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Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen einen Konverter. Überdies betreffen verschiedene Ausführungsbeispiele einen Konverter, welcher ein Schaltkreismodul aufweist, welches eine Entladefunktionalität für Schutzkapazitäten und eine Start-Funktionalität für den Konverter bereitstellt.
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Bei Schaltnetzteilen, welche durch einen Netzstecker aus einem Wechselspannungsnetz (auch als AC-Netz bezeichnet) gespeist oder mit Energie versorgt werden, kann die Anforderung bestehen, dass die Spannung zwischen den Kontakten des Netzsteckers innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer auf einen genügend kleinen Wert abfällt nachdem der Netzstecker aus Steckdose herausgezogen worden ist, wobei der Wert durch gesetzliche Normen bestimmt ist. Die Spannung am Netzstecker eines Schaltnetzteils in einem vom Netz getrennten Zustand wird von Ladungen verursacht, welche sich auf den Klasse-X-Kapazitäten in dem Eingangsfilter eines Schaltnetzteils befinden. Klasse-X-Kapazitäten, auch als X-Kapazitäten (englischer Ausdruck: X-caps, wobei „caps“ die Abkürzung für „capacitors“ (Kapazitäten) meint) oder Entstörkondensatoren bezeichnet, werden üblicherweise in einem Eingangsfilter eines Schaltnetzteils verwendet und sind zwischen den Phasen (oder zwischen dem Neutralleiter und dem spannungsführenden Leiter) verschaltet, um unterschiedliche, beispielsweise differentielle, Moden elektromagnetischer Interferenzen (Störungen) abzuschwächen.
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Es gibt verschiedene Ansätze, die durch gesetzliche Standards gesetzten Anforderungen zu erfüllen bezüglich der Spannung am Netzstecker nach dessen Herausziehen aus einer Steckdose. Grundsätzlich wird versucht, zwei essenzielle Parameter zu optimieren: Reduzierung des Leistungsverlustes, welcher mit dem Entladungspfad der X-Kapazitäten in Verbindung steht, und Reduzieren von zusätzlichen Systemkosten für den Entladungspfad.
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Eine mögliche Herangehensweise, um die Anforderungen zu erfüllen, besteht in einem passiven Entladen der X-Kapazitäten über einen Widerstand, welcher parallel zu den X-Kapazitäten gekoppelt ist. Obwohl diese Herangehensweise die niedrigsten Systemkosten aufweist, leidet sie unter hohen omschen Leistungsverlusten am Widerstand und weist somit die schlechteste Leistungsfähigkeit bezüglich ihrer Leistungseffizienz auf. Zusätzlich, falls eine sehr geringe Leistungsaufnahme erreicht werden soll, wenn das Schaltnetzteil sich in einem lastfreien Betrieb (auch als „no load“ Zustand bezeichnet – anschaulich gesprochen ein Zustand, in welchem im Wesentlichen keine Last an den Ausgang des Schaltnetzteils gekoppelt ist) befindet, kann die Wahl der Kapazität der X-Kondensatoren beschränkt sein und so die Auslegung des Eingangsfilters erschweren oder behindern.
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In einer weiterenn Herangehensweise werden die X-Kapazitäten über einen parallelen Widerstandspfad (oder resistiven Pfad) entladen, welcher auf eine aktive Art und Weise durch einen zusätzlichen integrierten Schaltkreis geöffnet oder geschlossen werden kann. Diese Herangehensweise kann als eine optimierte Implementierung des passiven Entladungsszenarios gesehen werden bezüglich der Leistungsverluste. Durch Verwenden eines speziellen integrierten Schaltkreises, beispielsweise des von der Firma Power Integration hergestellten CAPZero, kann der Entladungspfad aktiv geöffnet werden, wenn der integrierte Schaltkreis detektiert, dass der Netzstecker des Schaltnetzteils von dem AC-Netz getrennt worden ist. Jedoch weist diese Herangehensweise den Nachteil von erhöhten Systemkosten auf, welche von dem integrierten Schaltkreis hervorgerufen werden. Trotz der reduzierten Leistungsverluste werden ungefähr 5 Milliwatt von dem integrierten Schaltkreis während des normalen Betriebs verbraucht. Dieser Aspekt kann sich als nachteilig erweisen im Hinblick auf das Erreichen einer „ZeroPower“-Leistungsaufnahme („Null-Leistung“-Leistungsaufnahme) während eines lastfreien Betriebs.
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In einer noch weiteren Herangehensweise werden die X-Kapazitäten über einen aktiven separaten Schaltkreis entladen. Diese Herangehensweise bietet den Vorteil der Möglichkeit, den Entladestrom frei zu bestimmen, jedoch geht sie mit erhöhten Systemkosten einher.
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Ein weiteres Funktionsmerkmal, welches in einem Schaltnetzteil enthalten sein kann, ist eine Start- oder Hochfahrfunktionalität, welche gewährleistet, dass beispielsweise ein Teil des internen Schaltkreises etwa in Form eines integrierten Schaltkreises, welcher aus Gründen der Energieeffizienz temporär heruntergefahren oder ausgeschaltet sein kann, bei Erreichen bestimmter Bedingungen oder Betriebszustände wieder aktiviert wird. Eine solche Funktionalität kann in den integrierten Hauptschaltkreis implementiert werden oder sie kann als ein externer unabhängiger Schaltkreis implementiert sein. Ein Beispiel für eine interne Implementierung in einem integrierten Schaltkreis stellt der Green Mode Fairchild Power Switch (Grüner-Modus-Leistungsschalter der Firma Fairchild) FSB1x7H dar, welcher es zusätzlich ermöglicht, die Eingangsspannung zu erfassen.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Konverter (auch als Wandler bezeichnet) bereitgestellt. Der Konverter kann einen Start- oder Inbetriebnahme-Schaltkreis, welcher einen Umschalt-Schaltkreis aufweist, welcher an einen Bezugspotentialanschluss gekoppelt ist, und einen Eingangsschaltkreis aufweisen, welcher an eine Eingangsspannung gekoppelt ist, wobei der Eingangsschaltkreis an den Startschaltkreis gekoppelt ist, so dass in einem Fall, in dem zumindest die Eingangsspannung kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist und/oder die Eingangsspannung im Wesentlichen konstant ist für eine vorbestimmte Zeitdauer, in dem Eingangsschaltkreis gespeicherte Ladungen durch den Umschalt-Schaltkreis zu dem Bezugspotentialanschluss fließen.
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In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen dieselben Teile innerhalb der unterschiedlichen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, die Betonung liegt stattdessen im Allgemeinen darauf, die Prinzipien von verschiedenen Ausführungsformen zu veranschaulichen. In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben unter Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen, in denen:
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1 einen Aufbauplan eines Konverters gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zeigt;
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2 eine Implementierung eines Konverters gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zeigt;
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3 eine weitere Implementierung eines Konverters gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zeigt;
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4 eine Implementierung eines Konverters gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zeigt mit einem Umschalt-Schaltkreis, welcher voll in einer Steuerungsvorrichtung integriert ist.
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Die nachfolgende ausführliche Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die als Veranschaulichung bestimmte Details und Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann.
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Das Wort „beispielhaft“ wird hierin verwendet mit der Bedeutung „als ein Beispiel, Fall oder Veranschaulichung dienend“. Jede Ausführungsform oder Ausgestaltung, die hierin als „beispielhaft“ beschrieben ist, ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Ausgestaltungen auszulegen.
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1 zeigt einen Aufbauplan eines Konverters 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
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Wie in 1 gezeigt, kann ein Konverter 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen einen Eingangsschaltkreis 106 aufweisen, welcher einen ersten Eingang 102 und einen zweiten Eingang 104 aufweist. Die Eingänge 102, 104 können verwendet werden, um eine AC-Spannung (Wechselspannung) und/oder einen AC-Strom (Wechselstrom) dem Konverter 100 bereitzustellen, wobei im Allgemeinen ein oder mehrere Eingänge bereitgestellt sein können. Im Folgenden werden die Begriffe Wechselspannung und Wechselstrom synonym verwendet. Der Eingangsschaltkreis 106 kann eine Vielzahl von funktionalen Elementen aufweisen, wie etwa einen Gleichrichtungsschaltkreis und/oder einen Filterschaltkreis. Der Eingangsschaltkreis 106 ist an eine Steuerungseinrichtung 116 (controller) gekoppelt, welche eingerichtet ist den allgemeinen Betrieb des Konverters 100 zu steuern. Der Eingangsschaltkreis 106 kann ferner an einen Ladungspumpenschaltkreis 108 gekoppelt sein. Der Ladungspumpenschaltkreis 108 kann an einen Startschaltkreis 110 (Hochfahrschaltkreis) gekoppelt sein, beispielsweise an einen Zustandsdetektionsschaltkreis 112 des Startschaltkreises 110. Der Startschaltkreis 110 kann ferner an einen Umschalt-Schaltkreis 114 gekoppelt sein, welcher an eine beliebige Stelle im elektrischen Pfad zwischen dem ersten Eingang 102 oder dem zweiten Eingang 104 und der Steuerungseinrichtung 116 gekoppelt sein kann. Der Umschalt-Schaltkreis 114 kann ferner an die Steuerungseinrichtung 116 und/oder an ein Referenzpotential, beispielsweise das Erdpotential, gekoppelt sein. Der Konverter 100 kann ferner einen Transformator 118 aufweisen, welcher eine primäre Seite 120 und eine sekundäre 122 aufweisen kann. Die Steuerungseinrichtung 116 kann an die primäre Seite 120 des Transformators 118 gekoppelt sein. Die sekundäre Seite 122 kann mit einem oder mehreren, etwa wie in diesem beispielhaften Aufbauplan gezeigt, mit zwei Ausgängen ausgestattet sein zum Bereitstellen einer Gleichspannung (DC-Spannung), also einem ersten Ausgangsanschluss 124 und einem zweiten Ausgangsanschluss 126.
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Es sollte angemerkt werden, dass der Aufbauplan eines Konverters 100, wie in 1 gezeigt, nicht erschöpfend ist und einzig einen groben Überblick über den Aufbau einer möglichen funktionalen Implementierung des Konverters gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen darstellt. Weitere Zwischenverbindungen zwischen den in 1 gezeigten Modulen (Schaltkreiseinheiten) können bereitgestellt sein wie auch zusätzliche funktionale Schaltkreise, wie beispielsweise ein Filterschaltkreis zum Unterdrücken von elektromagnetischer Störausstrahlung (electromagnetic interference, EMI), welche von dem Konverter 100 und/oder von einem Rückkopplungsschaltkreis, welcher der Steuerungseinrichtung 116 Informationen bezüglich einer Last bereitstellt, welche an den mindestens einen Ausgang des Konverters 100 angeschlossen sein kann und/oder von einem Stromschalt-Schaltkreis erzeugt werden kann, welcher von der Steuerungseinrichtung 116 gesteuert wird und eingerichtet ist, der primären Seite 120 des Transformators 118 einen geschalteten Strom bereitzustellen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Eingangsschaltkreis 106 an den Startschaltkreis 110 gekoppelt sein, sodass im Falle, dass mindestens die Eingangsspannung kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellenwert und/oder dass die Eingangsspannung im Wesentlichen konstant geblieben ist (beispielsweise auf einem sehr niedrigen Wert, beispielsweise bei einem Wert von ungefähr 0V) für eine vorbestimmte Zeitdauer, beispielsweise eine Zeitdauer von mindestens 100ms, beispielsweise von mindestens 200ms, beispielsweise von mindestens 300ms, beispielsweise von mindestens 400ms, beispielsweise von mindestens 500ms, beispielsweise von mindestens 600ms, beispielsweise von mindestens 700ms, beispielsweise von mindestens 800ms, beispielsweise von mindestens 900ms, beispielsweise von mindestens 1s, beispielsweise eine Zeitdauer im Bereich von ungefähr 100ms bis ungefähr 1s, beispielsweise eine Zeitdauer im Bereich von ungefähr 200ms bis ungefähr 900ms, beispielsweise eine Zeitdauer im Bereich von ungefähr 300ms bis ungefähr 800ms, beispielsweise eine Zeitdauer im Bereich von ungefähr 400ms bis ungefähr 700ms, elektrische Ladungen, welche in dem Eingangsschaltkreiskreis 106 gespeichert sind, durch den Umschalt-Schaltkreis zu dem Bezugspotentialanschluss fließen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Konverter 100 als ein isoliertes Schaltnetzteil (isolated switch mode power supply) eingerichtet sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Konverter 100 als ein Konverter aus einer Gruppe von Konvertern eingerichtet sein, welche besteht aus: einem Hochsetzsteller (boost converter), einem Tiefsetzsteller (buck converter), einem Hochsetz-/Tiefsetzsteller (boost/buck converter) und einem Sperrwandler (flyback converter). Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Konverter 100 verwendet werden zum Konvertieren (Umwandeln) einer Wechselspannung oder einer Gleichspannung in eine Gleichspannung. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann eine Gleichspannung (beispielsweise im Bereich von ungefähr 50V bis ungefähr 1kV oder mehr) oder eine Wechselspannung (beispielsweise im Bereich von ungefähr 85V bis ungefähr 270V; es ist anzumerken, dass der Konverter 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in einem größerem Bereich von Spannungen betrieben werden kann, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 50V bis ungefähr 1kV oder mehr) an dem einen oder den mehreren Eingangsanschlüssen 102, 104 des Konverters 100 bereitgestellt werden. Es sollte verstanden werden, dass aufgrund des ohmschen Gesetzes die Spannungsumwandlung in analoger Art und Weise eine Stromumwandlung betrifft.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Transformator 118 eine primäre Seite 120 und eine sekundäre Seite 122 aufweisen. Die Steuerungseinrichtung 116 kann an die primäre Seite 120 des Transformators 118 gekoppelt sein und eingerichtet sein, den Stromfluss (beispielsweise mittels eines Stromumschalt-Schaltkreises, welcher daran und ferner an die primäre Seite 120 des Transformators 118 gekoppelt ist) durch die primäre Seite 120 des Transformators 118 zu steuern. Die Steuerungseinrichtung 116 kann verschiedene weitere funktionale Module und/oder Schaltkreise aufweisen. Die Steuerungseinrichtung 116 kann beispielsweise einen Modulationsschaltkreis aufweisen, welcher eingerichtet sein kann mindestens ein Umschaltsignal an den Stromumschalt-Schaltkreis (nicht in 1 dargestellt) bereitzustellen, welcher an die Steuerungseinrichtung 116 gekoppelt ist. Die Steuerungseinrichtung 116 kann ferner an die primäre Seite 120 des Transformators 118 gekoppelt sein, wobei der Modulationsschaltkreis als ein Pulsweitenmodulations-Schaltkreis oder als ein Pulsfrequenzmodulations-Schaltkreis eingerichtet sein kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Steuerungseinrichtung 116 ferner einen Leistungsverwaltungsschaltkreis (nicht in 1 dargestellt) aufweisen, welcher eingerichtet ist der Steuerungseinrichtung 116 und/oder einem Strombegrenzungsschaltkreis eine Leistungsverwaltung (Leistungsmanagement) bereitzustellen. Die Schaltkreismodule und/oder Schaltkreise, welche innerhalb der Steuerungseinrichtung 116 bereitgestellt werden können, können miteinander mittels eines Kommunikationsbusses kommunikativ gekoppelt sein. Überdies kann der Kommunikationsbus an eine Kommunikationsschnittstelle gekoppelt sein, welche bereitgestellt ist um elektrischen Kontakt zwischen den Modulen der Steuerungseinrichtung 116 und umgebenden Schaltkreisen der Steuerungseinrichtung 116 bereitzustellen, in welche die Steuerungseinrichtung eingebettet sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann beispielsweise Kontaktfüße (pins) oder Anschlüsse aufweisen, an welche externe Leitungen gekoppelt sein können. Der eine oder die mehreren Kontaktfüße oder Anschlüsse können dediziert sein, d. h. einzig zum Ankontaktieren eines spezifischen Schaltkreismoduls innerhalb der Steuerungseinrichtung 116 bereitgestellt sein oder sie können an mehr als ein Schaltkreismodul gekoppelt sein.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Steuerungseinrichtung 116 eine Mehrzahl von diskreten Schaltkreiskomponenten (beispielsweise eine analoge Steuerungseinrichtung, welche eine Mehrzahl von diskreten logischen Gattern und/oder analogen Verstärkern aufweist) aufweisen, beispielsweise den einen oder die mehreren weiter oben beschriebenen Schaltkreise, welche auf einer Leiterplatte, beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte, bereitgestellt sein können, oder sie kann als eine programmierbare Steuerungseinrichtung (welche monolithisch auf einem Wafersubstrat integriert sein kann), etwa eine Mikrocontroller-Einheit (beispielsweise ein RISC-Mikrocontroller (RISC: Reduced Instruction Set Computer – Computer mit reduziertem Befehlssatz) oder ein CISC-Mikrocontroller (CISC: Complex Instruction Set Computer – Computer mit komplexem Befehlssatz) oder als eine im (Anwendungs-)Feld programmierbare (Logik-)Gatter-Anordnung (FPGA, Field Programmable Gate Array) oder eine programmierbare logische Anordnung (PLA, Programmable Logic Array) oder jeder andere Art von einem logischen Schaltkreis eingerichtet sein.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Startschaltkreis 110 einen Zustandsdetektionsschaltkreis 112 aufweisen, welcher eingerichtet ist einen Zustand zu detektieren, in welchem der Eingangsschaltkreis 106 von einer Eingangsspannung getrennt wird, d. h. wenn der erste Eingang 102 und/oder der zweite Eingang 104 von der Eingangsspannung getrennt werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Eingangsschaltkreis 106 eine oder mehrere Kapazitäten aufweisen, welche zwischen dem ersten Eingang 102 und dem zweiten Eingang 104 des Eingangsschaltkreises 106 gekoppelt sind, wobei der erste Eingang 102 und der zweite Eingang 104 eingerichtet sind eine Eingangsspannung zu empfangen, wobei die eine oder die mehreren Kapazitäten eingerichtet sind elektrische Ladungen zu speichern, welche in dem Eingangsschaltkreis 106 gespeichert sind.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Ladungspumpenschaltkreis 108 an den Eingangsschaltkreis 106 gekoppelt sein, welcher in dem Konverter 100 bereitgestellt ist, wobei der Zustandsdetektionsschaltkreis 112 eine Kapazität aufweisen kann, welche an den Ladungspumpenschaltkreis 108 gekoppelt ist. Die Kapazität kann eingerichtet sein Ladungen zu speichern, welche von dem Ladungspumpenschaltkreis 108 bereitgestellt werden. Der Zustandsdetektionsschaltkreis 112 kann ferner einen Widerstand aufweisen, welcher parallel zu der Kapazität geschaltet ist, wobei ein Kontakt des Widerstands mit dem Bezugspotential, beispielsweise dem Massepotential gekoppelt ist. Der Zustandsdetektionsschaltkreis 112 kann ferner eine Diode aufweisen, welche zu der Kapazität parallel geschaltet ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Startschaltkreis derart eingerichtet sein, dass die von dem Ladungspumpenschaltkreis 108 mit Ladungen (oder Strom) versorgte Kapazität entladen wird, wenn die Eingangsspannung kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellenwert. Das Herabsinken der Eingangsspannung unter den vorbestimmten Spannungswert kann einen Zustand repräsentieren, in welchem der Konverter 100 von der Eingangsspannung getrennt wird.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Umschalt-Schaltkreis 114 einen ersten Schalter aufweisen, welcher eingerichtet ist geschaltet zu werden, wenn die Kapazität, welche von dem Ladungspumpenschaltkreis 108 mit Ladungen versorgt wird, entladen wird. Der erste Schaltkreis kann als ein MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor – Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor), beispielsweise ein Verarmungs-MOSFET, beispielsweise als ein n-Kanal Verarmungs-MOSFET.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Umschalt-Schaltkreis 114 einen zweiten Schalter aufweisen, welcher an den ersten Schalter gekoppelt ist, sodass der Zustand des zweiten Schalters mittels des ersten Schalters steuerbar ist. Der zweite Schalter kann als ein MOSFET ausgebildet sein, beispielsweise als ein Anreicherungs-MOSFET, beispielsweise als ein n-Kanal Anreicherungs-MOSFET. Der zweite Schalter kann zwischen einem Eingang des Eingangsschaltkreises 106 (beispielsweise den ersten Eingang 102) und dem Bezugspotential gekoppelt sein.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Zustandsdetektionsschaltkreis 112 an den Umschalt-Schaltkreis 114 gekoppelt sein und kann eingerichtet sein, ein Steuerungssignal an den Umschalt-Schaltkreis 114 zu übertragen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Umschalt-Schaltkreis 114 ferner einen ersten Widerstand, welcher zwischen einem Eingang des Eingangsschaltkreises 106, beispielsweise dem ersten Eingang 102, und dem zweiten Schalter gekoppelt ist, einen zweiten Widerstand, welcher zwischen dem zweiten Schalter und dem Bezugspotential, beispielsweise dem Massepotential, gekoppelt ist, und eine Diode aufweisen, welche zwischen dem zweiten Widerstand und dem Bezugspotential, beispielsweise dem Massepotential, gekoppelt ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters 100 kann der Startschaltkreis 110, welcher den Zustandsdetektionsschaltkreis 112 und den Umschalt-Schaltkreis 114 aufweist, in einer Steuerungseinheit integriert sein, beispielsweise zusammen mit der oder in die primäre Steuerungseinrichtung 116 (welche beispielsweise eine Haupt-Steuerungseinrichtung darstellt), welche in dem Konverter 100 bereitgestellt ist.
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Im Folgendem wird mit Bezug auf 2 eine Implementierung des Konverters 100, welcher in 1 gezeigt ist, mit samt seiner Funktionalität (seiner Funktionsmerkmale) beschrieben. Es ist jedoch anzumerken, dass die spezifische Auslegung des in 2 gezeigten Schaltkreises nur eine mögliche Implementierung von vielen möglichen Implementierungen darstellt und deshalb nicht als einschränkend gesehen werden soll bzgl. des allgemeinen Konzeptes des Konverters 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Die beschriebenen Beispiele und Ausführungsformen dienen Veranschaulichungszwecken und verschiedene Modifikationen oder Abänderungen im Lichte des grundlegenden Konzepts des Konverters 100 sind im Rahmen dieser Beschreibung und in dem Umfang der beigefügten Ansprüche zu berücksichtigen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird angenommen, dass die umzuwandelnde Spannung an dem ersten Eingangsanschluss 202 und dem zweiten Eingangsanschluss 204 des Konverters 200 bereitgestellt wird. Der erste Eingangsanschluss 202 und der zweite Eingangsanschluss 204 sind an einen ersten Eingang 206 bzw. einen zweiten Eingang 208 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt. Der Eingangsschaltkreis 210 kann eine erste Kapazität 212, welche parallel zwischen dem ersten Eingang 206 und dem zweiten Eingang 208 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt ist, und eine serielle Anordnung aufweisen, welche eine zweite Kapazität 216 und eine dritte Kapazität 218 aufweist, wobei die serielle Anordnung ebenfalls parallel zum ersten Eingang 206 und zum zweiten Eingang 208 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt ist. Eine erste Induktivität 214 ist zwischen die erste Kapazität 212 und die serielle Anordnung aus der zweiten Kapazität 216 und der dritten Kapazität 218 gekoppelt, wobei die erste Induktivität 214 eine erste Windung und eine zweite Windung aufweist, welche magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei die erste Windung in Serie zwischen dem ersten Eingang 206 des Eingangsschaltkreises 210 und einem ersten Eingang 220 eines Gleichrichtungsschaltkreises 224 gekoppelt ist und die zweite Windung in Serie zwischen dem zweiten Eingang 208 und dem zweiten Eingang 222 des Gleichrichtungsschaltkreises 224 gekoppelt ist. Der Eingangsschaltkreis 210 weist einen ersten Ausgang 230 auf, welcher an einen Abgriff gekoppelt ist, welcher zwischen der zweiten Kapazität 216 und der dritten Kapazität 218 bereitgestellt ist.
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Der Gleichrichtungsschaltkreis 224 weist eine Anordnung aus vier Dioden auf, welche auch als Brückengleichrichter oder Zweipuls-Brückenschaltung bezeichnet werden kann. Der Brückengleichrichter ist zwischen dem ersten Eingang 220 und dem zweiten Eingang 222 um einen ersten Ausgang 228 und einen zweiten Ausgang 226 des Gleichrichtungsschaltkreises 224 gekoppelt.
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Eine vierte Kapazität 236 ist parallel zwischen dem ersten Ausgang 228 und dem zweiten Ausgang 226 des Gleichrichtungsschaltkreises 224 gekoppelt. Der erste Ausgang 228 des Gleichrichtungsschaltkreises 224 ist ferner an einen zweiten Ausgang 232 des Eingangsschaltkreises 210 mittels eines ersten Widerstandes 234 gekoppelt. Der erste Ausgang 228 des Gleichrichtungsschaltkreises 224 ist ferner an ein Ende einer ersten Windung einer zweiten Induktivität 240 gekoppelt, das andere Ende der ersten Windung der zweiten Induktivität 240 ist an einen Drain-Anschluss eines ersten Transistors T1 und mittels einer zweiten Diode 248 an eine Seite (oder einen Anschluss) einer ersten Kapazität 248 und einen ersten Ausgang 266 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt. Zusätzlich zu der ersten Windung weist die zweite Induktivität 240 auch eine zweite Windung auf, wobei diese mit der ersten Windung magnetisch gekoppelt ist, beispielsweise mittels eines ferromagnetischen Kerns. Ein Ende der zweiten Windung ist mit dem Bezugspotential, beispielsweise dem Massenpotential, verbunden, das andere Ende ist an einen dritten Ausgang 254 des Eingangsschaltkreises 210 mittels eines zweiten Widerstandes 238 gekoppelt. Der dritte Ausgang 254 ist an einen Anschluss ZCD der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt. Die Seite der vierten Kapazität 236 und die Seite der fünften Kapazität 248, welche an den elektrischen Pfad zwischen dem ersten Ausgang 228 des Gleichrichtungsschaltkreises 224 und den sechsten Ausgang 226 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt sind, sind ferner mittels einer Diode 242 miteinander gekoppelt.
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Der zweite Ausgang 226 des Gleichrichtungsschaltkreises 224 ist zusätzlich zur Verbindung mit einem Referenzpotential, beispielsweise dem Massepotential, an einen Source-Anschluss des ersten Transistors T1 mittels eines dritten Widerstands 246, an die andere Seite der fünften Kapazität 248, mittels einer seriellen Anordnung aufweisend einen fünften Widerstand 252 und einen sechsten Widerstand 250 an den sechsten Ausgang 266 des Eingangsschaltkreises 210 und mittels einer sechsten Kapazität 258 an einen vierten Ausgang 260 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt. Der vierte Ausgang 260 ist an einen Anschluss VS0 der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt. Ein Abgriff zwischen dem dritten Widerstand 246 und dem Source-Anschluss des ersten Transistors T1 ist an einen fünften Ausgang 262 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt. Der fünfte Ausgang 262 ist an einen CS1 Anschluss der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt. Ein Gate-Anschluss des ersten Transistors T1 ist an einen dritten Ausgang 264 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt. Der dritte Ausgang 264 ist an einen Anschluss GD0 der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt.
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Der sechste Ausgang 266 des Eingangsschaltkreises 210 ist an einen ersten Eingang 277 eines Stromschalt-Schaltkreises 269 gekoppelt. Innerhalb des Stromschalt-Schaltkreises 269 ist der erste Eingang 277 an einen Drain-Anschluss eines zweiten Transistors T2 gekoppelt. Ein Source-Anschluss des zweiten Transistors T2 ist an einen Drain-Anschluss eines dritten Transistors T3 über einen ersten Knoten 279 gekoppelt. Ein Source-Anschluss des dritten Transistors T3 ist an einen Kontakt eines neunten Widerstands 288 gekoppelt, der andere Kontakt des neunten Widerstands 288 ist an das Massenpotential gekoppelt. Ein Anschluss CS0N der Steuerungseinrichtung 267 ist an den elektrischen Pfad zwischen dem neunten Widerstand 288 und dem Referenzpotential gekoppelt, beispielsweise dem Massepotential. Der Source-Anschluss des dritten Transistors T3 ist ferner an einen Anschluss CS0P der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt. Der Gate-Anschluss des zweiten Transistors T2 ist an einen Anschluss HGD der Steuerungseinrichtung 267 mittels eines siebten Widerstands 280 gekoppelt. Der Gate-Anschluss des dritten Transistors T3 ist an einen Anschluss GD1 der Steuerungseinrichtung 267 mittels eines achten Widerstands 286 gekoppelt. Der erste Knoten 279 ist ferner an einen Ausgang 273 des Stromschalt-Schaltkreises 269 mittels einer dritten Induktivität 274 gekoppelt und ferner an einen Anschluss HSGND der Steuerungseinrichtung 269. Eine Seite einer siebten Kapazität 284 ist an den ersten Knoten 279 gekoppelt, die andere Seite der siebten Kapazität 284 ist an einen Anschluss HSVCC der Steuerungseinrichtung 267 und über eine dritte Diode 282 und einen sechsten Widerstand 278, welche in Serie angeordnet sind, an einen Anschluss VCC der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt.
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Der erste Ausgang 273 des Stromumschalt-Schaltkreises 269 ist an einen zweiten Eingang 275 eines Transformierungsschaltkreises 2104 gekoppelt. Der Transformierungsschaltkreis 2104 ist mit einem ersten Eingang 271 versehen, an welchem der sechste Ausgang 266 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt ist mittels einer achten Kapazität 268. Der erste Eingang 271 des Transformierungsschaltkreises 2104 ist über eine neunte Kapazität 272 mit dem Bezugspotential, beispielsweise dem Massepotential, gekoppelt. Eine erste Windung eines Transformators 270 auf seiner ersten Seite ist zwischen dem ersten Eingang 271 und dem zweiten Eingang 275 des Transformierungsschaltkreises 2104 gekoppelt. Die primäre Seite des Transformators 270, beispielsweise die erste Windung, ist magnetisch mit seiner sekundären Seite gekoppelt, welche von einer zweiten und einer dritten Windung des Transformators 270 gebildet wird. Auf der sekundären Seite des Transformators 270 ist ein Ende der zweiten Windung an einen ersten Ausgang 2100 des Transformierungsschaltkreises 2104 über eine fünfte Diode 290 und eine vierte Induktivität 296 gekoppelt, welche in Serie angeordnet sind. Ein Ende der sekundären Seite des Transformators 270 ist an den elektrischen Pfad zwischen der fünften Diode 290 und der vierten Induktivität 296 gekoppelt mittels einer vierten Diode 292. Eine Seite einer zehnten Kapazität 294 ist an den elektrischen Pfad zwischen der fünften Diode 290 und der vierten Induktivität 296 gekoppelt, die andere Seite der zehnten Kapazität 294 ist an einen Abgriff gekoppelt, welcher zwischen der zweiten Windung und der dritten Windung auf der sekundären Seite des Transformators 270 angeordnet ist, und ist ferner an einen zweiten Ausgang 2102 des Transformierungsschaltkreises 2104 gekoppelt. Eine elfte Kapazität 298 ist zwischen dem ersten Ausgang 2100 und dem zweiten Ausgang 2102 des Transformierungsschaltkreises 2104 gekoppelt. Der zweite Ausgang 2102 ist ferner mit der Signalmasse gekoppelt. Die Signalmasse kann unabhängig sein von dem Bezugspotential oder sie kann mit dem Bezugspotential, beispielsweise dem Massepotential, gekoppelt sein. Der Transformierungsschaltkreis 2104 weist ferner einen dritten Ausgang 2108, einen vierten Ausgang 2106 auf, wobei der dritte Ausgang 2108 an den elektrischen Pfad zwischen dem ersten Ausgang 2100 des Transformierungsschaltkreises 2104 und der vierten Induktivität 296 gekoppelt ist und wobei der vierte Ausgang 2106 an den elektrischen Pfad zwischen der vierten Induktivität 296 und der fünften Diode 290 gekoppelt ist.
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Eine fünfte Induktivität 2124 ist magnetisch an die erste Windung der primären Seite und an die zweite Windung und die dritte Windung der sekundären Seite des Transformators 270 gekoppelt. Ein Ende der fünften Induktivität 2124 ist mit dem Bezugspotential verbunden, die andere Seite der fünften Induktivität 2124 ist an einen Kollektor-Anschluss eines vierten Transistors T4 mittels eines zehnten Widerstands 2122 und einer sechsten Diode 2120 gekoppelt. Ein Emitter-Anschluss des vierten Transistors T4 ist an den Anschluss VCC der Steuerungseinrichtung 267 und ferner an einen Anschluss GND der Steuerungseinrichtung 267 mittels einer zwölften Kapazität 2110 gekoppelt, wobei der Anschluss GND der Steuerungseinrichtung 267 an das Bezugspotential gekoppelt ist. Ein Basisanschluss des vierten Transistors T4 ist an seinen Emitter-Anschluss mittels einer siebten Diode 212, an seinem Kollektor-Anschluss mittels eines elften Widerstands 2114 und an das Bezugspotential mittels einer achten Diode 2116 gekoppelt. Eine Seite einer dreizehnten Kapazität 2118 ist an das Bezugspotential gekoppelt, die andere Seite davon ist an den elektrischen Pfad zwischen der sechsten Diode 2120 und dem Kollektor-Anschluss des vierten Transistors T4 gekoppelt. Der dritte Ausgang 2108 des Transformierungsschaltkreises 2104 ist mittels einer Serienschaltung aus einem einundzwanzigsten Widerstand 2126 und einem zweiundzwanzigsten Widerstand 2138 an Signalmasse gekoppelt. Der vierte Ausgang 2106 des Transformierungsschaltkreises 2104 ist mittels einer Serienschaltung aus einem dreiundzwanzigsten Widerstand 2128 und einer gesteuerten Diode 2140 an Signalmasse gekoppelt. Zwischen dem einundzwanzigsten Widerstand 2126 und dem zweiundzwanzigsten Widerstand 2138 ist eine Seite einer zwanzigsten Kapazität gekoppelt, die andere Seite der zwanzigsten Kapazität ist mittels einer Parallelschaltung, welche eine einundzwanzigste Kapazität und einen vierundzwanzigsten Widerstand aufweist, an den elektrischen Pfad zwischen dem dreiundzwanzigsten Widerstand 2128 und der gesteuerten Diode 2140 gekoppelt. Ein Anschluss der lichtemittierenden Seite eines Optokopplers 2142 ist mittels eines neunundzwanzigsten Widerstands 2130 an den elektrischen Pfad zwischen dem vierten Ausgang 2106 des Transformierungsschaltkreises 2104 und dem dreiundzwanzigsten Widerstand 2128 gekoppelt. Der andere Anschluss der lichtemittierenden Seite des Optokopplers 2142 ist an den elektrischen Pfad zwischen dem dreiundzwanzigsten Widerstand 2128 und der gesteuerten Diode 2140 gekoppelt. Ein Anschluss der lichtempfangenden Seite des Optokopplers 2142 ist an einen Anschluss VDD der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt, wobei eine zweiundzwanzigste Kapazität zwischen dem Bezugspotential und dem Anschluss VDD gekoppelt ist. Der andere Anschluss der lichtempfangenden Seite des Optokopplers 2142 ist an einen Anschluss VS1 der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt, wobei eine dreiundzwanzigste Kapazität zwischen dem Bezugspotential und dem Anschluss VDD gekoppelt ist.
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Der Konverter 200 weist ferner den Startschaltkreis 2150 auf. Ein Anschluss GPIO0 der Steuerungseinrichtung 267 ist an einen dritten Eingang 2158 des Startschaltkreises gekoppelt. Innerhalb des Startschaltkreises 2115 ist ein Gate-Anschluss eines fünften Transistors T5 an den dritten Eingang 2158 des Startschaltkreises 2150 gekoppelt. Ein Source-Anschluss des fünften Transistors T5 ist mit dem Referenzpotential gekoppelt, ein Drain-Anschluss des fünften Transistors T5 ist an einen Source-Anschluss eines sechsten Transistors T6 gekoppelt, welcher gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen als ein Komparator betrieben werden kann und somit als ein Zustandsdetektionsschaltkreis agiert, welcher den beispielsweise von dem Ladungspumpenschaltkreis erzeugten Zustand mit einem vordefinierten Schwellenwert vergleicht, beispielsweise dem internen Gate-/Source-Schwellenwert des sechsten Transistors T6 (oder beispielsweise dem Basis-/Emitter-Schwellenwert des sechsten Transistors T6, falls dieser als ein bipolarer Transistors ausgebildet ist). Ein Gate des sechsten Transistors T6 ist an einen ersten Eingang 2152 des Startschaltkreises 2150 mittels einer seriellen Anordnung gekoppelt, welche eine elfte Diode 2168 und einen achtzehnten Widerstand 2170 aufweist. Der erste Eingang 2152 des Startschaltkreises 2150 ist an den ersten Ausgang 230 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt. Ein Kontakt einer zwölften Diode 2166 ist an den elektrischen Pfad zwischen der elften Diode 2168 und dem achtzehnten Widerstand 2170 gekoppelt, der andere Kontakt davon ist mit dem Bezugspotential gekoppelt. Ein Kontakt einer zehnten Diode 2164, eine Seite einer achtzehnten Kapazität 2162 und ein Kontakt eines siebzehnten Widerstands 2160 sind an den elektrischen Pfad zwischen dem Gate-Anschluss des sechsten Transistors T6 und der elften Diode 2168 gekoppelt. Der andere Kontakt der zehnten Diode 2164, das andere Ende der achtzehnten Kapazität 2162 und der andere Kontakt des siebtzehnten Widerstands 2160 sind an das Bezugspotential gekoppelt. Ein Drain-Anschluss des sechsten Transistors T6 ist an ein Gate eines siebten Transistors T7 gekoppelt. Ein Drain-Anschluss des siebten Transistors T7 ist an einen siebten Eingang 2156 des Startschaltkreises 2150 gekoppelt. Der zweite Eingang 2156 des Startschaltkreises 2150 ist an den zweiten Ausgang 232 des Eingangsschaltkreises 210 gekoppelt. Ein Source-Anschluss des siebten Transistors T7 ist ein an dessen Gate und an den Drain-Anschluss des sechsten Transistors T6 mittels einer seriellen Anordnung gekoppelt, welche einen zwanzigsten Widerstand 2174 und einen neunzehnten Widerstand 2172 aufweist. Eine dreizehnte Diode 2176 ist zwischen dem zwanzigsten Widerstand 2174 und einen ersten Ausgang 2154 des Startschaltkreises 2150 gekoppelt. Der erste Ausgang 2154 des Startschaltkreises 2150 ist an den Anschluss VCC der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt. Der Anschluss VCC der Steuerungseinrichtung 267 ist ferner an eine Stromschiene angeschlossen. Eine neunzehnte Kapazität 2178 ist zwischen das Referenzpotential und einen Anschluss VCORE der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt.
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Die obige Beschreibung des Konverters 200 basiert auf einer tatsächlichen beispielhaften Implementierung. Es sollte verstanden werden, dass etliche Einheiten/Bestandteile des Konverterschaltkreises durch andere äquivalente Vorrichtungen ersetzt werden können. Beispielsweise kann der Optokoppler 2142, welcher einen Fototransistor und eine lichtemittierende Diode aufweist, durch eine beliebige andere Vorrichtung ersetzt werden, welche auch in der Lage ist ein elektrisches Eingangssignal in ein Lichtsignal umzuwandeln und ferner eine beliebige Art eines Fotosensors aufweist zum Detektieren des erzeugten Lichtes. Der Fotosensor kann bei Detektion des erzeugten Lichts elektrische Energie erzeugen, beispielsweise ein elektrisches Signal, oder er kann den durch ihn fließenden Strom verändern. Demzufolge kann der Fotosensor beispielsweise ein Fotowiderstand, eine Fotodiode, ein Fototransistor, ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR, Silicon-Controlled Rectifier) oder ein Triac (Triode for Alternating Current – Triode für Wechselstrom) sein, wobei die Vorrichtung, welche in der Lage ist ein elektrisches Eingangssignal in ein Lichtsignal umzuwandeln, eine Nahinfrarot-lichtemittierende Diode (LED, Light Emitting Diode) sein kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann im Allgemeinen ein galvanisch isoliertes Element oder eine galvanisch isolierte Struktur, Komponente oder Vorrichtung verwendet werden zum Übermitteln von Signalen von einer Seite des Konverters 200 auf die andere Seite des Konverters, beispielsweise Transformatoren, Optokoppler, Piezotransformatoren, kernlose Transformatorschaltkreise und ähnliche Vorrichtungen.
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Die in der beispielhaften Ausführungsform des Konverters 200 verwendeten Transistoren weisen BJTs (Bipolar Junction Transistors – Bipolartransistoren) auf, wann immer die dazugehörigen Kontaktstellen als Emitter-Anschluss, Kollektor-Anschluss und Basis-Anschluss bezeichnet werden, und sie weisen MOSFETs auf, wann immer die dazugehörigen Kontaktstellen als Drain-Anschluss, Source-Anschluss und Gate-Anschluss bezeichnet werden. Es ist anzumerken, dass die im Laufe der Beschreibung als Transistoren bezeichneten Vorrichtungen durch äquivalente schaltende Vorrichtungen ersetzt werden können, welche verwendet werden können, um elektronische Signale zu schalten und/oder zu verstärken. In dem konkreten Beispiel des Konverters 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, wie in 2 gezeigt, können der erste Transistor T1, der zweite Transistor T2, der dritte Transistor T3, der fünfte Transistor T5 und der sechste Transistor T6 als n-Kanal Anreicherungs-MOSFETs eingerichtet sein. Der siebte Transistor T7 kann als ein n-Kanal Verarmungs-MOSFET ausgebildet sein und der vierte Transistor T4 kann als ein npn-Bipolartransistor ausgebildet sein.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des Konverters 200 beschrieben, wobei das Hauptaugenmerk auf der Funktionsweise des Startschaltkreises 2150 liegt. Es sollte verstanden werden, dass die spezifische Ausgestaltung des gesamten in 2 gezeigten Schaltkreises nur eine mögliche von vielen möglichen Ausführungsformen darstellt und deshalb nicht als einschränkend gesehen werden soll hinsichtlich des grundlegenden oder allgemeinen Konzeptes des Konverters gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Die Beispiele und Ausführungsformen dienen illustrativen Zwecken und zahlreiche Modifikation oder Abänderungen im Lichte des allgemeinen Konzepts des Konverters gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen sollen im Rahmen dieser Beschreibung und im Umfang der angehängten Ansprüche enthalten sein.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird angenommen, dass die umzuwandelnde Spannung an den ersten Eingangsanschluss 202 um den zweiten Eingangsanschluss 204 des Konverters 200 angelegt wird. Der Startschaltkreis 2150 ist bereitgestellt, um die Steuerungseinrichtung 267 einzuschalten oder hochzufahren nachdem sie heruntergefahren oder ausgeschaltet worden ist und um einen Entladungspfad für die X-Kapazitäten bereitzustellen, beispielsweise für die erste Kapazität 212 und die vierte Kapazität 236. Die Steuerungseinrichtung 267 kann ausgeschaltet oder runtergefahren werden, um die Leistungsaufnahme zu optimieren während eines Niedriglastzustands, welcher anschaulich einen Zustand darstellt, in welchem keine Last an die Ausgänge des Konverters 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen angeschlossen ist. Die X-Kapazitäten müssen entladen werden, wenn der Konverter 200 von der anliegenden Eingangsspannung getrennt wird. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Konverters 200 sind diese Funktionalitäten (Startfunktion und X-Kapazitäten-Entladungsfunktion) in einem Schaltkreis kombiniert, dem Startschaltkreis 2150. Daraus resultierend kann ein Vorteil darin gesehen werden, dass nur ein Hochspannungsschalter (verkörpert durch den Transistor T7 in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Konverters 200) verwendet werden braucht und die Kombination der eben beschriebenen Funktionalitäten eine kompaktere Ausgestaltung des Konverters 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ermöglicht.
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Die Detektion eines Zustands, in welchem der Eingangsschaltkreis 210 von der Eingangsspannung getrennt wird, kann mittels des Ladungspumpenschaltkreises erfolgen, welcher die zweite Kapazität 216, die dritte Kapazität 218, den achtzehnten Widerstand 2170, die elfte Diode 2168 und die zwölfte Diode 2166 aufweisen kann. Der Ladungspumpenschaltkreis kann an den Erfassungsschaltkreis gekoppelt sein, welcher die zehnte Diode 2164, die achtzehnte Kapazität 2162 und den siebtzehnten Widerstand 2160 aufweisen kann. Der Ladungspumpenschaltkreis kann eine Spannung über der achtzehnten Kapazität 2162 bereitstellen, welche an den Gate-Anschluss des sechsten Transistors T6 angelegt werden kann. Der sechste Transistor T6 kann Teil des Umschalt-Schaltkreises sein, welcher ferner den fünften Transistor T5 und den siebten Transistor T7 aufweisen kann. Bei Detektion einer Trennung des Konverters 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen von der Eingangsspannung hört der Ladungspumpenschaltkreis auf der achtzehnten Kapazität 2162 Ladungen bereitzustellen. Die achtzehnte Kapazität 2162 entlädt sich über die Zeit und zu einem gewissen Zeitpunkt fällt das an den sechsten Transistor T6, beispielsweise an dessen Gate-Anschluss, angelegte Potential unter einen Schwellenwert des Transistors und der sechste Transistor T6 wird damit nichtleitend. Infolgedessen wird der siebte Transistor T7 aktiviert, d. h. er wird leitend, und ein Entladungspfad für die X-Kapazitäten des Konverters 200 wird bereitgestellt. Die X-Kapazitäten können entladen werden durch den ersten Widerstand 234, den siebten Transistor T7, den zwanzigsten Widerstand 2174, die dreizehnte Diode 2176 und ferner über einen VCC-Ladepfad, d.h. den elektrischen Pfad, welcher an den ersten Ausgang 2154 des Startschaltkreises 2150 gekoppelt ist. Während des Vorgangs der Trennung des Konverters 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen von der Eingangsspannung wird der Betriebszustand des Startschaltkreises 2150 von der X-Kapazitäten-Entladungsfunktionalität dominiert.
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Während eines anfänglichen Startens oder Hochfahrens des Konverters 200, wenn eine Eingangsspannung an den ersten Eingang 202 und den zweiten Eingang 204 des Konverters 200 angelegt wird, ist die Steuerungseinrichtung 267 nicht aktiv. Das Signal am Anschluss GPIO0 ist auf einem niedrigen Pegel, sowohl der fünfte Transistor T5 wie auch der sechste Transistor T6 sind deaktiviert (d. h. in einem nicht leitfähigen Zustand) und der Gate-Anschluss des siebten Transistors T7 ist potentialfrei (floating). Die sechste Kapazität 2118 und die zwölfte Kapazität 2110 sind geladen und die Steuerungseinrichtung 267 wird gestartet (hochgefahren). Während der Startphase steigt die Spannung an der achtzehnten Kapazität 2162 in dem Startschaltkreis 2150 langsam an und zu einem gewissen Zeitpunkt übersteigt die an dem Gate-Anschluss des sechsten Transistors T6 anliegende Spannung eine Schwellspannung des Transistors und der sechste Transistor T6 wird leitfähig. Nachdem die Steuerungseinrichtung 267 gestartet oder in Betrieb genommen ist und der Konverter 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in seinen normalen Betriebsmodus eingetreten ist, wird der siebte Transistor T7 mittels Ausschalten des fünften Transistors T5 deaktiviert (d.h. wird nichtleitend).
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Der normale Betriebszustand (oder der normale Betriebsmodus) entspricht einem Zustand des Konverters 200, in welchem er eine Eingangs-Wechselspannung oder -Gleichspannung in eine gewünschte Gleichspannung konvertiert/umwandelt. Dieser Zustand wird eingeleitet nachdem der Startvorgang abgeschlossen ist und die Steuerungseinrichtung 267 gestartet oder hochgefahren ist.
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Eine an die Eingänge des Eingangsschaltkreises 210 angelegte Spannung kann gefiltert werden durch die Kapazitäten, welche parallel zwischen dem ersten Eingang 206 und dem zweiten Eingang 208 des Eingangsschaltkreises 210 geschaltet sind, beispielsweise durch die erste Kapazität 212 und durch die erste Induktivität 214, welche als Drossel fungiert. Diese Elemente des Eingangsschaltkreises 210 sind derart eingerichtet, dass sie eine gefilterte (im Hinblick auf höhere Frequenzen) Spannung zum weiteren Verarbeiten innerhalb des Konverters 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen bereitstellen. Zusätzlich kann die Filterungsfunktionalität auch zur Unterdrückung von Stromkomponenten mit hohen Frequenzen dienen, welche aus dem Konverter 200 durch den ersten Eingangsanschluss 202 und den zweiten Eingangsanschluss 204 in die Wechselstrom-Verkabelung, beispielsweise die Leitungen, welche dem Konverter die Wechselspannung zuführen, gelangen können und sich damit störend auf andere Geräte auswirken können.
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Der Gleichrichtungsschaltkreis 224, welcher vier Dioden in einer Brückengleichrichteranordnung aufweist, ist eingerichtet eine Ausgangsspannung (bzgl. des Gleichrichtungsschaltkreises 224) mit einer Polarität für Eingangsspannungen von beiden Polaritäten bereitzustellen. Es sollte angemerkt werden, dass der Gleichrichtungsschaltkreis 224 zum Transformieren einer Wechselspannung in eine DC-Spannung bereitgestellt ist und somit ausgelassen werden kann, beispielsweise wenn der Konverter 200 als ein DC-DC Konverter verwendet wird, d. h. wenn eine DC-Spannung an den ersten Eingangsanschluss 204 und an den Eingangsanschluss 206 des Konverters 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen angelegt wird.
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Die Steuerungseinrichtung 267 kann mit einer Nullstrom-Detektionsfunktionalität ausgestattet sein. Die zweite Windung der zweiten Induktivität 214 und der zweite Widerstand 238, welcher in Serie mit dem Anschluss ZCD der Steuerungseinrichtung 267 gekoppelt ist, können ein optionales Schaltkreismodul bereitstellen, welches von der Steuerungseinrichtung 267 verwendet werden kann, um zu Detektieren, ob Strom (Betrag und Richtung) zwischen dem ersten Eingang 206 und dem sechsten Ausgang 266 des Eingangsschaltkreises 210 fließt.
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Während des normalen Betriebsmodus wird dem Konverter 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen eine AC-Spannung (oder eine DC-Spannung) zugeführt und nachfolgend von den oben erwähnten Filterelementen gefiltert und ferner durch den Gleichrichtungsschaltkreis 224 gleichgerichtet. Die DC-Spannung wird dann an den ersten Eingang 277 des Stromumschaltschaltkreises 269 bereitgestellt. Der Stromumschaltschaltkreis 269 wird von der Steuerungseinrichtung 267 derart gesteuert, sodass er einen geschalteten DC-Strom am ersten Ausgang 273 des Stromumschaltschaltkreises 269 bereitstellt, wobei der Strom dann an dem zweiten Eingang 275 des Transformierungsschaltkreises 2104 bereitgestellt wird. Der geschaltete Strom ist von dem DC-Strom abgeleitet, welcher dem ersten Eingang 277 des Stromumschaltschaltkreises 269 mittels des zweiten Transistors T2 und des dritten Transistors T3 bereitgestellt wird, welche gegenphasig geschaltet werden können, d. h. wenn einer der beiden Transistoren leitend ist, ist der andere nichtleitend. Wenn der zweite Transistor T2 in einen leitenden Zustand gesetzt wird, entspricht der am ersten Ausgang 273 bereitgestellte Strom dem Strom, welcher dem Stromumschaltschaltkreis 269 an seinem ersten Eingang 277 bereitgestellt wird. Wenn der dritte Transistor T3 in einen leitfähigen Zustand gesetzt wird, wird eine leitende Verbindung zwischen dem Bezugspotential und dem ersten Ausgang 273 bereitgestellt. Durch Anpassen des Schaltzyklus des zweiten Transistors T2 und des dritten Transistors T3 induziert der am zweiten Eingang 275 des Transformierungsschaltkreises 2104 bereitgestellte geschaltete Strom eine Spannung in der zweiten und in der dritten Windung des Transformators 270 auf seiner sekundären Seite. Der Mittelwert dieser Spannung entspricht der DC-Spannung, welche am ersten und am zweiten Ausgang 2100, 2102 des Transformierungsschaltkreises 2104 bereitgestellt wird und kann einer externen Last zugeführt werden, welche eine DC-Spannung für ihren Betrieb benötigt.
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Während des normalen Betriebsmodus des Konverters 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird der Strom- und/oder Spannungsbedarf am Ausgang des Transformierungsschaltkreises 2104 (und dadurch am Ausgang des Konverters 200) abgetastet und am dritten Ausgang 2108 und am vierten Ausgang 2106 des Transformierungsschaltkreises 2104 bereitgestellt. Die abgetasteten Werte können einer skalierten Spannung und/oder einem skalierten Strom entsprechen, auf dessen Basis ein entsprechendes Signal mittels des Optokopplers 2142 an die Steuerungseinrichtung 267 übermittelt wird. Die Steuerungseinheit 267 kann das vom Optokoppler 2142 erhaltene Signal auswerten und kann beispielsweise den Schaltzyklus des geschalteten Stromes anpassen, um die an den Ausgängen 2100, 2102 bereitgestellte DC-Spannung zu vergrößern oder zu verringern. In diesem Sinne kann das von dem Optokoppler 2142 übermittelte Signal als ein Rückkopplungssignal verwendet werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Konverter bereitgestellt, bei dem der Startschaltkreis vollständig in die Steuerungseinrichtung (controller) integriert ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Umschalt-Schaltkreis einen gemeinsamen Schalter aufweisen, welcher an den Eingangsschaltkreis gekoppelt ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Startschaltkreis eingerichtet sein, dem gemeinsamen Schalter ein Schaltsignal bereitzustellen. Der gemeinsame Schalter kann als ein MOSFET ausgebildet sein, beispielsweise als ein Verarmungs-MOSFET.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Umschalt-Schaltkreis einen Entladeschalter aufweisen, welcher zwischen dem Anschluss des Startschaltkreises und dem Bezugspotential, beispielsweise dem Massepotential, verschaltet ist, wobei der Entladeschalter von dem Zustandsdetektionsschaltkreis gesteuert wird.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Zustandsdetektionsschaltkreis an den Anschluss des Startschaltkreises gekoppelt sein und er kann eingerichtet sein, die Eingangsspannung abzutasten.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die abgetastete Eingangsspannung einer skalierten oder heruntergeteilten Eingangsspannung entsprechen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann ein Schalter zwischen dem Anschluss des Startschaltkreises und dem Zustandsdetektionsschaltkreis verschaltet sein, wobei der Schalter von dem Startschaltkreis gesteuert werden kann.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Zustandsdetektionsschaltkreis eingerichtet sein, einen Zustand zu erkennen, in dem die Eingangsspannung kleiner ist als die vorbestimmte Schwellenspannung, wobei dieser Zustand gekennzeichnet ist durch mindestens zwei aufeinanderfolgende Eingangsspannungs-Stichproben oder Spannungsproben, welche den gleichen Wert aufweisen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Zustandsdetektionsschaltkreis an den Umschalt-Schaltkreis gekoppelt sein und er eingerichtet sein, ein Steuerungssignal an den Umschalt-Schaltkreis zu übermitteln.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Anschluss des Startschaltkreises an einen Leistungsversorgungsanschluss der Steuerungseinrichtung gekoppelt sein.
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Eine Implementierung des Konverters 300 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist in 3 gezeigt. Die Steuerungseinrichtung 367 mit implementiertem Startschaltkreis 312 wird beschrieben. Eine tatsächliche Implementierung der Steuerungseinrichtung 367 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird weiter unten beschrieben.
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Die Schaltungsanordnung des Konverters 300, welche in 3 gezeigt ist, ist der Schaltungsanordnung des Konverters 200 aus 2 ähnlich. Alle Elemente, welche in beiden Ausführungsformen gleichermaßen vorhanden sind (gezeigt in 2 und 3), sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden im Folgenden nicht im Kontext des Konverters 300 erneut beschrieben. Nur Unterschiede des Konverters 300 im Vergleich zu dem in 2 gezeigten Konverter 200 werden aufgezeigt.
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Der Eingangsschaltkreis des Konverters 300 in 3 kann erhalten werden aus dem Eingangsschaltkreis 210 des in 2 gezeigten Konverters 200 durch Weglassen des Startschaltkreises 2150, wie er in 2 gezeigt ist, und durch Implementieren des Startschaltkreises 2150 in die Steuerungseinrichtung 367. Ferner können die zweite Kapazität 214 und die dritte Kapazität 218 weggelassen werden, so dass der erste Ausgang 230 des Eingangsschaltkreises 210 ebenfalls weggelassen werden kann. Die Steuerungseinrichtung 367 bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des Konverters 300 ist zusätzlich mit einem Anschluss HV ausgestattet, an welchen der zweite Ausgang 232 des Eingangsschaltkreises gekoppelt ist, der Anschluss GPIO0 wird nicht verwendet. In dem Ausführungsbeispiel des in 3 gezeigten Konverters 300 stellt der zweite Ausgang 232 des Eingangsschaltkreises, welcher an den Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 367 gekoppelt ist, einen Entladungspfad für die X-Kapazitäten bereit aufweisend die erste Kapazität 212 und die vierte Kapazität 236. Der zweite Ausgang 232 des Eingangsschaltkreises, welcher an den Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 367 gekoppelt ist, ersetzt den weggelassenen ersten Ausgang 230 des Eingangsschaltkreises 210 des in 2 gezeigten Konverters 200 dahingehend, dass der zweite Ausgang 232 an die Steuerungseinrichtung 367 ein Signal bereitstellt, aus welchem die Steuerungseinrichtung 367 einen Zustand detektieren kann, in welchem der Konverter 300 von der Eingangsspannung getrennt ist (oder wird).
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Der Startschaltkreis 312 ist nun in der Steuerungseinrichtung 367 des in 3 gezeigten Konverters 300 integriert. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Steuerungseinrichtung im Allgemeinen eine Mehrzahl von diskreten Schaltungskomponenten aufweisen, beispielsweise den einen oder die mehreren weiter oben beschriebenen Schaltkreise, welche etwa auf einer Leiterplatte, beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte, bereitgestellt sein können, oder sie kann als eine programmierbare Steuerungseinrichtung (welche monolithisch auf einem Wafersubstrat integriert sein kann), etwa eine Mikrocontroller-Einheit (beispielsweise ein RISC-Mikrocontroller (RISC: Reduced Instruction Set Computer – Computer mit reduziertem Befehlssatz) oder ein CISC-Mikrocontroller (CISC: Complex Instruction Set Computer – Computer mit komplexem Befehlssatz) oder als eine im (Anwendungs-)Feld programmierbare (Logik-)Gatter-Anorndung (FPGA, Field Programmable Gate Array) oder eine programmierbare logische Anordnung (PLA, Programmable Logic Array) oder jeder andere Art von einem logischen Schaltkreis eingerichtet sein. Die Funktionalität des Startschaltkreises 312 kann in der Steuerungseinrichtung 367 in einer diskreten Form, beispielsweise als ein hartverdrahteter Schaltkreis, oder in einer programmierbaren oder programmierten Form implementiert sein.
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Die Steuerungseinrichtung 367 kann ein Start-Funktionsmodul 302, beispielsweise ein HV-Inbetriebnahme-Funktionsmodul (HV: high voltage – Hochspannung), und ein X-Kapazitätenentladungs-Funktionsmodul 304 aufweisen. Beide Module können einen Hochspannungsschalter (nicht dargestellt) verwenden, welcher zwischen dem Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 367 und den Modulen verschaltet ist. Eine Stromquelle 306 ist an den Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 367 und über eine Diode 310 an den Anschluss VCC der Steuerungseinrichtung 367 gekoppelt. Der Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 367 ist intern an das Bezugspotenzial mittels der Stromquelle 306 und eines Transistors 308, beispielsweise eines n-Kanal Anreicherungs-MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field effect transistor – Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor), gekoppelt.
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Das X-Kapazitätenentladungs-Funktionsmodul 304 kann derart eingerichtet sein, dass es die Stromquelle 306 ausschaltet, wenn ein Zustand detektiert wird, in welchem die Eingangsspannung von dem Konverter 300 getrennt wird und es kann zusätzlich derart eingerichtet sein, dass es den Transistor 308 eingeschaltet, so dass die X-Kapazitäten in dem Eingangsschaltkreis 210 über den Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 367 zum Bezugspotential entladen werden können, beispielsweise zur Masse.
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Das Start-Funktionsmodul 302 kann derart eingerichtet sein, dass es die Stromquelle 306 einschaltet, wenn ein Zustand detektiert wird, in welchem die Eingangsspannung an den Konverter 300 angeschlossen wird, das heißt wenn die Steuerungseinrichtung 367 aktiviert werden oder in Betrieb gehen soll.
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Die Integration des Startschaltkreises 312 in die Steuerungseinrichtung 367 kann eine Optimierung von Systemkosten darstellen. Gleichzeitig kann der durchschnittliche Leistungsverlust weiter minimiert werden durch Implementieren oder Bereitstellen eines zweckmäßigen Zustandsdetektionsschaltkreises (nicht in 3 gezeigt). Genau wie bei dem Ausführungsbeispiel des Konverters 200 in 2 braucht nur ein integrierter Hochspannungsschalter (nicht in 3 dargestellt) in dem integrierten Startschaltkreis 312 in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des Konverters 300 verwendet werden.
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4 zeigt eine beispielhafte Implementierung der Steuerungseinrichtung 367, welche in dem in 3 gezeigten Konverter 300 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen bereitgestellt ist. Es ist nur der zur zweckmäßigen Beschreibung der Implementierung der Steuerungseinrichtung 367 relevante Teil des Konverters 400 in 4 dargestellt. In Analogie zu den in 2 und in 3 gezeigten Ausführungsbeispielen des Konverters sind der erste Eingang 402 und der zweite Eingang 404 des Konverters 400 an den ersten Eingang 406 bzw. den zweiten Eingang 408 des Eingangsschaltkreises 410 gekoppelt. Eine erste Kapazität 409 des Eingangsschaltkreises 410 ist parallel zwischen dem ersten Eingang 406 und dem zweiten Eingang 408 des Eingangsschaltkreises hinter dem Gleichrichtungsschaltkreis 413 (d.h. diesem nachgeschaltet) und vor der primären und der sekundären Windung einer ersten Induktivität 411 (d.h. diesen vorgeschaltet) des Eingangsschaltkreises 410 gekoppelt. Eine Seite der ersten Kapazität 409 ist an den Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 452 mittels einer ersten Diode 412 und eines ersten Widerstands 416 gekoppelt, die andere Seite der ersten Kapazität 409 ist ebenfalls an den Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 452 mittels einer zweiten Diode 414 und des ersten Widerstands 416 gekoppelt. Der verbleibende Teil des Eingangsschaltkreises 410 wird nicht beschrieben, da dieser beispielsweise dem Eingangsschaltkreis 210 aus 2 entsprechen kann.
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Der Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 452 stellt eine Schnittstelle dar, durch welche der Startschaltkreis aufweisend den Umschalt-Schaltkreis 422, den Zustandsdetektionsschaltkreis 438 und verschiedene andere Komponenten und/oder Elemente, welche in der Steuerungseinrichtung 452 bereitgestellt sind, mit dem Eingangsschaltkreis 410 kommuniziert. Ein Drain-Anschluss eines gemeinsamen Schalters 420 (welcher beispielsweise als der gemeinsame Hochspannungsschalter fungiert), beispielsweise eines n-Kanal Verarmungs-MOSFETs, ist an den Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 452 gekoppelt. Ein Source-Anschluss des gemeinsamen Schalters 420 ist an einen Anschluss eines ersten Schalters 430 und an einen Anschluss eines zweiten Schalters 432 gekoppelt. Ein Gate-Anschluss des gemeinsamen Schalters 420 ist an einen Steuerungsausgang eines Startzelle-Treibers 428 und mittels eines dritten Widerstands 424 an den Source-Anschluss des gemeinsamen Schalters 420 gekoppelt. Der Source-Anschluss des gemeinsamen Schalters 420 ist ferner an den Anschluss VCC und an ein Leistungsverwaltungsmodul 444 der Steuerungseinrichtung 452 mittels einer Stromquelle 426 und einer dritten Diode 442 gekoppelt. Innerhalb der Steuerungseinrichtung 452 ist eine vierte Diode 446 zwischen dem Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 452 und dem Bezugspotential, beispielsweise dem Massepotential, verschaltet. Außerhalb der Steuerungseinrichtung 452 ist der Anschluss VCC der Steuerungseinrichtung 452 an eine Seite einer zweiten Kapazität 450 gekoppelt, die andere Seite der zweiten Kapazität 450 ist an das Referenzpotential gekoppelt.
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Der Startzelle-Treiber 428 ist mit weiteren Steuerungsausgängen ausgestattet, welche an die Stromquelle 426, den ersten Schalter 430 und den zweiten Schalter 432 gekoppelt sind. Der andere Anschluss des ersten Schalters 430 ist an den elektrischen Pfad zwischen der Stromquelle 426 und der dritten Diode 442 gekoppelt. Der andere Anschluss des zweiten Schalters 432 ist über einen dritten Widerstand 434 an das Bezugspotenzial, beispielsweise das Massepotenzial, gekoppelt und an ein Spannungsentkoppelungs-Detektionsmodul 436, welches Teil des Zustandsdetektionsmoduls 438 ist. Ein Steuerungsausgang des Spannungsentkopplungs-Detektionsmoduls 436 ist an den Startzelle-Treiber 428 gekoppelt, ein weiterer Steuerungsausgang des Spannungsentkopplungs-Detektionsmoduls 436 ist an einen Gate-Anschluss eines vierten Schalters 440, beispielsweise eines n-Kanal Anreicherungs-MOSFETs gekoppelt, welcher in dem Umschalt-Schaltkreis 422 bereitgestellt ist. Ein Drain-Anschluss des vierten Schalters 440 ist an den elektrischen Pfad zwischen dem anderen Anschluss des ersten Schalters 430 und der dritten Diode 442 gekoppelt, ein Source-Anschluss des vierten Schalters 440 ist an das Bezugspotenzial gekoppelt.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des integrierten Startschaltkreises beschrieben. Die integrierte Implementierung des Startschaltkreises bietet sowohl Start- oder Hochfahrfunktionalität der Steuerungseinrichtung als auch eine Entladungsfunktionalität der X-Kapazitäten. Die Spannung am ersten Eingang 406 und/oder an den zweiten Eingang 408 des Eingangsschaltkreises 410 wird von dem Spannungsentkopplungs-Detektionsmodul 436 abgetastet. Die Abtastung erfolgt in einer zyklischen Art und Weise, wobei der zweite Schalter 432 durch den Startzelle-Treiber 428 gesteuert wird. Während Perioden, in denen der zweite Schalter 432 geschlossen (d.h. leitend) ist, erhält das Spannungsentkopplungs-Detektionsmodul 436 Stichproben (samples) der Eingangsspannung, welche mittels eines Spannungsteilers in Form des dritten Widerstands 434 skaliert oder heruntergeteilt wird. Ein Zustand, in welchem der Konverter 400 von der Eingangsspannung entkoppelt ist oder wird, wird detektiert, wenn die Werte der abgetasteten Eingangsspannung sich über die Zeit nicht verändern. Anders ausgedrückt kann ein Zustand des Konverters 400, in welchem er von der Eingangsspannung abgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet sein, dass mehrere, beispielsweise 2, 3 oder 5 aufeinanderfolgende Stichproben der Eingangsspannung gleiche Werte haben. Wenn der Zustand detektiert wird, in welchem der Konverter 400 von der Eingangsspannung entkoppelt ist, kann das Spannungsentkopplungs-Detektionsmodul 436 ein Steuerungssignal an den Startzelle-Treiber 428 übermitteln. Infolgedessen kann der Startzelle-Treiber 428 ein Steuerungssignal an den gemeinsamen Schalter 420 übermitteln, so dass der gemeinsame Schalter 420 dann leitend wird, und auch an den zweiten Schalter 430, welcher dann geschlossen werden kann, und an die Stromquelle 426, welche dann deaktiviert werden kann. Zusätzlich kann das Spannungsentkopplungs-Detektionsmodul 436 ein Steuerungssignal an den Gate-Anschluss des vierten Schalters 440 übermitteln, wodurch der vierte Schalter 440 leitend wird. Ein Entladungspfad, welcher durch den Anschluss HV der Steuerungseinrichtung 452, den gemeinsamen Schalter 420, den zweiten Schalter 430 und den vierten Schalter 440 führt, wird dann bereitgestellt für Ladungen, welche in den X-Kapazitäten gespeichert sind, beispielsweise in der ersten Kapazität 409 in dem Eingangsschaltkreis 410.
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Jedes Mal, wenn die Eingangsspannung von dem Spannungsentkopplungs-Detektionsmodul 436 abgetastet wird, das heißt wenn ein leitender Pfad zwischen dem ersten Eingang 406 und/oder dem zweiten Eingang 408 des Eingangsschaltkreises 410 und dem Bezugspotenzial (welches an den dritten Widerstand 434 gekoppelt ist), beispielsweise der Masse, bereitgestellt wird, erfolgt ein kleiner Leistungsverlust. Der durchschnittliche Leistungsverlust, welcher der Leistungsaufnahme des Spannungsentkopplungs-Detektionsmoduls 436 aufgrund eines leitfähigen Pfades zwischen einem der Eingänge des Konverters 400 und dem Bezugspotenzial entspricht, kann minimiert werden, indem die Abtastrate hinreichend klein gewählt wird, beispielsweise 100 Hz, und auch indem die Abtastdauer hinreichend klein gewählt wird. Durch diese Maßnahmen kann der durchschnittliche Leistungsverlust wegen des Abtastprozesses auf Werte unter 1 Milliwatt reduziert werden.
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Bei der Betrachtung der Leistungsverluste sollte angemerkt werden, dass die erste X-Kapazität, welche in allen gezeigten Implementierungen des Konverters gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen vorgesehen ist, einen Leistungsverlust von ungefähr 50 bis 60 Milliwatt aufweist.
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Die obige Beschreibung des Konverters 400, der Steuerungseinrichtung 452 und deren Funktionsweisen basiert auf einer exemplarischen Implementierung. Es sei jedoch drauf hingewiesen, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der zugrundeliegenden erfinderischen Idee des Konverters gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen abzuweichen. Der vierte Schalter 440 kann beispielsweise optional vorgesehen werden, wenn verbesserte Zuverlässigkeit gewünscht ist. Der vierte Schalter 440 reduziert ferner die Last auf den VCC-Ladepfad und bietet eine schnellere Entladung. Der vierte Schalter 440 ist jedoch ein optionales Bauteil/Element und kann weggelassen werden, ohne die prinzipielle Funktionsweise des in 4 gezeigten Konverters 400 zu verändern. Auch verschiedene weitere Bauteile/Elemente wie etwa Stabilisierungskapazitäten oder Schutzdioden können hinzugefügt werden, ohne die prinzipielle Funktionsweise des in 4 gezeigten Konverters 400 zu verändern. Beispielsweise kann eine weitere Diode parallel zu der zweiten Kapazität 450 an das Bezugspotenzial, beispielsweise Masse, gekoppelt werden.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Konverter bereitgestellt, welcher aufweist: eine Steuerungseinrichtung, welche eingerichtet ist einen Stromfluss durch den Konverter zu steuern; einen Schaltkreis, welcher einen aufweist und eingerichtet ist, die Steuerungseinrichtung des Konverters zu starten oder in Betrieb zu nehmen, wobei der Schalter an einen Bezugspotentialanschluss gekoppelt ist; einen Eingangsschaltkreis, welcher an eine Eingangsspannung gekoppelt ist, wobei der Eingangsschaltkreis derart an den Schaltkreis gekoppelt ist, dass in einem Fall, in dem der Eingangsschaltkreis von der Eingangsspannung entkoppelt wird, in dem Eingangsschaltkreis gespeicherte Ladungen durch den Schalter zu dem Bezugspotentialanschluss fließen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Konverter als ein isoliertes Schaltnetzteil eingerichtet sein.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Konverter ferner einen Transformator aufweisen, welcher eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite an die Steuerungseinrichtung gekoppelt ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters kann der Schaltkreis, welcher eingerichtet ist den Konverter zu starten oder in Betrieb zu nehmen, ferner einen Zustandsdetektor aufweisen, welcher eingerichtet ist einen Zustand zu detektieren, in welchem der Konverter von der Eingangsspannung entkoppelt ist oder wird.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters können der Schalter und der Zustandsdetektor, welche in dem zum Starten des Konverters eingerichteten Schaltkreis enthalten sind, zusammen in einer Steuerungseinrichtung integriert sein.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters kann der der Eingangsschaltkreis einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang, welche eingerichtet sind eine Eingangsspannung zu empfangen, und mindestens einen Kondensator aufweisen, welcher zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang gekoppelt ist, wobei der mindestens eine Kondensator eingerichtet sein kann, die in dem Eingangsschaltkreis gespeicherten Ladungen zu speichern.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Konverter ferner eine Ladungspumpe aufweisen, welche an den Eingangsschaltkreis und den Zustandsdetektor gekoppelt ist, wobei die Ladungspumpe an einen Abtastkondensator gekoppelt ist, welcher in dem Zustandsdetektor bereitgestellt ist und eingerichtet ist, von der Ladungspumpe bereitgestellte Ladungen zu speichern.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters kann der Zustandsdetektor derart eingerichtet sein, dass der Abtastkondensator entladen wird, wenn der Eingangsschaltkreis von der Eingangsspannung entkoppelt wird.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters kann der Zustandsdetektor einen Widerstand aufweisen, welcher zu dem Abtastkondensator parallel geschaltet ist, wobei der Widerstand eingerichtet sein kann, einen Entladungspfad für den Abtastkondensator zu einem Bezugspotential bereitzustellen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters kann der Zustandsdetektor ferner eine Diode aufweisen, welche zu dem Abtastkondensator parallel geschaltet ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters kann der Schalter einen ersten Schalter aufweisen, welcher eingerichtet ist geschaltet zu werden, wenn die Abtastkapazität des Zustandsdetektors entladen wird.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des Konverters kann der Zustandsdetektor eingerichtet sein, ein Signal an den Schalter zu übermitteln.
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In verschiedenen weiteren Ausführungsbeispielen wird ein Schaltkreis bereitgestellt, welcher aufweist: einen Zustandsdetektionsschaltkreis, welcher an einen ersten Eingang des Schaltkreises gekoppelt sein kann und einen ersten Schalter aufweisen kann, wobei der Zustandsdetektionsschaltkreis eingerichtet sein kann, den Zustand des ersten Schalters zu steuern in Abhängigkeit von einem Signal, welches an den ersten Eingang des Schaltkreises angelegt wird; einen Umschalt-Schaltkreis, welcher einen zweiten Schalter, welcher zwischen einem zweiten Eingang des Schaltkreises und einem ersten Ausgang des Schaltkreises gekoppelt ist, und einen dritten Schalter aufweisen kann, welcher zwischen dem ersten Schalter und einem Bezugspotential gekoppelt ist, wobei der Zustand des dritten Schalters mittels eines Signals steuerbar ist, welches an einem dritten Eingang des Schaltkreises empfangen wird, und wobei der zweite Schalter derart eingerichtet ist, dass sein Zustand durch den ersten Schalter und den dritten Schalter steuerbar ist.
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Obwohl die Erfindung vor allem unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, sollte von denjenigen, die mit dem Fachgebiet vertraut sind, verstanden werden, dass zahlreiche Änderungen bezüglich Ausgestaltung und Details daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Bereich der Erfindung, wie durch die angefügten Ansprüche definiert, abzuweichen. Der Bereich der Erfindung wird somit durch die angefügten Ansprüche bestimmt, und es ist daher beabsichtigt, dass sämtliche Änderungen, welche unter den Wortsinn oder den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, umfasst werden.
