DE102015215656A1 - Adaptive Referenzspannung für Schaltleistungswandler - Google Patents

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Pengju Kong
Hien Bui
Duc Doan
John Shi
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Abstract

Ein Schaltleistungswandler ist vorgesehen, der ein Aktivitätssignal erfasst, das in Reaktion auf eine Lastaktivität erzeugt wird unter Verwendung einer adaptiv abnehmenden Schwelle.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der U.S. Provisional Application Nr. 62/089,146 , angemeldet am 8. Dezember 2014, deren Inhalte hier in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Anmeldung betrifft Schaltleistungswandler und insbesondere einen Schaltleistungswandler, der konfiguriert ist zum Verwenden einer adaptiven Referenzspannung.
  • HINTERGRUND
  • Die explosive Zunahme von mobilen elektronischen Vorrichtungen, wie Smartphones und Tablets, erzeugt einen steigenden Bedarf in der Technik für kompakte und effiziente Schaltleistungswandler, so dass Benutzer diese Vorrichtungen wiederaufladen können. Ein Flyback- bzw. Sperr-Schaltleistungswandler ist typischerweise für eine mobile Vorrichtung vorgesehen, da sein Transformator eine sichere Isolierung von einem AC-Haushaltsstrom bietet. Diese Isolierung stellt ein Problem dar dadurch, dass das Leistungsschalten an der primären Seite des Transformators stattfindet, aber die Last auf der sekundären Seite ist. Die Leistungsschaltmodulation für einen Sperrwandler erfordert eine Kenntnis der Ausgangsspannung auf der sekundären Seite des Transformators. Eine derartige Rückkopplung kann erlangt werden durch Optoisolatoren, die von der sekundären Seite zu der primären Seite überbrücken, aber dies erhöht die Kosten und eine Steuerungskomplexität. Somit wurden primärseitige Rückkopplungstechniken entwickelt, die die reflektierte Spannung an der primären Seite des Transformators in jedem Schaltzyklus verwenden.
  • In einem Schaltzyklus für einen Sperrwandler pulst der Sekundärstrom (der Strom in der Sekundärwicklung des Transformators) hoch, nachdem der Zyklus des primärseitigen Leistungsschalters beendet ist. Der Sekundärstrom fällt dann auf Null, wenn Leistung an die Last geliefert wird. Die Verzögerung zwischen der Auszeit des Leistungsschalters und dem Fallen auf Null des Sekundärstroms wird als die Transformator-Zurücksetz-Zeit (Trst – transformer reset time) bezeichnet. Die reflektierte Spannung an der Primärwicklung während der Transformator-Zurücksetz-Zeit ist proportional zu der Ausgangsspannung, da es keine Diodenabfallspannung an der sekundären Seite gibt, da der Sekundärstrom nicht mehr fließt. Die reflektierte Spannung während der Transformator-Zurücksetz-Zeit ist somit direkt proportional zu der Ausgangsspannung basierend auf dem Wicklungsverhältnis in dem Transformator und anderen Faktoren. Nurprimärseitige Rückkopplungstechniken verwenden diese reflektierte Spannung, um das Leistungsschalten effizient zu modulieren und somit die Ausgangsspannung zu modulieren.
  • Ein Problem jedoch mit nur-primärseitiger Rückkopplung tritt während Betriebszeiten mit geringer Last oder keiner Last auf. Die Steuervorrichtung in dem Sperrwandler erfasst diesen Mangel an Aktivität und stoppt ein Ein- und Ausschalten des Leistungsschalters entsprechend, so dass die sekundäre Seite nicht aus der Regelung gerät. Das resultierende Fehlen von Pulsen ist zufriedenstellend, solange die Last inaktiv bleibt. Wenn die Last jedoch wieder angelegt wird, hat die Steuervorrichtung keine Möglichkeit, dies zu erfassen, ohne dass ein Sekundärstrompuls erzeugt wird, um eine reflektierte Spannung auf der primären Seite zu erzeugen (zum Beispiel wie durch eine primärseitige Hilfswicklung erfasst).
  • Um dieses Problem in Architekturen mit nur-primärseitiger Rückkopplung zu lösen, wird ein Aktivitätsdetektor an der sekundären Seite vorgesehen, der konfiguriert ist zum Erzeugen eines Sekundärstrompulses in Reaktion auf das Anlegen der Last, trotzdem der Leistungsschalter weiterhin inaktiv ist. Ein Beispiel eines Aktivitätsdetektors wird vorgesehen durch die gemeinsam zugeteilte US-Anmeldung Nr. 14/340,482, (die '482-Anmeldung), eingereicht am 24. Juli 2014, deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind. Der sekundärseitige Aktivitätsdetektor erfasst die Beendigung eines Sekundärwicklungsstrompulses, wie üblicherweise von einem Zyklus des primärseitigen Leistungsschalters erzeugt. Wie oben diskutiert, findet die Beendigung des Sekundärwicklungsstrompulses an der Transformator-Zurücksetz-Zeit statt. Nach dieser Transformator-Zurücksetz-Zeit oszilliert die Spannung über die primärseitige Hilfswicklung aufgrund der Resonanzschaltung, die durch die Induktivität des Transformators und die parasitäre Kapazität des Leistungsschalters gebildet wird. Da diese Oszillation durch die Steuervorrichtung als das Anlegen einer Last (oder das Auftreten einer Fehlerbedingung) interpretiert werden kann, erzeugt der sekundärseitige Aktivitätsdetektor keinen Aktivitätspuls für eine „Austastperiode“ nach der Transformator-Zurücksetz-Zeit, um zu ermöglichen, dass die Oszillationen der Hilfswicklung ausreichend abklingen. Bei Beendigung der Austastperiode überwacht der Aktivitätsdetektor den Spannungsabfall über die Gleichrichterdiode auf der sekundären Seite, um zu bestimmen, ob eine Last angelegt wurde. Mit einer angelegten Last ändert sich die Spannung über der Gleichrichterdiode, da der Lastkondensator entlädt. Der Aktivitätsdetektor erfasst diese Spannungsdifferenz über der Gleichrichterdiode und schaltet einen Strompfad mit niedriger Impedanz ein, der die Gleichrichterdiode umgeht. Vorteilhafterweise kann der Aktivitätsdetektor eine Zwei-Anschlüsse-Vorrichtung aufweisen, wie in der '482-Anmeldung offenbart, die mit der Kathode und der Anode der Gleichrichterdiode gekoppelt ist. In anderen Architekturen kann der Aktivitätsdetektor eine Vorrichtung mit drei Anschlüssen (oder mehr) aufweisen, die Herstellungskosten erhöht im Vergleich zu der Verwendung eines Aktivitätsdetektors mit zwei Anschlüssen. Sollte der Aktivitätsdetektor eine Last-induzierte Spannungsänderung über der Gleichrichterdiode im Anschluss an die Austastperiode erfassen, schließt er die Kathode und die Anode der Gleichrichterdiode durch seinen alternativen Strompfad mit geringer Impedanz kurz. Dieser Strompfad mit geringer Impedanz ermöglicht, dass der geladene Ausgangskondensator auf der sekundären Seite des Transformators einen Puls eines Sekundärstroms sendet, der einen reflektierten Puls an der primärseitigen Hilfswicklung erzeugt. Die Sperr-Steuervorrichtung ist konfiguriert zum Erfassen dieses Sekundärstrompulses. Da dieser Sekundärstrompuls nicht durch das Pulsen des Leistungsschalters erzeugt wird, wird der entsprechende Puls in der reflektierten Spannung hier als ein „Aktivitätssignal“ bezeichnet, um es von der reflektierten Spannung zu unterscheiden, die aus einem Leistungsschalter-Zyklus erlangt wird.
  • In Reaktion auf die Erfassung des Aktivitätssignals, schaltet die Sperr-Steuervorrichtung den Leistungsschalterpuls ein und aus. Die resultierende reflektierte Spannung aus dem Ein- und Ausschalten des Leistungsschalters kann dann verwendet werden, wie in nur-primärseitigen Rückkopplungstechniken bekannt ist, um die Ausgangsspannung direkt zu überwachen, so dass sie entsprechend geregelt werden kann. Obwohl die Erzeugung eines Aktivitätssignals ziemlich vorteilhaft ist, um das Fehlen einer Rückkopplungsinformation zu adressieren, während die Last inaktiv oder fehlend ist, leidet die resultierende Sperrsteuerung unter mehreren Problemen. Zum Beispiel kann die Sperr-Steuervorrichtung kein Aktivitätssignal während der Dauer der Austastperiode empfangen. Somit ist die Sperr-Steuervorrichtung nicht in der Lage, auf plötzliches Anlegen einer Last während der Austastperiode zu reagieren. Aber diese Austastperiode muss ausreichend lang sein, um die Spannungsoszillationen an der Hilfswicklung zu umfassen, die nach der Transformator-Zurücksetz-Zeit auftreten. Zusätzlich nimmt die Aktivitätssignalamplitude mit der Zeit ab in Bezug auf die Austastperiode-Beendigung. In anderen Worten, sollte eine Aktivität relativ kurz nach Beendigung der Austastperiode erfasst werden, ist das resultierende Aktivitätssignal, wie auf der primärseitigen Hilfswicklung reflektiert, relativ stark. Im Gegensatz dazu, sollte eine Aktivität nach einer längeren Verzögerung von der Beendigung der Austastperiode erfasst werden, wird die Aktivitätssignalamplitude schwächer. Die Snubber-Schaltung, die mit der Primärwicklung assoziiert ist, kann diese Reduktion in der Aktivitätssignalamplitude in Bezug auf die Verzögerung von der Beendigung der Austastperiode verursachen. Die Schwelle, die von dem Sperrwandler verwendet wird, um das Vorhandensein des Aktivitätssignals zu erfassen, sollte somit relativ niedrig sein, so dass die schwächeren Aktivitätssignale von relativ langen Verzögerungen erfasst werden können. Aber eine derartige niedrige Schwelle erhöht die Möglichkeit eines Reagierens auf Rauschen.
  • Demgemäß besteht ein Bedarf in der Technik für verbesserte Sperrsteuerungstechniken zum Erfassen einer Aktivität der Last nachfolgend auf eine Periode eines reduzierten oder ruhenden Ein- und Ausschaltens eines Leistungsschalters.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Um die Erfassung von Aktivitätssignalpulsen zu verbessern, die durch einen Aktivitätsdetektor auf der Sekundärseite eines Sperrschaltwandlertransformators erzeugt werden, wird eine primärseitige Steuervorrichtung vorgesehen, die die Aktivitätssignale unter Verwendung einer adaptiven Schwelle erfasst. Diese Erfassung erfolgt während einer Erfassungsperiode, die stattfindet, während der Leistungsschalter nicht ein- und ausschaltet. Dieses Fehlen eines Ein- und Ausschaltens bzw. eines Zyklus für den Leistungsschalter stellt ein Problem für nur-primäre Rückkopplungs-Sperrwandler dar, da die reflektierten Spannungen, die aus jedem Zyklus des Leistungsschalters erzeugt werden, eine Rückkopplungsinformation über die Ausgangsspannung liefern. Um eine Rückkopplungsinformation über ein erneutes Herstellen einer Last nach Beendigung des Ein- und Ausschaltens des Leistungsschalters vorzusehen, pulst ein Aktivitätsdetektor auf der sekundären Seite des Transformators den Sekundärwicklungsstrom, um ein Aktivitätssignal zu erzeugen, das eine reflektierte Spannung aufweist an der primären Seite des Transformators.
  • Die Erfassungsperiode für die Steuervorrichtung beginnt nach einer Beendigung einer Austastperiode nachfolgend auf einen letzten Leistungsschalter-Zyklus. Die Austastperiode beginnt an der Transformator-Zurücksetz-Zeit. Zu Beginn der Erfassungsperiode ist die adaptive Schwelle relativ robust, da Aktivitätssignale zu diesem Zeitpunkt relativ stark sind. Auf diese Weise kann die Austastperiode im Vergleich zu herkömmlichen Verwendungen einer statischen Schwelle reduziert werden, um das Aktivitätssignal zu erfassen. Diese Reduzierung der Austastperiode führt nicht zu fehlerhaften Erfassungen von Aktivitätssignalen von den Spannungsoszillationen, die während der Austastperiode auftreten, aufgrund der relativen Stärke der adaptiven Schwelle zu diesem Zeitpunkt. Wenn die Erfassungsperiode weitergeht, nimmt die adaptive Schwelle ab, da die Amplitude der Aktivitätssignale in Bezug auf eine Verzögerung von dem Beginn der Erfassungsperiode abnimmt. Auf diese Weise wird eine Empfindlichkeit beibehalten ohne die fehlerhaften Erfassungen und Verzögerungen der Austastperiode, die mit herkömmlichen Techniken assoziiert sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Diagramm eines Sperrwandlers mit einer Steuervorrichtung mit einer adaptiven Schwelle zum Erfassen einer Aktivität der Last in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung.
  • 2 zeigt den zweiten Strom, Hilfswicklungsspannung und Fehleralarm-Signalformen für einige beispielhafte Aktivitätssignale.
  • 3A zeigt Signalformen, die von einem Aktivitätssignal resultieren, das relativ bald nach dem Beginn der Erfassungsperiode auftritt.
  • 3B zeigt Signalformen, die von einem Aktivitätssignal resultieren, das relativ verzögert in Bezug auf das Aktivitätssignal von 3A auftritt.
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm für ein beispielhaftes Betriebsverfahren unter Verwendung einer adaptiven Schwelle in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung und deren Vorteile werden am besten durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung verständlich. Es sollte angemerkt werden, dass gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente zu identifizieren, die in einer oder mehreren der Figuren dargestellt werden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Um den Bedarf in der Technik für verbesserte Aktivitätssignalerfassungsarchitekturen zu adressieren, wird ein Sperrwandler vorgesehen, der eine adaptiv-abnehmende Schwelle verwendet, um das Aktivitätssignal zu erfassen, das durch einen sekundärseitigen Aktivitätsdetektor erzeugt wird. Der Aktivitätsdetektor gibt das Aktivitätssignal aus in Reaktion auf das Anlegen einer Last oder das Auftreten einer Fehlerbedingung im Anschluss an eine Austastperiode nachfolgend eines letzten Leistungsschalterzyklus, bevor der Zyklus des Leistungsschalters inaktiv wird. Auf diese Weise kann die Austastperiode reduziert werden, da die Steuervorrichtung eine relativ hohe Schwelle unmittelbar nach der Beendigung der Austastperiode verwendet. Die Hilfswicklungsspannung kann weiterhin oszillieren, ohne eine falsche Erfassung eines Aktivitätssignals aufgrund der fortgesetzten Oszillationen aufgrund der relativen Stärke der Schwelle zu diesem Zeitpunkt zu erzeugen. Im Gegensatz dazu würde eine Erfassung des Aktivitätssignals unter Verwendung einer festen Schwelle eine längere Austastperiode erfordern. Obwohl die Austastperiode reduziert wird, erfasst das System weiterhin die Aktivitätssignale mit reduzierter Amplitude aufgrund relativ langer Verzögerungen von der Beendigung der Austastperiode, da die Schwelle als eine Funktion der Verzögerung reduziert wird. Alternativ kann eine Serie von schrittweise diskontinuierlichen Reduzierungen in der Aktivitätssignalschwelle erfolgen. Diese vorteilhaften Merkmale sind unter Bezugnahme auf die folgenden beispielhaften Ausführungsbeispiele offensichtlicher.
  • Ein beispielhafter Sperrwandler 100 wird in 1 gezeigt. Eine gleichgerichtete Eingangsspannung (Vin) steuert eine Primärwicklung eines Transformators an, wenn eine Steuervorrichtung 105 einen Leistungsschalter einschaltet. In dem Wandler 100 ist der Leistungsschalter ein Bipolartransistor(BJT – bipolar junction transistor)-Leistungsschalter, aber es ist anzumerken, dass MOSFET-Leistungsschalter in alternativen Ausführungsbeispielen verwendet werden können. Um den Leistungsschalter einzuschalten, steuert die Steuervorrichtung 105 einen Basisstrom IB in die Basis des BJT-Leistungsschalters, um diesen in Sättigung zu bringen. Basierend auf der Eingangsspannung VIN und einer Magnetisierungsinduktivität für den Transformator steigt der Kollektorstrom IC dann rampenförmig von Null auf einen Spitzenkollektorstromwert, woraufhin die Steuervorrichtung 105 den BJT-Leistungsschalter ausschaltet, um einen Schaltzyklus abzuschließen. Der Kollektorstrom ist auch der Primärwicklungsstrom für den Transformator. Der resultierende Emitterstrom von dem BJT-Leistungsschalter ist gleich der Summe der Basis- und Kollektorströme.
  • Die Steuervorrichtung 105 steuert die Menge an Kollektorstrom in Reaktion auf eine Rückkopplungs(Vfb)-Spannung, die von einer reflektierten Spannung abgeleitet ist, in einer Hilfswicklung. Wenn die Steuervorrichtung 105 den Basisstrom ausschaltet, um den BJT-Leistungsschalter auszuschalten, wird eine Gleichrichterdiode D1 auf der sekundären Seite des Transformators in Durchlassrichtung vorgespannt (forward biased) derart, dass die gespeicherte Energie in dem Transformator als eine Ausgangsspannung (Vout) über einer Last geliefert wird, wie durch einen Lastkondensator Cout gefiltert. Diese Lieferung von Energie an die Last erzeugt eine reflektierte Spannung auf der Hilfswicklung, die eine Funktion des Spannungsabfalls über der Diode D1 und der Ausgangsspannung Vout ist. Wenn diese Energielieferung erschöpft ist, fällt ein Sekundärstrom in einer Sekundärwicklung des Transformators auf Null derart, dass es keinen Diode-Spannungsabfall gibt, woraufhin die reflektierte Spannung direkt proportional zu Vout ist. Wie oben diskutiert, wird diese Zeit als die Transformator-Zurücksetz-Zeit (Trst – transformer reset time) bezeichnet und repräsentiert die ideale Zeit zum Abtasten der reflektierten Spannung (Vfb), um eine genaue Schätzung der Ausgangsspannung Vout zu erlangen.
  • Die Rückkopplungsspannung Vfb ist nur ein Parameter, der bei der nurprimären Rückkopplung verwendet werden kann, die durch die Steuervorrichtung 105 implementiert ist. Zum Beispiel kann der Primärwicklungsstrom durch einen Erfassungswiderstand Rsense abgetastet werden, um eine Isense-Spannung zu erzeugen, die die Amplitude des Primärwicklungsstroms repräsentiert. In dem Sperrwandler 100 tastet der Erfassungswiderstand den Emitterstrom ab, so dass die Steuervorrichtung 105 den Kollektorstrom (und somit den Primärstrom) bestimmen kann durch Subtrahieren des Basisstroms von dem abgetasteten Emitterstrom. In Ausführungsbeispielen mit MOSFET-Leistungsschaltern wäre die Spannung Isense direkt proportional zu dem Primärwicklungsstrom. Die Steuervorrichtung 105 kann die Änderungsrate des Kollektorstroms verwenden, wie durch die Isense-Spannung bestimmt, um indirekt die Eingangsspannung Vin zu messen. Dies ist sehr vorteilhaft, da die Steuervorrichtung 105 dann die Eingangsspannung Vin bestimmen kann, ohne einen zusätzlichen Eingangsanschluss zu erfordern. Auf diese Weise kann die Steuervorrichtung 105 Vsense und Isense aus einem vorherigen Puls verarbeiten, um den gewünschten Spitzenkollektorstrom in dem nachfolgenden Puls auf einer Puls-für-Puls-Basis zu bestimmen.
  • Durch diese nur-primäre Rückkopplung kann die Steuervorrichtung 105 die Ausgangsspannung Vout aus der reflektierten Spannung bestimmen, wenn ein Puls erzeugt wird. Es kann jedoch Perioden mit wenig oder keiner Last geben, in denen die Steuervorrichtung 105 keine Pulse mehr sendet, um zu verhindern, dass die Ausgangsspannung aus der Regelung gerät. Ein Anlegen einer Last während dieser Null-Perioden kann somit die Ausgangsspannung zu niedrig werden lassen, da die Steuervorrichtung 105 keine Pulse erzeugt, um diese Aktivität zu erfassen. Ein sekundärseitiger Aktivitätsdetektor 110 funktioniert somit wie zum Beispiel in der '482-Anmeldung diskutiert, um das Anlegen einer Last während dieser Null-Perioden zu erfassen, um einen Pfad mit niedriger Impedanz einzuschalten, der die Diode D1 umgeht, so dass ein Aktivitätssignal auf der primärseitigen Hilfswicklung als eine reflektierte Spannung empfangen wird. Da es eine relativ geringe Menge von Ladung gibt, die an dem Ausgangskondensator Cout gespeichert ist, kann die Ein-Zeitdauer für die Anwendung des Pfads mit niedriger Impedanz (und damit die Dauer des resultierenden Aktivitätssignals) relativ kurz sein. Zum Beispiel kann in einem Ausführungsbeispiel das Aktivitätssignal eine Dauer von 500 ns haben. Der Aktivitätsdetektor 110 kann eine Serie (oder nur eines) von derartigen gepulsten Aktivitätssignalen in Reaktion auf das Erfassen des Anlegens einer Last oder einer Fehlerbedingung erzeugen. Unabhängig davon, ob eines oder eine Serie von Aktivitätssignalen erzeugt wird, wartet der Aktivitätsdetektor 110 eine Austastperiode nach der Transformator-Zurücksetz-Zeit, damit die Resonanzoszillationen an der Hilfswicklung nachlassen, vor der Erfassung einer nachfolgenden Aktivität.
  • Die Steuervorrichtung 105 erfasst, wenn die Transformator-Zurücksetz-Zeit auftritt, so dass sie die reflektierte Spannung zu diesem Zeitpunkt abtasten kann, um die Rückkopplungsspannung Vfb zu bestimmen. Die Steuervorrichtung 105 kann dann eine Dauer einer Austastperiode von der Transformator-Zurücksetz-Zeit festsetzen. Nach Abschluss der Austastperiode initiiert die Steuervorrichtung 105 eine Erfassungsperiode, in der sie einen Komparator 115 aktiviert, eine adaptive Schwelle 120 mit einer Spannung eines Aktivitätssignal 125 zu vergleichen, wie zum Beispiel über einen Spannungsteiler empfangen, der durch ein Paar von Widerständen R1 und R2 gebildet wird. Die Steuervorrichtung 105 ermöglicht dem Komparator 115, mit dem Vergleichen der adaptiven Schwelle 120 mit der abgetasteten Version 125 des Aktivitätssignals zu beginnen bei der Einleitung der Erfassungsperiode bei der Beendigung der Austastperiode. Die Steuervorrichtung 105 ist somit mit der Dauer der Austastperiode konfiguriert, die auch von dem Aktivitätsdetektor 110 verwendet wird. Um die Verwendung einer relativ kurzen Austastperiode zu ermöglichen, ist die Steuervorrichtung 105 konfiguriert zum Erzeugen einer adaptiven Schwelle 120, um eine relativ hohe Amplitude sofort nach Beendigung der Austastperiode zu haben. Jedoch ist dieser relativ hohe Wert für die adaptive Schwelle 120 unerwünscht, wenn die Verzögerung von der Beendigung der Austastperiode zunimmt. Zum Beispiel kann eine Snubber-Schaltung 130 verursachen, dass die Amplitude des Aktivitätssignals abnimmt, wenn die Verzögerung von dem Beginn der Erfassungsperiode zunimmt. Ein relativ hoher Wert für die adaptive Schwelle kann möglicherweise die Erfassung von derartigen relativ verzögerten Aktivitätssignalen fehlschlagen lassen. Die Steuervorrichtung 105 ist somit konfiguriert, die adaptive Schwelle 120 als eine Funktion der vergangenen Zeit von der Beendigung der Austastperiode zu verringern. Diese Abnahme kann linear, stufenweise linear oder nicht-linear sein. Wenn ein Minimumpegel für die adaptive Schwelle erreicht ist, hält die Steuervorrichtung 105 dann die adaptive Schwelle 120 an diesem Minimumpegel für die verbleibende Dauer der Erfassungsperiode. Da sowohl die Rückkopplungsspannung Vfb als auch die Aktivitätssignalspannung 125 Versionen einer reflektierten Spannung sind, die durch einen Sekundärwicklungsstrom erzeugt wird, kann die Rückkopplungsspannung Vfb hier auch als eine „erste reflektierte Spannung“ bezeichnet werden, während die Aktivitätssignalspannung 125 als eine „zweite reflektierte Spannung“ bezeichnet werden kann.
  • Ein Beispiel einer adaptiv abnehmenden Schwelle wird in 2 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Schwelle linear verringert in Bezug auf eine Verzögerung von dem Beginn der Erfassungsperiode. Ein Ein- und Ausschalten des primärseitigen Leistungsschalters (nicht gezeigt) veranlasst einen Puls des Sekundärstroms, der an der Transformator-Zurücksetz-Zeit (Trst) auf Null fällt. Die reflektierte Spannung an der Hilfswicklung (Aux Voltage) beginnt dann zu oszillieren, wie zuvor diskutiert, während der Austastperiode. Es ist jedoch anzumerken, dass der aktive Bereich, während dem die adaptive Schwelle mit der reflektierten Spannung verglichen wird, bereits beginnen kann, während die reflektierte Spannung noch oszilliert, da die adaptive Schwellenspannung 120 zu diesem Zeitpunkt relativ hoch ist. Ein Aktivitätssignal A, wie durch die reflektierte Spannung repräsentiert, kann somit zu diesem Zeitpunkt erfasst werden, obwohl die Restoszillationen noch immer an der Hilfswicklung stattfinden. Der Komparator 115 von 1 würde dann sein Ausgangssignal hoch treiben, das durch die Steuervorrichtung 105 als ein Fehleralarm empfangen wird. Ein ähnlicher Fehleralarm wird nachfolgend für ein Aktivitätssignal B erzeugt, aber im Hinblick auf einen reduzierten Wert für die adaptive Schwellenspannung 120. Ähnlich wird ein weiterer Fehleralarm für ein Aktivitätssignal C erzeugt im Hinblick auf einen noch weiter reduzierten Wert für die adaptive Schwelle 120. Auf diese Weise ist die Erfassung von Aktivitätssignalen immer empfindlicher in Bezug auf vergangene Zeit von der Beendigung der Austastperiode aufgrund einer ähnlichen Reduzierung in den Aktivitätssignalen. Es ist offensichtlich, dass 2 vereinfacht ist darin, dass die Steuervorrichtung 105 einen Puls in Reaktion auf die Ausgabe des Fehleralarms erzeugen würde. Wie in 2 gezeigt, wird die adaptive Schwellenspannung 120 reduziert, bis ein Minimumpegel erreicht ist, woraufhin diese an diesem Minimumpegel für den Rest der Erfassungsperiode gehalten wird.
  • Die Erzeugung von Pulsen in Reaktion auf Aktivitätssignale wird in den 3A und 3B dargestellt. 3A zeigt eine Schaltsignalform für einen Aktivitätsdetektor in Reaktion auf die Erfassung einer Lastaktivität relativ bald nach Beendigung eines Leistungspulses. Die adaptive Schwelle 120 ist somit relativ hoch. Zum Zweck der Darstellung wird dieser relativ hohe Pegel für die adaptive Schwelle 120 als ein konstanter Wert in 3A gezeigt. Unter erneuter Bezugnahme auf 1 erzeugt der Zyklus bzw. das Ein- und Ausschalten des Diodekurzschlussschalters durch den Aktivitätsdetektor 110 ein relativ starkes Aktivitätssignal auf der Hilfswicklung, wenn die Aktivitätserfassung relativ nahe an der Initiierung der Erfassungsperiode stattfindet. Wie in 3A gezeigt, kann das Aktivitätssignal 125 somit den relativ hohen Pegel für die adaptive Schwelle 120 übersteigen. Ein Fehleralarm wird daher durch den Komparator 115 ausgelöst, der wiederum einen Zyklus des Leistungsschalters auslöst. Im Gegensatz dazu findet der Zyklus des Aktivitätsdetektors in 3B nach einer längeren Verzögerung von der Initiierung der Erfassungsperiode statt. Die adaptive Schwelle 120 in 3B ist somit kleiner als die, die in 3A angewendet wurde. Das resultierende Aktivitätssignal 125 ist somit schwächer, löst aber einen Fehleralarm aufgrund des reduzierten Pegels für die adaptive Schwelle 120 aus. Der Fehleralarm wiederum löst einen Leistungsschalterzyklus aus. Unter erneuter Bezugnahme auf 3A werden die Resonanzoszillationen der reflektierten Rückkopplungsspannung (als Vsense bezeichnet) nach jeder Leistungsschalterzyklus-Aus-Zeit ausgelöst. Da die adaptive Schwelle 120 relativ hoch ist, ist sie größer als die fallende Flanke jeder Resonanzoszillation. Somit kann die Erfassungsperiode auch beginnen, während die Resonanzoszillationen weitergehen, solange die Zeitsteuerung der Initiierung der Erfassungsperiode derart gewählt wird, dass die verbleibenden Resonanzoszillationen geringer sind als die adaptive Schwelle 120. Auf diese Weise kann die relativ lange Austastperiode herkömmlicher Techniken reduziert werden.
  • Ein Ablaufdiagramm für ein beispielhaftes Verfahren zum Betrieb eines Sperrwandlers mit einer adaptiven Schwelle, wie hier diskutiert, wird in 4 gezeigt. Ein anfänglicher Vorgang 400 findet in Reaktion auf die Entfernung einer Last statt und umfasst ein Anhalten des Zyklus eines Leistungsschalters nach einem letzten Leistungsschalterzyklus. Die Beendigung des Leistungsschalterzyklus, wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf 2 diskutiert, ist ein Beispiel für den Vorgang 400. Das Verfahren umfasst auch einen Vorgang 405, der stattfindet, nachdem eine Austastperiode abgelaufen ist von einer Transformator-Zurücksetz-Zeit nachfolgend auf den letzten Leistungsschalterzyklus. Es ist an diesem Punkt, dass die Erfassungsperiode beginnt, in Verbindung mit dem Vorgang 405, mit dem Erzeugen einer adaptiven Schwelle, die als eine Funktion einer Verzögerung von einer Beendigung der Austastperiode abnimmt. Die Erzeugung der adaptiven Schwelle 120, wie in 2 gezeigt, ist ein Beispiel für Vorgang 405. Wie oben diskutiert, kann die Abnahme der adaptiven Schwelle 120 nicht unendlich weitergehen, da die Steuervorrichtung 105 dann auf einen Standard-DC-Wert für das Aktivitätssignal 125 reagieren würde, was zu falschen Alarmen und unnötiger Erzeugung von Leistungsschalterzyklen führen würde. Somit wird die adaptive Schwelle 125 als eine Konstante gehalten, sobald sie auf einen beschränkten Minimumwert gesunken ist. Außerdem ist offensichtlich, dass die Steuervorrichtung 105 die adaptive Schwelle 120 nicht linear verringern muss, sondern stattdessen die adaptive Schwelle 120 schrittweise unter Verwendung einer endlichen Anzahl von Schritten verringern kann. Zum Beispiel kann die adaptive Schwelle 120 konstant auf einem relativ hohen Wert gehalten werden unmittelbar nach der Initiierung der Erfassungsperiode. Nach einer gewissen Zeit kann die Steuervorrichtung 105 dann die adaptive Schwelle 120 auf eine mittlere Stufe reduzieren. Schließlich kann die Steuervorrichtung 105 die adaptive Schwelle 120 schrittweise von dieser mittleren Stufe auf einen beschränkten Minimumwert verringern.
  • Schließlich umfasst das Verfahren auch einen Vorgang 410 zum Erfassen, ob eine reflektierte Spannung, die in Reaktion auf eine Erfassung erzeugt wird, dass die Last wieder hergestellt wurde, die adaptive Schwelle übersteigt. Die Erfassung, dass das Aktivitätssignal 125 die adaptive Schwelle 125 übersteigt, wie unter Bezugnahme auf 2 diskutiert, ein Beispiel für den Vorgang 410.
  • Wie für Fachleute auf dem Gebiet nun offensichtlich ist und abhängig von der bestimmten vorliegenden Anwendung, können eine Vielzahl von Modifikationen, Ersetzungen und Variationen in und an den Materialien, Vorrichtung, Konfigurationen und Verfahren zur Verwendung der Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung gemacht werden, ohne von deren Sinn und Umfang abzuweichen. Angesichts dessen soll der Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf den der bestimmten Ausführungsbeispiele beschränkt sein, die hier dargestellt und beschrieben werden, da sie lediglich einige Beispiele davon sind, sondern soll vollständig in Einklang sein mit dem der im Folgenden angehängten Ansprüchen und deren funktionalen Äquivalenten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62/089146 [0001]

Claims (20)

  1. Ein Schaltleistungswandler, der aufweist: einen Leistungsschalter, der mit einer Primärwicklung eines Transformators gekoppelt ist; eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist zum Beenden eines Zyklus bzw. Ein- und Ausschaltens des Leistungsschalters in Reaktion auf eine Verarbeitung einer ersten reflektierten Spannung, die an einer Transformators-Zurücksetz-Zeit erzeugt wird nach jedem Zyklus des Leistungsschalters, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist zum zeitlichen Steuern einer Erfassungsperiode beginnend nach einem letzten Zyklus des Leistungsschalters; und einen Komparator, der konfiguriert ist zum Bestimmen, ob eine zweite reflektierte Spannung, die durch eine Aktivität an einer Last ausgelöst wird, eine adaptive Schwelle übersteigt, die während der Erfassungsperiode abnimmt, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist zum Initiieren eines zusätzlichen Zyklus des Leistungsschalters in Reaktion auf eine Bestimmung durch den Komparator, dass die zweite reflektierte Spannung die adaptive Schwelle übersteigt.
  2. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, der weiter eine Hilfswicklung aufweist, die konfiguriert ist zum Erzeugen der ersten reflektierten Spannung, wobei der Schaltleistungswandler weiter einen Spannungsteiler aufweist, der mit der Hilfswicklung gekoppelt ist, wobei der Spannungsteiler konfiguriert ist zum Erzeugen der zweiten reflektierten Spannung.
  3. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Steuern der adaptiven Schwelle derart, dass sie einen Maximalwert bei einer Initiierung der Erfassungsperiode hat, und derart, dass sie von diesem Maximalwert über die Erfassungsperiode abnimmt, bis sie auf einem Minimumwert gehalten wird.
  4. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Komparator konfiguriert ist zum Ausgeben eines Fehleralarmsignals in Reaktion auf eine Bestimmung, dass die zweite reflektierte Spannung die adaptive Schwelle übersteigt, und wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist zum Auslösen des zusätzlichen Zyklus des Leistungsschalters in Reaktion auf die Ausgabe des Fehleralarmsignals.
  5. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 3, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Steuern der adaptiven Schwelle derart, dass sie linear von dem maximalen Wert zu dem Minimumwert abnimmt.
  6. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 3, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Steuern der adaptiven Schwelle derart, dass sie schrittweise von dem maximalen Wert zu dem Minimumwert abnimmt.
  7. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Leistungsschalter ein BJT-Leistungsschalter ist.
  8. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Leistungsschalter ein MOSFET ist.
  9. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist zum zeitlichen Steuern der Erfassungsperiode derart, dass sie beginnt, nachdem eine Austastperiode endet nachfolgend auf die Transformator-Zurücksetz-Zeit nach dem letzten Zyklus des Leistungsschalters.
  10. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 9, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist zum zeitlichen Steuern der Erfassungsperiode derart, dass die Beendigung der Austastperiode stattfindet, während eine Resonanzoszillation weitergeht in Reaktion auf den letzten Zyklus des Leistungsschalters.
  11. Ein Verfahren, das aufweist: in Reaktion auf das Entfernen einer Last, Anhalten des Zyklus eines Leistungsschalters nach einem letzten Leistungsschalterzyklus; nachdem eine Austastperiode abgelaufen ist von einer Transformator-Zurücksetz-Zeit nachfolgend auf den letzten Leistungsschalterzyklus, Erzeugen einer adaptiven Schwelle, die als eine Funktion einer Verzögerung von einer Beendigung der Austastperiode abnimmt; und Erfassen, ob eine reflektierte Spannung, die in Reaktion auf eine Erfassung erzeugt wird, dass die Last wieder hergestellt wurde, die adaptive Schwelle übersteigt.
  12. Das Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Erzeugen der adaptiven Schwelle ein Erzeugen einer adaptiven Schwelle aufweist, die linear abnimmt, bis sie auf einem Minimumwert gehalten wird.
  13. Das Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Austastperiode, die abgelaufen ist nach der Transformator-Zurücksetz-Zeit nachfolgend auf den letzten Leistungsschalterzyklus, eine Austastperiode aufweist, die abgelaufen ist, während eine Resonanzoszillation noch andauerte.
  14. Das Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Erfassen, ob die reflektierte Spannung die adaptive Schwelle übersteigt, ein Ausgeben eines Fehleralarmsignals in Reaktion auf die Erfassung aufweist, wobei das Verfahren weiter aufweist: Auslösen eines zusätzlichen Leistungsschalterzyklus in Reaktion auf die Ausgabe des Fehleralarmsignals.
  15. Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Auslösen des zusätzlichen Leistungsschalterzyklus ein Auslösen eines zusätzlichen Zyklus eines BJT-Leistungsschalters aufweist.
  16. Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Auslösen des zusätzlichen Leistungsschalterzyklus ein Auslösen eines zusätzlichen Zyklus eines MOSFET-Leistungsschalters aufweist.
  17. Ein Schaltleistungswandler, der aufweist: einen Aktivitätsdetektor, der mit einer Ausgangsdiode auf einer sekundären Seite eines Transformators gekoppelt ist, wobei der Aktivitätsdetektor konfiguriert ist zum Aktivieren eines Pfads mit niedriger Impedanz, der die Ausgangsdiode umgeht, in Reaktion auf eine Erfassung von Aktivität durch eine Last, wobei die Aktivierung des Pfads mit niedriger Impedanz einen Strompuls in einer Sekundärwicklung in dem Transformator auslöst; einen Leistungsschalter, der mit einer Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist; und eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist zum Ein- und Ausschalten des Leistungsschalters in Reaktion auf eine Erfassung, dass die reflektierte Spannung, die in Reaktion auf den Strompuls erzeugt wird, eine adaptiv abnehmende Schwelle übersteigt.
  18. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 17, der weiter aufweist: einen Komparator, der mit einer Hilfswicklung auf einer primären Seite des Transformators gekoppelt ist, wobei der Komparator konfiguriert ist zum Vergleichen der reflektierten Spannung, die von dem Strompuls erzeugt wird, mit der adaptiv abnehmenden Schwelle, um die Erfassung zu erzeugen.
  19. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 17, wobei der Leistungsschalter ein BJT-Leistungsschalter ist.
  20. Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 17, wobei die adaptiv abnehmende Schwelle eine linear abnehmende Schwelle ist.
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