DE102014221554A1 - Pulse width modulated control of a clocked circuit with adjustable power transmission - Google Patents

Pulse width modulated control of a clocked circuit with adjustable power transmission Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verbesserung der Regel- und Steuerung dimmbarer Leuchtmittel bei Niedriglast. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Betriebsgerät (1) für Leuchtmittel, insbesondere Konverter für wenigstens eine LED, aufweisend eine Steuereinheit (14), die dazu ausgelegt ist, eine getaktete Schaltung (20), wie bspw. eine PFC-Schaltung, mittels eines gepulsten Signals (52) anzusteuern: – das sich in einem Dimmbereich oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch verändert, dass sich bei vorzugsweise fester Frequenz der Impulse die Einschaltzeitdauer ton der Impulse verändert, und – das sich in einem Dimmbereich unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch verändert, dass sich in Richtung niedriger Dimmwerte die Ausschaltzeitdauer toff der Impulse stufenweise erhöht und in den Bereichen konstanter Ausschaltzeitdauer die Einschaltzeitdauer ton kontinuierlich ändert und in den Bereich der Sprünge der Stufen der Ausschaltzeitdauer toff die Einschaltzeitdauer ton sprungweise erhöht.The present invention generally relates to improving the control of dimmable bulbs at low load. In this case, the present invention relates to an operating device (1) for lighting, in particular converter for at least one LED, comprising a control unit (14) which is adapted to a clocked circuit (20), such as. A PFC circuit by means of a pulsed signal (52): - which changes in a dimming range above a predetermined threshold, characterized in that changes at preferably fixed frequency of the pulses, the turn-on time ton of the pulses, and - which changes in a dimming range below a predetermined threshold thereby in the direction of low dimming values, the switch-off period toff of the pulses increases stepwise, and in the areas of constant switch-off time the switch-on time t1 continuously changes, and in the range of the steps of the switch-off time period toff the switch-on time period ton increases in steps.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Betriebsgerät für Leuchtmittel zur Durchführung des Verfahrens zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer getakteten Schaltung, insbesondere einer Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (PFC-Schaltung) im Einsatz bei Betriebsgeräten für Leuchtmittel, also beispielsweise zur direkten oder indirekten Ansteuerung einer LED-Strecke.The invention relates to a method and an operating device for lighting means for carrying out the method for the pulse width modulated control of a clocked circuit, in particular a power factor correction circuit (PFC circuit) in use in operating devices for lighting, so for example for direct or indirect control of an LED track.

Pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerungen basieren auf einer Modulationsart, bei der eine technische Größe (z. B. elektrische Spannung) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird bei konstanter Frequenz das Tastverhältnis (Impulsdauer zu Periodendauer) eines Rechteckpulses moduliert, also die Breite des ihn bildenden Impulses. Allerdings sind auch PWM-Ansteuerungen bekannt, bei denen sich die Frequenz der Impulse ändern kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird diese weitere Definition von PWM verwendet.Pulse width modulated (PWM) controls are based on a modulation type in which a technical quantity (eg electrical voltage) changes between two values. At constant frequency, the duty cycle (pulse duration to period duration) of a rectangular pulse is modulated, ie the width of the pulse forming it. However, PWM controls are also known in which the frequency of the pulses can change. In the context of the present invention, this further definition of PWM is used.

Ein reines pulsbreitenmoduliertes Signal wird beispielsweise erzeugt, indem ein linear an- oder absteigendes Signal (Dreieck- oder Sägezahnspannung) mit dem analogen Eingangssignal verglichen wird, das je nach seinem Wert eine kurze oder eine lange Zeit über diesem liegt. An den Schnittpunkten wird das Ausgangssignal zwischen zwei Logikpegeln umgeschaltet. Es hat damit wie ein Digitalsignal den Vorteil, dass es nur – hier: zwei – diskrete Werte annehmen kann, ist aber in seinem Tastverhältnis stufenlos veränderbar.For example, a pure pulse width modulated signal is generated by comparing a linearly rising or falling signal (triangular or ramp voltage) with the analog input signal, which is a short or long time above it, depending on its value. At the intersections, the output signal is switched between two logic levels. It thus has the advantage, like a digital signal, that it can only assume - here: two - discrete values, but is infinitely variable in its duty cycle.

Wenn also im Betrieb einer dimmbaren Beleuchtung durch eine Dimmwertvorgabe oder anderweitige Lastvorgabe eine geringere Lichtleistung vorgegeben wird, so wird gemäß dem Stand der Technik das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation (im weiteren als PWM-Modulation oder als PWM-Regelung bezeichnet) vorzugsweise bei konstanter Frequenz verringert, bis ein vorgegebener Minimalwert für die Zeit erreicht wird, bei der sich der erste Logikpegel eingestellt hat. Diese Zeit wird im Folgenden ton-Zeit genannt, da bis zu diesem Zeitpunkt typischerweise der (Last-)Schalter (z. B. ein FET) einer getakteten Schaltung (z. B. einer PFC-Schaltung) eingeschaltet ist. Der Minimalwert für ton alleine kann nicht unterschritten werden, da dieser durch physikalische Randbedingungen festgelegt ist (z. B. durch Auflösungs- und Regelungsgrenzen der zugeordneten Regelschaltung sowie durch die Zeitkonstanten von AD-Wandlern usw.).Thus, if a lower light output is specified by a dimming value specification or another load specification during operation of a dimmable illumination, the duty cycle of the pulse width modulation (hereinafter referred to as PWM modulation or PWM control) is preferably reduced at a constant frequency according to the prior art, until a predetermined minimum value is reached for the time at which the first logic level has settled. This time is called t on- time in the following, since up to this time typically the (load) switch (eg a FET) of a clocked circuit (eg a PFC circuit) is switched on. The minimum value for t on alone can not be undershot, since this is determined by physical boundary conditions (eg by resolution and control limits of the associated control circuit and by the time constants of AD converters, etc.).

Wenn also nach Erreichen des Minimalwertes der ton-Zeit eine weitere Lastverringerung erreicht werden soll, erfolgt dies nach derzeitigem Stand der Technik dadurch, daß die restliche Zeit der Periode, also bis zum Beginn des darauffolgenden Impulses, verlängert wird. Diese Zeit wird im Folgenden toff-Zeit genannt, da bis zu diesem Zeitpunkt der (Last-)Schalter ausgeschaltet ist. Durch Verlängerung der toff-Zeit ergibt sich ein Anstieg des sog. K-Faktors, welcher das Verhältnis der „Nicht-Stromflußzeit” geteilt durch „Stromflußzeit” angibt.If, after reaching the minimum value of the t on time, a further load reduction is to be achieved, this is done according to the current state of the art in that the remaining time of the period, that is, until the beginning of the subsequent pulse, is extended. This time is called t off time in the following, because up to this time the (load) switch is switched off. By extending the t off time, there is an increase in the so-called K-factor, which indicates the ratio of the "non-current flow time" divided by "current flow time".

In der PFC-Schaltungstechnik (”Power Factor Correction”, PFC) wird als Stromflußzeit diejenige Zeit bezeichnet, in der durch die eingangsseitige Induktivität Strom fließt (Lade- und Entladestrom IL). Als Nicht-Stromflußzeit wird diejenige Zeit bezeichnet, in der keinerlei Strom fließt.In PFC circuit technology ("Power Factor Correction", PFC), the time is designated as the current flow time in which current flows through the input-side inductance (charging and discharging current I L ). The non-current flow time is the time in which no current flows.

Während die PWM-Regelung in einem Bereich hoher Last ausschließlich eine ton-Zeit-Regelung zu bewältigen hat, muß in einem Bereich niedriger Last die ton-Zeit-Regelung auf dem ton-Minimalwert ”eingefroren” werden und auf eine Regelung durch Veränderung der Ausschaltzeitdauer toff gewechselt werden. Letzteres stellt sehr hohe Ansprüche an die Schaltungstechnik und ist ohne stetig wiederkehrender Fehler im Betriebsablauf nicht zu bewerkstelligen.While the PWM control has to deal with a t on- time control only in a high load range, in a low load range, the t on- time control must be "frozen" to the t on minimum value and set to closed loop Change the switch-off period t off to be changed. The latter places very high demands on the circuit technology and can not be achieved without constantly recurring errors in the operation.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Betriebsgerät zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer getakteten Schaltung, insbesondere einer Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (PFC-Schaltung) anzugeben, die ein problem- und störungsfreies Dimmen im Bereich niedriger bzw. sehr niedriger Last beliebiger Leucht-Strecken ermöglicht.The invention is therefore based on the object of specifying a method and an operating device for the pulse-width-modulated control of a clocked circuit, in particular a power factor correction circuit (PFC circuit), which ensures trouble-free and interference-free dimming in the range of low or very low load of any luminous element. Routes possible.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Durch die abhängigen Ansprüche wird der zentrale Gedanke der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weitergebildet.This object is solved according to the present invention by the features of the independent claims. By the dependent claims, the central idea of the invention is developed in a particularly advantageous manner.

Erfindungsgemäß wird ein Betriebsgerät für Leuchtmittel beansprucht, insbesondere ein Konverter für wenigstens eine LED, welcher eine Steuereinheit aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine getaktete Schaltung, wie bspw. eine PFC-Schaltung, mittels eines gepulstes Signal anzusteuern. Erfindungsgemäß verändert sich das Signal in einem Dimmbereich oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch, dass sich bei vorzugsweise fester Frequenz der Impulse die Einschaltzeitdauer ton der Impulse verändert, und in einem Dimmbereich unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch, dass sich in Richtung niedriger Dimmwerte die Ausschaltzeitdauer toff der Impulse stufenweise erhöht und in den Bereichen konstanter Ausschaltzeitdauer die Einschaltzeitdauer ton kontinuierlich ändert und in den Bereich der Sprünge der Stufen der Ausschaltzeitdauer toff die Einschaltzeitdauer Ton sprungweise erhöht.According to the invention, an operating device for lighting means is claimed, in particular a converter for at least one LED, which has a control unit which is designed to control a clocked circuit, such as, for example, a PFC circuit, by means of a pulsed signal. According to the invention, the signal changes in a dimming range above a predetermined threshold value in that the on-time period t on of the pulses changes at a preferably fixed frequency of the pulses, and in a dimming range below a predetermined threshold value due to the off-time period t off in the direction of lower dimming values the pulse increases gradually and in the areas of constant off period the on-time t on continuously changes and increases in the range of the jumps of the stages of the off period t off the turn-on time Ton by leaps.

Alternativ dazu wird ein Betriebsgerät für Leuchtmittel beansprucht, insbesondere ein Konverter für wenigstens eine LED, welcher eine Steuereinheit aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen dimmbaren Betrieb der Leuchtmittel anzusteuern, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, ein gepulstes Signal auszugeben. Dieses Signal verändert sich in einem Dimmbereich oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch, dass bei vorzugsweise fester Frequenz der Impulse die Einschaltzeitdauer ton der Impulse verändert wird. Ferner verändert sich das Signal in einem Dimmbereich unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch, dass in Richtung niedriger Dimmwerte die Ausschaltzeitdauer toff der Impulse zumindest teilweise kontinuierlich erhöht und die Einschaltzeitdauer ton kontinuierlich verringert wird. Alternatively, an operating device for lighting means is claimed, in particular a converter for at least one LED, which has a control unit which is designed to control a dimmable operation of the lighting means, wherein the control unit is adapted to output a pulsed signal. This signal changes in a dimming range above a predetermined threshold value in that, with a preferably fixed frequency of the pulses, the switch- on time duration t on of the pulses is changed. Furthermore, the signal in a dimming range below a predetermined threshold value changes in that the switch-off time period t off of the pulses increases at least partially continuously in the direction of low dimming values and the switch-on time period t on is reduced continuously.

Die Steuereinheit eines solchen Betriebsgerätes kann erfindungsgemäß einen PWM-Modulator aufweisen, dem ein Vorgabesignal für die Ausschaltzeitdauer toff der Impulse von einem Controller zugeführt wird, wobei der PWM-Modulator die Einschaltzeitdauer ton abhängig von einem Rückführsignal regelt, das einen Parameter des Betriebs der Leuchtmittel direkt oder indirekt wiedergibt.According to the invention, the control unit of such an operating device can have a PWM modulator to which a default signal for the switch-off period t off of the pulses is supplied by a controller, wherein the PWM modulator regulates the switch-on time t on as a function of a return signal which is a parameter of the operation of the Illuminant directly or indirectly reproduces.

Erfindungsgemäß weist der Controller eines solchen Betriebsgerätes eine Schnittstelle zur Entgegennahme eines Dimmsignals auf.According to the invention, the controller of such an operating device has an interface for receiving a dimming signal.

Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren beansprucht, zum Betrieb einer PFC-Schaltung für den Betrieb von Leuchtmitteln, insbesondere wenigstens einer LED, wobei der Schalter der PFC-Schaltung durch ein Signal getaktet wird. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem Dimmbereich oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts das Signal dadurch verändert, dass sich bei vorzugsweise fester Frequenz der Impulse die Einschaltzeitdauer ton der Impulse verändert.Furthermore, the invention claims a method for operating a PFC circuit for the operation of lighting means, in particular at least one LED, wherein the switch of the PFC circuit is clocked by a signal. This method is characterized in that in a dimming range above a predetermined threshold value, the signal changes in that, preferably at a fixed frequency of the pulses, the switch-on time t on of the pulses changes.

Weiterhin kann sich das getaktete Signal in einem Dimmbereich unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch verändern, dass sich in Richtung niedriger Dimmwerte die Ausschaltzeitdauer toff der Impulse stufenweise erhöht, in den Bereichen konstanter Ausschaltzeitdauer sich die Einschaltzeitdauer ton kontinuierlich ändert und in dem Bereich der Sprünge der Stufen der Ausschaltzeitdauer toff die Einschaltzeitdauer ton sprungweise erhöht.Furthermore, the clocked signal in a dimming range below a predetermined threshold value can change in that the switch-off time period t off of the pulses increases stepwise in the direction of low dimming values, in the areas of constant switch-off time duration the switch-on time duration t on changes continuously and in the range of jumps Stages of the switch-off period t off increases the switch-on time t on by a jump.

Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.Further advantages, features and characteristics of the present invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings.

1 zeigt ein Beleuchtungssystem mit einer aktiv getakteten Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC) nach einem möglichen Ausführungsbeispiel, 1 shows a lighting system with an actively clocked power factor correction circuit (PFC) according to a possible embodiment,

2 zeigt ein Schaltbild einer aktiv getakteten Leistungsfaktorkorrekturschaltung nach einem möglichen Ausführungsbeispiel, 2 shows a circuit diagram of an active clocked power factor correction circuit according to a possible embodiment,

3 zeigt Ströme und Spannungen zur Erläuterung der Funktionsweise der aktiv getakteten Leistungsfaktorkorrekturschaltung nach dem Ausführungsbeispiel von 2 in einem möglichen Betriebsmodus, 3 shows currents and voltages for explaining the operation of the active clocked power factor correction circuit according to the embodiment of 2 in a possible operating mode,

4 zeigt das Prinzip der einfachsten Ausführungsform einer Rückkopplungs-basierten PFC-Schaltung nach dem Stand der Technik, 4 shows the principle of the simplest embodiment of a feedback-based PFC circuit according to the prior art,

5 zeigt das Prinzip einer K-Faktor-basierten Rückkopplung einer PFC-Schaltung nach dem Stand der Technik, 5 shows the principle of a K-factor-based feedback of a PFC circuit according to the prior art,

6 zeigt den Puls-Verlauf einer K-Faktor-basierten PFC-Schaltung nach dem Stand der Technik, 6 shows the pulse course of a K-factor-based PFC circuit according to the prior art,

7 zeigt die Abhängigkeit von ton bzw. des K-Faktors von der Last bei einer PFC-Schaltung nach dem Stand der Technik, 7 shows the dependence of t on and the K-factor on the load in a PFC circuit according to the prior art,

8 zeigt das Prinzip einer externen K-Faktor-basierten Rückkopplung einer erfindungsgemäßen PFC-Schaltung, 8th shows the principle of an external K-factor-based feedback of a PFC circuit according to the invention,

9 zeigt die Abhängigkeit von ton bzw. des K-Faktors von der Last bei einer PFC-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. 9 shows the dependence of t on and the K-factor on the load in a PFC circuit according to the present invention.

Ein Anwendungsgebiet der Erfindung sind Betriebsgeräte mit Leistungsfaktorkorrektur. Eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Faktor Correction) wird eingesetzt, um Oberwellenströme in einem Eingangsstrom zu beseitigen bzw. zumindest zu verringern. Oberwellenströme können insbesondere bei nichtlinearen Verbrauchern, wie es beispielsweise Gleichrichter mit nachfolgender Glättung in Netzteilen sind, auftreten, da bei derartigen Verbrauchern der Eingangsstrom trotz der sinusförmigen Eingangsspannung in seiner Phase verschoben und nicht-sinusförmig verzerrt wird. Den dabei auftretenden höherfrequenten Oberschwingungen kann durch eine dem jeweiligen Gerät vorgeschaltete aktive oder getaktete Leistungsfaktorkorrekturschaltung entgegengewirkt werden.An application of the invention are power factor correction devices. Power Factor Correction (PFC) is used to eliminate or at least reduce harmonic currents in an input current. Harmonic currents can occur especially in non-linear consumers, such as rectifiers with subsequent smoothing in power supplies, since in such consumers, the input current is shifted in phase despite its sinusoidal input voltage and distorted non-sinusoidal. The occurring higher-frequency harmonics can be counteracted by an active or clocked power factor correction circuit upstream of the respective device.

Für Leistungsfaktorkorrekturschaltungen wird häufig eine Schaltungstopologie verwendet, die auf einem auch als Hochsetzsteller oder Aufwärtswandler bezeichneten Boost-Konverter beruht. Dabei wird eine mit einer gleichgerichteten Wechselspannung versorgte Induktivität oder Spule durch Einschalten/Ausschalten eines steuerbaren Schalters mit einem Eingangsstrom geladen bzw. entladen. Der Entladestrom der Induktivität fliesst über eine Diode zu dem mit einer Ausgangskapazität gekoppelten Ausgang des Konverters, so dass am Ausgang eine gegenüber der Eingangsspannung erhöhte Gleichspannung abgegriffen werden kann. Andere Konverterarten können ebenfalls verwendet werden. Leistungsfaktorkorrekturschaltungen können in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Insbesondere ist ein Betrieb mit einem kontinuierlichen Strom durch die zuvor erwähnte Induktivität (so genannter ”Continuous Conducton Mode”. CCM), ein Betrieb mit einem diskontinuierlichen Induktivitätsoder Spulenstrom (”Discontinuous Conduction Mode”, DCM) oder ein Betrieb im Grenzbereich zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Strom durch die Induktivität (”Borderline Conduction Mode” oder ”Boundary Conduction Mode”, BCM) bekannt. Beim BCM-Betrieb kann ein Abfallen des Spulenstroms auf Null während der Entladephase der Spule als Anlass dafür genommen, einen neuen Schaltzyklus zu starten und den Schalter wieder einzuschalten, um die Spule erneut zu laden. Über die Dauer der Zeit, während der der Schalter jeweils eingeschaltet ist, kann die Leistungsfaktorkorrekturschaltung gesteuert oder geregelt werden. Im DCM-Betrieb wird hingegen nach einem Nulldurchgang des Spulenstroms während der Entladephase zunächst eine vorgegeben zusätzliche Wartezeit abgewartet werden, bis der Schalter erneut geschlossen wird.Power factor correction circuits often employ a circuit topology based on a boost converter, also referred to as a boost converter or up-converter. In this case, a supplied with a rectified AC voltage inductance or coil through Turning on / off a controllable switch is charged or discharged with an input current. The discharge current of the inductor flows via a diode to the output coupled to an output capacitance of the converter, so that at the output a relative to the input voltage increased DC voltage can be tapped. Other converter types can also be used. Power factor correction circuits can operate in various modes of operation. In particular, continuous current mode operation by the aforementioned continuous conduction mode (CCM), discontinuous conduction mode (DCM) operation, or continuous state to discontinuous operation Current through the inductance ("Borderline Conduction Mode" or "Boundary Conduction Mode", BCM) known. In BCM operation, a fall in coil current to zero during the discharge phase of the coil may be taken as an opportunity to start a new switching cycle and turn the switch back on to recharge the coil. Over the duration of the time that the switch is turned on, the power factor correction circuit can be controlled or regulated. In DCM operation, on the other hand, after a zero crossing of the coil current during the discharge phase, a predetermined additional waiting time is initially waited until the switch is closed again.

Die DE 10 2004 025 597 A1 beschreibt eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung, bei der während der Ausschalt-Zeitdauer des Schalters eine Ausgangs-Gleichspannung hergeleitet wird.The DE 10 2004 025 597 A1 describes a power factor correction circuit in which an output DC voltage is derived during the switch-off period of the switch.

Bei einem Betrieb einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung im DCM-Modus kann die Wartezeit vor einem erneuten Einschalten des Wandlers abhängig von einer Last, d. h. abhängig von einer Ausgangsleistung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung, gewählt werden, um eine vorgegebene Busspannung zu halten. Wird der Schalter unmittelbar nach Ablauf dieser Zeit wieder eingeschaltet, kann dies zu Irregularitäten im Spulenstrom führen. Wird der Einschaltzeitpunkt nur abhängig von der vorgegebenen Wartezeit und unabhängig vom Verhalten der Leistungsfaktorkorrekturschaltung gewählt, kann auch eine erhöhte Dissipation und somit ein Erwärmen des Schaltmittels auftreten. Aufgabe ist, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, die Verbesserungen im Hinblick auf die genannten Probleme bieten. Aufgabe ist, Verfahren und Vorrichtungen zur Leistungsfaktorkorrektur anzugeben, bei denen ein Betrieb über einen grösseren Bereich von Lasten möglich ist. Aufgabe ist auch, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, bei denen das dynamische Verhalten der Leistungsfaktorkorrekturschaltung während des Zeitraums, in dem der Schalter im Aus-Zustand ist, bei der Bestimmung des Einschaltzeitpunkts berücksichtigt werden kann.In an operation of a power factor correction circuit in the DCM mode, the waiting time before a restart of the converter depending on a load, i. H. depending on an output power of the power factor correction circuit, are selected to hold a predetermined bus voltage. If the switch is turned on again immediately after this time has elapsed, this can lead to irregularities in the coil current. If the switch-on time is selected only as a function of the predetermined waiting time and independently of the behavior of the power factor correction circuit, increased dissipation and thus heating of the switching means can also occur. The object is to provide methods and devices which offer improvements with regard to the aforementioned problems. The object is to provide methods and devices for power factor correction, in which a operation over a wider range of loads is possible. The object is also to provide methods and devices in which the dynamic behavior of the power factor correction circuit during the period in which the switch is in the off state, can be taken into account in the determination of the switch-on.

Bei Verfahren und Vorrichtungen nach Ausführungsbeispielen kann eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung für ein Leuchtmittel in mehreren Betriebsmodi betrieben werden. Abhängig von einer Last, die beispielsweise über die Ausgangsleistung detektiert werden kann, kann ein Betriebsmodus aus mehreren Betriebsmodi ausgewählt werden. In einem ersten Betriebsmodus, der ein DCM-Betriebsmodus sein kann, wird eine Mindestwartezeit zwischen dem Ausschalten des Schaltmittels und einem erneuten Einschalten des Schaltmittels bestimmt. Ein Einschaltzeitpunkt für das Schaltmittel wird nicht nur abhängig von der Mindestwartezeit, sondern auch abhängig von einer über das Schaltmittel abfallenden Spannung festgelegt. Dies erlaubt eine Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Leistungsfaktorkorrekturschaltung während des Aus-Zustands des Schaltmittels zur Bestimmung des Einschaltzeitpunkts. Bei einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung nach einem Ausführungsbeispiel ist eine Steuereinrichtung ausgestaltet, um das entsprechende Verfahren auszuführen.In methods and apparatuses of embodiments, a power factor correction circuit for a lighting device may be operated in a plurality of operating modes. Depending on a load that can be detected, for example, via the output power, an operating mode can be selected from a plurality of operating modes. In a first mode of operation, which may be a DCM mode of operation, a minimum waiting time between turning off the switching means and turning the switching means back on is determined. A switch-on time for the switching means is determined not only as a function of the minimum waiting time but also as a function of a voltage drop across the switching means. This allows consideration of the dynamic behavior of the power factor correction circuit during the off state of the switching means for determining the switch-on time. In a power factor correction circuit according to an embodiment, a controller is configured to execute the corresponding method.

Das Schaltmittel kann ein Leistungsschalter, insbesondere ein FET oder MOSFET sein, und die über das Schaltmittel abfallende Spannung kann die Drain-Source-Spannung des Leistungsschalters sein, während der Leistungs-Schalter in den Aus-Zustand geschaltet ist.The switching means may be a power switch, in particular a FET or MOSFET, and the voltage dropped across the switching means may be the drain-source voltage of the power switch while the power switch is switched to the off-state.

Die Steuereinrichtung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung kann den Einschaltzeitpunkt abhängig von dem zeitabhängigen Verhalten der über die Drain-Source-Strecke des Leistungsschalters abfallenden Spannung festlegen. Die Steuereinrichtung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung kann Zeitfenster definieren, die zulässigen Einschaltzeiten entsprechen und die jeweils bei den Zeiten liegen, an denen die über die Drain-Source-Strecke des Leistungsschalters abfallenden Spannung sich einem lokalen Minimum nähert oder dieses durchläuft. D. h., der Schalter wird nur eingeschaltet, wenn nicht nur die Mindestwartezeit abgelaufen ist, sondern sich die Spannung am Schaltmittel in einem ”Tal” befindet. Eine solche Vorgehensweise wird auch als ”Valley Switching” bezeichnet. Die Steuereinrichtung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung kann Informationen über die Spannung an der Drain-Source-Strecke des Schaltmittels bzw. dessen Veränderung auf verschiedene Weise erhalten. Bei einer Ausgestaltung kann der durch die Induktivität der Leistungsfaktorkorrekturschaltung fliessende Strom erfasst und der Zeitpunkt, an dem die Spannung an der Drain-Source-Strecke des Schaltmittels ein Extremum aufwiest, abhängig von einem Vergleich des Stroms durch die Spule mit einem Referenzwert bestimmt werden. Der Steuereinrichtung kann ein entsprechendes Messsignal zugeführt werden, das den Strom in der Spule bzw. dessen Nulldurchgänge anzeigt. Das Messsignal kann so erzeugt werden, dass es Nulldurchgänge des Spulenstroms und deren Richtung anzeigt. Ein lokales Minimum bzw. Tal der Spannung am Schaltmittel kann abhängig von einem Nulldurchgang des Spulenstroms in einer bestimmten Richtung erkannt werden.The control device of the power factor correction circuit can set the switch-on time as a function of the time-dependent behavior of the voltage drop across the drain-source path of the circuit breaker. The power factor correction circuit controller may define time slots corresponding to allowable turn-on times, each at the times when the voltage drop across the drain-source path of the circuit breaker approaches or passes through a local minimum. That is, the switch is only turned on when not only the minimum waiting time has expired, but the voltage at the switching means is in a "valley". Such an approach is also referred to as valley switching. The power factor correction circuit controller may obtain information about the voltage at the drain-source path of the switching means or its variation in various ways. In one embodiment, the current flowing through the inductance of the power factor correction circuit can be detected and the time at which the voltage at the drain-source path of the switching means exhibits an extremum can be determined by comparing the current through the coil with a reference value. The control device can be a corresponding Measuring signal are supplied, indicating the current in the coil or its zero crossings. The measurement signal can be generated so that it indicates zero crossings of the coil current and their direction. A local minimum or valley of the voltage at the switching means can be detected depending on a zero crossing of the coil current in a certain direction.

Zur Detektion des Nulldurchgangs des Stroms kann eine entsprechende Erfassungsschaltung vorgesehen sein, mit der beispielsweise über eine Windung der Spulenstroms erfasst und mit einem Referenzwert verglichen wird.For detecting the zero crossing of the current, a corresponding detection circuit can be provided, with which, for example, over one turn of the coil current is detected and compared with a reference value.

Die Steuereinrichtung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung kann abhängig von der Last bzw. Ausgangsleistung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung einen Übergang zwischen dem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus vornehmen. Der zweite Betriebsmodus kann ein CCM-Betrieb oder BCM-Betrieb sein. Im zweiten Betriebsmodus kann die Leistungsfaktorkorrekturschaltung durch Einstellen der Ein-Zeit, während der das Schaltmittel jeweils eingeschaltet wird, gesteuert oder geregelt werden. Im ersten Betriebsmodus kann die Leistungsfaktorkorrekturschaltung durch Einstellen der Mindestwartezeit gesteuert oder geregelt werden. Im ersten Betriebsmodus kann die Ein-Zeit, während der das Schaltmittel jeweils eingeschaltet wird, gleich Wert gewählt werden, der dem Minimalwert der in dem zweiten Betriebsmodus zulässigen Ein-Zeiten entspricht. Die Mindestwartezeit kann nur im ersten Betriebsmodus für die Steuerung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung definiert und verwendet werden.The power factor correction circuit controller may make a transition between the first operation mode and a second operation mode depending on the load of the power factor correction circuit. The second mode of operation may be CCM operation or BCM operation. In the second mode of operation, the power factor correction circuit can be controlled by adjusting the on-time during which the switching means is turned on, respectively. In the first mode of operation, the power factor correction circuit may be controlled or regulated by setting the minimum wait time. In the first operation mode, the on-time during which the switching means is respectively turned on may be set equal to the value corresponding to the minimum value of the on-times permitted in the second operation mode. The minimum wait time can only be defined and used in the first power factor correction circuit control mode.

Wenn die Steuereinrichtung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung erkennt, dass die Last bzw. Ausgangsleistung unter einen Schwellenwert abfällt, kann die Steuereinrichtung automatisch vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus wechseln.When the power factor correction circuit controller detects that the load drops below a threshold, the controller may automatically change from the second mode of operation to the first mode of operation.

Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung nach Ausführungsbeispielen kann insbesondere zur Leistungsfaktorkorrektur für einen Wechselspannung/Gleichspannung-Wandler verwendet werden, so dass es sich in diesem Fall bei der Eingangsspannung um eine gleichgerichtete Wechselspannung und bei der Ausgangsspannung um eine Gleichspannung handelt. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung nach Ausführungsbeispielen kann gemäss der Topologie eines Boost-Konverters aufgebaut sein, so dass der Entladestrom der Induktivität über eine Diode dem mit einer Ausgangskapazität gekoppelten Ausgangsanschluss zugeführt wird. Die beschriebenen Verfahren und Ausgestaltungen sind auch auf andere Konverter-Topologien anwendbar. Bei jedem der Ausführungsbeispiele kann im ersten Betriebsmodus, beispielsweise im DCM-Betriebsmodus, ein Einschaltzeitpunkt so gewählt werden, dass kumulativ die folgenden drei Bedingungen erfüllt sind: die Mindestwartezeit ist abgelaufen; der Strom durch die Induktivität ist an einem Nulldurchgang; und die Drain-Source-Spannung des Schaltmittels ist auf ein lokales Minimum abgefallen.The power factor correction circuit according to embodiments can be used in particular for power factor correction for an AC / DC converter, so that in this case the input voltage is a rectified AC voltage and the output voltage is a DC voltage. The power factor correction circuit according to embodiments may be constructed according to the topology of a boost converter, so that the discharge current of the inductance is supplied via a diode to the output terminal coupled to an output capacitance. The described methods and embodiments are also applicable to other converter topologies. In each of the embodiments, in the first operation mode, for example, in the DCM operation mode, a turn-on time may be selected to cumulatively satisfy the following three conditions: the minimum wait time has elapsed; the current through the inductor is at a zero crossing; and the drain-source voltage of the switching means has dropped to a local minimum.

Die Steuereinrichtung kann in Form einer integrierten Schaltung, insbesondere einer anwendungsspezifischen Spezialschaltung (ASIC, ”Application Specific Integrated Circuit”), ausgestaltet sein. Die Steuereinrichtung kann einen gemeinsamen Messeingang zum Erfassen einer dem Spulenstrom bzw. einem Nulldurchgang dieses Stroms entsprechenden Messgrösse aufweisen, die auch zur Bestimmung der Zeitfenster verwendet wird, die einem lokalen Minimum bzw. der über das Schaltmittel abfallenden Spannung entsprechen.The control device may be in the form of an integrated circuit, in particular an application-specific special circuit (ASIC, "application-specific integrated circuit"). The control device can have a common measuring input for detecting a measured variable corresponding to the coil current or a zero crossing of this current, which is also used to determine the time windows which correspond to a local minimum or the voltage dropped across the switching means.

Verfahren und Leistungsfaktorkorrekturschaltung können bei einem Betriebsgerät für ein Leuchtmittel, beispielsweise für ein elektronisches Vorschaltgerät für Fluoreszenzleuchtmittel oder für einen LED-Konverter verwendet werden. Bei diesem Anwendungsfall ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, dass eine Anpassung über einen weiten Bereich unterschiedlicher Leistungsniveaus oder Komponenten des jeweils verwendeten Betriebsgerät möglich ist und dabei energieeffizientes Schalten auch in einem DCM-Betriebsmodus erreicht wird.Method and power factor correction circuit can be used in a lighting device, for example, for a fluorescent lamp electronic ballast or for an LED converter. In this application, embodiments of the invention allow adaptation over a wide range of different power levels or components of the particular operating equipment used, and thereby energy-efficient switching is achieved even in a DCM operating mode.

1 zeigt eine Blockdiagrammdarstellung eines Beleuchtungssystems 1, das ein Betriebsgerät 2 und ein von diesem betriebenes Leuchtmittel 3, beispielsweise eine oder mehrere LEDs oder OLEDs aufweist. Das Betriebsgerät 2 kann mit einem Bus 4 oder einem Drahtloskommunikationssystem verbunden sein, um Dimmbefehle zu empfangen und/oder Statusmeldungen auszugeben. 1 shows a block diagram representation of a lighting system 1 that is a control gear 2 and a light source operated by this 3 , For example, one or more LEDs or OLEDs has. The operating device 2 can with a bus 4 or a wireless communication system to receive dimming commands and / or to issue status messages.

Das Betriebsgerät 2 kann beispielsweise als elektronisches Vorschaltgerät (EVG) für eine Gasentladungslampe, Leuchtstofflampe oder ein anderes Fluoreszenzleuchtmittel oder als LED-Konverter ausgestaltet sein. Das Betriebsgerät 2 weist einen Gleichrichter 10 zum Gleichrichten einer Versorgungsspannung, beispielsweise der Netzspannung auf. Das Betriebsgerät 2 weist eine Schaltung 1 zur Leistungsfaktorkorrektur mit zugeordneter Steuereinrichtung 14 auf.The operating device 2 For example, it can be configured as an electronic ballast (ECG) for a gas discharge lamp, fluorescent lamp or another fluorescent lamp or as an LED converter. The operating device 2 has a rectifier 10 for rectifying a supply voltage, for example the mains voltage. The operating device 2 has a circuit 1 for power factor correction with associated control device 14 on.

Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung stellt eine Ausgangsspannung für nachgeschaltete Komponenten des Betriebsgeräts 2 bereit, die auch als Busspannung Vbus bezeichnet wird. Eine weitere Spannungsumsetzung und/oder Dimmfunktionen können beispielsweise über einen DC/DC-Wandler 12, der als LLC-Resonanzwandler ausgestaltet sein kann, und/oder einen Ausgangstreiber 13 erreicht werden.The power factor correction circuit provides an output voltage for downstream components of the operating device 2 ready, which is also called bus voltage Vbus. Another voltage conversion and / or dimming functions, for example via a DC / DC converter 12 which are configured as LLC resonant converter can, and / or an output driver 13 be achieved.

Die Funktionsweise der Leistungsfaktorkorrekturschaltung und ihrer Steuereinrichtung 14 wird unter Bezugnahme auf 2 und 3 ausführlicher beschrieben.The operation of the power factor correction circuit and its controller 14 is referring to 2 and 3 described in more detail.

Allgemein kann die Steuereinrichtung 14 die Leistungsfaktorkorrekturschaltung in mehrere Betriebsmodi steuern, die wenigstens einen DCM(”Discontinuous Conduction Mode”)-Betriebsmodus als ersten Betriebsmodus und einen zweiten Betriebsmodus umfassen. Der zweite Betriebsmodus kann ausgewählt sein aus einem CCM(”Continuous Conduction Mode”)-Betriebsmodus und einem BCM(”Borderline Conduction Mode” oder ”Boundary Conduction Mode”)-Betriebsmodus. Im ersten Betriebsmodus kann eine Anpassung an unterschiedliche Last bzw. unterschiedliche Ausgangsleistung dadurch erreicht werden, dass eine Mindestwartezeit eingestellt wird, die zwischen dem Ausschalten eines Schaltmittels und dem erneuten Einschalten vergehen muss. Die Steuereinrichtung 14 steuert dabei das Schaltmittel so, dass nicht nur der Ablauf der Mindestwartezeit in das Kriterium zum Einschalten des Schaltmittels eingeht, sondern zusätzlich das zeitabhängige Verhalten der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung berücksichtigt wird. Das Schaltmittel kann abhängig davon wieder eingeschaltet werden, ob die Mindestwartezeit abgelaufen und eine Drain-Source-Spannung des Schaltmittels ein bestimmtes Kriterium erfüllt. Das Kriterium kann beinhalten, dass die Drain-Source-Spannung des Schaltmittels einen lokalen Minimalwert als Funktion der Zeit erreicht. Dieses Kriterium kann überprüft werden, indem der Steuereinrichtung 14 eine Größe zugeführt wird, die Informationen über Nulldurchgänge des Stroms in einer Spule der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung beinhaltet.Generally, the control device 14 controlling the power factor correction circuit into a plurality of operating modes including at least one DCM (Discontinuous Conduction Mode) mode of operation as a first mode of operation and a second mode of operation. The second mode of operation may be selected from a Continuous Conduction Mode (CCM) mode of operation and a Borderline Conduction Mode or Boundary Conduction Mode (BCM) mode of operation. In the first mode of operation, adaptation to different load or output power can be achieved by setting a minimum wait time that must elapse between turning off a switching means and turning it back on. The control device 14 controls the switching means so that not only the expiration of the minimum waiting time is included in the criterion for switching on the switching means, but also the time-dependent behavior of the power factor correction circuit is taken into account. The switching means can be switched on again depending on whether the minimum waiting time has expired and a drain-source voltage of the switching means fulfills a specific criterion. The criterion may include that the drain-source voltage of the switching means reaches a local minimum value as a function of time. This criterion can be checked by the controller 14 a magnitude is supplied which includes information about zero crossings of the current in a coil of the power factor correction circuit.

2 ist ein Schaltbild der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 20 nach einem Ausführungsbeispiel. Eine Versorgungs-Wechselspannung, beispielsweise die Netzspannung, wird von einem (in 2 nicht dargestellten) Gleichrichter in eine gleichgerichtete Wechselspannung umgesetzt, die als Eingangs-Wechselspannung Vin zwischen einem Eingangsanschluss der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 20 und Masse anliegt. Die Eingangs-Wechselspannung Vin wird einer Induktivität oder Spule 21 zugeführt. Die Induktivität 21 ist mit einer Diode 22 zwischen den Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss 27 der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung 20 in Serie geschaltet. An dem mit einem Ladekondensator 23 gekoppelten Ausgangsanschluss 27 wird eine Ausgangs-Gleichspannung Vout bereitgestellt. Zwischen die Induktivität 21 und Masse kann ein weiterer Kondensator 25 geschaltet sein, der parallel zu einer Serienschaltung aus Schalter 24 und Widerstand 26 geschaltet ist. Der Kondensator 25 kann mit demselben Anschluss der Diode 22 verbunden sein, mit dem auch die Induktivität 21 verbunden ist. 2 is a circuit diagram of the power factor correction circuit 20 according to an embodiment. A supply AC voltage, for example the mains voltage, is supplied by a (in 2 not shown) rectifier converted into a rectified AC voltage, as the input AC voltage Vin between an input terminal of the power factor correction circuit 20 and mass is applied. The input AC voltage Vin becomes an inductance or coil 21 fed. The inductance 21 is with a diode 22 between the input terminal and an output terminal 27 the power factor correction circuit 20 connected in series. At the one with a charging capacitor 23 coupled output terminal 27 an output DC voltage Vout is provided. Between the inductance 21 and ground can be another capacitor 25 be connected in parallel with a series circuit of switches 24 and resistance 26 is switched. The capacitor 25 can with the same connection of the diode 22 be connected, with which also the inductance 21 connected is.

Die Ausgangs-Gleichspannung Vout dient zur Versorgung einer Last, der die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 20 vorgeschaltet ist. Bei der Last kann es sich beispielsweise um Komponenten eines Betriebsgeräts für ein Leuchtmittel wie beispielsweise eine Leuchtstofflampe, eine Halogen-Lampe, eine Leuchtdiodenanordnung etc. handeln. Die Last kann einen LLC-Resonanzwandler mit Potentialtrennung umfassen.The DC output voltage Vout serves to supply a load including the power factor correction circuit 20 upstream. By way of example, the load may be components of an operating device for a lighting device such as, for example, a fluorescent lamp, a halogen lamp, a light-emitting diode arrangement, etc. The load may include an LLC resonant converter with potential isolation.

An die Verbindung zwischen der Induktivität 21 und der Diode 22 ist ein steuerbarer elektronischer Schalter 24 angeschlossen, der ein Leistungsschalter ist und der beispielsweise als Feldeffekttransistor (FET), insbesondere als MOSFET, ausgebildet sein kann. Der Schalter 24 kann über einen Widerstand 26 mit Masse verbunden sein, wobei der Widerstand 26 als Shunt-Widerstand dienen kann. Der Schalter 24 wird von der Steuereinrichtung 14 der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 20 mittels eines gepulsten Signals in den Ein-Zustand und den Aus-Zustand geschaltet. Die Steuereinrichtung 14 weist einen entsprechenden Ausgang 41 zum Aussteuern eines Steuersignals auf, mit dem beispielsweise die Gatespannung des Schalters 24 direkt oder indirekt (bspw. über eine Treiberschaltung) kontrolliert werden kann.To the connection between the inductance 21 and the diode 22 is a controllable electronic switch 24 connected, which is a circuit breaker and, for example, as a field effect transistor (FET), in particular as a MOSFET, may be formed. The desk 24 can have a resistance 26 be connected to ground, with the resistance 26 can serve as a shunt resistor. The desk 24 is from the controller 14 the power factor correction circuit 20 switched to the on state and the off state by means of a pulsed signal. The control device 14 has a corresponding output 41 for controlling a control signal with, for example, the gate voltage of the switch 24 can be controlled directly or indirectly (eg via a driver circuit).

Im eingeschalteten Zustand des Schalters 24 ist die Induktivität 21 über den Schalter 24 mit Masse verbunden, wobei die Diode 8 sperrt, so dass die Induktivität 21 aufgeladen und Energie in der Induktivität 21 gespeichert wird. Ist hingegen der Schalter 24 ausgeschaltet, d. h. offen, ist die Diode 22 leitend, so dass sich die Induktivität 21 über die Diode 22 in den Ladekondensator 23 entladen kann und die in der Induktivität 21 gespeicherte Energie in den Ladekondensator 23 übertragen wird.In the switched-on state of the switch 24 is the inductance 21 over the switch 24 connected to ground, the diode 8th locks so that the inductance 21 charged and energy in inductance 21 is stored. Is, however, the switch 24 off, ie open, is the diode 22 conductive, so that the inductance 21 over the diode 22 in the charging capacitor 23 can discharge and in the inductance 21 stored energy in the charging capacitor 23 is transmitted.

Der Schalter 24 wird von einer Steuereinrichtung 14 angesteuert, die in Form einer integrierten Schaltung, insbesondere als ASIC, ausgestaltet sein kann. Die Leistungsfaktorkorrektur wird durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des Schalters 24 erzielt, wobei die Schaltfrequenz für den Schalter 24 viel grösser als die Frequenz der gleichgerichteten Eingangs-Wechselspannung Vin ist. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 20 kann als Boost-Konverter arbeiten. Der Steuereinrichtung 14 können verschiedene Messgrössen zugeführt werden, die zur Steuerung oder Regelung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 20 oder anderer Komponenten des Betriebsgeräts ausgewertet werden können. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 14 über einen Spannungsteiler mit Widerständen 36, 37 die Ausgangsspannung erfassen.The desk 24 is from a controller 14 controlled, which may be configured in the form of an integrated circuit, in particular ASIC. The power factor correction is made by repeatedly turning the switch on and off 24 achieved, with the switching frequency for the switch 24 is much larger than the frequency of the rectified input AC voltage Vin. The power factor correction circuit 20 can work as a boost converter. The control device 14 For example, different measured quantities can be supplied which are used to control or regulate the power factor correction circuit 20 or other components of the operating device can be evaluated. For example, the control device 14 over one Voltage divider with resistors 36 . 37 detect the output voltage.

Der Steuereinrichtung 14 kann auch eine Messgröße zugeführt werden, die anzeigt, wann ein Strom lL in der Induktivität 21 einen Nulldurchgang aufweist bzw. mit welchem Vorzeichen der Nulldurchgang erfolgt. Die entsprechende Erfassungsschaltung kann eine Windung 31 oder kleine Spule 31, die induktiv mit der Induktivität 21 gekoppelt ist, aufweisen. Die Windung 31 ist über eine Diode 32 und einen Widerstand 33 mit einem Knoten verbunden, der über einen weiteren Widerstand 34 mit einem Knoten zwischen dem Schalter 24 und dem Widerstand 26 verbunden ist. Das Signal am Eingang 42 der Steuereinrichtung 14 zeigt Nulldurchgänge des Stroms lL in der Induktivität 21 insbesondere in den Zeitperioden, in denen der Schalter 24 in den Aus-Zustand geschaltet ist, an.The control device 14 It is also possible to supply a measured variable which indicates when a current I L in the inductance 21 has a zero crossing or with which sign the zero crossing occurs. The corresponding detection circuit may be one turn 31 or small coil 31 that is inductive with the inductance 21 is coupled. The turn 31 is over a diode 32 and a resistance 33 connected to a node that has another resistance 34 with a node between the switch 24 and the resistance 26 connected is. The signal at the entrance 42 the control device 14 shows zero crossings of the current I L in the inductance 21 especially in the time periods in which the switch 24 is switched to the off state, on.

Die Steuereinrichtung 14 erzeugt das gepulste Steuersignal, um zyklisch den Schalter 24 in den Ein-Zustand (leitenden Zustand) bzw. den Aus-Zustand (nichtleitenden Zustand) zu schalten. Dies kann auf unterschiedliche Weise geschehen, insbesondere abhängig von einer Last bzw. Ausgangsleistung. Bei höheren Lasten bzw. Ausgangsleistungen wird ein zweiter Betriebsmodus verwendet, der ein BCM-Betrieb oder CCM-Betrieb sein kann. Die Zeitdauer, während der der Schalter 24 jeweils eingeschaltet wird, kann dabei eingestellt werden, um die Ausgangsspannung auf einem Sollwert zu halten. Die Zeitdauer, während der der Schalter 24 jeweils eingeschaltet wird, kann abhängig von einer Last bzw. Ausgangsleistung am Ausgang 27 gewählt werden. Solange die Last bzw. Ausgangsleistung grösser als ein Schwellenwert ist, kann durch Erniedrigung der Ein-Zeit, d. h. Zeitdauer, während der der Schalter 24 jeweils eingeschaltet wird, eine Anpassung des Betriebs vorgenommen werden. Wenn die Last bzw. Ausgangsleistung den Schwellenwert erreicht, kann ein erster Betriebsmodus aktiviert werden, der ein DCM-Betrieb ist. Dabei wird nach dem Schalten des Schalters 24 in den Aus-Zustand nicht unmittelbar der Schalter 24 wieder eingeschaltet, wenn der Strom lL in der Induktivität 21 auf Null abgefallen ist, sondern es ist eine bestimmte Mindestwartezeit vorgesehen. Die Ein-Zeit kann im DCM-Betrieb auf einem vorgegebenen festen Wert gehalten werden, der der kleinste im BCM-Betrieb für die Ein-Zeit wählbare Wert sein kann. Eine Anpassung an unterschiedliche Lasten bzw. Ausgangsleistungen kann im ersten Betriebsmodus, d. h. im DCM-Betrieb, durch Anpassung der Mindestwartezeit erfolgen.The control device 14 generates the pulsed control signal to cycle the switch 24 in the on state (conductive state) and the off state (non-conductive state) to switch. This can be done in different ways, in particular depending on a load or output power. At higher loads or outputs, a second mode of operation is used, which may be BCM operation or CCM operation. The length of time during which the switch 24 is turned on, can be set to keep the output voltage to a setpoint. The length of time during which the switch 24 is switched on, depending on a load or output power at the output 27 to get voted. As long as the load or output power is greater than a threshold value, by lowering the on-time, ie duration, during which the switch 24 is switched on, an adjustment of the operation can be made. When the load reaches the threshold, a first mode of operation, which is DCM operation, may be activated. This is after switching the switch 24 in the off state not immediately the switch 24 switched back on when the current l L in the inductance 21 has fallen to zero, but it is a certain minimum waiting time provided. The on-time can be maintained at a predetermined fixed value in DCM operation, which may be the minimum value selectable for on-time in BCM operation. An adaptation to different loads or output power can be done in the first operating mode, ie in DCM mode, by adjusting the minimum waiting time.

Nebenbei bemerkt wird im ersten Betriebsmodus, d. h. im DCM-Betrieb, ein Einschaltzeitpunkt für den Schalter nicht nur entsprechend der Mindestwartezeit festgelegt, sondern auch abhängig von dem zeitabhängigen Verhalten des Stroms lL durch die Induktivität 21 und abhängig von dem zeitabhängigen Verhalten der Spannung, die zwischen Drain-Anschluss und Source-Anschluss des Schalters 24 abfällt.Incidentally, in the first operation mode, that is, in the DCM operation, a switch-on time for the switch is set not only according to the minimum wait time but also depending on the time-dependent behavior of the current I L through the inductance 21 and depending on the time-dependent behavior of the voltage between the drain terminal and the source terminal of the switch 24 drops.

3 illustriert die Steuerung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 20 durch die Steuereinrichtung 14 in dem zweiten Betriebsmodus, der beispielhaft als BCM-Betrieb dargestellt ist. Durch die Gatespannung Vg am Schalter 24 wird der Schalter in den Ein-Zustand und in den Aus-Zustand geschaltet. Wenn der Schalter in den Aus-Zustand geschaltet wird, entlädt sich die Induktivität 21 und der Spulenstrom IL 51 nimmt ab. Im BCM-Betrieb kann ein neuer Einschaltvorgang dadurch ausgelöst werden, dass der Strom IL 51 bei 54 auf Null abfällt oder einen Nulldurchgang aufweist. Durch das entsprechende Steuersignal 52 wird der Schalter 24 dann wieder eingeschaltet, um die Induktivität 21 erneut zu laden. Im BCM-Betrieb kann die Ein-Zeit 55 angepasst werden, um die Busspannung für unterschiedliche Lasten und/oder Ausgangsleistungen stabil zu halten. Ebenfalls in 3 dargestellt ist die Spannung 53, die zwischen Drain-Anschluss und Source-Anschluss des Schalters 24 im BCM-Betrieb abfällt. Während in 3 beispielhaft ein BCM-Betrieb illustriert ist, kann der zweite Betriebsmodus, der bei größeren Lasten und/oder größeren Ausgangsleistungen aktiviert werden kann, auch ein CCM-Betrieb sein. Im CCM-Betrieb kann das Einschalten des Schalters 24 ausgelöst werden, wenn der Strom lL durch die Induktivität 21 einen von Null verschiedenen Referenzwert erreicht. 3 illustrates the control of the power factor correction circuit 20 by the control device 14 in the second mode of operation, exemplified as BCM operation. By the gate voltage Vg at the switch 24 the switch is switched to the on state and the off state. When the switch is switched to the off state, the inductor discharges 21 and the coil current I L 51 decreases. In BCM operation, a new switch-on process can be triggered by the fact that the current I L 51 at 54 falls to zero or has a zero crossing. By the appropriate control signal 52 becomes the switch 24 then turned back on to the inductor 21 reload. In BCM operation, the on-time 55 be adapted to keep the bus voltage for different loads and / or output power stable. Also in 3 shown is the voltage 53 that is between the drain terminal and the source terminal of the switch 24 drops in BCM mode. While in 3 By way of example, BCM operation is illustrated, the second mode of operation, which may be activated at higher loads and / or higher output powers, may also be CCM operation. In CCM operation, switching on the switch 24 be triggered when the current l L through the inductance 21 reached a non-zero reference value.

4 illustriert das Prinzip der einfachsten Ausführungsform einer Rückkopplungs-basierten PFC-Schaltung nach dem Stand der Technik. Ein Controller vergleicht die Vbus-Spannung mit einem Referenzwert Ref und regelt den ton-Wert durch An- und Ausschalten des Schalters 24 so, daß die Ausgangsspannung Vout für einen nahezu konstanten Dimmwert sorgt (Prinzip der PWM-Modulation). Der PWM-Modulator liefert somit ein getaktetes entsprechend moduliertes Signal. 4 illustrates the principle of the simplest embodiment of a prior art feedback-based PFC circuit. A controller compares the Vbus voltage to a reference value Ref and adjusts the t on value by turning the switch on and off 24 such that the output voltage Vout ensures a nearly constant dimming value (principle of PWM modulation). The PWM modulator thus provides a clocked correspondingly modulated signal.

Diese Art der Dimmwert-Regelung ist für den Bereich hoher Dimmwerte robust und wird im Stand der Technik derzeit nicht in Frage gestellt. Probleme ergeben sich – wie in der Beschreibungseinleitung bereits angedeutet – bei niedrigen Dimmwertvorgaben, da aus physikalischen Gründen der ton-Wert nicht beliebig klein gewählt werden kann. Um dennoch einen entsprechend geringen Dimmwert – also eine entsprechend niedrige Ausgangsspannung Vout – zu erhalten, wird im Modulationssignal ein stromloser Zustand erzeugt, der durch den K-Faktor, die Dauer des nicht-stromlosen Zustandes tactive und die Einschaltdauer des Schalters 24 ton durch folgende Gleichung charakterisiert ist – siehe auch 6: toff = K·tactive – ton This type of dimming value control is robust for the range of high dimming values and is currently not called into question in the prior art. Problems arise - as already indicated in the introduction to the description - at low dimming value specifications, since for physical reasons the t on value can not be chosen arbitrarily small. In order nevertheless to obtain a correspondingly low dimming value, ie a correspondingly low output voltage Vout, a currentless state is generated in the modulation signal, which is determined by the K factor, the duration of the non-currentless state t active and the switch-on duration of the switch 24 t on is characterized by the following equation - see also 6 : t off = K · t active - t on

Dieses Problem wird nach derzeitigem Stand der Technik dadurch gelöst (siehe 7), dass ab dem Mindestwert für ton bei abnehmender Last, der K-Faktor kontinuierlich erhöht wird (gestrichelte Linie), also bei eingefrorenem ton (waagrechte durchgezogene Linie) bei der gewünschten niedrigen Last eine Regelung der Ausschaltzeitdauer toff erfolgt, mit den damit verbundenen bereits in der Beschreibungseinleitung angeführten schaltungs- und regelungs-technischen Problemen.This problem is solved by the current state of the art (see 7 ), that from the minimum value for t on with decreasing load, the K-factor is continuously increased (dashed line), ie at frozen t on (horizontal solid line) at the desired low load, a control of the off period t off , with the associated circuit and technical problems already mentioned in the introduction to the description.

Die Erfindung löst diese Probleme dahingehend, dass bei niedrigen Lastvorgaben (Dimmwertvorgaben) weiterhin eine Veränderung der ton-Zeit erfolgt, ohne die minimale ton-Zeit zu unterschreiten. Dies erfolgt dadurch, dass in Richtung geringerer Lastvorgabe die ton-Zeit sägezahnförmig wenigstens einmal, vorzugsweise mehrfach, sprunghaft erhöht wird, um dann wieder vorzugsweise kontinuierlich abzufallen. Somit kann die minimale ton-Zeit-Vorgabe eingehalten werden und dennoch über den gesamten Lastbereich die ton-Zeit veränderbar gehalten werden.The invention solves these problems to the effect that at low load specifications (Dimmwertvorgaben) continues to change the t on- time, without falling below the minimum t on- time. This is done in that in the direction of lower load specification, the t on- time sawtooth is at least once, preferably multiply, increased suddenly, and then again preferably drop off continuously. Thus, the minimum t on- time specification can be met and still kept the t on- time over the entire load range.

Es wird also die minimale ton-Zeit-Vorgabe eingehalten, ohne die ton-Zeit im unteren Lastbereich einzufrieren.Thus, the minimum t on- time specification is adhered to, without freezing the t on time in the lower load range.

Der Bereich des sägezahnförmigen Verlaufs der ton-Zeit erfolgt vorzugsweise in einem unteren Lastbereich, nachdem (von der maximalen Last kommend in Richtung geringerer Last) die ton-Zeit erstmalig die minimale ton-Zeit erreicht hat.The range of the sawtooth course of the t on time is preferably in a lower load range, after (from the maximum load in the direction of lower load), the t on time has reached the minimum t on time for the first time.

Im Bereich des sägezahnförmigen Verlaufs der ton-Zeit wird der k-Faktor wieder erhöht, was vorzugsweise in der Form einer stufenweise (diskret) K-Wertveränderung erfolgt.In the area of the sawtooth profile of the t on time, the k factor is increased again, which is preferably carried out in the form of a stepwise (discrete) K value change.

Der erhöhende Sprung des K-Werts erfolgt dabei synchron zu einem Sprung, mit dem die ton-Zeit erhöht wird. In den Bereichen konstanten K-Werts fällt wird dann die ton-Zeit vorzugsweise kontinuierlich in Richtung niedrigerer Last verringert.The increasing jump of the K value occurs synchronously with a jump, with which the t on time is increased. In the areas of constant K value, the t on time is then preferably reduced continuously in the direction of lower load.

Abhängig von einer sich verringerten Lastwertvorgabe wird gemäß 8 somit in Stufen die K-Wertvorgabe für die PWM-Regelung erhöht, sodass also stufenweise verlängerte toff Zeiten eingestellt (feed forward) werden. Somit kann im Bereich der K-Wert-Stufen bei konstantem K-Wert eine kontinuierlich sich veränderte ton-Zeit-Regelung abhängig von der Lastvorgabe in diesem Bereich erfolgen.Depending on a reduced load value specification is according to 8th Thus, in stages, the K-value default for the PWM control increases, so so stepwise extended t off times are set (feed forward). Thus, in the range of K-value stages with a constant K value, a continuously changed t on- time control can take place depending on the load specification in this range.

Der K-Wert kann der Steuereinheit, die das gepulste Signal mit veränderlicher ton-Zeit ausgibt, von Aussen vorgegeben werden, Es kann aber auch intern in dieser Steuereinheit erzeugt werden, bspw. mittels einer Look-Up-Tabelle unter Verwendung einer ermittelten (aufgrund eines zurückgeführten Messwerts) oder zugeführten Lastvorgabe.The K value can be specified externally to the control unit which outputs the pulsed signal with variable t on time, but it can also be generated internally in this control unit, for example by means of a look-up table using a determined ( due to a returned measured value) or supplied load specification.

Vorzugsweise wird gemäß 9 eine Dimmwertvorgabe einem (Mikro-)Controller μC zugeführt, der dann abhängig von der Dimmwertvorgabe ein K-Wertvorgabesignal der Steuereinheit, die das gepulste Signal mit veränderlicher ton-Zeit ausgibt.Preferably, according to 9 a Dimmwertvorgabe a (micro) controller μC supplied, which then depending on the Dimmwertvorgabe a K value specification signal of the control unit, which outputs the pulsed signal with variable t on -time.

Alternativ kann sich die K-Wertvorgabe im Bereich niedriger Lasten nicht stufenweise sondern auch kontinuierlich verändern. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund zweiter variierbarer Parameter (ton-Zeit und toff-Zeit bzw. K-Wert) natürlich die sich ergebenden Änderungen weniger drastisch ausfallen im Vergleich zum stufenweisen einfrieren des K-Werts (K-Faktors).Alternatively, the K value specification in the range of low loads can not change stepwise but also continuously. This has the advantage that due to second variable parameters (t on- time and t off -time or K-value), of course, the resulting changes are less drastic compared to the gradual freezing of the K-value (K-factor).

Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei der vorliegenden Erfindung um ein PWM-Signal im weiteren Sinne handelt, da sich die Frequenz der Impulse (Modulations-Frequenz) regelungsabhängig jederzeit verändern kann.It should be noted that the present invention is a PWM signal in a broader sense, since the frequency of the pulses (modulation frequency) can change at any time depending on the control.

Allerdings muß erfindungsgemäß in der Tat das Ausgabesignal in Form eines PWM-Signals mit variierender Frequenz zum Treiben des Schalters einer PFC-Schaltung verwendet werden, was bei der technischen Umsetzung dieser Regelung zu berücksichtigen ist.However, according to the invention, in fact, the output signal in the form of a PWM signal of varying frequency must be used to drive the switch of a PFC circuit, which must be taken into account in the technical implementation of this regulation.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (5)

Betriebsgerät (1) für Leuchtmittel, insbesondere Konverter für wenigstens eine LED, aufweisend eine Steuereinheit (14), die dazu ausgelegt ist, eine getaktete Schaltung (20), wie bspw. eine PFC-Schaltung, mittels eines gepulsten Signals (52) anzusteuern, das direkt oder indirekt einem Schalter der getakteten Schaltung (20) als Ansteuersignal zugeführt ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, das gepulste Signal zu erzeugen: – das sich in einem Dimmbereich oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch verändert, dass sich bei vorzugsweise fester Frequenz der Impulse die Einschaltzeitdauer ton der Impulse verändert, und – das sich in einem Dimmbereich unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch verändert, dass sich in Richtung niedriger Dimmwerte die Ausschaltzeitdauer toff der Impulse stufenweise erhöht und in den Bereichen konstanter Ausschaltzeitdauer die Einschaltzeitdauer ton kontinuierlich ändert und in den Bereich der Sprünge der Stufen der Ausschaltzeitdauer toff die Einschaltzeitdauer ton sprungweise erhöht.Operating device ( 1 ) for illuminants, in particular converters for at least one LED, comprising a control unit ( 14 ), which is designed to be a clocked circuit ( 20 ), such as a PFC circuit, by means of a pulsed signal ( 52 ), directly or indirectly a switch of the clocked circuit ( 20 ) is supplied as a drive signal, wherein the control unit is adapted to generate the pulsed signal: - which changes in a dimming range above a predetermined threshold, characterized in that preferably fixed frequency of the pulses, the turn-on time t on the pulses changes, and - which changes in a dimming range below a predetermined threshold value by gradually increasing the switch-off period t off of the pulses in the direction of low dimming values and by continuously changing the switch-on period t on in the areas of constant switch-off duration and in the range of the steps of the switch-off period t off the on-time t on jumps increased. Betriebsgerät (1) für Leuchtmittel, insbesondere Konverter für wenigstens eine LED, aufweisend eine Steuereinheit (14), die dazu ausgelegt ist, einen dimmbaren Betrieb der Leuchtmittel anzusteuern, das direkt oder indirekt einem Schalter der getakteten Schaltung (20) als Ansteuersignal zugeführt ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, das gepulste Signal zu erzeugen: – das sich in einem Dimmbereich oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch verändert, dass sich bei vorzugsweise fester Frequenz der Impulse (52) die Einschaltzeitdauer ton der Impulse verändert, und – das sich in einem Dimmbereich unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch verändert, dass sich in Richtung niedriger Dimmwerte die Ausschaltzeitdauer toff der Impulse zumindest teilweise kontinuierlich erhöht und die Einschaltzeitdauer ton kontinuierlich verringert wird.Operating device ( 1 ) for illuminants, in particular converters for at least one LED, comprising a control unit ( 14 ), which is designed to control a dimmable operation of the lamps, which directly or indirectly a switch of the clocked circuit ( 20 ) is supplied as a drive signal, wherein the control unit is adapted to generate the pulsed signal: - which changes in a dimming range above a predetermined threshold in that at preferably fixed frequency of the pulses ( 52 ) changes the switch- on time duration t on of the pulses, and - which changes in a dimming range below a predetermined threshold value in that the turn-off time period t off of the pulses increases at least partially continuously in the direction of low dimming values and the switch-on time period t on is reduced continuously. Betriebsgerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (14) einen PWM-Modulator aufweist, dem ein Vorgabesignal (Ref) für die Ausschaltzeitdauer toff der Impulse von einem Controller (μC) zugeführt wird, wobei der PWM-Modulator die Einschaltzeitdauer ton abhängig von einem Rückführsignal regelt, das einen Parameter des Betriebs der Leuchtmittel direkt oder indirekt wiedergibt.Operating device ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the control unit ( 14 ) has a PWM modulator to which a default signal (Ref) for the off period t off of the pulses from a controller (.mu.C) is supplied, wherein the PWM modulator regulates the on time t on depending on a feedback signal which is a parameter of the operation of the Illuminant directly or indirectly reproduces. Betriebsgerät nach Anspruch 3, bei dem der Controller (μC) eine Schnittstelle zur Entgegennahme eines Dimmsignals aufweist.Operating device according to claim 3, wherein the controller (μC) has an interface for receiving a dimming signal. Verfahren zum Betrieb einer PFC-Schaltung (20) zum Betrieb von Leuchtmitteln, insbesondere wenigstens einer LED, wobei der Schalter (24) der PFC-Schaltung (20) durch ein Signal (52) getaktet wird, – das sich in einem Dimmbereich oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch verändert, dass sich bei vorzugsweise fester Frequenz der Impulse die Einschaltzeitdauer ton der Impulse verändert, und – das sich in einem Dimmbereich unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts dadurch verändert, dass sich in Richtung niedriger Dimmwerte die Ausschaltzeitdauer toff der Impulse stufenweise erhöht und in den Bereichen konstanter Ausschaltzeitdauer die Einschaltzeitdauer ton kontinuierlich ändert und in den Bereich der Sprünge der Stufen der Ausschaltzeitdauer toff die Einschaltzeitdauer ton sprungweise erhöht.Method for operating a PFC circuit ( 20 ) for operating light sources, in particular at least one LED, wherein the switch ( 24 ) of the PFC circuit ( 20 ) by a signal ( 52 ), which changes in a dimming range above a predefined threshold value in that the preferably fixed frequency of the pulses changes the on-time t on of the pulses, and which changes in a dimming range below a predefined threshold value due to the fact that lower dimming direction the turn-off time t off of the pulses gradually increased and in the areas of constant switch-off time the on period t on changes continuously and in the region of the jumps of the stages of the turn-off time t off the on period t on sudden increased.
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