DE102010006437B4 - Spannungswandleranordnung und Verfahren zur Spannungswandlung - Google Patents

Abstract

Spannungswandleranordnung, umfassend – einen Spannungswandler (13), der eingangsseitig mit einem Anordnungseingang (11) und ausgangsseitig mit einem Anordnungsausgang (12) gekoppelt ist sowie einen Stromsensor (18) umfasst, und – eine Steuereinrichtung (20) mit einem Steuerausgang (21), der mit dem Spannungswandler (13) gekoppelt ist und an dem ein Steuersignal (SW) abgreifbar ist, wobei die Steuereinrichtung (20) ausgelegt ist, die Frequenz (f) des Steuersignals (SW) zwischen Werten aus einer Anzahl N von vorgegebenen, diskreten Frequenzwerten umzuschalten, sowie die Steuereinrichtung (20) umfassend – eine Oszillatoranordnung (19), die an einem Oszillatorausgang (56) über einen Pulsweitenmodulator (37) mit dem Steuerausgang (21) gekoppelt ist, – einen Fensterkomparator (22), der zum Vergleich eines ersten und einer zweiten Referenzsignals (VDO, VUP) mit einer Ausgangsspannung (VOUT) oder einem davon abgeleiteten Messsignal (SM) ausgelegt ist und ausgangseitig mit einem Einstelleingang (32) der Oszillatoreinrichtung (19) gekoppelt ist, – den Pulsweitenmodulator (37), einen Summierer (53) und einen...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungswandleranordnung, eine Schaltungsanordnung mit einer Spannungswandleranordnung und ein Verfahren zur Spannungswandlung.
• Spannungswandleranordnungen werden als Buck-Konverter, das heißt als Abwärtswandler, als Boost-Konverter, das heißt als Aufwärtswandler, oder als Buck-Boost-Konverter eingesetzt.
• Dokument DE 10 2008 011 706 A1 beschreibt eine Wandleranordnung, die bei einer konstanten Frequenz betrieben wird. In einem getakteten Betriebsmodus steuert ein Steuersignal mit der konstanten Frequenz und wenigstens minimaler Pulsbreite das Umwandeln eines zu wandelnden Signals in ein gewandeltes Signal. Eine Überspannungsschutzeinrichtung umfasst einen Komparator, der das gewandelte Signal mit einer Referenzspannung vergleicht. Wenn eine Überspannung detektiert wird, wird die Wandleranordnung in einen ungetakteten Betriebszustand rückgesetzt. Im ungetakteten Betriebsmodus wird das gewandelte Signal direkt aus dem zu wandelnden Signal abgeleitet. Dadurch wird ein intermittierender Betrieb realisiert.
• Das Dokument US 2002/0080631 A1 gibt eine Spannungswandleranordnung an, welche mit einer Frequenz betrieben wird, die Werte aus einem kontinuierlichen Wertebereich annehmen kann. Entsprechend der kontinuierlich änderbaren Frequenz treten im Betrieb Oberwellen in einer Vielzahl von Frequenzbereichen auf.
• Im Dokument US 2003/0169026 A1 ist ein Schaltregler mit einem Pulsweitenmodulator dargestellt. Ein Oszillatorsignal und ein Fehlersignal, das von einem Fehlerverstärker bereitgestellt wird, werden einem Vergleicher zugeleitet, der ein Vergleichersignal zur Ansteuerung eines Schalters abgibt. Eine Oszillatorfrequenz des Oszillatorsignals wird in Abhängigkeit von dem Vergleichersignal und den Signalen zweier Pulsgeneratoren eingestellt. Die Frequenzumschaltung erfolgt bei Über-/Unterschreiten von maximalen/minimalen Pulsbreiten.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spannungswandleranordnung, eine Schaltungsanordnung mit einer Spannungswandleranordnung und ein Verfahren zur Spannungswandlung bereitzustellen, die Oberwellen nur bei vorgegebenen Frequenzen aufweisen.
• Die Aufgabe wird mit den Gegenständen der Patentansprüche 1 und 12 sowie dem Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• In einer Ausführungsform umfasst die Spannungswandleranordnung einen Anordnungseingang, einen Spannungswandler, eine Steuereinrichtung und einen Anordnungsausgang. Der Spannungswandler ist eingangsseitig mit dem Anordnungseingang und ausgangsseitig mit dem Anordnungsausgang gekoppelt. Ein Steuerausgang der Steuereinrichtung ist mit dem Spannungswandler verbunden.
• Dem Anordnungseingang wird eine Eingangsspannung zugeführt. Am Anordnungsausgang wird eine Ausgangsspannung bereitgestellt. Am Steuerausgang der Steuereinrichtung ist ein Steuersignal abgreifbar. Dabei ist die Steuereinrichtung ausgelegt, die Frequenz des Steuersignals zwischen Werten aus einer Anzahl N von vorgegebenen Frequenzwerten umzuschalten. Die vorgegebenen Frequenzwerte sind diskrete Frequenzwerte. Der Spannungswandler konvertiert in Abhängigkeit von dem Steuersignal die Eingangsspannung in die Ausgangsspannung.
• Mit Vorteil sind die Frequenzwerte, bei der die Spannungswandleranordnung betrieben wird, einzelne, vorgegebene Frequenzwerte. Somit sind die Frequenzwerte der Oberwellen ebenfalls vorgegeben.
• In einer Ausführungsform wird bei einem hohen Wert für einen durch den Anordnungsausgang fließenden Laststrom ein hoher Frequenzwert aus der Anzahl N von Frequenzwerten eingestellt. Die Steuereinrichtung stellt einen niedrigen Frequenzwert aus der Anzahl N von Frequenzwerten ein, sofern der Laststrom einen niedrigen Wert aufweist.
• In einer Ausführungsform umfasst die Anzahl N mindestens zwei Werte und höchstens sechzehn Werte.
• In einer Weiterbildung sind die Frequenzwerte der Anzahl N von Frequenzwerten aus einem Bereich zwischen 50 kHz und 40 MHz. Bevorzugt sind die Frequenzwerte aus einem Bereich zwischen 500 kHz und 10 MHz.
• In einer Ausführungsform ist der höchste Frequenzwert um mindestens den Faktor 2 höher als der niedrigste Frequenzwert.
• In einer Ausführungsform ist der höchste Frequenzwert kleiner oder gleich dem Sechzehnfachen des niedrigsten Frequenzwertes.
• In einer Ausführungsform bilden die Frequenzwerte der Anzahl N von Frequenzwerten eine Reihe. Die Anzahl N ist mindestens drei. Dabei unterscheiden sich aufeinanderfolgende Glieder der Reihe um einen vorgegebenen Faktor X. Bevorzugt ist der Faktor X ein Wert aus einer Gruppe, welcher die Werte 2, 4 und 8 umfasst. Mit Vorteil liegen somit die Oberwellen vorwiegend bei dem höchsten Frequenzwert aus der Anzahl N von Frequenzwerten nur bei Frequenzwerten, die auch bei dem niedrigstem Frequenzwert aus der Anzahl N von Frequenzwerten entstehen. Beispielsweise weist ein Frequenzwert von 1 MHz Oberwellen bei 1, 2, 3, 4, 5 MHz und so weiter sowie ein Frequenzwert von 2 MHz Oberwellen bei 2, 4, 6 MHz und so fort auf.
• In einer Ausführungsform weist die Spannungswandleranordnung einen getakteten Betriebszustand, in der die Steuereinrichtung das Steuersignal zwischen Werten aus der Anzahl N von Frequenzwerten umschaltet, und einen inaktiven Betriebszustand auf. Im inaktiven Betriebszustand wird keine Spannungswandlung durchgeführt.
• In einer Ausführungsform umfasst die Steuereinrichtung einen Pulsweitenmodulator. Der Pulsweitenmodulator ist ausgangsseitig mit dem Steuerausgang verbunden. Die Pulsdauer des Steuersignals ist somit einstellbar. Die Steuereinrichtung ist ausgelegt dazu, dass die Pulsdauer des Steuersignals größer oder gleich eines minimalen Wertes ist. Somit wird in jeder Periode des getakteten Betriebszustands eine Spannungswandlung durchgeführt. Durch das Umschalten auf den kleinsten Frequenzwert aus der Anzahl N von Frequenzwerten kann eine hohe Effizienz der Energiewandlung in allen Betriebszuständen und in den Übergängen zwischen zwei Betriebszuständen erzielt werden. Die Spannungswandleranordnung weist mehrere getaktete Betriebszustände, die sich hinsichtlich des Frequenzwertes unterscheiden, und den inaktiven Betriebszustand auf.
• In einer Ausführungsform ist der Spannungswandler als Buck-Wandler, als Boost-Wandler oder als Buck-Boost-Wandler realisiert. In einer Weiterbildung kann der Spannungswandler wechselweise als Buck-Wandler oder als Buck-Boost-Wandler eingesetzt sein. Alternativ kann er wechselweise als Boost-Wandler oder als Buck-Boost-Wandler verwendet sein. Wiederum alternativ ist er ausgebildet dazu, wechselweise als Buck-Wandler, Buck-Boost-Wandler oder Boost-Wandler verwendet zu werden.
• In einer Ausführungsform umfasst ein Halbleiterkörper die Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann in genau einem Halbleiterkörper integriert sein.
• In einer Ausführungsform umfasst eine Schaltungsanordnung die Spannungswandleranordnung und eine elektrische Last. Die elektrische Last kann ein Leuchtmittel sein. Das Leuchtmittel kann eine Leuchtdiode oder eine Xenon-Blitzlampe aufweisen. Alternativ kann die elektrische Last einen Motor aufweisen.
• Der Motor kann als Tauchspule, englisch Voice Coil Motor, ausgebildet sein. Die elektrische Last ist mit dem Anordnungsausgang verbunden. Das Leuchtmittel kann zum Erzeugen eines Lichtblitzes oder als Hintergrundbeleuchtung eingesetzt sein. Mit Vorteil kann der Spannungswandler im inaktiven Betriebszustand oder im getakteten Betriebszustand bei der kleinsten Frequenz aus der Anzahl N von Frequenzwerten außerhalb derjenigen Zeit betrieben werden, in der das Leuchtmittel aufleuchtet. Mit Vorteil erzeugt die Spannungswandleranordnung somit nur ein exakt definiertes, leicht filterbares Rauschen und weist eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit auf.
• In einer Ausführungsform wird die Ausgangsspannung als Messsignal zur Steuerung der Steuereinrichtung eingesetzt. Das Messsignal dient zur Auswahl des Frequenzwerts aus der Anzahl N von Frequenzwerten. In einer alternativen Ausführungsform koppelt eine Serienschaltung, welche die elektrische Last und eine Stromquelle umfasst, den Anordnungsausgang mit einem Bezugspotenzialanschluss. Dabei dient die über der Stromquelle abgreifbare Stromquellenspannung als Messsignal. Alternativ kann ein von der Stromquellenspannung abgeleitetes Signal als Messsignal eingesetzt werden. Mit Vorteil kann somit erzielt werden, dass die über der Stromquelle abfallende Spannung gleich oder größer als ein minimaler Wert ist. Die Steuereinrichtung kann auf einen kleineren Frequenzwert aus der Anzahl N von Frequenzwerten umschalten, wenn die über der Stromquelle abgreifbare Spannung deutlich größer als der mindestens benötigte Spannungswert ist. Somit wird mit Vorteil die Stromquelle immer in einem vorgegebenen Spannungsbereich betrieben.
• In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Spannungswandlung ein Zuführen einer Eingangsspannung. Ein Steuersignal wird erzeugt. Dabei weist die Frequenz des Steuersignals einen Wert aus einer Anzahl N von vorgegebenen, diskreten Frequenzwerten auf. Die Eingangsspannung wird in eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Steuersignal konvertiert. Die Frequenz des Steuersignals wird auf einen anderen Wert aus der Anzahl N von vorgegebenen, diskreten Frequenzwerten in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung oder von einem von der Ausgangsspannung abgeleiteten Messsignal umgeschaltet.
• Mit Vorteil können bei der Spannungswandlung ausschließlich Oberwellen bei vorgegebenen Frequenzwerten auftreten. Durch die Auswahl der Frequenz des Steuersignals aus mehreren möglichen Frequenzwerten ist eine effiziente Spannungswandlung bei verschiedenen und sich ändernden Lastbedingungen erreichbar.
• Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente und Schaltungselemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt. Es zeigen:
• 1A und 1B beispielhafte Ausführungsformen einer Spannungswandleranordnung,
• 2 beispielhafte Signalverläufe bei einer Spannungswandleranordnung und
• 3A und 3B beispielhafte Ausführungsformen eines Oszillators.
• 1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Spannungswandleranordnung. Die Spannungswandleranordnung 10 umfasst einen Anordnungseingang 11, einen Anordnungsausgang 12 und einen Spannungswandler 13. Der Spannungswandler 13 koppelt den Anordnungseingang 11 mit dem Anordnungsausgang 12. Der Spannungswandler 13 ist als Boost-Wandler implementiert. Der Spannungswandler 13 umfasst eine Induktivität 14, eine Diode 15 und einen Schalter 16. Eine Serienschaltung, umfassend die Induktivität 14 und die Diode 15, ist zwischen den Anordnungseingang 11 und den Anordnungsausgang 12 geschaltet. Dabei ist die Induktivität 14 an den Anordnungseingang 11 angeschlossen. Die Diode 15 ist an den Anordnungsausgang 12 angeschlossen. Ein Knoten zwischen der Induktivität 14 und der Diode 15 ist über den Schalter 16 mit einem Bezugspotenzialanschluss 17 verbunden. Die Diode 15 ist als Schottky-Diode realisiert. Darüber hinaus umfasst der Spannungswandler 13 einen Stromsensor 18. Der Stromsensor 18 ist seriell zum Schalter 16 angeordnet.
• Weiter weist die Spannungswandleranordnung 10 eine Steuereinrichtung 20 mit einem Steuerausgang 21 auf. Der Steuerausgang 21 ist an den Spannungswandler 13 angeschlossen. Der Steuerausgang 21 ist dazu mit einem Steuereingang des Schalters 16 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 20 umfasst eine Oszillatoranordnung 19. Die Oszillatoranordnung 19 ist an einem Oszillatorausgang 56 mit dem Steuerausgang 21 gekoppelt. Weiter weist die Steuereinrichtung 20 einen Fensterkomparator 22 auf. Der Fensterkomparator 22 umfasst einen ersten und einen zweiten Komparator 23, 24. Ein erster Knoten 27 ist mit einem ersten Eingang des ersten Komparators 23 und einem ersten Eingang des zweiten Komparators 24 verbunden. Ein zweiter Knoten 28 ist über eine erste Referenzspannungsquelle 25 mit dem zweiten Eingang des ersten Komparators 23 und über eine zweite Referenzspannungsquelle 26 mit einem zweiten Eingang des zweiten Komparators 25 verbunden. Der Fensterkomparator 22 weist einen ersten und einen zweiten Fensterkomparatorausgang 29, 30 auf. Der erste und der zweite Fensterkomparatorausgang 29, 30 sind über eine Digitalschaltung 31 mit einem Einstelleingang 32 der Oszillatoranordnung 19 verbunden. Die Steuereinrichtung 20 weist ein erstes und ein zweites logisches Gatter 33, 34 auf. Ein Ausgang des ersten Komparators 23 ist an den ersten Fensterkomparatorausgang 29 angeschlossen. Ein Ausgang des zweiten Komparators 24 ist an den zweiten Fensterkomparatorausgang 30 angeschlossen. Der erste Fensterkomparatorausgang 29 ist an einen ersten Anschluss des ersten logischen Gatters 33 angeschlossen. Entsprechend ist der zweite Fensterkomparatorausgang 30 an einen ersten Eingang des zweiten logischen Gatters 34 angeschlossen. Ein zweiter Eingang des ersten logischen Gatters 33 und ein zweiter Eingang des zweiten logischen Gatters 34 sind mit einem Aktivitätssignalanschluss 35 verbunden. Das erste und das zweite logische Gatter 33, 34 sind ausgangsseitig an die Digitalschaltung 31 angeschlossen. Das erste und das zweite logische Gatter 33, 34 sind als UND-Gatter realisiert. Die Digitalschaltung 31 ist über eine Bus-Verbindung, die eine Anzahl N von Leitungen umfasst, mit dem Einstelleingang 32 verbunden. Ein Einschalteingang 36 der Steuereinrichtung 20 ist mit der Oszillatoranordnung 19 verbunden.
• Die Steuereinrichtung 20 umfasst einen Pulsweitenmodulator 37. Der Pulsweitenmodulator 37 umfasst einen Sägezahngenerator 38 und einen Pulsweitenkomparator 39. Der Oszillatorausgang 56 ist mit einem Eingang des Pulsweitenmodulators 37 und damit mit einem Eingang des Sägezahngenerators 38 verbunden. Der Sägezahngenerator 38 ist ausgangsseitig mit einem ersten Eingang des Pulsweitenkomparators 39 verbunden. Der Pulsweitenkomparator 39 ist ausgangsseitig mit einem Ausgang 40 des Pulsweitenmodulators 37 verbunden. Der Ausgang 40 des Pulsweitenmodulators 37 ist mit dem Steuerausgang 21 gekoppelt. Eine Logikschaltung 42 der Steuereinrichtung 20 koppelt den Ausgang 40 des Pulsweitenmodulators 37 mit dem Steuerausgang 21. Der Ausgang 40 des Pulsweitenmodulators 37 ist mit einem weiteren Eingang der Digitalschaltung 31 verbunden.
• Die Steuereinrichtung 20 umfasst darüber hinaus einen Ausgangsspannungskomparator 43, der an einem ersten Eingang mit dem Anordnungsausgang 12 verbunden ist. Ein zweiter Eingang des Ausgangsspannungskomparators 43 ist über eine Ausgangsspannungsreferenzquelle 44 mit dem Bezugspotenzialanschluss 17 verbunden. Ein Ausgang des Ausgangsspannungskomparators 43 ist an einen weiteren Eingang der Logikschaltung 42 angeschlossen. Die Logikschaltung 42 weist einen Schalter 45 auf, der zwischen dem Ausgang 40 des Pulsweitenmodulators 37 und dem Steuerausgang 21 angeordnet ist. Der Ausgang des Ausgangsspannungskomparators 43 ist an einen Steuereingang des Schalters 45 angeschlossen. Darüber hinaus weist die Steuereinrichtung 20 ein Flip-Flop 46 auf. Ein Setzeingang des Flip-Flops 46 ist an den Ausgang 40 des Pulsweitenmodulators 37 angeschlossen. Ein Rücksetzeingang des Flip-Flops 46 ist mit dem Einschalteingang 36 gekoppelt. Ein Inverter 47 ist zwischen dem Einschalteingang 36 und dem Rücksetzeingang des Flip-Flops 46 angeordnet. Ein Pulsgenerator 48 der Steuereinrichtung 20 ist an den Oszillatorausgang 56 angeschlossen. Ein Ausgang des Flip-Flops 46 ist mit einem weiteren Eingang der Logikschaltung 42 gekoppelt. Dazu ist der Ausgang des Flip-Flops 46 und ein Ausgang des Pulsgenerators 48 über ein Logikgatter 49 mit dem Schalter 45 gekoppelt. Das Logikgatter 49 ist als UND-Gatter realisiert. Die Logikschaltung 42 umfasst ein weiteres Logikgatter 50, das ausgangsseitig über den Schalter 45 mit dem Steuerausgang 21 verbunden ist. Das weitere Logikgatter 50 ist als ODER-Gatter realisiert. Ein Ausgang des Logikgatters 49 und der Ausgang 40 des Pulsweitenmodulators 37 sind mit zwei Eingängen des weiteren Logikgatters 50 verbunden.
• Ein Verstärker 51 der Steuereinrichtung 20 ist an einem ersten Eingang mit einer zusätzlichen Referenzspannungsquelle 52 verbunden. Der erste Knoten 27 ist mit einem zweiten Eingang des Verstärkers 51 verbunden. Der zweite Knoten 28 ist über die zusätzliche Referenzspannungsquelle 52 mit dem ersten Eingang des Verstärkers 51 gekoppelt. Ausgangsseitig ist der Verstärker 51 mit einem Eingang eines Summierers 53 gekoppelt. Der Summierer 53 ist mit dem Pulsweitenmodulator 37 verbunden. Dazu ist der Ausgang des Summierers 53 mit einem zweiten Eingang des Pulsweitenkomparators 39 verbunden. Ein zweiter Eingang des Summierers 53 ist mit einem Ausgang des Stromsensors 18 verbunden. Zwischen dem Verstärker 51 und dem Summierer 53 ist ein Filter 54 angeordnet.
• Eine Schaltungsanordnung umfasst die Spannungswandleranordnung 10 und eine elektrische Last 70. Die elektrische Last 70 umfasst ein Leuchtmittel 71. Das Leuchtmittel ist als Leuchtdiode realisiert. Weiter umfasst die elektrische Last 70 eine Stromquelle 72, die seriell zum Leuchtmittel 71 geschaltet ist. Die elektrische Last 70 verbindet den Anordnungsausgang 12 mit dem Bezugspotenzialanschluss 17. Eine Serienschaltung, umfassend das Leuchtmittel 71 und die Stromquelle 72, ist zwischen dem Anordnungsausgang 12 und dem Bezugspotenzialanschluss 17 angeordnet. Das Leuchtmittel 71 ist an den Bezugspotenzialanschluss 17 angeschlossen. Die Stromquelle 72 hingegen ist an den Anordnungsausgang 12 angeschlossen. Weiter umfasst der Spannungswandler 13 einen Kondensator 55, der den Anordnungsausgang 12 mit dem Bezugspotenzialanschluss 17 verbindet. Die Schaltungsanordnung weist eine Spannungsquelle 73 auf, die zwischen den Anordnungseingang 11 und den Bezugspotenzialanschluss 17 geschaltet ist. Die Spannungsquelle 73 ist als Batterie realisiert.
• Zwischen dem Anordnungseingang 11 und dem Bezugspotentialanschluss 17 liegt eine Eingangsspannung VIN an. Die Eingangsspannung VIN wird von der Spannungsquelle 73 bereitgestellt. Zwischen dem Anordnungsausgang 12 und dem Bezugspotentialanschluss 17 ist eine Ausgangsspannung VOUT abgreifbar. Der Spannungswandler 13 konvertiert die Eingangsspannung VIN in die Ausgangsspannung VOUT. Am Steuerausgang 21 wird ein Steuersignal SW abgegeben. Das Steuersignal SW wird dem Schalter 16 zugeleitet. Stellt das Steuersignal SW den Schalter 16 in einen geschlossenen Betriebszustand ein, so fließt ein Spulenstrom IL vom Anordnungseingang 11 über die Induktivität 14 und den Schalter 16 zum Bezugspotenzialanschluss 17. Ist hingegen der Schalter 16 mittels des Steuersignals SW in einen sperrenden Betriebszustand geschaltet, so fließt der Spulenstrom IL vom Anordnungseingang 11 über die Induktivität 14 und die Diode 15 zum Anordnungsausgang 12. Mittels des Spulenstroms IL wird der Kondensator 55 aufgeladen. Die Ausgangsspannung VOUT wird mittels des Kondensators 55 geglättet. Die Ausgangsspannung VOUT fällt über der elektrischen Last 70 ab. Über dem Leuchtmittel 71 ist eine Leuchtmittelspannung VL abgreifbar. Entsprechend ist über der Stromquelle 72 eine Stromquellenspannung VCU abgreifbar. Die Ausgangsspannung VOUT ist somit die Summe aus der Leuchtmittelspannung VL und der Stromquellenspannung VCU.
• Die Stromquellenspannung VCU dient als Messsignal SM, welches der Spannungswandleranordnung 10 zugeleitet wird. Die Stromquellenspannung VCU fällt somit zwischen dem zweiten Knoten 28 und dem ersten Knoten 27 ab. Der Fensterkomparator 22 vergleicht das Messsignal SM mit einem ersten und einem zweiten Referenzsignal VDO, VUP. Das erste Referenzsignal VDO wird von der ersten Referenzspannungsquelle 25 bereitgestellt. Entsprechend wird das zweite Referenzsignal VUP von der zweiten Referenzspannungsquelle 26 abgegeben. Der erste Komparator 23 vergleicht somit das erste Referenzsignal VDO mit dem Messsignal SM. Analog vergleicht der zweite Komparator 25 das zweite Referenzsignal VUP mit dem Messsignal SM. Am ersten und am zweiten Fensterkomparatorausgang 29, 30 werden ein erstes und ein zweites Signal S1, S2 abgegeben. Das erste Signal 51 weist dann den logischen Wert 1 auf, wenn das Messsignal SM größer als das erste Referenzsignal VDO ist. Weiter weist das zweite Signal S2 den logischen Wert 1 auf, wenn das Messsignal SM kleiner als das zweite Referenzsignal VUP ist. Anderenfalls weisen das erste und das zweite Signal S1, S2 den logischen Wert 0 auf. Bei einem logischen Wert 1 des zweiten Signals S2 ist somit die Stromquellenspannung VCU zu niedrig. Hingegen ist bei einer logischen 1 des ersten Signals S1 die Stromquellenspannung VCU höher als benötigt. Am Aktivitätssignalanschluss 35 ist ein Aktivitätssignal SAK abgreifbar.
• Das erste und das zweite logische Gatter 33, 34 stellen ein erstes beziehungsweise zweites logisches Signal SL1, SL2 bereit. Weisen das Aktivitätssignal SAK und das erste Signal S1 den logischen Wert 1 auf, so hat das erste logische Signal SL1 den logischen Wert 1. Entsprechend hat das zweite logische Signal SL2 den logischen Wert 1, sofern das Aktivitätssignal SAK und das zweite Signal S2 beide den logischen Wert 1 aufweisen. Die Logikschaltung 31 stellt in Abhängigkeit von dem ersten und dem zweiten logischen Signal SL1, SL2 ein Einstellsignal SE bereit, dass dem Einstelleingang 32 der Oszillatoranordnung 19 zugeführt wird.
• Die Oszillatoranordnung 19 stellt ein Oszillatorsignal SO bereit. Die Oszillatoranordnung 19 ist ausgelegt dazu, das Oszillatorsignal SO mit einer Oszillatorfrequenz f0 abzugeben, die wechselweise verschiedene, diskrete Frequenzwerte annehmen kann. Die Oszillatoranordnung 19 kann das Oszillatorsignal SO mit der Anzahl N von Frequenzwerten bereitstellen. Am Einschalteingang 36 liegt ein Einschaltsignal SON an. Das Einschaltsignal SON wird der Oszillatoranordnung 19 zugeleitet. Die Oszillatoranordnung 19 stellt das Oszillatorsignal SO in Abhängigkeit des Einschaltsignals SON bereit. Das Einstellsignal SE bestimmt den Frequenzwert der Oszillatorfrequenz f0 des Oszillatorsignals SO. Das Einstellsignal SE ist als Bus-Signal realisiert und umfasst die Anzahl N von Signalen.
• Das Oszillatorsignal SO wird dem Pulsweitenmodulator 37 zugeleitet. Der Sägezahngenerator 38 generiert ein Sägezahnsignal SOR in Abhängigkeit des Oszillatorsignals SO. Der Stromsensor 18 gibt ein Stromsignal SI ab, das eine Funktion des Werts des durch den Schalter 16 fließenden Stroms ist. Mittels des Stromsignals SI kann eine so genannte slope compensation durchgeführt werden. Das Messsignal SM wird dem Verstärker 51 zugeleitet. Der Verstärker 51 stellt ein analoges Ausgangssignal SAN in Abhängigkeit eines Vergleichs des Messsignals SM und eines weiteren Referenzsignals VCR bereit. Das weitere Referenzsignal VCR wird von der zusätzlichen Referenzspannungsquelle 52 abgegeben. Das analoge Ausgangssignal SAN wird mittels des Filters 54 gefiltert und dem ersten Eingang des Summierers 53 zugeleitet. Das Stromsignal SI wird dem zweiten Eingang des Summierers 53 zugeleitet. Der Summierer 53 addiert die am ersten und zweiten Eingang anliegenden Signale, nämlich das gefilterte analoge Ausgangssignal SAN und das Stromsignal SI. Ein Summiersignal SU am Ausgang des Summierers SU wird dem Pulsweitenkomparator 39 zugeleitet. Der Pulsweitenkomparator 39 vergleicht somit das Sägezahnsignal SOR mit dem Summiersignal SU. Am Ausgang 40 des Pulsweitenmodulators 37 ist ein Pulsweitensignal SP abgreifbar. Das Pulsweitensignal SP hat den logischen Wert 1, wenn das Summiersignal SU größer als das Sägezahnsignal SOR ist. Hingegen hat das Pulsweitensignal SP den logischen Wert 0, wenn das Summiersignal SU kleiner als das Sägezahnsignal SOR ist. Das Steuersignal SW wird in Abhängigkeit des Pulsweitensignals SP bereitgestellt. Die Frequenz f des Steuersignals SW weist den Frequenzwert der Oszillatorfrequenz f0 des Oszillatorsignals SO auf.
• Der Ausgangsspannungskomparator 43 vergleicht die Ausgangsspannung VOUT mit einer Referenzspannung VOV. Die Referenzspannung VOV wird von der Ausgangsspannungsreferenzquelle 44 abgegeben. Am Ausgang des Ausgangsspannungskomparators 43 ist ein Ausgangsspannungssignal SOUT abgreifbar. Das Ausgangsspannungssignal SOUT hat einen logischen Wert 1, wenn die Ausgangsspannung VOUT größer als die Referenzspannung VOV ist. Das Steuersignal SW wird in Abhängigkeit des Ausgangsspannungssignals SOUT bereitgestellt. Mittels des Schalters 45 wird erzielt, dass das Steuersignal SW konstant ist und keine Pulse aufweist, sobald die Ausgangsspannung VOUT größer als die Referenzspannung VOV ist.
• Das Einschaltsignal SON wird dem Rücksetzeingang des Flip-Flops 46 zugeleitet. Durch den Inverter 47 wird das Einschaltsignal SON invertiert, sodass ein invertiertes Einschaltsignal SON' dem Rücksetzeingang zugeleitet wird. Am Ausgang des Flip-Flops 46 und damit am Aktivitätssignalanschluss 35 ist das Aktivitätssignal SAK abgreifbar. Weist das Einschaltsignal SON somit den logischen Wert 1 auf, liegt am Rücksetzeingang des Flip-Flops 46 das logische Signal 0 an, sodass kein Rücksetzvorgang ausgelöst wird. Das Aktivitätssignal SAK hat den Wert 1 in diesem Fall. Hat hingegen das Einschaltsignal SON den logischen Wert 0, so liegt am Rücksetzeingang der logische Wert 1 an, sodass das Flip-Flop 46 zurückgesetzt wird und das Aktivitätssignal SAK den logischen Wert 0 annimmt. Das Pulsweitensignal SP wird dem Setzeingang des Flip-Flops 46 zugeleitet. Ein logischer Wert 1 des Pulsweitensignals SP erzeugt somit einen logischen Wert 1 des Aktivitätssignals SAK. Sobald das Aktivitätssignal SAK den logischen Wert 1 annimmt, schalten das erste und das zweite logische Gatter 33, 34 das erste und das zweite Signal S1, S2 durch. In diesem Fall kann die Digitalschaltung 31 den eingestellten Frequenzwert der Oszillatorfrequenz f0 ändern. Weist hingegen das Aktivitätssignal SAK den logischen Wert 0 auf, so werden das erste und das zweite Signal S1, S2 nicht durchgeschaltet und der Frequenzwert der Oszillatorfrequenz f0 bleibt unverändert. Das Pulsweitensignal SP wird zusätzlich der Digitalschaltung 31 zugeleitet. Das Pulsweitensignal SP weist ein Tastverhältnis auf. Das Pulsweitensignal SP kann eingesetzt werden, um zu entscheiden, ob der höchste Frequenzwert einzustellen ist. Weist das Pulsweitensignal SP ein sehr hohes Tastverhältnis auf, so wird der höchste Frequenzwert eingestellt. Ist das Tastverhältnis näherungsweise gleich 1, so wird mittels der Kopplung des Ausgangs 40 mit der Digitalschaltung 31 das Einstellsignal SE derart gewählt, dass der nächsthöhere Frequenzwert aus der Anzahl N von Frequenzwerten eingestellt wird.
• Darüber hinaus wird das Oszillatorsignal SO dem Pulsgenerator 48 zugeleitet. Der Pulsgenerator 48 ist ausgelegt, ein Pulssignal PS mit Pulsen mit einer vorgegebenen Pulsdauer tMIN abzugeben. Die vorgegebene Pulsdauer tMIN bestimmt die minimale Pulslänge eines Pulses des Steuersignals SW. Der Pulsgenerator 48 gibt die Pulse mit einem logischen Wert 1 zu Beginn jeder Periodendauer ab. Das Pulssignal PS des Pulsgenerators 48 und das Aktivitätssignal SAK werden dem Logikgatter 49 zugeleitet. Das Logikgatter 49 hat eine UND-Funktion. Ausschließlich dann, wenn das Aktivitätssignal SAK den logischen Wert 1 aufweist, wird das Pulsweitensignal SP vom Logikgatter 49 durchgeschaltet. Das Steuersignal SW weist Pulse auf, deren Pulsdauer von dem Pulsweitensignal SP und dem Pulssignal PS bestimmt wird. Eine Pulsdauer des Steuersignals SW entspricht dem Maximum aus der Pulsdauer tMIN des Pulssignals PS des Pulsgenerators 48 und der Pulsdauer des Pulsweitensignals SP des Pulsweitenmodulators 37. Mittels des Schalters 45 wird erzielt, dass das Steuersignal SW konstant ist und keine Pulse aufweist, sobald die Ausgangsspannung VOUT größer als die Referenzspannung VOV ist.
• Das Steuersignal SW weist somit Pulse auf, wenn das Einschaltsignal SON einen die Oszillatoranordnung 19 aktivierenden Wert aufweist und wenn zusätzlich die Ausgangsspannung VOUT kleiner als die Referenzspannung VOV ist. Die Dauer der jeweiligen Pulse des Steuersignals SW werden durch das Pulsweitensignal SP bestimmt, wobei die minimale Pulsdauer tMIN vom Pulsgenerator 48 vorgegeben wird. Die Frequenz f des Steuersignals SW und damit die Periodendauer des Steuersignals SW wird durch die Oszillatorfrequenz f0 des Oszillatorsignals SO bestimmt. Die Oszillatorfrequenz f0 wird aus der Anzahl N von Frequenzwerten mit Hilfe einer Rückkopplungsschleife ermittelt. Die Rückkopplungsschleife umfasst den Abgriff der Stromquellenspannung VCU, den Fensterkomparator 22, das erste und das zweite logische Gatter 33, 34 und die Digitalschaltung 31. Ist das Messsignal SM größer als das erste Referenzsignal VDO, so wird die Frequenz f des Steuersignals SW auf einen niedrigen Frequenzwert eingestellt. Die Steuereinrichtung 20 stellt den Frequenzwert des Steuersignals SW auf einen höheren Frequenzwert aus der Anzahl N von vorgegebenen Frequenzwerten ein, wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: Das Messsignal SM wird kleiner als das zweite Referenzsignal VUP und/oder die Steuereinrichtung 20 erzeugt Pulse im Steuersignal SW, die länger als der minimale Pulswert tMIN sind. Der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Referenzsignal VDO, VUP ist derart gewählt, dass Schwankungen der Oszillatorfrequenz f0 zwischen zwei verschiedenen Frequenzwerten vermieden sind.
• Mit Vorteil wird derjenige Frequenzwert aus der Anzahl N von Frequenzwerten selbsttätig von der Spannungswandleranordnung 10 ausgewählt, mit dem eine hohe Effizienz der Spannungswandlung erzielt werden kann. Mit Vorteil kann die Oszillatoranordnung 19 das Oszillatorsignal SO ausschließlich mit vorgegebenen Frequenzwerten bereitstellen, sodass die dazugehörigen Oberwellenfrequenzen ebenfalls vorgegeben und damit bekannt sind. Mit Vorteil können nicht in 1A eingezeichnete Filter in der Schaltungsanordnung derart realisiert sein, dass die vorbestimmten Oberwellen effektiv beseitigt werden können. Mit Vorteil können die vorgegebenen Frequenzwerte derart während der Auslegung der Spannungswandleranordnung 10 bestimmt werden, dass die Spannungswandleranordnung 10 ausschließlich Oberwellen erzeugt, die weitere in 1A nicht eingezeichnete Schaltungsteile möglichst geringfügig beeinflussen. Die Spannungswandleranordnung 10 gemäß 1A weist eine Regelung auf, die auf der Messung des Eingangsstroms beziehungsweise auf dem Stromsignal SI basiert. Darüber hinaus wird bei der Regelung die Phase des Pulsweitensignals SP berücksichtigt. Durch die Veränderung der Frequenz f wird bei der vorgegebenen minimalen Pulsdauer tMIN eine hohe Effizienz auch bei sehr geringen Lastströmen erreicht.
• Mit Vorteil werden in der Spannungswandleranordnung 10 ausschließlich a priori bekannte Frequenzwerte eingesetzt. Die Frequenzwerte können beispielsweise 1 MHz, 2 MHz und 4 MHz sein. Bei einem Frequenzwert von 4 MHz und einer Pulsdauer von 35 ns beträgt das Taktverhältnis 15%. Hingegen beträgt das Taktverhältnis 3,5% bei einem Frequenzwert von 1 MHz und einer Pulsdauer von 35 ns. Ein Umschalten vom inaktiven Betriebszustand zum getakteten Betriebszustand bedeutet bei dem Frequenzwert 4 MHz ein Umschalten von einem Taktverhältnis von 0% auf 15%. Hingegen bedeutet das Umschalten bei einem Frequenzwert von 1 MHz das Umschalten des Taktverhältnisses von 0% nur auf 3,5%. So wird durch die Auswahl der verschiedenen Frequenzwerte gerade im Übergangsbereich zwischen dem inaktiven Betriebszustand und dem getakteten Betriebszustand eine sehr hohe Effizienz der Energieausnützung erzielt.
• In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform kann die Diode 15 als geschaltener Transistor implementiert werden. Der Transistor wird dabei als Schalter eingesetzt.
• In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform ist das Messsignal SM identisch mit der Ausgangsspannung VOUT. Dabei ist der erste Knoten 27 nicht mit dem Knoten zwischen der Stromquelle 72 und dem Leuchtmittel 71, sondern mit dem Bezugspotenzialanschluss 17 verbunden. Mittels eines Vergleichs der Ausgangsspannung VOUT mit dem ersten und dem zweiten Referenzsignal VDO, VUP wird ermittelt, ob der nächsthöhere Frequenzwert oder der nächstniedrigere Frequenzwert des Oszillatorsignals SO eingestellt werden soll.
• 1B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Spannungswandleranordnung. Die Spannungswandleranordnung 10' gemäß 1B ist eine Weiterbildung der in 1A gezeigten Spannungswandleranordnung 10. Der Spannungswandler 13' ist als Buck-Converter realisiert. Der Spannungswandler 13' dient somit der Abwärtswandlung der Eingangsspannung VIN in die Ausgangsspannung VOUT. Der Spannungswandler 13' umfasst einen ersten und einen zweiten Transistor 80, 81, die seriell zwischen dem Anordnungseingang 11 und dem Bezugspotenzialanschluss 17 angeordnet sind. Der erste Transistor 80 ist an den Anordnungseingang 11 angeschlossen. Der zweite Transistor 81 ist an den Bezugspotenzialanschluss 17 angeschlossen. Ein Knoten zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor 80, 81 ist mittels der Induktivität 14 mit dem Anordnungsausgang 12 gekoppelt. Der erste und der zweite Transistor 80, 81 sind als Feldeffekttransistoren realisiert. Die beiden Transistoren 80, 81 sind als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ausgebildet. Beide Transistoren 80, 81 sind selbstsperrend. Der erste Transistor 80 ist als p-Kanal Transistor und der zweite Transistor 81 ist als n-Kanal Transistor implementiert. Der Steuerausgang 21 ist mit einem Steueranschluss des ersten Transistors 80 verbunden. Ein weiterer Steuerausgang 82 der Steueranordnung 20 ist mit einem Steueranschluss des zweiten Transistors 81 verbunden. Die Steuereinrichtung 20 umfasst eine Treiberschaltung 83, welche die Digitalschaltung 42 mit dem Steuerausgang 21 und dem weiteren Steuerausgang 82 verbindet.
• Das Steuersignal SW wird dem ersten Transistor 80 zugeführt. Am weiteren Steuerausgang 82 ist ein weiteres Steuersignal SW2 abgreifbar. Das weitere Steuersignal SW2 wird dem zweiten Transistor 81 zugeleitet. Das Steuersignal SW und das weitere Steuersignal SW2 sind derart realisiert, dass höchstens ein Transistor aus einer Gruppe, umfassend den ersten und den zweiten Transistor 80, 81, zu einem Zeitpunkt leitend geschaltet ist. Dadurch dass in keinem Betriebszustand der erste und der zweite Transistor 80, 81 gleichzeitig leitend geschaltet sind, ist ein Kurzschluss zwischen dem Anordnungseingang 11 und dem Bezugspotenzialanschluss 17 vermieden. Werden mittels des Steuersignals SW und des weiteren Steuersignals SW2 der erste und der zweite Transistor 80, 81 sperrend geschaltet, so befindet sich die Spannungswandleranordnung 10' im inaktiven Betriebszustand. Ist der erste Transistor 80 leitend geschaltet, so fließt der Spulenstrom IL vom Anordnungseingang 11 über den ersten Transistor 80 und die Induktivität 14 zum Anordnungsausgang 12. Ist hingegen der zweite Transistor 81 leitend geschaltet, so fließt aufgrund der in der Induktivität 14 gespeicherten Energie der Spulenstrom IL durch den zweiten Transistor 81 und die Induktivität 14 zum Anordnungsausgang 12.
• Der Treiber 83 setzt das Signal am Ausgang der Logikschaltung 42 in geeignete Pegel für den ersten und den zweiten Transistor 80, 81 um. Die elektrische Last 70' umfasst die Stromquelle 72 und einen Motor 84. Der Motor 84 ist als Tauchspule realisiert. Der Motor kann als Voice Coil Motor, abgekürzt VCM, realisiert werden. Der VCM kann für Autofocus-Anwendungen bei einer Kamera eingesetzt werden. In der Ausführung gemäß 1B sind der Ausgangsspannungskomparator 43, die Ausgangsspannungsreferenzquelle 44 und der Steuerschalter 45 weggelassen.
• Mit Vorteil wird mittels der Spannungswandleranordnung 10' eine Ausgangsspannung VOUT bereitgestellt, die ausreichend zum Betrieb des Motors 84 ist.
• In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist der Spannungswandler 13' als Buck-Boost-Spannungswandler implementiert.
• 2 zeigt beispielhafte Signalverläufe in einer Spannungswandleranordnung 10, 10' gemäß den 1A oder 1B. In 2 sind die Verläufe von Spannungen und des Steuersignals SW in Abhängigkeit von der Zeit t gezeigt. In einem Zeitraum zwischen einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt t1, t2 weist das Steuersignal SW einen niedrigen Frequenzwert f1 auf. In einem Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und einem vierten Zeitpunkt t4 weist das Steuersignal SW einen zweiten Frequenzwert f2 auf, der um den Faktor k höher als der erste Frequenzwert f1 ist. In einem Zeitraum zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und einem dritten Zeitpunkt t3 weist das Tastverhältnis einen niedrigen Wert auf. Hingegen weist das Tastverhältnis in einem Zeitraum zwischen dem dritten und dem vierten Zeitpunkt t3, t4 ein verglichen mit dem vorhergehenden Zeitraum höheres Tastverhältnis auf.
• Gemäß 2 nimmt die Eingangsspannung VIN in Abhängigkeit von der Zeit t ab. Dies ist beispielsweise bei einer Spannungsquelle 73, die als Batterie realisiert ist, der Fall. Die Leuchtmittelspannung VL weist im Idealfall einen konstanten Wert auf. Entsprechend einer für die Stromsenke 72 optimalen Stromquellenspannung VCU hat die Ausgangsspannung VOUT im optimalen Fall einen konstanten Wert VOO. Aufgrund der Umschaltung der Frequenzen in der Steuereinheit 20 ist die Ausgangsspannung VOUT in einer Spannungswandleranordnung 10, 10' gemäß den 1A und 1B nur geringfügig über dem optimalen Wert für die Ausgangsspannung VOO. Durch die Frequenzumschaltung weist die Spannungswandleranordnung 10, 10' gemäß 1A und 1B eine hohe Energieeffizienz verglichen mit herkömmlichen Spannungswandleranordnungen auf.
• 3A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Oszillatoranordnung 19, die in den Schaltungsanordnungen gemäß 1A und 1B eingesetzt werden kann. Die Oszillatoranordnung 19 umfasst einen Oszillator 90 und einen Frequenzteiler 100. Der Oszillator 90 ist als Schwingquarzoszillator realisiert. Ein Eingang des Oszillators 90 ist mit dem Einschalteingang 36 verbunden. Ein Ausgang des Oszillators 90 ist über den Frequenzteiler 100 mit dem Oszillatorausgang 56 verbunden. Der Frequenzteiler 100 weist eine Kette von Flip-Flops 91, 92, 93 auf. Dabei ist der Oszillator 90 mit einem Takteingang C1 eines ersten Flip-Flops 91 verbunden. Ein Ausgang des ersten Flip-Flops 91 ist mit einem Takteingang des zweiten Flip-Flops 92 verbunden. Ebenso ist ein Ausgang des zweiten Flip-Flops 92 mit einem Takteingang eines dritten Flip-Flops 93 verbunden. Das erste, zweite und dritte Flip-Flop 91 bis 93 sind als JK-Flip-Flops realisiert. Die Ausgänge des ersten, des zweiten und des dritten Flip-Flops 91, 92, 93 sind als invertierte Ausgänge Q' bezeichnet. Zwischen dem Oszillator 90 und dem Takteingang C1 des ersten Flip-Flops 91 ist ein Inverter 94 geschaltet.
• Die Takteingänge C1 des ersten, des zweiten und des dritten Flip-Flops 91, 92, 93 sowie der Ausgang Q' des dritten Flip-Flops 93 sind über einen Multiplexer 95 mit dem Oszillatorausgang 56 verbunden. Der Multiplexer 95 weist dazu einen ersten bis einen vierten Schalter 96 bis 99 auf. Der Stelleingang 32 der Oszillatoranordnung 19 ist an den Steuereingang des Multiplexers 95 angeschlossen. Somit ist der Stelleingang 32 mit den Steuereingängen des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Schalters 96 bis 99 gekoppelt.
• Der Oszillator 90 stellt ein Oszillatorsignal SQ bereit. Das Oszillatorsignal SQ wird mittels des Inverters 94 in eine Rechteckform gebracht. Das rechteckförmige Oszillatorsignal SQ' wird als Taktsignal dem Takteingang C1 des ersten Flip-Flops 91 zugeleitet. Das Oszillatorsignal SQ beziehungsweise das rechteckförmige Oszillatorsignal SQ' weisen einen ersten Frequenzwert f1 auf. Das erste Flip-Flop 91 gibt an seinem Ausgang Q' das erste Flip-Flop-Signal SF1 ab. Das erste Flip-Flop-Signal SF1 weist einen zweiten Frequenzwert f2 auf. Der zweite Frequenzwert f2 beträgt die Hälfte des ersten Frequenzwerts f1. Ebenso stellen das zweite und das dritte Flip-Flop 92, 93 an ihren Q'-Ausgängen ein zweites beziehungsweise ein drittes Flip-Flop-Signal SF2, SF3 mit einem dritten beziehungsweise vierten Frequenzwert f3, f4 bereit. Der vierte Frequenzwert f4 ist die Hälfte des dritten Frequenzwerts f3, die wiederum die Hälfte des zweiten Frequenzwerts f2 ist. Mittels des Multiplexers 95 und des Einstellsignals SE wird das Oszillatorsignal SQ' oder eines der Flip-Flop-Signals SF1, SF2, SF3 ausgewählt und als Oszillatorsignal SO dem Oszillatorausgang 56 zugeleitet. Somit kann der Frequenzwert fi der Oszillatorfrequenz f0 gemäß folgender Gleichung bestimmt werden: fi = f1 / 2i-1, wobei i die Zahlen 1 bis zur Anzahl N durchläuft. Die Anzahl N hat im Beispiel gemäß 3A den Wert 4. Mit Vorteil wird mittels der Flip-Flops 91, 92, 93 eine exakte Division des ersten Frequenzwerts fi des Oszillatorsignals SQ durchgeführt.
• 3B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Oszillatoranordnung 19', die in einer der Spannungswandleranordnungen gemäß 1A und 1B eingesetzt werden kann. Die Oszillatoranordnung 19' ist als RC-Oszillator realisiert. Die Oszillatoranordnung 19' weist eine schaltbare Kondensatoranordnung 110 und eine schaltbare Widerstandsanordnung 111 auf. Die schaltbare Kondensatoranordnung 110 weist einen einstellbaren Kapazitätswert C auf. Die schaltbare Kondensatoranordnung 110 umfasst einen ersten Kondensator 112 und eine Parallelschaltung, umfassend einen zweiten Kondensator 113 und einen ersten Schalter 114, die zum ersten Kondensator 112 seriell geschaltet ist. Die schaltbare Widerstandsanordnung 111 weist einen Widerstandswert R auf. Die schaltbare Widerstandsanordnung 111 umfasst einen ersten Widerstand 115 sowie eine Serienschaltung aus einem zweiten Widerstand 116 und einem zweiten Schalter 117, wobei die Serienschaltung parallel zum ersten Widerstand 115 geschaltet ist. Darüber hinaus umfasst die Oszillatoranordnung 19' ein verstärkendes Element 118. Das verstärkende Element 118 ist als ein erster Inverter realisiert. Ein Ausgang des verstärkenden Elements 118 ist über die schaltbare Widerstandsanordnung 111 mit einem Eingang des verstärkenden Elements 118 verbunden. Der Eingang des verstärkenden Elements 118 ist über die schaltbare Kondensatoranordnung 110 mit dem Bezugspotenzialanschluss 17 verbunden. Der Ausgang des verstärkenden Elements 118 ist mit dem Oszillatorausgang 56 gekoppelt. Ein zweiter Inverter 119 verbindet den Ausgang des verstärkenden Elements 118 mit dem Oszillatorausgang 56. Eine Decodierschaltung 120 der Oszillatoranordnung 19' koppelt den Einstelleingang 32 mit den Steueranschlüssen des ersten und des zweiten Schalters 114, 117.
• Die Oszillatorfrequenz f0 des Oszillatorsignals SO kann näherungsweise gemäß folgender Gleichung berechnet werden: fO = K / R·C, wobei C der eingestellte Kapazitätswert der schaltbaren Kondensatoranordnung 110, R der eingestellte Widerstandswert der schaltbaren Widerstandsanordnung 111 und K ein Proportionalitätsfaktor ist. Entsprechend dem Einstellsignal SE wird die Schalterstellung des ersten und des zweiten Schalters 114, 117 ausgewählt und der Kapazitätswert C sowie der Widerstandswert R eingestellt. Somit können zwei unterschiedliche Kapazitätswerte C und zwei unterschiedliche Widerstandswerte R und damit vier unterschiedliche Frequenzwerte der Oszillatorfrequenz f0 eingestellt werden.
• Bezugszeichenliste

10, 10'

Spannungswandleranordnung

11

Anordnungseingang

12

Anordnungsausgang

13, 13'

Spannungswandler

14

Induktivität

15

Diode

16

Schalter

17

Bezugspotenzialanschluss

18

Stromsensor

19, 19'

Oszillatoranordnung

20

Steuereinrichtung

21

Steuerausgang

22

Fensterkomparator

23

erster Komparator

24

zweiter Komparator

25

erste Referenzspannungsquelle

26

zweite Referenzspannungsquelle

27

erster Knoten

28

zweiter Knoten

29

erster Fensterkomparatorausgang

30

zweiter Fensterkomparatorausgang

31

Digitalschaltung

32

Einstelleingang

33

erstes logisches Gatter

34

zweites logisches Gatter

35

Aktivitätssignalanschluss

36

Einschalteingang

37

Pulsweitenmodulator

38

Sägezahngenerator

39

Pulsweitenkomparator

40

Ausgang

42

Logikschaltung

43

Ausgangsspannungskomparator

44

Ausgangsspannungsreferenzquelle

45

Schalter

46

Flip-Flop

47

Inverter

48

Pulsgenerator

49

Logikgatter

50

weiteres Logikgatter

51

Verstärker

52

zusätzliche Referenzspannungsquelle

53

Summierer

54

Filter

55

Kondensator

56

Oszillatorausgang

70

elektrische Last

71

Leuchtmittel

72

Stromquelle

73

Spannungsquelle

80

erster Transistor

81

zweiter Transistor

82

weiterer Steuerausgang

83

Treiberschaltung

84

Motor

90

Oszillator

91

erstes Flip-Flop

92

zweites Flip-Flop

93

drittes Flip-Flop

94

Inverter

95

Multiplexer

96

erster Schalter

97

zweiter Schalter

98

dritter Schalter

99

vierter Schalter

100

Frequenzteiler

110

schaltbare Kondensatoranordnung

111

schaltbare Widerstandsanordnung

112

erster Kondensator

113

zweiter Kondensator

114

erster Schalter

115

erster Widerstand

116

zweiter Widerstand

117

zweiter Schalter

118

verstärkendes Element

119

zweiter Inverter

120

Decodierschaltung

C

Kapazitätswert

f

Frequenz

f0

Oszillatorfrequenz

f1

erster Frequenzwert

f2

zweiter Frequenzwert

f3

dritter Frequenzwert

f4

vierter Frequenzwert

IL

Spulenstrom

PS

Pulssignal

R

Widerstandswert

SAK

Aktivitätssignal

SAN

analoges Ausgangssignal

SE

Einstellsignal

SF1

erstes Flip-Flop-Signal

SF2

zweites Flip-Flop-Signal

SF3

drittes Flip-Flop-Signal

SI

Stromsignal

SL1

erstes logisches Signal

SL2

zweites logisches Signal

SM

Messsignal

SO

Oszillatorsignal

SON

Einschaltsignal

SON'

invertiertes Einschaltsignal

SOR

Sägezahnsignal

SOUT

Ausgangsspannungssignal

SOV

Spannungsvergleichssignal

SP

Pulsweitensignal

SQ, SQ'

Oszillatorsignal

SU

Summiersignal

SW

Steuersignal

SW2

weiteres Steuersignal

S1

erstes Signal

S2

zweites Signal

tMIN

vorgegebene Pulsdauer

VCR

weiteres Referenzsignal

VCU

Stromquellenspannung

VDO

erstes Referenzsignal

VIN

Eingangsspannung

VL

Leuchtmittelspannung

VOO

Ausgangsspannung

VOUT

Ausgangsspannung

VOV

Referenzspannung

VUP

zweites Referenzsignal

Claims (14)

1. Spannungswandleranordnung, umfassend – einen Spannungswandler (13), der eingangsseitig mit einem Anordnungseingang (11) und ausgangsseitig mit einem Anordnungsausgang (12) gekoppelt ist sowie einen Stromsensor (18) umfasst, und – eine Steuereinrichtung (20) mit einem Steuerausgang (21), der mit dem Spannungswandler (13) gekoppelt ist und an dem ein Steuersignal (SW) abgreifbar ist, wobei die Steuereinrichtung (20) ausgelegt ist, die Frequenz (f) des Steuersignals (SW) zwischen Werten aus einer Anzahl N von vorgegebenen, diskreten Frequenzwerten umzuschalten, sowie die Steuereinrichtung (20) umfassend – eine Oszillatoranordnung (19), die an einem Oszillatorausgang (56) über einen Pulsweitenmodulator (37) mit dem Steuerausgang (21) gekoppelt ist, – einen Fensterkomparator (22), der zum Vergleich eines ersten und einer zweiten Referenzsignals (VDO, VUP) mit einer Ausgangsspannung (VOUT) oder einem davon abgeleiteten Messsignal (SM) ausgelegt ist und ausgangseitig mit einem Einstelleingang (32) der Oszillatoreinrichtung (19) gekoppelt ist, – den Pulsweitenmodulator (37), einen Summierer (53) und einen Verstärker (51), welcher ein analoges Ausgangssignal (SAN) in Abhängigkeit eines Vergleichs der Ausgangsspannung (VOUT) oder eines davon abgeleiteten Messsignals (SM) und eines Referenzsignals (VCR) bereitstellt und ausgangsseitig mit einem ersten Eingang des Summierers (53) gekoppelt ist, ein Ausgang des Stromsensors (18) mit einem zweiten Eingang des Summierers (53) verbunden ist und ein Ausgang des Summierers (53) mit einem Eingang des Pulsweitenkomparators (39) verbunden ist, bei der die Steuereinrichtung (20) ausgelegt ist, in einem aktiven Betriebszustand der Spannungswandleranordnung (10) das Steuersignal (SW) derart zu generieren, dass eine Pulsdauer des Steuersignals (SW) in jeder Periode mindestens einen minimalen Pulswert aufweist.
2. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 1, bei der die Anzahl N mindestens zwei und höchstens sechzehn ist.
3. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Frequenzwerte aus einem Bereich zwischen 50 kHz und 40 MHz sind.
4. Spannungswandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Anzahl N mindestens 3 beträgt und sich bei einer Reihung der Frequenzwerte nach ihrer Größe zwei aufeinander folgende Frequenzwerte jeweils um einen vorgegebenen Faktor X unterscheiden.
5. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 4, bei der der vorgegebene Faktor X einen Wert aus einer Gruppe, umfassend 2, 4 und 8, aufweist.
6. Spannungswandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Oszillatoranordnung (19) zum Bereitstellen eines Oszillatorsignals (SO) mit einer Oszillatorfrequenz (f0), die einen Wert aus der Anzahl N von vorgegebenen, diskreten Frequenzwerten aufweist, ausgelegt ist.
7. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 6, die Oszillatoranordnung (19) umfassend – einen Oszillator (90) und einen Frequenzteiler (100), der dem Oszillator (90) nachgeschaltet ist und ausgangsseitig mit dem Oszillatorausgang (56) gekoppelt ist, oder – ein verstärkendes Element (118), das ausgangsseitig mit dem Oszillatorausgang (56) gekoppelt ist und das mindestens eine Anordnung aus einer Gruppe aufweist, welche eine schaltbare Kondensatoranordnung (110) und eine schaltbare Widerstandsanordnung (111) umfasst.
8. Spannungswandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Steuereinrichtung (20) ein erstes und ein zweites logisches Gatter (33, 34) umfasst, wobei – das erste logische Gatter (33) – einen ersten Eingang, der mit einem ersten Fensterkomparatorausgang (29) des Fensterkomparators (22) verbunden ist, – einen zweiten Eingang, dem ein Aktivitätssignal (SAK) zuführbar ist, und – einen Ausgang, der mit dem Einstelleingang (32) gekoppelt ist, aufweist und – das zweite logische Gatter (34) – einen ersten Eingang, der mit einem zweiten Fensterkomparatorausgang (30) des Fensterkomparators (22) verbunden ist, – einen zweiten Eingang, dem das Aktivitätssignal (SAK) zuführbar ist, und – einen Ausgang, der mit dem Einstelleingang (32) gekoppelt ist, aufweist.
9. Spannungswandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Pulsweitenmodulator (37) – an einem ersten Eingang mit dem oszillatorausgang (56) gekoppelt ist, – an einem zweiten Eingang mit einem Ausgang des Summierers (53) verbunden ist und – an einem Ausgang (40) mit dem Steuerausgang (21) gekoppelt ist.
10. Spannungswandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der eine Pulsdauer des Steuersignals (SW) in jeder Periode mindestens einen minimalen Pulswert aufweist, so dass in jeder Periode eine Spannungswandlung durchgeführt wird.
11. Spannungswandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Spannungswandler (13) als mindestens ein Wandler aus einer Gruppe, umfassend einen Buck-Wandler, einen Boost-Wandler und einen Buck-Boost Wandler, implementiert ist.
12. Schaltungsanordnung, umfassend die Spannungswandleranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und eine elektrische Last (70), insbesondere ein Leuchtmittel (71) oder einen Motor (84), wobei die elektrische Last (70) mit dem Anordnungsausgang (12) gekoppelt ist.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, bei der zwischen dem Anordnungsausgang (12) und einem Bezugspotentialanschluss (17) eine Serienschaltung, umfassend die elektrische Last (70) und eine Stromquelle (72), angeordnet ist, und eine über der Stromquelle (72) abgreifbare Stromquellenspannung (VCU) oder ein davon abgeleitetes Signal als Messsignal (SM) dem Fensterkomparator (22) zugeleitet wird.
14. Verfahren zur Spannungswandlung, umfassend – Zuführen einer Eingangsspannung (VIN), – Erzeugen eines Steuersignals (SW), wobei die Frequenz (f) des Steuersignals (SW) einen Wert aus einer Anzahl N von vorgegebenen, diskreten Frequenzwerten aufweist und durch eine Oszillatorfrequenz (f0) eines Oszillatorsignals (SO) bestimmt wird, das von einer Oszillatoranordnung (19) bereitgestellt wird, – Wandeln der Eingangsspannung (VIN) in eine Ausgangsspannung (VOUT) mittels eines Spannungswandlers (13) in Abhängigkeit von dem Steuersignal (SW) und – Umschalten der Frequenz (f) des Steuersignals (SW) auf einen anderen Wert aus der Anzahl N von vorgegebenen, diskreten Frequenzwerten in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (VOUT) oder einem von der Ausgangsspannung (VOUT) abgeleiteten Messsignal (SM), wobei ein Fensterkomparator (22) die Ausgangsspannung (VOUT) beziehungsweise das Messsignal (SM) mit einem ersten und einem zweiten Referenzsignal (VDO, VUP) vergleicht und ausgangsseitig mit einem Einstelleingang (32) der Oszillatoranordnung (19) verbunden ist, ein analoges Ausgangssignal (SAN) in Abhängigkeit eines Vergleichs der Ausgangsspannung (VOUT) beziehungsweise des Messsignals (SM) und eines Referenzsignals (VCR) bereitgestellt und einem ersten Eingang eines Summierers (53) zugeleitet wird, ein Stromsignal (SI) von einem Stromsensor (18) des Spannungswandlers (13) abgegeben und einem zweiten Eingang des Summierers (53) zugeleitet wird, ein Summiersignal (SU) am Ausgang des Summierers (53) einem Pulsweitenmodulator (37) zugeleitet wird, am Ausgang (40) des Pulsweitenmodulators (37) ein Pulsweitensignal (SP) abgegeben wird und die Dauer der jeweiligen Pulse des Steuersignals (SW) durch das Pulsweitensignal (SP) bestimmt wird, wobei eine minimale Pulsdauer (tMIN) vorgegeben ist.

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