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Technischer Bereich
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Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf die Detektion von Störungen.
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Hintergrund
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Leistungssteuersysteme können Schaltungen für eine Störungsdetektion enthalten. Eine Störung kann z. B. auftreten, wenn ein Ausgang eines Leistungssteuersystems vor der Verwendung mit Masse kurzgeschlossen wird, wodurch das Leistungssteuersystem während der Verwendung beschädigt werden kann. Um eine Störung in dem Leistungssteuersystem zu detektieren, kann das Leistungssteuersystem darauf warten, dass eine Rückkopplungsspannung in einer Rückkopplungsschleife einen bestimmten Spannungswert von z. B. 90% eines maximalen Spannungswerts innerhalb einer Schleifenantwortzeit erreicht, und den bestimmten Spannungswert dann mit einem vorbestimmten Spannungsschwellwert vergleichen, z. B. unter Verwendung eines Komparators. Wenn der bestimmte Spannungswert unterhalb des vorbestimmten Spannungsschwellwerts liegt, wird eine Störung in dem Leistungssteuersystem angezeigt und das Leistungssteuersystem wird daraufhin zum Schutz vor Störungen abgeschaltet.
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Zusammenfassung
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Diese Spezifikation beschreibt eine Störungsdetektion in Leistungssteuersystemen mit Steuereinheiten. In einem Aspekt enthält ein Verfahren das Messen einer Vielzahl von Werten einer Rückkopplungsspannung von einem Leistungssteuersystem über eine Zeitdauer; das Ermitteln einer Änderungsrate der Rückkopplungsspannung auf Basis der gemessenen Werte der Rückkopplungsspannung und einer Länge der Zeitdauer; das Feststellen, mit Hilfe einer Steuereinheit, dass die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der Schwellenwert der Änderungsrate; und als Reaktion auf die Feststellung, dass die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der Schwellwert der Änderungsrate, das Übertragen eines Störungsanzeigesignals an das Leistungssteuersystem.
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In einem anderen Aspekt ist eine Steuereinheit dazu konfiguriert, Operationen auszuführen, die das Messen einer Vielzahl von Werten einer Rückkopplungsspannung von einem Leistungssteuersystem über einer Zeitdauer; das Ermitteln einer Änderungsrate der Rückkopplungsspannung auf Basis der gemessenen Werte der Rückkopplungsspannung und einer Länge der Zeitdauer; die Feststellung, mit Hilfe einer Steuereinheit, dass die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der Schwellwert der Änderungsrate; und als Reaktion auf die Feststellung, dass die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der Schwellwert der Änderungsrate, das Übertragen eines Störungsanzeigesignals an das Leistungssteuersystem enthält.
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In einem anderen Aspekt tragen ein oder mehrere nicht-transitorische Speichermedien eine Logik, die so konfiguriert ist, dass sie bei ihrer Ausführung eine Steuereinheit dazu veranlassen, Operationen auszuführen, die das Messen einer Vielzahl von Werten einer Rückkopplungsspannung von einem Leistungssteuersystem über einer Zeitdauer; das Ermitteln einer Änderungsrate der Rückkopplungsspannung auf Basis der gemessenen Werte der Rückkopplungsspannung und einer Länge der Zeitdauer; die Feststellung, dass die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der Schwellwert der Änderungsrate; und als Reaktion auf die Feststellung, dass die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der Schwellwert der Änderungsrate, das Übertragen eines Störungsanzeigesignals an das Leistungssteuersystem enthält.
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Die Einzelheiten von einer oder mehrerer der offenbarten Implementierungen werden in den beigefügten Zeichnungen und der unten stehenden Beschreibung erläutert. Andere Merkmale, Aspekte und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1A ist ein Blockdiagramm eines Beispielsystems, das ein Leistungssteuersystem enthält, das durch eine Steuereinheit gesteuert wird.
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1B ist ein beispielhaftes Zeitdiagramm einer Rückkopplungsspannung in dem Leistungssteuersystem der 1A.
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2A ist ein Diagramm eines DC-DC-Spannungswandlers, der durch einen Mikrocontroller gesteuert wird.
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2B ist ein Diagramm eines AC-DC-Spannungswandlers, der durch einen Mikrocontroller gesteuert wird.
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3 ist ein Flussdiagramm eines Beispielprozesses, der durch die Steuereinheit der 1A, 2A oder 2B ausgeführt wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Systemüberblick
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1A ist ein Blockdiagramm eines Beispielsystems 100, das ein Leistungssteuersystem 102 und eine Steuereinheit 104 enthält. Die Steuereinheit 104 ist mit dem Leistungssteuersystem 102 gekoppelt und dazu eingerichtet, eine Störungsdetektion für das Leistungssteuersystem 102 durchzuführen.
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In manchen Implementierungen enthält das Leistungssteuersystem 102 einen Spannungswandler zur Wandlung von elektrischer Energie von einer Form in eine andere, z. B. einen DC-DC-Wandler, wie er in 2A dargestellt ist, oder einen AC-DC-Wandler, wie er in 2B dargestellt ist. Das Leistungssteuersystem 102 kann eine Eingangsspannung 101 VIN empfangen und eine Ausgangsspannung 103 VOUT ausgeben. Die Eingangsspannung 101 VIN kann durch ein Leistungssystem zur Verfügung gestellt werden, wie z. B. durch eine Gleichspannungsversorgung, wie z. B. eine oder mehrere Batterien, Solarpanele, Gleichrichter und Gleichspannungsgeneratoren, oder durch eine Wechselspannungsversorgung.
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Eine Last kann mit dem Ausgang des Leistungssteuersystems 102 gekoppelt sein, um die Ausgangsspannung 103 VOUT zu empfangen. Die Ausgangsspannung 103 VOUT kann eine Versorgungsspannung für die Last zur Verfügung stellen. Beispiele für die Last können elektrische Schaltungen, z. B. Beleuchtungssysteme, Ladungs- und/oder Entladungsschaltungen, Datenverarbeitungsgeräte oder -systeme, z. B. Smartphones, Tabletcomputer, Fernseher oder PCs, Autobatterien und andere geeignete leistungsgetriebene Geräte oder Systeme beinhalten.
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Wenn das Leistungssteuersystem 102 eingeschaltet wird, kann das Leistungssteuersystem 102 damit beginnen, die Eingangsspannung VIN in die Ausgangsspannung 103 VOUT zu wandeln. In manchen Beispielen enthält das Leistungssteuersystem 102 eine RLC-Schaltung, die einen Widerstand, eine Induktivität und einen Kondensator enthält, die in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind. Die Ausgangsspannung 103 VOUT kann über eine Reaktionszeit variieren, bis sie einen stabilen Wert erreicht hat. Die Ausgangsspannung 103 VOUT kann z. B. eine Spannungsrampe sein, die monoton bis zu einem maximalen Wert über der Reaktionszeit ansteigt. Die Reaktionszeit kann mit einer Zeitkonstante der RLC-Schaltung verknüpft sein. In manchen Fällen kann der Maximalwert der Ausgangsspannung 103 VOUT und die Reaktionszeit auch von den elektrischen Eigenschaften der angeschlossenen Last und/oder der Eingangsspannung 101 VIN abhängen.
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In manchen Implementierungen enthält das System 100 eine Rückkopplungsschleife. Die Rückkopplungsschleife liefert eine Rückkopplungsspannung 105 VFB an die Steuereinheit 104. Die Rückkopplungsspannung 105 VFB kann der Ausgangsspannung 103 VOUT entsprechen oder mit dieser verknüpft sein. Wie in den 2A–2B oder in Gleichung (4) dargestellt ist, kann die Rückkopplungsspannung 105 VFB proportional sein zur Ausgangsspannung 103 VOUT. Die Rückkopplungsspannung 105 VFB kann daher ähnliche Eigenschaften haben wie die Ausgangsspannung 103 VOUT.
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1B ist ein beispielhaftes Zeitdiagramm 150 der Rückkopplungsspannung 105 VFB des Leistungssteuersystems 102. Die Rückkopplungsspannung 105 VFB variiert über der Zeit längs einer Kurve 152, z. B. einer monoton ansteigenden linearen Kurve. Wenn das Leistungssteuersystem 102 zu einem anfänglichen Zeitpunkt T0 eingeschaltet wird, ist die Rückkopplungsspannung 105 VFB gleich V0. Zu einem ersten Zeitpunkt T1 nach dem anfänglichen Zeitpunkt T0 steigt VFB auf V1 an. Zu einem zweiten Zeitpunkt T2 nach dem ersten Zeitpunkt T1 steigt VFB von V1 auf V2 an. Die Rückkopplungsspannung 105 VFB erreicht schließlich einen maximalen und stabilen Wert VMAX am Maximumszeitpunkt TMAX.
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Eine Änderungsrate der Rückkopplungsspannung RATE kann auf Basis der variierenden Kurve 152 berechnet werden. Es sei angenommen, dass die variierende Kurve 152 eine lineare Kurve ist. Die Änderungsrate der Rückkopplungsspannung RATE von T0 bis TMAX kann berechnet werden als: RATE = (VMAX – V0)/(TMAX – T0) (1)
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Die Änderungsrate der Rückkopplungsspannung RATE kann auch auf Basis der Wertänderungen der Rückkopplungsspannung während jedes Zeitintervalls berechnet werden. RATE kann z. B. auf Basis von V1 und V2 während des Zeitintervalls von T1 bis T2 wie folgt berechnet werden: RATE = (V2 – V1)/(T2 – T1) (2)
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In einem anderen Beispiel kann RATE auf Basis von V0 und V1 während des Zeitintervalls an T0 bis T1 wie folgt ermittelt werden: RATE = (V1 – V0)/(T1 – T0) (3).
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Wenn die Rückkopplungsspannung 105 VFB im Wesentlichen linear ansteigt, d. h. wenn die Kurve 152 im Wesentlichen eine lineare Kurve ist, können die Werte von RATE in den Gleichungen (1), (2), (3) im Wesentlichen identisch sein. In manchen Fällen steigt die Rückkopplungsspannung 105 VFB nicht linear an, d. h. die variierende Kurve 152 ist eine nicht-lineare Kurve, so dass die Änderungsrate der Rückkopplungsspannung RATE lokal auf Basis der variierenden Kurve 152 bestimmt werden kann.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 1A ist die Steuereinheit 104 mit dem Leistungssteuersystem 102 über eine Verbindung 107, z. B. eine On-Chip-Verbindung, gekoppelt. Die Steuereinheit 104 kann ein Mikrocontroller (MCU), ein Universalmikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein digitaler Signalprozessor (DSP), ein feldprogrammierbares Gatterarray, oder verschiedene andere alternative Schaltungen sein, die dazu konfiguriert sind, die hier definierten Funktionen auszuführen.
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Die Steuereinheit 104 empfängt die Rückkopplungsspannung 105 VFB von dem Leistungssteuersystem 102. Die Steuereinheit 104 kann dazu programmiert sein, die Werte der empfangenen Rückkopplungsspannung 105 VFB zu überwachen und zu messen, z. B. mit einer Abtastfrequenz. Die Steuereinheit 104 kann feststellen, ob eine Störung in dem Leistungssteuersystem 102 auftritt, auf Basis der gemessenen Rückkopplungsspannungswerte während des Betriebs des Leistungssteuersystems 102.
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In manchen Implementierungen ermittelt die Steuereinheit 104 eine Änderungsrate der Rückkopplung basierend auf gemessenen Werten der Rückkopplungsspannung während eines bestimmten Zeitintervalls. Die Steuereinheit 104 kann z. B. einen ersten Wert der Rückkopplungsspannung zu einem ersten Zeitpunkt messen. Nach der bestimmten Zeitdauer und zu einem zweiten Zeitpunkt misst die Steuereinheit 104 einen zweiten Wert der Rückkopplungsspannung. Die Steuereinheit 104 ermittelt dann die Änderungsrate der Rückkopplungsspannung durch Dividieren einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Wert der Rückkopplungsspannung durch die Dauer des bestimmten Zeitintervalls, z. B. wie in Gleichung 2 dargestellt.
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Nach der Ermittlung der Änderungsrate der Rückkopplungsspannung während der bestimmten Zeitdauer von dem ersten Zeitpunkt zu dem zweiten Zeitpunkt kann die Steuereinheit 104 die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung mit einem Schwellwert der Änderungsrate vergleichen. Der Schellwert der Änderungsrate kann vorbestimmt sein und in der Steuereinheit 114 gespeichert sein.
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Ein Nutzer des Systems 100, z. B. ein Administrator, ein Programmierer oder ein Ingenieur, kann Eigenschaften der elektrischen Schaltung, wie z. B. der oben diskutierten RLC-Schaltung, in dem Leistungssteuersystem 102 und/oder Eigenschaften der Lastschaltung, die mit dem Leistungssteuersystem 102 gekoppelt ist, analysieren. Der Benutzer kann eine variierende Kurve der Rückkopplungsspannung 105 VFB, z. B. die variierende Kurve 152 aus 1B, auf Basis der analysierten Eigenschaften und/oder Formeln schätzen.
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In manchen Fällen stellt der Benutzer fest, dass die variierende Kurve im Wesentlichen linear ist. Der Benutzer kann einen geeigneten maximalen Spannungsänderungswert, z. B. VMAX – V0, und eine Reaktionszeit, z. B. TMAX – T0, ermitteln und den Schwellwert der Änderungsrate, z. B. (VMAX – V0)/(TMAX - T0) wie in Gleichung 1 schätzen. Der Benutzer kann auch einen akzeptablen Bereich für den Schwellwert der Änderungsrate definieren, wie z. B. weniger als 5%.
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In manchen Fällen stellt der Benutzer fest, dass die variierende Kurve nicht linear ist. Der Benutzer kann lokal den Schwellwert der Änderungsrate auf Basis der variierenden Kurve ermitteln. Der Benutzer kann z. B. den Schwellenwert der Änderungsrate während einer bestimmten Zeitdauer von dem ersten Zeitpunkt, z. B. T1 aus 1B, bis zu dem zweiten Zeitpunkt, z. B. T2 aus 1B, auf Basis der variierenden Kurve ermitteln.
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Während der Messung ist die Steuereinheit 104 dazu programmiert, die Rückkopplungsspannung 105 VFB über das gleiche bestimmte Zeitintervall zu messen, d. h. von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt. Die Steuereinheit 104 kann einen ersten Spannungswert an dem ersten Zeitpunkt und einen zweiten Spannungswert an dem zweiten Zeitpunkt messen, und die Änderungsrate der Rückkopplungsspannung auf Basis des gemessenen ersten und des zweiten Wertes an dem ersten bzw. dem zweiten Zeitpunkt berechnen. In manchen Fällen misst die Steuereinheit 104 eine Reihe von Spannungswerten während des Zeitintervalls und berechnet eine mittlere Änderungsrate der Rückkopplungsspannung auf Basis der Reihe von Spannungswerten. Nach der Ermittlung der Änderungsrate der Rückkopplungsspannung auf Basis der Messungen vergleicht die Steuereinheit 104 die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung mit dem lokal ermittelten Schwellenwert der Änderungsrate für das gleiche bestimmte Zeitintervall.
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In manchen Fällen stellt die Steuereinheit 104 fest, dass die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung größer ist als, oder im Wesentlichen gleich ist wie, der Schwellwert der Änderungsrate, d. h. innerhalb der Grenze des Schwellwerts der Änderungsrate liegt. Die Steuereinheit 104 kann feststellen, dass keine Störung in dem Leistungssteuersystem 102 angezeigt wird. In derartigen Fällen fährt die Steuereinheit 104 mit dem Messen der Werte der Rückkopplungsspannung für ein nächstes Zeitintervall, dem Berechnen der Änderungsrate der Rückkopplungsspannung für das nächste Zeitintervall und dem Ermitteln, ob eine Störung als Ergebnis eines Vergleichs der Rate der Rückkopplungsspannung mit dem Schwellwert der Änderungsrate angezeigt wird, fort.
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In manchen Fällen stellt die Steuereinheit 104 fest, dass die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der Schwellwert der Änderungsrate, d. h. unterhalb der Grenze des Schwellenwerts der Änderungsrate liegt. Die Steuereinheit 104 kann feststellen, dass eine Störung in dem Leistungssteuersystem 102 angezeigt wir. Als Reaktion auf die Feststellung, dass die Störung in dem Leistungssteuersystem 102 angezeigt wird, kann die Steuereinheit 104 ein Störungsanzeigesignal an das Leistungssteuersystem 102 übertragen.
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Für eine frühzeitige Störungsdetektion kann die Steuereinheit 104 die Überwachung der Rückkopplungsspannung 105 VFB beginnen, sobald das Leistungssteuersystem zu einem anfänglichen Zeitpunkt eingeschaltet wird, um die Wandlung der Eingangsspannung 101 VIN in die Ausgangsspannung 103 VOUT zu starten. Das heißt, dass die Steuereinheit 104 einen ersten Wert der Rückkopplungsspannung zu einem ersten Zeitpunkt im Wesentlichen in der Nähe des anfänglichen Zeitpunkts oder unmittelbar an dem anfänglichen Zeitpunkt messen kann.
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Die Steuereinheit 104 kann dazu programmiert sein, die Werte der Rückkopplungsspannung über eine bestimmte Zeitdauer T zu messen und eine Änderungsrate der Rückkopplungsspannung zu berechnen. Die bestimmte Zeitdauer T kann deutlich kürzer sein als eine Reaktionszeit, in der die Rückkopplungsspannung 105 VFB einen stabilen Wert erreicht. Das Leistungssteuersystem 102 kann z. B. eine RLC-Schaltung enthalten, die eine Reaktionszeit hat, die einer Zeitkonstante der RLC-Schaltung entspricht. Die bestimmte Zeitdauer T kann deutlich kürzer sein als die Reaktionszeit, z. B. 1% der Reaktionszeit. Die Steuereinheit 104 kann dazu programmiert sein, eine Abtastfrequenz f zu haben, die größer ist als 1/T.
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In einem bestimmten Beispiel nimmt ein Benutzer des Systems 100 an, dass die Rückkopplungsspannung 105 VFB 100 μs benötigt, um von 0 V auf einen maximalen Wert von 1 V zu steigen. Der Benutzer kann einen Schwellwert der Änderungsrate RATETH als 10 mV/μs annehmen. Die Steuereinheit 104 kann dazu programmiert sein, jede Mikrosekunde eine Änderungsrate der Rückkopplungsspannung zu messen, z. B. T = 1% × 100 μs mit einer Abtastfrequenz f > 1 MHz, z. B. f = 10 MHz.
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Die Steuereinheit kann einen ersten Wert V1 zu einem ersten Zeitpunkt und einen zweiten Wert V2 1 μs nach dem zweiten Zeitpunkt messen und feststellen, dass die Änderungsrate der Rückkopplungsspannung (V2 – V1)/μs beträgt. Wenn V2 – V1 < 10 mV, dann ist (V2 – V1)/μs < RATETH und die Steuereinheit 104 stellt fest, dass eine Störung in dem Leistungssteuersystem 102 aufgetreten ist. Wenn V2 – V1 >= 10 mV, dann ist (V2 – V1)/μs >= RATETH und die Steuereinheit 104 stellt fest, dass kein Fehler in dem Leistungssteuersystem 102 aufgetreten ist.
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In manchen Fällen wandelt das Leistungssteuersystem 102 eine höhere Eingangsspannung 101 VIN in eine niedrigere Ausgangsspannung 103 VOUT um. Die Rückkopplungsspannung 105 VFB kann eine monoton abnehmende Kurve darstellen. In einem derartigen Fall kann die Steuereinheit 104 absolute Werte der ermittelten Änderungsrate der Rückkopplungsspannung mit dem Schwellwert der Änderungsrate vergleichen. Wenn die absoluten Werte der ermittelten Änderungsrate der Rückkopplungsspannung im Wesentlichen gleich oder größer ist als der absolute Wert des Schwellwerts der Änderungsrate, dann stellt die Steuereinheit 104 fest, dass kein Fehler angezeigt ist und fährt mit der Störungsdetektion fort. Wenn der Absolutwert der ermittelten Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der Absolutwert des Schwellwerts der Änderungsrate, dann stellt die Steuereinheit 104 fest, dass eine Störung angezeigt wird.
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Das Leistungssteuersystem 102 kann eine Steuerschaltung enthalten, z. B. ein Steuerungs-IC. Die Steuerschaltung ist mit der Steuereinheit 104 gekoppelt, um z. B. eine Rückkopplungsschleife zu bilden. Die Steuerschaltung ist dazu konfiguriert, das Störungsanzeigesignal von der Steuereinheit 104 zu empfangen und das Leistungssteuersystem 102 nach dem Empfang des Störungsanzeigesignals abzuschalten, um Beschädigungen an dem Leistungssteuersystem 102 zu vermeiden.
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In manchen Implementierungen enthält das Leistungssteuersystem 102 einen Schalter, der dazu konfiguriert ist, das Leistungssteuersystem ein- und auszuschalten. Der Schalter kann einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), einen IGBT (insulated-gate bipolar transistor) oder einen Bipolartransistor (BJT, bipolar junction transistor) enthalten. Die Steuerschaltung steuert den Schalter, um das Leistungssteuersystem 102 ein- oder auszuschalten. Die Steuerschaltung kann z. B. den Schalter steuern, um das Leistungssteuersystem 102 einzuschalten, wenn die Eingangsspannung 101 VIN empfangen wird, und um das Leistungssteuersystem 102 auszuschalten, wenn das Störungsanzeigesignal von der Steuereinheit 104 empfangen wird.
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Bestimmte Ausführungsformen des in dieser Spezifikation beschriebenen Gegentands können implementiert werden, um ein und/oder mehrere der folgenden Vorteile zu erzielen. Erstens kann eine Steuereinheit detektieren, ob eine Störung in einem Leistungssteuersystem aufgetreten ist, ohne auf eine lange Reaktionszeit zu warten, d. h. zu einem sehr frühen Stadium des Betriebs des Leistungssteuersystems. Zweitens vergleicht die Steuereinheit eine Änderungsrate der Rückkopplungsspannung mit einem vorbestimmten Schwellwert anstelle eines absoluten Spannungswertes, wodurch die Flexibilität und Genauigkeit der Detektion erhöht werden kann. Drittens kann die Steuereinheit eine Störungsdetektion mit unterschiedlichen Lasten durchführen, die mit dem Leistungssteuersystem gekoppelt sind. Viertens ermöglicht die Steuereinheit eine effektive Störungsdetektion und schützt somit das Leistungssteuersystem, wodurch eine Lebensdauer des Leistungssteuersystems verlängert werden kann. Fünftens kann die Steuereinheit für jedes geeignete leistungsgetriebene Gerät oder System verwendet werden oder in diesem integriert sein, wie z. B. einer elektrischen Schaltung, wie z. B. Beleuchtungssystemen, Lade- und/oder Entladeschaltungen, Analogwandlern, Datenverarbeitungsgeräten oder -systemen, z. B. Smartphones, Tablets, Fernseher, Personal-Computer, Kraftfahrzeugbatteriesysteme, z. B. Batterien in Hybridfahrzeugen.
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Beispielhaftes Leistungssteuersystem
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2A zeigt ein Beispielsystem 200 mit einem DC-DC-Spannungswandler 202, der mit einem Mikrocontroller (MCU) 204 gekoppelt ist. Der MCU 204 ist dazu konfiguriert, festzustellen, ob eine Störung in dem DC-DC-Spannungswandler 202 aufgetreten ist. Das System 200, der DC-DC-Spannungswandler 202 und der MCU 204 sind Beispiele des Systems 100, des Leistungssteuersystems 102 bzw. der Steuereinheit 104 der 1A.
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Der DC-DC-Spannungswandler 202 empfängt eine Eingangsspannung 201 VIN, z. B. von einer Gleichspannungsquelle, wie z. B. einer Batterie, einem Solarpanel, einem Gleichrichter und einem Gleichspannungsgenerator, und gibt eine Ausgangsspannung 203 VOUT aus. In manchen Beispielen ist der DC-DC-Spannungswandler 202 ein Boost-Wandler oder ein Aufwärtswandler mit einer Ausgangsspannung VOUT, die größer ist als die Eingangsspannung VIN.
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Der DC-DC-Spannungswandler 202 enthält einen oder mehrere Energiespeicherelemente, z. B. eine Spule 210 L1 und einen Kondensator 216 C1. Der Kondensator 216 C1 ist mit dem Ausgang des Spannungswandlers 202 verbunden, um z. B. auch als Filter zur Reduktion von Spannungsschwankungen auf der Ausgangsspannung 203 VOUT zu fungieren. Der Kondensator 216 C1 kann geerdet sein. Eine Diode 212 ist zwischen die Spule 210 L1 und den Kondensator 216 C1 geschaltet.
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Der DC-DC-Spannungswandler 202 enthält ein Steuer-IC 206 und einen Transistor 208. Der Transistor 208 arbeitet im Betrieb des Spannungswandlers 202 als Schalter. Der Transistor 208 kann ein MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor), ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor) oder ein BJT (bipolar junction transistor) sein. Ein Drain-Anschluss des Transistors 208 ist zwischen die Spule 210 und die Diode 212 geschaltet. Ein Source-Anschluss des Transistors 208 ist über einen Widerstand 211 R0 mit Masse verbunden. Das Steuer-IC 206 ist mit einem Gate-Anschluss des Transistors 208 verbunden. Das Steuer-IC 206 steuert den Transistor 208, um den Spannungswandler 202 ein- und auszuschalten.
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Eine Reihe von Widerständen 213 R1 und 214 R2 sind mit dem Ausgang 203 des Spannungswandlers 202 verbunden. Der Widerstand 214 R2 ist zwischen die Diode 212 und den Ausgang 203 geschaltet, der die gleiche Spannung hat wie VOUT, und der Widerstand 213 R1 ist geerdet. Der Spannungswandler 202 enthält einen Rückkopplungsknoten 205 zwischen dem Widerstand 213 R1 und dem Widerstand 214 R2, um eine Rückkopplungsspannung VFB zu liefern. Die Rückkopplungsspannung 205 VFB ist mit der Ausgangsspannung 204 VOUT wie folgt verknüpft: VFB = VOUT × R1/(R1 + R2) (4)
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In manchen Fällen tritt eine Störung auf, wenn der Rückkopplungsknoten 205 mit Masse kurzgeschlossen wird, d. h. VFB = 0. In manchen Fällen tritt eine Störung auf, wenn der Ausgang 203 mit Masse kurzgeschlossen wird, d. h. VOUT = 0, wenn der Spannungswandler 202 sich in einer Fabrik befindet. In manchen Fällen tritt eine Störung auf, wenn die Ausgangsspannung 203 VOUT an einem bestimmten Spannungspegel hängt, z. B. wenn der Ausgang 203 mit einer an dem Ausgang 203 angeschlossenen Last so überlastet wird, dass die Ausgangsspannung 203 den bestimmten Spannungspegel annimmt und nicht steigt oder fällt. Wenn die Störung in dem Spannungswandler 202 auftritt, kann der Transistor 208 eingeschaltet bleiben oder einen großen Strom erfahren. Der Transistor 208 kann irgendwann durchbrennen und der Spannungswandler 202 kann beschädigt werden.
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Um Störungen in dem DC-DC-Spannungswandler 202 zu detektieren und zu vermeiden, enthält das System 200 eine Rückkopplungsschleife mit dem MCU 204, der mit dem Spannungswandler 202 gekoppelt ist. Der MCU 204 kann mit dem Rückkopplungsknoten 205 gekoppelt sein, um die Rückkopplungsspannung 205 VFB zu empfangen, und über eine Verbindung 207 mit dem Steuer-IC 206 rückgekoppelt sein, z. B. über eine On-Chip-Verbindung. Der MCU 204 überwacht die Rückkopplungsspannung 205 VFB und stellt fest, ob eine Störung in dem Spannungswandler 202 auftritt.
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Der MCU 204 kann einen Speicher enthalten, um einen Schwellwert für eine Änderungsrate der Rückkopplungsspannung des Spannungswandlers 202 zu speichern. Wie oben bemerkt wurde, kann der Schwellwert der Änderungsrate auf Basis der Eigenschaften des Spannungswandlers 202 und/oder der Eigenschaften einer mit dem Spannungswandler 202 gekoppelten Last ermittelt werden. Eine variierende Kurve der Rückkopplungsspannung 205 VFB über einer Reaktionszeit kann auch auf Basis der Eigenschaften ermittelt oder geschätzt werden.
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Der Spannungswandler 202 kann z. B. eine RLC-Schaltung enthalten, die die Spule 210 L1, den Spulenkondensator 216 C1, den Widerstand 212 R1 und den Widerstand 214 R2 enthält. Ein Maximalwert der Rückkopplungsspannung 205 VFB und eine Reaktionszeit des Spannungswandlers 202 können mit einer Zeitkonstante der RLC-Schaltung verknüpft sein. Eine bestimmte Zeitdauer, in der der MCU 204 eine Änderungsrate der Rückkopplungsspannung während der Messungen ermittelt, kann ebenfalls auf Basis der Reaktionszeit festgelegt werden und in der MCU 204 gespeichert werden. Die bestimmte Zeitdauer ist deutlich kürzer als die Reaktionszeit. Eine Abtastfrequenz kann ebenfalls z. B. auf Basis der festgelegten bestimmten Zeitdauer ermittelt werden und in dem MCU 204 gespeichert werden.
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Wenn im Betrieb der Spannungswandler 202 eingeschaltet wird, z. B. durch das Steuer-IC 206, beginnt der MCU 204 mit der Überwachung der Rückkopplungsspannung 205 VFB und misst eine Reihe von Werten der Rückkopplungsspannung 205 VFB über der gespeicherten bestimmten Zeitdauer mit der gespeicherten Abtastfrequenz. Auf Basis der gemessenen Rückkopplungsspannungswerte und der Dauer der bestimmten Zeitdauer ermittelt der MCU 204 eine Änderungsrate der Rückkopplungsspannung und vergleicht die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung mit dem gespeicherten Schwellwert der Änderungsrate.
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Wenn der MCU 204 feststellt, dass die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung im Wesentlichen gleich ist wie, oder größer ist als, der gespeicherte Schwellwert der Änderungsrate, dann fährt der MCU 204 mit dem Messen der Werte der Rückkopplungsspannung fort und prüft, ob eine Störung angezeigt wird. Wenn der MCU 204 feststellt, dass die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der gespeicherte Schwellwert der Änderungsrate, dann stellt der MCU fest, dass eine Störung angezeigt wird und überträgt ein Störungsanzeigesignal an den Steuer-IC 206. Nach Empfang des Störungsanzeigesignals ergreift das Steuer-IC 206 Maßnahmen, um den Spannungswandler 202 zu schützen, z. B. durch Außerbetriebsetzung des Transistors 208, um den Spannungswandler 202 abzuschalten.
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2B zeigt ein weiteres Beispielsystem 250 mit einem AC-DC-Spannungswandler 252, der durch einen Mikrocontroller (MCU) 254 gesteuert wird. Der AC-DC-Spannungswandler 252 wandelt eine Eingangswechselspannung 251 VIN, z. B. von einer Wechselspannungsquelle, in eine Ausgangsgleichspannung 253 VOUT um. Der MCU 254, z. B. der MCU 204 aus 2A, ist dazu konfiguriert, eine effektive Störungsdetektion für den AC-DC-Spannungswandler 252 durchzuführen.
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Die Konfiguration des AC-DC-Spannungswandlers 252 ist ähnlich der Konfiguration des DC-DC-Spannungswandlers 202 aus 2A, mit Ausnahme, dass der A-DC-Spannungswandler 252 einen Transformator 260 anstelle der Spule 210 L1 der 2B enthält. Der Transformator 260 wandelt die Eingangswechselspannung 251 in eine Gleichspannung und ist mit einem Transistor 258, z. B. dem Transistor 208 aus 2A, und einer Diode 262 verbunden.
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Ein Steuer-IC 256, z. B. das Steuer-IC 206 aus 2A, ist mit dem Transistor 258 verbunden, um das Ein- und Ausschalten des Transistors 258 zu steuern. Der Transistor 258 ist mit einem Widerstand 261 R3 verbunden, der geerdet ist. Eine Reihe von Widerständen 263 R4 und 264 R5 sind mit dem Ausgang 253 des Spannungswandlers 252 verbunden. Der Widerstand 164 R5 ist zwischen die Diode 262 und den Ausgang 253 geschaltet, der die gleiche Spannung hat wie VOUT, und der Widerstand 263 R4 ist geerdet. Der Spannungswandler 252 enthält einen Rückkopplungsknoten 255 zwischen dem Widerstand 263 R4 und dem Widerstand 264 R5, um eine Rückkopplungsspannung VFB zur Verfügung zu stellen.
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Um Störungen in dem AC-DC-Spannungswandler 252 zu detektieren und zu verhindern, enthält das System 250 eine Rückkopplungsschleife mit dem MCU 254, der mit dem Spannungswandler 252 gekoppelt ist. Der MCU 254 kann mit dem Rückkopplungsknoten 255 verbunden sein, um die Rückkopplungsspannung 255 VFB zu empfangen, und mit dem Steuer-IC 256 über eine Verbindung 257 rückgekoppelt sein, z. B. über eine On-Chip-Verbindung. Der MCU 254 überwacht die Rückkopplungsspannung 255 VFB und stellt fest, ob eine Störung in dem Spannungswandler 252 aufgetreten ist, indem eine gemessene Änderungsrate der Rückkopplungsspannung mit einem gespeicherten Schwellwert der Änderungsrate verglichen wird, wie dies obenstehend für den MCU 204 in 2A diskutiert wurde. Wenn eine Störung auftritt, überträgt der MCU 254 ein Störungsanzeigesignal an den Steuer-IC 256, und der Steuer-IC 256 setzt den Transistor 258 außer Betrieb, um den Spannungswandler 252 auszuschalten.
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Beispielhaftes Flussdiagramm
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3 ist ein Flussdiagramm eines Beispielprozesses 300, der durch eine Steuereinheit ausgeführt wird, z. B. die Steuereinheit 104 aus 1A, den Mikrocontroller 204 aus 2A oder den Mikrocontroller 254 aus 2B. Der Wandler führt eine Störungsdetektion für ein Leistungssteuersystem durch, wie z. B. das Leistungssteuersystem 102 aus 1A, den DC-DC-Spannungswandler 202 aus 2A oder den AC-DC-Spannungswandler 252 aus 2B.
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Die Steuereinheit misst eine Vielzahl von Werten einer Rückkopplungsspannung des Leistungssteuersystems über einer Zeitdauer (302). Die Steuereinheit kann mit der Überwachung der Rückkopplungsspannung beginnen, wenn das Leistungssteuersystem zu einem anfänglichen Zeitpunkt eingeschaltet wird. Ein Anfangszeitpunkt der Zeitdauer kann im Wesentlichen nahe dem anfänglichen Zeitpunkt liegen, so dass die Steuereinheit eine Störung in dem Leistungssteuersystem in einem sehr frühen Stadium des Betriebs des Leistungssteuersystems feststellen kann.
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Die Zeitdauer kann auf Basis von Eigenschaften des Leistungssteuersystems und/oder von Eigenschaften einer mit dem Leistungssteuersystem gekoppelten Last vorab festgelegt werden, z. B. durch einen Benutzer des Leistungssteuersystems. Der Benutzer kann eine Reaktionszeit, in der die Rückkopplungsspannung einen stabilen Wert, z. B. einen Maximalwert, erreicht, abschätzen und die Zeitdauer so festlegen, dass sie deutlich kürzer ist als die Reaktionszeit. Die Zeitdauer kann in der Steuereinheit gespeichert werden. Eine Abtastfrequenz der Steuereinheit kann ebenfalls festgelegt werden, z. B. auf Basis der Zeitdauer, und in der Steuereinheit gespeichert werden.
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Die Steuereinheit ermittelt eine Änderungsrate der Rückkopplungsspannung auf Basis der gemessenen Werte und einer Länge der Zeitdauer (304). In manchen Fällen misst die Steuereinheit einen ersten Wert der Rückkopplungsspannung zu einem ersten Zeitpunkt. Nach der Zeitdauer und zu einem zweiten Zeitpunkt misst die Steuereinheit einen zweiten Wert der Rückkopplungsspannung. Die Steuereinheit berechnet eine Änderungsrate der Rückkopplungsspannung durch Dividieren einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Wert durch die Länge der Zeitdauer. In manchen Fällen misst die Steuereinheit eine Vielzahl von Werten und berechnet eine mittlere Änderungsrate der Rückkopplungsspannung für die Zeitdauer.
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Die Steuereinheit vergleicht die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung mit einem Schwellwert der Änderungsrate (306). Wie oben bemerkt wurde, kann der Benutzer eine variierende Kurve für die Rückkopplungsspannung auf Basis der Eigenschaften des Leistungssteuersystems und/oder der mit dem Leistungssteuersystem gekoppelten Last schätzen.
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Der Benutzer kann den Schwellwert der Änderungsrate auf Basis des Maximalwerts der Rückkopplungsspannung und der Reaktionszeit schätzen. In manchen Beispielen kann der Benutzer auch eine Grenze für den Schwellwert der Änderungsrate festlegen. Der geschätzte Schwellwert der Änderungsrate und/oder der Spielraum kann in der Steuereinheit vor der Verwendung gespeichert werden.
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Die Steuereinheit stellt fest, ob die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der gespeicherte Schwellwert der Änderungsrate (308). Wenn die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung nicht kleiner ist als der gespeicherte Schwellwert der Änderungsrate, d. h. im Wesentlichen gleich ist wie, oder größer ist als, dieser Wert, dann stellt die Steuereinheit fest, dass keine Störung aufgetreten ist und fährt mit der Störungsdetektion fort, d. h. der Prozess 300 kehrt zum Schritt 302 zurück.
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Wenn die ermittelte Änderungsrate der Rückkopplungsspannung kleiner ist als der gespeicherte Schwellwert der Änderungsrate, dann stellt die Steuereinheit fest, dass eine Störung aufgetreten ist. Die Steuereinheit überträgt ein Störungsanzeigesignal an das Leistungssteuersystem (310).
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In manchen Implementierungen enthält das Leistungssteuersystem eine Steuerschaltung, z. B. das Steuer-IC 206 aus 2A oder das Steuer-IC 256 aus 2B. Die Steuerschaltung empfängt das Störungsanzeigesignal und schaltet das Leistungssteuersystem zum Schutz vor Störungen ab. Das Leistungssteuersystem kann einen Schalter, z. B. den Transistor 208 aus 2A oder den Transistor 258 aus 2B, enthalten. Die Steuerschaltung kann den Schalter steuern, indem z. B. der Schalter außer Betrieb gesetzt wird, um das Leistungssteuersystem auszuschalten, um das Leistungssteuersystem zu schützen.
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Die hier in dieser Spezifikation beschriebenen Prozesse und logischen Abläufe können durch einen oder durch mehrere programmierbare Computer ausgeführt werden, die ein oder mehrere Computerprogramme ausführen, um Funktionen auszuführen, indem Eingangsdaten verarbeitet und Ausgangsdaten erzeugt werden. Die Prozesse und logischen Abläufe können auch ausgeführt werden durch, und die Vorrichtungen können auch implementiert werden als, logische Spezialschaltungen, z. B. durch ein FPGA (field programmable gate array) oder ein ASIC (application-specific integrated circuit).
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Computer, die für die Ausführung eines Computerprogramms geeignet sind, können z. B. Mikrocontroller oder Universal- oder Spezial-Mikroprozessoren, oder beides, oder eine andere Art von Zentralverarbeitungseinheiten enthalten. Eine Zentralverarbeitungseinheit wird im Allgemeinen Anweisungen und Daten von einem Nur-Lesespeicher oder einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff oder beidem empfangen. Die essentiellen Elemente eines Computers sind die Zentralverarbeitungseinheit zur Durchführung oder Ausführung von Anweisungen und ein oder mehrere Speichergeräte zur Speicherung von Anweisungen.
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Obgleich diese Spezifikation viele spezifische Implementierungseinzelheiten enthält, sollten diese nicht als Beschränkung für den Umfang einer Erfindung oder den Umfang des zu beanspruchenden Gegenstands ausgelegt werden, sondern als Beschreibung von Merkmalen, die bestimmten Ausführungsformen bestimmter Erfindungen zu Eigen sein können. Bestimmte Merkmale, die in dieser Spezifikation im Zusammenhang mit getrennten Ausführungsformen beschrieben wurden, können auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform implementiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben wurden, auch in mehreren Ausführungsformen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden. Obwohl darüber hinaus Merkmale als in bestimmten Kombinationen zusammenwirkend beschrieben wurden und sogar anfänglich solcherart beansprucht wurden, können ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in manchen Fällen aus der Kombination herausgelöst werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder eine Variation einer Unterkombination gerichtet werden.
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Während in ähnlicher Weise Operationen in den Zeichnungen in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, sollte dies nicht als Erfordernis verstanden werden, dass die Operationen in dieser bestimmten Reihenfolge oder der Reihe nach ausgeführt werden müssen, oder dass alle dargestellten Operationen ausgeführt werden müssen, um wünschenswerte Ergebnisse zu erzielen. Unter bestimmten Umständen können ein Multitasking und eine Parallelverarbeitung von Vorteil sein. Die Trennung von verschiedenen Systemmodulen und Komponenten in den oben beschriebenen Ausführungsformen sollte nicht so verstanden werden, dass eine derartige Trennung in allen Ausführungsformen erforderlich ist, und es versteht sich, dass die beschriebenen Programmkomponenten und -systeme im Allgemeinen miteinander in einem einzigen Softwareprodukt integriert werden können oder auf mehrere Softwareprodukte aufgeteilt werden können.
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Bestimmte Ausführungsformen des Gegenstands wurden somit beschrieben. Andere Ausführungsformen liegen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche. Der Gegenstand ist z. B. im Zusammenhang mit wissenschaftlichen Veröffentlichungen beschrieben worden. Der Gegenstand kann auf andere indizierte Arbeiten angewendet werden, die einer Suche Tiefe verleihen. In manchen Fällen können die in den Ansprüchen zitierten Aktionen in einer unterschiedlichen Reihenfolge ausgeführt werden und dennoch wünschenswerte Ergebnisse erzielen. Zusätzlich erfordern die in den beigefügten Figuren dargestellten Prozesse nicht notwendigerweise die konkret dargestellte Reihenfolge, um wünschenswerte Ergebnisse zu erzielen. In bestimmten Ausführungsformen kann Multitasking und eine Parallelverarbeitung von Vorteil sein.
