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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen digital gesteuerten Zwei- oder Mehrkanal-DC/DC-Wandler mit nichtlinearer Steuerung mit feststehender EIN-Zeit.
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers mit Analogsteuerung umfassen nichtlineare Steuerungen, genannte Hysterese-Steuerungen. In dieser Hysterese-Steuerung umfasst ein Ausgangsspannungs-Feedback-System keinen Fehlerverstärker und Phasenkompensation ist nicht erforderlich. Dementsprechend kann eine sehr hohe Ansprechgeschwindigkeit bereitgestellt werden.
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4 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel einer Zwei-Kanal-Stromversorgungsschaltung mit Hysterese-Steuerung zeigt. 5 ist ein Diagramm, welches eine Eingangsrippelstromkurve der Zweikanal-HystereseSteuerung zeigt.
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Eine Schaltstromversorgungsschaltung eines ersten Kanals umfasst Schaltelemente 21 und 31, einen Treiber 81 zum abwechselnden Ansteuern der Schaltelemente 21 und 31 und einen IC-Filter 91. Der Treiber 81 wird durch eine Gegenkopplungsschaltung auf der Basis eines Komparators CMP1 gesteuert. In ähnlicher Weise umfasst eine Schaltstromversorgungsschaltung eines zweiten Kanals die Schaltelemente 22 und 32, einen Treiber 82 zum abwechselnden Ansteuern der Schaltelemente 22 und 32 und einen IC-Filter 92. Der Treiber 82 wird durch eine negative Rückkopplungsschaltung gesteuert, basierend auf einem Komparator CMP2. Es sei angemerkt, dass in 4 Vref eine Referenzspannung bezeichnet. In diesem Beispiel einer Stromversorgungsschaltung, gezeigt in 4, überlappen die Stromwellenform des ersten Kanals und die Stromwellenform des zweiten Kanals einander, wie in 5 dargestellt.
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Darüber hinaus kann in einem DC/DC-Wandler mit PWM-Steuerung ein Rippelstrom über einen Eingangskondensator durch Verschieben der Phasen bei der Umschaltung der jeweiligen Kanäle des Zwei- oder Mehrkanal-DC/DC-Wandlers verringert werden, um Überschneidungen zwischen den EIN-Zeiten der Schaltelemente der jeweiligen Kanäle zu verringern.
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6 ist ein Diagramm, welches eine Zwei-Kanal-Stromversorgungsschaltung mit PWM-Steuerung zeigt. 7 ist ein Diagramm, welches eine Eingangsrippelstromkurve der Zweikanal-Stromversorgung mit PWM-Steuerung zeigt.
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Eine Schaltstromversorgungsschaltung eines ersten Kanals umfasst die Schaltelemente 21 und 31, einen Treiber 81 zum abwechselnden Ansteuern der Schaltelemente 21 und 31 und einen IC-Filter 91. Der Treiber 81 wird durch eine negative Rückkopplungsschaltung auf der Grundlage eines Fehlerverstärkers AMP1 gesteuert. In ähnlicher Weise umfasst eine Schaltstromversorgungsschaltung eines zweiten Kanals die Schaltelemente 22 und 32, einen Treiber 82 zum abwechselnden Ansteuern der Schaltelemente 22 und 32 und einen IC-Filter 92. Der Treiber 82 wird durch einen negativen Rückkopplungskreis auf der Grundlage eines Fehlerverstärkers AMP2 gesteuert. Es sei angemerkt, dass in 6 Vref eine Referenzspannung bezeichnet.
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Es sei angemerkt, dass die folgende Tatsache auch bekannt ist: in dem Fall, wo ein nicht-linear gesteuerter DC/DC-Wandler stabil in einem bestimmten stationären Betriebszustand gesteuert wird, ist eine Frequenz f konstant und durch eine Eingangsspannung Vin, eine Ausgangsspannung Vo und eine EIN-Zeit Impulsdauer eines Schaltelements 2i bestimmt. Im Fall eines nicht-isolierten, synchronen Abwärts-DC/DC-Wandlers, wie in den 1 und 4 gezeigt, wird die Frequenz f durch den folgenden Ausdruck (1) dargestellt: f = Vo/(Vin × ton) (1)
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Die
japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschriften Nr. 2010-259280 ,
2011-259686 ,
2013-062966 ,
2013-243875 und Ähnliche offenbaren Schaltstromversorgungsschaltungen, aber keiner von ihnen soll einen Rippelstrom über einen Eingangskondensator verringern.
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Um eine Hochgeschwindigkeitsreaktion in einem DC/DC-Wandler zu verwirklichen, wird eine nichtlineare Steuerung wie die Hysterese-Steuerung benötigt, da eine lineare Steuerung, wie beispielsweise die PWM-Steuerung ihre Grenzen besitzt. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass sich, wenn eine nichtlineare Steuerung wie die Hysterese-Steuerung an einem Zwei- oder Mehrkanal-DC/DC-Wandler angelegt wird, Überlappungen zwischen EIN-Zeiten der Schaltelemente erhöhen, in Abhängigkeit von den Phasen des Schaltens der jeweiligen Kanäle. Dies erhöht einen Rippelstrom durch einen Eingangskondensator, und beeinträchtigt die Lebensdauer des Eingangskondensators. Inzwischen kann, wenn eine lineare Steuerung wie beispielsweise die PWM-Steuerung an einem Zwei- oder Mehrkanal-DC/DC-Wandler angelegt ist, ein Rippelstrom über einen Eingangskondensator verringert werden, weil es leicht ist, die Phasen des Schaltens der jeweiligen Kanäle zu verschieben, wobei es aber schwierig ist, eine Hochgeschwindigkeitsreaktion bereitzustellen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend ist es in Anbetracht der oben beschriebenen Probleme des Stands der Technik eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen digital gesteuerten Zwei- oder Mehrkanal-Abwärts-DC/DC-Wandler bereitzustellen, der eine nicht-lineare Steuerung verwendet und in dem eine Reduktion eines Rippelstroms über einen Eingangskondensator durch Steuern von Phasendifferenzen zwischen den Kanälen verwirklicht wird.
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Ein DC/DC-Wandlers nach der vorliegenden Erfindung ist ein digital gesteuerter Zwei- oder Mehrkanal-Abwärts-DC/DC-Wandler, welcher eine nichtlineare Steuerung mit feststehenden EIN-Zeiten einsetzt, wobei er Schaltstromversorgungsschaltungen des ersten bis N-ten (wobei N eine ganze Zahl nicht kleiner als 2 ist) Kanals, wobei die Schaltstromversorgungsschaltungen mit einem Eingangsanschluss parallel geschaltet sind; A/D-Wandler zum Umwandeln von Ausgangsspannungen, welche von den Ausgangsanschlüssen der Schaltstromversorgungsschaltungen der jeweiligen Kanäle ausgegeben werden, in digitale Signale; und einen Arithmetik-Prozessor umfasst, welcher die von den A/D-Wandlern umgewandelten digitalen Signale empfängt. Jede der Schaltstromversorgungsschaltungen umfasst ein Schaltelement mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem Eingangsanschluss verbunden ist, um ein- und ausgeschaltet zu werden, einen Induktor mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem zweiten Anschluss des Schaltelements verbunden ist, einen Kondensator, der zwischen einem zweiten Anschluss des Induktors und 0 Volt geschaltet ist, und eine Treiberschaltung zum Ansteuern des Schaltelements. Der Arithmetik-Prozessor ist konfiguriert, um ein Zeitintervall zwischen einem Zeitpunkt, bei dem das Schaltelement der Schaltstromversorgungsschaltung des ersten Kanals eingeschaltet wurde, und einem Zeitpunkt, bei dem das Schaltelement der Schaltstromversorgungsschaltung des relevanten einen vom zweiten bis N-ten Kanal eingeschaltet wurde, zu messen, in dem Falle, wo der Arithmetik-Prozessor bestimmt, dass das Schaltelement der Schaltstromversorgungsschaltung jedes des zweiten bis N-ten Kanals eingeschaltet wurde. Und, falls das gemessene Zeitintervall innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, fährt der Arithmetik-Prozessor den Betrieb ohne Andern einer EIN-Zeit der Schaltstromversorgungsschaltung wie sie zuletzt verwendet wurde, fort. Wenn auf der anderen Seite das gemessene Zeitintervall außerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, erhöht oder verringert der Arithmetik-Prozessor die EIN-Zeit des Schaltelements innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts und führt den Betrieb fort, so dass das Zeitintervall wieder auf den vorgegebenen Bereich geführt werden kann, wodurch Schaltphasen der Schaltelemente der Stromversorgungsschaltungen der jeweiligen Kanäle verschoben werden, um Überschneidungen zwischen den EIN-Zeiten der Schaltelemente der jeweiligen Kanäle zu verringern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in dem digital gesteuerten Zwei- oder Mehrkanal-DC/DC-Wandler mit nichtlinearer Steuerung in einem Zustand, in dem wenig Frequenzschwankung auftritt, mit Ausnahme der Fälle wie beispielsweise eine plötzliche Laständerung, eine Hochgeschwindigkeitsantwort und eine Verringerung in einem Rippelstrom über einen Eingangskondensator durch Aufrechterhalten eines Unterschieds zwischen den Phasen des Schaltens der jeweiligen Kanäle auf einem vorgegebenen Niveau oder höher verwirklicht werden. Jedoch erhöhen sich in Fällen, wie beispielsweise einer plötzlichen Lastveränderung, kurzzeitig Überlappungen zwischen den EIN-Zeiten der Schaltelemente, wodurch ein großer Rippelstrom im Eingangskondensator erzeugt wird, wobei aber ein langfristiger Rippelstrom durch den Eingangskondensator auf einem Niveau, vergleichbar der linearen Steuerung, wie PWM-Steuerung, durch allmähliches Verschieben der Phasen des Schaltens der jeweiligen Kanäle gesteuert werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung treten aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen augenscheinlich hervor, wobei:
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1 ein Diagramm ist, welches einen DC/DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, der eine nichtlinear und digital gesteuerte Zwei- oder Mehrkanal-Stromversorgungsschaltung umfasst;
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2 ist ein Diagramm, welches eine Eingangsrippelstromkurve einer nichtlinear und digital gesteuerten Zweikanal-Stromversorgungsschaltung zeigt;
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3 ist ein Flussdiagramm, welches die EIN-Zeitsteuerung für die Schaltelemente zeigt, die von einem Arithmetik-Prozessor des DC/DC-Wandler aus 1 ausgeführt wird;
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4 ist ein Diagramm, welches eine Zweikanal-Stromversorgungsschaltung mit Hysterese-Steuerung nach dem Stand der Technik zeigt;
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5 ist ein Diagramm, welches eine Eingangsrippelstromkurve der Zweikanal-Hysterese-Steuerung nach dem Stand der Technik zeigt;
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6 ist ein Diagramm, welches eine Zweikanal-Stromversorgungsschaltung mit PWM-Steuerung nach dem Stand der Technik zeigt; und
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7 ist ein Diagramm, welches eine Eingangsrippelstromkurve der Zweikanal-Stromversorgung mit PWM-Steuerung nach dem Stand der Technik zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein DC/DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 beschrieben.
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Der DC/DC-Wandler ist ein digital gesteuerter Zwei- oder Mehrkanal-Abwärts-DC/DC-Wandler, welcher feststehende, nichtlineare EIN-Zeit-Steuerung einsetzt und welcher Schaltstromversorgungsschaltungen (nichtlinear und digital gesteuerte Stromversorgungsschaltungen) 71 72, ..., 7N des ersten bis N-ten (wobei N eine ganze Zahl nicht kleiner als 2 ist) Kanals, welche mit einem Eingangsanschluss parallel geschaltet sind, A/D-Wandler 61, 62, ..., 6N zum Umwandeln von Ausgangsspannungen, welche von den Ausgangsanschlüssen der Schaltstromversorgungsschaltungen 71, 72, ..., 7N der jeweiligen Kanäle ausgegeben werden, in digitale Signale und einen Arithmetik-Prozessor 7 umfasst, welcher die von den A/D-Wandler 61, 62, ..., 6N umgewandelten digitalen Signale empfängt. Der Arithmetik-Prozessor 7 empfängt auch ein Signal, das ein von der Eingangsspannung durch einen A/D-Wandler erzeugtes, digitales Signal 6M ist.
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Jede Schaltstromversorgungsschaltung 7i (i = 1, 2, ..., N) umfasst Schaltelemente 2i und 3i mit ersten Anschlüssen, die mit dem Eingangsanschluss Vin verbunden sind, um eingeschaltet und ausgeschaltet zu werden, einen Induktor 4i mit einem ersten Anschluss, der mit einem zweiten Anschluss des Schaltelements 2i verbunden ist, einen Kondensator 5i, der zwischen einen zweiten Anschluss der Induktivität 4i und 0 V geschaltet ist, und einen Treiber 8i zum abwechselnden Ansteuern der Schaltelemente 2i und 3i. Es sollte beachtet werden, dass der Induktor 4i und der Kondensator 5i einen IC-Filter 9i bilden.
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Der Arithmetik-Prozessor 7 des DC/DC-Wandlers bestimmt, ob das Schaltelement 2j der Schaltstromversorgungsschaltung, 7j (j = 2, 3, ..., N) von jedem vom zweiten bis zum N-ten Kanal auf EIN geschaltet wurde oder nicht. Wenn bestimmt wird, dass das Schaltelement 2j auf EIN geschaltet wurde, misst der Arithmetik-Prozessor 7 das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, in dem das Schaltelement 21 der Schaltstromversorgungsschaltung 71 des ersten Kanals auf EIN geschaltet wurde, und dem Zeitpunkt, in dem das Schaltelement 2j der Schaltstromversorgungsschaltung 7j auf EIN geschaltet wurde. Dann,
- – wenn das gemessene Zeitintervall innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, setzt der Arithmetik-Prozessor 7 den Betrieb fort, ohne die EIN-Zeit der Schaltstromversorgungsschaltung 7j, die zuletzt verwendet wurde, zu ändern, und unterdessen,
- – wenn das gemessene Zeitintervall außerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, erhöht oder verringert der Arithmetik-Prozessor 7 die EIN-Zeit des Schaltelements 2j innerhalb eines vorgebenen Zeitbereichs und führt den Betrieb fort, so dass das Zeitintervall wieder auf den vorgegebenen Bereich zurückgebracht werden kann. Somit werden die Phasen des Schaltens der Schaltelemente 21 bis 2N der Schaltstromversorgungsschaltungen 71 bis 7N der jeweiligen Kanäle verschoben, so dass Überlappungen zwischen EIN-Zeiten der Schaltelemente der jeweiligen Kanäle reduziert werden.
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Zu diesem Zeitpunkt sind die Schaltelemente 31 bis 3N durch die Treiber 81 bis 8N angetrieben, um so auf EIN während der AUS-Zeiten der Schaltelemente 21 bis 2N geschaltet zu werden.
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In der Schaltstromversorgungsschaltung 71 des ersten Kanals von 1 wird von einer Grundbetriebsfrequenz fch1, die eine stabile Steuerung während eines stabilen Betriebs ermöglicht, die EIN-Zeit des Schaltelements 21 im Voraus mit einer Eingangsspannung Vin und einer Ausgangsspannung Vo-1 bestimmt. In ähnlicher Weise wird aus einem Bereich von Frequenzen, die eine stabile Steuerung während eines stabilen Betriebs der Schaltstromversorgungsschaltungen 72 bis 7N des zweiten bis N-ten Kanals ermöglichen, ein EIN-Zeitbereich des Schaltelements 2j (j = 2, 3, ..., N) bestimmt. Zu diesem Zeitpunkt sollte die Grundbetriebsfrequenz fch1 des ersten Kanals in den Frequenzbereich des zweiten bis N-ten Kanals miteinbezogen sein. Darüber hinaus wird aus der Grundbetriebsfrequenz fch1 und der Anzahl der Kanäle N der Bereich des Intervalls zwischen dem Zeitpunkt des Einschaltens (EIN) des Schaltelements 21 der Schaltstromversorgungsschaltung 71 des ersten Kanals und der Zeit des Einschaltens des Schaltelement 2j der Schaltstromversorgungsschaltung 7j jedes des zweiten bis N-ten Kanals; j (j = 2, 3, ..., N) bestimmt, so dass Überlappungen zwischen EIN-Zeiten der Schaltelemente 22 bis 2n reduziert werden können.
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2 zeigt eine Eingangsrippelstromkurve der nichtlinear und digital gesteuerten Zweikanalstromversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In einer Periode, in welcher die Frequenzschwankung groß ist, gibt es Überschneidungen zwischen EIN-Zeiten der Schaltelemente des ersten Kanals und des zweiten Kanals und ein Eingangsrippelstrom nimmt zu. Jedoch ist der Eingangsrippelstrom durch Ausführen einer Steuerung reduziert, so dass die Überlappungen zwischen EIN-Zeiten eliminiert werden können, wenn die Frequenzschwankung abnimmt.
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3 ist ein Flussdiagramm, das EIN-Zeit-Steuerung für die Schaltelemente 21 bis 2N zeigt, welche vom Arithmetik-Prozessor 7 von 1 ausgeführt wird.
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In einem Betriebszustand arbeitet jeder des ersten bis N-ten Kanals unter digitaler Steuerung, wobei nichtlineare Steuerung eingesetzt wird, und das Intervall (Zeitintervall) zwischen dem Zeitpunkt des Einschaltens (EIN) des Schaltelements 21 und dem Zeitpunkt des Einschaltens (EIN) des Schaltelementes 2j (j = 2, 3, ..., N) wird von einer Zeitgeberfunktion des Arithmetik-Prozessors 7 gemessen, wie in 3 gezeigt, und,
- (a) wenn das gemessene Intervall innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, wird der Vorgang ohne Verändern der EIN-Zeit des Schaltelements 2j, wie zuletzt verwendet, fortgesetzt, jedoch,
- (b) wenn das gemessene Intervall außerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt, wird die EIN-Zeit des Schaltelements 2j innerhalb eines vorgegebenen Bereichs erhöht oder verringert und von der Grundfrequenz fch1 verschoben, so dass das Intervall zwischen den Zeiten des Einschaltens (EIN) des Schaltelements 21 und des Schaltelements 2j zurück in den oben beschriebenen Bereich gebracht werden kann.
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Nachstehend wird das Flussdiagramm der 3 Schritt für Schritt beschrieben.
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Zuerst misst, wenn das Schaltelement 2j der Schaltstromversorgungsschaltung 7j des j-ten (j = 2, 3, ..., N) Kanals auf EIN gesetzt worden ist, der Arithmetik-Prozessor 7 das Intervall (Zeitintervall) zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Schaltelement 21 der Schaltstromversorgungsschaltung 71 des ersten Kanals eingeschaltet wurde, und dem Zeitpunkt, zu dem das Schaltelement 2j auf EIN gesetzt worden ist (Schritt sa01). Dann bestimmt der Arithmetik-Prozessor 7, ob das gemessene Intervall innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt oder nicht (Schritt sa02). Wenn das gemessene Intervall innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, setzt der Arithmetik-Prozessor 7 den Betrieb fort, ohne die EIN-Zeit des Schaltelements 2j, die zuletzt verwendet wurde, zu verändern (Schritt sa03), aktualisiert j (j = j + 1) und kehrt zu Schritt sa01 zurück. Inzwischen erhöht oder verringert, wenn das gemessene Zeitintervall nicht innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, der Arithmetik-Prozessor 7 die EIN-Zeit des Schaltelements 2j innerhalb einer vorgegebenen EIN-Zeit-Spanne, setzt den Betrieb fort, aktualisiert j (j = j + 1) und kehrt zu Schritt sa01 zurück.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010-259280 [0009]
- JP 2011-259686 [0009]
- JP 2013-062966 [0009]
- JP 2013-243875 [0009]
