DE60306360T2 - Stromversorgungssystem und vorrichtung - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Stromversorgung im Allgemeinen, und insbesondere ein geschaltetes Netzteil mit programmierbarer Digitalsteuerung.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • In vielen Bereichen der modernen Gesellschaft ist eine zuverlässige Stromversorgung entscheidend für die einwandfreie Funktion elektrischer Geräte. Ein solcher Bereich ist die Mobilfunktelefonie, wo die Nutzer von Mobilfunktelefonen erwarten, dass das Mobilfunknetz ohne Störungen arbeitet. Bei solchen Mobilfunknetzen werden geschaltete Netzteile benutzt, um die Spannung vom Hauptnetz in eine gleichmäßige Gleichspannung umzuwandeln, die an verschiedene Lasten zur Verfügung gestellt werden kann, z.B. Funksende- und Empfangsgeräte. Bei einem geschalteten Netzteil werden Transistoren gemäß einem variablen Nutzzyklus ein- und ausgeschaltet, um die gewünschten Ausgangskennlinien der Stromversorgung zu erzielen. Außerdem ist ein geschaltetes Netzteil oft zusätzlich mit einer Batterie verbunden, um die Batterie aufzuladen, damit die Batterie die Stromversorgung übernehmen kann, falls das Hauptnetz ausfallen sollte. Ein Beispiel eines geschalteten Netzteils ist beschrieben in A new improved rectifier for Standard telecom systems, Telescon 97, Budapest, 22.–24. April 1997.
  • In „Digital control of a single-stage single-switch flyback PF AC/DC converter wich fast dynamic responses" von Feng, Y.-Y. et al; 2001 IEEE 32nd Annual Power Electronics Spezialist Conference 2001, Vancouver, Kanada, Band 2, S. 1251–1256, ist ein einstufiger Einschalter-AC/DC-Wandler offenbart.
  • Dokument US-A-5,815,381 offenbart ein geschaltetes Netzteil (Switched Mode Power Supply – SMPS) gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein Problem, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist, wie ein verbessertes geschaltetes Netzteil und ein verbessertes Stromversorgungssystem bereitgestellt werden können.
  • Dieses Problem wird durch ein geschaltetes Netzteil mit den Merkmalen wie in Anspruch 1 gelöst.
  • Das Bereitstellen einer programmierbaren Digitalschaltung auf der Primärseite der Isolationsbarriere erlaubt es der programmierbaren Digitalschaltung, das erste Schaltelement zu steuern, ohne dass das Steuersignal über die Isolationsbarriere gesendet werden muss. Die Beseitigung dieser Notwendigkeit, das Steuersignal über die Isolationsbarriere zu senden, macht es möglich, eine genauere Steuerung des Schaltelements zu erreichen, und so einen genauer erzeugten Wandlerstufennutzzyklus zu erhalten. Da die Übertragung des Steuersignals über die Isolationsbarriere eliminiert ist, ist auch das Risiko eines versehentlichen Brückenkurzschlusses durch die Schaltelemente (d.h. des gleichzeitigen Leitens von zwei Schaltelementen, was zu einem vorübergehenden Kurzschluss führt) aufgrund ungenauer Steuersignale eliminiert, und ärgerliche Verzögerungen werden eliminiert oder reduziert. Ein solcher Brückenkurzschluss kann anderenfalls aufgrund von Verzögerungen der Pulsüberträger zum Übertragen von Steuersignalen oder aufgrund von zufälligen Verzögerungen der Optokoppler auftreten. Außerdem wird die Anzahl von Signalen minimiert, die über die Isolationsbarriere übertragen werden müssen, so dass die Störungen des Systems minimiert werden.
  • In einer Ausführungsform des geschalteten Netzteils kann die Wandlerstufe in einem Modus (M2-3) zum Liefern einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsleistung arbeiten; und die Wandlerstufe kann in einem Modus (M3-5) zum Liefern eines im Wesentlichen konstanten Ausgangsstroms arbeiten.
  • In einer Ausführungsform des geschalteten Netzteils umfasst die programmierbare Digitalschaltung Mittel zum Empfangen eines Signals 725, das den Eingangsstrom der Wandlerstufe (Iint) darstellt;
    wobei die programmierbare Digitalschaltung dazu angepasst ist, den Ausgangsstrom (Iout) von dem Signal zu ermitteln, das den Eingangsstrom der Wanderstufe (Iint) darstellt; und wobei die programmierbare Digitalschaltung außerdem dazu angepasst ist, den ermittelten Wert (I ext / out) des Ausgangsstroms (Iout) bei der Steuerung des ersten Schaltelements zu benutzen.
  • Die Lösung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, das geschaltete Netzteil so zu steuern, dass das geschaltete Netzteil eine konstante Ausgangsleistung oder einen konstanten Ausgangsstrom auf der Sekundärseite liefert, während die Steuerung auf Signalen basiert, die nur auf der Primärseite der Isolationsbarriere erzielt werden. Daher kann der Ausgangsstrom ohne Messen des tatsächlichen Ausgangsstroms gesteuert werden.
  • Das oben genannte Problem wird auch durch ein Stromversorgungssystem gelöst, das wenigstens ein erstes geschaltetes Netzteil und ein zweites geschaltetes Netzteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 umfasst, wobei diese mit einer Verteilereinheit parallel verbunden sind.
  • Durch dieses geschaltete Netzteil und dieses Stromversorgungssystem werden eine erhöhte Zuverlässigkeit, eine erhöhte Flexibilität und gesenkte Herstellungskosten für geschaltete Netzteile und für Stromversorgungssysteme erreicht.
  • Die erste programmierbare Schaltung kann angepasst werden, um die Hauptnetzfrequenz zum Bestimmen des Timings der Neustartversuche des ersten geschalteten Netzteils zu benutzen, und die zweite programmierbare Schaltung kann angepasst werden, um die Hauptnetzfrequenz zum Bestimmen des Timings der Neustartversuche des zweiten geschalteten Netzteils zu benutzen. So wird eine genaue Synchronisierung der Neustartversuche des ersten und zweiten geschalteten Netzteils erreicht, und das Risiko eines Neustartfehlschlags aufgrund unsynchronisierter Neustarts des ersten und zweiten geschalteten Netzteils wird minimiert.
  • Das geschaltete Netzteil kann einen Vorregler aufweisen, der wenigstens ein zweites Schaltelement umfasst, und die programmierbare Digitalschaltung kann außerdem dazu angepasst sein, das zweite Schaltelement zu steuern. So wird erreicht, dass die Form und die Phase des Eingangsstroms mit Hilfe der programmierbaren Digitalschaltung reguliert werden können.
  • Das geschaltete Netzteil kann Mittel zum Messen einer Quantität, Mittel zum Erzeugen eines Referenzwerts der Quantität, und Mittel zum Erzeugen der Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Referenzwert der Quantität umfassen. Die programmierbare Digitalschaltung kann Mittel zum Umwandeln der Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Referenzwert der Quantität in eine digitale Darstellung umfassen. So wird erreicht, dass die Mittel zum Umwandeln in eine digitale Darstellung eine bescheidene Anzahl von Bits zur digitalen Darstellung benutzen können. Wie in Anspruch 1 definiert, ist die Quantität die Ausgangsspannung des geschalteten Netzteils.
  • In einer Ausführungsform des geschalteten Netzteils umfasst die Wandlerstufe vier Schaltelemente, die in einer Vollbrücke angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist die programmierbare Digitalschaltung dazu angepasst, die vier Schaltelemente zu steuern. So wird erreicht, dass die Wandlerstufe mit hoher Effizienz arbeiten kann. In einem Aspekt dieser Ausführungsform ist die programmierbare Schaltung dazu angepasst, ein pulsbreitenmoduliertes Signal zu erzeugen und an jedes der vier Schaltelemente zu senden. Die programmierbare Digitalschaltung ist außerdem dazu angepasst, eine Phasenverschiebung für zwei der vier pulsbreitenmodulierten Signale in Bezug auf die anderen zwei pulsbreitenmodulierten Signale anhand eines gewünschten Werts des Nutzzyklus der Wandlerstufe zu bestimmen. So wird erreicht, dass die Steuerung der Vollbrücke mit Hilfe der programmierbaren Digitalschaltung erzielt werden kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines demodulierenden geschalteten Netzteils mit zwei Regelstufen.
  • 2 ist ein Beispiel einer Wandlerstufe mit einer Vollbrücke.
  • 3 ist eine Darstellung der Ausgangsspannung der Vollbrücke der Wandlerstufe aus 2.
  • 4 ist ein Beispiel eines Vorreglers.
  • 5 ist ein Beispiel einer I-U-Kennlinie eines geschalteten Netzteils.
  • 6 ist ein Beispiel einer programmierbaren Digitalschaltung zur Benutzung zur Steuerung eines geschalteten Netzteils.
  • 7 ist eine schematische Darstellung eines geschalteten Netzteils mit einer Digitalsteuerung.
  • 7a ist eine schematische Darstellung eines geschalteten Netzteils mit einer Digitalsteuerung.
  • 7b ist eine schematische Darstellung eines geschalteten Netzteils mit einer Digitalsteuerung.
  • 7c ist eine schematische Darstellung eines geschalteten Netzteils mit einer Digitalsteuerung, das gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung arbeitet.
  • 7d ist eine schematische Darstellung eines geschalteten Netzteils mit einer Digitalsteuerung, das gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung arbeitet.
  • 8 ist eine schematische Darstellung, die die Regulierung zeigt, die durch die programmierbare Digitalsteuerung durchgeführt wird.
  • 8B ist ein Blockdiagramm, das einige weitere Details der Steuerung der Wandlerstufe zeigt.
  • 8C ist ein Blockdiagramm, das eine alternative Ausführungsform des Reglers 1240 zeigt, der das Wandlerstufennutzzyklus-Steuersignal 740 erzeugt, und eines Rückführreglers 1250B aus 8B.
  • 9 zeigt die Steuerung der Schaltelemente einer Wandlerstufe mit einer Vollbrücke.
  • 10 ist ein Beispiel eines Stromversorgungssystems, das mehrere geschaltete Netzteile umfasst.
  • 11 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das zeigt, wie das Timing eines Neustarts eines geschalteten Netzteils durch Benutzung der Hauptnetzfrequenz bestimmt werden kann.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Ein geschaltetes Netzteil (Switched Mode Power Supply – SMPS) 100 ist schematisch in 1 gezeigt. Das in 1 gezeigte SMPS ist ein Gleichrichter, der ein Eingangsfilter 105 mit Anschlüssen 110A und 110B umfasst, an die die Hauptnetzspannung Uac angeschlossen werden kann. Der Ausgang von Filter 105 ist an den Eingang einer Diodenbrücke 115 angeschlossen, wodurch eine angelegte Hauptnetzspannung Uac gleichgerichtet wird. Die Ausgangsseite der Diodenbrücke 115 ist an den Eingang eines Vorreglers 120 angeschlossen, wobei der Ausgang des Vorreglers 120 an den Eingang einer Wandlerstufe 125, und der Ausgang der Wandlerstufe 125 an einen Ausgangsfilter 130 angeschlossen ist. Das SMPS 100 kann über Ausgangsanschlüsse 135A und 135B des Ausgangsfilters 130 an eine Last angeschlossen sein. Wenn eine Hauptnetzspannung Uac an das SMPS 100 angelegt wird, wird eine gleichgerichtete Spannung Uin, die als die Eingangsspannung bezeichnet wird, an dem Ausgang der Diodenbrücke 115 erzeugt. Eine intermediäre Spannung Uint wird an dem Ausgang des Vorreglers 120 erzeugt. Die Spannung an dem Ausgang der Wandlerstufe 125 wird als die Ausgangsspannung Uout bezeichnet. Das Ausgangsfilter 130 dient zum Filtern der Ausgangsspannung, während das Eingangsfilter 105 hauptsächlich zum Schutz des Hauptnetzes vor Störungen dient, die das SMPS 100 möglicherweise verursachen könnte.
  • Wenn eine Last an SMPS 100 angelegt wird, fließt ein Eingangsstrom Iin in Vorregler 120. Der Ausgangsstrom von Vorregler 120 wird als intermediärer Strom Iint bezeichnet, welcher der Eingangsstrom für die Wandlerstufe 125 ist. Der Ausgangsstrom der Wandlerstufe 125 wird als der Ausgangsstrom Iout bezeichnet. Wie in 1 zu sehen, ist SMPS 100 ein Gleichrichter, der zwei Regelstufen umfasst, d.h. einen Vorregler 120 und eine Wandlerstufe 125, und der deshalb als ein Zweistufengleichrichter bezeichnet werden kann.
  • SMPS 100 aus 1 umfasst außerdem eine Isolationsbarriere 140, die die Eingangsanschlüsse 110 des SMPS 100 von den Ausgangsanschlüssen 135 des SMPS 100 elektrisch isoliert. Die Isolationsbarriere 140 ist vor allem aus Sicherheitsgründen vorgesehen, stellt jedoch auch die Möglichkeit bereit, ein Potential zu wählen, mit dem die Last angeschlossen ist. In 1 ist die Isolationsbarriere 140 als in der Wandlerstufe 125 angeordnet gezeigt. Der Teil des SMPS 100, der in 1 links von der Isolationsbarriere 140 angeordnet ist, wird im Folgenden als auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 angeordnet bezeichnet, während der Teil des SMPS 100, der rechts von der Isolationsbarriere angeordnet ist, als auf der Sekundärseite der Isolationsbarriere 140 angeordnet bezeichnet wird.
  • Die Wandlerstufe 125 umfasst wenigstens ein Schaltelement, wodurch die Ausgangskennlinien des SMPS 100 gesteuert werden. Ein Beispiel einer Wandlerstufe 125 ist in 2 gezeigt. Die Wandlerstufe aus 2 ist ein DC/DC-Wandler 125, der eine Vollbrücke mit vier Schaltelementen 205A bis D umfasst. Der Ausgang der Vollbrücke 200 ist an die Primärseite eines Transformators 210 angeschlossen. Der Transformator 210 stellt für das SMPS 100 unter anderem die Isolationsbarriere 140 bereit. Daher umfasst die Isolationsbarriere 140 einen Transformator 210 mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei der Transformator elektromagnetische Induktion benutzt, um elektrische Energie von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung ohne direkten elektrischen Kontakt zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung zu übertragen.
  • Auf der Sekundärseite des Transformators 210 ist ein Gleichrichterelement 215 an jede Zuführung der Transformatorwicklung angeschlossen. Die Ausgänge der Gleichrichterelemente 215 sind an einen Induktor 220 angeschlossen. Ein Kondensator 230 ist parallel an den Ausgang der Wandlerstufe 125 angeschlossen. Die Wandlerstufe 125 könnte vorteilhaft außerdem Schaltungen zum Antreiben der Schaltelemente 205 aufweisen, was nicht in 2 dargestellt ist.
  • Die Schaltung der Schaltelemente 205A bis D der Wandlerstufe 125 aus 2 kann so gesteuert werden, dass der Wandlerstufennutzzyklus D gesteuert werden kann. In 3 ist die Spannung auf der Primärseite des Transformators 210, Uprimary, als eine Funktion der Zeit t gezeigt. Der Wandlerstufennutzzyklus D ist definiert als:
    Figure 00090001
    wobei T die Periode der Spannung auf der Primärseite des Transformators 210, Uprimary, ist, und t1 und t2 die Zeitspannen sind, während derer die Einstellung der Schaltelemente von Vollbrücke 200 ein Nicht-Null Uprimary während der positiven bzw. negativen Hälften einer Periode T ergibt. Der Wandlerstufennutzzyklus D kann durch Variieren der Schaltung der Schaltelemente 205 variiert werden, so dass ein gewünschtes Ausgangssignal am Ausgang von SMPS 100 erzeugt wird.
  • Bei der Wandlerstufe 125 aus 2 kann die Vollbrücke 200 durch ein einzelnes Schaltelement 205, durch zwei Schaltelemente 205, oder durch jede beliebige Zahl von Schaltelementen 205 ersetzt werden, wodurch ein steuerbarer Wandlerstufennutzzyklus D erzeugt werden könnte.
  • In vielen Anwendungen von SMPSs 100 ist es wichtig, dass die Form und die Phase des Eingangsstroms Iin steuerbar ist, und eine solche Steuerung des Eingangsstroms Iin kann vorzugsweise mit Hilfe eines Vorreglers 120 durchgeführt werden. Beispielsweise ist es in Starkstromanwendungen wichtig, dass der Eingangsstrom Iin und die Eingangsspannung Uin die gleiche Phase aufweisen, da eine Phasenverschiebung zwischen dem Eingangsstrom Iin und der Eingangsspannung Uin eine Verlustleistung verursachen kann, und eine solche Verlustleistung beträchtliche Verluste verursachen würde, da die von dem SMPS 100 bereitgestellte Leistung hoch ist. Durch Steuern der Form des Eingangsstroms Iin können Obertonsignale minimiert werden. Solche Obertonsignale würden zu Verlusten führen und könnten außerdem andere Nutzer des Hauptnetzes stören. Neben der Steuerung des Eingangsstroms kann ein Vorregler 120 eine Verstärkung der Eingangsspannung Uin bereitstellen, so dass Uout>Uin. Außerdem kann ein Vorregler eine konstante intermediäre Spannung Uint bereitstellen, die als der Eingangsstrom für die Wandlerstufe 125 benutzt wird. Ein konstanter intermediärer Strom erleichtert die Abmessung einer effizienten Wandlerstufe 125.
  • Ein Beispiel eines Vorreglers 120 ist in 4 gezeigt. Der Vorregler 120 aus 4 ist ein Verstärkungsvorregler mit Leistungsfaktorkorrektur, der als Ausgang eine konstante intermediäre DC-Spannung Uint bereitstellt. Das Ziel der Leistungsfaktorkorrektur ist es, den Eingang von SMPS 100 dazu zu bringen, ein rein resistives Verhalten an den Tag zu legen. Der Vorregler 120 aus 4 weist zwei Eingangsanschlüsse 405A bzw. 405B auf, sowie zwei Ausgangsanschlüsse 410A und 410B. Ein Induktor 415 ist an Eingangsanschluss 405A angeschlossen. Auf der anderen Seite von Induktor 415 ist ein Schaltelement 420 angeschlossen, das außerdem an Eingangsanschluss 405B angeschlossen ist. Zwischen Eingangsanschluss 405B und Schaltelement 420 kann ein Widerstand 425 eingefügt werden, der zum Messen des Eingangsstroms Iin benutzt werden kann. Parallel zu dem Schaltelement 420 ist eine serielle Verbindung eines Gleichrichterelements 430 und eines Kondensators 435 angeschlossen. Die Ausgangsspannung des Vorreglers 120, d.h. die intermediäre Spannung Uint, ist die Spannung für Kondensator 435. Der Kondensator 435 speichert Energie, wenn die Eingangsspannung Uin hoch ist, und gibt Energie frei, wenn die Eingangsspannung niedrig ist, um eine konstante Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten. Durch Variieren der Ein- und Auszeit des Schaltelements 420 kann der Eingangsstrom Iin gesteuert werden. Außerdem kann eine konstante intermediäre Spannung Uint erzielt werden. Die Konfigurierung des Vorreglers 120 aus 4 könnte in verschiedener Weise variiert werden. Beispielsweise können eine Schaltung 440 mit einem Schalter 445, und ein Widerstand 450, der parallel angeschlossen ist, vorteilhaft an den Eingangsanschluss 405A angeschlossen sein. Die Schaltung 440 könnte benutzt werden, um den Eingangsstrom Iin zu begrenzen, wenn das SMPS 100 an die Hauptnetzspannung Uac angeschlossen ist. Außerdem könnte ein Kondensator 455 zwischen den Eingangsanschlüssen 405A und 405B angeschlossen sein, wobei der Kondensator 455 das Hauptnetz vor Brummspannungen schützt, die durch das Schalten des Schaltelements 420 erzeugt werden.
  • In 5 ist ein Beispiel wünschenswerter Kennlinien von SMPS 100 in einem I-U-Diagramm gezeigt. An der Stelle des Diagramms, die durch Nummer 1 bezeichnet ist, ist keine Last an SMPS 100 angelegt, und daher liegt kein Ausgangsstrom Iout vor. Die Ausgangsspannung Uout liegt an diesem Punkt bei der Nennspannung Unom. Ein häufig benutzter Wert ist 48 V, obwohl die Nennspannung je nach Anwendung jeden beliebigen Wert annehmen kann. Während die Last erhöht wird, erhöht sich der Ausgangsstrom Iout, während die Ausgangsspannung Uout konstant auf der Nennspannung Unom gehalten wird. Im Lastbereich zwischen den Punkten im Diagramm, die durch Nummer 1 und Nummer 2 bezeichnet sind, wird das SMPS 100 gemäß einer konstanten Spannungsregelung gesteuert. Der durch Nummer 2 bezeichnete Punkt stellt den Strom bei Nennspannung dar, wobei die Ausgangsleistung von SMPS 100 ihren Höchstwert erreicht hat. Zwischen den Punkten im Diagramm, die durch Nummer 2 und Nummer 3 bezeichnet sind, wird die Ausgangsleistung von SMPS 100 konstant gehalten, und das SMPS 100 wird gemäß einer konstanten Leistungsregelung gesteuert. Der Punkt in 5, der durch Nummer 3 bezeichnet ist, stellt den Wert (Iout, Uout) dar, wo der Ausgangsstrom seinen Höchstwert erreicht hat. Dieser Grenzwert wird oft durch den Maximalstrom gesetzt, der durch die Komponenten von SMPS 100 fließen kann, oder durch den Wert der Ausgangsspannung, wenn eine angeschlossene Batterie beginnt, Strom zu entnehmen. Zwischen den Punkten in dem Diagramm, die durch Nummer 3 und Nummer 5 bezeichnet sind, wird das SMPS 100 gemäß einer konstanten Stromregelung gesteuert.
  • In alternativen Ausführungsformen können die I-U-Kennlinien, anhand derer das SMPS 100 gesteuert wird, andere Formen als die I-U-Kennlinien aus 5 aufweisen. Beispielsweise könnte der Konstantleistungsbereich zwischen den durch Nummer 2 und 3 aus 3 bezeichneten Punkten wegfallen. Allerdings können durch Implementieren eines Überlastungsschutzes mit Hilfe sowohl eines Konstantleistungsteils als auch eines Konstantstromteils der I-U-Kennlinien das Eingangsfilter 105, die Diodenbrücke 115 und der Vorregler 120 kleiner ausgebildet werden, da sie nicht für Spitzenleistung bei gleichzeitiger Nennausgangsspannung und maximalem Ausgangsstrom ausgelegt sein müssen. Dies ist besonders relevant für SMPSs 100, die dazu ausgelegt sind, in einem breiten Bereich der Hauptnetzspannung Uac zu arbeiten, da eine niedrige Hauptnetzspannung Uac zu Beschränkungen der Maximalleistungen führt, die das SMPS 100 liefern kann.
  • Wie oben erwähnt, kann die Nennausgangsspannung von SMPS 100 typischerweise einen Wert von 48 V annehmen. Die intermediäre Spannung Uint könnte dann typischerweise einen Wert von 400 V annehmen. Der Ausgangsstrom Iout in einem üblichen SMPS 100 könnte auf 25 A eingestellt sein. Die Schaltfrequenzen der Schaltelemente 420 und 205 könnten beispielsweise bei etwa 100 kHz liegen. Diese Wert von Unom, I max / out, und den Schaltfrequenzen sind nur beispielhaft. Natürlich können diese Quantitäten jeden Wert annehmen, den die Anwendung von SMPS 100 erforderlich macht.
  • Um Strom, Spannung und Leistung des Ausgangssignals von SMPS 100 gemäß den gewünschten I-U-Kennlinien zu steuern, werden das Schalten der Schaltelemente 205 und 420 der Wandlerstufe 125 bzw. des Vorreglers 120 gesteuert. Die Größe einer Anzahl von Quantitäten muss bekannt sein, um eine effiziente Steuerung der Schaltelemente der Wandlerstufe 125 und des Vorreglers 120 bereitzustellen. Diese Quantitäten sind vorzugsweise die Eingangsspannung Uin, der Eingangsstrom Iin, die intermediäre Spannung Uint, der intermediäre Strom Iint, die Ausgangsspannung Uout und der Ausgangsstrom Iout.
  • Traditionell erfolgt die Steuerung der Schaltelemente 205 und 420 der Wandlerstufe 125 bzw. des Vorreglers 120 mit Hilfe von Analogschaltungen. Allerdings neigen Analogschaltungen dazu, teuer und Raum einnehmend zu sein. Die Zuverlässigkeit von Analogschaltungen nimmt ab, indem die Anzahl der Komponenten in den Schaltungen zunimmt, und ist außerdem zeitlich beeinflusst, da die Komponenten altern. Außerdem kann die Zuverlässigkeit der Analogkomponenten schwanken, indem Parameter der Umgebung, wie z.B. die Temperatur, schwanken. Die Erfindung empfiehlt, die Analogschaltungen durch eine programmierbare Digitalsteuerung zu ersetzen.
  • Das Einbringen einer programmierbaren Digitalsteuerung in das SMPS 100 führt zu weiterer Flexibilität bei der Einstellung der Parameter, wie z.B. der Höchsttemperatur, bei der das SMPS 100 normal arbeiten sollte, der Nennausgangsspannung, dem maximalen Leistungspegel, den das SMPS liefern kann usw. Außerdem könnte die Kalibrierung des SMPS 100 bei der Herstellung ohne Potentiometer durchgeführt werden, was zu großen finanziellen Einsparungen hinsichtlich der Arbeitsmenge führt, die auf die Kalibrierungsarbeiten verwendet wird. Außerdem können weniger genaue (und deshalb kostengünstigere) Komponenten in SMPS 100 benutzt werden, wobei trotzdem durch Einstellen der Parameter bei der Kalibrierung ein genaues SMPS 100 erzielt wird.
  • Bei Ausführungsformen des SMPS 100, wobei eine Region konstanter Leistung in die erwünschten I-U-Kennlinien aufgenommen ist, könnte eine Messung der Hauptnetzspannung Uac vorteilhaft an die programmierbare Digitalschaltung bereitgestellt werden, die eine programmierbare Digitalsteuerung für SMPS 100 bereitstellt. Anhand dieser Messung könnte der maximale Leistungspegel, der durch das SMPS 100 bereitgestellt werden soll, von der programmierbaren Schaltung berechnet werden.
  • Wenn eine programmierbare Digitalsteuerung in SMPS 100 eingebracht wird, muss besonders darauf geachtet werden, die Isolationsbarriere 140 nicht zu durchbrechen. Wie in 1, 2 und 4 dargestellt, sind die Schaltelemente des Vorreglers 120 und der Wandlerstufe 125 auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 angeordnet. Deshalb müssen Signale zum Steuern des Betriebs dieser Schaltelemente auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 bereitgestellt werden. Außerdem sind der Eingangsstrom und die Eingangsspannung Iin und Uin sowie der intermediäre Strom und die intermediäre Spannung Iint und Uint auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 gegeben. Um den Start des SMPS 100 zu ermöglichen, muss die programmierbare Digitalsteuerung mit einer Versorgungsspannung auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 versorgt werden. Bei Ausführungsformen mit Mitteln zum Bereitstellen einer Messung der Hauptnetzspannung Uac an die programmierbare Digitalschaltung wird diese Messung natürlich auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 erzeugt. Allerdings sind einige der Quantitäten, deren Größe bekannt sein sollte, wie z.B. die Ausgangsspannung Uout und der Ausgangsstrom Iout auf der Sekundärseite der Isolationsbarriere 140 gegeben. Deshalb müssen Mittel zum Übertragen von Signalen über die Isolationsbarriere 140, oder alternative Lösungen, bereitgestellt werden.
  • Die programmierbare Digitalschaltung, die eine programmierbare Digitalsteuerung für SMPS 100 bereitstellt, ist auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 angeordnet. Durch Anordnen der programmierbaren Digitalschaltung auf der Primärseite wird die Anzahl der über die Isolationsbarriere 140 zu übertragenen Signale minimiert. Da das Übertragen von Signalen über die Isolationsbarriere 140 zusätzliche Komponenten erforderlich macht, erhöhen sich die Kosten für das SMPS 100 mit der Anzahl der Signale, die über die Isolationsbarriere 140 übertragen werden müssen. Außerdem wird die Distanz, über die Analogsignale, welche gemessene Quantitäten wie Iin und Uin darstellen, übertragen werden müssen, durch Anordnen der programmierbaren Digitalsteuerung auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 minimiert, so dass Störungen dieser Signale minimiert werden. Wenn allerdings eine programmierbare Digitalschaltung auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 angeordnet wird, muss besonders darauf geachtet werden, dass Störungen der programmierbaren Digitalschaltung durch das Schalten der Schaltelemente des Vorreglers 120 und der Wandlerstufe 125 vermieden werden. Solche Störungen, sowie Störungen der Hauptnetzspannung Uac können durch sorgfältige Auslegung des SMPS 100 vermieden werden, so dass Leistungsströme, Digitalsignale und Analogsignale physikalisch getrennt sind.
  • Ein Beispiel für eine programmierbare digitale Schaltung 500 zur Benutzung für die Steuerung von SMPS 100 ist schematisch in 6 gezeigt. Die programmierbare Digitalschaltung 600 umfasst Verarbeitungsmittel 605, einen Arbeitsspeicher 610, und einen wenigstens teilweise nicht-flüchtigen Speicher 615 zum Speichern ausführbarer Befehle. Die programmierbare Digitalschaltung 600 umfasst außerdem einen Analogeingang 620 mit einem A/D-Wandler und eine Digitalausgang 625. Natürlich könnte eine programmierbare Digitalschaltung 600 jede beliebige Anzahl von Analogeingängen 620, Digitaleingängen und Digitalausgängen 625 aufweisen.
  • Eine schematische Darstellung eines SMPS 100 ist in 7 gezeigt, wobei eine programmierbare Digitalschaltung 600 auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 zum Steuern der Schaltelemente 420 und 205 des Vorreglers 120 bzw. der Wandlerstufe 125 eingebracht wurde. Die Größen der Eingangsspannung Uin, des Eingangsstroms Iin, der intermediären Spannung Uint und des intermediären Stroms Iint werden gemessen und in üblicher Weise an die programmierbare Digitalschaltung 600 bereitgestellt. Die Ausgangsspannung Uout und der Ausgangsstrom Iout werden auf der Sekundärseite der Isolationsbarriere 140 gemessen, und werden deshalb mit Hilfe einer Isolationsschnittstelle 705 an die programmierbare Digitalschaltung 600 bereitgestellt. Die Signale, die Uin, Iin, Uint, Iin,, Uout und Iout entsprechen, sind in 7 durch die Bezugszeichen 710, 715, 720, 725, 730 bzw. 735 angezeigt.
  • Anhand der Größen von Uin, Iint, Uint, Iin,, Uout und Iout bestimmt die programmierbare Digitalschaltung 600 durch Benutzung ausführbarer Befehle, die in Speicher 610 gespeichert sind, einen Nutzzyklus D der Wandlerstufe 125. Die programmierbare Digitalschaltung 600 sendet dann ein Signal 740, das die Ein- und Auszeit des/der Schaltelement(e) 205 für Wandlerstufe 125 anzeigt. In einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Wandlerstufe 125 mehr als ein Schaltelement 205, z.B. eine Vollbrücke 200, umfasst, umfasst das Signal 740 vorzugsweise mehrere Signale 740, wobei jedes Signal 740 die Ein- und Auszeit von einem der Schaltelemente 205 anzeigt. Ebenso bestimmt die programmierbare Digitalschaltung 600 eine gewünschte Ein- und Auszeit von Schaltelement 420 anhand der Größen von Uin, Iin und Uint. Die programmierbare Digitalschaltung 600 sendet dann ein Signal 745 an den Vorregler 120, wobei das Signal 745 die gewünschte Ein- und Auszeit des Schaltelements 420 anzeigt. In Ausführungsformen, wo der Vorregler 120 mehr als ein Schaltelement umfasst, könnte Signal 745 vorzugsweise mehrere Signale umfassen, ein Signal für jedes Schaltelement von Vorregler 120.
  • Die Isolationsschnittstelle 705 könnte vorteilhaft einen linearen Optokoppler für jedes Signal umfassen, das über die Isolationsbarriere 140 zu übertragen ist. Ein Optokoppler ist eine vergleichsweise kleine und billige Vorrichtung, die, unter Beibehaltung der Genauigkeit, sowohl zur Übertragung pulsförmiger Signale, wie z.B. den pulsbreitenmodulierten Steuersignalen 740 und 745, als auch zur Übertragung von Analogsignalen, wie z.B. den Signalen 710 bis 735, benutzt werden kann. Ein Optokoppler umfasst unter anderem eine Leuchtdiode auf der Seite der Isolationsbarriere, von der aus das Signal übertragen werden soll, und einen Lichtempfänger auf der Seite der Isolationsbarriere 140, auf der das Signal empfangen werden soll. Wenn ein Signal über die Isolationsbarriere 140 übertragen werden soll, wird das Licht, das von der Leuchtdiode abgegeben wird, derart gesteuert, dass es einen Strom in der Fotodiode induziert, der proportional zu dem Signal ist, das übertragen werden soll. Als eine Alternative zur Benutzung von Optokopplern können andere Mittel zum Übertragen von Signalen über die Isolationsbarriere 140 benutzt werden, z.B. Impulsüberträger. Allerdings sind Impulsüberträger vor allem für die Übertragung von pulsförmigen Signalen geeignet, und weniger für die Übertragung von Analogsignalen.
  • In einem Aspekt der Erfindung wird der Ausgangsstrom Iout nicht gemessen, sondern stattdessen in der programmierbaren Schaltung 600 mit Hilfe ausführbarer Befehle, die in Speicher 610 gespeichert sind, aus dem gemessenen Wert des intermediären Stroms Iint hergeleitet. Auf diese Weise wird die Anzahl von Signalen, die über die Isolationsbarriere 140 übertragen werden müssen, reduziert, was die Auslegung von SMPS 100 einfacher und deshalb kostengünstiger, kleiner und zuverlässiger macht. Auch kann das Messen und Übertragen von Signalen über die Isolationsbarriere 140 zu unerwünschten Verlusten führen. Indem das Signal, das dem Ausgangsstrom Iout entspricht, nicht gemessen werden muss, können diese Verluste reduziert werden.
  • Die Transformatortheorie gibt das Verhältnis zwischen dem Strom der Primärseite, d.h. dem intermediären Strom Iint, von SMPS 100, und dem Strom der Sekundärseite, d.h. dem Ausgangsstrom Iout, von SMPS 100, an als:
    Figure 00180001
    wobei NP und NS die Anzahl der Windungen der primären bzw. sekundären Seite des Transformators sind, und D der Nutzzyklus der Wandlerstufe 125 ist, welcher der programmierbaren Digitalschaltung 600 bekannt (und außerdem durch sie gesteuert) ist.
  • Gleichung (1) ist gültig für ein ideales SMPS, das keine Leistungsverluste und andere praktische Einschränkungen erfährt. Messungen zeigen jedoch, dass eine Kompensation für ein nicht-ideales Verhalten von SMPS 100 im Spannungs- und Strombereich des Normalbetriebs möglich ist, indem ein Faktor k in Gleichung (1) eingebracht wird, wobei k als die Effizienz von SMPS 100 betrachtet werden kann:
    Figure 00180002
  • Wenn keine Last an das SMPS 100 angelegt wird, liegt kein Ausgangsstrom vor, d.h. Iout ist gleich null. Allerdings liegt immer noch ein intermediärer Strom Iint vor, der als ein Offset-Strom I off / int betrachtet werden kann, der keine Lastverluste darstellt, und der, wenn er in Gleichung (2) eingebracht wird, die folgende Gleichung ergibt:
    Figure 00190001
  • Gleichung (3) stellt einen genauen Wert des Ausgangsstroms Iout im Lastbereich von keiner Last bis zur vollen Last bereit, d.h. zwischen den Punkten, die durch Nummer 1 und Nummer 3 in 3 bezeichnet sind. Wenn allerdings die Last weiter erhöht wird, wird der Wandlerstufennutzzyklus D sehr niedrig, und die Effizienz verschlechtert sich. Gleichung (3) kann nicht länger einen genauen Wert von Iout bereitstellen. Es wurde experimentell hergeleitet, dass im Lastbereich zwischen den Punkten in 5, die durch Nummer 3 und 4 bezeichnet sind, die Effizienz linear abhängig ist von dem Wandlerstufennutzzyklus D. Wir erhalten so den folgenden Ausdruck für den Ausgangsstrom Iout in diesem Lastbereich:
    Figure 00190002
  • Für noch niedrigere Werte der Ausgangsspannung Uout, wobei D sehr niedrig ist und sich ein Kurzschluss unmittelbar bevorsteht, wurde festgestellt, dass ein konstantes Verhältnis zwischen Iout und Iint angenommen werden kann: Iout = CIint (5)
  • In diesem Lastbereich, d.h. zwischen den Punkten in 5, die durch Nummer 4 und Nummer 5 bezeichnet sind, wird der intermediäre Strom Iint vorzugsweise auf einem Fixwert gehalten.
  • Gemäß den vorangegangenen Ausführungen kann vorteilhaft die folgende Tabelle benutzt werden, um das Verhältnis zwischen dem Ausgangsstrom Iout und dem intermediären Strom Iint in den verschiedenen Lastbereichen von 5 zu beschreiben:
  • Figure 00200001
    Tabelle 1
  • Die Werte der Wandlerstufennutzzyklus D aus Tabelle 1 sollten nur als Beispiele betrachtet werden und stellen keine festen Grenzwerte dar, innerhalb derer die jeweiligen Verhältnisse zwischen Iint und Iout anwendbar sind. Im Lastbereich zwischen den Punkten aus 5, die durch Nummer 1 und 4 bezeichnet sind, wird der intermediäre Strom Iint gemäß dem relevanten Regelungsverfahren geregelt (konstante Ausgangsspannung, konstante Ausgangsleistung, oder konstanter Ausgangsstrom). Für die niedrigeren Spannungen, d.h. zwischen den durch Nummer 4 und 5 bezeichneten Punkten, kann der intermediäre Strom Iint vorzugsweise auf einem konstanten Wert gehalten werden.
  • Beim Steuern des Ausgangssignals von SMPS 100 ist die Genauigkeit der Messungen der gemessenen Quantitäten sehr wichtig. Ein Problem bei der Benutzung einer programmierbaren Digitalschaltung 600 zum Steuern von SMPS 100 ist, dass Analog-Digital-(A/D)-Wandler, wie sie am häufigsten in programmierbaren Digitalschaltungen 600 benutzt werden, eine beschränkte Zahl von Bits für die Darstellung des umgewandelten Digitalwerts benutzen, und die Messauflösung dadurch beschränkt wird. Die Zahl der Bits, die von einem A/D-Wandler benutzt wird, steht oft in einem direkten Bezug zu dem Preis des A/D-Wandlers. Es wäre deshalb wünschenswert, einen Weg zu finden, um genaue Messungen einer oder mehrerer gemessener Quantitäten durchzuführen, wobei die Anzahl der von dem A/D-Wandler benutzten Bits auf einem angemessenen Niveau gehalten wird.
  • Eine Lösung des Problems der beschränkten Auflösung der A/D-Wandler wäre es, die Messung einer Quantität mit einem Referenzwert zu vergleichen, und, anstatt die Messung der Quantität selbst einem Analogeingang der programmierbaren Digitalschaltung 600 zuzuführen, der programmierbaren Schaltung 600 die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Referenzwert zuzuführen. Eine solche Differenz könnte z.B. durch die Benutzung eines Betriebsverstärkers erzielt werden. Der Referenzwert könnte, wenn er der programmierbaren Digitalschaltung 600 nicht bereits bekannt ist, auch an die programmierbare Digitalschaltung 600 bereitgestellt werden. Ein Referenzwertsignal, das zum Erzeugen der Differenz benutzt werden soll, könnte vorteilhaft als ein digitales pulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt werden, aus dem ein Mittelwert herausgefiltert wird. Das digitale pulsbreitenmodulierte Signal des Referenzwerts könnte z.B. von der programmierbaren Digitalschaltung 600 oder von einer separaten programmierbaren Vorrichtung wie z.B. einem Mikroprozessor erzeugt werden. Auf diese Weise könnten Veränderungen des Referenzwerts auf einfache Weise über entfernte Befehle der programmierbaren Digitalschaltung 600 oder der separaten programmierbaren Vorrichtung mitgeteilt werden, und in dem erzeugten Referenzwertsignal als eine Veränderung der Pulsbreite in dem pulsbreitenmodulierten Signal widergespiegelt werden.
  • Das oben beschriebene Verfahren des Vergleichens der gemessenen Quantität mit einem Referenzwert der Quantität könnte vorteilhaft auf Quantitäten angewendet werden, für die die Auflösung der A/D-Umwandlung entscheidend ist, und die gemäß einem Referenzwert (Zielwert) geregelt werden. Ein Beispiel einer solchen Quantität ist die Ausgangsspannung Uout von SMPS 100. In vielen Anwendungen von SMPS 100 ist es wichtig, dass die Schwankung der Ausgangsspannung Uout hinsichtlich einer Brummspannung sehr niedrig gehalten wird. In einer Ausführungsform der Erfindung, in der die programmierbare Digitalschaltung 600 auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 angeordnet ist, könnte U meas / out über die Isolationsbarriere übertragen werden, und der Vergleich könnte auf der Primärseite der Isolationsbarriere 140 durchgeführt werden. Alternativ könnte der Vergleich auf der Sekundärseite der Isolationsbarriere 140 durchgeführt werden, und ein Signal U ref / out, das der Differenz U diff / out zwischen U meas / out und dem Referenzwert von Uout entspricht, könnte dann über die Isolationsbarriere 140 übertragen werden. Der Referenzwert U ref / out könnte dann vorzugsweise von einem Mikroprozessor erzeugt werden, der auf der Sekundärseite der Isolationsbarriere 140 angeordnet ist. In einer Ausführungsform von SMPS 100 umfasst die Sekundärseite der Isolationsbarriere 140 einen Mikroprozessor, der zur Übermittlung von Parametern an das und von dem SMPS 100 von einer und an eine Umgebung benutzt wird, wie z.B. an eine und von einer Überwachungseinheit. In solchen Fällen könnte der Mikroprozessor vorteilhaft auch zur Erzeugung eines Referenzwerts U ref / out benutzt werden. In einigen Fällen, wie z.B. zu Überwachungszwecken, kann es wünschenswert sein, dass Information zu U meas / out sowie zu U diff / out für die programmierbare Digitalschaltung 600 verfügbar ist. Wenn der Referenzwert U ref / out der programmierbaren Digitalschaltung 600 nicht bereits bekannt ist, wäre es in solchen Fällen nötig, auch das gemessene Ausgangsspannungssignal U meas / out oder den Referenzwert U ref / out über die Isolationsbarriere 140 zu übertragen.
  • 7 zeigt schematisch ein SMPS 100, wie oben beschrieben, zur Benutzung mit A/D-Wandlern mit begrenzter Auflösung, z.B. mit einer Auflösung von 10 Bit, die für alle Frequenzen ein Fenster konstanter enger Breite benutzen. Die programmierbare Digitalschaltung 600 arbeitet auf der Primärseite und steuert den Betrieb aller Schaltelemente, um eine Fehlerspannung so nah bei null wie möglich zu halten. Die Messquantität von Uout, die auf der Sekundärseite nach der Wandlerstufe 125 genommen wird, wird einem Eingang eines Differenzoperationsverstärkers 760 zugeführt. Ein Referenzsignal U ref / out wird von der programmierbaren Digitalschaltung 600 bereitgestellt, das durch die Isolationsschnittstelle 705 einem Hilfsmikroprozessor 770 zugeführt wird, der einen pulsbreitenmodulierten Ausgang aufweist. Der Hilfsmikroprozessor wandelt das Referenzsignal in einen Digitalimpuls mit moduliertem Signal um, das durch ein Filter 765 geschickt wird, wo der Mittelwert herausgefiltert wird, bevor er dem anderen Eingang des Operationsverstärkers 760 zugeführt wird. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist ein analoges Fehlersignal U err / out, das die Differenz zwischen der gemessenen Ausgangsspannung Uout und dem Mittelwert des Referenzsignals U ref / out multipliziert durch die Verstärkung ist, die ideal eins beträgt. Das Fehlersignal wird über die Isolationsbarriere durch die Isolationsschnittstelle 775 und einen Fehlerbegrenzer 775 dem Analogeingang der programmierbaren Digitalschaltung 600 auf der Primärseite zugeführt.
  • Anhand des Fehlersignals erzeugt die programmierbare Digitalschaltung 600 die geeigneten pulsbreitenmodulierten Signale, um die Schaltvorrichtungen in dem Vorregler 120 und der Wandlerstufe 125 zu steuern. Nach Verlassen der programmierbaren Digitalschaltung 600 werden die pulsbreitenmodulierten Signale jedoch an einen Puffer 755 gesendet, der Gate-Treiberschaltungen zur Umwandlung in geeignete Signale umfasst, die zum Antreiben der Schalter in der Lage sind. Die Operation der Schalter anhand der Fehlersignale, die von der Sekundärseite rückgekoppelt werden, verbessert die Regelung durch Aufrechterhalten einer konstanten Spannung und durch das Unterdrücken von Rauschen im Ausgangssignal. Die durch die Ausführungsform bereitgestellte Lösung benutzt, allgemein ausgedrückt, ein Fenster von etwa 2 V, und nicht eines über den gesamten Bereich der Ausgangsspannung von 0 bis 60 V, um eine Auflösung von etwa 2 mV mit einem 10-Bit-A/D-Wandler zu erreichen. Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf diese Werte beschränkt ist, und dass die Erfindung auf Werte in Bereichen anwendbar ist, die höher oder niedriger als die beschriebenen sind. Ein wünschenswertes Ziel ist es, eine Regelung sowohl der DC-Komponente als auch der Rauschkomponente oder des Brummens der Ausgangsspannung bereitzustellen. Ein Nachteil der Benutzung eines konstant engen Fensters liegt darin, dass es, obwohl es für die Rauschkomponenten höherer Frequenz geeignet ist, weniger geeignet für die DC-Komponente niedrigerer Frequenz ist, da in Situationen, in denen die Referenzspannung signifikant von der gemessenen Ausgangsspannung abweicht, ein größeres Fenster benötigt wird.
  • 7b zeigt schematisch ein SMPS 100, wobei das Referenzsignal U ref / out durch die programmierbare Digitalschaltung 600 auf der Primärseite erzeugt wird, und nicht auf der Sekundärseite. In dieser Ausführungsform wird kein Hilfsmikroprozessor 770 zum Erzeugen der Referenzspannung benötigt. Stattdessen wird die Ausgangsspannung Uout direkt dem Optokoppler 782 auf der Sekundärseite zugeführt, um über die Isolationsbarriere 140 übertragen zu werden. Der Optokoppler 782 enthält Blöcke 784 und 786, die jeweils eine Ausgangsspannungs-Rückkopplungskomponente darstellen bzw. eine Überspannungs-Ermittlungskomponente, um einen Überspannungszustand zu erkennen, der die Schaltungen überlasten kann. In diesem Fall wird ein Signal OVP (DI) an die programmierbare Digitalschaltung 600 übermittelt, das wirksam ist, um die Schaltung zu unterbrechen, und einen zugehörigen Alarm auszulösen. Der Ausgang des Optokopplers 782 und das Referenzsignal U ref / out von der programmierbaren Digitalschaltung 600 werden einem Uout-Fenster-Komponentenblock 785 zugeführt. Der Ausgang des Uout-Fenster-Komponentenblocks 785 sind Ausgangssignale Uout und ein Fehlerausgangssignal U ref / out, und wird der programmierbaren Digitalschaltung 600 zum Erzeugen der pulsbreitenmodulierten Ausgangssignale für den Antrieb der Schalter zum Regeln der Ausgangsspannung zugeführt.
  • 7c zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung für das SMPS 100, die einen frequenzabhängigen Verstärker 762 verwendet, der eine effektivere Regelung der Ausgangsspannung bereitstellt. Die Ausführungsform ist ähnlich wie die aus 7a, bis auf die Benutzung des frequenzabhängigen Verstärkers, der ein frequenzabhängiges Fenster bereitstellt, das für die Hochfrequenzkomponenten wie z.B. Rauschen eng ist, und ein größeres Fenster für die DC-Komponenten der Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung Uout und das Referenzsignal U ref / out von dem Hilfsmikroprozessor 770 werden dem frequenzabhängigen Verstärker 762 zugeführt, um ein Ausgangsfehlersignal U err / out zu erzeugen. Das Ausgangssignal des frequenzabhängigen Verstärkers 762 kann als (Urefout – Uout)·H(f) ausgedrückt werden, wobei H(f) dazu dient, die Komponenten höherer Frequenz wie z.B. Rauschen zu verstärken, und die DC-Komponenten mit niedrigerer Frequenz abzuschwächen oder zu reduzieren. Dies ermöglicht es auf praktische Weise, die Hochfrequenz-Rauschkomponenten und die Niedrigfrequenz-DC-Komponenten in einen Bereich umzuwandeln, der innerhalb der Auflösung des A/C-Wandlers benutzbar ist. Das Ausgangsfehlersignal von dem Verstärker wird dem Analogeingang der programmierbaren Digitalschaltung 600 zugeführt, wo die A/C-Umwandlung stattfindet. Außerdem wird in der programmierbaren Digitalschaltung 600 die Umkehrfunktion H-1(f) auf das Signal angewandt, um eine digitale Darstellung des ursprünglichen Ausgangsfehlersignals zu erhalten, mit deren Hilfe die pulsbreitenmodulierten Ausgänge erzeugt werden, um die Schalter zum Regeln der Ausgangsspannung anzutreiben.
  • Die Ausführungsform verwendet ein frequenzabhängiges Ausgangsfehlerspannungssignal, um auf effektive Weise ein enges Fenster für Rauschkomponenten oder Brummen bereitzustellen, und so die höhere Genauigkeit bereitzustellen, die zur Rauschunterdrückung benötigt wird, und ein größeres Fenster für die verbleibende DC-Komponente, die weniger Genauigkeit benötigt. Die Ausführungsform ist besonders effektiv in Situationen, in denen die Ausgangsspannung Uout und das Referenzspannungssignal U ref / out signifikant voneinander abweichen, beispielsweise bei Lasten mit hohem Strom und hoher Spannung. Ein größeres Fenster ist für die Spannungsdifferenz angepasst, und erlaubt es so dem A/D-Wandler, seinen Betrieb unterhalb des Sättigungspunkts fortzusetzen, wodurch die Betriebsspanne des SMPS 100 erweitert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Kosten signifikant gesenkt werden, da ein einzelner Prozessor benutzt werden kann, um alle Regelschaltvorrichtungen mit Hilfe einer minimalen Anzahl von Schnittstellenkomponenten zu steuern.
  • 7d zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung für das SMPS 100, die einen frequenzabhängigen Verstärker 762 verwendet, der in ähnlicher Weise wie der aus 7c arbeitet. Bei Erzeugung des Referenzspannungssignals U ref / out auf der Primärseite, z.B. durch Software in der programmierbaren Digitalschaltung 600, würde dies den Analogsignalen auf der Sekundärseite erlauben, durch die Isolationsbarriere 140 mit einem etwas größeren aktiven Signalbereich übertragen zu werden, als dies anderenfalls der Fall wäre. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Ausgangsspannungssignal Uout der einzige Eingang zu dem Verstärker, wodurch das Ausgangssignal U amp / out von dem Verstärker als (Uout – k)·H(f) dargestellt werden kann, wobei k eine Offset-Spannung ist, und H(f) ist die Übertragungsfunktion, die dazu tendiert, die Hochfrequenzkomponenten zu verstärken und die Niedrigfrequenzkomponenten abzuschwächen.
  • Das Ausgangssignal U amp / out wird der programmierbaren Digitalschaltung 600 zugeführt, wobei die Umkehrfunktion H-1(f) angewandt wird, um eine digitale Darstellung des ursprünglichen Signals zu erhalten. Dies, zusammen mit unter anderem dem Referenzsignal, wird benutzt, um die pulsbreitenmodulierten Signale zu Antreiben der Schalter zu erzeugen, um die Ausgangsspannung zu regeln. Ein Vorteil der vorliegenden Ausführungsform ist der, dass sie in der zuvor beschriebenen Weise eine Rauschunterdrückung sowie zusätzlich eine verbesserte Gleichspannungsregelung bereitstellen kann. Beispielsweise ermöglicht bei einer Stromversorgung mit einer Nennausgangsspannung von 54,5 V der frequenzabhängige Verstärker eine genaue Messung der DC-Komponente und der niedrigeren Frequenzen mit z.B. einem Fenster zwischen 30 und 60 V, und der Hochfrequenzkomponenten mit einem Fenster von z.B. ±1 V oder ±0,5 V.
  • 8 zeigt schematisch die Regelschleifen, die in einer Ausführungsform der Erfindung für die Regelung des Vorreglers 120 bzw. der Wandlerstufe 125 benutzt werden, wobei das oben beschriebene Verfahren zum Ableiten von Werten des Ausgangsstroms Iout von gemessenen Werten des intermediären Stroms Iint implementiert ist, sowie das oben beschriebene Verfahren des Zuführens von U diff / out an die programmierbare Digitalschaltung 600. Vier unterschiedliche Regler, die als Computerprogrammcode in der programmierbaren Digitalschaltung 600 implementiert sind, sind in der Figur gezeigt: Stromregler 805 und Spannungsregler 810 für die Regelung der Schaltelemente 420 des Vorreglers 120, und Stromregler 815 und Spannungsregler 820 zur Regelung des Schaltelements/der Schaltelemente 205 der Wandlerstufe 125. Die Spannungsregler 810 und 820 sind vorzugsweise als äußere, langsamere Schleifen implementiert, während die Stromregler 805 und 815 jeweils vorzugsweise als innere, schnellere Schleifen implementiert sind. Spannungsregler 810 empfängt ein Signal 720, das den Wert der intermediären Spannung Uint darstellt, und ein weiteres Signal 825, das den Referenzwert für Uint und U ref / int anzeigt. U ref / int kann von der programmierbaren Digitalschaltung 600 anhand von Messungen der Hauptnetzspannung Uac berechnet werden, oder kann ein Fixwert sein, der dem Spannungsregler 810 bekannt ist. Basierend auf einer Anzahl von Messungen von Uint könnte der Spannungsregler 810 ein Standard-PI-Regelverfahren benutzen, um einen Referenzwert für den Eingangsstrom I ref / in zu bestimmen. Ein Signal 830, das I ref / in anzeigt, wird vorzugsweise in Vervielfacher 835 mit dem Signal 710 multipliziert, das die Eingangsspannung Uin darstellt, um eine harmonische Form von I ref / in zu erhalten. Das Ausgangssignal 840 des Vervielfachers 835 stellt den Referenzwert für den Eingangsstrom I ref / in dar, und wird dem Stromregler 805 zugeführt. Stromregler 805 empfängt außerdem ein Signal 715, das einen gemessenen Wert von Iin darstellt. Basierend auf I ref / in und einer Anzahl von Messungen von Iin kann der Stromregler ein Standard-PI-Regelverfahren benutzen, um einen Nutzzyklus des Schaltelements 420 des Vorreglers 120 zu bestimmen. Ein pulsbreitenmoduliertes Signal 745, das die gewünschte Ein- und Auszeit des Schaltelements 420 anzeigt, die den Nutzzyklus ergibt, der von dem Stromregler 805 bestimmt wird, wird an den Vorregler 120 übertragen.
  • Ebenso empfängt der Spannungsregler 820 aus 8 ein Signal 845, das die Differenz U diff / out zwischen einem gemessenen Wert der Ausgangsspannung Uout und dem Referenzwert für die Ausgangsspannung U ref / out darstellt. Anhand einer Anzahl empfangener Werte von U diff / out kann der Spannungsregler 820 ein Standard-PI-Regelverfahren benutzen, um einen Referenzwert für den intermediären Strom I ref / int zu bestimmen. Ein Signal 850, das I ref / int darstellt, wird an den Stromregler 815 übertragen, der außerdem ein Signal 725 empfängt, das einen gemessenen Wert von Iint darstellt. Basierend auf I ref / int und einer Anzahl von Messungen von Iint kann der Stromregler 815 ein Standard-PI-Regelverfahren benutzen, um den Wandlerstufennutzzyklus D zu bestimmen. Ein pulsbreitenmoduliertes Signal 740, das die gewünschte Ein- und Auszeit des Schaltelements 205 darstellt, die den Wandlerstufennutzzyklus D ergibt, der von dem Stromregler 815 bestimmt wird, wird an die Wandlerstufe 125 übertragen. Je nach dem Regelungsmodus des SMPS 100, siehe 5, können die Parameter variieren, welche die Regelung bestimmen. Signal 740 wird auch als das Wandlerstufennutzzyklus-Steuersignal DCCS bezeichnet.
  • Auf diese Weise ermöglicht die kombinierte Steuerung des Vorreglers 120 und der Wandlerstufe 125 eine vorteilhaft genaue Steuerung der Ausgangsspannung Uout sowie des Ausgangsstroms Iout.
  • Bezug nehmend auf 6 wird das geschaltete Netzteil (SMPS) 100 gesteuert, um eine im Wesentlichen konstante Spannung Uout zu liefern, wenn es betrieben wird, um im Bereich zwischen den Punkten zu arbeiten, die in 5 durch Nummer 1 und Nummer 2 bezeichnet sind.
  • 8B ist ein Blockdiagramm, das einige weitere Details der Steuerung einer Wandlungsstufe 125 zeigt. Insbesondere zeigt 8B eine Ausführungsform einer Wandlerstufen-Ausgangsspannungssteuerung 1020, die wirksam ist, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erzielen. Die Wandlerstufen-Ausgangsspannungssteuerung 1020 kann in drei unterschiedlichen Modi operieren, nämlich:
    Modus M1-2 (Liefern einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsspannung, wie zwischen den Punkten 1 und 2 in 5 angezeigt); oder
    Modus M2-3 (Liefern einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsspannung, wie zwischen den Punkten 2 und 3 in 5 angezeigt); oder
    Modus M3-5 (Liefern einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsspannung, wie zwischen den Punkten 3 und 5 in 5 angezeigt).
  • Die Wandlerstufen-Ausgangsspannungssteuerung 1020 ist wirksam, um den Wert des Wandlerstufennutzzyklus D zu steuern. Der Ausgangsstrom Iout hängt von dem Wandlerstufennutzzyklus D ab. Daher kann der Ausgangs Strom Iout in Antwort auf den Wandlerstufennutzzyklus D gesteuert werden. Die Wandlerstufen-Ausgangsspannungssteuerung 1020 ist wenigstens teilweise durch eine Digitalsteuerschaltung 600 ausgebildet, wie im Zusammenhang mit 6, 7 und 8A oben offenbart.
  • Unter Bezugnahme auf 8B misst ein Spannungsmesser 1055 die Ausgangsspannung Uout und stellt einen gemessenen Wert U meas / out (auch als 730 bezeichnet) an die Isolationsschnittstelle 705 bereit, die ein entsprechendes Signal U meas / out an einen Eingang von Addierer 1200 bereitstellt. Addierer 1200 weist außerdem einen zweiten Eingang 1050 zum Empfangen eines Ausgangsspannungsreferenzwerts auf. Ein Ausgang von Addierer 1200 wird an einen Eingang einer Steuerung 1210 gekoppelt. Die Steuerung 1210 erzeugt ein Signal P1-2 zum Steuern der Ausgangsspannung im Modus M1-2. Der Ausgang der Steuerung 1210 ist an einen ersten Eingang 1215 eines Minimaleingangswählers 1220 gekoppelt.
  • Der Minimaleingangswähler 1220 weist einen Ausgang auf, der einen Leistungsreferenzwert P ref / int bereitstellt. Der Ausgang des Minimaleingangswählers 1220 ist gekoppelt, um den Leistungsreferenzwert P ref / int an einen Addierer 1230 zu liefern. Der Addierer 1230 weist außerdem einen Eingang zum Empfangen eines Werts P meas / int auf, der eine gemessene Leistung anzeigt. Die gemessene Leistung P meas / int zeigt die elektrische Leistung an, die von der Wandlerstufe 125 verbraucht wird. Addierer 1230 erzeugt den Wert P err / int als die Differenz zwischen den Werten P ref / int und P meas / int. Das Leistungsregeldifferenzsignal P err / int wird an einen Regler 1240 bereitgestellt. Der Regler 1240 erzeugt ein Wandlerstufennutzzyklus-Steuersignal 740, DCCS, um die Schaltelemente 205A, 205B, 205C und 205D dazu zu veranlassen, den Nutzzyklus D zu erzeugen.
  • Der Ausgang von Regler 1240 ist auch an einen Rückkopplungsregler 1250 gekoppelt, dessen Ausgang an einen Eingang eines Maximaleingangswählers 1260 gekoppelt ist. Der Maximaleingangswähler 1260 weist einen anderen Eingang zum Empfangen eines niedrigsten zulässigen Leistungsreferenzwerts P floor / int auf. Der Maximaleingangswähler 1260 liefert an seinem Ausgang den höchsten der Eingangswerte. Der Ausgang von Maximaleingangswähler 1260 ist ein Referenzwert P3-5 für die Leistung Pint im Modus M3-5, der einen konstanten Ausgangsstrom bereitstellt. Der Ausgang des Maximaleingangswählers 1260 ist an einen zweiten Eingang 1270 des Minimaleingangswählers 1220 gekoppelt.
  • Der Konstantleistungssteuerabschnitt der Ausgangssignalsteuerung 1020
  • Der Minimaleingangswähler 1220 weist außerdem einen dritten Eingang 1280 zum Empfangen eines Referenzwerts P2-3 zum Steuern der Leistung Pint im Modus M2-3 auf, der eine konstante Ausgangsleistung bereitstellt. Der dritte Eingang 1280 ist an einen Ausgang eines Minimaleingangswählers 1290 gekoppelt.
  • Der Minimaleingangswähler 1290 weist mehrere Eingänge auf, um die Steuerung der Maximalleistung des SMPS 100 zu ermöglichen. Entsprechend bildet der Minimaleingangswähler 1290 einen Leistungsbegrenzer 1290. Ein erster Eingang 1300 ist gekoppelt, um einen vorbestimmten Referenzwert Pconst zu empfangen. Der vorbestimmte Referenzwert Pconst kann auf einen Wert eingestellt sein, der die höchstmögliche Leistung anzeigt, die durch das SMPS 100 geliefert werden kann. In einem typischen Fall kann Pconst beispielsweise 1500 Watt betragen. Die Maximalleistung Pconst kann die Leistung sein, die bereitgestellt wird, wenn die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom der Linie zwischen den Punkten 2 und 3 in 5 folgen.
  • Ein zweiter Eingang 1310 des Minimaleingangswählers 1290 ist gekoppelt, um einen temperaturabhängigen Referenzwert P(T) zu liefern. Der Referenzwert P(T) ist temperaturabhängig, um die maximal zulässige Leistungsbereitstellung des SMPS 100 zu reduzieren, wenn die Temperatur zunimmt. Entsprechend ist ein Temperaturmesser 1320 an einer geeigneten Stelle in dem SMPS 100 angeordnet, und in Antwort auf die ermittelte Temperatur erzeugt eine Steuerung 1330 den temperaturabhängigen Referenzwert P(T). Diese Lösung ermöglicht es vorteilhaft, eine Überhitzung von Komponenten in dem SMPS 100 zu verhindern, indem die bereitgestellte Leistung in Abhängigkeit einer zunehmenden Temperatur gesenkt wird.
  • Die Maximalleistung P(T) kann die Leistung sein, die bereitgestellt wird, wenn die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom der Linie zwischen den Punkten 2' und 3' aus 5 folgen. Der Wert P(T) kann linear abhängig von der gemessenen Temperatur T sein, so dass Punkt 2' entlang dem Konstantspannungspegel U1-2 in 5 gleitet, und Punkt 3' entlang dem Konstantstrompegel I3-4 in 5 gleitet.
  • Ein dritter Eingang 1340 des Minimaleingangswählers 1290 ist gekoppelt, um einen spannungsabhängigen Leistungsbegrenzungswert P(Uin) bereitzustellen. Dies dient dazu, die Ausgangsleistung von SMPS 100 zu begrenzen, wenn die Spannung der empfangenen elektrischen Leistung abnimmt, um zu verhindern, dass das SMPS 100 zu viel Strom aus dem Hauptversorgungsnetz entnimmt. Dies stellt vorteilhaft eine aktive Steuerung des maximalen Stroms dar, der von SMPS 100 über die Eingangsanschlüsse 110 entnommen wird, wodurch verhindert wird, dass das SMPS 100 einen vorbestimmten Stromgrenzwert I max / in überschreitet.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird der spannungsabhängige Leistungsbegrenzungswert P(Uin) von einer Vorrichtung 1350 erzeugt, die einen Eingang 1360 aufweist, der gekoppelt ist, um ein Signal U meas / in zu erzeugen, das die Spannung Uin anzeigt.
  • In einer Version der Erfindung weist die Vorrichtung 1350 einen zweiten Eingang 1370 zum Empfangen eines vorbestimmten oberen Stromgrenzwerts I max / in auf, und die Vorrichtung 1350 ist wirksam, um den Stromgrenzwert I max / in mit dem gemessenen Spannungswert U meas / in zu multiplizieren, um den spannungsabhängigen Leistungsgrenzwert P(Uin) zu erzeugen. Diese vorteilhaft einfache Lösung stellt einen spannungsabhängigen Leistungsgrenzwert P(Uin) bereit, der abnimmt, wenn die Hauptnetzstromversorgung abnimmt, wodurch automatisch der Leistungsverbrauch von SMPS 100 begrenzt wird, so dass es niemals einen höheren Strom entnimmt als den oberen Stromgrenzwert I max / in. Der vorbestimmte obere Stromgrenzwert I max / in kann ein konstanter Wert sein, der so ausgewählt ist, dass der Strom Iac unter einem bestimmten Grenzwert gehalten wird. Alternativ kann der vorbestimmte obere Stromgrenzwert I max / in ausgewählt sein, so dass eine maximale Ausgangsleistung Pout von der Wandlerstufe 125 (d.h. Leistung P2-3 in 5) unter einem bestimmten Schwellenwert gehalten wird. Dies kann erreicht werden, indem ein Ausgangsleistungs-Schwellenwert P max / out festgelegt wird, die Verluste der Stufen 115, 120 und 125 von SMPS 100 berechnet werden, und der Schwellenwert, der an Eingang 1340 bereitgestellt werden soll, auf einen Wert eingestellt wird, der die Summe des Ausgangsleistungs-Schwellenwerts P max / out und der Verluste anzeigt.
  • Der Konstantstromsteuerabschnitt der Ausgangssignalsteuerung 1020
  • Rückkopplungsregler 1250 ist wirksam, um einen Leistungsreferenzwert P3-4 zu erzeugen, so dass der Ausgangsstrom im Wesentlichen konstant bleibt. Dies wird in Abhängigkeit von einem Stromwert und einem Rückkopplungssignal erreicht, das den Wandlungsstufennutzzyklus D anzeigt. Der Stromwert kann der gemessene Ausgangsstrom Iout oder der intermediäre Strom Iint sein.
  • Ausgangsstromsteuerung mit Hilfe eines geschätzten Rückkopplungssignals
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rückkopplungsregler 1250 einen ersten Eingang zum Empfangen des Wandlerstufennutzzyklus-Steuersignals DCCS auf, und einen zweiten Eingang zum Empfangen des gemessenen intermediären Stromwerts I meas / int, wie in 8B gezeigt. In der Ausführungsform von 8B wird der Ausgangsstromwert Iout anhand des intermediären Stroms Iint und des Wandlerstufennutzzyklus D geschätzt, und der Rückkopplungsregler 1250 ist wirksam, um einen Leistungsreferenzwert P3-4 in Antwort auf den geschätzten Ausgangsstromwert Iout zu erzeugen, so dass der Ausgangsstrom im Wesentlichen konstant bleibt. Der geschätzte Ausgangsstrom I est / out kann gemäß Gleichung (4) erzielt werden, wie oben im Zusammenhang mit Tabelle 1 erläutert.
  • 8C ist ein Blockdiagramm, das eine alternative Ausführungsform des Reglers 1240 zeigt, der das Wandlerstufennutzzyklus-Steuersignal 740 erzeugt, und eines Rückkopplungsreglers 1250B, der in 8B gezeigt ist. Gemäß der Ausführungsform aus 8C umfasst der Regler 1240 einen Nutzzykluswerterzeuger 1240A, der dazu angepasst ist, den Wert des Nutzzyklus D in Abhängigkeit von dem Regeldifferenzsignal P err / int zu erzeugen. Der Wert D wird an einen Steuersignalerzeuger 1240B und an den Rückkopplungsregler 1250B bereitgestellt. Der Rückkopplungsregler 1250B ist dazu angepasst, einen geschätzten Ausgangsstrom I est / out zu erzeugen, der gemäß Gleichung (4) ermittelt wird, wie im Zusammenhang mit Tabelle 1 oben erläutert, anhand des empfangenen Werts D und des gemessenen intermediären Stromwerts I meas / int. Der Rückkopplungsregler 1250B ist dazu angepasst, einen Leistungsreferenzwert P3-4 in Antwort auf den geschätzten Ausgangsstromwert zu erzeugen, so dass der Ausgangsstrom I est / out im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Ausgangsstromsteuerung mit Hilfe des Rückkopplungssignals I meas / int
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform empfängt der Rückkopplungsregler 1250 einen gemessenen Wert 735, der Ausgangsstrom Iout anzeigt. Der gemessene Wert 735, I meas / int, kann über die Isolationsbarriere übertragen werden, wie in 7 gezeigt. In dieser Ausführungsform weist der Rückkopplungsregler 1250 einen Eingang zum Empfangen des gemessenen Werts 735, I meas / int, auf, benötigt jedoch keine Information zu dem Nutzzyklus D.
  • Betrieb der Wandlerstufenausgangssteuerung 1020 im Modus M1-2
  • Wenn die Wandlerstufenausgangssteuerung 1020 im Modus M1-2 arbeitet, ist es das Ziel, eine konstante Ausgangsspannung bereitzustellen, wie zwischen den Punkten 1 und 2 in 5 angezeigt.
  • Wenn die Wandlerstufenausgangssteuerung 1020 im Modus M1-2 arbeitet, benutzt sie einen Referenzwert U ref / out. Der Referenzwert U ref / out wird an einen Eingang 1050 (siehe 8B) eines Addierers 1200 geliefert. Der Addierer empfängt auch einen Wert U meas / out, der die Ausgangsspannung als ein negatives Rückkopplungssignal anzeigt. Entsprechend erzeugt der Addierer 1200 ein Differenzsignal U diff / out, und das Signal U diff / out wird zurück an Block 1210 geliefert, der eine Transferfunktion GP1-2 aufweist. Der Block 1210 liefert ein Steuersignal P1-2 an einen Eingang 1215 des Minimaleingangswählers 1220. Es versteht sich, dass in Modus M1-2 die Wandlerstufenausgangssteuerung 1020 wirksam ist, um eine konstante Ausgangsspannung Uout auf dem Pegel U1-2 aus 5 aufrechtzuerhalten.
  • Wenn das Steuersignal P1-2 an Eingang 1215 einen niedrigeren Wert aufweist als das von Eingang 1280 und das von Eingang 1270, stellt der Minimaleingangswähler 1220 den Ausgang P ref / int gleich P1-2 ein. Der Addierer 1230 vergleicht den Referenzwert P ref / int mit dem Rückkopplungssignal, d.h. dem gemessenen Wert der intermediären Leistung P meas / int, um ein Regeldifferenzsignal P err / int zu erzeugen. Der Regler 1240 erzeugt ein Wandlerstufennutzzyklus-Steuersignal 740, DCCCS, in Antwort auf das Regeldifferenzsignal P err / int.
  • Auf diese Weise erzeugt die Wandlerstufenausgangssteuerung 1020 den Nutzzyklus D in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Uout, wenn die Wandlerstufenausgangssteuerung 1020 im Modus M1-2 arbeitet.
  • Der Wert von Nutzzyklus D beeinflusst die Größe von Strom Iint, der von der Wandlerstufe 125 entnommen wird. Entsprechend kann der Strom Iint in Antwort auf den Nutzzyklus D gesteuert werden. Die Steuerung von Strom iint ermöglicht auch die Steuerung der Ausgangsspannung Uout. Es kann gezeigt werden, dass die Ausgangsspannung Uout von dem Strom Iint abhängig ist. Deshalb ist die Wandlerstufenausgangssteuerung 1020 dazu in der Lage, die Ausgangssteuerung Uout in Antwort auf den Nutzzyklus D zu steuern.
  • Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung Uout von dem Strom Iint lässt sich intuitiv wie folgt nachvollziehen: Aus Gleichung (3) geht hervor, dass im Konstantspannungsmodus M1-2 über einen jeweiligen Nutzzyklus D der Ausgangsstrom Iout direkt proportional zu dem intermediären Strom Iint ist. Wenn also der Strom Iint in Antwort auf den Nutzzyklus D erhöht wird, wird auch der Ausgangsstrom Iout erhöht. Ein erhöhter Ausgangsstrom Iout liefert eine erhöhte Spannung Uout, solange die Last als ohmisch oder wattlos betrachtet werden kann.
  • Betrieb der Wandlerstufen-Ausgangsspannungssteuerung 1020 im Modus M2-3
  • Der Betrieb in Modus M2-3 liefert eine konstante Ausgangsleistung. Unter Bezugnahme auf 5 wird der Konstantausgangsleistungsmodus M2-3 erreicht, wenn die intermediäre Leistung Pint den niedrigsten der Grenzleistungspegel erreicht, der an Eingängen des Leistungsbegrenzers 1290 bereitgestellt wird.
  • Das Zusammenwirken des Leistungsbegrenzers 1290 und des Leistungsbegrenzers 1220 veranlasst die Wandlerstufenausgangssteuerung 1020 dazu, den Konstantspannungsmodus M1-2 zu verlassen und in den Konstantspannungsmodus M2-3 einzutreten, wodurch die Ausgangsspannung reduziert wird, wie zwischen den Punkten 2 und 3 in 5 angezeigt.
  • Betrieb der Wandlerstufen-Ausgangsspannungssteuerung 1020 im Modus M3-4
  • Der Betrieb in Modus M3-4 liefert einen konstanten Ausgangsstrom Iout. Unter Bezugnahme auf 8B wird der Konstantausgangsstrommodus M3-4 erreicht, wenn der Bezugspegel P3-5 den niedrigsten Wert an Leistungsbegrenzer 1220 bereitstellt, d.h. wenn der Eingang 1270 einen niedrigeren Leistungsreferenzwert empfängt als den, der an den Eingängen 1215 und 1280 empfangen wird. Unter Bezugnahme auf 8B und 5 wird der Konstantausgangsstrommodus M3-4 erreicht, wenn der Ausgangsstrombegrenzer 1260 einen höheren Referenzwert P3-4 von Block 1250 empfängt als der Referenztiefstwert P floor / int.
  • Ausgangsstromsteuerung mit Hilfe eines geschätzten Rückkopplungssignals
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rückkopplungsregler 1250 einen ersten Eingang zum Empfangen des Wandlerstufennutzzyklus-Steuersignals DCCS und einen zweiten Eingang zum Empfangen des gemessenen intermediären Stromwerts I meas / int auf, wie in 8B gezeigt. In der Ausführungsform von 8B wird der Ausgangsstromwert Iout anhand des intermediären Stroms Iint und des Wandlerstufennutzzyklus D geschätzt, und der Rückkopplungsregler 1250 ist wirksam, um einen Leistungsreferenzwert P3-4 in Antwort auf den geschätzten Ausgangsstromwert Iout zu erzeugen, so dass der Ausgangsstrom im Wesentlichen konstant bleibt. Der geschätzte Ausgangsstrom I est / out kann gemäß Gleichung (4) ermittelt werden, wie im Zusammenhang mit Tabelle 1 oben erläutert.
  • Unglücklicherweise wurde festgestellt, dass bei einem Betrieb in Modus M3-5 und bei Benutzung des geschätzten Ausgangsstromwerts I est / out gemäß Gleichung (4) sich die Genauigkeit des geschätzten Werts I est / out bei kleinen Werten für D verschlechtert. Wenn also das Steuersignal P3-5 (8B) in Antwort auf einen geschätzten Ausgangsstromwert geschätzt wird, der mit Gleichung (4) berechnet wird, würde der tatsächliche Ausgangsstrom fluktuieren, wenn die Schätzung auf kleinen Werten für D basiert. Um unerwünschte Fluktuationen des tatsächlichen Ausgangsstroms Iout zu verhindern, sollte der Übergangspunkt 4 auf einen geeigneten Nutzzyklus-Schwellenwert eingestellt sein.
  • Mit anderen Worten, es liegt ein Übergang von der Benutzung des Steuersignals P3-4 zur Benutzung des Steuersignals P4-5 vor. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wirken der Ausgangsstrombegrenzer 1260 und der Rückkopplungsregler 1250 zusammen, so dass dieser Übergang stattfindet, wenn der Wert des Nutzzyklus D unter einem bestimmten Nutzzyklus-Schwellenwert liegt. Der Nutzzyklus-Schwellenwert ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung 0,4.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Nutzzyklus-Schwellenwert 0,2. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Nutzzyklus-Schwellenwert 0,1.
  • In Fällen, in denen die Wandlerstufe 125 eine Vollbrücke 200 umfasst, umfasst das Signal 740 vorzugsweise vier Signale 740A bis D zum Regeln der vier Schaltelemente 205A bis D der Vollbrücke 200. Um den gewünschten Wandlerstufennutzzyklus D der Wandlerstufe zu erzielen, bestimmt ein Taktgeber in der programmierbaren Digitalschaltung 600 die pulsbreitenmodulierten Signale 740A bis D. Der Taktgeber umfasst einen Digitalzähler. Ein Abschnitt der Vollbrücke 200, der aus einem vertikalen Paar Schaltelemente 205A und 205C aus 2 (oder 205B und 205D) besteht, erzeugt eine Impulsfolge zu einem Anschluss des Transformators 210. Der Abschnitt von Vollbrücke 200, der aus Schaltelementen 205B und 205D aus 2 besteht (oder 205A und 205C), stellt eine identische, aber phasenverschobene Impulsfolge an den anderen Anschluss von Transformator 210 bereit. Dies ist schematisch in 9a bis c dargestellt. 9a zeigt den Digitalzähler in der programmierbaren Digitalschaltung 600, der die Ausgangsspannung der Vollbrücke 200 bestimmt. Der Digitalzähler aus 9a bestimmt außerdem die vollständige Erfassungssequenz des Vorreglers 120 und der Wandlerstufe 125. 9b zeigt die Spannung als eine Funktion der Zeit am Mittelpunkt eines der Abschnitte von Vollbrücke 200, d.h. zwischen den Schaltelementen 205A und 205C (oder zwischen 205B und 205D). 9c zeigt die Spannung als eine Funktion der Zeit am Mittelpunkt des anderen Abschnitts der Vollbrücke 200, d.h. zwischen den Schaltelementen 205B und 205D (oder zwischen 205A und 205C). Daher ist die Differenz zwischen den Spannungen aus 9b und 9c die Spannung für die Primärseite des Transformators 210, Uprimary. Durch Phasenverschiebung der in 9b und 9c gezeigten Spannungen zueinander kann der Wandlerstufennutzzyklus D variiert werden. Wenn die in 9b gezeigte Spannung positiv ist, leitet das Schaltelement 205A, und das Schaltelement 205C ist aus. Ebenso leitet, wenn die in 9c gezeigte Spannung positiv ist, das Schaltelement 205B, während das Schaltelement 205D aus ist. Durch Phasenverschieben der pulsbreitenmodulierten Signale 740A und C in Bezug auf die pulsbreitenmodulierten Signale 740B und D kann also die Vollbrücke 200 gesteuert werden, um einen gewünschten Wandlerstufennutzzyklus D zu erzeugen. Die pulsbreitenmodulierten Signale 740A bis D, die von den Schaltelementen 205A bis D empfangen werden, können vorzugsweise einen Nutzzyklus von 50 % aufweisen, oder leicht darunter. Durch Benutzen eines Nutzzyklus von 50 % oder leicht darunter wird das Risiko, dass beide Schaltelemente 205A und 205C (205B und 205D) desselben Abschnitts von Vollbrücke 200 zur selben Zeit eingeschaltet werden, reduziert. Außerdem kann die kurze Zeitspanne, die auf diese Weise eingeführt wird, während der keins der Schaltelemente 205A und 205C (205B und 205D) desselben Abschnitts eingeschaltet ist, benutzt werden, um die Ausgangskondensatoren in den Schaltelementen 205A und 205C (205B und 205D) neu aufzuladen, was ein weiches Schalten des Schaltelemente 205 ermöglicht.
  • Die Schaltelemente des Vorreglers 120 und der Wandlerstufe 125, wie z.B. die Schaltelemente 420 und 205A bis D, können vorzugsweise als Leistungstransistoren implementiert sein, wie z.B. als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs), Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs) oder Bipolartransistoren. Die programmierbare Digitalschaltung 600 könnte vorteilhaft als ein Digitalsignalprozessor (DSP), ein FPGA (Feldprogrammierbares Gate-Array), oder als jede andere programmierbare Digitalschaltung implementiert sein, die eine Signalverarbeitung bei ausreichender Geschwindigkeit bereitstellen kann.
  • Das oben beschriebene SMPS 100 könnte in vielfältiger Weise variiert werden. Beispielsweise könnte die Wandlerstufe 125 ein Typ von Sperrwandler sein. Der Vorregler 120 könnte dann vorzugsweise wegfallen, und das Schaltelement des Sperrwandlers könnte von der programmierbaren Digitalschaltung 600 gesteuert werden. In einer anderen Ausführungsform könnte die Wandlerstufe 125 ein DC/AC-Wandler sein, und das SMPS 100 wäre dann ein Wechselrichter. Außerdem ist das SMPS 100 aus 7 ein einphasiges SMPS. Allerdings ist die Erfindung ebenso anwendbar auf ein dreiphasiges SMPS. Bei einem dreiphasigen SMPS könnte die Diodenbrücke 110 vorzugsweise wegfallen, und der Vorregler 120 könnte vorzugsweise sechs verschiedene Schaltelemente 420 aufweisen, von denen jedes durch die programmierbare Digitalschaltung 600 gesteuert würde. Alternativ könnten zwei oder mehr unterschiedliche programmierbare Digitalschaltungen 600 zum Steuern des dreiphasigen SMPS 100 benutzt werden.
  • In einem üblichen Stromversorgungssystem ist eine Anzahl von SMPS 100 an eine Verteilereinheit angeschlossen, an die die angelegte Last angeschlossen wird. Ein Stromversorgungssystem 1000 ist schematisch in 10 dargstellt. Die Ausgänge der drei SMPSs 100A bis C sowie eine Batterie 1005 sind parallel an den Eingang einer Verteilereinheit 1010 angeschlossen. Zwei unterschiedliche Lasten 1015A bis B sind an den Ausgang der Verteilereinheit 1010 angeschlossen.
  • 10a zeigt ein beispielhaftes vereinfachtes schematisches Diagramm der Verteilereinheit 1010 aus 10. Mehrere Sicherungen 1012 sind parallel an Eingangsleitung 1011 angeschlossen, die Strom von dem Stromversorgungssystem 1000 leitet, wodurch jede der Lasten, z.B. 1015 und 1015B, mit den Sicherungen verbunden ist. Dies erlaubt es den einzelnen Lasten, unabhängig voneinander und störungsfrei zu arbeiten, und schützt das System vor einem Defekt oder Kurzschluss, der durch eine bestimmte Last verursacht wird. Natürlich könnte die Anzahl von SMPSs 100, die an die Verteilereinheit 1010 angeschlossen sind, sowie die Anzahl der Lasten 1015, jeden belieben Wert annehmen. Eine Überwachungseinheit 1025 kann auch in das System aufgenommen sein, wobei die Überwachungseinheit 1025 mit einigen oder allen Komponenten des Stromversorgungssystems 1000 über Signalverbindungen 1030 kommunizieren kann. Die Überwachungseinheit 1025 könnte zum Überwachen und Steuern der SMPSs 100A bis C sowie zum Überwachen der Batterie 1005 benutzt werden. Die Überwachungseinheit 1025 könnte z.B. die aktive Lastverteilung zwischen den SMPSs 100A bis C steuern, indem sie die Ausgangsspannungen der SMPSs 100A bis C anpasst. Außerdem wird die Ausgangsspannung Uout der SMPSs 100A bis C vorzugsweise angepasst, während die Temperatur der Batterie 1005 schwankt. Dies könnte z.B. erfolgen, indem ein Ausgangsspannungsreferenzwert an die SMPSs 100A bis C gesendet wird.
  • Indem mehrere SMPSs 100 in einem Stromversorgungssystem 1000 miteinander verbunden werden, lassen sich mehrere Vorteile erzielen, wie z.B. Redundanz und eine Möglichkeit zum Anpassen der Größe des Stromversorgungssystems 1000 an die Anforderungen der angelegten Lasten 1015. In einem Stromversorgungssystem 1000, in dem die SMPSs 100 digital gesteuert werden, werden weitere Vorteile erzielt, z.B. in Bezug auf eine erhöhte Flexibilität. Eine Anzahl von Parametern, wie z.B. die gemessenen Werte der gemessenen Quantitäten, können leicht von den SMPSs 100 an die Überwachungseinheit 1025 gesendet werden, und so wichtige Information an die Überwachungseinheit 1025 bereitstellen. Außerdem kann die Überwachungseinheit leicht Parameter verändern, die den Betrieb der SMPSs 100 bestimmen.
  • Ein weiterer Vorteil, der durch Einführen einer digitalen Steuerung in die SMPSs 100 erzielt wird, die in einem Stromversorgungssystem enthalten sind, ist, dass der Neustart der SMPSs 100 synchronisiert werden kann. Im Fall eines Kurzschlusses oder unter Überlastungsbedingungen ist es oft nötig, dass der Ausgangsstrom des Stromversorgungssystems 1000 reduziert wird, um Verluste zu minimieren und ein Erwärmen der Kabel zu verhindern. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem Iout der SMPSs 100 konstant auf einen Wert recht weit unterhalb des maximalen Ausgangsstroms gesenkt wird. Allerdings kann es dann schwierig sein, die Last neu zu starten, wenn der Kurzschluss oder die Überlastung beseitigt wurde, da der reduzierte Strom zu niedrig sein kann, um die Last 1015 zu versorgen.
  • Ein anderer Ansatz zum Reduzieren des Ausgangsstroms des Stromversorgungssystems 1000 könnte das vollständige Ausschalten der SMPSs 100 für eine bestimmte Zeit und ein anschließendes Neustarten sein. Wenn der Kurzschluss oder der Überlastungszustand weiterhin vorliegen, wenn der Neustartversuch getätigt wird, werden die SMPSs wieder ausgeschaltet. In einer Ausführungsform des Stromversorgungssystems werden bei einem Kurzschluss oder einem Überlastungszustand alle 10 Sekunden Neustartversuche getätigt, und im Fall eines immer noch vorliegenden Kurzschlusses oder Überlastungszustands werden die SMPSs100 nach einer Sekunde erneut ausgeschaltet. Diese Perioden können natürlich so lang oder kurz sein, wie es für die Anwendung erforderlich ist.
  • Beim Neustart der SMPSs 100 nach einem Kurzschluss oder einem Überlastungszustand ist es wichtig, dass der Neustart aller SMPSs 100 in dem Stromversorgungssystem 1000 synchronisiert ist. Wenn die Neustarts nicht synchronisiert sind, liegt ein großes Risiko vor, dass zu einem zufälligen Zeitpunkt der Ausgangsstrom, der von den SMPSs 100 bereitgestellt wird, die eingeschaltet sind, nicht ausreicht, um die Last 1015 zu versorgen, weshalb der Neustartversuch nicht erfolgreich wäre. In vielen Fällen ist die Last 1015 eine elektronische Last, die schnell startet und ständig Strom entnimmt, und also mehr Strom entnimmt, wenn die Spannung niedrig ist, z.B. beim Start. Es ist deshalb wichtig, dass das Stromversorgungssystem 1000 schnell starten kann und direkt nach dem Start einen vollen Ausgangsstrom bereitstellen kann. Deshalb sollte der Neustart der SMPSs 100 vorzugsweise synchronisiert sein.
  • Die Synchronisierung des Neustarts der SMPSs 100 des Stromversorgungssystems 1000 könnte vorteilhaft die 50/60-Hz-Hauptnetzfrequenz (oder andere Hauptnetzfrequenzen) benutzen. Die programmierbare Digitalschaltung 600 jedes SMPS 100 in dem Stromversorgungssystem 1000 könnte mit Messwerten der Hauptnetzspannung Uac versorgt werden, oder alternativ mit Messwerten der Eingangsspannung Uin, anhand derer die programmierbare Digitalschaltung 600 bestimmen kann, wann eine weitere Hauptnetzspannungsperiode Tuac verstrichen ist. Die Differenz zwischen der Startzeit der SMPSs ist, wenn die Hauptnetzfrequenz als die Synchronisationsbasis benutzt wird, in den meisten Fällen klein genug, auch wenn die SMPSs 100 sich auf unterschiedlichen Phasen der Hauptnetzspannung befinden.
  • Die Hauptnetzspannung Uac kann bei verschiedenen Hauptstromversorgungsnetzen in einer breiten Spanne variieren, und die Kurvenform kann je nach Last 1015 verändert werden. Außerdem liegt ein Brummen in der Hauptnetzspannung Uac vor. Deshalb muss ein effizientes Verfahren zum Bestimmen des Verstreichens einer weiteren Hauptnetzspannungsperiode Tuac bereitgestellt werden. Dies kann geschehen, indem geprüft wird, ob die Messwerte der Hauptnetzspannung in einem bestimmten, eher engen Spannungsintervall Iu liegen. Wenn dies der Fall ist, wird die nächste Messung erst durchgeführt, wenn eine Zeit tjump verstrichen ist, die ausreichend lang ist, dass für die Spannung dasselbe Spannungsintervall Iu in derselben Hauptnetzspannungsperiode Tuac der Hauptnetzspannung verstrichen ist, aber kurz genug dafür, dass die nächste Periode Tuac noch nicht begonnen hat. Bei einem Hauptspannungsnetz, das bei 50 Hz arbeitet und 230 V bereitstellt, könnte das Spannungsintervall Iu z.B. das Intervall zwischen 80 und 90 V sein, und tjump könnte z.B. den Wert von 16 ms annehmen. Die Startzeit der SMPSs 100 würde dann nicht um mehr als 20 ms voneinander abweichen. In einem System mit SMPSs 100, das eine Diodenbrücke 115 an dem Eingang aufweist, könnte die gleichgerichtete Eingangsspannung Uin vorzugsweise zur Synchronisierung des Neustarts der SMPSs 100 benutzt werden. Die Dauer von Uin. Tuin, beträgt nur die Hälfte von Uac. So könnte tjump um die Hälfte gesenkt werden, und die Startzeit der SMPSs 100 in dem Stromversorgungssystem würde noch weniger abweichen.
  • 11 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm, das für den Neustart jedes SMPS 100 des Stromversorgungssystems 100 im Fall eines Kurzschlusses oder einer Überlastung benutzt werden könnte. In dem Beispiel aus 11 wird die Frequenz der gleichgerichteten Spannung Uin als eine Referenz zur Synchronisierung benutzt. In Schritt 1100 wird festgestellt, dass ein Überlastungs- oder Kurzschlusszustand vorliegt. Wenn dieser Zustand für mehr als eine bestimmte Periode anhält, die z.B. eine Minute sein könnte, setzt Schritt 1105 ein, in dem das SMPS 100 ausgeschaltet wird. Eine Messung der Eingangsspannung Uin wird in Schritt 1115 vorgenommen. In Schritt 1120 wird dann geprüft, ob die Messung von Uin innerhalb von Iu liegt. Wenn nicht, erfolgt eine Rückkehr zu Schritt 1115. Wenn allerdings die Messung von Uin innerhalb von Iu liegt, erfolgt ein Eintritt in Schritt 1125, wobei der digitale Taktgeber um eins reduziert wird. Es wird dann in Schritt 1130 geprüft, ob der digitale Taktgeber einen Wert über null aufweist. Wenn nicht, erfolgt Schritt 1135, wobei der Prozess in einen Wartestatus für tjump eintritt. Wenn tjump verstrichen ist, erfolgt ein erneuter Eintritt in Schritt 1115. Wenn allerdings in Schritt 1130 ermittelt wird, dass der digitale Taktgeber null ist, wird das SMPS 100 in Schritt 1140 neu gestartet. Sodann erfolgt Schritt 1145, wobei geprüft wird, ob der Überlastungs- oder Kurzschlusszustand immer noch vorliegt. Wenn ja, erfolgt eine Rückkehr zu Schritt 1105. Wenn nicht, wird der normale Betrieb von SMPS 100 wieder aufgenommen.
  • Der in 11 beschriebene Prozess würde vorzugsweise durch die programmierbare Digitalschaltung 600 von jedem SMPS 100 des Stromversorgungssystems 1000 ausgeführt. Wenn der in 11 beschriebene Prozess zur selben Zeit in jedem SMPS 100 des Stromversorgungssystems 1000 starten würde, lägen die Startzeiten der SMPSs 100 jedes Mal sehr nahe beieinander.
  • Ein Fachmann wird verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in den beiliegenden Figuren und der vorangegangenen Beschreibung offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, die nur Erläuterungszwecken dienen, sondern in verschiedenster Art implementiert werden kann, und durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims (20)

  1. Geschaltetes Netzteil (100), aufweisend Eingangsanschlüsse (110) zur Aufnahme elektrischen Stroms und Ausgangsanschlüsse (135) zum Liefern eines Ausgangssignals mit einer Ausgangsspannung und einem Ausgangsstrom; wobei die Eingangsanschlüsse (110) von den Ausgangsanschlüssen (135) durch eine Isolationsbarriere (140) so getrennt sind, dass die Eingangsanschlüsse (110) auf einer primären Seite der Isolationsbarriere (140) vorgesehen sind und die Ausgangsanschlüsse (135) auf einer sekundären Seite der Isolationsbarriere (140) vorgesehen sind; wobei das geschaltete Netzteil umfasst eine Wandlerstufe (125), die zwischen die Eingangsanschlüsse und den Ausgangsanschlüsse gekoppelt ist, wobei die Wandlerstufe zumindest ein steuerbares erstes Schaltelement (205) zur Erzeugung eines Wandlerstufennutzzyklus (D) aufweist, um so die Wandlerstufe (125) dazu zu veranlassen, das Ausgangssignal zu erzeugen, und eine Digitalschaltung (600) zum Steuern des Schaltelements (205) in Abhängigkeit von zumindest einem Signal, wobei die Digitalschaltung auf der primären Seite der Isolationsbarriere lokalisiert ist, und das geschaltete Netzteil weiterhin einen Verstärker (762) umfasst, der auf der sekundären Seite angeordnet ist und dafür eingerichtet ist, die Ausgangsspannung an einem ersten Verstärkereingang zu empfangen und ein Verstärkerausgangssignal zu (U err / out, amp / out) erzeugen, das über die Isolationsbarriere zur Digitalschaltung (600) übertragen wird, wobei das geschaltete Netzteil dadurch gekennzeichnet ist, dass die Digitalschaltung (600) eine programmierbare Digitalschaltung ist, welche ein Prozessormittel (605), einen Arbeitsspeicher (610) und einen zumindest teilweise nicht-flüchtigen Speicher (615) zum Speichern ausführbarer Befehle umfasst, und dass der Verstärker (762) frequenzabhängig mit einer Übertragungsfunktions-Charakteristik (HCF) ist, welcher höhere Frequenzkomponenten relativ zu den niedrigeren Frequenzkomponenten verstärkt.
  2. Geschaltetes Netzteil gemäß Anspruch 1, wobei der Verstärker dafür eingerichtet ist, ein Ausgangsreferenzspannungssignal (U ref / out) von einem Hilfsprozessor (770) auf einem zweiten Verstärkereingang zu empfangen und dass das Verstärkerausgangssignal ein analoges Ausgangsfehlersignal (U err / out) ist.
  3. Geschaltetes Netzteil gemäß Anspruch 1, wobei die Ausgangsspannung die einzige Eingabe an den Verstärker (762) ist und wobei das Ausgangsreferenzspannungssignal (U ref / out) innerhalb der programmierbaren Digitalschaltung (600) erzeugt wird.
  4. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verstärker frequenzabhängig mit einer Übertragungsfunktions-Charakteristik ist, die niedrigere Frequenzkomponenten abschwächt und höhere Frequenzkomponenten verstärkt.
  5. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wandlerstufe in einem Modus (M2-3) zum Zuführen einer im wesentlichen konstanten Ausgangsleistung arbeiten kann; die Wandlerstufe in einem Modus (M3-5) zum Zuführen eines im wesentlichen konstanten Ausgangsstroms arbeiten kann.
  6. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die programmierbaren Digitalschaltung Mittel zum Empfangen eines Signals (725), welches den Eingangsstrom der Wandlerstufe (Iint) repräsentiert, umfasst; die programmierbaren Digitalschaltung dafür eingerichtet ist, den Ausgangsstrom (Iout) aus dem den Eingangsstrom der Wandlerstufe repräsentierenden Signal abzuleiten; und die programmierbaren Digitalschaltung weiterhin dafür eingerichtet ist, den abgeleiteten Wert (I est / out) des Ausgangsstroms (Iout) bei der Steuerung des ersten Schaltelementes zu verwenden.
  7. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend eine Wandlerstufen-Ausgangssteuerung (1020), die dafür eingerichtet ist, den Wert des Wandlerstufennutzzyklus (D) zu steuern; wobei die Wandlerstufen-Ausgangssteuerung (1020) zumindest teilweise durch die programmierbare Digitalschaltung (600) ausgeführt ist.
  8. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, wobei die programmierbare Digitalschaltung weiterhin dafür eingerichtet ist, die Wandlerstufe so zu betreiben, dass ein im wesentlichen konstanter Ausgangsstrom (Iout) in Abhängigkeit von dem abgeleiteten Wert (I est / out) des Ausgangsstroms und von für den Wandlerstufennutzzyklus (D) indikativen Informationen geliefert wird.
  9. Geschaltetes Netzteil gemäß Anspruch 8, wobei die programmierbaren Digitalschaltung weiterhin dafür eingerichtet ist, den Betrieb der Wandlerstufe so zu ermöglichen, dass ein im wesentlichen konstanter Ausgangsstrom in Abhängigkeit von dem abgeleiteten Ausgangsstromwert (I est / out) und von für den Wandlerstufennutzzyklus (D) indikativen Informationen geliefert wird, wenn der Wert des Nutzzyklus (D) höher ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
  10. Geschaltetes Netzteil gemäß Anspruch 8, wobei der vorgegebene Schwellenwert ein Wert von 0,4 oder kleiner ist.
  11. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wandlerstufe eine Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerstufe ist.
  12. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Wandlerstufe vier Schaltelemente (205A–D) umfasst, die in einer Vollbrücke (200) angeordnet sind, wobei die programmierbare Digitalschaltung dafür eingerichtet ist, die vier Schaltelemente zu steuern.
  13. Geschaltetes Netzteil gemäß Anspruch 12, wobei die programmierbare Digitalschaltung dafür eingerichtet ist, ein pulsweiten-moduliertes Signal (740) zu erzeugen und an jedes der vier Schaltelemente zu senden; und die programmierbaren Digitalschaltung weiterhin dafür eingerichtet ist, eine Phasenverschiebung in zweien (740A, 740C, 740B, 740D) der vier pulsweiten-modulierten Signale in Bezug auf die zwei anderen (740B, 740D, 740A, 740C) der vier pulsweiten-modulierten Signale zu bestimmen, wobei die Phasenverschiebung basierend auf einem gewünschten Wert des Nutzzyklus der Vollbrücke bestimmt wird.
  14. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die programmierbare Digitalschaltung dafür eingerichtet ist, die Netz-Frequenz beim Bestimmen des Timings von Neustart-Versuchen des geschalteten Netzteils zu verwenden.
  15. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die programmierbare Digitalschaltung dafür eingerichtet ist, ein Signal zu empfangen, das für die Netz-Spannung Indikativ ist, mit der die Eingangsanschlüsse des geschalteten Netzteils verbunden sind; und die programmierbare Digitalschaltung weiterhin dafür eingerichtet ist, das Signal beim Bestimmen der von dem geschalteten Netzteil gelieferten maximalen Leistung zu verwenden.
  16. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Walter Stufen-Ausgangs Steuerung (1020) dafür eingerichtet ist, den Wert des Wandlerstufennutzzyklus (D) so zu steuern, dass die Wandlerstufe in einen Modus (M2-3) zum Liefern einer im wesentlichen konstanten Ausgangsspannung arbeitet.
  17. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei zumindest ein Optokoppler (705) zum Übertragen zumindest eines Signal (710,715, 720,725, 730,735,740,745) über die Isolationsbarriere verwendet wird.
  18. Geschaltetes Netzteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das geschaltete Netzteil umfasst: Mittel zum Messen einer Quantität; Mittel zum Erzeugen eines Referenzwertes der Quantität; Mittel zum Erzeugen der Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Referenzwert der Quantität; und wobei die programmierbare Digitalschaltung Mittel zum Umwandeln der Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Präferenzwert der Quantität in eine digitale Repräsentation umfasst.
  19. Geschaltetes Netzteil gemäß Anspruch 18, wobei die Quantität die Ausgangsspannung des geschalteten Netzteils ist; und die programmierbare Digitalschaltung weiterhin dafür eingerichtet ist, die Differenz bei der Steuerung des ersten Schaltelements zu verwenden.
  20. Netzteilsystem (1000), umfassend: ein erstes geschaltetes Netzteil (100A), wie in einem der Ansprüche 1 bis 19 definiert; wobei das erste geschaltete Netzteil (100A) dafür eingerichtet ist, eine erste Stromausgabe zu liefern; und ein zweites geschaltetes Netzteil (100B), wie in einem der Ansprüche 1 bis 19 definiert; wobei das zweite geschaltete Netzteil (100B) dafür eingerichtet ist, eine zweite Stromausgabe zu liefern; und eine Verteilungseinheit (1010), die einen Verteilungeinheits-Eingang umfasst, der zum Empfangen der ersten Stromausgabe und der zweiten Stromausgabe verbunden ist; und zumindest einen Verteilungeinheits-Ausgang zum Liefern der elektrischen Leistung an eine Last.
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