DE112011104353T5 - Schaltung zur Steuerung eines Schaltreglers - Google Patents
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Abstract
Description
- HINTERGRUND
- Eine Vielzahl von elektronischen Schaltungen werden verwendet, um Diodenlasten und zu betreiben und um insbesondere elektrischen Strom durch eine Kette von in Reihe geschalteten lichtemittierenden Dioden (LEDs) zu steuern, die in manchen Beispielen eine LED-Anzeige oder insbesondere eine Hintergrundbeleuchtung für eine Anzeige, zum Beispiel eine Flüssigkeitskristallanzeige (LCD, engl.: liquid crystal display) bilden. Es ist bekannt, dass individuelle LEDs eine Verteilung bezüglich der Vorwärtsspannung von Einheit zu Einheit haben. Deshalb können die Ketten von in Reihe geschalteten LEDs eine Verteilung bezüglich der Vorwärtsspannung haben.
- Ketten von in Reihe geschalteten LEDs können mit einem gemeinsamen Schaltregler, z. B. einem Aufwärts-Schaltregler, an einem Ende der LED-Kette verbunden werden, wobei der Schaltregler ausgelegt ist, eine Spannung bereitzustellen, die hoch genug ist, um jede der Ketten von LEDs zu versorgen. Das andere Ende von jeder der Ketten von in Reihe geschalteten LEDs kann jeweils mit einer Stromsenke verbunden werden, die ausgelegt ist, einen relativ konstanten Strom durch jede der Ketten von in Reihe geschalteten LEDs einzulassen.
- Es wird verstanden werden, dass die Spannung, die von dem gemeinsamen Schaltregler erzeugt wird, hoch genug sein muss, um die eine in Reihe geschaltete Kette von LEDs, die die höchste Vorwärtsspannung hat, zu versorgen plus eine Zusatzspannung, die für einen korrekten Betrieb der jeweiligen Stromsenke benötigt wird. Wenn mit andern Worten vier in Reihe geschaltete Ketten von LEDs Vorwärtsspannungen von 30 Volt, 30 Volt, 30 Volt und 31 Volt haben und jede jeweilige Stromsenke wenigstens ein Volt benötigt, um zu funktionieren, dann muss der gemeinsame Vorwärts-Schaltregler wenigstens 32 Volt bereitstellen.
- ZUSAMMENFASSUNG
- Hinsichtlich eines Gesichtspunkts weist eine Schaltung einen Schaltregler, der ausgelegt ist, Energie einer Last zur Verfügung zu stellen, eine Stromregler-Schaltung, die mit der Last verbunden ist, und eine Antwortschaltung auf, die ausgelegt ist, ein Steuersignal dem Schaltregler zur Verfügung zu stellen in Reaktion auf elektrische Veränderungen der Stromreglerschaltung. Das Steuersignal verändert sich nicht-linear in Bezug auf die elektrischen Veränderungen an der Stromreglerschaltung.
- Der obige Gesichtspunkt kann eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen. Die Antwortschaltung ist ausgelegt, eine nicht-lineare Erhöhung des Steuersignals bereitzustellen in Reaktion auf einen Spannungsabfall an der Stromregler-Schaltung. Die nicht-lineare Erhöhung des Steuersignals weist Erhöhen einer Stromausgabe der Antwortschaltung auf. Die nicht-lineare Erhöhung des Steuersignals hängt exponentiell ab von den elektrischen Veränderungen der Stromregler-Schaltung. Der Schaltregler ist ein DC-DC-Wandler. Die Antwortschaltung weist einen Verstärker auf. Der Verstärker empfängt eine erste Eingabe von einer Regelungsspannung-Schaltung und eine zweite Eingabe von der Stromregler-Schaltung. Der Verstärker ist ein nichtlinearer Verstärker. Der Verstärker ist ein linearer Verstärker. Die Schaltung weist ferner eine Stromerfassung-Schaltung auf, die ausgelegt ist zu bestimmen, ob ein Strom an der Stromregler-Schaltung einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel erreicht. Die Stromerfassung-Schaltung ermöglicht dem linearen Verstärker, eine Stromausgabe des linearen Verstärkers zu erhöhen, wenn ein Strom an der Stromregler-Schaltung den vorher festgesetzten Grenzwertpegel erreicht. Die Stromerfassung-Schaltung stellt zusätzlichen Strom bereit, wenn Strom an der Stromregler-Schaltung einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel erreicht. Die Schaltung weist ferner eine Stromerfassung-Schaltung auf, die ausgelegt ist zu bestimmen, ob eine Spannung an der Stromregler-Schaltung gesättigt ist. Die Stromerfassung-Schaltung veranlasst den linearen Verstärker, eine Stromausgabe des linearen Verstärkers zu erhöhen, wenn die Spannung an der Stromregler-Schaltung gesättigt ist. Die Stromerfassung-Schaltung stellt zusätzlichen Strom dem Schaltregler zur Verfügung, wenn die Spannung an der Stromregler-Schaltung gesättigt ist. Der Spannungsabfall an der Stromregler-Schaltung entspricht einer Spannung an der Stromregler-Schaltung, die unter einen vorher festgesetzten Grenzwert fällt. Der vorher festgesetzte Grenzwert hängt mit einer minimalen Betriebsspannung zusammen, die mit der Stromregler-Schaltung verbunden ist. Die Last weist eine oder mehrere lichtemittierenden Dioden (LEDs) auf.
- Hinsichtlich eines anderen Gesichtspunkts weist eine Schaltung einen Schaltregler, der ausgelegt ist, Energie einer Last zur Verfügung zu stellen, eine Stromregler-Schaltung, die mit der Last verbunden ist, und eine adaptive Antwortschaltung auf. Die adaptive Antwortschaltung weist einen Verstärker auf, der ausgelegt ist, ein Steuersignal dem Schaltregler in Reaktion auf elektrische Veränderungen an dem Stromregler zur Verfügung zu stellen. Die adaptive Antwortschaltung weist einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang auf, der mit der Stromregler-Schaltung und einer adaptiven Regelungsspannung-Schaltung verbunden ist, welche ausgelegt ist, eine Regelungsspannung dem ersten Eingang des Verstärkers zur Verfügung zu stellen, um die Betriebsfähigkeit der Stromregler-Schaltung aufrecht zu erhalten. Die adaptive Regelungsspannung-Schaltung bildet elektrische Eigenschaften der Stromregler-Schaltung nach.
- Der vorherige Gesichtspunkt kann eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen. Die adaptive Regelungsschaltung weist eine erste Stromquelle auf, welche eine zweite Stromquelle in der Stromregler-Schaltung widerspiegelt. Die erste Stromquelle in der adaptiven Regelungsschaltung stellt einen Strom zur Verfügung, der 1/N-mal ein Strom ist, der von der zweiten Stromquelle in der Stromregler-Schaltung zur Verfügung gestellt wird, wobei N ≥ 1. Die adaptive Regelungsschaltung weist ferner eine Spannungsquelle, die mit Masse verbunden ist, und einen ersten Widerstand auf, der zwischen die Spannungsquelle und die erste Stromquelle geschaltet ist. Die Stromregler-Schaltung weist einen zweiten Widerstand auf, der mit der zweiten Stromquelle verbunden ist, wobei der Widerstand des ersten Widerstands N-mal der Widerstand des zweiten Widerstands ist. Die erste Stromquelle ist mit dem ersten Wiederstand verbunden und die Regelungsspannung wird an einem Knoten zwischen dem ersten Widerstand und der ersten Stromquelle zur Verfügung gestellt. Die adaptive Regelungsschaltung weist ferner einen ersten Feldeffekttransistor (FET) auf, wobei eines von einem Drain oder einem Source mit dem ersten Widerstand verbunden sind und das andere von dem Drain oder Source mit der ersten Stromquelle verbunden ist und die Regelungsspannung an einem Knoten zwischen dem ersten FET und der zweiten Stromquelle zur Verfügung gestellt wird. Die Stromregler-Schaltung weist ferner einen zweiten FET auf und der erste FET und der zweite FET haben dieselben elektrischen Eigenschaften. Der erste FET ist ganz eingeschaltet.
- BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die voranstehenden Eigenschaften der Erfindung sowie die Erfindung selbst können besser von der folgenden ausführlichen Beschreibung der Zeichnungen verstanden werden, in denen:
-
1A ein Blockdiagramm einer Schaltung, um eine Last zu betreiben, ist; -
1B ein Blockdiagramm eines Beispiels der Schaltung in1A ist, die eine Kette von lichtemittierenden Dioden (LEDs) als die Last aufweist; -
1C ein Blockdiagramm eines anderen Beispiels der Schaltung von1A ist, das mehrere Ketten von LEDs als die Last aufweist; -
2A ein Blockdiagramm eines Beispiels einer nicht-linearen Antwortschaltung und eines Beispiels einer Stromregler-Schaltung ist; -
2B ein Graph von Strom gegen Veränderung von Strom für einen exponentiell invertierenden Transkonduktanz-Verstärkers ist; -
2C ein Schaltdiagramm für ein Beispiel eines DC-DC-Wandlers ist; -
3A ein Blockdiagramm von anderen Beispielen der nicht-linearen Antwort- und der Stromregler-Schaltung ist; -
3B ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels der nicht-linearen Antwortschaltung ist; -
4 ein Schaltdiagramm einer Stromsenkenschaltung ist; -
5 ein Schaltdiagramm einer Stromerfassungsschaltung ist; -
6A ein Blockdiagramm einer anderen Schaltung zum Betreiben der Last ist; -
6B ein Blockdiagramm einer adaptiven Antwortschaltung ist; und -
7A und7B Schaltdiagramme von Beispielen von adaptiven Regelungsspannungsschaltungen sind. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
- Vor der Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden einige einführende Konzepte und Terminologie erklärt. Der Begriff „Aufwärts-Schaltregler” wird verwendet, um eine bekannte Art von Schaltregler zu beschreiben, die eine Ausgangsspannung höher als eine Eingangsspannung in den Aufwärts-Schaltregler zur Verfügung stellt. Obwohl hier eine bestimmte spezielle Schaltungstopologie eines Aufwärts-Schaltreglers gezeigt wird, sollte verstanden werden, dass Aufwärts-Schaltregler eine Vielzahl von Schaltungskonfigurationen haben. So wie er hier verwendet wird, wird der Begriff „Abwärts-Schaltregler” verwendet, um eine bekannte Art von Schaltregler zu beschreiben, die eine Ausgangsspannung niedriger als eine Eingangsspannung in den Abwärts-Schaltregler zur Verfügung stellt. Es sollte verstanden werden, dass es noch andere Formen von Schaltreglern als einen Aufwärts-Schaltregler und als einen Abwärts-Schaltregler gibt und dass diese Erfindung nicht auf eine einzige Art beschränkt ist.
- DC-DC-Wandler werden hier beschrieben und die beschriebenen DC-DC-Wandler können jede beliebige Art von Schaltregler, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die oben beschriebenen Aufwärts- und Abwärts-Schaltregler sein.
- So wie der Begriff „Stromregler” hier verwendet wird, wird er verwendet, um eine Schaltung oder eine Schaltungskomponente zu beschreiben, die einen Strom auf eine vorher festgesetzte, d. h. geregelte Stromstärke regeln kann, der durch die Schaltung oder Schaltungskomponente fließt. Ein Stromregler kann eine „Stromsenke” sein, die einen geregelten Strom aufnehmen kann, oder eine „Stromquelle”, die einen geregelten Strom ausgeben kann. Ein Stromregler hat einen „Stromknoten”, an dem ein Strom in dem Fall einer Stromquelle ausgegeben wird oder an dem in dem Fall einer Stromsenke ein Strom aufgenommen wird.
- Beschrieben werden hier verschiedene Ausführungsformen, einschließlich von Schaltkreisen und Techniken, um einen Schaltregler zu steuern, der eine geregelte Ausgangsspannung einer Last bereitstellt, die wiederum von einer Stromregler-Schaltung gesteuert wird. In einer Gruppe von Ausführungsformen sind die Schaltkreise ausgelegt, eine nicht-lineare Erhöhung eines Steuersignals, das dem Schaltregler zur Verfügung gestellt wird, in Reaktion auf eine Verringerung einer Spannung an einer Last zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise kann der Schaltregler schneller als auf andere Weise möglich auf eine Sprungantwort reagieren, die zu einem Abfall der geregelten Ausgangsspannung, die der Last zur Verfügung gestellt wird, führt. In einem Beispiel weisen die Schaltkreise einen nicht-linearen Verstärker auf, der ausgelegt ist, eine höher-als-lineare Erhöhung des Steuersignal-Pegels in Reaktion auf eine Verringerung in der Stromregler-Spannung zur Verfügung zu stellen.
- In einer anderen Ausführungsform ist eine adaptive Regelungsspannungsschaltung ausgelegt, eine ausreichende Spannung einem oder mehreren Stromreglern unabhängig von Temperatur, Verarbeitungseinschränkungen und andern elektrischen Einschränkungen zur Verfügung zu stellen, um die Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit der Stromregler-Schaltungen sicher zu stellen. Andere Ausführungsformen werden für den Fachmann im Lichte der Spezifikation offensichtlich sein.
- Bezug nehmend auf
1A weist eine Schaltung10 eine elektronische Schaltung20 (z. B. eine integrierte Schaltung (IC, engl.: integrated circuit)) auf, um eine Last40 zu betreiben. Die Schaltung10 weist auch einen Kondensator44 auf, wobei ein Ende des Kondensators mit der Last40 verbunden ist und das andere Ende des Kondensators mit Masse verbunden ist. In einem Beispiel fungiert der Kondensator44 als ein Filter. Die elektronische Schaltung20 weist einen DC-DC-Wandler32 auf, der ausgelegt ist, eine Eingangsspannung, Vin, von einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) über eine Verbindung52 zu empfangen und eine geregelte Ausgangsspannung, Vout, der Last40 über eine Verbindung54 in Reaktion auf ein Steuersignal58 zur Verfügung zu stellen. - Die elektronische Schaltung
20 weist auch eine Stromregler-Schaltung34 auf, die mit der Last40 durch eine Verbindung56 verbunden ist. Die elektronische Schaltung20 weist auch eine nicht-lineare Antwortschaltung36 auf, die mit der Stromregler-Schaltung34 durch eine Verbindung55 verbunden ist und mit dem DC-DC-Wandler32 durch eine Verbindung58 verbunden ist. - Die verschiedenen Verbindungen, die hier beschrieben werden, können hier synonym mit dem Signal, das von der jeweiligen Verbindung getragen wird, bezeichnet werden. Zum Beispiel kann Bezugsnummer
52 synonym verwendet werden, um die Verbindung mit dem DC-DC-Wandler32 und die Eingangsspannung, Vin, die zu einer solchen Verbindung gehört, zu bezeichnen. - In einem Beispiel stellt die nicht-lineare Antwortschaltung
36 ein Steuersignal58 dem DC-DC-Wandler32 in Reaktion auf elektrische Veränderungen an der Stromregler-Schaltung34 zur Verfügung. Das Steuersignal58 steuert die geregelte Spannung Vout, die an dem Ausgang des DC-DC-Wandlers32 zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere verändert sich das Steuersignal58 nicht-linear bezüglich der elektrischen Veränderungen an der Stromregler-Schaltung34 . In einem speziellen Beispiel erhöht sich das Steuersignal58 nicht-linear (z. B.2A ,2C ,2D ), wenn eine Spannung an der Stromregler-Schaltung34 fällt. In einem Beispiel ist die nicht-lineare Erhöhung eine exponentielle Erhöhung. - In manchen Ausführungsformen kann die Stromregler-Schaltung
34 , die als mit der Unterseite der Last40 verbunden gezeigt wird, stattdessen an der Oberseite der Last sein. In diesen Ausführungsformen empfängt ein Reglereingangsknoten die geregelte Spannung, Vreg, und ein Reglerausgangsknoten ist mit der Last verbunden. - Bezug nehmend auf
1B und1C kann in manchen Beispielen die Last40 eine oder mehrere Ketten von einer oder mehreren in Reihe verbundenen lichtemittierenden Dioden (LEDs) sein. Zum Beispiel weist in1B eine Schaltung10' eine Kette140 von in Reihe verbundenen LEDs (z. B. eine LED40a , eine LED40b , ..., eine LED40N ) als die Last40 auf. In einem anderen Beispiel weist in1C eine Schaltung10'' eine Mehrzahl von Ketten (z. B. eine Kette240a , ..., eine Kette240N ) auf, die jeweils eine Gruppe von in Reihe verbundenen LEDs haben (z. B. weist die Kette240a eine LED340a , eine LED340b , ..., eine LED340N auf und die Kette240N weist eine LED342a , eine LED342b , ..., und eine LED342N auf). In einem Beispiel ist jede der Ketten240a –240N mit einer jeweiligen Stromregler-Schaltung34a –34N verbunden und jede der Stromregler-Schaltungen34a –34N ist mit einer nicht-linearen Antwortschaltung mit mehreren Eingängen37 verbunden, die zum Beispiel einen Mehreingangsverstärker (nicht gezeigt) aufweist. Ein beispielhafter Mehreingangsverstärker findet sich in US-Patent-Anmeldungsnummer 2009/0128045, veröffentlicht am 21. Mai 2009, mit dem Titel ”ELECTRONIC CIRCUITS FOR DRIVING SERIES CONNECTED LIGHT EMITTING DIODE STRINGS”, welche hierin vollständig durch Verweis aufgenommen ist. - In einem Beispiel können einer oder mehrere der Stromregler
34a –34N einer oder mehrere der hier beschriebenen Stromregler sein (z. B. eine Stromregler-Schaltung34' (2A ) und eine Stromregler-Schaltung34'' (3A )). Während1B und1C LEDs als Beispiele der Last40 aufweisen, können andere elektrische Komponenten als die Last40 verwendet werden. - Bezug nehmend auf
2A kann in einem Beispiel die Stromregler-Schaltung34 (1A ,1B ) als eine Stromregler-Schaltung34' ausgelegt sein und die nichtlineare Antwortschaltung36 (1A ,1B ) kann als eine nicht-lineare Antwortschaltung36' ausgelegt sein. Die Stromregler-Schaltung34' , hier in der Form einer Stromsenke, weist eine Stromsenke108 auf, die ein Ende108b mit Masse verbunden und das andere Ende108a mit der Last40 (1 ) durch die Verbindung56 und mit der nicht-linearen Antwortschaltung36 durch die Verbindung55 verbunden hat. Die nichtlineare Antwortschaltung36' weist einen nicht-linearen Verstärker110 (z. B. einen nicht-linearen Transkonduktanz-Verstärker) auf, der einen Eingang verbunden mit der Stromregler-Schaltung34' durch die Verbindung55 und einen zweiten Eingang verbunden mit einer Regelungsspannungsschaltung112 hat, die eine Regelungsspannung, Vreg, dem Verstärker110 zur Verfügung stellt, die so gewählt wird, dass sie die Funktion der Stromsenke sicherstellt. In einem veranschaulichenden Beispiel ist die Regelungsspannung, Vreg, in der Größenordnung von 650 mV. - Der Ausgang des nicht-linearen Verstärkers
110 ist mit einem Kondensator124 verbunden (manchmal als ein Kompensationskondensator bezeichnet). Der Kondensator124 kann aus einem Ausgangskondensator des Verstärkers110 parallel geschaltet mit einem Eingangskondensator eines Knoten32b (siehe2A ) des DC-DC-Wandlers32 bestehen. Allerdings kann in anderen Anordnungen der Kondensator124 auch andere Kondensatoren aufweisen. Der Kondensator124 kann einen Wert haben, der gewählt wird, um eine Rückkopplungssteuerschleife zu stabilisieren. In einem Beispiel hat der Kondensator124 eine Kapazität in der Größenordnung von 10 Nanofarad (nF). In anderen Beispielen kann ein Widerstand (nicht gezeigt) in Reihe mit dem Kondensator124 geschaltet hinzugefügt werden, um eine schnellere Rückkopplungsantwort zu ermöglichen. - Der nicht-lineare Verstärker
110 hat einen variablen nicht-linearen Verstärkungsfaktor, so dass sein Ausgangsstrom sich auf eine nicht-lineare Weise in Reaktion auf eine Differenz oder Fehlerspannung zwischen seinen Eingängen ändert. In manchen Anordnungen ist der Verstärker110 ein Transkonduktanz-Verstärker, der einen Spannungs-Strom-Ausgang zur Verfügung stellt. In diesen Anordnungen lädt oder entlädt die Ausgangsstufe des Verstärkers den Kondensator124 gemäß den Eingangssignalpegeln und der Transferfunktion des Verstärkers110 , um dadurch das Steuersignal58 entsprechend anzupassen. - In einem Beispiel bringt der nicht-lineare Verstärker
110 eine exponentielle Funktion zur Anwendung, so dass ein Ausgangsstrom des Verstärkers mit Verringerungen und Erhöhungen in der Differenzspannung zwischen seinen Eingängen sich exponentiell erhöht bzw. verringert. Ein veranschaulichendes Beispiel einer nicht-linearen Übertragungsfunktion wird in2B gezeigt. - Wenn im Betrieb die Spannung an dem Stromregler-Knoten
108a unter die Regelungsspannung Vreg sinkt, erhöht sich der Verstärkerausgang in einer mehr als linearen Weise, so dass er im Wesentlichen solche Eingangsspannungsdifferenzen „überverstärkt” und so den DC-DC-Wandler dazu veranlasst, schneller als anders möglich zu reagieren. Auf diese Weise stellt die nicht-lineare Übertragungsfunktion des Verstärkers110 eine schnellere Antwort auf große Sprungantworten (z. B. eine Erhöhung in der Versorgungsspannung, Vin, die dem DC-DC-Wandler32 zur Verfügung gestellt wird, oder eine erhebliche Lasterhöhung) als ein linearer Verstärker zur Verfügung. Wenn insbesondere eine Sprungantwort zum Beispiel in der Form einer erhöhten Last ein Absinken der geregelten Ausgangsspannung, Vout, verursacht, dann wird die Spannung an der Verbindung55 sinken. In der Regel kann ein Stromregler34 bis zu einer Spannung von ungefähr 650 mV herunter regeln; darunter kann die Last40 nicht mit ausreichend Strom versorgt werden, was zu einem Dimmen oder gänzlichen Abschalten der LEDs führt. Wenn die Sprungantwort so groß ist, dass sie dazu führt, dass die Spannung an dem Stromregler unter 650 mV fällt, wie zum Beispiel auf einen Pegel von etwa 350 mV, würde der Verstärker110 nur 300 mV zwischen seinen Eingängen messen, einen Fehler, der nicht genug wäre, um die Grenze des Ausgangsstroms des Verstärkers zu erreichen. Durch die Verwendung eines nicht-linearen Verstärker110 , der schnell seine Stromgrenze erreichen kann und deshalb ein nicht-linear variierendes Steuersignal dem DC-DC-Wandler32 zur Verfügung stellt, kann der DC-DC-Wandler eine geregelte Ausgangsspannung Vout zur Verfügung stellen, die schnell genug steigen kann, um plötzlichen Spannungsabfällen Rechnung zu tragen. - Bezug nehmend auf
2C ist ein Beispiel des DC-DC-Wandlers32 (1A ) ein DC-DC-Wandler32' . Der DC-DC-Wandler32' weist einen ersten Teil114 , der innerhalb der oben beschriebenen elektronischen Schaltung20 sein kann, und einen zweiten Teil116 auf, der extern, aber mit der Schaltung20 verbunden sein kann. - Der erste Teil
114 weist eine Pulsweitenmodulationssteuerung (PWM)118 auf, die ausgelegt ist, das Steuersignal58 von der nicht-linearen Antwortschaltung36 von1A zu empfangen. Die PWM-Steuerung118 ist ausgelegt, ein PWM-Signal120 zu erzeugen. Ein Element, das Steuerstrom durchlässt, zum Beispiel ein Feldeffekttransistor122 , ist so verbunden, dass es das PWM-Signal120 an einem Gate-Knoten empfängt und ein gepulstes Stromsignal123 an einem Drain-Knoten empfängt. - Der zweite Teil
116 weist einen Eingangskondensator126 auf, der zwischen der Eingangsspannung, Vin, die an dem Knoten32c empfangen wird, und einer Masse verbunden ist. Eine Induktivität128 weist einen Eingangsknoten128a , der auch so verbunden ist, dass er die Eingangsspannung, Vin, empfängt, und einen Ausgangsknoten128b auf, der mit dem Drain-Knoten des FET122 verbunden ist. Eine Diode130 weist eine Anode, die mit dem Ausgangsknoten128 der Induktivität128 verbunden ist, und eine Kathode auf, die mit dem Ausgangsknoten32a des Wandlers verbunden ist, an dem die geregelte Ausgangsspannung, Vout, erzeugt wird. Ein Ausgangskondensator134 ist zwischen dem Ausgangsknoten32a und Masse verbunden. Der illustrierte Wandler32' funktioniert in der Weise eines konventionellen PWM-Aufwärts-Schaltregler, um den Auslastungsgrad des Schalters122 und so die geregelte Ausgangsspannung, Vout, in Reaktion auf ein steigendes Steuersignal58 zu erhöhen. Es wird vom Fachmann verstanden werden, dass der PWM-Oszillator118 und das Steuersignal58 eine Auslastungssteuerung von Strom- oder Spannungsknoten zur Anwendung bringen können. - Bezug nehmend auf
3A ist ein anderes Beispiel der Stromregler-Schaltung34 (1A ) eine Stromregler-Schaltung34'' und ein anderes Beispiel der nichtlinearen Antwortschaltung36 (1A ) ist eine nicht-lineare Antwortschaltung36'' . Die Stromregler-Schaltung34'' , hier wiederum in der Form einer Stromsenke, weist eine Stromsenke214 auf, die einen Knoten214b verbunden mit Masse und einen anderen Knoten214a verbunden mit der Last durch die Verbindung56 und mit der nichtlinearen Schaltung36 durch die Verbindung55 hat. Die nicht-lineare Antwortschaltung36'' weist einen linearen Verstärker210 (manchmal ein „Boost-Fehlerverstärker” genannt) auf, der einen Eingang verbunden mit der Stromregler-Schaltung34' durch die Verbindung55 und einen zweiten Eingang verbunden mit einer Regelungsspannungsschaltung212 (ähnlich der Regelungsspannungsschaltung112 von2A ) aufweist, die eine Regelungsspannung, Vreg, zur Verfügung stellt, die so gewählt ist, dass sie die Funktion der Stromsenke sicher stellt. Der Ausgang des nicht-linearen Verstärkers210 ist mit dem DC-DC-Wandler32 über die Verbindung58 verbunden und ist mit einem Kondensator224 (ähnlich Kondensator124 in2A ) verbunden. Der Kondensator224 kann einen Schleifenfilter zur Verfügung stellen und kann einen Wert haben, der gewählt ist, um eine Rückkopplungssteuerschleife zu stabilisieren. In einem Beispiel ist der Kondensator224 in der Größenordnung von 10 nF. In anderen Beispielen kann ein Widerstand (nicht gezeigt) in Reihe geschaltet mit dem Kondensator224 hinzugefügt werden, um eine schnellere Rückkopplungsantwort zu ermöglichen. - Die nicht-lineare Antwortschaltung
36'' weist auch eine Stromerfassungsschaltung220 auf, die mit dem Kondensator224 und dem DC-DC-Wandler32 durch die Verbindung58 verbunden ist. Die Stromerfassungsschaltung220 ist direkt oder indirekt mit einem Knoten214c der Stromsenke214 durch eine Verbindung254 verbunden. Die Stromerfassungsschaltung220 bestimmt, ob der Strom durch die Stromsenke214 auf einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel abfällt (z. B. anfängt abzufallen). - In einem speziellen Beispiel bestimmt die Stromerfassungsschaltung, ob der Strom abfällt, indem sie feststellt, ob die Stromsenke gesättigt ist. Wenn die Stromerfassungsschaltung
220 feststellt, dass der Strom auf einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel abfällt, was eine Sättigung der Stromsenke oder einen anderen Strompegelzustand anzeigen kann, wird die Stromerfassungsschaltung220 zusätzlichen Strom zum Beispiel dem Kompensationskondensator224 bereitstellen, wobei sie ihre Spannung und den Steuersignal-Pegel58 gleichzeitig erhöht. - Bezug nehmend auf
3B ist ein anderes Beispiel der nicht-linearen Antwortschaltung36 (1A ) die nicht-lineare Antwortschaltung36''' . Die nicht-lineare Antwortschaltung36''' ist ähnlich der nicht-linearen Antwortschaltung36'' (3A ) mit Ausnahme davon, dass eine Stromerfassungsschaltung220' (ähnlich der Stromerfassungsschaltung220 ) mit dem linearen Verstärker210 verbunden ist, anstatt dass sie mit dem Verstärkerausgang verbunden ist, wie es in der Ausführungsform von3A gemacht ist. Wenn in dieser Anordnung die Stromerfassungsschaltung220' feststellt, dass der Strom durch die Stromsenke214 auf einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel gefallen ist, was eine Sättigung (oder gewisse andere Strompegelzustände) anzeigen kann, wird die Stromerfassungsschaltung220' den linearen Verstärker210 veranlassen, zusätzlichen Strom dem Verstärkerausgang zur Verfügung zu stellen, wobei dieser Strom die Spannung an dem Kompensationskondensator224 und den Pegel des Steuersignals58 entsprechend erhöht. Zum Beispiel veranlasst die Stromerfassungsschaltung220' eine Ausgangsstufe des linearen Verstärkers210 , mehr Strom an dem Ausgang des linearen Verstärkers210 einzuleiten. - Bezug nehmend auf
4 ist ein Beispiel der Stromsenke214 (3A ) eine Stromsenke214' . Die Stromsenke214' weist einen FET360 auf, der einen ersten Anschluss (z. B. einen Drain des FET360 ) verbunden mit der Last40 durch die Verbindung56 und mit der nicht-linearen Antwortschaltung36'' (3A ) durch die Verbindung55 und einen zweiten Anschluss (z. B. ein Source des FET360 ) verbunden mit Masse durch einen Widerstand362 mit einem Wert Rx hat. Das Gate des FET260 ist mit einem Ausgang eines Verstärkers364 durch eine Verbindung382 verbunden. Ein Eingang des Verstärkers364 ist mit dem zweiten Anschluss (z. B. der Quelle) des FET360 verbunden. Ein anderer Eingang des Verstärkers364 ist mit einer Stromquelle392 verbunden, die mit Masse über einen Widerstand394 verbunden ist. Stromquelle392 ist mit einer Versorgungsspannung, Vcc, verbunden. - Die Stromsenke
214' ist ausgelegt, einen erwünschten Strom durch die jeweilige LED-Kette zu ziehen, um eine erwünschte Betriebsweise für die LEDs (d. h. eine erwünschte Lichtstärke) zu erreichen. Zu diesem Zweck stellt die Stromquelle392 einen vom Benutzer bestimmten Strom gemäß den Spezifikationen speziell für die jeweilige LED-Last zur Verfügung. Der Verstärker364 ist so angeordnet, dass der FET360 leitet, um denselben Strom durch den FET360 und den Widerstand362 zu ziehen, wie von der Stromquelle392 zur Verfügung gestellt wird. In dieser Konfiguration ist die Spannung an dem Knoten396 dieselbe wie die Spannung an dem Knoten398 ; folglich ist der Strom durch den Widerstand394 derselbe wie der Strom durch Widerstand362 , wenn beide Widerstände denselben Wert haben. In andern Beispielen können die Widerstände skaliert werden, so dass der Ausgangswiderstand362 kleiner als der Widerstand394 ist und mehr Strom zieht. In einem speziellen Beispiel wird ein Skalierungsfaktor von 1000 verwendet, wobei 1 μA auf der Referenzseite 1 mA an Strom durch die LEDs produziert. - In einem Beispiel hat die Stromquelle
392 einen Strom gleich Iuser, der ein Strom ist, welcher von einem Benutzer eingestellt wird. Spannung an dem Knoten392 kann anderen parallelen Stromregler-Schaltungen (z. B. wie in1C gezeigt) bereitgestellt werden, ohne die Notwendigkeit eines getrennten Stromreglers und Widerstands (392 und394 ) in jeder Stromregler-Schaltung. - Bezug nehmend auf
5 kann in einem Beispiel die Stromerfassungsschaltung220 oder220' (3A und3B ) Stromsättigung durch Messen der Spannung an einem Gate des FET360 in der Stromsenke214' feststellen. Insbesondere weist eine Stromerfassungsschaltung220'' einen Komparator282 auf, der einen ersten Eingang verbunden mit dem Gate des FET360 durch die Verbindung254 und einen zweiten Eingang verbunden mit einer Spannung gleich einer Sättigungsspannung, Vsat, hat, die nahe einer Sättigungsspannung des Verstärkers364 (4 ) sein kann. - Bezug nehmend auf
6A und6B , in denen gleiche Elemente gleiche Referenznummern haben, weist eine alternative elektronische Schaltung22 eine adaptive Antwortschaltung406 auf. Die adaptive Antwortschaltung406 weist einen Verstärker410 auf, der einen Eingang verbunden mit der Stromregler-Schaltung34 durch die Verbindung55 und einen zweiten Eingang verbunden mit einer adaptiven Regelungsspannungsschaltung412 hat. Die adaptive Regelungsspannungsschaltung412 ist ausgelegt, dem Verstärker410 eine Regelungsspannung, Vreg, über eine Verbindung420 zur Verfügung zu stellen. - In der Regel ist wie zum Beispiel in
3A gezeigt eine Regelungsspannung eine feste Spannung, die gewählt wird, so dass sie im ungünstigsten Fall hinsichtlich Temperatur, Verarbeitungseinschränkungen und anderen elektrischen Einschränkungen garantiert, dass die Stromregler-Schaltung34 (1A ) mit ausreichend Spannung für korrekten Betrieb versorgt wird. Folglich ist diese Regelungsspannung tendenziell viel höher als unter normalen Betriebsbedingungen notwendig, was zu einem unnötig hohen Energieverbrauch führt. Im Gegensatz dazu stellt die adaptive Regelungsspannungsschaltung412 eine Regelungsspannung420 zur Verfügung, die auf Grundlage von tatsächlichen Betriebsbedingungen bestimmt wird, was dadurch zu einer Regelungsspannung, Vreg, führt, die niedriger ist als notwendig, um den ungünstigsten Fällen Rechnung zu tragen, aber hoch genug, um einen korrekten Betrieb des Stromreglers34 sicher zu stellen. Insbesondere weist die adaptive Regelungsspannungsschaltung412 Schaltkreise auf, die die Stromregler-Schaltung34 „nachbilden” oder kopieren und ausgelegt sind, einen Ausfallspannungspegel der Stromregler-Schaltung zu bestimmen, d. h. eine Spannung, bei der der Stromregler34 aufhört, ordnungsgemäß zu funktionieren. Die adaptive Regelungsspannungsschaltung412 stellt die Regelungsspannung420 bei einem Pegel oberhalb des Ausfallspannungspegels zur Verfügung. Zum Beispiel können die Schaltkreise in der adaptiven Regelungsspannungsschaltung412 eine herunterskalierte Version der Stromregler-Schaltung34 sein, aber mit vergleichbaren physikalischen und elektrischen Eigenschaften. Wenn folglich Bedingungen (z. B. Temperatur) herrschen, die die Stromregler-Schaltung34 beeinflussen und insbesondere ihre Ausfallspannung, wird die adaptive Regelungsschaltung412 entsprechend die Regelungsspannung420 anpassen, weil sie in der im Wesentlichen gleichen Weise beeinflusst wird. - Bezug nehmend auf
7A ist ein Beispiel der adaptiven Regelungsspannungsschaltung412 (6B ) eine adaptive Regelungsspannungsschaltung412' . Die adaptive Regelungsspannungsschaltung412' weist eine Stromquelle424 auf, die an einem Ende mit einer Spannungsversorgung, Vcc, verbunden ist, und an einem anderen Ende mit einem Widerstand426 verbunden ist, der wiederum mit einer Spannungsquelle428 verbunden ist. Die Stromquelle424 ist ein Stromspiegelbild der Stromquelle392 (4 ) der Stromsenkenschaltung214' . Der Widerstand426 ist eine skalierte Version der Widerstände394 und362 (4 ). Zum Beispiel ist der Widerstand gleich N·Rx, wobei N ≥ 1. In ähnlicher Weise ist die Stromquelle424 , obwohl sie ein Spiegelbild der Stromquelle392 ist, skaliert, so dass der Strom, der zur Verfügung gestellt wird, gleich (1/N)·Iuser ist. - Die Spannungsquelle
428 stellt einen Betrag an Ansteuerungsreserve dar, die notwendig ist, um einen korrekten Betrieb der Stromsenke214' (4 ) zu ermöglichen. In dieser Konfiguration wird die Regelungsspannung420 (siehe auch6B ) zwischen der Stromquelle424 und dem Widerstand426 zur Verfügung gestellt. - Wenn in einem Beispiel ein ungünstigster Fall eine Regelungsspannung von 650 mV annimmt, kann die Spannungsquelle
428 , die von der adaptiven Regelungsspannungsschaltung412' zur Verfügung gestellt wird, auf zum Beispiel 350 mV bei Raumtemperatur reduziert werden. Es wird erkannt werden, dass die Spannung, die von der Spannungsquelle428 zur Verfügung gestellt wird, in Bezug steht zu einer Spannungsreserve, die von der Stromquelle214' benötigt wird (4 ). Wenn sich Spannungen innerhalb der Schaltung412' zum Beispiel infolge der Temperatur ändern, wird die Regelungsspannung428 sich in der im Wesentlichen selben Weise ändern. Ein reduzierter Energieverbrauch durch die Schaltung412' ist die Folge. - Bezug nehmend auf
7B ist ein anderes Beispiel der adaptiven Regelungsspannungsschaltung412 (6B ) eine adaptive Regelungsspannungsschaltung412'' . Die adaptive Regelungsspannungsschaltung412'' weist eine Stromquelle432 auf, die an einem Ende mit einer Spannungsversorgung Vcc verbunden ist und an dem anderen Ende mit einem ersten Anschluss (z. B. einem Drain) eines FET434 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss (z. B. ein Source) des FET434 ist mit einem Widerstand436 verbunden und ein Gate des FET434 ist mit der Spannungsversorgung Vcc verbunden. Der Widerstand436 ist mit einer Spannungsquelle438 verbunden. Die Stromquelle432 ist ein Stromspiegelbild der Stromquelle392 (4 ) der Stromregler-Schaltung214' . Der Widerstand436 ist eine skalierte Version der Widerstände394 und362 (4 ). Der Widerstand436 ist eine skalierte Version der Widerstände394 und362 . Zum Beispiel ist der Widerstand gleich N·Rx. In ähnlicher Weise ist die Stromquelle432 , obwohl sie ein Spiegelbild der Stromquelle392 ist, skaliert, so dass der Strom, der zur Verfügung gestellt wird, gleich (1/N)·Iuser ist. - Die Spannungsquelle
438 stellt einen Betrag einer Ansteuerungsreserve dar, die benötigt wird, um einen korrekten Betreib der Stromsenke214' (4 ) zu ermöglichen. Der FET434 ist elektrisch derselbe wie der FET360 (4 ) und ist ganz angeschaltet. - Die Regelungsspannung
420 wird zwischen der Stromquelle432 und dem FET434 zur Verfügung gestellt. - In dieser elektrischen Konfiguration wird eine niedrigere Regelungsspannung als in Schaltung
412' für dieselbe Last40 benötigt und der Dynamikbereich der Schaltung412' wird erhöht, weil Schaltung412'' Veränderungen des FET360 (z. B. aufgrund von Temperatur) Rechnung trägt. Wenn in einem speziellen Beispiel ein ungünstigster Fall eine Regelungsspannung von 650 mV annehmen würde, kann die Spannungsquelle438 , die durch die adaptive Regelungsspannungsschaltung412'' zur Verfügung gestellt wird, auf zum Beispiel 150 mV bei Raumtemperatur reduziert werden. Es wird erkannt werden, dass die Spannung, die von der Spannungsquelle438 zur Verfügung gestellt wird, in Zusammenhang mit einer Spannungsreserve steht, die von der Stromsenke214' (4 ) benötigt wird. Da sich Spannungen innerhalb der Schaltung412'' zum Beispiel aufgrund von Temperatur verändern, wird die Regelungsspannung438 sich im Wesentlichen auf dieselbe Weise ändern. Ein reduzierter Energieverbrauch durch die Stromsenke412'' ist die Folge. - Obwohl Widerstand
394 (4 ) so gezeigt wird, dass er einen Wert Rx, denselben wie der Widerstand362 , hat, kann in anderen Ausführungsformen der Widerstand394 (und die Stromquelle392 ) verschieden skaliert sein. - Elemente von verschiedenen Ausführungsformen, die hier beschrieben worden sind, können kombiniert werden, um andere Ausführungsformen zu bilden, welche oben nicht eigens dargelegt worden sind. Andere Ausführungsformen, die nicht eigens hier beschrieben worden sind, fallen auch in den Umfang der folgenden Ansprüche.
Claims (26)
- Schaltung gekennzeichnet durch: einen Schaltregler, der ausgelegt ist, Energie einer Last zur Verfügung zu stellen; eine Stromregler-Schaltung, die mit der Last verbunden ist; und eine Antwortschaltung, die ausgelegt ist, ein Steuersignal dem Schaltregler in Reaktion auf elektrische Veränderungen der Stromregler-Schaltung zur Verfügung zu stellen, wobei sich das Steuersignal nicht linear mit Bezug auf die elektrischen Veränderungen an der Stromregler-Schaltung verändert.
- Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Antwortschaltung ausgelegt ist, eine nichtlineare Erhöhung des Steuersignals in Reaktion auf einen Spannungsabfall an der Stromregler-Schaltung zur Verfügung zu stellen.
- Schaltung nach Anspruch 2, wobei die nicht-lineare Erhöhung des Steuersignals Erhöhen einer Stromausgabe der Antwortschaltung aufweist.
- Schaltung nach Anspruch 2, wobei die nicht-lineare Erhöhung des Steuersignals eine ist, die in einer exponentiellen Beziehung zu den elektrischen Veränderungen der Stromregler-Schaltung steht.
- Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Schaltregler ein DC-DC-Wandler ist.
- Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Antwortschaltung einen Verstärker aufweist.
- Schaltung nach Anspruch 6, wobei der Verstärker eine erste Eingabe von einer Regelungsspannungsschaltung und eine zweite Eingabe von der Stromregler-Schaltung erhält.
- Schaltung nach Anspruch 6, wobei der Verstärker ein nicht-linearer Verstärker ist.
- Schaltung nach Anspruch 6, wobei der Verstärker ein linearer Verstärker ist.
- Schaltung nach Anspruch 9, ferner gekennzeichnet durch eine Stromerfassungsschaltung, die ausgelegt ist zu bestimmen, ob ein Strom an der Stromregler-Schaltung einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel erreicht.
- Schaltung nach Anspruch 10, wobei die Stromerfassungsschaltung dem linearen Verstärker ermöglicht, eine Stromausgabe des linearen Verstärkers zu erhöhen, wenn ein Strom an der Stromregler-Schaltung den vorher festgesetzten Grenzwertpegel erreicht.
- Schaltung nach Anspruch 10, wobei die Stromerfassungsschaltung zusätzlichen Strom zur Verfügung stellt, wenn Strom an der Stromregler-Schaltung einen vorher festgesetzten Grenzwertpegel erreicht.
- Schaltung nach Anspruch 9, ferner gekennzeichnet durch eine Stromerfassungsschaltung, die ausgelegt ist zu bestimmen, ob eine Spannung an der Stromregler-Schaltung gesättigt ist.
- Schaltung nach Anspruch 13, wobei die Stromerfassungsschaltung den linearen Verstärker veranlasst, eine Stromausgabe des linearen Verstärkers zu erhöhen, wenn die Spannung an der Stromregler-Schaltung gesättigt ist.
- Schaltung nach Anspruch 13, wobei die Stromerfassungsschaltung dem Schaltregler zusätzlichen Strom zur Verfügung stellt, wenn die Spannung an der Stromregler-Schaltung gesättigt ist.
- Schaltung nach Anspruch 2, wobei der Spannungsabfall an der Stromregler-Schaltung einer Spannung an der Stromregler-Schaltung entspricht, die unter einen vorher festgesetzten Grenzwert fällt.
- Schaltung nach Anspruch 16, wobei der vorher festgesetzte Grenzwert in Zusammenhang mit einer minimalen Betriebsspannung steht, die mit der Stromregler-Schaltung verbunden ist.
- Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Last eine oder mehrere lichtemittierenden Dioden (LEDs) aufweist.
- Schaltung, gekennzeichnet durch: einen Schaltregler, der ausgelegt ist, einer Last Energie zur Verfügung zu stellen; eine Stromregler-Schaltung, die mit der Last verbunden ist; und eine adaptive Antwortschaltung, die gekennzeichnet ist durch: einen Verstärker, der ausgelegt ist, ein Steuersignal dem Schaltregler in Reaktion auf elektrische Veränderungen an dem Stromregler zur Verfügung zu stellen, und der einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist, der mit der Stromregler-Schaltung verbunden ist; und eine adaptive Regelungsspannungsschaltung, die ausgelegt ist, eine Regelungsspannung dem ersten Eingang des Verstärkers zur Verfügung zu stellen, um die Betriebsfähigkeit der Stromregler-Schaltung aufrecht zu erhalten, wobei die adaptive Regelungsspannungsschaltung elektrische Eigenschaften der Stromregler-Schaltung nachbildet.
- Schaltung nach Anspruch 19, wobei die adaptive Regelungsschaltung eine erste Stromquelle aufweist, die eine zweite Stromquelle in der Stromregler-Schaltung widerspiegelt.
- Schaltung nach Anspruch 20, wobei die erste Stromquelle in der adaptiven Regelungsschaltung einen Strom zur Verfügung stellt, der 1/N mal ein Strom ist, der von der zweiten Stromquelle in der Stromregelungsschaltung zur Verfügung gestellt wird, wobei N ≥ 1.
- Schaltung nach Anspruch 21, wobei die adaptive Regelungsschaltung ferner gekennzeichnet ist durch: eine Spannungsquelle, die mit Masse verbunden ist; und einen ersten Widerstand, der zwischen die Spannungsquelle und die erste Stromquelle geschaltet ist, wobei die Stromregler-Schaltung einen zweiten Widerstand aufweist, der mit der zweiten Stromquelle verbunden ist, wobei der Widerstand des ersten Widerstands N-mal der Widerstand des zweiten Widerstands ist.
- Schaltung nach Anspruch 22, wobei die erste Stromquelle mit dem ersten Widerstand verbunden ist und die Regelungsspannung an einem Knoten zwischen dem ersten Widerstand und der ersten Stromquelle zur Verfügung gestellt wird.
- Schaltung nach Anspruch 22, wobei die adaptive Regelungsschaltung ferner einen ersten Feldeffekttransistor (FET) aufweist, wobei eines von einem Drain und einem Source mit dem ersten Widerstand verbunden ist und das andere von dem Drain und dem Source mit der ersten Stromquelle verbunden ist, wobei die Regelungsspannung an einem Knoten zwischen dem ersten FET und der zweiten Stromquelle zur Verfügung gestellt wird.
- Schaltung nach Anspruch 23, wobei die Stromregelungsschaltung ferner einen zweiten FET aufweist, und wobei der erste FET und der zweite FET dieselben elektrischen Eigenschaften haben.
- Schaltung nach Anspruch 24, wobei der erste FET vollständig angeschaltet ist.
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