DE102014103498A1

DE102014103498A1 - Erkennung von Leerlauf

Info

Publication number: DE102014103498A1
Application number: DE102014103498.8A
Authority: DE
Inventors: Mark Telefus
Original assignee: Flextronics AP LLC
Current assignee: Flextronics AP LLC
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2014-09-18
Also published as: CN104052299A; CN104052299B

Abstract

Ein Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis ist als Teil eines Leistungswandlers ausgeführt. Der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis wird während zweier Betriebsarten, einem Schlafmodus und einem Wiederanschaltungsmodus, ausgeführt. Während des Schlafmodus erfasst der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis vorhandenen Leerlauf und erhöht die Ausgangsspannung Vout künstlich auf ihren maximal zulässigen Wert. Dies kann erreicht werden, indem der Ausgang eines Regelabweichungsverstärkers, der ein PWM Modul speist, hochgezogen wird. Beim Wiederanschaltungsmodus sinkt die Ausgangsspannung Vout, während der Leistungswandler aus dem Schlafmodus unter maximaler Belastung wieder anschaltet, von der künstlich höheren Spannung, bleibt jedoch oberhalb eines Mindestpegels der Betriebsspannung. Eine Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit kann ausgeführt werden, um eine Geschwindigkeit zu steuern, mit der die Ausgangsspannung abfällt, wenn eine Belastung aufgebracht ist. Die künstlich hohe Ausgangsspannung während eines Leerlaufzustandes und die Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit bewirken eine rückführungslose Spannungseinstellung.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht Priorität nach 35 U. S. C 119 (e) der gleichzeitig anhängigen, am 15. März 2013 eingereichten, Vorläufigen US-Anmeldung, Seriennummer 61/799 124 mit dem Titel „Neue Aufteilung integrierter Stromsparschaltungen mit zweckbestimmter primärseitiger Steuerwicklung”. Diese Anmeldung schließt durch Verweis die Vorläufige US-Anmeldung, Seriennummer 61/799 124, als Ganzes ein.
GEBIET DER ERFINDUNG:
Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf das Gebiet der Leistungswandler gerichtet. Spezieller ist die vorliegende Erfindung auf Leistungsregelungssteuerung insbesondere während einer Wiederanschaltung von Geräten unter Last gerichtet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
In vielen Anwendungen ist ein Leistungswandler zur Bereitstellung einer Spannung innerhalb eines vorgegebenen Bereiches erforderlich, der aus einer Spannungsquelle mit einem unterschiedlichen Spannungspegel gebildet ist. Einige Schaltkreise unterliegen einem unsicheren und unerwünschten Betriebsverhalten und sogar einer irreparablen Beschädigung, falls zugeführte Leistung jenseits eines bestimmten Bereiches abfällt. Spezieller wird in einigen Anwendungen eine exakte Leistungsgröße zu bekannten Zeitpunkten benötigt. Dies wird als Konstantstromversorgung bezeichnet.
Um einen Leistungswandler zu steuern, damit er eine exakte Leistungsgröße liefert, wie es Bedingungen erfordern, wird eine bestimmte Form von Steuerung des Leistungswandlers benötigt. Diese Steuerung kann auf der Primärseite eines Trenntransformators oder der Sekundärseite vorkommen. Ein Regelungssystem mit geschlossener Rückkopplungsschleife ist ein System, das ein bestimmtes Element in dem Schaltkreis wie etwa die Schaltkreisausgangsspannung und deren Tendenz zur Änderung überwacht, und dieses Element bei einem im Wesentlichen konstanten Wert regelt. Steuerung auf der Sekundärseite eines Leistungswandlers kann eine überwachte Ausgangsspannung als Regelung mit Rückführung nutzen, erfordert jedoch die Verwendung einer gewissen Kommunikation von der Sekundärseite zur Primärseite des Trenntransformators, um das Schaltelement der Primärseite zu steuern. Eine Steuerung auf der Primärseite kann das Schaltelement der Primärseite ohne weiteres steuern, erfordert jedoch einen gewissen Rückkopplungsmechanismus von der Sekundärseite zur Primärseite, um den Status des überwachten Elements zu übermitteln.
1 stellt einen üblichen Rücklaufspannungswandler dar. Der Wandler 10 enthält einen Transistor T1, eine Steuereinheit 14, einen Transformator 12, einen Kondensator C1 und eine Diode D1. Die Eingangsspannung in den Schaltkreis kann eine nicht geregelte Gleichspannung sein, die von einer Wechselstromeinspeisung nach Gleichrichtung und Filterung gewonnen wird. Der Transistor T1 ist ein Schnellschaltelement wie etwa ein MOSFET, wobei das Schalten desselben durch eine schnelle dynamische Steuereinheit 14 zur Aufrechterhaltung einer gewünschten, geregelten Ausgangsspannung V_out gesteuert wird. Die Spannung der Sekundärwicklung wird durch die Diode D1 und den Kondensator C1 gleichgerichtet und gefiltert. Der Transformator 12 des Rücklaufwandlers arbeitet anders als ein typischer Transformator. Bei Belastung leiten Primärwicklung und Sekundärwicklung eines typischen Transformators gleichzeitig Strom. Jedoch übertragen die Primärwicklung und Sekundärwicklung des Transformators im Rücklaufwandler den Strom nicht gleichzeitig. Bei Betrieb wird, wenn der Transistor T1 eingeschaltet ist, die Primärwicklung P1 des Transformators 12 mit der Eingangsversorgungsspannung verbunden, so dass diese über der Primärwicklung P1 erscheint, was zu einer Erhöhung des Magnetflusses in dem Transformator 12 führt, und der Strom der Primärwicklung linear ansteigt. Jedoch wird mit dem eingeschalteten Transistor T1 die Diode D1 umgekehrt vorgespannt, und es gibt keinen Strom durch die Sekundärwicklung S1. Obgleich die Sekundärwicklung S1 bei Einschaltung des Transistors T1 keinen Strom leitet, nimmt der als Widerstand R_load dargestellte Verbraucher, der mit dem Kondensator C1 gekoppelt ist, wegen zuvor auf dem Kondensator C1 gespeicherter Ladung einen unterbrechungsfreien Strom auf.
Wenn der Transistor T1 ausgeschaltet ist, wird der Strompfad der Primärwicklung unterbrochen, und die Spannungspolaritäten über Primär- und Sekundärwicklung kehren sich um, was die Diode D1 in Durchlassrichtung vorspannt. An sich wird der Primärwicklungsstrom unterbrochen, jedoch beginnt die Sekundärwicklung S1 die Stromleitung, wodurch Energie vom Magnetfeld des Transformators zum Ausgang des Wandlers übertragen wird. Diese Energieübertragung umfasst das Aufladen des Kondensators C1 und die Lieferung von Energie an den Verbraucher. Wenn die Ausschaltperiode des Transistors T1 ausreichend lange ist, hat der Sekundärstrom genügend Zeit, um auf Null abzunehmen, wobei die in dem Transformator 12 gespeicherte Magnetfeldenergie vollständig abgegeben wird.
Zur Regelung der Ausgangsspannung V_out wird diese oder irgendeine Darstellung der Ausgangsspannung an die Steuereinheit 14 geliefert. Die Steuereinheit 14 regelt ein Tastverhältnis eines Impulsbreitenmodulationssignals (PWM), das zur Ansteuerung des Hauptschalters, dem Transistor T1, verwendet wird. Die Ausgangsspannung V_out wird durch Einstellen des Tastverhältnisses des PWMSignals geregelt.
Eine wichtige Überlegung im Entwurf eines Leistungswandlers ist es, Stromverbrauch im Leerlaufzustand möglichst gering zu halten. Dies wird typischerweise dadurch erreicht, dass der Leistungswandler in eine energiesparsame Betriebsart, die oft als ein Bereitschaftsmodus oder ein Schlafmodus bezeichnet wird, gesetzt wird, wenn ein Leerlaufzustand festgestellt wird. Im Normalbetrieb wird der Hauptschalter mit einer hohen Schaltrate bei Steuerung der Steuereinheit ein- und ausgeschaltet, um die geregelte Ausgangsspannung V_out aufrechtzuerhalten. Im Schlafmodus arbeitet der Leistungswandler in einem Impulsbetrieb. Das PWM-Signal steuert das Ein- und Ausschalten des Hauptschalters an, eine kurze Periode lang, etwa wenige Mikrosekunden, dem sich eine längere Inaktivitätsperiode anschließt, wobei der Hauptschalter etwa wenige Millisekunden lang ausgeschaltet ist. Wie in 2 gezeigt wird, sinkt die Ausgangsspannung V_out während Inaktivitätsperioden ab, bis sie einen Schwellenwert V_t erreicht, der eine Mindestbetriebsspannung darstellt, wobei an diesem Punkt der Leistungswandler aktiv ist (Zeitpunkt t_burst), um Leistung an den Ausgang zu liefern, wodurch die Ausgangsspannung V_out zurück auf den normalen geregelten Wert ansteigt. Sobald die Ausgangsspannung V_out auf den gewünschten Pegel wie etwa die geregelte Spannung ansteigt, nimmt der Leistungswandler wieder seinen inaktiven Zustand, zum Zeitpunkt t_inactive in 2, ein.
Wenn ein Verbraucher angeschlossen ist, während sich die Steuereinheit im Schlafmodus befindet, zieht der Verbraucher Strom vom Ausgangskondensator, wodurch der Kondensator entleert wird, weil der Schlafmodus nur kurzzeitige Leistungsimpulse bewirkt. Die Anfangsreaktion auf den angeschlossenen Verbraucher ist, eine große Spannungsmenge zu entnehmen, was zu einem Abfall der Ausgangsspannung führt, die man zu regeln sich vorstellt. Die Steuereinheit benötigt eine gewisse Zeitspanne, um aus dem Schlafmodus zu kommen, jedoch senkt der angeschlossene Verbraucher während dieser Zeitspanne die Ausgangsspannung V_out unter den Schwellenwert V_t ab, wie es in 3 gezeigt ist. Mit der unter der Schwellenspannung liegenden Ausgangsspannung V_out ist die Spannung ungeregelt, und der angeschlossene Verbraucher veranlasst ungenügende Leistung und schaltet ab oder bewirkt eine Fehlermeldung. Dies ist eine Unzulänglichkeit des Schlafstrombetriebes. In üblichen Leistungswandlern ist zum Halten einer geregelten Ausgangsspannung beim Übergang vom Schlafmodus zur Wiederanschaltung ein Überleistungskondensator erforderlich, um Ausgangsspannung davon abzuhalten, unter die Schwellenspannung V_t abzusinken, was eine enorme Trägheit für das Zeitverhalten darstellt.
ABRISS DER ERFINDUNG
Ein Leistungsregelungssteuerkreis ist als Teil eines Leistungswandlers ausgeführt. Der Leistungsregelungssteuerkreis wird während zweier Betriebsarten, einem Schlafmodus und einem Wiederanschaltungsmodus, ausgeführt. Während des Schlafmodus detektiert der Leistungsregelungssteuerkreis einen vorhandenen Leerlauf und erhöht die Ausgangsspannung V_out künstlich auf ihren maximal zulässigen Wert. In einigen Ausführungsformen wird dies erreicht, indem der Ausgang eines Regelabweichungsverstärkers, der ein PWMModul speist, hochgesetzt wird. Beim Wiederanschaltungsmodus sinkt die Ausgangsspannung V_out von der künstlich höheren Spannung, während der Leistungswandler vom Schlafmodus unter maximaler Belastung wieder anschaltet, bleibt jedoch noch immer über einer Mindesthöhe der Betriebsspannung. Eine Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit kann durchgeführt werden, um eine Geschwindigkeit zu steuern, mit der die Ausgangsspannung abfällt, wenn eine Belastung aufgebracht ist. Die künstlich hohe Ausgangsspannung während eines Leerlaufzustandes und Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit bewirken eine rückführungslose Spannungseinstellung.
In einer Ausführungsform ist ein Verfahren zur Steuerung eines Ausgangsspannungspegels eines Leistungswandlers offenbart. Das Verfahren umfasst das Entscheiden zwischen einem Belastungszustand und einem Leerlaufzustand an einem Ausgang des Leistungswandlers. Wenn ein Leerlaufzustand erfasst ist, wird der Ausgangsspannungspegel über einen geregelten Ausgangsspannungspegel künstlich erhöht. Wenn ein Belastungszustand erfasst ist, wird eine Regelung der Ausgangsspannung auf dem geregelten Ausgangsspannungspegel wieder aufgenommen. In einigen Ausführungsformen tritt der Leistungswandler in einen Schlafstrombetrieb ein, wenn der Leerlaufzustand erfasst ist. In einigen Ausführungsformen umfasst künstliches Erhöhen des Ausgangsspannungspegels das Erhöhen des Ausgangsspannungspegels innerhalb eines annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und unterhalb eines Überspannungszustandes. In einigen Ausführungsformen fällt der Ausgangsspannungspegel während der Zeitdauer einer Wiederanschaltung, nachdem eine Belastung aufgebracht ist, von dem erhöhten Ausgangsspannungspegel auf einen Zwischenspannungspegel ab, der sich innerhalb des annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und oberhalb eines Unterspannungszustandes befindet. In einigen Ausführungsformen umfasst der Schlafstrombetrieb abwechselnde Inaktivitätsperioden und Stoßaktivitätsperioden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem das Ausführen einer Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit, wenn der Belastungszustand erfasst ist, und bis eine Steuereinheit des Leistungswandlers wieder anschaltet. In einigen Ausführungsformen umfasst Ausführen der Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit das periodische Hochsetzen des Ausgangsspannungspegels. In einigen Ausführungsformen wird der Ausgangsspannungspegel periodisch hoch gesetzt entsprechend einer Steilheit des Ausgangsspannungspegelabfalls, während die Belastung erfasst ist und bevor die Steuereinheit wieder anschaltet.
In einer anderen Ausführungsform wird ein anderes Verfahren zur Steuerung eines Ausgangsspannungspegels eines Leistungswandlers offenbart. Das Verfahren umfasst das Erfassen eines Leerlaufzustandes an einem Ausgang des Leistungswandlers und Setzen des Leistungswandlers in einen Schlafstrombetrieb. Das Verfahren umfasst außerdem Erhöhen des Ausgangsspannungspegels über einen geregelten Ausgangsspannungspegel, und wenn ein Belastungszustand erfasst ist, das Wiederanschalten des Leistungswandlers und Wiederaufnehmen einer Regelung der Ausgangsspannung auf dem geregelten Ausgangsspannungspegel. In einigen Ausführungsformen umfasst Erhöhen des Ausgangsspannungspegels das Erhöhen des Ausgangsspannungspegels innerhalb eines annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und unterhalb eines Überspannungszustandes. In einigen Ausführungsformen fällt der Ausgangsspannungspegel während der Zeitdauer einer Wiederanschaltung, nachdem eine Belastung aufgebracht ist, vom erhöhten Ausgangsspannungspegel auf einen Zwischenspannungspegel ab, der sich innerhalb des annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und oberhalb eines Unterspannungszustandes befindet. In einigen Ausführungsformen umfasst die Schlafbetriebsart abwechselnde Inaktivitätsperioden und Stoßaktivitätsperioden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem das Ausführen einer Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit, wenn der Belastungszustand erfasst ist, und bis eine Steuereinheit des Leistungswandlers wieder anschaltet. In einigen Ausführungsformen umfasst Ausführen einer Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit das periodische Hochsetzen des Ausgangsspannungspegels. In einigen Ausführungsformen wird der Ausgangsspannungspegel entsprechend der Steilheit eines Ausgangsspannungspegelabfalls periodisch hoch gesetzt, während die Belastung erfasst ist und bevor die Steuereinheit wieder anschaltet.
In einer noch anderen Ausführungsform ist ein Leistungswandler zur Regelung einer einem Verbraucher zugeführten Ausgangsspannung offenbart. Der Leistungswandler enthält einen Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis, der zweckmäßig ausgelegt ist, um zwischen einem Belastungszustand und einem Leerlaufzustand an einem Ausgang des Leistungswandlers zu entscheiden. Wenn ein Leerlaufzustand erfasst wird, ist der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis des Weiteren ausgelegt, um den Ausgangsspannungspegel über einen geregelten Ausgangsspannungspegel künstlich hochzustellen; und wenn ein Belastungszustand erfasst wird, ist der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis ferner ausgelegt, um eine Regelung der Ausgangsspannung auf dem geregelten Ausgangsspannungspegel wieder aufzunehmen. In einigen Ausführungsformen liegt der künstlich hochgestellte Ausgangsspannungspegel innerhalb eines annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und unterhalb eines Überspannungszustandes. In einigen Ausführungsformen ist der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis ausgelegt, so dass der Ausgangsspannungspegel während der Zeitdauer einer Wiederanschaltung, nachdem eine Belastung aufgebracht ist, von dem erhöhten Ausgangsspannungspegel auf einen Zwischenspannungspegel abfällt, der innerhalb des annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und oberhalb eines Unterspannungszustandes liegt. In einigen Ausführungsformen umfasst der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis ein Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeits-Kompensationsmodul, das zur Bereitstellung von Spannungseinstellungen ausgelegt ist, um den Ausgangsspannungspegel periodisch hochzustellen, wenn der Belastungszustand erfasst ist, und bis der Leistungswandler wieder anschaltet. In einigen Ausführungsformen ist das Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeits-Kompensationsmodul ausgelegt, um Spannungseinstellungen entsprechend einer Steilheit des Ausgangsspannungspegelabfalls bereitzustellen, während die Belastung erfasst ist, und bevor der Leistungswandler wieder anschaltet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
Es werden mehrere beispielhafte Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszahlen versehen sind. Die beispielhaften Ausführungsformen sollen die Erfindung veranschaulichen, jedoch nicht einschränken. Die Zeichnungen umfassen die folgenden Figuren:
1 veranschaulicht einen herkömmlichen Rücklaufspannungswandler;
2 veranschaulicht eine beispielhafte Ausgangsspannung, während sich der Leistungswandler im Schlafmodus befindet;
3 veranschaulicht eine beispielhafte Ausgangsspannung, bevor und nachdem eine Belastung auf den im Schlafmodus befindlichen Leistungswandler aufgebracht wird;
4 veranschaulicht eine beispielhafte Ausgangsspannung auf einem künstlich hohen Pegel, bevor und nachdem eine Belastung auf den im Schlafmodus befindlichen Leistungswandler aufgebracht wird;
5 veranschaulicht eine beispielhafte Primärseite eines Leistungswandlers einschließlich eines schematischen Blockdiagramms eines Leistungsregelungs-Steuerschaltkreises nach einer Ausführungsform;
6 veranschaulicht eine beispielhafte Ausgangsspannungs-Wellenform mit periodischer Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit in Form von Hochsetzungen der Spannung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN:
Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung sind auf eine Leistungsregelungssteuerung gerichtet. Der Fachmann wird erkennen, dass die folgende ausführliche Beschreibung einer Leistungsregelungssteuerung nur erläuternd ist und in keiner Weise einschränkend sein soll. Andere Ausführungsformen der Leistungsregelungssteuerung werden sich dem Fachmann, der Nutzen an dieser Offenlegung hat, ohne weiteres empfehlen.
Es wird jetzt ausführlich Bezug auf Ausführungen einer Leistungsregelungssteuerung, wie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt, genommen. In den Zeichnungen und der folgenden ausführlichen Beschreibung werden durchweg die gleichen Bezugszeichen verwendet, die gleiche oder ähnliche Teile bezeichnen. Im Interesse der Deutlichkeit sind nicht alle der üblichen Merkmale hier beschriebener Ausführungen dargestellt und beschrieben. Es wird natürlich erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer solchen beliebigen aktuellen Ausführung zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die speziellen Ziele des Entwicklers wie etwa Übereinstimmung mit anwendungs- und geschäftsbezogenen Zwangsbedingungen zu erreichen, und dass diese speziellen Ziele von einer Ausführung zur anderen und von einem Entwickler zum anderen abweichen werden. Außerdem wird erkannt werden, dass ein solcher Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwändig sein könnte, jedoch für den Fachmann, der Nutzen aus dieser Offenlegung zieht, trotzdem eine Routine wäre, es technisch in die Hand zu nehmen.
Ausführungsformen eines Leistungsregelungs-Steuerschaltkreises sind als Teil eines Leistungswandlers ausgeführt. Der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis führt einen Schlafstrombetrieb und eine Wiederanschaltungsbetriebsart durch. Der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis entscheidet, wann ein Leerlaufzustand vorhanden ist und gibt dann den Schlafstrombetrieb ein. Der Schlafstrombetrieb ist ein durch abwechselnde Inaktivitätsperioden und Stoßaktivitätsperioden gekennzeichneter, leistungsarmer Betriebsmodus. Bei Eingabe des Schlafmodus bereitet sich der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis selbst auf einen möglichen Belastungszustand vor. Leerlaufbetrieb kann unter Verwendung beliebiger herkömmlicher Mittel bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen sind die Mittel zur Bestimmung des Leerlaufzustandes die gleichen wie übliche Mittel zur Bestimmung, wann das Gerät in den Schlafmodus geht.
Wenn ein Leerlaufzustand erfasst und der Schlafmodus eingegeben ist, wird die Ausgangsspannung künstlich auf einen höheren Wert geändert. Dieses künstliche Einstellen verursacht, dass die Ausgangsspannung V_out höher ist als der normale geregelte Pegel V_reg, jedoch innerhalb eines annehmbaren Betriebsspannungsbereiches liegt. In einer beispielhaften Anwendung beträgt der normale geregelte Spannungspegel 5 V, und der künstliche Spannungspegel ist auf 5,5 V gesetzt. Typisch ist, dass Geräte innerhalb eines annehmbaren Betriebsspannungsbereiches, zum Beispiel zwischen 4,85 V und 5,6 V, arbeiten. Über 5,6 V wird als ein Überspannungszustand betrachtet, und unter 4,85 V wird als ein Unterspannungszustand betrachtet. Sowohl der Überspannungszustand als auch der Unterspannungszustand werden als Fehlerzustände betrachtet. Der Ausgangsspannungspegel kann über den normalen geregelten Pegel hinaus erhöht werden, weil am Ausgang kein Verbraucher angeschlossen ist. Wenn während des Schlafmodus eine Belastung aufgebracht wird, sinkt die Ausgangsspannung, bevor eine Steuereinheit des Leistungswandlers wieder anschaltet. Dadurch, dass der Ausgangsspannungspegel auf einen künstlich hohen Pegel V_art gesetzt wird, fällt die Ausgangsspannung nicht unter die Schwellenspannung V_t für Minimalregelung ab, da die Spannung den Abfall von dem künstlich höheren Spannungswert, wie in 4 gezeigt, beginnt. Das Setzen des Ausgangsspannungspegels auf den künstlich hohen Pegel V_art stellt zusätzliche Zeit für die Steuereinheit zur Wiederanschaltung und Aktivierung einer Aufladung bereit, bevor der Ausgangsspannungspegel V_out unter den Spannungspegel einer Minimalregelung absinkt. Sobald ein Belastungszustand hergestellt ist und die Zeitdauer der Wiederanschaltung für die Steuereinheit verstrichen ist, nimmt der Leistungswandler die normale Spannungsregelung bei V_reg wie etwa 5 V, wieder auf.
Das Setzen des Ausgangsspannungspegels auf den künstlich hohen Pegel ist bei Durchführung während eines Leerlaufzustandes wirksam. Einfaches Erhöhen des geregelten Ausgangsspannungspegels auf den oberen Bereich des Betriebsspannungsbereiches, was zusätzliche Zeit für die Steuereinheit zur Wiederanschaltung während des Schlafmodus bereitstellen würde, ist uneffektiv, weil vom oberen Bereich der Betriebsspannung beginnendes Aufschwingen, wenn der Ausgangsspannungspegel in einem Belastungszustand auf und ab schwingt, zu einem Überspannungszustand führen würde.
5 veranschaulicht eine beispielhafte Primärseite eines Leistungswandlers einschließlich eines schematischen Blockdiagramms eines Leistungsregelungs-Schaltkreises nach einer Ausführungsform. In einer beispielhaften Ausführung ist der Leistungsregelungs-Schaltkreis innerhalb der Steuereinheit eines Leistungswandlers ausgeführt. Es wird verständlich, dass der Leistungsregelungs-Schaltkreis von der Steuereinheit getrennt ausgeführt werden kann. Die Ausgangsspannung V_out ist für eine primärseitige Steuereinheit zur Regelung vorgesehen. Es können beliebige herkömmliche Mittel zur Bereitstellung der Ausgangsspannung V_out oder einer beliebigen Darstellung davon an die primärseitige Steuereinheit verwendet werden. Die Steuereinheit ist mit dem Hauptschalter Q1, wie etwa einem MOSFET oder einem anderen Transistortyp, verbunden. Der Hauptschalter Q1 ist mit der Primärwicklung P1 des Leistungswandlers in Reihe geschaltet. Die Primärwicklung P1 ist mit einer Eingangsspannung V_ein verbunden. Die Sekundärseite des Leistungswandlers ist in 5 nicht dargestellt. Es wird verständlich, dass der Leistungsregelungs-Schaltkreis auf vielfältige andere Typen von Architekturen der Leistungswandler angewandt werden kann. In einer beispielhaften Ausführung besitzt der Leistungswandler eine Rücklaufkonfiguration, und die Sekundärseite des Leistungswandlers ist ähnlich wie die Sekundärseite in 1 ausgelegt.
Ein Leerlauf-Erfassungsblock bestimmt am Ausgang einen Leerlaufzustand. Wenn ein Leerlaufzustand erfasst ist, wird der Ausgang des Verstärkers der Regelabweichung (E/A) hoch genug gezogen, um den Hauptschalter Q1 einzuschalten, indem ein anderer Impulsbreitenmodulationsmodus als für Normalregelung verwendet wird, um die Ausgangsspannung V_out auf den höheren künstlichen Pegel, zum Beispiel 5,5 V zu erhöhen. Sobald eine Belastung erfasst ist, wird der Ausgang des Verstärkers der Regelabweichung nicht mehr hochgezogen, und Normalregelung, wie etwa 5 V, wird wieder aufgenommen.
In einigen Ausführungsformen wird eine Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeitssteuerung während der Zeitdauer einer Wiederanschaltung der Steuereinheit ausgeführt. Ein Betrieb während dieser Zeitdauer wird als Betrieb im Wiederanschaltungsmodus bezeichnet. Wenn die Belastung aufgebracht ist, während der Leistungswandler sich im Schlafmodus befindet, wird die Ausgangsspannung, wie oben beschrieben, abfallen. Die Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeitssteuerung funktioniert so, dass die Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsspannung während der Zeitdauer dieser Wiederanschaltung abfällt, verringert ist. So überwacht ein Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeitsblock während der Zeitdauer einer Wiederanschaltung, wenn die Belastung aufgebracht ist und die Steuereinheit wieder anschaltet, den Abfall der Ausgangsspannung und führt periodisch eine Ausgangsspannungseinstellung durch, indem der Ausgang des Regelabweichungsverstärkers hochgezogen wird. 6 stellt eine beispielhafte Wellenform der Ausgangsspannung mit periodischer Kompensation der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit in Form von Hochsetzungen der Spannung dar. Auf diese Weise ist der Ausgangsspannungsabfall durch die Zeit, in der die Steuereinheit wieder anschaltet, nicht so hoch, als wenn keine Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit wie in 4 ausgeführt wird. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird die Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit zusammen mit der künstlich hohen Leerlauf-Ausgangsspannung ausgeführt. In anderen Ausführungsformen wird die Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit ausgeführt, ohne außerdem eine künstlich hohe Leerlauf-Ausgangsspannung zu verwenden.
In einer beispielhaften Ausführung ist die künstliche Ausgangsspannung während eines Schlafmodus mit Leerlaufzustand auf 5,5 V gesetzt. Wenn eine Belastung aufgebracht ist, beginnt die Ausgangsspannung auf 5,1 V zu fallen, wobei an diesem Punkt die Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit die Ausgangsspannung auf 5,3 V hochzieht. Die Ausgangsspannung fällt weiter von 5,3 V auf 4,9 V ab, wenn eine andere Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit ausgeführt wird, die die Ausgangsspannung auf 5,1 V erhöht. Dies setzt sich fort, bis die Steuereinheit wieder anschaltet.
Die dem PWM Modul zugeführte Spannung wird periodisch durch den Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeitsblock höher getrieben. Dies funktioniert so, dass das Tastverhältnis des dem Hauptschalter Q1 zugeführten PWM Signals erhöht wird. In einigen Ausführungsformen wird die Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit ausgeführt, indem eine RC Zeitkonstante genutzt wird, um die Steilheit des Ausgangsspannungsabfalls aufgrund einer Belastung nachzuahmen. Mit Kenntnis der Steilheit wird die Ausgangsspannung periodisch hochgezogen.
Eine Ausführung der künstlich hohen Ausgangsspannung und der Kompensierung einer Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit erfolgt außerhalb der Regelung mit Rückkopplung. Diese zwei Verfahren sind Verfahrensweisen mit geöffnetem Steuerkreis.
Diese Verfahren können auch angewandt werden, um Spannungsverlust im Kabel der Stromversorgung zu kompensieren.
Die vorliegende Anmeldung wurde unter dem Aspekt spezieller Ausführungsformen beschrieben, die Einzelheiten zur Erleichterung des Verständnisses der Prinzipien von Konstruktion und Arbeitsweise einer Leistungsregelungssteuerung einschließen. Viele der in den verschiedenen Figuren gezeigten und beschriebenen Bauelemente können untereinander ausgetauscht werden, um die nötigen Ergebnisse zu erzielen, wobei diese Beschreibung so gelesen werden soll, dass sie ebenso einen solchen Austausch umfasst. An sich ist es nicht beabsichtigt, dass Verweise auf spezifische Ausführungsformen und deren Einzelheiten an dieser Stelle den Umfang der hier angefügten Ansprüche einschränken sollen. Dem Fachmann erschließt sich, dass an den zur Erläuterung gewählten Ausführungsformen Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Anmeldung abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Ausgangsspannungspegels eines Leistungswandlers, wobei das Verfahren umfasst: a. Entscheiden zwischen einem Belastungszustand und einem Leerlaufzustand an einem Ausgang des Leistungswandlers; b. künstliches Erhöhen des Ausgangsspannungspegels über einem geregelten Ausgangsspannungspegel, wenn ein Leerlaufzustand erfasst ist; und c. Wiederaufnehmen der Regelung der Ausgangsspannung auf dem geregelten Ausgangsspannungspegel, wenn ein Belastungszustand erfasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Leistungswandler in einen Schlafbetrieb eintritt, wenn der Leerlaufzustand erfasst ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei künstliches Erhöhen des Ausgangsspannungspegels das Erhöhen des Ausgangsspannungspegels innerhalb eines annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und unterhalb eines Überspannungszustandes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei während der Zeitdauer einer Wiederanschaltung der Ausgangspannungspegel, nachdem eine Belastung aufgebracht ist, von dem erhöhten Ausgangsspannungspegel auf einen Zwischenspannungspegel abfällt, der sich innerhalb des annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und oberhalb eines Unterspannungszustandes befindet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schlafstrombetrieb abwechselnde Inaktivitätsperioden und Stoßaktivitätsperioden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend Ausführen einer Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit, wenn der Belastungszustand erfasst ist und bis eine Steuereinheit des Leistungswandlers wieder anschaltet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei Ausführen einer Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit periodisches Hochziehen des Ausgangsspannungspegels umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Ausgangsspannungspegel einer Steilheit eines Ausgangsspannungspegelabfalls entsprechend periodisch hochgezogen wird, während die Belastung erfasst ist und bevor die Steuereinheit wieder anschaltet.
Verfahren zur Steuerung eines Ausgangsspannungspegels eines Leistungswandlers, wobei das Verfahren umfasst: a. Erfassen eines Leerlaufzustandes an einem Ausgang des Leistungswandlers und Setzen des Leistungswandlers in einen Schlafstrombetrieb; b. Erhöhen des Ausgangsspannungspegels über einen geregelten Ausgangsspannungspegel; und c. wenn ein Belastungszustand erfasst ist, Wiederanschalten des Leistungswandlers und Wiederaufnehmen einer Regelung der Ausgangsspannung auf dem geregelten Ausgangsspannungspegel.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei Erhöhen des Ausgangsspannungspegels das Erhöhen des Ausgangsspannungspegels innerhalb eines annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und unterhalb eines Überspannungszustandes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei während der Zeitdauer einer Wiederanschaltung nachdem eine Belastung aufgebracht ist, der Ausgangsspannungspegel von dem erhöhten Ausgangsspannungspegel auf einen Zwischenspannungspegel, der sich innerhalb des annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und oberhalb eines Unterspannungszustandes befindet, abfällt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schlafstrombetrieb abwechselnde Inaktivitätsperioden und Stoßaktivitätsperioden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, außerdem umfassend Ausführen einer Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit, wenn der Belastungszustand erfasst ist und bis eine Steuereinheit des Leistungswandlers wieder anschaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Ausführen einer Kompensierung der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit das periodische Hochziehen des Ausgangsspannungspegels umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Ausgangsspannungspegel entsprechend einer Steilheit des Ausgangsspannungspegelabfalls periodisch hochgezogen wird, während die Belastung erfasst ist und bevor die Steuereinheit wieder anschaltet.
Leistungswandler zum Regeln einer einem Verbraucher zugeführten Ausgangsspannung, wobei der Leistungswandler einen Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis umfasst, der ausgelegt ist, um zwischen einem Belastungszustand und einem Leerlaufzustand an einem Ausgang des Leistungswandlers zu entscheiden, wobei der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis, wenn ein Leerlaufzustand erfasst wird, ferner ausgelegt ist, um den Ausgangsspannungspegel über einen geregelten Ausgangsspannungspegel künstlich zu erhöhen; und wenn ein Belastungszustand erfasst wird, der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis des Weiteren ausgelegt ist, um eine Regelung der Ausgangsspannung auf dem geregelten Ausgangsspannungspegel wieder aufzunehmen.
Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei der künstlich erhöhte Ausgangsspannungspegel innerhalb eines annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und unterhalb eines Überspannungszustandes liegt.
Leistungswandler nach Anspruch 17, wobei der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis so ausgelegt ist, dass der Ausgangsspannungspegel während der Zeitdauer einer Wiederanschaltung, nachdem eine Belastung aufgebracht ist, von dem erhöhten Ausgangsspannungspegel auf einen Zwischenspannungspegel, der sich innerhalb des annehmbaren Betriebsspannungsbereiches und oberhalb eines Unterspannungszustandes befindet, abfällt.
Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei der Leistungsregelungs-Steuerschaltkreis des Weiteren ein Spannungsanstiegsgeschwindigkeits-Kompensationsmodul umfasst, das zur Bereitstellung von Spannungseinstellungen ausgelegt ist, um den Ausgangsspannungspegel periodisch hochzuziehen, wenn der Belastungszustand erfasst ist und bis der Leistungswandler wieder anschaltet.
Leistungswandler nach Anspruch 19, wobei das Spannungsanstiegsgeschwindigkeits-Kompensationsmodul ausgelegt ist, um Spannungseinstellungen entsprechend einer Steilheit eines Ausgangsspannungspegelabfalls bereitzustellen, während die Belastung erfasst ist und bevor der Leistungswandler wieder anschaltet.