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Die Erfindung betrifft einen PWM-Regler und ein Verfahren zum getakteten Betreiben einer PWM-Endstufe, insbesondere bei der getakteten Ansteuerung induktiver oder kapazitiver Lasten zur Optimierung der elektromagnetischen Verträglichkeit.
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Stand der Technik
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Bei einem Betrieb induktiver Lasten kann eine Ansteuerung über Pulsbreitenmodulation (PWM, „pulse width modulation“) dazu beitragen, die Verlustleistung in der Last zu verringern. Überdies bietet eine PWM-Ansteuerung die Möglichkeit einer einfachen Leistungsregelung in der Last. Die Bestromung einer induktiven Last erfolgt dabei üblicherweise über das kontrolliert getaktete Öffnen und Schließen eines Schaltelements, welches die induktive Last, die von einer Versorgungsspannung gespeist wird, mit einem Bezugspotential selektiv koppelt. Zur Filterung des getakteten Ausgangssignals und zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit wird oft ein Filterglied, beispielsweise in Form eines LC-Filters verwendet.
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Die Druckschrift
US 6,204,649 B1 offenbart eine PWM-Steuerung, welche die Ansteuerfrequenz des PWM-Ansteuersignals für einen Schalttransistor mit einer variablen Frequenz moduliert.
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Es besteht ein Bedarf an einem Pulsbreitenmodulationsregelverfahren, mit welchem die elektromagnetische Verträglichkeit und das Auftreten von Spannungsspitzen bei der Ansteuerung einer PWM-Endstufe verbessert, und die Größe und die Kosten der verwendeten Filterbauelemente verringert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt einen PWM-Regler zum Ansteuern einer PWM-Endstufe, welcher dazu ausgelegt ist, ein PWM-Regelsignal zu erzeugen, welches mit einer ersten Frequenz getaktete PWM-Regelsignalpulse aufweist, und welcher dazu ausgelegt ist, zur Erzeugung mindestens einer Flanke der PWM-Regelsignalpulse des PWM-Regelsignals mit einer zweiten Frequenz getaktete Signalpulse zu erzeugen, wobei die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein System, mit einem erfindungsgemäßen PWM-Regler, einer PWM-Endstufe, welche mit dem PWM-Regler gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, das durch den PWM-Regler ausgegebene PWM-Regelsignal in ein PWM-Ansteuersignal umzusetzen, und einer nicht-ohmschen Last, welche mit der PWM-Endstufe gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, durch das PWM-Ansteuersignal selektiv angesteuert zu werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum getakteten Betreiben einer PWM-Endstufe, mit den Schritten des Empfangens einer Sollwertvorgabe in einem PWM-Regler, des Erzeugens eines PWM-Regelsignals, welches mit einer ersten Frequenz getaktete PWM-Regelsignalpulse aufweist, in Abhängigkeit von der Sollwertvorgabe, des Modifizierens mindestens einer Flanke der PWM-Regelsignalpulse des PWM-Regelsignals durch Erzeugen von mit einer zweiten Frequenz getakteten Signalpulsen in der Flanke, wobei die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz ist, und des Ausgebens des modifizierten PWM-Regelsignals an eine PWM-Endstufe zum Erzeugen eines PWM-Ansteuersignals auf der Basis des modifizierten PWM-Regelsignals.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, das Auftreten von Spannungsspitzen in den Flanken eines PWM-Signals zur Ansteuerung eines Schaltelements einer PWM-Endstufe dadurch zu vermeiden, dass die Flanken des eigentlichen PWM-Signals hochfrequenter getaktet werden als das PWM-Signal selbst.
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Zwar kann sich durch eine derartige Ansteuerung die Schaltverlustleistung gegenüber einer herkömmlichen PWM-Steuerung erhöhen, doch dieser Nachteil wird durch die erhebliche Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit mehr als kompensiert. Insbesondere erfolgt die hochfrequente Taktung nur über einen geringen Bruchteil eines PWM-Schaltzyklus hinweg, so dass die Schaltverlustleistungen überschaubar bleiben.
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Dies bietet folglich den Vorteil, dass ein Tiefpassfilter, welches das durch die PWM-Endstufe erzeugte PWM-Signal zur Unterdrückung der Spannungsspitzen und zur Gewährleistung der Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit filtert, geringeren Fertigungsanforderungen unterworfen ist. Beispielsweise kann ein Tiefpassfilter bei gleichbleibender Filtergüte mit einer höheren Grenzfrequenz ausgelegt werden, was Vorteile in der Bauraumersparnis, dem Leiterplattenbedarf und den Herstellungskosten mit sich bringt.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen PWM-Reglers kann die zweite Frequenz mindestens um einen Faktor zwei größer als die erste Frequenz sein.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin eine Filterstufe umfassen, welche zwischen die PWM-Endstufe und die nicht-ohmsche Last gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, Spannungsspitzen in dem PWM-Ansteuersignal zu filtern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Filterstufe ein LC-Filter sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die nicht-ohmsche Last eine induktive Last oder eine kapazitive Last sein.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die zweite Frequenz mindestens um einen Faktor zwei größer als die erste Frequenz sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das PWM-Ansteuersignal zum getakteten Ansteuern einer nicht-ohmschen Last eingesetzt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Systems zum getakteten Betreiben einer PWM-Endstufe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung von PWM-Signalverläufen;
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3 eine schematische Darstellung eines Systems zum getakteten Betreiben einer PWM-Endstufe gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung von PWM-Signalverläufen in dem in 1 oder 3 gezeigten System zum getakteten Betreiben einer PWM-Endstufe gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum getakteten Betreiben einer PWM-Endstufe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 10 zum getakteten Betreiben einer PWM-Endstufe 2. Das System 10 umfasst einen PWM-Regler 1, eine PWM-Endstufe 2 und eine Last 3. Die Last 3 kann beispielsweise eine induktive oder kapazitive Last sein. Die Last 3 kann zum Beispiel von einer Versorgungsspannung Vcc gespeist werden. Die PWM-Endstufe 2 ist mit der Last 3 gekoppelt und dazu ausgelegt, ein PWM-Regelsignal R zur getakteten Ansteuerung der Last 3 in ein PWM-Ansteuersignal E umzusetzen. Dazu kann die PWM-Endstufe 2 beispielsweise ein Schaltelement 2a aufweisen, welches im Takt des Regelsignals R selektiv geöffnet und geschlossen werden kann. Das Schaltelement 2a kann beispielsweise ein Halbleiterschalter sein. Insbesondere kann das Schaltelement 2a einen Leistungshalbleiterschalter wie beispielsweise einen MOSFET, einen JFET, einen BJT, einen IGBT oder eine ähnliche Komponente aufweisen.
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Das PWM-Regelsignal R kann durch einen PWM-Regler 1 erzeugt werden, welcher das PWM-Regelsignal R in Abhängigkeit von einer Sollwertvorgabe S an die PWM-Endstufe 2 ausgibt. Der PWM-Regler 1 kann beispielsweise Teil des Steuersystems sein, welches das Sollwertsignal S ausgibt, zum Beispiel ein Mikrocontroller. 2 zeigt im oberen Diagramm einen beispielhaften Spannungsverlauf für ein derartiges PWM-Regelsignal R. Das PWM-Regelsignal R setzt sich dabei aus einer Folge von Rechteckpulsen zusammen, welche jeweils eine ansteigende Flanke und eine abfallende Flanke aufweisen. Dabei ist jedoch jede andere Form von Pulsen prinzipiell ebenso möglich. Die durch die PWM-Regelsignal R übertragene Steuerinformation steckt dabei in dem Tastgrad, das heißt, dem Verhältnis zwischen der Pulsbreite der Rechteckpulse und der Periodendauer eines Pulszyklus. Das PWM-Regelsignal R kann beispielsweise mit einer ersten PWM-Frequenz fR erzeugt werden.
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Bei der Umsetzung in der PWM-Endstufe 2 kann es, beispielsweise bedingt durch die Schaltvorgänge des Schaltelements 2a zu Spannungsspitzen kommen, deren Auftreten unerwünscht ist, da sie die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Systems 10 beeinträchtigen. 2 zeigt im unteren Diagramm einen beispielhaften Signalverlauf eines PWM-Ansteuersignals E, welches an den ansteigenden und absteigenden Flanken der Rechteckpulse Spannungsspitzen UP aufweist. Diese hochfrequenten Störsignale können zum Beispiel durch eine Filtereinrichtung gefiltert werden, um die auftretenden Spannungsspitzen UP zu glätten.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 10 zum getakteten Betreiben einer PWM-Endstufe, welches sich von dem in 1 gezeigten System 10 darin unterscheidet, dass eine Filterstufe 4 vorgesehen ist, welche Spannungsspitzen wie beispielsweise die Spannungsspitzen UP in einem durch die PWM-Endstufe 2 ausgegebenen PWM-Ansteuersignal EF unterdrückt. Die Filterstufe 4 kann beispielsweise ein LC-Filter als Tiefpassfilter aufweisen, welches eine Induktivität und einen Kondensator aufweist. Die Dimensionierung der Filterstufe 4, beispielsweise die Kapazität des Kondensators, kann dabei derart ausgelegt sein, dass die Spannungsspitzen UP auf ein gewünschtes Maximalmaß reduziert werden. Die Filterstufe 4 weist einen gewissen Raumbedarf auf, beispielsweise Platz zur Herstellung auf einer Leiterplatte, auf welcher der PWM-Regler 1, die PWM-Endstufe 2, die Filterstufe 4 und/oder die Last 3 aufgebracht sind.
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Der Platzbedarf für die Filterstufe 4 kann erheblich reduziert werden, wenn das PWM-Regelsignal R in 2 derart modifiziert wird, dass eine oder mehrere Flanken des PWM-Regelsignals R hochfrequent getaktet erzeugt werden. Ein Beispiel für die Modifikation eines PWM-Regelsignals R wie in 2 dargestellt hin zu einem PWM-Regelsignal RF mit hochfrequent getakteten Flanken ist in 4 beispielhaft im oberen Diagramm dargestellt.
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In einer ansteigenden Flanke FH der PWM-Regelsignalpulse des PWM-Regelsignals RF kann eine Serie von Signalpulsen ausgegeben werden, welche mit einer zweiten Frequenz fF getaktet sind. Beispielsweise kann die zweite Frequenz fF gegenüber der ersten Frequenz fR größer sein. Zum Beispiel kann die zweite Frequenz fF gegenüber der ersten Frequenz fR um einen Faktor von mindestens zwei größer sein. Gleichermaßen kann in einer sinkenden Flanke FL der PWM-Regelsignalpulse des PWM-Regelsignals RF eine Serie von Signalpulsen ausgegeben werden, welche mit der zweiten Frequenz fF getaktet sind. Es kann dabei möglich sein, lediglich eine Flanke der PWM-Regelsignalpulse des PWM-Regelsignals RF hochfrequent zu takten oder beide der Flanken, wie in 4 beispielhaft gezeigt. Weiterhin kann die Dauer der Erzeugung der Serie von Signalpulsen derart begrenzt sein, dass nur zu einem Bruchteil der Dauer eines PWM-Regelsignalpulses hochfrequente Signalpulse erzeugt werden.
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Wenn das PWM-Regelsignals RF in 4 zum getakteten Betreiben einer PWM-Endstufe 2 eingesetzt wird, kann ein PWM-Ansteuersignal erzeugt werden, welches beispielsweise dem PWM-Ansteuersignal EF des unteren Diagramms der 4 entspricht. Dieses PWM-Ansteuersignal EF weist keine Spannungsspitzen mehr auf, oder die auftretenden Spannungsspitzen sind in ihrer Amplitude erheblich vermindert. Wenn beispielsweise die zweite Frequenz fF gegenüber der ersten Frequenz fR um einen Faktor 10 größer ist, verringern sich die Spannungsspitzen des PWM-Ansteuersignals EF in ihrer Amplitude derart stark, dass für die Glättung der Spannungsspitzen lediglich eine Filterstufe 4 benötigt wird, deren Dimensionierung um den Faktor 100 kleiner gegenüber einer Filterstufe ausgelegt werden kann, die für die Glättung von Spannungsspitzen eines über ein nicht hochfrequent getaktetes PWM-Regelsignals erzeugten PWM-Ansteuersignals eingesetzt werden muss. Zwar erhöhen sich die Schaltverluste durch die Erzeugung der hochfrequent getakteten Flanken geringfügig, jedoch kann die Filterstufe 4 unter erheblich verringertem Platzbedarf ausgelegt werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum getakteten Betreiben einer PWM-Endstufe, insbesondere einer PWM-Endstufe 2 wie in den 1 oder 3 gezeigt. Das Verfahren 20 kann dabei beispielsweise in einem System 10 wie in 1 und 3 dargestellt durchgeführt werden. In einem ersten Schritt 21 kann ein Empfangen einer Sollwertvorgabe S in einem PWM-Regler 1 erfolgen. In einem zweiten Schritt 22 kann ein Erzeugen eines PWM-Regelsignals RF, welches mit einer ersten Frequenz getaktete PWM-Regelsignalpulse aufweist, in Abhängigkeit von der Sollwertvorgabe S erfolgen. In einem dritten Schritt 23 kann ein Modifizieren mindestens einer Flanke FH, FL der PWM-Regelsignalpulse des PWM-Regelsignals RF durch Erzeugen von mit einer zweiten Frequenz getakteten Signalpulsen in der Flanke FH, FL erfolgen. Dabei kann die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz sein. Schließlich kann in einem vierten Schritt 24 ein Ausgeben des modifizierten PWM-Regelsignals RF an eine PWM-Endstufe 2 zum Erzeugen eines PWM-Ansteuersignals EF auf der Basis des modifizierten PWM-Regelsignals RF erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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