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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Schaltkreise und in bestimmten Ausführungsformen ein System und ein Verfahren für einen Schaltwandler.
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Leistungsversorgungssysteme finden sich in zahlreichen elektronischen Anwendungen von Computern bis zu Automobilen. Üblicherweise werden Spannungen in Leistungsversorgungssystemen durch Ausführen einer Gleichstrom-Gleichstrom (DC-DC), Gleichstrom-Wechselstrom (DC-AC) bzw. Wechselstrom-Gleichstrom(AC-DC)-Wandlung erzeugt, indem ein mit einer Induktivität oder einem Transformator belasteter Schalter betrieben wird. Eine Klasse dieser Systeme umfasst getaktete Leistungsversorgungen (Switched Mode Power Supplies, SMPS). Eine SMPS ist typischerweise effizienter als andere Typen von Leistungswandlungssystemen, da die Leistungswandlung durch ein kontrolliertes Auf- und Entladen der Induktivität oder des Transformators erfolgt und Energieverluste, die durch die Verlustleistung bei inneren Spannungsabfällen entstehen, reduziert werden.
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Eine SMPS weist in der Regel wenigstens einen Schalter und eine Induktivität oder einen Transformator auf. Einige spezifische Topologien umfassen unter anderem Abwärtswandler, Aufwärtswandler und Sperrwandler. Üblicherweise wird eine Steuerschaltung verwendet, um den Schalter zum Auf- und Entladen der Induktivität zu öffnen bzw. zu schließen. In einigen Anwendungen wird/werden der Strom, der an die Last geliefert wird, und/oder die Spannung, die an die Last geliefert wird, über eine Rückkopplungsschleife geregelt.
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Beispielsweise handelt es sich bei dem Abwärtswandler um einen spezifischen Typ, der dazu dient, eine Eingangsspannung durch kontrolliertes Schalten herunterzusetzen. Die Induktivität wird wiederholt aufgeladen und entladen, so dass die an die Last gelieferte Spannung auf einem Niveau unterhalb der Eingangsspannung gehalten wird. Während des Schaltens arbeitet die Steuerung, die mit den Schaltern verbunden ist und die Steuersignale für diese liefert, wobei sie verschiedene Systemparameter überwacht. Diese Parameter können herangezogen werden, um Rückkopplungssteuer- und Schaltsignale zu berechnen. Beispielsweise überwachen manche Steuerungen eine Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom und verändern die Schaltparameter, etwa das Tastverhältnis (Duty Cycle), um eine(n) spezifische(n) Ausgangsspannung oder Ausgangsstrom zu erhalten.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltwandlers, einen Betriebsparameter des Schaltwandlers zu bestimmen und, wenn der Betriebsparameter außerhalb eines ersten Betriebsbereichs liegt, einen Steuerparameter anzupassen, um den Betriebsparameter derart anzupassen, dass er innerhalb des ersten Betriebsbereichs liegt. Der Betriebsparameter umfasst wenigstens eines von einer Schaltfrequenz des Schaltwandlers und einem Stromwelligkeitswert eines Ausgangsstroms.
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Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und der damit verbundenen Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 eine schematische Darstellung eines Abwärtswandlers einer Ausführungsform zeigt;
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2 ein Wellenformdiagramm eines Schaltwandlers einer Ausführungsform im Betrieb zeigt;
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3 ein Diagramm der Steuervariablen einer Ausführungsform zeigt;
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4 ein Blockschaltbild einer Steuerung einer Ausführungsform darstellt;
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5 ein Blockschaltbild einer Steuerung einer anderen Ausführungsform darstellt;
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6 ein Blockschaltbild einer Steuerung einer weiteren Ausführungsform darstellt;
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7 ein Blockschaltbild einer Steuerung noch einer weiteren Ausführungsform darstellt;
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8 eine schematische Darstellung eines Abwärtswandlers einer anderen Ausführungsform zeigt;
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9 ein Diagramm der Steuervariablen eines Schaltwandlers einer Ausführungsform im Betrieb zeigt;
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10 ein Diagramm weiterer Steuervariablen eines Schaltwandlers einer Ausführungsform im Betrieb zeigt;
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11 ein Blockschaltbild eines Betriebsverfahrens einer Ausführungsform zeigt; und
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12 eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltung einer Ausführungsform zeigt.
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Gleiche Bezugsziffern und -zeichen in den verschiedenen Figuren bezeichnen im Allgemeinen einander entsprechende Teile, soweit nicht anders angegeben. Die Figuren sind lediglich zur Veranschaulichung der relevanten Aspekte der Ausführungsformen vorgesehen und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
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Die Herstellung und Verwendung der verschiedenen Ausführungsformen werden im Folgenden ausführlich beschrieben. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die hier beschriebenen, verschiedenen Ausführungsformen in einer breiten Vielfalt spezifischer Kontexte angewendet werden können. Die besprochenen spezifischen Ausführungsformen dienen lediglich der Verdeutlichung der besonderen Wege der Herstellung und Verwendung verschiedener Ausführungsformen und sollten nicht als den Schutzbereich einschränkend ausgelegt werden.
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Beschreibungen werden in Bezug auf verschiedene Ausführungsformen in einem bestimmten Kontext gegeben, nämlich Schaltwandlern und spezieller Abwärtswandlern. Einige der hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen umfassen Steuerungen für Schaltwandler und Frequenzwelligkeitsregler. In anderen Ausführungsformen können die Aspekte auch auf andere Anwendungen angewendet werden, bei denen jede Art von Schaltwandler, Steuerung oder Schaltkreis in beliebiger Art und Weise gemäß dem Stand der Technik beteiligt sein kann.
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Gemäß verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen werden Schaltwandler verschiedener Typen mit verschiedenen Ausgangslastspannungen betrieben. Ein Schaltwandler kann so gesteuert werden, dass er einen Stromwelligkeitswert für den Stromausgang zur Last innerhalb eines Stromwelligkeitswertebereichs hält. Der Schaltwandler kann auch derart gesteuert werden, dass er die Schaltfrequenz der Schalter innerhalb eines Schaltfrequenzwertebereichs hält. In verschiedenen Ausführungsformen überwacht eine Steuerung die Stromwelligkeit im Ausgangsstrom oder die Schaltfrequenz und passt Schwellenwerte für das Schalten von Steuersignalen an, um die Stromwelligkeit oder die Schaltfrequenz innerhalb eines spezifizierten Betriebsbereichs zu halten. Beispielsweise passt die Steuerung maximale oder minimale Stromschwellenwerte an, um die Stromwelligkeit und die Schaltfrequenz zu steuern. In einem anderen Beispiel passt die Steuerung einen Einschalt-Zeitgeber oder einen Ausschalt-Zeitgeber an, um die Schaltdauer zu steuern und effektiv die Stromwelligkeit und die Schaltfrequenz zu steuern. In einigen Ausführungsformen steuert die Steuerung eine Mischung aus Einschaltzeit, Ausschaltzeit, Maximalstrom und Minimalstrom.
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In verschiedenen Ausführungsformen sind einige Schaltwandler äußerst flexibel und für einen breiten Bereich von Ausgangslasten anpassbar und zeigen verbesserte Leistungscharakteristika über das Spektrum der Ausgangslasten. In spezifischen Beispielen können einige Vorteile Schaltwandler umfassen, die verringerte Verluste, verringerte elektromagnetische Störungen (Electromagnetic Interference, EMI) und reduziertes hörbares Geräusch bewahren und gleichzeitig verschiedene Ausgangslastspannungen oder Ströme in verschiedenen Nutzungsszenarien ohne Modifikation von Schaltungskomponenten bereitstellen.
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Bei einigen Schaltwandlern kann das Schaltsystem für eine spezifische Lastart optimiert sein. Diese Optimierung kann spezifische Merkmale der Schaltungskomponenten umfassen, beispielsweise eine Induktivität, einen Schalttransistor, verschiedene Kondensatoren, eine Diode und andere Komponenten. Ein Schaltwandler, der für eine bestimmte Last ausgelegt ist, kann Leistungsschwankungen zeigen, wenn verschiedene Lastspannungen vom Schaltsystem bereitgestellt werden sollen. Obwohl die Steuerung, die mit dem Schaltwandler gekoppelt ist, die Schaltfrequenz oder das Tastverhältnis (Duty Cycle) der Schaltsignale wirksam modifizieren kann, um den/die geforderten Laststrom bzw. -spannung auszugeben, kann die Leistung eines derartigen Systems beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Schaltfrequenz zu hohen oder niedrigen Schaltfrequenzen variieren. In einem anderen Szenario kann auch die maximale oder minimale Stromwelligkeit für verschiedene Lastspannungen erheblich variieren, was zu einer erhöhten Schwankung des Ausgangsstroms führt. Gemäß verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen wird der Betrieb von Schaltwandlern derart gesteuert, dass Stromwelligkeit und Schaltfrequenz mit einem bestimmten Betriebsbereich über ein breites Spektrum von Ausgangslasten erhalten bleiben.
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1 veranschaulicht ein Schema eines Abwärtswandlers 100 einer Ausführungsform, der mit einer Last 102 gekoppelt ist und Diode 104, Induktivität 106 und Schalter 108, der durch ein Schaltsignal SW von Steuerung 110 wird, umfasst. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird Schalter 108 durch die Steuerung 110 derart gesteuert, dass er periodisch öffnet und schließt, um die Induktivität 106 aufzuladen bzw. zu entladen. In einigen Ausführungsformen wird die Induktivität 106 derart gesteuert, dass sie einen konstant durchschnittlichen Strom zu Last 102 aufrecht erhält. Wenn Schalter 108 geschlossen und leitend ist, wird die Eingangsspannung Vin an die Last 102, die Induktivität 106 und den Schalter 108 in Reihe bereitgestellt. Der Strom fließt durch diese in Reihe geschalteten Elemente und lädt die Induktivität 106 auf. Wenn Schalter 108 geöffnet und nichtleitend ist, fließt weiterhin Strom durch Last 102, Induktivität 106 und Diode 104 wie gezeigt auf Grund der in der Induktivität 106 gespeicherten Energie. Schalter 108 kann wiederholt geöffnet und geschlossen werden, um die Induktivität 106 aufzuladen bzw. zu entladen und die Last 102 mit einer Spannung unterhalb Vin sowie mit einem konstanten durchschnittlichen Strom zu versorgen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die Steuerung 110 dazu betrieben, den Schalter 108 so zu steuern, dass ein(e) bestimmte(r) Ausgangsspannung oder Ausgangsstrom an die Last 102 geliefert wird, und kann (nicht dargestellte) Spannungs- und Strommesskomponenten aufweisen für eine Rückmeldung. Die Steuerung 110 kann dazu ausgebildet sein, die Schaltfrequenz und die Stromwelligkeit zu bestimmen und beide Parameter anzupassen, um die Parameter innerhalb eines spezifizierten Schaltfrequenzwertebereichs und Stromwelligkeitswertebereichs zu halten. Betriebsverfahren und Techniken einer Ausführungsform sind weiter unten unter Bezugnahme auf die anderen Figuren beschrieben.
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2 stellt ein Wellenformdiagramm eines Schaltwandlers einer Ausführungsform im Betrieb dar, das das Schaltsignal SW und den Ausgangsstrom Iout enthält. Die Beschreibung der 2 wird unter Bezugnahme auf den Abwärtswandler 100 in 1 angewandt, kann jedoch auch auf verschiedene andere Schaltwandler mit verschiedenen Topologien angewandt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen steigt, wenn das Schaltsignal SW logisch hoch („high“) ist, was einem geschlossenen Schalter 108 entspricht, der Ausgangsstrom Iout an, wenn die Induktivität 106 per Kopplung mit der Spannungsversorgung Vin aufgeladen wird. Wenn das Schaltsignal SW logisch niedrig („low“) ist, was einem offenen Schalter 108 entspricht, nimmt der Ausgangsstrom Iout ab, wenn die Induktivität 106 durch die Last 102 und die Diode 104 entladen wird. In anderen Ausführungsformen können die Logikebenen des Schaltsignals SW umgekehrt sein oder einen beliebigen diskreten oder kontinuierlichen Wert annehmen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Stromwelligkeit des Ausgangsstroms Iout als die Differenz zwischen dem Maximalstrom Imax und dem Minimalstrom Imin definiert werden. Der Ausgangsstrom Iout kann zwischen dem Minimalstrom Imin und dem Maximalstrom Imax linear ansteigen, wenn das Schaltsignal SW aktiv (z. B. logisch hoch) ist und der Schalter 108 leitend ist. Wenn der Ausgangsstrom Iout linear ansteigt und fällt, kann der durchschnittliche Strom Iavg der Mittelpunkt zwischen Maximal- und Minimalstrom Imax bzw. Imin sein. In verschiedenen Ausführungsformen können zur Steuerung der Stromwelligkeit Schwellenwerte, die den Maximalstrom Imax oder den Minimalstrom Imin regeln, erhöht oder gesenkt werden. Wenn der durchschnittliche Strom Iavg bei einem konstanten Wert gehalten wird, müssen der Maximalstrom Imax und der Minimalstrom Imin in manchen Ausführungsformen im gleichen Maß erhöht bzw. gesenkt werden. In einigen Ausführungsformen wird der Ausgangsstrom Iout mit den maximalen und minimalen Stromschwellenwerten verglichen, und die Einschaltzeit Ton sowie die Ausschaltzeit Toff werden angepasst, um die Ausgangsstromwelligkeit und die Schaltfrequenz zu regulieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann jedes von Einschaltzeit Ton, Ausschaltzeit Toff, Maximalstrom Imax und Minimalstrom Imin anhand von Schwellenwerten gesteuert und mit diesen verglichen werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die Schaltfrequenz fsw des Schaltsignals SW durch die Schaltdauer Tsw eines Einschaltzyklus und eines Ausschaltzyklus des Schaltsignals SW bestimmt. Die Schaltdauer Tsw ist gleich der Einschaltzeit Ton plus der Ausschaltzeit Toff, d. h., Tsw = Ton + Toff. Die Schaltfrequenz fsw ist gleich der Umkehrung der Schaltdauer Tsw, d. h., fsw = 1 ÷ Tsw. In verschiedenen Ausführungsformen werden, sowie die Einschaltzeit Ton oder die Ausschaltzeit Toff reguliert wird, die Schaltdauer Tsw und folglich die Schaltfrequenz fsw ebenfalls geändert. Die Steuerung 110 kann in verschiedenen Ausführungsformen die Einschaltzeit Ton, die Ausschaltzeit Toff, den Maximalstrom Imax oder den Minimalstrom Imin anpassen.
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In verschiedenen Ausführungsformen steht die Schaltfrequenz fsw in einem Verhältnis zur Stromwelligkeit. In einigen spezifischen Ausführungsformen verhält sich die Schaltfrequenz fsw umgekehrt proportional zur Stromwelligkeit. Wenn die Differenz zwischen Maximalstrom Imax und Minimalstrom Imin während des Schaltens größer wird, was einer Zunahme der Stromwelligkeit Iripple entspricht, ist mehr Zeit erforderlich, um das Energiespeicherelement aufzuladen bzw. zu entladen, das den Ausgangsstrom Iout führt, etwa eine Induktivität oder ein Transformator. Diese verlängerte Auflade- und Entladezeit verlängert die Schaltzeit Tsw, wodurch die Schaltfrequenz fsw gesenkt wird. Umgekehrt verkürzt die Schaltfrequenz fsw die Zeit, die zum Aufladen und Entladen des Ausgangsstroms Iout auf Maximal- bzw. Minimalniveau zur Verfügung steht, wodurch die Stromwelligkeit Iripple verringert wird.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die Schaltfrequenz die Verluste im Schaltwandler aufgrund von zur Schaltfrequenz proportionalen Verlusten, die beim Aufladen und Entladen von parasitären Kapazitäten entstehen, beeinflussen. Systeme einer Ausführungsform können spezifizierte Stromwelligkeitsbereiche für den Betrieb mit Maximal- und Minimalschwellenwerten aufweisen, da sich Schaltfrequenz und Stromwelligkeit in derartigen Ausführungsformen proportional zueinander verhalten. Die Steuerung 110 kann betrieben werden, um die Stromwelligkeit oder die Schaltfrequenz fsw anzupassen, bis die Stromwelligkeit in den spezifizierten Stromwelligkeitswertebereich fällt. In ähnlicher Weise kann die Schaltfrequenz fsw die Erzeugung von EMI oder hörbarem Geräusch beeinflussen. Einige Systeme von Ausführungsformen weisen spezifizierte Bereiche für die Schaltfrequenz fsw auf für den Betrieb mit Maximal- und Minimalschwellenwerten. Die Steuerung 110 kann betrieben werden, um die Stromwelligkeit oder die Schaltfrequenz fsw anzupassen, bis die Schaltfrequenz fsw in den spezifizierten Schaltfrequenzwertebereich fällt. Ein Steuerungsverfahren einer spezifischen Ausführungsform ist weiter unten unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
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3 zeigt eine Kurve von Steuervariablen einer Ausführungsform, die die Stromwelligkeit Iripple auf der vertikalen Achse und die Schaltfrequenz fsw auf der horizontalen Achse zeigt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weisen sowohl die Stromwelligkeit Iripple als auch die Schaltfrequenz fsw spezifische Betriebsbereiche auf, die maximale und minimale Betriebsschwellenwerte beinhalten. Beispielsweise kann die Stromwelligkeit Iripple einen maximalen Welligkeitsschwellenwert IRmax und einen minimalen Welligkeitsschwellenwert IRmin aufweisen, während die Schaltfrequenz fsw einen maximalen Schaltfrequenzschwellenwert fmax und einen minimalen Schaltfrequenzschwellenwert fmin aufweisen kann.
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In verschiedenen Ausführungsformen überwacht eine Steuerung, die in einem Schaltwandler arbeitet, die Stromwelligkeit Iripple und die Schaltfrequenz fsw und passt diese Werte derart an, dass sie innerhalb der spezifizierten Schwellenwerte, als Betriebsbereich OA („Operating Area“) gekennzeichnet, liegen. 3 veranschaulicht fünf Anfangsbedingungen PA, PB, PC, PD und OP, die anfänglichen Werten der Stromwelligkeit Iripple und der Schaltfrequenz fsw für einen Schaltwandler entsprechen. In spezifischen Ausführungsformen arbeitet ein Frequenzwelligkeitsregler (Frequency Ripple Controller, FRC), wenn der Schaltwandler einen Schaltvorgang durchläuft, um eine Last zu versorgen. Der Frequenzwelligkeitsregler überwacht die Stromwelligkeit Iripple und die Schaltfrequenz fsw und kann jeden der Werte anpassen, um ihn in den Betriebsbereich OA zu verlegen wie in 3 dargestellt. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Frequenzwelligkeitsregler die Stromwelligkeit Iripple oder die Schaltfrequenz fsw direkt anpassen, indem das Schalten des Schaltwandlers gesteuert wird, oder indirekt, indem ein variabler Kondensator oder eine variable Induktivität im Schaltwandler angepasst wird.
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Beispielsweise weist die Anfangsbedingung PA eine Stromwelligkeit Iripple zwischen einem maximalen und einem minimalen Welligkeitsschwellenwert IRmax bzw. IRmin auf. Die Schaltfrequenz der Anfangsbedingung PA liegt außerhalb eines maximalen und eines minimalen Schaltfrequenzschwellenwerts fmax bzw. fmin. Somit erhöht der Frequenzwelligkeitsregler die Stromwelligkeit Iripple, was bewirkt, dass sich die Schaltfrequenz fsw entlang einem umgekehrt proportionalen Weg verschiebt, bis sie den Betriebspunkt A innerhalb des Betriebsbereichs OA erreicht. Innerhalb des Betriebsbereichs OA liegt die Stromwelligkeit Iripple zwischen dem maximalen und dem minimalen Welligkeitsschwellenwert IRmax bzw. IRmin, und die Schaltfrequenz fsw liegt zwischen dem maximalen und dem minimalen Schaltfrequenzschwellenwert fmax bzw. fmin. In ähnlicher Weise folgt die Anfangsbedingung PB einem ähnlichen Steuerungspfad, wenn der Frequenzwelligkeitsregler die Stromwelligkeit Iripple erhöht, um sie in den Betriebsbereich OA zu verlegen, während die Schaltfrequenz fsw sinkt. So liegen die korrigierten Betriebspunkte A und B innerhalb des Betriebsbereichs OA und entsprechen den Anfangsbedingungen PA bzw. PB, nachdem ein Frequenzwelligkeitsregler die Stromwelligkeit Iripple erhöht hat.
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In einigen Ausführungsformen kann der Frequenzwelligkeitsregler die Stromwelligkeit Iripple senken, um die Schaltfrequenz fsw über den minimalen Schaltfrequenzschwellenwert fmin anzuheben. Beispielsweise liegt die Schaltfrequenz fsw der Anfangsbedingung PC außerhalb des maximalen und des minimalen Frequenzschwellenwerts fmax bzw. fmin. Somit senkt der Frequenzwelligkeitsregler die Stromwelligkeit Iripple, was bewirkt, dass sich die Schaltfrequenz fsw entlang einem umgekehrt proportionalen Weg verschiebt und so lange zunimmt, bis sie den Betriebspunkt C innerhalb des Betriebsbereichs OA erreicht. In ähnlicher Weise folgt die Anfangsbedingung PD einem ähnlichen Steuerungspfad, wenn der Frequenzwelligkeitsregler die Stromwelligkeit Iripple senkt, um sie in den Betriebsbereich OA zu verlegen, während die Schaltfrequenz fsw ansteigt. So liegen die korrigierten Betriebspunkte C und D innerhalb des Betriebsbereichs OA und entsprechen den Anfangsbedingungen PC bzw. PD, nachdem ein Frequenzwelligkeitsregler die Stromwelligkeit Iripple gesenkt hat. Die Anfangsbedingung OP zeigt keinerlei Anpassungen an der Stromwelligkeit Iripple oder der Schaltfrequenz fsw, da die Anfangsbedingung OP innerhalb des Betriebsbereichs OA liegt.
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In verschiedenen Ausführungsformen können der maximale Welligkeitsschwellenwert IRmax, der minimale Welligkeitsschwellenwert IRmin, der maximale Schaltfrequenzschwellenwert fmax und der minimale Schaltfrequenzschwellenwert fmin beliebige Werte sein. Beispielsweise kann der maximale Welligkeitsschwellenwert IRmax 30% sein (wie als Prozentsatz des durchschnittlichen Ausgangsstroms Iavg definiert, d. h., Iripple = (Imax – Imin) ÷ Iavg), der minimale Welligkeitsschwellenwert IRmin kann 10% sein, der maximale Schaltfrequenzschwellenwert fmax kann 150 kHz sein und der minimale Schaltfrequenzschwellenwert fmin kann 20 kHz sein. In einer anderen Ausführungsform kann der maximale Welligkeitsschwellenwert IRmax 25% sein, der minimale Welligkeitsschwellenwert IRmin kann 15% sein, der maximale Schaltfrequenzschwellenwert fmax kann 100 kHz sein und der minimale Schaltfrequenzschwellenwert fmin kann 50 kHz sein. In anderen Ausführungsformen kann die Stromwelligkeit definiert sein als ein Prozentsatz des Maximalstroms Imax oder als ein anderer Wert, der mit der Schwankung des Stromausgangs zusammenhängt. In einigen Ausführungsformen ist der maximale Schaltfrequenzschwellenwert fmax auf 150 kHz eingestellt, um EMI-Einschränkungen zu reduzieren, und der minimale Schaltfrequenzschwellenwert fmin ist auf 20 kHz eingestellt, um die Erzeugung von hörbarem Geräusch zu verhindern oder zu reduzieren.
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4 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuerung 110 einer Ausführungsform wie unter Bezugnahme auf die 1–3 beschrieben. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die Steuerung 110 den Frequenzwelligkeitsregler (Frequency Ripple Controller, FRC) 120 und die Schaltsteuereinheit 130 auf. Die Schaltsteuereinheit 130 erzeugt das Schaltsignal SW für (nicht gezeigte) Schalter in einem Schaltwandler, etwa dem in 1 dargestellten Abwärtswandler. In einigen Ausführungsformen wird das Schaltsignal SW an einen Schalttreiber gekoppelt, der das Schalten der Schalter im Schaltwandler steuert. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Schaltwandler 130 einen erkannten Ausgangsstrom CS und eine erkannte Ausgangsspannung Vout empfangen. Die Schaltsteuereinheit 130 regelt das Schalten, um einen konstanten Durchschnittswert der Ausgangsspannung Vout oder einen konstanten Durchschnittswert des Ausgangsstroms CS beizubehalten.
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In verschiedenen Ausführungsformen empfängt der Stromwelligkeitsregler 120 den Ausgangsstrom CS und die Schaltfrequenz fsw und liefert einen maximalen Ausgangsstrom Imax und einen minimalen Ausgangsstrom Imin an die Schaltsteuereinheit 130 als Schwellenwerte zum Steuern des Schaltsignals SW. Der Frequenzwelligkeitsregler 120 kann den Betrieb mit einer bestimmten Stromwelligkeit Iripple beginnen, die spezifischen Werten für den maximalen Ausgangsstrom Imax und den minimalen Ausgangsstrom Imin entspricht. Wenn die Schaltsteuereinheit 130 das Schaltsignal SW an einen Schalter oder an Schalter liefert, überwacht der Frequenzwelligkeitsregler 120 die Schaltfrequenz fsw und die Stromwelligkeit Iripple und passt die Schwellenwerte für den maximalen Ausgangsstrom Imax und den minimalen Ausgangsstrom Imin an, um sie zu einem Betriebspunkt innerhalb eines definierten Betriebsbereichs zu verschieben wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Beispielsweise kann der Frequenzwelligkeitsregler 120 den maximalen Ausgangsstrom Imax anheben und den minimalen Ausgangsstrom Imin senken, wodurch effektiv die Stromwelligkeit Iripple erhöht wird, um die Schaltfrequenz fsw zu senken. Ähnlich kann der Frequenzwelligkeitsregler 120 den maximalen Ausgangsstrom Imax senken und den minimalen Ausgangsstrom Imin anheben, wodurch effektiv die Stromwelligkeit Iripple gesenkt wird, um die Schaltfrequenz fsw zu erhöhen.
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In verschiedenen Ausführungsformen wird die Stromwelligkeit Iripple durch den maximalen und den minimalen Ausgangsstrom Imax bzw. Imin beeinflusst. Der Frequenzwelligkeitsregler 120 kann in einigen Ausführungsformen den maximalen und den minimalen Ausgangsstrom Imax bzw. Imin in gleichem Maß in entgegengesetzte Richtungen anpassen, um die Stromwelligkeit Iripple anzupassen. In anderen Ausführungsformen passt der Frequenzwelligkeitsregler 120 nur einen von maximalem und minimalem Ausgangsstrom Imax bzw. Imin an, und die Schaltsteuereinheit 130 kompensiert dies durch Anpassen des Schaltsignals SW, um einen konstanten durchschnittlichen Ausgangsstrom beizubehalten. In derartigen Ausführungsformen wird nur eines von maximalem und minimalem Ausgangsstrom Imax bzw. Imin gesteuert oder von dem Frequenzwelligkeitsregler 120 ausgegeben.
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Gemäß verschiedenen Operationen passt, wenn der Frequenzwelligkeitsregler 120 die Stromwelligkeit Iripple außerhalb des durch den maximalen Welligkeitsschwellenwert IRmax und den minimalen Welligkeitsschwellenwert IRmin definierten Betriebsbereichs wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschreiben anpasst, der Frequenzwelligkeitsregler 120 nachfolgend die Stromwelligkeit Iripple wieder auf einen Wert innerhalb des durch den maximalen Welligkeitsschwellenwert IRmax und den minimalen Welligkeitsschwellenwert IRmin definierten Wertebereichs an. In derartigen Ausführungsformen kann der Frequenzwelligkeitsregler 120 die Stromwelligkeit über einen der Welligkeitsschwellenwerte hin- und zurückstellen. In anderen Ausführungsformen kann der Frequenzwelligkeitsregler 120 das Anpassen der Stromwelligkeit Iripple beenden, bevor der durch den maximalen Welligkeitsschwellenwert IRmax und den minimalen Welligkeitsschwellenwert IRmin definierte Wertebereich verlassen wird.
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In verschiedenen Ausführungsformen weist die Schaltsteuereinheit 130 einen Zeitgeber oder mehrere Zeitgeber auf, um die Zeitsteuerung für das Schaltsignal SW einzustellen. Die Schaltsteuereinheit 130 kann den/die Zeitgeberwert(e) basierend auf dem maximalen und dem minimalen Ausgangsstrom Imax bzw. Imin einstellen, die vom Frequenzwelligkeitsregler 120 empfangen werden. In verschiedenen Ausführungsformen entspricht der Ausgangsstrom CS einem Stromausgang von den Schaltern an ein Energiespeicherelement, etwa eine Induktivität oder einen Transformator. In anderen Ausführungsformen entspricht der Ausgangsstrom CS einem Stromausgang vom Energiespeicherelement an eine Last. Der Ausgangsstrom CS kann von anderen Positionen im Schaltwandler oder in der Last gemessen werden. Die Steuerung 110 kann als integrierte Schaltung (Integrated Circuit, IC), als Mikrocontroller, als Einzelkomponenten oder als eine beliebige Kombination solcher Komponenten realisiert werden.
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5 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuerung 140 einer anderen Ausführungsform, die eine Steuerschaltung 142, Komparatoren 144 und 146 und eine Schaltsteuereinheit 130 aufweist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Steuerschaltung 142 und die Komparatoren 144 und 146 eine andere Realisierung eines Frequenzwelligkeitsreglers sein, ähnlich dem Frequenzwelligkeitsregler 120 wie unter Bezugnahme auf 4 oben beschrieben. In derartigen Ausführungsformen wird ein erkannter Ausgangsstrom CS an die Eingänge der Komparatoren 144 und 146 bereitgestellt und mit maximalen und minimalen Ausgangsströmen Imax bzw. Imin verglichen, die von der Steuerschaltung 142 als Schwellenwerte eingestellt wurden. Basierend auf dem Vergleich erzeugt die Steuerschaltung 142 ein Rückkopplungssignal F/B und stellt das Rückkopplungssignal F/B der Schaltsteuereinheit 130 bereit, die das Schaltsignal SW auf Grundlage des Rückkopplungssignals F/B anpasst. In verschiedenen Ausführungsformen entspricht das Rückkopplungssignal F/B einer Einschaltzeit Ton oder einer Ausschaltzeit Toff, einem logischen Schaltsteuersignal oder einem analogen Steuersignal.
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In verschiedenen Ausführungsformen empfängt die Steuerschaltung 142 eine Schaltfrequenz fsw von der Schaltsteuereinheit 130 und passt die Stromwelligkeit Iripple an, indem sie den maximalen Ausgangsstrom Imax oder den minimalen Ausgangsstrom Imin anpasst. Die Stromwelligkeit Iripple und die Schaltfrequenz fsw können derart gesteuert werden, dass sie in einem spezifizierten Wertebereich mit einem maximalen Welligkeitsschwellenwert IRmax, einem minimalen Welligkeitsschwellenwert IRmin, einem maximalen Schaltfrequenzschwellenwert fmax und einem minimalen Schaltfrequenzschwellenwert fmin arbeiten, wie unter Bezugnahme auf 1–4 oben beschrieben.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung 142 eine analoge Steuerschaltung sein. In anderen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung 142 eine digitale Steuerschaltung mit digitalen Logikfunktionen sein. Die Steuerung 140 kann als integrierte Schaltung (Integrated Circuit, IC), als Mikrocontroller, als Einzelkomponenten oder als eine beliebige Kombination solcher Komponenten realisiert werden.
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6 zeigt ein Blockdiagramm einer Steuerung 150 einer weiteren Ausführungsform, die eine Steuerschaltung 152, einen Zeitgeber 154 und Komparatoren 156 und 158 aufweist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerung 150 eine andere Realisierung eines Frequenzwelligkeitsreglers sein, die den erkannten Ausgangsstrom CS überwacht und den erkannten Ausgangsstrom CS mit einem maximalen und einem minimalen Ausgangsstrom Imax bzw. Imin vergleicht. Der Zeitgeber 154 überwacht die Ausgänge der Komparatoren 156 und 158, um die Schaltfrequenz fsw basierend beispielsweise auf der Zeitsteuerung der Einschaltzeit Ton und der Ausschaltzeit Toff zu bestimmen. Die Steuerschaltung 152 empfängt die Schaltfrequenz fsw, regelt die Stromwelligkeit Iripple über den maximalen und den minimalen Ausgangsstrom Imax bzw. Imin und erzeugt ein Rückkopplungssignal F/B für eine (nicht gezeigte) Schaltsteuereinheit. Das Rückkopplungssignal F/B kann in verschiedenen Ausführungsformen Schaltfrequenzinformationen, Schwellenwerte für den maximalen und den minimalen Ausgangsstrom Imax bzw. Imin oder Schaltsignale beinhalten, wie vorstehend im Hinblick auf das Rückkopplungssignal F/B von der Steuerschaltung 142 beschrieben.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung 152 eine analoge Steuerschaltung sein. In anderen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung 152 eine digitale Steuerschaltung mit digitalen Logikfunktionen sein. Die Steuerung 150 kann als integrierte Schaltung (Integrated Circuit, IC), als Mikrocontroller, als Einzelkomponenten oder als eine beliebige Kombination solcher Komponenten realisiert werden.
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7 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuerung 160 einer weiteren Ausführungsform, die eine Schaltsteuereinheit 162, einen Zeitgeber 166, einen Ausschaltzeitgeber 164 und einen Komparator 168 aufweist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen stellt die Schaltsteuereinheit 162 ein Schaltsignal SW an einen einzelnen Schalter oder mehrere Schalter in einem Schaltwandler basierend auf verschiedenen Steuersignalen und Messungen bereit. Die Schaltsteuereinheit 162 mit dem Zeitgeber 166, dem Ausschaltzeitgeber 164 und dem Komparator 168 kann einen anderen Frequenzwelligkeitsregler zusammen mit einer allgemeinen Schaltsteuereinheit realisieren.
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In verschiedenen Ausführungsformen stellt die Schaltsteuereinheit 162 das Schaltsignal SW bereit, was bewirkt, dass ein Ausgangsschalter Strom leitet, um ein Energiespeicherelement aufzuladen, etwa eine Induktivität, wobei der erkannte Ausgangsstrom CS erhöht wird. Sobald der Ausgangsstrom CS den maximalen Ausgangsstrom Imax erreicht, erzeugt der Komparator 168 ein Abschaltsteuersignal SW_off und stellt das Abschaltsteuersignal SW_off der Schaltsteuereinheit 162 bereit, die das Schaltsignal SW ändert und bewirkt, dass der Ausgangsschalter das Leiten von Strom beendet und das Energiespeicherelement zu entladen beginnt. Das Ausschaltsteuersignal SW_off aktiviert außerdem den Ausschaltzeitgeber 164, so dass er beginnt, einen internen Zähler hochzuzählen. Sobald der interne Zähler die Ausschaltzeit Toff erreicht, stellt der Ausschaltzeitgeber 164 ein Einschaltsteuersignal SW_on an die Schaltsteuereinheit 162 bereit, das bewirkt, dass der Ausgangsschalter wieder Strom leitet, um das Energiespeicherelement wieder aufzuladen, und das außerdem bewirkt, dass der erkannte Ausgangsstrom CS wieder ansteigt.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen überwacht der Zeitgeber 166 auch das Ausschaltsteuersignal SW_off und bestimmt die Schaltfrequenz fsw durch Zeitsteuerung der Einschaltzeit Ton und der Ausschaltzeit Toff. Die Schaltsteuereinheit 162 kann das Schaltsignal SW basierend auf dem Einschaltsteuersignal SW_on und dem Ausschaltsteuersignal SW_off erzeugen. Die Schaltsteuereinheit 162 kann auch Ausgangsspannung, Ausgangsstrom, Schaltfrequenz fsw und Stromwelligkeit Iripple überwachen und den maximalen Ausgangsstrom Imax sowie die Ausschaltzeit Toff basierend auf den gemessenen oder berechneten Werten entsprechend den hier vorstehend, beispielsweise unter Bezugnahme auf 3, beschriebenen Steuerverfahren anpassen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Schaltsteuereinheit 162 eine analoge Steuerschaltung. In anderen Ausführungsformen ist die Steuerschaltung 152 eine digitale Steuerschaltung oder beispielsweise ein Mikrocontroller. Die Steuerung 160 kann als integrierte Schaltung (Integrated Circuit, IC), als Mikrocontroller, als Einzelkomponenten oder als eine beliebige Kombination solcher Komponenten realisiert werden.
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Die Steuerungen der verschiedenen Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf 4–7 beschrieben werden, sind Steuerungen beispielhafter Ausführungsformen, und es versteht sich, dass die verschiedenen Ausführungsformen durch Fachleute auf diesem Gebiet der Technik kombiniert oder modifiziert werden können und dass derlei Modifikationen in die denkbaren Ausführungsformen mit eingeschlossen sind.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines Abwärtswandlers 200 einer anderen Ausführungsform, der eine Steuerung 210, einen Halbleiterschalter 202, eine Induktivität 204, eine Freilaufdiode 206, einen Kondensator 208, einen Nebenschlusswiderstand 212 und eine in Reihe geschaltete Last von Leuchtdioden LED1-LEDn aufweist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen liefert die Steuerung 210 ein Schaltsignal SW an den Schalter 202, das dazu dient, den Schalter 202 ein- und auszuschalten. Wenn der Schalter 202 eingeschaltet ist, wird der Induktivitätsstrom IL der Reihe nach durch den Schalter 202 und den Nebenschlusswiderstand 212 an Erde geleitet. Wenn der Schalter 202 ausgeschaltet ist, wird der Induktivitätsstrom IL durch die Freilaufdiode 206 zurück an die LEDs LED1-LEDn geleitet. In dieser Ausführungsform wird der Induktivitätsstrom IL mit dem Stromerfassungsknoten CS nur dann als der Ausgangsstrom Iout gemessen, wenn der Schalter 202 geschlossen ist. Somit wird der Stromerfassungsknoten CS dazu benutzt, den Ausgangsstrom Iout zu messen und zu schätzen, der durch die LEDs LED1-LEDn fließt.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerung 210 wie vorstehend unter Bezugnahme auf die anderen Figuren beschrieben arbeiten, um die Schaltfrequenz fsw von Schalter 202, die Stromwelligkeit Iripple durch einen maximalen und einen minimalen Stromschwellenwert Imax bzw. Imin und den durchschnittlichen Ausgangsstrom zu steuern oder zu regeln. Die LEDs LED1-LEDn können eine beliebige Anzahl von n LEDs beinhalten. Jede LED bringt einen Spannungsabfall mit sich, so dass eine andere Anzahl von n LEDs eine andere Anzahl von Spannungsabfällen erzeugt, was zu einem anderen Betriebsspannungsausgang führt. Die Steuerung 210 regelt die Stromwelligkeit Iripple und die Schaltfrequenz fsw innerhalb eines spezifizierten Betriebsbereichs oder Betriebsbereichs wie vorstehend beispielsweise unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Insbesondere kann die Steuerung 210 den Schalter 202 derart steuern, dass die Stromwelligkeit Iripple und die Schaltfrequenz fsw innerhalb des durch den maximalen Welligkeitsschwellenwert IRmax, den minimalen Welligkeitsschwellenwert IRmin, den maximalen Schaltfrequenzschwellenwert fmax und den minimalen Schaltfrequenzschwellenwert fmin definierten Betriebsbereich liegen oder entsprechend angepasst werden.
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In verschiedenen Anwendungen können die Werte des Kondensators 208, der Induktivität 204 und des Nebenschlusswiderstands 212 verschiedene Werte annehmen wie vom Konstrukteur gewählt. In einigen Ausführungsformen kann die Induktivität 204 eine variable Induktivität sein und kann der Kondensator 208 ein variabler Kondensator sein wie gezeigt. In derartigen Ausführungsformen können der variable Kondensator 208 und die variable Induktivität 204 Steuersignale empfangen, beispielsweise Rückkopplungssignale, die die Induktivität bzw. den Kondensator basierend auf der
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Stromwelligkeit Iripple oder der Schaltfrequenz fsw regeln. Anschlüsse 214 und 216 sind an eine Versorgungsspannung Vin gekoppelt, und Anschlüsse 218 und 220 liefern eine Ausgangsspannung Vout. Die Steuerung 210 kann so implementiert sein, dass sie eine beliebige der Steuerungen gemäß Ausführungsformen umfasst wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 4–7 beschrieben. Andere Arten von Schaltwandlern, etwa Aufwärts- oder Abwärts-/Aufwärtswandler, können ebenfalls mit Steuerungen gemäß Ausführungsformen wie hier beschrieben betrieben werden.
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9 zeigt eine Kurve von Steuervariablen eines Schaltwandlers einer Ausführungsform im Betrieb, die die Stromwelligkeit Iripple und die Schaltfrequenz fsw für verschiedene Werte der Ausgangsspannung Vout darstellt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen passt, wenn die Ausgangsspannung Vout ansteigt, eine Steuerung einer Ausführungsform die Stromwelligkeit Iripple so an, dass die Schaltfrequenz fsw unter 150 kHz gehalten wird. Wenn die Stromwelligkeit Iripple 50% erreicht, beendet die Steuerung der Ausführungsform das Ansteigen der Stromwelligkeit Iripple und lässt die Schaltfrequenz fsw leicht ansteigen. Wenn in diesem Beispiel die Ausgangsspannung Vout über etwa 30 V ansteigt, senkt die Steuerung die Stromwelligkeit Iripple, um die Schaltfrequenz fsw unter 150 kHz zu halten.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen stellt 9 Steuervariablen für eine Steuerung einer Ausführungsform dar, deren maximaler Welligkeitsschwellenwert IRmax auf 50% gesetzt ist, deren minimaler Welligkeitsschwellenwert IRmin auf 12% gesetzt ist, deren maximaler Schaltfrequenzschwellenwert fmax auf 150 kHz gesetzt ist und deren minimaler Schaltfrequenzschwellenwert fmin auf 20 kHz gesetzt ist. Die zwischen den Schalter und die Last gekoppelte Induktivität kann einen Wert von 350 mA haben wie gezeigt. Zahlreiche andere Kurven und Wellenformen können für verschiedene Systeme erzeugt werden, die verschiedene Induktivitäten oder andere Komponenten aufweisen. In allen diesen verschiedenen Systemen arbeiten Steuerungen gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen derart, dass eine Schaltfrequenz fsw und eine Stromwelligkeit Iripple innerhalb des spezifizierten Betriebsbereichs gehalten werden.
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10 zeigt eine weitere Kurve von Steuervariablen eines Schaltwandlers einer Ausführungsform im Betrieb, die Kurven zeigt, welche die Schaltfrequenz fsw als Funktion der Stromwelligkeit Iripple für sechs verschiedene Werte der Ausgangsspannung Vout darstellen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jeder der verschiedenen Werte der Ausgangsspannung Vout einer anderen Last entsprechen, beispielsweise einer anderen Anzahl von LEDs. Die Ausgangsspannung Vout ist für die Werte 5, 10, 15, 20, 25 und 30 V eingezeichnet. In verschiedenen Ausführungsformen zeigt jede Kurve ein umgekehrt proportionales Verhältnis zwischen Schaltfrequenz fsw und Stromwelligkeit Iripple. Insbesondere nimmt, wenn die Stromwelligkeit Iripple ansteigt, die Schaltfrequenz fsw ab und umgekehrt.
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10 stellt außerdem einen Betriebsbereich einer Ausführungsform dar, der dadurch spezifiziert ist, dass der maximale Welligkeitsschwellenwert IRmax auf 50% gesetzt ist, der minimale Welligkeitsschwellenwert IRmin auf 12% gesetzt ist, der maximale Schaltfrequenzschwellenwert fmax auf 200 kHz gesetzt ist und der minimale Schaltfrequenzschwellenwert fmin auf 150 kHz gesetzt ist. In derartigen Ausführungsformen weist jede Kurve für Werte der Ausgangsspannung Vout entsprechend 5, 10, 15, 20, 25 und 30 V einen Abschnitt innerhalb des spezifizierten Betriebsbereichs auf. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Stromwelligkeit Iripple gesenkt, um die Schaltfrequenz fsw zu erhöhen, bis die Schaltfrequenz fsw über dem minimalen Schaltfrequenzschwellenwert fmin liegt, oder die Stromwelligkeit Iripple wird erhöht, um die Schaltfrequenz fsw zu senken, bis die Schaltfrequenz fsw unter dem maximalen Schaltfrequenzschwellenwert fmax liegt. Ein Ausgangspunkt kann an einem beliebigen Punkt entlang einer der Kurven liegen. In derartigen Ausführungsformen kann, wenn ein Schaltwandler eingeschaltet wird, eine Steuerung wie beispielsweise ein Frequenzwelligkeitsregler wie hier beschrieben beginnen, die Stromwelligkeit Iripple anzupassen, um den Betriebspunkt zum spezifizierten Betriebsbereich hin zu verschieben. In alternativen Ausführungsformen kann ein Frequenzwelligkeitsregler die Schaltfrequenz fsw anpassen, um den Betriebspunkt zum spezifizierten Betriebsbereich hin zu verschieben.
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11 zeigt ein Blockschaltbild eines Betriebsverfahrens 300 einer Ausführungsform, das die Schritte 302 und 304 beinhaltet. Das Betriebsverfahren 300 kann außerdem die Schritte 306 und 308 beinhalten. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Betriebsverfahren 300 ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltwandlers sein, und Schritt 302 beinhaltet, eine Schaltfrequenz des Schaltwandlers zu bestimmen. Schritt 304 beinhaltet, einen Stromwelligkeitswert eines Ausgangsstroms anzupassen, um die Schaltfrequenz so anzupassen, dass sie innerhalb eines ersten Schaltfrequenzwertebereichs liegt, wenn die Schaltfrequenz außerhalb des ersten Schaltfrequenzwertebereichs liegt. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Betriebsverfahren 300 die Schritte 306 und 308. Schritt 306 beinhaltet, den Stromwelligkeitswert des Ausgangsstroms zu bestimmen. In derartigen Ausführungsformen ist der Stromwelligkeitswert eine Differenz zwischen einem maximalen Wert des Ausgangsstroms und einem minimalen Wert des Ausgangsstroms. Schritt 308 beinhaltet, den Stromwelligkeitswert derart anzupassen, dass er innerhalb eines ersten Stromwelligkeitswertebereichs liegt, wenn der Stromwelligkeitswert außerhalb des ersten Stromwelligkeitswertebereichs liegt. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Betriebsverfahren 300 zusätzliche Schritte beinhalten, und die Operationen können in einer beliebigen Reihenfolge anders angeordnet sein. Das Betriebsverfahren 300 kann in einer Steuerung, etwa einem Frequenzwelligkeitsregler, als Bestandteil eines Schaltwandlers ausgeführt werden. Beispielsweise kann das Betriebsverfahren 300 in einigen Ausführungsformen in einem Abwärtswandler, Aufwärtswandler oder Abwärts-/Aufwärtswandler ausgeführt werden.
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12 zeigt eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltung (Integrated Circuit, IC) 400 einer Ausführungsform, die einen Digitalsignalprozessor (DSP) 402, einen Analog/Digital-Wandler (Analog-to-Digital Converter, ADC) 404, einen Multiplexer (MUX) 406 und Gatetreiber 414 sowie weitere Komponenten 408, 410, 412, 416 und 418 aufweist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen liefert die IC 400 ein Schaltsignal SW an einen Schaltwandler wie hierin beschrieben, etwa einen Abwärtswandler. Der DSP 402 ist dazu ausgebildet, Steuerfunktionen wie hierin unter Bezugnahme auf Schaltsteuereinheiten und Frequenzwelligkeitsregler beschrieben auszuführen. Insbesondere kann der DSP 402 beispielsweise die Schaltfrequenz fsw, die Stromwelligkeit Iripple und den durchschnittlichen Ausgangsstrom bestimmen und alle oder einige dieser Parameter wie hierin beschrieben steuern.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist die Eingangsspannung Vin durch die Frontendschaltung 408 geschaltet, ist der erkannte Ausgangsstrom CS, der ein Spannungssignal von einem Nebenschlusswiderstand sein kann, durch die Spitzenerkennungsschaltung 410 geschaltet und können andere Eingänge INP an Puffer oder E/A-Funktionen 412 geschaltet sein. Die IC 400 weist außerdem den Versorgungsspannungs-Pin VCC und den Erde-Pin GND auf. Andere Konfigurationen von Eingängen und Eingangsschaltungen können ebenfalls in IC 400 vorhanden sein. Der MUX 406 kann an die Frontendschaltung 408, die Spitzenerkennungsschaltung 410 und andere Puffer oder E/A-Funktionen 412 gekoppelt sein und kann, etwa durch den DSP 402 oder eine andere (nicht gezeigte) Steuerschaltung, gesteuert werden, um die Eingänge zu wählen. Der ADC 404 empfängt den Ausgang vom MUX 406 und liefert digitale Signale an den DSP 402. Der DSP 402 kann in verschiedenen Ausführungsformen zahlreiche Verarbeitungs- und Steuerfunktionen ausführen, unter anderen die Frequenzwelligkeitsregelung.
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In verschiedenen Ausführungsformen empfangen Gatetreiber 414 Steuersignale vom DSP 402 und erzeugen das Schaltsignal SW für einen Schalter oder für Schalter im Schaltwandler. Der DSP 402 kann auch über den digitalen Port 416 einen universellen E/A-Pin (General Purpose I/O Pin, GPIO) versorgen. Ein Oszillator 418 liefert Taktsignale für alle synchronen Komponenten in der IC 400. In verschiedenen Ausführungsformen weist die IC 400 zahlreiche andere Schaltungsblöcke für zahlreiche andere Funktionen auf. Der DSP 402 kann Komponenten oder digitale Blöcke aufweisen, die Steuerungen und einem Frequenzwelligkeitsregler entsprechen, beispielsweise wie vorstehend unter Bezugnahme auf 4–7 beschrieben.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltwandlers, einen Betriebsparameter des Schaltwandlers zu bestimmen und, wenn der Betriebsparameter außerhalb eines ersten Betriebsbereichs liegt, einen Steuerparameter anzupassen, um den Betriebsparameter derart anzupassen, dass er innerhalb des ersten Betriebsbereichs liegt. Der Betriebsparameter umfasst wenigstens eines von einer Schaltfrequenz des Schaltwandlers und einem Stromwelligkeitswert eines Ausgangsstroms.
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In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Steuerparameter wenigstens eines von einer variablen Kapazität des Schaltwandlers, einer variablen Induktivität des Schaltwandlers, einer Einschaltzeit des Schaltwandlers, einer Ausschaltzeit des Schaltwandlers, einem maximalen Ausgangsstromschwellenwert und einem minimalen Ausgangsstromschwellenwert. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Betriebsparameter die Schaltfrequenz des Schaltwandlers, der erste Betriebsbereich weist einen ersten Schaltfrequenzwertebereich auf, und das Anpassen des Steuerparameters zum Anpassen des Betriebsparameters beinhaltet, den Stromwelligkeitswert des Ausgangsstroms anzupassen, um die Schaltfrequenz derart anzupassen, dass sie innerhalb des ersten Schaltfrequenzwertebereichs liegt.
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In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren zum Betreiben eines Schaltwandlers weiterhin, den Stromwelligkeitswert des Ausgangsstroms zu bestimmen. Der Stromwelligkeitswert kann eine Differenz zwischen einem maximalen Wert des Ausgangsstroms und einem minimalen Wert des Ausgangsstroms umfassen. Das Verfahren kann, wenn der Stromwelligkeitswert außerhalb des ersten Stromwelligkeitswertebereichs liegt, außerdem beinhalten, den Stromwelligkeitswert derart anzupassen, dass er innerhalb des ersten Stromwelligkeitswertebereichs liegt. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Anpassen des Stromwelligkeitswerts, wenigstens eines von einem maximalen Ausgangsstromschwellenwert und einem minimalen Ausgangsstromschwellenwert anzupassen. Das Anpassen des Stromwelligkeitswerts kann auch beinhalten, eine Ausschaltzeit anzupassen. In einigen Ausführungsformen verhalten sich der Stromwelligkeitswert und die Schaltfrequenz umgekehrt proportional. Das Verfahren kann außerdem beinhalten, als Abwärtswandler zu arbeiten, um eine Eingangsspannung auf eine Ausgangsspannung herunterzusetzen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist ein Schaltwandler eine Steuerung auf. Die Steuerung ist dazu ausgebildet, eine Schaltfrequenz des Schaltwandlers zu bestimmen und, wenn die Schaltfrequenz außerhalb eines ersten Schaltfrequenzwertebereichs liegt, einen Stromwelligkeitswert eines Ausgangsstroms anzupassen, um die Schaltfrequenz so anzupassen, dass sie innerhalb des ersten Schaltfrequenzwertebereichs liegt.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist die Steuerung außerdem dazu ausgebildet, den Stromwelligkeitswert des Ausgangsstroms zu bestimmen. Der Stromwelligkeitswert kann eine Differenz zwischen einem maximalen Wert des Ausgangsstroms und einem minimalen Wert des Ausgangsstroms umfassen. In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung weiterhin dazu ausgebildet, wenn der Stromwelligkeitswert außerhalb eines ersten Stromwelligkeitswertebereichs liegt, den Stromwelligkeitswert derart anzupassen, dass er innerhalb des ersten Stromwelligkeitswertebereichs liegt. Das Anpassen des Stromwelligkeitswerts kann beinhalten, wenigstens eines von einem maximalen Ausgangsstromschwellenwert und einem minimalen Ausgangsstromschwellenwert anzupassen. Das Anpassen des Stromwelligkeitswerts kann auch beinhalten, eine Ausschaltzeit anzupassen.
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In verschiedenen Ausführungsformen verhalten sich der Stromwelligkeitswert und die Schaltfrequenz umgekehrt proportional. Der Schaltwandler kann einen Abwärtswandler umfassen. In einigen Ausführungsformen weist der Schaltwandler außerdem eine Last auf, die dazu ausgebildet ist, den Ausgangsstrom zu empfangen. In derartigen Ausführungsformen umfasst die Last eine Leuchtdiode (Light Emitting Diode, LED). Die Last kann auch eine Mehrzahl von LEDs umfassen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist ein Schaltwandler eine Schalteinheit, die dazu ausgebildet ist, an ein Energiespeicherelement gekoppelt zu werden, einen Durchschnittsstromregler, der an die Schalteinheit gekoppelt ist, und einen Frequenzwelligkeitsregler, der an die Schalteinheit gekoppelt ist, auf. Der Durchschnittsstromregler ist dazu ausgebildet, einen Ausgangsstrom zum Energiespeicherelement bei einem im Wesentlichen konstanten Durchschnittswert zu halten. Der Frequenzwelligkeitsregler ist dazu ausgebildet, eine Schaltfrequenz des Schaltwandlers zu bestimmen, einen Stromwelligkeitswert des Ausgangsstroms von Schaltwandler zu bestimmen und den Stromwelligkeitswert bzw. die Schaltfrequenz anzupassen, wenn entweder der Stromwelligkeitswert außerhalb eines ersten Stromwelligkeitswertebereichs liegt oder die Schaltfrequenz außerhalb eines ersten Schaltfrequenzwertebereichs liegt. Der Stromwelligkeitswert umfasst eine Differenz zwischen einem maximalen Wert des Ausgangsstroms und einem minimalen Wert des Ausgangsstroms.
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In verschiedenen Ausführungsformen weist der Schaltwandler auch ein Energiespeicherelement auf. Das Energiespeicherelement umfasst eine Induktivität, die dazu ausgebildet ist, den Ausgangsstrom an eine Last zu leiten. Die Last kann eine Mehrzahl von Leuchtdioden (Light Emitting Diodes, LEDs) umfassen. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Anpassen des Stromwelligkeitswerts und der Schaltfrequenz, wenigstens eines von einem maximalen Ausgangsstromschwellenwert, einem minimalen Ausgangsstromschwellenwert, einer Einschaltzeit der Schalteinheit und einer Ausschaltzeit der Schalteinheit anzupassen.
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Gemäß verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen können Vorteile Schaltwandler beinhalten, die flexibel oder an mehrere Lasttypen und Spannungen anpassbar sind. Für einen Satz Systemkomponenten können Wandler einer Ausführungsform, welche Steuerungen einer Ausführungsform betreiben, geringere Verluste, geringeres hörbares Geräusch und geringere EMI zeigen. Weiterhin können einige Ausführungsformen die Umgestaltung oder den Austausch von Schaltwandlern für mehrere Arten von Lastbedingungen oder Spannungen in verschiedenen Situationen reduzieren. In einer Ausführungsform kann ein einzelner Schaltwandler für mehrere verschiedene Lasten eingesetzt werden und behält dennoch eine verbesserte Leistung bei.
