DE602004010359T2

DE602004010359T2 - Stromverstärker für Leuchtdiodensteuerung

Info

Publication number: DE602004010359T2
Application number: DE602004010359T
Authority: DE
Inventors: Thomas L. Noblesville Voreis; Songnian Kokomo Li
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: US20050152123A1; US7038594B2; EP1553808B1; EP1553808A1; ATE379950T1; DE602004010359D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Versorgen einer Vorrichtung mit Leistung und insbesondere auf eine Schaltung zum Regulieren der Spannung und des Stroms, die für Leuchtdioden bereitgestellt werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Insassenerfassungssysteme für den Fahrgastraum von Fahrzeugen umfassen häufig Bilderzeugungssysteme. Manche Bilderzeugungssysteme umfassen Leuchtdioden (LEDs) zum Beleuchten des Fahrgastraums für eine Kamera oder eine andere Bilderzeugungsvorrichtung. Das Steuern der durch die LEDs bereitgestellten Beleuchtung ermöglicht dem Bilderzeugungssystem, die Gegenwart von Insassen in dem Fahrgastraum genauer zu erfassen. Die LED-Beleuchtung ist angenähert proportional zu dem durch die LED fließenden Strom.
Typische Stromverstärker, die zum Treiben von elektrischen Vorrichtungen wie etwa LEDs verwendet werden, erfahren infolge des Spannungsabfalls an der steuernden Vorrichtung, zum Beispiel an einem Transistor, eine übermäßige Verlustleistung. Weil der Strom reguliert wird, wechselt der Spannungsabfall von dem Maximalwert der Versorgungsspannung auf den Minimalwert, wenn der Treibertransistor gesättigt ist. Die Verlustleistung ist in der Skalenmitte maximal, wobei etwa 36 Watt bei einer ty pischen Gruppe von LEDs mit einem Bereich von 0 bis 72 Watt abgegeben werden.
Stromverstärker, die zum Ansteuern von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und anderen induktiven Vorrichtungen verwendet werden, regulieren den Strom mit der Impulsbreitenmodulation (PWD), indem sie die Induktivität der Einspritzvorrichtung ausnutzen. Wenn eine Induktionsspule mit einer LED in Reihe geschaltet würde, wäre der sich ergebende Wellenstrom unannehmbar, da die Lichtbeleuchtung den Wellenstrom reflektieren würde und dieser von der Bildkamera aufgenommen würde.
Obwohl es möglich ist, einen Stromtransistor auf volle Sättigung zu schalten und nur für die für die Bildkamera erforderliche Beleuchtungsperiode eingeschaltet zu halten, führt ein solches Steuerschema zu einem unvorhersagbaren Beleuchtungspegel, weil der Strom durch LEDs äußerst temperaturabhängig ist.
Außerdem kann die Synchronisation der LED-Beleuchtung und der Bildkamera in den korrekten Verhältnissen schwierig sein. Es besteht ein Bedarf an einer Schaltung zum Verbessern der Steuerung von LEDs und anderen elektrischen Vorrichtungen.
Das US-Patent Nr. 6011360 und das US-Patent Nr. 6198236 beziehen sich auf ein Vorschaltgerät für Leuchtstoffröhren. Die US-Patentanmeldung Nr. 2003/23506 und das US-Patent Nr. 56661645 beziehen sich auf Schaltungen zum Ansteuern von LEDs.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung zum Versorgen einer Vorrichtung mit Leistung anhand eines Befehlssignals, eine Beleuchtungssteuerung für ein Bilderzeugungssystem und ein Verfahren zum Steuern einer LED, wie sie in den Ansprüchen beansprucht werden, geschaffen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung, die eine elektrische Vorrichtung anhand eines befohlenen Stromsignals mit Leistung versorgt. Die Schaltung umfasst einen Stromverstärker, der geeignet ist, einen gewünschten Stromfluss linear zu regulieren. Die Schaltung steuert außerdem eine Versorgungsspannung dynamisch, um die Verlustleistung des Transistors oder einer anderen Regulierungsvorrichtung in dem Stromverstärker zu minimieren. Die Schaltung kann außerdem einen Spannungsabfall-Messverstärker, einen Spannungsformungsverstärker und eine Schaltleistungsversorgung umfassen. Die Schaltung ist nützlich zum Steuern von elektrischen Vorrichtungen, die eine genaue Stromsteuerung und eine minimale Verlustleistung erfordern, beispielsweise zum Treiben von Leuchtdioden (LEDs), die für eine Beleuchtung innerhalb des Fahrgastraums eines Fahrzeugs für ein Bilderzeugungssystem für Insassenerfassung sorgen.
Die Beleuchtung durch LEDs ist angenähert proportional zu dem Strom. Die lineare Einstellung des Stroms vermeidet eine Bildverzerrung, die durch Streifen- oder Wellenbildung aus der Impulsbreitenmodulation (PWD) oder eine andere Beleuchtungsquellensteuerung verursacht wird. Typische Stromverstärker erfahren infolge des Spannungsabfalls an dem Stromregulierungstransistor eine Verlustleistung; jedoch minimiert eine auf dem Durchlassspannungsabfall an den LEDs basierende dynamische Steuerung der Versorgungsspannung die Verlustleistung.
Bei der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Stromverstärker einen Spannungsfolger, der einen mit den LEDs in Reihe geschalteten Messwiderstand besitzt. Der Messwiderstand wird verwendet, um den Stromfluss genau zu messen und auf den befohlenen Strom zu regulieren. Ein Spannungsabfall-Messverstärker, beispielsweise ein Differenzverstärker, verschafft einen Messwert der bei dem gelieferten befohlenen Strom erforderlichen Spannung. Ein Spannungsformungsverstärker beeinflusst den gemessenen Spannungsabfall, um ein Vorspannungssignal zum Steuern des Schaltleistungsversorgungsausgangs bereitzustellen. Die Vorspannung bewirkt eine Spannungsformung, damit die Leistungsversorgungsspannung so reguliert wird, dass nicht nur die LEDs mit Leistung versorgt werden, sondern auch eine Sättigung des Linearverstärkers bei dem befohlenen Strom vermieden wird und eine übermäßige Verlustleistung wegen einer unnötig hohen Leistungsversorgungsspannung minimiert wird.
Die erfindungsgemäße Schaltung kann außerdem dazu verwendet werden, für andere elektrische Vorrichtungen, beispielsweise Kraftstoffeinspritzvorrichtungen für einen Fahrzeugmotor und Entfaltungszündkapseln zum Steuern der Entfaltung eines Fahrzeug-Airbags, den Strom zu regulieren und die Verlustleistung zu minimieren.
Die vorliegende Erfindung schafft in einer ihrer Formen eine Schaltung zum Versorgen einer elektrischen Vorrichtung mit Leistung anhand eines Befehlssignals, die eine Leistungsversorgung, von der ein Versorgungsspannungssignal der Vorrichtung aufgeschaltet wird, und einen Stromverstärker, der mit der Vorrichtung verbunden und geeignet ist, den Strom fluss durch die Vorrichtung linear zu regulieren, umfasst, wobei das Versorgungsspannungssignal durch die Leistungsversorgung anhand einer an der Vorrichtung gemessenen Vorrichtungsspannung reguliert wird, wodurch die Verlustleistung in dem Stromverstärker minimiert wird.
Die vorliegende Erfindung schafft in einer weiteren ihrer Formen, eine Schaltung, die eine LED, einen Spannungsregulator, der zu der LED eine Spannung liefert, und einen Stromverstärker, der mit der LED verbunden und geeignet ist, den Stromfluss durch die LED linear zu regulieren, umfasst.
Die vorliegende Erfindung schafft in einer nochmals weiteren ihrer Formen eine Beleuchtungssteuerung für ein Bilderzeugungssystem, die eine Steuereinheit, die anhand eines gewünschten Beleuchtungspegels ein Steuersignal bereitstellt, eine Beleuchtungssteuerschaltung, die einen Stromverstärker besitzt, der das Befehlssignal empfängt, und eine Beleuchtungsquelle, die mit dem Stromverstärker gekoppelt ist, umfasst, wobei der Stromverstärker den Stromfluss durch die Beleuchtungsquelle anhand des Befehlssignals linear steuert.
Die vorliegende Erfindung schafft in einer nochmals weiteren ihrer Formen ein Verfahren zum Steuern einer LED, das die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen eines Beleuchtungspegels, Bestimmen des Stromflusses durch die LED, der notwendig ist, um den Beleuchtungspegel bereitzustellen, und Begrenzen des Stromflusses durch die LED auf den vorgegebenen Pegel.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhalber mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben; in diesen sind:
1 ein schematischer Blockschaltplan einer beispielhaften Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Bilderzeugungsvorrichtung für Insassenerfassung, die die in 1 gezeigte beispielhafte Schaltung enthält;
3 eine schematische Darstellung eines ersten Abschnitts der in 1 gezeigten beispielhaften Schaltung;
4 eine schematische Darstellung eines zweiten Abschnitts der in 1 gezeigten beispielhaften Schaltung;
5 eine schematische Darstellung eines dritten Abschnitts der in 1 gezeigten beispielhaften Schaltung;
6 ein Diagramm, das elektrische Signale zeigt, die der in 1 gezeigten beispielhaften Schaltung zugeordnet sind; und
7 ein Ablaufplan, der die Schritte eines Verfahrens zum Steuern von LEDs gemäß der vorliegenden Erfindung.
Sich entsprechende Bezugszeichen geben in den gesamten mehreren Ansichten sich entsprechende Teile an. Obwohl die Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen, sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstäblich, wobei bestimmte Merkmale übertrieben groß gezeigt sein können, um die vorliegende Erfindung besser zu veranschaulichen und zu erläutern.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die nachstehend offenbarten Ausführungsformen sind nicht als erschöpfend oder die Erfindung auf die in der folgenden genauen Beschreibung offenbarten genauen Formen begrenzend auszulegen. Stattdessen sind die Ausführungsformen so gewählt und werden so beschrieben, dass andere Fachleute deren Lehren nutzen können.
Die in 1 gezeigte beispielhafte Schaltung 20 versieht die Steuerung für eine elektrische Vorrichtung, beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) 22, anhand eines Befehlssignals 24. Die LED 22 kann eine einzelne LED oder eine Gruppe von LEDs sein, beispielsweise zwei in Reihe geschaltete LED-Gruppen oder ein Bildschirm mit einer oder mehreren LED-Matrizen. Der Begriff "LED" soll so definiert sein, dass er eine oder mehrere LEDs bedeuten kann.
Die beispielhafte Schaltung 20 umfasst einen linearen Stromverstärker 26, einen Spannungsabfall-Messverstärker 28, einen Spannungsformungsverstärker 30 und eine Schaltleistungsversorgung 32; jedoch kommt für die Erfindung auch eine Schaltung mit einer Untermenge dieser Elemente in Betracht. Beispielsweise kann das Steuersignal 24 die Steuerung sowohl für den Stromverstärker 26 als auch die Schaltleistungsversorgung 32 versehen und dadurch die LED 22 steuern, ohne den Spannungsabfall-Messverstärker 28 oder den Spannungsformungsverstärker 30 zu benötigen.
Der Stromverstärker 26 versieht vorteilhafterweise eine lineare Steuerung des durch die LED 22 fließenden Stromsignals 34. Die restlichen Komponenten der beispielhaften Schaltung 20 versehen im Allgemeinen die Regulierung des Versorgungsspannungssignals 36, das dem Stromverstärker 26 und der LED 22 aufgeschaltet wird und eine Eingabe für diese bildet. Genauer wird das Versorgungsspannungssignal 36 anhand einer an der LED 22 gemessenen Vorrichtungsspannung 38 und einer vorgegebenen Vorspannung 40 reguliert (6). Das Versorgungsspannungssignal 36 wird auf einen Pegel festgelegt, der die Vorrichtungsspannung 38, den Spannungsabfall an der LED 22, der nach Anlegung des Stromsignals 34 eintritt, und den minimalen Spannungsabfall des Stromverstärkers 26, der den linearen Betrieb, d. h., dass sich die Komponenten des Stromverstärkers 26 nicht in Sättigung befinden, sicherstellt, liefert. Das Regulieren des Versorgungsspannungssignals 36 minimiert die Verlustleistung des Stromverstärkers 26.
Der Spannungsabfall-Messverstärker 28 kann im Wesentlichen als Differenzverstärker konfiguriert sein und einen Messwert der Vorrichtungsspannung 38, des Spannungsabfalls an der LED 22, liefern. Der Spannungsformungsverstärker 30 beeinflusst die Vorrichtungsspannung 38, um ein Vorspannungssignal 62 zum Steuern der Schaltleistungsversorgung 32 bereitzustellen. Alternativ kann das Befehlssignal 24 die Informationen des Vorspannungssignals 62 enthalten, indem es beispielsweise Signaldaten, die auf einem berechneten oder experimentell bestimmten Spannungsabfall und auf berechneten oder experimentell bestimmten Vorspannungssignalen für die verschiedenen an den Stromverstärker 26 gelieferten Eingangssignale basieren, enthält. Durch Aufnahme solcher Informationen in das Befehlssignal 24 benötigt eine alternative Ausführungsform nicht unbedingt einen Spannungsabfall-Messverstärker 28 und/oder einen Spannungsformungsverstärker 30.
In 2 enthält das Fahrzeug 42 ein beispielhaftes Bilderzeugungssystem 41 zum Bestimmen der Gegenwart eines Insassen 44 in einem Fahrgastraum 46. Genauer kann das Bilderzeugungssystem 41 eine Bilderzeugungssteuerung 48, eine Bilderzeugungsvorrichtung 50, eine Beleuchtungssteuerung 52 und eine Beleuchtungsvorrichtung 54 umfassen. Die Beleuchtungsvorrichtung 54 kann beispielsweise die LED 22 (1) umfassen. In dem beispielhaften Bilderzeugungssystem 41 liefert die Bilderzeugungssteuerung 48 eine Beleuchtungsstärke und eine Beleuchtungsdauer an die Beleuchtungssteuerung 52. Die Beleuchtungssteuerung 52 liefert ein Befehlssignal 24 (1) an beispielsweise die beispielhafte Schaltung 20 (1). Die Beleuchtungsvorrichtung 54, die beispielsweise die LED 22 umfasst, liefert den spezifizierten Beleuchtungspegel und die spezifizierte Beleuchtungsdauer, die für den Fahrgastraum 46 erforderlich sind, damit die Bilderzeugungsvorrichtung 50 zur Erfassung des Insassen 44 ein Bild aufnehmen kann.
In 3 sind Abschnitte der beispielhaften Schaltung 20 einschließlich beispielhafter Stromlaufpläne der Schaltleistungsversorgung 32, des Spannungsformungsverstärkers 30 und des Spannungsabfall-Messverstärkers 28 gezeigt. In der Tabelle 1 sind beispielhafte Komponentenwerte und Teilenummern für die Schaltung 20 aufgelistet. Der Spannungsabfall-Messverstärker 28 misst die Vorrichtungsspannung 38, den Spannungsabfall an der LED 22, d. h. zwischen der Anode und der Katode. Der Spannungsabfall-Messverstärker 28 kann beispielsweise ein Differenzverstärker sein, der eine Gleichtaktgenauigkeit und einen Spannungsbereich besitzt, die ausreichen, um den wirklichen Spannungsabfall der LED 22, wenn sie durch den Stromverstärker 26 getrieben wird, zu messen.
Der beispielhafte Spannungsabfall-Messverstärker 28 umfasst einen Operationsverstärker U3, der einen nicht invertierenden Eingang besitzt, der über einen Widerstand R14 mit der Anode der LED 22 gekoppelt ist und über einen Widerstand R15 mit Masse gekoppelt ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers U3 ist über einen Widerstand R12 mit der Katode der LED 22 gekoppelt und über einen Vorschaltwiderstand R11 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers U3 gekoppelt. Der Ausgang des Spannungsabfall-Messverstärkers 28 liefert ein Vorrichtungsspannungssignal 60 an den Eingang des Spannungsformungsverstärkers 30.
Der Spannungsformungsverstärker 30 empfängt das Vorrichtungsspannungssignal 60 von dem Spannungsabfall-Messverstärker 28 und weist eine vorgegebene Vorspannung 40 (6) auf. Die vorgegebene Vorspannung 40 wird durch die Spannungsteilerschaltung aus R17 und R18 festgelegt und wird zu dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers U4 geführt, um das Versorgungsspannungssignal 36 zu regulieren, das durch die Leistungsversorgung 32 auf einen Spannungspegel reguliert wird, der höher als jener ist, der durch das Vorrichtungsspannungssignal 60 allein bestimmt wird. Das Vorrichtungsspannungssignal 60 wird von dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U4 über einen Vorschaltwiderstand R13 und über einen mit Masse verbundenen Widerstand R16 empfangen. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers U4 ist über einen zu einem Kondensator C7 parallel geschalteten Widerstand R10 auch mit dem Ausgang des Operationsverstärkers U4 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers U4 liefert ein Vorspannungssignal 62, das der Schaltleistungsversorgung 32 aufgeschaltet wird.
Der Spannungsformungsverstärker 30 der beispielhaften Schaltung 20 ist als invertierender Verstärker mit einer vorgegebenen Vorspannung 40 (6) konfiguriert, die mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U4 gekoppelt ist und einen positiven Vorwert (Bias) bereitstellt, die von dem Vorrichtungsspannungssignal 60, das dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U4 zugeführt wird, überwunden wird. Bei der beispielhaften Schaltung 20 führt eine minimale Vorrichtungsspannung 60 von 16,74 Volt, die in 6 als Signal 38 markiert ist, zu einem maximalen Vorspannungssignal 62, das zum Regulieren der Leistungsversorgung 32 vorgesehen ist, von etwa 4,85 Volt und einem Versorgungsspannungssignal 36 von etwa 18,1 Volt. Ein maximales Vorrichtungsspannungssignal 60 von 35,63 Volt führt zu einem minimalen Vorspannungssignal 62 von etwa 0,15 Volt und einem Versorgungsspannungssignal 36 von etwa 37,9 Volt. Die beispielhaften Spannungswerte der beispielhaften Schaltung 20 repräsentieren den Betriebsbereich für die LED 22, zwei Gruppen von LEDs. Bei etwa 2,0 Ampere beträgt beispielsweise der Spannungsabfall zwischen den Anoden und den Katoden an den LEDs etwa 35,9 Volt, womit sich ein gewünschtes Versorgungsspannungssignal 36 von etwa 37,9 Volt ergibt, wenn die etwa 2 Volt Spannungsverlust an zugeordneten Komponenten, der durch die vorgegebene Vorspannung 40 repräsentiert wird, berücksichtigt werden. Unter der Bedingung einer maximalen Batteriespannung von etwa 16 Volt ist ein Versorgungsspannungssignal 36 von etwa 18,1 Volt das Minimum, bei dem die Leistungsversorgung 32 noch verstärken kann und bei dem der Transistor Q2 noch einen annehmbaren Leistungspegel abgibt; jedoch ist bei diesem Pegel der Strom durch die LED 22 typischerweise kleiner als 100 Milliampere, was unterhalb des nützlichen Betriebsbereichs der LED 22 ist.
Die Schaltleistungsversorgung 32 der beispielhaften Schaltung 20 umfasst verschiedene Komponenten zum Regulieren des Versorgungsspannungssignals 36, das zu der Anode der LED 22 geschickt wird. Beispielhafte Komponenten umfassen eine Steuereinheit bzw. einen Controller U1 für PWM-Schaltregulator, die bzw. der in einer Strombetriebsart betrieben wird, um eine lineare Spannungsregulierung zu schaffen, Widerstände R4 und R5, die die Spannungsverstärkung bestimmen, einen Widerstand R6, der die maximale Spannung des Versorgungsspannungssignals 36 bestimmt, eine Induktionsspule L1, eine Zenerdiode D1, einen Kondensator C4 und einen Transistor Q1, die den Strom durch die Induktionsspule L1 modulieren und daher das Versorgungsspannungssignal 36, das zur Anode der LED 22 geführt wird, regulieren, einen Widerstand R7, der den modulierten Strom durch die Induktionsspule L1 zur Regulierung durch den Controller U1 erfasst, sowie Kompensationskondensatoren C1, C2, C4, C47, C48 und einen Widerstand R3, die die Schaltleistungsversorgung 32 stabil halten. Der modulierende Transistor Q1 wird von dem Ausgangsstift 6 des Controllers U1 angesteuert.
Der Schaltregulator-Controller U1 weist am Stift 3 eine interne Referenzspannung von etwa 1,25 Volt auf. Die interne Referenzspannung wird durch das über den Widerstand R5 gelieferte Vorspannungssignal 62 beeinflusst, um das Versorgungsspannungssignal 36 auf den gewünschten Spannungspegel zu regulieren. Der Schaltregulator-Controller U1 erfasst die Ausgangsspannung 36 der Versorgung über die Rückführspannung am Stift 3. Er erfasst außerdem den in der Induktionsspule L1 fließenden Spitzenstrom durch SEN, wobei dieser Größenwert über den Widerstand R7 in die Source des Transistors Q1 eingekoppelt wird. Der Controller U1 reguliert die LED-Anodenspannung durch Durchschalten und Sperren des Transistors Q1 während des Schaltzyklusintervalls. Der Transistor Q1 schaltet durch, wenn die Spannung am Stift 3 weniger als 1,25 Volt be trägt, ausgenommen dann, wenn der Strom den Spitzenwert, der durch die SEN-Spannung, die in der beispielhaften Ausführungsform etwa 130 mV beträgt, und durch die Messwiderstände R8 und R9 bestimmt wird, überschreitet. Der Transistor Q1 schaltet bei dem nächsten Schaltintervall erneut durch. Wenn der Transistor Q1 sperrt, wechselt der Strom in der Induktionsspule L1 infolge der Spannungsumkehr an der Induktionsspule L1 seine Richtung und fließt über die Diode D1 in den Ausgangskondensator C4. In jedem Schaltzyklus wird ein Anteil der in der Induktionsspule L1 gespeicherten Energie zu dem Kondensator C4 übertragen. Der Transistor Q1 schaltet am Anfang des nächsten Schaltzyklus erneut durch.
Der Schaltregulator U1 verändert in Reaktion auf die Fehlerspannung am Stift 3 augenblicklich den erfassten Spitzenstrom, der seinerseits die Ausgangsspannung 36 als Funktion des LED-Stroms reguliert. Um den LED-Strom zu reduzieren, reduziert der Controller U1 effektiv den durch seinen internen PWM-Mechanismus erfassten Spitzenstrom. Die Strombetriebsart liefert das schnellste Einschwingverhalten; jedoch kann die Ausführung der Strombetriebsart mit dem Lieferanten des Schalt-Controller-IC variieren. Alternativ verwenden andere Schalt-Controller-ICs allein die Spannungsbetriebsart, wobei nur die Ausgangsspannung erfasst wird. Obwohl die beispielhafte Schaltung 20 die Strombetriebsart verwendet, um die Spannungsabgabe zu regulieren, kann speziell für den ständigen LED-Betrieb ein Spannungsbetriebsart-Controller-IC verwendet werden. Wie in 3 weiter gezeigt ist, wird die Schaltleistungsversorgung 32 in einer Operationsverstärker-Betriebsart verwendet, bei der die Verstärkung durch einen Rückkopplungswiderstand R4 über dem Spannungsformungsverstärker-Vorspannungswiderstand R5 bestimmt wird. Da der Schaltregulator-Controller U1 eine interne Bandabstandsreferenz von etwa 1,25 Volt besitzt, ist die maximale Ausgangsspannung des Versor gungsspannungssignals 36 gleich Vmax = 1,25 × (R4/(R6| |R5) +1). Die Betriebsverstärkung der Schaltleistungsversorgung 32 ist gleich R4/R5. Die Schaltleistungsversorgung 32 wirkt im Wesentlichen als invertierender Operationsverstärker mit einer Offsetspannung von etwa 1,25 Volt an seinem differentiellen Eingang. Typische Schaltleistungsversorgungs-PWM-Regulator-Chips werden im Allgemeinen nicht in dieser Weise verwendet, da die gewöhnliche Nutzung eine feste Ausgangsspannung ist. Eine richtige Kompensation der Schaltleistungsversorgung 32 ist daher kritisch. Obwohl die beispielhafte Schaltung 20 eine Strombetriebsart-Schaltleistungsversorgung verwendet, ist die Schaltung 20 nicht auf diesen Typ beschränkt.
Der Stromverstärker 26 der beispielhaften Schaltung 20 ist in 4 gezeigt. Der beispielhafte Stromverstärker 26 arbeitet als Spannungsfolger, der einen mit der Source eines Transistors Q2 gekoppelten Messwiderstand R30 besitzt. Der Drain des Transistors Q2 ist mit der Katode der LED 22 verbunden. Der durch die LED 22 fließende Strom wird an dem Messwiderstand R30 gemessen. Ein Operationsverstärker U6 ist als Differenzverstärker konfiguriert und liefert ein Spannungsrückkopplungssignal über einen Widerstand R26 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers U5. Der Operationsverstärker U5 vergleicht die Rückführspannung mit dem Befehlssignal 24, das über Widerstände R34 und R28 an dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U5 empfangen wird. Das Befehlssignal 24 kann beispielsweise von der Bilderzeugungssteuerung 48 (2) empfangen werden. Das Befehlssignal 24 kann durch einen Digital-Analog-Umsetzer (DAC) bereitgestellt werden, der ein digitales Befehlssignal in ein Befehlssignal 24 mit einer analogen Ausgangsspannung umsetzt.
Die Spannung an einem Kondensator C17, der zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U5 und den Ausgang des Operationsverstärkers U5 geschaltet ist, verändert sich, bis der invertierende Eingang und der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers U5 ausgeglichen sind, d. h. bis zu dem Punkt, an dem der durch das Befehlssignal 24 bestimmte gewünschte Strom durch die LED 22 fließt und an dem Widerstand R30 erfasst wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers U5 ist über einen Widerstand R27 mit dem Gate des Transistors Q2 gekoppelt, wodurch der Fluss des Stroms durch die LED 22 reguliert wird. Der Stromverstärker 26 kann abgeschaltet werden, indem ein Hochpegelsignal an das Gate eines Transistors Q3 gelegt wird, der den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U5 auf Tiefpegel zieht, wobei der invertierende Eingang des Operationsverstärkers U5 über einen Widerstand R25 mit einer positiven Spannungsversorgung gekoppelt ist, weshalb der Transistor Q2 sperrt und den Stromfluss durch die LED 22 unterbricht. Die Regulierung des Versorgungsspannungssignals verschafft der LED 22, sowie dem Transistor Q2 und dem Messwiderstand R30 einen solchen Spannungspegel, dass der Transistor Q2 den Stromfluss linear steuert, d. h. außerhalb des Sättigungsbereiches arbeitet, und eine minimale Leistung abgibt.
In 5 ist die Spannungsversorgung 70 eine typische Spannungsregulierungsschaltung, die bei der beispielhaften Schaltung 20 Vcc von 5 Volt bereitstellt. Jedoch hängt die obere Sättigung des Operationsverstärkers U4 direkt von der Genauigkeit der 5-Volt-Versorgungsspannung ab. Die obere Sättigung des Operationsverstärkers U4 beeinflusst die minimale LED-Anodenversorgungsspannung.
Der FSYNC-Stift 1 ist ein besonderes Merkmal des für die beispielhafte Schaltung 20 gewählten Controller-IC. FSYNC ermöglicht das Steuern des Schaltintervalls des Schaltleistungsversorgungs-IC durch eine externe Frequenz. Der Stift 7 des Controllers U1 wird auf Tiefpegel gehalten, wobei der Wert eines Widerstands R2 die Frequenz auf etwa 300 Kilohertz festlegt. SEN in Verbindung mit den parallelen R8 und R9 erfasst den Spitzenstrom in der Induktionsspule L1. Das Vorspannungssignal 62, das von dem Ausgang des Operationsverstärkers U4 dem Gate des Transistors Q2 aufgeschaltet wird, ist wegen der Wechselwirkung der dynamischen Spannung der Leistungsversorgung 32 mit dem linearen Stromverstärker 26 erforderlich, um die Drain-Kapazität des Drain des Transistors Q2 zu kompensieren.
In 6 ist das Versorgungsspannungssignal 36 eine von der Schaltleistungsversorgung 32 zugeführte regulierte Spannung, die angenähert gleich der Summe aus der Vorrichtungsspannung 38, d. h. dem Spannungsabfall an der LED 22, und der für den linearen Betrieb des Stromverstärkers 26 erforderlichen zusätzlichen Spannung ist. Die zusätzliche Spannung kann fest sein; beispielsweise beträgt die vorgegebene Vorspannung 40 bei der beispielhaften Schaltung 20 etwa 2 Volt. Die vorgegebene Vorspannung 40 ist angenähert gleich der minimalen Spannung an dem Stromverstärker 26, genauer dem Transistor Q2 und dem Widerstand R30. Der Wert der vorgegebenen Vorspannung 40 stellt eine lineare Stromregulierung durch den Transistor Q2 sicher und umfasst eine zusätzliche Spannung, um die Anstiegsgeschwindigkeitsgrenzen der Schaltleistungsversorgung 32 und die Toleranz von Rückkopplungswiderständen und der 5-Volt-Versorgungsspannung in Einklang zu bringen.
Die Kombination aus der Bandabstands-Referenzspannung, der 5-Volt-Versorgungsspannung und den Widerständen von 3 trägt insgesamt zur Bestimmung der Ausgangsspannung 36 bei. Die Widerstände des Spannungsmessverstärkers 28 und die Widerstände, die mit dem Rück kopplungsstift 3 des Controllers U1 direkt verbunden sind, tragen wesentlich zur Bestimmung der Ausgangsspannung 36 bei. Außerdem tragen auch R13 und R10 des Spannungsformungsverstärkers 30 zur Bestimmung der Ausgangsspannung 36 bei. Die Empfindlichkeit dieser Widerstandstoleranzen verändert sich als Funktion des Arbeitspunktes auf der in 6 gezeigten Kurve. Bei der maximalen und der minimalen LED-Anodenspannung ist die Schaltversorgungsausgangsgröße durch die interne Bandabstandsspannung des Controllers U1, die Sättigungsspannungen des Operationsverstärkers U4 und die Widerstände R3, R4 und R6 definiert. Zwischen dem maximalen und dem minimalen Spannungsgrenzwert steuern die Widerstände R11, R12, R14, R15, R13, R16, R17, R18 und R10 die Steilheit. Außerdem besteht eine Wechselwirkung zwischen der oberen Sättigungsspannung des U4 und der durch R16, R17 und R18 definierten Abfangung. Diese Abfangung tritt bei der Sättigungsspannung des Operationsverstärkers U4 (von etwa 4,85 Volt) ein, wenn die Spannung an der LED 22 etwa 16,0 Volt beträgt. Bei Spannungen über 16,0 Volt nimmt die Ausgangsgröße des Operationsverstärkers U4 ab, wenn der Spannungsabfall an der LED 22 zunimmt. Bei dem maximalen LED-Spannungsabfall von etwa 36 Volt ist die untere Sättigungsspannung von etwa 0,15 Volt erreicht, wobei die LED-Anodenspannung maximal ist.
Der Spannungsformungsverstärker 30 ermöglicht, dass die Schaltleistungsversorgung 32 das Leistungsversorgungsspannungssignal 36 bereitstellt, wie in 6 gezeigt ist. Das Vorspannungssignal 62, die Ausgangsgröße des Spannungsformungsverstärkers 30, sättigt an beiden Enden zwischen Masse und Vcc. Der beispielhafte Spannungsformungsverstärker 30 verwendet einen Schiene-zu-Schiene-Operationsverstärker U4. Die zwei Sättigungspegel des Spannungsformungsverstärkers 30 definieren die Grenzwerte des Versorgungsspannungssignals 36. Eine maximale Span nung des Versorgungsspannungssignals 36 wird durch die minimale Ausgangsgröße (Masse) des Spannungsformungsverstärkers 30 festgelegt. Umgekehrt wird die minimale Ausgangsgröße des Versorgungsspannungssignals 36 durch die Vcc-Sättigung des Spannungsformungsverstärkers 30 festgelegt. Die zwei Spannungsgrenzwerte der Schaltleistungsversorgung 32 werden durch den Rückkopplungsfaktor und das von dem Spannungsformungsverstärker 30 gelieferte Vorspannungssignal festgelegt, wie in den 3 und 6 gezeigt ist.
Wenn die Vorrichtungsspannung 38 an der LED 22 kleiner als die minimale Betriebsspannung (6) ist, liegt das von der Schaltleistungsversorgung 32 gelieferte Versorgungsspannungssignal 36 bei einem Minimum, weil der Spannungsformungsverstärker 30, genauer der Operationsverstärker U4, bei Vcc gesättigt ist. Wenn das befohlene Versorgungsspannungssignal 36 größer als die maximale Spannung ist, liegt das von der Schaltleistungsversorgung 32 gelieferte Versorgungsspannungssignal 36 auf der maximalen Spannung, weil der Spannungsformungsverstärker 30, genauer der Operationsverstärker U4, bei Masse gesättigt ist.
Das in der Skalierung des Spannungsformungsverstärkers 30 eingebettete Vorspannungssignal 40 (6) sollte eine Spannung für das Versorgungsspannungssignal 36 befehlen, die etwas größer als erforderlich ist, um eine Sättigung des Linearverstärkers 26, die zu keiner Stromregulierung führt, zu vermeiden. Bei der beispielhaften Schaltung 20 wird der Spannungsabfall des Linearverstärkers 32 zugunsten maximaler Strompegel auf etwa 2 Volt (Drain-Spannung des Transistors Q2) reguliert. Die Verwendung von Präzisions-Widerstandsnetzen bei dem Spannungsabfall-Messverstärker 28, bei dem Spannungsformungsverstärker 30 und für die Rückkopplungswiderstände R4, R5 und R6 der Schaltleistungsversorgung 32 erlaubt eine niedrigere vorgegebene Vorspannung, die dem minimalen Spannungsabfall des Transistors Q2 von etwa 0,5 Volt nahe kommt. Jedoch bleiben die Genauigkeiten der internen Bandabstandsreferenz des Schaltregulator-Controllers U2 und der 5-Volt-Versorgungsspannung einschränkende Faktoren.
Bei der beispielhaften Schaltung 20 beträgt die Spitzenverlustleistung des Linearverstärkers 26 etwa 2 Volt, multipliziert mit dem befohlenen Strom, was insgesamt etwa 4 Watt ergibt. Wenn herkömmliche unregulierte Leistungsversorgungslösungen verwendet werden, ergibt sich eine typische Spitzenverlustleistung von 20 Watt oder mehr.
Das Versorgungsspannungssignal 36 kann heruntergeteilt werden. Bei der beispielhaften Schaltung 20 ist die minimale Spannung des Versorgungsspannungssignals 36 durch die minimal annehmbare Verlustleistung des Stromverstärkers 26 bei Niedrigstrombetrieb festgelegt. An diesem Punkt ist die Spannung des Linearverstärkers 26 gleich der minimalen Spannung des von der Schaltleistungsversorgung 32 gelieferten Versorgungsspannungssignals 36. Bei der beispielhaften Schaltung 20 ist der Niedrigstrombetrieb kleiner als 0,1 Ampere, was zu einer Verlustleistung von etwa 1,8 Watt führt. Bei der beispielhaften Schaltung 20 ist die maximale Spannung für das Versorgungsspannungssignal 36 durch die maximale Vorrichtungsspannung 38, den maximalen Spannungsabfall der LED 22 bei dem maximalen befohlenen Strom, festgelegt. Bei der beispielhaften Schaltung 20 beträgt das maximale Versorgungsspannungssignal 36 etwa 38 Volt für zwei in Reihe geschaltete LED-Gruppen und bei einem befohlenen Strom von 2 Ampere.
Bei der für das Bilderzeugungssystem 41 beschriebenen Anwendung, die in 2 gezeigt ist, muss die beispielhafte Schaltung 20 die LED 22 nicht ständig treiben; daher wird der Stromverstärker 26 an dem Transistor Q3 (4) periodisch abgeschaltet. In 3 umfasst die Schaltleistungsversorgung 36 einen Speicherkondensator C4, der das Versorgungsspannungssignal 36, auf der letzten befohlenen Spannung basierend, "parkt". Wenn der Stromverstärker 26 abgeschaltet ist, ist die Schaltleistungsversorgung 32 unbelastet. Vorteilhafterweise minimiert das Parken des Versorgungsspannungssignals 36 bei der letzten befohlenen Spannung die Anstiegszeit des Versorgungsspannungssignals 36 und minimiert oder beseitigt den Einfluss der Anstiegsgeschwindigkeiten der Schaltleistungsversorgung 32. Daher kann die Verlustleistung des Linearverstärkers 26 kleiner als oben berechnet sein, da der Linearverstärker 26 zu Beginn gesättigt ist, wobei er sich auf den durch das Befehlssignal 24 befohlenen Stromfluss einrichtet. Außerdem verhindert das Parken des Versorgungsspannungssignals 36 zwischen Perioden des Treibens der LED 22 eine übermäßige Spitzenbildung des LED-Stroms, weil die Schaltleistungsversorgung 32 anfänglich unbelastet ist und leicht absinkt, wenn der Stromverstärker 26 wieder angeschaltet wird. Als Folge liegt der anfängliche Stromfluss durch die LED 22 sehr nahe bei jenem, der durch das Befehlssignal 24 befohlen wird.
In 7 ist ein Verfahren zum Steuern des Stromflusses durch eine elektrische Vorrichtung bei minimaler Verlustleistung infolge der Stromregulierung gezeigt. Zum Zweck der Veranschaulichung wird das in 7 gezeigte Verfahren 100 beschrieben, wie es durch die beispielhafte Schaltung 20 ausgeführt wird; jedoch können die Schritte des Verfahrens 100 unter Verwendung anderer Hardware- und/oder Softwareausführungsformen ausgeführt werden. Beispielsweise kann eine beispielhafte Ausführungsform einen Mikroprozessor umfassen, der das Befehlssignal 24 empfängt und eine Software zum Bestimmen von Ausgangssignalen unter Verwendung eines Analog-Digital-Umsetzers und von Digital-Analog-Um setzern zum Ansteuern eines linearen Stromverstärkers und eines Versorgungsspannungsregulators besitzt.
Das Verfahren 100 beginnt im Schritt 102. Im Schritt 104 wird ein Betriebsspannungsvorwert (Betriebsspannungs-Bias) bestimmt. Bei der beispielhaften Schaltung 20 weist der Spannungsformungsverstärker 30 eine feste vorgegebene Vorspannung 40 auf, die wie oben besprochen bestimmt wird. Im Schritt 106 wird ein LED-Beleuchtungspegel spezifiziert; genauer wird dem Stromverstärker 26 das Befehlssignal 24 bereitgestellt.
Im Schritt 108 wird der Stromfluss durch die LED 22, der den spezifizierten Beleuchtungspegel bewirkt, bestimmt. Genauer reguliert der Stromverstärker 26 den Stromfluss durch die LED 22 linear anhand eines von dem DAC U7 empfangenen Befehlssignals 24.
Im Schritt 110 wird der erforderliche Stromfluss durch die LED 22 festgelegt. Genauer misst der Stromverstärker 26 den Stromfluss durch die LED 22 an einem Messwiderstand R30 und verwendet eine Spannungsfolgerkonfiguration aus den Operationsverstärkern U5 und U6 und zugehörigen Komponenten, um den Stromfluss an dem Transistor Q2 zu regulieren.
Im Schritt 112 wird der Spannungsabfall an der LED 22 gemessen. Genauer misst der Spannungsabfall-Messverstärker 28 die Spannungsdifferenz zwischen der Katode und der Anode der LED 22.
Im Schritt 114 wird die der LED 22 gelieferte Leistungsversorgungsspannung festgelegt. Genauer empfängt die Schaltleistungsversorgung 32 das Vorspannungssignal 62 von dem Spannungsformungsverstärker 30 und dem Spannungsabfall-Messverstärker 28, um das Versorgungsspan nungssignal 36, das der Anode der LED 22 bereitgestellt wird, linear zu regulieren.
Im Schritt 116 ist das Verfahren 100 abgeschlossen.

Nachstehend ist eine Tabelle angegeben, die beispielhafte Komponentenwerte für die 3–5 auflistet. TABELLE 1

C1	22 nF
C16	0,1 μF
C17	2200 pF
C18	0,1 μF
C2	0,1 μF
C20	0,047 μF
C3	100 μF
C4	220 μF
C41	0,1 μF
C42	3300 pF
C43	47 μF
C44	47 pF
C45	10 μF
C46	100 pF
C47	0 pF
C6	0,01 μF
C7	0 pF
C8	0,1 μF
C9	0,1 μF
D1	1N5822
D2	MBR0540T3
D3	RB160L-40
L1	10 μH
L4	120 nH
L5	120 nH
Q1	IRLZ44N/TO
Q2	IRLZ44N/TO
Q3	BS170F/SOT
R1	20
R10	10 k
R11	10 k 0,1%
R12	100 k 0,1%
R13	4,02 k
R14	100 k 0,1%
R15	10 k 0,1%
R16	2,67 k
R17	10 k
R18	3,32 k
R2	30 k
R25	5,1 M
R26	316k
R27	1 k
R28	301 k
R29	10 k
R3	4,7 k
R30	0,0449 2 W
R31	10 k
R32	392 k
R33	392 k
R4	46,4 k 0,1%
R5	1,0 k
R50	1,0 k
R6	1,81 k 0,1%
R7	0,0
R8	0,0665 2 W
R9	0,0665 2 W
U1	LM3488
U3	LM7301
U4	LM7301
U5	LM7301
U6	AD8551
U7	MAX5381
U9	LT1376-5
LED 1	OTLH-0070-IR
LED 2	OTLH-0070-IR

Selbstverständlich können im Umfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, weitere Ausführungsformen liegen.

Claims

Schaltung (20) zum Versorgen einer Vorrichtung (22) mit Leistung, wobei die Schaltung (20) umfasst: eine Leistungsversorgung (32), um für die Vorrichtung (22) ein Versorgungsspannungssignal (36) bereitzustellen; einen Stromverstärker (26), der so angeschlossen ist, dass er das Versorgungsspannungssignal (36) zu der Vorrichtung (22) mit einem gesteuerten Strom liefert, der in Abhängigkeit von einem Befehlssignal (24) linear reguliert wird; eine Spannungsmessvorrichtung (28), die geeignet ist, eine über der Vorrichtung (22) gemessene Vorrichtungsspannung (60) bereitzustellen; wobei das Versorgungsspannungssignal (36) durch die Leistungsversorgung (32) anhand der gemessenen Vorrichtungsspannung (60) reguliert wird, um die Verlustleistung im Stromverstärker minimal zu machen; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (22) eine LED ist; die Schaltung ferner eine Vorspannungsschaltung (30) umfasst, die die Vorrichtungsspannung (60) empfängt und ein Vorspannungssignal (62) für einen Steuereingang (U1) der Leistungsversorgung (32) bereitstellt, wobei das Vorspannungssignal (62) durch die Vorspannungsschaltung (30) derart festgelegt wird, dass das Versorgungsspannungssignal (36) so reguliert wird, dass es angenähert gleich der Vorrichtungsspannung (60) zuzüglich einer vorgegebenen Vorspannung (40) ist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die vorgegebene Vorspannung (40) ungefähr anhand des minimalen Versorgungsspannungssignals (62), das bei dem maximalen Befehlssignal erforderlich ist, um eine Sättigung des Stromverstärkers (26) zu vermeiden, bestimmt wird, wodurch ein linearer Betrieb bei minimaler Verlustleistung geschaffen wird.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Stromverstärker (26) so beschaffen ist, dass er den Stromfluss durch die Vorrichtung (22) beendet, um dadurch die Vorrichtung (22) vorübergehend zu sperren.
Schaltung nach Anspruch 3, bei der der Stromverstärker (26) einen Transistor (Q2) enthält, wovon wenigstens eine Source oder ein Drain mit der Vorrichtung (22) verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 4, bei der der Stromverstärker (26) eine Stromerfassungsvorrichtung (R7) enthält, die mit der Vorrichtung (22) und/oder dem Transistor (Q2) gekoppelt ist; und der Stromverstärker einen Spannungsfolger (U5) enthält, der zwischen die Stromerfassungsvorrichtung (R7) und ein Gate des Transistors (Q2) geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Leistungsversorgung (32) eine impulsbreitenmodulierte Schaltleistungsversorgung ist, die so konfiguriert ist, dass sie als linear einstellbare Spannungsversorgung arbeitet.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Vorspannungsschaltung (30) einen Differenzverstärker (U4) enthält, der die Vorrichtungs spannung und ein Signal (60) anhand der vorgegebenen Vorspannung empfängt.
Schaltung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der das Befehlssignal (24) durch eine Steuereinheit (48) anhand eines gewünschten Beleuchtungspegels der Beleuchtungsquelle bereitgestellt wird.
Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung, das die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen eines Beleuchtungspegels (106); Bestimmen des Stromflusses durch die Vorrichtung, der notwendig ist, um den Beleuchtungspegel (108) bereitzustellen; Begrenzen des Stromflusses durch die Vorrichtung auf den vorgegebenen Pegel (110); Bestimmen der Spannung über der Vorrichtung bei dem vorgegebenen Stromfluss (112); gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtung eine LED ist; und durch Bestimmen einer Vorspannung (104); und Bereitstellen ungefähr der Summe aus der Vorspannung und der Spannung über der LED (114) für die LED.