DE102010042429A1

DE102010042429A1 - Adaptive Frequenzschwankung für eine Steuerschaltung

Info

Publication number: DE102010042429A1
Application number: DE102010042429A
Authority: DE
Inventors: Xiao Wu Gong; Siu Kam Kok; Yaw Hann Thian
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2011-06-30
Also published as: US8289733B2; US20110085359A1

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leistungswandlung. Das Verfahren umfasst: Vergleichen eines Rückkopplungssignals (VFB), das von einem Ausgangssignal (VDC OUT) abgeleitet ist, mit einem Referenzsignal (VREF DC), um dadurch ein Fehlersignal (VERROR) zu erzeugen, das repräsentativ ist für eine Differenz zwischen diesen Signalen; Erzeugen eines oszillierenden Stromsignals (IOSC) abhängig von dem Fehlersignal (VERROR); Erzeugen eines gepulsten Spannungssignals (VPULSE), das abhängig von dem oszillierenden Stromsignal (IOSC) einer Frequenzschwankung unterliegt, wobei die Frequenzschwankung einen ersten Frequenzbereich besitzt, während die Last einen ersten Lastzustand aufweist, und einen zweiten Frequenzbereich besitzt, während die Last einen zweiten Lastzustand aufweist, der sich von dem ersten Lastzustand unterscheidet.

Description

Elektromagnetische Interferenz (electromagnetic interference, EMI), die auch als Funkfrequenz-Interferenz (radio frequency interference, RFI) bezeichnet werden kann, ist eine Störung, die eine elektrische Schaltung aufgrund unerwünschter elektromagnetischer Leitung (electromagnetic conduction) oder elektromagnetischer Strahlung beeinflusst. Wenn beispielsweise eine elektrische Schaltung in einem Drucker Signale mit einer Frequenz von 850 kHz verarbeitet und in der Nähe ein drahtloser Übertrager ein konkurrierendes drahtloses Signal mit einer Frequenz von 850 kHz überträgt, kann im Drucker eine signifikante Signalverschlechterung oder es können sogar Druckfehler auftreten, da der drahtlose Übertrager eine EMI erzeugt, die mit der eigenen internen Signalverarbeitung des Druckers interferiert.
Um EMI innerhalb handhabbarer Pegel zu halten, haben die Federal Communications Commission (FCC) in den Vereinigten Staaten und andere Regulierungsbehörden in aller Welt Regelungen erlassen, die tolerierbare EMI-Pegel für elektronische Geräte festlegen. Solche Regelungen unterscheiden verschiedene Klassen von elektronischen Geräten und legen einen maximalen EMI-Pegel fest, der durch Geräte innerhalb der jeweiligen Klasse erzeugt werden darf. Auf diese Weise können Verbraucher und Firmen darauf vertrauen, dass deren elektronische Geräte adäquat funktionieren und nicht die Gefahr einer Interferenz durch andere Geräte besteht.
Eine besonders problematische Quelle von EMI sind Leistungsversorgungen (power supplies) für elektronische Geräte. Diese Leistungsversorgungen wandeln häufig elektrische Leistung bzw. eine elektrische Spannung aus einer Form in eine andere Form. Da beispielsweise Laptops integrierte Schaltungen umfassen, die dazu ausgebildet sind, bei einer Gleichspannung von 19,5 V zu funktionieren (und da übliche häusliche und industrielle Steckdosen eine Wechselspannung liefern, nämlich 120 V bei 60 Hz in den Vereinigten Staaten und 230 V bei 50 Hz in Europa) werden Laptops üblicherweise mit einem Leistungsadapter geliefert, der die Wechselspannung in eine Gleichspannung von 19,5 V wandelt, die für den Betrieb des Laptops geeignet ist.
Bei vielen Realisierungen umfassen diese Leistungsversorgungen ein oder mehrere Schaltelemente, die durch ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal angesteuert sind, und die dadurch die für ein vorgegebenes elektronisches Gerät erforderliche Leistung liefern. Da allerdings pulsweitenmoduliert angesteuerte Schalter bei einer im Vergleich zu der Frequenz der Wechselspannung relativ hohen Frequenz betrieben werden, können sie ein hochfrequentes Signal erzeugen, das leitungsgebundene oder strahlungsbedingte EMI-Probleme verursachen kann. Bezüglich einer leitungsgebundenen EMI ist anzumerken, dass hochfrequente Signale in das Wechselspannungsnetz zurückgekoppelt werden können, woraus ein unerwünschter Signalanteil der Netzspannung resultieren kann. Bezüglich einer abgestrahlten EMI ist anzumerken, dass hochfrequente Signale durch die Leistungsversorgung als elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden können. In beiden Fällen kann die durch die Leistungsversorgung erzeugte EMI für Kommunikationsgeräte in der Nähe der Leistungsversorgung zu Problemen führen.
Da Leistungsversorgungen einen großen Teil der EMI bei elektronischen Geräten erzeugen, besteht ein wesentlicher Schritt im Entwurf einer Leistungsversorgung darin, die durch die Leistungsversorgung erzeugte EMI auf Pegel zu reduzieren, die innerhalb tolerierbarer Grenzen der verschiedenen Standards liegen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Leistungswandlung zur Verfügung zu stellen, das gute EMI-Eigenschaften besitzt, und eine Vorrichtung zur Leistungsversorgung einer Last zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 17 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erster Aspekt betrifft ein Verfahren zur Leistungswandlung, das zeitlich variierende Eigenschaften einer Last berücksichtigt, und das aufweist: Vergleichen eines Rückkopplungssignals, das von einem Ausgangssignal abgeleitet ist, mit einem Referenzsignal, um dadurch ein Fehlersignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für eine Differenz zwischen diesen Signalen; Erzeugen eines oszillierenden Stromsignals abhängig von dem Fehlersignal; Erzeugen eines gepulsten Spannungssignals, das abhängig von dem oszillierenden Stromsignal einer Frequenzschwankung unterliegt, wobei die Frequenzschwankung einen ersten Frequenzbereich besitzt, während die Last einen ersten Lastzustand aufweist, und einen zweiten Frequenzbereich besitzt, während die Last einen zweiten Lastzustand aufweist, der sich von dem ersten Lastzustand unterscheidet.
Ein zweiter Aspekt betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern einer Last. Die Vorrichtung umfasst: einen Eingangsanschluss zum Zuführen einer Versorgungs-Gleichspannung; einen Schaltregler zum geregelten Erzeugen einer Ausgangs-Gleichspannung an einem Ausgangsanschluss aus der Versorgungs-Gleichspannung als Funktion eines gepulsten Spannungssignals; einen Komparator zum Vergleichen eines Rückkopplungssignals, das von der Ausgangs-Gleichspannung abgeleitet ist, mit einer Referenz-Gleichspannung, um ein Fehlersignal abhängig von dem Vergleich zu erzeugen; und eine Steuerlogik zum Erzeugen des gepulsten Spannungssignals im Wesentlichen bei einer Zielfrequenz und als Funktion des Fehlersignals, wobei das gepulste Spannungssignal einer Frequenzschwankung unterliegt mit einem ersten Frequenzbereich, wenn die Last einen ersten Lastzustand aufweist, und mit einem zweiten Frequenzbereich, wenn die Last einen zweiten Lastzustand aufweist, der sich von dem ersten Lastzustand unterscheidet.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert, in denen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Merkmale bezeichnen. In der nachfolgenden Beschreibung werden zum Zweck der Erläuterung verschiedene spezielle Details erläutert, um ein detailliertes Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang sei noch darauf hingewiesen, dass nicht alle der nachfolgend erläuterten speziellen Details zur Realisierung der Erfindung erforderlich sind.
1 zeigte eine Kurve, die eine Möglichkeit veranschaulicht, wie eine Frequenzschwankung für verschiedene Lastbedingungen variieren kann.
2 veranschaulicht ein Blockdiagramm für eine Vorrichtung zur Durchführung einer Leistungswandlung.
3 zeigt eine Folge von Signalverläufen, die verschiedene Signale veranschaulichen für die Versorgung einer vergleichsweise kleinen Last und einer vergleichsweise großen Last durch den Leistungswandler.
4 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer weiteren Vorrichtung zum Durchführen einer Leistungswandlung.
5 zeigt zwei Signalverläufe, die ein Beispiel dafür veranschaulichen, wie ein Frequenzschwankungsbereich über der Zeit als Funktion der Ausgangslast variieren kann.
6 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
7 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Um eine Eingangsspannung in eine oder mehrere Ausgangs-Gleichspannungen, die einer Ausgangslast zur Verfügung gestellt wird/werden, zu wandeln, kann ein Schaltwandler bzw. Schaltregler verwendet werden, der abhängig von einem gepulsten Signal angesteuert wird. Dieses gepulste Signal kann beispielsweise eine Zielfrequenz (target frequency) besitzen, kann jedoch einer Frequenzschwankung oder Frequenzvariation (frequency jitter) unterliegen, die dazu führt, dass die Momentanfrequenz des gepulsten Spannungssignals über der Zeit von der Zielfrequenz abweicht. Die Frequenzschwankung besitzt einen Frequenzbereich, der abhängig von der Ausgangslast variieren kann. Durch ”sanftes” Variieren der Frequenz des gepulsten Spannungssignals über verschiedene Frequenzschwankungsbereiche (anstatt das gepulste Spannungssignal dauerhaft bei genau der Zielfrequenz zu erzeugen), kann durch ein solches adaptives Frequenzschwankungsverfahren die EMI ”sanft” über die Frequenzschwankungsbereiche verteilt werden, wodurch die bei der Zielfrequenz abgestrahlte Leistung reduziert wird. Hierdurch ist ein guter Kompromiss zwischen der Leistungswandlungsfunktion und den EMI-Eigenschaften möglich.
Als Beispiel sei ein Fall betrachtet, bei dem ein Leistungswandler ein Wechselspannungssignal mit einer Spannung von 120 V aus einer Steckdose in ein Gleichspannungssignal mit einer Spannung von 19,5 V wandelt, die geeignet ist, eine Last zu versorgen, die einen Laserdrucker aufweist. Wenn sich der Laserdrucker in einem ersten Lastzustand befindet (z. B. wenn der Drucker darauf wartet, Daten zu empfangen, und noch nicht druckt) wird ein gepulstes Spannungssignal im Wesentlichen bei einer Zielfrequenz geliefert, die allerdings innerhalb eines ersten Frequenzschwankungsbereichs variiert, um das gewünschte Gleichspannungssignal bei 19,5 V zu liefern. Wenn sich der Drucker, im Gegensatz dazu, anschließend in einem zweiten Lastzustand befindet (z. B. wenn der Drucker eine Druckoperation durchführt durch Ansteuern verschiedener Motoren und das Ausbringen von Toner aus einer Tonerkartusche unter Verwendung einer hohen Spannung) wird das gepulste Spannungssignal immer noch im Wesentlichen bei der Zielfrequenz geliefert, um das gewünschte Gleichspannungssignal mit der Frequenz von 19,5 V zu liefern, aber das gewünschte Spannungssignal besitzt nun einen zweiten Frequenzschwankungsbereich, der sich von dem ersten Frequenzbereich unterscheidet. Durch dynamisches Anpassen des Frequenzschwankungsbereichs, um unterschiedlichen Lastbedingungen zu genügen, können die nachfolgend beschriebenen Verfahren eine gute Leistungswandlungsfunktionalität bieten, während gleichzeitig tolerierbare EMI-Pegel eingehalten werden.
1 veranschaulicht eine Möglichkeit, wie ein Frequenzschwankungsbereich eines gepulsten Spannungssignals als Funktion einer Last bzw. Belastung variieren kann. Für vergleichsweise kleine Lasten 102, die geringer sind als ein Last-Schwellenwertpegel 104, besitzt der Frequenzschwankungsbereich einen ersten Wert 106 bzw. die Amplitude des Frequenzschwankungsbereichs besitzt einen ersten Wert 106. Wenn jedoch die Last über den Last-Schwellenwert ansteigt, was in 1 bei 108 dargestellt ist, beginnt der Frequenzschwankungsbereich abzunehmen bzw. die Amplitude des Frequenzschwankungsbereichs verkleinert sich. In dem dargestellten Beispiel nimmt der Frequenzschwankungsbereich linear ab, wenn die Last über den Last-Schwellenwert 104 ansteigt. Dies ist jedoch lediglich als Beispiel zu verstehen. Es sei darauf hingewiesen, dass bei anderen Ausführungsbeispielen der Frequenzschwankungsbereich auch entsprechend anderer Beziehungen (wie z. B. quadratisch, exponentiell, nicht-linear, periodisch) abnehmen kann. Es sei erneut darauf hingewiesen, dass durch dynamisches Anpassen des Frequenzschwankungsbereich als Reaktion auf verschiedene Lastbedingungen, die hierin beschriebenen Verfahren eine gute Leistungswandlungsfunktionalität bieten, während gleichzeitig tolerierbare EMI-Pegel eingehalten werden. Realisierungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf weitere Figuren erläutert.
2 veranschaulicht einen Leistungswandler 200, in dem eine adaptive Frequenzvariation entsprechend einiger Ausführungsbeispiele implementiert ist. Der Leistungswandler 200 umfasst einen Eingangsanschluss 202 und einen Ausgangsanschluss 204. Dem Eingangsanschluss 202 ist ein Gleichspannungs-Versorgungssignal V_{DC IN} zugeführt, aus dem der Leistungswandler 200 ein Gleichspannungs-Ausgangssignal V_{DC OUT} an dem Ausgangsanschluss 204 und für eine daran angeschlossene Last 206 erzeugt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Gleichspannungs-Versorgungssignal von einem Wechselspannungs-Eingangssignal (beispielsweise einem Signal mit einer Spannung von 120 V bei einer Frequenz von 60 Hz) abgeleitet werden und kann dazu verwendet werden, ein Gleichspannungs-Ausgangssignal mit einer im Wesentlichen konstanten Spannung (beispielweise eine Spannung von etwa 19,5 V, die für einen Drucker, einen Laptop oder andere elektronische Geräte geeignet ist) zu erzeugen. Es sei darauf hingewiesen, dass obwohl der Begriff ”Gleichspannung” einen im Wesentlichen konstanten Spannungspegel impliziert, eine ”Gleichspannung” auch geringe Wechselspannungsvariationen besitzen kann, die um den Gleichspannungspegel variieren. Wie einem Fachmann geläufig ist, ist beispielsweise eine Gleichspannung von 5,0 V eine Spannung, die wenigstens im Wesentlichen bei 5,0 V liegt, allerdings kann eine Gleichspannung von 5,0 V tatsächlich etwas von 5,0 V abweichen und zwar bedingt durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise eine Signalverarbeitung oder Leistungsaufnahmen.
Bezogen auf die Schaltungsstruktur, liegen der Eingangsanschluss 202 und der Ausgangsanschluss 204 an gegenüberliegenden Seiten des Schaltreglers 208, der in dem dargestellten Beispiel einen Leistungstransformator 210 und ein Schaltelement 212 umfasst. Der Leistungstransformator 210 umfasst induktiv gekoppelte Leiter, üblicherweise in Form eines Spulen- oder Windungspaars 214, 216, die um einen Kern 218 gewickelt sind. Das Schaltelement 212 ist an eine erste Spule 214 des Leistungstransformators 210 gekoppelt und wird durch eine Logik 220 derart angesteuert, dass der Transformator 210 die Erzeugung einer gewünschten Gleichspannung an dem Ausgangsanschluss 204 ermöglicht.
Üblicherweise wird Energie in der ersten Spule 214 des Transformators 210 gespeichert, wenn das Schaltelement 212 eingeschaltet ist. Der Transformator 210 ist so mit einer Diode 220 verschaltet, dass bei eingeschaltetem Schaltelement 210 nur wenig Energie oder keine Energie an die Last 206 übertragen wird. Wenn das Schaltelement 212 ausgeschaltet wird, ändert die Spannung über der zweiten Spule 216 ihre Polarität. Dadurch leitet die Diode 222, wodurch die in dem Transformator gespeicherte Energie an die Last 206 übertragen wird. Diese Energieübertragung zu der Last 206 dauert an, bis der Transformator energiefrei bzw. entmagnetisiert ist oder bis das Schaltelement 212 erneut eingeschaltet wird, um erneut Energie in dem Transformator zu speichern.
Abhängig von der Implementierung kann der Leistungswandler im diskontinuierlichen Betrieb (discontinuous mode) oder im kontinuierlichen Betrieb (continuous mode) betrieben werden. Im diskontinuierlichen Betrieb wird der Transformator vollständig entmagnetisiert bevor das Schaltelement 212 erneut eingeschaltet wird. Im kontinuierlichen Betrieb wird das Schaltelement 212 erneut eingeschaltet, bevor der Transformator vollständig entmagnetisiert wurde. In beiden Fällen kann die Steuerlogik 220 das Schaltelement 212 ein-/ausschalten, und zwar mit einer Zielfrequenz, die geeignet ist, um an dem Ausgangsanschluss 204 eine gewünschte Gleichspannung zu erzeugen.
Um die Zielfrequenz, bei der das Schaltelement 212 angesteuert wird, zu regeln (und damit die Ausgangs-Gleichspannung zu regeln) umfasst der Leistungswandler 200 eine erste Rückkopplungsschleife 224. Die Rückkopplungsschleife 224 dient zur Kompensation von Änderungen in der Last 206, die an den Ausgangsanschluss 204 gekoppelt ist.
Wie dargestellt ist, nutzt die Steuerlogik 220 ein Rückkopplungssignal V_FB von der Rückkopplungsschleife 224, um eine zeitlich variierende Gatespannung V_Gate zu erzeugen, die das Schaltelement 212 ansteuert, um eine stabile Gleichspannung an dem Ausgangsanschluss 204 zu erzeugen.
Die dargestellte Steuerlogik 220 umfasst einen Komparator 226, einen Modulator 228, einen Oszillator 230 und einen Gate-Treiber 232. Die Funktionsweise der Steuerlogik 220 ist nachfolgend kurz erläutert: Der Komparator 226 vergleicht die Rückkopplungsspannung V_FB mit einem Referenz-Gleichsignal V_{REF DC}, um dadurch ein Fehlersignal (V_ERROR) zu erzeugen. Der Modulator 228 erzeugt ein oszillierendes Stromsignal (oscillating current signal) I_OSC abhängig von dem Fehlersignal V_ERROR. Der Oszillator 230 erzeugt wiederum ein gepulstes Spannungssignal V_PULSE abhängig von dem oszillierenden Stromsignal I_OSC. Das gepulste Spannungssignal V_PULSE besitzt eine Frequenzschwankung mit einem Frequenzbereich, der als Funktion des Lastzustandes oder der Lastbedingung am Ausgang variiert. Abhängig von dem gepulsten Spannungssignal V_PULSE erzeugt der Gate-Treiber 232 die Gatespannung V_Gate für das Schaltelement 212, um dadurch die durch Transformator 212 übertragene Leistung zu regeln, um die gewünschte Gleichspannung an dem Ausgangsanschluss 204 zu erzeugen.
3 zeigt Beispiele einiger Signalverläufe in Übereinstimmung mit einigen Implementierungen. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Signalverläufe lediglich Beispiele von Signalen zeigen, die verwendet werden können, so dass selbstverständlich auch andere Signalverläufe verwendet werden können.
Die dargestellten Signalverläufe umfassen oszillierende Stromsignale 300 (wie z. B. I_OSC gemäß 2); gepulste Spannungssignale 302 (wie z. B. V_PULSE gemäß 2); und Frequenzen 304, bei denen die gepulsten Spannungssignale erzeugt werden. Für jedes dieser Signale sind zwei verschiedene Signalverläufe dargestellt, von denen einer (der in durchgezogenen Linien dargestellte Signalverlauf) einer vergleichsweise kleinen Last entspricht (z. B. einer Last, die kleiner oder gleich dem Last-Schwellenwert 104 gemäß 1 ist), und von denen der andere (in gestrichelten Linien dargestellt) einer relativ großen Last entspricht (z. B. einer Last größer als der Last-Schwellenwert gemäß 1).
Wie durch die Signalverläufe 304 dargestellt ist, werden die gepulsten Spannungssignale 302 im Wesentlichen mit einer Zielfrequenz 306 erzeugt. Allerdings unterliegen die dargestellten gepulsten Spannungssignale 302 einer Frequenzschwankung, die bewirkt, dass die Frequenz des gepulsten Spannungssignals leicht gegenüber der Zielfrequenz variiert. Die Frequenzschwankung oder Frequenzvariation erfolgt innerhalb eines Frequenzbereichs, der als Funktion der am Ausgang vorliegenden Lastbedingung variiert. So besitzt die Frequenz des gepulsten Spannungssignals 308 für die vergleichsweise kleine Last beispielsweise einen ersten Frequenzschwankungsbereich 310. Im Gegensatz dazu besitzt die Frequenz des gepulsten Spannungssignals 312 für die vergleichsweise große Last einen zweiten Frequenzschwankungsbereich 314.
Es sei ein Beispiel betrachtet, bei dem die Zielfrequenz 306 etwa 100 kHz beträgt. Für eine vergleichsweise kleine Last (z. B. im Niedriglastbetrieb) kann der Frequenzschwankungsbereich 310 beispielsweise etwa 15% der Zielfrequenz sein (d. h. der Frequenzschwankungsbereich 310 kann beispielsweise etwa 15 kHz sein). Für eine relativ große Last (z. B. wenn die Last einem Leistungsanstieg unterliegt) kann der Frequenzschwankungsbereich 314 beispielsweise etwa 4% der Zielfrequenz sein (d. h. der Frequenzschwankungsbereich 314 kann beispielsweise etwa 4 kHz sein). Durch Bereitstellen eines relativ breiten adaptiven Frequenzschwankungsbereichs können die hierin beschriebenen Verfahren dazu beitragen, EMI als Funktion der Last sanft über dem Frequenzschwankungsbereich zu verteilen, um dadurch gute EMI-Eigenschaften zu erreichen.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst ein Modulator 402 (wie z. B. der Modulator 228 in 2) einen Dreiecksignalgenerator 404 und einen Komparator 406, die eine zeitlich variierende Gatespannung für ein Schaltelement 408 erzeugen. Um die Amplitude des Stroms I_OSC in das Schaltelement 408 zu regeln, erzeugt ein Analog-Digital-Wandler (analog-to-digital converter, ADC) 410 ein digitales Signal mit n Bit (wobei n eine ganze Zahl ist), um den Widerstandswert eines variablen Widerstands 414 zu regeln. Auf diese Weise erzeugt der Modulator 402 einen zeitlich variierenden Strom I_OSC, der ein Fehlersignal V_ERROR repräsentiert. Das Fehlersignal ist eine Funktion der Differenz zwischen einem Rückkopplungssignal V_FB und einem Referenz-Gleichsignal V_{REF DC} und kann daher Änderungen des Ausgangs-Lastzustandes repräsentieren. Üblicherweise ist das Referenz-Gleichsignal ein konstantes Signal, dieses Signal muss jedoch nicht konstant sein.
Basierend auf dem oszillierenden Stromsignal I_OSC erzeugt ein Oszillator 414 (wie z. B. der Oszillator 230 in 2) ein gepulstes Spannungssignal V_PULSE. Dieses gepulste Spannungssignal kann im Wesentlichen bei einer Zielfrequenz erzeugt werden, kann jedoch auch einer adaptiven Frequenzschwankung mit einem Frequenzschwankungsbereich unterliegen, der als Funktion der Ausgangslast variiert (vgl. beispielsweise 1 und 3 (oben) und 5 (unten)).
Einem Gate-Treiber 416 (wie z. B. dem Gatetreiber 232 in 2) ist das gepulste Spannungssignal zugeführt und er erzeugt eine Gatespannung (V_Gate) als Funktion des gepulsten Spannungssignals. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Gatetreiber ein RS-Latch 418 dessen Setzeingang das gepulste Spannungssignal zugeführt ist und dessen Rücksetzeingang an einen Komparator 420 gekoppelt ist, der eine dynamische Rückkopplung bewirkt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Zustandselemente als ein RS-Latch (beispielsweise andere Arten von Latches oder ein Flip-Flop) verwendet werden.
Der Gatetreiber 416 steuert ein Schaltelement 422 eines Schaltreglers 424 an, wodurch über einen Transformator 426 die Ausgangs-Gleichspannung V_{DC OUT} erzeugt wird. In dem in 4 dargestellten Beispiel ist dem Schaltregler 424 eine Eingangs-Gleichspannung V_{DC IN} als Versorgungsspannung von einem Eingangsgleichrichter 428 zugeführt. In dem dargestellten Beispiel wandelt der Eingangs-Gleichrichter 428 eine Eingangs-Wechselspannung V_{AC IN} in die Eingangs-Gleichspannung V_{DC IN}. Ein Ausgangs-Gleichrichter 430 wandelt die von dem Transformator 426 gelieferte Spannung in die Ausgangs-Gleichspannung V_{DC OUT}.
Ein Rückkopplungspfad 432, der eine Isolationsschaltung 434, wie beispielsweise einen Optokoppler, umfassen kann, kann das Rückkopplungssignal V_FB an einen Komparator 436 liefern, um dadurch ein Fehlersignal V_ERROR zu erzeugen, das Änderungen der Ausgangslast berücksichtigt.
Wie in 5 dargestellt ist, führt eine Änderung der Ausgangsbits des ADC 410 zu einer entsprechenden Änderung des oszillierenden Stromes I_OSC um auf Änderungen des Lastzustandes am Ausgang zu reagieren. Diese Änderung des Stromes I_OSC führt zu einer Änderung des Frequenzschwankungsbereich des gepulsten Spannungssignals V_PULSE. Daher erzeugt der Leistungswandler während einer ersten Zeit 502 eine Ausgangs-Gleichspannung für eine relativ kleine Last (beispielsweise eine Last, die kleiner ist als ein Last-Schwellenwert 104 gemäß 1). Entsprechend ist während der ersten Zeit 502 der Frequenzschwankungsbereich 504 relativ groß.
Nachfolgend wird während einer zweiten Zeit 506 die Ausgangslast größer. Der Ausgang des ADC zeigt diese Änderung der Last durch einen linearen Anstieg des digitalen Wertes von 0000 to 1111. Diese Änderung am Ausgang des ADC führt zu einer entsprechenden Änderung des oszillierenden Stromes I_OSC (beispielsweise durch Ändern des Widerstandswerts eines variablen Widerstandes 412 gemäß 4). Dementsprechend nimmt der Frequenzschwankungsbereich der gepulsten Spannung während der Zeit 506 kontinuierlich ab, wie dies durch die Einhüllende 508 gezeigt ist.
Schließlich erreicht die Last während einer dritten Zeit 510 einen relativ großen Wert. Diese Änderung der Last zeigt sich am Ausgang des ADC in einem konstanten digitalen Wert 1111 während dieser Zeit 510. Entsprechend ist während der Zeit 510 der Frequenzschwankungsbereich 512 des gepulsten Spannungssignals relativ klein.
Die 6 und 7 veranschaulichen Verfahren gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Beschreibung. Während diese Verfahren nachfolgend als Folge von Verfahrensschritten oder Ereignissen dargestellt und beschrieben werden, sind diese Verfahren nicht auf diese Reihenfolgen beschränkt. So können beispielsweise einige Verfahrensschritte in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Verfahrensschritten oder Ereignissen auftreten, und zwar abweichend von dem was nachfolgend erläutert wird und/oder in den Figuren dargestellt ist. Außerdem sind nicht alle Verfahrensschritte notwendig, und die Signalverläufe dienen lediglich zur Veranschaulichung, so dass auch andere, sich wesentlich von den dargestellten Signalverläufen unterscheidende Signalverläufe verwendet werden können. Außerdem kann ein oder können mehrere Verfahrensschritte, die nachfolgend erläutert werden, in einem oder in mehreren getrennten Verfahrensschritten oder Phasen durchgeführt werden.
Das in 6 dargestellte Verfahren startet bei einem Verfahrensschritt 602, bei dem eine erste Rückkopplungsspannung während einer ersten Zeit erfasst wird. Diese erste Rückkopplungsspannung ist repräsentativ für einen ersten Lastzustand und wird von einem Ausgangs-Gleichspannungssignal abgeleitet, das einer Ausgangslast zugeführt wird, die dem ersten Lastzustand unterliegt.
Bei 604 wird ein Fehlersignal durch Vergleichen des ersten Rückkopplungssignals mit einem konstanten Gleichspannungs-Referenzsignal erzeugt.
Bei 606 wird ein oszillierendes Stromsignal abhängig von dem Fehlersignal erzeugt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das oszillierende Stromsignal erzeugt werden durch Einstellen eines Widerstandswertes eines veränderlichen Widerstandes abhängig von dem Fehlersignal (vgl. beispielsweise 4 (oben)).
Bei 608 wird ein gepulstes Spannungssignal erzeugt, das im Wesentlichen eine Zielfrequenz besitzt. Obwohl das gepulste Spannungssignal im Wesentlichen bei der Zielfrequenz erzeugt wird, unterliegt das gepulste Spannungssignal einer Frequenzschwankung mit einem ersten Frequenzschwankungsbereich, der abhängig ist von dem im ersten Zeitpunkt erfassten Rückkopplungssignal.
Bei 610 ändert sich der Lastzustand der Last und eine zweite Rückkopplungsspannung wird während einer zweiten Zeit erfasst. Die zweite Rückkopplungsspannung ist daher repräsentativ für einen zweiten Lastzustand, der von dem ersten Lastzustand abweicht.
Bei 612 wird das Fehlersignal aktualisiert durch Vergleichen der zweiten Rückkopplungsspannung mit dem festen Referenz-Gleichsignal.
Bei 614 wird das oszillierende Stromsignal abhängig von dem aktualisierten Fehlersignal aktualisiert.
Bei 616 wird das gepulste Spannungssignal aktualisiert, so dass es einer Frequenzschwankung mit einem zweiten Frequenzschwankungsbereich unterliegt, der von dem ersten Frequenzschwankungsbereich abweicht. Der zweite Frequenzschwankungsbereich unterscheidet sich von dem ersten Frequenzbereich, und die Frequenzschwankungsbereiche variieren als Funktion der Änderung des Lastzustandes der Ausgangslast.
7 veranschaulicht ein weiteres Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei diesem Verfahren wird bei einem Verfahrensschritt 702 ein von einem Ausgangs-Gleichspannungssignal abgeleitetes Rückkopplungssignal mit einem Referenz-Gleichsignal verglichen. Auf diese Weise wird im Verfahrensschritt 702 ein Fehlersignal erzeugt, das repräsentativ ist für eine Differenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Referenz-Gleichsignal.
Bei 704 wird bei dem Verfahren 700 ein oszillierendes Stromsignal abhängig von dem Fehlersignal erzeugt.
Bei 706 wird bei dem Verfahren 700 ein gepulstes Spannungssignal erzeugt, das einer Frequenzschwankung unterliegt, die abhängig ist von dem oszillierenden Stromsignal. Die Frequenzschwankung besitzt einen ersten Frequenzbereich, während die Last einen ersten Lastzustand besitzt, und besitzt einen zweiten Frequenzbereich, während die Last einen zweiten Lastzustand besitzt, der sich von dem ersten Lastzustand unterscheidet.
Bei 708 wird abhängig von dem gepulsten Spannungssignal ein Schaltsteuersignal (wie z. B. eine Gate-Ansteuersignal) erzeugt.
Bei 710 wird bei dem Verfahren 700 eine Versorgungs-Gleichspannung geregelt, und zwar über das Schaltsteuersignal, um dadurch die Ausgangs-Gleichspannung so zu erzeugen, dass sie einer gewünschten Ausgangs-Gleichspannung entspricht.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, selbst wenn dies zuvor nicht explizit erwähnt wurde. Außerdem ist unter dem zuvor verwendeten Begriff ”koppeln” sowohl eine indirekte oder eine direkte elektrische Verbindung zu verstehen. Wenn beispielsweise ein erstes Element mit einem zweiten Element ”gekoppelt” ist, dann kann eine Verbindung zwischen diesen beiden Elementen eine direkte elektrische Verbindung oder eine indirekte elektrische Verbindung über andere Elemente und andere Verbindungen sein. Obwohl verschiedene Zahlenwerte zuvor angegeben wurden, sei darauf hingewiesen, dass diese Zahlenwerte lediglich zur Veranschaulichung dienen, und nicht dazu, die Erfindung zu beschränken.

Claims

Verfahren zur Leistungswandlung, das zeitlich variierende Eigenschaften einer Last berücksichtigt, und das aufweist: Vergleichen eines Rückkopplungssignals (V_FB), das von einem Ausgangssignal (V_{DC OUT}) abgeleitet ist, mit einem Referenzsignal (V_{REF DC}), um dadurch ein Fehlersignal (V_ERROR) zu erzeugen, das repräsentativ ist für eine Differenz zwischen diesen Signalen; Erzeugen eines oszillierenden Stromsignals (I_OSC) abhängig von dem Fehlersignal (V_ERROR); Erzeugen eines gepulsten Spannungssignals (V_PULSE), das abhängig von dem oszillierenden Stromsignal (I_OSC) einer Frequenzschwankung unterliegt, wobei die Frequenzschwankung einen ersten Frequenzbereich besitzt, während die Last einen ersten Lastzustand aufweist, und einen zweiten Frequenzbereich besitzt, während die Last einen zweiten Lastzustand aufweist, der sich von dem ersten Lastzustand unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist: Regeln einer Versorgungs-Gleichspannung abhängig von dem gepulsten Spannungssignal, um das Ausgangssignal zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Ausgangssignal ein Gleichspannungssignal ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Erzeugen eines Schaltsteuersignals (V_Gate) für ein Schaltelement (212), wobei das Schaltsteuersignal (V_Gate) abhängig ist von dem gepulsten Spannungssignal (V_PULSE); und Regeln der Leistungsaufnahme eines Transformators über das Schaltelement (212), wobei der Transformator eine an das Schaltelement (212) gekoppelte Spule (214) aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die ersten und zweiten Frequenzbereiche, die der Frequenzschwankung zugeordnet sind, um eine Zielfrequenz liegen, bei der das gepulste Spannungssignal im Wesentlichen bereitgestellt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Zielfrequenz eine fest vorgegebene Frequenz ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Frequenzbereich definiert ist durch eine Differenz zwischen einer Maximalfrequenz, die dem ersten Lastzustand zugeordnet ist, und einer Minimalfrequenz, die dem ersten Lastzustand zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der zweite Frequenzbereich definiert ist durch eine Differenz zwischen einer Maximalfrequenz, die dem zweiten Lastzustand zugeordnet ist, und einer Minimalfrequenz, die dem zweiten Lastzustand zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Variieren der Frequenzschwankung von dem ersten Frequenzbereich zu dem zweiten Frequenzbereich auf lineare Weise während eines Zeitintervalls.
Vorrichtung zum Ansteuern einer Last, die aufweist: einen Eingangsanschluss zum Zuführen einer Versorgungs-Gleichspannung (V_{DC IN}); einen Schaltregler (208) zum geregelten Erzeugen einer Ausgangs-Gleichspannung (V_{DC OUT}) an einem Ausgangsanschluss (204) aus der Versorgungs-Gleichspannung als Funktion eines gepulsten Spannungssignals (V_PULSE); einen Komparator (226) zum Vergleichen eines Rückkopplungssignals (V_FB), das von der Ausgangs-Gleichspannung (V_{DC OUT}) abgeleitet ist, mit einer Referenz-Gleichspannung (V_{REF DC}), um ein Fehlersignal (V_ERROR) abhängig von dem Vergleich zu erzeugen; und eine Steuerlogik zum Erzeugen des gepulsten Spannungssignals (V_PULSE) im Wesentlichen bei einer Zielfrequenz und als Funktion des Fehlersignals (V_ERROR), wobei das gepulste Spannungssignal (V_PULSE) einer Frequenzschwankung unterliegt mit einem ersten Frequenzbereich, wenn die Last einen ersten Lastzustand aufweist, und mit einem zweiten Frequenzbereich, wenn die Last einen zweiten Lastzustand aufweist, der sich von dem ersten Lastzustand unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Schaltregler (208) aufweist: einen Transformator (210), der erste und zweite Wicklungen aufweist (214, 216), die um einen Kern gewickelt sind; und ein Schaltelement (212), das an die erste (214) oder die zweite (216) Wicklung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der die Steuerlogik aufweist: einen Modulator (228) zum Zuführen des Fehlersignals (V_ERROR) und zum Erzeugen eines oszillierenden Stromsignals (I_OSC) abhängig von dem Fehlersignal (V_ERROR); einen Oszillator (230) zum Zuführen des oszillierenden Stromsignals (I_OSC) und zum Erzeugen des gepulsten Spannungssignals (V_PULSE) abhängig von dem oszillierenden Stromsignal (I_OSC); und einen Gate-Treiber zum Zuführen des gepulsten Spannungssignals (V_PULSE) und zum Erzeugen eines Gatespannungssignals (V_Gate) abhängig von dem gepulsten Spannungssignal (V_PULSE).
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der Modulator aufweist: einen Analog-zu-Digital-Wandler (410) zum Zuführen des Fehlersignals (V_ERROR) und zum Erzeugen eines zeitlich variierenden digitalen Wertes, der einen veränderlichen Widerstand (412) steuert; ein Schaltelement (408), das an den veränderlichen Widerstand (412) gekoppelt ist; und einen Signalgenerator (404), der das Schaltelement (408) steuert, um die Erzeugung des oszillierenden Stromsignals (I_OSC) zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der Gatetreiber ein Zustandselement aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, die weiterhin aufweist: einen Eingangsgleichrichter (428) zum Zuführen einer Wechselspannung und zum Erzeugen der Versorgungs-Gleichspannung aus der Wechselspannung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei der die ersten und zweiten Frequenzbereiche um eine Zielfrequenz liegen, bei der das gepulste Spannungssignal (V_PULSE) im Wesentlichen erzeugt wird.
Verfahren, das aufweist: Messen während eines ersten Zeitpunkts eine erste Rückkopplungsspannung (V_FB), die repräsentativ ist für einen ersten Lastzustand und die aus einem Ausgangs-Gleichspannungssignal abgeleitet ist; Erzeugen eines gepulsten Spannungssignals (V_PULSE) mit einem ersten Frequenzschwankungsbereich abhängig von der ersten Rückkopplungsspannung (V_FB); Messen während eines zweiten Zeitpunkts eine zweite Rückkopplungsspannung (V_FB), die repräsentativ ist für einen zweiten Lastzustand, der sich von dem ersten Lastzustand unterscheidet; Aktualisieren des gepulsten Spannungssignals (V_PULSE), so dass es einem zweiten Frequenzschwankungsbereich unterliegt, abhängig von der zweiten Rückkopplungsspannung, wobei sich der zweite Frequenzschwankungsbereich von dem ersten Frequenzschwankungsbereich unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die ersten und zweiten Frequenzschwankungsbereiche um eine Zielfrequenz liegen, bei der das gepulste Spannungssignal im Wesentlichen erzeugt werden soll.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, das weiterhin aufweist: Erzeugen eines Fehlersignals (V_ERROR) durch Vergleichen der ersten Rückkopplungsspannung mit einem fest vorgegebenen Referenz-Gleichsignal; Erzeugen eines oszillierenden Stromsignals (I_OSC) abhängig von dem Fehlersignal (V_ERROR); und Erzeugen des gepulsten Spannungssignals (V_PULSE) mit dem ersten Frequenzschwankungsbereich abhängig von dem oszillierenden Stromsignal (I_OSC).
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin aufweist: Aktualisieren des Fehlersignals (V_ERROR) durch Vergleichen der zweiten Rückkopplungsspannung mit dem fest vorgegebenen Referenz-Gleichsignal (V_{RE FDC}); Aktualisieren des oszillierenden Stromsignals (I_OSC) abhängig von dem aktualisierten Fehlersignal (V_ERROR); und Aktualisieren des gepulsten Spannungssignals, so dass es dem zweiten Frequenzschwankungsbereich unterliegt, abhängig von dem aktualisierten oszillierenden Stromsignal (I_OSC).