DE102013107768A1

DE102013107768A1 - Intelligente startschaltung für einen leistungswandler

Info

Publication number: DE102013107768A1
Application number: DE102013107768.4A
Authority: DE
Inventors: Jörg Oehmen; Josef Fisch; Mykhaylo Raykhman
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-01-22

Abstract

Es wird eine Startschaltung für einen Leistungswandler beschrieben, welche einen Eingang, einen an den Eingang gekoppelten ersten Spannungsregler und eine, an einen Ausgang des ersten Spannungsreglers gekoppelte Strombegrenzungsschaltung aufweist. Der Ausgang des ersten Spannungsreglers ist zur Bereitstellung eines ersten Spannungsniveaus an einen ersten Ausgang der Startschaltung gekoppelt und ein Ausgang der Strombegrenzungsschaltung ist zur Bereitstellung eines zweiten Spannungsniveaus an einen zweiten Ausgang der Startschaltung gekoppelt. Ferner kann der Ausgang des ersten Spannungsreglers über einen zweiten Spannungsregler an den ersten Ausgang der Startschaltung gekoppelt sein. Bei einem elektrischen Leistungswandler mit einer Startschaltung der genannten Art, einem Controller und zumindest einer Wandlerstufe mit zumindest einem Leistungsschalter ist der Controller über den ersten Ausgang der Startschaltung mit elektrischer Leistung versorgbar und das an dem zweiten Ausgang der Startschaltung bereitgestellte zweite Spannungsniveau ist zur selektiven Ansteuerung an den zumindest einen Leistungsschalter gekoppelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Startschaltung für einen elektrischen Leistungswandler sowie einen elektrischen Leistungswandler, der eine derartige Startschaltung enthält. Die Startschaltung ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Controller sowie zumindest einen Leistungsschalter des elektrischen Leistungswandlers mit Spannung zu versorgen.
Aus dem Stand der Technik sind einstufige und zweistufige elektrische Leistungswandler bekannt. Um den Betrieb der Wandlerstufen zu regeln, weist ein Leistungswandler dabei üblicherweise zumindest eine Steuerschaltung auf, in Fachkreisen Controller genannt. Die Steuerschaltung wird dabei im Normalbetrieb von einer der Wandlerstufen mit elektrischer Leistung versorgt. Diese Leistungsversorgung steht allerdings noch nicht unmittelbar nach einem Einschalten des elektrischen Leistungswandlers zur Verfügung. Um dennoch ein ordnungsgemäßes Hochfahren des Leistungswandlers nach dem Einschalten zu gewährleisten, muss die Steuerschaltung daher für einige Zeit von der Netzeingangsspannung durch zusätzlichen Aufwand versorgt werden.
1 zeigt eine konventionelle Lösung, um eine Steuerschaltung 1 während des Hochfahrens mit elektrischer Leistung zu versorgen. Dabei ist vorgesehen, dass die Netzeingangsspannung, die beispielsweise in einem Bereich von 90 VAC bis 277 VAC liegt, über einen Gleichrichter 2 an eine Power-Factor-Correction-(PFC)-Schaltung 3 gekoppelt ist. Darüber hinaus ist ein Kondensator C1 zwischen einen Ausgang des Gleichrichters 2 und Masse gekoppelt. Sobald die Netzeingangsspannung anliegt, wird der Kondensator C1 über einen Widerstand R1 aufgeladen. Die über dem Kondensator C1 anliegende Spannung wird der Steuerschaltung 1 zur elektrischen Versorgung zugeführt. Sobald nach einem Einschalten der Netzeingangsspannung der Kondensator C1 ausreichend aufgeladen ist, kann die Steuerschaltung 1 ihren Betrieb aufnehmen. Parallel zu dem Kondensator C1 ist ferner eine Zeer-Diode ZD1 vorgesehen, die verhindert, dass die an dem Kondensator C1 anliegende Spannung einen zu hohen Wert erreicht und der Kondensator C1 oder die Steuerschaltung 1 beschädigt werden.
Durch die Schaltung der 1 kann eine einfache und günstige Lösung zur Versorgung der Steuerschaltung 1 während des Hochfahrens des elektrischen Wandlers bereitgestellt werden. Beispielsweise umfasst solch ein Wandler einen DC-AC Wandler, der an einen Transformator mit Primärwicklung Wp und sekundärwicklung Ws gekoppelt ist. Für die Spannungsversorgung der Regelung kann die Primärseite des Transformators eine zweite Primärwicklung W1 umfassen. Allerdings fließt durch den Widerstand R1 auch während des Normalbetriebs, d. h. nach dem Hochfahren, noch ein gewisser Strom, so dass die Startschaltung der 1 einen recht geringen Wirkungsgrad aufweist. Bei modernen elektrischen Leistungswandlern werden ferner teilweise zwei oder mehr unterschiedliche Spannungsniveaus benötigt, um beispielsweise Leistungsschalter, die in den Wandlerstufen eingesetzt sind, und die Steuerschaltung mit unterschiedlichen Spannungsniveaus zu versorgen. Eine Startschaltung zur Versorgung von Komponenten eines elektrischen Leistungswandlers während eines Hochfahrens des Leistungswandlers mit hoher Effizienz ist daher wünschenswert.
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine Versorgung von Komponenten eines elektrischen Leistungswandlers während eines Hochfahrens im laufenden Betrieb mit hoher Effizienz und Flexibilität zu ermöglichen. Insbesondere ist eine Spannungsversorgung wünnschenswert, die auch einen Standby-Modus des Leistungswandlers ermöglicht, wobei eine hohe Effizienz im Normalbetrieb, im Standby-Modus sowie bei einem Übergang zwischen Normalbetrieb und Standby-Modus erreicht wird. Diese Aufgabe wird durch die Startschaltung gemäß Anspruch 1 und den elektrischen Leistungswandler gemäß Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
In einem ersten Aspekt wird eine Startschaltung für einen Leistungswandler bereitgestellt, welche einen Eingang, einen an den Eingang gekoppelten ersten Spannungsregler und einen an einen Ausgang des ersten Spannungsreglers gekoppelte Strombegrenzungsschaltung aufweist. Der Ausgang des ersten Spannungsreglers ist zur Bereitstellung eines ersten Spannungsniveaus an einen ersten Ausgang der Startschaltung gekoppelt. Ein Ausgang der Strombegrenzungsschaltung ist zur Bereitstellung eines zweiten Spannungsniveaus an einen zweiten Ausgang der Startschaltung gekoppelt.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Startschaltung kann ein erstes Spannungsniveau durch den ersten Spannungsregler zur Verfügung gestellt werden, ohne dass die Strombegrenzungsschaltung hierzu in Betrieb sein muss. Das erste Spannungsniveau an dem ersten Ausgang der Startschaltung kann beispielsweise dazu verwendet werden, einen. Controller, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, des elektrischen Leistungswandlers beim Starten zu versorgen. Darüber hinaus stellt die Startschaltung an dem zweiten Ausgang ein zweites Spannungsniveau zur Verfügung, welches beispielsweise zur Ansteuerung von Leistungsschaltern, wie beispielsweise Leistungstransistoren, des elektrischen Leistungswandlers verwendet werden kann. Das zweite Spannungsniveau an dem zweiten Ausgang kann in einigen Ausführungsformen auch dazu verwendet werden, den Controller z. B. während einer Phase höherer Leistungsaufnahme, beispielsweise während einer Fehlerbehandlung, zusätzlich oder alternativ zu dem ersten Spannungsniveau an dem ersten Ausgang mit elektrischer Leistung zu versorgen. Das zweite Spannungsniveau wird dabei sowohl durch den Betrieb des ersten Spannungsreglers als auch den Betrieb der Strombegrenzungsschaltung bereitgestellt.
Durch diesen Aufbau kann beispielsweise die Strombegrenzungsschaltung in einem Standby-Modus, in dem die Wandlerstufe nicht aktiv ist, deaktiviert werden. In diesem Fall kann der Controller des Leistungswandlers dennoch über den ersten Spannungsregler mit elektrischer Leistung versorgt werden. Dies ermöglicht eine energieeffiziente Versorgung im Standby-Modus, da nur benötigte Komponenten mit Spannung versorgt werden. Im Normalbetrieb des Leistungswandlers können dagegen sowohl der erste Spannungsregler als auch die Strombegrenzungsschaltung abgeschaltet werden, wenn die Leistungsversorgung des Controllers und die Ansteuerung der Leistungsschalter durch die Wandlerstufe selbst gewährleistet sind. Somit kann auch im Normalbetrieb Energie eingespart werden.
Der Eingang der Startschaltung, welcher an den ersten Spannungsregler gekoppelt ist, kann insbesondere ein Hochspannungseingang sein, wie beispielsweise ein Hochspannungseingang des Leistungswandlers. Alternativ oder zusätzlich kann ein zwischen den Eingang der Startschaltung und den ersten Spannungsregler gekoppelter Gleichrichter vorgesehen sein.
In einigen Ausführungsformen stellt der erste Spannungsregler an seinem Ausgang eine Spannung in einem Bereich zwischen 10 V und 30 V, insbesondere 15 V und 23 V und bevorzugt zwischen 17 V und 19 V bereit. Eine solche Spannung ist beispielsweise ausreichend, um Leistungstransistoren zuverlässig anzusteuern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ausgang des ersten Spannungsreglers über einen zweiten Spannungsregler an den ersten Ausgang der Startschaltung gekoppelt. Durch das Vorsehen eines zweiten Spannungsreglers kann das erste Spannungsniveau an dem ersten Ausgang der Startschaltung weitestgehend unabhängig von der Spannung an dem Ausgang des ersten Spannungsreglers eingestellt werden. Dieser Aufbau ermöglicht eine effiziente Trennung des ersten und zweiten Spannungsniveaus.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Ausgang des ersten Spannungsreglers und der Ausgang der ersten Strombegrenzungsschaltung an einen Eingang des zweiten Spannungsreglers gekoppelt sind. Beispielsweise können die Ausgänge des ersten Spannungsreglers und der Strombegrenzungsschaltung jeweils über eine Diode an den Eingang des zweiten Spannungsreglers gekoppelt sein. Die Dioden können dabei insbesondere gleich orientiert sein. Dieser Aufbau ermöglicht es, dass der zweite Spannungsregler von dem ersten Spannungsregler, der Strombegrenzungsschaltung oder von beiden versorgt wird.
Das Vorsehen des zweiten Spannungsreglers an dem ersten Ausgang der Startschaltung ermöglicht es, dass das an dem zweiten Ausgang der Startschaltung bereitgestellte Spannungsniveau lediglich durch den ersten Spannungsregler modifiziert wird, wodurch sich im Allgemeinen eine erhöhte Effizienz für die Bereitstellung des zweiten Spannungsniveaus ergibt. Da in einigen Ausführungsformen der zweite Ausgang der Startschaltung dazu verwendet wird, Leistungsschalter anzusteuern, wird an dem zweiten Ausgang oft mehr Leistung entnommen als an dem ersten Ausgang, so dass dieser Aufbau eine erhöhte Gesamteffizienz mit sich bringt, im Vergleich zu einer Anordnung eines zweiten Spannungsreglers an dem zweiten Ausgang der Startschaltung, die allerdings auch erfindungsgemäß möglich ist.
Der zweite Spannungsregler kann in einigen Ausführungsformen eine Ausgangsspannung in einem Bereich zwischen 1 V und 10 V, insbesondere zwischen 1,2 V und 7 V und bevorzugt zwischen 1,8 V und 5 V bereitstellen. Ein derartiges Spannungsniveau ist insbesondere zur Versorgung eines Mikrocontrollers vorteilhaft.
Das erste Spannungsniveau kann gleich dem zweiten Spannungsniveau sein. Im Allgemeinen können allerdings unterschiedliche Schaltungskomponenten des elektrischen Leistungswandlers unterschiedliche Spannungsniveaus erfordern. Hierzu kann das erste Spannungsniveau von dem zweiten Spannungsniveau verschieden sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Spannungsniveau niedriger als das zweite Spannungsniveau. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn der erste Ausgang der Startschaltung dazu verwendet wird, einen Controller, beispielsweise einen Mikrocontroller, mit einer Spannung zu versorgen, und der zweite Ausgang der Startschaltung dazu verwendet wird, Leistungsschalter anzusteuern. Mikrocontroller benötigen üblicherweise eine Versorgungsspannung in einem relativ niedrigen Bereich von 1,8 V und 5 V, während Leistungstransistoren üblicherweise eine höhere Ansteuerspannung in einem Bereich von etwa 12 V bis etwa 20 V benötigen. In anderen Ausführungsform kann das erste Spannungsniveau aber auch gleich dem zweiten Spannungsniveau oder höher als dieses sein, wobei der Stromverbrauch am ersten Spannungsregler jedoch idealerweise niedriger als am zweiten Spannungsregler ist, bzw. die am zweiten Ausgang bereitgestellte Leistung zumindest in einem zeitlichen Mittel größer als die am ersten Ausgang bereitgestellte Leistung ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das erste Spannungsniveau demgemäß zwischen 1 V und 10 V, insbesondere zwischen 1,2 V und 7 V und bevorzugt zwischen 1,8 V und 5 V. Ein derartiges Spannungsniveau ist insbesondere zur Versorgung eines Mikrocontrollers vorteilhaft, kann aber auch zur Versorgung anderer elektronische Bauelemente, beispielsweise zur externen Kommunikation oder zur Statusanzeige, verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das zweite Spannungsniveau zwischen 5 V und 50 V, insbesondere zwischen 7 V und 30 V und bevorzugt zwischen 12 V und 20 V beträgt. Ein derartiges Spannungsniveau ist in der der Regel ausreichend, um Leistungsschalter, wie beispielsweise Leistungstransistoren, anzusteuern oder um andere elektronische Bauelemente zu versorgen.
In einem weiteren Aspekt wird ein elektrischer Leistungswandler mit einer Startschaltung der beschriebenen Art, einem Controller und zumindest einer Wandlerstufe mit zumindest einem Leistungsschalter bereitgestellt. Der Controller ist über den ersten Ausgang der Startschaltung mit elektrischer Leistung versorgbar. Das an dem zweiten Ausgang der Startschaltung bereitgestellte zweite Spannungsniveau ist zur selektiven Ansteuerung den zumindest einen Leistungsschalter, beispielsweise ein Gate oder eine Basis des zumindest einen Leistungsschalters, gekoppelt.
Der Eingang der Startschaltung kann beispielsweise an einen Hochvolteingang des Leistungswandlers, an einen Ausgang einer Gleichrichterschaltung des Leistungswandlers oder an einen Ausgang einer PFC-Schaltung des Leistungswandlers gekoppelt sein.
Der Controller kann beispielsweise über den ersten Ausgang der Startschaltung mit elektrischer Leistung versorgbar sein, indem ein Versorgungseingang des Controllers direkt oder über einen Schalter und/oder eine Diode mit dem ersten Ausgang der Startschaltung gekoppelt ist. Auf ähnliche Weise kann der zweite Ausgang der Startschaltung über einen Schalter und/oder eine Diode mit dem Gate des zumindest einen Leistungsschalters gekoppelt sein.
Der Controller kann an die zumindest eine Wandlerstufe gekoppelt sein, um einen Betrieb der zumindest einen Wandlerstufe zu regeln und/oder zu steuern.
Der elektrische Leistungswandler kann ein einstufiger Leistungswandler sein. Alternativ weist der elektrische Leistungswandler zwei oder mehr Stufen auf. Die zumindest eine Wandlerstufe kann beispielsweise eine Power-Factor-Correction-(PFC)-Wandlerstufe und/oder eine DC/DC-Wandlerstufe, wie beispielsweise eine resonante Halbbrückenschaltung oder einen Cuk-Wandler umfassen. In einigen Ausführungsformen ist das an dem zweiten Ausgang der Startschaltung bereitgestellte zweite Spannungsniveau zur selektiven Ansteuerung an jeweils ein Gate von zwei oder mehr Leistungsschaltern einer oder mehrerer (Transistor)-Wandlerstufen des elektrischen Leistungswandlers gekoppelt. Auf diese Weise kann das zweite Spannungsniveau, das an dem zweiten Ausgang der Startschaltung bereitgestellt wird, zur Ansteuerung von mehr als einem Leistungsschalter verwendet werden, wobei die Leistungsschalter möglicherweise in verschiedenen Wandlerstufen angeordnet sind. Insbesondere kann der zweite Ausgang der Startschaltung über einen oder mehrere Schalter an ein oder mehrere Gates von Leistungsschaltern einer oder mehrerer Wandlerstufen gekoppelt sein, wobei der eine oder die mehreren Schalter von dem Controller betrieben werden.
In einigen Ausführungsformen ist der zumindest eine Leistungsschalter ein Leistungstransistor, insbesondere ein Leistungs-MOSFET (Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), beispielsweise ein Hochvolttransistor, wie z. B. ein Hochvolt-MOSFET. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Leistungsschalter einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) umfasst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Hilfsversorgungsausgang der zumindest einen Wandlerstufe an den Controller gekoppelt, um den Controller im Normalbetrieb mit elektrischer Leistung zu versorgen. Unter einem Normalbetrieb wird dabei üblicherweise ein Betriebszustand des elektrischen Wandlers verstanden, bei dem die Wandlerstufe eingeschaltet ist und sich beispielsweise nicht in einem Standby-Modus befindet. Durch diese Ausgestaltung kann der Controller somit im Normalbetrieb von der Wandlerstufe selbst mit Leistung versorgt werden, so dass die Startschaltung oder Teile davon im Normalbetrieb der Wandlerstufe ausgeschaltet werden können.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Hilfsversorgungsausgang der zumindest einen Wandlerstufe über eine Diode an den Controller gekoppelt ist, und dass der erste Ausgang der Startschaltung ebenfalls über eine Diode an den Controller gekoppelt ist. Die Dioden können insbesondere gleich orientiert sein, so dass ihre Kathoden z. B. jeweils in Richtung des ersten Ausgangs der Startschaltung zeigen. Auf diese Weise kann der Controller von der Startschaltung, der Wandlerstufe oder von beiden mit elektrischer Leistung versorgt werden, ohne dass es zu einer gegenseitigen Störung der Startschaltung und der Wandlerstufe kommt.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Gate des zumindest einen Leistungsschalters im Normalbetrieb über einen zweiten Hilfsversorgungsausgang der zumindest einen Wandlerstufe angesteuert wird. Auf diese Weise kann die Wandlerstufe selbst ein hinreichendes Spannungsniveau bereitstellen, um das Gate eines oder mehrerer Leistungsschalter der Wandlerstufe anzusteuern. In einigen Ausführungsformen ist dabei vorgesehen, dass der zweite Hilfsversorgungsausgang der zumindest einen Wandlerstufe über eine Diode zur Ansteuerung an das Gate des zumindest einen Leistungsschalters gekoppelt ist, und dass ferner der zweite Ausgang der Startschaltung über eine Diode zur Ansteuerung an das Gate des zumindest einen Leistungsschalters gekoppelt ist. Die Dioden können insbesondere gleich orientiert sein. Auf diese Weise kann die Spannung an dem zweiten Ausgang der Startschaltung, die Spannung an dem zweiten Hilfsversorgungsausgang der Wandlerstufe oder eine Kombination von beiden zur Ansteuerung des Gates verwendet werden, ohne dass es zu einer gegenseitigen Störung der Wandlerstufe und der Startschaltung kommt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Controller mit dem ersten Spannungsregler und/oder der Strombegrenzungsschaltung gekoppelt, um den ersten Spannungsregler bzw. die Strombegrenzungsschaltung selektiv ein- und/oder auszuschalten oder in einem Zwischenzustand zu halten, der beispielsweise einem Regelungsbetrieb des ersten Spannungsreglers oder der Strombegrenzungsschaltung entspricht. In Ausführungsformen, in welchen die Startschaltung ferner einen zweiten Spannungsregler aufweist, kann der Controller alternativ oder zusätzlich mit dem zweiten Spannungsregler gekoppelt sein, um den zweiten Spannungsregler selektiv ein- und/oder auszuschalten. Durch diese Anordnung kann der ohnehin in dem Leistungswandler vorgesehene Controller dazu verwendet werden, auch den Betrieb der Startschaltung zu steuern. Auf diese Weise sind weniger Bauteile erforderlich. Beispielsweise kann auf eine ansonsten erforderliche zusätzliche Steuerschaltung zur Steuerung der Startschaltung verzichtet werden. Ferner bietet eine derartige Ausgestaltung den Vorteil, dass der erste Spannungsregler, der zweite Spannungsregler und/oder die Strombegrenzungsschaltung auf der Basis von ohnehin beim Controller vorhandenen Informationen ein- bzw. ausgeschaltet werden können. Beispielsweise verfügt der Controller, der die zumindest eine Wandlerstufe regelt oder steuert, über Informationen bezüglich der an einem Hilfsversorgungsausgang und/oder einem zweiten Hilfsversorgungsausgang der Wandlerstufe verfügbare Spannung, um ausgehend von diesen Informationen den ersten Spannungsregler, den zweiten Spannungsregler und/oder die Strombegrenzungsschaltung der Startschaltung ein- oder auszuschalten.
Alternativ oder zusätzlich kann der Controller ferner an die zumindest eine Wandlerstufe gekoppelt sein, um die zumindest eine Wandlerstufe selektiv ein- und auszuschalten oder den durch die zumindest eine Wandlerstufe bereitgestellten Strom zu regeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schaltet der Controller den ersten Spannungsregler ein, wenn eine an den Hilfsversorgungsausgang der zumindest einen Wandlerstufe ausgegebene Spannung nicht ausreicht, um den Controller mit elektrischer Leistung zu versorgen. Wenn das an dem Hilfsversorgungsausgang der zumindest einen Wandlerstufe ausgegebene Spannungsniveau nicht ausreichend hoch ist, um den Controller zuverlässig mit elektrischer Leistung zu versorgen, kann der Controller somit über den ersten Spannungsregler der Startschaltung versorgt werden. Eine derartige Situation ergibt sich beispielsweise nach einem Einschalten des elektrischen Leistungswandlers, bevor die Wandlerstufe ihren Normalbetrieb aufgenommen hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform schaltet der Controller den ersten Spannungsregler aus, wenn eine an dem Hilfsversorgungsausgang der zumindest einen Wandlerstufe ausgegebene Spannung ausreicht, um den Controller mit elektrischer Leistung zu versorgen. Auf diese Weise kann der erste Spannungsregler ausgeschaltet werden, um Energie zu sparen, wenn die Leistungsversorgung des Controllers ohnehin von der Wandlerstufe gewährleistet ist. Beispielsweise kann der Controller den ersten Spannungsregler ausschalten, wenn die zumindest eine Wandlerstufe im Normalbetrieb arbeitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Controller einen Signaleingang zum Empfangen eines Standby-Signals. Der Controller schaltet den ersten Spannungsregler z. B. ein, wenn an dem Signaleingang ein Signal, das ein Eintreten in einen Standby-Modus anzeigt, empfangen wird. Alternativ oder zusätzlich schaltet der Controller den ersten Spannungsregler in Reaktion darauf aus, dass an dem Signaleingang ein Signal, das ein Verlassen des Standby-Modus anzeigt, empfangen wird. Insbesondere kann der Controller den ersten Spannungsregler eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem Empfangen des Signals ausschalten, oder alternativ unmittelbar nach denn Empfangen des Signals. Während des Standby-Modus ist somit eine elektrische Leistungsversorgung des Controllers über den ersten Spannungsregler gewährleistet. Somit kann der Controller die zumindest eine Wandlerstufe während des Standby-Modus ausschalten, um Energie zu sparen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Controller die zumindest erste Wandlerstufe ausschaltet, wenn an dem Signaleingang das Signal, dass das Eintreten in den Standby-Modus anzeigt, empfangen wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Controller die zumindest eine Wandlerstufe einschalten, wenn an dem Signaleingang das Signal, dass das Verlassen des Standby-Modus anzeigt, empfangen wird.
In einigen Ausführungsformen schaltet der Controller den zweiten Spannungsregler gleichzeitig mit dem ersten Spannungsregler ein bzw. aus. In einer bevorzugten Ausführungsform schaltet der Controller beispielsweise den ersten Spannungsregler und/oder den zweiten Schaltungsregler bei einem Einschalten der zumindest einen Wandlerstufe ein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schaltet der Controller die Strombegrenzungsschaltung bei einem Einschalten der zumindest einen Wandlerstufe ein. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass an dem zweiten Ausgang der Startschaltung ein ausreichendes Spannungsniveau zur Verfügung steht, um den Leistungsschalter der Wandlerstufe während des Hochfahrens anzusteuern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schaltet der Controller die Strombegrenzungsschaltung bei einem Erreichen des Normalbetriebs der zumindest einen Wandlerstufe aus. Auf diese Weise kann die Strombegrenzungsschaltung im Normalbetrieb der Wandlerstufe ausgeschaltet sein, um Energie zu sparen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Controller einen Signaleingang zum Empfangen eines Standby-Signals, wobei der Controller die Strombegrenzungsschaltung ausschaltet, wenn an dem Signaleingang ein Signal, das ein Eintreten in einen Standby-Modus anzeigt, empfangen wird. In einem Standby-Modus kann dabei insbesondere die zumindest eine Wandlerstufe ausgeschaltet werden, so dass kein Spannungsniveau zur Ansteuerung des Leistungsschalters der Wandlerstufe im Standby-Modus erforderlich ist. Das zweite Spannungsniveau an dem zweiten Ausgang der Startschaltung wird somit im Standby-Modus nicht benötigt, so dass die Strombegrenzungsschaltung im Standby-Modus abgeschaltet werden kann, um Energie zu sparen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Controller die Strombegrenzungsschaltung einschaltet oder in einem Zwischenzustand hält, wenn an dem Signaleingang ein Signal, das ein Verlassen des Standby-Modus anzeigt, empfangen wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass an dem zweiten Ausgang der Startschaltung rechtzeitig das zweite Spannungsniveau zur Ansteuerung des Leistungsschalters der Wandlerstufe zur Verfügung steht, um die Wandlerstufe korrekt hochzufahren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schaltet der Controller die Strombegrenzungsschaltung oder den ersten Spannungsregler aus, wenn eine an einem zweiten Hilfsversorgungsausgang der zumindest einen Wandlerstufe ausgegebene Spannung ausreicht, um den Controller mit elektrischer Leistung zu versorgen. Dies ist insbesondere im Normalbetrieb der zumindest einen Wandlerstufe der Fall, wie beispielsweise nach einem erfolgreichen „Aufwachen” aus einem Standby-Modus, so dass die Strombegrenzungsschaltung im Normalbetrieb ausgeschaltet sein kann, um Energie zu sparen.
Weitere konstruktive Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen
1 ein Blockschaltbild einer Wandlerstufe mit einer alternativen Startschaltung zeigt,
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Leistungswandlers gemäß einer Ausführungsform,
3 zeigt einen Cuk-Wandler, der als zweite Wandlerstufe gemäß einer Ausführungsform verwendet werden kann,
4 ein Blockschaltbild eines Teils einer Startschaltung gemäß einer Ausführungsform zeigt,
5 ein Schaltdiagramm des Teils der Startschaltung der 4 in größerem Detail zeigt und
6 ein Blockschaltbild einer Startschaltung gemäß einer Ausführungsform mit einem Ausschnitt der Hilfsversorgung einer Wandlerstufe zeigt.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Leistungswandlers 18 gemäß einer Ausführungsform. Der Leistungswandler 18 umfasst eine erste Wandlerstufe 11 sowie eine zweite Wandlerstufe 12. Ein Eingang 16 des Leistungswandlers ist an einen Eingang der ersten Wandlerstufe 11 gekoppelt. Die erste Wandlerstufe 11 kann beispielsweise einen PFC-Wandler umfassen. Ein Ausgang 20 der ersten Wandlerstufe 11 ist an einen Eingang der zweiten Wandlerstufe 12 gekoppelt. Die zweite Wandlerstufe 12 kann beispielsweise einen resonanten Halbbrückenwandler oder einen Cuk-Wandler umfassen. Die zweite Wandlerstufe 12 weist einen Leistungsausgang auf, der an den Ausgang 17 des Leistungswandlers 18 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen bildet der Leistungsausgang der zweiten Wandlerstufe 12 den Ausgang 17 des Leistungswandlers 18.
An den Leistungsausgang 17 des Leistungswandlers 18 kann eine elektrische Nutzvorrichtung, wie beispielsweise eine elektrische Lichtquelle 19, wie sie in 2 dargestellt ist, angeschlossen werden. Die elektrische Lichtquelle kann beispielsweise eine oder mehrere LED und/oder OLED umfassen. Die Erfindung ist allerdings nicht auf die Versorgung elektrischer Lichtquellen eingeschränkt. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Leistungswandler 18 alternativ oder zusätzlich zur Versorgung anderer elektrischer Nutzvorrichtungen, wie beispielsweise Computer, Unterhaltungselektronik, etc. verwendet werden.
Darüber hinaus umfasst der Leistungswandler 18 eine Hilfsleistungsquelle 9, die über einen Hilfsleistungsausgang 21 der zweiten Wandlerstufe 12 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Beispielsweise kann die Hilfsleistungsquelle während des Startvorgangs des Leistungswandlers 18 mit einer Spannung zwischen 15 V und 25 V versorgt werden, bevorzugt mit einer Spannung zwischen 17 V und 19 V, wobei das Spannungssignal eine relativ große Welligkeit aufweisen kann. In manchen Ausgestaltungen kann es vorgesehen sein, dass die Hilfsleistungsquelle 9 nach dem Starten des Leistungswandlers 18 der zweiten Wandlerstufe 12 eine Versorgungsspannung über einen zweiten Ausgang 22 der Hilfsleistungsquelle 9 bereitstellen kann, insbesondere eine geregelte Versorgungsspannung die beispielsweise im Bereich zwischen 1 V und 40 V liegt und bevorzugt im Bereich zwischen 10 V und 14 V liegt. Ein Ausgang 31 der Hilfsleistungsquelle 9 ist an einen Controller 14 (im Beispiel an einen Digitalcontroller) gekoppelt, um den Digitalcontroller 14 mit elektrischer Leistung zu versorgen. Im laufenden Betrieb wird der Digitalcontroller 14 somit von der zweiten Wandlerstufe 12 über die Hilfsleistungsquelle 9 mit elektrischer Leistung versorgt, beispielsweise mit einer geregelten Versorgungsspannung die im Bereich zwischen 2,5 V und 4 V liegt. Der Digitalcontroller 14 dient dazu, den Betrieb der ersten Wandlerstufe 11 und der zweiten Wandlerstufe 12 des Leistungswandlers zu regeln. Hierzu ist der Digitalcontroller 14 mit der ersten Wandlerstufe 11 und der zweiten Wandlerstufe 12 über mehrere Signalleitungen gekoppelt, die schematisch als Pfeile in 2 eingezeichnet sind und kollektiv mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet sind. Die Signalleitungen 32 werden verwendet, um Signale von dem Digitalcontroller 14 zu den Wandlerstufen 11, 12 zu führen, wie beispielsweise Gate-Signale für Transistoren der Wandlerstufen 11, 12, und um erfasste Signale aus den Wandlerstufen 11, 12 an den Digitalcontroller 14 zurück zu koppeln, wie unten näher beschrieben ist.
In einigen Ausführungsformen weist der Leistungswandler 18 ferner einen Informationsspeicher und/oder einen Parameterspeicher (nicht gezeigt) auf. Der Informationsspeicher bzw. der Parameterspeicher kann mit dem Digitalcontroller 14 gekoppelt sein. Darüber hinaus kann der Leistungswandler 18 eine Schnittstelle, wie beispielsweise eine USB-Schnittstelle aufweisen, um den Informationsspeicher und/oder den Parameterspeicher von außen zu kontaktieren und Daten zu speichern und/oder zu lesen. Alternativ oder zusätzlich kann der Leistungswandler dazu eine kabellose Schnittstelle aufweisen, beispielsweise eine WLAN-Schnittstelle (Wireless Local Area Network – Schnittstelle) oder eine WPAN-Schnittstelle (Wireless Personal Area Network – Schnittstelle).
Unmittelbar nach dem Einschalten des Leistungswandlers 18 reicht die an dem Hilfsleistungsausgang 21 der zweiten Wandlerstufe 12 ausgegebene Leistung allerdings noch nicht aus, um den Digitalcontroller 14 über die Hilfsleistungsquelle 9 mit elektrischer Leistung zu versorgen. Insbesondere wird nach einem Einschalten des Leistungswandlers 18 in der Regel zunächst die erste Wandlerstufe 11 in Betrieb genommen und, wenn die an dem Ausgang 20 der ersten Wandlerstufe 11 bereitgestellte Leistung zum Betrieb der zweiten Wandlerstufe 12 ausreicht, anschließend die zweite Wandlerstufe 12. Um auch während dieser Einschaltphase des Leistungswandlers 18 einen ordnungsgemäßen Betrieb der ersten Wandlerstufe 11 und der zweiten Wandlerstufe 12 zu gewährleisten, umfasst der Leistungswandler 18 ferner eine Startzelle 7. Die Startzelle 7 wird unmittelbar über den Eingang 16 des Leistungswandlers 18 mit elektrischer Leistung versorgt. Ein Ausgang 51 der Startzelle 7 ist an die Hilfsleistungsquelle 9 gekoppelt, um die Hilfsleistungsquelle 9 während einer Einschaltphase mit elektrischer Leistung zu versorgen. Die der Hilfsleistungsquelle 9 von der Startzelle 7 bereitgestellte Leistung reicht dabei aus, um den Digitalcontroller 14 zu betreiben. Der Digitalcontroller 14, der über die Hilfsleistungsquelle 9 und die Startzelle 7 mit elektrischer Leistung versorgt wird, ist somit relativ früh während der Einschaltphase des Leistungswandlers 18 dazu in der Lage, den Betrieb der ersten und zweiten Wandlerstufe 11, 12 zu regeln.
In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) ist ein Ausgang der Startzelle 7 direkt an den Digitalcontroller 14 gekoppelt, d. h. ohne Zwischenschaltung der Hilfsleistungsquelle 9. In diesen Ausführungsformen kann der Digitalcontroller 4 direkt von der Startzelle 7 während einer Einschaltphase des Leistungswandlers 18 mit elektrischer Leistung versorgt werden.
Darüber hinaus ist in 2 eine Signalkopplung zwischen dem Digitalcontroller 14 und der Startzelle 7 vorgesehen. Sobald der Digitalcontroller 14 von der Startzelle 7 über die Hilfsleistungsquelle 9 mit elektrischer Leistung versorgt wird, regelt oder steuert der Digitalcontroller 14 den Betrieb der Startzelle 7. Insbesondere ist der Digitalcontroller 14 dazu eingerichtet, die Startzelle 7 zu deaktivieren, sobald die an dem Leistungsausgang 21 der zweiten Wandlerstufe 12 ausgegebene Leistung dazu ausreicht, den Digitalcontroller 14 zu betreiben.
3 zeigt einen Cuk-Buck-Wandler, der beispielsweise als zweite Wandlerstufe 12 des Leistungswandlers 18 in 2 eingesetzt werden kann. Die in 3 dargestellte Wandlerstufe 12 umfasst dabei eine vereinfachte Hilfsversorgung, die durch die Wicklungen Cuk_P2 des Transformators Cuk_TX1 bereitgestellt wird. Die dort als V(Aux) bezeichnete Spannung liegt am Hilfsleistungsausgang 21 an und wird der Hilfsleistungsquelle 9 in 2 bereitgestellt.
Die in 3 gezeigten Spannungsknoten Cuk_V(Q2_Gate) und Cuk_V(Q3_Gate) sind direkt oder indirekt mit dem Digitalcontroller 14 gekoppelt. Der Digitalcontroller 14 kann somit die Gatesignale der Transistoren Cuk_Q2 und Cuk_Q3 der in 3 gezeigten zweiten Wandlerstufe 12 vorgeben.
Darüber hinaus werden einige der in 3 illustrierten Spannungssignale an den Digitalcontroller 14 rückgekoppelt, um eine Regelung des Betriebs der ersten und/oder zweiten Wandlerstufe durchzuführen. Beispielsweise werden die Spannungssignal Cuk_V(Shunt), Cuk_V(I, sense) und V(Aux, Sense) an den Digitalcontroller rückgekoppelt. Das Spannungssignal Cuk_V(Shunt) dient der Messung des primärseitigen Stroms des Transformators Cuk_TX1. Durch die Rückkopplung dieses Signal ist der Digitalcontroller 14 dazu in der Lage, einen Überstrom auf der Primärseite des Transformators Cuk_TX1 zu erkennen. Das Spannungssignal Cuk_V(I, sense) dient der Messung des primärseitigen Stroms und ist im Gegensatz zu dem Signal Cuk_V(Shunt) gefiltert und daher für die Regelung durch den Digitalcontroller 14 besser geeignet. Das Signal V(Aux, Sense) dient als Maß für die Ausgangsspannung V(out) der zweiten Wandlerstufe, die an den Ausgang 17 des Leistungswandlers in 2 gekoppelt wird. Der Digitalcontroller 14 kann dieses Signal sowohl zur Regelung als auch zur Fehlererkennung verwenden.
4 zeigt ein Blockschaltbild einer eine Startzelle 7 umfassenden Startschaltung 8 gemäß einer Ausführungsform mit zusätzlichen Schaltungskomponenten. Ein Hochspannungseingang V1 der Startzelle 7 ist an einen ersten Spannungsregler Reg1 gekoppelt. Der erste Spannungsregler Reg1 verfügt ferner über einen Signaleingang V(Start_Cell_Off), der an einen Controller, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, eines elektrischen Leistungswandlers gekoppelt sein kann, um den ersten Spannungsregler Reg1 ein- oder auszuschalten. Ein Ausgang Reg1out des ersten Spannungsreglers Reg1 ist an einen Eingang einer Strombegrenzungsschaltung X1 gekoppelt. Darüber hinaus stellt der Ausgang Reg1out des ersten Spannungsreglers Reg1 in dieser Ausführungsform einen ersten Ausgang V_Startcell der Startschaltung bereit.
Darüber hinaus weist die Strombegrenzungsschaltung X1 einen Signaleingang V(VCC_On) auf, der beispielsweise an einen Controller, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, eines Leistungswandlers gekoppelt sein kann, um die Strombegrenzungsschaltung X1 ein- und auszuschalten oder in einem Zwischenzustand zu halten, wobei der Zwischenzustand einer Stromregelung entspricht. Ein Ausgang der Strombegrenzungsschaltung X1 ist an einen zweiten Ausgang VCCaux der Startschaltung 8 gekoppelt, der dem Ausgang 51 aus 2 entspricht. Ferner umfasst die Startschaltung 8 einen mit der Masse GND verbundenen Ausgangskondensator C7, um das an dem zweiten Ausgang VCCaux ausgegebene zweite Spannungsniveau zu glätten und Energie zu speichern.
Die Startschaltung 8 umfasst ferner einen Spannungsteiler, der zwei in Serie gekoppelte Widerstände R8 und R9 umfasst, und der zwischen den zweiten Ausgang VCCaux und dem Masseanschluss GND gekoppelt ist. Der aus den Widerständen R8, R9 bestehende Spannungsteiler stellt eine geteilte Spannung VCC(Sense) zur Verfügung, die an einen Controller, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, des Leistungswandlers gekoppelt sein kann, um ein Maß für die zweite Ausgangsspannung VCCaux an den Controller zurück zu koppeln.
5 zeigt eine Schaltskizze einer konkreten Ausgestaltung der Startschaltung der 3 gemäß einer Ausführungsform. Der erste Spannungsregler Reg1 umfasst dabei einen Transistor Q6, dessen Drain mit dem Eingang V1 der Startschaltung gekoppelt ist, und dessen Source mit dem ersten Ausgang V_Startcell der Startschaltung 8 gekoppelt ist. Das Gate des Transistors Q6 wird über einen optionalen Bipolartransistor Q11 von dem Signal V(Start_Cell_Off) gesteuert. Optional kann auch ein Pullup-Widerstand vorgesehen sein, der V_Startcell mit der Basis des Transistors Q17 der 5 koppelt. Darüber hinaus sind Filterkondensatoren C10, C12 und eine Zenerdiode ZD2 vorgesehen, um das Gatesignal des Transistors Q6 zu stabilisieren, bzw. die Gatespannung des Transistors Q6 und somit die Spannung Reg1out zu begrenzen.
Wenn beispielsweise von einem Mikrocontroller an dem Anschluss V(Start_Cell_Off) ein positives Signal angelegt wird, wird der Transistor Q11 eingeschaltet, so dass das Gate des Transistors Q6 auf Masse geschaltet wird. Der Transistor Q6 schaltet in diesem Betriebszustand ab, so dass der erste Spannungsregler Reg1 ausgeschaltet ist. Durch ein Abschalten der Spannung V(Start_Cell_Off) wird der Transistor Q11 andererseits ausgeschaltet, wodurch das Gate des Transistors Q6 auf eine durch die Zenerdiode ZD2 begrenzte Spannung geschaltet wird. In diesem Betriebszustand wird der Transistor Q6 eingeschaltet und überträgt die Spannung V1 an den ersten Ausgangs V_Startcell der Startschaltung.
Darüber hinaus ist in der 5 auch die Strombegrenzungsschaltung X1 in einer Ausführungsform im Detail gezeigt. Die Strombegrenzungsschaltung X1 umfasst einen PNP-Transistor Q10, dessen Emitter an den Ausgang Reg1out des ersten Spannungsreglers Reg1, und somit an den ersten Ausgang der Startschaltung der 2 gekoppelt ist. Der Kollektor des Transistors Q10 der Strombegrenzungsschaltung X1 ist ferner über eine Diode D7 an den zweiten Ausgang VCCaux der Startschaltung gekoppelt. Die Diode D7 kann dabei beispielsweise eine Schottky- oder eine Siliziumdiode sein. Die Basis des Transistors Q10 ist darüber hinaus über einen Widerstand R20 und einen weiteren Bipolartransistor Q17 an Masse gekoppelt. Die Basis des Transistors Q17 ist über einen Widerstand R47 an den Anschluss V(VCC_On) gekoppelt, der beispielsweise an einen Controller, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, des Leistungswandlers gekoppelt ist. Wenn der Controller ein positives Spannungssignal an den Kontakt V(VCC_On) anlegt, wird der Transistor Q17 eingeschaltet. Die Basis des Transistors Q10 wird infolgedessen auf Masse geschaltet, so dass der PNP-Transistor Q10 einen negativen Basis-Emitter-Strom aufweist und einschaltet. In diesem Zustand wird die an dem Ausgang Reg1out des ersten Spannungsreglers ausgegebene Spannung an den Ausgang VCCaux der Startschaltung (beziehungsweise der Strombegrenzerschaltung) gekoppelt. Wenn das Potential an dem Anschluss V(VCC_On) dagegen beispielsweise von einem Controller abgeschaltet wird, sperrt der Transistor Q17, und der Transistor Q10 schaltet aus.
6 zeigt ein Blockschaltbild ähnlich der 4 einer die Startzelle 7 umfassende Startschaltung 8b gemäß einer Ausführungsform. Neben dem aus der 4 bekannten ersten Spannungsregler Reg1 und der Strombegrenzungsschaltung X1 weist die Startschaltung der 6 ferner eine Hilfsleistungsquelle 9 mit einem zweiten Spannungsregler Reg3 auf. Ein Eingang des zweiten Spannungsreglers Reg3 ist dabei über den Ausgang V_Startcell und über eine Diode D4 mit dem Ausgang Reg1out des ersten Spannungsreglers Reg1 verbunden, wobei die Diode D4 mit einem in Serie geschalteten Widerstand zur Strombegrenzung verbunden sein kann. Darüber hinaus ist der Eingang des zweiten Spannungsreglers Reg3 über eine Diode D5 und über den Anschluss VCCaux auch mit dem Ausgang der Strombegrenzungsschaltung X1 verbunden. Auf diese Weise kann der zweite Spannungsregler Reg3 wahlweise von dem ersten Spannungsregler Reg1, der Strombegrenzungsschaltung X1 oder von beiden versorgt werden. Ein Ausgang VCC bildet dabei in dieser Ausführungsform den ersten Ausgang der Startschaltung 8b. Zwischen den Ausgang VCC des zweiten Spannungsreglers Reg3 und Masse ist dabei ein Ausgangskondensator C8 geschaltet, um das erste Spannungsniveau an dem ersten Ausgang VCC zu stabilisieren. Um am Spannungsregler Reg3 eine konstante Ausgangsspannung zu gewährleisten, ist der Eingang des Spannungsreglers Reg3 über einen Kondensator C9 mit der Masse GND verbunden.
Durch den zweiten Spannungsregler Reg3 können an dem ersten Ausgang VCC und dem zweiten Ausgang VCCaux untersehiedliche Spannungsniveaus zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise zur Versorgung eines Controllers und zur Ansteuerung von Leistungsschaltern. Das erste und das zweite Spannungsniveau sind dabei nicht auf ein jeweils konstantes Spannungsniveau festgelegt, sondern können in manchen Ausführungsformen, beispielsweise abhängig von einem Betriebszustand, jeweils variable Spannungswerte annehmen. Insbesondere der zweite Ausgang VCCaux ist vorzugsweise so eingerichtet, dass er je nach Betriebszustand des Leistungswandlers verschiedene Spannungen bereitstellen kann. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass über den in der 4 gezeigten und mit dem ersten Ausgang VCC der Startschaltung 8b gekoppelten Ausgang Reg1out des Spannungsreglers Reg1 ein drittes Spannungsniveau an einem an der Startschaltung 8b bereitgestellt wird. Damit kann eine größere Flexibilität zur elektrischen Versorgung externer oder schaltungsinterner Komponenten erreicht werden.
Darüber hinaus ist der Ausgang der Strombegrenzungsschaltung X1 über eine optionale Diode D1 mit dem zweiten Ausgang VCCaux der Startschaltung 8b gekoppelt. Das an dem zweiten Ausgang VCCaux der Startschaltung 8b bereitgestellte zweite Spannungsniveau kann beispielsweise dazu verwendet werden, einen oder mehrere Leistungstransistoren einer oder mehrere Wandlerstufen des elektrischen Leistungswandlers anzusteuern.
Zusätzlich zu der Startschaltung zeigt 6 die mit einer Hilfsversorgung einer Wandlerstufe gekoppelte Hilfsleistungsquelle 9. Die Wandlerstufe stellt dabei eine Hilfsversorgungsspannung V(Aux) zur Verfügung, welche an einen Eingang eines Spannungsreglers Reg2 der Hilfsleistungsquelle 9 gekoppelt ist, dessen Ausgang über eine optionale Diode D2 ebenfalls an den zweiten Ausgang VCCaux der Startschaltung 8b gekoppelt ist. Durch diese Anordnung kann die Spannung an VCCaux wahlweise durch die Startzelle 7, die an die Hilfsleistungsquelle 9 gekoppelte Hilfsversorgung der Wandlerstufe oder beide gewährleistet werden, ohne dass die Startzelle 7 und die Hilfsleistungsquelle 9 sich gegenseitig stören. Die Spannung an dem zweiten Ausgang VCCaux kann beispielsweise dazu verwendet werden, einen oder mehrere Leistungsschalter einer oder mehrerer Wandlerstufen anzusteuern, beispielsweise unter Steuerung eines Controllers, der über den ersten Ausgang VCC mit elektrischer Leistung versorgbar ist. Desweiteren könne über den zweiten Ausgang VCCaux weitere elektronischen Bauelemente, beispielsweise zur externen Kommunikation oder zur Statusanzeige, versorgt werden.
Direkt nach einem Einschalten des elektrischen Leistungswandlers ist der erste Spannungsregler Reg1 eingeschaltet. Auf diese Weise wird über den Ausgang V_Startcell des ersten Spannungsreglers über die Diode D4 der zweite Spannungsregler Reg3 versorgt, an dessen Ausgang VCC ein erstes Spannungsniveau zur Versorgung eines Mikrocontrollers zur Verfügung gestellt wird. Der Mikrocontroller kann somit unmittelbar nach Bereitstellen einer Versorgungsspannung an dem Eingang V1 der Startschaltung, welcher ebenfalls einen Leistungseingang des Leistungswandlers darstellen kann, den Betrieb aufnehmen. Insbesondere kann nun der Mikrocontroller die Strombegrenzungsschaltung X1 einschalten, so dass beispielsweise über die optionale Diode D1 ein zweites Spannungsniveau an einem zweiten Ausgang VCCaux zur Verfügung steht, um einen oder mehrere Leistungsschalter einer oder mehrerer Wandlerstufen des Leistungswandlers während des Hochfahrens anzusteuern. In einigen Ausgestaltungen hat der Mikrocontroller beim Einschalten einen geringen Stromverbrauch, so dass der Spannungsabfall über der Diode D4 und einen bereits erwähnten, optionalen, in Serie geschalteten Widerstand gering ist. Der Strom wird aber im Fehlerfall, beispielsweise bei einem Kurzschluss an dem Ausgang V_Startcell oder einem Kurzschluss zwischen dem Ausgang VCC und dem Masseanschluss GND, durch diesen Widerstand begrenzt. Über eine an den zweiten Ausgang VCCaux gekoppelte Diode D5 und den zweiten Spannungsregler Reg3 kann schließlich an dem ersten Ausgang VCC eine Spannung zur Versorgung des Mikrocontrollers nach der Startphase bereitgestellt werden.
Sobald die eine oder die mehreren Wandlerstufen des Leistungswandlers hochgefahren sind und im Normalbetrieb arbeiten, wird der Mikrocontroller von einer der Wandlerstufen mit Leistung versorgt. Die Startschaltung kann somit abgeschaltet werden. Insbesondere können der erste Spannungsregler Reg1, der zweite Spannungsregler Reg3 und die Strombegrenzungsschaltung X1 abgeschaltet werden. Im Normalbetrieb steht insbesondere über den Ausgang V(Aux) der Wandlerstufe und den Spannungsregler Reg2 ein ausreichendes Spannungsniveau zum Ansteuern des Leistungsschalters der Wandlerstufe zur Verfügung.
Die Spannung V(Aux) kann beispielsweise über eine Hilfswicklung auf der Primarseite eines Transformators, analog zur in 1 dargestellte Hilfswicklung W1 des Transformators T1, bereitgestellt werden. Über das Signal V(VCC_On) kann der Digitalcontroller ferner den Pfad von der Startschaltung zu der Hilfsleistungsquelle 9 freischalten. Das am Ausgang der Startschaltung 8b während des Startvorgangs über den Strombegrenzer X1 bereitgestellte Signal am Ausgang VCCaux wird während dieser Startphase an die Hilfsleistungsquelle 9 gekoppelt. Beispielsweise kann am zweiten Ausgang VCCaux während des Startens über die Startzelle 7 mit einer geregelten Spannung versorgt werden, die beispielsweise zwischen 12 V und 20 V beträgt. Sobald von der zweiten Wandlerstufe über den Spannungsregler Reg2 eine Spannung zwischen 12 V und 20 V. vorzugsweise zwischen 14 V und 16 V, bereitgestellt wird, kann die Startzelle 7 ausgeschaltet werden. Für die Regelung kann beispielsweise die Spannung am Eingang V(Aux) gemessen werden. Alternativ kann das Ausschalten der Startschaltung über eine vorgegebene Wartezeit, die beispielsweise im Bereich zwischen 30 ms und 1 s liegt, geregelt werden. Nach Ablauf dieser Wartezeit kann dann davon ausgegangen werden, dass über den Spannungsregler Reg2 die Spannung VCCaux bereitgestellt werden kann. Sobald dies der Fall ist, kann über das Signal V(Start_Cell_Off) der Spannungsregler Reg1 ausgeschaltet werden, so dass die Startzelle 7 inaktiv ist. Wenn der Mikrocontroller zu einem späteren Zeitpunkt angewiesen wird, in einen Standby-Modus überzugehen, schaltet der Mikrocontroller den ersten Spannungsregler Reg1 über den Anschluss V(Start_Cell_Off) ein. Somit ist die Versorgung des Mikrocontrollers unabhängig von einem Betrieb der Wandlerstufe gewährleistet. Der Mikrocontroller kann die Wandlerstufe nun ausschalten, um Energie zu sparen. Falls der Mikrocontroller nicht über den ersten Ausgang VCC sondern über eine andere Spannung versorgt wird, kann es optional vorgesehen sein, dass der Mikrocontroller den zweiten Spannungsregler Reg3 über einen entsprechenden Signaleingang (nicht gezeigt) ein- und ausschalten kann und die Schaltung damit noch effizienter betrieben werden kann. Der Leistungswandler kann auch einen Bereitschaftsbetrieb (Stand-by-Betrieb) aufweisen, während dessen die Strombegrenzungsschaltung X1 ausgeschaltet ist. Dann wird die Ausgangsspannung am zweiten Ausgang VCCaux nicht über die Strombegrenzungsschaltung X1 bereitgestellt.
Desweiteren können über die am zweiten Ausgang VCCaux anliegende Ausgangsspannung die Signale für die Gate-Anschlüsse der MOSFET-Schalter des Leistungswandlers erzeugt werden und gegebenenfalls weitere Peripheriebauteile, z. B. elektronische Bauteile zur externen Kommunikation oder zur Statusanzeige, versorgt werden. In einer alternativen Ausgestaltung könnte die zweite Spannung am zweiten Ausgang VCCaux auch von der Startzelle 7 selbst bereitgestellt werden.
Wenn der Mikrocontroller dann das Signal erhält, den Standby-Modus zu verlassen, schaltet der Mikrocontroller zunächst die Strombegrenzungsschaltung X1 über den Anschluss V(Start_VCC_On) ein. Somit kann der zumindest eine Leistungsschalter der zumindest einen Wandlerstufe des Leistungswandlers über die Strombegrenzungsschaltung X1 und die Diode D1 angesteuert werden, bis die Wandlerstufe ihren Normalbetrieb aufgenommen hat. Sodann kann der Mikrocontroller den ersten Spannungsregler Reg1 und die Strombegrenzungsschaltung X1 wieder abschalten. In manchen Ausführungen kann es auch vorgesehen sein, dass im Normalbetrieb auch der zweite Spannungsregler Reg3 durch den Mikrocontroller abgeschaltet wird.
Weitere Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen sind möglich. Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen das erste Spannungsniveau und das zweite Spannungsniveau gleich sein. Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Leistungswandler nur eine, zwei oder mehr als zwei Wandlerstufen aufweisen. Jede der Wandlerstufen kann einen oder mehrere Leistungsschalter, insbesondere einen oder mehrere Leistungstransistoren aufweisen. An einen Leistungsausgang des Leistungswandlers kann beispielsweise eine Lichtquelle, z. B. mit einer oder mehreren LED und/oder organischen lichtemittierenden Vorrichtungen (OLED) gekoppelt sein.
Bezugszeichenliste

1: Steuerschaltung
2: Gleichrichter
3: PFC-Schaltung
4: Längsregler
5: Spannungswandler
7: Startzelle
8, 8b: Startschaltung
9: Hilfsleistungsquelle
11: erste Wandlerstufe
12: zweite Wandlerstufe
14: Controller
16: Eingang des Leistungswandlers
17: Ausgang des Leistungswandlers
19: LED-Anordnung
20: Ausgang der ersten Wandlerstufe
21: Hilfsleistungsausgang
22: zweiter Ausgang der Hilfsleistungsquelle
31: erster Ausgang der Hilfsleistungsquelle
32: Signalleitungen
51: Ausgang der Startzelle
Cuk_C2, Cuk_C3, Cuk_C4, Cuk_C5, Cuk_C6, Cuk_C202: Kondensator
Cuk_L201: Induktivität
Cuk_D2, Cuk_D3, Cuk_D201: Diode
Cuk_Q2, Cuk_Q3: MOSFET-Schalter
Cuk_R2, Cuk_R5, Cuk_R6, Cuk_R7, Cuk_R9: Widerstand
Cuk_P1, Cuk_P2: Primärwicklung
Cuk_S1: Sekundärwicklung
C1, C4, C7, C8, C9, C10, C12: Kondensator
D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7: Diode
Q6, Q10, Q11, Q17: Transistor
Reg1, Reg2, Reg3: Spannungsregler
Reg1out: Ausgang Spannungsregler
R1, R8, R9, R17, R18, R19, R20, R21, R47: Widerstand
T1: Transformator
W1, Wp: Primärwicklung
Ws: Sekundärwicklung
X1: Strombegrenzer
ZD1, ZD2: Zenerdiode

Claims

Startschaltung für einen Leistungswandler, welche einen Eingang (V1), einen an den Eingang (V1) gekoppelten ersten Spannungsregler (Reg1) und eine an einen Ausgang (Reg1out) des ersten Spannungsreglers (Reg1) gekoppelte Strombegrenzungsschaltung (X1) aufweist, wobei der Ausgang (Reg1out) des ersten Spannungsreglers (Reg1) zur Bereitstellung eines ersten Spannungsniveaus an einen ersten Ausgang (VCC, V_Startcell) der Startschaltung (8, 8b) gekoppelt ist, und wobei ein Ausgang der Strombegrenzungsschaltung (X1) zur Bereitstellung eines zweiten Spannungsniveaus an einen zweiten Ausgang (VCCaux) der Startschaltung (8, 8b) gekoppelt ist.
Startschaltung nach Anspruch 1, wobei der Ausgang (Reg1out) des ersten Spannungsreglers (Reg1) über einen zweiten Spannungsregler (Reg3) an den ersten Ausgang (VCC) der Startschaltung (8, 8b) gekoppelt ist.
Startschaltung nach Anspruch 2, wobei der Ausgang (Reg1out) des ersten Spannungsreglers (Reg1) und der Ausgang der ersten Strombegrenzungsschaltung (X1) an einen Eingang des zweiten Spannungsregler (Reg3) gekoppelt sind.
Startschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Spannungsniveau niedriger als das zweite Spannungsniveau ist.
Startschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Spannungsniveau zwischen 1,8 V und 5 V beträgt.
Startschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Spannungsniveau zwischen 12 V und 20 V beträgt.
Elektrischer Leistungswandler mit einer Startschaltung (8, 8b) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, einem Controller (14) und zumindest einer Wandlerstufe (11, 12) mit zumindest einem Leistungsschalter, wobei der Controller (14) über den ersten Ausgang (V_Startcell; VCC) der Startschaltung (8, 8b) mit elektrischer Leistung versorgbar ist und wobei das an dem zweiten Ausgang (VCCaux) der Startschaltung (8, 8b) bereitgestellte zweite Spannungsniveau zur selektiven Ansteuerung an den zumindest einen Leistungsschalter gekoppelt ist.
Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 7, wobei ein Hilfsversorgungsausgang der zumindest einen Wandlerstufe (11, 12) an den Controller (14) gekoppelt ist, um den Controller (14) im Normalbetrieb mit elektrischer Leistung zu versorgen.
Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Controller (14) mit dem ersten Spannungsregler (Reg1) und/oder der Strombegrenzungsschaltung (X1) gekoppelt ist, um den ersten Spannungsregler (Reg1) bzw. die Strombegrenzungsschaltung (X1) selektiv ein- und auszuschalten oder in einem Zwischenzustand zu halten.
Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 9, wobei der Controller (14) den ersten Spannungsregler (Reg1) einschaltet, wenn eine an dem Hilfsversorgungsausgang (21) der zumindest einen Wandlerstufe (11, 12) ausgegebene Spannung V(Aux) nicht ausreicht, um den Controller (14) mit elektrischer Leistung zu versorgen.
Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Controller (14) den ersten Spannungsregler (Reg1) ausschaltet, wenn eine an dem Hilfsversorgungsausgang der zumindest einen Wandlerstufe (11, 12) ausgegebene Spannung ausreicht, um den Controller (14) mit elektrischer Leistung zu versorgen.
Elektrischer Leistungswandler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Controller (14) einen Signaleingang zum Empfangen eines Standby-Signals umfasst, wobei der Controller (14) den ersten Spannungsregler (Reg1) einschaltet, wenn an dem Signaleingang ein Signal, dass ein Eintreten in einen Standby-Modus anzeigt, empfangen wird, und/oder wobei der Controller (14) den ersten Spannungsregler (Reg1) in Reaktion darauf ausschaltet, dass an dem Signaleingang ein Signal, dass ein Verlassen des Standby-Modus anzeigt, empfangen wird.
Elektrischer Leistungswandler nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Controller (14) die Strombegrenzungsschaltung (X1) bei einem Einschalten der zumindest einen Wandlerstufe (11, 12) einschaltet.
Elektrischer Leistungswandler nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei welcher der Controller (14) einen Signaleingang zum Empfangen eines Standby-Signals umfasst, wobei der Controller (14) die Strombegrenzungsschaltung (X1) ausschaltet, wenn an dem Signaleingang ein Signal, dass ein Eintreten in einen Standby-Modus anzeigt, empfangen wird, und/oder wobei der Controller (14) die Strombegrenzungsschaltung (X1) einschaltet oder in einem Zwischenzustand hält, wenn an dem Signaleingang ein Signal, dass ein Verlassen des Standby-Modus anzeigt, empfangen wird.
Elektrischer Leistungswandler nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Controller (14) die Strombegrenzungsschaltung (X1) oder den ersten Spannungsregler (Reg1) ausschaltet, wenn eine an einem zweiten Hilfsversorgungsausgang V(Aux) der zumindest einen Wandlerstufe (11, 12) ausgegebene Spannung ausreicht, um das Gate des zumindest einen Leistungsschalters anzusteuern.