DE102016112562B4

DE102016112562B4 - Eingangsspannungsdetektion für einen wandler

Info

Publication number: DE102016112562B4
Application number: DE102016112562.8A
Authority: DE
Inventors: Marcus Schaemann; Ali Fawaz; Robert Pizzuti
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2036-07-09
Also published as: US20170012537A1; DE102016112562A1; CN106341046A; US10250144B2; CN106341046B

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Wandlers, der einen Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite umfasst, wobei der Transformator außerdem ein Schaltelement umfasst, das zum Übertragen von Energie von der Primärseite an die Sekundärseite verwendet wird, wobei das Verfahren umfasst:- Bestimmen eines ersten Spannungsabfalls über der Primärseite des Transformators,- Bestimmen eines zweiten Spannungsabfalls über mindestens einer Komponente der Primärseite des Wandlers, und- Bestimmen einer Eingangsspannung an dem Wandler auf der Grundlage des ersten und des zweiten Spannungsabfalls,- das ferner das Bestimmen der Eingangsspannung umfasst, wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, wobei die Eingangsspannung basiert auf:- dem ersten Spannungsabfall über der Primärseite des Transformators, wobei der erste Spannungsabfall durch einen Spannungsabfall über einer Hilfswicklung des Transformators bestimmt wird,- dem Spannungsabfall über einen Abtastwiderstand,- dem Abtastwiderstand und/oder- einem Widerstand des Schaltelements.- wobei die Eingangsspannung gemäß der Formeloder gemäß der Formelbestimmt wird, wobeiVin die Eingangsspannung ist,Vpri die Spannung an der Primärseite des Transformators ist,VCS der Spannungsabfall über dem Abtastwiderstand ist,R2 der Abtastwiderstand ist, undRDSon der Widerstand des Schaltelements ist,Rrf der Widerstand eines Gleichrichters, eines Filters und angeschlossener Leitungen ist.

Description

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine Eingangsspannungsdetektion für einen Wandler.
Aus US 2015/0155787 A1 ist eine Steuerung für ein Schaltnetzteil bekannt, das einen integrierten Schaltkreis mit einem multifunktionalen Anschluss aufweist.
Aus DE 20 2011 052 153 U1 ist eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung bekannt.
Eine Aufgabe besteht insbesondere darin, die Eingangssignaldetektion eines Wandlers zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Diese hierin vorgeschlagenen Beispiele können insbesondere auf zumindest einer der nachfolgenden Lösungen basieren. Insbesondere können Kombinationen der nachfolgenden Merkmale eingesetzt werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erreichen. Die Merkmale des Verfahrens können mit (einem) beliebigen Merkmal(en) der Vorrichtung, des Geräts oder Systems oder umgekehrt kombiniert werden.
Es wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Betreiben eines Wandlers, der einen Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite umfasst, wobei der Transformator außerdem ein Schaltelement umfasst, das zum Übertragen von Energie von der Primärseite an die Sekundärseite verwendet wird, wobei das Verfahren umfasst:

- Bestimmen eines ersten Spannungsabfalls über der Primärseite des Transformators,
- Bestimmen eines zweiten Spannungsabfalls über mindestens einer Komponente der Primärseite des Wandlers, und
- Bestimmen einer Eingangsspannung an dem Wandler auf der Grundlage des ersten und des zweiten Spannungsabfalls,
- das ferner das Bestimmen der Eingangsspannung umfasst, wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, wobei die Eingangsspannung basiert auf:
- - dem ersten Spannungsabfall über der Primärseite des Transformators, wobei der erste Spannungsabfall durch einen Spannungsabfall über einer Hilfswicklung des Transformators bestimmt wird,
- - dem Spannungsabfall über einen Abtastwiderstand,
- - dem Abtastwiderstand und/oder
- - einem Widerstand des Schaltelements.
- wobei die Eingangsspannung gemäß der Formel

Vin = Vpri + VCS* (RDSon + R2) / R2

Vin = Vpri + VCS* (Rrf + RDSon + R2) / R2

Vin: die Eingangsspannung ist,
Vpri: die Spannung an der Primärseite des Transformators ist,
VCS: der Spannungsabfall über dem Abtastwiderstand ist,
R2: der Abtastwiderstand ist, und
RDSon: der Widerstand des Schaltelements ist,
Rrf: der Widerstand eines Gleichrichters, eines Filters und angeschlossener Leitungen ist.

Daher kann ein (Spitzen-)Strom mithilfe von Spannungsabfällen über Komponenten des Wandlers bestimmt werden. Daher kann die gemessene Eingangsspannung (z.B. durch Verwenden der Primärwicklungsspannung) mit dem gemessenen Strom kombiniert werden, um Spannungsabfälle zu kompensieren, die von Widerständen entlang des Systems herrühren, z.B. über dem Eingangsfilter, den Leitungen, dem Shuntwiderstand (Shuntwiderständen) und dem (den) Schaltelement(en). Dies gestaltet die Eingangsspannungsmessung genauer und ermöglicht ein Abtasten von z.B. einem Spannungsabfallschwellenwert unabhängig(er) von Betriebsbedingungen.
Ein Vorteil besteht darin, dass die Eingangsspannung auf der Grundlage verschiedener Ausgangslastbedingungen bestimmt werden kann. Daher kann eine Impedanz eines EMI-Filters (Elektromagnetische Interferenz), die von dem Eingangsstrom abhängt, derart kompensiert werden, dass Schwellenwerte in verschiedenen Modi passen können.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Eingangsspannung verwendet wird, um einen Eingangsspannungsabfall unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts zu bestimmen.
In einer Ausführungsform ist der Wandler ein Sperrwandler.
Es ist zu beachten, dass die vorgestellten Beispiele angewendet werden können, aber nicht auf Sperrwandler beschränkt sind. Zum Beispiel kann der hier beschriebene Ansatz auch z.B. in Bezug auf Abwärtswandler, Aufwärtswandler oder eine beliebige andere Wandlertopologie, verwendet werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Bestimmen des ersten Spannungsabfalls ein Bestimmen eines Spannungsabfalls über der Primärseite des Transformators auf der Grundlage eines Spannungsabfalls über einer Hilfswicklung des Transformators umfasst.
Es ist eine Weiterbildung, dass der zweite Spannungsabfall umfasst:

- einen Spannungsabfall über einem Eingangsfilter des Wandlers,
- einen Spannungsabfall über einem Gleichrichter,
- einen Spannungsabfall über einem Abtastwiderstand,
- einen Spannungsabfall über dem Schaltelement,
- einen Spannungsabfall über einer Leitung,
- einen Spannungsabfall über einer Verbindung.

In einer Ausführungsform umfasst das Schaltelement mindestens einen der Folgenden: einen Transistor, einen Bipolartransistor, einen MOSFET, einen JFET, einen IGBT.
In einer Ausführungsform wird der jeweilige Spannungsabfall auf der Grundlage des Widerstandswerts der entsprechenden Komponente bestimmt.
Es ist eine Weiterbildung, dass der erste Spannungsabfall auf der Grundlage eines Widerstandswerts der Primärseite des Transformators bestimmt wird und wobei der zweite Spannungsabfall auf der Grundlage eines Widerstandswerts der mindestens einen Komponente bestimmt wird.
In einer Ausführungsform wird die Eingangsspannung zum Betreiben des Schaltelements verwendet.
Daher kann die bestimmte Eingangsspannung zum Betreiben des Schaltelements, z.B. eines Gates eines MOSFET, verwendet werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner:

- Umwandeln der Eingangsspannung in ein digitales Signal,
- Anpassen eines Verstärkungsgrads der Eingangsspannung, bevor sie in das digitale Signal umgewandelt wird.

Weiterhin wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung umfasst:

- einen Transformator,
- ein Schaltelement zum Übertragen von Energie von einer Primärseite des Transformators an eine Sekundärseite des Transformators,
- eine Steuereinheit, die eingerichtet ist zum
- - Bestimmen eines Spannungsabfalls über der Primärseite des Transformators,
- - Bestimmen von mindestens einem zusätzlichen Spannungsabfall über mindestens einer Komponente der Primärseite,
- - Bestimmen einer Eingangsspannung auf der Grundlage der Spannungsabfälle,
- wobei die Eingangsspannung bestimmt wird, wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, wobei die Eingangsspannung basiert auf:
- - dem ersten Spannungsabfall über der Primärseite des Transformators, wobei der erste Spannungsabfall durch einen Spannungsabfall über einer Hilfswicklung des Transformators bestimmt wird,
- - dem Spannungsabfall über einen Abtastwiderstand,
- - dem Abtastwiderstand und/oder
- - einem Widerstand des Schaltelements.
- wobei die Eingangsspannung gemäß der Formel $Vin = Vpri + VCS* (RDSon + R2) / R2$
oder gemäß der Formel $Vin = Vpri + VCS* (Rrf + RDSon + R2) / R2$
bestimmt wird, wobei

Vin

die Eingangsspannung ist,

Vpri

die Spannung an der Primärseite des Transformators ist,

VCS

der Spannungsabfall über dem Abtastwiderstand ist,

R2

der Abtastwiderstand ist, und

RDSon

der Widerstand des Schaltelements ist,

Rrf

der Widerstand eines Gleichrichters, eines Filters und angeschlossener Leitungen ist.

In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung ein Wandler, insbesondere ein Sperrwandler.
In einer Ausführungsform umfasst der Transformator eine Hilfswicklung, wobei der Spannungsabfall über der Primärseite des Transformators mithilfe eines Spannungsabfalls über der Hilfswicklung bestimmt wird.
In einer Ausführungsform ist die Komponente mindestens eines der Folgenden:

- ein Gleichrichter des Wandlers,
- ein Eingangsfilter des Wandlers,
- ein Gleichrichter,
- ein Abtastwiderstand,
- das Schaltelement,
- eine Leitung,
- eine Verbindung.

In einer Ausführungsform wird der jeweilige Spannungsabfall auf der Grundlage des Widerstandswerts der entsprechenden Komponente bestimmt.
Es ist eine Weiterbildung, dass der erste Spannungsabfall auf der Grundlage eines Widerstandswerts der Primärseite des Transformators bestimmt wird und wobei der zweite Spannungsabfall auf der Grundlage eines Widerstandswerts der mindestens einen Komponente bestimmt wird.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner:

- einen Verstärker zum Anpassen eines Verstärkungsgrads der Eingangsspannung,
- einen Analog-Digital-Wandler, der mit dem Verstärker verbunden ist,
- wobei (optional) der Analog-Digital-Wandler zum Umwandeln der angepassten Eingangsspannung in ein digitales Signal eingerichtet ist.

In einer Ausführungsform wird die Vorrichtung zum Betreiben einer Last, insbesondere einer Leuchtvorrichtung, verwendet. Die Leuchtvorrichtung kann insbesondere ein Halbleiterleuchtelement, z.B. eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode, umfassen.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung ein Netzteil, insbesondere ein Teil eines Netzteils zum Betreiben einer Last.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung eine Batterieladeeinrichtung (ein Batterieladegerät).
Ferner wird eine Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Leistung an eine Last vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Transformator, ein Schaltelement zum Übertragen von Energie von einer Primärseite des Transformators an eine Sekundärseite des Transformators, und

- Mittel zum Bestimmen eines Spannungsabfalls über der Primärseite des Transformators;
- Mittel zum Bestimmen von mindestens einem zusätzlichen Spannungsabfall über mindestens einer Komponente an der Primärseite;
- Mittel zum Bestimmen einer Eingangsspannung mithilfe der Spannungsabfälle.

Außerdem wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung geladen werden kann und das Softwarecodeabschnitte zum Durchführen der Schritte des hier beschriebenen Verfahrens umfasst.
Ausführungsformen betreffen eine Eingangsspannungsdetektion für einen Wandler, z.B. einen Sperrwandler. Insbesondere wird eine Genauigkeit der Eingangsspannungsdetektion im Vergleich mit bekannten Lösungen verbessert.
Ausführungsformen werden gezeigt und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt. Die Zeichnungen dienen zur Darstellung der Grundprinzipien, so dass lediglich Aspekte, die zum Verstehen des Grundprinzips erforderlich sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. In den Zeichnungen kennzeichnen dieselben Referenzzeichen gleiche Merkmale.

1 zeigt eine schematische Schaltung eines Beispiel für einen Sperrwandler; und
2 zeigt die PWM-Steuerung von 1 mit ihrem ZCD-Anschluss, der mit einem Verstärker verbunden ist, wobei eine Verstärkung des Verstärkers angepasst werden kann und die Ausgabe dieses Verstärkers in einen Analog-Digital-Wandler (ADC) eingegeben wird, der ein digitales Signal der vordefinierten Auflösung bereitstellt.

Eine Steuereinheit für ein Netzteil erfordert üblicherweise ein Messen der Netzteileingangsspannung. Das Netzteil kann ein Schaltnetzteil sein, das einen Wandler mit mindestens einem elektronischen Schaltelement, z.B. einem Transistor, umfasst, das durch die Steuereinheit, z.B. eine PWM-Steuerung (PWM: Pulsweitenmodulation) gesteuert wird. Die Steuereinheit kann verwendet werden, um elektrische Energie von einer Primärseite an eine Sekundärseite eines Transformators zu übertragen, wobei der Schalter auf der Primärseite angeordnet sein kann. Der Wandler kann einen Abwärtswandler und/oder einen Aufwärtswandler umfassen. Das Netzteil kann zu Dimmzwecken im Hinblick auf Beleuchtungsanwendungen verwendet werden. Jedoch können Beispiele, die hier vorgestellt werden, auch in Kombination mit (Leistungs-)Wandlern eines beliebigen Typs verwendet werden.
Die Information über die Eingangsspannung kann zu verschiedenen Steuerzwecken, z.B. zur Regelung und Detektion von Über- und Unterspannung, verwendet werden. Die Genauigkeit einer derartigen Messung nimmt einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems und die Genauigkeit von z.B. Spannungsabfallschwellenwerten (Brownout-Schwellenwerten).
Ein Schaltnetzteil bezieht nicht einfach einen konstanten Strom von der Eingabe, sondern bezieht stattdessen den Strom auf eine gepulste Weise. Daher kann der Spitzeneingangsstrom viel höher sein als ein mittlerer Eingangsstrom. Aufgrund von Induktivitäten in dem Eingangsfilter kann die gleichgerichtete Eingangsspannung auch höher sein als die tatsächliche Eingangsspannung.
Je nach einer Eingangsfilterausgestaltung und/oder einem Widerstand einer Leitung kann ein wesentlicher Spannungsabfall vorliegen, der durch hohe Strom- oder Spannungsanstiege verursacht wird, welche durch die Eingangsfilterinduktivität veranlasst werden. Die an einer Primärwicklung (nach dem Widerstand des Eingangsfilters und der Leitung) des Transformators gemessene Spannung spiegelt daher die Eingangsspannung nicht korrekt wider.
In einem Beispiel kann die gemessene Eingangsspannung (z.B. durch Verwenden der Primärwicklungsspannung) mit einem gemessenen Strom kombiniert werden, um Spannungsänderungen zu kompensieren, die von Widerständen und Induktivitäten entlang des Systems, z.B. über dem Eingangsfilter, den Leitungen, dem Shuntwiderstand (Shuntwiderständen) und dem Schaltelement(en), herrühren. Dies bewirkt, dass die Eingangsspannungsmessung genauer ist, und ermöglicht ein Abtasten z.B. eines Spannungsabfallschwellenwerts unabhängig(er) von Betriebsbedingungen.
1 zeigt eine schematische Schaltung eines Sperrwandlers, der einen n-Kanal-MOSFET Q1 als ein Beispiel eines elektronischen Schalters und eine PWM-Steuerung 105 aufweist, die eine Nulldurchgangsdetektion (Zero Crossing Detection), einen PWM-Generator und eine Stromabtasteinheit umfasst. Die Nulldurchgangsdetektion empfängt ein Signal über einen Anschluss ZCD, der PWM-Generator steuert das Gate des MOSFET Q1 über einen Anschluss GD (Gatetreiber) und die Stromabtasteinheit empfängt ein Signal über einen Anschluss CS.
Außerdem ist ein Transformator vorgesehen, der eine Primärwicklung 106, eine Sekundärwicklung 107 und eine Hilfswicklung 108 umfasst. Es ist zu beachten, dass die Primärwicklung 106, die Sekundärwicklung 107 und die Hilfswicklung 108 jeweils eine oder mehrere Wicklungen umfassen können. Es kann ein vorgegebenes Verhältnis von Windungen zwischen der Primärwicklung 106 und der Hilfswicklung 108 vorliegen, so dass ein Teil der Spannung über der Primärwindung 106 über der Hilfswicklung 108 detektiert werden kann.
Eine Eingangswechselspannung V_in (z.B. 85 VAC bis 305 VAC) kann mit Anschlüssen 101 und 102 verbunden sein. Das Eingangswechselsignal V_in wird dann durch einen Gleichrichter 103 (der ein Eingangsfilter umfassen kann) verarbeitet und ein durch den Gleichrichter 103 ausgegebenes Gleichsignal wird an einen Knoten 104 übertragen. Der Knoten 104 ist über einen Kondensator C1 mit einem Knoten 109 verbunden und der Knoten 109 ist über eine Diode D2 mit einem Knoten 110 verbunden. Die Kathode der Diode D2 ist zum Knoten 109 hin gerichtet. Ein Widerstand R1 ist parallel zum Kondensator C1 angeordnet. Die Primärwicklung 106 ist zwischen den Knoten 104 und 110 verbunden.
Der Knoten 110 ist mit dem Drain des MOSFET Q1 verbunden. Die Source des MOSFET Q1 ist über einen Widerstand R2 mit Masse verbunden. Die Source des MOSFET Q1 ist außerdem mit dem Anschluss CS verbunden. Der Anschluss GD ist mit dem Gate des MOSFET Q1 verbunden.
Die Hilfswicklung 108 liefert eine Hilfsspannung V_AUX . Ein Anschlussstift der Hilfswicklung 108 ist mit Masse verbunden, der andere Anschlussstift ist über einen Widerstand R3 mit einem Knoten 111 verbunden. Der Knoten 111 ist mit dem Anschluss ZCD der PWM-Steuerung 105 verbunden. Der Knoten 111 ist ferner über einen Widerstand R4 mit Masse verbunden. Daher liefert die Hilfswicklung über die Widerstände R3 und R4 das Nulldurchgangssignal an den Anschluss ZCD der PWM-Steuerung 105.
Ein Anschlussstift der Sekundärwicklung 107 ist über die Diode D1 mit einem Knoten 112 verbunden, wobei die Kathode der Diode D1 zum Knoten 112 weist. Der andere Anschlussstift der Sekundärwicklung 107 ist mit Masse der Sekundärseite verbunden (da die Primärseite) und die Sekundärseite galvanisch voneinander getrennt sein können, kann die Masse der Primärseite von der Masse der Sekundärseite verschieden sein; mit anderen Worten ist die Masse der Primärseite möglicherweise nicht mit der Masse der Sekundärseite verbunden.
Ein Kondensator C2 ist über der Sekundärwicklung 107 verbunden. Eine Ausgangsspannung V_output wird über dem Knoten 112 und der Masse (der Sekundärseite) zugeführt. In dem in 1 dargestellten Beispiel kann eine Last 120 durch die Ausgangsspannung versorgt werden; eine solche Last 120 kann eine Reihenverbindung von Leuchtdioden (LEDs) umfassen.
Eine Primärspannung V_pri fällt über der Primärwicklung 106 (d.h. zwischen den Knoten 104 und 110) ab. Eine Nulldurchgangsspannung V_ZCD kann über dem Widerstand R4, d.h. zwischen dem Knoten 111 und der Masse, bestimmt werden. Eine Spannung V_MOS fällt über dem MOSFET Q1, d.h. zwischen dem Drain und der Source des MOSFET Q1, ab. Eine Stromabtastspannung Vcs fällt über dem Widerstand R2 ab. Zwischen dem Anschluss 101 und dem Knoten 104 fällt eine Spannung V_drop,L ab und zwischen der Masse und dem Anschluss 102 fällt eine Spannung V_drop,N ab.
Daher kann die Spannung V_pri an den Primärwicklungen 106 gemessen werden, indem die Spannung über der Hilfswicklung 108 in Betracht gezogen wird. Während der Zeit, in der der Leistungs-MOSFET Q1 eingeschaltet ist, spiegelt die Hilfswicklung 108 die Spannung V_pri über der Primärwicklung 106 zu der Hilfswicklung 108 wider: Je nach den Wicklungsrichtungen kann dies entweder direkt unter Verwendung eines Spannungsteilers (im Fall einer positiven Spannung V_AUX ) oder (im Fall einer negativen Spannung V_AUX ) indirekt über einen Klemmstrom, der den Anschlussstift ZCD mit einer definierten Spannung klemmt, abgetastet werden. Folglich kann die Spannung V_pri über der Primärwicklung 106 unter Verwendung des vordefinierten festen Windungsverhältnisses zwischen der Primärwicklung und der Hilfswicklung gemessen werden.
Um eine genauere Messung der Eingangsspannung Vin zu erzielen, können die folgenden Spannungsabfälle ebenfalls in Betracht gezogen werden:

- die Spannungsabfälle V_drop,L und V_drop,N über der Leitung, dem Eingangsfilter und dem Gleichrichter 103 (aufweisend einen Widerstand R_in,L und R_in,N );
- der Spannungsabfall V_MOS über dem MOSFET Q1 (mit einem Widerstand in Höhe von R_DSon );
- der Spannungsabfall Vcs über dem Abtastwiderstand R2;
- beliebige Spannungsabfälle über EMI-Filtern (elektromagnetische Interferenz).

Um die Strom- und Widerstandsinformation zu kombinieren, können die Primärwicklungsspannung V_pri und die Spannung Vcs (für den Strom) gleichzeitig, d.h. unmittelbar bevor der MOSFET Q1 ausgeschaltet wird, gemessen werden. Jedoch kann die Messung zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Einschaltzeit des MOSFET stattfinden.
Die Spannung V_pri wird vorzugsweise mithilfe der Spannung V_AUX bestimmt, wobei auch das Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der Hilfswicklung in Betracht gezogen wird.
Folglich kann die Spannung Vcs verwendet werden, um jegliche Spannungsabfälle zu kompensieren und die Eingangsspannungsmessung genauer zu gestalten: $V_{in} = V_{drop,L} + V_{pri} + V_{MOS} + V_{CS} + V_{drop,N}$
$V_{in} = V_{pri} + V_{CS} * (R_{in,L} + R_{DSon} + R2 + R_{in,N}) / R2$
Die Widerstandswerte R_in,L und R_in,N der Leitung und des Gleichrichters 103 (der ein Filter umfassen kann) können im Voraus bestimmt werden oder sie können geschätzt werden. Der Widerstand R_DSon des MOSFET Q1 kann aus seinem Datenblatt erlangt werden und der Wert des Widerstands R2 ist bekannt. Daher kann die Eingangsspannung Vin mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden, indem auch der Eingangsstrom (Spannung über den Widerständen, die durch den Eingangsstrom beeinflusst sind) in Betracht gezogen wird.
Als eine Möglichkeit können der Widerstandsteiler, der die Widerstände R3 und R4 umfasst, und das Transformatorwindungsverhältnis der Primärwicklung 106 und der Hilfswicklung 108 derart ausgelegt werden, dass sie eine Messung einer Eingangsspannung bis zu einem vordefinierten Höchstwert ermöglichen. Die PWM-Steuerung 105 kann das an den ZCD-Anschlussstift durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) gelieferte Signal verarbeiten, was zu einem digitalen Signal einer vordefinierten Auflösung, z.B. 8 Bit, führt. Diese begrenzte Abtastauflösung begrenzt eine Genauigkeit einer Messung von niedrigen Ausgangsspannungen. Um den Bereich zu vergrößern, kann eine adaptive Verstärkung des ZCD-Abtastens bereitgestellt werden.
2 zeigt den ZCD-Anschluss der PWM-Steuerung 105, der mit einem Verstärker 201 verbunden ist, wobei eine Verstärkung des Verstärkers 201 mithilfe eines Signals 202 eingestellt werden kann. Die Ausgabe des Verstärkers 201 wird in einen ADC 203 eingespeist, der ein digitales Signal der vordefinierten Auflösung, z.B. 8 Bit, bereitstellt. Die dynamische Anpassung der Verstärkung ermöglicht ein Verstärken von hohen ZCD-Spannungen unter Verwendung einer niedrigen Verstärkung und von niedrigen ZCD-Spannungen unter Verwendung einer hohen Verstärkung. Die Folge ist eine verbesserte Granularität für das Messen von niedrigen Spannungen.
Daher verbessert die vorgestellte Lösung die Genauigkeit der Messung der Primärspannung V_pri und ist außerdem in der Lage, an zusätzlichen Elementen (wie vorstehend besprochen) in Betracht zu ziehen.
Vorteilhafterweise kann die Bereichsumschaltung der ZCD durch eine zusätzliche Kompensation von Spannungsabfällen auch unter Verwendung des gemessenen Eingangsstroms ausgedehnt werden.
In einem oder in mehreren Beispielen können die hier beschriebenen Funktionen zumindest teilweise in einer Hardware, wie z.B. spezifischen Hardwarekomponenten oder einem Prozessor, implementiert werden. Allgemeiner können die beschriebenen Techniken in einer Hardware, in Prozessoren, einer Software, einer Firmware oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden. Wenn sie in einer Software implementiert werden, können die Funktionen als ein oder mehrere Befehle oder ein Code auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein oder auf ein computergespeichertes Medium übertragen werden und durch eine hardwarebasierte Verarbeitungseinheit ausgeführt werden.
Computerlesbare Medien können computerlesbare Speichermedien, die einem materiellen Medium entsprechen, wie z.B. Datenspeichermedien, oder Kommunikationsmedien umfassen, die ein beliebiges Medium, das eine Übertragung eines Computerprogramms von einem Ort zu einem anderen z.B. gemäß einem Kommunikationsprotokoll ermöglicht, umfassen. Auf diese Weise können computerlesbare Medien allgemein (1) einem materiellen computerlesbaren Speichermedium, das nicht vorübergehend ist, oder (2) einem Kommunikationsmedium, wie z.B. einem Signal oder einer Trägerwelle, entsprechen. Datenspeichermedien können beliebige verfügbare Medien sein, auf die ein oder mehrere Computer oder ein oder mehrere Prozessoren zugreifen können, um Befehle, einen Code und/oder Datenstrukturen zur Implementierung der in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken abzurufen. Ein Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Medium umfassen.
Als ein Beispiel und nicht als eine Beschränkung können solche computerlesbare Speichermedien Folgendes umfassen: ein RAM, ein ROM, ein EEPROM, eine CD-ROM oder einen anderen optischen Plattenspeicher, einen Magnetplattenspeicher, oder andere magnetische Speichervorrichtungen, einen Flash-Speicher, oder ein beliebiges anderes Medium, das zum Speichern eines gewünschten Programmcodes in Form von Befehlen oder Datenstrukturen verwendet werden kann und auf welches ein Computer zugreifen kann. Außerdem wird jede Verbindung ordnungsgemäß als ein computerlesbares Medium, d.h. ein computerlesbares Übertragungsmedium, bezeichnet. Wenn zum Beispiel Befehle von einer Website, einem Server oder einer anderen Remote-Quelle unter Verwendung eines Koaxialkabels, eines Glasfaserkabels, einer verdrillten Leitung, eines Digital Subscriber Line (DSL) oder drahtloser Technologien, wie z.B. Infrarot, Funk und Mikrowellen, übertragen werden, dann sind das Koaxialkabel, das Glasfaserkabel, die verdrillte Leitung, das DSL oder die drahtlosen Technologien, wie z.B. Infrarot, Funk und Mikrowellen, von der Definition eines Mediums erfasst. Es versteht sich jedoch, dass computerlesbare Speichermedien und Datenspeichermedien keine Verbindungen, Trägerwellen, Signale oder andere transiente Medien umfassen, sich aber stattdessen auf nicht-transiente, materielle Speichermedien richten. Eine Disc/Platte oder eine Diskette, wie hier verwendet, umfasst eine CD (Compact Disc), eine Laserdisc, eine optische Platte, eine DVD (Digital Versatile Disc), eine Diskette und eine Blu-ray Disc, wobei Disketten Daten in der Regel magnetisch wiedergeben, während Discs/Platten Daten optisch mit Lasern wiedergeben. Kombinationen der Vorstehenden sollten ebenfalls innerhalb des Umfangs von computerlesbaren Medien aufgenommen sein.
Befehle können durch einen oder mehrere Prozessoren, wie z.B. eine oder mehrere zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU), einen oder mehrere digitale Signalprozessoren (DSPs), Universalmikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) oder andere gleichwertige integrierte oder diskrete Logikschaltungen ausgeführt werden. Demzufolge kann sich der hier verwendete Begriff „Prozessor“ auf eine beliebige der vorstehenden Strukturen oder eine beliebige andere Struktur beziehen, die zur Implementierung der hier beschriebenen Techniken geeignet ist. Außerdem kann in einigen Aspekten die hier beschriebene Funktionalität innerhalb von dedizierten Hardware- und/oder Softwaremodulen, die zur Kodierung und Dekodierung ausgelegt sind, bereitgestellt oder in einem zusammengefassten Codec aufgenommen werden. Außerdem könnten die Techniken in einem oder mehreren Schaltungs- oder Logikelementen vollständig implementiert werden.
Die Techniken dieser Offenbarung können in einer breiten Vielfalt von Geräten oder Vorrichtungen, einschließlich eines drahtlosen Hörers, eines Netzteils, einer Batterieladeeinrichtung, einer integrierten Schaltung (IC) oder eines Satzes von ICs (z.B. eines Chipsatzes) implementiert werden. Verschiedene Komponenten, Module oder Einheiten werden in dieser Offenbarung beschrieben, um funktionelle Aspekte von Vorrichtungen, die zum Ausführen der offenbarten Techniken ausgelegt sind, hervorzuheben; sie erfordern jedoch nicht notwendigerweise eine Umsetzung durch verschiedene Hardwareeinheiten. Vielmehr können, wie vorstehend beschrieben, verschiedene Einheiten in einer einzelnen Hardware-Einheit kombiniert werden oder in einer Sammlung interoperativer Hardwareeinheiten bereitgestellt werden, die einen oder mehrere Prozessoren, wie vorstehend beschrieben, in Verbindung mit einer geeigneten Software und/oder Firmware umfassen.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart wurden, wird es für einen Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der Erfindung erzielen, ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Es wird für einen halbwegs erfahrenen Fachmann offensichtlich sein, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen ausführen, geeignet als Ersatz eingesetzt werden können. Es ist zu erwähnen, dass Merkmale, die in Bezug auf eine bestimmte Figur erläutert werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in jenen Fällen, in denen dies nicht explizit erwähnt wurde. Außerdem können die Verfahren der Erfindung in Implementierungen mit einschließlich Software, die die geeigneten Prozessorbefehle verwenden, oder in hybriden Implementierungen, die eine Kombination aus einer Hardwarelogik und einer Softwarelogik zum Erzielen der gleichen Ergebnisse verwenden, erzielt werden. Es ist beabsichtigt, dass derartige Modifikationen des erfindungsgemäßen Konzepts durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Wandlers, der einen Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite umfasst, wobei der Transformator außerdem ein Schaltelement umfasst, das zum Übertragen von Energie von der Primärseite an die Sekundärseite verwendet wird, wobei das Verfahren umfasst: - Bestimmen eines ersten Spannungsabfalls über der Primärseite des Transformators, - Bestimmen eines zweiten Spannungsabfalls über mindestens einer Komponente der Primärseite des Wandlers, und - Bestimmen einer Eingangsspannung an dem Wandler auf der Grundlage des ersten und des zweiten Spannungsabfalls, - das ferner das Bestimmen der Eingangsspannung umfasst, wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, wobei die Eingangsspannung basiert auf: - dem ersten Spannungsabfall über der Primärseite des Transformators, wobei der erste Spannungsabfall durch einen Spannungsabfall über einer Hilfswicklung des Transformators bestimmt wird, - dem Spannungsabfall über einen Abtastwiderstand, - dem Abtastwiderstand und/oder - einem Widerstand des Schaltelements. - wobei die Eingangsspannung gemäß der Formel $Vin = Vpri + VCS* (RDSon + R2) / R2$
oder gemäß der Formel $Vin = Vpri + VCS* (Rrf + RDSon + R2) / R2$
bestimmt wird, wobei Vin die Eingangsspannung ist, Vpri die Spannung an der Primärseite des Transformators ist, VCS der Spannungsabfall über dem Abtastwiderstand ist, R2 der Abtastwiderstand ist, und RDSon der Widerstand des Schaltelements ist, Rrf der Widerstand eines Gleichrichters, eines Filters und angeschlossener Leitungen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Eingangsspannung verwendet wird, um einen Eingangsspannungsabfall unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts zu bestimmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wandler ein Sperrwandler ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bestimmen des ersten Spannungsabfalls ein Bestimmen eines Spannungsabfalls über der Primärseite des Transformators auf der Grundlage eines Spannungsabfalls über einer Hilfswicklung des Transformators umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zweite Spannungsabfall umfasst: - einen Spannungsabfall über einem Eingangsfilter des Wandlers, - einen Spannungsabfall über einem Gleichrichter, - einen Spannungsabfall über einem Abtastwiderstand, - einen Spannungsabfall über dem Schaltelement, - einen Spannungsabfall über einer Leitung, - einen Spannungsabfall über einer Verbindung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schaltelement einen Transistor, einen Bipolartransistor, einen MOSFET, einen JFET oder einen IGBT umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Spannungsabfall auf der Grundlage eines Widerstandswerts der Primärseite des Transformators bestimmt wird und wobei der zweite Spannungsabfall auf der Grundlage eines Widerstandswerts der mindestens einen Komponente bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner umfassend: Verwenden der Eingangsspannung zum Betreiben des Schaltelements.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: - Umwandeln der Eingangsspannung in ein digitales Signal; und - Anpassen eines Verstärkungsgrads der Eingangsspannung, bevor sie in das digitale Signal umgewandelt wird.
Nichtflüchtiges Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung geladen werden kann und das Softwarecodeabschnitte zum Durchführen der Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Vorrichtung, umfassend: - einen Transformator, - ein Schaltelement, das zum Übertragen von Energie von einer Primärseite des Transformators an eine Sekundärseite des Transformators gekoppelt ist, - eine Steuereinheit, die eingerichtet ist zum: - Bestimmen eines ersten Spannungsabfalls über der Primärseite des Transformators, - Bestimmen eines zweiten Spannungsabfalls über mindestens einer Komponente an der Primärseite, und - Bestimmen einer Eingangsspannung auf der Grundlage des ersten und des zweiten Spannungsabfalls, - wobei die Eingangsspannung bestimmt wird, wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, wobei die Eingangsspannung basiert auf: - dem ersten Spannungsabfall über der Primärseite des Transformators, wobei der erste Spannungsabfall durch einen Spannungsabfall über einer Hilfswicklung des Transformators bestimmt wird, - dem Spannungsabfall über einen Abtastwiderstand, - dem Abtastwiderstand und/oder - einem Widerstand des Schaltelements. - wobei die Eingangsspannung gemäß der Formel $Vin = Vpri + VCS* (RDSon + R2) / R2$
oder gemäß der Formel $Vin = Vpri + VCS* (Rrf + RDSon + R2) / R2$
bestimmt wird, wobei Vin die Eingangsspannung ist, Vpri die Spannung an der Primärseite des Transformators ist, VCS der Spannungsabfall über dem Abtastwiderstand ist, R2 der Abtastwiderstand ist, und RDSon der Widerstand des Schaltelements ist, Rrf der Widerstand eines Gleichrichters, eines Filters und angeschlossener Leitungen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung ein Sperrwandler ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der der Transformator eine Hilfswicklung umfasst und wobei der erste Spannungsabfall auf der Grundlage eines Spannungsabfalls über der Hilfswicklung bestimmt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die mindestens eine Komponente umfasst: - ein Filter, - einen Gleichrichter, - einen Abtastwiderstand, - das Schaltelement, - eine Leitung, - eine Verbindung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der der erste Spannungsabfall auf der Grundlage eines Widerstandswerts der Primärseite des Transformators bestimmt wird und wobei der zweite Spannungsabfall auf der Grundlage eines Widerstandswerts der mindestens einen Komponente bestimmt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, ferner umfassend: - einen Verstärker, der zum Anpassen eines Verstärkungsgrads der Eingangsspannung gekoppelt ist, und - einen Analog-Digital-Wandler, der mit einem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Vorrichtung zum Betreiben einer Leuchtvorrichtung einsetzbar ist oder verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Vorrichtung einen Teil eines Netzteils zum Betreiben einer Last umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Vorrichtung eine Batterieladeeinrichtung ist.