DE102014206438A1 - Circuit arrangement for operating n loads - Google Patents

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Marco Antretter
Felix Franck
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von n Lasten, n größer gleich 2, umfassend einen Eingang mit einem ersten (E1) und einem zweiten Eingangsanschluss (E2) zum Koppeln mit einer Versorgungsspannung (Vin), n Ausgänge mit jeweils einem ersten (A11; A21) und einem zweiten Ausgangsanschluss (A21; A22) zum Koppeln mit der jeweiligen i-ten Last, i = 1 bis n, einen Wandler mit einem Wandlerschalter (S0), mindestens einer Wandlerinduktivität (L1) sowie n Wandlerdioden (D1, D2), wobei eine Serienschaltung aus der Wandlerinduktivität (L1) und dem Wandlerschalter (S0) zwischen den ersten und den zweiten Eingangsanschluss (E1, E2) gekoppelt ist, n Stränge umfassend jeweils mindestens eine Serienschaltung mit jeweils einem i-ten elektronischen Schalter (Si) mit i = 1 bis n, einer i-ten der n Wandlerdioden (Di) sowie dem jeweiligen i-ten Ausgang, wobei die n Serienschaltungen parallel geschaltet sind und derart mit der Wandlerinduktivität (L1) gekoppelt sind, dass in der Wandlerinduktivität (L1) gespeicherte Energie in der Entladephase des Wandlers durch Leitendschalten des jeweiligen i-ten elektronischen Schalters (Si) am i-ten Ausgang bereitstellbar ist, eine Ansteuervorrichtung (12) zur Ansteuerung des Wandlerschalters (S0) und der n elektronischen Schalter (Si), wobei die Ansteuervorrichtung (12) ausgelegt ist, den Wandlerschalter (S0) mit einem Ansteuersignal (Gate0) anzusteuern, das sich aus n, den n Strängen zugewiesenen Teilphasen (Ti) zusammensetzt, sowie die elektronischen Schalter (Si) mit einem jeweiligen Ansteuersignal (Gate1, Gate2) anzusteuern, wobei ein Conduction Mode der Schaltungsanordnung definiert ist in Bezug auf den Stromfluss durch die Wandlerinduktivität (L1), wobei eine Leitendphase des Wandlerschalters (S0) eingerahmt ist von den Leitendphasen zweier verschiedener der n Wandlerdioden, wobei die Ansteuervorrichtung (12) ausgelegt ist, die Ansteuersignale (Gate0; Gate1, Gate2) für den Wandlerschalter (S0) und die Schalter (Si) derart bereitzustellen, dass zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase (Ti) im Continuous Conduction Mode (CCM) oder im Boundary Conduction Mode (BCM) betrieben wird, und die Schalter (Si) außerhalb der ihnen zugewiesenen Teilphase (Ti) nicht-leitend geschaltet sind.The invention relates to a circuit arrangement for operating n loads, n greater than or equal to 2, comprising an input having a first (E1) and a second input terminal (E2) for coupling to a supply voltage (Vin), n outputs each having a first (A11; A21) and a second output terminal (A21; A22) for coupling to the respective i-th load, i = 1 to n, a converter with a converter switch (S0), at least one converter inductance (L1) and n converter diodes (D1, D2) , wherein a series circuit of the Wandlerinduktivität (L1) and the converter switch (S0) between the first and the second input terminal (E1, E2) is coupled, n strands comprising at least one series circuit each having an ith electronic switch (Si) with i = 1 to n, an i-th of the n converter diodes (Di) and the respective i-th output, wherein the n series circuits are connected in parallel and coupled to the Wandlerinduktivität (L1), that in the converter inductance (L1) stored energy in the discharge phase of the converter by Leitendschalten the respective i-th electronic switch (Si) at the i-th output is provided, a drive device (12) for controlling the converter switch (S0) and the n electronic switch ( Si), wherein the drive device (12) is adapted to drive the converter switch (S0) with a drive signal (Gate0), which consists of n, the sub-phases assigned to n strands (Ti), and the electronic switch (Si) with a respective Drive signal (Gate1, Gate2) to control, wherein a Conduction Mode of the circuit arrangement is defined with respect to the current flow through the Wandlerinduktivität (L1), wherein a Leitendphase of the converter switch (S0) is framed by the Leitendphasen two different of the n converter diodes, wherein the drive device (12), the drive signals (Gate0; Gate1, gate2) for the transducer switch (S0) and the switches (Si) such that at least one of the n strands within its assigned subphase (Ti) is operated in Continuous Conduction Mode (CCM) or Boundary Conduction Mode (BCM) , and the switches (Si) outside the subphase (Ti) assigned to them are switched non-conducting.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von n Lasten, n ≥ 2, umfassend einen Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Koppeln mit einer Versorgungsspannung, n Ausgänge mit jeweils einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss zum Koppeln mit der jeweiligen i-ten Last, i = 1 bis n, einen Wandler mit einem Wandlerschalter, mindestens einer Wandlerinduktivität sowie n Wandlerdioden, wobei eine Serienschaltung aus der Wandlerinduktivität und dem Wandlerschalter zwischen den ersten und den zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, n Stränge umfassend jeweils mindestens eine Serienschaltung aus jeweils einem i-ten elektronischen Strangschalter mit i = 1 bis n, einer i-ten der n Wandlerdioden sowie dem jeweiligen i-ten Ausgang mit i = 1 bis n, wobei die n Serienschaltungen parallel geschaltet sind und derart mit der Wandlerinduktivität gekoppelt sind, dass in der Wandlerinduktivität gespeicherte Energie in der Entladephase des Wandlers durch Leitendschalten des jeweiligen i-ten elektronischen Strangschalters am i-ten Ausgang bereitstellbar ist, und eine Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung des Wandlerschalters und der n elektronischen Strangschalter, wobei die Ansteuervorrichtung ausgelegt ist, zum einen den Wandlerschalter mit einem Ansteuersignal anzusteuern, das sich aus n, den n Strängen zugewiesenen Teilphasen zusammensetzt, sowie andererseits die elektronischen Strangschalter mit einem jeweiligen Ansteuersignal anzusteuern, wobei ein Conduction Mode der Schaltungsanordnung definiert ist in Bezug auf den Stromfluss durch die Wandlerinduktivität, wobei eine Leitendphase des Wandlerschalters eingerahmt ist von den Leitendphasen zweier verschiedener der n Wandlerdioden.The present invention relates to a circuit arrangement for operating n loads, n ≥ 2, comprising an input having a first and a second input terminal for coupling to a supply voltage, n outputs each having a first and a second output terminal for coupling to the respective i-th Load, i = 1 to n, a converter with a converter switch, at least one converter inductor and n converter diodes, wherein a series circuit of the Wandlerinduktivität and the converter switch between the first and the second input terminal is coupled, n strands comprising at least one series circuit of one each i-th electronic string switch with i = 1 to n, an i-th of the n converter diodes and the respective ith output with i = 1 to n, wherein the n series circuits are connected in parallel and coupled to the Wandlerinduktivität such that in the Wandlerinduktivität stored energy in the discharge phase de s converter can be provided by Leitendschalten the respective i-th electronic string switch at the i-th output, and a drive device for controlling the converter switch and the n electronic strand switch, wherein the drive device is designed, on the one hand to control the converter switch with a drive signal resulting from n, on the other hand, the electronic string switches with a respective drive signal to control, wherein a Conduction Mode of the circuit is defined with respect to the current flow through the Wandlerinduktivität, wherein a Leitendphase the converter switch is framed by the Leitendphasen two different n converter diodes.

Die Erfindung wird im Nachfolgenden am Beispiel von LEDs als Lasten dargestellt. Sie ist jedoch auch bei anderen Arten von Lasten einsetzbar. The invention will be illustrated below as an example of LEDs as loads. However, it can also be used for other types of loads.

Stand der TechnikState of the art

Moderne LED-Beleuchtungslösungen erfordern oftmals eine homogene Licht-Abstrahlcharakteristik. Da eine LED als solche eine Punktlichtquelle darstellt, wird daher eine zusätzliche, verlustbehaftete Optik oder der Einsatz einer größeren Menge an LEDs, gegebenenfalls auch in Verbindung mit einer entsprechenden Optik, wie beispielsweise einem Milchglas, notwendig. Um eine maximale Systemeffizienz, eine gute thermische Verteilung und gleichzeitig eine hinreichende Homogenisierung des Lichts hinsichtlich der Abstrahlcharakteristik zu erhalten, hat sich der Einsatz von vielen, verteilt angeordneten Kleinleistungs-LEDs (beispielsweise OSRAM TOPLED) im Vergleich zum Einsatz von nur wenigen Hochleistungs-LEDs (beispielsweise OSRAM OSLON) oftmals bewährt. Modern LED lighting solutions often require a homogeneous light emission characteristic. Since an LED as such represents a point light source, therefore, an additional, lossy optics or the use of a larger amount of LEDs, possibly also in conjunction with a corresponding optics, such as a frosted glass, necessary. In order to achieve maximum system efficiency, good thermal distribution and at the same time sufficient homogenization of the light with regard to the emission characteristic, the use of many, distributed low-power LEDs (for example OSRAM TOPLED) compared to the use of only a few high-power LEDs ( For example, OSRAM OSLON) often proven.

Um den Schaltungsaufwand zur Bestromung von größeren LED-Mengen einzugrenzen, wird neben der Reihenschaltung, welche oftmals nur begrenzt möglich ist, da SELV-Grenzwerte eingehalten werden müssen, auch die Parallelschaltung mehrerer Kleinleistungs-LED-Ketten vollzogen. Aber auch bei Hochleistungs-LEDs ist in bestimmten Fällen eine Parallelschaltung erforderlich. In order to limit the circuit complexity for the energization of larger quantities of LEDs, in addition to the series connection, which is often only possible to a limited extent, since SELV limit values must be adhered to, the parallel connection of several low-power LED chains is also performed. But even with high-power LEDs, a parallel connection is required in certain cases.

Bedingt durch Produktionstoleranzen haben LEDs leicht verschiedene Vorwärtsspannungen, die es bei der Bestromung von parallelen Strängen auszugleichen gilt. So wird durch unterschiedliche Schaltungen versucht, den Strom je Zweig zu symmetrieren. Hier wäre im Idealfall der Strom jedes Strangs identisch, da der Lichtstrom jeder LED in sehr guter Näherung proportional zum durch sie fließenden elektrischen Strom ist. Due to production tolerances, LEDs have slightly different forward voltages, which must be compensated for when supplying parallel strings. Thus, attempts are made by different circuits to balance the current per branch. Ideally, the current of each string would be identical here, since the luminous flux of each LED is, to a very good approximation, proportional to the electric current flowing through it.

Dies führt jedoch immer dazu, dass die in den LEDs umgesetzte Leistung je Strang leicht unterschiedlich ist. Dies rührt von den verschiedenen Strangspannungen bei idealerweise identischem Strom her. Dadurch können sich thermische Ungleichheiten auf dem LED-Modul ergeben, welche im schlimmsten Fall zu einem deutlichen Temperaturunterschied der Bauteile (LEDs) eines Strangs oder mehrerer Stränge führen. Ganz ohne irgendwelche thermischen oder elektrischen Ausgleichsmechanismen zwischen einzelnen parallel geschalteten Strängen verstärken sich diese Ungleichheiten zunehmend, denn die Vorwärtsspannung einer LED nimmt mit der Temperatur ab, wodurch heißere LEDs tendenziell mehr Strom ziehen als kühlere. Da die Lebensdauer von LEDs stark von deren Sperrschichttemperatur abhängig ist, würde ein gegenüber anderen überlasteter Strang somit erhöhtem Verschleiß (Abfall des Lichtstroms) bzw. einer höheren Ausfallwahrscheinlichkeit unterliegen.However, this always means that the power converted in the LEDs per strand is slightly different. This is due to the different phase voltages in ideally identical currents. This can result in thermal inequalities on the LED module, which in the worst case lead to a significant difference in temperature of the components (LEDs) of a strand or multiple strands. Without any thermal or electrical balancing mechanisms between individual strings connected in parallel, these inequalities increase as the forward voltage of an LED decreases with temperature, whereby hotter LEDs tend to draw more current than cooler ones. Since the lifetime of LEDs is highly dependent on their junction temperature, an overstressed strand would thus be subject to increased wear (drop in luminous flux) or a higher probability of failure.

In diesem Zusammenhang ist aus der WO 2012/164511 A1 eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Lichtquelle bekannt, bei der von einem eingeprägten, gleichmäßigen Strom als Quelle zur Energiespeisung des betrachteten Systems ausgegangen wird. Die dort einspeisende Wandlerstufe sollte an ihrem Ausgang möglichst keinerlei Kapazität aufweisen, wobei auf diese Stufe eine völlig separate Symmetrierschaltung folgt, die ihrerseits von zwei der bekannten DC-DC-Wandler abgeleitet ist. Das Stromverhältnis zwischen den an dieser Symmetrierschaltung angeschlossenen LED-Strängen entspricht dem Tastverhältnis innerhalb der Symmetrierschaltung. Die Stromeinspeisung in diese separate Wandlerstufe erfolgt an einer ungewohnten Stelle, nämlich weder am Eingang noch am Ausgang dieser Stufe, sondern in ihrer Mitte. Daraus folgt, dass zur Herleitung dieser separaten Wandlerstufe nur solche DC-DC-Wandler in Frage kommen, die bezüglich der Filterung an ihren Ein- und Ausgängen symmetrisch sind: der invertierende Wandler und der Ćuk-Konverter. Aufgrund besagter Mitteneinspeisung können diese Wandlerstufen dort mehr als zwei Ein- bzw. Ausgänge aufweisen. Die Symmetrierschaltung kann in die Versorgungswandlerstufe integriert sein. Der betrachtete Wandler arbeitet vornehmlich im Discontinuous Conduction Mode (DCM), insbesondere die Versorgungswandlerstufe. Die Symmetrierschaltung arbeitet vollkommen asynchron zur Versorgungswandlerstufe und erfordert einen annähernd ideal geglätteten Gleichstrom als Eingangsgröße. Die Versorgungswandlerstufe muss also auf ihren Ausgangsstrom geregelt sein. Die Möglichkeit, die Induktivität einer Versorgungswandlerstufe mit Stromausgang mit dem Eingangsfilter der separaten Symmetrierschaltung in ein einziges induktives Bauteil zu integrieren, ist rein akademisch. Der induktive Teil des Ausgangsfilters der Versorgungswandlerstufe muss einen ausreichend geringen Wert aufweisen, um bei gegebenen Spannungen und Frequenzen DCM sicherzustellen, die Eingangsinduktivität der Symmetrierschaltung hingegen muss groß genug sein, auch über die Spannungsschwankungen der angeschlossenen Laststränge hinweg den Eingangsstrom hinreichend zu glätten. Um Schalt- bzw. Filtereigenschaften dieser beiden Abschnitte voneinander zu entkoppeln, ist genau dazwischen ein Filterkondensator mit Bezug auf die gemeinsame Masseleitung erforderlich.In this context is from the WO 2012/164511 A1 a circuit arrangement for operating a light source is known in which is assumed by an impressed, uniform current as a source for energizing the system under consideration. The converter stage which feeds in there should, if possible, have no capacity at its output, with this stage being followed by a completely separate balancing circuit, which in turn is derived from two known DC-DC converters. The current ratio between the LED strings connected to this balancing circuit corresponds to the duty cycle within the balancing circuit. The power supply to this separate converter stage takes place at an unusual place, namely neither at the entrance nor at the exit of this Stage, but in their midst. It follows that for the derivation of this separate converter stage only those DC-DC converters come into question, which are symmetrical with respect to the filtering at their inputs and outputs: the inverting converter and the Ćuk converter. Due to said center feed, these converter stages can have more than two inputs or outputs there. The balancing circuit may be integrated into the supply converter stage. The considered converter operates primarily in the Discontinuous Conduction Mode (DCM), in particular the supply converter stage. The balancing circuit operates completely asynchronous to the supply converter stage and requires an approximately ideally smoothed DC as input. The supply converter stage must therefore be regulated to its output current. The possibility of integrating the inductance of a supply converter stage with current output with the input filter of the separate balancing circuit into a single inductive component is purely academic. The inductive part of the output filter of the supply converter stage must have a sufficiently low value to ensure DCM at given voltages and frequencies, whereas the input inductance of the balancing circuit must be large enough to smooth the input current sufficiently even across the voltage fluctuations of the connected load strings. To decouple switching or filter properties of these two sections from each other, a filter capacitor with respect to the common ground line is required just in between.

Eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung ist bekannt aus der US 2010/0295472 A1 . In dieser Druckschrift wird eine Leistungsversorgung vorgestellt, die eine Stromversorgung umfasst, eine Vielzahl von Ausgangskanälen und eine Steuervorrichtung. Jeder der Ausgangskanäle umfasst eine Last und einen elektronischen Strangschalter mit einer Referenzspannung. Alle Strangschalter sind auf dieselbe Referenzspannung bezogen. Dabei werden als treibende Wechselrichter sowohl solche mit Stromausgang verwendet, beispielsweise Buck-Konverter, Ćuk, Forward sowie Halbbrücke, als auch solche mit einem Spannungsausgang, beispielsweise Boost, Drossel-Inverswandler und SEPIC. A generic circuit arrangement is known from the US 2010/0295472 A1 , This document discloses a power supply that includes a power supply, a plurality of output channels, and a controller. Each of the output channels includes a load and an electronic string switch with a reference voltage. All string switches are based on the same reference voltage. The driving inverters used are those with current output, for example buck converters, uc, forward and half bridges, as well as those with a voltage output, such as boost, choke-inverter and SEPIC.

Wie erwähnt, weisen LEDs, ebenso wie andere elektronische Bauteile, produktionsbedingt Toleranzen hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften auf. Aufgrund dessen ergibt sich bei einer Parallelschaltung mehrerer Bauteile bzw. Bauteilgruppen an ein- und derselben Quelle eine Unsymmetrie der jeweiligen Strangleistungen und -ströme. Im speziellen Fall der LEDs gibt es verhältnismäßig große Abweichungen der Vorwärtsspannung, was in Verbindung mit ihrer stark nichtlinearen Kennlinie besonders störend bei Parallelschaltungen ist: Je kleiner die Strangspannung, desto überproportional höher ist der Strom. Dies führt zu einer inhomogenen Lichtleistung zwischen den Strängen, zu einer erhöhten Erwärmung der betroffenen LEDs mit schnellerer Alterung bzw. schnellerem Ausfall als Folge. As mentioned, LEDs, as well as other electronic components, production tolerances on their electrical properties. Because of this results in a parallel connection of several components or groups of components at one and the same source an asymmetry of the respective strand outputs and currents. In the special case of the LEDs, there are relatively large deviations of the forward voltage, which, in conjunction with their highly non-linear characteristic, is particularly disturbing in parallel circuits: the smaller the strand voltage, the more disproportionately higher is the current. This leads to an inhomogeneous light output between the strands, to an increased heating of the affected LEDs with faster aging or faster failure as a result.

Häufig findet eine Strangstromsymmetrierung statt. Durch Verschachtelung bzw. Verzopfung, wie beispielsweise in der DE102010002228A1 dargestellt, wird überdies versucht, eine gute und gleichmäßige thermische Kopplung der Stränge zu erreichen, wobei abwechselnd LEDs der verschiedenen Stränge nacheinander angeordnet sind. Eine Strangstromsymmetrierung wird erreicht durch Stromspiegelschaltungen zwischen den Strängen am jeweils gleichen Ende eines Strangs. Alternativ kommen auch komplexe Wandlertopologien in Betracht, die mindestens eine stromkompensierte Drossel enthalten, wie beispielsweise in DE102010041613A1 , in DE102010041632A1 oder in EP1788850A1 dargestellt, oder die aus einem gleichstromfreien hochfrequenten Wechselstrom pro Strang immer nur eine Richtung ausnutzen wie z. B. in DE102010041618A1 vorgeschlagen. Es ist auch bekannt, einen eigenen unabhängigen Versorgungswandler pro Strang zu verwenden. Durch mehrstufige Wandlertopologien, deren parallele Endstufen nur der Symmetrierung dienen, kann ebenfalls eine Strangstromsymmetrierung erreicht werden. Schließlich ist auch auf die Verwendung nachgeschalteter Differenz-Spannungs- bzw. -Leistungswandler hinzuweisen, wie sie beispielsweise aus der WO 2012/164511 A1 hervorgehen. Die Stromspiegelschaltungen erzeugen unerwünschte Verluste, die erwähnten stromkompensierten Drosseln sind vergleichsweise groß und teuer, und die nur eine Stromrichtung ausnutzenden Schaltungen schließlich sind auf eine gerade Anzahl an daran angeschlossenen Strängen begrenzt und erfordern besonders große Ausgangskondensatoren.Frequently a strand current symmetry takes place. By nesting or clogging, such as in the DE102010002228A1 is shown, moreover, attempts to achieve a good and uniform thermal coupling of the strands, wherein alternately LEDs of different strands are arranged one after the other. A string current balancing is achieved by current mirror circuits between the strings at the same end of a string. Alternatively, complex transducer topologies may be considered, which contain at least one current-compensated choke, such as in DE102010041613A1 , in DE102010041632A1 or in EP1788850A1 represented, or from a DC-free high-frequency alternating current per strand always use only one direction such. In DE102010041618A1 proposed. It is also known to use a separate independent supply converter per string. By multi-stage transducer topologies, whose parallel power amplifiers are used only for balancing, a strand current symmetry can also be achieved. Finally, reference should also be made to the use of downstream differential voltage or power converters, as described, for example, in US Pat WO 2012/164511 A1 emerge. The current mirror circuits generate undesirable losses, the mentioned current compensated chokes are comparatively large and expensive, and the circuits utilizing only one current direction are ultimately limited to an even number of strings connected thereto and require particularly large output capacitors.

Die Leistungssymmetrierung von LED-Strängen (oder anderen Lasten), wie sie beispielsweise aus der erwähnten US 2010/0295472 A1 bekannt ist, lässt sich bei Sperrwandlern besonders einfach realisieren. Hier ist die übertragene Energie je Schaltzyklus in guter Näherung konstant. In der genannten Druckschrift besitzt zu diesem Zweck jeder Strang eine Gleichrichterdiode, eine Kapazität, die Last sowie einen Schalter. Abwechselnd wird in jedem Schaltzyklus mithilfe des Schalters ein Strang aktiviert. In diesen Strang wird die aus der Primärseite kommende, zwischengespeicherte Energie übertragen. Die Parallelkondensatoren vermindern den Ripple in den Lastströmen, und die zu jedem Strang in Reihe geschaltete Diode verhindert den Austausch von Energie zwischen den einzelnen Strängen. Somit erhält jeder Strang pro Zeiteinheit dieselbe Energiemenge, wird folglich mit identischer Leistung versorgt. The power balancing of LED strings (or other loads), such as those mentioned US 2010/0295472 A1 is known, can be particularly easy to implement in flyback converters. Here, the transmitted energy per switching cycle is constant to a good approximation. In the cited document for this purpose each strand has a rectifier diode, a capacitance, the load and a switch. Alternately, a string is activated by the switch in each switching cycle. In this strand, the cached energy coming from the primary side is transmitted. The shunt capacitors reduce the ripple in the load currents, and the diode connected in series with each string prevents the exchange of energy between the individual strings. Thus, each strand receives the same amount of energy per unit time, is thus supplied with identical power.

Durch diese Lösung werden die Strangleistungen symmetriert, wodurch ein thermischer Ausgleich der Laststränge zueinander stattfindet. Dadurch werden Hotspots vermieden und damit die Gefahr einer schnellen Alterung bzw. eines schnellen Ausfalls von LEDs deutlich reduziert. Through this solution, the strand performances are balanced, whereby a thermal compensation of the load strands takes place to each other. This avoids hot spots and thus significantly reduces the risk of rapid aging or rapid failure of LEDs.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgemäßen Schaltungsanordnungen ist der Idealzustand dadurch gekennzeichnet, dass die Strangspannungen in den parallelen Strängen gleich sind. Durch Leistungs- oder Stromsymmetrierung wird versucht, Abweichungen von diesem Idealzustand im Hinblick auf eine Reduktion des Verschleißes zu kompensieren. Die in den Strängen verwendeten LEDs sind vom gleichen Typ, d.h. sie haben im Idealzustand die gleiche Vorwärtsspannung und geben eine Strahlung der gleichen Wellenlänge ab. In einer anderen Ausgestaltung sind die verwendeten LEDs von unterschiedlichem Typ, um beispielsweise durch Mischung verschiedenfarbigen Lichts den gewünschten Farbort auch ohne Farbkonversion einzustellen. Dabei sind die einzelnen Stränge derart bestückt, dass ihre jeweiligen Summenspannungen untereinander möglichst gleich sind, und dass die Intensität der bei symmetrierter Leistung erzeugten Primärlichtfarben zur gewünschten Lichtfarbe und Lichtintensität führt.In the generic circuit arrangements known from the prior art, the ideal state is characterized in that the strand voltages in the parallel strands are the same. Power or current balancing attempts to compensate for deviations from this ideal state in terms of reducing wear. The LEDs used in the strands are of the same type, i. they ideally have the same forward voltage and emit radiation of the same wavelength. In another embodiment, the LEDs used are of different types, for example, by mixing different colored light to set the desired color location without color conversion. In this case, the individual strands are equipped such that their respective sum voltages are as similar as possible to each other, and that the intensity of the primary light colors generated at symmetrized power leads to the desired light color and light intensity.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, dass eine Erweiterung des Einsatzspektrums ermöglicht wird. The object of the present invention is to develop a generic circuit arrangement such that an extension of the range of applications is made possible.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.This object is achieved by a circuit arrangement having the features of patent claim 1.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer gegebenen Topologie unterschiedliche Lichteffekte erzeugt werden können, indem eine den gewünschten Lichteffekt erzeugende Ansteuerung zwischen den beiden Extremzuständen – Leistungssymmetrierung oder Stromsymmetrierung – eingestellt wird. The present invention is based on the finding that, given a given topology, different light effects can be generated by setting a control which generates the desired light effect between the two extreme states-power balancing or current balancing.

Dies eröffnet die Möglichkeit, bewusst Stränge mit unterschiedlicher Strangspannung vorzusehen, beispielsweise einen Strang mit einer Strangspannung von 37V und einen Strang mit einer Strangspannung von 40V. 40V lassen sich beispielsweise erzeugen durch zwölf blaue LEDs. 37V lassen sich realisieren durch mehrere rote und weiße, in Serie geschaltete LEDs. Bei Stromsymmetrierung sind beide Stränge gleich hell. Bei Leistungssymmetrierung ist der Strang mit der höheren Flussspannung dunkler. Werden – wie in dem soeben genannten Beispiel vorgesehen – LEDs mit verschiedenen Farben in den Strängen verwendet, kann durch die vorliegende Erfindung eine Farbsteuerung realisiert werden. Ist die Spannungsdifferenz zwischen der höchsten und der zweithöchsten Strangspannung in jedem Fall größer als der größtmögliche Spannungsabfall an einem der Strangschalter, kann der Strangschalter des Stranges mit der höchsten Strangspannung entfallen und durch einen Kurzschluss ersetzt werden.This opens up the possibility of consciously providing strands of different strand tension, for example a strand with a strand voltage of 37V and a strand with a strand voltage of 40V. For example, 40V can be generated by twelve blue LEDs. 37V can be realized by several red and white, serially connected LEDs. With current balancing, both strands are equally bright. With power balancing, the strand with the higher forward voltage is darker. If, as provided in the example just mentioned, LEDs with different colors in the strands are used, a color control can be realized by the present invention. If the voltage difference between the highest and the second highest phase voltage in each case is greater than the largest possible voltage drop at one of the string switches, the string switch of the string with the highest phase voltage can be omitted and replaced by a short circuit.

Durch die vorliegende Erfindung kann damit der Farbort der von der gesamten Schaltungsanordnung abgegebenen Strahlung lediglich durch unterschiedliche Ansteuerung der Schalter der Schaltungsvorrichtung wunschgemäß variiert werden. Es kann eine mit der Ansteuervorrichtung gekoppelte Benutzerschnittstelle vorgesehen werden, auf der ein Benutzer einen gewünschten Farbort spezifieren kann, wobei dann die Ansteuervorrichtung diesen Farbort in eine geeignete Ansteuerung der erwähnten Schalter umsetzt.By means of the present invention, the color location of the radiation emitted by the entire circuit arrangement can thus be varied as desired only by different activation of the switches of the circuit device. A user interface coupled to the drive device can be provided, on which a user can specify a desired color location, in which case the drive device converts this color location into a suitable drive of the mentioned switches.

Erfindungsgemäß ist deshalb die Ansteuervorrichtung ausgelegt, die Ansteuersignale für den Wandlerschalter und die Schalter der Stränge derart bereitzustellen, dass zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase im Continuous Conduction Mode (CCM) oder im Boundary Conduction Mode (BCM) betrieben wird, und die Schalter der Stränge außerhalb der ihnen zugewiesenen Teilphase nichtleitend geschaltet sind. According to the invention, the drive device is therefore designed to provide the drive signals for the converter switch and the switches of the strands in such a way that at least one of the n strands within the subphase assigned to it is operated in Continuous Conduction Mode (CCM) or Boundary Conduction Mode (BCM), and the switches of the strands are switched non-conducting outside of their assigned subphase.

Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung arbeitet die Symmetrierschaltung gemäß der erwähnten WO 2012/164511 A1 vollkommen asynchron zur Versorgungswandlerstufe und erfordert einen annähernd ideal geglätteten Gleichstrom als Eingangsgröße. Die Versorgungswandlerstufe gemäß der erwähnten WO 2012/164511 A1 muss also auf ihren Ausgangsstrom geregelt sein. In der vorliegenden Erfindung hingegen verarbeitet die Symmetrierschaltung einzelne Energiepakete, die von der Serienschaltung mindestens bestehend aus dem Wandlerschalter und einer Wandlerinduktivität erzeugt und in dieser Induktivität zwischengespeichert werden, direkt. Weiterhin wird vorliegend eine Wandlerinduktivität sowohl zur Wandlung an sich als auch zur Verteilung auf mehrere Ausgangsstränge genutzt. Die eben erwähnte Serienschaltung stellt die Minimaltopologie für eine Versorgungswandlerstufe dar. In contrast to the present invention, the balancing circuit operates according to the mentioned WO 2012/164511 A1 completely asynchronous with the supply transformer stage and requires an approximately ideally smoothed DC as input. The supply converter stage according to the mentioned WO 2012/164511 A1 must therefore be regulated to its output current. In contrast, in the present invention, the balancing circuit directly processes individual energy packets which are generated by the series circuit consisting at least of the converter switch and a converter inductance and are buffered in this inductance. Furthermore, in the present case, a converter inductance is used both for the conversion per se and for the distribution to a plurality of output strands. The above-mentioned series circuit represents the minimum topology for a supply conversion stage.

Wie weiter unten noch ausführlicher dargestellt werden wird, kann durch einen Wechsel zwischen den unterschiedlichen Betriebsmodi (CCM, BCM, DCM) kontinuierlich von einer Leistungssymmetrierung in eine Stromsymmetrierung und umgekehrt übergegangen werden. As will be explained in more detail below, switching between the different operating modes (CCM, BCM, DCM) can be carried out continuously from power balancing to current balancing and vice versa.

Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Ansteuervorrichtung ausgelegt ist, die Ansteuersignale für den Wandlerschalter und für die Schalter der Stränge derart bereitzustellen, dass zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase im DCM und zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase im BCM oder im CCM betrieben wird; oder alle n Stränge innerhalb der ihnen zugewiesenen Teilphasen im CCM betrieben werden oder höchstens einer davon innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase im BCM betreiben wird; oder zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase im DCM und zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase im CCM betrieben wird. In der ersten Variante lässt sich Leistungssymmetrierung erzielen oder sogar eine Überkompensation derart, dass ein Strang mit höherer Strangspannung eine kleinere Leistung abbekommt, während die zweite Variante ermöglicht, dass in Strängen mit unterschiedlichen Flussspannungen jeweils der gleiche Strom fließt. Mit der dritten Variante können Zwischenzustände oder Übergangszustände erreicht werden.A preferred embodiment is characterized in that the drive device is designed to control the drive signals for the To provide transformer switches and for the switches of the strands such that at least one of the n strands is operated within the subphase assigned to it in the DCM and at least one of the n strands within the subphase assigned to it in the BCM or in the CCM; or all n strands within the sub-phases assigned to them are operated in the CCM or at most one will operate within the sub-phase assigned to it in the BCM; or at least one of the n strands within the sub-phase assigned to it in the DCM and at least one of the n strands within the sub-phase assigned to it is operated in the CCM. In the first variant, it is possible to achieve power balancing or even an overcompensation such that a strand with a higher strand voltage acquires a lower power, while the second variant allows the same current to flow in strands with different forward voltages. With the third variant, intermediate states or transition states can be achieved.

Bevorzugt ist jede Teilphase zusammengesetzt aus einer On-Zeit ton, in der der Wandlerschalter leitend geschaltet ist und zur Aufmagnetisierung der Wandlerinduktivität führt, und einer Off-Zeit toffi, in der der Wandlerschalter nicht-leitend, jedoch der jeweilige i-te Strangschalter leitend geschaltet ist und die entweder mit dem Abmagnetisieren der Wandlerinduktivität oder mit dem erneuten Leitendschalten des Wandlerschalters endet.Each subphase is preferably composed of an on time t on , in which the converter switch is turned on and leads to the magnetization of the converter inductance, and an off time t offi , in which the converter switch is nonconductive, but the respective i th string switch is turned on and ends either with the demagnetization of the Wandlerinduktivität or with the re Leitendschalten the converter switch.

In diesem Zusammenhang kann die Ansteuervorrichtung ausgelegt sein, die Ansteuersignale für alle beteiligten Schalter derart bereitzustellen, dass die On-Zeiten ton konstant sind und die Off-Zeiten toffi variabel. Dadurch kann erreicht werden, dass bei maximaler Gesamtschaltfrequenz, also optimaler Wandlerausnutzung, für jeden Umschaltvorgang die Vorteile des BCM ausgenutzt werden können, dass gleichzeitig eine Leistungssymmetrierung stattfindet, und dass drittens das Störspektrum der Gesamtanordung auf mindestens drei einzelne Frequenzlinien aufgespreizt wird, wodurch sich die elektromagnetische Verträglichkeit der Gesamtanordnung deutlich verbessert.In this connection, the drive device can be designed to provide the drive signals for all involved switches such that the on-times t on are constant and the off-times t offi variable. It can thereby be achieved that at maximum overall switching frequency, ie optimum utilization of the converter, the advantages of the BCM can be utilized for each switching operation, that power balancing takes place at the same time, and thirdly that the interference spectrum of the overall arrangement is spread to at least three individual frequency lines, as a result of which the electromagnetic Compatibility of the overall arrangement significantly improved.

Schließlich lässt sich für diese Betriebsweise ein einfaches Regelkonzept für die Leistungssymmetrierung realisieren, bei dem durch die On-Zeit ton die Leistung an sich eingestellt wird, und sich die Endpunkte der Off-Zeiten toffi sowie die Umschaltpunkte zwischen den Strangschaltern automatisch durch Erkennung der Abmagnetisierung der Wandlerinduktivität ergeben.Finally, a simple control concept for power balancing can be realized for this mode of operation, in which the power is set per se by the on-time t on , and the endpoints of the off-times t offi and the switchover points between the strand switches are detected automatically by recognition of the Abmagnetization of the converter inductance result.

Alternativ kann die Ansteuervorrichtung ausgelegt sein, die Ansteuersignale für alle beteiligten Schalter derart bereitzustellen, dass die On-Zeiten ton und die Off-Zeiten toff konstant sind. Dies entspricht der Standardbetriebsweise für die gattungsgemäßen Schaltungsanordnungen und ermöglicht alle oben beschriebenen Extrem- und Zwischenzustände bei annähernd beliebigen Leistungen und bei zwei Ausgangssträngen. Schließlich kann die Ansteuervorrichtung ausgelegt sein, die Ansteuersignale für alle beteiligten Schalter derart bereitzustellen, dass die Summen aus den jeweiligen On-Zeiten toni und Off-Zeiten toffi für i = 1 bis n konstant sind. Durch diese Maßnahme kann eine Symmetrierung auch bei mehr als zwei Ausgangssträngen erzielt werden.Alternatively, the drive device may be designed to provide the drive signals for all involved switches such that the on-times t on and the off-times t off are constant. This corresponds to the standard mode of operation for the generic circuit arrangements and allows all the above-described extreme and intermediate states at almost any power and two output lines. Finally, the drive device can be designed to provide the drive signals for all involved switches such that the sums of the respective on-times t oni and off-times t offi are constant for i = 1 to n. By this measure, a symmetrization can be achieved even with more than two output strands.

Besonders bevorzugt ist die Ansteuervorrichtung ausgelegt, zwei elektronische Schalter während der Leitendphase des Wandlerschalters gegenläufig umzuschalten. Particularly preferably, the drive device is designed to switch two electronic switches in opposite directions during the Leitendphase the converter switch.

Bevorzugt ist die Wandlerinduktivität als Transformator mit mindestens einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung realisiert. Dadurch kann der Eingang galvanisch von den Lasten getrennt werden, wodurch einschlägige SELV-Vorschriften erfüllt werden können. The converter inductance is preferably realized as a transformer with at least one primary winding and one secondary winding. This allows the input to be galvanically isolated from the loads, allowing it to meet relevant SELV regulations.

Zur Verhinderung von Flickereffekten kann dem jeweiligen i-ten Ausgang ein i-ter Kondensator parallel geschaltet sein. To prevent flicker effects, an i-th capacitor can be connected in parallel with the respective i-th output.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist seriell zum Wandlerschalter ein Shunt-Widerstand gekoppelt. Dieser ermöglicht die Messung des Primärstroms und damit über die bekannten Größen Eingangsgleichspannung, On-Zeit und Wert der Wandlerinduktivität auch die Messung der Eingangsleistung. In a preferred embodiment, a shunt resistor is serially coupled to the converter switch. This allows the measurement of the primary current and thus on the known quantities DC input voltage, on-time and value of the Wandlerinduktivität also the measurement of the input power.

Der Wandler ist bevorzugt als Flyback-Wandler, als Aufwärtswandler, als SEPIC-Wandler oder als Drossel-Inverswandler ausgebildet. Diese Wandler ermöglichen eine Umsetzung der Erfindung, wohingegen sich die Erfindung nicht realisieren lässt mit einem Buck-Wandler, mit einem Ćuk-Wandler oder mit einem Zeta-Wandler. Der Grund hierfür ist, dass in allen drei letztgenannten Wandlertopologien nicht nur während der Off-Zeiten, sondern auch während der On-Zeiten Energiepakete vom Eingang an den gerade aktivierten Ausgangsstrang übertragen werden, die sich überlagern können oder aber vom exakten Umschaltzeitpunkt zwischen den Strangschaltern abhängig sind, wodurch die oben beschriebene intrinsische Symmetriereigenschaft einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung verloren ginge. Anders ausgedrückt wäre bei diesen drei Topologien pro Strang mindestens eine eigene, unabhängige Ausgangsinduktivität nötig, womit diese Lösung kostenmäßig schon in die Nähe der ganz vorne beschriebenen, ungünstigsten Variante kommen würde, bei der jeder Strang von einem kompletten eigenen Wandler versorgt wird.The converter is preferably designed as a flyback converter, as an up-converter, as a SEPIC converter or as a choke inverter converter. These converters make it possible to implement the invention, whereas the invention can not be implemented with a buck converter, with a uc converter or with a zeta converter. The reason for this is that in all three latter converter topologies, energy packets are transmitted from the input to the currently activated output line, not only during the off-times, but also during the on-times, which can overlap or depend on the exact switching time between the line switches are, whereby the above-described intrinsic symmetry property of a generic circuit arrangement would be lost. In other words, these three topologies would require at least one separate, independent output inductance per string, which would cost them close to the most unfavorable variant outlined above, where each string is powered by a complete converter of its own.

Die i-te Last umfasst bevorzugt mindestens eine LED, besonders bevorzugt jedoch eine Serienschaltung einer Vielzahl von LEDs. Es können auch Parallelschaltungen von Serienschaltungen von LEDs vorgesehen sein. The i-th load preferably comprises at least one LED, but more preferably a series connection of a plurality of LEDs. Parallel circuits of series circuits of LEDs can also be provided.

„n“ kann insbesondere gleich zwei sein. In diesem Fall umfasst die Ansteuervorrichtung bevorzugt ein D-Flip-Flop, dessen Eingang mit dem Eingang des Wandlerschalters gekoppelt ist, wobei der Q-Ausgang des D-Flip-Flops mit einem ersten elektronischen Schalter und der Q -Ausgang des D-Flip-Flops mit einem zweiten elektronischen Schalter gekoppelt ist, wobei der D-Eingang des D-Flip-Flops mit dem Q -Ausgang gekoppelt ist.In particular, "n" can be equal to two. In this case, the drive device preferably comprises a D flip-flop whose input is coupled to the input of the converter switch, wherein the Q output of the D flip-flop with a first electronic switch and the Q Output of the D flip-flop is coupled to a second electronic switch, wherein the D input of the D flip-flops with the Q Output is coupled.

Wie bereits erwähnt, steht die vorliegende Erfindung vor dem Hintergrund, durch unterschiedliche Ansteuerung der Schalter einen gewünschten Zustand zwischen Leistungssymmetrierung und Stromsymmetrierung einzustellen, um dadurch gewünschte optische Effekte zu erzielen. Nichtsdestotrotz kann die Ansteuerungsvorrichtung aus Sicherheitsgründen insbesondere auch zur Verhinderung eines vorzeitigen Verschleißes ausgelegt sein, die Teilphasen zu variieren, insbesondere wenn einer der Stränge einen vorgebbaren Temperaturschwellwert über- oder unterschritten hat. Insbesondere in diesem Zusammenhang können die LEDs auch alle vom gleichen Typ sein, d.h. Strahlung derselben Wellenlänge abstrahlen.As already mentioned, the present invention is based on the setting of a desired state between power balancing and current balancing by different activation of the switches, in order thereby to achieve desired optical effects. Nevertheless, for safety reasons, the activation device can also be designed in particular to prevent premature wear, to vary the partial phases, in particular if one of the strands has exceeded or fallen below a predefinable temperature threshold value. In particular, in this context, the LEDs may all be of the same type, i. Radiate radiation of the same wavelength.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further preferred embodiments emerge from the subclaims.

Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)Short description of the drawing (s)

Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des Prinzips der Stromsymmetrierung mittels Strangwiderständen; 1 a schematic representation to illustrate the principle of current balancing by means of string resistors;

2 in schematischer Darstellung einen Flyback-Wandler mit sekundärseitiger Strangleistungssymmetrierung; 2 a schematic representation of a flyback converter with secondary-side strand power balancing;

3 die zeitlichen Spannungsverläufe an den Gates der Schalter S1 und S2 von 2; 3 the temporal voltage curves at the gates of the switches S1 and S2 of 2 ;

4 ein für die Ansteuerung der Schalter zweier Stränge, vgl. 2, geeignetes D-Flip-Flop; 4 one for the control of the switches of two strands, cf. 2 , suitable D flip-flop;

5 in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Ströme im Übertrager des Flyback-Wandlers von 2; 5 in a schematic representation of the time course of the currents in the transformer of the flyback converter of 2 ;

6 den zeitlichen Verlauf der Ströme im ersten und zweiten Strang des Flyback-Wandlers von 2; 6 the time course of the currents in the first and second strand of the flyback converter of 2 ;

7 den zeitlichen Verlauf der Leistung im ersten und zweiten Strang des Flyback-Wandlers von 2; 7 the time course of the power in the first and second train of the flyback converter of 2 ;

8 den zeitlichen Verlauf des auf den Primärstrom bezogenen magnetischen Flusses in der Wandlerinduktivität des Flyback-Wandlers von 2 (8a) sowie die Zustände des Wandlerschalters sowie der Strangschalter (8b) bei DCM mit toff = const. und ton = const.; 8th the time course of the magnetic flux related to the primary current in the converter inductance of the flyback converter of 2 ( 8a ) as well as the states of the converter switch and the strand switch ( 8b ) at DCM with t off = const. and t on = const .;

9 den zeitlichen Verlauf des auf den Primärstrom bezogenen magnetischen Flusses in der Wandlerinduktivität des Flyback-Wandlers von 2 (9a) sowie die Zustände des Wandlerschalters sowie der Strangschalter (9b) bei Mischbetrieb BCM-DCM mit toff = const. und ton = const.; 9 the time course of the magnetic flux related to the primary current in the converter inductance of the flyback converter of 2 ( 9a ) as well as the states of the converter switch and the strand switch ( 9b ) in mixed mode BCM-DCM with t off = const. and t on = const .;

10 den zeitlichen Verlauf des auf den Primärstrom bezogenen magnetischen Flusses in der Wandlerinduktivität des Flyback-Wandlers von 2 (10a) sowie die Zustände des Wandlerschalters sowie der Strangschalter (10b) bei BCM mit toff nicht const. und ton = const.; 10 the time course of the magnetic flux related to the primary current in the converter inductance of the flyback converter of 2 ( 10a ) as well as the states of the converter switch and the strand switch ( 10b ) at BCM with t off not const. and t on = const .;

11 den zeitlichen Verlauf des auf den Primärstrom bezogenen magnetischen Flusses in der Wandlerinduktivität des Flyback-Wandlers von 2 (11a) sowie die Zustände des Wandlerschalters sowie der Strangschalter (11b) bei Mischbetrieb CCM-DCM mit toff = const. und ton = const.; 11 the time course of the magnetic flux related to the primary current in the converter inductance of the flyback converter of 2 ( 11a ) as well as the states of the converter switch and the strand switch ( 11b ) in mixed operation CCM-DCM with t off = const. and t on = const .;

12 den zeitlichen Verlauf des auf den Primärstrom bezogenen magnetischen Flusses in der Wandlerinduktivität des Flyback-Wandlers von 2 (12a) sowie die Zustände des Wandlerschalters sowie der Strangschalter (12b) bei Mischbetrieb CCM-BCM mit toff = const. und ton = const.; 12 the time course of the magnetic flux related to the primary current in the converter inductance of the flyback converter of 2 ( 12a ) as well as the states of the converter switch and the strand switch ( 12b ) in mixed operation CCM-BCM with t off = const. and t on = const .;

13 den zeitlichen Verlauf des auf den Primärstrom bezogenen magnetischen Flusses in der Wandlerinduktivität des Flyback-Wandlers von 2 (13a) sowie die Zustände des Wandlerschalters sowie der Strangschalter (13b) bei CCM mit toff = const. und ton = const.; 13 the time course of the magnetic flux related to the primary current in the converter inductance of the flyback converter of 2 ( 13a ) as well as the states of the converter switch and the strand switch ( 13b ) at CCM with t off = const. and t on = const .;

14 eine Darstellung der unterschiedlichen Symmetriereigenschaften am Beispiel des Flyback-Wandlers von 2 sowie des Inverswandlers und des SEPICs bei unterschiedlicher Ansteuerung des Wandlerschalters und der Strangschalter; 14 a representation of the different Symmetriereigenschaften the example of the flyback converter of 2 as well as the inverted converter and the SEPIC different control of the converter switch and the strand switch;

15 eine Darstellung der unterschiedlichen Symmetriereigenschaften ähnlich 14 am Beispiel eines Aufwärtswandlers bei unterschiedlicher Ansteuerung des Wandlerschalters und der Strangschalter; 15 a representation of the different symmetry properties similar 14 the example of an up-converter with different control of the converter switch and the strand switch;

16 in schematischer Darstellung den Aufbau eines gattungsgemäßen invertierenden Wandlers mit zwei Ausgangssträngen; 16 a schematic representation of the structure of a generic inverting converter with two output strands;

17 in schematischer Darstellung den Aufbau eines gattungsgemäßen Aufwärtswandlers mit zwei Ausgangssträngen; 17 a schematic representation of the structure of a generic boost converter with two output strands;

18 in schematischer Darstellung den Aufbau eines gattungsgemäßen SEPICs mit zwei Ausgangssträngen; 18 a schematic representation of the structure of a generic SEPICs with two output strands;

19 in schematischer Darstellung den Aufbau eines gattungsgemäßen SEPICs mit galvanischer Trennung der beiden Ausgangsstränge. 19 a schematic representation of the structure of a generic SEPICs with galvanic isolation of the two output strands.

In den unterschiedlichen Ausführungsformen werden für gleiche und gleich wirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Diese werden der Übersichtlichkeit halber nur einmal eingeführt. In the different embodiments, the same reference numerals are used for the same and the same effect elements. These are introduced only once for the sake of clarity.

1 zeigt die Grundschaltung einer Strangstromsymmetrierung von LEDs mithilfe von identischen Widerständen R1 = R2 = R3 auf der Sekundärseite eines Sperrwandlers. Der erste Strang St1 umfasst dabei die LEDs D10 bis D17, der zweite Strang St2 umfasst die LEDs D20 bis D27 und der dritte Strang St3 umfasst die LEDs D30 bis D37. Den parallel geschalteten Strängen St1, St2 und St3 ist ein Kondensator C1 parallel geschaltet. Auf der Sekundärseite wird von der Primärseite ein Stromfluss I2 erzeugt. 1 shows the basic circuit of a strand current symmetrization of LEDs using identical resistors R1 = R2 = R3 on the secondary side of a flyback converter. The first strand St1 comprises the LEDs D10 to D17, the second strand St2 comprises the LEDs D20 to D27 and the third strand St3 comprises the LEDs D30 to D37. The parallel-connected strands St1, St2 and St3, a capacitor C1 is connected in parallel. On the secondary side, a current flow I2 is generated by the primary side.

Die Widerstände R1, R2 sowie R3 erzeugen in unerwünschter Weise Verlustleistung. The resistors R1, R2 and R3 undesirably generate power loss.

Um bei der in 1 dargestellten Schaltung anstatt der Strangströme ISt1, ISt2, ISt3, die anhand des Spannungsabfalls über den Widerständen R1 bis R3 messbar sind, die Strangleistung PSt1, PSt2, PSt3 zu symmetrieren, wäre der Einsatz einer Regelstruktur nötig, welche die einzelnen Strangspannungen VSt1, VSt2, VSt3 und den jeweiligen Strangstrom ISt1, ISt2, ISt3 linear oder unter Einsatz eines Schaltwandlers, beispielsweise eines Tiefsetzstellers, regelt. To be at the in 1 circuit shown instead of the phase currents I St1 , I St2 , I St3 , which can be measured on the basis of the voltage drop across the resistors R1 to R3 to symmetrize the strand power P St1 , P St2 , P St3 , the use of a control structure would be necessary, which the individual Strangspannungen V St1 , V St2 , V St3 and the respective phase current I St1 , I St2 , I St3 linear or using a switching converter, such as a buck converter controls.

Unabhängig vom Prinzip der jeweils genutzten Wandlerschaltung ist eine Leistungssymmetrierung prinzipiell in jedem Schaltwandler oder linear geregelten Konzept umsetzbar. Bei Sperrwandlern, insbesondere bei Flyback-Wandlern, kann dies jedoch besonders einfach realisiert werden. Regardless of the principle of the respective converter circuit used, power balancing can in principle be implemented in any switching converter or linearly controlled concept. In flyback converters, especially in flyback converters, this can be realized particularly easily.

In den nachfolgenden Ausführungen wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee am Beispiel eines in 2 dargestellten Flyback-Wandlers mit zwei sekundärseitigen LED-Strängen St1, St2 erläutert. Wie für einen Fachmann offensichtlich, kann die Anzahl der Stränge in der Praxis beliebig erweitert werden. Neben LEDs kann das unten gezeigte Prinzip selbstverständlich auch auf beliebige andere, echte Energie verbrauchende Lasten angewendet werden. Neben der Serienschaltung von Lasten, insbesondere LEDs, kommen auch Strukturen mit parallel geschaltete Lasten in Betracht.In the following statements, the idea underlying the present invention will be described using the example of an embodiment of the present invention 2 illustrated flyback converter with two secondary-side LED strands St1, St2 explained. As will be apparent to one skilled in the art, the number of strands in practice may be arbitrarily extended. In addition to LEDs, the principle shown below can of course be applied to any other, real energy consuming loads. In addition to the series connection of loads, in particular LEDs, structures with parallel loads are also possible.

Primärseitig umfasst der Flyback-Wandler von 2 die Serienschaltung einer Primärinduktivität L1, eines Wandlerschalters S0 sowie eines ohmschen Widerstands R0, die zwischen eine zwischen Eingangsanschlüssen E1 und E2 anliegende Versorgungsgleichspannung Vin, beispielsweise 400V, und ein Bezugspotential geschaltet ist. Der primärseitig fließende Strom ist mit I1 bezeichnet, der Gate-Anschluss des Wandlerschalters S0 mit Gate0.On the primary side, the flyback converter includes 2 the series connection of a primary inductance L1, a converter switch S0 and an ohmic resistance R0, which is connected between a voltage applied between input terminals E1 and E2 DC supply voltage V in , for example, 400V, and a reference potential. The primary-side current is denoted by I1, the gate terminal of the converter switch S0 by Gate0.

Die über dem Widerstand R0 abfallende Spannung wird mit dem Sense-Eingang einer Ansteuervorrichtung 12 gekoppelt. Sekundärseitig ist eine mit der Primärinduktivität L1 gekoppelte Sekundärinduktivität L2 dargestellt, die mit der Parallelschaltung eines ersten Strangs St1 und eines zweiten Strangs St2 gekoppelt ist. Der erste Strang St1 umfasst die Serienschaltung einer Diode D1, einer Vielzahl von LEDs D10 bis D15 sowie eines Strangschalters S1, dessen Gate-Anschluss mit Gate1 bezeichnet ist. Den LEDs ist ein Kondensator C1 parallel geschaltet. Der zweite Strang St2 umfasst die Serienschaltung einer Diode D2, einer Vielzahl von LEDs D20 bis D24 sowie eines Strangschalters S2, dessen Gate-Anschluss mit Gate2 bezeichnet ist. Den LEDs ist ein Kondensator C2 parallel geschaltet.The voltage drop across resistor R0 is applied to the sense input of a driver 12 coupled. On the secondary side, a secondary inductance L2 coupled to the primary inductance L1 is shown, which is coupled to the parallel connection of a first strand St1 and a second strand St2. The first string St1 comprises the series connection of a diode D1, a plurality of LEDs D10 to D15 and an armature switch S1 whose gate terminal is designated Gate1. The LEDs have a capacitor C1 connected in parallel. The second string St2 comprises the series connection of a diode D2, a plurality of LEDs D20 to D24 and a string switch S2 whose gate terminal is designated Gate2. The LEDs a capacitor C2 is connected in parallel.

Es wird davon ausgegangen, dass die Regelbandbreite der Gate0-Ansteuerung relativ gering ist im Vergleich zur Schaltfrequenz, die beispielsweise bei 270 kHz liegen kann. Das heißt, der von einem jeweiligen PWM-Controller der Ansteuervorrichtung 12 eingestellte Tastgrad wird nur relativ langsam verändert. Insbesondere bei Controllern, die speziell für den LED-Bereich entwickelt wurden, kommt oft eine besonders langsame Regelung zum Einsatz. Die Bandbreite kann dabei ≤500 Hz sein. It is assumed that the control bandwidth of the Gate0 drive is relatively low compared to the switching frequency, which may be 270 kHz, for example. That is, that of a respective PWM controller of the drive device 12 set duty cycle is changed only relatively slowly. Particularly with controllers that have been specially developed for the LED sector, a particularly slow regulation is often used. The bandwidth can be ≤500 Hz.

Zur Simulation einer starken Unsymmetrie weist der zweite Strang St2 von 2 eine LED weniger auf als der erste Strang St1. Dadurch ergibt sich im Beispiel ein Unterschied der Strangspannungen VSt1, VSt2 von 3,3 V. In der Praxis wird die Unsymmetrie jedoch prozentual meist nicht so stark sein. Der gesamte sekundärseitige Ausgangsstrom I2 beträgt im Beispiel 2,5 A.To simulate a strong asymmetry, the second strand St2 of 2 one less LED than the first strand St1. This results in the example, a difference of the phase voltages V St1 , V St2 of 3.3 V. In practice, however, the asymmetry percentage is usually not so strong. The total secondary output current I2 in the example is 2.5 A.

Im Betrieb werden die Strangschalter S1 und S2 durch entsprechende Ansteuerung von Gate1 und Gate2 bei jedem primären Schaltzyklus des Sperrwandlers abwechselnd eingeschaltet, vergleiche hierzu 3. Im Beispiel geschieht der Umschaltvorgang, während der Primärkreis des Sperrwandlers aktiv ist. Somit wird sekundär lastfrei geschaltet, wodurch auch Überschneidungen im Schaltverhalten der Strangschalter S1, S2 völlig unproblematisch sind. In operation, the string switches S1 and S2 are alternately turned on by respective driving of gate1 and gate2 at each primary switching cycle of the flyback converter, compare to this 3 , In the example, the switching process occurs while the primary circuit of the flyback converter is active. Thus, secondary load-free switched, which also overlaps in the switching behavior of the string switches S1, S2 are completely unproblematic.

Es ergibt sich eine Teilung der primären Schaltfrequenz auf der Sekundärseite, d.h. nur jeder zweite Schaltimpuls geht durch denselben Strang. Die im Sperrwandler übertragene Energie je Schaltzyklus wird dabei abwechselnd auf Strang St1 oder Strang St2 geleitet. Bei der Verwendung von mehr als zwei Strängen müssen auf der Sekundärseite folglich auch alle Stränge hintereinander zyklisch abwechselnd eingeschaltet werden, wodurch sich aus Sicht eines Laststrangs eine Teilung der primären Schaltfrequenz durch die Anzahl der Laststränge ergibt. This results in a division of the primary switching frequency on the secondary side, i. only every second switching pulse goes through the same string. The energy transferred in the flyback converter per switching cycle is thereby alternately conducted to strand St1 or strand St2. Consequently, when using more than two strings, all strings must also be cyclically alternately switched on one after the other on the secondary side, resulting in a division of the primary switching frequency by the number of load strings from the perspective of a load string.

Um während der nicht-aktiven Zeitabschnitte und während der Aktivität der Primärseite ein Abfließen der Energie eines Strangs zu verhindern, ist pro Strang eine Diode vorzuschalten, siehe die Dioden D1 bzw. D2 in 2. Hier sind, wenn möglich, aufgrund ihrer geringen Vorwärtsspannung verlustarme Schottky-Dioden zu verwenden. Anders ausgedrückt handelt es sich hierbei um die in der angewandten Schaltwandlertopologie sowieso vorhandene Ausgangsdiode, eben eine pro Strang.In order to prevent the energy of a strand from flowing out during the non-active periods and during the activity of the primary side, one diode must be connected in front of each strand, see the diodes D1 and D2 in FIG 2 , Here, if possible, low-loss Schottky diodes should be used due to their low forward voltage. In other words, these are the output diodes that are present anyway in the switching converter topology used, just one per string.

Um den hochfrequenten Stromripple (Frequenz = primäre Schaltfrequenz / Anzahl der Laststränge) an den LEDs gering zu halten, sind parallel hierzu Kondensatoren C1, C2 nötig. Der nötige Wert dieser Kondensatoren C1, C2 steigt dabei mit der Anzahl der Laststränge an, da auch die zu überbrückende Zeit bis zum Wiedereinschalten des jeweiligen Strangs steigt. In order to keep the high-frequency current ripple (frequency = primary switching frequency / number of load strings) low on the LEDs, capacitors C1, C2 are required in parallel. The required value of these capacitors C1, C2 increases with the number of load strings, since the time to be bridged increases until the respective string is switched on again.

In der Praxis kann die Ansteuerung von Gate1 und Gate2 beispielsweise über einen digitalen Ringzähler-Baustein erfolgen, welcher vom konzeptbedingten Ripple auf der Sekundärseite getriggert wird. Die Triggerung kann auch durch das primärseitige Gate-Signal Gate0 erfolgen, gegebenenfalls auch galvanisch getrennt über einen Optokoppler. Auch der Einsatz eines Mikrocontrollers oder einer anderen digitalen oder analogen Schaltung anstatt eines Ringzählers ist denkbar. In practice, the control of Gate1 and Gate2 can be done for example via a digital ring counter module, which is triggered by the conceptual ripple on the secondary side. The triggering can also be effected by the primary-side gate signal Gate0, optionally also galvanically isolated via an optocoupler. The use of a microcontroller or other digital or analog circuit instead of a ring counter is conceivable.

Besonders im Fall von nur zwei Strängen St1, St2 kann die Ansteuerung der Strangschalter S1, S2 besonders einfach mit einem D-Flip-Flop erfolgen, siehe hierzu 4. Dabei erfolgt die Triggerung wieder über das primärseitige Gate-Signal Gate0 oder den sekundärseitigen Ripple. Das D-Flip-Flop 10 agiert hier als einfacher Frequenzteiler und stellt am Ausgang Q das Gate2-Signal und am Ausgang Q das Gate1-Signal bereit. Particularly in the case of only two strings St1, St2, the control of the string switches S1, S2 can be carried out particularly easily with a D flip-flop, see 4 , The triggering takes place again via the primary-side gate signal Gate0 or the secondary-side ripple. The D flip flop 10 acts as a simple frequency divider and provides the Gate2 signal at output Q and at the output Q the gate1 signal ready.

Da die Regelbandbreite der Gate0-Ansteuerung relativ gering ist im Vergleich zur Schaltfrequenz, siehe oben, wird auch bei wechselnder Last, d.h. einer Umschaltung der Stränge auf der Sekundärseite, immer die gleiche Energiemenge übertragen. Der Tastgrad ändert sich nur sehr träge, sein Wert ändert sich nicht aufgrund von Lastsprüngen mit einer Frequenz, die der primären Schalfrequenz dividiert durch die Strangzahl entspricht, wodurch sich langfristig bei dergestalt wechselnder Last ein Mittelwert einstellt. 5 zeigt diese Eigenschaft anhand des sekundärseitigen Stroms I2.Since the control bandwidth of the Gate0 control is relatively low compared to the switching frequency, see above, even with changing load, ie a switching of the strands on the secondary side, always the same amount of energy transmitted. The duty cycle changes only very sluggishly, its value does not change due to load jumps with a frequency that corresponds to the primary sound frequency divided by the number of strands, whereby an average value is set in the long term in such a changing load. 5 shows this property based on the secondary-side current I2.

Bei der Darstellung von 6 ist beachten, dass die Zeitachse nicht die Nulllinie für die Ströme darstellt. Nun ergeben sich bewusst unterschiedliche Strangströme ISt1, ISt2. Der Strang mit der geringeren Vorwärtsspannung, Strang St2, erhält nun kontinuierlich mehr Strom als derjenige mit der höheren Vorwärtsspannung, Strang St1. In the presentation of 6 Note that the time axis is not the zero line for the streams. Now consciously different phase currents I St1 , I St2 arise . The strand with the lower forward voltage, string St2, now continuously receives more current than that with the higher forward voltage, string St1.

Die Leistungen PSt1, PSt2 sind jedoch annähernd identisch, siehe hierzu 7. Jetzt wird in jedem der prinzipiell beliebig vielen Stränge dieselbe Leistung umgesetzt. Dies führt zu einer thermischen Balance aller Stränge. However, the powers P St1 , P St2 are almost identical, see here 7 , Now, in each of the principle arbitrary many strands the same performance is implemented. This leads to a thermal balance of all strands.

Würden die zwei im Beispiel von 2 gezeigten Stränge St1, St2 direkt parallel geschaltet werden, d.h. ohne Strangschalter S1, S2 bzw. ohne Widerstände R1, R2 oder Ähnliches, so würde sich eine sehr starke Stromunsymmetrie zeigen bis zu einem Punkt, an dem in einem Strang überhaupt kein Strom mehr fließt. Bei den hier betrachteten zwei Strängen, wobei in einem davon eine LED fehlt, würde bei direkter Parallelschaltung in dem anderen gar kein Strom fließen. Die zusätzliche LED in diesem anderen Strang wirkte wie ein nichtleitender elektronischer Schalter. Im vorliegenden Konzept wird also auch der Strom – wenn auch nicht exakt – symmetriert. Wird die Ansteuerung leicht abgewandelt, wie in 11 dargestellt, kann besagter bewusster Unterschied zwischen den Strangströmen kontinuierlich verkleinert werten. Bei einer Ansteuerung gemäß 12 oder 13 tritt vollständige Stromsymmetrierung ein.Would the two in the example of 2 shown strands St1, St2 are connected in parallel directly, ie without strand switch S1, S2 or without resistors R1, R2 or the like, so a very strong current unbalance would show up to a point at which no current flows in a strand at all. With the two strands considered here, whereby in one of them one LED is missing, with direct parallel connection in the other no current would flow. The extra LED in this other strand acted as a non-conductive electronic switch. In the present concept, therefore, the current is also - albeit not exactly - balanced. If the control slightly modified, as in 11 As can be seen, said conscious difference between the strand currents can be continuously reduced. In a drive according to 12 or 13 occurs complete current symmetry.

Dies wird dadurch erreicht, dass immer nur ein Strang eingeschaltet ist, wodurch sichergestellt wird, dass durch jeden Strang abwechselnd Strom fließt. Bei mehreren parallel geschalteten Strängen würde der Strom im Wesentlichen durch den Strang fließen, der den geringeren Widerstand bzw. die geringste Vorwärtsspannung hat. This is accomplished by always turning on only one strand, ensuring that each strand alternately flows. With multiple strings connected in parallel, the current would flow substantially through the strand having the lower resistance and the lowest forward voltage, respectively.

Der Stromsymmetrierungsfaktor k sei wie folgt definiert:

Figure DE102014206438A1_0002
The current balancing factor k is defined as follows:
Figure DE102014206438A1_0002

Aus der oben erläuterten Zielvorgabe PSt1 = PSt2 ergibt sich weiter: VSt1·ISt1 = VSt2·ISt2. From the above-explained goal P St1 = P St2 , the following results: V St1 * I St1 = V St2 * I St2 .

Es folgt:

Figure DE102014206438A1_0003
It follows:
Figure DE102014206438A1_0003

Der relative Unterschied der Strangströme ISt1, ISt2 hängt somit nur vom Verhältnis der jeweiligen Strangspannungen VSt1, VSt2 zueinander ab. The relative difference of the phase currents I St1 , I St2 thus depends only on the ratio of the respective phase voltages V St1 , V St2 to each other.

Für praktische Anwendungen, in denen sich die Vorwärtsspannungen der parallelisierten Stränge nur leicht unterschieden, also beispielsweise für k >= 0.95, kann die hier gezeigte Leistungssymmetrierung somit auch hinsichtlich der Stromsymmetrie akzeptable Ergebnisse vorweisen. For practical applications in which the forward voltages of the parallelized strings differ only slightly, for example for k> = 0.95, the power balancing shown here can thus also show acceptable results in terms of current symmetry.

Alle bisher gezeigten Eigenschaften gelten, abgesehen von möglichen Abweichungen in der Systemdynamik, ebenso auch für alle SEPICs, siehe 18 und 19, sowie für alle invertierenden Wandler, siehe 16. Auch die im Folgenden gezeigten Auswirkungen der Betriebsweise auf die Symmetriereigenschaften gelten gleichermaßen für alle SEPICs und invertierenden Wandler. All properties shown so far apply, apart from possible deviations in the system dynamics, as well as for all SEPICs, see 18 and 19 , as well as for all inverting converters, see 16 , The effects of operation on the symmetry properties shown below apply equally to all SEPICs and inverting converters.

Um dieselbe prozentuale Symmetrierung (Faktor k) mit einfachen Widerständen oder linearen Regellösungen, beispielsweise Stromspiegeln, zu erreichen, müsste dabei pro Widerstand eine relativ hohe Menge an Verlustleistung in Kauf genommen werden, typischerweise noch einmal dieselbe Leistung, die ein Strang verbraucht. Eine kleine Rechnung für zwei LED-Stränge, deren LED-Leistungen nur durch zwei gleich große Serienwiderstände (es ist ja zunächst nicht bekannt, welcher Strang die größere Vorwärtsspannung aufweist) vollständig symmetriert werden sollen, zeigt, dass die Serienwiderstände so hochohmig gewählt werden müssten, dass über dem ersten Widerstand die Vorwärtsspannung des zweiten LED-Strang abfällt und über dem zweiten Widerstand die Vorwärtsspannung des ersten LED-Strangs. Die Verlustleistung wäre dann mindestens so groß wie die Nutzleistung. Durch Anwendung der bis hier und im folgenden beschriebenen Erfindung kann der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung annähernd verdoppelt werden.Achieving the same percent symmetry (factor k) with simple resistors or linear control solutions, such as current mirrors, would require a relatively high amount of power dissipation per resistor, typically the same amount of power consumed by a string. A small calculation for two LED strings whose LED performance is only to be fully balanced by two series resistors of the same size (it is not known at first which string has the greater forward voltage) shows that the series resistors would have to be chosen with such a high resistance, that across the first resistor, the forward voltage of the second LED strand drops and above the second resistor, the forward voltage of the first LED strand. The power loss would be at least as large as the net power. By employing the invention described heretofore and hereinafter, the efficiency of the overall arrangement can be approximately doubled.

Die pro primärseitigem Einschaltzeitintervall Ini, siehe beispielsweise 8a, in der Wandlertopologie zwischengespeicherte Energie Winx entspricht dem für diesen Abschnitt definierten Strom-Zeit-Integral multipliziert mit der Eingangsspannung Vin, wobei Iai dem Stromwert des primärseitigen Stroms I zu Beginn dieses Intervalls entspricht und Ibi dem an seinem Ende (Ini ist die Phase im Zeitabschnitt Ti, in der der Wandlerschalter S0 leitend geschaltet ist, um die Wandlerinduktivität aufzumagnetisieren):

Figure DE102014206438A1_0004
The per primary-side switch-on time interval Ini, see for example 8a , in the converter topology cached energy W inx corresponds to the current-time integral defined for this section multiplied by the input voltage V in , where I ai corresponds to the current value of the primary-side current I at the beginning of this interval and I bi is at its end (Ini the phase in the period Ti, in which the converter switch S0 is turned on to magnetize the Wandlerinduktivität):
Figure DE102014206438A1_0004

Der Stromanstieg dazwischen entspricht Vin/L1 und wird als linear angenommen. Schließlich ergibt sich daraus, wie zu erwarten, der arithmetische Mittelwert aus Anfangs- und Endstrom multipliziert mit der Eingangsspannung Vin und mit dem Einschaltzeitintervall ton: Winx = Vin(Iax + Ibx)ton/2. The current increase in between corresponds to V in / L1 and is assumed to be linear. Finally, as expected, the arithmetic mean of the starting and final currents multiplied by the input voltage V in and the on-time interval ton: W inx = V in (I ax + I bx ) ton / 2.

Die analoge Überlegung führt für das direkt darauf folgende Diodenleit-Zeitintervall beispielsweise im Strang 1 zu: WSt1 = VSt1(Ib1 + Ia2)toff1/2. The analogous consideration leads, for example, to the following diode conduction time interval in strand 1: W St1 = V St1 (I b1 + I a2 ) toff1 / 2.

Dabei bezeichnet WSt1 das Energiepaket, das während der dem ersten Strang zugewiesenen Teilphase an ihn abgegeben wird.In this case, W St1 denotes the energy package which is delivered to it during the partial phase assigned to the first strand.

Ist Iax > 0, liegt CCM (continuous conduction mode) vor, der allgemeine Fall. Der Sonderfall Iax = 0 wird mit DCM (discontinuous conduction mode) bezeichnet, der Grenzfall dazwischen, bei dem der Strom pro Periode nur an einem Punkt, an dem der primärseitige Schalter wieder eingeschaltet wird, null ist, wird mit BCM (boundary conduction mode) bezeichnet. If I ax > 0, there is CCM (continuous conduction mode), the general case. The special case I ax = 0 is called DCM (discontinuous conduction mode), the borderline case in which the current per period is zero only at a point at which the primary-side switch is turned on again, with BCM (boundary conduction mode ) designated.

Sowohl für DCM als auch für BCM gilt: Winx = VinIbxton/2. For both DCM and BCM: W inx = V in I bx ton / 2.

In den 8 bis 10 ist jeweils die auf den Eingangsstrom I bezogene Magnetisierung der Wandlerinduktivität gezeigt in den drei Betriebsweisen der bislang betrachteten Topologien, in denen Leistungssymmetrierung zwischen den beiden dargestellten Strängen St1, St2 gilt. Klar wird dies dadurch, weil in jeder Teilphase T1, T2...Tx, siehe 8a, der Strom mindestens an einem Punkt zu null wird und weil Winx = WSt1 = WSt2 = WStx gilt. Leistungssymmetrierung durch DCM funktioniert bei theoretisch beliebig vielen Ausgangskanälen. In the 8th to 10 In each case, the magnetization of the converter inductance relative to the input current I is shown in the three modes of operation of the topologies considered so far, in which power balancing between the two illustrated strings St1, St2 applies. This becomes clear because, in each sub-phase T1, T2 ... Tx, see 8a , the current becomes zero at least at one point and because W inx = W St1 = W St2 = W Stx . DCM power balancing works with theoretically any number of output channels.

Der Wandler muss auf die vorkommenden Spitzenwerte ausgelegt sein. Die tatsächliche Ausgangsleistung pro Strang errechnet sich durch: PStx = WStx/T = Winx/T mit
T = T1 + T2 + ... + Tx.
The converter must be designed for the occurring peak values. The actual output per string is calculated by: P Stx = W Stx / T = W inx / T With
T = T 1 + T 2 + ... + T x .

Daraus ergibt sich, dass die Gesamtperiode T und somit die Stromnullpausen in der Darstellung von 8a möglichst kurz gewählt werden müssen, um bei gegebener Wandlerdimensionierung die maximale Leistung übertragen zu können. It follows that the total period T and thus the current zero pauses in the representation of 8a must be selected as short as possible in order to transmit the maximum power at a given transducer dimensioning.

8a zeigt den zeitlichen Verlauf der auf den Primärstrom bezogenen Magnetisierung der Wandlerinduktivität während der Teilphasen für den ersten und den zweiten Strang bei DCM mit toff = const. und ton = const. In1 sowie Out1 bezeichnen die Magnetisierungsphasen während der Teilphase T1 für den ersten Strang St1, wobei In1 durch das Leitendschalten des Wandlerschalters S0 initiiert wird und sich die Wandlerinduktivität aufmagnetisiert. Out1 bezeichnet das Abmagnetisieren der Wandlerinduktivität und den Transfer der entsprechenden Energie in den Kondensator C1 hinein nach dem Nichtleitendschalten des Schalters S0, bis die Wandlerinduktivität vollständig entmagnetisiert ist. Insofern ist der Zeitraum toff1 abhängig von der Strangspannung VSt1, weil nur diese Spannung die Schnelligkeit der Entmagnetisierung und damit das Gefälle des Graphen bestimmt. Entsprechendes gilt mit Bezug auf die Größen In2, Out2, toff2 für den Strang St2. In1 ergibt sich demnach durch Leitendschalten des Wandlerschalters S0, während Out1 den aufgrund der Aufmagnetisierung der Wandlerinduktivität entstehenden Strom darstellt, der aufgrund des in dieser Phase leitend geschalteten Strangschalters S1 durch den Strang St1 fließt. 8a shows the time course of the magnetization of the transformer inductance related to the primary current during the partial phases for the first and the second strand at DCM with toff = const. and ton = const. In1 and Out1 designate the magnetization phases during the partial phase T1 for the first strand St1, In1 being initiated by the conduction of the converter switch S0 and the converter inductance being magnetized. Out1 designates the demagnetization of the transducer inductance and the transfer of the corresponding energy into the capacitor C1 after the switch S0 is not turned on until the transducer inductance is completely demagnetized. In this respect, the period t off1 is dependent on the strand voltage V St1 , because only this voltage determines the speed of demagnetization and thus the gradient of the graph. The same applies with respect to the quantities In2, Out2, t off2 for the strand St2. Accordingly, In1 results from turning off the converter switch S0, while Out1 represents the current resulting from the magnetization of the converter inductance, which current flows through the strand St1 due to the line switch S1 which is turned on in this phase.

8b zeigt die entsprechenden Schaltzustände des Wandlerschalters S0 sowie der Strangschalter S1, S2. Während jedes toffi-Abschnitts und in jeweils voller Länge gibt es durchgezogene Linien in den S1- und S2-Diagrammen, jeweils gegenläufig: In den Bereichen, in denen toff1 eingezeichnet ist, muss S1 = “on“ gelten, entsprechend bei toff2 dann S2 = “on“. Während der ton-Abschnitte ist es aufgrund der in jedem Strang vorhandenen Flussdioden D1, D2 unbedeutend, in welchem Schaltzustand die Schalter S1 und S2 sind. Deswegen sind in diesen Abschnitten in den Diagrammen von S1 und S2 alle Linien gestrichelt. Der exakte Umschaltzeitpunkt zwischen S1 und S2 spielt keine Rolle, nicht einmal dessen Existenz: In den „gestrichelten Abschnitten“ können sogar mehrere Strangschalter gleichzeitig eingeschaltet sein oder alle ausgeschaltet. Gleiches gilt für diejenigen Abschnitte, um die toff länger ist als toff1 bzw. toff2, also für diejenigen Abschnitte, in denen der Wandlerschalter S0 zwar abgeschaltet ist, aber aufgrund der vollständigen Entmagnetisierung der Wandlerinduktivität in keinen der Stränge mehr Strom eingespeist wird. Letztere Abschnitte werden im allgemeinen auch Stromlücken genannt. 8b shows the corresponding switching states of the converter switch S0 and the string switch S1, S2. Throughout each toffi section and in its full length, there are solid lines in the S1 and S2 diagrams, each in opposite directions : In the areas where t off1 is drawn, S1 = "on", corresponding to t off2 then S2 = "on". During the t on sections, it is insignificant in which switching state the switches S1 and S2 are due to the existing in each strand flow diodes D1, D2. Therefore, in these sections in the diagrams of S1 and S2, all lines are dashed. The exact switching time between S1 and S2 does not matter, not even its existence: in the "dashed sections" even several string switches can be switched on simultaneously or all switched off. The same applies to those sections by which t off is longer than t off1 or t off2 , ie for those sections in which the converter switch S0 is indeed switched off, but more current is fed into none of the strings due to the complete demagnetization of the converter inductance. The latter sections are also commonly called power gaps.

Es empfiehlt sich jedoch, genau komplementär zu schalten, wie auch schon im Zusammenhang mit der Ansteuerung unter Zuhilfenahme eines D-Flip-Flops, siehe 4, ausgeführt. Der genaue Umschaltzeitpunkt zwischen S1 und S2 bzw. umgekehrt ist ohne Bedeutung, solange die Umschaltung während eines ton-Abschnitts stattfindet. Während jedes ton-Abschnitts gibt es bei S1 und S2 eine gestrichelte Treppe (gegenläufig) mit Senkrechtstufe in der Mitte. Diese ist gestrichelt dargestellt, da wie oben schon erläutert der exakte Umschaltpunkt keine Rolle spielt. Darunter gibt es, wie angedeutet, hellgraue Flächen, die durch gestrichelte Linien begrenzt sind. Wie in 8b zu sehen ist, kann jede solche graue Fläche sogar nach links vor den Beginn eines toni-Abschnitts verlängert sein: Damit wird angedeutet, dass es egal ist, was der Schalter Si tut, wenn toffi abgelaufen ist, toff aber noch nicht. Nicht erlaubt sind Schaltzustände, die nicht dargestellt sind. Möglich ist alles, was grau oder schwarz ist. Einzig scharf definiertes Schaltmuster existiert für den Wandlerschalter S0. Für die Einschaltabschnitte der Strangschalter Si empfohlen sind die von den zugehörigen t-Achsen erhabenen Linien, denn sie ergeben sich aus der in Zusammenhang mit Bild 4 bereits vorgeschlagenen Flip-Flop-Ansteuerung mit einer möglichen kleinen Triggerverzögerung. Daraus ergibt sich bei zwei Strängen St1, St2 für die Schalter S1, S2 eine gegenläufige Ansteuerung mit gleich lang dauernden Schaltzuständen mit exakt der halben Frequenz des Wandlerschalters S0. However, it is advisable to switch exactly complementary, as already in connection with the control with the aid of a D flip-flop, see 4 , executed. The exact switching time between S1 and S2 or vice versa is irrelevant as long as the switching takes place during a t on section. During each t on section S1 and S2 have a dashed staircase (counter-clockwise) with a vertical step in the middle. This is shown in dashed lines, as already explained above, the exact switching point does not matter. Underneath there are, as indicated, light gray areas bounded by dashed lines. As in 8b can be seen, any such gray area may even be extended to the left before the beginning of a t oni section: This indicates that it does not matter what the switch Si does when t offi has expired, but t off yet. Not permitted are switching states that are not shown. Everything is possible, which is gray or black. Only sharply defined switching pattern exists for the transformer switch S0. For the switch-on sections of the string switches Si, the lines raised by the associated t-axes are recommended, as they result from the flip-flop control already proposed in connection with Fig. 4 with a possible small trigger delay. This results in two strands St1, St2 for the switches S1, S2 an opposite drive with the same length switching states with exactly half the frequency of the converter switch S0.

Ohne die Konstanz von Frequenz und Tastgrad, also ton = const. und toff = const., aufzugeben, ergibt sich eine besonders vorteilhafte Konstellation bei der Ansteuerung gemäß 9: „toff“ ist dort so weit verkürzt, dass nach der Periode, in der der Strang mit der niedrigsten Flussspannung aktiv war (zu erkennen an dem flachsten Abfall von I(t)), BCM eintritt. Without the constancy of frequency and duty cycle, so t on = const. and t off = const., give up, results in a particularly advantageous constellation in the control according to 9 : "T off " is shortened to such an extent that after the period in which the strand with the lowest flux voltage was active (indicated by the flattest drop of I (t)), BCM occurs.

T lässt sich ohne Verlust der Leistungssymmetrierung für beliebig viele Stränge weiter verkürzen, wenn nach allen Strängen BCM gewählt wird, wie in 10 gezeigt. ton bleibt nach wie vor konstant, allerdings wird toff variabel, was eine andere Steuerungsstrategie im Fenster einer Gesamtperiode T erfordert: Durch einen übergeordneten und langsamen Regler wird anhand des Strombedarfs ton gesteuert, wobei sich toffi jedes Mal neu durch Erkennung des Strom-Null-Events ergibt. Der sich hierbei einstellende Frequenzgidder (T1 ≠ T2) erleichtert die Funkentstörung. Die neu auftauchende Subharmonische f/n = 1/T sollte bei üblichen Anwendungen auf jeden Fall über 20 kHz und unter 150 kHz liegen.T can be further shortened for any number of strands without loss of power symmetry if BCM is selected after all strands, as in 10 shown. t on remains constant, but t off becomes variable, which requires a different control strategy in the window of a total period T: A higher and lower regulator controls t on the basis of the current demand, t offi reconnects each time by detecting the current Zero events. The frequency gidder (T1 ≠ T2), which adjusts itself, facilitates the radio interference suppression. The newly emerging subharmonic f / n = 1 / T should be above 20 kHz and below 150 kHz in normal applications.

Ausgehend von der Darstellung in 9 wird bei konstanter Frequenz und konstantem Tastgrad toff weiter verkürzt, sodass ein Mischbetrieb aus DCM und CCM entsteht, wie er anhand des Verlaufs der Wandlermagnetisierung in 11a dargestellt ist. Der CCM, der sich schon in 9 durch BCM andeutet, tritt immer nach der Entladephase des Strangs mit der niedrigsten Flussspannung auf, also des Strangs mit dem langsamsten Stromabfall. Da bei jedem Umschaltvorgang zwischen Ausgangsdiode Di und Wandlerschalter S0 im CCM erhöhte Schaltverluste auftreten, weil S0 bei quasi voller Blockierspannung erst den Reverse-Recovery-Strom der Diode Di tragen und dann erst seine eigene Speicherladung kurzschließen muss, bevor er endgültig eingeschaltet hat, nimmt der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung beim Eintritt in den CCM leicht ab, was jedoch von der weiter erhöhten Wandlerausnutzung kompensiert werden kann. Die negativen Auswirkungen des harten Schaltens auf die elektromagnetische Verträglichkeit sind ebenfalls bekannt. Wird toff so weit verkürzt, dass der DCM aus 11 beim BCM ankommt, ergibt sich die in 12 dargestellte Situation. Dieser Fall ist der untere Grenzfall dessen, was in 13 als allgemeiner CCM für zwei Ausgangsstränge dargestellt ist: Sofort fällt auf, dass jetzt trotz ton = const. und trotz gleicher Stromanstiege aufgrund der unterschiedlichen Startströme Ia1 und Ia2 in den Teilzyklen T1 und T2 unterschiedliche Energien E1 und E2 in die Wandlertopologie eingespeichert werden.Starting from the illustration in 9 is further shortened at constant frequency and constant duty cycle t off , so that a mixed operation of DCM and CCM arises, as determined by the course of the converter magnetization in 11a is shown. The CCM, which is already in 9 BCM suggests that occurs always after the discharge phase of the strand with the lowest forward voltage, ie the strand with the slowest current drop. Since at each switching between output diode Di and converter switch S0 in the CCM increased switching losses occur because S0 at quasi full blocking voltage first carry the reverse recovery current of the diode Di and only then has to short-circuit its own storage charge before he finally turned on, takes the Efficiency of the overall arrangement when entering the CCM slightly from, but this can be compensated by the further increased converter utilization. The negative effects of hard switching on electromagnetic compatibility are also known. Will t off so far shortened that the DCM off 11 arrives at the BCM, results in the 12 illustrated situation. This case is the lower limit case of what is in 13 is shown as a general CCM for two output strands: Immediately it is noticeable that now, despite t on = const. and despite the same current increases due to the different starting currents I a1 and I a2 in the sub-cycles T1 and T2 different energies E1 and E2 are stored in the converter topology.

Daraus folgt: Leistungssymmetrierung kann jetzt nicht mehr vorliegen. Nach wie vor – so wie in den 8, 9, 11, 12, 13 – gilt neben ton = const. auch toff1 = toff2 = toff = const., also f = const. und Tastgrad D = const. Neu ist, dass jetzt immer über die Gesamtperiode T bilanziert werden muss.It follows that power balancing can no longer exist. As before - as in the 8th . 9 . 11 . 12 . 13 - applies next to t on = const. also t off1 = t off2 = t off = const., ie f = const. and duty cycle D = const. What is new is that now, over the entire period, T must always be balanced.

Für den Zeitabschnitt „In1“ gilt demnach: Win1 = Vin(Ia1 + Ib1)ton/2; tonVin = (Ib1 – Ia1)L1; beides ineinander eingesetzt ergibt: Win1 = L1(I 2 / b1 – I 2 / a1)/2; analog ergibt sich für Out1: WSt1 = L1(I 2 / b1 – I 2 / a2)/2 und für die anderen beiden Zeitabschnitte „In2“ und „Out2“: Win2 = L1(I 2 / b2 – I 2 / a2)/2, WSt2 = L1(I 2 / b2 – I 2 / a1)/2. For the period "In1" the following applies: W in1 = V in (I a1 + I b1 ) t on / 2; t on V in = (I b1 -I a1 ) L 1 ; both inserted into each other gives: W in1 = L1 ( I2 / b1 -I2 / a1) / 2; analogously results for Out1: W St1 = L1 (I 2 / b 1 - I 2 / a 2) / 2 and for the other two time periods "In2" and "Out2": W in2 = L1 ( I2 / b2 -I2 / a2) / 2, W St2 = L1 (I 2 / b 2 - I 2 / a 1) / 2.

Für die beiden Ausgangsspannungen gilt aufgrund ihrer oben beschriebenen entmagnetisierenden Wirkung: VSt1 = L1(Ib1 – Ia2)/toff, VSt2 = L1(Ib2 – Ia1)/toff. For the two output voltages, due to their demagnetizing effect described above: V St1 = L1 (I b1 -I a2 ) / toff, V St2 = L1 (I b2 - I a1 ) / toff.

Für die beiden Ausgangsleistungen gilt Arbeit pro Zeit, also: PSt1 = WSt1/T = L1(I 2 / b1 – I 2 / a1)/2T = L1(Ib1 – Ia2)(Ib1 + Ia2)/2T, PSt2 = WSt2/T = L1(I 2 / b2 – I 2 / a1)/2T = L1(Ib2 – Ia1)(Ib2 + Ia1)/2T. For the two output powers work per time applies, thus: P St1 = W St1 / T = L1 (I 2 / b 1 -I 2 / a 1) / 2T = L1 (I b1 -I a2 ) (I b1 + I a2 ) / 2T P St2 = W St2 / T = L1 (I 2 / b2 - I 2 / a1) / 2T = L1 (I b2 - a1 I) (I + I b2 a1) / 2T.

Die oben bereits angewandte „dritte binomische Formel“ erleichtert das Folgende erheblich, denn Leistung durch Spannung ergibt den Strom: ISt1 = PSt1/VSt1 = (Ib1 + Ia2)toff/2T, ISt2 = PSt2/VSt2 = (Ib2 + Ia1)toff/2T. The above-mentioned "third binomial formula" greatly facilitates the following, because power through voltage gives the current: I St1 = P St1 / V St1 = (I b1 + I a2 ) toff / 2T, I St2 = P St2 / V St2 = (I b2 + I a1 ) toff / 2T.

Die vom Eingang aus gesehene Gleichung Ib1 – Ia1 = Ib2 – Ia2 lässt sich auch so darstellen: Ib1 + Ia2 = Ib2 + Ia1. The equation seen from the entrance I b1 - I a1 = I b2 - I a2 can also be represented as follows: I b1 + I a2 = I b2 + I a1 .

Dies in beide obige Gleichungen für ISt1 und ISt2 eingesetzt, ergibt: ISt1 = ISt2. This is used in both of the above equations for I St1 and I St2 , giving: I St1 = I St2 .

Damit ist nachgewiesen, dass bei zwei abwechselnd eingeschalteten Ausgangssträngen in einem SEPIC, Flyback- oder invertierenden Wandler, bei f = const., bei D = const. und bei generellem CCM, eine inhärente Stromsymmetrierung zwischen den beiden Strängen gegeben ist, unabhängig davon, wie unterschiedlich ihre Flussspannungen sind.This proves that with two alternately switched output strands in a SEPIC, flyback or inverting transducer, at f = const., At D = const. and in general CCM, there is an inherent current balance between the two strings, no matter how different their fluence voltages are.

12 ergibt sich aus 13, wenn Ia2 = 0 gilt, und ist somit der untere Grenzfall von 13. Damit gilt auch für die Situation aus 12 die eben nachgewiesene inhärente Strangstromsymmetrierung. 12 turns out 13 if I a2 = 0, and thus is the lower limit of 13 , This also applies to the situation 12 the just proven inherent strand current symmetry.

Entstehen die Stromformen des betrachteten Wandlers aus den 8, 9, 11 und 12 durch Frequenzverstellung bei konstanter Einschaltzeit ton – bei Sicherstellung mindestens eines „Stom-Null-Events“ pro Gesamtperiode T sogar ohne Stromüberwachung möglich –, so ändert sich das Regelkonzept im allgemeinen CCM von 13: Der die Magnetisierung der Wandlerinduktivität beschreibende Primärstrom I muss überwacht und als weitere Größe in den Regelkreis zurückgeführt werden, um eine Sättigung der Wandlerinduktivität sicher zu vermeiden. Im CCM kann statt durch Frequenzverstellung alternativ auch durch Duty-Cycle-Verstellung gegengesteuert werden.Are the current forms of the considered converter from the 8th . 9 . 11 and 12 by frequency adjustment with constant on-time t on - if at least one "Stom-Null-Event" is ensured per total period T even without current monitoring - that changes Rule concept in general CCM of 13 The primary current I describing the magnetization of the converter inductance must be monitored and fed back into the control loop as a further variable in order to reliably avoid saturation of the converter inductance. In the CCM, it is also possible to counteract by means of duty-cycle adjustment instead of by frequency adjustment.

Ferner lässt sich an 13 auch gut erkennen, warum diese inhärente Stromsymmetrierung im generellen CCM bei zwei Ausgangskanälen so gut funktioniert: Die Strangströme ISt1 und ISt2 werden, wie an ihren Formeln gut abzulesen, vom Mittelwert der zu den Phasen „Out1“ und „Out2“ gehörenden Stromeckpunkte bestimmt. Weil die Stromeckpunkte der Phasen „In1“ und „In2“ immer gleich weit auseinander liegen, und weil durch „Out2“ der Kreis schon wieder geschlossen ist, werden die Eckpunkte Ib1 und Ia2 durch die nächsten Eckpunkte Ib2 und Ia1 exakt umfasst, weshalb die die Ausgangsströme definierenden Mittelwerte ebenfalls gleich sind.Furthermore, it can be 13 It is also easy to see why this inherent current symmetry in the general CCM works so well for two output channels : The phase currents I St1 and I St2 are determined from the mean value of the current summits belonging to the phases "Out1" and "Out2", as is well understood by their formulas , Because the current summits of the phases "In1" and "In2" are always equally far apart, and because the circle is already closed again by "Out2", the corner points I b1 and I a2 are exactly covered by the next corner points I b2 and I a1 why the average values defining the output currents are also the same.

Es muss nicht mehr im Detail beschrieben werden, dass für 11 ein Zwischending aus Leistungssymmetrierung und Stromsymmetrierung gilt, je nachdem, wie lange die verbleibende DCM-Stromlücke, also die Zeitdifferenz zwischen toff und toff1, ist. Der Strang mit dem kleineren Strom, also der mit der höheren Flussspannung, bekommt die größere Leistung. Dieser Zusammenhang geht hervor aus 14, welche die Symmetriereigenschaften des Flyback-Wandlers, des Inverswandlers sowie des SEPIC darstellt. It does not need to be described in more detail that for 11 a balance between power balancing and current balancing applies, depending on how long the remaining DCM current gap, ie the time difference between t off and t off1 , is. The strand with the smaller current, so with the higher forward voltage gets the greater power. This relationship emerges 14 , which represents the symmetry properties of the flyback converter, the inverse converter and the SEPIC.

Werden die Dauern von toff zwischen den einzelnen Strängen variiert, was einen CCM mit konstanter ton, aber variabler Frequenz ergibt, kann dadurch das Verhältnis der einzelnen Strangströme zueinander gesteuert und ungleich eins werden. Den gleichen Effekt erzielt ein zusätzliches Variieren von ton zwischen den einzelnen Teilphasen Ti, wodurch sich eine konstante Frequenz des Gesamtwandlers ergeben kann, sich in den Teilphasen aber der Tastgrad ändert. Wird schließlich nur ton variiert und toff konstant gehalten, können die Strangströme ebenfalls bewusst „schief“ zueinander gesteuert werden.If the durations of t off between the individual strings are varied, resulting in a CCM with a constant t on but variable frequency, the ratio of the individual phase currents can be controlled to one another and not equal to one. The same effect is achieved by an additional variation of t on between the individual partial phases Ti, whereby a constant frequency of the total converter can result, but the duty cycle changes in the partial phases. Finally, if only t on is varied and t off kept constant, the phase currents can also be consciously controlled "askew" to one another.

15 zeigt die Symmetriereigenschaften für einen Aufwärtswandler. Der in 17 dargestellte Aufwärtswandler oder Hochsetzsteller oder Boost-Konverter lässt sich durch Parallelschalten mehrerer Ausgangsdioden D1 und D2 sowie durch Hinzufügen eines Serienschalters S1, S2 pro Strang ebenso wie die Wandler, die in den 2, 16 sowie 18 und 19 dargestellt sind, mit mehreren Ausgangssträngen betreiben. 15 shows the symmetry properties for a boost converter. The in 17 shown up converter or boost converter or boost converter can be achieved by connecting several output diodes D1 and D2 in parallel, and by adding a series switch S1, S2 per strand as well as the converter, which in the 2 . 16 such as 18 and 19 are shown, operate with multiple output strands.

All diesen Wandlern ist gemein, dass sie eine so genannte einfache Spannungsglättung an ihrem Ausgang aufweisen. Bezüglich der Symmetriereigenschaften weicht der Aufwärtswandler jedoch vom bisher Beschriebenen teilweise ab. 13 kann genauso den Hochsetzspulenstrom in einem Aufwärtswandler beschreiben, wovon hier nun ausgegangen wird. Die Formeln für die Ausgangsenergien sind die gleichen wie oben: WSt1 = USt1(Ib1 + Ia2)toff/2, WSt2 = USt2(Ib2 + Ia1)toff/2. All these converters have in common that they have a so-called simple voltage smoothing at their output. With regard to the symmetry properties, however, the boost converter deviates in part from what has been described hitherto. 13 can also describe the boost coil current in a boost converter, which is now assumed here. The formulas for the output energies are the same as above: W St1 = U St1 (I b1 + I a2 ) toff / 2, W St2 = U St2 (I b2 + I a1 ) toff / 2.

Aus der Regel „Strom = Arbeit durch Spannung durch Zeit“ ergeben sich: ISt1 = (Ib1 + Ia2)toff/2T, ISt2 = (Ib2 + Ia1)toff/2T. From the rule "electricity = work by voltage through time" results: I St1 = (I b1 + I a2 ) toff / 2T, I St2 = (I b2 + I a1 ) toff / 2T.

Da bei aktivem Aufwärtswandlerschalter während ton der Stromzuwachs gleich ist wie oben, gilt der gleiche Satz an Gleichungen auch hier: Ib1 – Ia1 = Ib2 – Ia2; Ib1 – Ia2 = Ib2 – Ia1; I1 = I2. Since the current increase is the same during the up-converter switch during t on , the same set of equations apply here as well: I b1 - I a1 = I b2 - I a2 ; I b1 - I a2 = I b2 - I a1 ; I 1 = I 2 .

Somit erzeugt auch der Aufwärtswandler mit genau zwei parallelen, abwechselnd aktiv geschalteten Ausgangssträngen bei generellem CCM und den übrigen, von oben bekannten Bedingungen eine inhärente Ausgangsstromsymmetrierung. Umgekehrt gelten alle Möglichkeiten und Einschränkungen von oben auch hier. Da reine Hochsetzsteller nie isolierte Wandlerinduktivitäten aufweisen, können sie einfacher als die bisher beschriebenen Topologien, insbesondere deren isolierte Formen, im CCM betrieben werden. Denn die Streuinduktivität jeder isolierten Wandlerinduktivität verstärkt die oben beschriebenen Schwierigkeiten bei CCM signifikant.Thus, the up-converter also generates inherent output current balancing with exactly two parallel, alternately active output lines in general CCM and the other conditions known from above. Conversely, all possibilities and restrictions from above apply here as well. Since pure boost converters never have isolated transducer inductances, they can be operated more easily than the previously described topologies, in particular their isolated forms, in the CCM. Indeed, the leakage inductance of each isolated transducer inductor significantly amplifies the above-described difficulties in CCM.

Für einen Aufwärtswandler mit mehreren Ausgängen in generellem DCM gilt, wie schon an 8 abzulesen, Iax = 0 und Ib1 = Ib2 = Ib. For a boost converter with multiple outputs in general DCM, as already stated 8th read, I ax = 0 and I b1 = I b2 = I b .

Im Gegensatz zu den zunächst betrachteten hoch- und tiefsetzenden Wandlern, wie beispielsweise dem Flyback-Wandler, wird beim Aufwärtswandler auch dann der Eingangsspannungsquelle Vin Energie entzogen, wenn der Wandlerschalter S0 zwar schon ausgeschaltet ist, aber noch Strom fließt, nämlich über Dx während toffx. Die beim Flyback-Wandler gültige Gleichung Ex-flyback = UinIbxton/2 muss abgewandelt werden. Für den Aufwärtswandler gilt: Ex-boost = UinIbx(ton + toffx)/2. In contrast to the first considered up and down converters, such as the flyback converter, the input voltage source V is deprived of energy in the boost converter even if the converter switch S0 is already turned off, but still flows, namely over D x during t offx . The equation valid for the flyback converter E x-flyback = U in I bx ton / 2 must be modified. For the up-converter, the following applies: E x-boost = U in I bx (ton + toffx) / 2.

Da bei nur geringfügig unterschiedlichen Ausgangsspannungen auch die Dx-Leitzeitdauern toffx ähnlich sind, kann auch für den Aufwärtswandler mit mehreren parallel liegenden und sequentiell aktiv geschalteten Ausgangssträngen im generellen DCM eine näherungsweise Leistungssymmetrierung zwischen den Strängen unterstellt werden. Since only slightly different output voltages and the D x -Leitzeitertauern t offx are similar, an approximate power balancing between the strands can be assumed for the up-converter with multiple parallel and sequentially active output strands in the general DCM.

Bei genauer Betrachtung wird jedoch pro Teilphase Tx umso mehr Energie in der Wandlertopologie zwischengespeichert, je länger toffx dauert, also je langsamer der Strom abfällt bzw. der magnetische Fluss in der Hochsetzspule abmagnetisiert. Längeres toffx korreliert wie beim Flyback-Wandler mit kleinerer Ausgangsspannung VStx, womit für den Aufwärtswandler bei DCM für zwei oder mehr Ausgangsstränge eine Art Leistungsüberkompensation gilt:
Der Strang mit der geringsten Flussspannung wird mit der meisten Leistung versorgt.
On closer examination, however, the more energy is stored in the converter topology per subphase T x , the longer t offx lasts, that is, the slower the current drops or the magnetic flux in the boost coil demagnetizes. Longer t offx correlates with smaller output voltage V Stx , as with the flyback converter, so that for the up-converter at DCM for two or more output lines a kind of power overcompensation applies:
The strand with the lowest flux voltage is supplied with the most power.

In 14 ist der Strom- bzw. Leistungsverlauf für zwei Ausgangsstränge beim Flyback-Wandler gezeigt, während in 15 dasselbe beim Aufwärtswandler dargestellt ist, jeweils abhängig von der vorliegenden Betriebsweise. In 14 is shown the current or power curve for two output lines in the flyback converter, while in 15 the same is shown in the boost converter, depending on the mode of operation.

Aus 15 wird ersichtlich, dass auch der Aufwärtswandler einen ganz bestimmten Punkt aufweist, an dem Leistungssymmetrierung eintritt, nämlich den Punkt Y in jenem Übergangsbereich, dessen zugehöriger Wandlerstrom in 11 dargestellt ist. Out 15 It will be seen that also the boost converter has a certain point at which power balancing occurs, viz. the point Y in that transition region whose associated converter current is in 11 is shown.

Bei Betrieb im CCM und toff = const. ergibt sich eine Schaltung, die gegenüber Kurzschluss in einem Strang inhärent unempfindlich ist, sofern eine primärseitige Spitzenstromüberwachung eingreift und das primärseitige Einschaltzeitfenster nach einer Freilaufphase (in die die Entladephase bei kurzgeschlossenem Strang entartet) entsprechend verkürzt.When operating in CCM and t off = const. results in a circuit that is inherently insensitive to short circuit in a strand, provided that a primary-side peak current monitoring intervenes and the primary-side switch-on after a freewheeling phase (in which degenerate the depletion phase at shorted strand degenerate) accordingly shortened.

Unabhängig von der Anzahl der Stränge und von der Betriebsweise kann eine primärseitige Spannungsüberwachung während toffx, die auf den höchstmöglichen Wert aller Strangspannungen bezogen ist, alle durch Unterbrechung geschädigten Stränge erkennen und eine Zerstörung des Wandlers durch Zuschalten des nächsten Strangschalters vermeiden. Die „Position“ des offenen Strangs kann gespeichert, der Sollwert des Primärstroms entsprechend reduziert, der entsprechende Strangschalter beim nächsten Umlauf übersprungen werden.Regardless of the number of strands and operation, primary-side voltage monitoring during t offx , which is related to the highest possible value of all the line voltages , can detect all lines damaged by interruption and avoid destruction of the converter by connecting the next line switch. The "position" of the open string can be saved, the setpoint of the primary current can be reduced accordingly, the corresponding string switch can be skipped during the next circulation.

Bei dem in 19 gezeigten isolierten SEPIC sowie beim eingangs gezeigten Flyback-Konverter aus 2 besteht ferner die Möglichkeit, pro Ausgangsstrang eine eigene Sekundärwicklung auf der isolierten Wandlerinduktivität bzw. dem Leistungsübertrager vorzusehen. Dann können die Bezugsspannungen bzw. Sources der Schalter S0, S1, S2, Sx auf verschiedenen Potentialen liegen, sofern deren Gate-Ansteuerungen entsprechend potentialgetrennt aufgebaut sind. Ferner ergibt sich bei den Schaltungen nach 2 und 19 die Möglichkeit, nicht alle der Ausgangsstränge galvanisch vom Eingang zu trennen, wenn dies nicht für alle Stränge erforderlich ist, oder wenn aus bestimmten Gründen eine feste Potenzialrelation zwischen Eingang und einigen der Ausgänge vorteilhaft ist.At the in 19 shown isolated SEPIC and the flyback converter shown at the beginning 2 Furthermore, it is possible to provide a separate secondary winding on the isolated transformer inductance or the power transformer per output line. Then, the reference voltages or sources of the switches S0, S1, S2, Sx can be at different potentials, provided that their gate drives are designed to be electrically isolated. Furthermore, results in the circuits after 2 and 19 the possibility of not galvanically isolating all the output strings from the input, if this is not required for all strings, or if for some reason a fixed potential relation between the input and some of the outputs is advantageous.

Schließlich lassen sich durch bewusst unterschiedliche Windungszahlen pro Sekundärstrang bzw. durch Zwischenanzapfungen der Sekundärwicklung bei nach wie vor gültiger Leistungssymmetrierung (DCM bei Flyback, SEPIC und Buck-Boost) deutlich stärker voneinander abweichende Strangströme einstellen, wenn dies die angeschlossenen LEDs so erfordern, wenn beispielsweise die weißen LEDs den dreifachen Strom erfordern wie ein paar farbige zur Farbortkorrektur. Finally, by deliberately different numbers of turns per secondary strand or by intermediate taps of the secondary winding in still valid power balancing (DCM at flyback, SEPIC and buck-boost) set significantly more divergent strand currents, if so require the connected LEDs, if, for example, the white LEDs require the threefold current like a few colored ones for color locus correction.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (15)

Schaltungsanordnung zum Betreiben von n Lasten, n größer gleich 2, umfassend: – einen Eingang mit einem ersten (E1) und einem zweiten Eingangsanschluss (E2) zum Koppeln mit einer Versorgungsspannung (Vin); – n Ausgänge mit jeweils einem ersten (A11; A21) und einem zweiten Ausgangsanschluss (A21; A22) zum Koppeln mit der jeweiligen i-ten Last, i = 1 bis n; – einen Wandler mit einem Wandlerschalter (S0), mindestens einer Wandlerinduktivität (L1) sowie n Wandlerdioden (D1, D2), wobei eine Serienschaltung aus der Wandlerinduktivität (L1) und dem Wandlerschalter (S0) zwischen den ersten und den zweiten Eingangsanschluss (E1, E2) gekoppelt ist; – n Stränge umfassend jeweils mindestens eine Serienschaltung mit jeweils einem i-ten elektronischen Schalter (Si) mit i = 1 bis n, einer i-ten der n Wandlerdioden sowie dem jeweiligen i-ten Ausgang mit i = 1 bis n, wobei die n Serienschaltungen parallel geschaltet sind und derart mit der Wandlerinduktivität (L1) gekoppelt sind, dass in der Wandlerinduktivität (L1) gespeicherte Energie in der Entladephase des Wandlers durch Leitendschalten des jeweiligen i-ten elektronischen Schalters (Si) am i-ten Ausgang bereitstellbar ist, sowie – eine Ansteuervorrichtung (12) zur Ansteuerung des Wandlerschalters (S0) und der n elektronischen Schalter (Si), wobei die Ansteuervorrichtung (12) ausgelegt ist: – den Wandlerschalter (S0) mit einem Ansteuersignal (Gate0) anzusteuern, das sich aus n, den n Strängen zugewiesenen Teilphasen (Ti) zusammensetzt, sowie – die elektronischen Schalter (Si) mit einem jeweiligen Ansteuersignal (Gate1, Gate2) anzusteuern; wobei ein Conduction Mode der Schaltungsanordnung definiert ist in Bezug auf den Stromfluss durch die Wandlerinduktivität (L1), wobei eine Leitendphase des Wandlerschalters (S0) eingerahmt ist von den Leitendphasen zweier verschiedener der n Wandlerdioden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (12) ausgelegt ist, die Ansteuersignale (Gate0; Gate1, Gate2) für den Wandlerschalter (S0) und die Schalter (Si) derart bereitzustellen, dass zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase (Ti) im Continuous Conduction Mode (CCM) oder im Boundary Conduction Mode (BCM) betrieben wird, und die Schalter (Si) außerhalb der ihnen zugewiesenen Teilphase (Ti) nicht-leitend geschaltet sind.Circuit arrangement for operating n loads, n greater than or equal to 2, comprising: - an input having a first (E1) and a second input terminal (E2) for coupling to a supply voltage (V in ); - n outputs each having a first (A11; A21) and a second output terminal (A21; A22) for coupling to the respective ith load, i = 1 to n; A converter with a converter switch (S 0 ), at least one converter inductor (L1) and n converter diodes (D1, D2), wherein a series connection of the converter inductance (L1) and the converter switch (S 0 ) between the first and the second input terminal ( E1, E2) is coupled; - n strands comprising at least one series circuit each having an ith electronic switch (S i ) with i = 1 to n, an i-th of the n converter diodes and the respective i-th output with i = 1 to n, wherein the n series circuits are connected in parallel and are coupled to the Wandlerinduktivität (L1) that stored in the Wandlerinduktivität (L1) energy in the discharge phase of the converter by Leitend switching the respective i-th electronic switch (S i ) at the ith output is available , as well as - a driving device ( 12 ) for driving the converter switch (S 0 ) and the n electronic switch (S i ), wherein the drive device ( 12 ) is designed: - to drive the converter switch (S 0 ) with a drive signal (Gate0), which is composed of n partial phases (T i ) assigned to the n strings, and - the electronic switches (S i ) with a respective drive signal (Gate1 , Gate2) to control; wherein a Conduction Mode of the circuit arrangement is defined with respect to the current flow through the Wandlerinduktivität (L1), wherein a Leitendphase the converter switch (S 0 ) is framed by the Leitendphasen two different of the n converter diodes, characterized in that the drive device ( 12 ) is arranged to provide the drive signals (Gate0, Gate1, Gate2) for the converter switch (S 0 ) and the switches (S i ) such that at least one of the n strands within the sub-phase (T i ) assigned to it in the continuous conduction mode ( CCM) or in the Boundary Conduction Mode (BCM) is operated, and the switches (S i ) outside of their assigned sub-phase (T i ) are switched non-conducting. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (12) ausgelegt ist, die Ansteuersignale (Gate0; Gate1, Gate2) für die Schalter (S0; Si) derart bereitzustellen, dass – zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase (Ti) im Discontinuous Conduction Mode (DCM) und zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase im BCM oder im CCM betrieben wird; oder – alle n Stränge innerhalb der ihnen zugewiesenen Teilphasen im CCM betrieben werden oder höchstens einer davon innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase im BCM betreiben wird; oder – zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase (Ti) im DCM und zumindest einer der n Stränge innerhalb der ihm zugewiesenen Teilphase (Ti) im CCM betrieben wird.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the drive device ( 12 ) Is adapted to the drive signals (Gate0; Gate1, Gate2) (for the switches S0, S i) providing such a way that - at least one of the n strands within its allocated sub-phase (T i) in the discontinuous conduction mode (DCM), and at least one of the n strands within the sub-phase assigned to it is operated in the BCM or in the CCM; or - all n strands within the sub-phases assigned to them are operated in the CCM or at most one will operate within the sub-phase assigned to it in the BCM; or - at least one of the n strands within the sub-phase (T i ) assigned to it in the DCM and at least one of the n strands within the sub-phase (T i ) assigned to it is operated in the CCM. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Teilphase (Ti) zusammengesetzt ist aus einer On-Zeit (ton), in der der Wandlerschalter (S0) leitend geschaltet ist und zur Aufmagnetisierung der Wandlerinduktivität (L1) führt, und einer Off-Zeit (toffi), in der der Wandlerschalter (S0) nicht-leitend, jedoch der jeweilige i-te elektronische Schalter (Si) leitend geschaltet ist, und die entweder mit dem Abmagnetisieren der Wandlerinduktivität (L1) oder mit dem erneuten Leitendschalten des Wandlerschalters (S0) endet.Circuit arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that each partial phase (T i ) is composed of an on-time (t on ), in which the converter switch (S0) is turned on and leads to the magnetization of the Wandlerinduktivität (L1) , and an off-time (t offi ), in which the transducer switch (S0) non-conductive, but the respective i-th electronic switch (Si) is turned on, and with either the demagnetization of the Wandlerinduktivität (L1) or with the renewed Leitendschalten the converter switch (S0) ends. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (12) ausgelegt ist, die Ansteuersignale (Gate0; Gate1, Gate2) für alle beteiligten Schalter (S0; Si) derart bereitzustellen, dass die On-Zeiten (ton) konstant sind und die Off-Zeiten (toffi) variabel.Circuit arrangement according to Claim 3, characterized in that the drive device ( 12 Is designed), the drive signals (Gate0; Gate1, Gate2) (for all involved switch S0, provide S i) such that the on-time (t on) are constant and the off-times (t offi) is variable. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (12) ausgelegt ist, die Ansteuersignale (Gate0; Gate1, Gate2) für alle beteiligten Schalter (S0; Si) derart bereitzustellen, dass die On-Zeiten (ton) und die Off-Zeiten (toff) konstant sind.Circuit arrangement according to one of claims 3 or 4, characterized in that the drive device ( 12 Is designed), the drive signals (Gate0; Gate1, Gate2) (for all involved switch S0, provide S i) such that the on-time (t on) and the off-periods (t off) are constant. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (12) ausgelegt ist, die Ansteuersignale (Gate0; Gate1, Gate2) für alle beteiligten Schalter (S0; Si) derart bereitzustellen, dass die Summen aus den jeweiligen On-Zeiten (toni) und Off-Zeiten (toffi) für i = 1 bis n konstant sind.Circuit arrangement according to one of claims 3 to 5, characterized in that the drive device ( 12 Is designed), the drive signals (Gate0; Gate1, Gate2) (for all involved switch S0; S i) to provide in such a way that the sums of the respective on-times (t oni) and off-times (t offi) for i = 1 to n are constant. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (12) ausgelegt ist, zwei elektronische Schalter (Si, Sj) während der Leitendphase des Wandlerschalters (S0) gegenläufig umzuschalten.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the drive device ( 12 ) is designed to switch two electronic switches (Si, Sj) in opposite directions during the Leitendphase the converter switch (S0). Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerinduktivität (L1) als Transformator mit mindestens einer Primärwicklung (L1) und einer Sekundärwicklung (L2) realisiert ist. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Wandlerinduktivität (L1) is implemented as a transformer having at least one primary winding (L1) and a secondary winding (L2). Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem jeweiligen i-ten Ausgang (A11, A12; A21, A22) ein i-ter Kondensator (C1; C2) parallel geschaltet ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that an i-th capacitor (C1; C2) is connected in parallel with the respective i-th output (A11, A12; A21, A22). Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seriell zum Wandlerschalter (S0) ein Shunt-Widerstand (R0) gekoppelt ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a shunt resistor (R0) is coupled in series with the converter switch (S0). Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler als Flyback-Wandler, als Aufwärtswandler, als SEPIC oder als Drossel-Inverswandler ausgebildet ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the converter is designed as a flyback converter, as an up-converter, as a SEPIC or as a choke-inverted converter. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die i-te Last mindestens eine LED (D10 bis D15, D20 bis D24) umfasst, insbesondere eine Serienschaltung einer Vielzahl von LEDs (D10 bis D15, D20 bis D24) darstellt.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the i-th load comprises at least one LED (D10 to D15, D20 to D24), in particular a series circuit of a plurality of LEDs (D10 to D15, D20 to D24) represents. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass n = 2 beträgt.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that n = 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (12) ein D-Flip-Flop (10) umfasst, dessen Eingang mit dem Eingang des Wandlerschalters (S0) gekoppelt ist, wobei der Q-Ausgang des D-Flip-Flops (10) mit einem ersten elektronischen Schalter (S1) und der Q -Ausgang des D-Flip-Flops (10) mit einem zweiten elektronischen Schalter (S2) gekoppelt ist, wobei der D-Eingang des D-Flip-Flops (10) mit dem Q -Ausgang gekoppelt ist.Circuit arrangement according to claim 12, characterized in that the drive device ( 12 ) a D flip flop ( 10 ) whose input is coupled to the input of the converter switch (S0), the Q output of the D flip-flop ( 10 ) with a first electronic switch (S1) and the Q Output of the D flip-flop ( 10 ) is coupled to a second electronic switch (S2), wherein the D input of the D flip-flop ( 10 ) with the Q Output is coupled. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (12) ausgelegt ist, die Teilphasen (Ti) zu variieren, insbesondere wenn einer der Stränge einen vorgebbaren Temperaturschwellwert über- oder unterschritten hat.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the drive device ( 12 ) is designed to vary the partial phases (T i ), in particular if one of the strands has exceeded or fallen below a predefinable temperature threshold.
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