DE102017104726A1 - System und Verfahren für eine getaktete Leistungsversorgung - Google Patents

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Abstract

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst ein Verfahren das Empfangen eines Hinweises auf eine geänderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik einer Leistungsversorgung, die in einer ersten Betriebsart einer Last über einen Ausgangsport der Leistungsversorgung Leistung zuführt, und, als Reaktion auf den Empfang des Hinweises auf die veränderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik, das Umschalten der Regelung der Leistungsversorgung vom Ausgeben eines Stroms an die Last in der ersten Betriebsart auf das Beziehen des Stroms von der Last in einer zweiten Betriebsart. Das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart umfasst das Steuern der Leistungsversorgung, um Energie von dem Ausgangsport der Leistungsversorgung an einen Eingangsport der Leistungsversorgung zu übertragen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leistungsvorrichtungen, und, in bestimmten Ausgestaltungen, ein System und Verfahren für eine getaktete Leistungsversorgung.
  • Gleichstrom-(DC)-nach-DC-Wandler (DC-nach-DC-Wandler) können als Treiber für Lasten mit bestimmten Strom- und/oder Spannungserfordernissen, beispielsweise Ketten von Leuchtdioden (LEDs), eingesetzt werden. Die Lichtintensität einer LED-Kette wird durch die Stärke des sie durchfließenden Stroms gesteuert und, folglich, bauen herkömmliche LED-Treiber allgemein auf eine Stromregelungsschleife, um den durch die LED-Kette fließenden Strom zu regeln. Jene Regler sind bei der Regelung von Leistung relativ wirkungsvoll, wenn die Last statisch ist, aber sie können sich schwer damit tun, einen konstanten Strom aufrecht zu erhalten, wenn die Belastung abrupt geändert wird, wie beispielsweise wenn eine oder mehr LEDs dynamisch überbrückt / kurzgeschlossen werden. Genauer gesagt verringert das dynamische Kurzschließen von LEDs in der LED-Kette unverzüglich die Vorspannung der LED-Kette in Vorwärtsrichtung, was dazu führt, dass sich der zu der LED-Kette parallel geschaltete Ausgangskondensator entlädt. Das Entladen des Ausgangskondensators erzeugt eine Stromspitze durch die LED-Kette, die das Potential besitzt, die verbleibenden LEDs zu zerstören. Für die Stromsteuerschleife kann es schwierig sein, die Stromspitze zu regeln, da die Stromspitze relativ schnell auftritt und primär eher durch die Ausgangskondensatoren als durch die geregelte Leistungsversorgung zustande kommt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung umfasst ein Verfahren das Empfangen eines Hinweises auf eine veränderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik einer Leistungsversorgung, die einer Last über einen Ausgangsport der Leistungsversorgung Leistung zuführt, in einer ersten Betriebsart, und, als Reaktion auf den Empfang des Hinweises einer geänderten Belastungssituation oder Spannungscharakteristik, das Umschalten einer Regelung der Leistungsversorgung vom Ausgeben eines Stroms an die Last in der ersten Betriebsart auf das Beziehen des Stroms von der Last in einer zweiten Betriebsart. Das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart enthält das Steuern der Leistungsversorgung, um Energie vom Ausgangsport der Leistungsversorgung an einen Eingangsport der Leistungsversorgung zu übertragen.
  • Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Offenbarung und deren Vorteile wird nun Bezug auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen, in denen:
  • 1 ein Diagramm einer herkömmlichen LED-Treiberarchitektur zeigt;
  • 2 einen Graphen einer Stromspitze über dem Ausgang eines herkömmlichen LED-Treibers, der eine dynamische Lastverringerung erfährt, zeigt;
  • 3a und 3b Diagramme einer Leistungsversorgungsarchitektur gemäß verschiedenen Ausgestaltungen zeigen;
  • 4 ein Diagramm einer Ausgestaltung einer LED-Treiberarchitektur zeigt;
  • 5 ein Diagramm eines SEPIC-Wandlers zeigt, der verwendet werden kann, um Beispielschaltungen zur Energierückgewinnung zu implementieren;
  • 6 einen H-Brückenwandler zeigt, der verwendet werden kann, um Beispielschaltungen von bidirektionalen Leistungsversorgungen zu implementieren;
  • 7 ein Diagramm eines Beispielverarbeitungssystems zeigt; und
  • 8 ein Flussdiagramm eines Beispielverfahrens zeigt.
  • Jeweilige Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich allgemein, sofern nicht anders angegeben, auf entsprechende Teile. Die Figuren sind so gezeichnet, dass sie klar die relevanten Aspekte der Ausgestaltungen zeigen, und sie sind nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet.
  • Die Herstellung und die Verwendung von Ausgestaltungen dieser Offenbarung werden nachfolgend ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch, dass die hierin offenbarten Konzepte in einer breiten Vielfalt konkreter Kontexte ausgestaltet werden können, und dass die hierin erörterten, konkreten Ausgestaltungen lediglich illustrativ sind und nicht dazu dienen, den Schutzbereich der Ansprüche zu beschränken. Ferner versteht es sich, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen hierin vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und dem Umfang dieser Offenbarung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweisen. Obwohl vieles dieser Offenbarung im Zusammenhang mit LED-Treibern beschrieben ist, versteht es sich, dass die hierin bereitgestellten Konzepte auch auf andere Versorgungsschaltungen anwendbar sind.
  • Gemäß einer Ausgestaltung überträgt eine LED-Leistungsversorgung Leistung von einem Eingangsknoten an eine oder mehr LEDs. Während des normalen Betriebs regelt die Leistungsversorgung den durch die LEDs fließenden Strom unter Verwendung einer Stromregelungsschleife. Allerdings wird der Ausgangskondensator, bevor die Anzahl versorgter LEDs geändert wird, auf eine Spannung entladen, die den kombinierten Vorwärtsspannungen der LEDs entspricht. Bei einigen Ausgestaltungen kann dies dadurch erfolgen, dass die Regelung der Leistungsversorgung, unmittelbar bevor die Belastungssituation geändert wird, von einer Stromregelungsschleife auf eine Spannungsregelungsschleife umgeschaltet wird. Dadurch verringert die Spannungsregelungsschleife die Spannung des Leistungstreibers auf eine Zielspannung, wonach die Belastungssituation geändert werden kann, ohne eine Entladung des Ausgangskondensators auszulösen.
  • Gemäß einigen Ausgestaltungen wird die in den Ausgangskondensatoren gespeicherte Energie zurückgewonnen, indem Energie von den Kondensatoren, die mit dem Ausgang der Leistungsversorgung gekoppelt sind, an den Eingang der Leistungsversorgung rückübertragen wird. In einigen Fällen kann diese Energie an eine(n) mit dem Eingang der LED-Leistungsversorgung gekoppelte(n) Eingangskondensator und/oder Batterie übertragen werden. Diese Übertragung von Energie kann beispielsweise bewerkstelligt werden unter Verwendung einer Rückgewinnungsschaltung, wie beispielsweise einer zweiten Leistungswandlerschaltung, die zu der LED-Leistungsversorgung parallel gekoppelt ist, oder über die in einer Betriebsart im umgekehrten Betrieb arbeitende LED-Leistungsversorgung selbst. Diese und andere Aspekte werden nachfolgend ausführlicher beschrieben.
  • 1 zeigt eine LED-Treiberarchitektur 100, welche einen herkömmlichen LED-Treiber 110 enthält, der geeignet ist, um eine LED-Kette 120 mit Leistung zu versorgen. Wie gezeigt, weist der herkömmliche LED-Treiber 110 einen Ausgang 112 auf, der mit der LED-Kette 120 gekoppelt ist. Eine Strommessschaltung 114 misst den der LED-Kette 120 zugeführten Strom und stellt ein Strom-Rückkopplungssignal 115 bereit, das von dem LED-Treiber 110 verwendet wird, um einen der LED-Kette 120 zugeführten Strom zu regeln. Die Lichtintensität der LED-Kette 112 hängt primär von dem durch die LED-Kette 112 fließenden Strom ab. Dementsprechend verwendet der herkömmliche LED-Treiber 110 das Strom-Rückkopplungssignal 115 dazu, den Strompegel über dem Ausgang 112 aufrecht zu erhalten, um die Helligkeit der LEDs zu regeln.
  • Die Anzahl von LEDs in der LED-Kette 120 kann während des Betriebs des herkömmlichen LED-Treibers 110 dynamisch gerändert werden. Beispielsweise können eine oder mehr der LEDs in der LED-Kette 120 dynamisch überbrückt werden, um die LED-Kette 120 zu verkürzen, wobei die Vorspannung über der LED-Kette 120 in Vorwärtsrichtung unverzüglich verringert wird. Dies bewirkt, dass sich der Ausgangskondensator 116 zumindest teilweise entlädt und eine Stromspitze durch die LED-Kette 120 erzeugt. Aus Sicht der Stromsteuerschleife des LED-Treibers 110 ist es schwierig, die Stromspitze zu verringern, da die Stromspitze relativ schnell auftritt und primär durch die Entladung des Ausgangskondensators 116 zustande kommt und nicht durch die durch dem herkömmlichen LED-Treiber 110 zur Verfügung gestellte Leistung.
  • 2 zeigt einen Graphen einer Stromspitze 206, die über dem Ausgang 112 des herkömmlichen LED-Treibers 110 auftritt, wenn die LED-Kette 120 von vier LEDs auf drei LEDs verkürzt wird. Wie in 2 zu erkennen ist, geht die Ausgangsspannung Vout des LED-Treibers 110 von einer Anfangsspannung 202 in eine Endspannung 204 über. Die Anfangsspannung 202 entspricht in etwa vier LED-Vorwärtsspannungen, und die Endspannung 204 entspricht in etwa drei LED-Vorwärtsspannungen. Die Stromspitze 206 im Ausgangsstrom Iout tritt während des Übergangs von der Ausgangsspannung 202 zu der Endspannung 204 aufgrund der Entladung des Kondensators 116 auf. Ähnliche Probleme können bei anderen Arten von Leistungsversorgungen vorliegen, die schaltbare Lasten dynamisch treiben.
  • Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung mildern Stromspitzen ab, wenn eine Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen dynamisch verkürzt wird, indem eine Stromregelungsschleife verwendet wird, um den Ausgang der Leistungsversorgung unmittelbar vor dem dynamischen Lastereignis zu regeln. Beispielsweise kann die Spannungsregelungsschleife die Ausgangsspannung der Leistungsversorgung weich von einer ersten Spannung, die der Summe der Vorwärtsspannungen der gegenwärtig verbundenen LEDs 120 entspricht, in eine zweite Spannung, die der Summe der Vorwärtsspannungen der LEDs entspricht, nachdem die Kette verkürzt wurde, überführen. Während dieses Spannungsübergangs wird Energie, die in dem Kondensator 116 gespeichert ist, an den Eingang des Leistungswandlungssystems übertragen, wobei Energie zurückgewonnen wird.
  • 3a zeigt ein Beispiel-Leistungsversorgungssystem 300, das eine bidirektionale Leistungsversorgung 310 enthält, die dazu geeignet ist, eine Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen 320 zu treiben. Die Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen 320 kann jede Art von Schaltungselementen (z.B. Dioden, Widerstände, Kondensatoren, etc.), die in Reihe geschaltet sind, enthalten, und sie kann so ausgebildet sein, dass sie während eines dynamischen Lastereignisses dynamisch verkürzt und/oder verlängert werden kann. Gemäß einigen Ausgestaltungen können die in Reihe geschalteten Schaltungselemente 320 auswählbare, in Reihe geschaltete LEDs enthalten. Gemäß alternativen Ausgestaltungen können in Reihe geschaltete Schaltungselemente 320 durch eine schaltbare Last, die Elemente enthält, die nicht in Reihe geschaltet sind, ersetzt werden.
  • Die Steuerschaltung 330 kann bestimmen, wann eine mit der Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen 320 verbundene Belastungssituation dynamisch geändert werden wird, und dann den Betrieb der Leistungsversorgung 310 von einer ersten Betriebsart, in der ein Stromregler 314 verwendet wird, um den Ausgangsstrom Icharge zu regeln, in eine zweite Betriebsart, in der ein Spannungsregler 315 verwendet wird, um die Ausgangsspannung Vout zu regeln, zu überführen. Wie gezeigt, empfängt der Stromregler 314 ein Rückkopplungssignal von einer Strommessschaltung 114, die den Ausgangsstrom der bidirektionalen Leistungsversorgung 310 misst, und der Spannungsregler empfängt ein Signal durch die Überwachung der Ausgangsspannung Vout der bidirektionalen Leistungsversorgung 310. Die Ausgangsspannung Vout kann von dem Spannungsregler 315 direkt überwacht werden, oder über eine Rückkopplungsschaltung, die, beispielsweise, einen Spannungsteiler, einen Optokoppler oder eine andere geeignete Rückkopplungsschaltung enthält. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Spannungsregler 315 indirekte Methoden verwenden, um die Ausgangsspannung Vout zu bestimmen.
  • Der Wechsel des Betriebs zwischen der Stromsteuerung und der Spannungssteuerung wird durch einen Wahlschalter 313 repräsentiert, der unmittelbar vor einem Wechsel einer Belastungssituation umgeschaltet wird. Es versteht sich allerdings, dass jede(s) geeignete Schaltung oder System verwendet werden könnte, um den Betrieb zwischen der Verwendung des Stromreglers 314 und des Spannungsreglers 315 übergehen zu lassen.
  • Bei verschiedenen Ausgestaltungen bilden der Stromregler 314, die bidirektionale Leistungsversorgung 310 und deren zugehörige Rückkopplungsstrecken eine Stromregelungsschleife, und der Spannungsregler 315, die bidirektionale Leistungsversorgung 310 und deren zugehörige Rückkopplungsstrecken bilden eine Spannungsregelungsschleife. Bei dem Stromregler 314 und dem Spannungsregler 315 kann es sich um implementierte Leistungsversorgungssteuerschaltungen handeln, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind, und sie können so aufgebaut sein, dass sie analoge und/oder digitale Schaltungen verwenden. Gemäß einigen Ausgestaltungen können der Stromregler 314 und der Spannungsregler 315 so implementiert sein, dass sie einen Mikrocontroller oder einen anderen Prozessor verwenden. Gemäß einer Ausgestaltung können der Stromregler 314 und der Spannungsregler 315 einen Proportional-Integral-Differential-(PID)-Regler oder Steuerungsalgorithmus implementieren. Alternativ können andere Steuerungsalgorithmen verwendet werden. Es versteht sich ferner, dass sich der Stromregler 314 und der Spannungsregler 315, obwohl der Stromregler 314 und der Spannungsregler 315 als separate Blöcke dargestellt sind, bei einigen Implementierungen Schaltungen teilen können.
  • Während der zweiten Betriebsart kann der Spannungsregler 315 die Ausgangsspannung Vout von einer Anfangsspannung zu einer Zielspannung regeln. Die Zielspannung kann entsprechend der mit der Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen 320 verbunden, künftigen Belastungssituation bestimmt werden. Beispielsweise kann die Zielspannung geringer sein als die Anfangsspannung, wenn die Belastungssituation verringert wird. Umgekehrt kann die Zielspannung höher sein als die Anfangsspannung, wenn die Belastungssituation erhöht wird. Andere Situationen können die Festlegung der Zielspannung ebenso bestimmen. Sobald sich die Ausgabe der Leistungsversorgung 310 innerhalb eines Schwellenwerts der Zielspannung befindet, kann die Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen 320 dynamisch verlängert/verkürzt und/oder die Last geändert werden. Danach kann die Steuerschaltung 330 den Betrieb des Leistungsversorgungssystems 300 von einer Spannungsregelung zurück zu einer Stromregelung ändern. Die Steuerschaltung 330 kann auch die Rekonfiguration von in Reihe geschalteten Schaltungselementen steuern. Bei verschiedenen Ausgestaltungen können die Steuerung der verschiedenen in Reihe geschalteten Schaltungselemente 320, die Bestimmung der Anfangs- und Zielspannung, das Bestimmen, wann die verschiedenen Betriebsarten aktiviert werden, ebenso wie mögliche Schaltungsimplementierungen von Betriebs- und Leistungssteuerschaltungen implementiert werden, wie dies in der gleichzeitig anhängigen U.S. Patentanmeldung Nr. 14/575,125, eingereicht am 18. Dezember 2014, die hierin durch Bezugnahme vollständig eingebunden wird, beschrieben ist.
  • Bei verschiedenen Ausgestaltungen wird der Ausgangskondensator 116, wenn die Zielspannung geringer ist als die Anfangsspannung, entladen, wenn die Spannungsregelungsschleife aktiv ist. Um den Energieverlust aufgrund der Entladung des Kondensators 116 zu verringern, wird die bidirektionale Leistungsversorgung in einer entgegengesetzten Richtung betrieben. Das heißt, Energie wird vom Ausgang der bidirektionalen Leistungsversorgung 310 an einen Knoten Vout an den Eingang der bidirektionalen Leistungsversorgung an einem Knoten Vin2 übertragen. Diese übertragene Energie kann, beispielsweise in einem Kondensator 322, der mit dem Leistungsversorgungsknoten Vin2 gekoppelt ist, gespeichert werden. Alternativ kann Energie von dem Kondensator 116 an eine Batterie oder eine andere Energiespeicherungsvorrichtung übertragen werden.
  • 3b zeigt ein Leistungsversorgungssystem 340 gemäß einer alternativen Ausgestaltung, die einen geregelten Rückwärtsstrom einsetzt, um den Kondensator 116 auf die neue Zielspannung zu entladen, bevor ein Wechsel der Anzahl von Elementen der in Reihe geschalteten Schaltungselemente 320 erfolgt. Während des Betriebs regelt der Stromregler 314 den Strom Icharge an die in Reihe geschalteten Schaltungselemente 320. Vor einem Wechsel der Anzahl von in Reihe geschalteten Schaltungselementen regelt der Stromregler einen Rückwärtsstrom Idischarge, um den Kondensator 116 zu entladen und die Ausgangsspannung Vout zu verringern. Bei verschiedenen Ausgestaltungen kann es sich bei diesem Rückwärtsstrom um einen konstanten oder programmierbaren Strom handeln. Während der Zeit, während der die bidirektionale Leistungsversorgung 310 den Rückwärtsstrom 310 Idischarge erzeugt, überwacht eine Spannungsüberwachung 342 die Ausgangsspannung Vout und informiert die bidirektionale Leistungsversorgung 310, wenn die Zielspannung erreicht ist. Sobald die Zielspannung erreicht ist, fährt die bidirektionale Leistungsversorgung 310 fort, den in Reihe geschalteten Schaltungselementen 320 einen konstanten Vorwärtsstrom Icharge zuzuführen.
  • Bei verschiedenen Ausgestaltungen kann die Spannungsüberwachung 342 so implementiert sein, dass sie Spannungsüberwachungsschaltungen und auf dem Fachgebiet bekannte Verfahren einsetzt. Beispielsweise kann die Spannungsüberwachung 342 bei einigen Ausgestaltungen unter Verwendung eines Komparators implementiert sein, der mit einer Referenzspannung, einem A/D-Wandler oder anderen geeigneten Schaltungen, beispielsweise Verstärkern gekoppelt ist, um die Ausgangsspannung Vout zu überwachen.
  • Die oben beschriebenen Verfahren können dazu verwendet werden, unterschiedliche Leistungsversorgungsarchitekturen zu regeln, die dazu ausgebildet sind, unterschiedliche Lastkonfigurationen zu steuern, einschließlich, beispielsweise, einem LED-Treiber, der dazu ausgebildet ist, eine Kette von LEDs anzusteuern. Beispielsweise zeigt 4 eine Ausgestaltung eines LED-Beleuchtungssystems 400, das einen bidirektionalen Leistungswandler 310 aufweist, der mit einer ansteuerbaren LED-Lastschaltung 406 gekoppelt ist.
  • Bei einer Ausgestaltung enthält der bidirektionale Leistungswandler 310 einen Leistungswandler 402, der dazu ausgebildet ist, Energie von einem Knoten Vin an einen Knoten Vout zu übertragen, und eine zu dem Leistungswandler 402 parallel geschaltete Rückgewinnungsschaltung 404, die dazu ausgebildet ist, Energie in der Rückwärtsrichtung von dem Knoten Vout an den Knoten Vin zu übertragen. Während des Betriebs arbeitet der zur Übertragung von Leistung in der Vorwärtsrichtung ausgebildete Leistungswandler 402, wenn der bidirektionale Leistungswandler 310 in der Stromregelungsbetriebsart einen geregelten Strom bereitstellt, und die Rückgewinnungsschaltung 404 arbeitet, wenn der bidirektionale Leistungswandler 310 in der Spannungsregelungsbetriebsart eine geregelte Spannung bereitstellt. Der Leistungswandler 402 kann unter Verwendung unterschiedlicher Leistungswandler und -topologien implementiert sein. Beispielsweise kann der Leistungswandler 402 unter Verwendung einer Linearstromregler- oder getakteten Leistungsversorgungstopologie einschließlich, aber ohne hierauf beschränkt zu sein, einen Abwärtswandler, einen Aufwärtswandler oder einen Abwärts-Aufwärtswandler verwenden.
  • Die Rückgewinnungsschaltung 404, die für die Übertragung von Energie vom Ausgangskondensator Cout an den Eingang des bidirektionalen Leistungswandlers 310 verantwortlich ist, kann unter Verwendung eines getakteten Leistungswandlers, beispielsweise einem SEPIC ("Single-Ended Primary Inductor Converter"), einem Abwärts-Aufwärtswandler oder einem anderen Wandlertyp, implementiert sein. Während des Betriebs kann der Parallelpfad eines Rückgewinnungsblocks verwendet werden, um den Ausgangskondensator Cout zu entladen, bis eine neue, sichere Ziel-Ausgangsspannung erreicht ist. Sobald der Zielwert erreicht ist, kann die Rückgewinnungsschaltung 404 abgeschaltet werden, wenn der bidirektionale Leistungswandler 310 reaktiviert wird. Die von dem Ausgangskondensator Cout zurückgewonnene Energie kann in einem Eingangskondensator Cin, einer Batterie (nicht gezeigt), oder einer anderen Art von Energiespeichervorrichtung, die mit dem Eingangsknoten Vin gekoppelt ist, gespeichert werden. Bei einigen Ausgestaltungen können die Funktionen des Leistungswandlers 402 und der Rückgewinnungsschaltung 404 in einem einzigen Leistungswandler vereinigt werden, der, wie beispielsweise eine H-Brücke oder ein Abwärts-Aufwärtswandler, auf eine bidirektionale Weise arbeiten kann.
  • Bei verschiedenen Ausgestaltungen weist der Kondensator Cout eine Kapazität zwischen etwa 10 µF und etwa 100 µF auf. Alternativ können, abhängig von der konkreten Ausgestaltungen und deren Spezifikationen, Kapazitäten außerhalb dieses Bereichs verwendet werden.
  • Eine LED-Lastschaltung 406 enthält eine Vielzahl von in Reihe geschalteten LEDs 410, die durch eine entsprechende Vielzahl von Schaltern 409, die durch einen mehrfach-floatenden Schaltertreiber 408 gesteuert werden, verkürzt werden. Bei einigen Ausgestaltungen ist die Schaltereinstellung für jede LED-Einstellung statisch, so dass die Stärke des durch den bidirektionalen Leistungswandler 310 erzeugten, geregelten Stroms die von den LEDs 410 erzeugte Lichtintensität bestimmt. Bei einigen Ausgestaltungen kann die Helligkeit der LEDs 410 außerdem eingestellt werden, indem anstelle von oder zusätzlich zu der Steuerung der Lichtintensität über den geregelten Strom ein PWM-Signal an die Schalter 409 angelegt wird. Der mehrfach-floatende Schaltertreiber 408 kann unter Verwendung von floatende-Schalter-Treiberschaltungen und -systemen, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind, implementiert werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Schaltertreiber 408 um eine eigenständige, von einem Controller 412 separate Vorrichtung handeln. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann der Schaltertreiber 408 über einen digitalen Bus wie beispielsweise einen SPI-Bus mit dem Controller 412 kommunizieren, und/oder er kann über einen Bus 414 mit dem Controller 412 kommunizieren. Bei anderen Ausgestaltungen können der Schaltertreiber und/oder die Schalter 409 auf demselben Halbleitersubstrat wie der Controller 412 angeordnet sein und/oder sie können auf demselben Halbleitersubstrat angeordnet sein, das die Stromregelungs-, Spannungsregelungs- und/oder Spannungsüberwachungsfunktionen von Beispiel-Leistungsversorgungssystemen bereitstellt.
  • Bei verschiedenen Ausgestaltungen steuert der Controller die Schalterkonfiguration der LED-Lastschaltung 406, die verschiedenen von dem bidirektionalen Leistungswandler 310 verwendeten Rückkopplungssteuerungsalgorithmen, sowie die Betriebsart des bidirektionalen Leistungswandlers 310. Der Controller 412 kann außerdem die Schaltsignale für den bidirektionalen Leistungswandler 310 erzeugen. Bei einigen Ausgestaltungen ist der Controller 412 über eine serielle Schnittstelle 416, die beispielsweise unter Verwendung einer SPI-Schnittstelle, und einer I2C-Schnittstelle, einer MIPI/RFFE- oder einer anderen auf dem Fachgebiet bekannten seriellen Schnittstelle implementiert sein kann, mit dem Bus 414 verbunden. Bei alternativen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die serielle Schnittstelle 416 auch unter Verwendung einer parallelen Schnittstelle implementiert sein.
  • Während des Betriebs kann der Controller 412 von dem Bus 414 eine Anfrage erhalten, die Lichtintensität der LEDs 410 zu ändern. Als Reaktion auf diese Anfrage kann der Controller 412 eine neue Schalterkonfiguration für die LED-Lastschaltung 406 und die zugehörigen Anfangs- und Endspannungen, die der Änderung der Schalterkonfiguration entsprechen, festlegen. Wenn beispielsweise die Anzahl von LEDs von fünf in Reihe geschalteten LEDs auf vier in Reihe geschaltete LEDs geändert werden soll, steuert der Controller 412 den bidirektionalen Leistungswandler so, dass er von der Regelung seines Ausgangsstroms auf die Regelung seiner Ausgangsspannung übergeht, auf eine Weise, die einen sanften Übergang von einer Ausgangsspannung, die der Vorwärtsspannung von fünf LEDs entspricht, auf die Vorwärtsspannung von vier LEDs vollzieht. Dieser sanfte Übergang kann ein lineares Spannungsprofil aufweisen, das die Spannung von der Anfangsspannung wirkungsvoll zu der Endspannung laufen lässt. Bei einigen Ausgestaltungen kann diese Übergangsdauer in der Größenordnung von etwa 100 µs liegen; allerdings können, abhängig von dem konkreten System und dessen Spezifikationen, andere Übergangszeiten verwendet werden, um die Spannung von der Anfangsspannung zu der Endspannung laufen zu lassen. Alternativ können andere Spannungsübergangsprofile einschließlich, aber ohne hierauf beschränkt zu sein, exponentielle und abschnittweise lineare Profile verwendet werden.
  • Bei einigen Ausgestaltungen betreibt der Controller 412 den Leistungswandler 310, bevor er die Schaltkonfiguration ändert, nur dann im Spannungsregelungsmodus, wenn die Zielspannung geringer ist als die Anfangsspannung, und erlaubt es, dass der bidirektionale Leistungswandler 310 im Stromregelungsmodus verbleibt, wenn die Zielspannung die Anfangsspannung übersteigt. In anderen Worten, die Spannungsregelungsschleife wird aktiviert, wenn ein erwarteter Abfall der Ausgangsspannung vorliegt. Ein derartiges Steuerungsschema kann beispielsweise in Wellen verwendet werden in denen ein Anstieg der über dem Kondensator Cout ansteigenden Spannung keine(n) Stromspitze und/oder Verlust an Energie bewirkt.
  • Sobald die Ausgangsspannung Vout von der Anfangsspannung auf die Zielspannung übergegangen ist, gibt der Controller 412 einen Befehl oder Steuerungssignale an die LED-Lastschaltung 406 aus, um die Schalterkonfiguration der Schalter 409 zu ändern. Nachdem die Schalterkonfiguration geändert ist, wird die bidirektionale Leistungsversorgung vom Spannungsregelungsmodus zurück in den Stromregelungsmodus geschaltet. Bei Ausgestaltungen, bei denen ein PWM-Signal über den mehrfach-floatenden Schaltertreiber 408 an die Schalter 409 angelegt wird, schaltet der Controller 412 die Betriebsart des bidirektionalen Leistungswandlers 310 vor jeder Änderung der Schalterkonfiguration der Schalter 409 vom Stromregelungsmodus in den Spannungsregelungsmodus, und dann, nachdem die Schalterkonfiguration geändert wurde, zurück in den Stromregelungsmodus.
  • 5 zeigt einen SEPIC-Wandler 500, der verwendet werden kann, um die in 4 gezeigte Rückgewinnungsschaltung 404 zu implementieren. Wie gezeigt enthält weist der SEPIC-Wandler 500 zwei Schalter S1 und S2, zwei Spulen L1 und L2, sowie Kondensatoren C1 und C2 auf, die zwischen einen Versorgungseingangsport 502 und einen Vorsorgungsausgangsport 504 gekoppelt sind. Wenn der SEPIC-Wandler 500 als Energie-Rückgewinnungsschaltung implementiert ist, ist der Versorgungseingangsport 502 mit dem Ausgang des Leistungswandlers 402 verbunden, und der Versorgungsausgangsport 504 ist mit dem Eingang des in 4 gezeigten Leistungswandlers 402 verbunden. Der SEPIC-Wandler 500 kann als Aufwärtswandler angesehen werden, der mit einem Abwärts-Aufwärtswandler kaskadiert ist. Während des Betriebs wird der Schalter S1 eingeschaltet und die Spulen L1 und L2 werden über den Schalter S1 magnetisiert, während der Schalter S2 ausgeschaltet ist. Als nächstes wird der Schalter S1 ausgeschaltet und der Schalter S2, der als Synchrongleichrichter wirkt, wird abgeschaltet. Ströme IL1 und IL2 durch die Spulen L1 und L2 werden über den Schalter S2 an den Ausgangsport umgeleitet.
  • Bei einigen Ausgestaltungen kann der Schalter S2 durch eine Diode ersetzt werden. Bei alternativen Ausgestaltungen, bei denen eine vollständige DC-Isolierung nicht erforderlich ist, kann S2 weggelassen und durch eine direkte Verbindung ersetzt werden. Es versteht sich, dass es sich bei dem SEPIC-Wandler 500 lediglich um ein Beispiel für eine Leistungswandlerschaltung handelt, das verwendet werden kann, um eine Beispiel-Energierückgewinnungsschaltung zu implementieren.
  • 6 zeigt einen bidirektionalen Abwärts-Aufwärtswandler 510, der unter Verwendung einer H-Brücke implementiert ist, die sowohl die Vorwärtswandler- als auch die Energierückgewinnungsfunktion des in 4 gezeigten, bidirektionalen Leistungswandlers 310 durchführt. Wie gezeigt enthält der bidirektionale Abwärts-Aufwärtswandler 510 eine Spule L, die mit einer H-Brücke gekoppelt ist, die aus Schaltern S1, S2, S3 und S4 gebildet ist.
  • Während des Vorwärtsbetriebs sind die Schalter S1 und S4 geschlossen und die Schalter S2 und S3 sind geöffnet, so dass die Spule L magnetisiert wird. Als nächstes werden die Schalter S1 und S4 geschlossen, und die Schalter S2 und S3 werden geöffnet, um zu ermöglichen, dass sich die Spule L entmagnetisiert und dem Ausgangskondensator Cout Strom zuführt. Zum anderen werden die Schalter S2 und S3 während des Rückwärtsbetriebs geschlossen, und die Schalter S1 und S4 werden geöffnet, so dass die Spule L mit Energie, die in dem Ausgangskondensator Cout gespeichert ist, magnetisiert wird. Als nächstes werden die Schalter S2 und S3 geöffnet, und die Schalter S1 und S4 werden geschlossen, um zu ermöglichen, dass sich die Spule L entmagnetisiert und dem Eingangskondensator Cin oder einer anderen mit dem Eingangskondensator Cin gekoppelten Energiespeicherschaltung einen Strom zuführt. Es versteht sich, dass es sich bei dem in 6 gezeigten, H-brückenbasierten bidirektionalen Abwärts-Aufwärtswandler 510 lediglich um ein Beispiel einer Leistungswandlerschaltung handelt, die verwendet werden kann, um einen bidirektionalen Leistungswandler zu implementieren.
  • Bei einigen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können die Schalter S1 und S2 gemäß 4 und die Schalter S1, S2, S3 und S4 gemäß 5 unter Verwendung von Transistoren implementiert sein, die, ohne hierauf beschränkt zu sein, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (MOSFETs), Leistungs-MOSFETs, Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs), Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) wie beispielsweise Galliumnitrid-(GaN)-HEMTs, und Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) enthalten können. Die Auswahl, welcher Transistor verwendet wird, kann entsprechend den Spezifikationen und Spannungspegeln des jeweiligen geplanten Leistungswandlers erfolgen.
  • 7 zeigt ein Blockdiagramm eines Verarbeitungssystems 700, das zur Implementierung der hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren verwendet werden kann. Das Verarbeitungssystem 700 kann einen Prozessor 704, einen Speicher 706 und eine Vielzahl von Schnittstellen 710–714 enthalten, die, wie in 7 gezeigt, angeordnet sein können (oder nicht). Bei dem Prozessor 704 kann es sich um ein beliebiges Bauelement handeln, das dazu in der Lage ist, Berechnungen und/oder andere verarbeitungsbezogene Aufgaben durchzuführen, und bei dem Speicher 706 kann es sich um jedes Bauelement handeln, das dazu in der Lage ist, eine Programmierung und/oder Anweisungen für den Prozessor 704 zu speichern. Bei den Schnittstellen 710–714 kann es sich um jede Komponente oder Sammlung von Komponenten handeln, die es dem Verarbeitungssystem 700 erlaubt, mit anderen Systemen und/oder Vorrichtungen zu kommunizieren. Die Schnittstellen 710–714 können serielle Schnittstellen (z.B. eine SPI-Schnittstelle (SPI = Seriell Peripheral Interface), USB (Universal Seriell Bus), etc.), parallele Schnittstellen, oder eine Kombination hiervon enthalten.
  • Aspekte dieser Offenbarung stellen Verfahren zur Anpassung von Leistungsversorgungen an veränderliche Belastungssituationen bereit. 8 veranschaulicht ein Verfahren 800 zur Anpassung einer Leistungsversorgung an eine veränderliche Belastungssituation und zur Rückgewinnung, wie es durch einen Controller durchgeführt werden könnte. Wie gezeigt beginnt das Verfahren 800 bei einem Schritt 802, bei dem der Controller in einer ersten Betriebsart einen Hinweis auf eine geänderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik einer Leistungsversorgung empfängt, die, über einen Ausgangsport der Leistungsversorgung, einer Last Leistung zuführt. Dies kann beispielsweise als Ergebnis einer Feststellung auftreten, dass sich eine Belastungssituation der Leistungsversorgung zu irgendeinem Punkt in der Zukunft ändern wird. Danach begibt sich das Verfahren 800 zu Schritt 804, in dem der Controller als Reaktion auf den Empfang des Hinweises der geänderten Belastungssituation oder Spannungscharakteristik die Regelung der Leistungsversorgung vom Ausgeben eines Stroms an die Last auf das Beziehen eines Stroms von der Last umschaltet. Bei einigen Ausgestaltungen enthält das Ausgeben eines Stroms an die Last die Verwendung einer Stromregelungsschleife, und das Beziehen eines Stroms von der Last enthält die Verwendung einer Spannungsregelungsschleife. Alternativ kann sowohl für das Ausgeben als auch das Beziehen eines Stroms an die und von der Last eine Stromregelungsschleife verwendet werden. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird die Ausgangsspannung der Leistungsversorgung überwacht, so dass die Leistungsversorgung Strom von der Last bezieht, bis die Ausgangsspannung einen Schwellenwert erreicht und erneut ein Strom an die Last ausgegeben wird. Bei Schritt 806 wird, während sich das System in der zweiten Betriebsart befindet, die Leistungsversorgung so gesteuert, dass Energie von dem Ausgangsport der Leistungsversorgung an einen Eingangsport der Leistungsversorgung übertragen wird.
  • Hier werden Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zusammengefasst. Andere Ausgestaltungen können außerdem aus der Gesamtheit der hierin eingereichten Beschreibung und der Ansprüche verstanden werden. Ein allgemeiner Aspekt enthält ein Verfahren, das das Empfangen eines Hinweises auf eine geänderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik einer Leistungsversorgung, die einer Last über einen Ausgangsport der Leistungsversorgung Leistung zuführt, in einer ersten Betriebsart enthält, und, als Reaktion auf den Empfang des Hinweises der geänderten Belastungssituation oder Spannungscharakteristik, das Umschalten der Regelung der Leistungsversorgung von der Ausgabe eines Stroms an die Last in der ersten Betriebsart auf das Beziehen des Stroms von der Last in einer zweiten Betriebsart. Das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart enthält das Steuern der Leistungsversorgung zur Übertragung von Energie von dem Ausgangsport der Leistungsversorgung an den Eingangsport der Leistungsversorgung.
  • Implementierungen können eines oder mehr der folgenden Merkmale enthalten. Das Verfahren, bei dem die Last eine Kette von in Reihe geschalteten Elementen aufweist, die während einer ersten Periode eine erste Anzahl von Schaltungselementen enthält; und wobei der Hinweis auf die geänderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik empfangen wird, bevor zu Beginn einer zweiten Periode eine Länge der Kette der in Reihe geschalteten Schaltungselemente von der ersten Anzahl von Schaltungselementen auf eine zweite Anzahl von Schaltungselementen geändert wird. Die Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen kann eine Kette von Leuchtdioden (LEDs) enthalten, die zu Beginn der zweiten Periode von einer ersten Anzahl von LEDs auf eine zweite Anzahl von LEDs verkürzt wird. Bei einigen Ausgestaltungen enthält das Verfahren außerdem das Umschalten der Regelung der Leistungsversorgung zurück zum Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart, nachdem die Länge der Kette von in Reihe geschalteten Elementen von der ersten Anzahl von Schaltungselementen auf die zweite Anzahl von Schaltungselementen geändert wurde.
  • Bei einigen Ausgestaltungen enthält das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart das Umschalten eines Ausgangs der Leistungsversorgung von einer Anfangsspannung auf eine Zielspannung. Die Zielspannung kann kleiner sein als die Anfangsspannung und das Verfahren kann außerdem das Entladen eines Kondensators enthalten, der mit dem Ausgangsport der Leistungsversorgung gekoppelt ist, wenn die Ausgabe der Leistungsversorgung von der Anfangsspannung auf die Zielspannung geändert wird.
  • Die Leistungsversorgung kann eine bidirektionale Leistungsversorgung enthalten, so dass das Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart den Betrieb der bidirektionalen Leistungsversorgung in einer ersten Richtung enthält, und das Ausgeben des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart den Betrieb der bidirektionalen Leistungsversorgung in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung enthält. Bei einigen Ausgestaltungen enthält die bidirektionale Leistungsversorgung einen ersten Leistungswandler, der zu einem zweiten Leistungswandler parallel geschaltet ist, wobei der Betrieb der bidirektionalen Leistungsversorgung in der ersten Richtung den Betrieb eines ersten Leistungswandlers in der ersten Richtung enthält, und der Betrieb der bidirektionalen Leistungsversorgung in der zweiten Richtung den Betrieb des zweiten Leistungswandlers in der zweiten Richtung enthält. Bei einer Ausgestaltung enthält der zweite Leistungswandler einen SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter).
  • Bei einer Ausgestaltung enthält das Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart die Verwendung einer Stromregelungsschleife, um den Strom in einer ersten Richtung zu regeln; und das Beziehen des Stroms von der Last enthält das Überwachung einer Spannung des Ausgangsports der Leistungsversorgung, das Vergleichen der überwachten Spannung mit einem Schwellenwert, und die Verwendung einer Stromregelungsschleife, um den Strom in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zu regeln, bis die überwachte Spannung den Schwellenwert erreicht. Das Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart kann die Verwendung einer Stromregelungsschleife enthalten, um den Strom in einer ersten Richtung zu regeln, und das Beziehen des Stroms von der Last kann die Verwendung einer Spannungsregelungsschleife enthalten, um eine Spannung des Ausgangsports der Leistungsversorgung zu regeln.
  • Ein weiterer allgemeiner Aspekt enthält eine Vorrichtung, die einen Port aufweist, der dazu ausgebildet ist, einen Hinweis auf eine veränderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik einer Leistungsversorgung zum empfangen, die in einer ersten Betriebsart einer Last über einen Ausgang der Leistungsversorgung Leistung zuführt, und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf den Empfang des Hinweises der veränderten Belastungssituation oder Spannungscharakteristik die Regelung der Leistungsversorgung vom Ausgeben eines Stroms an die Last in der ersten Betriebsart auf das Beziehen des Stroms von der Last ein einer zweiten Betriebsart umzuschalten. Das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart umfasst das Steuern der Leistungsversorgung, um Energie von dem Ausgangsport der Leistungsversorgung an den Eingangsport der Leistungsversorgung zu übertragen.
  • Implementierungen können ein oder mehr der folgenden Merkmale aufweisen. Die Vorrichtung, wobei die Last während einer ersten Periode eine Kette von in Reihe geschalteten Elementen, die eine erste Anzahl von Schaltungselementen besitzt, aufweist, und der Hinweis auf die veränderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik empfangen wird, bevor zu Beginn einer zweiten Periode eine Länge der Kette von in Reihe geschalteten Elementen von der ersten Anzahl von Schaltungselementen zu einer zweiten Anzahl von Schaltungselementen geändert wird. Bei einigen Ausgestaltungen enthält die Kette von in Reihe geschalteten Elementen eine Kette von Leuchtdioden (LEDs), die zu Beginn der zweiten Periode von einer ersten Anzahl von LEDs auf eine zweite Anzahl von LEDs verkürzt wird. Der Controller kann außerdem dazu ausgebildet sein, die Regelung der Leistungsversorgung zurück zum Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart zu schalten, nachdem die Länge der Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen von der ersten Anzahl von Schaltungselementen auf die zweite Anzahl von Schaltungselementen geändert wurde.
  • Bei einigen Ausgestaltungen ist das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart so ausgestaltet, dass ein Ausgang der Leistungsversorgung von einer Anfangsspannung auf eine Zielspannung geladen wird. Die Leistungsversorgung kann eine bidirektionale Leistungsversorgung enthalten, das Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart kann das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in einer ersten Richtung enthalten, und das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart kann das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung enthalten. Bei einer weiteren Ausgestaltung enthält die bidirektionale Leistungsversorgung einen ersten Leistungswandler, der zu einem zweiten Leistungswandler parallel gekoppelt ist; das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in der ersten Richtung enthält das Betreiben eines ersten Spannungswandlers in der ersten Richtung; und das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in der zweiten Richtung enthält das Betreiben des zweiten Leistungswandlers in der zweiten Richtung. Der zweite Leistungswandler kann einen SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) enthalten.
  • Bei einer Ausgestaltung enthält der Controller eine Spannungsüberwachungsschaltung, die mit einem Ausgangsport der Leistungsversorgung gekoppelt ist. Die Spannungsüberwachungsschaltung ist dazu ausgebildet, eine Spannung an dem Ausgangsport der Leistungsversorgung zu überwachen und die überwachte Spannung mit einem Schwellenwert zu vergleichen. Der Controller enthält außerdem einen Stromregler, der dazu ausgebildet ist, in der ersten Betriebsart den Strom an die Last zu regeln, und der dazu ausgebildet ist, in der zweiten Betriebsart das Beziehen des Stroms von der Last zu regeln, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, von der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart zu wechseln, wenn die überwachte Spannung den Schwellenwert erreicht. Bei einigen Ausgestaltungen enthält der Controller einen Stromregler, der dazu ausgebildet ist, in der ersten Betriebsart den Strom an die Last zu regeln, und einen Spannungsregler, der dazu ausgebildet ist, in der zweiten Betriebsart eine Spannung des Ausgangsports der Leistungsversorgung zu regeln.
  • Ein weiterer allgemeiner Aspekt enthält ein Leistungsversorgungssystem, das aufweist: Einen bidirektionalen Leistungswandler, der einen Ausgangsport aufweist, der so ausgebildet ist, dass er mit in Reihe geschalteten Leuchtdioden (LEDs) gekoppelt werden kann, und einen Controller, der mit dem bidirektionalen Leistungswandler gekoppelt ist. Der Controller enthält eine Stromregelungsschleife, die dazu ausgebildet ist, einen Strom an dem Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers während einer Stromregelungsbetriebsart zu regeln, und eine Spannungsregelungsschleife, die dazu ausgebildet ist, eine Spannung an dem Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers während einer Spannungsregelungsbetriebsart zu regeln. Bei verschiedenen Ausgestaltungen ist der Controller dazu ausgebildet, die Betriebsarten auf den Empfang eines Hinweises hin, dass sich eine Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs von einer ersten Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs auf eine zweite Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs ändert, von der Stromregelungsbetriebsart in die Spannungsregelungsbetriebsart zu schalten. Veranlassen des bidirektionalen Leistungswandlers, während der Stromregelungsbetriebsart Leistung in einer ersten Richtung von einem Eingangsport des bidirektionalen Leistungswandlers an einen Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers zu übertragen; und Veranlassen des bidirektionalen Leistungswandlers, während der Spannungsregelungsbetriebsart Leistung in einer zweiten Richtung von dem Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers an den Eingangsport des bidirektionalen Leistungswandlers zu übertragen.
  • Implementierungen können eines oder mehr der folgenden Merkmale aufweisen. Das Leistungsversorgungssystem, wobei die erste Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs größer ist, als die zweite Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs. Bei einigen Ausgestaltungen enthält das System außerdem die in Reihe geschalteten LEDs, sowie einen Kondensator, der parallel zu den in Reihe geschalteten LEDs gekoppelt ist.
  • Bei einigen Ausgestaltungen umfasst der bidirektionale Leistungswandler einen H-Brückenwandler. Bei anderen Ausgestaltungen umfasst der bidirektionale Leistungswandler einen ersten Leistungswandler, der dazu ausgebildet ist, Leistung von dem Eingangsport des bidirektionalen Leistungswandlers an den Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers zu übertragen; und einen zweiten Leistungswandler, der parallel zu dem ersten Leistungswandler gekoppelt ist, wobei der zweite Leistungswandler dazu ausgebildet ist, Leistung von dem Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers an den Eingangsport des bidirektionalen Leistungswandlers zu übertragen. Der zweite Leistungswandler kann beispielsweise unter Verwendung eines SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) implementiert sein.
  • Vorteile von Ausgestaltungen enthalten die Fähigkeit einer LED-Leistungsversorgung, eine Anzahl von in Reihe geschalteten LED-Segmenten auf eine Weise dynamisch zu ändern, die wünschenswerte Stromspitzen verhindert. Ein weiterer Vorteil enthält die Fähigkeit, Energie von dem Ausgangskondensator der Leistungsversorgung wiederzugewinnen, wenn die Leistungsversorgung einen Übergang zwischen Ausgangsspannungen vollzieht.

Claims (27)

  1. Verfahren, das aufweist: Empfangen eines Hinweises auf eine veränderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik einer Leistungsversorgung, die in einer ersten Betriebsart über einen Ausgangsport der Leistungsversorgung Leistung an eine Last ausgibt; und Umschalten der Regelung der Leistungsversorgung vom Ausgeben eines Stroms an die Last in der ersten Betriebsart auf das Beziehen des Stroms von der Last in einer zweiten Betriebsart als Reaktion auf den Empfang des Hinweises auf die veränderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik, wobei das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart das Steuern der Leistungsversorgung zur Übertragung von Energie von einem Ausgangsport der Leistungsversorgung an einen Eingangsport der Leistungsversorgung umfasst.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Last eine Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen aufweist, die während einer ersten Periode eine erste Anzahl von Schaltungselementen aufweist; und der Hinweis auf die veränderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik empfangen wird, bevor zu einem Beginn einer zweiten Periode eine Länge der Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen von der ersten Anzahl von Schaltungselementen auf eine zweite Anzahl von Schaltungselementen geändert wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen eine Kette von Leuchtdioden (LEDs) aufweist, die zu Beginn der zweiten Periode von einer ersten Anzahl von LEDs auf eine zweite Anzahl von LEDs verkürzt wird.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 2, das ferner aufweist: Zurückschalten der Regelung der Leistungsversorgung zum Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart, nachdem die Länge der Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen von der ersten Anzahl von Schaltungselementen auf die zweite Anzahl von Schaltungselementen geändert wurde.
  5. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart das Ändern einer Ausgabe der Leistungsversorgung von einer Anfangsspannung auf eine Zielspannung enthält.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei: die Zielspannung geringer ist als die Anfangsspannung; und das Verfahren außerdem das Entladen eines mit dem Ausgangsport der Leistungsversorgung gekoppelten Kondensators umfasst, wenn die Ausgabe der Leistungsversorgung von der Anfangsspannung auf die Zielspannung geändert wird.
  7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die Leistungsversorgung eine bidirektionale Leistungsversorgung aufweist; das Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in einer ersten Richtung umfasst; und das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung umfasst.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei: die bidirektionale Leistungsversorgung einen ersten Leistungswandler aufweist, der parallel zu einem zweiten Leistungswandler gekoppelt ist; das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in der ersten Richtung das Betreiben des ersten Leistungswandlers in der ersten Richtung umfasst; und das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in der zweiten Richtung das Betreiben des zweiten Leistungswandlers in der zweiten Richtung umfasst.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der zweite Leistungswandler einen SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) umfasst.
  10. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: das Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart die Verwendung einer Stromregelungsschleife zur Regelung des Stroms in einer ersten Richtung umfasst; und das Beziehen des Stroms von der Last aufweist Überwachen einer Spannung des Ausgangsports der Leistungsversorgung, Vergleichen der überwachten Spannung mit einem Schwellenwert, und Verwenden einer Stromregelungsschleife, um den Strom in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zu regeln, bis die überwachte Spannung den Schwellenwert erreicht.
  11. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart die Verwendung einer Stromregelungsschleife zum Regeln des Stroms in einer ersten Richtung umfasst; und das Beziehen des Stroms von der Last die Verwendung einer Spannungsregelungsschleife zum Regeln einer Spannung des Ausgangsports der Leistungsversorgung umfasst.
  12. Vorrichtung, die aufweist: einen Port, der dazu ausgebildet ist, einen Hinweis auf eine veränderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik einer Leistungsversorgung, die in einer ersten Betriebsart einer Last über einen Ausgangsport der Leistungsversorgung Leistung zuführt, zu empfangen; und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf den Empfang des Hinweises auf die veränderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik die Regelung der Leistungsversorgung vom Ausgeben eines Stroms an die Last in der ersten Betriebsart auf das Beziehen des Stroms von der Last in einer zweiten Betriebsart zu schalten, wobei das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart das Steuern der Leistungsversorgung derart umfasst, dass Leistung von einem Ausgangsport der Leistungsversorgung an einen Eingangsport der Leistungsversorgung übertragen wird.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Last eine Kette von in Reihe geschalteten Elementen aufweist, die während einer ersten Periode eine erste Anzahl von Schaltungselementen aufweist; und der Hinweis auf die veränderte Belastungssituation oder Spannungscharakteristik empfangen wird, bevor zu einem Beginn einer zweiten Periode eine Länge der Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen von der ersten Anzahl von Schaltungselementen auf eine zweite Anzahl von Schaltungselementen geändert wird.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen eine Kette von Leuchtdioden (LEDs) aufweist, die zu Beginn der zweiten Periode von einer ersten Anzahl von LEDs auf eine zweite Anzahl von LEDs verkürzt wird.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der Controller ferner dazu ausgebildet ist, die Regelung der Leistungsversorgung zurück zum Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart zu schalten, nachdem die Länge der Kette von in Reihe geschalteten Schaltungselementen von der ersten Anzahl von Schaltungselementen auf die zweite Anzahl von Schaltungselementen geändert wurde.
  16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart so ausgebildet ist, dass ein Ausgang der Leistungsversorgung von einer Anfangsspannung auf eine Zielspannung geladen wird.
  17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei: die Leistungsversorgung eine bidirektionale Leistungsversorgung aufweist; das Ausgeben des Stroms an die Last in der ersten Betriebsart das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in einer ersten Richtung umfasst; und das Beziehen des Stroms von der Last in der zweiten Betriebsart das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung umfasst.
  18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei: die bidirektionale Leistungsversorgung einen ersten Leistungswandler aufweist, der parallel zu einem zweiten Leistungswandler gekoppelt ist; das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in der ersten Richtung das Betreiben des ersten Leistungswandlers in der ersten Richtung umfasst; und das Betreiben der bidirektionalen Leistungsversorgung in der zweiten Richtung das Betreiben des zweiten Leistungswandlers in der zweiten Richtung umfasst.
  19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei der zweite Leistungswandler einen SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) aufweist.
  20. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei der Controller aufweist: eine Spannungsüberwachungsschaltung, die mit dem Ausgangsport der Leistungsversorgung gekoppelt ist, wobei die Spannungsüberwachungsschaltung dazu ausgebildet ist, eine Spannung an dem Ausgangsport der Leistungsversorgung zu überwachen und die überwachte Spannung mit einem Schwellenwert zu vergleichen; und einen Stromregler, der dazu ausgebildet ist, in der ersten Betriebsart den Strom an die Last zu regeln und der dazu ausgebildet ist, in der zweiten Betriebsart das Beziehen des Stroms von der Last zu regeln, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, von der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart überzugehen, wenn die überwachte Spannung den Schwellenwert erreicht.
  21. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei der Controller aufweist: einen Stromregler, der dazu ausgebildet ist, in der ersten Betriebsart den Strom an die Last zu regeln; und einen Spannungsregler, der dazu ausgebildet ist, in der zweiten Betriebsart eine Spannung an dem Ausgangsport der Leistungsversorgung zu regeln.
  22. Leistungsversorgungssystem, das aufweist: einen bidirektionalen Leistungswandler, der einen Ausgangsport aufweist, der so ausgebildet ist, dass er mit in Reihe geschalteten Leuchtdioden (LEDs) gekoppelt werden kann; und einen Controller, der mit dem bidirektionalen Leistungswandler gekoppelt ist, wobei der Controller aufweist: eine Stromregelungsschleife, die dazu ausgebildet ist, während einer Stromregelungsbetriebsart einen Strom am Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers zu regeln, und eine Spannungsregelungsschleife, die dazu ausgebildet ist, während einer Spannungsregelungsbetriebsart eine Spannung an dem Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers zu regeln; wobei der Controller dazu ausgebildet ist, auf den Empfang eines Hinweises hin, dass eine Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs von einer ersten Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs auf eine zweite Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs geändert wird, die Betriebsarten von der Stromregelungsbetriebsart auf die Spannungsregelungsbetriebsart umzuschalten, den bidirektionalen Leistungswandler dazu zu veranlassen, während der Stromregelungsbetriebsart Leistung in einer ersten Richtung von einem Eingangsport des bidirektionalen Leistungswandlers an einen Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers zu übertragen, und den bidirektionalen Leistungswandler dazu zu veranlassen, während der Spannungsregelungsbetriebsart Leistung in einer zweiten Richtung von dem Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers an den Eingangsport des bidirektionalen Leistungswandlers zu übertragen.
  23. Leistungsversorgungssystem gemäß Anspruch 22, wobei die erste Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs größer ist als die zweite Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs.
  24. Leistungsversorgungssystem gemäß Anspruch 22 oder 23, das ferner aufweist: die in Reihe geschalteten LEDs; und einen Kondensator, der parallel zu den in Reihe geschalteten LEDs gekoppelt ist.
  25. Leistungsversorgungssystem gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei der bidirektionale Leistungswandler einen H-Brückenwandler aufweist.
  26. Leistungsversorgungssystem gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei der bidirektionale Leistungswandler aufweist: einen Leistungswandler, der dazu ausgebildet ist, Leistung von dem Eingangsport des bidirektionalen Leistungswandlers an den Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers zu übertragen; und einen zweiten Leistungswandler, der zu dem ersten Leistungswandler parallel gekoppelt ist, wobei der zweite Leistungswandler dazu ausgebildet ist, Leistung von dem Ausgangsport des bidirektionalen Leistungswandlers an den Eingangsport des bidirektionalen Leistungswandlers zu übertragen.
  27. Leistungsversorgungssystem gemäß Anspruch 26, wobei der zweite Leistungswandler einen SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) aufweist.
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