DE102009026612A1

DE102009026612A1 - Ansteuerung eines Verbrauchers mit einem Rauschsignal

Info

Publication number: DE102009026612A1
Application number: DE102009026612A
Authority: DE
Inventors: Markus Lindner; Igor Katchan; Holger Nehmelmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung mindestens eines Verbrauchers, insbesondere mindestens einer Kette mehrerer in Reihe geschalteter LEDs, mittels pulsweitenmodulierter (PWM-) Signale, bei dem Taktpulse nach zufällig variierender Periodenlänge mittels eines Zufallszahlengenerators 11 erzeugt werden, wobei in einem ersten Komparator 12 ein mittels eines Zählers 18 erzeugter Zählerstand mit einem von einer Zufallszahl abhängigen Schwellwert verglichen wird und dieser erste Komparator 12 bei Erreichen des Schwellwertes ein Ausgangssignal erzeugt, wobei die Abfolge der erzeugten Ausgangssignale den Takt mindestens eines pulsweitenmodulierten (PWM-) Signals bestimmt. Die Erfindung betrifft ferner eine Steuerungsschaltung 1 zur Steuerung mindestens eines Verbrauchers, insbesondere mindestens einer Kette mehrerer in Reihe geschalteter LEDs mittels pulsweitenmodulierter (PWM-) Signale mit mindestens einem Zähler 18, der mit mindestens einem ersten Komparator 12 gekoppelt ist, wobei der erste Komparator 12 den Zählerstand des Zählers 18 mit einem Schwellwert vergleicht und Ausgangssignale erzeugt, deren Abfolge den Takt mindestens eines pulsweitenmodulierten (PWM-) Signals bestimmt, und mit mindestens einem Zufallszahlengenerator 11 zur Erzeugung des Schwellwerts, dessen Ausgang mit einem Eingang des ersten Komparators 12 gekoppelt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerungsschaltung zur Steuerung mindestens eines Verbrauchers, insbesondere mindestens einer Kette mehrerer in Reihe geschalteter LEDs (2), mittels pulsweitenmodulierter(PWM-)Signale.
Stand der Technik
Die Pulsweitenmodulation ist eine Modulationsart, bei der eine elektrische Größe (z. B. Spannung) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird beispielsweise eine rechteckförmige Spannung erzeugt, bei der sich das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit (Tastverhältnis) variieren lässt. Während der Einschaltzeit liegt eine Versorgungsgleichspannung an der Last an, während der Ausschaltzeit wird diese abgetrennt. Eine Veränderung des Tastverhältnisses ändert den Effektivwert der Spannung, die an der Last anliegt, und damit auch die elektrische Leistung, die an die Last übertragen wird. Die Pulsweitenmodulation kann beispielsweise zum Ansteuern von Beleuchtungskörpern, wie z. B. Leuchtdioden, eingesetzt werden, wobei durch steuerbare, unterschiedlich lange Ein- bzw. Ausschaltzeiten unterschiedliche Helligkeiten erzeugt werden können.
Seit einiger Zeit werden auch in der Automobilindustrie mehr und mehr LCD-Displays mit LED-Hintergrundbeleuchtung gefertigt. Dabei sind die LEDs üblicherweise in 3 bis 4 Strängen angeordnet, wobei die Helligkeitsregelung über eine PWM-Ansteuerung der LEDs erfolgt. Dies ermöglicht eine Dimmung ohne eine Änderung des Stroms (in den „An”-Phasen), der für die Helligkeit der LEDs verantwortlich ist. In aktuellen Ansteuerkonzepten werden die verschiedenen LED-Stränge typischerweise mit derselben Pulsweitenmodulation angesteuert.
Der Einsatz der Pulsweitenmodulation zieht allerdings Störungen nach sich, die sowohl über die Leitungen laufen als auch in den freien Raum abgestrahlt werden. Das Schalten des Stroms mit einer bestimmten Frequenz erzeugt Störsignale auf der Leitung von der Last zur Batterie, so dass andere Geräte im Fahrzeug gestört werden können. Dabei beeinflusst die Form der Schaltvorgänge des integrierten Leistungshalbleiters, der die LEDs ansteuert, das Frequenzspektrum auf dem Kabelbaum maßgeblich. Zur Optimierung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) werden daher Modulationen der Taktfrequenz im Bereich +/–0,5% bis +/–4% eingesetzt. Eine Anwendung eines solchen frequenzmodulierten Taktes zur Erzeugung der PWM-Frequenzen hat auf Audio-Applikationen keinen Einfluss. Bei den bekannten PWM-Ansteuerungen werden aber sehr hohe Lasten ein- und ausgeschaltet. Bei aktuellen Displays kann die Lichtleistung ca. 15–20 W betragen. Ist in der Displaykomponente auch eine Audio-Funktion umgesetzt, kann das Schalten dieser Last zur Kopplung in den Audio-Teil führen, die sich darin äußert, dass man die Dimmfrequenz im Audio deutlich hören kann.
Aus der US-A1-2007/0114949 ist eine Steuerschaltung zum Ansteuern einer lichtemittierenden Diode bekannt, mit der visuelles Rauschen mittels eines mit einem Rauschgenerator ausgestatteten Pulsgenerator verringert wird. Der Pulsgenerator umfasst ferner einen analogen Adder, über den das Rauschsignal des Rauschgenerators an einen Komparator weitergegeben wird. Der Komparator vergleicht das Rauschsignal mit einer dreieckigen Welle und erzeugt dabei ein Steuersignal mit einem Tastverhältnis, das innerhalb der Grenzen des Rauschsignals variiert.
Die RD-A-447051 offenbart einen PWM-Verstärker für Fahrzeuge, der eine binäre Pseudozufallssequenz erzeugt. Der Verstärker ist mit dem Eingang eines Komparators verbunden, der aufgrund des im Verstärker erzeugten Signals ein PWM-Signal mit zufälliger Schaltfrequenz erzeugt.
Aus der KR-A-2003041683 ist ferner eine Steuerung für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays bekannt, die einen Zufallssignalgenerator umfasst, der mit einem PWM-Oszillator verbunden ist.
Der PWM-Oszillator liefert ein Signal mit zufällig geänderter Frequenz an eine Ansteuereinheit, welche die LEDs des Displays entsprechend des Signals schaltet.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Steuerungsschaltung zur Steuerung mindestens eines Verbrauchers, insbesondere mindestens einer Kette mehrerer in Reihe geschalteter LEDs (2), mittels pulsweitenmodulierter(PWM-)Signale zu Verfügung zu stellen, welche eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem Taktpulse nach zufällig variierender Periodenlänge mittels eines Zufallszahlengenerators erzeugt werden, wobei in einem Zyklus auf der Grundlage einer Zufallszahl oder einer Pseudozufallszahl ein Schwellwert erzeugt wird, mittels eines mit einer Taktfrequenz angesteuerten Zählers ein Zählerstand erzeugt wird, der in einem erstem Komparator mit dem Schwellwert verglichen wird, der erste Komparator bei Erreichen des Schwellwertes ein Ausgangssignal erzeugt, und bei Erreichen des Schwellwertes der Zyklus mit dem Generieren eines neuen Schwellwertes und dem Rücksetzen des Zählers neu beginnt, wobei die Abfolge der erzeugten Ausgangssignale den Takt mindestens eines pulsweitenmodulierten(PWM-)Signals bestimmt.
Im Vergleich zu den Frequenz-Modulationen bei üblichen EMV-Maßnahmen zur Entstörung von Systemtakten folgt die erfindungsgemäße Modulation nicht einem regelmäßigem Muster (Sinus, Dreieck etc.), sondern erfolgt stochastisch. Dies führt dazu, dass keine einhüllenden Frequenzen wahrgenommen werden können. Bei den bekannten EMV-Maßnahmen ist eine stochastische Ansteuerung wegen der nachfolgenden komplexen Schaltnetzwerke nicht üblich. Erfindungsgemäß erfolgt die Takt- bzw. Frequenzänderung also zufällig von Takt zu Takt, was zur vorteilhaften Reduzierung von Störeinkopplungen des Verbrauchers, insbesondere der Beleuchtung, auf den Rest des Systems führt.
Die Variation des Taktes bzw. der Frequenz (f_PWM), d. h. das „Rauschen”, wird dabei mittels eines Zufallszahlengenerators erzeugt. Der Vorteil der Verwendung eines Zufallszahlengenerators liegt darin, dass die Takt- bzw. Frequenzänderung zufällig erfolgt und somit keine einhüllende Frequenz entsteht, die möglicherweise akustisch wahrnehmbar sein könnte. Durch die erfindungsgemäße Ansteuerung, beispielweise einer LED-Hintergrundbeleuchtung, mit einem Rauschsignal, ist für das menschliche Ohr folglich keine klare Frequenz hörbar, die sich stärker störend bemerkbar machen würde als ein schwaches Rauschen.
Ein „Signal” im Sinne der Erfindung ist ein elektrisches Signal, d. h. eine zeitabhängige Variation einer elektrischen Größe (z. B. Strom oder Spannung) auf einer Leitung zur Übertragung von Informationen in analoger oder digitaler Form. Dabei umfasst der Begriff „Signal” sowohl periodische Signale (z. B. Sinussignale oder Rechtecksignale), stochastische Signale (z. B. Audiosignale wie Rauschen) als auch einmalige Signale (z. B. Ein-/Ausschaltvorgänge).
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Weite eines innerhalb eines Taktes erzeugten PWM-Pulses mittels eines zweiten Komparators festgelegt, dem einerseits der Zählerstand und andererseits ein einem Sollwert entsprechender Eingangswert zugeführt werden, wobei am PWM-Ausgang des zweiten Komparators das Ausgangssignal verändert wird, sobald der Zählerstand den Eingangswert erreicht hat.
Vorzugsweise wird dabei der Eingangswert aus dem Sollwert und der Zufallszahl oder Pseudozufallszahl ermittelt, wobei insbesondere gilt:
wobei PWM_setting,neu der Eingangswert, PWM_setting der Sollwert, n die Bittiefe des Zählers (18) und RN eine Zufallszahl ist. Der Sollwert für die Pulsweite des PWM-Signals wird in dieser Ausführungsform durch Multiplikation mit dem Faktor
korrigiert. Durch dieses Einrechnen des Wertes des Zufallszahlengenerators in den Eingangswert kann das PWM-Verhältnis immer an den über den Mikrocontroller (μC) eingestellten Sollwert angepasst werden. Dabei wird der errechnete Wert vorzugsweise für jeden Wert des Zufallszahlengenerators neu berechnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ausgangssignal des ersten Komparators den Zähler zurücksetzt und den Takt für den Zufallszahlengenerator vorgibt, der somit innerhalb eines Zyklus genau eine Zufallszahl oder Pseudozufallszahl erzeugt. Das Ausgangssignal des ersten Komparators wird also sowohl zum Zurückstellen („Reset”) des Zählers als auch als Takt für den Zufallszahlengenerator verwendet. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird gewährleistet, dass jede Periode der Pulsweitenmodulation mit einer anderen Taktfrequenz durchfahren wird, so dass ein Rauschspektrum entsteht.
Vorzugsweise wird als Taktfrequenz zum Ansteuern des Zählers ein systemimmanenter Takt f_system genutzt. Dieser Takt hat vorzugsweise eine Frequenz von mehreren MHz.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Schwellwert aus der Summe einer festen Zahl, insbesondere der Zahl 2ⁿ, und einer von dem Zufallszahlengenerator erzeugten (Pseudo-)Zufallszahl RN ermittelt, wobei n die vorgebbare Bittiefe der festen Zahl ist.
Der Takt bzw. die Frequenz des PWM-Signals (f_PWM) wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechend dem folgenden Zusammenhang
eingestellt, wobei f_system die Taktfrequenz eines den Verbraucher umfassenden Systems, n die Bittiefe des Zählers und RN eine Zufallszahl ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass mindestens zwei in Reihe geschaltete LEDs mittels eines gemeinsamen PWM-Signals angesteuert werden und dass mehrere Ketten von LEDs vorgesehen sind, wobei jede einzelne Kette mittels eines eigenen PWM-Signals angesteuert wird, und wobei die jeweiligen Zufallszahlengeneratoren der verschiedenen PWM-Signale der einzelnen Ketten mit unterschiedlichen Startwerten initialisiert werden. Eine solche Ansteuerung führt insbesondere zu einer reduzierten Einkopplung, da die einzelnen LED-Ketten nicht zeitgleich geschaltet werden.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Steuerungsschaltung gelöst, die mindestens einen Zähler umfasst, der mit mindestens einem ersten Komparator gekoppelt ist, wobei der erste Komparator den Zählerstand des Zählers mit einem Schwellwert vergleicht und Ausgangssignale erzeugt, deren Abfolge den Takt mindestens eines pulsweitenmodulierten(PWM-)Signals bestimmt. Die erfindungsgemäße Steuerungsschaltung umfasst ferner mindestens einen Zufallszahlengenerator zur Erzeugung des Schwellwerts, dessen Ausgang mit einem Eingang des ersten Komparators gekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird der Zählerstand eines mit dem Systemtakt getakteten Zählers mit einem Schwellwert verglichen, der sich aus einer Zufallszahl oder Pseudozufallszahl aus dem Zufallszahlengenerator ergibt. Das Ausgangssignal des ersten Komparators bestimmt somit den Takt des PWM-Signals zur Ansteuerung des Verbrauchers bzw. der Verbraucher, insbesondere von LED-Ketten. Die Steuerungsschaltung erzeugt ein Rauschsignal, das zur vorteilhaften Reduzierung von Störeinkopplungen des Verbrauchers, insbesondere der Beleuchtung, auf den Rest des Systems führt, wobei aufgrund der zufällig erfolgenden Taktänderung keine einhüllende Frequenz entsteht, die akustisch wahrnehmbar sein könnte.
„Gekoppelt” im Sinne der Erfindung bedeutet, dass mindestens zwei Komponenten einer elektrischen Schaltung oder eines Netzwerks direkt oder indirekt miteinander verbunden sind. Bei einer direkten Verbindung besteht dabei eine unmittelbare Verbindung zwischen den beiden Komponenten, ohne dass eine oder mehrere weitere Komponente(n) dazwischen geschaltet sind. Bei einer indirekten Verbindung sind die beiden Komponenten über eine oder mehrere weitere Komponente(n) miteinander verbunden. Die Verbindung kann in allen Fällen über eine wie auch immer geartete physikalische Leitung oder drahtlos erfolgen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuerungsschaltung ist vorgesehen, dass ein Ausgang des ersten Komparators mit einem Eingang des Zählers und einem Eingang des Zufallszahlengenerators gekoppelt ist. Dadurch, dass das Ausgangssignal des ersten Komparators den Zähler zurücksetzt und als Takt für den Zufallszahlengenerator verwendet wird, ist sichergestellt, dass jede Periode der Pulsweitenmodulation mit einer anderen Taktfrequenz durchfahren wird, so dass ein Rauschspektrum entsteht.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuerungsschaltung ist ferner vorgesehen, dass mindestens ein zweiter Komparator vorgesehen ist, der mit dem dem Zähler und dem Zufallszahlengenerator gekoppelt ist, und der mindestens einen Ausgang für das PWM-Signal umfasst. Durch diese Anordnung kann der Wert des Zufallszahlengenerators in den Eingangswert für den zweiten Komparator eingerechnet werden, so dass das PWM-Verhältnis in vorteilhafter Weise an den über den Mikrocontroller (μC) eingestellten Sollwert angepasst werden kann.
Vorzugsweise ist der Zufallszahlengenerator ein Zufallszähler, insbesondere ein linear rückgekoppeltes Schieberegister, dessen Ausgang und mindestens ein Abgriff über ein XOR Gatter auf den Eingang zurückgekoppelt sind.
Von besonderem Vorteil ist auch eine Vorrichtung zur Steuerung mindestens zweier Verbraucher mittels pulsweitenmodulierter(PWM-)Signale, welche mindestens zwei erfindungsgemäße Steuerungsschaltungen umfasst. Die Erfindung ermöglicht durch einfache Vervielfältigung der Steuerungsschaltung also ein Anpassen der Steuerung an unterschiedliche Anforderungen, beispielsweise an die Steuerung vieler LEDs oder mehrerer unabhängiger Ketten von LEDs.
Eine solche Vorrichtung kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung folglich auch mindestens zwei Ketten mehrerer in Reihe geschalteter LEDs umfassen, wobei jede Kette mit jeweils mindestens einer Steuerungsschaltung gekoppelt ist. Eine solche Anordnung ermöglicht in vorteilhafter Weise das separate Ansteuern jeder einzelnen LED-Kette, so dass durch das Verändern einzelner Parameter für jede Kette eine weitere Reduzierung der Störeffekte ermöglicht wird.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der nachfolgend beschriebenen Abbildungen beispielhaft näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Kette von lichtemitierenden Dioden (LEDs) und einer erfindungsgemäßen Steuerungsschaltung;
2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerungsschaltung;
3 zeigt ein Diagramm eines idealisierten Frequenzspektrums der erfindungsgemäßen Steuerungsschaltung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens (f = Frequenz, i = Intensität);
4 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beschreibung vorteilhafter und bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine erfindungsgemäße Steuerungsschaltung 1 mit einer Kette von mindestens zwei, vorzugsweise mehreren, lichtemittierenden Dioden (LEDs) 2 gekoppelt. Die Steuerungsschaltung 1 (PWM-Block) steuert mit einem Rauschsignal die in Reihe geschalteten LEDs 2 der LED-Kette. Alternativ können mit der erfindungsgemäßen Steuerungsschaltung auch mehrere LED-Ketten angesteuert werden. Erfindungsgemäß bevorzugt werden durch die erfindungsgemäße Steuerungsschaltung LED-Ketten, beispielsweise für Display–Hintergrundbeleuchtungen in Kraftfahrzeugen, angesteuert. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die LEDs 2 mit einer Impedanz 3 und einem Schalter 4 in Reihe zwischen ein erstes Versorgungspotential („V_bat”) und ein zweites Versorgungspotential („V_gnd”) geschaltet. Die Steuerungsschaltung 1 ist zwischen dem zweiten Versorgungspotential („V_gnd”) und der in dieser Darstellung untersten LED 2 über den Schalter 4 mit der LED-Kette gekoppelt. Der Schalter 4 wird durch Pulsweitenmodulation von der Steuerungsschaltung 1 angesteuert und steuert bzw. „dimmt” so die LEDs 2. Bei dem Schalter 4 kann es sich beispielsweise um einen MOSFET-Transistor handeln.
2 zeigt ein Blockschaltbild der Steuerungsschaltung 1 gemäß 1. Wie in 2 dargestellt wird der Zählerstand eines mit dem Takt des Systems 10 getakteten Zählers 18 mit der Summe der Frequenzbasis (2ⁿ, mit n = Bittiefe des Zählers) und dem Ausgang eines Zufallszahlengenerators 11, d. h. dem Schwellwert 15 („PWM Periode”), verglichen. Der Schwellwert 15 wird über eine Addiereinheit 19 durch Addieren der Zufallszahl oder Pseudozufallszahl „RN” zur Frequenzbasis „2ⁿ” ermittelt (Schwellwert = 2ⁿ + RN). Der Vergleich des über die Addiereinheit 19 ermittelten Schwellwertes mit dem Zählerstand des Zählers 18 erfolgt in einem ersten Komparator 12, der mit dem Zähler 18 gekoppelt ist, einen Eingang für den Schwellwert 15 aufweist und dessen Ausgangssignal dem Zufallszahlengenerator 11 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des ersten Komparators 12 umfasst die Frequenz („f_PWM”) des PWM-Signals zur Ansteuerung der LEDs 2 gemäß 1, d. h. die Abfolge der erzeugten Ausgangssignale bestimmt den Takt des PWM-Signals. In diesem Ausführungsbeispiel wird das „Rauschen” also mit Hilfe des Zufallszahlengenerators 11 erzeugt, wobei der Zufallszahlengenerator 11 beispielsweise ein „Zufallszähler” sein kann. Vorzugsweise ist der Zufallszahlengenerator 11 ein linear rückgekoppeltes Schieberegister, dessen Ausgang und ein bzw. je nach Bittiefe mehrere Abgriff(e) über ein XOR-Gatter auf den Eingang zurückgekoppelt sind. Alternativ kann aber auch ein anderer Zufallszahlengenerator verwendet werden. Beispielsweise können Pseudo-Zufallstahlen auch durch analog-digital-Wandeln einer Rausch-Spannung erzeugt werden.
Die Frequenz f_PWM des PWM-Signals wird mittels der Formel
bestimmt, wobei f_system die Taktfrequenz des Systems 10, n die Bittiefe des normalen Zählers 18 und RN (Random Number) die Zufallszahl oder Pseudozufallszahl aus dem Zufallszahlengenerator 11 ist. Der Zähler 18 ist nicht nur mit dem ersten Komparator 12, sondern auch mit einem zweiten Komparator 13 gekoppelt. Die Pulsweitenmodulation (PWM) wird dabei derart definiert, dass über den zweiten Komparator 13 für Zählerwerte kleiner als der Schwellwert eine „0” ausgegeben wird und für größere Werte eine „1”. Ohne Einschränkung der Funktion ist dies aber auch umgekehrt möglich.
Der Ausgang des zweiten Komparators 13 ist mit dem Schalter 4 gemäß 1 gekoppelt, so dass die LEDs 2 gemäß 1 durch das pulsweitenmodulierte Signal der Steuerungsschaltung 1 angesteuert werden können. Damit das PWM-Verhältnis dabei immer korrekt dem über den Mikrocontroller 14 eingestellten Sollwert 16 („PWM_setting”) entspricht, muss der Wert des Zufallszahlengenerators 11 in den Vergleichswert mit eingerechnet werden. Dies ergibt dann den Eingangswert 17 („PWM Verhältnis”) für den zweiten Komparator 13. Zu diesem Zweck ist weist der zweite Komparator 13 einen Eingang für den Eingangswert 17 auf, der sich aus dem Wert des Zufallszahlengenerators 11 und dem Sollwert 16 ergibt.
Ohne Zufallszähler kann die Pulsweite mittels der Formel
berechnet werden.
Die Einstellung des PWM-Verhältnisses „PWM_setting” erfolgt über den Mikrocontroller 14. Mit der Zufallszahl RN kann die Pulsweite aus der Formel
berechnet werden. Die neue Vorgabe für den PWM-Vergleichswert (Eingangswert) kann also mittels der Formel
ermittelt werden. Dieser Wert wird über eine Multipliziereinheit 20 (Hardware Block) für jeden Wert des Zufallszahlengenerators 11 neu berechnet. Die Weite eines innerhalb eines Taktes erzeugten PWM-Pulses wird also mittels des zweiten Komparators 13 festgelegt, dem einerseits der Zählerstand des Zählers 18 und andererseits ein dem Sollwert entsprechender Eingangswert 17 zugeführt werden, wobei am PWM-Ausgang des zweiten Komparators 13 das Ausgangssignal verändert wird, sobald der Zählerstand den Eingangswert erreicht hat.
Der Vorteil der Verwendung eines Zufallszahlengenerators liegt darin, dass die Frequenzänderung zufällig erfolgt und somit keine eventuell hörbare einhüllende Frequenz entsteht. Der beim erfindungsgemäßen Verfahren entstehende hohe „Cycle-to-cycle jitter” (Frequenzänderung von Takt zu Takt) ist dabei von Vorteil.
Ein Ausgang des ersten Komparators 12 ist mit dem Zähler 18 gekoppelt, so dass das Ausgangssignal des ersten Komparators 12 den Zähler 18 zurücksetzen kann. Das Ausgangssignal des ersten Komparators 12 wird auch als Takt für den Zufallszahlengenerator 11 verwendet. Daher ist ein Ausgang des ersten Komparators 12 mit einem Eingang des Zufallszahlengenerators 11 gekoppelt, so dass innerhalb eines Zyklus genau eine Zufallszahl oder Pseudozufallszahl erzeugt werden kann. Dies stellt sicher, dass jede Periode der Pulsweitenmodulation mit einer anderen Taktfrequenz durchfahren wird, so dass ein Rauschspektrum entsteht (siehe 3). Die Breite des Frequenzspektrums (fo – fu) gemäß 3 sollte für eine optimale Reduzierung von Störeinkopplungen durch die LED Ansteuerung möglichst breit gewählt werden. Die untere Frequenz sollte dabei aber nicht zu tief gelegt werden, da sonst das Auge ein Flimmern der LED-Hintergrundbeleuchtung wahrnimmt. Die obere Frequenz kann durch die Schaltgeschwindigkeit der LED-Treiber/Ansteuerschaltung limitiert sein. Insbesondere für Anwendungen bei der Steuerung der Hintergrundbeleuchtung von LCD Displays in Kraftfahrzeugen hat sich eine Modulation von +/–150% (bezogen auf die mittlere Frequenz des Spektrums) als optimal erwiesen.
Wenn eine LED-Beleuchtung mit unabhängigen LED-Ketten gesteuert werden muss, können die Steuerungsschaltungen auf einfache Weise vervielfältigt werden, um die Wirkung zu optimieren. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 zur Ansteuerung einer Hintergrundbeleuchtung mit mehreren LED–Ketten 21, 22, 23. Die einzelnen LED-Ketten 21, 22, 23 werden unabhängig voneinander mittels jeweils einer separaten Steuerungsschaltung 24, 25, 26 (PWM-Blöcke) angesteuert. Zu diesem Zweck sind die durch den Takt des Systems 27 getakteten Steuerungsschaltungen 24, 25, 26 jeweils mit einer LED-Kette 21, 22, 23 gekoppelt. In 4 sind drei LED-Ketten und drei Steuerungsschaltungen abgebildet, es können erfindungsgemäß aber auch zwei oder mehr als drei LED-Ketten durch eine entsprechende Anzahl von PWM-Blöcken gesteuert werden. Der Mikrocontroller 28 gibt die Werte 29 der PWM-Einstellungen vor, wobei diese für alle Steuerungsschaltungen 24, 25, 26 gleich sind. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Startwerte der jeweiligen Zufallszahlengeneratoren unterschiedlich sein. Diese besonders vorteilhafte Initialisierung der Zufallszahlengeneratoren mit unterschiedlichen Werten führt zu einer weiteren Reduzierung der Einkopplung der Störsignale des PWM-Signals in andere Anwendungen des Systems, beispielsweise in Audio-Anwendungen. Für die praktische Umsetzung kann es beispielsweise auch vorteilhaft sein, die Steuerungsschaltung gemäß 2 und 4 in einem Logikbaustein (FPGA) abzubilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2007/0114949 A1 [0005]
- RD 447051 A [0006]
- KR 2003041683 A [0007]

Claims

Verfahren zur Steuerung mindestens eines Verbrauchers, insbesondere mindestens einer Kette mehrerer in Reihe geschalteter LEDs (2), mittels pulsweitenmodulierter(PWM-)Signale, gekennzeichnet durch das Erzeugen von Taktpulsen nach zufällig variierender Periodenlänge mittels eines Zufallszahlengenerators (11), wobei in einem Zyklus – auf der Grundlage einer Zufallszahl oder einer Pseudozufallszahl ein Schwellwert erzeugt wird, – mittels eines mit einer Taktfrequenz angesteuerten Zählers (18) ein Zählerstand erzeugt wird, der in einem erstem Komparator (12) mit dem Schwellwert verglichen wird, – der erste Komparator (12) bei Erreichen des Schwellwertes ein Ausgangssignal erzeugt, und – bei Erreichen des Schwellwertes der Zyklus mit dem Generieren eines neuen Schwellwertes und dem Rücksetzen des Zählers (18) neu beginnt, wobei die Abfolge der erzeugten Ausgangssignale den Takt mindestens eines pulsweitenmodulierten(PWM-)Signals bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite eines innerhalb eines Taktes erzeugten PWM-Pulses mittels eines zweiten Komparators (13) festgelegt wird, dem einerseits der Zählerstand und andererseits ein einem Sollwert entsprechender Eingangswert zugeführt werden, wobei am PWM-Ausgang des zweiten Komparators (13) das Ausgangssignal verändert wird, sobald der Zählerstand den Eingangswert erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangswert aus dem Sollwert und der Zufallszahl oder Pseudozufallszahl ermittelt wird, wobei insbesondere gilt:
wobei PWM_setting,neu der Eingangswert, PWM_setting der Sollwert, n die Bittiefe des Zählers (18) und RN eine Zufallszahl ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des ersten Komparators (12) den Zähler (18) zurücksetzt und den Takt für den Zufallszahlengenerator (11) vorgibt, der somit innerhalb eines Zyklus genau eine Zufallszahl oder Pseudozufallszahl erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Taktfrequenz zum Ansteuern des Zählers (18) ein systemimmanenter Takt f_system, vorzugsweise von mehreren MHz, genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert aus der Summe einer festen Zahl, insbesondere der Zahl 2ⁿ, und einer von dem Zufallszahlengenerator (11) erzeugten(Pseudo-)Zufallszahl RN ermittelt wird, wobei n die vorgebbare Bittiefe der festen Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des PWM-Signals (f_PWM) entsprechend dem folgenden Zusammenhang
eingestellt wird, wobei f_system die Taktfrequenz eines den Verbraucher umfassenden Systems (10), n die Bittiefe des Zählers (18) und RN eine Zufallszahl ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in Reihe geschaltete LEDs (2) mittels eines gemeinsamen PWM-Signals angesteuert werden und dass mehrere Ketten (21, 22, 23) von LEDs vorgesehen sind, wobei jede einzelne Kette (21, 22, 23) mittels eines eigenen PWM-Signals angesteuert wird, und wobei die jeweiligen Zufallszahlengeneratoren (11) der verschiedenen PWM-Signale der einzelnen Ketten (21, 22, 23) mit unterschiedlichen Startwerten initialisiert werden.
Steuerungsschaltung (1) zur Steuerung mindestens eines Verbrauchers, insbesondere mindestens einer Kette mehrerer in Reihe geschalteter LEDs (2) mittels pulsweitenmodulierter(PWM-)Signale, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit mindestens einem Zähler (18), der mit mindestens einem ersten Komparator (12) gekoppelt ist, wobei der erste Komparator (12) den Zählerstand des Zählers (18) mit einem Schwellwert vergleicht und Ausgangssignale erzeugt, deren Abfolge den Takt mindestens eines pulsweitenmodulierten(PWM-)Signals bestimmt, und mindestens einem Zufallszahlengenerator (11) zur Erzeugung des Schwellwerts, dessen Ausgang mit einem Eingang des ersten Komparators (12) gekoppelt ist.
Steuerungsschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang des ersten Komparators (12) mit einem Eingang des Zählers (18) und einem Eingang des Zufallszahlengenerators (11) gekoppelt ist.
Steuerungsschaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Komparator (13) vorgesehen ist, der mit dem Zähler (18) und dem Zufallszahlengenerator (11) gekoppelt ist, und der mindestens einen Ausgang für das PWM-Signal umfasst.
Vorrichtung (20) zur Steuerung mindestens zweier Verbraucher mittels pulsweitenmodulierter(PWM-)Signale, welche mindestens zwei Steuerungsschaltungen nach einem der Ansprüche 9 bis 11 umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Ketten (21, 22, 23) mehrerer in Reihe geschalteter LEDs (2) vorgesehen sind, wobei jede Kette (21, 22, 23) mit jeweils mindestens einer Steuerungsschaltung (24, 25, 26) gekoppelt ist.