DE102020116107A1

DE102020116107A1 - Linearstufen-effizienztechniken für h-brückensysteme

Info

Publication number: DE102020116107A1
Application number: DE102020116107.7A
Authority: DE
Inventors: Fu Sun; Xiaohua Su; Stephen Todd VAN DUYNE; Yanfeng Lu; Mathew Todd Wich
Original assignee: Analog Devices International ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2020-12-31
Also published as: US20200409400A1; KR20210002333A; US11194356B2; CN112152422A

Abstract

Techniken für den effizienten Betrieb einer Linearstufe in einem H-Brückensystem werden bereitgestellt. Gemäß einem Beispiel kann eine Linearstufe zwischen Spannungsregelung und Stromregelung über einen Bereich eines Befehlssignals umschalten. Der bestimmte Regelungsmodus kann von dem Regelungsmodus einer Schaltstufe des H-Brückensystems abhängen. Effizienz kann durch das Verwenden einer Stromregelung der Linearstufe realisiert werden, wenn sich die Ausgangsspannung der Linearstufe von der Spannung einer Versorgungsschiene wegbewegt. Ein derartiges Steuerschema kann die Spannung an der Linearstufe für einen größeren Bereich des Befehlssignals reduzieren, was zu weniger Wärmeableitung der Linearstufe im Vergleich zu einer herkömmlichen Steuerung von H-Brücken-Linearstufen führt.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorzug der Priorität gegenüber Sun et al., vorläufige US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer: 62/868,329 mit dem Titel LINEAR STAGE EFFICIENCY TECHNIQUES FOR H-BRIDGE SYSTEMS, eingereicht am 28 Juni 2019, und der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer: 16/886,451, mit dem Titel LINEAR STAGE EFFICIENCY TECHNIQUES FOR H-BRIDGE SYSTEMS, eingereicht am 28. Mai 2020, die hiermit beide in ihrer Gänze durch Bezugnahme aufgenommen sind.
TECHNISCHES GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft Techniken zum Stromsparen und insbesondere Leistungsverlustmanagementtechniken für eine lineare Leistungsstufe von H-Brückensystemen .
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
H-Brückensysteme können unter anderem gestatten, dass eine Last unter Verwendung einer bipolaren Spannung oder eines bipolaren Stroms angesteuert wird, wenn nur eine Stromquelle mit einzelner Polarität zur Verfügung steht. Ein derartiges System kann eine erste Leistungsstufe aufweisen, die an einem ersten Versorgungsanschluss der Last gekoppelt ist, und eine zweite Leistungsstufe, die an einen zweiten Versorgungsanschluss der Last gekoppelt ist. Obwohl die Ausgangsspannung jedes Anschlusses auf eine gemeinsame Spannung wie etwa Masse bezogen ist, kann eine koordinierte Steuerung der beiden Leistungsstufen gestatten, dass die Last eine bipolare Spannung empfängt. Schaltleistungsstufen bzw. geschaltete Leistungsstufen können eine sehr gute Effizienz im Vergleich zu Linearleistungsstufen bzw. linearen Leistungsstufen bieten, die eine Spannung durch Abfallen einer Spannung, an einem aktiven oder passiven resistiven Element regeln, was Strom verbraucht. Geschaltete Leistungsstufen können jedoch eine wellige Ausgangsspannung erzeugen und können komplexer, voluminöser und aufwändiger sein als vergleichbare lineare Leistungsstufen. Außerdem liefern geschaltete Leistungsstufen im Vergleich zu einer linearen Leistungsstufe keinen vollständigen Ausgangsspannungsbereich.
Figurenliste
In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, können gleiche Zahlen in verschiedenen Ansichten ähnliche Komponenten beschreiben. Gleiche Zahlen mit verschiedenen Buchstabensuffixen können verschiedene Instanzen von ähnlichen Komponenten darstellen. Die Zeichnungen veranschaulichen allgemein beispielhaft, aber nicht als Beschränkung, verschiedene in dem vorliegenden Dokument erörterte Ausführungsformen.

1A veranschaulicht ein beispielhaftes H-Brückensystem gemäß dem vorliegenden Gegenstand.
1B veranschaulicht grafisch eine Differenzspannungsantwort eines beispielhaften H-Brückensystems bezüglich eines Befehlssignals und ein Diagramm der Ausgangsspannung jedes Treibers bezüglich des Befehlssignals.
1C veranschaulicht grafisch den Leistungsverlust der Linearstufe des beispielhaften H-Brückensystems für eine resistive Last bei Betrieb bezüglich des Diagramms von 1B.
2 veranschaulicht allgemein eine beispielhafte lineare Leistungsstufe für ein beispielhaftes H-Brückensystem wie etwa unter anderem das H-Brückensystem von 1.
3A und 3B veranschaulichen grafisch die Differenz zwischen Leistungsverlust eines unkompensierten H-Brückensystems und dem beispielhaften H-Brückensystem von 1 unter Verwendung einer Linearstufe gemäß dem Beispiel von 2.
4 veranschaulicht allgemein ein H-Brückensystem mit einer beispielhaften linearen Leistungsstufe oder einem beispielhaften Leistungswandler gemäß dem vorliegenden Gegenstand.
5A und 5B veranschaulichen einen Vergleich der Leistungsverlust- und Spannungskennlinie des Beispiels von 4 bei Betrieb eines unkompensierten H-Brückensystems mit einem Linearleistungswandler.
6 veranschaulicht allgemein ein beispielhaftes H-Brückensystem gemäß dem vorliegenden Gegenstand.
7A-7D veranschaulichen grafisch Transferfunktionen der beispielhaften Schaltung von 6 unter verschiedenen Lastbedingungen und enthalten die Ausgangsspannung der Linearstufe und die Ausgangsspannung der Schaltstufe bezüglich des Befehlssignals.
8 veranschaulicht allgemein ein beispielhaftes Verfahren des Betreibens eines H-Brückensystems gemäß dem vorliegenden Gegenstand.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass einige Ansätze zu einer H-Brückenschaltung eine Kombination aus einem geschalteten Leistungswandler und einem Linearleistungswandler in einer H-Brückenausbildung nutzen können. Eine derartige Umsetzung kann jedoch eine signifikante Menge an Leistung in dem Linearleistungswandler unnötig ableiten, wodurch eine Gelegenheit zur Verbesserung bleibt. Der vorliegende Gegenstand liefert Techniken zum Verbessern der Effizienz der Linearstufe durch besseres Steuern des Leistungsverlusts des Linearleistungswandlers.
1A veranschaulicht ein beispielhaftes H-Brückensystem 100 gemäß dem vorliegenden Gegenstand. Das System 100 kann an eine Last 101 gekoppelt sein. Das System 100 kann eine erste Leistungsstufe 102 und eine zweite Leistungsstufe 103 enthalten. In gewissen Beispielen kann eine Leistungsstufe auch als ein Leistungswandler, eine Ansteuerung, ein Regler usw. bezeichnet werden. In gewissen Beispielen kann eine der ersten oder zweiten Leistungsstufe 102, 103 eine Linearreglerleistungsstufe („Linearstufe“) enthalten, wie sie eine Versorgungsspannung durch Steuern eines Spannungsabfalls an einem aktiven oder passiven resistiven Reglungselement regeln kann. Das H-Brückensystem 100 kann ausgebildet sein wie in 1A gezeigt, so dass es die an eine erste von zwei Leistungsanschlüssen der Last 101 gekoppelte Linearstufe 102 aufweist und die an den anderen der beiden Leistungsanschlüsse der Last 101 gekoppelte Schaltstufe 103 aufweist. Diese Ausbildung, wie in etwa in 1A gezeigt, kann gestatten, dass die Last 101 mit einem Bereich von Differenzspannungen (z.B. V₁ - V₂) angesteuert wird, wie etwa während des Verwendens einer Stromversorgung (V_IN) mit einzelner Polarität. Ein weiterer Ansatz könnte zwei Schaltstufen verwenden, was sehr effizient sein kann, was aber möglicherweise Ausgangswelligkeitsanforderungen nicht erfüllt. Außerdem können Schaltstufen eine reaktive Komponente wie etwa einen Induktor enthalten, was die Komplexität und den Aufwand erhöhen kann. Der in 1A gezeigte H-Brückensystemansatz kann eine der Schaltstufen mit einer preiswerten und weniger komplexen Linearstufe 102 ersetzen, was sehr ineffizient sein kann, wie etwa in einer Anwendung, die einen großen Spannungsabfall an einer der regelnden aktiven Widerstände, wie etwa durch Ausgangstransistoren der Linearstufe 102 bereitgestellt, involviert. Ein größerer Spannungsabfall an einem aktiven Ausgangstransistor kann zu einem signifikanten Leistungsverlust innerhalb der Linearstufe 102 führen, so dass die Leistung, die an die Last 101 geliefert wird, dorthin weniger effizient geliefert wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Techniken zum Verbessern der Effizienz einer linearen Leistungsstufe 102 in einem H-Brückensystem erkannt. Die Effizienz eines H-Brückensystems kann verbessert werden, indem die durch den ersten und zweiten Leistungswandler 102, 103 abgeführte Leistungsmenge reduziert wird. Beispielsweise kann ein Leistungsverlust in einer Linearstufe 102 geschätzt werden, wie etwa auf Basis der Spannung an dem aktiven Ausgangstransistor der Linearstufe 102 und des durch die Linearstufe 102 an die Last 101 gelieferten Stroms. In gewissen Beispielen kann die Last 101, die in einem H-Brückensystem 100 enthalten oder daran gekoppelt ist, unter anderem eine resistive Last wie etwa eine Heizung oder Licht, einen Motor, eine thermoelektrische Einrichtung oder eine beliebige Kombination davon enthalten.
Beispielsweise kann jede Leistungsstufe 102, 103 des H-Brückensystems 100 dazu ausgebildet sein, ein steuerndes Befehlssignal (CMD) zu empfangen. Eine oder jede der Leistungsstufen 102, 103 kann ausgelegt sein, eine Transferfunktion zu haben, die von dem Wert des Befehlssignals (CMD) abhängt. Beispielsweise kann das Befehlssignal (CMD) eine bestimmte Ausgangsspannung zur Lieferung am Ausgang der Linearstufe 102 spezifizieren. Für die Schaltstufe 103 kann das Befehlssignal (CMD) eine bestimmte Differenzspannung zum Anlegen an die Last 101 spezifizieren oder kann in einem Stromregelungsmodus arbeiten. Eine derartige Steuerung kann gestatten, dass eine nichtlineare Last 101, wie etwa eine thermoelektrische Einrichtung, auf ungefähr lineare Weise angesteuert wird.
1B veranschaulicht grafisch eine Differenzspannungsantwort 150 eines beispielhaften H-Brückensystems bezüglich eines Befehlssignals (CMD) und ein Diagramm der Ausgangsspannung (V1, V2) der jeweiligen Linear- und Schaltstufe bezüglich des Befehlssignals. 1 kann ein H-Brückensystem ohne Leistungskompensation darstellen, ist aber nicht darauf beschränkt. 1C veranschaulicht grafisch ein Beispiel des Leistungsverlusts 151 der Linearstufe eines H-Brückensystems für eine resistive Last bei Betrieb gemäß dem, was in 1B gezeigt ist. Wie in den 1B-1C gezeigt, führt die Linearstufe des H-Brückensystems wenig, falls überhaupt, Leistung ab, wenn der Ausgang (V1) der Linearstufe auf Masse oder auf die Versorgungsspannung (V_IN) der Linearversorgung festgesetzt ist. Die Linearstufe kann mindestens für eine resistive Last ebenfalls sehr wenig Leistungsverlust zeigen, wenn die Differenzspannung an der resistiven Last bei oder nahe null Volt ist (z.B. wenn CMD = CMD₀). Im Allgemeinen kann der Leistungsverlust der Linearstufe durch das Produkt aus dem Strom an dem Ausgang der Linearstufe und der Spannung an dem regelnden aktiven Ausgangstransistor der Linearstufe dargestellt werden.
2 veranschaulicht allgemein ein Beispiel einer linearen Leistungsstufe 202, wie sie etwa in dem H-Brückensystem 100 von 1 enthalten sein kann. Beispielsweise kann die lineare Leistungsstufe 202 einen Leistungsverstärker 210, eine Anzahl von Verstärkungswiderständen (R, n·R) und ein Paar von Leistungsbegrenzungsschaltungen 211, 212, an ein Rückkopplungsnetzwerk des Leistungsverstärkers 210 gekoppelt, enthalten. Jede Leistungsbegrenzungsschaltung 211, 212 kann eine Vergleicherschaltung 213, 214 und eine Stromquelle 215, 216 enthalten. Die Verstärkungswiderstände können dahingehend arbeiten, die Antwort der Linearstufe 202 derart zu formen, dass die Steigung ihrer Spannungsantwort, während die Linearstufe 202 die Hälfte der Versorgungsspannung (z.B. V_IN/2) liefert, steiler ist als die der unkompensierten Antwort im gleichen Gebiet. Die Steigung der Spannungsantwort der Linearstufe 202 kann auch durch die Leistungsbegrenzungsschaltungen 211, 212 geformt werden, wie etwa zum Reduzieren der Antwortsteigung der Linearstufe 202, wenn sich die Ausgangsspannung (V1) der Linearstufe 202 nahe der Versorgungsspannung (V_IN) oder nahe Masse befindet. Eine feste oder verstellbare Referenzspannung (V_REF) kann optional an den nichtinvertierenden Eingang des Leistungsverstärkers 210 angelegt werden, wie etwa um ein Offset bezüglich des Befehlssignals (CMD) zu liefern.
Wie oben erörtert, können die Strombegrenzungsschaltungen 211, 212 dahingehend arbeiten, die Steigung der Antwort der Linearstufe 202 zu lockern, wie etwa wenn sich die Ausgangsspannung (V1) der Linearstufe nahe einer der Versorgungsschienen (V_IN, Masse) befindet, als Beispiel. Jede Leistungsbegrenzungsschaltung 211, 212 kann einen festen oder verstellbaren Schwellwert (V_H, V_L) und eine Darstellung des Spannungsausgangs (V1) des Linearleistungsverstärkers 210 empfangen. Beispielsweise kann das Befehlssignal (CMD) die Darstellung des Spannungsausgangs (V1) des Leistungsverstärkers 210 liefern. Eine erste Leistungsbegrenzungsschaltung 211 kann eine entsprechende Stromquelle 215 enthalten oder daran gekoppelt sein, die aktiviert werden kann, Strom in den Rückkopplungspfad des Leistungsverstärkers 210 einzukoppeln, wenn die Ausgangsspannung (V1) oder eine Darstellung davon des Leistungsverstärkers 210 über einem hohen Schwellwert (V_H) liegt, wie etwa durch die Vergleicherschaltungsanordnung bestimmt werden kann. Eine zweite Leistungsbegrenzungsschaltung 212 kann eine entsprechende Stromquelle 216 enthalten oder darin gekoppelt sein, um Strom von dem Rückkopplungspfad des Linearleistungsverstärkers 210 umzulenken, wenn die Ausgangsspannung (V1) oder eine Darstellung davon des Leistungsverstärkers 210 unter einem niedrigen Schwellwert (V_L) liegt, wie etwa durch eine Vergleicherschaltungsanordnung bestimmt werden kann. Wenn die Ausgangsspannung (V1) oder eine Darstellung davon des Leistungsverstärkers 210 zwischen dem hohen Schwellwert (V_H) und dem niedrigen Schwellwert (V_L) liegt, können die Stromquellen (215, 216) der ersten und zweiten Leistungsbegrenzungsschaltung (211, 212) deaktiviert werden, so dass die Antwort des Leistungsverstärkers 210 auf das Befehlssignal (CMD) durch die Verstärkungswiderstände (R, n·R) geformt werden kann. Im Betrieb kann die Linearstufe 202 steuerbar nahe den Versorgungsschienen durch einen erweiterten Bereich des Befehlssignals (CMD) betrieben werden, wenn der Leistungsverstärker 210 in einem linearen Gebiet arbeitet, wenn beispielsweise der Ausgang der Verstärkerschaltung zu der Ausgangsspannung (V1) zwischen der Eingangsversorgung (V_IN) und Masse wechselt. Dadurch kann das Ausmaß an Leistungsverlust in der Linearstufe 202 reduziert werden.
Die 3A und 3B veranschaulichen grafisch ein Beispiel des Unterschieds zwischen dem Leistungsverlust eines unkompensierten H-Brückensystems und des H-Brückensystems 100 von 1 unter Verwendung einer Linearstufe 202 von 2. 3A veranschaulicht allgemein ein erstes Diagramm 301 einer Ausgangsspannung einer unkompensierten Linearstufe bezüglich eines Befehlssignals (CMD) und ein zweites Diagramm 302 einer Ausgangsspannung einer kompensierten Linearstufe bezüglich des Befehlssignals (CMD). Das erste Diagramm 301 zeigt die Ausgangsspannung der Linearstufe, die mit einer konstanten Steigung zwischen der Versorgungsspannung (V_IN) und Masse wechselt, wenn sich das Befehlssignal (CMD) ändert. Das zweite Diagramm 302 zeigt den Übergang der Ausgangsspannung der Linearstufe mit mehreren Steigungen zwischen der Versorgungsspannung (V_IN) und Masse, wenn sich das Befehlssignal (CMD) ändert. Die Steigungen können festgelegt werden, um die Ausgangsspannung der Linearstufe nahe dem Versorgungsextremwert durch einen größeren Abschnitt des Bereichs des Befehlssignals (CMD) zu halten. Ein derartiger Betrieb der Linearstufe nahe den Versorgungsextremwerten stellt allgemein einen effizienteren Betrieb des H-Brückensystems dar.
3B veranschaulicht allgemein, dass der Leistungsverlust der kompensierten Linearstufe viel weniger sein kann als eine entsprechende unkompensierte Linearstufe. Beispielsweise veranschaulicht ein erstes Diagramm 303 von 3B den Leistungsverlust einer unkompensierten Linearstufe und zeigt einen Spitzenleistungsverlust, wenn die unkompensierte Linearstufe etwa ¾ V_IN an ihrem Ausgang und ¼ V_IN an ihrem Ausgang liefert. Im Gegensatz dazu zeigt das zweite Diagramm 304 von 3B den Leistungsverlust der kompensierten Linearstufe bezüglich des Befehlssignals (CMD) und zeigt wieder den Spitzenleistungsverlust, wenn die kompensierte Linearstufe etwa ¾ V_IN an ihrem Ausgang und ¼ V_IN an ihrem Ausgang liefert. Der Spitzenverlust der unkompensierten Linearstufe ist jedoch etwa 2,4-mal höher als der Spitzenleistungsverlust der kompensierten Linearstufe, in diesem Beispiel, weil die ineffizientesten Bereiche des Betriebs der kompensierten linearen Leistungsstufe zu den Versorgungsspannungsextremwerten gezwungen worden sind, so dass es weniger Spannung an dem aktiven Regelungstransistor der Linearstufe gibt. Bei Verwendung in Verbindung mit einer geschalteten Leistungsstufe, wie etwa der in 1 gezeigten H-Brückenausbildung, weil die geschaltete Leistungsstufe in einem Stromregelungsmodus arbeitet, weist die geschaltete Leistungsstufe einen Freiheitsgrad beim Liefern einer entsprechenden Ausgangsspannung auf, wie etwa zum Beibehalten einer gewünschten Differenzspannung über der Last, während die Linearstufe unter Verwendung des Befehlssignals (CMD) kompensiert wird.
4 veranschaulicht allgemein ein H-Brückensystem 400 mit einem Beispiel einer Linearstufe 402 oder eines Leistungswandlers, z.B. kompensiert oder leistungsbegrenzt gemäß dem vorliegenden Gegenstand. Das H-Brückensystem 400 kann die Last 401 enthalten oder daran gekoppelt sein und kann eine Schaltstufe 403 und die Linearstufe 402 enthalten. Die Linearstufe 402 kann einen an die Versorgung (V_IN) gekoppelten Leistungsverstärker 410, eine erste Stromsteuerschaltungsanordnung, wie sie etwa einen ersten Transkonduktanzverstärker 421 enthalten kann, und eine zweite Stromsteuerschaltungsanordnung, wie sie etwa einen zweiten Transkonduktanzverstärker 422 enthalten kann, enthalten. Jede des ersten und zweiten Transkonduktanzverstärkers 421, 422 kann eine Darstellung der Ausgangsspannung (V1) des Leistungsverstärkers 410 und eine Darstellung des Laststroms (l1) des Systems 400 empfangen. Wenn der Leistungsverlust der Linearstufe 402 einen gewissen Pegel erreicht, kann einer der Transkonduktanzverstärker 421, 422 beginnen, die Ausgangsspannung (V1) des Leistungsverstärkers 410 derart zu verstellen, dass der Leistungsverlust der Linearstufe 402 nicht tendenziell steigt, wie sie es ansonsten tun würde. Somit fungieren die Transkonduktanzverstärker 421, 422 als Leistungsgrenzschaltung. In anderen Beispielen kann der Leistungsverstärker 410 als ein Linearverstärker bezeichnet werden.
Beispielsweise kann die Darstellung der Ausgangsspannung der Linearstufe 402 β/V1 sein, und die Darstellung des Laststroms kann α·I1 sein, wobei V1 die Ausgangsspannung der Linearstufe 402 ist und l1 der Strom am Ausgang der Linearstufe 402 ist. Beispielsweise kann der Strom (l1) am Ausgang des Leistungsverstärkers 410 als positiv definiert werden, wenn Strom in den Linearleistungsverstärker 410 fließt. Wenn der Leistungsverlust des Leistungsverstärkers 410 zunimmt, während der Verstärker Strom abführt, kann der erste Transkonduktanzverstärker 421 aktiv werden und kann versuchen, α·I1 =β/V1 zu machen. Auf diese Weise versuchen die Transkonduktanzverstärker 421, 422, den Leistungsverlust des Linearleistungsverstärkers 410 wie etwa zu einem nahen konstanten Wert von β/α zu begrenzen. In der Praxis können die Transkonduktanzverstärker 421, 422 Strom einkoppeln oder entfernen, um die Ausgangsspannung (V1) des Leistungsverstärkers 410 anzuheben oder abzusenken, um den Leistungsverlust zu begrenzen. In gewissen Beispielen kann die Schaltstufe 403 in einem Stromregelungsmodus arbeiten und kann eine Differenzspannung (z.B. V1-V2) an der Last 401 konsistent mit dem Befehlssignal (CMD) selbst dann halten, wenn die Ausgangsspannung (V1) der Linearstufe (402) verstellt, um den Leistungsverlust in der Linearstufe 402 zu begrenzen. Wenn Strom durch die Linearstufe 402 bezogen wird, kann der zweite Transkonduktanzverstärker 422 aktiv werden, um den Leistungsverlust des Leistungsverstärkers 410 zu begrenzen.
Die 5A und 5B veranschaulichen einen Vergleich der Leistungsverlust- und Spannungscharakteristika des Beispiels von 4 bei Betrieb eines unkompensierten H-Brückensystems mit einer linearen Leistungsstufe. 5A veranschaulicht grafisch einen Leistungsverlust 501 einer Linearstufe eines unkompensierten H-Brückensystems und den Leistungsverlust 502 eines H-Brückensystems, das die Leistungskompensation verwendet, wie oben bezüglich 4 erörtert.
5A zeigt, dass die kompensierte Linearstufe eine obere Leistungsverlustgrenze 503 liefern kann, die etwa die Hälfte des Spitzenleistungsverlusts 504 einer unkompensierten Linearstufe betragen kann. 5B veranschaulicht die Ausgangsspannung 505 der unkompensierten Linearstufe eines unkompensierten H-Brückensystems, die Ausgangsspannung 506 der Schaltstufe des unkompensierten H-Brückensystems, die Ausgangsspannung 507 einer kompensierten Linearstufe eines kompensierten H-Brückensystems und die Ausgangsspannung 508 einer Schaltstufe des kompensierten H-Brückensystems. 5B veranschaulicht, dass die Transkonduktanzverstärker der kompensierten Linearstufe die Ausgangsspannung 507 für ein gegebenes Befehlssignal (CMD) im Vergleich zu dem Diagramm der Ausgangsspannung 505 der unkompensierten Linearstufe des unkompensierten Systems ändern. Der modifizierte Betrieb der kompensierten Linearstufe arbeitet dahingehend, den Spitzenleistungsverlust der Linearstufe zu begrenzen, indem die Ausgangsspannung 507 der kompensierten Linearstufe zu einem Extremwert der Versorgungsspannung der kompensierten Linearstufe bewegt wird, wenn der Leistungsverlust 501 die bezeichnete Grenze (z.B. 503) erreicht. In dem dargestellten Beispiel arbeitet, während sich das Befehlssignal (CMD) wie gezeigt von links nach rechts bewegt, die kompensierte Linearstufe dahingehend, die Ausgangsspannung 507 der kompensierten Linearstufe schneller zu senken als die Ausgangsspannung 505 der unkompensierten Linearstufe eines unkompensierten H-Brückensystems. Als Reaktion auf den Betrieb der kompensierten Linearstufe kann die Schaltstufe des kompensierten H-Brückensystems ihre Ausgangsspannung 508 über Stromregelung verstellen, um die gewünschte Differenzspannung beizubehalten. Wenn der Leistungsverlust der kompensierten Linearstufe niedriger wird als die bezeichnete Grenze (z.B. 503), kann der Betrieb der kompensierten Linearstufe bezüglich einer Ausgangsspannung bei 507 damit beginnen, den Betrieb der unkompensierten Linearstufe des unkompensierten H-Brückensystems zu spiegeln.
6 veranschaulicht allgemein ein beispielhaftes H-Brückensystem 600 gemäß dem vorliegenden Gegenstand. Das System 600 kann eine Last, wie etwa eine thermoelektrische Einrichtung (TEC) 601, enthalten oder daran gekoppelt sein. Das System 600 kann eine Linearstufe 602, eine Schaltstufe 603 und einen Stromsensor 604 enthalten. Die Linearstufe 602 und die Schaltstufe 603 können eine Versorgungsspannung (V_IN, nicht gezeigt) mit einer einzelnen Polarität bezüglich Masse empfangen und können eine Differenzspannung (z.B. V1-V2 oder V2-V1) an der Last (z.B. TEC 601) bereitstellen, um Doppelpolaritätsleistung an die TEC 601 liefern. Ein Aspekt des Systems ist, die Linearstufe 602 kann in einem Stromregelmodus sowie in einem Spannungsregelmodus betrieben werden. Ein derartiger Betrieb kann Merkmale einer Last wie etwa der thermoelektrischen Einrichtung 601 berücksichtigen, die sich nicht wie ein Widerstand verhalten. Beispielsweise kann eine thermoelektrische Einrichtung 601 eine Transferfunktionskomponente aufweisen, die sich wie ein Widerstand verhält, kann aber auch eine Transferfunktionskomponente aufweisen, die von einer Temperaturdifferenz an der thermoelektrischen Einrichtung 601 abhängt. Beispielsweise kann eine Spannung (V_TEC) an einer thermoelektrischen Einrichtung 601 die folgende allgemeine Form aufweisen: $V_{T E C} = Δ T \cdot S + I_{T E C} \cdot R_{T E C'}$
wobei:

ΔT: - Temperaturdifferenz zwischen den Platten der thermoelektrischen Einrichtung,
S: - Seebeck-Koeffizient der thermoelektrischen Einrichtung,
I_TEC: - Strom der thermoelektrischen Einrichtung,
R_TEC: - Widerstandswert der thermoelektrischen Einrichtung.

Mit dem zusätzlichen ΔT·S-Term in der obigen Gleichung kann es, sogar falls kleine Spannungen an die thermoelektrische Einrichtung angelegt werden, immer noch ein signifikantes Ausmaß an Strombedarf der Last geben. Ein derartiger Betrieb kann, falls nicht kompensiert, zu einem unerwarteten Leistungsverlust in einer linearen Leistungsstufe eines H-Brückensystems führen, wenn es in dem Lineargebiet arbeitet. Als ein Beispiel kann, sogar wenn die Spannung an der thermoelektrischen Einrichtung 601 null beträgt (V_TEC = 0 V), der Strom (I_TEC) durch die thermoelektrische Einrichtung in der Größenordnung von ΔT·S/R_TEC liegen. Dies kann zu einem signifikanten Leistungsverlust in der Linearstufe führen, wenn die Spannung an der thermoelektrischen Einrichtung 601 null Volt beträgt. Das beispielhafte System 600 von 6 enthält eine Steuerschaltungsanordnung 641, 642 zum Weiterreichen eines Stromregelungsbetriebs zwischen der Schaltstufe 603 und der Linearstufe 602. In gewissen Beispielen kann die Steuerschaltungsanordnung 641, 642 mehrere Fehlerverstärker, eine Anzahl von Dioden und eine Anzahl von erzeugten oder empfangenen Referenzspannungen (V_L, V_H) enthalten. Für die Linearstufe 602 können die Fehlerverstärker einen Spannungsregelungsfehlerverstärker 661, einen Hochstromregelungsfehlerverstärker 662 und einen Niedrigstromregelungsfehlerverstärker 663 enthalten. Für die Schaltstufe 603 können die Verstärker einen Stromregelungsfehlerverstärker 664, einen Hochspannungsregelungsfehlerverstärker 665 und einen Niedrigspannungsregelungsfehlerverstärker 666 enthalten. Die Fehlerverstärker können mehrere Fehlersignale liefern.
Beispielsweise können die Stromregelungsfehlerverstärker 662, 663, 664 eine Darstellung des Laststroms von dem Stromsensor 604 empfangen. Die Spannungsregelungsfehlerverstärker 661, 665, 666 können eine Darstellung der Ausgangsspannung (V1, V2) der entsprechenden Stufe empfangen. Für die Linearstufe 602 kann jeder des Spannungsregelungsfehlerverstärkers 661 und der Stromregelungsfehlerverstärker 662, 663 das Befehlssignal (CMD) oder eine Darstellung des Befehlssignals (z.B. f(x), wobei x=CMD) wie etwa eine skalierte (k·CMD)-Darstellung, eine Offsetdarstellung, eine skalierte und Offsetdarstellung oder eine andere Darstellung des Befehlssignals (CMD) empfangen. Der Ausgang jedes der Verstärker 661, 662, 663 der Linearstufe 602 kann ein Linearbefehlssignal an den Leistungsverstärker 610 der Linearstufe 602 liefern. Für die Schaltstufe 603 kann der Stromregelungsfehlerverstärker 664 ebenfalls das Befehlssignal (CMD) oder eine Darstellung des Befehlssignals empfangen. Die Spannungsregelungsfehlerverstärker 665, 666 der Schaltstufe 603 können auch eine entsprechende Referenzspannung (V_H, V_L) empfangen. Der Ausgang jedes der Verstärker 664, 665, 666 der Schaltstufe 603 kann ein Steuersignal an die Ausgangsstufe 617 der Schaltstufe 604 liefern.
Die Spannungsregelungsfehlerverstärker 665, 666 der Schaltstufe können die maximale und minimale Ausgangsspannung (V2) der Schaltstufe 603 auf die durch die jeweilige Referenzspannung (V_H, V_L) dargestellte Spannung begrenzen. Beispielsweise können die jeweiligen Referenzspannungen (V_H, V_L) etwa den jeweiligen Spannungen entsprechen, die bei oder nahe den entsprechenden maximalen und minimalen Taktzyklen der Schaltstufe 603 erzeugt werden können. Der Stromregelungsfehlerverstärker 664 kann einen Laststrom auf Basis des Befehlssignals (CMD) und Stromrückkopplungsinformationen von dem Stromsensor 604 regeln. Der Stromregelungsfehlerverstärkerausgang kann aktiviert werden, wenn die Darstellung der Ausgangsspannung (V2) der Schaltstufe 603 zwischen den an die Spannungsregelungsfehlerverstärker 665, 666 angelegten Referenzspannungen (V_H, V_L) liegt. Somit wird in gewissen Beispielen der Ausgang des Stromregelungsfehlerverstärkers 664 der Schaltstufe 603 aktiviert, wenn der Ausgang von beiden Spannungsregelungsfehlerverstärkern 665, 666 der Schaltstufe 603 deaktiviert sind, und umgekehrt.
Auf ähnliche Weise können die Stromregelungsfehlerverstärker 662, 663 der Linearstufe die Steigung der Ausgangsspannung (V1) der Linearstufe 602 bezüglich des Befehlssignals (CMD) vorteilhaft begrenzen, wenn sich die Schaltstufe 603 in einem Spannungsregelungsarbeitsmodus befindet. Der Spannungsregelungsfehlerverstärker 661 kann die Ausgangsspannung (V1) der Linearstufe auf Basis des Befehlssignals (CMD) und von Spannungsrückkopplungsinformationen regeln. Die Stromregelungsfehlerverstärkerausgänge der Linearstufe 602 können über den Betrieb der Spannungsregelungsfehlerverstärker 665, 666 der Schaltstufe 603 und die entsprechenden Diodenpfade einschließlich einer ersten Diode (D1) eines ersten Pfads und einer zweiten Diode (D2) eines zweiten Pfads aktiviert und deaktiviert werden. Somit kann in gewissen Beispielen der Ausgang des Spannungsregelungsfehlerverstärkers 661 der Linearstufe 602 aktiviert werden, wenn die Ausgänge von beiden Stromregelungsfehlerverstärkern 662, 663 der Linearstufe deaktiviert werden, und umgekehrt.
Die 7A-7D veranschaulichen grafisch Transferfunktionen der beispielhaften Schaltung von 6 unter verschiedenen Lastbedingungen und enthalten die Ausgangsspannung (V1) der Linearstufe und die Ausgangsspannung (V2) der Schaltstufe, jeweils bezüglich des Befehlssignals (CMD). 7A veranschaulicht die Transferfunktion der beispielhaften Schaltung von 6, wenn die Last wie ein Widerstand mit einem relativen hohen Widerstandswert arbeitet. Eine derartige Bedingung für eine thermoelektrische Einrichtung kann auftreten, wenn die Temperaturdifferenz an der thermoelektrischen Einrichtung null beträgt (ΔT=0). Die Differenzspannung an der thermoelektrischen Einrichtung als Funktion des Befehlssignals (CMD) kann zwei Gebiete (R1, R2) enthalten. Ein erstes Gebiet (R1) kann durch einen Bereich des Befehlssignals (CMD) gegeben sein, wo die Ausgangsspannung (V1) der Linearstufe zwischen den Spannungsversorgungsextremwerten mit einer vorkonfigurierten Steigung in einem Spannungsregelungsmodus wechselt und sich die Schaltstufe in einem Stromregelungsmodus befindet, um die richtige gewünschte Differenzspannung auf Basis des Befehlssignals (CMD) zu liefern. Ein zweites Gebiet (R2) kann durch die Spannung (V1) der Linearstufe definiert sein, die auf eine der Versorgungsspannungsextremwerte festgelegt ist, und die Schaltstufe befindet sich in einem Stromregelungsmodus, um die richtige Differenzspannung auf Basis des Befehlssignals zu liefern. Zusätzlich dazu, dass sie eine Temperaturdifferenz von null aufweist, liefert die Last auch genügend Widerstandswert (z.B. R_TEc für eine thermoelektrische Einrichtung, um zu verhindern, dass die Schaltstufe einen Ausgangsspannungsextremwert erreicht.
7B veranschaulicht die Transferfunktion der beispielhaften Schaltung von 6, wenn die Last wie ein Widerstand arbeitet, aber mit weniger Widerstandswert (R_TEC) als die mit der Transferfunktion von 7A assoziierte Last. In gewissen Anwendungen, wo der Widerstandswert (R_TEC) niedrig genug ist, kann die Differenzspannung an der Last als Funktion des Befehlssignals (CMD) vier Gebiete (R1, R2, R3, R4) enthalten. Ein erstes Gebiet (R1) kann durch einen Bereich des Befehlssignals (CMD) gegeben sein, wo die Ausgangsspannung (V1) der Linearstufe zwischen den Versorgungsspannungsextremwerten mit einer vorkonfigurierten Steigung in einem Spannungsregelungsmodus wechselt und sich die Schaltstufe in einem Stromregelungsmodus befindet, um die richtige Differenzspannung auf Basis des Befehlssignals (CMD) zu liefern. Ein zweites Gebiet (R2) kann durch einen Bereich des Befehlssignals (CMD) definiert sein, über den die Spannung (V1) der Linearstufe auf einen der Versorgungsspannungsextremwerte festgelegt ist und sich die Schaltstufe in einem Stromregelungsmodus befindet, um die richtige Differenzspannung auf Basis des Befehlssignals zu liefern. Das dritte Gebiet (R3) kann durch einen Bereich des Befehlssignals (CMD) definiert sein, wo die Ausgangsspannung (V2) der Schaltstufe eine niedrigere Ausgangsspannungsgrenze erreicht und die Linearstufe in einem Stromregelungsmodus arbeitet, um die richtige Differenzspannung auf Basis des Befehlssignals (CMD) zu liefern. Das vierte Gebiet (R4) kann ein Bereich des Befehlssignals (CMD) sein, wo die Schaltstufe eine obere Ausgangsspannungsgrenze erreicht und die Linearstufe in dem Stromregelungsmodus arbeitet, um die richtige Differenzspannung auf Basis des Befehlssignals (CMD) zu liefern. In gewissen Beispielen kann der proportionale Strom bezüglich der Befehlsspannung (CMD) einer Last, wie etwa der thermoelektrischen Last, das Sicherstellen unterstützen, dass ein Leistungsverlust der Linearstufe minimiert wird, wenn beispielsweise die thermoelektrische Einrichtung eine von null verschiedene Temperaturdifferenz erfährt.
7C veranschaulicht die Transferfunktion der beispielhaften Schaltung von 6, wenn eine thermoelektrische Last eine Temperaturdifferenz (z.B. ΔT≠ 0) aufweist. Die Temperaturdifferenz kann die Ausgangsspannungen (V1, V2) der Linearstufe und der Schaltstufe über den Arbeitsbereich des Befehlssignals (CMD) im Wesentlichen höher (oder niedriger) verschieben, so dass die Ausgangsspannung (V2) der geschalteten Leistungsstufe mindestens eine der Ausgangsspannungsgrenzen eines Teilbereichs des Befehlssignals (CMD) erreicht. In dem dargestellten Fall von 7C erreicht die Ausgangsspannung der Schaltstufe die obere Spannungsgrenze für einen Teilbereich des Befehlssignals (CMD). Während des Betriebs in diesem Teilbereich des Befehlssignals (CMD) kann die Linearstufe zu einem Stromregelungsmodus umschalten, um die Differenzspannung des H-Brückensystems zu regeln, und die Transferfunktion kann das erste, zweite und vierte Gebiet (R1, R2, R4) enthalten, wie oben bezüglich 7B definiert.
7D veranschaulicht eine Transferfunktion eines H-Brückensystems, wobei die vorliegenden Prinzipien zum Verbessern der Effizienz der Linearstufe auf die Spitze getrieben worden sind. Die Transferfunktion reduziert im Wesentlichen die Breite des ersten Gebiets (R1) bezüglich des Befehlssignals (CMD). Die Steigung der Änderung der Linearstufenausgangsspannung bezüglich des Befehlssignals kann unter Verwendung eines Funktionsblocks eingestellt werden (siehe 6, 667). In einigen Beispielen kann der Funktionsblock 667 einen Verstärkungsfaktor, ein Offset, eine gewisse andere Funktion oder Kombinationen davon darstellen. In gewissen Beispielen kann eine optimale Effizienz erzielt werden, wenn die Breite des ersten Gebiets (R1) so weit wie möglich reduziert wird, ohne Instabilität oder unannehmbare Oszillation einzuführen.
8 veranschaulicht allgemein ein beispielhaftes Verfahren 800 des Betreibens eines H-Brückensystems gemäß dem vorliegenden Gegenstand. Bei 801 kann für einen ersten Bereich eines Befehlssignals eine Linearstufe des H-Brückensystems bei einem Versorgungsspannungsextremwert des H-Brückensystems bleiben und kann in einem Spannungsregelungsmodus arbeiten. Bei 803 kann für den ersten Bereich eines Befehlssignals eine Schaltstufe des H-Brückensystems in einem Stromregelungsmodus arbeiten, um eine Differenzspannung an eine Last des H-Brückensystems entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen. Die Differenzspannung kann als eine Differenz zwischen einer Ausgangsspannung der Linearstufe und einer Ausgangsspannung der Schaltstufe definiert werden. Bei 805 kann für einen zweiten Bereich des Befehlssignals die Linearstufe in einem Stromregelungsmodus arbeiten, um eine Differenzspannung an der Last entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen. Bei 807 kann für den zweiten Bereich des Befehlssignals die Schaltstufe in einer Spannungsregelung als Reaktion auf das Befehlssignal arbeiten. In gewissen Beispielen kann für einen dritten Bereich des Befehlssignals die Linearstufe in einem Spannungsregelungsmodus arbeiten und einen Bereich von Ausgangsspannungen mit einer vorkonfigurierten Steigung und als Reaktion auf das Befehlssignal durchqueren. Außerdem kann für den dritten Bereich des Befehlssignals die Schaltstufe in einem Stromregelungsmodus arbeiten, um eine Differenzspannung an eine Last des H-Brückensystems entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen.
BEISPIELE UND ZUSÄTZLICHE ANMERKUNGEN
In einem ersten Beispiel, Beispiel 1, kann eine lineare Leistungsstufe für ein H-Brückensystem, wobei das H-Brückensystem ausgebildet ist zum Koppeln an eine Last und aufweisend eine geschaltete Leistungsstufe, wobei die Last ausgebildet ist zum Empfangen von Leistung über eine Differenzspannung, die durch einen ersten Ausgang der linearen Leistungsstufe und einen zweiten Ausgang der geschalteten Leistungsstufe geliefert wird, einen Linearverstärker, der ausgebildet ist zum Empfangen von Leistung von einer ersten Versorgungsschiene und einer zweiten Versorgungsschiene und zum Liefern des ersten Ausgangs; und eine Steuerschaltung enthalten, die ausgebildet ist zum Empfangen eines Systembefehlssignals, einer Darstellung eines an die Last gelieferten Stroms, einer Darstellung eines Spannungsabfalls an dem Linearverstärker und mehrerer Fehlersignale der Schaltversorgungseinrichtung, wobei die Steuerschaltung weiter ausgebildet ist zum Bereitstellen einer Spannungsregelung des ersten Ausgangs als Reaktion darauf, dass die geschaltete Leistungsstufe eine Stromregelung des zweiten Ausgangs bereitstellt, und zum Bereitstellen einer Stromregelung des ersten Ausgangs als Reaktion darauf, dass die geschaltete Leistungsstufe eine Spannungsregelung des zweiten Ausgangs bereitstellt.
In Beispiel 2 weist die Steuerschaltung von Beispiel 1 optional einen ersten Fehlerverstärker auf, der ausgebildet ist zum Empfangen der Darstellung des Spannungsabfalls und einer Darstellung des Systembefehlssignals und zum Liefern eines ersten Linearbefehlssignals an den Linearverstärker.
In Beispiel 3 ist ein Ausgang des ersten Fehlerverstärkers nach einem oder mehreren Beispielen 1-2 optional über eine erste Diode an einen Eingang des Linearverstärkers gekoppelt.
In Beispiel 4 weist die lineare Leistungsstufe von einem oder mehreren der Beispiele 1-3 optional einen zweiten Fehlerverstärker auf, der ausgebildet ist zum Empfangen der Darstellung des an die Last gelieferten Stroms und des Systembefehlssignals und zum Liefern eines zweiten Linearbefehls an den Linearverstärker.
In Beispiel 5 weist die lineare Leistungsstufe nach einem oder mehreren der Beispiele 1-4 optional einen dritten Fehlerverstärker auf, der ausgebildet ist zum Empfangen der Darstellung des an die Last gelieferten Stroms und des Systembefehlssignals und mit einem Ausgang, der ausgebildet ist zum Koppeln mit einem ersten Fehlersignal der mehreren Fehlersignale der geschalteten Leistungsstufe.
In Beispiel 6 ist ein Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers von einem oder mehreren der Beispiele 1-5 optional ausgebildet zum Koppeln mit einem zweiten Fehlersignal der mehreren Fehlersignale der geschalteten Leistungsstufe.
In Beispiel 7 weist die lineare Leistungsstufe von einem oder mehreren der Beispiele 1-6 optional eine zweite Diode auf, die ausgebildet ist zum Koppeln des ersten Fehlersignals mit dem Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers.
In Beispiel 8 weist die lineare Leistungsstufe von einem oder mehreren der Beispiele 1-7 optional eine zweite Diode auf, die ausgebildet ist zum Koppeln des Ausgangs des dritten Fehlerverstärkers mit dem ersten Fehlersignal.
In Beispiel 9 weist die lineare Leistungsstufe von einem oder mehreren der Beispiele 1-8 optional eine dritte Diode auf, die ausgebildet ist zum Koppeln des Ausgangs des dritten Fehlerverstärkers mit dem ersten Linearbefehlssignal.
In Beispiel 10 kann ein H-Brückensystem aufweisen: eine Last, eine Schaltstufe, die ausgebildet ist zum Koppeln an einen ersten Versorgungsanschluss der Last, um in einem Stromregelungsmodus zu arbeiten und zum Herstellen einer Differenzspannung an der Last als Reaktion auf ein Befehlssignal, und eine lineare Leistungsstufe, die ausgebildet ist zum Koppeln an einen zweiten Anschluss der Last. Die lineare Leistungsstufe kann enthalten: einen Leistungsverstärker, der ausgebildet ist zum Liefern einer Linearänderung in der Ausgangsspannung der linearen Leistungsstufe als Reaktion auf eine Änderung bei dem Befehlssignal, und eine Leistungsgrenzschaltung, die ausgebildet ist zum Liefern einer ersten Steigung der Ausgangsspannung der linearen Leistungsstufe bezüglich des Befehlssignals als Reaktion darauf, dass die Ausgangsspannung der Schaltstufe zwischen einem ersten Schwellwert und einem zweiten Schwellwert liegt, zum Liefern einer zweiten Steigung der Ausgangsspannung der linearen Leistungsstufe bezüglich des Befehlssignals als Reaktion darauf, dass die Ausgangsspannung der Schaltstufe bei oder über dem ersten Schwellwert liegt, und zum Liefern der zweiten Steigung der Verstellung der Ausgangsspannung der linearen Leistungsstufe bezüglich des Befehlssignals als Reaktion darauf, dass die Ausgangsspannung der Schaltstufe bei oder unter dem zweiten Schwellwert liegt, wobei die erste Steigung größer ist als die zweite Steigung und der erste Schwellwert größer ist als der zweite Schwellwert.
In Beispiel 11 weist die Schaltstufe von einem oder mehreren der Beispiele 1-10 optional einen ersten Spannungsregelungsfehlerverstärker auf mit einem Ausgang, der an einen Ausgang eines ersten Stromregelungsfehlerverstärkers der linearen Leistungsstufe gekoppelt ist.
In Beispiel 12 weist die Schaltstufe von einem oder mehreren der Beispiele 1-11 optional einen zweiten Spannungsregelungsfehlerverstärker auf mit einem Ausgang, der an einen Ausgang eines zweiten Stromregelungsfehlerverstärkers der linearen Leistungsstufe gekoppelt ist.
In Beispiel 13 ist ein Eingang zu dem ersten Spannungsregelungsfehlerverstärker von einem oder mehreren der Beispiele 1-12 optional der erste Schwellwert.
In Beispiel 14 ist ein Eingang zu dem zweiten Spannungsregelungsfehlerverstärker von einem oder mehreren der Beispiele 1-13 optional der zweite Schwellwert.
In Beispiel 15 kann ein Verfahren zum Betreiben einer H-Brückenschaltung aufweisen: für einen ersten Bereich eines Befehlssignals, Betreiben einer Linearstufe der H-Brückenschaltung, um eine Ausgangsspannung der Linearstufe entsprechend einem ersten Versorgungsspannungsextremwert bereitzustellen, für den ersten Bereich des Befehlssignals, Betreiben einer Schaltstufe der H-Brückenschaltung, um eine Differenzlastspannung entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen, für einen zweiten Bereich des Befehlssignals, Betreiben der Linearstufe, um die Differenzlastspannung entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen, und für den zweiten Bereich des Befehlssignals, Betreiben der Schaltstufe der H-Brückenschaltung, um eine Ausgangsspannung der Schaltstufe entsprechend einem Spannungsextremwert der Schaltstufe bereitzustellen.
In Beispiel 16 weist für den ersten Bereich des Befehlssignals das Betreiben der Linearstufe von einem oder mehreren der Beispiele 1-15 optional das Betreiben der Linearstufe in einem Spannungsregelungsmodus, um die Ausgangsspannung der Linearstufe entsprechend dem ersten Versorgungspannungsextremwert bereitzustellen, auf.
In Beispiel 17 weist für den ersten Bereich des Befehlssignals das Betreiben der Schaltstufe von einem oder mehreren der Beispiele 1-16 optional das Betreiben der Schaltstufe in einem Stromregelungsmodus, um die Differenzlastspannung entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen, auf.
In Beispiel 18 weist für den zweiten Bereich des Befehlssignals das Betreiben der Linearstufe von einem oder mehreren der Beispiele 1-17 optional das Betreiben der Linearstufe in einem Stromregelungsmodus, um die Differenzlastspannung entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen, auf.
In Beispiel 19 weist für den zweiten Bereich des Befehlssignals das Betreiben der Schaltstufe von einem oder mehreren der Beispiele 1-18 optional das Betreiben der Schaltstufe in einem Spannungsregelungsmodus als Reaktion auf das Befehlssignal, auf.
In Beispiel 20 weist das Betreiben der Schaltstufe in einem Spannungsregelungsmodus von einem oder mehreren der Beispiele 1-19 optional das Regeln der Ausgangsspannung der Schaltstufe bei einem oberen oder unteren Spannungsschwellwert in der Schaltstufe, auf.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen Techniken für einen effizienten Betrieb einer Linearstufe in einem H-Brückensystem. In einem Beispiel kann eine Linearstufe zwischen Spannungsregelung und Stromregelung über einen Bereich eines Befehlssignals umschalten. Der bestimmte Regelungsmodus kann von dem Regelungsmodus einer Schaltstufe des H-Brückensystems abhängen. Effizienz kann durch das Verwenden einer Stromregelung der Linearstufe realisiert werden, wenn sich die Ausgangsspannung der Linearstufe von der Spannung einer Versorgungsschiene wegbewegt. Ein derartiges Steuerschema kann die Spannung an der Linearstufe für einen größeren Bereich des Befehlssignals reduzieren, was zu weniger Wärmeableitung der Linearstufe im Vergleich zu einer herkömmlichen Steuerung von H-Brücken-Linearstufen führt.
Die obige detaillierte Beschreibung enthält Referenzen auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil der detaillierten Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen als Veranschaulichung vorgegebene Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diese Ausführungsformen werden hierin auch als „Beispiele“ bezeichnet. Solche Beispiele können Elemente zusätzlich zu jenen gezeigten oder beschriebenen aufweisen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung ziehen jedoch auch Beispiele in Betracht, in denen nur jene gezeigten oder beschriebenen Elemente vorgesehen sind. Zudem ziehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele in Betracht, die eine beliebige Kombination oder Permutation jener gezeigten oder beschriebenen Elemente (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) entweder bezüglich eines bestimmten Beispiels (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) oder bezüglich anderer Beispiele (oder eines oder mehrerer Aspekte davon), die hierin gezeigt oder beschrieben sind, verwenden. Obige detaillierte Beschreibung enthält Referenzen auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil der detaillierten Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen als Veranschaulichung vorgegebene Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diese Ausführungsformen werden hierin auch als „Beispiele“ bezeichnet. Solche Beispiele können Elemente zusätzlich zu jenen gezeigten oder beschriebenen aufweisen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung ziehen jedoch auch Beispiele in Betracht, in denen nur jene gezeigten oder beschriebenen Elemente vorgesehen sind. Zudem ziehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele in Betracht, die eine beliebige Kombination oder Permutation jener gezeigten oder beschriebenen Elemente (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) entweder bezüglich eines bestimmten Beispiels (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) oder bezüglich anderer Beispiele (oder eines oder mehrerer Aspekte davon), die hierin gezeigt oder beschrieben sind, verwenden.
Im Fall von uneinheitlichen Verwendungen zwischen diesem Dokument und beliebigen, unter Bezugnahme so aufgenommenen Dokumenten, ist die Verwendung in diesem Dokument bestimmend.
In diesem Dokument werden die Ausdrücke „ein/eine/einer“ verwendet, wie in Patentdokumenten üblich ist, um einen oder mehr als einen zu beinhalten, unabhängig von beliebigen anderen Instanzen oder Verwendungen von „mindestens ein“ oder „einer oder mehrere“. In diesem Dokument wird der Ausdruck „oder“ verwendet, um sich auf ein nicht-exklusives Oder zu beziehen, so dass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ beinhaltet, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. In diesem Dokument werden die Ausdrücke „mit“ und „in denen“ als die Äquivalente der jeweiligen Ausdrücke „aufweisend“ und „wobei“ in einfacher Sprache verwendet. Außerdem sind die Ausdrücke „mit“ und „aufweisend“ offen, das heißt, ein System, eine Einrichtung, ein Artikel, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, die Elemente zusätzlich zu jenen nach einem derartigen Ausdruck aufgeführten enthalten, werden immer noch so angesehen, dass sie in den Schutzbereich des erörterten Gegenstands fallen. Zudem werden in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen ihren Objekten keine numerischen Anforderungen auferlegen.
Hierin beschriebene Verfahrensbeispiele können mindestens teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein. Einige Beispiele können ein computerlesbares Medium oder ein maschinenlesbares Medium aufweisen, das mit Anweisungen codiert ist, die ausgeführt werden können, um eine Elektronikeinrichtung auszubilden, um Verfahren, wie in den obigen Beispielen beschrieben, durchzuführen. Eine Ausbildung solcher Verfahren kann einen Code wie etwa einen Mikrocode, einen Assemblersprachencode, einen Sprachencode auf höherer Ebene oder dergleichen beinhalten. Ein derartiger Code kann computerlesbare Anweisungen zum Durchführen verschiedener Verfahren enthalten. Der Code kann Abschnitte von Computerprogrammprodukten bilden. Weiterhin kann in einem Beispiel der Code dinglich auf einem oder mehreren unbeständigen, nichtflüchtigen oder nicht unbeständigen dinglichen computerlesbaren Medien wie etwa während einer Ausführung oder zu anderen Zeiten gespeichert sein. Zu Beispielen für diese dinglichen computerlesbaren Medien können unter anderem Festplatten, entfernbare Magnetplatten, entfernbare optische Platten (z. B. Compact Discs und Digital Video Discs), Magnetkassetten, Speicherkarten oder Speichersticks, Direktzugriffsspeicher (RAMs), Festwertspeicher (ROMs) und dergleichen zählen.
Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht restriktiv sein. Beispielsweise können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, wie etwa durch einen Durchschnittsfachmann bei Betrachtung der obigen Beschreibung. Die Zusammenfassung wird vorgelegt, damit der Leser die Natur der technischen Offenbarung schnell feststellen kann. Sie wird in dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht verwendet wird, um den Schutzbereich oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Außerdem können in der obigen ausführlichen Beschreibung verschiedene Merkmale miteinander gruppiert sein, um die Offenbarung zu vereinfachen. Dies sollte nicht so ausgelegt werden, dass damit beabsichtigt wird, dass ein unbeanspruchtes offenbartes Merkmal für irgendeinen Anspruch essentiell ist. Vielmehr kann der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform liegen. Somit sind die folgenden Aspekte hiermit als Beispiele oder Ausführungsformen in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Aspekt als eine separate Ausführungsform für sich selbst steht, und es wird in Betracht gezogen, dass solche Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen miteinander kombiniert werden können.

Claims

Lineare Leistungsstufe für ein H-Brückensystem, wobei das H-Brückensystem ausgebildet ist zum Koppeln an eine Last und aufweisend eine geschaltete Leistungsstufe, wobei die Last ausgebildet ist zum Empfangen von Leistung über eine Differenzspannung, die von einen ersten Ausgang der linearen Leistungsstufe und einen zweiten Ausgang der geschalteten Leistungsstufe geliefert wird, wobei die lineare Leistungsstufe aufweist: einen Linearverstärker, der ausgebildet ist zum Empfangen von Leistung von einer ersten Versorgungsschiene und einer zweiten Versorgungsschiene und zum Liefern des ersten Ausgangs; und eine Steuerschaltung, die ausgebildet ist zum Empfangen eines Systembefehlssignals, einer Darstellung eines an die Last gelieferten Stroms, einer Darstellung eines Spannungsabfalls an dem Linearverstärker und mehrerer Fehlersignale der Schaltversorgungseinrichtung, wobei die Steuerschaltung ferner ausgebildet ist zum Bereitstellen einer Spannungsregelung des ersten Ausgangs als Reaktion darauf, dass die geschaltete Leistungsstufe eine Stromregelung des zweiten Ausgangs bereitstellt, und zum Bereitstellen einer Stromregelung des ersten Ausgangs als Reaktion darauf, dass die geschaltete Leistungsstufe eine Spannungsregelung des zweiten Ausgangs bereitstellt.
Lineare Leistungsstufe nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung einen ersten Fehlerverstärker enthält, der ausgebildet ist zum Empfangen der Darstellung des Spannungsabfalls und einer Darstellung des Systembefehlssignals und zum Liefern eines ersten Linearbefehlssignals an den Linearverstärker.
Lineare Leistungsstufe nach Anspruch 2, wobei der Ausgang des ersten Fehlerverstärkers über eine erste Diode an einen Eingang des Linearverstärkers gekoppelt ist.
Lineare Leistungsstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einschließlich eines zweiten Fehlerverstärkers, der ausgebildet ist zum Empfangen der Darstellung des an die Last gelieferten Stroms und des Systembefehlssignals und zum Liefern eines zweiten Linearbefehls an den Linearverstärker.
Lineare Leistungsstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einschließlich eines dritten Fehlerverstärkers, der ausgebildet ist zum Empfangen der Darstellung des an die Last gelieferten Stroms und des Systembefehlssignals und mit einem Ausgang, der ausgebildet ist zum Koppeln mit einem ersten Fehlersignal der mehreren Fehlersignale der geschalteten Leistungsstufe.
Lineare Leistungsstufe nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers ausgebildet ist zum Koppeln mit einem zweiten Fehlersignal der mehreren Fehlersignale der geschalteten Leistungsstufe.
Lineare Leistungsstufe nach Anspruch 5 oder Anspruch 6 bei Bezugnahme auf Anspruch 5, einschließlich einer zweiten Diode, die ausgebildet ist zum Koppeln des ersten Fehlersignals mit dem Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers.
Lineare Leistungsstufe nach Anspruch 5 oder einem der vorhergehenden Ansprüche in Kombination mit Anspruch 5, einschließlich einer zweiten Diode, die ausgebildet ist zum Koppeln des Ausgangs des dritten Fehlerverstärkers mit dem ersten Fehlersignal.
Lineare Leistungsstufe nach Anspruch 8, einschließlich einer dritten Diode, die ausgebildet ist zum Koppeln des Ausgangs des dritten Fehlerverstärkers mit dem ersten Linearbefehlssignal.
H-Brückensystem, aufweisend: eine Last; eine Schaltstufe, die ausgebildet ist zum Koppeln an einen ersten Versorgungsanschluss der Last, um in einem Stromregelungsmodus zu arbeiten und zum Bestimmen einer Differenzspannung an der Last als Reaktion auf ein Befehlssignal; eine lineare Leistungsstufe, die ausgebildet ist zum Koppeln an einen zweiten Anschluss der Last, wobei die lineare Leistungsstufe aufweist: einen Leistungsverstärker, der ausgebildet ist zum Liefern einer linearen Änderung der Ausgangsspannung der linearen Leistungsstufe als Reaktion auf eine Änderung bei dem Befehlssignal; und eine Leistungsgrenzschaltung, die ausgebildet ist zum Liefern einer ersten Steigung der Ausgangsspannung der linearen Leistungsstufe bezüglich des Befehlssignals als Reaktion darauf, dass die Ausgangsspannung der Schaltstufe zwischen einem ersten Schwellwert und einem zweiten Schwellwert liegt, zum Liefern einer zweiten Steigung der Ausgangsspannung der linearen Leistungsstufe bezüglich des Befehlssignals als Reaktion darauf, dass die Ausgangsspannung der Schaltstufe an oder über dem ersten Schwellwert liegt, und zum Liefern der zweiten Steigung der Verstellung der Ausgangsspannung der linearen Leistungsstufe bezüglich des Befehlssignals als Reaktion darauf, dass die Ausgangsspannung der Schaltstufe bei oder unter dem zweiten Schwellwert liegt, wobei die erste Steigung größer ist als die zweite Steigung und der erste Schwellwert größer ist als der zweite Schwellwert.
H-Brückensystem nach Anspruch 10, wobei die Schaltstufe einen ersten Spannungsregelungsfehlerverstärker mit einem Ausgang enthält, der an einen Ausgang eines ersten Stromregelungsfehlerverstärkers der linearen Leistungsstufe gekoppelt ist.
H-Brückensystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Schaltstufe einen zweiten Spannungsregelungsfehlerverstärker mit einem Ausgang enthält, der an einen Ausgang eines zweiten Stromregelungsfehlerverstärkers der linearen Leistungsstufe gekoppelt ist.
H-Brückensystem nach Anspruch 11 oder Anspruch 12 in Kombination mit Anspruch 11, wobei ein Eingang zu dem ersten Spannungsregelungsfehlerverstärker der erste Schwellwert ist.
H-Brückensystem nach Anspruch 12 oder 13 in Kombination mit Anspruch 12, wobei ein Eingang zu dem zweiten Spannungsregelungsfehlerverstärker der zweite Schwellwert ist.
Verfahren zum Betreiben einer H-Brückenschaltung, wobei das Verfahren aufweist: für einen ersten Bereich eines Befehlssignals, Betreiben einer Linearstufe der H-Brückenschaltung, um eine Ausgangsspannung der Linearstufe entsprechend einem ersten Versorgungsspannungsextremwert bereitzustellen; für den ersten Bereich des Befehlssignals, Betreiben einer Schaltstufe der H-Brückenschaltung, um eine Differenzlastspannung entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen; für einen zweiten Bereich des Befehlssignals, Betreiben der Linearstufe, um die Differenzlastspannung entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen; und für den zweiten Bereich des Befehlssignals, Betreiben der Schaltstufe der H-Brückenschaltung, um eine Ausgangsspannung der Schaltstufe entsprechend einem Spannungsextremwert der Schaltstufe bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei für den ersten Bereich des Befehlssignals das Betreiben der Linearstufe das Betreiben der Linearstufe in einem Spannungsregelungsmodus beinhaltet, um die Ausgangsspannung der Linearstufe entsprechend dem ersten Versorgungsspannungsextremwert bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei für den ersten Bereich des Befehlssignals das Betreiben der Schaltstufe das Betreiben der Schaltstufe in einem Stromregelungsmodus beinhaltet, um die Differenzlastspannung entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei für den zweiten Bereich des Befehlssignals das Betreiben der Linearstufe das Betreiben der Linearstufe in einem Stromregelungsmodus beinhaltet, um die Differenzlastspannung entsprechend dem Befehlssignal bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei für den zweiten Bereich des Befehlssignals das Betreiben der Schaltstufe das Betreiben der Schaltstufe in einem Spannungsregelungsmodus als Reaktion auf das Befehlssignal beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Betreiben der Schaltstufe in einem Spannungsregelungsmodus das Regeln der Ausgangsspannung der Schaltstufe bei einem oberen oder unteren Spannungsschwellwert der Schaltstufe beinhaltet.