DE112004002213T5

DE112004002213T5 - Leistungswandler mit verbesserter Steuerung/Regelung

Info

Publication number: DE112004002213T5
Application number: DE112004002213T
Authority: DE
Inventors: In-Hwan Cupertino Oh
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-10-12
Also published as: TW200527808A; KR20060127006A; TWI399912B; US7057907B2; JP2007512798A; CN1902811A; CN100472927C; KR101190374B1; WO2005053143A1; US20050111242A1

Abstract

Leistungswandler mit
einem Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung so angeschlossen ist, daß sie eine Eingangsspannung empfängt, und die Sekundärwicklung eine Ausgangsspannung liefert;
einem Transistor, der mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist, zum Steuern des durch die Primärwicklung fließenden Stroms;
einer Stromerfassungseinrichtung, die mit dem Transistor gekoppelt ist, um ein Signal abzuleiten, das die Menge des durch den Leistungswandler fließenden Stroms anzeigt, wobei die Stromerfassungseinrichtung einen Teil einer Stromregelschleife für den Leistungswandler bildet;
einer Rückkopplungs-Steuereinheit, die mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist, zum Vorsehen eines Signals, das eine Ausgangsspannung des Leistungswandlers angibt, wobei die Rückkopplungs-Steuereinheit Teil einer Spannungsregelschleife für den Leistungswandler bildet; und
einer Steuereinheit (Controller) zum Vorsehen einer analogen Regelung der Stromregelschleife und einer digitalen Regelung der Spannungsregelschleife des Leistungswandlers.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft die Leistungswandlung und spezieller einen Leistungswandler mit verbesserter Steuerung/Regelung.
2. Erörterung des verwandten Standes der Technik
Leistungswandler werden in elektrischen und elektronischen Geräten weitverbreitet eingesetzt. Bestimmte Geräte, wie Notebook-Computer, Personal Digital Assistants (PDA), Mobiltelefone, und andere tragbare Konsumerprodukte, erfordern Leistungswandler, die einen niedrigen Standby-Leistungsverbrauch bei geringer Belastung oder im lastfreien Zustand haben. Um dies zu erreichen, müssen die Leistungswandler eine gewisse Intelligenz zum Überwachen und Reagieren auf verschiedene Bedingungen während der Leistungswandlung haben, beispielsweise auf die Ausgangsspannung, eine Überspannung oder Unterspannung, Standby- oder Normalmodus, Einschalten und Ausschalten etc. Bei einigen Anwendungen ist es ferner wünschenswert, eine sehr schnelle Berechnungszeit für eine interne Stromregelschleife zu haben, um eine gute dynamische Leistungsfähigkeit vorzusehen.
Es wurden in der Vergangenheit verschiedene Systeme entwickelt und betrachtet, um eine Steuerung der Leistungswandlung in dieser An von Anwendungen vorzusehen. All die verschiedenen Systeme waren jedoch unzureichend oder problembehaftet. Ein rein analoges Steuersystem zum Beispiel ist zwar schnell, hat jedoch nicht die notwendige Intelligenz; dies führt zu einer erheblichen Leistungsaufnahme bei bestimmten Bedingung (z.B. geringe oder keine Last). Ein digitales Steuersystem, das mit einem einfachen Mikrocontroller realisiert wird, kann dagegen ausreichend Intelligenz aufweisen, ist jedoch zu langsam. Ein digitales Steuersystem, das mit einem komplexeren Mikroprozessor realisiert ist (wie ein digitaler Signalprozessor oder DSP), hat ausreichend Intelligenz und eine sehr schnelle Berechnungsge schwindigkeit (z.B. 10-100 μsec), ist jedoch für reale Produkte auf dem Markt nicht kommerziell machbar, weil es zu teuer wäre. Ferner ist die Hardware in einem solchen Steuersystem mit komplexem Mikroprozessor zu komplex; d.h. ein üblicher DSP hat einen 8 Bit oder 16 Bit-Bus mit externem Nur-Lese-Speicher (ROM), Arbeitsspeicher (RAM), Analog-Digital-Wandler (A/D) und digitale Eingangs- und Ausgangsports.

Es besteht Bedarf an einem Leistungswandler mit einer kostengünstigen, intelligenten und schnellen Steuereinrichtung (Controller).

ABRISS DER ERFINDUNG

Gemäß einer Ausführung der Erfindung umfaßt ein Leistungswandler einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung. Die Primärwicklung ist so angeschlossen, daß sie eine Eingangsspannung empfängt, und die Sekundärwicklung liefert eine Ausgangsspannung. Ein Transistor, der mit der Primärwicklung des Transformators verbunden ist, steuert den Strom der durch die Primärwicklung fließt. Eine Stromerfassungseinrichtung, die mit dem Transistor verbunden ist, entwickelt ein Signal, das die Menge des Stroms anzeigt, welcher durch den Leistungswandler fließt. Die Stromerfassungseinrichtung bildet Teil einer Stromregelschleife für den Leistungswandler. Ein Rückkopplungs-Controller, der mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist, liefert ein Signal, das eine Ausgangsspannung des Leistungswandlers anzeigt. Der Rückkopplungs-Controller bildet Teil einer Spannungsregelschleife für den Leistungswandler. Ein Controller (Steuereinheit) kann eine analoge Steuerung bzw. Regelung der Stromregelschleife und eine digitale Steuerung bzw. Regelung der Spannungsregelschleife des Leistungswandlers vorsehen.

Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung, wird ein Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Leistungswandlers mit folgenden Schritten vorgesehen: Vorsehen einer analogen Steuerung oder Regelung eines Stroms, der in dem Leistungswandler fließt, zur Erreichung einer schnellen, dynamischen Leistungsfähigkeit; und Vorsehen einer digitalen Steuerung oder Regelung der Ausgangsspannung des Leistungswandlers.

Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung umfaßt der Leistungswandler einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung. Die Primärwicklung ist so angeschlossen, daß sie eine Eingangsspannung empfängt, und die Sekundärwicklung sieht eine Ausgangsspannung vor. Ein Transistor ist mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelt, um den Strom zu steuern, der durch die Primärwicklung fließt. Ein Controller (Steuereinheit) ist mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt, um ein Signal vorzusehen, das eine Ausgangsspannung des Leistungswandlers anzeigt. Ein Mikrocontroller ist mit dem Transistor gekoppelt, um den Transistor ein- und auszuschalten, und mit dem Rückkopplungs-Controller gekoppelt, um das Signal zu empfangen, das eine Ausgangsspannung des Leistungswandlers anzeigt. Der Mikrocontroller kann einen analogen Vergleich eines Signals, das repräsentativ ist für den durch die Primärwicklung fließenden Strom, mit einem Referenzsignal durchführen und dadurch eine schnelle dynamische Antwort in einer inneren Stromregelschleife des Leistungswandlers vorsehen. Der Mikrocontroller kann auch mit einem externen Schaltkreis kommunizieren, um wenigstens ein Signal für einen Steuerbefehl für den Leistungswandler zu empfangen und wenigstens ein Signal zu senden, das den Status einer Bedingung in dem Leistungswandler anzeigt.

In einigen Ausführungen der Erfindung werden Steuerfunktionen für einen Leistungswandler zwischen analogen und digitalen Komponenten aufgeteilt. Um sehr schnelle dynamische Eigenschaften zu erreichen, wird ein analoger Controller (Steuereinheit) zum Steuern des Stromflusses in dem Leistungswandler verwendet. Ein relativ kostengünstiger digitaler Controller (Steuereinheit) mit geeigneter Rechengeschwindigkeit wird zum Vorsehen von Intelligenz zur Verarbeitung der Spannungssteuerung in dem Leistungswandler vorgesehen.

In einer Ausführung wird ein Leistungswandler mit einem Mikrocontroller vorgesehen. Der Leistungswandler kann ein digitaler Flyback- oder Vorwärtswandler sein. Der Mikrocontroller kann einen digitalen Pulsbreitenmodulations (PWM)-Controller, einen arithmetischen Logikeinheit (ALU)-Kern, einen internen Arbeitsspeicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM) und einen oder mehrere Analog-Digital (A/D)- und Digital-Analog (D/A)-Wandler aufweisen. Für eine schnelle dynamische Antwort in einer inneren Stromregelschleife wird ein analoger Vergleicher vorgesehen, um eine auf Analogtechnik basierende Stromsteuerung oder Regelung vorzusehen. Der analoge Vergleicher kann ein Signal, das repräsentativ für den in dem Leistungswandler fließenden Strom ist, mit einer Spannungsreferenz, die programmierbar sein kann, vergleichen. Der analoge Vergleicher kann mit dem digitalen Mikrocontroller in einem einzelnen integrierten Schaltkreis (IC)-Chip integriert sein. Der Leistungswandler kann ferner Signale bezüglich des Status verschiedener Bedingungen (z.B. Ausgangsspannungspegel, Strompegel, Fehler etc.) senden oder Signale für Systemsteuerbe fehle (z.B. Ausgangsspannung, Stromschutzpegel, Standby-Modus für geringste Leistungsaufnahme, normaler Modus, und Einschalt- oder Ausschalt-Befehle) über einen seriellen Übertragungsport empfangen.

Wichte technische Vorteile der Erfindung ergeben sich für einen Fachmann unmittelbar aus den folgenden Figuren, Beschreibungen und Ansprüchen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständiges Verständnis der Erfindung und zur Darstellung weiterer Merkmale und Vorteile wird auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verwiesen. In den Figuren zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Leistungswandlers mit einem gemischt analogen und digitalen Controller gemäß einer Ausführung der Erfindung;
2A bis 2D schematische Diagramme in Teil-Blockform beispielhafter Ausführungen des Leistungswandlers mit einer gemischt analogen und digitalen Steuerung/Regelung gemäß Ausführungen der Erfindung;
3 ein schematisches Diagramm in Teil-Blockform für eine beispielhafte Ausführung eines Teils eines gemischt analogen und digitalen Controllers gemäß einer Ausführung der Erfindung;
4 ein schematisches Diagramm in Teil-Blockform für eine beispielhafte Ausführung eines Mikrocontrollers, der in dem gemischt analogen und digitalen Controller gemäß einer Ausführung der Erfindung verwendet wird;
5 zeigt beispielhafte Wellenformen für den digitalen Pulsbreitenmodulator gemäß einer Ausführung der Erfindung;
6 zeigt ein schematisches Diagramm in Teil-Blockform für eine beispielhafte Ausführung eines Ausgangsspannungs-Rückkopplungsschaltkreises gemäß einer Ausführung der Erfindung; und
7 zeigt eine beispielhafte Wellenform für den Ausgangsspannungs-Rückkopplungspegel zur Erfassung einer Überlastbedingung gemäß einer Ausführung der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Ausführungen der Erfindung und ihre Vorteile sind am besten verständlich mit Bezug auf die 1 bis 7 der Zeichnungen. Gleiche Bezugszeichen werden für ähnliche und korrespondierende Teile in den verschiedenen Zeichnungen verwendet.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Leistungswandlers mit einem gemischt analogen und digitalen Controller (Steuereinheit) 12 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Wie gezeigt, umfaßt der Leistungswandler 10 einen Transformator 14 mit einer Primärwicklung Np und einer Sekundärwicklung Ns, einen Schalter 16 (der als ein Leistungs-MOSFET realisiert werden kann), einem Erfassungswiderstand 18, einem Gleichrichter- und Filterschaltkreis 20 und einem isolierten Rückkopplungscontroller 22. Der Leistungswandler 10 empfängt eine Spannung Vdc an seinem Eingangsanschluß, wandelt die Spannung Vdc um, und gibt das Ergebnis als Vo(+) und Vo(–) an den Ausgangsanschlüssen aus. Eine Last kann mit den Ausgangsanschlüssen gekoppelt werden.
Der Leistungswandler 10 kann in einer Flyback (Rücklauf)-Wandler- oder einer Vorwärtswandlertopologie arbeiten oder angeordnet werden. In einer Flyback-Wandlertopologie wird alle Energie in dem Transformator 14 gespeichert, wenn der Schalter 16 eingeschaltet wird, und die Energie wird nur dann an die Last übertragen oder freigegeben, wenn der Schalter 16 ausgeschaltet wird. In einer Vorwärtswandlertopologie gibt es keine Speicherung der Energie in dem Transformator (außer einer magnetischen Erregerenergie), und die Ansteuerenergie wird unmittelbar an die Last übertragen, wenn der Schalter 16 eingeschaltet wird. Ob der Leistungswandler 10 als ein Flyback-Wandler oder ein Vorwärtswandler arbeitet, hängt von der Richtung der Wicklungen Np und Ns des Transformators 14 ab.
In dem Leistungswandler 10 reagiert die Ausgangsspannung relativ langsam auf Änderungen in der Last. Der Stromfluß innerhalb des Leistungswandlers 10 ändert sich dagegen relativ schnell, wenn sich die Last ändert. Eine Stromregelschleife in dem Leistungswandler 10 kann teilweise durch den Erfassungswiderstand 18 auf der Eingangsseite definiert werden, welcher einen Strom entwickelt, der in den gemischt analogen und digitalen Controller 12 eingegeben werden kann. Die Stromregelschleife hat schnelle dynamische Eigenschaften aufgrund der schnellen Reaktion des Stromflusses auf Änderungen in Lastbedingungen des Leistungswandlers 10. Eine Spannungsregelschleife in dem Leistungswandler 10 kann teilweise durch den isolierten Rückkopplungs-Controller 22 definiert werden, der die Ausgangsspannung erfaßt und ein Rückkopplungssignal an den gemischt analogen und digitalen Controller liefert. Die Spannungsregelschleife ist nicht so schnell wie die Stromregelschleife aufgrund des geringeren Ansprechens der Ausgangsspannung auf Änderungen in der Lastbedingung. Die schnelle Stromregelschleife wird daher von einem Schaltkreis auf der Basis von Analogtechnik gesteuert/geregelt, und die äußere Stromregelschleife wird mittels Hardware und Software auf der Basis von Digitaltechnik gesteuert/geregelt. Die Spannungs- und Stromsteuerblöcke werden gemischt und können in einen einzigen Halbleiterchip integriert werden.
Der Betrieb des Leistungswandlers 10 wird durch den gemischt analogen und digitalen Controller (Steuereinheit) 12 gesteuert. Wie in 1 gezeigt, umfaßt der analoge und digitale Controller 12 zwei Steuer/Regel-Blöcke: ein digitaler Steuer/Regel-Block 24 und ein analoger Steuer/Regel-Block 26. Der analoge Steuer/Regel-Block 26 kann in der Stromregelschleife in einer üblichen Stromversorgungsanwendung verwendet werden. Der analoge Steuer/Regel-Block 26 sieht sehr schnelle dynamische Eigenschaften in der Stromregelschleife vor und schafft somit eine schnelle Lasteinstellung. Der digitale Steuer/Regel-Block 24 kann in einer Spannungsregelschleife für Überwachungsfunktionen, die Intelligenz erfordern, verwendet werden (z.B. für Spannungs- und Stromschutzpegel, Standby-Modus für eine geringste Leistungsaufnahme oder normaler Modus, und Einschalt- und Ausschalt-Befehle). Aufgrund der Aufteilung zwischen der analogen Steuerung/Regelung der Stromregelschleife und der digitalen Steuerung/Regelung der Spannungsregelschleife in dem Leistungswandler 10 kann der gemischt analoge und digitale Controller 12 mit einem relativ einfachen und langsamen (und somit kostengünstigen) Mikrocontroller mit geeigneter Rechengeschwindigkeit realisiert werden. In einer Ausführung kann ein solcher Mikrocontroller ein FMS7401-8 oder FMS7401-14 von Fairchild Semiconductor Corporation sein. Der Mikrocontroller kann einen digitalen Pulsbreitenmodulations (PWM)-Controller, einen arithmetischen Logikeinheit (ALU)-Kern, einen internen Arbeitsspeicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM) und einen oder mehrere Analog-Digital (A/D)- und Digital-Analog (D/A)-Wandler aufweisen. Der Mikrocontroller kann programmierbar sein.
Der gemischt analoge und digitale Controller 12 steuert den Leistungswandler 10 durch Ein- und Ausschalten des Schalters oder Transistors 16 abhängig von verschiedenen Strom- und Spannungsbedingungen in dem Leistungswandler 10. Der Controller 12 kann die Schaltfrequenz des Schalters 16 steuern. Üblicherweise ist eine höhere Schaltfrequenz zum Reduzieren der offensichtlichen Komponentengrößen bei Nennlastbedingungen wünschenswert. Der Schaltverlust ist jedoch proportional zur Schaltfrequenz. Bei höherer Schaltfrequenz ist die Standby-Leistungsaufnahme ohne Last oder bei geringer Last groß. Der gemischt analoge und digitale Controller 12 reduziert oder minimiert Schaltverluste durch Senken der Schaltfrequenz auf einen geeigneten Pegel bei solchen Bedingungen mit geringer oder ohne Last. In einigen Ausführungen kann ferner die Ansteuerfrequenz dynamisch eingestellt werden.
In einer Ausführung kann der gemischt analoge und digitale Controller 12 die Fähigkeit haben, mit externen Schaltkreisen zu kommunizieren (z.B. einem Host oder Mainprozessor). Dies erlaubt dem Controller 12, verschiedene Informationen über Statusbedingungen (z.B. Temperatur), Fehlerbedingungen etc. an externe Einrichtungen zur Steuerung derselben zu senden. Ein analoges Temperaturerfassungssignal kann z.B. von dem gemischt analogen und digitalen Controller 12 ausgesandt und zum Steuern des Kühlungspegels eines elektronischen Gerätes (z.B. eines Laptop-Computers), in dem der Leistungswandler 10 eingebaut ist, abhängig von der momentanen Betriebstemperatur genutzt werden. Der gemischt analoge und digitale Controller 12 kann auch verschiedene Informationen empfangen, beispielsweise Signale zum Steuern, Konfigurieren oder Einstellen des Betriebs des Leistungswandlers 10. Zum Beispiel kann ein analoges Ausgangsspannungsrückkopplungs-Befehlssignal an den gemischt analogen und digitalen Controller 12 gesandt werden. Die Kommunikation mit dem Leistungswandler 10 kann über einen seriellen Port (z.B. RS-232), einen A/D-Eingangsport oder jeden anderen geeigneten Eingangs/Ausgangsport (z.B. I2C Port) erfolgen.
Der digitale Steuer/Regelblock 24 kann einen Oszillator 28, einen digitalen Pulsbreitenmodulator (PWM) 30, ein digitales Filter 32, einen Vergleicher 34, ein digitales Proportional-Integral-Glied (PI) 36, interne digitale Logik 38, einen Multiplexer (MUX) 40, und verschiedene Analog-Digital (A/D)-Wandler 42, 44 und Digital-Analog (D/A)-Wandler 46 aufweisen. Der Oszillator 28 erzeugt ein oder mehrere Taktsignale, die an interne Takte für den digitalen Steuer/Regelblock 24 und an den digitalen Pulsbreitenmodulator (PWM) 30 ausgegeben werden können. Der digitale Pulsbreitenmodulator (PWM) 30 liefert die Signale zum Einschalten und Ausschalten des Schalters 16, wie im folgenden in weiteren Einzelheiten beschrieben. Der digitale Pulsbreitenmodulator (PWM) 30 kann ein Signal bei einer festen Frequenz ausgeben, oder die Frequenz kann alternativ veränderbar sein. Das digitale Filter 32 empfängt und filtert ein Stromrückkopplungssignal, das sich über den Erfassungswiderstand 18 entwickelt. Die interne digitale Logik 38 kann Befehle zum Steuern des Leistungswandlers 10 spei chern und verarbeiten. Der MUX 40 dient zum Multiplexen von Signalen in den und aus dem gemischt analogen und digitalen Controller 12. Der Vergleicher 34, der durch interne Software realisiert werden kann, vergleicht ein Spannungssollsignal (V*) mit einem Spannungsrückführungssignal. Das V* Signal entspricht einem gewünschten Ausgangsspannungspegel und kann ein interner digitaler Referenzwert (der z.B. von der internen digitalen Logik 38 erzeugt wird) oder eine externe Vorgabe sein, die über einen geeigneten Port empfangen wird. Das Spannungsrückkopplungssignal stellt den tatsächlichen Ausgangsspannungspegel des Leistungswandlers 10 dar. Das Spannungsrückkopplungssignal kann in digitaler Form vorliegen und von einem Signal abgeleitet werden, das von dem isolierten Rückkopplungscontroller 22 empfangen wird. Das digitale Proportional-Integral-Glied (PI) 36, das in Software realisiert sein kann, empfängt die Differenz zwischen dem V* Signal und dem Spannungsrückkopplungssignal. Das digitale Proportional-Integral-Glied (PI) 36 berechnet mathematisch einen Fehlerwert zum Erzeugen eines Stromsollsignals (I*). Dieses Stromsollsignal (I*) kann in analoger oder digitaler Form verwendet werden. Wie in 1 gezeigt, wird das Stromsollsignal (I*) von dem D/A-Wandler 46 in ein analoges Signal umgewandelt. Dieses analoge Stromsollsignal (I*) wird an den analogen Steuer/Regel-Block 26 gesandt.
Der analoge Steuer/Regel-Block 26 umfaßt einen Vergleicher 48 der auf Analogtechnik basiert. Der auf Analogtechnik basierende Vergleicher 48 vergleicht das Stromsollsignal (I*) mit einem analogen Stromrückkopplungssignal, das von dem digitalen Filter 32 aus dem Strom erzeugt wird, der sich über dem Erfassungswiderstand 18 entwickelt. Abhängig von dem Ergebnis dieses Vergleichs wird der Betrieb des digitalen Pulsbreitenmodulators (PWM) 30 gesteuert, so daß die Zeit zum Einschalten und Ausschalten des Schalters 16 richtig eingestellt wird. Wenn der digitale Pulsbreitenmodulator (PWM) 30 mit einer festen Frequenz arbeitet, bewirkt in einer Ausführung das Ausgangssteuersignal von dem analogen Steuer/Regel-Block 26, daß der digitale Pulsbreitenmodulator (PWM) 30 das feste Frequenzsignal an den Schalter 16 anlegt oder nicht ausgibt. Wenn alternativ die Frequenz des digitalen Pulsbreitenmodulators (PWM) 30 variiert werden kann, kann das Ausgangssteuersignal von dem analogen Steuer/Regel-Block 26 auch dazu dienen, die Frequenz einzustellen.
In 1 ist der gemischt analoge und digitale Controller 12 etwas schematisch dargestellt. Die tatsächliche Hardwareausführung des gemischt analogen und digitalen Controllers 12 muß nicht genau den Komponenten, die in 1 gezeigt sind, entsprechen.
In einer Ausführung kann der Leistungswandler 10 konfigurierbar sein. Insbesondere können verschiedene Parameter des gemischt analogen und digitalen Controllers 12 eingestellt, modifiziert oder auf andere Weise konfiguriert werden, um den Betrieb des Leistungswandlers 10 zu steuern. Dies ist insofern vorteilhaft, als eine einzelne Hardwarearchitektur für den Leistungswandler für zahlreiche und verschiedene Anwendungen verwendet werden kann. Der Leistungswandler 10 ist somit sehr vielseitig.
2A bis 2D sind schematische Diagramme in Teil-Blockform für beispielhafte Ausführungen des Leistungswandlers 10 mit einer gemischt analogen und digitalen Steuerung/Regelung gemäß Ausführungen der Erfindung.
In der Ausführung der 2A kann der gemischt analoge und digitale Controller mit mehreren integrierten Schaltkreis-(IC)Chips realisiert werden. Diese umfassen IC1 60, IC2 62 und IC3 64. Der IC1 60 kann ein gemischt analoger/digitaler Mikrocontroller sein, z.B. FMS7401-8 oder FMS7401-14 von Fairchild Semiconductor Corporation, der ein Pulsbreitenmodulator(PWM)-Controller realisiert. Der IC2 62 kann ein MOSFET-Gatetreiber sein, wie ein FAN53418 von Fairchild Semiconductor Corporation. Wie gezeigt, können in dieser Ausführung IC1 60 und IC2 62 in demselben Gehäuse untergebracht sein. IC3 64 realisiert den isolierten Rückkopplungs-Controller 22 und kann ein FOD2711 von Fairchild Semiconductor Corporation sein.
Wieder mit Bezug auf 2A dienen die Eingangswiderstände 66 und 68 zum Erfassen des Spannungspegels der Eingangsversorgungsspannung Vdc. Dieser erfaßte Eingangsspannungspegel kann als ein Eingangswert zum Schutz gegen eine Unterspannung oder Überspannung sein. Der erfaßte Eingangsspannungspegel kann auch als ein Vorwärtskopplungseingang für die schnelle Einstellung der Ausgangsspannung dienen. Ein Widerstand 70 ist ein Anlaufwiderstand zum Liefern einer Betriebsleistung an IC1 60 und IC2 62, wenn die Eingangsspannung anfänglich angelegt wird (weil zu dieser Zeit der Transformator 14 noch nicht erregt ist). Eine über eine Hilfswicklung NA72 erhaltene Spannung kann zum Liefern der Betriebsspannungen an IC1 60 und IC2 62 verwendet werden. Der Widerstand 18 ist ein Stromerfassungswiderstand zum Erfassen des durch die Primärwicklung Np des Transformators 14 fließenden Stroms. In einigen Ausführungen kann IC3 64 eine Spannungsreferenz zusammen mit einem Optokoppler umfassen. Die Spannungsreferenz und der Optokoppler können jeweils in entsprechenden ICs realisiert sein, wie in IC4 und IC5, die in 6 gezeigt sind. Serielle Übertragungsports PS1 und PS2 können vorgesehen werden, um Signale zu empfangen, welche den Status der Stromversorgung und verschiedene Steuerbefehle anzeigen, wie EINSCHALTEN oder AUSSCHALTEN und die Veränderung zwischen Standby- und Normalbetriebsmodus, die Ausgangsspannung und die Veränderung verschiedener Schutzpegel, falls benötigt.
Die Ausführungen der 2B und 2C sind der Ausführung der 2A weitgehend ähnlich, wobei ein deutlicher Unterschied darin besteht, daß in den Ausführungen der 2B und 2C zusätzliche Komponenten zusammen mit dem IC1 60 und dem IC2 62 in dem Gehäuse untergebracht sind. In der Ausführung der 2B sind insbesondere der Schalter 16 und der Widerstand 18 zusammen mit IC1 60 und IC2 62 in dem Gehäuse untergebracht, und in der Ausführung der 2C ist noch der IC3 64 hinzugefügt.
2D zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Leistungswandlers 10 mit IC1 60, IC2 62 und IC3 64, welche mit der Konfiguration der Pinbelegung eines bestimmten Produkts verwendet werden können.
Wie hier beschrieben werden bei einigen Ausführungen der Erfindung Steuerfunktionen für den Leistungswandler zwischen analogen und digitalen Komponenten aufgeteilt. Ein analoger Controller (Steuereinheit) wird dazu verwendet, sehr schnelle dynamische Eigenschaften der Stromregelschleife vorzusehen. Dies erlaubt die Verwendung eines relativ kostengünstigen, digitalen Mikrocontroller mit geeigneter Rechengeschwindigkeit (die nicht besonders schnell sein muß) zur Verarbeitung der Spannungsregelschleife. In anderen Ausführungen, die auch hier beschrieben werden, werden die Steuer- und Regelfunktionen sowohl für die Stromregelschleife als auch für die Spannungsregelschleife in Analogtechnik realisiert, und der relativ kostengünstige, digitale Mikrocontroller wird hauptsächlich zur Überwachungsfunktionen in dem Leistungswandler verwendet (z.B. zum Überwachen des Eingangs- und Ausgangsstatus des Leistungssystems und das Ein- und Ausschalten des Systems abhängig hiervon). Die Geschwindigkeit, die für solche Überwachungsfunktionen notwendig ist, kann relativ gering sein im Vergleich zu der Geschwindigkeit der Regelung. In diesem Fall muß der Mikrocontroller nicht in die Regelschleife eingreifen; er überwacht nur den gesamten Betrieb des Leistungswandlers 10 durch Erfassen der Eingangs- und Ausgangsspannung und des Eingangs- und Ausgangsstroms und sieht so Schutzmerkmale für den Leistungswandler 10 vor. Der Leistungswandler kann auch Signale aussenden, die den aktuellen Status verschiedener Betriebs bedingungen angeben und er kann verschiedene Befehle von externen Schaltkreisen empfangen.
3 zeigt ein schematisches Diagramm in Teil-Blockform für eine beispielhafte Ausführung für einen Teil des gemischt analogen und digitalen Controllers 12 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Wie gezeigt kann der Controller 12 einen Vergleicher 80 und einen Operationsverstärker (OP-Amp) 82 aufweisen. Zusätzlich gibt es eine programmierbare Spannungsreferenz (Vpref) 84, einen Schalter 86 und ein programmierbares digitales Verzögerungselement 88.
Der Operationsverstärker 82 kann Teil der Spannungregelschleife sein. Als solcher kann der Operationsverstärker 82 ein Spannungsrückkopplungssignal empfangen, das repräsentativ für die Ausgangsspannung des Leistungswandlers 10 ist. Dieses Signal kann in analoger Form vorliegen, wie in dieser Ausführung vorgesehen, oder in digitaler Form, wie in der Ausführung der 1. In einer Ausführung kann der Operationsverstärker 82 dazu verwendet werden, den Vergleicher 34 und ein PI-Controller 36 zu realisieren, wie in 1 gezeigt. Der Operationsverstärker 82 gibt ein Stromsollwertsignal (I*) aus, das ein analoges Signal gestützt auf ein analoges Spannungsregelverfahren ist.
Die programmierbare Spannungsreferenz (Vpref) 84 sieht einen alternativen Stromsollwert (I*) vor. Der Wert der programmierbaren Spannungsreferenz (Vpref) 84 kann mit Software oder mit Information programmiert werden, die in einem Register der internen digitalen Logik des gemischt analogen und digitalen Controllers 12 gespeichert ist.
Der Schalter 86, der ein analoger Schalter sein kann, kann zwischen einer Position A und einer Position B umgeschaltet werden. In einer Ausführung kann die Position des Schalters 86 durch Einstellen eines Registers im Controller gesteuert werden. Abhängig von der Position des Schalters 86 kann der Mikrocontroller entweder den Ausgang des Operationsverstärkers 82 oder die programmierbare Spannungsreferenz (Vpref) 84 als den Stromsollwert (I*) verwenden.
Der Vergleicher 80, der Teil der Stromregelschleife sein kann, empfängt das erfaßte Stromsignal (das von dem Stromerfassungswiderstand 18 erzeugt wurde) bei einem seiner Eingangsanschlüsse. An dem anderen Eingangsanschluß empfängt der Vergleicher 80 den Stromsoll wert (I*), der entweder das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 82 oder die programmierbare Spannungsreferenz (Vpref) 84 sein kann, abhängig von der Position des Schalters 86. Wenn die Position A gewählt wird (wie in 3 gezeigt), wird der Ausgang des Operationsverstärkers 82 verwendet. Wenn die Position B für den Schalter 86 gewählt wird, wird der Operationsverstärker 82 von dem internen digitalen Kern abgetrennt, und die programmierbare Spannungsreferenz (Vpref) wird verwendet.
Der Vergleicher 80 erzeugt ein Signal (digitales PWM-Reset) zum Steuern des Laststroms durch Vergleichen des tatsächlichen Laststroms mit dem Stromsollwert (I*). In einer Ausführung wird der Ausgang des Vergleichers 80 niedrig, wenn der erfaßte Laststrom größer ist als der Stromsollwert (I*). Nach einer Verzögerung, die von dem programmierbaren digitalen Verzögerungselement 88 vorgesehen wird, wird der Ausgang des Vergleichers an den digitalen Pulsbreitenmodulator (PWM) 30 (1) geliefert, der den Schalter oder Transistor 16 abschaltet. Dadurch wird der Strom in der Primärwicklung Np des Transformators 14 reduziert. Dies bewirkt wiederum, daß der Laststrom, der in der Sekundärwicklung Ns des Transformators 14 fließt, abnimmt. Wenn jedoch der tatsächliche Laststrom geringer ist als der Stromsollwert (I*), wird der Ausgang des Vergleichers 80 hoch. Dies bewirkt, daß der digitale Pulsbreitenmodulator (PWM) 30 den Transistor 16 einschaltet oder eingeschaltet hält, bis der in der Sekundärwicklung des Transformators 14 fließende Laststrom auf den Pegel des Stromsollwert (I*) ansteigt. Änderungen im Laststrom (die von dem Erfassungswiderstand 18 erfaßt werden) bewirken somit schnelle Änderungen der Steuerung des digitalen Pulsbreitenmodulators (PWM) 30. Die Stromregelschleife kann somit unter Verwendung analoger Schaltkreise schnell arbeiten, ohne daß es erhebliche Verzögerungszeit oder eine Intervention des Mikrocontrollers erfordert.
4 ist ein schematisches Diagramm in Teil-Blockform für eine beispielhafte Ausführung eines Mikrocontrollers 90, der in dem gemischt analogen und digitalen Controller verwendet wird, gemäß einer Ausführung der Erfindung. Der Mikrocontroller 90 kann programmierbar sein, oder er kann mit Geschwindigkeiten arbeiten, die sich für die Steuerung der Spannungsregelschleife eignen, wie beispielsweise 1 bis 10 ms Abtastzeit oder Rechenzeit in der Spannungsregelschleife. Wie gezeigt kann der Mikrocontroller 90 zusammen mit anderen Elementen einen oder mehrere Vergleicheren, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einem digitalen Abstast-Halte-Filter zur Filterung des Signals von dem Stromerfassungsnetzwerk, eine interne Stromquelle, einen internen Spannungsregler, Zeiteinstellglieder (Timer), einen elek trisch löschbaren, programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM) für Daten- und Softwarecode, ein internes RAM, einen internen Oszillator, einen Pulsbreitenmodulations(PWM)-Timer und einen Prozessorkern (z.B. eine digitale Kernlogik ACE) aufweisen. Der Mikrocontroller kann eine 8-Bit-Busstruktur haben.
5 zeigt beispielhafte Wellenformen für den digitalen Pulsbreitenmodulator (PWM) 30 gemäß einer Ausführung der Erfindung. In einigen Ausführungen kann der digitale Pulsbreitenmodulator (PWM) 30 in dem digitalen Mikrocontroller (z.B. IC1 60) und dem Gatetreiber (z.B. IC2 62) für den gemischt analogen und digitalen Controller 12 realisiert sein.
Mit Bezug auf 5 kann der digitale Pulsbreitenmodulator (PWM) 30 Signale HS1 und HS2 ausgeben, wobei eines oder beide z.B. als ein Setz/Rücksetz-Signal zum Steuern des Transistors oder Schalters 16 verwendet werden können. Die Ausgangssignale HS1 und HS2 können in digitaler oder analoger Form vorliegen. In einer Ausführung können die Ausgangssignale HS1 und HS2 zum Ansteuern externer Leistungsgeräte verwendet werden.
Wie gezeigt werden die Ausgangssignale HS1 und HS2 von einem Inkremental-Zählersignal T1RA und einem Vergleichsignal T1CMPA abgeleitet oder erzeugt. Das Inkremental-Zählersignal T1RA kann von einem automatischen Inkrementalzähler des gemischt analogen und digitalen Controllers 12 ausgegeben werden. Der Wert des Inkremental-Zählersignals T1RA wird von einem internen Pulsbreitenmodulations(PWM)-Takt erhöht. Die Frequenz kann auch eingestellt werden, indem in ein Register der internen digitalen Logik 38 geschrieben wird. Das Vergleichssignal T1CMPA kann von einem Vergleicher des digitalen Steuer/Regel-Blocks 12 ausgegeben werden, und sein Wert kann auch in einem Register gespeichert werden. Der Wert des Zählersignals T1RA wird mit dem Wert des Vergleichssignals T1CMPA verglichen. Solange der Wert des Vergleichssignals T1CMPA größer ist als der Wert des Zählersignals T1RA, ist das Ausgangssignal HS1 niedrig („0"). Wenn der Wert des Zählersignals T1RA den des Vergleichssignals T1CMPA überschreitet, wird das Ausgangssignal HS1 nach dem Verstreichen einer kurzen Verzögerungszeit (dt) hoch („1"). Diese Verzögerungszeit (dt), die in einer Ausführungsform programmiert werden kann, sieht eine Totzeit vor, um ein Querstrom zu vermeiden, der aufgrund beider Signale HS1 und HS2 fließt, die Gatesignale von Einrichtungen auf der Seite des hohen und des niedrigen Versorgungsanschlusses sein können. Dies kann wichtig sein für Hoch-Niedrig-Konvertertopologien, wie Push-Pull(Gegentakt), Halbbrücken und Vollbrücken. Das Ausgangssignal HS2 nimmt einen hohen Pegel an, wenn das Inkremental-Zählersignal T1Ra zurückgesetzt wird, und bleibt hoch, bis das Inkremental-Zählersignal T1RA das Vergleichssignal T1CMPA überschreitet. Die Signalpegel von HS1 und HS2 können auch invertiert werden, indem ein internes Steuerregister eingestellt wird.
Aus 5 kann man erkennen, daß dann, wenn der Maximalwert des Inkremental-Zählersignals T1RA relativ klein eingestellt wird, die Schaltfrequenz des Leistungswandlers 10 erhöht wird. Wenn andererseits der Maximalwert des Zählersignals T1RA auf einen relativ großen Wert eingestellt wird, sinkt die Schaltfrequenz. Der digitale PWM 30 kann somit die Schaltfrequenz adaptiv abhängig von der Lastbedingung des Leistungswandlers 10 verändern.
6 zeigt ein schematisches Diagramm in Teil-Blockform für eine beispielhafte Ausführung eines Ausgangsspannungs-Rückkopplungsschaltkreises 100 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Der Ausgangsspannungs-Rückkopplungsschaltkreis 100 kann zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Leistungswandlers elektrisch isoliert sein. Einige Teile des Ausgangsspannungs-Rückkopplungsschaltkreises 100 können in einem integrierten Schaltkreis(IC)-Chip für den Mikrocontroller realisiert sein, und Teile des Rückkopplungsschaltkreises 100 können in zusätzlichen ICs für einen Optokoppler und eine Schottky-Diode realisiert sein (d.h. IC4 bzw. IC5). In einigen Ausführungen kann der Ausgangsspannungs-Rückkopplungsschaltkreis 100 wenigstens einen Teil des Rückkopplungscontrollers 22 realisieren. Der Spannungs-Rückkopplungsschaltkreis 100 verwendet eine interne Stromquelle (Ia). 7 zeigt eine beispielhafte Wellenform für den Ausgangsspannungs-Rückkopplungspegel zum Erfassen einer Überlastbedingung gemäß einer Ausführung der Erfindung.
Wenn es eine Zunahme des Laststroms in dem Leistungswandler 10 gibt, nimmt die Ausgangsspannung leicht ab. In dem Ausgangsspannungs-Rückkopplungsschaltkreis 100 nimmt somit der Strom einer lichtemittierenden Diode (LED) des Optokopplers ebenfalls ab. Dadurch sinkt der Kollektorstrom des Optokopplers, und der Spannungspegel an dem Knoten (AIN1/G3) steigt, weil die interne Stromquelle (Ia) den parallelen Kondensator (Cf) gemäß der folgenden Gleichung lädt.
Wenn ein geeigneter Strom an die Last angelegt wird, wird die Ausgangsspannung auf den richtigen Pegel eingestellt. Wenn andererseits zu viel Strom an die Last geliefert wird (Überstrom oder Überlastbedingung) und die Ausgangsspannung niedriger ist als der Nennpegel für den Leistungswandler 10, nimmt der Spannungspegel an dem Knoten (AIN1/G3) zu, wie in 7 gezeigt. Der Mikrocontroller überwacht diesen Spannungspegel und kann die Überlastbedingung erkennen, wenn der Spannungspegel den vordefinierten Überlastspannungspegel (Vsd) überschreitet. Dadurch können verschiedene intelligente Schutzmaßnahmen vorgesehen werden, indem der gemischt analoge und digitale Controller verwendet wird.
Durch Überwachen des Spannungspegels am Anschluß (AIN1/G3), wie in 7 gezeigt, kann die Spannungsversorgung gegenüber Lastbedingungen geschützt werden. Auch die Überwachung des Eingangsspannungspegels durch Verwenden von Rin1 und Rin2, wie in den 2A, 2B und 2C gezeigt, kann eine Eingangs-Überspannung und Unterspannungsbedingung erkennen lassen. Der Überspannungsschutz kann auch dadurch erhalten werden, daß die Amplitude des Stromerfassungssignals an dem Anschluß (AIN0/G4) verglichen wird, wie in den 2D und 3 gezeigt. Wenn ein kurzer oder sehr hoher Strom erfaßt wird, wird der Leistungstransistor 16 (z.B. MOSFET) sofort mit geringer oder keiner Verzögerung abgeschaltet. Dadurch ergibt sich ein zyklusweises Stromschutzmerkmal.

Obwohl die Erfindung und ihre Vorteile im einzelnen beschrieben wurden, wird man verstehen, daß zahlreiche Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Bereich der Erfindung gemäß den Ansprüchen abzuweichen. D.h., die Erörterung dieser Anmeldung dient nur als eine grundsätzliche Beschreibung. Man sollte verstehen, daß die spezifische Erörterung nicht alle möglichen Ausführungen ausdrücklich beschreibt; viele Alternativen sind implizit umfaßt. Sie mag auch die grundsätzliche Natur der Erfindung nicht vollständig erklären und nicht ausdrücklich zeigen, wie jedes Merkmal oder Element tatsächlich auch einer breiteren Funktion oder einer großen Vielzahl von alternativen und äquivalenten Elementen entsprechen kann. Diese sind implizit in dieser Offenbarung mit eingeschlossen. Die Erfindung wurde beschrieben mit Bezug auf gerätespezifische Terminologie, wobei jedes Element implizit Funktionen durchführt. Weder die Beschreibung noch die Terminologie soll den Bereich der Ansprüche begrenzen. Legenden zu den Figuren Fig. 1

Vdc Input	Vdc Eingang
Rectifier & Filter	Gleichrichter & Filter
Isolated Feedback Network	Isoliertes Rückkopplungs-Netzwerk
Digital control Block	Digitaler Steuer/Regel-Block
Internal Clocks	Interne Takte
Oscillator	Oszillator
Analog control Block	Analoger Steuer/Regel-Block
Digital PWM	Digitaler PWM
Digital Filter	Digitaler Filter
Current Feedback	Strom-Rückkopplung
Voltage feedback	Spannungs-Rückkopplung
Internal Digital Logics	Interne digitale Logik
Digital/Analog Inputs or Outputs	Digitale/Analoge Eingänge oder Ausgänge

Fig. 2a

Vdc Input	Vdc Eingang
Snubber-Circuit	Beschaltung (Snubber-Schaltkreis)
Rectifier & Filter	Gleichrichter & Filter
Full Digital Microcontroller	Volldigitaler Mikrocontroller
Gate Driver	Gatetreiber
Current Sensing	Stromerfassung
Ouput Voltage Sensing	Ausgangsspannungserfassung
Isolated Feedback Network	Isoliertes Rückkopplungs-Netzwerk
Serial Communication Port	Serieller Übertragungsport

Fig. 2b

Vdc Input	Vdc Eingang
Snubber-Circuit	Beschattung (Snubber-Schaltkreis)
Rectifier & Filter	Gleichrichter & Filter
Full Digital Microcontroller	Volldigitaler Mikrocontroller
Gate Driver	Gatetreiber
Current Sensing	Stromerfassung
Ouput Voltage Sensing	Ausgangsspannungserfassung
Isolated Feedback Network	Isoliertes Rückkopplungs-Netzwerk
Serial Communication Port	Serieller Übertragungsport

Fig. 2c

Fig. 3

Full Digital Microcontroller	Volldigitaler Mikrocontroller
Comparator	Vergleicher
Programmable Digital Delay	Programmierbare digitale Verzögerung
Digital PWM Reset	Digitaler PWM-Reset
Programmable Voltage Reference	Programmierbare Spannungsreferenz
Error OP-Amp	Fehleroperationsverstärker

Fig. 4

Uncommitted Amplifier	Nicht zugeordneter Verstärker
Regulator	Stellglied
Analog Mux	Analoger Multiplexer
Temp Sens.	Temperatursensor
Autozero Amplifier	Selbstnullender Verstärker
Unit Gain	Einheitsverstärkung
Comparator	Vergleicher
Programmable Reference	Programmierbare Referenz
Power on Reset and Brownout	Einschalt-Reset und Spannungsabfall
Internal Oscillator	Interner Oszillator
Timer 0 and Watchdog	Timer 0 und Watchdog
64 bytes EEPROM Data Memory	64 Byte EEPROM Datenspeicher
64 bytes SRAM	64 Byte SRAM
ACE 1502 Core	ACE 1502 Kern
PWM TIMER 1 and Dead Time Control	PWM TIMER 1 und Totzeitsteuerung
1024 bytes EEPROM Code Memory	1024 Byte EEPROM Codespeicher
I/O Ports	E/A-Ports
Digitaler Filter	Digital Filter

Fig. 6

A/D Converter	A/D-Wandler
Analog MUX	Analoger Multiplexer
Opto-Coupler	Opto-Koppler

Zusammenfassung
Es ist ein Leistungswandler offenbart, der einen Mikrocontroller verwendet. In einer Ausführung kann der Leistungswandler ein digitaler Flyback- oder Vorwärtswandler sein. Der Mikrocontroller kann einen digitalen Pulsbreitenmodulations-Controller (PWM), einen arithmetischen Logikeinheit-Kern (ALU), einen internen Arbeitsspeicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM) und einen oder mehrere Analog-Digital (A/D) und Digital-Analog (D/A)-Wandler aufweisen. Für eine sehr schnelle dynamische Reaktion in einer inneren Stromregelschleife wird ein analoger Komparator verwendet, um eine Stromregelung auf der Basis von Analogtechnik vorzusehen. Der analoge Komparator kann ein Signal, das repräsentativ für den in den Leistungswandler fließenden Strom mit einer Spannungsreferenz, die programmierbar sein kann, vergleichen. Der analoge Komparator kann mit dem digitalen Mikrocontroller in einem einzelnen integrierten Schaltkreis (IC)-Chip integriert sein. Der Leistungswandler kann ferner Signale bezüglich des Status verschiedener Bedingungen senden (z.B. Ausgangsspannungspegel, Strompegel, Fehler etc.), oder er kann Signale für Systemsteuerbefehle empfangen (z.B. Ausgangsspannung, Stromschutzpegel, Standby-Modus für geringste Leistungsaufnahme, normaler Modus und Einschalt- oder Ausschaltbefehle), und zwar über einen seriellen Kommunikationsport.

Claims

Leistungswandler mit einem Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung so angeschlossen ist, daß sie eine Eingangsspannung empfängt, und die Sekundärwicklung eine Ausgangsspannung liefert; einem Transistor, der mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist, zum Steuern des durch die Primärwicklung fließenden Stroms; einer Stromerfassungseinrichtung, die mit dem Transistor gekoppelt ist, um ein Signal abzuleiten, das die Menge des durch den Leistungswandler fließenden Stroms anzeigt, wobei die Stromerfassungseinrichtung einen Teil einer Stromregelschleife für den Leistungswandler bildet; einer Rückkopplungs-Steuereinheit, die mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist, zum Vorsehen eines Signals, das eine Ausgangsspannung des Leistungswandlers angibt, wobei die Rückkopplungs-Steuereinheit Teil einer Spannungsregelschleife für den Leistungswandler bildet; und einer Steuereinheit (Controller) zum Vorsehen einer analogen Regelung der Stromregelschleife und einer digitalen Regelung der Spannungsregelschleife des Leistungswandlers.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit einen Vergleicher zum Vergleichen eines Signals, das repräsentativ für den durch die Primärwicklung fließenden Strom ist, mit einem Referenzsignal aufweist, wodurch eine schnelle dynamische Reaktion in der Stromregelschleife des Leistungswandlers vorgesehen wird.
Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei das Referenzsignal programmierbar ist.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit einen relativ langsamen, kostengünstigen digitalen Mikrocontroller aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit einen digitalen Pulsbreiten (PWM)-Controller aufweist, der ein Signal an ein Gate des Transistors anlegen kann, um den Transistor ein- und auszuschalten.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit umfaßt: einen Komparator zum Vergleichen eines Signals, das repräsentativ für den durch die Primärwicklung fließenden Strom ist, mit einem Referenzsignal, um dadurch eine schnelle dynamische Reaktion in der Stromregelschleife des Leistungswandlers vorzusehen; und einen digitalen Puls-Breiten-Modulations (PWM)-Controller, der ein Signal an ein Gate des Transistors anlegen kann, um den Transistor ein- und auszuschalten.
Leistungswandler nach Anspruch 6, wobei der Komparator und der digitale Puls-Breiten-Modulations (PWM)-Controller in einem einzelnen integrierten Schaltkreis (IC)-Chip realisiert sind.
Leistungstransistor nach Anspruch 1, wobei die Stromerfassungseinrichtung einen Widerstand aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit mit externen Schaltkreisen kommunizieren kann, um wenigstens ein Signal für einen Steuerbefehl für den Leistungswandler zu empfangen und wenigstens ein Signal zu senden, das den Status einer Bedingung des Leistungswandlers angibt.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit einen Port für die Kommunikation mit dem externen Schaltkreis aufweist.
Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Leistungswandlers mit folgenden Verfahrensschritten: Vorsehen einer analogen Steuerung oder Regelung eines Stroms, der in dem Leistungswandler fließt, zur Erzielung einer schnellen, dynamischen Leistungsfähigkeit; und Vorsehen einer digitalen Steuerung oder Regelung der Ausgangsspannung des Leistungswandlers.
Verfahren nach Anspruch 11, mit dem weiteren Schritt: Erfassen eines Stroms, der durch einen Transformator in dem Leistungswandler fließt.
Verfahren nach Anspruch 11, mit dem weiteren Schritt: Erfassen eines Werts der Ausgangsspannung.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Vorsehen einer digitalen Steuerung oder Regelung das Senden wenigstens eines Signals, das repräsentativ für einen Status einer Bedingung des Leistungswandlers ist, durch den Leistungswandler umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Vorsehen einer digitalen Steuerung oder Regelung das Empfangen wenigstens eines Befehlssignals bei dem Leistungswandler umfaßt.
Leistungswandler mit folgenden Merkmalen: ein Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung dazu angeschlossen ist, eine Eingangsspannung zu empfangen, und die Sekundärwicklung eine Ausgangsspannung vorsieht; ein Transistor, der mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist, zum Steuern des durch die Primärwicklung fließenden Stroms; ein Rückkopplungs-Controller (Steuereinheit), der mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist, zum Vorsehen eines Signals, das eine Ausgangsspannung des Leistungswandlers anzeigt; und ein Mikrocontroller, der mit dem Transistor gekoppelt ist, zum Einschalten und Ausschalten des Transistors, und der mit dem Kopplungs-Controller gekoppelt ist, um das Signal, das eine Ausgangsspannung des Leistungswandlers anzeigt, zu empfangen, wobei der Mikrocontroller einen analogen Vergleich eines Signals, das für den durch die Primärwicklung fließenden Strom repräsentativ ist, mit einem Referenzsignal durchführen kann, wodurch eine schnelle dynamische Reaktion in einer innern Stromregelschleife des Leistungswandlers erreicht wird, und wobei der Mikrocontroller mit einem externen Schaltkreis kommunizieren kann, um wenigstens ein Signal für einen Steuerbefehl für den Leistungswandler zu empfangen und wenigstens ein Signal zu senden, das den Status einer Bedingung in dem Leistungswandler angibt.
Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei der Mikrocontroller mit relativ geringer Geschwindigkeit arbeitet.
Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei der Mikrocontroller einen digitalen Pulsbreitenmodulations (PWM)-Controller umfaßt.
Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei der Mikrocontroller einen Arbeitsspeicher (RAM) und einen Nur-Lese-Speicher (ROM) aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei der Steuerbefehl ein Befehl für einen der folgenden Werte umfaßt: Ausgangsspannung, Stromschutz, Standby-Modus, normaler Modus, Einschalten und Ausschalten.
Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei die Bedingung eines der folgenden umfassenden kann: Eingangsspannungspegel, Ausgangsspannungspegel, Strompegel und Fehler.
Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei ein Pegel des Referenzsignals programmierbar ist.
Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei der Mikrocontroller in einem einzelnen integrierten Schaltkreis (IC)-Chip realisiert ist.
Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei der Mikrocontroller einen seriellen Übertragungsport zum Empfangen und Senden von Signalen aufweist.