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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungswandler. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Kaskaden-Stromversorgungssystemarchitektur für Leistungswandler.
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HINTERGRUND
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Derzeit besteht ein großer Bedarf an effizienten Leistungswandlern, die für die Stromversorgung handelsüblicher Produkte, wie z. B. Computer und Mobiltelefone, geeignet sind. Daher sind zahlreiche verschiedene isolierte Leistungswandlertopologien, wie z. B. Sperr(flyback)-, Halbbrücken- und Vollbrückenwandler, entwickelt worden, um diesem stetig wachsenden Bedarf gerecht zu werden. Mit dem Ziel einer Leistungsfaktor- bzw. Blindleistungsverbesserung bei gleichzeitiger Isolation der Haupt- bzw. Netzstromversorgung vom Ausgang hat sich der Stand der Technik vor allem in Richtung zahlreicher „zweistufiger” Leistungswandler entwickelt, wobei die erste Stufe einen nicht isolierten Boost- oder Aufwärtswandler umfasst und die zweite Stufe einen isolierten Wandler, wie z. B. den Sperr-, Halbbrücken- und Vollbrückenwandler, umfasst. Dies hat vor allem den Grund, dass der Aufwärts- und der Halbbrückenwandler eine gemeinsame Erde mit dem Regler-IC und daher eine einfache Art und Weise der Schließung der Rückführschleife aufweisen. Diese „zweistufigen” Leistungswandler sind jedoch mit folgenden Nachteilen behaftet: kompliziertere Struktur, geringere Energieumwandlungseffizienz, höhere Anzahl an Bauteilen, größere Leiterplatte (PCB) und daher höhere Kosten.
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Ein Blockdiagramm eines bekannten geregelten Stromversorgungsgeräts 100 ist in 1 gezeigt. Das Gerät 100 ist ein zweistufiger Aufwärts-/Halbbrücken-Leistungswandler. Das Gerät 100 umfasst im Allgemeinen ein Eingangsfilter 102, einen Gleichrichter 104, einen zweistufigen Wandler 106, der einen Aufwärtswandler 116 (erste Stufe) und einen Halbbrückenwandler 114 (zweite Stufe) umfasst, einen Transformator 108, ein Ausgangsfilter 110 und eine Regelung mit Rückführung 112.
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Das Eingangsfilter 102 ist so geschaltet, dass es ein Wechselstrom-Eingangssignal Vin empfängt und elektromagnetische und Hochfrequenzstörungen herausfiltert. Das Eingangsfilter 102 gibt ein gefiltertes Wechselstromsignal an den Gleichrichter 104 aus. Nach dem Empfang des Signals erzeugt der Gleichrichter 104 eine ungeregelte Gleichspannung und gibt diese ungeregelte Gleichspannung an den angeschlossenen Eingang des Aufwärtswandlers 116 aus. Typischerweise empfängt der Aufwärtswandler 116 die ungeregelte Gleichspannung vom Gleichrichter 104 und erzeugt eine verstärkte oder erhöhte Spannung. Diese erhöhte Spannung ist eine geregelte Gleichspannung, die höher ist als die zugeführte ungeregelte Gleichspannung. Es ist zu beachten, dass es auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt ist, dass ungeregelte Spannung solche Spannung ist, die bei Laständerungen der Schaltung und/oder Änderungen der Stromquellenspannung schwanken kann. Entsprechend ist es auf dem Fachgebiet ebenfalls hinlänglich bekannt, dass geregelte Spannung solche Spannung ist, die derart geregelt wird, dass trotz Last- und/oder Stromquellenschwankungen eine ausreichend konstante Ausgangsspannung aufrechterhalten wird. Der Halbbrückenregler 114 empfängt die erhöhte geregelte Spannung und erzeugt ein „zerhacktes” Gleichstromsignal, idealerweise ein Rechteckwellensignal, das über die Eingänge an den Transformator 108 ausgegeben wird. In Abhängigkeit vom Windungszahlenverhältnis des Transformators 108 wandelt der Transformator 108 die Gleichstrom-Rechteckwellen- in eine gewünschte Ausgangsspannung um. Häufig beträgt die gewünschte Ausgangsspannung 5, 12 oder 24 V. Das vom Transformator 108 ausgegebene Wechselspannungssignal wird einem Ausgangsfilter 110 zugeführt, das durch die Stromversorgungsschaltung 100 bedingte harmonische Störungen herausfiltert und das Wechselstromsignal in Gleichstrom umwandelt. Das Gleichspannungssignal Vout wird an eine elektrische Vorrichtung (nicht gezeigt) und einen Regler 112 ausgegeben. Der Regler 112 erfasst eine Leistungsänderung im Gleichspannungssignal Vout und regelt einen Tastgrad eines Regelungsschaltelements innerhalb des Aufwärtsreglers 114, 50 dass eine Ausgleichsleistung bereitgestellt wird, um die Leistungsänderung im Gleichspannungssignal Vout zu korrigieren.
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Ein Nachteil dieser Art von Stromversorgungssystem ist, dass aufgrund von Bestimmungen, die eine Isolation der Haupt- bzw. Netzstromversorgung und unter Strom stehender elektrischer Vorrichtungen vorschreiben, der Regler 112 eine isolierende Topologie umfasst, die häufig Vorrichtungen wie z. B. Optokoppler umfasst. Dies hat eine kompliziertere Struktur, eine geringere Energieumwandlungseffizienz, eine höhere Anzahl an Bauteilen, eine größere Leiterplatte und daher höhere Kosten zur Folge.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Kaskaden-Stromversorgungssystem umfasst einen nicht isolierten Abwärtswandler in einer Kaskadenkonfiguration mit einem isolierten Wandler und einem Regler, der mit dem Ausgang des isolierten Wandlers und einem Schaltelement des nicht isolierten Wandlers verbunden ist. Der nicht isolierte Wandler spannt die Eingangsspannung auf eine niedrigere geregelte Spannung ab. Der isolierte Wandler wandelt die geregelte Spannung in ein Rechteckwellensignal um, das an einen Transformator und den Regler ausgegeben wird. Damit ist eine den isolierten Wandler, den Regler und den nicht isolierten Wandler umfassende Rückführschleife vollkommen unabhängig vom Ausgang des Systems. Dies ermöglicht die Ableitung einer Rückführbeziehung in Form eines Rückführalgorithmus, mit dem die Ausgangsleistung des nicht isolierten Wandlers und daher auch die Ausgangsleistung des isolierten Wandlers wirksam geregelt/eingestellt werden kann. Außerdem kann das System aufgrund der Tatsache, dass der nicht isolierte Wandler die Spannung abspannt und der isolierte Wandler mit dieser niedrigen, abgespannten Spannung arbeitet, hoch effizient sein.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Anmeldung ein Kaskaden-Stromversorgungsgerät. Das Gerät umfasst: einen nicht isolierten Wandler mit einem Schaltelement, wobei der nicht isolierte Wandler ein gleichgerichtetes Leistungssignal mit ungeregelter Spannung empfängt und eine geregelte Spannung erzeugt, einen mit dem nicht isolierten Wandler verbundenen isolierten Wandler zum Empfang der geregelten Spannung und zur Erzeugung einer umgewandelten Spannung, einen mit dem isolierten Wandler verbundenen Transformator zum Empfang der umgewandelten Spannung und zur Erzeugung einer Ausgangsspannung und einen mit einem Ausgang des isolierten Wandlers verbundenen internen Regler zum Empfang der umgewandelten Spannung und zur Erzeugung eines Regelsignals zur Einstellung des Schaltelements auf der Grundlage eines Rückführalgorithmus, wobei der Rückführalgorithmus unabhängig von der Ausgangsspannung ist. Der nicht isolierte Wandler ist ein Abwärtswandler, und die geregelte Spannung ist niedriger als die ungeregelte Spannung. Alternativ ist der nicht isolierte Wandler ein Aufwärtswandler, und die geregelte Spannung ist höher als die ungeregelte Spannung. Die umgewandelte Spannung ist niedriger als die geregelte Spannung. Die umgewandelte Spannung ist eine Rechteckwellenspannung. Der nicht isolierte Abwärtswandler ist ein Buck- oder Gleichstrom-Abwärtswandler. Der isolierte Wandler ist ein Halbbrückenwandler. In einigen Ausführungsformen umfasst das Kaskaden-Stromversorgungsgerät weiterhin einen Gleichrichter zum Empfang eines Wechselstrom-Eingangssignals und zur Erzeugung des gleichgerichteten Leistungssignals mit der ungeregelten gleichgerichteten Spannung. Der Gleichrichter ist eine Diodenbrücke. In einigen Ausführungsformen umfasst das Kaskaden-Stromversorgungsgerät weiterhin ein Eingangsfilter zum Herausfiltern von elektromagnetischen und Hochfrequenzstörungen aus dem Wechselstrom-Eingangssignal. In einigen Ausführungsformen umfasst das Kaskaden-Stromversorgungsgerät weiterhin ein Ausgangsfilter zum Herausfiltern von elektromagnetischen und Hochfrequenzstörungen aus der Ausgangsspannung. Über die Einstellung des Schaltelements wird durch das Einstellen eines Arbeitszyklus oder Tastgrads des nicht isolierten Wandlers die Ausgangsleistung des nicht isolierten Wandlers geregelt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kaskaden-Stromversorgungssystem: eine elektronische Vorrichtung zum Empfang einer Ausgangsspannung, eine Stromversorgung zur Erzeugung eines Wechselstrom-Eingangssignals und einen zwischen der Stromversorgung und der elektronischen Vorrichtung geschalteten Leistungswandler, der umfasst: einen Gleichrichter zum Empfang des Wechselstrom-Eingangssignals und zur Erzeugung eines gleichgerichteten Leistungssignals mit ungeregelter gleichgerichteter Spannung, einen nicht isolierten Wandler mit einem Schaltelement, wobei der nicht isolierte Wandler die ungeregelte Spannung empfängt und eine geregelte Spannung erzeugt, einen mit dem nicht isolierten Wandler verbundenen isolierten Wandler zum Empfang der geregelten Spannung und zur Erzeugung einer umgewandelten Spannung, einen mit dem isolierten Wandler verbundenen Transformator zum Empfang der umgewandelten Spannung und zur Erzeugung der Ausgangsspannung und einen mit einem Ausgang des isolierten Wandlers verbundenen internen Regler zum Empfang der umgewandelten Spannung und zur Erzeugung eines Regelsignals zur Einstellung des Schaltelements auf der Grundlage eines Rückführalgorithmus, wobei der Rückführalgorithmus unabhängig von der Ausgangsspannung ist. Der nicht isolierte Wandler ist ein Abwärtswandler, und die geregelte Spannung ist niedriger als die ungeregelte Spannung. Alternativ ist der nicht isolierte Wandler ein Aufwärtswandler, und die geregelte Spannung ist höher als die ungeregelte Spannung. Die umgewandelte Spannung ist niedriger als die geregelte Spannung. Die umgewandelte Spannung ist eine Rechteckwellenspannung. Der nicht isolierte Abwärtswandler ist ein Buck- oder Gleichstrom-Abwärtswandler. Der isolierte Wandler ist ein Halbbrückenwandler. Der Gleichrichter ist eine Diodenbrücke. In einigen Ausführungsformen umfasst das System weiterhin ein Eingangsfilter zum Herausfiltern von elektromagnetischen und Hochfrequenzstörungen aus dem Wechselstrom-Eingangssignal. In einigen Ausführungsformen umfasst das System weiterhin ein Ausgangsfilter zum Herausfiltern von elektromagnetischen und Hochfrequenzstörungen aus der Ausgangsspannung. Über die Einstellung des Schaltelements wird durch das Einstellen eines Tastgrads des nicht isolierten Wandlers die Ausgangsleistung des nicht isolierten Wandlers geregelt.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist auf ein Verfahren zur Regelung eines Kaskaden-Stromversorgungsgeräts gerichtet. Das Verfahren umfasst: den Empfang einer ungeregelten gleichgerichteten Spannung an einem nicht isolierten Wandler, der ein Schaltelement umfasst, und die Erzeugung geregelter Spannung, den Empfang der geregelten Spannung an einem isolierten Wandler und die Erzeugung einer umgewandelten Spannung, den Empfang der umgewandelten Spannung an einem Transformator und die Erzeugung einer Ausgangsspannung und den Empfang der umgewandelten Spannung an einem internen Regler und die Erzeugung eines Regelsignals, das auf der Grundlage eines Rückführalgorithmus das Schaltelement einstellt, wobei der Rückführalgorithmus unabhängig von der Ausgangsspannung ist. Der nicht isolierte Wandler ist ein Abwärtswandler, und die geregelte Spannung ist niedriger als die ungeregelte Spannung. Alternativ ist der nicht isolierte Wandler ein Aufwärtswandler, und die geregelte Spannung ist höher als die ungeregelte Spannung. Die umgewandelte Spannung ist niedriger als die geregelte Spannung. Die umgewandelte Spannung ist eine Rechteckwellenspannung. Der nicht isolierte Abwärtswandler ist ein Buck- oder Gleichstrom-Abwärtswandler. Der isolierte Wandler ist ein Halbbrückenwandler. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin den Empfang eines Wechselstrom-Eingangssignals an einem Gleichrichter und die Erzeugung eines gleichgerichteten Leistungssignals mit der ungeregelten gleichgerichteten Spannung. Der Gleichrichter ist eine Diodenbrücke. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Herausfiltern von elektromagnetischen und Hochfrequenzstörungen aus dem Wechselstrom-Eingangssignal mit einem Eingangsfilter. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Herausfiltern von elektromagnetischen und Hochfrequenzstörungen aus der Ausgangsspannung mit einem Ausgangsfilter. Das Einstellen des Schaltelements auf der Grundlage des Rückführalgorithmus umfasst das Variieren eines Tastgrads des Schaltelements. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin die Erhöhung eines Leistungsfaktors des Kaskaden-Stromversorgungsgeräts mit einer Blindleistungsverbesserungsfunktion des nicht isolierten Wandlers.
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Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist auf ein Kaskaden-Stromversorgungsgerät gerichtet. Das Gerät umfasst: einen Gleichrichter zum Empfang eines Wechselstrom-Eingangssignals und zur Erzeugung eines gleichgerichteten Leistungssignals mit einer ungeregelten gleichgerichteten Spannung, einen nicht isolierten Wandler mit einem Schaltelement, wobei der nicht isolierte Wandler das gleichgerichtete Leistungssignal mit der ungeregelten Spannung empfängt und eine geregelte Spannung erzeugt, einen mit dem nicht isolierten Wandler verbundenen isolierten Wandler zum Empfang der geregelten Spannung und zur Erzeugung einer umgewandelten Spannung, einen mit dem isolierten Wandler verbundenen Transformator zum Empfang der umgewandelten Spannung und zur Erzeugung einer Ausgangsspannung und einen mit einem Ausgang des isolierten Wandlers verbundenen internen Regler zum Empfang der umgewandelten Spannung und zur Erzeugung eines Regelsignals zur Einstellung des Schaltelements auf der Grundlage eines Rückführalgorithmus, wobei der Rückführalgorithmus unabhängig von der Ausgangsspannung ist. Der nicht isolierte Wandler ist ein Abwärtswandler, und die geregelte Spannung ist niedriger als die ungeregelte Spannung. Alternativ ist der nicht isolierte Wandler ein Aufwärtswandler, und die geregelte Spannung ist höher als die ungeregelte Spannung. Die umgewandelte Spannung ist niedriger als die geregelte Spannung. Der nicht isolierte Abwärtswandler ist ein Buck- oder Gleichstrom-Abwärtswandler. Der isolierte Wandler ist ein Halbbrückenwandler. Über die Einstellung des Schaltelements wird durch das Einstellen eines Tastgrads des nicht isolierten Wandlers die Ausgangsleistung des nicht isolierten Wandlers geregelt. Die erzeugte geregelte Spannung beträgt 50 V. Die erzeugte ungeregelte Spannung beträgt 200 V. Die erzeugte Ausgangsspannung beträgt 5, 12 oder 24 V.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind der folgenden Beschreibung, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, zu entnehmen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die neuen Merkmale der Erfindung sind in den angefügten Ansprüchen niedergelegt. Zum Zweck der Erläuterung sind jedoch mehrere Ausführungsformen der Erfindung in den folgenden Figuren dargestellt.
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1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines Stromversorgungsgeräts nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines Kaskaden-Stromversorgungssystems gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung.
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3 zeigt ein schematisches Diagramm einer Kaskaden-Stromversorgungsschaltung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung.
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4 zeigt ein Prozessablaufdiagramm für ein Verfahren zur Regelung eines Kaskaden-Stromrichtsystems gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In der folgenden Beschreibung sind zum Zweck der Erläuterung zahlreiche Details und Alternativen dargelegt. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die Erfindung ohne die Verwendung dieser konkreten Details praktiziert werden kann. Andererseits sind hinlänglich bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform gezeigt, um die Beschreibung der Erfindung nicht durch unnötige Details unklar zu machen.
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Das hierin beschriebene Kaskaden-Stromversorgungssystem, -verfahren und -gerät sollen eine effizientere Art und Weise der Stromrichtung im Rahmen der Stromversorgung bereitstellen. Im Unterschied zu den stufenbasierten Systemen des Standes der Technik kann die Kaskadentopologie des hierin beschriebenen Kaskaden-Stromversorgungssystems eine vom Systemausgang isolierte Rückführschleife bereitstellen, wodurch der Algorithmus für die Regelung mit Rückführung vereinfacht wird und die Notwendigkeit ausgangsisolierender Elektronik innerhalb der Rückführschleife entfällt. Konkret weil die Rückführschleife durch die Kaskadentopologie die Ausgangsleistung des Systems messen kann, bevor diese dem Transformator ausgesetzt wird, muss der Regler des Systems keine Wirkungen des Transformators auf das Ausgangssignal ausgleichen. Da diese Rückführschleife außerdem bereits durch den Transformator vom Ausgang isoliert ist, ist eine zusätzliche teure isolierende Schaltungsanordnung, wie in stufenbasierten Wandlern verwendet, nicht nötig. Darüber hinaus vereint das Kaskaden-Stromversorgungssystem durch die Konfiguration eines isolierten Wandlers in einer Kaskade mit einem nicht isolierten Wandler die Vorteile beider.
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2 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines Kaskaden-Stromversorgungssystems gemäß einigen Ausführungsformen. Das Kaskaden-Stromversorgungssystem 200 von 2 umfasst eine Eingangsfilterschaltung 202, eine Gleichrichterschaltung 204, eine Wandler-Kaskadenschaltung 206, die einen nicht isolierten Wandler 216 und einen isolierten Wandler 214 umfasst, einen Transformator 208, eine Ausgangsfilterschaltung 210 und einen Regler 212. In einigen Ausführungsformen umfasst das Stromversorgungssystem 200 jede beliebige Anzahl zusätzlicher Filter, Gleichrichter, Wandler, Transformatoren, Regler und weiterer auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannter Vorrichtungen, wie z. B. Kondensatoren, Dioden, Widerstände, Induktionsspulen, Transistoren etc. In einigen Ausführungsformen umfasst das Stromversorgungssystem 200 zusätzliche Wandler, die für einen Betrieb als Bauteile zur Blindleistungsverbesserung (power factor correction, PFC) konfiguriert sind. Alternativ fungiert der nicht isolierte Wandler 216 als PFC-Bauteil, indem er sicherstellt, dass der Eingangsstrom und eine Leitungsfrequenz gleichphasig sind. Die Eingangsfilterschaltung 202 ist mit einer Stromversorgung (nicht gezeigt) und der Gleichrichterschaltung 204 verbunden. Bei Betrieb empfängt die Eingangsfilterschaltung 202 eine Eingangs-Wechselspannung (Vin) von der Stromversorgung und filtert aus dem Signal Vin elektromagnetische Störungen (EMI), Hochfrequenzstörungen (RFI) und andere Arten von Störungen heraus, so dass Störungen von der Stromquelle minimiert oder sogar eliminiert werden können. Die Eingangsfilterschaltung 202 gibt die gefilterte Wechselspannung an die Gleichrichterschaltung 204 aus. Die Eingangsfilterschaltung 202 kann jede zum wirksamen Herausfiltern von Störungen fähige Schaltung sein, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt. Die Gleichrichterschaltung 204 ist mit der Eingangsfilterschaltung 202 und der Wandler-Kaskadenschaltung 206 verbunden. Die Gleichrichterschaltung 204 empfängt die gefilterte Wechselspannung von der Eingangsfilterschaltung 202 und wandelt die gefilterte Wechselspannung in ungeregelte Gleichspannung (Vun) um. Die Gleichrichterschaltung 204 gibt die ungeregelte Gleichspannung Vun an die Wandler-Kaskadenschaltung 206 aus. In einigen Ausführungsformen beträgt die ungeregelte Gleichspannung Vun etwa 200 V. Alternativ ist die ungeregelte Gleichspannung jede beliebige Spannung, deren Absolutwert mehr als Null beträgt. In einigen Ausführungsformen ist die Gleichrichterschaltung 204 eine Diodenbrücke. Alternativ umfasst die Gleichrichterschaltung 204 jede Art von Schaltungsanordnung zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt.
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Die Wandler-Kaskadenschaltung 206 umfasst einen isolierten Wandler 214 und einen nicht isolierten Wandler 216. Konkret ermöglicht die Kaskadentopologie der Wandler-Kaskadenschaltung 206 eine andauernde Isolation der Ausgangsspannung der Schaltung 206 ohne die Verwendung einer isolierenden Schaltungsanordnung oder eine Beeinträchtigung der leichten Regelungsfähigkeit der Schaltung 206 mit dem Regler 212. Zusätzlich versteht es sich, dass bei der Kaskadentopologie ebenfalls weitere, mit jedem der einzelnen Wandler 214, 216 verbundene Vorteile erreicht werden. Es sollte beachtet werden, dass der Transformator 208 als Bestandteil des isolierten Wandlers 214 angesehen werden kann, jedoch für die Zwecke dieser Beschreibung als einzelnes Bauteil abgetrennt wurde. Die Wandler-Kaskadenschaltung 206 ist mit der Gleichrichterschaltung 204, dem Transformator 208 und dem Regler 212 verbunden. Der Wandler-Kaskadenschaltung 206 wird die von der Gleichrichterschaltung 204 ausgegebene ungeregelte Gleichspannung zugeführt, und es erfolgt ein „Abspannen”/Absenken der ungeregelten Gleichspannung auf eine vorgegebene geregelte Spannung durch den nicht isolierten Wandler 216. In einigen Ausführungsformen beträgt die geregelte Spannung etwa 50 V. Alternativ ist die geregelte Gleichspannung jede beliebige Spannung, die geringer ist als die der Wandler-Kaskadenschaltung 206 zugeführte ungeregelte Gleichspannung. In anderen Ausführungsformen erfolgt durch den nicht isolierten Wandler 216 ein „Aufspannen”/Erhöhen der ungeregelten Gleichspannung auf eine höhere geregelte Gleichspannung. In jeder „Abwärts”-Ausführungsform kann das Kaskaden-Stromversorgungssystem 200 infolge des „Abspannens” der Spannung effizienter arbeiten als Stromversorgungssysteme mit nicht isolierten „Aufwärts”-Wandlern. Dies hat konkret den Grund, dass Bauteile mit niedrigeren Nennspannungen prinzipiell effizienter sind als solche mit höheren Nennspannungen, wie auf dem Fachgebiet bekannt. Durch einen Betrieb mit abgespannter/niedrigerer Spannung ist das System ferner aufgrund von Einsparungen bei der Bauteilgröße insgesamt kostengünstiger.
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Dem isolierten Wandler 214 wird die geregelte Gleichspannung zugeführt, und er gibt ein Rechteckwellenspannungssignal (Vsq) aus, das zwischen 0 V und der zugeführten geregelten Gleichspannung pulsiert. Die Impulse werden durch die Wandler-Kaskadenschaltung 206 an den Transformator 208 und den Regler 212 ausgegeben. In einigen Ausführungsformen ist der nicht isolierte Wandler 216 ein Gleichstrom-Abwärtswandler. Alternativ ist der nicht isolierte Wandler 216 jede beliebige andere Art eines nicht isolierten Wandlers, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt. In einigen Ausführungsformen ist der isolierte Wandler 214 ein Halbbrückenwandler. Alternativ ist der isolierte Wandler 214 jede beliebige Art eines isolierten Wandlers, wie z. B. ein Gegentaktwandler, oder jeder beliebige andere isolierte Wandler, der auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt ist.
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Der Regler 212 kann jeder auf einer integrierten Schaltung (IC) basierende Regler sein, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt. In einigen Ausführungsformen umfasst der Regler 212 jede beliebige Kombination von Multiplexer, Operationsverstärkern und Vergleichern (nicht gezeigt). Alternativ umfasst der Regler jede beliebige andere Kombination von Schaltungsanordnungen, mit der sich die Ausgangsleistung der Wandler 214, 216 regeln lässt, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt. Der Regler 212 ist mit der Ausgangsspannung des isolierten Wandlers 214 und des nicht isolierten Wandlers 216 verbunden. Der Regler 212, der isolierte Wandler 214 und der nicht isolierte Wandler 216 bilden eine Rückführschleife 218, die durch den Transformator 208 vollständig von der Ausgangsspannung Vout isoliert ist. Es können zwei Rückführalgorithmen (1) und (2) abgeleitet werden, welche die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung/dem Ausgangsstrom Vout, Iout des Kaskaden-Stromversorgungssystem 200 und der dem nicht isolierten Wandler 216 zugeführten Vun beschreiben. Aufgrund der Kaskadentopologie sind diese Rückführalgorithmen trotz des Fehlens einer gemeinsamen Erde zwischen dem Regler 212 und den beiden Wandlern 214, 216 ableitbar. Konkret befähigt der erste Rückführalgorithmus (1) den Regler 212 zur genauen Regelung der Spannungs-Ausgangsleistung des nicht isolierten Wandlers 216 und dadurch zur Regelung der Ausgangsspannung Vsq des isolierten Wandlers 214, der die Spannungs-Ausgangsleistung des nicht isolierten Wandlers empfängt. In ähnlicher Weise befähigt der zweite Rückführalgorithmus (2) den Regler 212 zur genauen Regelung des Ausgangsstroms des nicht isolierten Wandlers 216 und dadurch zur Regelung des Ausgangsstroms des isolierten Wandlers 214. Die Regelung der Strom- und Spannungs-Ausgangsleistung erfolgt durch den Regler 212 und wird durch die Einstellung des Tastgrads (ton/T = Δ) des nicht isolierten Wandlers 216 erreicht, wobei ton die Ein-Zeit des Wandlers 216 und T die Periodendauer des Wandlers 216 ist. Konkret erfolgt die Einstellung des Tastgrads auf der Grundlage der Ausgangsspannung Vsq des isolierten Wandlers 214, der dem nicht isolierten Wandler 216 zugeführten ungeregelten Spannung Vun, des dem nicht isolierten Wandler zugeführten Stroms Iin und des Spitzenstroms Ip durch die Induktionsspule L1, wie in 3 gezeigt. Die Messung/Berechnung des Tastgrads ton/T und des konkreten Verhältnisses des Tastgrads zur Ausgangsleistung des nicht isolierten Wandlers ist auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt und variiert in Abhängigkeit von der Art des nicht isolierten Wandlers. Für das in 3 gezeigte beispielhafte Schema lauten die Rückführalgorithmen wie folgt: Vout = 1,53·n·Vun·√(Δ/Ip) (1); Iout = 0,78/n·√(Δ/Ip) (2); wobei Ip der Spitzenstrom durch die Induktionsspule L1 ist, Δ der Tastgrad (ton/T) des nicht isolierten Wandlers 216 ist, n das Windungszahlenverhältnis des Transformators 208 ist und Vun die ungeregelte gleichgerichtete Spannung ist, die der nicht isolierte Wandler 216 vom Gleichrichter 204 empfängt. Es versteht sich, dass die Konstanten „1,53” und „0,78” anwendungsspezifisch sind, d. h. in Abhängigkeit von der Anwendung und/oder der gewünschten Ausgangsleistung können andere Konstanten verwendet werden.
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Durch die Konstanthaltung von „√(Δ/Ip)” erhält der Regler 212 also eine(n) im Wesentlichen konstante(n) Ausgangsspannung oder -strom aufrecht. Weiterhin besteht aufgrund der Isolation des Reglers 212 von der Ausgangsleistung Vout des Systems keine Notwendigkeit, dass der Regler 212 einen Optokoppler oder eine andere ähnliche isolierende Schaltungsanordnung als Mittel zur Aufrechterhaltung einer Isolation der Wandler und der Ausgangsleistung Vout umfasst. Darüber hinaus ist der Rückführalgorithmus 218 durch die Nichteinbeziehung des Transformators 208 in die „Rückführschleife” erheblich weniger komplex, weil die Wirkungen des Transformators 208 auf das Ausgangssignal Vout nicht berücksichtigt werden müssen.
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Der Transformator 208 ist mit dem Ausgang der Wandler-Kaskadenschaltung 206 und dem Ausgangsfilter 210 verbunden. Der Transformator 208 ist so konfiguriert, dass er die Rechteckwellenspannung Vsq auf eine vorgegebene gewünschte Transformatorausgangsspannung (Vt) „abspannt”. In einigen Ausführungsformen beträgt die gewünschte Transformatorausgangsspannung 5 V. Alternativ ist die Transformatorausgangsspannung jede beliebige andere Spannung. Wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt, erfolgt die Bestimmung und Einstellung der Transformatorausgangsspannung Vt durch das Einstellen des Windungszahlenverhältnisses n innerhalb der Spulen des Transformators 208. Die Transformatorausgangsspannung Vt, die jetzt eine Wechselspannung ist, wird durch den Transformator 208 an die Ausgangsfilterschaltung 210 ausgegeben. Das Ausgangsfilter 210 ist mit dem Transformator 208 und einer Ausgabevorrichtung (nicht gezeigt) verbunden. Dem Ausgangsfilter 210 wird die Ausgangs-Wechselspannung Vt des Transformators zugeführt, und es wandelt die Spannung wieder in Gleichspannung um und filtert alle durch die Wandler-Kaskadenschaltung 206 in das Spannungssignal eingebrachten Störungen heraus. Diese gefilterte Ausgangs-Gleichspannung (Vout) wird dann an die Ausgabevorrichtung ausgegeben.
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3 zeigt ein beispielhaftes Schema der Kaskaden-Stromversorgungssystemarchitektur gemäß einer Ausführungsform. Das Schema ähnelt im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Funktionsblockdiagramm, wobei in ihm zusätzliche Details beschrieben sind. Es versteht sich, dass zur Umsetzung der Funktionsblöcke von 2 alternative Schemata verwendet werden können. Die Kaskaden-Stromversorgungssystemschaltung 300 umfasst eine Eingangsfilterschaltung 302, eine Gleichrichterschaltung 304, eine Leistungswandler-Kaskadenschaltung 306 mit einem isolierten Wandler 314 und einem nicht isolierten Wandler 316, einen Transformator 308, eine Ausgangsschaltung 310 und einen Regler 312. Die Eingangsfilterschaltung 302 umfasst einen ersten Kondensator C1, der über zwei unabhängige Eingangsleitungen, welche die Eingangs-Wechselspannung Vin umfassen, und die Eingänge eines Drosselelements CH1, mit dem sich unerwünschte Störungen herausfiltern lassen, verbunden ist. In einigen Ausführungsformen kann es sich bei dem Drosselelement CH1 um ein Paar von Induktionsspulen zum „Ausgleichen” von Welligkeiten/Störungen im Strom handeln. Alternativ kann das Drosselelement CH1 jedes beliebige geeignete Filterelement sein, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt. Die Ausgänge des Drosselelements CH1 sind über einen zweiten Kondensator C2 angeschlossen, wobei die Anschlusspunkte des zweiten Kondensators C2 weiterhin mit den Ausgangsleitungen der Eingangsfilterschaltung 302 verbunden sind. Die Eingangsfilterschaltung 302 filtert über das Drosselelement CH1 durch die Eingangsspannung Vin hereinkommende Störungen heraus, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt. Alternativ können in der Eingangsfilterschaltung 302 andere Filterschaltungsanordnungen zum Herausfiltern von Störungen der Eingangsspannung verwendet werden.
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Die Gleichrichterschaltung 304 umfasst vier Dioden D1, D2, D3 und D4, wobei die Kathoden von Diode D1 und Diode D2 verbunden sind, die Anoden von Diode D3 und Diode D4 verbunden sind und die Anoden von Diode D1 und Diode D2 mit den Kathoden von Diode D3 bzw. Diode D4 verbunden sind, so dass eine Schleife ausgebildet wird. Weiterhin ist die erste Eingangsleitung mit der Anode von Diode D1 und der Kathode von Diode D3 verbunden, die zweite Eingangsleitung ist mit der Anode von Diode D2 und der Kathode von Diode D4 verbunden. Schließlich ist die erste Ausgangsleitung mit der Kathode von Diode D1 und Diode D2 verbunden, und die zweite Ausgangsleitung ist mit der Anode von Diode D3 und Diode D4 verbunden. Wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt, wird auf diese Weise die Eingangs-Wechselspannung Vin in ungeregelte Gleichspannung umgewandelt, die auf den ersten und zweiten Ausgangsleitungen ausgegeben wird. In einigen Ausführungsformen umfasst die Schaltung 304 weiterhin einen über den Gleichrichterausgang geschalteten Kondensator zum „Glätten” der Ausgangsleistung, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt. Alternativ können andere Gleichrichtungsschaltungsanordnungen verwendet werden, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt.
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Die Leistungswandler-Kaskadenschaltung 306 umfasst die Kondensatoren C3 und C4, die Diode D5 und die Induktionsspule L1. Der Kondensator C3 fungiert als Eingangsleitungsfilter für den nicht isolierten Wandler 316. Ein erster Anschlusspunkt des Kondensators C3 ist mit der ungeregelten Eingangs-Gleichspannung von der Gleichrichterschaltung 304, einer Kathode der Diode D5, einem ersten Anschlusspunkt des Kondensators C4 und einem ersten Eingang des isolierten Wandlers 314 verbunden. Ein zweiter Anschlusspunkt des Kondensators C3 ist mit der zugeführten Erdspannung vom Gleichrichter 304 und dem nicht isolierten Wandler 316 verbunden. Die Diode D5 fungiert als Ausgangsgleichrichter und -filter für den nicht isolierten Wandler 316. Die Kathode der Diode D5 ist mit der ungeregelten Eingangs-Gleichspannung von der Gleichrichterschaltung 304, dem ersten Anschlusspunkt der Kondensatoren C3 und C4 und dem ersten Eingang des isolierten Wandlers 314 verbunden. Eine Anode der Diode D5 ist mit dem nicht isolierten Wandler 316 und einem zweiten Anschlusspunkt der Induktionsspule L1 verbunden. Der erste Anschlusspunkt des Kondensators C4 ist mit der ungeregelten Eingangs-Gleichspannung von der Gleichrichterschaltung 304, der Kathode der Diode D5, dem ersten Anschlusspunkt des Kondensators C3 und dem ersten Eingang des isolierten Wandlers 314 verbunden. Der zweite Anschlusspunkt des Kondensators C4 ist mit dem ersten Anschlusspunkt der Induktionsspule L1 und einem zweiten Eingang des isolierten Wandlers 314 verbunden. Die Induktionsspule L1 fungiert als Energiespeicher-Strominduktionsspule für den nicht isolierten Wandler 316. Der erste Anschlusspunkt der Induktionsspule L1 ist mit dem zweiten Eingang des isolierten Wandlers 314 und dem zweiten Anschlusspunkt des Kondensators C4 verbunden. Der zweite Anschlusspunkt der Induktionsspule L1 ist mit der Anode der Diode D5 und dem nicht isolierten Wandler 316 verbunden. In einigen Ausführungsformen umfasst die Leistungswandler-Kaskadenschaltung 306 weiterhin zusätzliche Kondensatoren, Induktionsspulen, Widerstände, Dioden, Transistoren etc.
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Der Regler 312 umfasst eine Mehrzahl von Eingängen, die mit dem Tastgrad Δ, der Rechteckwellen-Ausgangsspannung Vsq, der ungeregelten Ausgangsspannung Vun, dem Eingangsstrom Iin und dem Spitzenstrom Ip verbunden sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Verbindungen an sich nicht gezeigt, es versteht sich jedoch, dass die markierten Eingänge des Reglers 312 (Δ, Vun, Iin, Ip) mit den entsprechenden markierten Abschnitten der Schaltung verbunden sind. Weiterhin ist, wie oben beschrieben, Ip der Spitzenstrom über die Induktionsspule L1, Δ ist der Tastgrad (ton/T) des nicht isolierten Wandlers 316, n ist das Windungszahlenverhältnis des Transformators 308, Iin ist der Eingangsstrom des nicht isolierten Wandlers 316, Iout ist der Ausgangsstrom über die Ausgangslast R1, Vout ist die Ausgangsspannung über die Ausgangslast R1 und Vun ist die ungeregelte gleichgerichtete Spannung, die der nicht isolierte Wandler 316 vom Gleichrichter 304 empfängt.
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Der Transformator 308 ist derart mit dem Ausgang der Leistungswandler-Kaskadenschaltung 306 verbunden, dass der Transformator 308 die Ausgangs-Rechteckwellenspannung Vsq empfängt. Der Transformator 308 umfasst eine Art eines isolierenden Transformators, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt. Der Ausgang des Transformators Vt ist mit dem Ausgangsfilter 310 verbunden. Das Ausgangsfilter 310 umfasst eine Art von Störungsfilterschaltung, wie auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt. Der Ausgang des Ausgangsfilters 310 ist derart mit der Ausgangslast R1 verbunden, dass die Ausgangslast R1 die Ausgangsspannung Vout und den Ausgangsstrom Iout empfängt.
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Nachstehend wird der Betrieb des Kaskaden-Stromversorgungssystems mit Bezug auf ein in 4 dargestelltes und auf 2 bezogenes Ablaufdiagramm dargelegt. Im Schritt 402 filtert die Eingangsfilterschaltung 202 Störungen im Wechselspannungs-Eingangssignal Vin heraus. Im Schritt 404 wird das Eingangssignal Vin der Gleichrichterschaltung 204 zugeführt, und diese wandelt es in eine ungeregelte Gleichspannung Vun um. Im Schritt 406 spannt der nicht isolierte Wandler 216 die ungeregelte Gleichspannung auf eine niedrigere geregelte Gleichspannung zur Einspeisung in den isolierten Wandler 214 ab. Alternativ spannt der nicht isolierte Wandler 216 die Spannung auf eine höhere geregelte Gleichspannung zur Einspeisung in den isolierten Wandler 214 auf. Im Schritt 408 wandelt der isolierte Wandler 214 die durch den nicht isolierten Wandler 216 ausgegebene geregelte Gleichspannung in ein Hochfrequenz-Rechteckwellen-Gleichspannungssignal Vsq zur Einspeisung in den Transformator 208 und den Regler 212 um. Im Schritt 410 tastet der Regler den Tastgrad des nicht isolierten Wandlers 216, das vom isolierten Wandler 214 zugeführte Hochfrequenz-Rechteckwellen-Gleichspannungssignal Vsq zusammen mit der ungeregelten Spannung Vun, dem Eingangsstrom Iin und dem Spitzenstrom Ip ab. Im Schritt 412 erfolgt auf der Grundlage der abgetasteten Eingangsleistung (Δ, Vun, Vsq, Iin, Ip) und unter Verwendung der Rückführalgorithmen (1) und/oder (2) die Einstellung des Tastgrads und damit der Ausgangsleistung des nicht isolierten Wandlers 216 durch den Regler 212. Im Schritt 414 wird das vom isolierten Wandler 214 empfangene Hochfrequenz-Rechteckwellen-Gleichspannungssignal Vsq durch Konfigurieren des Windungszahlenverhältnisses n des Ausgangstransformators 208 in das gewünschte Wechselspannungssignal umgewandelt. Im Schritt 416 wandelt das Ausgangsfilter 210 das gewünschte Wechselspannungssignal in eine gewünschte Gleichspannungs-Ausgangsleistung Vout um. Alternativ wird die gewünschte Ausgangsspannung nicht gleichgerichtet und bleibt daher eine Wechselspannung. Im Schritt 418 filtert das Ausgangsfilter 210 durch die Kaskaden-Stromversorgungsschaltung bedingte Störungen oder Welligkeit aus der gewünschten Gleichspannungs-Ausgangsleistung Vout zur Einspeisung in eine elektronische Vorrichtung heraus. In einigen Ausführungsformen ist/sind ein oder mehrere der Filter- und/oder Gleichrichtungsschritte nicht inbegriffen. Alternativ ist/sind ein oder mehrere zusätzlicher) Filter-, Gleichrichtungs-, Umwandlungs- oder Transformierungsschritt(e) inbegriffen.
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Das Verfahren, die Schaltung und das System der hierin beschriebenen Kaskaden-Stromversorgungssystemarchitektur weisen zahlreiche Vorteile auf. Konkret erzeugt die Kaskaden-Stromversorgungssystemarchitektur aus einer Wechselstrom-Eingangsspannung (Vin) eine hochgradig geregelte Gleichstrom-Ausgangsspannung (Vout). Infolgedessen kann die Ausgangsspannung ohne die Verwendung eines Optokopplers oder anderer isolierender Vorrichtungen sowie ohne Beeinträchtigung der Regelung der Wandler-Kaskadenschaltung durch den Regler andauernd von der Wandlerkaskadenschaltung isoliert werden. Weiterhin kann das Kaskaden-Stromversorgungssystem durch das „Abspannen” der Spannung effizienter arbeiten als Stromversorgungssysteme, bei denen nicht isolierte „Aufwärts”-Wandler verwendet werden. Dies hat konkret den Grund, dass Bauteile mit niedrigeren Nennspannungen prinzipiell effizienter sind als solche mit höheren Nennspannungen, wie auf dem Fachgebiet bekannt. Darüber hinaus besteht aufgrund der Isolation des Reglers 212 von der Ausgangsleistung Vout des Systems keine Notwendigkeit, dass der Regler 212 einen Optokoppler oder eine andere ähnliche isolierende Schaltungsanordnung als Mittel zur Aufrechterhaltung einer Isolation der Wandler und der Ausgangsleistung Vout umfasst. Darüber hinaus ist der Rückführalgorithmus durch die Nichteinbeziehung des Transformators in die „Rückführschleife” erheblich weniger komplex, weil die Wirkungen des Transformators auf das Ausgangssignal Vout nicht berücksichtigt werden müssen.
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Das Kaskaden-Stromversorgungssystem wurde anhand konkreter, Details beinhaltender Ausführungsformen beschrieben, um die Prinzipien des Aufbaus und Betriebs des Kaskaden-Stromversorgungssystems besser verständlich zu machen. Die gezeigten konkreten Konfigurationen und die im Zusammenhang mit den verschiedenen Modulen beschriebenen Methoden sowie die Verknüpfungen zwischen diesen sind lediglich beispielhaft. Die Bezugnahme auf konkrete Ausführungsformen und Details derselben in dieser Beschreibung soll den Schutzbereich der angefügten Ansprüche nicht einschränken. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass an den zur Veranschaulichung gewählten Ausführungsformen Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzbereich des Kaskaden-Stromversorgungssystems abzugehen.
