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Technischer Bereich
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Die Offenbarung bezieht sich allgemein auf Elektronik, und insbesondere auf die Leistungsfaktorkorrektur (Power-Factor-Correction, PFC) in Schaltnetzteilen.
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Hintergrund
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1 ist eine Graphik, die Signalformen darstellt, die mit dem Betrieb eines PFC-Aufwärtswandlers (Boost-Converter) verbunden sind, der im Borderline Conduction Mode (BCM) betrieben wird. Eine beispielhafte PFC-Aufwärtswandlerschaltung ist in 2 dargestellt.
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Die Grafik zeigt Signalformen für die Ausgangsspannung Vout, die Eingangsspannung Vin und den Induktorstrom Il. Wenn ein Mikrocontroller verwendet wird, um die PFC in einem Aufwärtswandler, der im BCM betrieben wird, zu steuern, wird die Einschaltzeit (Ton) des Boost-Schalters über jeden Halbzyklus der sinusförmigen Eingangsspannung konstant gehalten. Der Spitzenwert des Induktorstroms Il für jeden Schaltzyklus ist proportional zur Eingangsspannung Vin, die während Ton nahezu konstant ist (Il Peak = Vin × Ton/L). Da der Mittelwert der dreieckförmigen Signalform von Il die Hälfte des Spitzenwerts beträgt, ist der im Mittel gezogene Strom ebenfalls proportional zur Eingangsspannung Vin. Dies hat zur Folge, dass Vout zusammengesetzt ist aus einer kontinuierlichen Spannung plus einer gleichgerichteten sinusförmigen Komponente mit der gleichen Frequenz wie die gleichgerichtete Eingangsspannung Vin. Wegen der gleichgerichteten sinusförmigen Komponente von Vout muss zur Stabilisierung der Vout-Regelschleife des Wandlers eine Messung von Vout für jeden Zyklus an der gleichen Position der Hauptversorgungsperiode durchgeführt werden. Dies kann durch eine Detektion eines Bezugspunkts der Eingangsspannungsperiode erreicht werden. Im Allgemeinen wird der Nulldurchgangspunkt von Vin als der naheliegendste Bezugspunkt der Hauptversorgungsperiode herangezogen.
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2 ist ein herkömmlicher PFC-Aufwärtswandler 200, der durch einen Mikrocontroller 204 gesteuert wird. 3 illustriert Signalformen, die mit dem Betrieb des Wandlers 200 verbunden sind. Der Wandler 200 kann Gleichrichter 202 (D1–D4), einen Mikrocontroller 204, eine Speicherdrossel 206 (L), Boost-Schalter 216 (z. B. MOSFET), Teilerschaltungen 218 (R1, R2), 220 (R3, R4), 224 (R5, R6), einen Kondensator 222 (C) und eine Diode 226 (D5) enthalten. Der Mikrocontroller 204 kann einen Vergleicher 208, ein PWM-Modul 210, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 221 und einen ADC 214 enthalten.
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In der gezeigten Konfiguration sorgt ein Vollbrückengleichrichter 202 (eine Diodenbrücke) für die Gleichrichtung der Spannung Vac, um die gleichgerichtete Eingangsspannung Vin zu liefern.
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In einem eingeschalteten Zustand ist der Schalter 216 durch das PWM-Modul 210 für die Einschaltzeitdauer Ton geschlossen, was zu einem Anstieg von Il in dem Energiespeichergerät 206 (z. B. einer Drossel) aufgrund von Vin führt. In einem ausgeschalteten Zustand wird der Schalter 216 durch das PWM-Modul 210 geöffnet und der einzige für Il zur Verfügung stehende Pfad ist durch die Diode 226, den Kondensator 222 und die Last. Dies führt zu einem Transfer von Energie, die in der Drossel 206 während der Einschaltzeit akkumuliert wurde, in den Kondensator 222. 3 illustriert die dreieckige Signalform des Stroms Il, die durch den eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand des Schalters 216 erzeugt wird, der durch das PWM-Modul 210 gesteuert wird.
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Der Strom in einer sekundären Spule, die mit der Speicherdrossel 206 gekoppelt ist, wird durch den Stromteiler 220 aufgenommen und an dem gegen hohe und reverse Spannungen geschützten Eingang IZCD des PWM-Moduls 210 eingespeist, wo er verwendet wird, um das Ende der Il-Anstiegszeit zu detektieren, um einen neuen PWM-Zyklus zu initiieren. Vout ist ein analoger Wert, der an dem Spannungsteiler 224 abgegriffen wird und als Rückkopplung (FB) an die Spannungsregelschleife des Wandlers 200 geliefert wird. Bei jedem Nulldurchgang von Vin wandelt der ADC 214 FB in einen digitalen Wert, der als Eingang an die CPU 212 geliefert wird. Die CPU 212 berechnet über einen PID-Algorithmus (proportional-integral-derivative algorithm) einen aktualisierten Vergleichswert (cmp) für das PWM-Modul 210 auf Basis von FB. Das PWM-Modul 210 aktualisiert Ton auf Basis von cmp, um Vout anzupassen.
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In manchen Implementierungen kann eine externe Spezialkomponente (z. B. ein Optokoppler extern zu dem Mikrocontroller 204) verwendet werden, um den Nulldurchgang von Vin zu detektieren. Im Wandler 200 wird Vin von dem Spannungsteiler 218 abgegriffen und als Eingabe VZCD an den Mikrocontroller 204 geliefert. Der VZCD-Eingang des Mikrocontrollers 204 ist als Eingang eines internen Komparators 208 oder als Eingangskanal des internen ADC 214 konfiguriert. 3 zeigt, dass VZCD ungefähr Null ist am Nulldurchgangspunkt von Vin, was dazu führt, dass der Ausgang des Komparators 208 einem Befehl an den ADC 214 zur Abtastung von Vout ausgibt.
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Die Verwendung des Komparator 208 oder des ADC 214 im Freilaufmodus (kontinuierliche Wandlung) im Mikrocontroller 204 zur Detektion des Hauptversorgungsnulldurchgangs ist kostspielig in der Implementierung und kann den Anwendungsbereich, den der Mikrocontroller 204 abdecken kann, begrenzen. Wenn z. B. der Mikrocontroller 204 verwendet wird, einen elektrischen Motor mit seiner Stromversorgung anzusteuern, so kann die Bandbreite des ADC 214, die zur Nulldurchgangsdetektion von Vin benötigt wird, dazu führen, dass die Motorsteuerung nicht mehr geführt werden kann oder begrenzt ist, und die Verwendung eines Komparators zur Nulldurchgangsdetektion von Vin kann dazu führen, dass die Motorsteuerung aufgrund der Verwendung zusätzlicher externer Komponenten aufgrund mangelnder interner Vergleichsmöglichkeiten kostspielig wird.
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Zusammenfassung
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Ein Fehlermodus eines PWM-Moduls, das in einem Mikrocontroller eingebettet ist, wird verwendet, um Hauptversorgungsnulldurchgänge zur Regulierung der Ausgangsspannung eines im BCM betriebenen PFC-Wandlers zu detektieren, und zwar ohne Verwendung externer Detektorelemente oder eines Komparators, ADCs oder anderer spezialisierter Komponenten innerhalb des Mikrocontrollers. In manchen Implementierungen wird ein externes Ereignis (extern bzgl. des Mikrocontrollers) verwendet, um den Timer oder Zähler des PWM erneut zu initialisieren. Wenn z. B. der Strom in einer Speicherdrossel des Wandlers sich der Null annähert, unter Verwendung der Eigenschaft, dass für eine Zeitdauer, wenn die Hauptversorgungsspannung sich der Null annähert, so tritt dieses externe Ereignis nicht auf, was dazu führt, dass der PWM-Countdown-Timer vor dem Ende des gegenwärtigen PWM-Zyklus nicht erneut initialisiert wird. Ein Versagen bei der Reinitialisierung des Timers führt dazu, dass der Timer seinen unteren Wert vor dem Ende des gegenwärtigen PWM-Zyklus erreicht. Ein Versagen beim Reinitialisieren des Timers (z. B. eines Abwärtszähl-Timers) führt dazu, dass der Timer seinen unteren Wert (Zähler = 0) vor dem Ende des gegenwärtigen PWM-Zyklus erreicht.
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Demgemäß wird das Ausbleiben der Reinitialisierung des Timers des PWM-Moduls verwendet, um indirekt Nulldurchgangspunkte der Hauptversorgungsspannung zu detektieren. Nach jeder Nulldurchgangsdetektion, wenn kein externes Ereignis zur Reinitialisierung des Timers auftritt, erreicht der Timer seinen unteren Wert und erzeugt ein eoc-Signal, das als Trigger an einen ADC in dem Mikrocontroller ausgegeben wird, um eine Ausgangsspannung des Wandlers zur Wendung bei der Regulierung der Ausgangsspannung abzutasten. In manchen Implementierungen kann die Basis eines Aufwärtszähl-Timers oder eines Abwärtszähl-Timers (als Zeitbasis eines PWM-Timers) verwendet werden, um Nulldurchgänge zu detektieren. Im vorliegenden Fall eines Aufwärtszähl-Timers kann z. B. die Detektion eines obersten Timerwerts (Zähler = Periode) verwendet werden, um den Hauptversorgungsnulldurchgangspunkt zu detektieren.
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Konkrete Implementierungen der offenbarten PWM-Architektur für einen PFC-Wandler liefern einen oder mehrere der folgenden Vorteile. Die PWM-Architektur eliminiert die Notwendigkeit externer Komponenten (z. B. Optokoppler) oder eines internen Vergleichers oder eines ADC im Freilaufmodus zur Detektion der Nulldurchgangspunkte der Hauptversorgungsspannung. Die Durchgangspunktdetektion kann verwendet werden, um ein Signal für den ADC des Mikrocontrollers zu erzeugen, das den ADC veranlasst, die Ausgangsspannung abzutasten, die als Rückkopplung für eine Ausgangsspannungsregulierungsschleife des Wandlers verwendet werden kann.
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Die Details von einer oder mehrerer der offenbarten Implementierungen werden in den begleitenden Zeichnungen und der unten stehenden Beschreibung erläutert. Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Grafik, die Signalformen illustriert, die mit dem Betrieb eines PFC-Aufwärtswandlers, der im BCM betrieben wird, verbunden sind.
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2 ist ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen PFC-Aufwärtswandlers, der einen Mikrocontroller mit einer eingebetteten PWM-Architektur zur Regulierung der Ausgangsspannung beinhaltet.
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3 illustriert Signalformen, die mit dem Betrieb des PFC-Aufwärtswandlers aus 2 verbunden sind.
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4–5 illustrieren die Ableitung eines Zeitfensters, wenn kein Strom in der in 2 gezeigten Speicherdrossel fließt.
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6 illustriert Signalformen, die mit dem Betrieb eines Aufwärtswandlers unter Verwendung einer indirekten Detektion der Nulldurchgänge der Hauptversorgungsspannung im Falle eines Abwärtszähl-Timers verbunden sind.
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7 ist ein schematisches Diagramm eines PFC-Aufwärtswandler, der einen PWM-Fehlermodus zur Detektion der Nulldurchgänge der Hauptversorgungsspannung verwendet.
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Detaillierte Beschreibung
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Nulldurchgangsdetektion unter Verwendung eines PWM-Fehlermodus
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4–5 illustrieren eine Ableitung eines Zeitfensters in einem PWM-Zyklus, wenn kein Strom in der Speicherdrossel 206, die in 2 dargestellt ist, fließt. Der Erfinder hat festgestellt, dass die Hauptversorgungsspannung Vac keinen Strom für die Drossel 206 liefern kann, wenn Vac < 2 Vth, wie in 4 dargestellt. Jede Diode in der Diodenbrücke 202 hat eine Schwellenspannung Vth, Da die Dioden (D1, D3) oder (D2, D4) in Reihe geschaltet sind, wird Vin null sein, solange Vac nicht größer ist als 2 Vth. Wie in 5 gezeigt, wird in der Nähe des Nulldurchgangs von Vac kein Strom an die Drossel 206 geliefert. Da kein Strom durch die Drossel 206 fließt, kann kein Ende der Abfallzeit des Drosselstroms detektiert werden. Diese Eigenschaft kann verwendet werden, um eine indirekte Detektion der Nulldurchgangspunkte von Vac durchzuführen.
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In einem PFC-Aufwärtswandler, der im BCM betrieben wird, kann IZCD verwendet werden, um eine Zeitbasis oder einen Zähler eines Timers im PWM-Modul
210 zum Start eines neuen PWM-Zyklus zu reinitialisieren. Im normalen Betrieb reinitialisiert ein IZCD-Trigger die Zeitbasis des Timers bevor der Timer seinem unteren Wert (im Falle eines Abwärtszähl-Timers) am Ende des gegenwärtigen PWM-Zyklus erreicht. Während eines Zeitfensters Δ um den Nulldurchgangspunkt von V
in tritt jedoch das IZCD-Ereignis nicht auf, da während des Zeitfensters Δ kein Strom durch den Induktor
206 fließt, wobei das Zeitfenster Δ gegeben ist durch:
wobei
die Maximalspannung der Hauptversorgungsspannung V
ac,
die Schwellenspannung der Dioden in der Diodenbrücke
202 und T die Periode der Hauptversorgungsspannung V
ac ist.
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6 illustriert Signalformen, die mit dem Betrieb eines PFC-Aufwärtswandlers verbunden sind, der eine indirekte Detektion der Nulldurchgänge der Hauptversorgungsspannung verwendet. Das Fehlen des IZCD-Ereignistriggers während des Zeitfensters Δ führt bei einem Abwärtszähl-Timer dazu, dass er seinen unteren Wert erreicht, da die Basiszeit nicht vor dem Ende der programmierten PWM-Zyklusperiode reinitialisiert wird, wie dies in 6 dargestellt ist. Der Durchgangspunkt von Vin wird durch die Unterlaufdetektion des Timers (Timer = unterer Wert = 0) detektiert, was dazu führt, dass das eoc(End of Cycle)-Signal durch das PWM-Modul 210 erzeugt wird. Das Signal eoc wird als Triggereingabe an den ADC 214 geliefert, was dazu führt, dass der ADC 214 die Ausgangsspannung des Wandlers 200 abtastet. Diese indirekte Detektion eines Nulldurchgangs kann die herkömmliche durch VZCD bewirkte Nulldurchgangsdetektion durch den Komparator 208 oder den ADC 214 oder externe Optokoppler ersetzen, wie diese im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurden. In manchen Implementierungen kann der oben beschriebene Prozess auf Basis eines Aufwärtszähl-Timers implementiert werden.
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In manchen Implementierungen kann das PWM-Modul 210, das eine Zeitproportionierungssteuerung (time-proportioning control) verwendet, einen Timer periodisch inkrementieren, der am Ende jeder programmierten Periode des PWM zurückgesetzt wird. Wenn der Timerwert einen Referenzwert cmp übersteigt, ändert sich der PWM-Ausgang von High nach Low (oder von Low nach High), so dass ein Teil einer festen Zykluszeit in einem logischen Zustand verbracht wird und der andere Teil in dem entgegengesetzten logischen Zustand. In dem Fall einer zeitproportionalen Steuerung kann die Detektion, dass der Timer den PWM-programmierten Periodenwert erreicht, dazu verwendet werden, um den Hauptversorgungsnulldurchgangpunkt zu detektieren.
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Zur Detektion des Durchgangspunkts von Vin unter Verwendung eines Abwärtszähl-Timers gilt die Beschränkung
wobei F
timer eine Timerfrequenz und cmp ein Vergleichswert ist, der durch eine CPU
212 dem PWM-Modul
210 zur Anpassung von T
on zur Verfügung gestellt wird.
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Zur Detektion des Durchgangspunkts von Vin unter Verwendung eines Aufwärtszähl-Timers gilt die Einschränkung
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7 ist ein schematisches Diagramm eines Aufwärtswandlers 700, der einen Fehlermodus eines PWM-Moduls zur Detektion der Hauptversorgungsnulldurchgänge verwendet. Der Wandler 700 enthält die gleichen Komponenten wie der in 2 gezeigte Wandler 200, mit Ausnahme des Komparators 208, der entfernt wurde, und des PWM-Moduls 210, das ein eoc-Signal erzeugt, wenn der Timer (herauf- oder herabzählend) seinen programmierten Zykluswert (oberer bzw. unterer Wert) aufgrund der Abwesenheit eines IZCD-Triggerereignisses erreicht.
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Während des Zeitfensters Δ fließt kein Strom in der Drossel 206. Dies führt dazu, dass IZCD zur Reinitialisierung des (Heraufzähl- oder Herabzähl-)Timers in dem PWM-Modul 210 nicht zur Verfügung steht, was dazu führt, dass der Timer seinen programmierten Zykluswert (den oberen bzw. den unteren Wert) erreicht, wie dies in 5 dargestellt ist. Dies tritt auf, wenn der Timer über- oder unterläuft. Das PWM-Modul 210 detektiert dieses Über- oder Unterlaufereignis, das das eoc-Signal erzeugt, welches als Triggerereignis am ADC 214 eingespeist wird. Das eoc-Signal veranlasst den ADC 214, die Ausgangsspannung abzutasten. Die abgetastete Ausgangsspannung wird als Rückkopplung in die Spannungsregelschleife (PID-Algorithmus) der CPU 221 eingespeist.
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Die unten stehende Tabelle I enthält Anwendungsbeispiele für verschiedene Kombinationen von V
ac, V
ac-Frequenzen, Δ Zeitfenstern, und F
timer. Die Werte in Tabelle I nehmen an, dass V
t = 1 V.
| Vac-Spannung | Vac-Frequenz | Δ | Timerfrequenz | Max. cmp-top (Abwärtszähl-Timer) Max. cmp-Wert (Aufwärtszähl-Timer) |
| 110 V | 60 Hz | 96 μs | 12 MHz | 1158 |
| 110 V | 60 Hz | 96 μs | 32 MHz | 3088 |
| 220 V | 50 Hz | 57 μs | 12 MHz | 694 |
| 220 V | 50 Hz | 57 μs | 32 MHz | 1852 |
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Obgleich dieses Dokument zahlreiche spezifische Implementierungseinzelheiten enthält, sollten diese nicht als Begrenzung des beanspruchten Schutzumfangs ausgelegt werden, sondern als Beschreibung von Merkmalen, die konkreten Ausführungsformen zu eigen sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Beschreibung im Kontext von separaten Ausführungsformen beschrieben wurden, können auch in Kombination in einer Ausführungsform implementiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Kontext einer einzelnen Ausführungsform beschrieben wurden, auch in mehreren Ausführungsformen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination miteinander implementiert werden. Obgleich manche Merkmale als in bestimmten Kombinationen zusammenwirkend beschrieben wurden und anfänglich als solche beansprucht wurden, können ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in manchen Fällen aus dieser Kombination herausgenommen werden und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder eine Abwandlung einer Unterkombination gerichtet werden.
die Maximalspannung der Hauptversorgungsspannung Vac,
die Schwellenspannung der Dioden in der Diodenbrücke
die Maximalspannung der Hauptversorgungsspannung, Vac,
die Schwellenspannung der Dioden in einer Diodenbrücke und T die Periode der Hauptversorgungsspannung Vac ist.
