DE112011106065B4 - Plattformenenergiemanagement für eine gebäudeweite Steuerung von Leistungsfaktor und Oberwellen - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung, umfassend:einen Zeitsteuerungssignalblock zum Messen der Größe eines Wechselstromspannungssignals, das einem Prozessor (114) bereitgestellt wird, und zum Assertieren eines Zeitsteuerungssignals, wenn die Größe des Wechselstromspannungssignals ungefähr gleich null Volt ist; undeinen Drosselungssteuerblock (510), der konfiguriert ist, mit dem Prozessor (114) gekoppelt zu werden und das Zeitsteuerungssignal zu empfangen und ein Drosselungssignal an den Prozessor zu assertieren, das bewirkt, dass die Prozessortaktrate reduziert wird, sodass der Prozessorleistungsverbrauch in Phase mit dem Wechselstromspannungssignal reduziert wird und die harmonische Verzerrung einer an den Prozessor bereitgestellten Stromwellenform reduziert wird.
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Schaltnetzteile (SMPSs), wie diejenigen, die in Computersystemen verwendet werden, empfangen ein Wechselstrom- (AC) -Spannungssignal, das bei einer Grundfrequenz eine Sinuswellenform aufweist. Generell liefern SMPSs aus Gründen, die nachfolgend vollständiger beschrieben werden, ein AC-Laststromsignal, das keine Sinuswellenform aufweist. Diese nicht sinusförmigen Wellenformen schließen Oberwellen bei Vielfachen der Grundfrequenz ein und bewirken, dass eine harmonische Verzerrung auftritt. Eine Oberwelle bei der zweifachen Grundfrequenz wird eine zweite Oberwelle genannt und eine Oberwelle bei der dreifachen Grundfrequenz wird eine dritte Oberwelle genannt.
- Wenn die Stromwellenform nicht sinusförmig ist, ist der Leistungsfaktor einer Stromversorgung kleiner als 100 %. Ein typisches SMPD weist einen Leistungsfaktor von ungefähr 60 % und deshalb eine beträchtliche ungeradzahlige harmonische Verzerrung auf (manchmal in der Größenordnung der dritten Oberwelle so groß wie die Größenordnung der Grundfrequenz).
- Das Vorhandensein der dritten harmonischen Verzerrung bewirkt einen Anstieg in der Betriebstemperatur der Erzeugungseinrichtung, was die Lebensdauer der Ausrüstung einschließlich rotierender Maschinen, Kabeln, Wandlern, Kondensatoren, Sicherungen, Schaltkontakten und Überspannungsschutzeinrichtungen reduziert. Die dritte harmonische Verzerrung bewirkt ebenfalls zusätzliche Verluste und dielektrische Beanspruchungen in Kondensatoren und Kabeln, was die Ströme in Wicklungen von rotierenden Maschinen und Transformatoren und Geräuschemissionen in vielen Produkten erhöht und einen Frühausfall von Sicherungen und anderen sicherheitstechnisch wichtigen Anlagenteilen hervorruft.
- Leistungsfaktorkorrekturgeräte können mit aktiven oder passiven Bauelementen ausgestattet werden. Normalerweise verwenden diese Geräte einen Bulk-Kondensator, um Strom zu liefern, wenn der Wert einer Sinusspannungswellenform niedrig ist, um einen nahezu konstanten Leistungspegel bei einem festen Gleichstrom- (DC) -Spannungspegel bereitzustellen.
- Figurenliste
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1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Stromlieferungssystems. -
2 ist ein Blockdiagramm eines Schaltnetzteils. - Die
3A -3C sind grafische Darstellungen, die beispielhafte Spannungs- und Stromwellenformen zeigen. -
4 ist eine grafische Darstellung, die die CPU-Taktrate bei einer CPU-Standarddrosselungsumgebung darstellt. -
5A ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform. -
5B ist eine grafische Darstellung, die den Betrieb einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. -
6 ist eine grafische Darstellung, die eine beispielhafte CPU-Taktrate und Gebäudebauspannung darstellt, die sich aus der Verwendung einer beispielhaften Ausführungsform ergibt. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein typisches Stromlieferungssystem, d. h., ein Stromverteilungsnetz, das die Stromverteilung vom Energieunternehmen zur CPU in einem Computer darstellt. Obwohl ein Server in1 gezeigt ist, ist die Beschreibung dazu beabsichtigt, eine Veranschaulichung und keine Begrenzung zu sein. Die gleichen Konzepte finden gleichermaßen auf andere Arten von Computern wie Workstations oder Desktop-Computer Anwendung. - Das Energieversorgungsunternehmen
100 liefert Strom an viele Gebäude. Der Strom kann in einzelnen oder mehreren Phasen, als 120 Volt oder 240 Volt oder als andere Spannungs- und Phasenkombinationen geliefert werden, die sich abhängig von der Region ändern können. Ein Gebäude102 verteilt Strom an ein oder mehrere Rechenzentren104 . Ein Rechenzentrum 104 ist ein Raum mit Computerausstattung, die gewöhnlich aus mehreren Server-Racks106 besteht. Ein Server-Rack106 ist ein Gehäuse mit mehreren damit verbundenen Servern108 . Ein Server108 ist eine Computerklasse, die gewöhnlich optimiert ist, um mit großen Mengen von Daten umzugehen. Innerhalb des Servers befindet sich ein Schaltnetzteil110 , das den 120-Volt- oder 240-Volt-Wechselstromeingang in einen Gleichstrom (DC) mit niedrigerer Spannung wie 12 Volt umwandelt. Die 12-V-Spannung wird weiter durch einen Spannungsregler112 auf die Spannung, die die CPU114 benötigt, vielleicht 1 Volt, geregelt. -
2 stellt ein SMPS200 dar, das die eingehende 120-V-Wechselspannung 202 in eine 12-V-Gleichspannung 204 umwandelt. Zur Übersichtlichkeit ist nur 12 V DC gezeigt, jedoch stellen tatsächliche SMPSs mehrere unterschiedliche Spannungen an den Computer bereit. Die Darstellung einer vereinfachten Stromversorgung, die nur einen 12-Volt-Ausgang aufweist, ist als Veranschaulichung und nicht als Begrenzung beabsichtigt. -
3A zeigt die Beziehung zwischen der Spannungswellenform300 und der Stromwellenform302 für eine rein ohmsche Last. In diesem Fall weisen die Spannung und der Strom Sinuswellenformen auf, die in Phase sind, und die Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom, d. h., P = VI und ist ein Maximum, da während das Spannungssignal zunimmt und abnimmt, auch das Stromsignal in direkter Proportion zu- und abnimmt. Deshalb ist der Leistungsfaktor für eine rein ohmsche Last der der maximale Leistungsfaktor von 100 %. - In
3B verbraucht der Widerstand den meisten Strom während der Zeit, zu der die Spannung sich zu den Zeiten T1 304 und T3 308 in der Nähe ihrer Spitze befindet, da das Produkt der Spannungs- und Stromgrößen sich zu dieser Zeit bei einem Maximum befindet, und der Widerstand verbraucht den geringsten Strom während der Zeit, zu der die Spannung und der Strom zur Zeit T2 306 die horizontale Achse kreuzen, da zu dieser Zeit sowohl die Spannung als auch der Strom null sind. - Im Gegensatz zu einer reinen durch eine Wechselstromquelle gespeiste ohmsche Last weist ein Computer eine nahezu konstante Nachfrage nach Strom auf. Das Produkt der Strom- und Spannungsgrößen muss konstant sein, um eine konstante Leistung ausgeben zu können.
3B stellt die Stromwellenform dar, die erzeugt wird, wenn die Spannungsform sinusförmig ist. Um eine konstante Leistung bereitzustellen, zur Zeit T1, wenn die Wechselspannung sich bei einem Maximum befindet, ist der Betrag an benötigtem Strom niedriger als wenn die Wechselspannung zur Zeit T2 sehr nahe bei null ist. - Die verzerrte Stromwellenform, die in
3C dargestellt ist, wird durch die Notwendigkeit verursacht, mehr Strom zu liefern, wenn der Wechselspannungspegel niedrig ist, um eine konstante Leistung aufrechtzuerhalten, und resultiert in einem verzerrten Stromsignal, das keine Sinuswellenform aufweist und einen hohen Gehalt an dritten Oberwellen der Grundwellenform einschließt. - Konventionelle SMPSs schließen einen Bulk-Kondensator ein, der den erforderlichen übverschüssigen Strom bereitstellt, wenn der Wechselspannungspegel niedrig ist.
-
4 zeigt, wie das Drosseln in einem typischen Computer funktioniert, der ein konventionelles Drosselungssystem verwendet. Die CPU verändert die Taktrate neben anderen Faktoren abhängig davon, ob ihre Betriebstemperatur hoch ist. Die CPU-Taktrate400 variiert zwischen einem Wert über einer Nenngeschwindigkeit402 , wenn ihre Betriebstemperatur niedrig ist oder unter der Nenngeschwindigkeit402 , wenn ihre Betriebstemperatur hoch ist. Wenn von der CPU festgestellt wird, dass sie „heiß“ ist, wird die Taktrate gesenkt, bis festgestellt wird, dass sie kühl ist. Wenn die CPU kühl ist, wird zugelassen, dass sie vorübergehend über der Nenntaktrate läuft. - CPUs, die vom Anmelder der vorliegenden Anmeldung hergestellt werden, können durch Assertieren eines CPU_HOT-Signals gedrosselt werden, was eine CPU-Drosselung erzwingt. Andere CPUs können auf ein thermisches Warnsignal ansprechen, das eine Drosselung anfordert.
- Eine beispielhafte Ausführungsform wird in
5A gezeigt.5A schließt in der1 dargestellte Blöcke ein, wobei zusätzliche Blöcke eingefügt sind, um Funktionalität zu implementieren, um die dritte harmonische Verzerrung zu reduzieren. - In
5A ist ein Leistungsfaktormessungsblock502 in das Stromlieferungssystem von1 eingefügt und misst den aktuellen Leistungsfaktor, wenn Strom an die CPU bereitgestellt wird. Wie auf dem Fachgebiet wohl bekannt, besteht eine Art der Messung des Leistungsfaktors daraus, den Cosinus des Phasenverschiebungswinkels zwischen den Spannungs- und Stromwellenformen zu messen. Der Leistungsfaktor ist auch reduziert, wenn der Strom eine Wellenform aufweist, die gegnüber einer reinen Sinuswellenform verzerrt ist. Der Ausgang des Leistungsfaktormessungsblocks502 ist ein Leistungsfaktormessungssignal, das mit einem ersten Eingang eines ersten Vergleichers504 gekoppelt ist. Der Ausgang eines Referenzleistungsfaktorblocks503 ist ein Leistungsfaktorreferenzsignal, das mit dem zweiten Eingang des ersten Vergleichers504 gekoppelt ist. - Der Ausgang des ersten Vergleichers
504 ist ein Referenzspannungssignal, das mit einem ersten Eingang eines zweiten Vergleichers506 gekoppelt ist. Ein Spannungsmessungsblock508 ist in das Stromlieferungssystem von1 eingefügt und misst die Amplitude des Wechselspannungssignals. Der Ausgang des Spannungsmessungsblocks ist ein Wechselspannungsgrößenordnungssignal, das mit dem zweiten Eingang des zweiten Vergleichers506 gekoppelt ist. - Der Ausgang des zweiten Vergleichers
506 ist ein Zeitsteuerungssignal, das mit dem Eingang eines Drosselungssteuerblocks510 gekoppelt ist, und der Ausgang des Drosselungssteuerblocks ist ein Drosselsignal, das mit dem CPU_HOT-Eingang der CPU114 gekoppelt ist. - Der Betrieb des Systems, das in
5A dargestellt ist, wird jetzt unter Bezugnahme auf5B beschrieben. Wenn der gemessene Leistungsfaktor vom Referenzleistungsfaktor abweicht, gibt der erste Vergleicher504 das Referenzspannungssignal aus, das eine Größe aufweist, die durch die Differenz der Größe des Referenzleistungsfaktors und des gemessenen Leistungsfaktors bestimmt wird. Die Größe des Referenzspannungssignals ist als der vertikale Pfeil512 in5B dargestellt. - Das Referenzspannungssignal wird mit der Größenordnung der Wechselspannung im zweiten Vergleicher
506 verglichen. Wenn die Größe der Wechselspannung gleich dem Referenzspannungspegel ist, assertiert der zweite Vergleicher506 das Zeitsteuerungssignal, das am Eingang des Drosselungssteuerblocks510 empfangen wird. Die Zeit der Assertiierung des Zeitsteuerungssignals ist durch den horizontalen Pfeil514 in5B dargestellt. - Bei diesem Beispiel assertiert der Drosselungssteuerblock
510 das Drosselsignal, wenn die Größe des Wechselspannungssignals gleich der Größe des Referenzspannungssignals ist. Deshalb bestimmt, wie dargestellt in5B , die Größe des Referenzspannungssignals einen Sollwert, wenn das Zeitsteuerungssignal assertiert wird. Wenn das Referenzspannungssignal niedrig ist, liegt der Sollwert näher am Nulldurchgangspunkt des Wechselspannungssignals und wenn die Referenzspannung hoch ist, liegt der Sollwert näher an der Spitze des Wechselspannungssignals. - Bei einer beispielhaften Ausführungsform könnte das Drosseln der CPU zu einer Startzeit (TS) initiiert werden, die auftritt, wenn die Größe des Wechselspannungssignals weniger wird als der Referenzspannungspegel, und es könnte zu einer Endzeit (TF) enden, die eine festgesetzte Zeitdauer später auftritt.
- Während der Referenzleistungsfaktorpegel geändert wird, würde die Drosseldauer (TF - TS) dementsprechend früher oder später auftreten, sodass die Drosseldauer den tatsächlichen Leistungsfaktor beeinflussen würde.
- In der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform werden Analogvergleicher beispielhaft und nicht begrenzend beschrieben. Ein Fachmann dem die gegenwärtige Offenbarung bekannt gemacht wird, wird erkennen, dass alle Signale digital gesampelt werden können und die Assertierungszeit des Zeitsteuerungssignals unter Verwendung von Digitalverarbeitungstechniken berechnet werden kann.
-
6 ist eine grafische Darstellung, die zeigt wie das Drosseln funktioniert, wenn das in5A dargestellte System in Betrieb ist. Die Reduzierung der CPU-Taktrate, die den Energieverbrauch der CPU anzeigt, wird mit der Wechselspannungswellenform602 verglichen. Wie oben beschrieben, werden die Drosselsignale604 assertiert, wenn der Wechselspannungspegel gleich dem Referenzspannungspegel ist. Als Resultat wird der CPU-Leistungsverbrauch606 reduziert, wenn die Wechselspannungspegel sich in der Nähe der Nulldurchgangspunkte der Wechselspannungswellenform befinden, sodass kein zusätzlicher Strom an diesen Punkten bereitgestellt werden muss, was dadurch in einer weniger verzerrten Stromwellenform und einer niedrigeren dritten harmonischen Verzerrung resultiert. - Deshalb reduziert im Gegensatz zu konventionellen Leistungsfaktorkorrekturtechniken, die Bulk-Kondensatoren verwenden, welche innerhalb des SMPS enthalten sind, um Strom an eine konstante Last in der Nähe der Wechselspannungsnulldurchgangspunkte bereitzustellen, das oben beschriebene System den Energieverbrauch der Last in Phase mit den Wechselspannungsnulldurchgangspunkten.
- Das oben beschriebene CPU-Drosselungssystem erhöht den Wirkungsgrad eines Schaltnetzteils, da der Strombedarf während der Drosseldauer reduziert ist, was ermöglicht, dass die Stromversorgung mit weniger Bulk-Kapazität gebildet wird und/oder weniger Spitzenstromvermögen erfordert.
- Ein anderer Vorteil des Reduzierens des Strombedarfs in der Nähe des Nulldurchgangspunkts der Wechselspannung ist die Reduzierung der harmonischen Verzerrung. Die oben beschriebenen Merkmale ermöglichen einem Entwickler, Bulk-Kapazität gegen Verzerrung einzutauschen um Oberwellen zu reduzieren, um Verzerrung zu reduzieren oder um Oberwellen und Verzerrung zu reduzieren.
- Das Zeitsteuerungssignal
604 wird als Veranschaulichung gezeigt und könnte als ein Impuls von längerer Dauer dargestellt werden, oder andere Verfahren könnten verwendet werden, um das Drosseln mit dem Strom des Gebäudes zu synchronisieren. Wenn beispielsweise das Eingangswechselspannungssignal bei einer Frequenz (f) von 60 Hz oszilliert, dann beträgt die Dauer (T) des Signals 16,7 Millisekunden. Die Breite des Drosselimpulses könnte als ein ausgewählter Bruchteil von T festgelegt werden. - Das Drosseln der CPU
114 kann nur durch das Drosselsignal ausgelöst werden oder es könnte basierend auf einer Anzahl von anderen Faktoren wie eine spezifizierte Leistungshüllkurve oder die Wärme, die durch die CPU generiert und vom Gebäude überwacht wird, oder eine Kombination aus Strom, Wärme und einem Signal vom Gebäude ausgelöst werden. - Wie veranschaulicht wird die CPU-Taktrate vorübergehend reduziert, wenn die CPU einen Drosselimpuls empfängt. Die Zeitdauer der Reduzierung der CPU-Taktrate wird mit der Zeit ausgerichtet, zu der sich die eingehende Spannung des Gebäudes bei einem Minimalwert befindet. Die reduzierte CPU-Zeit entspricht der Zeit des erhöhten Strombedarfs der verzerrten Wellenform
312 . Bei dieser beispielhaften Ausführungsform reduziert das Drosselschema nicht zufällig den Stromverbrauch der CPU über Zeit wie bei konventionellen Techniken, sondern verwendet stattdessen das Wechselspannungswellenformprofil, um den Stromverbrauch zu reduzieren. - Bei unterschiedlichen Ausführungsformen werden der Leistungsfaktor und die Wechselspannungsgrößen bei unterschiedlichen Punkten entlang der Stromlieferungskette gemessen und sind nicht auf die Darstellung in
5 begrenzt.
Claims (19)
- Vorrichtung, umfassend: einen Zeitsteuerungssignalblock zum Messen der Größe eines Wechselstromspannungssignals, das einem Prozessor (114) bereitgestellt wird, und zum Assertieren eines Zeitsteuerungssignals, wenn die Größe des Wechselstromspannungssignals ungefähr gleich null Volt ist; und einen Drosselungssteuerblock (510), der konfiguriert ist, mit dem Prozessor (114) gekoppelt zu werden und das Zeitsteuerungssignal zu empfangen und ein Drosselungssignal an den Prozessor zu assertieren, das bewirkt, dass die Prozessortaktrate reduziert wird, sodass der Prozessorleistungsverbrauch in Phase mit dem Wechselstromspannungssignal reduziert wird und die harmonische Verzerrung einer an den Prozessor bereitgestellten Stromwellenform reduziert wird.
- Vorrichtung nach
Anspruch 1 , weiter umfassend: einen Spannungsreferenzblock, der konfiguriert ist, ein Referenzpegelsignal zu erzeugen, das eine Größe aufweist, die durch den tatsächlichen Leistungsfaktor der an den Prozessor (114) bereitgestellten Leistung bestimmt wird. - Vorrichtung nach
Anspruch 2 , wobei der Zeitsteuerungssignalblock weiter konfiguriert ist, das Zeitsteuerungssignal zu assertieren, wenn die Größe des Wechselstromspannungssignals ungefähr gleich der Größe des Referenzpegelsignals ist. - Vorrichtung nach
Anspruch 3 , wobei der Spannungsreferenzblock weiter umfasst: einen Leistungsfaktormessungsblock (502), der konfiguriert ist, den tatsächlichen Leistungsfaktor der Leistung zu messen, die an den Prozessor (114) bereitgestellt wird. - Vorrichtung nach
Anspruch 4 , weiter umfassend: einen Referenzleistungsfaktorblock (503), der ein Signal ausgibt, das die Größe eines Referenzleistungsfaktors anzeigt. - Vorrichtung nach
Anspruch 4 , weiter umfassend: einen Vergleicher (504), der gekoppelt ist, um das Signal vom Referenzleistungsfaktorblock (503), der das Referenzsignal ausgibt, zu empfangen. - Vorrichtung nach
Anspruch 1 , wobei: das Zeitsteuerungssignal als ein Impuls assertiert wird, der eine spezifizierte Dauer aufweist. - Vorrichtung nach
Anspruch 1 , wobei: das Referenzpegelsignal ein Referenzspannungspegelsignal ist. - Verfahren zum Reduzieren der von einem Prozessor (114) verbrauchten Leistung, umfassend: Messen der Größe eines an einen Prozessor (114) bereitgestellten Wechselstromspannungssignals; Assertieren eines Zeitsteuerungssignals, wenn die Größe des Wechselstromspannungssignals ungefähr gleich null Volt ist; und Drosseln des Prozessors (114), um die Prozessortaktrate zu reduzieren, wenn das Zeitsteuerungssignal assertiert wird, sodass der Prozessorleistungsverbrauch in Phase mit dem Wechselstromspannungssignal reduziert wird und die harmonische Verzerrung einer an den Prozessor bereitgestellten Stromwellenform reduziert wird.
- Verfahren nach
Anspruch 9 , weiter umfassend: Messen des tatsächlichen Leistungsfaktors der an den Prozessor (114) gelieferten Leistung. - Verfahren nach
Anspruch 10 , weiter umfassend: Generieren eines Referenzpegelsignals, das eine Größe aufweist, die durch den tatsächlichen Leistungsfaktor der an den Prozessor (114) gelieferten Leistung bestimmt wird. - Verfahren nach
Anspruch 11 , weiter umfassend: Assertieren des Zeitsteuerungssignals, wenn die Größe des Wechselstromspannungssignals ungefähr gleich der Größe des Referenzpegelsignals ist. - Verfahren nach
Anspruch 9 , wobei: das Referenzpegelsignal ein Referenzspannungspegelsignal ist. - System zum Reduzieren der von einem Prozessor (114) verbrauchten Leistung, umfassend: Mittel zum Messen der Größe eines an einen Prozessor (114) bereitgestellten Wechselstromspannungssignals; Mittel zum Assertieren eines Zeitsteuerungssignals, wenn die Größe des Wechselstromspannungssignals ungefähr gleich null Volt ist; und Mittel zum Drosseln des Prozessors (114), um die Prozessortaktrate zu reduzieren, wenn das Zeitsteuerungssignal assertiert wird, sodass der Prozessorleistungsverbrauch in Phase mit dem Wechselstromspannungssignal reduziert wird und die harmonische Verzerrung einer an den Prozessor bereitgestellten Stromwellenform reduziert wird.
- System nach
Anspruch 14 , weiter umfassend: Mittel zum Messen des tatsächlichen Leistungsfaktors von an den Prozessor (114) bereitgestellter Leistung. - System nach
Anspruch 15 , weiter umfassend: Mittel zum Generieren eines Referenzpegelsignals, das eine Größe aufweist, die durch den tatsächlichen Leistungsfaktor der an den Prozessor (114) bereitgestellten Leistung bestimmt wird. - System nach
Anspruch 16 , weiter umfassend: Mittel, um das Zeitsteuerungssignal zu assertieren, wenn die Größe des Wechselstromspannungssignals ungefähr gleich der Größe des Referenzpegelsignals ist. - System nach
Anspruch 14 , wobei: das Referenzpegelsignal ein Referenzspannungspegelsignal ist. - System, umfassend: einen Chipsatz; und ein Drosselungsblock, der mit dem Chipsatz gekoppelt ist, der vom Chipsatz verbrauchte Leistung in Phase mit einem an den Chipsatz bereitgestellten Wechselstromspannungssignal reduziert, wobei der Drosselungsblock konfiguriert ist, mit dem Chipsatz gekoppelt zu werden, um das Zeitsteuerungssignal zu empfangen und ein Drosselsignal an den Chipsatz zu assertieren, das bewirkt, dass die Chipsatzgeschwindigkeit reduziert wird, sodass der Chipsatzleistungsverbrauch in Phase mit dem Wechselstromspannungssignal reduziert wird und die harmonische Verzerrung einer an den Chipsatz bereitgestellten Stromwellenform reduziert wird.
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