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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von impulsbreitenmodulierten
Vorrichtungen und insbesondere das Sicherstellen eines sicheren Abschaltens
der impulsbreitenmodulierten Vorrichtungen.
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HINTERGRUND DES STANDES DER
TECHNIK
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Die
Verwendung einer (von) Ausgangsstufe(n) in geschalteter Betriebsart
bei der Audioverstärkung,
bei der die Umwandlung digital durchgeführt wird, ermöglicht eine
Audioausgabe von einem digitalen Signaleingang. Die Digitalsignalumwandlung kann
durch eine Vielfalt von Vorrichtungen erreicht werden. Ein spezielles
Verfahren verwendet einen Delta-Sigma-(ΔΣ) Modulator, in dem das digitale
Eingangssignal gefiltert und dann quantisiert wird, um ein Audioausgangssignal
zu erzeugen. Bei einem geschalteten Verfahren wird das rauschgeformte
quantisierte Signal vom Quantisierer mit einem Impulsbreitenmodulator
(PWM) gekoppelt, in dem ein Wert des quantisierten Signals den Tastgrad
des PWM-Ausgangssignals steuert. Das PWM-Ausgangssignal steuert dann den Betrieb
einer Schaltvorrichtung, die als Ausgangsstufe eines Verstärkers verwendet
wird, um eine Last anzusteuern. Folglich wird das gefilterte digitale
Signal verwendet, um die Impulsbreite des PWM-Signals zu modulieren,
um die Dauer der Ein/Aus-Schaltzeit der Ausgangstreiberstufe für die Last
zu steuern.
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Für PWM-angesteuerte
Ausgänge
kann das Ausgangssignal abgeschaltet werden müssen, wenn bestimmte Situationen
eintreten. Typischerweise kann ein Fehler in der Ausgangsschaltung
auf das Potential für
eine Schädigung
an der Schaltung hindeuten. Der Fehler kann beispielsweise in Form
des Betreibens der Ausgangsvorrichtung außerhalb ihrer sicheren Betriebsgrenzen
in Bezug auf (einen) bestimmte(n) Schaltungsparameter wie z.B. übermäßige Spannung, übermäßigen Strom
und/oder übermäßige Temperatur
vorliegen. Eine Vielfalt von Schaltungen können implementiert werden,
um die verschiedenen Fehlerbedingungen, die sich auf die Leistung
der Ausgangsstufe eines Verstärkers
auswirken können,
zu überwachen
und zu erfassen, einschließlich
Bedingungen, die eine potentielle Beschädigung am Verstärker darstellen
können.
Diese Erfassungsschaltungen können
dann ein Abschaltsignal zum Abschalten des Ausgangstreibers erzeugen,
wenn eine unerwünschte
Bedingung existiert und/oder bestehen bleibt.
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Wenn
jedoch das Abschalten asynchron zur Taktung des PWM-Impulses stattfindet,
existiert eine potentielle Gefahr für das Erzeugen von Abschaltimpulsen,
die kürzer
sind als die zum Steuern der Ausgangsvorrichtungen erforderliche
minimale Breite. Diese Situation liegt an einer gewissen Menge an
minimaler Impulsdauer, die im Allgemeinen für das korrekte Durchsteuern/Sperren
der Ausgangstreibertransistoren erforderlich ist. Wenn das Abschalten unmittelbar
nach der steigenden Flanke aktiviert wird oder wenn das Abschalten
unmittelbar vor der fallenden Flanke des PWM-Signals, das die Ausgangsstufe steuert,
zurückgesetzt
wird, kann das Abschaltsteuersignal zur Erzeugung eines falschen
PWM-Signals zum Ansteuern der Last führen. Ein falsches PWM-Signal
mit unzureichender Dauer kann die Ausgangsstufe nicht korrekt ansteuern
und/oder kann die Ausgangsstufe in irgendeinen anderen Zustand als
den gewünschten
Zustand versetzen. Wenn das Abschalten der PWM-Schaltungsanordnung
von einem asynchronen Signal abhängt,
kann folglich eine gewisse Form von Taktsteuerung erforderlich sein,
um sicherzustellen, dass PWM-Signale mit geringerer als minimaler
ausgewählter
Impulsdauer nicht erzeugt werden, um die Augsangstreiberstufe eines
Verstärkers
wie z.B. eines Audioverstärkers
zu steuern.
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US 5 675 297 offenbart eine
integrierte Impulsbreitenmodulationsschaltung mit einer thermischen
Abschaltschaltung. Die thermische Abschaltschaltung ist vorgesehen,
um eine thermische Beschädigung
an einer Ausgangstreiberstufe, die eine diskrete induktive Last
ansteuert, zu verhindern. Zum Verhindern einer Überhitzung der Schaltungsanordnung
wird ein thermisches Abschaltsignal (TSD) erzeugt und zwischen einem
PWM-Generator und einer Gateansteuerung angelegt, um das Anlegen
des PWM-Signals an die Gateansteuerung zu unterdrücken, solange
das TSD-Signal auf eine thermische Überhitzung hindeutet. Das TSD-Signal
wird maskiert oder deaktiviert, so dass das PWM-Signal weiter an
die Gateansteuerung angelegt wird, selbst wenn das TSD-Signal erzeugt
wird. Die Maskierung oder Unterdrückung des TSD-Signals ist vorgesehen,
um ein Abschalten der Gateansteuerungsoperation zu vermeiden, falls
nur kurze thermische Überlastungen auftreten
sollten. Die Wirkung der TSD-Unterdrückung besteht darin, dass,
sobald das TSD-Signal erzeugt wird, die Aus-Zeiten des PWM-Zyklus
erfasst und dann verwendet werden, um die Deaktivierung des TSD-Signals
um eine geeignete Zeitperiode zu verlängern. Dadurch wird das TSD-Signal
deaktiviert, solange sich das PWM-Signal irgendwie in der Aus-Phase befindet, und
es wird außerdem
in der Dauer der Aus-Zeit des PWM-Signals während des PWM-Zyklus deaktiviert.
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US 5 617 058 schlägt eine
Digitalsignal-Verarbeitungsvorrichtung zum Linearisieren von kleinen Eingangssignalen
in einen Leistungsschalter mit drei Zuständen vor. Der digitale Schaltverstärker wird durch
Impulsbreitenmodulation angesteuert. Die Linearisierung des geschalteten
Signals wird unter Verwendung von drei Zuständen erreicht, wobei steigende
oder fallende Flanken eines Hauptschaltsignals zur Glättung moduliert
werden.
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Die
Erfindung ist in dem Anspruch 1 bzw. 13 definiert.
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Spezielle
Ausführungsbeispiele
sind in den abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
DER ERFINDUNG
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum sicheren Handhaben eines asynchronen
Abschaltens eines impulsbreitenmodulierten Ausgangssignals werden
beschrieben. Eine Abschaltschaltung empfängt das impulsbreitenmodulierte
Signal und stellt einen Beginn eines Signalübergangs am Beginn des Impulses
fest. Die Abschaltschaltung stellt auch eine minimale Periode nach
dem Beginn des Signalübergangs
fest. Wenn die Abschaltschaltung ein Abschaltsignal empfängt, um
ein Abschalten der Ansteuerung für
eine Ausgangsstufe einzuleiten, verzögert die Abschaltschaltung
das Abschalten, bis die minimale Periode nach dem Beginn des Signalübergangs
abgelaufen ist. Bei der Steuerung der Rücksetzung des Abschaltens am
Ende des Impulses fährt
das Abschalten des Ausgangssignals fort, zumindest bis das impulsbreitenmodulierte
Signal wieder auf den nicht-gepulsten Zustand übergegangen ist, selbst wenn
das Abschaltsignal beendet ist. Die Steuerung des asynchronen Abschaltens
stellt sicher, dass impulsbreitenmodulierte Signale mit geringerer
Dauer als der minimalen Periode nicht auftreten, wobei solche kurzen
Impulse sich auf den korrekten Betrieb der Ausgangsschaltungsanordnung auswirken
können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden beispielhaft und nicht für den Zweck der
Begrenzung erläutert.
In den Figuren der zugehörigen
Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente
anzugeben.
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1 zeigt
ein Schaltungsblockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines PWM-Verstärkers unter
Verwendung einer asynchronen Abschaltschaltung, um Abschaltvorgänge sicher
zu handhaben.
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2 zeigt
ein Wellenformdiagramm von verschiedenen PWM- und Abschaltsignalen
für die Abschaltschaltung
von 1.
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3 zeigt
ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
einer Schaltung, die für
die Abschaltschaltung von 1 implementiert
werden kann.
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4 zeigt
ein Schaltungsblockdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels
zum Vorsehen eines sicheren Abschaltens für ein komplementäres Paar
von Schalttransistoren.
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5 zeigt
ein Wellenformdiagramm von verschiedenen PWM- und Abschaltsignalen
für die Abschaltschaltung
von 4.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Mit
Bezug auf 1 ist ein Schaltungsblockdiagramm
gezeigt, in dem ein asynchrones Abschaltschema als ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung implementiert wird. Das spezielle Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird mit Bezug auf einen Impulsbreitenmodulator beschrieben,
der in Audioanwendungen verwendet wird, um eine Last anzusteuern.
In 1 ist eine Schaltung 100 mit einer Rauschformungsstufe
("Rauschformungseinrichtung") 101, einer Impulsbreitenmodulations-Modulatorstufe
("PWM-Modulator") 102, einer
Abschaltdetektorlogikstufe ("Abschaltlogik") 103, einer
sicheren Abschaltstufe ("Abschaltschaltung") 104 und
einer Ausgangstreiberstufe ("Ausgangstreiber") 105 gezeigt.
Das Eingangssignal in die Schaltung 100 ist typischerweise
ein digitales Audiosignal, das am Eingang der Rauschformungseinrichtung 101 empfangen
wird. Das Ausgangssignal aus der Schaltung 100 wird vom
Ausgangstreiber 105 geliefert, von dem ein verstärktes Audiosignal
ein Peripheriegerät
wie z.B. einen Audiolautsprecher ("Last") 106 ansteuert.
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In
dem gezeigten speziellen Ausführungsbeispiel
wird ein digitales Audiosignal in die Rauschformungseinrichtung 101 eingegeben
und das digitale Audiosignal wird gefiltert und quantisiert, so
dass ein quantisiertes digitales Audiosignal am Ausgang der Rauschformungseinrichtung 101 vorgesehen wird.
Obwohl eine Vielfalt von Rauschformungsschaltungen verwendet werden
können,
verwendet die Rauschformungseinrichtung 101 ein Filter 111 und einen
Quantisierer 112. Das am Ausgang der Rauschformungseinrichtung 101 erzeugte
quantisierte Signal ist ein rauschgeformtes Signal, das den Modulator 102 ansteuert.
Das Ausgangssignal aus dem Quantisierer 112 wird auch über einen
Summierungsknoten 113 zum Eingang des Filters 111 zurückgeführt. Das
zurückgeführte Signal
wird mit dem digitalen Audioeingangssignal am Summierungsknoten 113 kombiniert.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel
werden der Knoten 113, das Filter 111 und der
Quantisierer 112 als Delta-Sigma- (ΔΣ) Stufe verwendet, um das digitale
Audiosignal in ein rauschgeformtes Signal umzuwandeln. Das Filter 111 ist
typischerweise ein Tiefpass("LP") Filter zum Filtern
des digitalen Audiosignals und der Quantisierer 112 erzeugt
das rauschgeformte Ausgangssignal. Das rauschgeformte Signal entspricht
dem als Modulationssignal zum Ansteuern des PWM-Modulators 102 zu
verwendenden digitalen Eingangssignal. Eine Vielfalt von ΔΣ-Stufen kann
zur Verwendung in der Rauschformungseinrichtung 101 leicht
angepasst werden.
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Obwohl
eine Vielfalt von Modulatoren verwendet werden können, verwendet das in der
Schaltung 100 gezeigte Ausführungsbeispiel einen Impulsbreitenmodulator
(PWM), um ein Impulssignal zu erzeugen, bei dem die Dauer des Impulses
durch das rauschgeformte Signal von der Rauschformungseinrichtung 101 gesteuert
wird. Folglich steuert das digitale Audiosignal am Eingang der Rauschformungseinrichtung 101 im
Wesentlichen die Impulsdauer (Impulsbreite) des PWM-Signals vom
PWM-Modulator 102.
Der Modulatorausgang ist dann mit der sicheren Abschaltschaltung 104 gekoppelt,
in der das Modulatorausgangssignal weiterverarbeitet wird. Das Ausgangssignal
aus der Abschaltschaltung 104 ist als qualifiziertes PWM-Ausgangssignal definiert, da
das PWM-Signal auf der Basis des Zustandes und der Taktung des Abschaltsignals
von der Abschaltlogik 103 eingestellt werden kann. Das
qualifizierte PWM-Ausgangssignal wird dann verwendet, um den Ausgangstreiber 105 anzusteuern.
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Wie
nachstehend im Einzelnen beschrieben wird, empfängt die Abschaltschaltung 104 ein
Abschaltsteuersignal von der Abschaltdetektorlogik 103.
Die Abschaltschaltung 104 empfängt auch einen minimalen Impulseingangswert
zum Steuern der minimalen Taktungsanforderung für das sichere Abschalten des
Ausgangstreibers 105. Die Abschaltlogik 103 überwacht
einen oder mehrere Schaltungs- und/oder Umgebungsparameter und erfasst,
wann eine Abschaltbedingung eingeleitet werden soll. Bei dem gezeigten
speziellen Ausführungsbeispiel
empfängt
die Abschaltlogik 103 Spannungs-, Strom- und Temperatureingaben,
so dass einer oder mehrere der Spannungs-, Strom- und Temperaturwerte überwacht
und verwendet werden kann, um eine Bedingung oder potentielle Bedingung
zu erfassen, die eine Sorge für
den Betrieb der Schaltung 100 darstellen kann. Typischerweise
besteht die Sorge für
einen sicheren Betrieb des Treibers 105. Die Spannung kann
beispielsweise auf eine Überspannungsbedingung überwacht
werden, die den Ausgangstransistoren schaden kann. Ebenso kann eine übermäßige Wärme oder
ein übermäßiger Strom
eine Überstrombedingung
im Ausgangstreiber verursachen. In diesen Fällen kann ein dauerhaftes oder
vorübergehendes
Abschalten der Ausgangsleistungsstufe eingeleitet werden, um eine
Beschädigung
an der Ausgangsschaltung oder an Vorrichtungen (wie z.B. einer externen
Last), die durch die Ausgangsstufe angesteuert werden, zu verhindern.
Andere Parameter als die Spannung, der Strom und die Temperatur
können auch überwacht
und/oder erfasst werden.
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Wenn
eine solche Bedingung oder potentielle Bedingung erfasst wird, erzeugt
die Abschaltlogik 103 folglich ein Abschaltsignal, das
zur Abschaltschaltung 104 geliefert wird. Wenn die Abschaltschaltung 104 das
Abschaltsignal empfängt,
bewirkt die Abschaltschaltung 104 wiederum, dass der Ausgangstreiber 105 gemäß bestimmten
Einschränkungen,
die in die Abschaltschaltung 104 eingebaut sind, abgeschaltet
wird. Bei dem nachstehend beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiel überwacht
die Abschaltschaltung 104 sowohl das PWM-Signal vom PWM-Modulator 102 als
auch das Abschaltsignal von der Abschaltlogik 103 und verfolgt
eine Reaktion gemäß der Bereitstellung
eines asynchronen sicheren Abschaltens des Ausgangstreibers 105.
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Mit
Bezug auf 2 ist ein Wellenformdiagramm 200 für die Erzeugung
eines qualifizierten Abschaltsignals 201 gezeigt, um ein
qualifiziertes PWM-Signal 202 zu erzeugen. Ein Problem
beim asynchronen Abschalten ist in einem erläuternden PWM-Signal 210 gezeigt,
das erzeugt werden würde, wenn
die Abschaltschaltung 104 nicht verwendet wird. Ein PWM-Signal
moduliert typischerweise die Ansteuerung einer Ausgangsvorrichtung.
Typischerweise sind diese Treiber Vorrichtungen mit hoher Leistung.
Ein solches Beispiel ist die Verwendung von Feldeffekttransistoren
(FETs), wobei die FETs durch ein Gate angesteuert werden. Um eine
korrekte Reaktion (Durchsteuern/Sperren) der FETs sicherzustellen,
muss der Ansteuerungsimpuls für
die Gates der FETs eine minimale Impulsbreitendauer erfüllen oder überschreiten.
PWM-Impulse, die kürzer
sind als die minimale Impulsbreitendauer, können nicht garantieren, dass
die FETs vollständig
durchsteuern oder sperren. Folglich sollten PWM-Signale für den Ausgangstreiber 105 die
sichere minimale Impulsbreitendauer aufweisen. Wenn die minimale Dauer
nicht vorhanden ist oder nicht garantiert werden kann, dann darf
das PWM-Signal nicht erzeugt werden. Die minimale PWM-Impulsbreitenanforderung
stellt sicher, dass potentiell schädliche Ansteuerungssignale
nicht zur Treiberstufe 105 gesandt werden, da diese potentiell
schädlichen
Ansteuerungssignale verursachen können, dass der Treiber 105 nicht
schnell genug abschaltet, um einen übermäßigen Strom und eine potentielle
Beschädigung
zu vermeiden.
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In 2 ist
das Ausgangssignal aus dem PWM-Modulator 102 als Bezugs-PWM-Signal 220 dargestellt
und das Abschaltsignal von der Abschaltlogik 103 ist als
asynchrones Abschaltsignal 221 dargestellt. Es sind auch
eine minimale Impulsperiode 215 am Beginn des Bezugs-PWM-Signals 220 und eine
minimale Impulsperiode 216 am Ende des Bezugs-PWM-Signals 220 gezeigt.
Die zwei Perioden 215, 216 veranschaulichen die
minimale Zeit, die erwünscht
ist, bevor wieder eine Änderung
des Zustandes des Bezugs-PWM-Signals 220 besteht. Sobald das
Bezugs-PWM-Signal 220 übergeht
(in dem in 2 gezeigten Beispiel von niedrig
auf hoch), sollte folglich das Bezugs-PWM-Signal 220 für die minimale
Periode 215 nicht wieder übergehen, um ein korrektes
Ein/Aus-Schalten der Vorrichtungen in der Treiberstufe 105 sicherzustellen.
Am anderen Ende sollte das Bezugs-PWM-Signal 220 ebenso
nicht zweimal innerhalb der Periode 216 übergehen.
Für die
meisten Anwendungen sind die Zeitperioden 215 und 216 im
Allgemeinen etwa gleich, auch wenn sie dies nicht müssen.
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In 2 wird
das Abschaltsignal 221 verwendet, um die Treiberstufe 105 abzuschalten.
Das Abschaltsignal 221 kann asynchron sein, so dass das Abschaltsignal 221 zu
irgendeinem Zeitpunkt in Bezug auf die Bezugs-PWM 220 auftreten
kann. Das erläuternde
PWM-Signal 210 veranschaulicht die Situation, in der das
Abschaltsignal 221 innerhalb der minimalen Periode 215 auftritt,
nachdem das PWM-Signal 220 aktiviert wurde (in dem Beispiel
auf hoch übergeht),
und auch die Situation, in der das Abschaltsignal 221 innerhalb
der minimalen Periode 216 endet, bevor das PWM-Signal 220 auf
niedrig übergeht.
Wenn eine dieser Situationen eintritt, dann kann ein PWM-Signal,
das zum Ausgangstreiber 105 gesandt wird, eine Impulsdauer
von weniger als dem gewünschten
Minimum aufweisen. Die unerwünschten
PWM-Impulse sind im erläuternden
PWM-Signal 210 gezeigt. Wenn das Abschaltsignal 221 innerhalb der
minimalen Impulsperiode 215 nach dem Beginn der steigenden
Flanke des Bezugs-PWM-Signals 220 beginnt, dann weist das
PWM-Signal 210 folglich einen
ersten Impuls mit einer Dauer auf, die kürzer ist als die erforderliche
minimale Impulsperiode 215. Wenn das Abschaltsignal 221 auf
einen niedrigen Pegel schaltet, gefolgt davon, dass das Bezugs-PWM-Signal 220 auf
einen niedrigen Pegel schaltet, dann kann der zweite Impuls des
PWM-Signals eine Dauer aufweisen, die kürzer ist als die erforderliche
minimale Periode 216.
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Folglich
kann eine oder können
beide Bedingungen gezeigt werden, wenn das asynchrone Abschaltsignal 221 nach
der steigenden Flanke des Bezugs-PWM-Signals 220 vom Modulator 102 beginnt und
der Taktabstand der zwei Übergänge geringer
ist als die minimale Impulsperiode 215. Ebenso kann am Hinterende,
wenn das Abschaltsignal 221 auf einen niedrigen Pegel schaltet,
bevor das Bezugs-PWM-Signal 220 auf einen niedrigen Pegel
schaltet, eine kurze PWM-Dauer auch auftreten, wenn der Taktabstand
des Abschaltsignals 221 und des Bezugs-PWM-Signals 220 geringer
ist als die Taktdauer 216. Wenn das Abschalten asynchron
zum PWM-Impuls stattfindet, existiert daher eine potentielle Gefahr,
dass Ausgangs-PWM-Impulse erzeugt werden, die kürzer sind als die erforderliche
minimale Breite, wie z.B. wenn das Abschalten kurz nach der steigenden
Flanke aktiviert wird oder wenn das Abschalten kurz vor der fallenden
Flanke des Bezugs-PWM-Signals zurückgesetzt wird. "Kurz" ist als Auftreten
der steigenden oder fallenden Flanke des Abschaltsignals innerhalb
der minimalen Impulsdauer 215/216 definiert. Um
sicherzustellen, dass die resultierende Impulsbreite zumindest die
minimale Dauer 215/216 ist, wird ein qualifiziertes
Abschaltsignal 201 erzeugt, um das Bezugs-PWM-Signal 220 zu
ersetzen, um die PWM-Ansteuerung für den Ausgangstreiber 105 zu steuern.
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Um
das Problem an der steigenden Flanke anzugehen, besteht eine beispielhafte
Lösung
darin, das qualifizierte Abschaltsignal 201 zu aktivieren,
sobald das Abschalten auftritt, außer innerhalb der Zeitperiode 215.
Wenn das Abschaltsignal 221 innerhalb der Periode 215 eingeleitet
wird, dann wird das qualifizierte Abschaltsignal 201 nicht
eingeleitet, bis nachdem die Periode 215 abgelaufen ist.
Wie in 2 gezeigt, tritt folglich die steigende Flanke
des qualifizierten Abschaltsignals 201 nicht auf, bis die minimale
Zeitperiode 215 abgelaufen ist. Sobald die minimale Zeitperiode 215 abgelaufen
ist, wird das qualifizierte Abschaltsignal 201 auf einen
hohen Pegel geschalten, was dann dazu führt, dass das qualifizierte
PWM-Signal 201 am Ausgang der Abschaltschaltung 104 auf
einen niedrigen Pegel schaltet.
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Eine
beispielhafte Lösung
für das
Problem an der fallenden Flanke besteht darin, das qualifizierte
Abschaltsignal 201 nicht zurückzusetzen, bis das Bezugs-PWM-Signal 220 auf
einen niedrigen Pegel schaltet. Selbst wenn das Abschaltsignal 221 auf
einen niedrigen Pegel schaltet, bleibt folglich das qualifizierte
Abschaltsignal 201 hoch, bis das Bezugs-PWM-Signal 220 auf
einen niedrigen Pegel schaltet. Das qualifizierte PWM-Signal 201 wird
dann verwendet, um die Taktung des Abschaltens zu steuern, so dass
das qualifizierte PWM-Signal 202, das von der Abschaltschaltung 104 gesandt
wird, in Reaktion auf das qualifizierte Abschaltsignal 201 ist.
Bei der beispielhaften Wellenform des qualifizierten PWM-Signals 202 ist
folglich nur ein aktiver Impuls (im Gegensatz zu zwei für die unkompensierte
Wellenform 210) gezeigt. Der eine Impuls des qualifizierten
PWM-Ausgangssignals 202 weist eine Impulsbreite von mindestens
der festgelegten minimalen Zeitperiode 215 auf.
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Eine
beispielhafte Schaltung 300 für die Abschaltschaltung 104 ist
in 3 dargestellt. Die Schaltung 300 empfängt das
Bezugs-PWM-Signal vom PWM-Modulator 102 und
das Abschaltsignal von der Abschaltlogik 103. Ein erster
Teil der Schaltung 300 erzeugt ein VALID-Signal, das dann
in Kombination mit dem Abschaltsignal verwendet wird, um das qualifizierte
Abschaltsignal in einem zweiten Teil der Schaltung 300 zu
erzeugen. 3 zeigt auch den zweiten Teil,
der ein invertiertes qualifiziertes Abschaltsignal (Komplement des
Abschaltsignals) liefert. Das invertierte qualifizierte Abschaltsignal
wird dann mit dem Bezugs-PWM-Signal kombiniert, um das qualifizierte
PWM-Signal zu erzeugen, das zum Ansteuern des Ausgangstreibers 105 verwendet wird.
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Das
Bezugs-PWM-Signal wird aufgeteilt und in einen Eingang eines UND-Gatters 301 eingegeben.
Ein zweiter Eingang des UND-Gatters 301 empfängt ein
verzögertes
und invertiertes Bezugs-PWM-Signal. Das Verzögerungselement 305 (die
Verzögerung
ist durch "Δ" gezeigt) liefert
die Verzögerung.
Die Verzögerung
ist in diesem Fall eine Taktzyklusverzögerung (eine Verzögerung eines
einen Taktzyklus breiten Impulses). Die beispielhafte Schaltung 300 weist
eine Anzahl von Verzögerungselementen
(wie z.B. Verzögerungselemente 305, 312, 313 und 318)
auf. Eine Taktungsschaltungsverbindung ist nicht gezeigt, aber diese
Verzögerungselemente 305, 312, 313 und 318 und
der Zähler 303 und
das S-R-Flip-Flop 315 werden im Allgemeinen durch ein synchrones
Taktsignal getaktet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist dieses synchrone
Taktsignal dasselbe Taktsignal (pwm_clk), das zum Takten der Zeitsteuerung
des PWM-Impulses verwendet wird. Folglich stellen die Verzögerungselemente
eine synchrone getaktete Implementierung zum Vorsehen der verschiedenen
Verzögerungen
dar.
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In
der nachstehenden Beschreibung wird eine synchrone Implementierung
in Bezug auf die Schaltung 300 beschrieben. Mit der synchronen
Implementierung erzeugt das UND-Gatter 301 folglich eine
Taktzyklusverzögerung,
sobald das Bezugs-PWM-Signal die Zustände ändert. Das Ausgangssignal aus
dem UND-Gatter 301 (als POS_EDGE gezeigt) wird zu einem
invertierten Eingang eines UND-Gatters 302 gesandt. POS_EDGE wird
auch zum Setzen eines Zählers 303 gesandt. Ein
Vergleicher 304 vergleicht das Ausgangssignal des Zählers 303 mit
einem Wert, der dem minimalen Impuls (MIN_PULSE) (z.B. eine minimale
Dauer für einen
Impuls des PWM-Signals 210) entspricht, und das Vergleichsausgangssignal
aus dem Vergleicher 304 wird zu einem zweiten Eingang des
UND-Gatters 302 gesandt. Das Ausgangssignal aus dem UND-Gatter 302 ist
das VALID-Signal, das auch invertiert und zu einem Aktivierungseingang
des Zählers 303 zurückgeführt wird,
um den Zähler
zu aktivieren. Das synchrone Taktsignal (wie z.B. pwm_clk) ist im
Diagramm der Schaltung 300 nicht gezeigt, ist jedoch vorhanden,
um die synchrone Taktung vorzusehen und zu ermöglichen, dass der Zähler 303 zählt, sobald
der Zähler 303 gesetzt
wird.
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Das
VALID-Signal ist immer hoch, außer wenn
es nicht gültig
ist, um das Abschalten einzuleiten (z.B. während der minimalen Periode
nach dem hohen Übergang
des Bezugs-PWM-Signals). Die minimale Periode wird durch Auswählen eines
Werts für MIN_PULSE
festgelegt, der in den Vergleicher 304 zum Vergleich mit
dem Ausgangssignal des Zählers 303 eingegeben
wird. Eine positive Flanke am Eingang löst einen einen Taktzyklus breiten
Impuls aus, der als POS_EDGE gezeigt ist. Der POS_EDGE-Impuls bewirkt,
dass das VALID-Signal auf einen niedrigen Pegel schaltet, was den
Zähler 303 aktiviert.
Bei der nächsten
Taktflanke wird der Zähler 303 synchron
auf 1 gesetzt, um die Zählsequenz
zu initialisieren. Der Zähler 303 beginnt
mit dem Taktzyklus zu zählen
und der Vergleicher 304 vergleicht das Ausgangssignal des
Zählers 303 mit
dem Wert von MIN_PULSE. Das Ausgangssignal des Vergleichs und das
invertierte POS_EDGE-Signal werden zum UND-Gatter 302 gesandt,
um das VALID-Signal zu erzeugen. Sobald der Zähler 303 aktiviert
ist, wird das Zähler-Ausgangssignal (COUNTER)
mit dem für MIN_PULSE
ausgewählten
Zählwert
verglichen. Das Vergleicherausgangssignal vom UND-Gatter 302 ist niedrig,
um den VALID-Wert niedrig zu halten, bis COUNTER den Wert von MIN_PULSE
erreicht, zu welcher Zeit sich das Ausgangssignal des Vergleichers 304 ändert, was
VALID wieder auf einen hohen Pegel bringt. An diesem Punkt ist die
minimale Periode (durch MIN_PULSE festgelegt) abgelaufen und VALID
schaltet auf einen hohen Pegel, so dass das Abschalten eingeleitet
werden kann. Wenn VALID wieder auf einen hohen Pegel schaltet, wird
der Zähler 303 deaktiviert.
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Der
zweite Teil der Schaltung 300 verwendet dann das VALID-Signal
und erzeugt das invertierte qualifizierte Abschaltsignal in Kombination
mit dem Abschaltsignal. Wie gezeigt, werden das Abschaltsignal und
das VALID-Signal in ein UND-Gatter 310 eingegeben. Das
Abschaltsignal und das Bezugs-PWM-Signal werden invertiert und in
ein UND-Gatter 311 eingegeben. Zwei Verzögerungselemente 312, 313 werden
verwendet, um die Abtastung des asynchronen Abschaltsignals zu synchronisieren und
die Metastabilität
zu entfernen. Bei asynchronen Implementierungen werden solche Synchronisationselemente
im Allgemeinen nicht verwendet.
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Das
Ausgangssignal des UND-Gatters 310 wird zu einem Setz-("S") Eingang des S-R-Flip-Flops 315 gesandt, während das
Ausgangssignal des UND-Gatters 311 zum Rücksetz-("R") Eingang des Flip-Flops 315 gesandt
wird. Bei der synchronen Implementierung wird der S-R-Flip-Flop 315 getaktet, wie
z.B. durch pwm_clk. In dem speziellen Ausführungsbeispiel der Schaltung 300 wird,
wenn das Ausgangssignal des Gatters 310 logisch hoch (1)
ist, das Ausgangssignal des Flip-Flops 315 bei der nächsten positiven
Flanke von pwm_clk auf Eins (1) gesetzt. Wenn das Ausgangssignal
des Gatters 311 logisch hoch (1) ist, ist ebenso das Ausgangssignal
des Flip-Flops 315 bei der nächsten positiven Flanke von pwm_clk
logisch niedrig (0).
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Das
Ausgangssignal des Flip-Flops 315 und das Ausgangssignal
des UND-Gatters 310 werden in ein NICHT-ODER-Gatter 316 eingegeben.
Das Ausgangssignal des NICHT-ODER-Gatters 316 liefert das
invertierte qualifizierte Abschaltsignal und dieses Signal und das
Bezugs-PWM-Signal werden in ein UND-Gatter 317 eingegeben.
Diese Verbindung vom Gatter 310 zum NICHT-ODER-Gatter 316 um
das S-R-Flip-Flop 315 ermöglicht, dass die Schaltung 300 die
Reaktion auf ein aktives Abschaltsignal beschleunigt. Bei anderen
Ausführungsbeispielen
kann diese Verbindung weggelassen werden, um eine gewisse Logik
auf Kosten eines zusätzlichen
Taktzyklus der verzögerten
Reaktion auf ein Abschalten einzusparen.
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Das
Ausgangssignal des UND-Gatters 317 ist das qualifizierte
PWM-Signal, das zum Ausgangstreiber 105 gesandt wird. Ein
Verzögerungselement 318 wird
am Ausgang des UND-Gatters 317 verwendet. Bei einem speziellen
Ausführungsbeispiel
ist das Verzögerungselement 318 ein "Entstör"-Flip-Flop vom D-Typ.
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Das
Abschaltsignal wird typischerweise außerhalb der Abschaltschaltung 300 erzeugt,
wie z.B. durch die Abschaltlogik 103, und das Abschaltsignal wird
gewöhnlich
asynchron zum Takt der PWM-Schaltungsanordnung erzeugt. Die Doppelgatterverzögerung minimiert
das Risiko für
Metastabilität.
Das VALID-Signal synchronisiert das asynchrone Abschaltsignal und
stellt sicher, wann das Abschalten aktiviert wird. Wenn das synchronisierte
Abschaltsignal VALID hoch ist, was bedeutet, dass das Abschalten
erlaubt ist, wird der synchrone S-R-Flip-Flop 315 bei der
nächsten
Taktflanke gesetzt. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 315 sowie das
S-Eingangssignal
werden in das NICHT-ODER-Gatter 316 eingegeben, um das
invertierte qualifizierte Abschaltsignal zu erzeugen. Das S-R-Flip-Flop 315 wird
nur dann zurückgesetzt,
wenn VALID auf einen niedrigen Pegel schaltet und das Bezugs-PWM-Eingangssignal
auf einen niedrigen Pegel schaltet.
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Wenn
das Abschalten aktiviert wird und VALID hoch ist, treibt folglich
das gesetzte Signal das invertierte qualifizierte Abschaltsignal
auf einen niedrigen Pegel, so dass der Zustand das Bezugs-PWM-Eingangssignals
aus der Schaltung 300 ausgegeben wird. Nach dem ersten
Taktzyklus wird das S-R-Flip-Flop 315 gesetzt, um das invertierte qualifizierte
Abschaltsignal niedrig zu halten, bis es zulässig ist, es zurückzusetzen.
Das qualifizierte PWM-Signal bleibt hoch, solange das Eingangsbezugssignal
hoch bleibt (ungeachtet des Zustandes des Abschaltsignals). Das
qualifizierte PWM-Signal schaltet auf einen niedrigen Pegel, wenn
das invertierte qualifizierte Abschaltsignal und das Bezugs-PWM-Eingangssignal
beide niedrig sind. Das Flip-Flop 315 stellt sicher, dass
keine Bedingung mit unterschiedlichem Logiksignaldurchlauf Spitzen
am Ausgangssignal erzeugt.
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Die
Wellenformdiagramme von 2 werden beim Betrieb der Schaltung 300 erzielt.
Das qualifizierte Abschaltsignal 201 ist eigentlich ein
invertiertes Signal am Ausgang des NICHT-ODER-Gatters 316.
Diese Inversion liegt einfach an der entworfenen Logik der verschiedenen
Logikbauelemente der Schaltung 300.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem ein komplementärer
Satz von PWM-Ansteuersignalen
der hohen und niedrigen Seite verwendet wird, um ein komplementäres Paar
von Transistoren 421, 422 anzusteuern. Eine sichere
Abschaltschaltung 400 ist gezeigt, wobei die Schaltung 400 äquivalent
zur Schaltung 300 arbeitet, aber nun einen komplementären Satz
von Transistoren 421, 422 ansteuert. Das komplementäre Paar
von Transistoren 421, 422 wird durch komplementäre Signale,
die als hoch ("H") und niedrig ("L") angegeben sind, vom Gatetreiber 405 angesteuert,
um die Ausgangsleitung 423 zwischen Vp (H-Seite) und Vn
(L-Seite) umzuschalten. Die Rauschformungseinrichtung 101 und
der PWM-Modulator 102 von 1 werden
wieder verwendet, um das Bezugs-PWM-Signal zu erzeugen. Die Abschaltlogik 103 von 1 wird
auch verwendet, um das Abschaltsignal auf der Basis von bestimmten
Schaltungs- und/oder Umgebungsparametern zu erzeugen. Das Bezugs-PWM-Signal
wird aufgeteilt, um ein nicht-invertiertes (H-Seite) und ein invertiertes
(L-Seite) PWM-Signal zu einer Abschaltschaltung 404 zu
liefern. In 4 liefert der Inverter 407 die
Inversion. Das Abschaltsignal von der Abschaltlogik wird auch in
die Abschaltschaltung 404 eingegeben.
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Die
Abschaltschaltung 404 weist zwei Abschnitte 411 und 412 auf,
die auch als sichere Abschaltschaltung H und sichere Abschaltschaltung
L gezeigt sind. Die Abschnitte 411, 412 verwenden
beide das Abschaltsignal. Der Abschnitt 411 und der Abschnitt 412 arbeiten
individuell und äquivalent
zum Abschaltschaltung 104, außer dass der L-Abschnitt 412 umgekehrt
zum H-Abschnitt 411 arbeitet.
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5 stellt
ein beispielhaftes Wellenformdiagramm 500 für die Abschaltschaltung 412 dar.
Die Wellenformen des Diagramms 500 sind zum Wellenformdiagramm 200 von 2 äquivalent,
außer
dass die PWM-Signale im Diagramm 500 in H- und L-Komponenten aufgeteilt
sind. Obwohl zwei separate qualifizierte Abschaltsignale verwendet
werden können, können die
beiden auch zu einem einzelnen qualifizierten Abschaltsignal kombiniert
werden, das in 5 gezeigt ist. Wie vorher angegeben,
lässt man Abschaltvorgänge folglich
nicht innerhalb einer minimalen Impulsperiode nach jeder Flanke
des Bezugs-PWM-Impulses für
die jeweilige hohe und niedrige Seite vorkommen und die Abschaltvorgänge werden
nicht zurückgesetzt,
bis eine Flanke am jeweiligen Bezugs-PWM-Signal erfasst wird.
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Folglich
werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum sicheren Handhaben
des asynchronen Abschaltens eines impulsbreitenmodulierten Ausgangssignals
beschrieben. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele werden im Allgemeinen
bei Audio-PWM-Signalen verwendet, die in einem Digitalsignalprozessor
(DSP) implementiert werden können.
Folglich ist die Schaltung 100 nur ein Ausführungsbeispiel
zum Ausführen
der Erfindung und andere Anwendungen und Ausführungsbeispiele sind zur Ausführung des
asynchronen Abschaltschemas der vorliegenden Erfindung leicht erhältlich.
Andere Ausführungsbeispiele
können
eine asynchrone Verzögerung
in einem oder mehreren der Verzögerungselemente
verwenden. Folglich können
eine Gatterverzögerung
und andere Arten von Transportverzögerungen in den Verzögerungselementen
oder für
das Flip-Flop 315 verwendet werden. Ebenso kann der Zähler 303 eine
asynchrone Verzögerung (wie
z.B. eine RC-Taktverzögerung)
in anderen Ausführungsbeispielen
verwenden.
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Andere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung können
jedoch auf anderen Technologiegebieten leicht ausgeführt werden.
Die Erfindung kann beispielsweise bei einer Motorsteuerung, Schaltbetriebsart-Leistungsversorgungen
und Beleuchtungsvorschaltgeräten
usw. ausgeführt
werden. Die sichere Handhabung des asynchronen Abschaltens ermöglicht,
dass ein korrektes Abschalten ausgeführt wird, ohne Spitzen oder
kurze Impulse (z.B. mit einer Dauer von weniger als MIN_PULSE) zu
erzeugen, was das Ausgangssignal unterbrechen oder verzerren kann
oder Komponenten, die als Lasten mit dem Ausgang gekoppelt sind,
schaden kann.