umfasst in dieser Ausführungsform fünf Leuchtdioden,
die in Serie zueinander geschaltet sind.
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Der
zweite Lastanschluss 46 ist über die Stromsenkenanordnung 50 mit
einem Bezugspotenzialanschluss 8 verbunden. Die Stromsenkenanordnung 50 weist
einen Stromsenkenschalter 51 und eine Stromquelle 52 auf,
die seriell zueinander und zwischen den zweiten Lastanschluss 46 und
den Bezugspotenzialanschluss 8 geschaltet sind. Ein Steueranschluss
des Stromsenkenschalters 51 ist mit einem Takteingang 44 der
Schaltungsanordnung 1 verbunden. Die Abtastvorrichtung 30 weist
einen ersten Schalter 31 auf, der an einem ersten Anschluss 32 mit
dem zweiten Lastanschluss 46, an einem zweiten Anschluss 33 über einen
ersten Kondensator 35 mit dem Bezugspotenzialanschluss 8 und
an einem Steueranschluss 34 mit dem Takteingang 44 der Schaltungsanordnung 1 gekoppelt
ist. Der zweite Anschluss 33 des ersten Schalters 31 ist
an einem zweiten Eingang 22 des Verstärkers 20 angeschlossen. Der
Verstärker 20 ist
an einem Ausgang 23 mit der Steuerungsanordnung 14 verbunden.
Der Steuerschalter 10 ist als n-Kanal MOSFET realisiert
und umfasst einen Steueranschluss 13, der mit der Steuerungsanordnung 14 verbunden
ist, einen ersten Anschluss 11, der mit einem Eingang 2 der
Schaltungsanordnung 1 und mit einem weiteren Anschluss
der Diode 15 verbunden ist und einen zweiten Anschluss 12,
der mit dem Bezugspotenzialanschluss 8 verbunden ist. Die
Diode 15 koppelt den Eingang 2 der Schaltungsanordnung
mit dem ersten Lastanschluss 45. An dem ersten Lastanschluss 45 ist
ein erster Stützkondensator 48 angeschlos sen.
Der Eingang 2 der Schaltungsanordnung 1 ist über eine
Induktivität 3 mit
einer Versorgungsquelle 5 verbunden. An der Versorgungsquelle 5 ist
ein zweiter Stützkondensator 4 angeschlossen.
Die Induktivität 3 ist
als Spule ausgebildet.
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An
dem Takteingang 44 wird der Schaltungsanordnung 1 ein
pulsweitenmoduliertes Signal PWM zugeführt. Das pulsweitenmodulierte
Signal PWM weist eine Periodendauer Tpwm auf. In einer ersten Taktphase
ist der Stromsenkenschalter 51 geschlossen, so dass durch
die elektrische Last 47 ein Laststrom Iled fließt, der
mittels der Stromquelle 52 eingestellt wird. Während der
ersten Taktphase ist ebenso der erste Schalter 31 geschlossen,
so dass eine Senkenspannung Vsink, welche an dem zweiten Lastanschluss 46 abgreifbar
ist, über
den ersten Schalter 31 als Rückkoppelspannung Vfb dem zweiten
Eingang 22 des Verstärkers 20 zugeführt wird
und an dem ersten Kondensator 35 anliegt. In einer zweiten
Taktphase sind der Stromsenkenschalter 51 und der erste Schalter 31 offen.
Somit weist der Laststrom Iled, welcher in der zweiten Taktphase
durch die elektrische Last 47 fließt, den Wert Null auf. Da der
erste Schalter 31 in der zweiten Taktphase offen geschaltet ist,
hat ein Anstieg der Senkenspannung Vsink an dem zweiten Lastanschluss 46 keinen
Einfluss auf die Steuerung der Schaltungsanordnung 1. Mittels des
ersten Kondensators 35 wird ein Wert der Rückkoppelspannung
Vfb, der am Ende der ersten Taktphase an dem ersten Kondensator 35 anlag,
während
der zweiten Taktphase gehalten. Da ein Eingangswiderstand des zweiten
Anschlusses 22 des Verstärkers 20 und ein Eingangswiderstand
des zweiten Anschlusses 33 des ersten Schalters 31 sehr hohe
Werte aufweisen, sinkt die Rückkoppelspannung
Vfb während
der zweiten Taktphase nur geringfügig ab. Dem ersten Anschluss 21 des
Verstärkers 20 wird
eine Referenzspannung Vref zugeführt.
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Ein
mittels des Verstärkers 20 bereitgestelltes
Signal, das in Abhängigkeit
von der Differenz der Referenzspannung Vref und der Rückkoppelspannung
Vfb bereitgestellt wird, wird der Steueranordnung 14 zugeleitet.
Sinkt die Rückkoppelspannung Vfb
unter die Referenzspannung Vref, so steuert die Steuerungsanordnung 14 den
Steuerschalter 10 mittels eines Steuersignals St so an,
dass er leitend geschaltet ist. Somit kann ein Ladestrom Il von
der Versorgungsquelle 5 über die Induktivität 3 und
den Steuerschalter 10 zu dem Bezugspotenzialanschluss 8 fließen. In
der Induktivität 3 wird
somit elektrische Energie gespeichert. Nach Ablauf einer einstellbaren Zeit,
während
der der Steuerschalter 10 geschlossen ist, wird der Steuerschalter 10 geöffnet. Der
Ladestrom Il fließt
in einer folgenden Phase, während
der der Steuerschalter 10 offen ist, anstelle durch den Steuerschalter 10 durch
die Diode 15 und lädt
den erste Stützkondensator 48 auf.
An dem ersten Stützkondensator 48 ist
eine Ausgangsspannung Vdc der Schaltungsanordnung 1 abgreifbar.
Mittels der Ausgangsspannung Vdc wird die elektrische Last 47 und die
Stromsenkenanordnung 50 mit elektrischer Energie versorgt.
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Somit
wird mit Vorteil Energie im ersten Stützkondensator 48 vor
allem dann gespeichert, wenn sich während der ersten Taktphase
die Senkenspannung Vsink unter dem Wert der Referenzspannung Vref
befindet. Das Aufladen des ersten Stützkondensators 48 erfolgt
somit unabhängig
von der Periodendauer Tpwm sowie der Dauer der ersten und der Dauer
der zweiten Taktphase des pulsweitenmodulierten Signals PWM. Das Öffnen des
Stromsenkenschalters 51 kann einen Anstieg der Stromsenkenspannung
Vsink bis nahezu auf den Wert der Ausgangsspannung Vdc zur Folge
haben. Mit Vorteil ist daher der erste Schalter 31 ebenfalls
offen, sofern der Stromsenkenschalter 51 offen ist. Damit
wird vermieden, dass ein Aufladen des ersten Stützkondensators 48 in
der zweiten Taktphase unterbleibt, obwohl das Aufladen für die Versorgung
der elektrischen Last 47 in der folgenden erste Taktphase
gewünscht
ist.
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1B zeigt
eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1A.
Gemäß 1B weist
die Abtastvorrichtung 30' den
ersten Schalter 31 und die erste Kapazität 35,
die an einer ersten Elektrode 36 mit dem zweiten Anschluss 33 des
ersten Schalters 31 verbunden ist, auf. Im Unterschied zu 1A ist
in der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1B eine
zweite Elektrode 37 der ersten Kapazität 35 mit einem Knoten
gekoppelt, welcher über
einen zweiten Kondensator 38 und einen ersten Widerstand 39 mit
dem ersten Lastanschluss 45 und über einen zweiten Widerstand 40 mit
dem Bezugspotenzialanschluss 8 verbunden ist.
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Wie
in der Schaltungsanordnung gemäß 1A wird
das pulsweitenmodulierte Signal PWM über den Takteingang 44 dem
ersten Schalter 31 und dem Stromsenkenschalter 51 zugeführt. In
der ersten Taktphase sind beide Schalter 31, 51 geschlossen und
in der zweiten Taktphase offen. Der Strom Iled durch die elektrische
Last 47 aus Leuchtdioden wird somit gemäß dem pulsweitenmodulierten
Signal PWM moduliert und dadurch die durchschnittliche Helligkeit
eingestellt.
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Beim
Ausschalten des Steuerschalters 10 tritt eine Spannungsüberhöhung an
dem Eingang 2 auf, die zu einem Stromfluss durch die Diode 15 und einem
schnellen Anstieg der Ausgangsspannung Vdc an dem ersten Lastanschluss 45 führt. Dieser schnelle
Anstieg der Ausgangsspannung Vdc wird mittels der Serienschaltung,
umfassend den ersten und den zweiten Kondensator 37, 38,
auf die Rückkoppelspannung
Vfb übertragen.
Somit erhöht
sich die Rückkoppelspannung
Vfb während
der zwei ten Taktphase des pulsweitenmodulierten Signals PWM, sofern
die Ausgangsspannung Vdc in der zweiten Taktphase erhöht wird.
In der ersten Taktphase wird die Rückkoppelspannung Vfb durch
die niederohmige Verbindung des zweiten Eingangs 22 des
Verstärkers 20 zu
dem zweiten Lastanschluss 46 auf den Wert der Senkenspannung
Vsink eingestellt, so dass die Serienschaltung, umfassend den ersten
und den zweiten Kondensator 37, 38, nur einen
geringen Einfluss auf die Rückkoppelspannung
Vfb aufweist.
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Steigt
die Rückkoppelspannung
Vfb über
die Referenzspannung Vref, wird somit von der Steuerungsanordnung 14 weder
in der ersten noch in der zweiten Taktphase ein weiterer Aufladevorgang
zum Erhöhen
der Ausgangsspannung Vdc initiiert. Mit Vorteil folgt eine Erhöhung der
Ausgangsspannung Vdc somit ausschließlich dann, wenn die Ausgangsspannung
Vdc derart klein ist, dass die Rückkoppelspannung
Vfb unter dem Wert der Referenzspannung Vref ist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist anstelle der Diode 15 ein zweiter Schalter 16 vorgesehen,
der den Eingang 2 mit dem ersten Lastanschluss 45 verbindet,
und offen geschaltet ist, wenn der Steuerschalter 10 geschlossen
wird.
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2A zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
der Rückkopplungsschaltung,
wie sie in den Schaltungsanordnungen gemäß den 1A und 1B eingesetzt
werden kann. Die Rückkopplungsschaltung 30'' gemäß 2A weist
den ersten Schalter 31 und den ersten Kondensator 35 auf.
Die zweite Elektrode 37 des ersten Kondensators 35 ist mit
dem zweiten Lastanschluss 45 verbunden. Ein schneller Anstieg
der Ausgangsspannung Vdc wird bei einem offenen Zustand des ersten
Schalters 31 mittels des ersten Kondensators 37 auf
die Rück koppelspannung
Vfb übertragen.
Somit erhöht
sich die Rückkoppelspannung
Vfb während
der zweiten Taktphase des pulsweitenmodulierten Signals PWM, sofern
die Ausgangsspannung Vdc in der zweiten Taktphase erhöht wird.
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2B zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
des Verstärkers,
wie sie in den Schaltungsanordnungen gemäß den 1A und 1B eingesetzt
werden kann. Der Verstärker 20' gemäß 2B umfasst
einen Transkonduktanzverstärker 24,
dem eine Impedanz 65 nachgeschaltet ist. Die Impedanz 65 verbindet
einen Ausgang 27 des Transkonduktanzverstärkers 24 mit
dem Bezugspotentialanschluss 8 und ist als Tiefpass ausgebildet.
Die Impedanz 65 umfasst einen Kondensator 66,
der zwischen den Ausgang 27 des Transkonduktanzverstärkers 24 und
den Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet ist, sowie eine
Serienschaltung aus einem Widerstand 67 und einem weiteren
Kondensator 68, die ebenfalls zwischen den Ausgang 27 des
Transkonduktanzverstärkers 24 und
den Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet ist. Ein zweiter
Eingang 26 des Transkonduktanzverstärkers 24 ist mit dem
zweiten Anschluss 33 des ersten Schalters 31 und
der Ausgang 27 des Transkonduktanzverstärkers 24 ist mit der
Steuerungsanordnung 14 verbunden.
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Dem
Transkonduktanzverstärker 24 wird
an einem ersten Eingang 25 die Referenzspannung Vref und
an dem zweiten Eingang 26 die Rückkoppelspannung Vfb zugeführt. Ist
die Referenzspannung Vref größer als
die Rückkoppelspannung
Vfb, so gibt der Transkonduktanzverstärkers 24 ausgangsseitig einen
positiven Strom Itr ab, der zu einem Anstieg einer Spannung an dem
Eingang der Steuerungsanordnung 14 führt. Ist hingegen die Referenzspannung
Vref kleiner als die Rückkoppelspannung
Vfb, so gibt der Transkonduktanzverstärkers 24 ausgangsseitig
einen negativen Strom Itr ab, der zu einer Verringerung der Spannung
an dem Eingang der Steuerungsanordnung 14 führt. Durch
die Tiefpassfunktion der Impedanz 65 wird die Spannung
geglättet.
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3 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
einer Stromsenkenanordnung 50. Die Stromsenkenanordnung 50 weist
den Stromsenkenschalter 51 und die Stromquelle 52 auf,
die seriell zueinander und zwischen den zweiten Lastanschluss 46 und den
Bezugspotenzialanschluss 8 geschaltet sind. Die Stromquelle 52 umfasst
einen Stromspiegel 53. Der Stromspiegel 53 ist
als Kaskode-Stromspiegel ausgebildet und weist einen ersten und
einen zweiten Transistor 54, 55 auf, die in Serie
zueinander geschaltet sind. Die Serienschaltung, umfassend den ersten
und den zweiten Transistor 54, 55, koppelt den Stromsenkenschalter 51 mit
dem Bezugspotenzialanschluss 8. Darüber hinaus weist der Stromspiegel 53 einen
dritten und einen vierten Transistor 56, 57 auf,
die seriell zueinander geschaltet sind und einen Anschluss 58 mit
dem Bezugspotenzialanschluss 8 verbinden. Die Steueranschlüsse des
ersten und des dritten Transistors 54, 56 sind
miteinander und mit einem ersten Anschluss des dritten Transistors 56 verbunden.
Ebenso sind die Steueranschlüsse
des zweiten und des vierten Transistors 55, 57 miteinander
und mit einem ersten Anschluss des vierten Transistors 57 verbunden.
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An
dem Anschluss 58 wird dem Stromspiegel 53 ein
Steuerstrom Ie zugeführt.
Ein Wert des Laststromes Iled ist proportional zu dem Wert des Steuerstroms
Ie multipliziert mit dem Größenverhältnis des
ersten und des zweiten Transistors 55, 56 zu dem
dritten und dem vierten Transistor 56, 57. Die vier
Transistoren 54 bis 57 sind als MOSFETs ausgebildet.
Sie sind bevorzugt als n-Kanal MOSFETs realisiert. Der Stromsenkenschal ter 51 ist
ebenfalls bevorzugt als n-Kanal MOSFET realisiert. Mit Vorteil lässt sich
mittels der Stromsenkenanordnung 50 der durch die elektrische
Last 47 fließende
Strom Iled begrenzen, so dass eine Überlastung der elektrischen Last 47 vermieden
wird.
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4A zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
des ersten Schalters 31. Der erste Schalter 31 ist
als n-Kanal MOSFET ausgebildet. Alternativ kann der erste Schalter 31 als
p-Kanal MOSFET realisiert
sein.
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4B zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
des ersten Schalters 31. Der erste Schalter 31 ist
gemäß 4b als
Transmission-Gate realisiert und umfasst somit einen p-Kanal Feldeffekttransistor 70 und
einen n-Kanal Feldeffekttransistor 71, die beide an einem
ersten Anschluss mit dem ersten Anschluss 32 des ersten
Schalters 31 und an einem zweiten Anschluss mit dem zweiten
Anschluss 33 des ersten Schalters 31 verbunden
sind. Der Takteingang 44 ist direkt mit einem Steueranschluss
des Transistors 71 und über
einen Inverter 72 mit einem Steueranschluss des Transistors 70 verbunden.
Mit Vorteil ist aufgrund der Ausbildung des ersten Schalters 31 als
Transmission-Gate ein Spannungsabfall über dem ersten Schalter 31 gering.
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Eingang
- 3
- Induktivität
- 4
- zweiter
Stützkondensator
- 5
- Versorgungsquelle
- 6
- Versorgungsspannungsanschluss
- 8
- Bezugspotentialanschluss
- 10
- Steuerschalter
- 11
- erster
Anschluss
- 12
- zweiter
Anschluss
- 13
- Steueranschluss
- 14
- Steuerungsanordnung
- 15
- Diode
- 16
- zweiter
Schalter
- 20,
20'
- Verstärker
- 21
- erster
Eingang
- 22
- zweiter
Eingang
- 23
- Ausgang
- 24
- Transkonduktanzverstärker
- 25
- erster
Eingang
- 26
- zweiter
Eingang
- 27
- Ausgang
- 30,
30', 30''
- Abtastvorrichtung
- 31
- erster
Schalter
- 32
- erster
Anschluss
- 33
- zweiter
Anschluss
- 34
- Steueranschluss
- 35
- erster
Kondensator
- 36
- erste
Elektrode
- 37
- zweite
Elektrode
- 38
- zweiter
Kondensator
- 39
- erster
Widerstand
- 40
- zweiter
Widerstand
- 44
- Takteingang
- 45
- erster
Lastanschluss
- 46
- zweiter
Lastanschluss
- 47
- elektrische
Last
- 50
- Stromsenkenanordnung
- 51
- Stromsenkenschalter
- 52
- Stromquelle
- 53
- Stromspiegel
- 54,
55, 56, 57
- Transistor
- 58
- Anschluss
- 60
- Vorwärtszweig
- 61
- Rückkopplungszweig
- 65
- Impedanz
- 66,
68
- Kondensator
- 67
- Widerstand
- 70
- p-Kanal
Feldeffekttransistor
- 71
- n-Kanal
Feldeffekttransistor
- Ie
- Steuerstrom
- Il
- Ladestrom
- Iled
- Laststrom
- Itr
- Strom
- PWM
- pulsweitenmoduliertes
Signal
- St
- Steuersignal
- t
- Zeit
- Tpwm
- Periodendauer
- Vdc
- Ausgangsspannung
- Vfb
- Rückkoppelspannung
- Vref
- Referenzspannung
- Vsink
- Senkenspannung