DE102014226716A1

DE102014226716A1 - Spannungsverdoppler und Spannungsverdopplungsverfahren zur Verwendung im PMW-Modus

Info

Publication number: DE102014226716A1
Application number: DE102014226716.1A
Authority: DE
Inventors: Horst Knoedgen; Gary Hague
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23
Also published as: US9531260B2; US20160181914A1

Abstract

Ein Gerät (1) zum Erzeugen eines impulsbreitenmodulierten, PWM, Signals mit einer ersten Zeitperiode und einer zweiten Zeitperiode wird vorgeschlagen, wobei das PWM-Signal einen PWM-Impuls während der zweiten Periode aufweist und den PWM-Impuls während der ersten Periode nicht aufweist, wobei das Gerät (1) eine Spannungsquelle (10), einen Kondensator (20), einen Ausgangsknoten (30) zum Ausgeben des PWM-Signals, eine umschaltbare Schaltungsanordnung (50) zum Verbinden der Spannungsquelle (10), des Kondensators (20) und des Ausgangsknotens (30) und ein Steuermittel (40) zum Steuern des Umschaltens der umschaltbaren Schaltungsanordnung (50) umfasst, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) so ausgelegt ist, dass sie zwischen einer ersten Schaltungskonfiguration, in der der Kondensator (20) mit der Spannungsquelle (10) parallel geschaltet ist, so dass er durch die Spannungsquelle (10) aufladbar ist, und einer zweiten Schaltungskonfiguration, in der der Kondensator (20) zwischen der Spannungsquelle (10) und dem Ausgangsknoten (30) in Reihe geschaltet ist, so dass Polaritäten der Spannungsquelle (10) und des Kondensators (20) aufeinander ausgerichtet sind, umschaltbar ist, und wobei das Steuermittel (40) dazu ausgelegt ist, die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) zu steuern, um auf die erste Schaltungskonfiguration in der ersten Periode umzuschalten und auf die zweite Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten. Ferner wird ein Verfahren zum Erzeugen eines PWM-Signals vorgeschlagen.

Description

Technisches Gebiet
Diese Anmeldung bezieht sich auf ein Gerät und ein Verfahren zum Erzeugen eines impulsbreitenmodulierten (PWM) Signals mit einer Impulshöhe, die größer ist als eine verfügbare Quellenspannung. Das Verfahren und das Gerät sind insbesondere auf das Speisen von Trägheitslasten im PWM-Modus wie z. B. Elektromotoren anwendbar: Das Verfahren und das Gerät sind ferner insbesondere auf das Speisen von Trägheitslasten im PWM-Modus in tragbaren oder mobilen Vorrichtungen wie z. B. Smartphones, Tablet-Computern, PDAs oder dergleichen anwendbar.
Hintergrund
Verfahren und Geräte zum Speisen von elektrischen Vorrichtungen im PWM-Modus sind auf dem Fachgebiet bekannt. Für einige solche elektrischen Vorrichtungen wie z. B. Elektromotoren kann eine höhere Spannung für den anfänglichen Betrieb (Start) als für den normalen Betrieb erforderlich sein. Eine höhere Spannung kann beispielsweise zum Starten eines Elektromotors als zum Antreiben des Motors unter stabilen Bedingungen erforderlich sein.
Folglich besteht ein Bedarf an einem Gerät zum Erzeugen eines PWM-Signals mit einer Impulshöhe, die größer ist als eine verfügbare Quellenspannung, das eine verringerte Anzahl von Komponenten aufweist und eine einfachere Konfiguration als Spannungsverdoppler des Standes der Technik aufweist, und an einem entsprechenden Verfahren zum Erzeugen eines PWM-Signals mit einer Impulshöhe, die größer ist als eine verfügbare Quellenspannung. Ferner besteht ein Bedarf an einem solchen Gerät und Verfahren, die zum Speisen einer Trägheitslast wie z. B. eines Motors ausgelegt sind.
Zusammenfassung
Angesichts dieser Bedürfnisse schafft die vorliegende Erfindung ein Gerät zum Erzeugen eines PWM-Signals mit einer Impulshöhe, die größer ist als eine verfügbare Quellenspannung, das nur einen einzelnen Kondensator umfasst, und ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen eines PWM-Signals, insbesondere zum Antreiben eines Elektromotors.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Gerät zum Erzeugen eines PWM-Signals mit einer ersten Zeitperiode (ersten Phase) und einer zweiten Zeitperiode (zweiten Phase), wobei das PWM-Signal einen PWM-Impuls aufweist, der signifikante Leistung/Energie während der zweiten Periode übermittelt und den PWM-Impuls während der ersten Periode nicht aufweist, d. h. das PWM-Signal ist während der ersten Periode ungefähr null. Der Impuls kann ein Rechteckimpuls sein, ist aber nicht darauf begrenzt. Das Gerät umfasst eine Spannungsquelle, (einen „fliegenden” bzw. potentialfreien Pump-)Kondensator, einen Ausgangsknoten zum Ausgeben des PWM-Signals, eine umschaltbare Schaltungsanordnung zum (umschaltbaren) Verbinden der Spannungsquelle, des Kondensators und des Ausgangsknotens und ein Steuermittel zum Steuern des Umschaltens der umschaltbaren Schaltungsanordnung. Die umschaltbare Schaltungsanordnung kann so ausgelegt sein, dass sie zwischen einer ersten Schaltungskonfiguration, in der der Kondensator mit der Spannungsquelle parallel geschaltet ist, so dass er durch die Spannungsquelle aufladbar ist, und einer zweiten Schaltungskonfiguration, in der der Kondensator zwischen der Spannungsquelle und dem Ausgangsknoten in Reihe geschaltet ist, so dass Polaritäten der Spannungsquelle und des Kondensators aufeinander ausgerichtet sind, umschaltbar ist. Hier wird die Ausrichtung von Polaritäten so verstanden, dass sie angibt, dass, wenn z. B. der positive Anschluss der Spannungsquelle auf einer Stromabwärtsseite der Spannungsquelle entlang der Reihenschaltung angeordnet ist, der positive Anschluss (positive Knoten) des Kondensators auf der Stromabwärtsseite des Kondensators entlang der Reihenschaltung angeordnet ist. Mit anderen Worten, in der zweiten Schaltungskonfiguration ist der Kondensator zwischen der Spannungsquelle und dem Ausgangsknoten in Reihe geschaltet, so dass die von der Spannungsquelle ausgegebene Spannung und die Spannung über dem Kondensator sich konstruktiv addieren. Das Steuermittel kann dazu ausgelegt sein, die umschaltbare Schaltungsanordnung zu steuern, um auf die erste Schaltungskonfiguration in der ersten Periode des PWM-Signals umzuschalten und auf die zweite Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten. Mit anderen Worten, das Steuermittel kann dazu ausgelegt sein, das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung derart zu steuern, dass der Kondensator durch die Spannungsquelle während der ersten Periode aufgeladen wird und eine kombinierte Spannung der Spannungsquelle und des Kondensators an den Ausgangsknoten während der zweiten Periode angelegt wird. Ferner wird verstanden, dass das PWM-Signal gemäß der PWM-Steuerung erzeugt wird. Folglich sind die Dauern der ersten und der zweiten Periode z. B. durch ein Tastverhältnis und eine Frequenz des PWM-Signals bestimmt, das erzeugt werden soll.
Wie vorstehend konfiguriert, ist das Gerät zum Anlegen einer Spannung, die im Wesentlichen zweimal so groß wie die verfügbare Ausgangsspannung der Spannungsquelle ist, an den Ausgangsknoten während der Impulse des PWM-Signals in der Lage. Wie der vorliegende Erfinder erkannt hat, beeinträchtigt die Tatsache, dass die Ladung, die vom Kondensator während der zweiten Periode nach dem Aufladen des Kondensators während der ersten Periode abgezogen werden kann, begrenzt sein kann, nicht die Gesamtleistung, wenn ein Impulssignal anstelle eines kontinuierlichen Signals erzeugt wird. Nur ein einziger Kondensator ist erforderlich, um diese Verdoppelung der verfügbaren Ausgangsspannung der Spannungsquelle zu erreichen, und das Gerät muss ferner keine Induktivitäten umfassen. Folglich erreicht das Gerät eine effiziente Verstärkung der verfügbaren Ausgangsspannung, kann kompakter hergestellt werden und ist weniger teuer herzustellen. Aus den obigen Gründen stellt das Gerät eine optimale Wahl für die Verwendung in mobilen oder tragbaren Vorrichtungen dar, die die Miniaturisierung von Komponenten erfordern und in denen eine verfügbare Ausgangsspannung durch die Fähigkeiten einer Batterie begrenzt ist.
In Ausführungsformen kann die umschaltbare Schaltungsanordnung einen ersten Schaltungszweig, der umschaltbar ist und die Spannungsquelle mit einem ersten Knoten des Kondensators verbindet, einen zweiten Schaltungszweig, der umschaltbar ist und den zweiten Knoten des Kondensators mit Masse verbindet, und einen dritten Schaltungszweig, der umschaltbar ist und den zweiten Knoten des Kondensators mit der Spannungsquelle verbindet, umfassen. Der erste Schaltungszweig kann ein erstes Schaltmittel zum Umschalten zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand des ersten Schaltungszweigs umfassen. Der zweite Schaltungszweig kann ein zweites Schaltmittel zum Umschalten zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand des zweiten Schaltungszweigs umfassen. Der dritte Schaltungszweig kann ein drittes Schaltmittel zum Umschalten zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand des dritten Schaltungszweigs umfassen. Der dritte Schaltungszweig kann mit dem zweiten Schaltungszweig an einem Knoten zwischen dem zweiten Knoten des Kondensators und dem zweiten Schaltmittel verbunden sein. Der Ausgangsknoten kann mit dem ersten Knoten des Kondensators verbunden sein. Die erste Schaltungskonfiguration kann eine Schaltungskonfiguration sein, in der der erste und der zweite Schaltungszweig sich im leitenden Zustand befinden und der dritte Schaltungszweig sich im nicht leitenden Zustand befindet, z. B. eine Schaltungskonfiguration, in der das erste und das zweite Schaltmittel geschlossen sind und das dritte Schaltmittel offen ist. Die zweite Schaltungskonfiguration kann eine Schaltungskonfiguration sein, in der der erste und der zweite Schaltungszweig sich im nicht leitenden Zustand befinden und der dritte Schaltungszweig sich im leitenden Zustand befindet, z. B. eine Schaltungskonfiguration, in der das erste und das zweite Schaltmittel offen sind und das dritte Schaltmittel geschlossen ist.
Wie vorstehend konfiguriert, wird das Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Schaltungskonfiguration durch eine einfache Schaltoperation unter Verwendung einer besonders einfachen umschaltbaren Schaltungsanordnung erreicht.
In Ausführungsformen kann das Gerät ein Strombegrenzungsmittel zum Begrenzen des Stroms, durch den der Kondensator aufgeladen wird, wenn die umschaltbare Schaltungsanordnung auf die erste Schaltungskonfiguration umgeschaltet wird, d. h. wenn der Kondensator mit der Spannungsquelle parallel geschaltet wird und durch die Spannungsquelle aufgeladen wird, umfassen. Das Strombegrenzungsmittel kann im ersten Schaltungszweig und/oder im zweiten Schaltungszweig vorgesehen sein. Das Strombegrenzungsmittel kann eine Stromquelle sein, die z. B. als klassische Stromquelle implementiert wird. Alternativ kann das Strombegrenzungsmittel als Widerstand, Transistor, Stromspiegel oder Gleichstromumsetzer implementiert werden.
Durch Vorsehen des Strombegrenzungsmittels können Stromspitzen während der Aufladung des Kondensators vermieden werden und der Aufladestrom wird geglättet. Dadurch kann die gesamte Systemstabilität verbessert werden.
In Ausführungsformen kann das Gerät ferner einen vierten Schaltungszweig umfassen, der den ersten Knoten des Kondensators mit dem Ausgangsknoten verbindet. Der vierte Schaltungszweig kann zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand des vierten Schaltungszweigs umschaltbar sein. Dazu kann der vierte Schaltungszweig ein viertes Schaltmittel zum Umschalten des vierten Schaltungszweigs zwischen dem leitenden Zustand und dem nicht leitenden Zustand umfassen. In der ersten Schaltungskonfiguration kann der vierte Schaltungszweig sich im nicht leitenden Zustand befinden und in der zweiten Schaltungskonfiguration kann sich der vierte Schaltungszweig im leitenden Zustand befinden. In der ersten Schaltungskonfiguration kann das vierte Schaltmittel beispielsweise offen sein und in der zweiten Schaltungskonfiguration kann das vierte Schaltmittel geschlossen sein.
In Ausführungsformen kann die umschaltbare Schaltungsanordnung ferner in eine dritte Schaltungskonfiguration umschaltbar sein, in der der Ausgangsknoten (direkt) mit dem Anschluss der Spannungsquelle verbunden ist, so dass die von der Spannungsquelle ausgegebene Spannung an den Ausgangsknoten angelegt wird. Das Steuermittel kann dazu ausgelegt sein, die umschaltbare Schaltungsanordnung zu steuern, um zwischen der zweiten Schaltungskonfiguration und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode umzuschalten.
Durch Umschalten im laufenden Betrieb, d. h. nahtloses Umschalten, „on the fly” zwischen der zweiten und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode kann eine schrittweise Form des erzeugten PWM-Impulses erzeugt werden und die schrittweise Form des Impulses kann insbesondere an z. B. die Anforderungen der elektrischen Last angepasst werden, die durch das PWM-Signal angetrieben werden soll. Ferner kann die Menge an Leistung, die zur elektrischen Last zugeführt wird, die mit dem Ausgangsknoten verbunden ist, feinabgestimmt werden und eine elektromagnetische Interferenz kann verringert werden.
In Ausführungsformen kann die umschaltbare Schaltungsanordnung ferner auf die dritte Schaltungskonfiguration, in der der Ausgangsknoten (direkt) mit dem Anschluss der Spannungsquelle verbunden ist, so dass die von der Spannungsquelle ausgegebene Spannung an den Ausgangsknoten angelegt wird, und auf eine vierte Schaltungskonfiguration, in der der Ausgangsknoten nicht mit dem Anschluss der Spannungsquelle verbunden ist, d. h. in der das Gerät keine Spannung an den Ausgangsknoten anlegt, umgeschaltet werden. Das Steuermittel kann dazu ausgelegt sein, in einem ersten Betriebsmodus, in dem das Steuermittel die umschaltbare Schaltungsanordnung steuert, um zwischen der ersten Schaltungskonfiguration in der ersten Periode und der zweiten Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten, und in einem zweiten Betriebsmodus, in dem das Steuermittel die umschaltbare Schaltungsanordnung steuert, um zwischen der vierten Schaltungskonfiguration in der ersten Periode und der dritten Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten, zu arbeiten. Das Steuermittel kann dazu ausgelegt sein, im ersten Betriebsmodus zu arbeiten, wenn eine erforderliche Antriebsspannung die Ausgangsspannung der Spannungsquelle übersteigt, und im zweiten Betriebsmodus zu arbeiten, wenn die erforderliche Antriebsspannung die Ausgangsspannung der Spannungsquelle nicht übersteigt.
In der obigen Konfiguration entspricht der zweite Betriebsmodus einem herkömmlichen PWM-Modus-Betrieb ohne Spannungsverstärkung. Folglich ist das vorstehend beschriebene Gerät im laufenden Betrieb zwischen dem herkömmlichen PWM-Modus und einem Spannungsverstärkungsmodus gemäß Anforderungen der externen elektrischen Last, die durch das PWM-Signal angetrieben werden soll, umschaltbar. Wenn beispielsweise eine höhere Spannung für den Start eines Elektromotors zum Überwinden der Trägheit des Rotors des Elektromotors erforderlich ist, kann das Gerät im Spannungsverstärkungsmodus arbeiten. Andererseits kann, sobald der Elektromotor beschleunigt wurde, um mit einer konstanten Drehzahl zu laufen, das Gerät im herkömmlichen PWM-Modus arbeiten.
In Ausführungsformen kann der erste Schaltungszweig ferner eine erste Zenerdiode umfassen, die mit dem ersten Schaltmittel parallel geschaltet ist, und der dritte Schaltungszweig kann ferner eine zweite Zenerdiode umfassen, die mit dem dritten Schaltmittel parallel geschaltet ist.
Das Vorsehen der Zenerdioden ermöglicht eine höhere Spannung über der elektrischen Last, die mit dem Ausgangsknoten verbunden ist. Dadurch kann die Zeit zum Entladen der elektrischen Last, die mit dem Ausgangsknoten verbunden ist, verkürzt werden. Die elektrische Last kann beispielsweise ein Elektromotor sein, in welchem Fall die obige Konfiguration das Erweitern eines Zeitfensters zum Messen der elektromotorischen Kraft des Elektromotors nach dem Stoppen der Leistungsversorgung für den Elektromotor ermöglicht.
Wie nachstehend beschrieben wird, kann das Gerät gemäß dem obigen Aspekt vorteilhafterweise auf das Antreiben eines Elektromotors und auf das Unterstützen der Messung der elektromotorischen Kraft des Elektromotors angewendet werden. Der Elektromotor kann durch eine Brückenschaltung oder eine Halbbrückenschaltung, die Leistung vom Ausgangsknoten empfängt, angetrieben werden.
In Ausführungsformen kann das Gerät folglich dazu ausgelegt sein, elektrische Leistung zu einem Elektromotor zuzuführen, der mit dem Ausgangsknoten verbindbar ist. Die umschaltbare Schaltungsanordnung kann ferner so ausgelegt sein, dass sie auf eine fünfte Schaltungskonfiguration umschaltbar ist, in der der erste Knoten des Kondensators mit dem Ausgangsknoten verbunden ist und der zweite Knoten des Kondensators mit Masse verbunden ist. Das Steuermittel kann dazu ausgelegt sein, die umschaltbare Schaltungsanordnung zu steuern, um auf die fünfte Schaltungskonfiguration umzuschalten, nachdem die Leistungsversorgung für den Motor gestoppt wurde. Die fünfte Schaltungskonfiguration kann ferner eine Schaltungskonfiguration sein, in der der Ausgangsknoten mit dem Anschluss der Spannungsquelle durch einen Widerstand verbunden ist.
Das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung auf die fünfte Schaltungskonfiguration z. B. während der Messung der elektromotorischen Kraft des Elektromotors bewirkt, dass der Pumpkondensator zwischen den Anschluss mit hohem Potential des Elektromotors und Masse geschaltet wird. Folglich weist der Elektromotor eine rauscharme Versorgung auf und irgendeine kapazitive Kopplung stellt kein Problem für die Messung dar. Das Verbinden des Anschlusses mit hohem Potential des Elektromotors mit der Spannungsquelle während der Messung der elektromotorischen Kraft des Elektromotors ermöglicht überdies das Halten der Spannung am Anschluss des Elektromotors auf der (gefilterten) Versorgungsspannung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines impulsbreitenmodulierten, PWM, Signals mit einer ersten Zeitperiode (ersten Phase) und einer zweiten Zeitperiode (zweiten Phase), wobei das PWM-Signal einen PWM-Impuls während der zweiten Periode aufweist und den PWM-Impuls während der ersten Periode nicht aufweist. Das Verfahren kann mittels eines Geräts betrieben werden, das umfasst: eine Spannungsquelle, einen Kondensator, einen Ausgangsknoten zum Ausgeben des PWM-Signals und eine umschaltbare Schaltungsanordnung zum (umschaltbaren) Verbinden der Spannungsquelle, des Kondensators und des Ausgangsknotens. Die umschaltbare Schaltungsanordnung kann so ausgelegt sein, dass sie zwischen einer ersten Schaltungskonfiguration, in der der Kondensator mit der Spannungsquelle parallel geschaltet ist, so dass er durch die Spannungsquelle aufladbar ist, und einer zweiten Schaltungskonfiguration, in der der Kondensator zwischen der Spannungsquelle und dem Ausgangsknoten in Reihe geschaltet ist, so dass Polaritäten der Spannungsquelle und des Kondensators aufeinander ausgerichtet sind, d. h. so dass die durch die Spannungsquelle ausgegebene Spannung und die Spannung über dem Kondensator sich konstruktiv addieren, umschaltbar ist. Mit anderen Worten, die umschaltbare Schaltungsanordnung kann derart umschaltbar sein, dass der Kondensator durch die Spannungsquelle während der ersten Periode aufgeladen wird und eine kombinierte Spannung der Spannungsquelle und des Kondensators an den Ausgangsknoten während der zweiten Periode angelegt wird. Der Impuls kann ein Rechteckimpuls sein, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Das Verfahren kann das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung auf die erste Schaltungskonfiguration während der ersten Periode und das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung auf die zweite Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode umfassen.
In Ausführungsformen kann die umschaltbare Schaltungsanordnung einen ersten Schaltungszweig, der umschaltbar ist und die Spannungsquelle mit einem ersten Knoten des Kondensators verbindet, einen zweiten Schaltungszweig, der umschaltbar ist und den zweiten Knoten des Kondensators mit Masse verbindet, und einen dritten Schaltungszweig, der umschaltbar ist und den zweiten Knoten des Kondensators mit dem Anschluss der Spannungsquelle verbindet, umfassen. Der erste Schaltungszweig kann ein erstes Schaltmittel zum Umschalten zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand des ersten Schaltungszweigs umfassen. Der zweite Schaltungszweig kann ein zweites Schaltmittel zum Umschalten zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand des zweiten Schaltungszweigs umfassen. Der dritte Schaltungszweig kann ein drittes Schaltmittel zum Umschalten zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand des dritten Schaltungszweigs umfassen. Der dritte Schaltungszweig kann mit dem zweiten Schaltungszweig an einem Knoten zwischen dem zweiten Knoten des Kondensators und dem zweiten Schaltmittel verbunden sein. Der Ausgangsknoten kann mit dem ersten Knoten des Kondensators verbunden sein. Das Verfahren kann das Umschalten des ersten und des zweiten Schaltungszweigs in den leitenden Zustand und das Umschalten. des dritten Schaltungszweigs in den nicht leitenden Zustand während der ersten Periode, z. B. Schließen des ersten und des zweiten Schaltmittels und Öffnen des dritten Schaltmittels, umfassen, wodurch die umschaltbare Schaltungsanordnung auf die erste Schaltungskonfiguration umgeschaltet wird. Das Verfahren kann ferner das Umschalten des ersten und des zweiten Schaltungszweigs auf den nicht leitenden Zustand und das Umschalten des dritten Schaltungszweigs auf den leitenden Zustand während der zweiten Periode, z. B. Öffnen des ersten und des zweiten Schaltmittels und Schließen des dritten Schaltmittels, umfassen, wodurch die umschaltbare Schaltungsanordnung auf die zweite Schaltungskonfiguration umgeschaltet wird.
In Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Begrenzen des Stroms, durch den der Kondensator aufgeladen wird, wenn die umschaltbare Schaltungsanordnung auf die erste Schaltungskonfiguration umgeschaltet ist, d. h. wenn der Kondensator mit der Spannungsquelle parallel geschaltet ist und durch die Spannungsquelle aufgeladen wird, umfassen. Das Verfahren kann das Steuern des durch eine Stromquelle ausgegebenen Stroms, die im ersten Schaltungszweig und/oder im zweiten Schaltungszweig angeordnet ist, umfassen.
In Ausführungsformen kann die umschaltbare Schaltungsanordnung ferner einen vierten Schaltungszweig umfassen, der umschaltbar ist und den ersten Knoten des Kondensators mit dem Ausgangsknoten verbindet. Der vierte Schaltungszweig kann zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand des vierten Schaltungszweigs umschaltbar sein. Dazu kann der vierte Schaltungszweig ein viertes Schaltmittel zum Umschalten des vierten Schaltungszweigs zwischen dem leitenden Zustand und dem nicht leitenden Zustand umfassen. Für diese Konfiguration kann das Verfahren ferner das Umschalten des vierten Schaltungszweigs in den nicht leitenden Zustand während der ersten Zeitperiode und das Umschalten des vierten Schaltungszweigs in den leitenden Zustand während der zweiten Zeitperiode umfassen. Das Verfahren kann beispielsweise das Öffnen des vierten Schaltmittels während der ersten Zeitperiode und das Schließen des vierten Schaltmittels während der zweiten Zeitperiode umfassen.
In Ausführungsformen kann die umschaltbare Schaltungsanordnung ferner auf eine dritte Schaltungskonfiguration umschaltbar sein, in der der Ausgangsknoten mit dem Anschluss der Spannungsquelle (direkt) verbunden ist, so dass die von der Spannungsquelle ausgegebene Spannung an den Ausgangsknoten angelegt wird. Für diese Konfiguration kann das Verfahren ferner das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung zwischen der zweiten Schaltungskonfiguration und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode umfassen.
In Ausführungsformen kann die umschaltbare Schaltungsanordnung ferner auf eine dritte Schaltungskonfiguration, in der der Ausgangsknoten (direkt) mit dem Anschluss der Spannungsquelle verbunden ist, so dass die von der Spannungsquelle ausgegebene Spannung an den Ausgangsknoten angelegt wird, und auf eine vierte Schaltungskonfiguration, in der der Ausgangsknoten nicht mit dem Anschluss der Spannungsquelle verbunden ist, umschaltbar sein. Für diese Konfiguration kann das Verfahren ferner das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung auf die vierte Schaltungskonfiguration in der ersten Periode und das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung auf die dritte Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umfassen.
In Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Liefern des erzeugten PWM-Signals zu einem Motor, der mit dem Ausgangsknoten verbunden ist, umfassen.
In Ausführungsformen kann die umschaltbare Schaltungsanordnung ferner so ausgelegt sein, dass sie auf eine fünfte Schaltungskonfiguration umschaltbar ist, in der der erste Knoten des Kondensators mit dem Ausgangsknoten verbunden ist und der zweite Knoten des Kondensators mit Masse verbunden ist. Für diese Konfiguration kann das Verfahren ferner das Stoppen der Leistungsversorgung für den Motor und das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung auf die fünfte Schaltungskonfiguration, nachdem die Leistungsversorgung für den Motor gestoppt wurde, umfassen.
In Ausführungsformen kann die fünfte Schaltungskonfiguration eine Schaltungskonfiguration sein, in der der Ausgangsknoten ferner mit dem Anschluss der Spannungsquelle durch einen Widerstand verbunden ist.
Es ist zu erkennen, dass die Verfahrensschritte und Gerätemerkmale in vielen Weisen ausgetauscht werden können. Insbesondere können die Details des offenbarten Geräts als Verfahren implementiert werden und die offenbarten Verfahrensschritte als Gerätemerkmale implementiert werden, wie der Fachmann erkennt. Irgendwelche Aussagen, die in Bezug auf die obigen Verfahrensschritte getroffen werden, beziehen sich selbstverständlich auch auf entsprechende Gerätemerkmale und umgekehrt in dem Umfang, in dem sie anwendbar sind.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachstehend in beispielhafter Weise mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erläutert, in denen
1A und 1B schematisch Beispiele eines Geräts gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellen;
2 schematisch ein Beispiel eines PWM-Signals, das vom Gerät ausgegeben wird, darstellt;
3 schematisch ein weiteres Beispiel eines PWM-Signals, das vom Gerät ausgegeben wird, darstellt;
4 schematisch ein Beispiel für eine Anwendung des Geräts zum Speisen einer elektrischen Vorrichtung darstellt; und
5 schematisch ein anderes Beispiel eines Geräts gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
Ausführliche Beschreibung
Es sollte beachtet werden, dass die Verfahren und Geräte, einschließlich seiner bevorzugten Ausführungsformen, wie in der vorliegenden Offenbarung umrissen, eigenständig oder in Kombination mit den anderen Verfahren und Geräten, die in diesem Dokument offenbart sind, verwendet werden können. Ferner können alle Aspekte der Verfahren und Geräte, die in der vorliegenden Offenbarung umrissen sind, beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Wenn nicht explizit anders angegeben, können ferner die Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden.
1A stellt schematisch ein Beispiel eines Geräts 1 zum Erzeugen eines PWM-Signals gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Das Gerät 1 umfasst eine Spannungsquelle 10 mit einem Anschluss 11, einen (Pump-)Kondensator 20, einen Ausgangsknoten 30 zum Ausgeben eines PWM-Signals, eine umschaltbare Schaltungsanordnung 50 zum (umschaltbaren) Verbinden der Spannungsquelle 10, des Kondensators 20 und des Ausgangsknotens 30 und ein Steuermittel (Steuereinheit) 40 zum Steuern des Umschaltens der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50. Die Spannungsquelle 10 kann z. B. eine Batterie sein. Die Größe (Kapazität) des Kondensators 20 kann gemäß einer Periodizität und eines Tastverhältnisses des zu erzeugenden PWM-Signals und ferner gemäß Erwägungen in Bezug auf Kosten und Grundriss (Fläche) ausgewählt werden.
Die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 ist zwischen mehreren Schaltungskonfigurationen unter der Steuerung des Steuermittels 40 umschaltbar. Dazu ist, obwohl in der Figur aus Gründen der Kürze nicht gezeigt, das Steuermittel 40 mit der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 derart verbunden, dass das Steuermittel 40 Schaltbefehle zur umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 senden kann. Die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 ist zumindest zwischen einer ersten Schaltungskonfiguration und einer zweiten Schaltungskonfiguration umschaltbar. In der ersten Schaltungskonfiguration ist der Kondensator 20 mit der Spannungsquelle 10 parallel geschaltet, so dass der Kondensator 20 durch die Spannungsquelle 10 aufgeladen werden kann. In der zweiten Schaltungskonfiguration ist der Kondensator 20 zwischen der Spannungsquelle 10 und dem Ausgangsknoten 30 in Reihe geschaltet, so dass die Polarität der Spannungsquelle 10 und die Polarität des Kondensators 20 (nach dem Aufladen durch die Spannungsquelle 10, wenn die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 sich in der ersten Schaltungskonfiguration befindet) ausgerichtet sind. Mit anderen Worten, die von der Spannungsquelle 10 ausgegebene Spannung und die Spannung über dem Kondensator 20 addieren sich konstruktiv, wenn sich die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 in der zweiten Schaltungskonfiguration befindet, so dass die Spannung am Ausgangsknoten 30 größer (im Betrag) ist als die Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10.
Das am Ausgangsknoten 30 auszugebende PWM-Signal weist eine erste Zeitperiode (eine erste Phase) und eine zweite Zeitperiode (eine zweite Phase) auf, wobei die zweite Periode als Periode (Phase) definiert ist, in der ein PWM-Impuls vorhanden ist, und die erste Periode (Phase) als Periode definiert ist, in der der PWM-Impuls nicht vorhanden ist. Das PWM-Signal wird durch eine abwechselnde Sequenz von ersten Perioden und zweiten Perioden, d. h. durch eine abwechselnde Sequenz von Impulsen und Pausen zwischen den Impulsen gebildet. Selbstverständlich wird das PWM-Signal gemäß der PWM-Steuerung erzeugt, so dass die jeweiligen Dauern der ersten und der zweiten Periode z. B. durch eine Frequenz und ein Tastverhältnis des PWM-Signals bestimmt sind, das unter der PWM-Steuerung erzeugt werden soll.
Das Steuermittel 40 ist dazu ausgelegt, die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 zu steuern, um auf die erste Schaltungsanordnung in der ersten Periode, genauer am Beginn der ersten Periode, und auf die zweite Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode, genauer am Beginn der zweiten Periode, umzuschalten. Während der ersten Periode wird folglich der Kondensator 20 durch die Spannungsquelle 10 aufgeladen. Während der zweiten Periode addieren sich die Spannung über dem Kondensator 20 und die von der Spannungsquelle 10 ausgegebene Spannung am Ausgangsknoten 30. Selbstverständlich kann in der ersten Schaltungskonfiguration der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50, d. h. während der ersten Periode, der Ausgangsknoten 30 vom Kondensator 20 und von der Spannungsquelle 10 elektrisch getrennt sein.
Selbstverständlich umfasst ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen eines PWM-Signals mittels des Geräts 1 die Schritte des Umschaltens der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 auf die erste Schaltungskonfiguration in der ersten Periode und des Umschaltens der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 auf die zweite Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode. Vor dem Start der Erzeugung des PWM-Signals kann anfänglich die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 in der ersten Schaltungskonfiguration gehalten werden, bis der Kondensator 20 vollständig aufgeladen ist, d. h. für das Voraufladen des Kondensators 20.
Wie vorstehend beschrieben konfiguriert, sind das Gerät 1 und das entsprechende Verfahren in der Lage zum Erzeugen eines PWM-Signals mit Impulsen, deren Höhe größer als, insbesondere im Wesentlichen zweimal so groß wie die Ausgangsspannung V₀ der Spannung 10 ist. Nur ein einziger Kondensator 20 ist erforderlich, um diesen Zweck zu erreichen.
Die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 kann ferner so ausgelegt sein, dass sie auf eine dritte Schaltungskonfiguration umschaltbar ist, in der der Ausgangsknoten 30 direkt mit dem Anschluss 11 der Spannungsquelle 10 verbunden ist, d. h. in der der Ausgangsknoten 30 mit dem Anschluss 11 der Spannungsquelle 10 in einer solchen Weise verbunden ist, dass die Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 an den Ausgangsknoten 30 angelegt wird. Das Steuermittel 40 kann dazu ausgelegt sein, die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 zu steuern, um zwischen der zweiten Schaltungskonfiguration und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Zeitperiode umzuschalten. Die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 kann beispielsweise zuerst auf die zweite Schaltungskonfiguration am Beginn der zweiten Periode und anschließend auf die dritte Schaltungskonfiguration umgeschaltet werden oder kann auf die dritte Schaltungskonfiguration am Beginn der zweiten Periode und anschließend auf die zweite Schaltungskonfiguration umgeschaltet werden. Selbstverständlich kann die Anzahl von Umschaltungen zwischen der zweiten und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode eins sein, wie vorstehend beschrieben, oder kann größer als eins sein. Weitere Details über das Umschalten zwischen der zweiten und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode werden nachstehend in Verbindung mit der Beschreibung von 3 bereitgestellt.
Wenn die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 sich in der zweiten Schaltungskonfiguration befindet, ist die Spannung am Ausgangsknoten 30 im Wesentlichen zweimal die Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10, vorausgesetzt, dass der Kondensator 20 während der vorangehenden ersten Periode vollständig aufgeladen wird. Wenn sich die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 in der dritten Schaltungskonfiguration befindet, ist die Spannung am Ausgangsknoten 30 im Wesentlichen gleich der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10. Durch Steuern der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50, um zwischen der zweiten Schaltungskonfiguration und der dritten Schaltungskonfiguration umzuschalten, kann folglich die Impulshöhe während der zweiten Periode (diskret) verändert werden, so dass sie entweder die Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 oder im Wesentlichen zweimal die Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 ist.
Das entsprechende Verfahren zum Erzeugen eines PWM-Signals mittels des Geräts 1 kann die Schritte des Steuerns der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50, um zwischen der zweiten Schaltungskonfiguration und der dritten Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten, umfassen.
Noch ferner kann die umschaltbare Schaltungsanordnung so ausgelegt sein, dass sie auf eine vierte Schaltungskonfiguration umschaltbar ist, in der der Ausgangsknoten 30 von der Spannungsquelle 10 getrennt ist und vom Kondensator 20 getrennt ist, so dass keine Spannung an den Ausgangsknoten 30 durch das Gerät 1 angelegt wird. In der vierten Schaltungskonfiguration kann auch der Kondensator 20 von der Spannungsquelle 10 getrennt sein. Das Steuermittel 40 kann dazu ausgelegt sein, die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 zu steuern, um auf die vierte Schaltungskonfiguration in der ersten Periode und auf die dritte Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten. Folglich schaltet die Spannung am Ausgangsknoten 30 zwischen im Wesentlichen null während der ersten Periode und einer Spannung, die im Wesentlichen der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 entspricht, um.
Folglich kann das Gerät 1 (d. h. das Steuermittel 40) zwei Betriebsmodi aufweisen. Einen ersten Betriebsmodus, in dem das Gerät 1 als Spannungsverstärker (Ladungspumpe) wirkt, und einen zweiten Betriebsmodus, in dem das Gerät 1 ein PWM-Signal gemäß der verfügbaren Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 ausgibt. Im ersten Betriebsmodus steuert das Steuermittel 40 die umschaltbare Schaltungsanordnung 50, um auf die erste Schaltungskonfiguration in der ersten Periode und auf die zweite Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten, wie vorstehend beschrieben. Wahlweise kann das Steuermittel 40 die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 steuern, um zwischen der zweiten Schaltungskonfiguration und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode umzuschalten, um die Impulshöhe zu verändern. Im zweiten Betriebsmodus steuert das Steuermittel 40 andererseits die umschaltbare Schaltungsanordnung 50, um auf die vierte Schaltungskonfiguration in der ersten Periode und auf die dritte Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten, wie vorstehend beschrieben. Es ist zu beachten, dass der zweite Betriebsmodus dem herkömmlichen PWM-Modus ohne Spannungsverstärkung entspricht. Folglich ist das Gerät 1 im laufenden Betrieb zwischen dem herkömmlichen PWM-Modus und einem Spannungsverstärkungsmodus gemäß den Anforderungen der externen elektrischen Last, die durch das PWM-Signal angetrieben werden soll, umschaltbar.
Eine spezifische Implementierung der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 und der ersten bis vierten Schaltungskonfiguration wird nun mit Bezug auf 1B beschrieben.
1B stellt schematisch ein anderes Beispiel eines Geräts 1 zum Erzeugen eines PWM-Signals gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Wenn nicht anders angegeben, sind die in 1B dargestellten Elemente identisch zu den jeweiligen gleich nummerierten Elementen, die in 1A dargestellt und mit Bezug auf diese beschrieben sind. Das Gerät 1 umfasst die Spannungsquelle 10 mit dem Anschluss 11, den Kondensator 20 und den Ausgangsknoten 30. In der Konfiguration von 1B ist die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 beispielhaft durch einen ersten Schaltungszweig 50a, einen zweiten Schaltungszweig 50b, einen dritten Schaltungszweig 50c und wahlweise einen vierten Schaltungszweig 50d verkörpert. Der erste Schaltungszweig 50a verbindet (umschaltbar) den Anschluss 11 der Spannungsquelle 10 mit einem ersten Knoten (ersten Anschluss) 21 des Kondensators 20. Der zweite Schaltungszweig 50b verbindet (umschaltbar) den zweiten Knoten (zweiten Anschluss) 22 des Kondensators 20 mit Masse. Der dritte Schaltungszweig 50c verbindet (umschaltbar) den zweiten Knoten 22 des Kondensators mit dem Anschluss 11 der Spannungsquelle 10. Der vierte Schaltungszweig 50d verbindet den ersten Knoten 21 des Kondensators 20 mit dem Ausgangsknoten 30. Bei Abwesenheit des vierten Schaltungszweigs 50d kann der Ausgangsknoten 30 mit dem ersten Knoten 21 des Kondensators 20 zusammenfallen. Im Obigen und in der ganzen vorliegenden Offenbarung werden jeweilige Verbindungen als elektrische Verbindungen verstanden.
Der erste bis dritte Schaltungszweig 50a, 50b, 50c sind umschaltbare Schaltungszweige, die ihre jeweiligen Endpunkte umschaltbar verbinden. Mit anderen Worten, jeder des ersten bis dritten Schaltungszweigs 50a, 50b, 50c ist zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand umschaltbar. Dazu umfasst der erste Schaltungszweig 50a ein erstes Schaltmittel 60, der zweite Schaltungszweig 50b umfasst ein zweites Schaltmittel 70 und der dritte Schaltungszweig 50c umfasst ein drittes Schaltmittel 80. Das erste Schaltmittel 60 ist im ersten Schaltungszweig 50a zwischen einem Zwischenknoten 12 und dem ersten Knoten 21 des Kondensators 20 angeordnet, wobei der Zwischenknoten 12 zwischen dem Anschluss 11 der Spannungsquelle 10 und dem ersten Knoten 21 des Kondensators 20 angeordnet ist. Das zweite Schaltmittel 70 ist zwischen dem zweiten Knoten 22 des Kondensators 20 und Masse angeordnet. Das dritte Schaltmittel 80 ist zwischen dem Zwischenknoten 21 und dem zweiten Knoten 22 des Kondensators 20 angeordnet. In Abhängigkeit von der Konfiguration der elektrischen Last, die mit dem Ausgangsknoten 30 verbunden werden soll, kann der vierte Schaltungszweig 50d umschaltbar sein oder nicht. In dem Beispiel von 1B ist der vierte Schaltungszweig 50d als umschaltbar angegeben und so dargestellt, dass er ein viertes Schaltmittel 90 zum Umschalten des vierten Schaltungszweigs zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand des vierten Schaltungszweigs 50d umfasst. Das vierte Schaltmittel 90 ist zwischen dem ersten Knoten 21 des Kondensators 20 und dem Ausgangsknoten 30 angeordnet. Das erste bis vierte Schaltmittel 60, 70, 80, 90 können, ohne darauf begrenzt zu sein, (steuerbare) Schalter oder Transistoren sein.
Das Gerät 1 umfasst ferner das Steuermittel 40 zum Steuern des Umschaltens der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 zwischen Schaltungskonfigurationen. Genauer ist das Steuermittel 40 dazu ausgelegt, das Umschalten des ersten bis vierten umschaltbaren Schaltungszweigs 50a, 50b, 50c, 50d zu steuern. Dazu kann das Steuermittel 40 dazu ausgelegt sein, das Umschalten des ersten bis vierten Schaltmittels 60, 70, 80, 90 zu steuern, die steuerbare Schaltmittel sind. Obwohl in der Figur aus Gründen der Kürze nicht gezeigt, ist das Steuermittel 40 mit jedem der Schaltmittel verbunden, um Schaltbefehle zu jedem der Schaltmittel zum Steuern des Umschaltens der jeweiligen Schaltmittel übertragen zu können.
Die erste Schaltungskonfiguration der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50, die vorstehend eingeführt wurde, ist eine Schaltungskonfiguration, in der der erste und der zweite Schaltungszweig 50a, 50b sich im leitenden Zustand befinden und der dritte Schaltungszweig 50c sich im nicht leitenden Zustand befindet, d. h. in der das erste und das zweite Schaltmittel 60, 70 geschlossen sind und das dritte Schaltmittel 80 offen ist. Die zweite Schaltungskonfiguration der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 ist eine Schaltungskonfiguration, in der sich der erste und der zweite Schaltungszweig 50a, 50b im nicht leitenden Zustand befinden und sich der dritte Schaltungszweig 50c im leitenden Zustand befindet, d. h. in der das erste und das zweite Schaltmittel 60, 70 offen sind und das dritte Schaltmittel 80 geschlossen ist. Falls vorhanden, kann sich außerdem der vierte Schaltungszweig im nicht leitenden Zustand in der ersten Schaltungskonfiguration und im leitenden Zustand in der zweiten Schaltungskonfiguration befinden, d. h. das vierte Schaltmittel 90 kann in der ersten Schaltungskonfiguration offen und in der zweiten Schaltungskonfiguration geschlossen sein.
Die dritte Schaltungskonfiguration der vorstehend eingeführten umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 ist eine Schaltungskonfiguration, in der sich der erste Schaltungszweig 50a im leitenden Zustand befindet und sich der zweite und der dritte Schaltungszweig 50b, 50c im nicht leitenden Zustand befinden, z. B. eine Schaltungskonfiguration, in der das erste Schaltmittel 60 geschlossen ist und das zweite und dritte Schaltmittel 70, 80 offen sind. Falls vorhanden, befindet sich der vierte Schaltungszweig 50d in der dritten Schaltungskonfiguration im leitenden Zustand, d. h. das vierte Schaltmittel 90 ist in der dritten Schaltungskonfiguration geschlossen. Ferner ist die vierte Schaltungskonfiguration der vorstehend eingeführten umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 eine Schaltungskonfiguration, in der der erste bis dritte Schaltungszweig 50a, 50b, 50c sich im nicht leitenden Zustand befinden und/oder sich der vierte Schaltungszweig 50d im nicht leitenden Zustand befindet, z. B. in der das erste bis dritte Schaltmittel 60, 70, 80 offen sind und/oder das vierte Schaltmittel 90 offen ist.
Im Obigen wird gesagt, dass ein Schaltmittel ”offen” ist, wenn es im Wesentlichen verhindert, dass ein Strom durch das Schaltmittel fließt (d. h. wenn es sich im nicht leitenden Zustand befindet), und es wird gesagt, dass es ”geschlossen” ist, wenn es sich im leitenden Zustand befindet.
Selbstverständlich umfasst ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen eines PWM-Signals mittels des Geräts 1 einen Schritt zum Steuern des ersten und des zweiten Schaltungszweigs 50a, 50b, um in den leitenden Zustand umzuschalten, und Steuern des dritten Schaltungszweigs 50c, um in den nicht leitenden Zustand umzuschalten in der ersten Periode, z. B. den Schritt zum Steuern des ersten und des zweiten Schaltmittels 60, 70 zum Schließen und Steuern des dritten Schaltmittels 80 zum Öffnen, wodurch die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 auf die erste Schaltungskonfiguration umgeschaltet wird. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt zum Steuern des ersten und des zweiten Schaltungszweigs 50a, 50b zum Umschalten in den nicht leitenden Zustand und Steuern des dritten Schaltungszweigs 50c zum Umschalten in den leitenden Zustand in der zweiten Periode, z. B. den Schritt zum Steuern des ersten und des zweiten Schaltmittels 60, 70 zum Öffnen und Steuern des dritten Schaltmittels 80 zum Schließen, wodurch die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 auf die zweite Schaltungskonfiguration umgeschaltet wird. Das Verfahren kann ferner Schritte zum Steuern des vierten Schaltungszweigs 50d umfassen, um in der ersten Periode in den nicht leitenden Zustand umzuschalten, und Steuern des vierten Schaltungszweigs 50d, um in der zweiten Periode in den leitenden Zustand umzuschalten, z. B. die Schritte zum Steuern des vierten Schaltmittels 90 zum Öffnen in der ersten Periode und Steuern des vierten Schaltmittels 90 zum Schließen in der zweiten Periode.
Noch ferner kann sich der Schritt zum Steuern der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50, um auf die dritte Schaltungskonfiguration umzuschalten, auf das Steuern des ersten Schaltungszweigs 50a, um in den leitenden Zustand umzuschalten, und Steuern des zweiten und des dritten Schaltungszweigs 50b, 50c, um in den nicht leitenden Zustand umzuschalten, z. B. auf das Steuern des ersten Schaltmittels 60 zum Schließen und Steuern des zweiten und des dritten Schaltmittels 70, 80 zum Öffnen beziehen. Der Schritt kann ferner das Steuern des vierten Schaltmittels 90 zum Öffnen umfassen. Der Schritt zum Steuern der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50, um auf die vierte Schaltungskonfiguration umzuschalten, kann sich auf das Steuern des ersten bis dritten Schaltungszweigs 50a, 50b, 50c und/oder des vierten Schaltungszweigs 50d, um in den nicht leitenden Zustand umzuschalten, z. B. auf das Steuern des ersten bis dritten Schaltmittels 60, 70, 80 zum Öffnen und/oder Steuern des vierten Schaltmittels 90 zum Öffnen beziehen.
Es ist zu beachten, dass das vorstehend beschriebene Gerät 1 als Spannungsverstärker (Ladungspumpe) wirkt und einen einzigen Kondensator 20 zum Erzeugen einer Impulshöhe während der Impulse des PWM-Signals erfordert, die im Wesentlichen zweimal so groß ist wie die verfügbare Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10, d. h. eine Impulshöhe von im Wesentlichen 2V₀. Ferner kann die Impulshöhe der PWM-Impulse (diskret) zwischen im Wesentlichen zweimal der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle und der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 verändert werden, d. h. zwischen 2V₀ und V₀. Dadurch kann die Impulsform des PWM-Signals gemäß jeweiligen Anwendungen optimiert werden.
Die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 kann ferner ein erstes Strombegrenzungsmittel (nicht dargestellt) zum Begrenzen eines Stroms, der durch die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 in der ersten Schaltungskonfiguration fließt, d. h. zum Begrenzen des Aufladestroms des Kondensators 20, umfassen. Das erste Strombegrenzungsmittel kann im ersten Schaltungszweig 50a und/oder im zweiten Schaltungszweig 50b angeordnet sein. Die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 kann ferner ein zweites Strombegrenzungsmittel (nicht dargestellt) zum Begrenzen eines Stroms, der durch die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 in der zweiten Schaltungskonfiguration fließt, d. h. zum Begrenzen des Stroms, der zum Ausgangsknoten 30 zugeführt wird, umfassen. Das zweite Strombegrenzungsmittel kann im dritten Schaltungszweig 50c und/oder im vierten Schaltungszweig 50d angeordnet sein. Das erste und das zweite Strombegrenzungsmittel können Stromquellen sein.
Selbstverständlich kann das entsprechende Verfahren zum Erzeugen eines PWM-Signals mittels des Geräts 1 das Steuern oder Begrenzen eines Aufladestroms, durch den der Kondensator 20 während der ersten Periode aufgeladen wird, umfassen. Noch ferner kann das Verfahren das Steuern oder Begrenzen eines Stroms, der zum Ausgangsknoten 30 während der zweiten Periode zugeführt wird, umfassen.
Als nächstes werden mögliche PWM-Signale, die durch das Gerät 1 ausgegeben werden, mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben.
2 stellt schematisch ein Beispiel eines PWM-Signals, das vom Gerät ausgegeben wird, dar, wobei ohne beabsichtigte Begrenzung angenommen wird, dass eine elektrische Last an den Ausgangsknoten 30 angelegt wird und dass die Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 etwa 5 V ist. Die gestrichelte Linie gibt die Spannung über dem Kondensator 20 an und die durchgezogene Linie gibt die Spannung am Ausgangsknoten 30 an. Während der jeweiligen ersten Perioden ist die Spannung am Ausgangsknoten 30 im Wesentlichen null. Da der Kondensator 20 aufgeladen wird, steigt die Spannung über dem Kondensator 20 während der ersten Perioden an. Während der jeweiligen zweiten Perioden beginnt die Spannung am Ausgangsknoten 30, die im Wesentlichen der Summe der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 und der Spannung über dem Kondensator 20 entspricht, geringfügig von einem Wert von im Wesentlichen zweimal der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 abzunehmen. Diese Abnahme entspricht einer Entladung des Kondensators 20 während der zweiten Periode. Die Größe (Kapazität) des Kondensators 20 kann derart gewählt werden, dass die Abnahme der Impulshöhe während der zweiten Periode im Vergleich zur absoluten Impulshöhe klein ist, so dass ein geeigneter Betrieb einer elektrischen Vorrichtung, die durch das PWM-Signal angetrieben wird, nicht beeinflusst wird.
Wie vorstehend angegeben, wird das in 2 dargestellte PWM-Signal durch Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 auf die erste Schaltungskonfiguration in der ersten Periode, insbesondere am Beginn der ersten Periode, und auf die zweite Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode, insbesondere am Beginn der zweiten Periode, erhalten. Dies kann durch Umschalten des ersten und des zweiten Schaltungszweigs 50a, 50b in den leitenden Zustand, Umschalten des dritten Schaltungszweigs 50c in den nicht leitenden Zustand und wahlweise Umschalten des vierten Schaltungszweigs 50d in den nicht leitenden Zustand in der ersten Periode, insbesondere am Beginn der ersten Periode, z. B. durch Schließen des ersten und des zweiten Schaltmittels 60, 70, Öffnen des dritten Schaltmittels 80 und wahlweise Öffnen des vierten Schaltmittels 90, erreicht werden. Dies kann ferner durch Umschalten des ersten und des zweiten Schaltungszweigs 50a, 50b in den nicht leitenden Zustand, Umschalten des dritten Schaltungszweigs 50c in den leitenden Zustand und wahlweise Umschalten des vierten Schaltungszweigs 50d in den leitenden Zustand in der zweiten Periode, insbesondere am Beginn der zweigen Periode, z. B. durch Öffnen des ersten und des zweiten Schaltmittels 60, 70, Schließen des dritten Schaltmittels 80 und wahlweise Schließen des vierten Schaltmittels 90, erreicht werden.
Im Obigen und im Rest der vorliegenden Offenbarung werden, wenn nicht anders angegeben, der Ausdruck ”in der ersten Periode” und dergleichen so verstanden, dass er sich auf jede erste Periode des PWM-Signals bezieht, wobei eine entsprechende Aussage auch für die zweite Periode gilt.
3 stellt schematisch ein weiteres Beispiel eines PWM-Signals, das vom Gerät ausgegeben wird, dar, wobei ohne beabsichtigte Begrenzung angenommen wird, dass eine elektrische Last an den Ausgangsknoten 30 angelegt wird, und dass die Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 etwa 5 V ist. Wiederum gibt die gestrichelte Linie die Spannung über dem Kondensator 20 an und die durchgezogene Linie gibt die Spannung am Ausgangsknoten 30 an. Während der jeweiligen ersten Perioden ist die Spannung am Ausgangsknoten 30 im Wesentlichen null (es ist zu beachten, dass die Dauer der ersten Periode in Bezug auf die zweite Periode in 3 kürzer ist als in 2). Da der Kondensator 20 aufgeladen wird, steigt die Spannung über dem Kondensator 20 während der ersten Perioden an. Am Beginn der jeweiligen zweiten Perioden wird die Spannung am Ausgangsknoten 30 im Wesentlichen gleich der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10, und nachdem ein erster vorbestimmter Bruchteil der zweiten Periode seit dem Beginn der zweiten Periode vergangen ist (der erste vorbestimmte Bruchteil ist 10 μs in 3, während die Gesamtdauer der zweiten Periode 40 μs ist), wird sie im Wesentlichen gleich der Summe der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 und der Spannung über dem Kondensator 20. Anschließend beginnt die Spannung am Ausgangsknoten 30 geringfügig von einem Wert von im Wesentlichen zweimal der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 abzunehmen. Diese Abnahme entspricht einer Entladung des Kondensators 20. Wie vorstehend angegeben, kann die Größe (Kapazität) des Kondensators 20 derart gewählt werden, dass die Abnahme der Impulshöhe im Vergleich zur absoluten Impulshöhe klein ist, so dass ein geeigneter Betrieb einer elektrischen Vorrichtung, die durch das PWM-Signal angetrieben wird, nicht beeinflusst wird. Nachdem ein zweiter vorbestimmter Bruchteil der zweiten Periode seit dem Beginn der zweiten Periode vergangen ist (der zweite vorbestimmte Bruchteil ist in 3 20 μs), wird die Spannung am Ausgangsknoten 30 im Wesentlichen gleich der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10. Ferner wird am Beginn der anschließenden ersten Periode die Spannung am Ausgangsknoten 30 wieder im Wesentlichen null (die Dauer der ersten Periode ist in 3 10 μs). In 3 ist insbesondere die Dauer der ersten Periode gleich dem Bruchteil der zweiten Periode, für den die Spannung am Ausgangsknoten 30 im Wesentlichen gleich zweimal der Ausgangsspannung V₀ der Spannungsquelle 10 ist, obwohl dies im Allgemeinen kein erforderlicher Fall ist, in Abhängigkeit von z. B. einem Aufladestrom während der ersten Periode, einem Laststrom während der zweiten Periode und der Kapazität des Kondensators 20.
Wie vorstehend angegeben, wird das in 3 dargestellte PWM-Signal durch Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 auf die erste Schaltungskonfiguration in der ersten Periode, insbesondere am Beginn der ersten Periode, und zwischen der zweiten und der dritten Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode erhalten. Das Umschalten zwischen der zweiten und der dritten Schaltungskonfiguration ist nicht auf die in Verbindung mit 3 beschriebene Schaltoperation begrenzt. Die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 kann beispielsweise auf die zweite Schaltungskonfiguration am Beginn der zweiten Periode und anschließend auf die dritte Schaltungskonfiguration umgeschaltet werden. Alternativ kann die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 auf die dritte Schaltungskonfiguration am Beginn der zweiten Periode und anschließend auf die zweite Schaltungskonfiguration umgeschaltet werden. In jedem dieser Fälle kann die Anzahl von Umschaltungen zwischen der zweiten und der dritten Schaltungskonfiguration (in irgendeiner Richtung) eins oder größer als eins sein. In jedem Fall ist das gemeinsame Merkmal aller dieser Fälle, dass die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 (im laufenden Betrieb) zwischen der zweiten Schaltungskonfiguration und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode umgeschaltet wird. Selbstverständlich bezieht sich die obige Aussage auf beide Richtungen des Umschaltens zwischen der zweiten und der dritten Schaltungskonfiguration.
Durch Umschalten (im laufenden Betrieb) der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 zwischen der zweiten und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode kann die Menge an Leistung, die zu einer mit dem Ausgangsknoten 130 verbundenen Last zugeführt wird, feinabgestimmt werden und die elektromagnetische Interferenz kann verringert werden.
Im Obigen kann das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung auf die erste Schaltungskonfiguration durch Umschalten des ersten und des zweiten Schaltungszweigs 50a, 50b in den leitenden Zustand und Umschalten des dritten Schaltungszweigs in den nicht leitenden Zustand und wahlweise Umschalten des vierten Schaltungszweigs 50d in den nicht leitenden Zustand, z. B. durch Schließen des ersten und des zweiten Schaltmittels 60, 70, Öffnen des dritten Schaltmittels 80 und wahlweise Öffnen des vierten Schaltmittels 90 erreicht werden. Das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 auf die zweite Schaltungskonfiguration kann durch Umschalten des ersten und des zweiten Schaltungszweigs 50a, 50b in den nicht leitenden Zustand und Umschalten des dritten Schaltungszweigs in den leitenden Zustand und wahlweise Umschalten des vierten Schaltungszweigs 50d in den leitenden Zustand, z. B. durch Öffnen des ersten und des zweiten Schaltmittels 60, 70, Schließen des dritten Schaltmittels 80 und wahlweise Schließen des vierten Schaltmittels 90, erreicht werden. Das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 auf die dritte Schaltungskonfiguration kann durch Umschalten des ersten Schaltungszweigs 50a in den leitenden Zustand und Umschalten des zweiten und des dritten Schaltungszweigs 50, 50c in den nicht leitenden Zustand und wahlweise Umschalten des vierten Schaltungszweigs 50d in den leitenden Zustand, z. B. durch Schließen des ersten Schaltmittels 60, Öffnen des zweiten und des dritten Schaltmittels 70, 80 und wahlweise Schließen des vierten Schaltmittels 90 erreicht werden.
4 stellt schematisch ein Beispiel für eine Anwendung des Geräts 1 zum Speisen einer elektrischen Vorrichtung dar. Das Gerät 1 entspricht dem in 1A und 1B dargestellten Gerät, wobei das vierte Schaltmittel 90 weggelassen ist. Die obigen Erläuterungen, die vorstehend in Verbindung mit 1A und 1B vorgesehen sind, gelten ebenso für das in 4 dargestellte Gerät 1. Der Ausgangsknoten 30 des Geräts 1 ist mit einer Brücke 100 verbunden, die eine elektrische Vorrichtung 110 antreibt. Die Brücke 100 umfasst ferner ein erstes bis viertes Transistorelement 120, 130, 140, 150. Das erste und das zweite Transistorelement 120, 130 werden durch einen ersten bzw. zweiten Pegelumsetzer 125, 135 gesteuert, um die Leistung zu steuern, die zur elektrischen Vorrichtung 110 zugeführt wird. Dabei werden das erste und das zweite Transistorelement 120, 130 in einer Phase entgegengesetzt zueinander gesteuert. Insbesondere kann die Umschaltfähigkeit der Brücke 100 (d. h. die Umschaltfähigkeit des einen oder der mehreren Transistorelemente 120, 130, 140, 150) verwendet werden, um das vierte Schaltmittel 90 zu ersetzen. Typischerweise arbeitet das dritte Transistorelement 140 phasengleich mit dem zweiten Transistorelement 130 und das vierte Transistorelement 150 arbeitet phasengleich mit dem ersten Transistorelement 120. Folglich ersetzen die Transistorelementpaare 120/150 oder 130/140 die Funktion des vierten Schaltmittels 90. Die Brücke 100 kann durch eine Halbbrücke ersetzt werden, in welchem Fall einer der Anschlüsse der elektrischen Vorrichtung 110 direkt mit Masse verbunden wäre. Die elektrische Vorrichtung 110 kann beispielsweise ein Elektromotor sein.
Unter bestimmten Umständen kann es erforderlich sein, die Leistungsversorgung für die elektrische Vorrichtung 110 zu unterbrechen und irgendwelche induktiven Elemente der elektrischen Vorrichtung 110 zu entladen. Eine solche Situation kann beispielsweise vorliegen, wenn die elektromotorische Kraft eines Elektromotors über seinen Anschlüssen gemessen werden soll. Das Messen der elektromotorischen Kraft eines Elektromotors erfordert, dass die Motorspule zuerst entladen wird. Um solche Situationen zu berücksichtigen, kann das Gerät 1 wie in 5 dargestellt konfiguriert sein.
5 stellt schematisch ein weiteres Beispiel eines Geräts gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Das Gerät 1 von 5 entspricht dem in 1B dargestellten Gerät, wobei das vierte Schaltmittel 90 weggelassen ist, mit zusätzlichen ersten und zweiten Zenerdioden 65, 85 und mit einem zusätzlichen fünften Schaltungszweig 50e. Die anderen Elemente des Geräts 1 sind identisch zu den vorstehend in Verbindung mit 1B beschriebenen.
Im obigen Beispiel, in dem angenommen wird, dass z. B. die Brücke 100 mit dem Elektromotor 110 von 4 mit dem Ausgangsknoten 30 des Geräts 1 verbunden ist, sollte die Spannung über dem Elektromotor 110 während des Entladungsprozesses so groß wie möglich sein, um die Zeit zum Entladen der Motorspule zu verkürzen. Um eine höhere Spannung über dem Elektromotor 110 zu ermöglichen, ist die erste Zenerdiode 65 im ersten Schaltungszweig 50a parallel mit dem ersten Schaltmittel 60 vorgesehen und die zweite Zenerdiode 85 ist im dritten Schaltungszweig 50c parallel mit dem dritten Schaltmittel 80 vorgesehen. Wie vorstehend angegeben, ermöglichen die Zenerdioden 65, 85 eine höhere Spannung über dem Elektromotor 110, was die Zeit zum Entladen der Motorspule verkürzt und folglich das Zeitfenster erweitert, während dessen eine Messung der elektromotorischen Kraft des Elektromotors 110 durchgeführt werden kann.
Ferner ist es erwünscht, geringes Rauschen und eine Zufuhrkopplung an den Anschlüssen des Elektromotors 110 während der Messung der elektromotorischen Kraft des Elektromotors 110 zu haben. Folglich ist die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 ferner auf eine fünfte Schaltungskonfiguration umschaltbar, in der der erste Knoten 21 des Kondensators 20 mit dem Ausgangsknoten 30 verbunden ist und der zweite Knoten 22 des Kondensators 20 mit Masse verbunden ist. Ferner ist in der fünften Schaltungskonfiguration der Ausgangsknoten 30 von der Spannungsquelle 10 getrennt. Das Steuermittel 40 kann dazu ausgelegt sein, die umschaltbare Schaltungsanordnung 50 zu steuern, um auf die fünfte Schaltungskonfiguration umzuschalten, nachdem die Leistungsversorgung für den Elektromotor 110 gestoppt wurde.
In der fünften Schaltungskonfiguration befindet sich der zweite Schaltungszweig 50b im leitenden Zustand, während der erste und der dritte Schaltungszweig 50a, 50c sich im nicht leitenden Zustand befinden. Falls vorhanden, befindet sich der vierte Schaltungszweig 50d im leitenden Zustand. Das zweite Schaltmittel 70 wird beispielsweise geschlossen, während das erste und das dritte Schaltmittel 60, 80 offen sind. Falls vorhanden, wird das vierte Schaltmittel 90 geschlossen.
Selbstverständlich umfasst das entsprechende Verfahren den Schritt des Stoppens der Leistungsversorgung für den Elektromotor 110 und einen Schritt zum Steuern des zweiten Schaltungszweigs 50b zum Umschalten in den nicht leitenden Zustand, Steuern des ersten und des dritten Schaltungszweigs 50a, 50c zum Umschalten in den nicht leitenden Zustand und wahlweise Steuern des vierten Schaltungszweigs 50d zum Umschalten in den leitenden Zustand, z. B. den Schritt zum Steuern des zweiten Schaltmittels 60 zum Schließen, Steuern des ersten und des dritten Schaltmittels zum Öffnen und wahlweise Steuern des vierten Schaltmittels zum Schließen.
Das Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 auf die fünfte Schaltungskonfiguration während der Messung der elektromotorischen Kraft des Elektromotors 110 bewirkt, dass der Pumpkondensator 20 zwischen die Oberseite der Brücke 100 und Masse geschaltet wird. Folglich weist die Brücke 100 eine rauscharme Versorgung auf und irgendeine kapazitive Kopplung stellt kein Problem für die Messung dar.
Wie vorstehend angegeben, umfasst das Gerät 1 ferner einen fünften Schaltungszweig 50e, der umschaltbar ist und den Anschluss 11 der Spannungsquelle 10 mit dem ersten Knoten 21 des Kondensators 20 verbindet. Der fünfte Schaltungszweig 50e ist zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand des fünften Schaltungszweigs 50e umschaltbar und kann dazu ein fünftes Schaltmittel 95 zum Umschalten zwischen dem leitenden Zustand und dem nicht leitenden Zustand des fünften Schaltungszweigs 50e umfassen. Der fünfte Schaltungszweig 50e umfasst ferner ein Widerstandselement (einen Widerstand) 96.
In dem wie vorstehend beschrieben konfigurierten Gerät 1 kann in der fünften Schaltungskonfiguration der umschaltbaren Schaltungsanordnung 50 der Ausgangsknoten 30 ferner mit dem Anschluss 11 der Spannungsquelle 10 durch den Widerstand 96 verbunden sein. In diesem Fall befindet sich der fünfte Schaltungszweig 50e im leitenden Zustand. Dies kann durch Schließen des fünften Schaltelements 95 erreicht werden.
Selbstverständlich umfasst das entsprechende Verfahren einen Schritt zum Steuern des fünften Schaltungszweigs 50e zum Umschalten in den leitenden Zustand, z. B. durch Steuern des fünften Schaltelements 95 zum Schließen.
Das Verbinden der Oberseite der Brücke 100 mit dem Anschluss 11 der Spannungsquelle 10 während der Messung der elektromotorischen Kraft des Elektromotors 110 ermöglicht das Halten der Spannung an der Oberseite der Brücke 100 auf der (gefilterten) Versorgungsspannung.
In einer anderen Variation kann die Schaltungsanordnung verwendet werden, um den Betrieb des Motors durch Konfigurieren der umschaltbaren Schaltungsanordnung als RC-Element zu glätten. Für diesen Zweck kann das zweite Schaltmittel 70 geschlossen werden, um den Kondensator 20 mit Masse zu verbinden. Ferner können das erste Schaltmittel 60 und/oder das vierte Schaltmittel 90 geschlossen werden. Aufgrund des internen Widerstandes des ersten Schaltmittels 60 und des vierten Schaltmittels 90 zusammen mit der Kapazität des Kondensators 20 entwickelt sich ein RC-Element, das die Motorschaltung glätten kann. Alternativ können das fünfte Schaltelement 95 und das Widerstandselement (der Widerstand) 96 in 5 verwendet werden oder Transistor(en) im ersten Schaltmittel 60 und/oder vierten Schaltmittel 90 können in einer Weise betrieben werden, in der sie einen erhöhten Widerstand aufweisen. In einer anderen Variation kann eine Spannungssteuereinheit enthalten sein, um das RC-Element zu erzeugen.
Es sollte beachtet werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Vorrichtungen und des vorgeschlagenen Geräts darstellen. Der Fachmann auf dem Gebiet kann verschiedene Anordnungen implementieren, die, obwohl sie hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und innerhalb ihres Gedankens und Schutzbereichs enthalten sind. Ferner sind alle Beispiele und Ausführungsform, die im vorliegenden Dokument umrissen sind, hauptsächlich ausdrücklich nur für Erläuterungszwecke bestimmt, um dem Leser beim Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und des vorgeschlagenen Geräts zu helfen. Ferner sollen alle Aussagen hier, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung bereitstellen, sowie spezifische Beispiele davon Äquivalente davon umfassen.

Claims

Gerät (1) zum Erzeugen eines pulsbreitenmodulierten, PWM, Signals mit einer ersten Zeitperiode und einer zweiten Zeitperiode, wobei das PWM-Signal einen PWM-Impuls während der zweiten Periode aufweist und den PWM-Impuls während der ersten Periode nicht aufweist, wobei das Gerät (1) umfasst: eine Spannungsquelle (10); einen Kondensator (20); einen Ausgangsknoten (30) zum Ausgeben des PWM-Signals, insbesondere um einen Elektromotor anzutreiben; eine umschaltbare Schaltungsanordnung (50) zum Verbinden der Spannungsquelle (10), des Kondensators (20) und des Ausgangsknotens (30); und ein Steuermittel (40) zum Steuern des Umschaltens der umschaltbaren Schaltungsanordnung (50), wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) so ausgelegt ist, dass sie zwischen einer ersten Schaltungskonfiguration, in der der Kondensator (20) mit der Spannungsquelle (10) parallel geschaltet ist, so dass er durch die Spannungsquelle (10) aufladbar ist, und einer zweiten Schaltungskonfiguration, in der der Kondensator (20) zwischen der Spannungsquelle (10) und dem Ausgangsknoten (30) in Reihe geschaltet ist, so dass Polaritäten der Spannungsquelle (10) und des Kondensators (20) aufeinander ausgerichtet sind, umschaltbar ist; und wobei das Steuermittel (40) dazu ausgelegt ist, die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) zu steuern, um auf die erste Schaltungskonfiguration in der ersten Periode umzuschalten und auf die zweite Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten.
Gerät (1) nach Anspruch 1, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) umfasst: einen ersten Schaltungszweig (50a) mit einem ersten Schaltmittel (60), der einen Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) mit einem ersten Knoten (21) des Kondensators (20) verbindet; einen zweiten Schaltungszweig (50b) mit einem zweiten Schaltmittel (70), der den zweiten Knoten (22) des Kondensators (20) mit Masse verbindet; und einen dritten Schaltungszweig (50c) mit einem dritten Schaltmittel (80), der den zweiten Knoten (22) des Kondensators (20) mit dem Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) verbindet; wobei die erste Schaltungskonfiguration eine Schaltungskonfiguration ist, in der das erste und das zweite Schaltmittel (60, 70) geschlossen sind und das dritte Schaltmittel (80) offen ist; und wobei die zweite Schaltungskonfiguration eine Schaltungskonfiguration ist, in der das erste und das zweite Schaltmittel (60, 70) offen sind und das dritte Schaltmittel (80) geschlossen ist.
Gerät (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner ein Strombegrenzungsmittel zum Begrenzen des Stroms, durch den der Kondensator (20) aufgeladen wird, wenn die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) auf die erste Schaltungskonfiguration umgeschaltet ist, umfasst.
Gerät (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) ferner einen vierten Schaltungszweig (50d) umfasst, der den ersten Knoten (21) des Kondensators (20) mit dem Ausgangsknoten (30) verbindet.
Gerät (1) nach Anspruch 4, wobei der vierte Schaltungszweig (50d) ein viertes Schaltmittel (90) umfasst; und wobei das vierte Schaltmittel (90) in der ersten Schaltungskonfiguration offen und in der zweiten Schaltungskonfiguration geschlossen ist.
Gerät (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) ferner auf eine dritte Schaltungskonfiguration umschaltbar ist, in der der Ausgangsknoten (30) mit dem Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) verbunden ist, so dass die von der Spannungsquelle (10) ausgegebene Spannung an den Ausgangsknoten (30) angelegt wird; und wobei das Steuermittel (40) dazu ausgelegt ist, die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) zu steuern, um zwischen der zweiten Schaltungskonfiguration und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode umzuschalten.
Gerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) ferner auf eine dritte Schaltungskonfiguration, in der der Ausgangsknoten (30) mit dem Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) verbunden ist, so dass die von der Spannungsquelle (10) ausgegebene Spannung an den Ausgangsknoten (30) angelegt wird, und auf eine vierte Schaltungskonfiguration, in der der Ausgangsknoten (30) nicht mit dem Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) verbunden ist, umschaltbar ist; und wobei das Steuermittel (40) dazu ausgelegt ist, in einem ersten Betriebsmodus, in dem das Steuermittel (40) die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) steuert, um zwischen der ersten Schaltungskonfiguration in der ersten Periode und der zweiten Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten, und in einem zweiten Betriebsmodus, in dem das Steuermittel (40) die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) steuert, um zwischen der vierten Schaltungskonfiguration in der ersten Periode und der dritten Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode umzuschalten, zu arbeiten.
Gerät (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der erste Schaltungszweig (50a) ferner eine erste Zenerdiode (65) umfasst, die mit dem ersten Schaltmittel (60) parallel geschaltet ist; und wobei der dritte Schaltungszweig (50c) ferner eine zweite Zenerdiode (85) umfasst, die mit dem dritten Schaltmittel (80) parallel geschaltet ist.
Gerät (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das dazu ausgelegt ist, Leistung zu einem Elektromotor (110) über den Ausgangsknoten (30), möglicherweise über eine Brückenschaltung oder Halbbrückenschaltung zu liefern.
Gerät (1) nach Anspruch 9, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) ferner so ausgelegt ist, dass sie auf eine fünfte Schaltungskonfiguration umschaltbar ist, in der der erste Knoten (21) des Kondensators (20) mit dem Ausgangsknoten (30) verbunden ist und der zweite Knoten (22) des Kondensators (20) mit Masse verbunden ist; und wobei das Steuermittel (40) dazu ausgelegt ist, die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) zu steuern, um auf die fünfte Schaltungskonfiguration umzuschalten, nachdem die Leistungsversorgung für den Motor gestoppt wurde.
Gerät (1) nach Anspruch 10, wobei in der fünften Schaltungskonfiguration der Ausgangsknoten (30) ferner mit dem Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) durch einen Widerstand (96) verbunden ist.
Gerät (1) nach Anspruch 9, wobei das vierte Schaltmittel (90) durch ein Schaltmittel der Brückenschaltung oder der Halbbrückenschaltung implementiert wird.
Verfahren zum Erzeugen eines pulsbreitenmodulierten, PWM, Signals mit einer ersten Zeitperiode und einer zweiten Zeitperiode, wobei das PWM-Signal einen PWM-Impuls während der zweiten Periode aufweist und den PWM-Impuls während der ersten Periode nicht aufweist, mittels eines Geräts (1), das umfasst: eine Spannungsquelle (10), einen Kondensator (20), einen Ausgangsknoten (30) zum Ausgeben des PWM-Signals und eine umschaltbare Schaltungsanordnung (50) zum Verbinden der Spannungsquelle (10), des Kondensators (20) und des Ausgangsknotens (30), wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) so ausgelegt ist, dass sie zwischen einer ersten Schaltungskonfiguration, in der der Kondensator (20) mit der Spannungsquelle (10) parallel geschaltet ist, so dass er durch die Spannungsquelle (10) aufladbar ist, und einer zweiten Schaltungskonfiguration, in der der Kondensator (20) zwischen der Spannungsquelle (10) und dem Ausgangsknoten (30) in Reihe geschaltet ist, so dass Polaritäten der Spannungsquelle (10) und des Kondensators (20) aufeinander ausgerichtet sind, umschaltbar ist, wobei das Verfahren umfasst: Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung (50) auf die erste Schaltungskonfiguration während der ersten Periode; und Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung (50) auf die zweite Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) einen ersten Schaltungszweig (50a) mit einem ersten Schaltmittel (60), der einen Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) mit einem ersten Knoten (21) des Kondensators (20) verbindet, einen zweiten Schaltungszweig (50b) mit einem zweiten Schaltmittel (70), der den zweiten Knoten (22) des Kondensators (20) mit Masse verbindet, und einen dritten Schaltungszweig (50c) mit einem dritten Schaltmittel (80), der den zweiten Knoten (22) des Kondensators (20) mit dem Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) verbindet, umfasst; und wobei das Verfahren umfasst: Schließen des ersten und des zweiten Schaltmittels (60, 70) und Öffnen des dritten Schaltmittels (80) während der ersten Periode, wodurch die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) auf die erste Schaltungskonfiguration umgeschaltet wird; und Öffnen des ersten und des zweiten Schaltmittels (60, 70) und Schließen des dritten Schaltmittels (80) während der zweiten Periode, wodurch die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) auf die zweite Schaltungskonfiguration umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, das ferner das Begrenzen des Stroms, durch den der Kondensator (20) aufgeladen wird, wenn die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) auf die erste Schaltungskonfiguration umgeschaltet wird, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) ferner einen vierten Schaltungszweig (50d) mit einem vierten Schaltmittel (90) zum Verbinden des ersten Knotens (21) des Kondensators (20) mit dem Ausgangsknoten (30) umfasst; und wobei das Verfahren ferner umfasst: Öffnen des vierten Schaltmittels (90) während der ersten Zeitperiode; und Schließen des vierten Schaltmittels (90) während der zweiten Zeitperiode.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) ferner auf eine dritte Schaltungskonfiguration umschaltbar ist, in der der Ausgangsknoten (30) mit dem Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) verbunden ist, so dass die von der Spannungsquelle (10) ausgegebene Spannung an den Ausgangsknoten (30) angelegt wird; und wobei das Verfahren ferner umfasst: Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung (50) zwischen der zweiten Schaltungskonfiguration und der dritten Schaltungskonfiguration während der zweiten Periode.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) ferner auf eine dritte Schaltungskonfiguration, in der der Ausgangsknoten (30) mit dem Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) verbunden ist, so dass die von der Spannungsquelle (10) ausgegebene Spannung an den Ausgangsknoten (30) angelegt wird, und auf eine vierte Schaltungskonfiguration, in der der Ausgangsknoten (30) nicht mit dem Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) verbunden ist, umschaltbar ist; und wobei das Verfahren ferner umfasst: Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung (50) auf die vierte Schaltungskonfiguration in der ersten Periode; und Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung (50) auf die dritte Schaltungskonfiguration in der zweiten Periode.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, das ferner umfasst: Zuführen des erzeugten PWM-Signals zu einem Motor, der mit dem Ausgangsknoten (30) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die umschaltbare Schaltungsanordnung (50) ferner so ausgelegt ist, dass sie auf eine fünfte Schaltungskonfiguration umschaltbar ist, in der der ersten Knoten (21) des Kondensators (20) mit dem Ausgangsknoten (30) verbunden ist und der zweite Knoten (22) des Kondensators (20) mit Masse verbunden ist; und wobei das Verfahren ferner umfasst: Stoppen der Leistungsversorgung für den Motor; und Umschalten der umschaltbaren Schaltungsanordnung (50) auf die fünfte Schaltungskonfiguration, nachdem die Leistungsversorgung für den Motor gestoppt wurde.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei in der fünften Schaltungskonfiguration der Ausgangsknoten (30) ferner mit dem Anschluss (11) der Spannungsquelle (10) durch einen Widerstand (96) verbunden ist.