DE112006002837T5 - Verbesserung des Signal-zu-Stör-Verhaltens für eine den Leistungsverlust zu einem Minimum machende Totzeit - Google Patents

Verbesserung des Signal-zu-Stör-Verhaltens für eine den Leistungsverlust zu einem Minimum machende Totzeit Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Verringerung der mit der Totzeit zwischen den EIN-Zeiten von zwei in Serie geschalteten Schaltern eines Leistungswandlers, die längs eines Versorgungs-Potentials anlegt sind, verbundenen Leistungsverluste auf ein Minimum, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
eine Steuer-Anordnung zur Überwachung eines ausgewählten Parameters, der dem Leistungsverlust während der Totzeit des Wandlers zugeordnet ist;
wobei die Steueranordnung die Totzeit von einer ersten Totzeit auf eine zweite Totzeit ändert und den ausgewählten Parameter, der mit dem Leistungsverlust für die ersten und zweiten Totzeiten verbunden ist, vergleicht, und bestimmt, welcher der Leistungsverluste, der mit den beiden Totzeiten verbunden ist, kleiner ist;
eine Totzeit-Implementierungs-Stufe zum Implementieren der zwei Totzeiten; und
wobei die Steueranordnung die mit dem kleineren Leistungsverlust verbundene Totzeit auswählt und ein Signal an die Totzeit-Implementierungs-Stufe liefert, um die ausgewählte Totzeit einzustellen, wobei die Steueranordnung ein Modul umfasst, das ein Signal des Leistungswandlers, das zu dem mit dem Leistungsverlust verbundenen...

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung beansprucht die Vergünstigungen und die Priorität der provisorischen US-Anmeldung 60/733,281 vom 3. November 2005 mit dem Titel SIGNAL-TO-NOISE IMPROVEMENT FOR POWER LOSS MINIMIZING DEAD TIME, deren gesamte Offenbarung durch diese Bezugnahme hier mit eingefügt wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verringerung des mit der Totzeit von Schaltleistungs-Versorgungen verbundenen Leistungsverlustes auf ein Minimum.
  • In der US-Patentanmeldung Nr. 11/058,969 vom 16. Februar 2005, deren gesamte Offenbarung durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird, sie sind Verfahren und Vorrichtungen zur weitestgehenden Verringerung des Leistungsverlustes beschrieben, der mit der Totzeit von Schaltleistungsversorgungen verbunden ist. In einer Schaltleistungsversorgung, beispielsweise einem Schaltwandler werden typischerweise zwei Steuerschalter verwendet, von denen einer als ein synchroner Gleichrichter arbeitet. Die zwei Schalter werden allgemein so gesteuert, dass die beiden Schalter niemals gleichzeitig eingeschaltet sind. Eine „Totzeit" ist zwischen den Einschaltzeiten der zwei Schalter vorgesehen, um eine Durchgangsverbindung längs der Gleichspannungsversorgung zu verhindern, zwischen denen die zwei Schalter in Serie geschaltet sind.
  • Bei der früheren Patentanmeldung wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein ausgewählter Parameter, der mit dem Leistungsverlust während der Totzeit verbunden ist, überwacht wird. Der ausgewählte Parameter kann der Tastgrad eines pulsbreitenmodulierten (PWM-)Steuersignals, das zur Ansteuerung eines Steueranschlusses von zumindest einem der Schalter ausgebildet ist, oder das Fehlersignal von einem Fehlerverstärker sein, der den PWM-Modulator ansteuert, wie dies in 1A des verwandten US-Patentes 7,098,640 gezeigt ist. Die gesamte Offenbarung dieses Patentes wird durch diese Bezugnahme hier ebenfalls eingefügt. Bei dem beschriebenen System ändert die Steueranordnung für die Schalter kontinuierlich die Totzeit von einer ersten Totzeit auf eine zweite Totzeit und vergleicht die ausgewählten Parameter und somit die Leistungsverluste für die ersten und zweiten Totzeiten und bestimmt, welcher der Leistungsverluste, der mit den zwei Totzeiten verbunden ist, kleiner ist. Eine Totzeit-Implementierungs-Stufe implementiert die zwei Totzeiten, und die Steueranordnung wählt die Totzeit aus, die mit dem kleineren Leistungsverlust verbunden ist, und liefert ein Signal an die Totzeit-Implementierungs-Stufe, um die ausgewählte Totzeit einzustellen.
  • Ein grundlegendes Element eines dem Leistungsverlust zu einem Minimum machenden Totzeit-Schemas (PLMDT) besteht darin, die Totzeit zu finden, die dem minimalen Leistungsverlust entspricht. Die vorstehend beschriebene Lösung beruht auf einer Modulation der Effizienz des synchronen Leistungswandlers mit der Änderung der Totzeit und der nachfolgenden synchronen Demodulation des Ergebnisses für eine Verarbeitung, um Entscheidungen darüber zu treffen, welche Totzeit am besten ist. Verschiedene in der Praxis auftretende Beschränkungen behindern diesen Prozess dadurch, dass effektiv ein „Rauschen" oder eine „Störung" erzeugt wird, dass bzw. die überwunden werden muss, damit der den Leistungsverlust zu einem Minimum machende Totzeit-(PLMDT-)Algorithmus erfolgreich arbeitet. Diese praktischen Beschränkungen schließen Folgendes ein:
  • Instrumentierungs-Fehler
  • Für ein Analogsignal-Verarbeitungsschema müssen die Offset-Fehler für irgendwelche Verstärker und Vergleicher durch irgendwelche Unterschiede in dem erfassten Signal überwunden werden, die durch den Leistungsverlust hervorgerufen werden. Weil die Signalgröße im mV-Bereich liegen kann, ist es zu erkennen, dass Offset-Werte von 1 mV oder weniger wünschenswert sind. In dem PLMDT-Schema kann eine Abtast- und Halte-(S&H-)Schaltung zusammen mit einem Vergleicher verwendet werden, um die vorhergehende Leistungsverlust-Abtastprobe und die derzeitige Leistungsverlust-Abtastprobe zu speichern und die zwei zu vergleichen, um festzustellen, welche „besser" ist oder welche einen niedrigeren Leistungsverlust darstellt. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es wünschenswert, dass der Abtast- und Halte-(S&H)Kondensator des S&H-Modul mit dem Leistungsverlust-Entscheidungs-Vergleicher-Eingang verbunden ist. Im Fall einer S&H-Schaltung sind eine geringe Eingangs-Vorspannung und ein geringer Offset-Strom wünschenswert. Niedrige Eingangs-Vorspannungs/Offset-Ströme und eine niedrige Eingangs-Offset-Spannung sind miteinander im Konflikt stehende Anforderungen, die es schwierig zu machen, diese Schaltung in einer wirtschaftlichen Weise zu implementieren.
  • Leistungsverlust-Minima
  • Das Ansprechverhalten des Leistungsverlustes als eine Funktion der Totzeit ist nicht notwendigerweise über den gesamten Bereich des Totzeit-Modulators monoton. Dies kann dazu führen, dass manche Implementierungen bei weniger als optimalen Totzeiten einrasten, in manchen Fällen weit entfernt von der optimalen Totzeit.
  • Lastschwankungen
  • Während stetiger Lastbedingungen sind alle die Änderungen des Leistungsverlustes eine Funktion des PLMDT-Betriebs bei dessen Änderungs-Abtastfrequenz. Wenn sich die Last ändert, so wird diese Änderung der Modulation überlagert, die durch die beabsichtigte Änderung der Totzeit hervorgerufen wird. Wenn sich die Last in einer sehr zufälligen Weise ändert, kann eine einfache Mittelwertbildung dieses unerwünschte Signal beseitigen, selbst wenn es groß ist (was oft der Fall ist). Wenn sich die Last in einer kohärenten Weise ändert, kann dieses „falsche" Signal jedoch das gewünschte Signal übersteigen, wenn seine Frequenz in der Nähe der PLMDT-Abtastfrequenz oder deren Harmonischen/Subharmonischen liegt. Dies kann einen zufälligen oder sogar destruktiven Betrieb hervorrufen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen des Leistungsverlust-Verringerungs-Totzeit-Schemas, das in der vorstehend genannten Patentanmeldung und dem Patent beschrieben ist. Insbesondere ergibt sie Bereiche der Verbesserung an dem PLMDT-Verfahren und der Vorrichtung. Diese sind wie folgt:
  • Verringerung von Instrumentierungs-Fehlern
  • Das PLMDT-Schema kann mit Implementierung entweder mit einer Analogsignalen oder mit gemischten Signalen der Leistungsverlust-Erfassung implementiert werden. Typischerweise wird der Leistungsverlust von dem Tastgrad-Faktor abgeleitet, der seinerseits von dem Fehlerverstärker-Ausgang abgeleitet werden kann. Siehe 1A des US Patentes 7,098,640 . Unabhängig davon, ob es sich um eine Implementierung mit gemischten Signalen oder einem Analogsignal handelt, ist nicht die Genauigkeit der Messung wichtig, sondern die Auflösung und die Kurzzeit-Wiederholbarkeit der Messung ist wichtig.
  • Die Kombination der typischen Auflösung und der Kurzzeit-Wiederholbarkeit sollte in der Größenordnung von 1 mV oder weniger sein. Die Wiederholbarkeit sollte über die Periode von zumindest zwei Einschwing-Verzögerungen liegen, die in der Größenordnung von einigen Millisekunden liegen können.
  • Im mit gemischten Signalen arbeitenden Implementierungen kann ein mit Vorzeichen arbeitender Akkumulator verwendet werden, um die Differenz zwischen dem Test-Leistungsverlust und den vorhergehenden besten Leistungsverlusten zu speichern. Dies ist bei einer rein analogen Implementierung nicht möglich, führt jedoch zu einer sehr beträchtlichen Verbesserung des Betriebs. Die Implikation hiervon besteht jedoch darin, dass die Kurzzeit-Wiederholbarkeit über „N" Tests aufrechterhalten werden muss. In einer praktischen Implementierung wurden 256 Tests verwendet. In der Praxis sollte die Aufrechterhaltung einer Wiederholbarkeit über eine Sekunde oder weniger keine Herausforderung in einer Implementierung mit gemischten Signalen darstellen, was eine wesentlich längere Zeit ist, als die wenigen Millisekunden, die in einer Analog-Implementierung verwendet wurden.
  • Für eine Lösung mit gemischten Signalen ist eine ausreichende Anzahl von Bits erforderlich, um eine ausreichende Auflösung zu erzielen, damit die Analog-Elemente des Wandlers die erforderliche Kurzzeit-Wiederholbarkeit haben. Eine Analog-Wiederholbarkeit über eine derartige Zeitperiode, die sich typischerweise ergibt, stellt kein Problem dar.
  • Für eine Analog-Lösung würde ähnlich wie bei der Lösung mit gemischten Signalen die Wiederholbarkeit ein praktisches Problem darstellen. Das Auflösungs-Problem reduziert sich auf die Offset-Werte des Vergleichers, der die „besser/schlechter"-Entscheidung hinsichtlich des Leistungsverlustes macht. Diese Offset-Wert ist effektiv die Auflösung der Messung, weil irgendeine auf die Totzeit bezogene Änderung der Fehlerspannung den Offset-Wert übersteigen muss, um das Ergebnis der Entscheidung zu ändern.
  • Diese Erfindung erzielt effektiv eine Auflösung von besser als 1 mV unter Verwendung von FET-Differenz-Paaren mit Offset-Werten von 15 mV oder mehr, während extrem niedrige Eingangs-Leckströme aufrechterhalten werden, so dass diese auch als der S&H-Eingang wirken können.
  • Überwinden örtlicher Leistungsverlust-Minima
  • Die Leistungsverlust-Vorteile in der Nähe der optimalen Totzeit-Einstellung sind erheblich, doch kann die Änderung von irgendeiner Totzeit-Einstellung zu der nächstgelegenen so klein sein, dass sie nicht erfassbar ist oder selbst von dem allgemeinen Trend durch einen sehr kleinen Betrag umgekehrt werden kann. Ein Artifakt hiervon besteht darin, dass ein PLMDT-Algorithmus, der lediglich die Totzeit-Werte auf jeder Seite seines derzeitigen „besten" Werte prüft, bei einer Einstellung einrasten werden kann, die weit von dem optimalen Wert entfernt ist.
  • Um dieses Problem zu lösen, prüft die Erfindung alle möglichen Totzeiten. Zu jeder Zeit, zu der eine bessere Totzeit (niedrigerer Leistungsverlust) gefunden wird, bewegt sich der PLMDT-Algorithmus auf diese neue Totzeit-Einstellung und setzt die Prüfung aller anderen Werte fort. Dies beinhaltet weiterhin ein Verfahren zur Verringerung der Zeit, die beim Testen von sub-optimalen Totzeiten verbraucht wird, so dass sich ein Ausweich-Algorithmus ergibt, damit die Gesamt-Leistungsverlust-Einsparungen zu einem Maximum gemacht werden können.
  • Verringerung der Effekte von kohärenten Lastschwankungen
  • Nach jeder Änderung der Totzeit ist es vorteilhaft, es der Leistungsversorgungs-Rückführungsschleife zu ermöglichen, einzuschwingen, bevor versucht wird, den Leistungsverlust festzustellen, der mit der neuen Totzeit verbunden ist. Diese Verzögerung muss vergrößert werden, um ein Einschwingen irgendeiner Messschaltung zu ermöglichen, die zur Bestimmung des Leistungsverlustes verwendet wird.
  • Diese Verzögerung legt in Kombination mit der sich wiederholenden Eigenart des PLMDT-Betriebs die Abtastrate des Gesamt-PLMDT-Betriebs fest. Eine große Anzahl von Abtastproben wird gewonnen, bevor eine einzige PLMDT-Entscheidung gemacht wird. Dies ermöglicht es effektiv, dass zufällige Lastschwankungen aus der Entscheidung beseitigt werden. Im Fall einer kohärenten Lastschwankung ist es in Abhängigkeit von der Abtast-Frequenz und der Lastschwankungs-Frequenz mög lich, dass die Lastschwankung dazu führt, dass jede einzelne Messung als „besser" angesehen wird, oder das jede einzelne Messung als „schlechter" angesehen wird.
  • Eine Lösung dieses Problems besteht in der Einfügung eines pseudo-zufälligen Zeitsteuerelementes in die Einschwingverzögerung des grundlegenden PLMDT-Algorithmus unter Verwendung eines linearen Rückführungs-Schieberregisters (LFSR). Andere ausführliche Lösungen sind möglich, wie die Entwicklung einer digitalen Zufalls-Quelle aus einer analogen Quelle für weißes Rauschen, wie zum Beispiel eine Zener-Grenzschicht.
  • In jedem Fall besteht das grundlegende Prinzip der Erfindung in einer Aufspreizung der synchronen Modulation und der Detektion der PLMDT-Schaltung über ein sehr weites Spektrum, sodass eine Störung irgendeinen schmalen Teil dieses Spektrums lediglich einen sehr kleinen Bruchteil-Effekt auf das Gesamtergebnis hat.
  • Obwohl es vom Konzept her möglich ist, dass eine Lastschwankung exakt die gleiche pseudo-zufällige Folge eines LFSR hat, ist dies statistisch unwahrscheinlich, solange wie die LFSR-Sequenz ausreichend lang ist.
  • Weiterhin können, obwohl diese Anmeldung Ausführungsformen zeigt, bei denen die Wandlerschaltungen pulsbreitenmoduliert sind, die Prinzipien der Erfindung auf andere Modulationsschemas, unter Einschluss der Pulsfrequenz-Modulation (PFM) sowie anderer Modulationsschemas angewandt werden. Es ist festzustellen, dass das tatsächliche Modulationsschema nicht von Bedeutung ist, so weit es die Schemas zur Implementierung der PLMDT betrifft. Irgendein Modulationsschema könnte verwendet werden.
  • Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nunmehr mit weiteren Einzelheiten in der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 einen bekannten Schaltwandler zeigt, der eine Leistungsverlust-Verringerungs-Totzeit-Stufe implementiert, wie sie auch in der 1A des US Patentes 7,098,640 gezeigt ist;
  • 1A die Signal-Schwingungsformen der Schaltung nach 1 zeigt;
  • 2 ein Beispiel eines Algorithmus zum Implementieren der den Leistungsverlust zu einem Minimum machenden Totzeit zeigt, wie er auch in der 5 des US Patentes 7,098,640 beschrieben ist.
  • 3 eine Modifikation der Schaltung nach 2 gemäß der Erfindung zeigt, die Fehler ausgleicht, die durch die Abtast- und Halteschaltung und den Vergleicher erzeugt werden;
  • 4 ein Beispiel dafür zeigt, wie der Totzeit-Algorithmus zum Verringern des Leistungsverlustes auf ein Minimum bei einer Totzeit-Einstellung einrasten kann, um zu erläutern, wie die Erfindung dieses Einrasten überwindet;
  • 5 eine Modifikation des Leistungsverlust-Verringerungs-Totzeit-Algorithmus zeigt, um ein frühzeitiges Entweichen aus einem Einrasten bei einer weniger als optimalen Totzeit zu ermöglichen;
  • 6 eine vereinfachte Darstellung einer Zustandsmaschine zeigt, die zur Implementierung der den Leistungsverlust verringernden Totzeit verwendet wird;
  • 6a ein Zeitsteuerdiagramm ist, das der 6 zugeordnet ist;
  • 7 zeigt, wie kohärente Lastschwankungen fehlerhafte „besser" oder „schlechter" Leistungsverlust-Anzeigen bei dem bekannten Leistungsverlust-Verringerungs-Totzeit-Schema hervorrufen können;
  • 8 eine Schaltungsimplementierung zur Kompensation von kohärenten Lastschwankungen zeigt; und
  • 9 eine vereinfachte Darstellung der Wirkung der Verwendung eines zufälligen Abtastintervall bei einem PLMDT-Betrieb zeigt, um den Effekt von kohärenten Lastschwankungen zu kompensieren.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
  • Es wird nunmehr auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen 1 eine vereinfachte Implementierung des PLMDT-Algorithmus zeigt. Bei dieser Analog-Implementierung wird das Fehlersignal von dem Fehlerverstärker 113, der den PWM-Modulator 114 ansteuert, als Anzeige des Leistungsverlustes verwendet. Dies wird anhand der 1A des US Patentes 7,098,640 beschrieben. Ein PWM-Oszillator, der in dem PWM-Modulator 114 enthalten ist, soll bei 1 MHz arbeiten, d. h., er hat eine Periode von einer Mikrosekunde für die angegebenen Beispiele der Schaltungen. Irgendeine andere Frequenz kann verwendet werden. Der Leser wird auf die 4 und 5 und die zugehörige Beschreibung des US Patentes 7 098 640 hinsichtlich einer allgemeinen Erläuterung des den Leistungsverlust zu einem Minimum machenden Totzeit-Algorithmus sowie auf 1A dieses Patentes verwiesen, die den Leistungsverlust zu einem Minimum machenden Totzeit-Algorithmus und die Schaltung beschreibt, bei der der Ausgang des Fehlerverstärkers als eine Anzeige des Leistungsverlustes während der Totzeit überwacht wird.
  • 1 zeigt eine Gleichspannungswandler-Schaltung, die die PLMDT-Technik beinhaltet. Die Schaltung verwendet den PLMDT-Algorithmus auf einer periodischen Grundlage, um die Totzeiten zu optimieren und zu aktualisieren. Der Wandler schließt zwei Schalter 108 und 119, typischerweise MOSFETS, ein, die in Serie zwischen dem Leistungsversorgungs-Knoten, VIN und Masse eingeschaltet sind. Der Wandler ist als Abwärts-Wandler gezeigt, doch kann das PLMDT-Schema auf irgendeine Form einer Schaltleistungsversorgung mit einer synchronen Gleichrichtung angewandt werden.
  • Wie dies gut bekannt ist, ist der geschaltete Knoten eines Abwärts-Wandlers mit der Last über eine Ausgangs-Induktivität 110 gekoppelt. Ein Ausgangs-Kondensator 111 ist längs der Last angeschaltet. Der Gate-Anschluss jedes Schalters 108 und 119 ist mit pulsbreitenmodulierten (PWM-)Signalen (CONTROL beziehungsweise SYNC) von einer PWM-Steuerung 114 über eine Gate-Steuerschaltung 107 und 118 gekoppelt, die schematisch dargestellt sind. Zusätzliche Schaltungen zwischen den PWM-Modulator und der Gate-Ansteuerschaltung führen den PLMDT-Algorithmus aus. Weil die Gate-Ansteuersignale komplementär sind, ist ein Inverter 115 in einem der Gate-Ansteuerkanäle gezeigt. In einem Abwärts-Wandler wirkt der Schalter 108 als der Steuerschalter, und der Schalter 119 wirkt als ein Synchron-Gleichrichter. Das PWM-Signal von dem PWM-Modulator 114 wird in einer bekannten Weise erzeugt. Das PWM-Signal wird durch den ersten eine feste Verzögerung aufweisenden Block 106 verzögert. Dies ermöglicht es, dass der programmierbare Totzeitbereich sowohl positive als auch negative Werte der Totzeit einschließt. Die Ausschaltzeit und die Einschaltzeit des synchronen Schalters 119 wird in der in 1 gezeigten Weise geändert, so dass die Größe der Totzeit geändert wird. Die Synchronisations-Einschalt-Verzögerung (SYNC-ON-Delay) wird beispielsweise über einen vier-Bit-Totzeit-Modulator 116 implementiert, der einen Zähler, eine angezapfte Analog- oder Digital-Verzögerungsleitung oder eine monostabile Schaltung umfassen kann. In gleicher Weise wird die Synchronisations-Abschalt-Verzögerung (SYNC-OFF DELAY) durch einen ähnlichen Modulator 120 implementiert. Sie werden unabhängig durch den Totzeit-Prozessor 101 programmiert und ermöglichen eine unabhängige Einstellung der Synchronisations-Ein- und Synchronisations-Aus-Verzögerungszeiten.
  • In der Schaltung nach 1 wurden Änderungen des Tastgrades eines PWM-Signals, wie es in dem Ausgang des Fehlerverstärkers 113 wiedergegeben wird, zur Abschätzung von Leistungsverlust-Änderungen verwendet. Das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 113 kann als eine Anzeige des Tastgrades und damit des Leistungsverlustes verwendet werden. Dies ist möglich, weil das Fehlersignal das Modulations-Eingangssignal an die PWM-Stufe 114 ist. Entsprechend ist der PWM-Tastgrad proportional zu der Fehlerspannung. Das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 113 wird dem PWM-Modulator zugeführt, um das PWM-Signal zu erzeugen, das die Schalter 108 und 119 ansteuert. Es wird weiterhin einem Tiefpassfilter 102 zugeführt, um ein Signal D × VIN zu erzeugen, das proportional zu dem Tastgrad ist. Das Tiefpassfilter ergibt ein sich langsam bewegendes Signal, das gleich dem ist, wie es die Ausgangsspannung sein würde, wenn es keine Wandler-Verluste geben würde. Das Signal wird von einem Verstärker 103 verstärkt und dessen Ausgangssignal wird auf zwei Pfaden geliefert. Ein Pfad führt direkt zu dem Entscheidungs-Vergleicher 105 und der andere Pfad verläuft beispielsweise über ein Abtast- und Halte-(S&H-)Modul 104, bevor es dem Entscheidungs-Vergleicher 105 zugeführt wird. Das Abtast- und Halte-Modul 104 speichert das vorhergehende verstärkte D × VIN-Signal, so dass es mit demjenigen verglichen werden kann, das nach einer Änderung der Totzeit erzeugt wird, worin D der Tastgrad ist.
  • Ein Abtast- und Halte-Modul 104 ist in 1 gezeigt, doch kann die Abtast- und Haltefunktion auf verschiedene Weise implementiert werden, beispielsweise unter Einschluss der Verwendung eines Analog-/Digital-Wandlers (ADC) und eines N-bit-Speichers oder einer anderen äquivalenten Technik. In gleicher Weise kann die Vergleicherfunktion zum Beispiel durch einen logischen Größen-Vergleicher oder durch andere äquivalente Techniken ausgeführt werden. Der Totzeit-Prozessor 101 (DTP) nach 1 kann mit logischen Schaltungen, einem Mikrocontroller oder einem Mikroprozessor implementiert werden. Der DTP 101 steuert die Abtast- und Halteschaltung 104, stellt die Totzeit über die Totzeit-Modulatoren 116 und 120 ein und verarbeitet das Besser-Signal von dem Ausgang des Entscheidungs-Vergleichers. Wenn das neue sich auf den Leistungsverlust beziehende Signal kleiner als das vorhergehende Signal (letztes D × VIN) ist, ist die neue Totzeit „besser" (der Vergleicher-Ausgang ist hoch), und der DTP 101 speichert den neuen Totzeit-Wert. Anderenfalls wird der neue Wert verworfen und die alte Totzeit wird wieder eingestellt. Eine Verzögerung ist nach dem Ändern der Totzeit erforderlich, um es der Leistungsversorgungs-Rückführungsschaltung zu ermöglichen, bei dem neuen Tastgrad einzuschwingen. Viele Faktoren können diese Zeit beeinflussen, doch scheint in der Praxis eine Zeit von ungefähr dem 100-fachen der Schaltperiode der Leistungsversorgung gut zu arbeiten.
  • Obwohl dies nicht zum Erläutern des Prinzips erforderlich ist, wird führt der DTP in der Praxis vorzugsweise eine Mittelwertbildung über mehrere Entscheidungen über eine relativ lange Zeitperiode aus, bevor eine endgültige Entscheidung über eine bestimmte Totzeit getroffen wird, um eine Zuverlässigkeit zu erzielen und um eine fehlerhafte Totzeit-Einstellung aufgrund von Störungen oder Schwankungen zu verhindern. Hunderte von Abtastproben sind wünschenswert. Hierdurch werden effektiv die Wirkungen von schnellen Lastschwankungen auf den Leistungsversorgungs-Tastgrad ausgemittelt. Die gleiche Mittelwertbildungs-Technik ist anwendbar, wenn irgendwelche anderen Maßnahmen neben dem Tastgrad zur Feststellung des Leistungsverlustes verwendet werden.
  • Das PLMDT-Schema kann unter Verwendung von digitalen PWM- oder digitalen Signalverarbeitungs-(DSP-)Implementierungen implementiert werden, doch bleibt der grundlegende Algorithmus immer im Wesentlichen der gleiche.
  • Die 1A zeigt Schwingungsformen der Schaltung nach 1. Das PWM-Signal, das als das Signal CONTROL gezeigt ist, wird durch die feste Verzögerung des Verzögerungsmoduls 116 verzögert. Das Signal SYNC, das dem Gate-Anschluss des synchronen Schalters 119 zugeführt wird, hat eine veränderliche Synchronisations-Ausschalt-Verzögerung und eine veränderliche Synchronisations-Einschalt-Verzögerung, wie dies weiter oben beschrieben wurde, wodurch die Totzeit zwischen den Signalen CONTROL und SYNC bestimmt wird. Die Synchronisations-Aus-Verzögerung wird durch den DTP 101 bestimmt und dem Modulator 120 als ein Vier-Bit-Digitalsignal zugeführt. Das Ausgangssignal des Modulators 120 wird der D-Flip-Flop-Schaltung 121 zugeführt, die den Schalter 119 mit der veränderlichen Verzögerung abschaltet. In ähnlicher Weise schaltet der Modulator 116 den Schalter 119 durch Setzen der D-Flip-Flop-Schaltung 117 bei der ausgewählten veränderlichen Einschalt-Verzögerung ein. Wenn der Ausgang der Flip-Flop-Schaltung 117 hoch ist, wird der Schalter 119 über den Treiber 118 eingeschaltet. Wenn die Flip-Flop-Schaltung 117 einen niedrigen Pegel annimmt, setzt sie die Flip-Flop-Schaltung 121 zurück, so dass die Flip-Flop-Schaltung 121 bereit ist, bei der nächsten Synchronisations-Aus-Verzögerung gesetzt zu werden, wie sie durch den Modulator 120 bestimmt wird. Die feste Verzögerung in dem Steuerkanal verzögert das PWM-Steuersignal um einen ausreichenden Betrag der Zeit, damit die Modulatoren 116 und 120 effektiv sowohl positive als auch negative Totzeiten in dem synchronen Kanal implementieren können, was es ermöglicht, dass das synchrone Einschalten und Ausschalten entweder verzögert oder vorverlegt wird, wie dies erforderlich ist, um die ausgewählte Totzeit zu erzielen.
  • 2 ist ein Ablaufdiagramm des bekannten PLMDT-Schemas, das durch die Schaltung nach 1 implementiert wird. Der grundlegende Algorithmus kann mit einem digitalen Signalprozessor, Mikroprozessor, Mikrocontroller oder einer logischen Zustandsmaschine implementiert werden.
  • In 2 ist lediglich der Ablauf für den Synchronisations-Aus-Kanal gezeigt. Wie dies nachfolgend beschrieben wurde, ist der Ablauf für den Synchronisations-Ein-Kanal im Wesentlichen der Gleiche. Beginnend bei A und unter der Annahme, dass die Synchronisations-Aus-Verzögerung eingestellt wurde und das Ergebnis der vorhergehenden Totzeit darin bestand, dass der Leistungsverlust, der sich aus der letzten Totzeit ergab, gezeigt hat, dass die letzte Abtastprobe besser als die vorhergehende Abtastprobe war, d. h., zu einem niedrigen Tastgrad und somit zu einem niedrigeren Leistungsverlust führte, erfolgt der Einsprung in den Ablauf über JA an Punkt A. Ein Testzähler, der bis N zählt, wird bei 200 in Aufwärtsrichtung geschaltet. Der derzeitige Leistungsverlust wird abgetastet und bei 201 gespeichert. Die Totzeit wird um einen Schritt verkürzt oder verkleinert, wie dies bei 202 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass die Ausschalt-Verzögerungen zunehmen, weil die Totzeit verkleinert wird. Siehe 1A, die die PWM-CONTROL- und SYNC-Signale und die Synchronisations-Aus-Verzögerung und die Synchronisations-Ein-Verzögerung sowie die Totzeiten zeigt. Wie dies aus 1A zu erkennen ist, wird, wenn die Ausschalt-Verzögerung vergrößert wird, die Totzeit zwischen der Ausschaltzeit des Synchronisationsimpulses und der Einschaltzeit des Steuerimpulses verringert. Ob die Totzeit zu Anfang verkleinert oder vergrößert wird, ist willkürlich. Weil jedoch das Ziel in einer Verringerung der Leistungsverluste besteht und dies allgemein durch Verkleinern der Totzeit erreicht wird, wird die Totzeit vorzugsweise zu Anfang verringert. In dem zweiten Teil II der 2 wird die Totzeit vergrößert, und die Totzeit, die zu dem Leistungsverlust führt, wird implementiert.
  • Eine Verzögerung wird implementiert, um es der Leistungsversorgungs-Spannung zu ermöglichen, einzuschwingen, wie dies bei 204 gezeigt ist. Der neue Leistungsverlust (nach dem Ändern der Totzeit) wird nunmehr mit dem alten Leistungsverlust bei 205 verglichen. Der alte Leistungsverlust wurde in dem Schritt 201 gespeichert, wie dies bei 206 gezeigt ist. Wenn der neue Leistungsverlust niedriger ist (wie er beispielsweise durch den Tastgrad bestimmt ist), wie dies durch den Entscheidungsblock 208 angezeigt ist, geht der Ablauf zum Block 209 über, in dem der „Besser"-Zähler inkrementiert wird. Die „Besser"-Zählung verfolgt die Anzahl der Zeiten, zu denen der neue Leistungsverlust besser als der alte ist.
  • Wenn der neue Leistungsverlust bei 208 nicht besser als der alte Leistungsverlust war, so wird der Zähler nicht weiter geschaltet. Der Ablauf verläuft dann zu einem Entscheidungsblock 210, um festzustellen, ob N Tests abgeschlossen sind. Eine Vielzahl von Tests wird vorzugsweise durchgeführt, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Wenn N Tests noch nicht abgeschlossen sind, geht der Ablauf zu 213 über. Bei 213 wird die vorhergehende Totzeit wieder eingesetzt, und eine Verzögerung wird bei 212 implementiert, um es der Leistungsversorgung einzuschwingen, und die Testzähler werden bei 200 weitergeschaltet und der Vergleich erfolgt wiederum mit dem alten Leistungsverlust. Sobald N Tests abgeschlossen wurden, endet der Ablauf bei 211. Die Totzeit wurde zuletzt im Schritt 202 implementiert, und es werden Tests durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Vergleichsvorgänge zuverlässig sind, beispielsweise um Störungen oder Lastschwankungen zu berücksichtigen, die einen Fehler hervorrufen könnten, wenn lediglich ein einzelner Test gemacht würde. Durch das Durchführen mehrfacher Tests wird eine größere Genauigkeit und Zuverlässigkeit erzielt. Im Schritt 211 wird festgestellt, ob N/2 + 1 der Tests besser waren, d. h., ob der „Besser"-Zähler zeigt, dass mehr als die Hälfte der durchgeführten Tests einen besseren Leistungsverlust gezeigt hat. Wenn dies der Fall ist, erfolgt ein Eintritt in den Teil II des Ablaufs. Wenn N/2·1 nicht besser waren, so wird die alte Totzeit bei 214 wieder eingesetzt, und eine Verzögerung wird bei 215 implementiert, bevor zum Schritt 216 übergegangen wird.
  • Im Schritt 216 wird der Testzähler N erneut weiter geschaltet. Der derzeitige Leistungsverlust wird bei 217 gespeichert, die Totzeit wird um einen Schritt bei 218 vergrößert, wodurch die Synchronisations-Aus-Verzögerung verringert wird. Bei 219 wird eine Verzögerung implementiert, um ein Einschwingen der Leistungsversorgung zu ermöglichen. Bei 220 wird der alte Leistungsverlust, der im Schritt 217 gespeichert wurde, mit dem neuen Leistungsverlust verglichen. Der alte Leistungsverlust ist bei 221 gezeigt. Im Schritt 222 wird eine Feststellung getroffen, ob der neue Leistungsverlust bei der vergrößerten Totzeit niedriger ist. Wenn der neue Leistungsverlust niedriger ist, so wird der „Besser"-Zähler bei 223 weitergeschaltet. Wenn der neue Leistungsverlust nicht niedriger ist, oder nach dem Weiterschalten des „Besser"-Zählers bei 223 wird eine Prüfung durchgeführt, um festzustellen, ob N Tests abgeschlossen wurden. Wenn dies nicht der Fall ist erfolgt ein Rücksprung zum Schritt 214, und der Test-Zähler wird erneut bei 216 weiter geschaltet, und der Vergleich bei 220 wird erneut durchgeführt. Sobald N Tests im Schritt 224 abgeschlossen wurden, wird eine Prüfung bei 225 durchgeführt, um festzustellen, ob mehr als die Hälfte der N Tests besser waren. Wenn dies der Fall ist, so geht der Ablauf zu dem Synchron-Ein-Kanal-Ablauf über, der im Wesentlichen identisch zu dem Synchron-Aus-Kanal-Beispiel ist, wie dies in 2 gezeigt ist. Wird die Totzeit-Verzögerung des Synchron-Ein-Kanals wird in der gleichen Weise wie das Beispiel für den Synchron-Aus-Kanal nach 2 verarbeitet. Entsprechend erfolgt in dem Synchron-Ein-Kanal ein ähnlicher Ablauf dahingehend, dass der alte Leistungsverlust mit dem neuen Leistungsverlust sowohl für eine Verringerung als auch eine Vergrößerung der Totzeit verglichen wird, und wenn der Leistungsverlust besser ist, die neue Totzeit beibehalten wird, während, wenn dies nicht der Fall ist, die alte Totzeit wiederhergestellt wird, im Wesentlichen in der gleichen Weise, wie dies in dem Synchron-Aus-Kanal nach 2 gezeigt ist.
  • Wie dies vorstehend beschrieben wurde, leidet der PLMDT-Algorithmus an drei Quellen für Fehler, unter Einschluss von Instrumentierungs-Fehlern, dem Einrasten bei örtlichen Leistungsverlust-Minima und einem zufälligen oder möglicherweise zerstörenden Betrieb aufgrund von kohärenten Lastschwankungen.
  • Um diese Fehler zu verringern, modifiziert die vorliegende Erfindung den PLMDT-Algorithmus und die Schaltung in der folgenden Weise.
  • Verringerung der Instrumentierungs-Fehler
  • Offset-Fehler, die durch die S&H-Schaltung 104 und dem Vergleicher 105 eingeführt werden, setzen sich direkt in Fehler bei der Feststellung des minimalen Leistungsverlustes um, weil die Leistungsverlust-Anzeige von der vorhergehenden „besten DT" einem unterschiedlichen Signalpfad folgt, als dem, der mit dem „Test-DT-"Wert verbunden ist, worin DT die Totzeit ist. Wenn beispielsweise die kombinierten Offset-Werte der S&H-Schaltung und des Vergleiches 10 mV sind, so müsste die Änderung in dem Leistungsverlust-Signal größer als 10 mV sein, um diesen Fehler zu überwinden.
  • Damit der PLMDT-Algorithmus richtig arbeitet, ist die absolute Größe der Leistungsverlust-Messung nicht wichtig. Was wichtig ist, ist die relative Messung zwischen dem vorhergehenden besten Wert und dem neuen Test-Wert. Der vorhergehende beste Wert ist die Grundlinie, und der wichtige Faktor besteht darin, die relative Verschiebung von dieser Grundlinie aus, entweder besser oder schlechter, oder gleich, festzustellen. Es ist eine ausreichende Anzahl von „besser"-Ergebnissen erforderlich, um eine neue „beste" Totzeit-Einstellung gültig zu machen.
  • Die Schaltung nach 3 erfüllt diese Forderung durch Aufheben von Fehlern, die von der S&H-Schaltung und dem „Vergleicher" erzeugt werden, die hier als S&H 301 und Verstärker 302 und Vergleicher 303 dargestellt sind. Der Grund dafür, warum der Vergleicher 302, 303 schematisch als ein Verstärker (Operationsverstärker) gezeigt ist, werden bald erkennbar. Das abschließende Ziel ist ein gültiges „Test-Besser"-Signal, entweder wahr oder falsch. Wie dies verständlich sein sollte, ist der Vergleicher 105 nach 1 in der Schaltung durch ein Vergleicher-Modul 302A ersetzt, das den Verstärker 302 und den Vergleicher 303 umfasst.
  • In der gezeigten Ausführungsform, die lediglich zu Erläuterungszwecken dient, erfordert der Vergleicher 303 ein Signal von mehr als 1,5 V für ein „Test-Besser"-Ergebnis. Die gezeigte Schaltung wendet eine Korrektur auf den Verstärker 302 über einen Widerstand 307 derart an, dass die Ausgangsspannung des Verstärkers 302 zwischen 0,5 V und 1,0 V fällt, wenn das „zuletzt gespeicherte Signal wahr ist, d. h. wenn eine Abtastprobe gewonnen wird. Auf diese Weise werden irgendwelche Offset-Fehler, die durch die Komponenten 301 oder 302 eingeführt werden, im Verhältnis zu der Verstärkung des Verstärkers 302 aufgehoben. Unter der Annahme einer Verstärkung von 10,000 und in Kenntnis der Tatsache, dass das Ausgangssignal mit kompensierten Fehlern zwischen 0,5 V und 1,0 V liegt, liegt der Offset-Wert zwischen 50 μV und 100 μV.
  • Die den Fehler kompensierende Vorspannung kann von einem D/A-Wandler 306 geliefert werden, der seinerseits durch das Ausgangssignal des Auf/Ab-Zählers 305 gesteuert wird. Die Zählrichtung (plus oder minus) verläuft entgegengesetzt zu der erforderlichen Richtung, weil das Signal an dem negativen Eingang des Verstärkers 302 summiert wird.
  • Wenn das Ausganggsignal des Verstärkers 302 zu niedrig ist (< 0,5 V) so liefert der Vergleicher 308 einen Befehl für ein Abwärts-Zählen. Wenn er zu hoch ist (< 1,0 V) so gibt der Vergleicher 308 einen Befehl für ein Aufwärts-Zählen. Wenn er zwischen 0,5 V und 1,0 V liegt, liefert das Gatter 309 einen Befehl für ein Abschalten des Zählens. Eine (nicht gezeigte) externe Logik verhindert, dass der Zähler 305 Zustände unterhalb oder oberhalb seines Bereiches annimmt.
  • Andere Implementierungen neben denen nach 3 sind möglich. Das wesentliche Element der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Offset-Fehler kompensiert werden, was wenig aufwendige integrierte Schaltungen oder diskrete Implementierungen ermöglicht, ohne dass das Vorhandensein von hohen S&H- oder Vergleicher-Offset-Werten berücksichtigt werden muss.
  • Übewinden örtlicher Minima des Leistungsverlustes
  • In dem Beispiel des Ablaufdiagramms nach 2 und insbesondere bei 202 und 218 werden lediglich Totzeit-Werte getestet, die um Eins niedriger oder höher sind, als die derzeitige beste Totzeit. Diese Lösung beinhaltet die Möglichkeit, dass man bei sub-optimalen Totzeit-Einstellungen blockiert wird. 4, eine Kurve der Totzeit-Einstellung gegenüber dem Tastgrad × 5 V zeigt diesen Effekt. Die Einstellungen „9" und „D" sind beide Minima, doch ist D das Gesamt-Minimum. Es gibt die Möglichkeit, dass der Algorithmus nach 2 bei der Totzeit-Einstellung „9" eingefangen wird. (4).
  • Um dieses Problem zu lösen, ist es erforderlich, das Testen der DT-Werte weit entfernt von dem derzeit besten Wert zu ermöglichen. Alle Totzeit-Einstellungen müssen von jeder „Besten" Stelle aus prüfbar sein. Dies wird in 5 bei 517 dadurch implementiert, dass die Test-Zählung jedes Mal über den PLMDT-Zyklus hinweg weitergeschaltet wird. Sobald die maximale Zählung erreicht wurde, wie zum Beispiel F (Hexadezimal) (15 in Dezimal) in 4, so springt der Zähler auf 0 über und beginnt erneut.
  • In der folgenden Erläuterung werden verschiedene Zahlenwerte für die Anzahl der Tests (256) und die Anzahl der „Besser"-Entscheidungen vor einen Beschluss (160) u.s.w. angegeben. Diese Zahlenwerte stellen lediglich Beispiele dar, weil der Algorithmus nicht an eine bestimmte Anzahl gebunden ist, mit der Ausnahme, dass er immer größer als eine Hälfte der Anzahl von Tests (< N/2) sein sollte, damit er „Besser" ist.
  • Wenn eine bestimmte Totzeit-Einstellung ein besseres Testergebnis als der derzeitige Test ergibt, so kann die Totzeit-Einstellung auf den neuen besten Wert geändert werden. Alternativ kann, wie bei 512, wenn eine bestimmte Totzeit-Einstellung ein besseres Testergebnis als das derzeitige beste Testergebnis ergibt, die Totzeit um Eins näher an dem neuen Wert bewegt werden. In der Praxis neigt dies dazu, stabilere und zuverlässigere Ergebnisse zu ergeben.
  • Der Nachteil dieses Algorithmus besteht darin, dass er eine Menge an Zeit für das Testen von Totzeit-Werten verbraucht, die weit von dem Optimum entfernt liegen. Dies führt dazu, dass mittlere Leistungsverluste stark durch die „schlechten" Totzeit-Einstellungen beeinflusst werden. Um die Zeit zu einem Minimum zu machen, die für das Testen von suboptimalen Totzeit-Werten verbraucht wird, werden in 5 zwei Verfahren verwendet, die zu einem frühzeitigen Verlassen des Prüfens von sub-optimalen Totzeit-Werten führen können. In jedem dieser Verfahren können die exakten verwendeten Zahlen geändert werden. Das Prinzip besteht darin, ein frühzeitiges Verlassen der sub-optimalen Totzeit-Werte zu ermöglichen. Die Schritte 501 und 502 ermöglichen ein frühzeitiges Verlassen dieser Werte, wenn zumindest eine Hälfte der ersten 16 Tests nicht „besser" ist. Weil bei der gezeigten Ausführungsform 62,5% (siehe Schritt 511–160 Tests sind besser) der Messungen gut sein müssen, damit ein neuer Totzeit-Wert akzeptiert wird, ist, wenn zumindest 50% während der ersten 16 nicht gut sind (von 256, über den Schritt 515), der Trend nicht ermutigend. Die in 5 zu Erläuterungszwecken gewählte Anzahl, d. h. 160 bessere Tests, dient lediglich zu Erläuterungszwecken. Es können andere Zahlen verwendet werden, und die Gesamtzahl von Tests (256, siehe Schritt 516) kann ebenfalls unterschiedlich sein.
  • Es ist zuerkennen, dass aufgrund von Lastschwankungen dieser anfängliche Test in einer Situation fehlschlagen könnte, die schließlich zu 160 besseren Messungen führen kann, wenn diese fortgesetzt werden könnten. Dennoch ist die Verlust-Einbuße für ein vorübergehendes Verbleiben auf einem sub-optimalen Wert kleiner als die Einbuße für das Testens eines noch schlechteren Wertes über 256 Male.
  • Eine zweite Ausweichmöglichkeit ergibt sich am Schritt 503, der ein Ausweichen ermöglicht, wenn 160 bessere Ergebnisse mathematisch nicht mehr möglich sind. Es gibt keine Einbuße für dies frühzeitige Ausweichen.
  • In Implementierungen mit gemischten Signalen kann ein mit Vorzeichen arbeitender Akkumulator verwendet werden, um einen laufenden Gesamtwert des numerischen Unterschiedes zwischen dem Leistungsverlust zu führen, der mit den zwei Totzeiten verbunden ist, der einen Totzeit, die getestet wird, und der vorhergehenden besten Totzeit, die mit dem niedrigsten Leistungsverlust verbunden ist. Die numerische Summierung von „schlechteren" Leistungsverlust-Messungen, d. h. bei denen der Leistungsverlust größer ist, wird dann dazu verwendet, ein neues Starten der Zählfolge zu erzwingen, (d. h. für die Leistungsverlust-Tests) wenn dieser einen voreingestellten Wert übersteigt.
  • Verringerung der Wirkungen von kohärenten Lastschwankungen
  • 6 ist eine vereinfachte Darstellung einer Zustandsmaschine, die zum Implementieren des PLMDT-Schemas verwendet wird. Die Schwingungsformen 610 bis 617 nach 6A sind ein Zeitsteuerdiagramm, das der Zustandsmaschine zugeordnet ist. Die 5 und die 6 stehen dahingehend in Beziehung zueinander, dass die fetten Unterstreichungen den in 5 gezeigten Bezeichnungen den Sequenz-Decodier-Zuständen 602 nach 6 entsprechen.
  • Beispielsweise siehe die Schritte 505 & 514 und 602, 612 & 616. Im Allgemeinen wird der Sequenz-Decodierer um einen Zustand für jeden PWM-Oszillator-Zyklus weitergeschaltet. Während der Test-Einschwing- und Einschwing-Wiederherstellungs-Zustände wird der Sequenz-Zähler 601 jedoch für eine feste Anzahl von PWM-Oszillator-Zyklen abgeschaltet.
  • Es sei in dem Beispiel angenommen, dass die Anzahl der Zyklen 128 ist. In diesem Fall würden die zwei Verzögerungszeiten 128 μs für eine Leistungsversorgung mit 1 Mhz unter Verwendung dieser Implementierung sein. Der Gesamt-PLMDT-Zyklus würde 262 μs betragen: 2 × 128 μs + 6 μs. Unter Bezugnahme auf die SPEICHERE LETZTEN-(610 & 500) & SPEICHERE TEST-(613 & 506)Signale entspricht dies einer Abtastrate von ungefähr 3906 Hz.
  • Bei der typischen pseudo-zufälligen Lastschwankung, beispielsweise aufgrund der CPU eines Desktop-Computers, besteht eine große Wahrscheinlichkeit, dass eine Lastschwankung eine falsche Besser-Anzeige hervorruft, als die Wahrscheinlichkeit für eine Schlechter-Anzeige. Wenn die Lastschwankungs-Frequenz kohärent ist, könnte jedoch jede einzelne bessere oder schlechtere Anzeige eine falsche Anzeige sein. 7 zeigt, wie dies passiert.
  • Der Laststrom nach 7 hat eine Schwankungsfrequenz, die identisch zu der SPEICHERE LETZTE Totzeit und SPEICHERE TEST-Totzeit (702 & 703) ist. Der Leistungsverlust (701) ist irgendeine Funktion des Leistungsversorgungs-Ausgangsstroms. In diesem Beispiel führt jeder einzelne Test (509) zu einer „Besser"-Anzeige, weil der Leistungsverlust im Schritt 703 geringer ist. Wenn der Laststrom (700) um 180° gegenüber dem PLMDT-Betrieb verschoben sein würde (702 & 703) so würde jeder einzelne Test (509) zu einer „Schlechter"-Anzeige führen. Dies setzt selbstverständlich voraus, dass die Lastschwankung den Leistungsverlust ausreichend stark ändert, um irgendeine Wirkung der derzeitigen getesteten Totzeit zu überdecken. Dies würde der übliche Fall sein.
  • 704 & 705 zeigen die relative Immunität gegenüber geradzahligen Harmonischen oder Oberwellen der Abtastfrequenz, während 706 und 707 die gleiche Empfindlichkeit gegenüber ungeradzahligen Harmonischen wie die Grundschwingung zeigen. In der Praxis gibt es eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber geradzahligen Harmonischen und mit geradzahligen und ungeradzahligen Harmonischen. Das Ansprechen auf Harmonische erstreckt sich bis zu einer Dämpfung durch das Tiefpassfilter 102 nach 1.
  • Im Fall der pseudo-zufälligen Lastschwankungen, die vorstehend beschrieben wurde, ist die Wahrscheinlichkeit eines falschen „Besser"-Wertes gleich der einer falschen „Schlechter"-Anzeige. In gleicher Weise besteht eine Lösung dieses Problems darin, die Abtastperiode zufällig zu machen, so dass im Mittelwert die falschen Anzeigen einander in der gleichen Weise kompensieren, wie für zufällige Lastschwankungen.
  • Das grundlegende Prinzip dieser Erfindung besteht in einer zufälligen oder pseudozufälligen Abtastperiode. Dieses Prinzip wird am besten durch eine Änderung der Einschwing-Verzögerungszeit (505, 514, 600, 612, 616) von einem festen Wert (beispielsweise 128 μs, auf einen pseudo-zufälligen Wert, beispielsweise zwischen 128 μs und 256 μs, gezeigt. Auf diese Weise wird sich die Position von SPEICHERE-TEST und SPEICHERE-LETZTEN WERT in einer pseudo-zufälligen Weise bezüglich der Lastschwankungen ändern. 8 zeigt schematisch ein Verfahren, wie dies erreicht werden kann.
  • In seinem normalen Zustand werden Dateneingänge für den Einschwing-Verzögerungs-Zähler 800 von den Ausgängen des Schieberegisters 802 geladen. Der Zähler 800 ist ein 8-Bit-Zähler, doch werden lediglich die unteren 7-Bits geladen. Dies ergibt für den Zähler einen Bereich von 128 bis 256, was zu einem Verzögerungsbereich von 128 μs bis 256 μs mit einem PWM-Oszillator von 1 MHz führt.
  • Die Verzögerung wird eingeleitet, wenn das EINSCHWING-TEST- oder EINSCHWING-WIEDERHERSTELLUNG-SIGNAL eine Null in die D-Flip-Flop-Schaltung 804 eintakted. Dies schaltet den Sequenz-Zähler 601 ab und schaltet den EINSCHWING-VERZÖGERUNGS-ZÄHLER 800 ein. Das Signal N-Abschalten nimmt den Wert „Falsch" beim Überlauf von 800 an.
  • Ein EXKLUSIV-ODER-Gatter 801 und das Schieberegister 802 bilden ein Schieberegister mit linearer Rückführung (LFSR). Diese Schaltung erzeugt einen Pseudo-Zufalls-7-Bit-Code an den Ausgängen s0 bis s6. Die Sequenz ist eine Funktion der Anzapfungen, die das EXKLUSIV-ODER Gatter 801 speisen, und die Länge der Sequenz ist eine Funktion der Anzahl von Bits. Dies ist ein sich wiederholender Code, doch ist eine Wahrscheinlichkeit, dass eine Lastschwankung exakt diesen Code dupliziert, so gering, dass sie vernachlässigt werden kann. Dennoch kann, wenn Bedenken bestehten, die Sequenz-Länge vergrößert werden.
  • Das Ergebnis besteht darin, dass sich die Abtastfrequenz in einer pseudo-zufälligen Weise von 1931 Hz auf 3906 Hz ändert. In der Praxis verteilt dies das „Rauschen", das durch die kohärenten Lastschwankungen erzeugt wird, über das gesamte Spektrum von praktisch Gleichspannung bis zur Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 102 (1). Um diesen vergrößerten Rauschboden zu überwinden, wurde die Anzahl von „Besser" Abtastproben (511) von 129 (256/2 + 1) bei dem Prototypen auf 160 vergrößert. Diese Zahl stellt lediglich ein Beispiel dar, und sie kann in erforderlicher Weise geändert werden. Der Punkt besteht darin, dass die Störunempfindlichlkeit durch die Vergrößerung der Zahl vergrößert wird.
  • Obwohl eine Zufallsfolge mit sieben Bit länger ist und eine feinere Auflösung hat, ist 9 eine vereinfachte Darstellung der Wirkung eines zufälligen Abtastintervalls auf den PLMDT-Betrieb. Obwohl der Laststrom (900) und der resultierende Verlust (901) kohärent sind, sind die SPEICHERE-LETZTEN (902) und SPEICHERE-TEST-(903)Signale in zufälliger Weise in Abstand voneinander angeordnet. Dies führt zu einen zufälligen besser/schlechter-Ergebnis (904909), das wenn es über 256 Tests (516) gemittelt wird, nicht die 160 Besser-(511)Zählung erreichen würde, die für eine Besser-Gesamtentscheidung erforderlich ist.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, wären vielfältige Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich. Es wird daher bevorzugt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorstehende spezielle Beschreibung beschränkt ist, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
  • Zusammenfassung
  • Eine Vorrichtung zur Verringerung der mit der Totzeit zwischen den EIN-Zeiten von zwei in Serie geschalteten Schaltern eines Leistungswandlers, die längs eines Versorgungs-Potentials anlegt sind, verbundenen Leistungsverluste auf ein Minimum umfasst eine Steuer-Anordnung zur Überwachung eines ausgewählten Parameters, der dem Leistungsverlust während der Totzeit des Wandlers zugeordnet ist; wobei die Steueranordnung die Totzeit von einer ersten Totzeit auf eine zweite Totzeit ändert und den ausgewählten Parameter, der mit dem Leistungsverlust für die ersten und zweiten Totzeiten verbunden ist, vergleicht, und bestimmt, welcher der Leistungsverluste, der mit den beiden Totzeiten verbunden ist, kleiner ist; eine Totzeit-Implementierungs-Stufe zum Implementieren der zwei Totzeiten; wobei die Steueranordnung die mit dem kleineren Leistungsverlust verbundene Totzeit auswählt und ein Signal an die Totzeit-Implementierungs-Stufe liefert, um die ausgewählte Totzeit einzustellen, wobei die Steueranordnung ein Modul umfasst, das ein Signal des Leistungswandlers, das zu dem mit dem Leistungsverlust verbundenen ausgewählten Parameter in Beziehung steht, zu ausgewählten Zeitpunkten entsprechend den ersten und zweiten Totzeiten abtastet; sowie einen Prozessor zur Steuerung des Zeitpunktes der Abtastung; und weiterhin ein Vergleichermodul zum Vergleichen des mit den ersten und zweiten Totzeiten verbundenen Leistungsverlustes und zur Lieferung eines Signals, das anzeigt, welche Totzeit mit dem kleineren Leistungsverlust verbunden ist, und das das Signal an dem Prozessor liefert, um die mit dem kleineren Leistungsverlust verbundene Totzeit zu implementieren, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Fehlerkompensations-Schaltung umfasst, die mit dem Abtast-Modul und mit dem Vergleicher verbunden ist, um Offset-Fehler zu verringern, die von einem oder beiden des Abtast-Moduls und des Vergleicher-Modul eingeführt werden. Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Verhindern eines Einrastens auf sub-optimale Totzeiten und zur Kompensation von kohärenten Lastschwankungen beschrieben.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 7098640 [0004, 0010, 0026, 0028, 0037, 0037]

Claims (26)

  1. Vorrichtung zur Verringerung der mit der Totzeit zwischen den EIN-Zeiten von zwei in Serie geschalteten Schaltern eines Leistungswandlers, die längs eines Versorgungs-Potentials anlegt sind, verbundenen Leistungsverluste auf ein Minimum, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Steuer-Anordnung zur Überwachung eines ausgewählten Parameters, der dem Leistungsverlust während der Totzeit des Wandlers zugeordnet ist; wobei die Steueranordnung die Totzeit von einer ersten Totzeit auf eine zweite Totzeit ändert und den ausgewählten Parameter, der mit dem Leistungsverlust für die ersten und zweiten Totzeiten verbunden ist, vergleicht, und bestimmt, welcher der Leistungsverluste, der mit den beiden Totzeiten verbunden ist, kleiner ist; eine Totzeit-Implementierungs-Stufe zum Implementieren der zwei Totzeiten; und wobei die Steueranordnung die mit dem kleineren Leistungsverlust verbundene Totzeit auswählt und ein Signal an die Totzeit-Implementierungs-Stufe liefert, um die ausgewählte Totzeit einzustellen, wobei die Steueranordnung ein Modul umfasst, das ein Signal des Leistungswandlers, das zu dem mit dem Leistungsverlust verbundenen ausgewählten Parameter in Beziehung steht, zu ausgewählten Zeitpunkten entsprechend den ersten und zweiten Totzeiten abtastet; sowie einen Prozessor zur Steuerung des Zeitpunktes der Abtastung; und weiterhin ein Vergleichermodul zum Vergleichen des mit den ersten und zweiten Totzeiten verbundenen Leistungsverlustes und zur Lieferung eines Signals, das anzeigt, welche Totzeit mit dem kleineren Leistungsverlust verbunden ist, und das das Signal an dem Prozessor liefert, um die mit dem kleineren Leistungsverlust verbundene Totzeit zu implementieren, wobei die Vorrichtung weiterhin Folgendes umfasst: eine Fehlerkompensations-Schaltung, die mit dem Abtast-Modul und mit dem Vergleicher verbunden ist, um Offset-Fehler zu verringern, die von einem oder beiden des Abtast-Moduls und des Vergleicher-Modul eingeführt werden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Vergleicher-Modul eine Verstärkerstufe mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Abtast-Modul verbunden ist, und mit einem zweiten Eingang, der mit einen Eingang des Abtast-Moduls verbunden ist, und weiterhin eine Vergleicher-Stufe umfasst, die einen ersten mit einem Ausgang der Verstärkerstufe gekoppelten Eingang und einen zweiten mit einer Bezugsspannung verbundenen Eingang aufweist, wobei weiterhin eine Rückführungsschaltung vorgesehen ist, die ein Korrektursignal an die Verstärkerstufe liefert, wenn das Abtast-Modul das mit dem Leistungsverlust verbundene Signal abtastet, um einen voreingestellten Offset-Wert längs der Eingänge der Verstärkerstufe aufrechtzuerhalten, wodurch Offset-Fehler, die durch das Abtast-Modul oder das Vergleicher-Modul eingeführt werden, aufgehoben werden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Rückführungsschaltung eine Schaltung zur Lieferung des Korrektursignals als eine Funktion eines Ausgangssignals der Verstärkerstufe umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Rückführungsschaltung eine Vergleicherschaltung umfasst, die mit dem Verstärkerstufen-Ausgang verbunden ist, um festzustellen, ob das Verstärkerstufen-Ausgangssignal innerhalb eines festgelegten Bereiches liegt, und wenn es außerhalb des festgelegten Bereiches liegt, zum Ändern des Korrektursignals zum Treiben des Verstärker-Ausgangssignals in den festgelegten Bereich.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Vergleicherschaltung erste und zweite Vergleicher umfasst, die jeweilige Bezugsspannungen, die mit dem festgelegten Bereich verbunden sind, und Eingänge aufweisen, die mit den Verstärkerstufen-Ausgang verbunden sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, die weiterhin eine Vorspannungs-Generatorschaltung umfasst, die mit einem Ausgang der Vergleicherschaltung verbunden ist, um das Korrektursignal als eine Funktion des Ausganges der Vergleicherschaltung zu erzeugen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Vorspannungs-Generatorschaltung einen Aufwärts/Abwärts-Zähler, dessen Zählrichtung durch das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung gesteuert wird, und einen D/A-Wandler zum Umwandeln des Ausganges des Zählers in ein Analogsignal umfasst, wobei das Analogsignal das Korrektursignal bildet.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, die weiterhin eine Logikschaltung umfasst, die den Vergleicherschaltungs-Augang und einen Zähl-Freigabe-Eingang des Zählers koppelt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Totzeit-Implementierungs-Stufe ein veränderliches Abschalten eines Steuersignals an einen der Schalter und ein veränderliches Einschalten des Steuersignals an dem einen der Schalter implementiert.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der ausgewählte Parameter den Tastgrad eines pulsbreitenmodulierten Steuersignals oder eines pulsfrequenzmodulierten Steuersignals, das zur Ansteuerung eines Steueranschlusses von zumindest einem der Schalter ausgebildet ist, oder ein Fehlersignal umfasst, das zur Steuerung des PWM- oder PFM-Steuersignals verwendet wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der eine der Schalter eine synchrone Gleichrichterfunktion ausführt und der andere Schalter ein Steuerschalter ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Abtast-Modul ein Abtast- und Halte-Modul umfasst.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Abtast-Modul einen Analog-zu- Digital-Wandler und einen digitalen Speicher umfasst.
  14. Vorrichtung zur Verringerung der mit der Totzeit zwischen EIN-Zeiten von zwei in Serie geschalteten Schaltern eines Leistungswandlers, die längs eines Versorgungspotenzials angeschaltet sind, verbundenen Leistungsverluste auf ein Minimum, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Steueranordnung zur Überwachung eines ausgewählten Parameters, der mit dem Leistungsverlust während der Totzeit des Wandlers verbunden ist; eine Steueranordnung, die die Totzeit von einer ersten Totzeit auf eine zweite Totzeit ändert und den ausgewählten, mit dem Leistungsverlust für die ersten und zweiten Totzeiten verbundenen Parameter vergleicht und feststellt, welcher der Leistungsverluste, die mit den zwei Totzeiten verbunden sind, kleiner ist; eine Totzeit-Implementierungs-Stufe zum Implementieren der zwei Totzeiten; und wobei die Steueranordnung die mit dem kleineren Leistungsverlust verbundene Totzeit auswählt und ein Signal an die Totzeit-Implementierungs-Stufe liefert, um die ausgewählte Totzeit einzustellen, wobei weiterhin die Steueranordnung alle möglichen Werte der Totzeit testet und jedesmal dann, wenn eine mit einem kleineren Leistungsverlust verbundene Totzeit festgestellt wird, die Steueranordnung das Signal an die Totzeit-Implementierungs-Stufe liefert, um die ausgewählte Totzeit einzustellen.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Steueranordnung einen Zähler einschließt, der um einen Schritt für jeden möglichen Wert der Totzeit zählt, die von der Totzeit-Implementierungs-Stufe implementiert werden kann.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Steueranordnung den ausgewählten Parameter für eine Vielzahl von Zeiten testet, bevor die Änderung der Totzeit eingestellt wird, und bei der weiterhin dann, wenn zumindest ein voreingestellter Bruchteil einer voreingestellten Zahl der Vielzahl von Tests nicht zu einem kleineren Leistungsverlust führt, die Steueranordnung unmittelbar das Prüfen über die Vielzahl von Zeiten stoppt, die Totzeit ohne Änderung auf ihrem derzeitigen Wert hält und den Test des ausgewählten Parameters für die Vielzahl von Zeiten wieder startet.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, die weiterhin einen Akkumulator zum Unterhalten eines laufenden Gesamtwertes einer numerischen Differenz zwischen dem mit den zwei Totzeiten verbundenen Leistungsverlust umfasst, und der, wenn der laufende Gesamtwert anzeigt, dass die Differenz einen voreingestellten Wert übersteigt, der einen größeren Leistungsverlust entspricht, ein erneutes Starten der Zählfolge erzwingt, die die Anzahl von Zeiten zählt.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der weiterhin die Steueranordnung feststellt, ob eine vorausgewählte Anzahl der Vielzahl von Zeiten mathematisch möglich ist, damit der mit den Totzeiten verbundene Leistungsverlust kleiner ist, und wenn dies nicht der Fall ist, unmittelbar das Testen über die Vielzahl von Zeiten stoppt.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Totzeit-Implementierungstufe ein veränderliches Abschalten eines Steuersignal an einen der Schalter und ein veränderliches Einschalten des Steuersignals an den einen der Schalter implementiert.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der ausgewählte Parameter den Tastgrad eines pulsbreitenmodulierten (PWM-)Steuersignals oder eine pulsfrequenzmodulierten (PFM-)Steuersignals, das zur Ansteuerung eines Steueranschlusses von zumindest einem der Schalter ausgebildet ist, oder ein Fehlersignal umfasst, das zur Erzeugung des pulsbreitenmodulierten Steuersignals oder eines pulsfrequenzmodulierten Steuersignals verwendet wird.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der einer der Schalter eine synchrone Gleichrichter-Funktion ausführt, und der andere Schalter ein Steuerschalter ist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Steueranordnung ein Modul, das ein auf dem ausgewählten Parameter, der mit dem Leistungsverlust verbunden ist, bezogenes Signal zu ausgewählten Zeitpunkten abtastet, die den ersten und zweiten Totzeiten entsprechen, und einen Prozessor zur Steuerung der Zeitlage der Abtastung umfasst.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Steueranordnung einen von einem digitalen Signalprozessor, einen Mikroprozessor, einen Mikrokontroller oder einer Steuerlogik umfasst.
  24. Vorrichtung zur Verringerung von Leistungsverlusten, die mit der Totzeit zwischen EIN-Zeiten von zwei in Serie geschalteten Schaltern eines Leistungswandlers, die längs eines Versorgungspotentials angeschaltet sind, verbunden sind, auf ein Minimum, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Steueranordnung zur Überwachung eines ausgewählten Parameters, der mit dem Leistungsverlust während der Totzeit des Wandlers verbunden ist; wobei die Steueranordnung die Totzeit von einer ersten Totzeit auf eine zweite Totzeit ändert und den Leistungsverlust, der mit dem ausgewählten Parameter für die ersten und zweiten Totzeiten verbunden ist, vergleicht und feststellt, welcher der mit den zwei Totzeiten verbundenen Leistungsverluste kleiner ist; eine Totzeit-Implementierungsstufe zum Implementieren der zwei Totzeiten; und wobei die Steueranordnung die Totzeit, die mit dem kleineren Leistungsverlust verbunden ist, auswählt und ein Signal an die Totzeit-Implementierungsstufe liefert, um die ausgewählte Totzeit einzustellen, wobei weiterhin die Steueranordnung ein Modul umfasst, das ein Signal des Leistungswandler, das auf den mit dem Leistungsverlust verbundenen ausgewählten Parameter bezogen ist, zu zufälligen oder pseudo-zufälligen Zeitpunkten abtastet.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei dem die Abtast-Zeitpunkte durch Ändern der Größe einer Einschwing-Verzögerung zwischen Abtast-Zeitpunkten zufällig gemacht werden.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 25, die weiterhin einen Zähler zur Erzeugung einer Einschwingverzögerungs-Größe umfasst, wobei der Zähler Eingänge von einem Schieberegister mit einer linearen Rückführung aufweist, das eine Pseudo-Zufalls-Zahl erzeugt, wobei die Pseudo-Zufalls-Zahl es dem Zähler ermöglicht, über eine pseudo-zufällige Zeitperiode zu zählen, um eine pseudo-zufällige Einschwingverzögerung zu liefern.
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