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Die Erfindung betrifft allgemein Ansteuerschaltungen und Verfahren, insbesondere zur Einstellung eines Ansteuersignals zur Regelung der EMI (Elektromagnetische Interferenz), die bei Schalten eines Transistors erzeugt wird.
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Die Verwendung hochfrequent schaltender Schaltungen bei Leistungswandleranwendungen (power converter applications) mit dem Ziel, hocheffiziente Schaltungen herzustellen, hat zu der neuen Aufgabe geführt, elektromagnetische Interferenz, die durch hochfrequente Signale entsteht, zu berücksichtigen. Diese Signale werden durch parasitäre Schaltungselemente, wie Streukapazitäten, und durch zufällige magnetische Kopplungen auf andere Schaltungsteile gekoppelt und führen zu elektromagnetischer Strahlung. Der erlaubte Pegel einer EMI, der durch ein Endprodukt erzeugt wird, ist in den USA beispielsweise allgemein geregelt durch 47CFR§15 (allgemein bezeichnet als ”FCC Part 15”), und durch andere nationale Standards in anderen Ländern.
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Bei Automobilanwendungen werden zum Antrieb einer mechanischen Vorrichtung oftmals dreiphasige bürstenlose Motoren verwendet, wenn eine höhere Antriebsleistung erforderlich ist. Dreiphasige bürstenlose Motoren erlauben eine genaue Geschwindigkeitskontrolle, beispielsweise bei Anwendungen wie elektrisch betriebenen Lenkungen (electric power steering). Eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung des Motors verwendet im Allgemeinen eine Pulsweitenmodulation, um die dem Motor zugeführte Leistung zur regeln, wobei eine Pulswiederholfrequenz üblicherweise bei 20 kHz liegt. Ein Nachteil herkömmlicher Pulserzeugungsanordnungen, die pulsweitenmodulierte Impulse zur Regelung der durch den Motor aufgenommenen Leistung erzeugen, ist, dass Hochstromimpulse für den Motor bei einer hohen Impulsschaltfrequenz allgemein einen hohen Pegel an EMI erzeugen.
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Ein Halbbrückentreiber gemäß einem herkömmlichen Schaltungsentwurf erzeugt ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal mit einem Signalmerkmal, wie z. B. einer Anstiegszeit oder einer Abfallzeit, das im Wesentlichen unabhängig ist von einem Betriebszustand der angesteuerten Brücke. Im Ergebnis erzeugt ein herkömmlicher Halbbrückentreiber beispielsweise unnötigerweise einen unnötig hohen EMI-Pegel bei einer geringen Belastung eines Motors. Eine herkömmliche Halbbrückentreiberanordnung kann adaptiv die Pulsweite als Reaktion auf eine gemessene Motorbelastung ändern. Allerdings kann eine geänderte Pulsweite unter Umständen ungeeignet sein, die EMI auf einen akzeptablen Pegel zu reduzieren, ohne dass hierzu ein zusätzliches EMI-Filter, wie z. B. ein LC-Tiefpassfilter, vorhanden ist, das jedoch unnötigerweise die Abmessungen und die Kosten eines Produkts erhöht.
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Die
DE 197 41 391 A1 beschreibt eine Gatetreiberschaltung für einen Stromrichter. Die Gatetreiberschaltung umfasst eine Detektoreinrichtung zur Messung einer für einen Schaltvorgang des Schaltelements charakteristischen Größe und zur Erzeugung eines entsprechenden Steuersignals und eine Stelleinrichtung zur Änderung eines oder mehrerer den Schaltvorgang beeinflussender Parameter der Gatetreiberschaltung nach Maßgabe des Steuersignals.
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Die
DE 42 00 680 A1 beschreibt eine Treiberschaltung mit mehreren parallel geschalteten High-Side-Transistoren, die zeitverzögert aktiviert werden, und mehreren parallel geschalteten Low-Side-Transistoren, die zeitverzögert aktiviert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ansteuerschaltung für ein Schaltelement zur Verfügung zu stellen, das eine Reduktion eines durch das Schaltelement erzeugten EMI-Pegels bewirkt, und ein entsprechendes Verfahren zum Ansteuern eines Schaltelements zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 4 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Allgemein betrifft die Erfindung eine Ansteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal mit einer einstellbaren Signalform für ein externes Schaltelement zur Steuerung von deren EMI zu erzeugen, und ein zugehöriges Verfahren zur Ansteuerung des externen Schaltelements. Die Ansteuerschaltung umfasst einen Detektor, der dazu ausgebildet ist, eine Schaltkenngröße eines externen Schaltelements, wie z. B. eines Schaltelements in einer externen Brücke, zu messen, und ist dazu ausgebildet, das Ansteuersignal mit einer einstellbaren Signalform zu erzeugen.
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Die Ansteuerschaltung umfasst ein einstellbares Schaltungselement, das an den Detektor gekoppelt ist. Ein durch den Detektor als Reaktion auf die gemessene Schaltkenngröße erzeugtes Signal wird dazu verwendet, die Signalform einzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die gemessene Schaltkenngröße eine Ableitung einer Spannung an dem Schaltelement. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Ableitung der Spannung eine Ableitung der Laststreckenspannung (das ist die Drain-Source-Spannung bei einem MOS-Transistor) des externen Schaltelements. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement der externen Brücke ein Leistungsschalter einer Halbbrückenschaltung.
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Die Ansteuerschaltung umfasst eine erste und eine zweite Anzahl von Ansteuertransistoren. Die Ansteuertransistoren der zweiten Anzahl sind jeweils parallel geschaltet zu den Ansteuertransistoren der ersten Anzahl, und die Transistoren der zweiten Anzahl werden abgeschaltet durch Anlegen eines durch den Detektor erzeugten Signals. Vorzugsweise sind die Ansteuertransistoren der zweiten Anzahl wesentlich größer als die Ansteuertransistoren der ersten Anzahl.
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Details einer oder mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung erläutert. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegebenen, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung, wobei die einzelnen Merkmale aus Gründen einer kurzen Darstellung nur jeweils einmal erläutert sind. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
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1 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Halbbrückenschaltung, die an einen Motor gekoppelt ist.
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2 und 3 veranschaulichen jeweils ein Blockdiagramm und ein Schaltbild von High- und Low-Side-Ansteuerschaltungen, die an eine Halbbrückenschaltung gekoppelt sind.
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4 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer digital implementierten einstellbaren Zwei-Pegel-Ansteuerschaltung, die an eine externe Brücke gekoppelt ist, wobei Detektoren vorhanden sind, um eine Spannungsdifferenz der Brücke zu messen und eine Ableitung davon zu berechnen.
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5 veranschaulicht ein Blockdiagramm, das ein Beispiel zum Erzeugen der in 4 dargestellten digitalen Signale zeigt.
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6 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brückenansteuerschaltung gemäß einem Beispiel der Erfindung, die dazu ausgebildet ist, in einem Drei-Zustands-Betrieb zu arbeiten, um ihren Ausgangsansteuerstrom oder ihren Ausgangswiderstand zu ändern.
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7 veranschaulicht ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Brücke zeigt, die durch eine einstellbaren Brückenansteuerschaltung angesteuert ist.
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8 veranschaulicht ein Schaltbild einer Schaltung, bei der Steuersignale an einstellbare Verstärker gekoppelt sind, um ein Ansteuersignal für Brückenansteuertransistoren zu steuern, wodurch eine Struktur zum Verbessern der spektralen EMI-Eigenschaften der Brücke vorhanden ist.
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9 veranschaulicht ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Brückenansteuerschaltung zeigt, die einen einstellbaren Verstärker umfasst, der die Notwendigkeit für ein Schalten von Ansteuertransistoren vermeidet.
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10 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel eines Detektors zum Erfassen einer Ableitung eines an dessen Eingangsanschlüssen angelegten Eingangssignals zeigt.
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11 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel eines Stromverstärkers mit variabler Verstärkung zeigt, der durch ein an einen Eingangsknoten angelegtes Spannungssignal gesteuert ist.
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12 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Transkonduktanzverstärkers, der dazu verwendet werden kann, ein differentielles Eingangsspannungssignal, das zwischen dessen Eingangsanschlüssen angelegt ist, in ein Stromsignal zu wandeln.
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13 veranschaulicht ein Blockdiagramm, das eine Ansteuerschaltung zeigt, die dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal für eine externe Brücke zu erzeugen, das eine Brückenausgangsspannung mit adaptiv geregelter EMI regelt.
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Die Herstellung und die Verwendung bevorzugter Ausführungsbeispiele werden nachfolgend erläutert. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung eine Anzahl von erfinderischen Konzepten umfasst, die in unterschiedlichen Zusammenhängen verwendet werden können. Die erläuterten speziellen Ausführungsbeispiele dienen lediglich zur Erläuterung und nicht zur Einschränkung des Schutzumfangs.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in einem speziellen Zusammenhang, nämlich dem Einstellen der Amplitude eines Ansteuersignals für einen Leistungsschalter in einer Halbbrückenschaltung erläutert. Die Erfindung ist allerdings nicht auf diesen speziellen Zusammenhang beschränkt, sondern kann im Zusammenhang mit der Ansteuerung von Schaltelementen, insbesondere Leistungsschaltelementen, in beliebigen Schaltungsumgebungen angewendet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung können auf verschiedene Leistungswandler- und Schaltanordnungen angewendet werden, die andere Schalttopologien umfassen, wie z. B. eine Vollbrücke, eine Drei-Phasen-Brücke oder eine Sperrwandlerschaltung. Andere Leistungswandler- und Schaltanordnungen können unter Verwendung der hier erläuterten Konzepte hergestellt und angewendet werden, und zwar in verschiedenen Zusammenhängen. Ein Beispiel ist eine Leistungsschaltanordnung, die dazu verwendet wird, die Geschwindigkeit eines Motors zu regeln.
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Motoren in typischen Antriebsanwendungen, wie beispielsweise in Automobilen, werden oft nicht bei voller Belastung betrieben, was die Möglichkeit eröffnet, diese mit ”langsameren” (niederfrequenteren) Ansteuerimpuls-Signalen zu betreiben, um weniger Strahlung zu erzeugen. Wie nachfolgend erläutert wird, wird die Schaltgeschwindigkeit der Impulsfolge, die an den Motor angelegt wird, an eine gemessene Schaltkenngröße der an den Motor gekoppelten Halbbrücke angepasst, um die EMI zu reduzieren.
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Häufig wird eine Halbbrückenschaltung verwendet, um eine Hochspannungs- oder Hochstromimpulsfolge (high power pulse train) zum Steuern eines mechanischen Aktors, wie beispielsweise eines Motors, zu erzeugen. Brückenansteuerschaltungen (bridge drivers) werden dazu verwendet, um externe Transistoren in der Brückenschaltung ein- und auszuschalten. Diese Lösung mit zwei Schaltungsanordnungen wird verwendet, wenn eine monolithische Lösung nicht verwendet werden kann, da der Strom und die Schaltgeschwindigkeit der geschalteten Brückentransistoren hoch ist. Beispiele umfassen elektrische Lenkvorrichtungen, Anlasser, Umrichter und Automobilanwendungen, bei denen Hochstrommotoren durch ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einer Frequenz im kHz-Bereich, insbesondere mit einer Frequenz von 20 kHz angesteuert sind.
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Da hohe Ströme in sehr kurzen Zeitabständen geschaltet werden, werden sehr hohe Stromspitzen erzeugt, die zu Spannungsspitzen an den Anschlüssen der Brückentransistoren führen. Jede physikalische Verdrahtung, wie z. B. eine Transistorverdrahtung, ist inhärent induktiv. Dies ermöglicht eine Simulation unter Verwendung von parasitären Induktivitäten, die die Verdrahtung repräsentieren, um daraus resultierende Spannungsspitzen zu ermitteln, die zu den hohen EMI-Emissionen an den Versorgungsleitungen führen. Wegen der hohen Stromimpulse und der hohen Schaltgeschwindigkeiten können die Emissionen nicht auf einfache Weise reduziert werden. Wie nachfolgend erläutert wird, wird eine Reduktion des emittierten Spektrums vorteilhafterweise durch adaptives Formen des Signalverlaufs des Ansteuersignals des Brückentransistors als Reaktion auf dessen gemessenes Schaltverhalten erreicht, ohne die Schaltgeschwindigkeit der Brückentransistoren wesentlich zu beeinflussen.
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Um das emittierte Spektrum zu reduzieren, das durch eine Hochfrequenzbrücke erzeugt wird, wie z. B. eine an einen Motor gekoppelte Hochfrequenz-Halbbrücke, können die Anstiegs- und die Abfallzeiten von deren impulsförmigen Signalverläufen adaptiv als Reaktion auf das gemessene Schaltverhalten der Brücke eingestellt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Pulsweite und die Pulsdauer durch eine Pulsweitenmodulationsanordnung gesteuert sind, die die Drehgeschwindigkeit des Motors regelt, und dass die Pulsweite nicht geändert werden kann, ohne das Ergebnis des Regelungsprozesses zu beeinflussen.
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Bei einigen herkömmlichen Anwendungen wurde eine Vorverzerrung durchgeführt, um die Strahlung zu reduzieren, wie z. B. die Verwendung von drei Signalpegeln um eine Brücke anzusteuern. Aber diese Schaltanordnungen passen den Signalpegel nicht an Änderungen der an die Brücke angeschlossenen Last oder an andere externe Effekte an. Im Wesentlichen arbeitet die Signal-Vorverzerrungsanordnung mit einem vorgegebenen Pragramm in dem Chipsatz, der die Brücke ansteuert.
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Wie nachfolgend erläutert wird, arbeitet ein adaptiver Prozess kontinuierlich daran, eine optimale Schaltbedingung einzustellen, um die EMI für eine Anwendung zu reduzieren. Ein Brückenschaltverhalten bzw. eine Brückenschaltkenngröße werden kontinuierlich erfasst, und ein Brückenansteuerparameter wird als Reaktion darauf angepasst, um die EMI zu regeln. Die Reduktion der Strahlung erfolgt daher automatisch und wird adaptiv und sofort an Änderungen in der Umgebung angepasst, ohne dass eine vorgegebene Programmierung erforderlich ist. Außer einem Pin zum Messen einer Brückenkenngröße, wie z. B. einer Spannungsflanke, werden keine externen Komponenten benötigt.
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1 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel einer herkömmlichen Halbbrückenschaltung, die an einen Motor 120 gekoppelt ist, zeigt. Der Motor 120 ist durch eine ideale Stromquelle 121 repräsentiert, die parallel zu einem Kondensator 122, wie beispielsweise einem Filterkondensator, geschaltet ist. Die Halbbrückenschaltung umfasst Transistoren 103 und 113, die zwischen eine Brücken-Versorgungsspannungsquelle 130 und eine lokale Masse 131 der Schaltung geschaltet sind. Widerstände 141, 142, 151 und 152 sind in Reihe zu den Transistoren 103 und 113 geschaltet und repräsentieren parasitäre Leitungswiderstände und -induktivitäten. Diese parasitären Elemente spielen eine wesentliche Rolle für Überschwinger und tragen wesentlich zu der EMI bei. Die Transistoren 103 und 113 sind in 1 als n-Kanal-FETs dargestellt, es können jedoch auch andere Halbleiterschalter, wie z. B. IGBTs oder p-Kanal-Bauelemente, verwendet werden. Die Halbbrückenschaltung ist durch ein High-Side-Eingangssignal 105 angesteuert, das einem High-Side-Treiber 101 zugeführt ist, der das Gate des Transistors 103 über einen Widerstand 102 ansteuert. Der Widerstand 102 dient zum Begrenzen der Flanke (bezüglich der Zeit) der Gatespannung des Transistors 103 und bildet so einen festen Mechanismus zum Begrenzen der Erzeugung einer hochfrequenten EMI. Auf ähnliche Weise wird die Halbbrücke durch ein Low-Side-Eingangssignal 115 angesteuert, das einem Low-Side-Treiber 111 zugeführt ist, der das Gate des Transistors 113 über einen Widerstand 112 ansteuert. Die Eingangssignale 105 und 115 der in 1 dargestellten Halbbrücke können gesteuert sein, um eine niederfrequente an den Motor 120 angelegte Spannung zu regeln, um die Drehgeschwindigkeit des Motors zu regeln.
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2 veranschaulicht ein Blockdiagramm von High-Side- und Low-Side-Treibern 202 und 203 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die an eine Halbbrückenschaltung 201 gekoppelt sind. Die Halbbrückenschaltung 201 ist an eine Last 210 (nicht dargestellt), wie beispielsweise einen in 1 dargestellten Motor 120, gekoppelt. Die High- und Low-Side-Treiber sind an Gate- und Source-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren in der Brückenschaltung 201, wie beispielsweise die in 1 dargestellten Feldeffekttransistoren 103 und 113, gekoppelt. Die Geschwindigkeit der Schaltvorgänge der High- und Low-Side-Treiber ist gesteuert durch Mess- und Signalverarbeitungsblöcke 204 und 205, die an Messpunkte gekoppelt sind, um ein Schaltverhalten bzw. eine Schaltkenngröße der Brückenschaltung zu erfassen. Wenn sich die Belastung der Brückenschaltung 201 dynamisch ändert, ändert sich eine Kenngröße der Schaltübergänge der Transistoren 103 und 113, wie beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit, entsprechend. Ein geändertes Schaltverhalten bzw. eine geänderte Schaltkenngröße wird an den Messpunkten erfasst. Die an den Messpunkten durch die Mess- und Signalverarbeitungsblöcke erfassten Signale werden dazu verwendet, um die Schaltgeschwindigkeit der High- und Low-Side-Treiber einzustellen und so die EMI-Emissionen der Schaltung zu reduzieren.
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Die erfasste Kenngröße kann – ohne darauf beschränkt zu sein – eine Brückenspannung, ein Strom, eine zeitliche Ableitung einer Spannung oder eines Stroms, oder eine komplexere Kenngröße der Brückenschaltung, wie z. B. eine Einhüllende eines Spannungs- oder Stromsignals, ein Integral oder ein Mittelwert einer Spannung oder eines Stroms, usw., sein. Bei einer Signalmittelwertbildung wird das Ausgangssignal der Schaltung, die den Erfassungsprozess durchführt, über mehrere Schaltzyklen der Impulsfolge gebildet.
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3 ist eine schematische Darstellung von High- und Low-Side-Treibern 301 und 303 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die an eine Halbbrückenschaltung mit Transistoren 103 und 113 gekoppelt ist. Die Erfassungsfunktion (Detektorfunktion) für die Kenngröße, um die EMI zu regeln, ist durch gestrichelte Linien in der Figur veranschaulicht. Die erfasste Kenngröße ist den Detektoren 304 und 314 zugeführt. Wie zuvor erläutert wurde, kann die erfasste Kenngröße eine Brückenspannung, ein Strom, eine zeitliche Ableitung einer Spannung oder eines Stroms, usw., sein. Die Ergebnisse des Erfassungsprozesses, der durch die Detektoren 304 und 314 durchgeführt wird, sind Steuersignale für die Treiber 301 und 311 – von denen der Signalverlauf der Ausgangsimpulse dieser Treiber abhängig ist –, um den Signalverlauf der Ausgangsimpulse dieser Treiber zu ändern, was beispielsweise eine Änderung der Impulsanstiegszeit oder der Impulsabfallzeit umfasst.
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In 4 ist ein Schaltbild einer digital implementierten einstellbaren Zwei-Pegel-Ansteuerschaltung dargestellt, die an eine externe Brücke 201 gekoppelt ist, wobei Detektoren 401, 402 und 411, 412 eine Spannungsdifferenz messen und eine Ableitung davon berechnen. Die Zeichnung veranschaulicht zwei Komparatoren 402 und 412, die doppelt vorhanden sind, um separat eine Kenngröße des oberen und des unteren Brückentransistors zu erfassen, wodurch ermöglicht wird, dass die ansteigenden und abfallenden Flanken von Signalen dieser Transistoren individuell eingestellt werden können.
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Die EMI-Kenngrößen einer Brücke sind abhängig von Ableitungen der Brückenspannungen. Dementsprechend wird ein erfasster Signalwert dazu verwendet um zu ermitteln, ob die Ableitung einer Brückenspannung größer oder kleiner als ein maximal erlaubter Wert, d. h. ein Referenzwert, ist. Das Ausgangssignal jedes Detektors 421 bzw. 422 ist ein binäres Signal, das anzeigt, ob eine maximale Ableitung einer Brückenspannung überschritten wurde.
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5 veranschaulicht ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel zum Erzeugen der in 4 dargestellten digitalen Signale 421 und 422 zeigt. Das Eingangssignal 510 repräsentiert eine Brückenspannung, wie beispielsweise eine Drain-Source-Spannung eines Brückentransistors. Das Eingangssignal 510 ist einem Hochpassfilter 501 zugeführt, der die zeitliche Ableitung des Eingangssignals 510 bildet. Das durch das Hochpassfilter 501 erzeugte Signal wird erfasst, durch einen Pufferverstärker 502 entkoppelt und wird einem Einhüllenden-Messblock 503 zugeführt, der die Einhüllende von Signalen erfasst, die über mehrere Schaltzyklen der Brücke gemessen wurden. Ein Komparator 504 vergleicht die Amplitude des durch den Einhüllenden-Messblock 503 erzeugten Signals mit einem Referenzwert, um ein digitales Ausgangssignal 511 zu erzeugen, das anzeigt, ob die Amplitude oder eine andere Kenngröße den Referenzwert überschritten hat. Bei diesem Beispiel wird die Einhüllende eines Signals erfasst, um eine Messung für einen Vergleich mit einem Referenzsignal in einem Komparator zu erzeugen. Es ist allerdings nicht notwendig, nur die Einhüllende eines Signals zu erfassen.
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6 ist eine schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels einer Brückenansteuerschaltung 600, wie beispielsweise der in den 2 und 4 dargestellten Brückenansteuerschaltung 202 und 203, die dazu ausgebildet ist, in einem Drei-Zustands-Modus (tri-state mode) betrieben zu werden, um ihren Ausgangsstrom oder ihren Ausgangswiderstand zu ändern. Die Brückenansteuerschaltung 600 ist an eine Vorspannungsquelle 630 und an eine lokale Masse 618, die an einen Sourceanschluss eines Brückentransistors gekoppelt sein kann, gekoppelt. Um ihren Ausgangsstrom oder ihren Ausgangswiderstand zu ändern weist die Ansteuerschaltung vier Transistoren, zwei Pull-Up-Transistoren und zwei Pull-Down-Transistoren, auf. Die Gesamtfläche der Ausgangstransistoren entspricht der eines herkömmlichen Treibers mit derselben Ausgangstreiberleistung. Die kleineren Transistoren 602 und 603 können beispielsweise Transistoren sein, deren Fläche zwischen einem Zehntel (1/10) und einem Fünftel (1/5) der gesamten (Pull-up oder Pull-down) Transistorfläche beträgt, wobei der jeweilige Wert abhängig ist von der Anwendung und dem Laststrom. Die größeren Transistoren 604 und 605 sind an einen Pfad gekoppelt, der durch ein Flip-Flop 601 angesteuert ist. Das Flip-Flop 601 reagiert auf ein Eingangssignal 620 um einen Impuls des Gate-Ansteuerausgangssignals 608 zu erzeugen. Wie in 6 dargestellt ist, werden die Schalter 606 und 607 durch PMOS- und NMOS-Eingangssignale 610 bzw. 611 geschlossen, um eine kurze Anstiegeszeit des Gate-Ansteuerausgangssignals 608 als Reaktion auf eine Belastung oder eine Entlastung der Brücke zu bewirken. Die Signale 610 und 611 können von dem in 5 dargestellten Ausgangssignal 511 abgeleitet werden.
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Obwohl in den beispielhaften Ausführungsbeispielen MOS-Transistoren dargestellt sind, kann auch eine andere Schaltertechnologie, wie z. B. eine Bopolarschaltertechnologie, verwendet werden, wobei in hinlänglich bekannter Weise geeignete Anpassungen der Schaltungselemente vorgenommen werden.
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7 veranschaulicht ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Brücke zeigt, die durch eine einstellbare Brückenansteuerschaltung angesteuert ist. In diesem Ausführungsbeispiel repräsentieren Signale 720 und 721 eine zeitliche Ableitung einer Spannung, die durch einstellbare Verstärker 702 und 712 verstärkt wird, und die als Stromsignal den Treibern 202 und 203 zugeführt ist. Den Verstärkern 702 und 712 sind Referenzspannungs- oder Referenzstromsignale zugeführt, wie in 7 dargestellt ist. Die zeitliche Ableitung einer Spannung (oder eines Stroms) wird beispielsweise durch ein Hochpassfilter gebildet, dessen Ausgangssignal in ein Stromsignal gewandelt wird, um die steigenden und fallen den Impulsflanken der Signale, die die Transistoren in der Brücke 201 ansteuern, zu steuern.
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Eine Einhüllende-Detektion ist nicht notwendig, kann aber angewendet werden.
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Basierend auf einer Schaltungssimulation kann eine Referenzspannung (oder ein Referenzstrom), die den einstellbaren Verstärkern 702 und 712 zugeführt ist und die die Steilheit der Signalflanken für die einstellbaren Verstärker steuert, abhängig vom EMI-Verhalten der Schaltung geändert werden. Analysen und Simulationen zeigen, dass eine Verbesserung des EMI-Verhaltens der Brücke in der Größenordnung von 10 dB über einige Frequenzdekaden auf einfache Weise durch eine adaptive Signaldetektion erreicht werden kann.
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Die Ausgangströme der Ansteuerschaltung können ebenfalls direkt durch Ausgangssignale der einstellbaren Verstärker eingestellt werden, wie dies in 8 dargestellt ist, in der eine Schaltung veranschaulicht ist, bei der Steuersignale 611 und 612 einstellbaren Verstärkern 810 und 811 zugeführt sind, um dadurch ein Ansteuersignal für die Ansteuertransistoren 604 und 605 einzustellen, und um dadurch eine weitere Struktur zum Verbessern des EMI-Verhaltens der Brücke bereitzustellen. Normalerweise wird die Ansteuerschaltungsausgangsstufe direkt durch ein Flip-Flop geschaltet. Bei der in 8 dargestellten Schaltung wird der Ausgangspegel des Flip-Flops variiert, wodurch der Gatestrom für die interne Ansteuerschaltungsausgangsstufe variiert werden kann, was eine Variation des Ausgangsstroms der Ansteuerschaltung ermöglicht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Brückentransistor nicht nur sanft eingeschaltet, wenn ein maximales Brückensignal erreicht wird, sondern das Brückenansteuersignal sollte sanft durch das Miller-Gate-Spannungs-Plateau verlaufen, und das Brückenansteuersignal sollte einen anfänglichen Saft-Start-Verlauf besitzen.
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9 veranschaulicht ein Blockdiagramm, das ein weiteres Beispiel einer Brückenansteuerschaltungsausgangsstufe zeigt, die einen einstellbaren Verstärker umfasst, wodurch. die Notwendigkeit zum Schalten von Ansteuertransistoren vermieden wird. Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel reagiert stufenförmig auf eine erfasste Brückenkenngröße, was bei bestimmten Anwendungen nicht wünschenswert ist. Das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet einen einstellbaren Verstärker, um die größeren Transistoren 814 und 815 anzusteuern, lässt allerdings die Ansteuerung der kleineren Transistoren 804 und 805 unverändert.
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10 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Detektors gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Erfassen einer Ableitung eines zwischen einem nichtinvertierenden Eingangsanschluss 1001 und einem invertierenden Eingangsanschluss 1002 angelegten Eingangssignals. Der Detektor umfasst ein abgeglichenes Hochpass-RC-Eingangsfilter gefolgt von einem Pufferverstärker. Das Hochpass-RC-Eingangsfilter umfasst Kondensatoren 1003 und 1004 und Widerstände 1005 1006, 1007 und 1008. Ein Abgriffspunkt des Eingangsfilters ist mittels eines Kondensators 1010 an Masse angeschlossen. Das Eingangsfilter besitzt eine Nullstelle im Ursprung der Frequenzebene und einen Pol bei 1 MHz, der durch die Zeitkonstante eines 2 pF-Eingangskondensators, eines 80 kΩ-Widerstands, und der Eingangsimpedanz des Pufferverstärkers bezogen auf die lokale Masse eingestellt ist.
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Das Eingangsfilter ist an den Pufferverstärker gekoppelt, der ein differenzielles Transistorpaar 1011 und 1012 aufweist, die an einen Stromspiegel mit Transistoren 1013 und 1014 gekoppelt sind. Ein gemeinsamer Knoten des differenziellen Transistorpaars 1011 und 1012 ist an eine Stromquelle 1015 gekoppelt, die einen Laststrom für die Sourceanschlüsse der differenziellen Transistoren erzeugt, und die einen Laststrom für den Stromspiegel erzeugt, der ineffektiv ist, wenn er nicht in geeigneter Weise durch eine Gleichsignalkomponente vorgespannt ist. Eine Stromquelle kann durch eine Kaskodenanordnung von Transistoren gebildet sein, wie dies hinlänglich bekannt ist. Das Gate des Transistors 1011 ist an den Abgriffspunkt des Eingangsfilters über einen Widerstand 1009 gekoppelt. Der Kondensator 1016 und der Widerstand 1016 und der Widerstand 1018 bilden einen stabilisierenden Rückkopplungspfad von dem Ausgang des differenziellen Paars an einen invertierenden Eingangsknoten, und erzeugen einen weiteren Pol des Detektors bei etwa 20 MHz.
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Der Pufferverstärker besitzt eine Mittenfrequenzspannungsverstärkung von etwa 9, die durch das Verhältnis der Widerstandswerte von Widerstand 1005 zu Widerstand 1007 und von Widerstand 1006 zu Widerstand 1008 eingestellt ist, und bildet eine hohe Lastimpedanz für das Eingangsfilter. Der Ausgang des Pufferverstärkers ist an einen Emitterfolger gekoppelt, der durch einen Transistor 1017 und einen an Source des Transistors 1017 gekoppelten Widerstand 1018 gebildet ist. Der Ausgang des Detektors besitzt eine niedrige Impedanz, die durch den Emitrerfolger bewirkt wird. Beispielhafte Werte für die Schaltungskomponenten sind in 10 veranschaulicht.
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11 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Stromverstärkers mit variabler Verstärkung, der durch ein an einen Eingangsknoten 1102 angelegtes Spannungssignal gesteuert ist. Ein Eingangsstromsignal, wie z. B. ein pulweitenmoduliertes Signal, ist dem Eingangsknoten 1111 zugeführt und wird durch einen Stromspiegel, der durch npn-Transistoren 1104 und 1105 gebildet ist, abgebildet. Der abgebildete Strom wird durch einen Kaskodentransistor 1108 moduliert und zwar gesteuert durch die an den Eingangsknoten 1102 angelegte Spannung. Der resultierende modulierte Strom wird durch den durch pnp-Transistoren 1106 und 1107 gebildeten Stromspiegel abgebildet und kann über den Knoten 1103 an eine nachfolgende Schaltung weitergeleitet werden. Der Stromverstärker 1100 mit variabler Verstärkung erzeugt einen pulsweitenmodulierten Strom, dessen Amplitude durch eine an den Eingangsknoten 1102 angelegte Spannung adaptiv geregelt ist. Die an den Eingangsknoten 1111 angelegte Spannung kann durch das Ausgangssignal 1019 des Detektors 1000 gebildet sein, der eine Ableitung des Eingangssignals, wie beispielsweise ein Drain- oder ein Gate-Signal einer Brücke, für welche die EMI-Emissionen adaptiv geregelt werden sollen, erfasst.
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12 zeigt schematisch ein Beispiel eines Transkonduktanzverstärkers 1200, der verwendet werden kann in einer Anordnung zum Konvertieren eines differentiellen PWM-(pulsweitenmodulierten)-Eingangsspannungssignals, das zwischen einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss 1201 und einen invertierenden Eingangsanschluss 1202 angelegt wird, in ein PWM-Ausgangsstromsignal an einem Ausgangsknoten 1203. Das differentielle Spannungseingangssignal erzeugt einen differentiellen Strom zwischen den angepassten npn-Transistoren 1204 und 1205. Die Transistoren 1204 und 1205 sind mit einem Strom durch die Stromquelle 1208 versorgt. Der Stromspiegel der durch die angepassten npn-Transistoren 1206 und 1207 gebildet ist, erzeugt das Ausgangsstromsignal, das die Differenz ist zwischen den durch die Transistoren 1204 und 1205 fliehenden Strömen an dem Ausgangsknoten 1203.
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Der in 12 veranschaulichte Transkonduktanzverstärker 1200 kann auf diese Weise dazu verwendet werden, ein pulsweitenmoduliertes Stromansteuersignal von einem pulsweitenmodulierten Spannungsansteuersignal, wie es beispielsweise durch das in den 6, 7 und 9 dargestellte Flip-Flop 601 erzeugt wird, für den in 11 dargestellten Stromverstärker mit variabler Verstärkung zu erzeugen.
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13 zeigt ein Blockdiagramm einer Ansteuerschaltung 1301, der dazu ausgebildet ist, ein PWM-Ansteuersignal 1306, wie z. B. das PWM-Ansteuersignal 1103, das in 11 veranschaulicht ist, für eine externe Brücke 1310 zu erzeugen. Das adaptiv erzeugte Ansteuersignal 1306 wird als Reaktion auf ein Signal 1307 erzeugt, das dem Detektor 1305 zugeführt ist, und repräsentiert eine Messung einer Schaltkenngröße eines Schalters in der externen Brücke 1310. Der Detektor 1305 ist an ein Hochpassfilter 1302 gekoppelt, um eine Ableitung der gemessenen Schaltkenngröße zu erzeugen. Der Ausgang des Hochpassfilters 1302 ist an einen einstellbaren Verstärker 1304, wie beispielsweise den in 11 dargestellten Verstärker 1100 mit einstellbarer Verstärkung, gekoppelt, um dessen Verstärkung zu regeln. Der Verstärker 1304 mir einstellbarer Verstärkung erzeugt das adaptiv erzeugte PWM-Ansteuersignal 1306 für die externe Brücke 1310.
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Eine Ausgangskenngröße der externen Brücke 1310, wie beispielsweise dessen Ausgangsspannung VOUT, wird durch den PWM-Controller 1308 erfasst. Der Ausgang des PWM-Controllers 1308 ist an den Transkonduktanzverstärker 1303 gekoppelt, um ein PWM-Stromsignal für den Verstärker 1304 mit einstellbarer Verstärkung zu erzeugen, dessen Ausgang an die externe Brücke gekoppelt ist, um deren Ausgangskenngröße zu regeln. Auf diese Weise wird das PWM-Ansteuersignal 1306 für die externe Brücke adaptiv erzeugt, um sowohl dessen EMI, als auch dessen Ausgangsspannung zu regeln.
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Bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen wird die Drain-Source-Spannung (oder die Kollektor-Emitter-Spannung) eines externen Brückentransistors erfasst. Alternativ zu einem Erfassen der Drain-Source-Spannung eines Brückentransistors wird die Gate-Source-Spannung erfasst. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Drainstrom, ein Gate-, Kollektor- oder Emitterstrom erfasst werden. Strommessungen erfordern im Allgemeinen einen höheren Entwurfs- und Implementierungsaufwand als Spannungsmessungen, so dass die hier beschriebenen Implementierungen Spannungsmessungen umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Ein Beispiel des Erfassens der Gate-Source-Spannung eines Brückentransistors sieht vor, dass diese Spannung eine kurze Reaktionszeit besitzt, so dass andere Teile der Detektionsschaltung bezüglich ihrer Reaktionszeit nicht so schnell sein müssen. Basierend auf Simulationen einer Schaltung, die eine Messung einer Gate-Source-Spannung einer Brücke umfasst, wurde gezeigt, dass das EMI-Verhalten einer Brückenausgangsspannung durch Anwenden einer Gate-Source-Spannungsmessung wesentlich beeinflusst werden kann. Die Ableitung der Drain-Source-Spannung des Schalters (oder der Drain-Gate- oder Gate-Source-Spannung) kann ebenfalls als Brückenschaltkenngröße verwendet werden, um die Gate-Source-Spannung ”vorzuverzerren”. Die momentane Ausgangsspannung der Brücke kann dazu verwendet werden, den Ausgangssignalpegel einer Ansteuerschaltung zu regeln.
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Bei dem hierin beschriebenen Konzept wird eine Schaltkenngröße eines externen Schaltelements, das beispielsweise in einer Brücke angeordnet ist, zu erfassen, um einen Signalverlauf eines Ansteuersignals für das Schaltelement zu steuern, um adaptiv die EMI zu regeln. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Ansteuerschaltung dazu ausgebildet, das Ansteuersignal zu erzeugen. Die Ansteuerschaltung kann einen Detektor umfassen, der dazu ausgebildet ist, die Schaltkenngröße eines Schalters in der externen Brücke zu messen, und kann ein einstellbares Schaltungselement umfassen, das an den Detektor gekoppelt ist. Ein durch den Detektor als Reaktion auf die gemessene Schaltkenngröße erzeugtes Signal wird dazu verwendet, einen Signalverlauf des Ansteuersignals einzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die gemessene Schaltkenngröße eine Ableitung einer Spannung über dem Schaltelement in der externen Brücke. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Ableitung der Spannung eine Ableitung einer Drain-Source-Spannung eines als Transistor verwendeten Schalters in der externen Brücke. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Schalter ein Leistungsschalter einer Halbbrückenschaltung. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Ansteuerschaltung eine erste und eine zweite Anzahl von Ansteuertransistoren. Die Ansteuertransistoren der zweiten Anzahl sind jeweils parallel zu den Ansteuertransistoren der ersten Anzahl geschaltet, und die Ansteuertransistoren der zweiten Anzahl werden gesperrt durch Anlegen eines durch den Detektor erzeugten Signals. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Ansteuertransistoren der zweiten Anzahl wesentlich größer als die Ansteuertransistoren der ersten Anzahl. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das einstellbare Schaltungselement einen Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, und die einstellbare Verstärkung ist gesteuert durch das durch den Detektor erzeugte Signal. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Verstärker mit einstellbarer Verstärkung einen in Reihe zu einem Zweig eines Stromspiegels geschalteten Transistor, und das durch den Detektor erzeugte Signal ist dem in Reihe zu dem Zweig des Stromspiegels geschalteten Transistor zugeführt, um den Signalverlauf des Ansteuersignals zu steuern. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Treiber außerdem einen Transkonduktanzverstärker mit einem Ausgang, der an einen Eingang des Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung gekoppelt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Ansteuerschaltung außerdem einen Hochpassfilter mit einem Ausgang, der an einen Eingang des Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung gekoppelt ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Ansteuersignals. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren das Messen einer Schaltkenngröße einer externen Brücke, wie z. B. eine Schaltkenngröße eines Schalters in der externen Brückenschaltung, und das Einstellen eines Signalverlaufs eines Ansteuersignals für den Schalter als Reaktion auf die gemessene Schaltkenngröße. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Schaltkenngröße eine Ableitung einer Spannung über dem Schalter. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Ableitung eine Ableitung der Drain-Source-Spannung des Schalters. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Schalter ein Leistungsschalter einer Halbbrückenschaltung. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren außerdem das Koppeln einer ersten Anzahl von Ansteuertransistoren an den Schalter, das Koppeln einer zweiten Anzahl von Ansteuertransistoren jeweils parallel zu der ersten Anzahl von Ansteuertransistoren, und das Sperren der Ansteuertransistoren der zweiten Anzahl als Reaktion darauf, dass die gemessene Schaltkenngröße einen Schwellenwertpegel erreicht. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Ansteuertransistoren der zweiten Anzahl wesentlich größer als die Ansteuertransistoren der ersten Anzahl. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren außerdem das Einstellen des Signalverlaufs des Ansteuersignals für den externen Schalter mittels eines Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung, und das Steuern der einstellbaren Verstärkung durch die gemessene Schaltkenngröße. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren außerdem das Koppeln eines Transistors in Reihe zu einem Zweig eines Stromspiegels, um den Verstärker mit einstellbarer Verstärkung zu bilden, und das Steuern des Transistors mit der gemessenen Schaltkenngröße des Schalters. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren außerdem das Erzeugen eines Eingangssignals für den Verstärker mit einstellbarer Verstärkung mittels eines Transkonduktanzverstärkers. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren außerdem das Erzeugen eines Steuersignals für den Verstärker mit einstellbarer Verstärkung mittels eines Hochpassfilters.
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Obwohl die Regelung eines Signalverlaufs eines Ansteuersignals für einen Schalter zur adaptiven Regelung einer EMI und zugehörige Verfahren für eine Halbbrücke erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass andere Anwendungen, wie z. B. in einem Leistungsverstärker oder einer Motoransteuerung ebenfalls durch die Erfindung umfasst sind, dass die Erfindung also nicht auf Halbbrückenschaltungen beschränkt ist.
