DE60121192T2

DE60121192T2 - Modulator mit gesteuerter selbstoszillation und leistungsumsetzungssystem mit einem solchen modulator

Info

Publication number: DE60121192T2
Application number: DE60121192T
Authority: DE
Inventors: Karsten Nielsen
Original assignee: ICEPower AS
Current assignee: ICEPower AS
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: JP4865184B2; DE60121192D1; WO2002025357A3; WO2002025357A2; KR20030041991A; SE0003342D0; EP1323231B1; CN1244197C; KR100780589B1; AU1631802A; JP2004510397A; ATE332034T1; CN1471758A; EP1323231A2

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen selbstoszillierenden Modulator mit einem Komparator und einer Leistungsverstärkerstufe zur Pulsmodulation sowie auf eine Oszillationsschleife höherer Ordnung mit ersten Rückkopplungselementen und ersten Vorkopplungselementen zur Schaffung stabiler Oszillationsbedingungen, worin die ersten Rückkopplungselemente so ausgelegt sind, dass sie ein erstes Rückkopplungssignal an die ersten Vorkopplungselemente liefern, die so ausgelegt sind, dass sie für den Komparator ein modulierendes Signal zur Verfügung stellen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein schaltendes Leistungsumsetzungssystem wie Gleichstrom-Wechselstrom- (zum Beispiel Audioverstärkung), Gleichstrom-Gleichstrom- oder Wechselstrom-Wechselstrom-Umsetzungssysteme, in denen ein solcher Modulator verwendet wird. Die Erfindung kann vorteilhaft in jedem System und insbesondere in Präzisions-Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzungssystemen als Hochleistungs-Audioverstärkung für eine verbesserte Leistungsumsetzung verwendet werden.
Technischer Hintergrund
Der Pulsmodulator ist ein zentrales Element in allen Leistungsumsetzungssystemen. Die meisten schaltenden Leistungsumsetzer beruhen auf der Pulsbreitenmodulation (PWM: pulse width modulation) als einem Mittel, eine leistungsfähige Umsetzung zwischen den Domänen (Gleichstrom oder Wechselstrom) zu steuern.
Ein typischer Leistungsumsetzer enthält einen PWM-Modulator, eine schaltende Leistungsumsetzungsstufe, ein Filter und ein Steuersystem. Ein System dieses Typs vom Stande der Technik wird im US-Patent Nr. 4 724 396 (1988) sowie von Attwood im Journal of the AES, Seiten 842 bis 853, November 1983, beschrieben. Die PWM hat aber eine Reihe von Unzulänglichkeiten, die im Fach ebenfalls wohlbekannt sind und hauptsächlich auf die Implementierung der Trägererzeugung zurückzuführen sind. Dadurch wird die Bandbreite des Systems begrenzt und die Konstruktion kompliziert. Eine stabile, robuste Auslegung des Steuersystems ist ebenfalls schwierig.
Um diese Nachteile zu überwinden, wurde in der Internationalen Patentanmeldung PCT/DK97/00497 des Anmelders ein gesteuerter selbstoszillierender Modulator (COM: controlled self-oscillating modulator) eingeführt. Durch den offenbarten Modulator erübrigt sich bei einer Reihe von Vorteilen, die eingehend in dem benannten Dokument beschrieben sind, der Bedarf für einen Trägererzeuger.
Ein Problem dieser Technologie besteht darin, dass platzbeanspruchende, teure Leistungskomponenten benötigt werden, um Filterinduktionsströme zu kompensieren. Des Weiteren können Probleme auftreten, wenn der Modulator an eine reaktive Last oder an eine offene Last angeschlossen wird, die zum Beispiel eine Zobel-RC-Kompensation verlangt. Die COM-Technologie lässt sich ferner in Systemen von grösserer Bandbreite schwer realisieren. Kurz ausgedrückt, könnte man sagen, dass einige Einschränkungen immer noch existieren, obwohl das COM-Vorgehen einige der Nachteile der herkömmlichen PWM-Technologie überwindet.
Weitere selbstoszillierende Modulatoren sind aus dem japanischen Patent Nr. 56-039606 und aus dem IEEE-Artikel „A dual-loop feedback audio amplifier using selfoscillating delta modulation" (Audioverstärker mit Doppelschleifenrückkopplung und selbstoszillierender Deltamodulation) von Nam-Sung Jung und Mitautoren, 1997, bekannt.
Ziele der Erfindung
Dementsprechend bestand ein primäres Ziel der Erfindung darin, eine überlegene Modulationstechnologie in schaltenden Leistungsumsetzungssystemen zur Verfügung zu stellen, die die mit den herkömmlichen Technologien verbundenen, grundsätzlichen Probleme überwindet.
Ein zweites Ziel bestand darin, eine Pulsmodulation für allgemeine Leistungsumsetzungssysteme zur Verfügung zu stellen, die im Vergleich zum Stande der Technik signifikante Vorteile in der Leistungsfähigkeit, eine topologische Vereinfachung, verbesserte Robustheit und Stabilität liefert.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Ziele werden durch einen gesteuerten, selbstoszillierenden Modulator (COM) des oben erwähnten Typs erreicht, der durch Strommesssorgane gekennzeichnet ist, die so angeordnet sind, dass sie den Wert eines Stromes messen, der durch die benannte Leistungsverstärkerstufe an eine an den Modulator angeschlossene Last geliefert wird, wobei der gemessene Wert an die ersten Rückkopplungselemente geliefert wird und die ersten Rückkopplungselemente eine Transferfunktion besitzen, die dafür geeignet ist, dass das erste Rückkopplungssignal auf der Grundlage des gemessenen Wertes erzeugt wird, und die ersten Vorkopplungselemente eine Transferfunktion besitzen, die dafür geeignet ist, dass das modulierende Signal auf der Grundlage der ersten Rückkopplungselemente und eines Eingangssignals erzeugt wird.
Durch die Messung des Stromes, der an die Last geliefert wird, wird die Laststeuerung stark verbessert, was den Bedarf für eine weitere Lastkompensation beseitigt. Auch werden alle Filterinduktionsströme kompensiert, da der Modulator als ein leistungsstarkes Breitbandsteuersystem funktioniert, was zu niedrigeren Anforderungen an die Leistungskomponenten führt.
Da in der Strommessung selbst eine Transferfunktion erster Ordnung implementiert und dadurch ein erster Pol in die Oszillationsschleife eingeführt wird, führt dies zu einer Vereinfachung der Konstruktion. Dies ist ein wichtiger Vorteil über den Stand der Technik, und zwar insbesondere in Anwendungen wie tragbaren persönlichen Audioanlagen, in denen eine Miniaturisierung wichtig ist.
Der erfindungsgemässe COM zielt also darauf ab, die Vorteile der COM-Technologie mit den Vorteilen einer stromgesteuerten PWM-Technologie zu verbinden, was zu einem System führt, das die folgenden Merkmale aufweist:

– Das System ist von Natur aus instabil.
– Ein Trägergenerator wird nicht benötigt, was Komponenten einspart.
– Die Stromversorgungsvariable V_s ist aus der effektiven Schleifentransferfunktion eliminiert.
– Das System wirkt als Breitbandsteuersystem.
– Saubere Modulation (kein Rückkopplungsrauschen oder schlechtes Trägersignal).
– Eine steuerbare veränderliche Schaltfrequenz für verbesserten Wirkungsgrad und EMI.

Dadurch wird der erfindungsgemässe Modulator sehr geeignet für alle Arten von Präzisions-Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzungsanwendungen wie Audioanwendungen.
Der Modulator enthält vorteilhafterweise Mittel für die Rückkopplung einer Ausgangsspannung von der benannten Verstärkerstufe. Dadurch wird eine sehr kompakte Auslegung ermöglicht, in der die Modulation und das die zentrale Leistungsumsetzungsstufe umgebende Steuersystem kombiniert sind.
Während kombinierte Spannungs- und Strom-Rückkopplungs-PWM-Systeme im Fach gut bekannt sind, ist die benannte Zweischleifen-Topologie auf COM-Basis eine vorteilhafte Verbesserung und technisch neu.
Einer Ausführungsform der Spannungsrückkopplung zufolge sind die ersten Rückkopplungselemente an die benannte Ausgangsspannung angeschlossen, und die ersten Rückkopplungselemente sind dafür geeignet, das erste Rückkopplungssignal auf der Grundlage des benannten Stromwertes und der benannten Spannung zu erzeugen. Dies ist eine vorteilhafte Möglichkeit für die Implementierung der doppelten Rückkopplung, durch die die Anzahl von Komponenten verringert wird.
Einer weiteren Ausführungsform der Spannungsrückkopplung zufolge umfasst der Modulator zweite Rückkopplungselemente, die an die benannte Ausgangsspannung angeschlossen sind und dafür geeignet sind, ein zweites Rückkopplungssignal zu erzeugen, sowie zweite Vorkopplungselemente, die dafür geeignet sind, dem ersten Vorkopplungsblock das benannte, auf dem zweiten Rückkopplungssignal und einem zweiten Signal beruhende Eingangssignal zu liefern. Obwohl diese Implementierung etwas komplizierter ist, kann sie in einigen Anwendungen vorteilhaft sein, in denen es erwünscht ist, die Strommessung und die Spannungsrückkopplung mit unterschiedlichen Transferfunktionen zu belassen.
Die Leistungsverstärkerstufe kann ein Ausgangsfilter umfassen, und die zweiten Rückkopplungselemente können dann an einen Ausgang des Ausgangsfilters angeschlossen werden. Dadurch wird ein erstes Filtern der Spannung ermöglicht, ehe sie in den Rückkopplungspfad zurückgekoppelt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Organe für die Strommessung dafür ausgelegt, Schutzfunktionen zur Begrenzung des Spitzenstromes und des Langzeitstromes zu implementieren.
Der gesteuerte Oszillationsmodulator kann vorteilhaft in einer spannungs- oder stromgesteuerten Präzisions-Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzung wie zum Beispiel Leistungsverstärkern im Audioeinsatz verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben.
1 zeigt einen auf Spannungsrückkopplung beruhenden, gesteuerten oszillierenden Modulator des Standes der Technik.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Das Grundprinzip des COM gemäss dem Stande der Technik wird im allgemeinen Blockdiagramm der 1 veranschaulicht. Da er Spannungsrückkopplung verwendet, wird er als ein VCOM bezeichnet. Eine Eingangsspannung V_i wird an einen Vorkopplungsblock 2 geliefert, der auch durch einen Rückkopplungsblock 1 versorgt wird, um Fehlerinformation abzuleiten und zu verarbeiten. Das kompensierte Signal V_b wird an einen hysteresefreien Komparator 3 geliefert, der auf eine Spannung V_DC, vorzugsweise eine Gleichspannung, abgestimmt ist. Das sich ergebende, pulsmodulierte Signal wird in einer durch V_s versorgten schaltenden Leistungsverstärkerstufe 4 leistungsverstärkt, wodurch das Leistungspulssignal V_p erzeugt wird, das eine induktive Last 5 steuert.
Der Block 1 verarbeitet Ausgangsinformation von der Ausgangsspannung V_p und steuert die Brutto-Transferfunktionseigenschaften des Systems. Der gesteuerte Oszillationsmodulator ist durch mindestens insgesamt zwei Pole in den Blöcken 1 und 2 gekennzeichnet, die kombiniert mit der Fortpflanzungsverzögerung des Modulators und der Leistungsstufe ein mit V_DC zu vergleichendes, sinusähnliches Modulationssignal V_b erzeugen. Unter diesen Voraussetzungen wird durch das System ein oszillierendes System bei der Frequenz der positiven Rückkopplung realisiert. Block 1 ist dafür implementiert, die Brutto-Transferfunktionseigenschaften von V zu den Ausgangsvariablen zu steuern.
Unter der Annahme, das eine konstante Verstärkung K über eine bestimmte Bandbreite hinweg gewünscht wird, erfolgt dies zweckmässigerweise mit den folgenden Transferfunktionen:
In diesem veranschaulichenden Beispiel, wo der A-Block 1 eine Kennlinie erster Ordnung mit einem Pol s = –1/τ₁ bei niedrigeren Frequenzen, allgemein mehr als eine Dekade unterhalb der Oszillationsfrequenz, besitzt, lassen sich die Oszillationsbedingungen bequem durch τ_o bestimmen, wobei die beiden Pole bei s = –1/τ_o liegen. Die Anforderungen für eine „gesteuerte Oszillationsmodulation (COM)" sind: |L(jωo)| = |KPA(jωo)B(jωo)| = 1 ∧ ≺ L(jωo) = 180° (2)wo die gewünschte Oszillationsfrequenz des Systems ω₀ ist. In diesem bevorzugten Beispiel ist daher die Bedingung für eine gesteuerte Oszillation:
Das VCOM-System wird wegen der nichtlinearen Verstärkungskennlinie des Komparators und einer schaltenden Leistungsstufe gezwungen, mit ω_o zu oszillieren.
Als eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrachte man das System in 2. In diesem Modulator wird der Wert des Stromes i_L, der an die Last geliefert wird, als Eingangssignal in der Erzeugung eines modulierenden Signals V_b verwendet. Der Strom i_L wird mit Strommessorganen 6 gemessen, die hinter der Verstärkerstufe 4 angeordnet ist.
Vorteilhafte Transferfunktionen der Blöcke 11 und 12 sind in diesem Falle:
Unter der Annahme, dass das stromgesteuerte COM-System, von jetzt an als CCOM bezeichnet, für die Demodulation durch ein Filter zweiter Ordnung (L, C) belastet ist, ist die Schleifentransferfunktion:
Daher ist die Bedingung für gesteuerte Oszillation im CCOM-System:
Parameter-Beispielwerte für das CCOM-System sind:
Der Fachmann wird einsehen, dass viele gut bekannte Wege beschritten werden könnten, um das CCOM-System mit alternativen Parametern und alternativer Platzierung der Pole zu implementieren. So ist das Beispiel lediglich veranschaulichend und demonstriert ein einfaches Breitband-Steilheitsverstärkersystem mit einer konstanten In-Band-Steilheit von 1/Z_m.
Der in 2 veranschaulichte CCOM-Modulator kann vorteilhaft mit dem VCOM des Standes der Technik kombiniert werden, und zwei bevorzugte Ausführungsformen dieser Kombination sind in 3 und 4 veranschaulicht.
Dieser kombinierte Modulator kann vorteilhaft in einem universellen Hochleistungs-Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzungssystem implementiert werden, und zwar mit einem Demodulationsfilter zweiter Ordnung und einer globalen Spannungsschleife.
In 3 ist die Transferfunktion A' des Rückkopplungsblocks 21 dafür ausgelegt, eine Spannungsrückkopplung von der Verstärkerstufe 4 sowie auch den gemessenen Stromwert i_L zu empfangen. Eine geeignete Anpassung der Transferfunktion B' des Vorkopplungsblocks 22 erfolgt ebenfalls.
Ein weiteres Beispiel ist der Breitband-Leistungsverstärker mit konstanter Verstärkung in 4, wo zwei zusätzliche Blöcke 31 und 32 eingeführt worden sind. Der Verstärker umfasst daher einen CCOM 30 gemäss 2, der von einem Spannungsrückkopplungspfad 33 umgeben ist. Das Spannungssignal V_o wird nach einem Ausgangsfilter 34 übernommen und ist an den Block 31 angelegt. Das erzeugte Signal V_c wird dann an den Block 32 geliefert, der ebenfalls mit der Eingangsspannung V_i versorgt wird. Das Ausgangssignal vom Block 32 wird zusammen mit dem Signal V_a vom Rückkopplungsblock 12 an den Vorkopplungsblock 11 des CCOM 30 geliefert. Bevorzugte Transferfunktionen der Blöcke 31 und 32 sind:
Durch Anpassung von K_D ist die gewünschte Spannungsschleifenbandbreite f_v leicht zu implementieren. Beispielparameter sind:
Der Fachmann wird einsehen, dass viele gut bekannte Wege beschritten werden könnten, um die Transferfunktionen in den Blöcken des COM-Systems zu implementieren. Die Systemverstärkung K wird innerhalb der Bandbreite des Systems konstant gehalten.
Eine alternative, vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist eine Zweipolkompensation des COM-Systems, die so ausgelegt ist, dass die In-Band-Schleifenverstärkung für eine verbesserte Rückkopplungskompensation durch die Kombination von COM-Modulator und Rückkopplungssteuersystem steiler ist (obwohl weniger als –12 db/Oktave). Der Fachmann wird verstehen, dass dies zum Beispiel im B-Block implementiert werden kann.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind u.a. ein Eingangsfilter- und -begrenzungsabschnitt für die Steuerung der Transferfunktion und Lieferung einer verbesserten Clipping-Kennlinie, die vorteilhafterweise vom weichen Clippingtyp sein kann. Zusätzlich hält der Begrenzer den Oszillator und die Steuerschleife in Betrieb. Ein dritter Vorteil einer richtig implementierten Begrenzerfunktion besteht darin, dass bei einer Erholung von Überlast keine Verzögerung eintritt. Der Fachmann wird einsehen, dass es viele gut bekannte Wege gibt, um eine solche begrenzende Funktion zu implementieren.

Claims

Gesteuerter selbstoszillierender Modulator mit einem Komparator und einer Leistungsverstärkerstufe für Pulsmodulation und mit einer oszillierenden Schleife höherer Ordnung mit ersten Rückkopplungselementen und ersten Vorkopplungselementen, die stabile Oszillationsbedingungen gewährleisten, wobei die ersten Rückkopplungselemente so ausgelegt sind, dass sie ein erstes Rückkopplungssignal an die ersten Vorkopplungselemente liefern, die so ausgelegt sind, dass sie ein modulierendes Signal an den Komparator liefern, gekennzeichnet durch Strommessorgane, die so ausgelegt sind, dass sie einen Wert des von der Leistungsverstärkerstufe an eine an den Modulator angeschlossene Last gelieferten Stromes messen, wobei der gemessene Wert an die ersten Rückkopplungselemente geliefert wird, wobei die ersten Rückkopplungselemente eine Transferfunktion besitzen, die dafür geeignet ist, auf der Grundlage des gemessenen Wertes das erste Rückkopplungssignal zu liefern, und die ersten Vorkopplungselemente eine Transferfunktion besitzen, die dafür geeignet ist, auf der Grundlage des ersten Rückkopplungssignals und eines Eingangssignals das modulierende Signal zu liefern.
Gesteuerter selbstoszillierender Modulator nach Anspruch 1, weiter Mittel für die Rückkopplung einer Ausgangsspannung von der Verstärkerstufe enthaltend.
Gesteuerter selbstoszillierender Modulator nach Anspruch 2, worin die ersten Rückkopplungselemente an die benannte Ausgangsspannung angeschlossen sind, während die ersten Rückkopplungselemente dafür ausgelegt sind, auf der Basis des benannten Stromwertes und der benannten Spannung das erste Rückkopplungssignal zu erzeugen.
Gesteuerter selbstoszillierender Modulator nach Anspruch 2, weiter umfassend zweite, an die benannte Ausgangsspannung angeschlossene Rückkopplungselemente, dazu ausgelegt, ein zweites Rückkopplungssignal zu erzeugen, und zweite Vorkopplungselemente, dafür ausgelegt, auf der Basis des zweiten Rückkopplungssignals und eines zweiten Signals den ersten Vorkopplungsblock mit dem benannten Eingangssignal zu versorgen.
Gesteuerter selbstoszillierender Modulator nach Anspruch 4, worin die Leistungsverstärkerstufe ein Ausgangsfilter umfasst und worin die zweiten Rückkopplungselemente an einen Ausgang des Ausgangsfilters angeschlossen sind.
Gesteuerter selbstoszillierender Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter Begrenzermittel umfassend, um die Modulationstiefe zu steuern.
Gesteuerter selbstoszillierender Modulator nach Anspruch 6, worin die Strommessorgane dafür ausgelegt sind, Schutzfunktionen als Begrenzungen des Spitzenstromes und des Langzeitstromes zu implementieren.
Leistungsumsetzungssystem, das einen Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche implementiert.
Leistungsumsetzungssystem nach Anspruch 8, dafür verwendet, um eine elektrodynamische Wandlerlast direkt anzusteuern.