DE102016223998A1 - Synchronous buck converter for operating one or more lamps, associated method and operating device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen synchronen Abwärtswandler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln, wobei der synchrone Abwärtswandler ausgestaltet ist, in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betrieben zu werden, wobei in dem ersten Betriebsmodus des synchronen Abwärtswandlers durch den synchronen Abwärtswandler fließender Strom abwechselnd ansteigt und sinkt und wobei in dem zweiten Betriebsmodus der Stromverlauf des durch den synchronen Abwärtswandler fließenden Stroms über eine vorbestimmte Zeitdauer ausschwingt. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln und ein Betriebsgerät, das den synchronen Abwärtswandler aufweist und zum Betreiben von dem einen oder von den mehreren Leuchtmitteln ausgestaltet ist.The invention relates to a synchronous buck converter for operating one or more light sources, wherein the synchronous buck converter is configured to operate in a first mode of operation or in a second mode of operation wherein in the first mode of operation of the synchronous buck converter alternating current flows through the synchronous buck converter and decreases, and wherein in the second mode of operation, the current waveform of the current flowing through the synchronous buck converter over a predetermined period of time swings. Furthermore, the invention relates to a corresponding method for operating one or more light sources and to an operating device which has the synchronous down converter and is designed to operate from the one or more light sources.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen synchronen Abwärtswandler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln, ein Verfahren zum Betreiben eines synchronen Abwärtswandlers zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln und ein Betriebsgerät zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln. Das eine oder die mehreren Leuchtmittel umfassen z.B. eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs).The present invention relates to a synchronous buck converter for operating one or more light sources, a method for operating a synchronous buck converter for operating one or more light sources and an operating device for operating one or more light sources. The one or more bulbs include e.g. one or more light-emitting diodes (LEDs).
Synchrone Abwärtswandler sind allgemein bekannt. Im Vergleich zu einem Standard- oder herkömmlichen Abwärtswandler ist in einem synchronen Abwärtswandler die Diode durch einen Schalter ersetzt, sodass der synchrone Abwärtswandler neben dem primären Schalter einen zweiten Schalter aufweist. Da der synchrone Abwärtswandler aus zwei schaltbaren Schaltern aufgebaut ist, muss der zweite Schalter im Gegentakt zu dem primären bzw. ersten Schalter betätigt werden. Wird der erste Schalter leitend, so öffnet der zweite, und umgekehrt.Synchronous buck converters are well known. Compared to a standard or conventional buck converter, in a synchronous buck converter the diode is replaced by a switch so that the synchronous buck converter has a second switch in addition to the primary switch. Since the synchronous buck converter is composed of two switchable switches, the second switch must be operated in push-pull to the primary or first switch. If the first switch becomes conductive, the second opens, and vice versa.
Da eine Diode in Durchlassrichtung stets einen Spannungsabfall verursacht, treten an dieser und damit an einem Standard- oder herkömmlichen Abwärtswandler nicht unerhebliche Verluste auf. Synchrone Abwärtswandler hingegen haben deutlich geringere Verluste, weshalb die Ausführung eines Abwärtswandlers als synchronen Abwärtswandlers bzw. als Synchronwandlers den Wirkungsgrad verbessern kann.Since a diode always causes a voltage drop in the forward direction, not inconsiderable losses occur at the latter and thus at a standard or conventional down converter. On the other hand, synchronous buck converters have much lower losses, so the implementation of a buck converter as a synchronous buck converter or as a synchronous converter can improve the efficiency.
Ein weiterer Vorteil des synchronen Abwärtswandlers ist das Fehlen des diskontinuierlichen (lückenden) Betriebs. Bei einem Standard- oder herkömmlichen Abwärtswandler wird bei geringem Mittelwert des Ausgangsstroms der Strom durch die Induktivität periodisch zu null, und die Diode sperrt. In diesem diskontinuierlichen Betriebsbereich hängt die Ausgangsspannung nicht mehr linear von der Eingangsspannung und dem Pulsweitenverhältnis ab, was die Regelung erschwert. Bei einem synchronen Abwärtswandler hingegen steigt der Strom aufgrund der Rückwärtsleitfähigkeit der Schalter nach seinem Nulldurchgang negativ an, Energie fließt von der Ausgangskapazität zurück zum Eingang, wodurch die Linearität und somit leichte Regelbarkeit unabhängig von der Last gegeben sind. Ein weiterer Vorteil dieser Betriebsweise ist, dass der negative Strombereich das zeitliche Mittel des Stroms absenkt.Another advantage of the synchronous buck converter is the lack of discontinuous operation. In a standard or conventional buck converter, with a low average output current, the current through the inductor periodically becomes zero and the diode turns off. In this discontinuous operating range, the output voltage no longer depends linearly on the input voltage and the pulse width ratio, which makes the regulation more difficult. In contrast, in a synchronous buck converter, the current due to the reverse conductivity of the switches after its zero crossing increases negatively, energy flows from the output capacitance back to the input, providing linearity and thus easy controllability independent of the load. Another advantage of this mode of operation is that the negative current range lowers the time average of the current.
Obwohl in einem synchronen Abwärtswandler der Strom im zeitlichen Mittel abgesenkt werden kann, sinkt auch die Amplitude des Stroms relativ stark. Es entsteht durch das starke Absinken des Stroms entsteht eine hohe Stromamplitude. Die Schaltfrequenz des synchronen Abwärtswandlers ist dabei verhältnismäßig niedrig.Although in a synchronous buck converter the current can be lowered in the time average, the amplitude of the current also decreases relatively strongly. The result of the strong drop in the current is a high current amplitude. The switching frequency of the synchronous buck converter is relatively low.
Auch wenn eine hohe Stromamplitude, wie sie durch das Sinken des Stroms im synchronen Abwärtswandler entsteht, den Vorteil hat, dass sie durch kurzzeitige Bursts im Signal nicht beeinflusst wird, besteht das Problem bei einem synchronen Abwärtswandler, der ein oder mehrere Leuchtmittel betreibt, dass bereits eine geringe zeitliche Abweichung oder Schwankungen beim Ein- und Ausschalten der Schalter aufgrund der hohen Stromamplitude zu einem optisch sichtbaren Flackern des einen oder der mehreren Leuchtmittel (z.B. einer oder mehrere LEDs) führen kann, die über den synchronen Abwärtswandler mit Strom versorgt wird.Even though a high current amplitude, such as that caused by the sinking of the current in the synchronous buck converter, has the advantage that it is not affected by short bursts in the signal, the problem with a synchronous buck converter operating one or more lamps already exists due to the high current amplitude, a slight time deviation or fluctuations in the switching on and off of the switches can lead to an optically visible flickering of the one or more light sources (eg one or more LEDs) which is supplied with power via the synchronous down converter.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Zuführen des Stroms einem oder mehreren Leuchtmitteln zu ermöglichen.It is therefore the object of the present invention to enable an improved supply of the current to one or more light sources.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben weitere Ausbildungen der Erfindung an.This object is achieved by the features of the independent claims. The dependent claims indicate further embodiments of the invention.
Die vorliegende Erfindung beruht insbesondere auf der Idee, die Präsenz der hohen Amplituden in dem synchronen Abwärtswandler durch ein Einführen eines weiteren Betriebsmodus zu verringern, in dem die Amplituden beim Ansteigen und Sinken des Stroms und insbesondere beim Sinken des Stroms verringert sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in dem zweiten Betriebsmodus ein Ausschwingen des Stromflusses implementiert.More particularly, the present invention is based on the idea of reducing the presence of the high amplitudes in the synchronous buck converter by introducing a further mode of operation in which the amplitudes are reduced as the current increases and decreases, and particularly as the current sinks. According to the present invention, in the second mode of operation, a deceleration of the current flow is implemented.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Synchroner Abwärtswandler zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln bereitgestellt, wobei der synchrone Abwärtswandler ausgestaltet ist, in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betrieben zu werden, wobei in dem ersten Betriebsmodus des synchronen Abwärtswandlers durch den synchronen Abwärtswandler fließender Strom abwechselnd ansteigt und sinkt und wobei in dem zweiten Betriebsmodus der Stromverlauf des durch den synchronen Abwärtswandler fließenden Stroms über eine vorbestimmte Zeitdauer ausschwingt.According to one aspect of the present invention, there is provided a synchronous buck converter for operating one or more light sources, wherein the synchronous buck converter is configured to operate in a first operating mode or in a second operating mode, wherein in the first mode of operation of the synchronous buck converter Down converter flows alternately increases and decreases and wherein in the second mode of operation, the current waveform of the current flowing through the synchronous buck converter current over a predetermined period of time swings.
Gemäß einer Ausführungsform beim Sinken des Stroms im ersten Betriebsmodus sinkt der Strom zunächst Richtung Null und fließt anschließend in eine Negativrichtung.According to one embodiment, when the current sinks in the first operating mode, the current first decreases in the direction of zero and then flows in a negative direction.
Gemäß einer Ausführungsform ist der synchrone Abwärtswandler ausgestaltet, von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu wechseln, wenn der Strom in dem ersten Betriebsmodus ansteigt und Nulllinie erreicht oder wenn der Strom in dem ersten Betriebsmodus ansteigt und einen vorbestimmten Abstand zu der Nulllinie aufweist. In one embodiment, the synchronous buck converter is configured to transition from the first mode of operation to the second mode of operation when the current in the first mode of operation rises and reaches zero, or when the current in the first mode of operation increases and is a predetermined distance from the zero line.
Gemäß einer Ausführungsform ist der synchrone Abwärtswandler ausgestaltet, nach dem Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus zu wechselnAccording to one embodiment, the synchronous buck converter is configured to change from the second mode of operation to the first mode of operation after the lapse of the predetermined period of time
Gemäß einer Ausführungsform ist die vorbestimmte Zeitdauer durch eine vorbestimmte Anzahl von Ausschwingzyklen vorbestimmt.According to one embodiment, the predetermined period of time is predetermined by a predetermined number of settling cycles.
Gemäß einer Ausführungsform steigt nach einem Wechsel von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus der durch den synchronen Abwärtswandler fließende Strom an.According to one embodiment, after a change from the second mode of operation to the first mode of operation, the current flowing through the synchronous buck converter increases.
Gemäß einer Ausführungsform weist der synchrone Abwärtswandler einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter zum Steuern des Stromflusses des durch den synchronen Abwärtswandler fließenden Stroms auf.According to one embodiment, the synchronous buck converter has a first switch and a second switch for controlling the current flow of the current flowing through the synchronous buck converter.
Gemäß einer Ausführungsform ist der synchrone Abwärtswandler derart ausgestaltet, dass in dem ersten Betriebsmodus der durch den synchronen Abwärtswandler fließende Strom durch ein Einschalten des ersten Schalters und ein Ausschalten des zweiten Schalters ansteigt und durch ein Ausschalten des ersten Schalters und ein Einschalten des zweiten Schalters sinkt.According to one embodiment, the synchronous buck converter is configured such that, in the first mode of operation, the current flowing through the synchronous buck converter increases by turning on the first switch and turning off the second switch, and decreasing by turning off the first switch and turning on the second switch.
Gemäß einer Ausführungsform ist der synchrone Abwärtswandler derart ausgestaltet, dass in dem zweiten Betriebsmodus der erste Schalter und der zweite Schalter ausgeschaltet sind.In one embodiment, the synchronous buck converter is configured such that in the second mode of operation, the first switch and the second switch are turned off.
Gemäß einer Ausführungsform wird der erste Schalter beim Wechsel von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus Ausgeschaltet.According to one embodiment, the first switch is switched off when changing from the first operating mode to the second operating mode.
Gemäß einer Ausführungsform wird der erste Schalter beim Wechsel von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus eingeschaltet.According to one embodiment, the first switch is switched on when changing from the second operating mode to the first operating mode.
Gemäß einer Ausführungsform steigt der durch den synchronen Abwärtsschalter fließende Strom in dem ersten Betriebsmodus bis zu einem ersten Grenzwert an und/oder sinkt bis zu einem zweiten Grenzwert.In one embodiment, in the first mode of operation, the current flowing through the synchronous step-down switch rises to a first threshold and / or decreases to a second threshold.
Gemäß einer Ausführungsform steigt der durch den synchronen Abwärtsschalter fließende Strom in dem ersten Betriebsmodus bis zum Ablauf einer ersten Zeitperiode an und/oder sinkt bis zum Ablauf einer zweiten Zeitperiode.According to one embodiment, the current flowing through the synchronous step-down switch in the first mode of operation increases until the expiration of a first period of time and / or decreases until the expiration of a second period of time.
Gemäß einer Ausführungsform ist der synchrone Abwärtswandler mit dem einen oder mit den mehreren Leuchtmitteln verbindbar ausgestaltet und ist beim Vorliegen einer Verbindung zu dem einen oder zu den mehreren Leuchtmitteln ausgestaltet, das eine oder die mehreren Leuchtmittel mit dem durch den synchronen Abwärtswandler fließenden Strom zu versorgen.According to one embodiment, the synchronous buck converter is configured to be connectable to the one or more light sources and, when connected to the one or more light sources, is configured to supply the one or more light sources with the current flowing through the synchronous buck converter.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen das eine oder die mehreren Leuchtmittel eine oder mehrere Leuchtioden, LEDs.According to one embodiment, the one or more light sources comprise one or more light emitting diodes, LEDs.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines synchronen Abwärtswandlers bereitgestellt, der zum Betreiben von einem oder mehreren Leuchtmitteln ausgestaltet ist, wobei das Verfahren aufweist ein Betreiben des synchronen Abwärtswandlers in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus, wobei in dem ersten Betriebsmodus des synchronen Abwärtswandlers durch den synchronen Abwärtswandler fließender Strom abwechselnd ansteigt und sinkt und wobei in dem zweiten Betriebsmodus der Stromverlauf des durch den synchronen Abwärtswandler fließenden Stroms über eine vorbestimmte Zeitdauer ausschwingt.According to one aspect of the present invention, there is provided a method of operating a synchronous buck converter configured to operate one or more light sources, the method comprising operating the synchronous buck converter in a first mode of operation or in a second mode of operation, wherein in the first one Operating mode of the synchronous buck converter by the synchronous buck converter alternately rises and falls and wherein in the second mode of operation, the current waveform of the current flowing through the synchronous buck converter current over a predetermined period of time.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Betriebsgerät einen synchronen Abwärtswandler zum Betreiben von dem einem oder den mehreren Leuchtmitteln auf, und der synchrone Abwärtswandler ist ein synchroner Abwärtswandler wie oben angegeben und/oder wie im Nachfolgenden detaillierter dargestellt.According to one embodiment, the operating device has a synchronous buck converter for operating the one or more light sources, and the synchronous buck converter is a synchronous buck converter as indicated above and / or as shown in more detail below.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Betriebsgerät eine Steuerung auf, die zum Ansteuern des synchronen Abwärtswandlers ausgestaltet ist.According to one embodiment, the operating device has a controller that is designed to drive the synchronous buck converter.
Gemäß einer Ausführungsform steuert die Steuerung den Betrieb des synchronen Abwärtswandlers in dem ersten Betriebsmodus und in dem zweiten Betriebsmodus, einen Wechsel des Betriebs des synchronen Abwärtswandlers von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und einen Wechsel des Betriebs des synchronen Abwärtswandlers von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus an.In one embodiment, the controller controls the operation of the synchronous buck converter in the first mode of operation and the second mode of operation, a change of operation of the synchronous buck converter from the first mode of operation to the second mode of operation, and a change of operation of the synchronous buck converter from the second mode of operation first operating mode.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Höhe der Stromamplituden im Schnitt reduziert. Dadurch wird das Flackern an Leuchtmitteln wie z.B. LEDs, welches optisch sichtbar ist (insbesondere bei niedrigen Dimm-Werten), vermieden oder zumindest deutlich reduziert. Auf diese Weise wird ein verbessertes Zuführen des Stroms einem oder mehreren Leuchtmitteln durch einen synchronen Abwärtswandler verwirklicht, da der Strom einen stabileren Wechsel der Strompegel aufweist.The height of the current amplitudes is reduced on average by the present invention. This will cause flickering on bulbs such as light bulbs. LEDs, which is optically visible (especially at low dimming levels), avoided or at least significantly reduced. In this way, an improved supply of the current to one or more lighting means is realized by a synchronous down converter, since the current has a more stable change of the current levels.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Hierbei zeigt
-
1 eine Ausgestaltung eines Betriebsgeräts zum Betreiben von Leuchtmitteln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, -
2 einen beispielhaften Stromverlauf durch einen synchronen Abwärtswandler in zwei Betriebsmodi des synchronen Abwärtswandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
-
1 an embodiment of an operating device for operating lamps according to an embodiment of the present invention, -
2 an exemplary current waveform through a synchronous buck converter in two operating modes of the synchronous buck converter according to an embodiment of the present invention,
Im Nachfolgenden werden Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Funktionen in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, dass die hierin erläuterten Ausführungsformen mit einander kombinierbar sind, es sei denn, eine Kombination ist explizit ausgeschlossen.Hereinafter, components having the same or similar functions will be denoted by the same reference numerals in the figures. In addition, it should be noted that the embodiments discussed herein may be combined with each other unless a combination is explicitly excluded.
Das eine oder die mehreren Leuchtmittel umfassen gemäß einer Ausführungsform eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs). Die LEDs können verschieden ausgestaltet sein, und die vorliegende Erfindung ist auf keine bestimmte Ausgestaltung der LEDs beschränkt. Gemäß einer Ausführungsform umfassen die LEDs anorganische und/oder organische LEDs. Auch die Anordnung der LEDs ist auf verschiedene Weisen gestaltbar. So sind die LEDs gemäß einer Ausführungsform in Serie geschaltet, während gemäß einer weiteren Ausführungsform die LEDs parallel geschaltet sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die LEDs in komplexeren Anordnungen verschaltet, beispielsweise in mehreren zueinander parallel geschalteten Reihenschaltungen. In
Das Betriebsgerät
Das Betriebsgerät
Der synchrone Abwärtswandler
Üblicher Weise fließt der Strom iL im eingeschalteten Zustand des ersten Schalters
In der Ausführungsform der
Das Betriebsgerät
Gemäß einer Ausführungsform betreibt die Steuerung
Die vorliegende Erfindung erlaubt verschiedene Ausgestaltungen der Steuerung
Der synchrone Abwärtswandler
In dem zweiten Betriebsmodus schwingt der Stromverlauf des durch den synchronen Abwärtswandler
Der erfindungsgemäße Betrieb des synchronen Abwärtswandlers
In
Der Stromverlauf im ersten Betriebsmodus ist in
In der ersten Phase des ersten Betriebsmodus steigt der durch den synchronen Abwärtswandler
Wie bereits erwähnt, erfolgt das Ansteuern des ersten und des zweiten Schalters
In der zweiten Phase des ersten Betriebsmodus sinkt der durch den synchronen Abwärtswandler
Wie bereits erwähnt, erfolgt das Ansteuern des ersten und des zweiten Schalters
Das Ansteigen und das Sinken des Stroms iL, wie durch die erste Phase und die zweite Phase des ersten Betriebsmodus in
Von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus wird gewechselt, wenn der Strom in dem ersten Betriebsmodus ansteigt und die Nulllinie erreicht oder wenn der Strom in dem ersten Betriebsmodus ansteigt und einen vorbestimmten Abstand zu der Nulllinie aufweist. Dies kann ebenfalls durch die Steuerung
Um in den Wechsel von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu vollziehen, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform der erste Schalter
Der weitere Verlauf des ersten Betriebsmodus und der anschließende Wechsel von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und zurück werden weiterhin wie oben erörtert vorgenommen.The further course of the first operating mode and the subsequent changeover from the first operating mode to the second operating mode and back are continued as discussed above.
Der erste Betriebsmodus des synchronen Abwärtswandlers
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erste Schalter
Gemäß einer Ausführungsform wird das Betreiben des synchronen Abwärtswandlers in den zwei Betriebsmodi bei niedrigen Dimm-Werten für die eine oder mehreren LEDs (z.B. eine LED-Strecke) verwendet, da in diesem Bereich die Helligkeitsschwankungen besonders auffällig sind. Bei niedrigen Dimm-Werten reagiert das Auge oft besonders sensitiv auf Helligkeitsschwankungen. Ferner ist die bei einer Veränderung um eine Taktrate entsprechende relative Helligkeitsänderung bei niedrigen Dimm-Werten oft größer als bei höheren Dimm-Werten.According to one embodiment, operating the synchronous buck converter in the two modes of operation is used at low dimming values for the one or more LEDs (e.g., an LED track) because in that range the brightness variations are particularly noticeable. At low dimming levels, the eye often reacts particularly sensitively to brightness fluctuations. Further, the relative brightness change corresponding to a clock rate change is often greater at low dimming values than at higher dimming values.
Wie vorstehend dargestellt, betrifft die vorliegende Erfindung einen synchronen Abwärtswandler
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Betriebsgerätcontrol gear
- 1111
- Synchroner AbwärtswandlerSynchronous buck converter
- 111111
- erster Schalterfirst switch
- 112112
- zweiter Schaltersecond switch
- 113113
- SpuleKitchen sink
- 114114
- Kondensatorcapacitor
- 115115
- Ausgangsanschlussoutput port
- 116116
- Ausgangsanschlussoutput port
- 1212
- Steuerungcontrol
- 1313
- ein oder mehrere Leuchtmittel (z.B. LEDs)one or more bulbs (e.g., LEDs)
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