AT17755U1 - Single stage converter circuit arrangement with linear regulator - Google Patents

Abstract

Konverterschaltungsanordnung mit einem Schalter (T1) und einem Linearregler (5), der in Serie zu einem Lastausgang der Konverterschaltungsanordnung angeordnet ist, wobei eine Reglerschaltung (7, 11) den Schalter (T1) auf Basis einer Differenz aus einem unmittelbar erfassten Spannungsabfall über den Linearregler (5) und einem Sollwert für den Spannungsabfall ansteuert.Converter circuit arrangement with a switch (T1) and a linear regulator (5), which is arranged in series with a load output of the converter circuit arrangement, with a regulator circuit (7, 11) switching the switch (T1) on the basis of a difference from a directly detected voltage drop across the linear regulator (5) and a target value for the voltage drop.

Description

Beschreibungdescription

EINSTUFIGE KONVERTERSCHALTUNGSANORDNUNG MIT LINEARREGLER SINGLE STAGE CONVERTER CIRCUIT ARRANGEMENT WITH LINEAR REGULATOR

[0001] Die Erfindung betrifft eine einstufige Konverterschaltungsanordnung mit einem seriell zum Ausgang angeordneten Linearregler. Insbesondere betrifft die Erfindung eine einstufige Konverterschaltungsanordnung zum Betrieb von LEDs als Last, die eine verbesserte Effizienz des in Serie zur Last geschalteten Linearreglers aufweist. The invention relates to a single-stage converter circuit arrangement with a linear regulator arranged in series with the output. In particular, the invention relates to a single-stage converter circuit arrangement for operating LEDs as a load, which has an improved efficiency of the linear regulator connected in series with the load.

[0002] Einstufige Konverterschaltungen für den Betrieb von Leuchtmitteln, wie beispielsweise Leuchtdioden (LEDs) als Last sind bekannt. Solchen Konverterschaltungen wird eine gleichgerichtete Netzwechselspannung Uac zugeführt. Die einstufige Konverterschaltung, beispielsweise ein Aufwärtswandler, speist einen Speicherkondensator. Die über den Speicherkondensator abfallende Spannung stellt an einem Lastausgang der Konverterschaltung eine Ausgangspannung ULeo zum Treiben eines Laststroms IL zu Verfügung. Single-stage converter circuits for the operation of lamps, such as light emitting diodes (LEDs) as a load are known. A rectified mains AC voltage Uac is supplied to such converter circuits. The single stage converter circuit, such as a boost converter, feeds a storage capacitor. The voltage drop across the storage capacitor provides an output voltage ULeo for driving a load current IL at a load output of the converter circuit.

[0003] Dabei tritt am Lastausgang der Konverterschaltung eine zusätzliche Rippelspannung auf, die synchron zur gleichgerichteten Netzeingangsspannung ist. Um zu vermeiden, dass die zusätzliche Rippelspannung auf der Ausgangsspannung eine entsprechende Fluktuation der abgegebenen Lichtleistung einer LED als Last verursacht, können zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen ergriffen werde. Neben einer Vergrößerung der Kapazität des Speicherkondensators ist es bekannt, einen Linearregler in Serie zu dem Ausgang, also der LED, zu schalten. In this case, an additional ripple voltage occurs at the load output of the converter circuit, which is synchronous with the rectified mains input voltage. In order to prevent the additional ripple voltage on the output voltage from causing a corresponding fluctuation in the light output emitted by an LED as a load, additional circuitry measures can be taken. In addition to increasing the capacitance of the storage capacitor, it is known to connect a linear regulator in series with the output, ie the LED.

[0004] Ein Linearregler in Serie am Ausgang der Konverterschaltung ist zwar geeignet, eine unerwünschte Rippelspannung zu unterdrücken, bedeutet jedoch auch eine zusätzliche Verlustleistung der so modifizierten Konverterschaltung aufgrund der über den Linearregler abfallenden Spannung Upee. A linear regulator in series at the output of the converter circuit is suitable for suppressing an unwanted ripple voltage, but also means additional power loss in the converter circuit modified in this way due to the voltage Upee dropping across the linear regulator.

[0005] Die Offenlegungsschrift DE 100 40 154 A1 schlägt vor, einer Vergleichsschaltung die an den Leuchtdioden abfallende Ausgangsspannung und eine Ausgangsspannung einer Spannungsquelle zuzuführen. Eine von der Vergleichsschaltung angesteuerte Steuerschaltung führt die Ausgangsspannung der Spannungsquelle bis auf eine geringe Differenz an die an den Leuchtdioden abfallende Spannung heran und verbessert damit die Effizienz der Erzeugung eines Stroms für die Leuchtdioden. Allerdings erfasst die vorgeschlagene Maßnahme nach DE 100 40 154 A1 nicht unmittelbar den Spannungsabfall an dem Linearregler, sondern lediglich eine Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle und der Ausgangsspannung Ui: für die LED. The published application DE 100 40 154 A1 proposes feeding a comparison circuit with the output voltage drop across the light-emitting diodes and an output voltage of a voltage source. A control circuit driven by the comparison circuit brings the output voltage of the voltage source up to the voltage drop across the light-emitting diodes, with the exception of a small difference, and thus improves the efficiency of generating a current for the light-emitting diodes. However, the proposed measure according to DE 100 40 154 A1 does not directly detect the voltage drop across the linear regulator, but only a voltage difference between the output voltage of the DC voltage source and the output voltage Ui: for the LED.

[0006] Es stellt sich daher die technische Aufgabe, eine verbesserte Konverterschaltungsanordnung mit einer unterdrückten Rippelspannung auf einem Lastausgang bei gleichzeitig hoher Effizienz der Konverterschaltungsanordnung bereitzustellen. It is therefore the technical task to provide an improved converter circuit arrangement with a suppressed ripple voltage at a load output while at the same time having a high efficiency of the converter circuit arrangement.

[0007] Die Konverterschaltungsanordnung nach unabhängigem Anspruch 1 löst die technische Aufgabenstellung. In den Unteransprüchen werden vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Konverterschaltungsanordnung gezeigt. The converter circuit arrangement according to independent claim 1 solves the technical problem. Advantageous developments of the converter circuit arrangement according to the invention are shown in the dependent claims.

[0008] Eine erfindungsgemäße Konverterschaltungsanordnung weist einen Schalter und einen Linearregler auf. Der Linearregler ist in Serie zu einem Lastausgang der Konverterschaltungsanordnung angeordnet. Die Konverterschaltungsanordnung umfasst weiter eine Reglerschaltung, die den Schalter auf Basis einer Differenz aus einem unmittelbar erfassten Spannungsabfall über den Linearregler und einem Sollwert für den Spannungsabfall ansteuert. A converter circuit arrangement according to the invention has a switch and a linear regulator. The linear regulator is arranged in series with a load output of the converter circuit arrangement. The converter circuit arrangement also includes a regulator circuit which controls the switch on the basis of a difference between a directly detected voltage drop across the linear regulator and a desired value for the voltage drop.

[0009] Das erfindungsgemäße Vorgehen bezieht einen unmittelbar (direkt) ermittelten Spannungsabfall über den Linearregler gegenüber Massepotential für eine Regelung der Ansteuerung des Schalters heran. The procedure according to the invention uses an immediately (directly) determined voltage drop across the linear regulator in relation to ground potential for controlling the actuation of the switch.

[0010] Eine besonders bevorzugte Konverterschaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Konverterschaltungsanordnung eine Erfassungsschaltung aufweist, die eingerichtet ist, Nulldurchgänge einer eingangsseitigen Netzspannung der Konverterschaltungsanordnung zu er-A particularly preferred converter circuit arrangement is characterized in that the converter circuit arrangement has a detection circuit which is set up to detect zero crossings of an input-side mains voltage of the converter circuit arrangement.

fassen. Ein Steuerschaltkreis der Konverterschaltungsanordnung ist eingerichtet, einen Sollwert für eine ausgangseitige Lastspannung der Konverterschaltungsanordnung auf Basis der erfassten Nulldurchgänge zu verändern. grasp. A control circuit of the converter circuit arrangement is set up to change a desired value for a load voltage on the output side of the converter circuit arrangement on the basis of the detected zero crossings.

[0011] Ausgehend von der Erfassung der Nulldurchgänge der Netzspannung Uac werden in einfacher Weise minimale Werte des Spannungsabfalls über den Linearregler bestimmbar. Damit kann die die am Linearregler abfallende Spannung Up: gegenüber dem Stand der Technik entsprechend verringert werden. Die Verlustleistung der einstufigen Konverterschaltungsanordnung wird gegenüber der bekannten Anordnung entsprechend vermindert. Starting from the detection of the zero crossings of the mains voltage Uac, minimum values of the voltage drop across the linear regulator can be determined in a simple manner. In this way, the voltage Up dropped across the linear regulator can be correspondingly reduced compared to the prior art. The power loss of the single-stage converter circuit arrangement is correspondingly reduced compared to the known arrangement.

[0012] Eine vorteilhafte Konverterschaltungsanordnung umfasst nach einer Ausführung ein Abtast-Halte-Glied. Das Abtast-Halteglied ist ausgelegt, einen Wert des Spannungsabfalls über den Linearregler zu erfassen. Ein Zeitschaltkreis der Konverterschaltungsanordnung ist dafür ausgelegt ist, auf Basis der erfassten Nulldurchgänge das Abtast-Halte-Glied anzusteuern. According to one embodiment, an advantageous converter circuit arrangement comprises a sample-and-hold element. The sample and hold element is designed to capture a value of the voltage drop across the linear regulator. A timing circuit in the converter circuit arrangement is designed to control the sample-and-hold element on the basis of the detected zero crossings.

[0013] Die Ansteuerung des Abtast-Halte-Glieds mittels des Zeitschaltkreises verbessert die Regelschleife weiter, da somit immer ausgehend von einem Minimalwert der Netzspannung ein Abtastwert der Spannung Uree über den Linearregler genommen wird, der den minimalen Wert des Spannungsabfalls Uree min über den Linearregler darstellt. Es wird also nicht konstant die Differenz zum aktuellen Wert der Netzspannung bzw. der Rippelspannung nachgeregelt, sondern in gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Form die Differenz zwischen einem Minimum der Rippelspannung und der Ausgangsspannungsspannung konstant geregelt. Das Geschwindigkeitsverhalten des Regelkreises wird damit ebenfalls verbessert. The activation of the sample-and-hold element by means of the timing circuit further improves the control loop, since a sample value of the voltage Uree is always taken via the linear regulator, starting from a minimum value of the mains voltage, which corresponds to the minimum value of the voltage drop Uree min via the linear regulator represents. The difference to the current value of the mains voltage or the ripple voltage is therefore not constantly readjusted, but the difference between a minimum of the ripple voltage and the output voltage is constantly regulated in an improved form compared to the prior art. This also improves the speed behavior of the control circuit.

[0014] Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Abtast-Halte-Glied und/oder der Zeitschaltkreis und/oder der der Steuerschaltkreis in einem Mikrokontroller-Schaltkreis integriert ausgeführt sind. It is particularly advantageous if the sample-and-hold element and/or the timer circuit and/or the control circuit are designed to be integrated in a microcontroller circuit.

[0015] Die genannten Schaltkreise und ihre Funktionen lassen sich somit in technisch einfacher Weise mittels eines integrierten Schaltkreises, insbesondere eines Mikrokontrollers realisieren, zumal ein Mikrokontroller in vielen Anwendungen der Erfindung zu Steuerungszwecken bereits vorgesehen ist. The circuits mentioned and their functions can thus be implemented in a technically simple manner by means of an integrated circuit, in particular a microcontroller, especially since a microcontroller is already provided in many applications of the invention for control purposes.

[0016] Eine Ausführung der Konverterschaltungsanordnung umfasst als Konverterschaltungsanordnung einen einstufigen Konverter, insbesondere einen einstufigen Konverter zum Betrieb eines LED-Moduls mit zumindest einer LED. One embodiment of the converter circuit arrangement comprises a single-stage converter as the converter circuit arrangement, in particular a single-stage converter for operating an LED module with at least one LED.

[0017] Die Erfindung ist insbesondere für einstufige Konverterschaltungen mit ihrem topologiebedingten Rippelspannungsanteil auf der Konverterausgangsspannung Uourt bzw. einem Rippelstromanteil des Laststroms I_:o vorteilhaft einzusetzen, um entsprechend qualitativ verbesserte Ausgangsgrößen Uourt und IL:o zu erreichen. Beispielsweise kann so das Flackern von mittels einstufiger Konverterschaltungen betriebenen LEDs wirksam vermindert bzw. unterdrückt werden. The invention can be used advantageously in particular for single-stage converter circuits with their topology-related ripple voltage component on the converter output voltage Uourt or a ripple current component of the load current I_:o in order to achieve correspondingly qualitatively improved output variables Uourt and IL:o. For example, the flickering of LEDs operated by means of single-stage converter circuits can be effectively reduced or suppressed in this way.

[0018] Eine Ausführung der Konverterschaltungsanordnung umfasst einen Aufwärtswandler (engl. Boost-Converter), Tiefsetzsteller (engl. Buck-Converter), Inverswandler (engl. Buck-BoostConverter), isolierten Sperrwandler (engl. Flyback-Converter) oder eine andere Schaltreglertopologie. One embodiment of the converter circuitry includes a boost converter, buck converter, buck-boost converter, isolated flyback converter, or other switching regulator topology.

[0019] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren gegeben. Dabei zeigt Exemplary embodiments of the invention are given below with reference to the figures. while showing

[0020] Fig. 1 einen Überblick über eine Anwendung einer einstufigen Konverteranordnung zum Betrieb von Leuchtmitteln ausgehend von einer Netzwechselspannung, [0020] FIG. 1 an overview of an application of a single-stage converter arrangement for the operation of lamps starting from an AC mains voltage,

[0021] Fig. 2 eine Darstellung der Spannungen UL: am Ausgang der Konverterschaltungsanordnung und der Spannung Urea über den Linearregler entsprechend einem Ausführungsbeispiel, 2 shows an illustration of the voltages UL: at the output of the converter circuit arrangement and the voltage Urea across the linear regulator according to an exemplary embodiment,

[0022] Fig. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der Erfindung für einen Aufwärtswandler, und 3 shows a circuit arrangement according to an embodiment of the invention for a boost converter, and

[0023] Fig. 4A, 4B, 4C, 4D Spannungsverläufe und Signale der Schaltungsanordnung gemäß der Ausführung der Erfindung nach Fig. 3. 4A, 4B, 4C, 4D voltage curves and signals of the circuit arrangement according to the embodiment of the invention according to FIG. 3.

[0024] In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente. Die Erläuterung gleicher Bezugszeichen in verschiedenen Figuren ist, dort wo für möglich erachtet, im Interesse einer knappen Darstellung und zur Vermeidung von Wiederholungen unterlassen. In the figures, the same reference symbols designate the same or corresponding elements. The explanation of the same reference symbols in different figures has been omitted wherever possible in the interest of a concise presentation and to avoid repetition.

[0025] Fig. 1 gibt einen Überblick über eine Anwendung einer einstufigen Konverterschaltung 1 zum Betrieb von Leuchtmitteln ausgehend von einer Netzwechselspannung Uac. Fig. 1 gives an overview of an application of a single-stage converter circuit 1 for the operation of lamps based on a mains AC voltage Uac.

[0026] Die einstufige Konverterschaltung 1 erhält an ihrem Eingang eine gleichgerichtete Netzspannung Upc. Die gleichgerichtete Netzwechselspannung Upc kann in einem einfachen Fall mittels einer Gleichrichterschaltung 2, beispielsweise einem Brückengleichrichter, aus einer Netzwechselspannung Uac erzeugt werden. Die Netzwechselspannung Uac kann beispielsweise einer speisenden Netzstromversorgung in Form einer Wechselspannung mit einer Netzfrequenz fnetz = 50 Hz entnommen werden. In Fig. 1 stellt eine Wechselspannungsquelle 3 die eingangsseitige Netzwechselspannung Uac bereit. Ein lastseitiger Ausgang der Konverterschaltung 1 stellt eine Ausgangsspannung Uourt bereit, die einen Ausgangsstrom Ilourt zum Betreiben eines LED-Moduls 4 mit einer oder mehrerer LEDs bereitstellt, wobei der Ausgangsstrom lour einem Laststrom ILep in das LED-Modul 4 entspricht. The single-stage converter circuit 1 receives a rectified mains voltage Upc at its input. In a simple case, the rectified AC mains voltage Upc can be generated from an AC mains voltage Uac by means of a rectifier circuit 2, for example a bridge rectifier. The mains AC voltage Uac can be taken, for example, from a mains power supply in the form of an AC voltage with a mains frequency fmains=50 Hz. In FIG. 1, an AC voltage source 3 provides the AC line voltage Uac on the input side. A load-side output of the converter circuit 1 provides an output voltage Uourt that provides an output current Ilourt for operating an LED module 4 with one or more LEDs, the output current lour corresponding to a load current ILep in the LED module 4 .

[0027] Der LED Konverter 1 führt unter anderem eine Leistungsfaktorkorrektur (engl. Power Factor Correction - kurz: PFC) aus. Ausgangsseitig der Konverterschaltung 1 befindet sich ein Speicherkondensator C1, der in dieser schematischen Darstellung nicht dargestellt ist. An seinem Ausgang wird eine Leistung mittels dem pulsierenden Ausgangsstrom lour bereitgestellt. Der Ausgangsstrom lout schwankt dabei mit einer Frequenz f = 100 Hz, die bei der doppelten Netzfrequenz von Z.B. fnez= 50 Hz liegt. Dieser schwankende Ausgangsstrom lour ist zugleich für eine Rippelspannung auf der Ausgangsspannung und einem Rippelstromanteil auf dem Laststrom ILep verantwortlich. Eine einen Rippelastromanteil aufweisende, also schwankende Stromstärke IL: zur Speisung eines LED-Moduls 4 führt zu einer entsprechend schwankenden Lichtabgabe des LED-Moduls 4. Die schwankende Lichtabgabe kann von einem Betrachter als störendes Flackern des Lichts des LED-Moduls 4, im dargestellten Fall mit einer Flackerfrequenz von 100 Hz wahrgenommen werden. The LED converter 1 performs, among other things, a power factor correction (English Power Factor Correction - short: PFC). On the output side of the converter circuit 1 there is a storage capacitor C1, which is not shown in this schematic representation. At its output, power is provided by means of the pulsating output current lour. The output current lout fluctuates with a frequency f = 100 Hz, which is twice the mains frequency of e.g. fnez = 50 Hz. This fluctuating output current lour is also responsible for a ripple voltage on the output voltage and a ripple current component on the load current ILep. A current intensity IL that has a ripple current component, i.e. fluctuates, for feeding an LED module 4 leads to a correspondingly fluctuating light output from the LED module 4 with a flickering frequency of 100 Hz.

[0028] Das LED-Modul 4 kann über die Darstellung nach Fig. 1 hinaus eine Vielzahl von LEDs in Serien und/oder Parallelschaltung enthalten. The LED module 4 can contain a large number of LEDs connected in series and/or in parallel in addition to the representation according to FIG.

[0029] Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung ist lediglich ein einfaches Bespiel, in dem zusätzliche und übliche und erforderliche Funktionen und Elemente wie beispielsweise Netzfilter, Drosselspulen, x- und Y-Kondensatoren, besondere Gleichrichterausbildungen wie Brückengleichrichter, Vollbrücke, Halbrücke oder einzelne Dioden, Glättung einer entstehenden Gleichspannung mittels Glättungskondensator, Schalten einer Gleichspannung („Zerhacken“), Transformieren einer entstandenen Wechselspannung mittels eines Übertragers, Gleichrichten einer Wechselspannung und Siebung einer Gleichspannung lediglich angedeutet oder für eine verbesserte Darstellung weggelassen werden. The circuit arrangement shown in Fig. 1 is just a simple example in which additional and usual and required functions and elements such as line filters, choke coils, x and y capacitors, special rectifier designs such as bridge rectifiers, full bridges, half bridges or individual diodes , smoothing of an emerging DC voltage by means of a smoothing capacitor, switching of a DC voltage ("chopping"), transformation of an AC voltage that has arisen by means of a transformer, rectification of an AC voltage and filtering of a DC voltage are only indicated or omitted for a better representation.

[0030] Der in Fig. 1 gezeigte Laststrom ILzo mit einem Rippelstromanteil kann mittels unterschiedlicher schaltungstechnischer Maßnahmen verbessert werden. Zum einen wäre eine vergrößerte oder zusätzliche Kapazität des Speicherkondensators C1 am Ausgang der Konverterschaltung 1 zur Verringerung des Rippelanteils nützlich. Diese Maßnahme ist mit entsprechend erhöhtem Raumbedarf für die Schaltung und zusätzlichen und/oder höheren Kosten verbunden. The load current ILzo shown in FIG. 1 with a ripple current component can be improved by means of different circuitry measures. On the one hand, an increased or additional capacitance of the storage capacitor C1 at the output of the converter circuit 1 would be useful for reducing the ripple component. This measure is associated with a correspondingly increased space requirement for the circuit and additional and/or higher costs.

[0031] Gezeigt in Fig. 1 ist ein zusätzlicher Linearregler 5 in Serie zu dem LED-Modul 4 am Ausgang der Konverterschaltung 1. Diese Lösung zur Verringerung des Rippelanteils weist gegenüber der Lösung mittels Kondensator einen verringerten Raumbedarf auf, allerdings wird die Verlustleistung der gesamten Konverterschaltungsanordnung dadurch erhöht. Die in dem Linearregler 5 anfallende Verlustleistung beträgt 1 shows an additional linear regulator 5 in series with the LED module 4 at the output of the converter circuit 1. This solution for reducing the ripple component has a reduced space requirement compared to the solution using a capacitor, but the power loss of the entire Converter circuitry thereby increased. The power loss occurring in the linear regulator 5 is

P (t) = UrRea(t) ILeD(t); (1) mit der über den Linearregler 5 abfallenden Spannung Upree und dem Laststrom IL über das P(t) = UrRea(t) ILeD(t); (1) with the voltage Upree dropping across the linear regulator 5 and the load current IL across the

LED-Modul 4 und den Linearregler 5. Daher sollte die über den Linearregler 5 abfallende Spannung Ukree(t) möglichst gering gewählt werden, um eine geringe Verlustleistung der Konverterschaltungsanordnung mittels geringer Verluste über den Linearregler 5 zu erreichen. LED module 4 and the linear regulator 5. The voltage Ukree(t) dropping across the linear regulator 5 should therefore be selected to be as low as possible in order to achieve low power loss in the converter circuit arrangement by means of low losses across the linear regulator 5.

[0032] In Fig. 2 wird dieser Zusammenhang dargestellt. Eine geringe Verlustleistung über den Linearregler 5 ist insbesondere durch einen Spannungsabfall Uree(t) über den Linearregler 5 zu erreichen, der einer minimalen Reglerspannung Uree min eNtspricht und abhängig von einem Rippelspannungsanteil der Ausgangsspannung Uour (t) des einstufigen LED-Konverters (Konverterschaltung) 1 ist. Die Spannung Uourt av bezeichnet einen Mittelwert des Rippelspannungsanteils der zeitabhängigen Ausgangsspannung Uourt (t). This relationship is shown in FIG. A low power loss across the linear regulator 5 can be achieved in particular by a voltage drop Uree(t) across the linear regulator 5, which corresponds to a minimum regulator voltage Uree min and is dependent on a ripple voltage component of the output voltage Uour (t) of the single-stage LED converter (converter circuit) 1 is. The voltage Uourt av designates a mean value of the ripple voltage component of the time-dependent output voltage Uourt (t).

[0033] Anhand von Fig. 3 wird nun eine Konverterschaltungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung für einen Aufwärtswandler erläutert. A converter circuit arrangement according to a preferred embodiment of the invention for a step-up converter will now be explained with reference to FIG.

[0034] Die einstufige Konverterschaltung 1 der Konverterschaltungsanordnung erhält an ihrem Eingang eine gleichgerichtete Netzwechselspannung Upoc. Die gleichgerichtete Netzwechselspannung Upc wird mittels einer Gleichrichterschaltung 2, hier einem Gleichrichter als Vollbrücke, aus einer Netzwechselspannung Uac erzeugt. Die Netzwechselspannung Uac wird im gezeigten Fall von einer speisenden Netzstromversorgung durch eine Wechselspannungsquelle 3 bereitgestellt. The single-stage converter circuit 1 of the converter circuit arrangement receives a rectified mains AC voltage Upoc at its input. The rectified AC mains voltage Upc is generated from an AC mains voltage Uac by means of a rectifier circuit 2, here a rectifier as a full bridge. In the case shown, the AC mains voltage Uac is provided by an AC voltage source 3 from a mains power supply.

[0035] Ein lastseitiger Ausgang der Konverterschaltung 1 stellt eine Ausgangsspannung Uourt bereit, die einen Ausgangsstrom lout zum Betreiben eines LED-Moduls 4 mit einer oder mehrerer LEDs treibt, wobei der Ausgangsstrom lout einem Laststrom IL: für das LED-Modul 4 entspricht. Die einstufige Konverterschaltung 1 weist einen Schalter T1 auf, der hochfrequent getaktet wird. Durch die hochfrequente Taktung des Schalters T1 wird die Induktivität L1 wiederholt auf- und entmagnetisiert. Während der Sperrphase (Ausschaltzeit) des Schalters T1 gibt die Induktivität L1 ihre Magnetisierungsenergie ab und treibt einen Strom durch die Diode D5 in die Kapazität C1 am Ausgang des Konverterschaltung (LED-Konverter) 1 und stellt einen Ausgangsstrom lourt zum Betreiben eines LED-Moduls 4 bereit. In diesem Beispiel ist die Konverterschaltung 1 als Aufwärtswandler (Boost-Konverter) ausgebildet. A load-side output of the converter circuit 1 provides an output voltage Uourt, which drives an output current lout for operating an LED module 4 with one or more LEDs, the output current lout corresponding to a load current IL: for the LED module 4. The single-stage converter circuit 1 has a switch T1 which is clocked at high frequency. The inductance L1 is repeatedly magnetized and demagnetized by the high-frequency clocking of the switch T1. During the blocking phase (off time) of the switch T1, the inductance L1 gives up its magnetizing energy and drives a current through the diode D5 into the capacitance C1 at the output of the converter circuit (LED converter) 1 and provides an output current lourt for operating an LED module 4 ready. In this example, the converter circuit 1 is designed as an up converter (boost converter).

[0036] In der gezeigten Ausführung der Erfindung ist am Eingang des Gleichrichters 2 eine Erfassungsschaltung 6 zur Erfassung der Nulldurchgänge der Netzwechselspannung Uac angeordnet. Im dargestellten Beispiel der Erfassungsschaltung 6 wird dies mittels eines Spannungsteilers umfassend die Widerstände R1, R2 und R3 und einer Verstärkerschaltung mit dem Operationsverstärker OP1 umgesetzt. Am Ausgang der Erfassungsschaltung 6 wird das in Fig. 4B gezeigte Nulldurchgangssignal ZCD bereitgestellt, das für jeden Nulldurchgang der Netzwechselspannung Uac für eine kurze vorbestimmte Zeitdauer einen Spannungspegel entsprechend logisch „0“ umfasst, während das Nulldurchgangssignal ZCD sonst einen Spannungspegel entsprechend logische „1“ aufweist. In the embodiment of the invention shown, a detection circuit 6 for detecting the zero crossings of the AC line voltage Uac is arranged at the input of the rectifier 2 . In the illustrated example of the detection circuit 6, this is implemented by means of a voltage divider comprising the resistors R1, R2 and R3 and an amplifier circuit with the operational amplifier OP1. At the output of the detection circuit 6, the zero-crossing signal ZCD shown in Fig. 4B is provided, which includes a voltage level corresponding to logical "0" for a short predetermined period of time for each zero-crossing of the mains AC voltage Uac, while the zero-crossing signal ZCD otherwise has a voltage level corresponding to logical "1". .

[0037] Entsprechend der Darstellung in Fig. 3 wird das Nulldurchgangssignal ZCD einem AbtastHalte- Glied 9, das einen Abtastschaltkreis 8 und eine Zeitschaltkreis 10 umfasst, zugeführt. According to the illustration in FIG. 3, the zero-crossing signal ZCD is fed to a sample-and-hold element 9, which includes a sampling circuit 8 and a timer circuit 10. FIG.

[0038] Der Zeitschaltkreis 10 ist als programmierbarer Intervallzeitgeber gezeigt (engl. „one shot timer“). Der programmierbare Intervallzeitgeber entspricht einem Zähler, der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn er einen vorab festgelegten Zählerstand erreicht. Im Gegensatz zu periodischen programmierbaren Intervallzeitgebern gibt die hier genutzte Ausführung das Ausgangssignal bei Erreichen des eingestellten Zählerstands aus und beendet den Zählvorgang bis zu einem Neustart des programmierbaren Intervallzeitgebers. Programmierbare Intervallzeitgeber werden typischerweise mittels einer Vorgabe eines bestimmten Intervalls programmiert, die festlegt, wie lange der programmierbare Intervallzeitgeber zählt, bis er ein Ausgangssignal erzeugt. Im gezeigten Fall wird der Zeitschaltkreis 10 dazu genutzt, gestartet ausgehend von dem Nulldurchgangssignal ZCD ein um ein vorbestimmtes Zeitintervall verzögertes Ansteuersignal für das Abtast-Halte-Glied 9 zu erzeugen. Insbesondere legt das Ansteuersignal den Zeitpunkt fest, zu dem das Abtast-Halte-Glied 9 die Reglerspannung Upee erfasst und wie lange sie bis zu einem erneuten anschließenden Abtastvorgang den abgetasteten Wert der Reglerspannung Urec als abge-The timer circuit 10 is shown as a programmable interval timer (one shot timer). The programmable interval timer corresponds to a counter that produces an output signal when it reaches a predetermined count. In contrast to periodic programmable interval timers, the version used here emits the output signal when the set count is reached and ends the counting process until the programmable interval timer is restarted. Programmable interval timers are typically programmed using a preset interval that determines how long the programmable interval timer counts before producing an output signal. In the case shown, the timing circuit 10 is used, starting from the zero-crossing signal ZCD, to generate a drive signal for the sample-and-hold element 9 that is delayed by a predetermined time interval. In particular, the control signal defines the point in time at which the sample-and-hold element 9 detects the regulator voltage Upee and how long it takes the sampled value of the regulator voltage Urec as sampled until a new subsequent sampling process

tastete minimale Reglerspannung Uree_min am Ausgang des Abtastschaltkreis 8, insbesondere dessen Abtast-Halte-Glied 9, bereitstellt. sampled minimum regulator voltage Uree_min at the output of the sampling circuit 8, in particular its sample-and-hold element 9, provides.

[0039] Die abgetastete minimale Reglerspannung Uree min Wird von dem Abtastschaltkreis 9 anschließend einem Steuerschaltkreis 11 zugeführt. In dem Steuerschaltkreis 11 mit dem Komparator COMP1, dem Schleifenfilter Fi1, sowie den folgenden weiteren Komparatoren COMP2, COMP3 wird anschließend eine Referenzspannung Uout rer für die Ausgangsspannung Uour erzeugt. Die Referenzspannung Uour rer Wird mittels eines Komparators COMP3 mit einer über einen Spannungsteiler aus den Widerständen R4, R5 gemessenen Spannung Uout meas verglichen und die Differenz zur Ansteuerung über einen Spannungsregler 7 zur Ansteuerung des Schalters T1, im gezeigten Fall ein Halbleiterschalter in Form eines Transistors, genutzt. The sampled minimum regulator voltage Uree min is then supplied to a control circuit 11 by the sampling circuit 9 . A reference voltage Uout rer for the output voltage Uour is then generated in the control circuit 11 with the comparator COMP1, the loop filter Fi1 and the following further comparators COMP2, COMP3. The reference voltage Uour rer is compared by means of a comparator COMP3 with a voltage Uout meas measured via a voltage divider from the resistors R4, R5 and the difference for control via a voltage regulator 7 for controlling the switch T1, in the case shown a semiconductor switch in the form of a transistor, utilized.

[0040] Somit wird in einem zusätzlichen Regelkreis die abgetastete minimale Reglerspannung UReG_min auf Null geregelt. [0040] The sampled minimum regulator voltage UReG_min is thus regulated to zero in an additional control circuit.

[0041] Das Schleifenfilter Fi1 kann dabei eine proportionale und/oder integrale Filtercharakteristik aufweisen. The loop filter Fi1 can have a proportional and/or integral filter characteristic.

[0042] Gemäß der gezeigten Ausführung der Konverterschaltungsanordnung 1 mit Linearregler 5 werden sowohl die Ausgangsspannung U.ui(t) geregelt als auch die Reglerspannung Ureg min(t) gesteuert. Insbesondere die Nutzung des zeitlichen Netzspannungsverlaufs Uac(t) zur präzisen Erfassung der minimalen Spannung der Reglerspannung Ureg min(t) ermöglicht eine optimierte Steuerung der Reglerspannung Ureg(t) zur Verminderung der Leistungsaufnahme des Linearreglers 5 bei unverändert vorteilhafter Unterdrückung von Rippelanteilen auf der Ausgangsspannung Uour und dem Laststrom ILeo. According to the embodiment shown of the converter circuit arrangement 1 with linear regulator 5, both the output voltage U.ui(t) and the regulator voltage Ureg min(t) are controlled. In particular, the use of the mains voltage curve Uac(t) over time for the precise detection of the minimum voltage of the regulator voltage Ureg min(t) enables optimized control of the regulator voltage Ureg(t) to reduce the power consumption of the linear regulator 5 with the unchanged advantageous suppression of ripple components on the output voltage Uour and the load current ILeo.

[0043] Die Erfassungsschaltung 6 erfasst somit Nulldurchgänge der Netzspannung Uac(t), nutzt die erfassten Nulldurchgänge der Netzspannung Uac(t) zur Taktung einer Abtastschaltung 8 und nachfolgender Teilschaltungen, die einen Sollwert für die Ausgangsspannung Uourt der Konverterschaltungsanordnung 1 synchron zu einer Netzspannung Uac(t) geeignet verändert (moduliert). The detection circuit 6 thus detects zero crossings of the mains voltage Uac(t), uses the detected zero crossings of the mains voltage Uac(t) to clock a sampling circuit 8 and subsequent sub-circuits, which set a target value for the output voltage Uourt of the converter circuit arrangement 1 synchronously with a mains voltage Uac (t) appropriately altered (modulated).

[0044] Die über den Linearregler 5 abfallende Reglerspannung Upe«(t) wird erfasst und mit einem Sollwert für die, möglichst geringe, Reglerspannung Ukree(t) als Reglerdifferenz über einen Regelalgorithmus in eine entsprechende Steuergröße umgesetzt. Die Steuergröße ist dabei in Fig. 3 die Taktung, insbesondere die zeitlich veränderliche Taktung („fluktuierende“ Taktung) des Schalters T1 der einstufigen Konverterschaltung 1. The controller voltage Upe«(t) dropping across the linear controller 5 is detected and converted into a corresponding control variable using a setpoint value for the controller voltage Ukree(t), which is as low as possible, as a controller difference via a control algorithm. The control variable in Fig. 3 is the clocking, in particular the time-varying clocking ("fluctuating" clocking) of the switch T1 of the single-stage converter circuit 1.

[0045] Die in Fig. 3 gezeigte Ausführung der Erfindung ist kostengünstig mittels herkömmlicher integrierter Schaltkreise, zum Beispiel eines Mikrokontrollers, zu realisieren. Dies kann insbesondere die Elemente programmierbarer Intervallzeitgeber 10, Abtast- und Halteglied 9, den mittels des Operationsverstärkers OP1 realisierten Komparator in der Erfassungsschaltung 6, den Spannungsregler 7 und den Reglerschaltkreis 11 für die minimale Reglerspannung Urec_min Mit den Komparatoren COMP1, COMP2, COMP3 und dem Filter Fi1 umfassen. The embodiment of the invention shown in FIG. 3 can be implemented inexpensively using conventional integrated circuits, for example a microcontroller. In particular, this can include the elements of the programmable interval timer 10, the sample and hold element 9, the comparator in the detection circuit 6 implemented by means of the operational amplifier OP1, the voltage regulator 7 and the regulator circuit 11 for the minimum regulator voltage Urec_min with the comparators COMP1, COMP2, COMP3 and the filter include Fi1.

[0046] Die Fig. 4A, 4B, 4C, 4D zeigen Spannungsverläufe und Signale der Schaltungsanordnung gemäß der Ausführung der Erfindung nach Fig. 3 mit einer gemeinsamen Zeitbasis t. 4A, 4B, 4C, 4D show voltage curves and signals of the circuit arrangement according to the embodiment of the invention according to FIG. 3 with a common time base t.

[0047] In Fig. 4A ist der zeitliche Verlauf der Netzwechselspannung Uac(t) dargestellt. In Fig. 4A, the time course of the mains AC voltage Uac (t) is shown.

[0048] In Fig. 4B ist mit derselben Zeitbasis ein Detektionssignal ZCD am Ausgang der Erfassungsschaltung 6 dargestellt. Das Detektionssignal ZCD (kurz für engl. Zero Crossing Detection) ist logisch „High“ entsprechend dem logischen Wert 1 und wechselt für einen Zeitpunkt für eine kurze Dauer auf einen Logikpegel “Low“ entsprechend dem logischen Wert 0, wenn die Netzwechselspannung Uac einen Nulldurchgang aufweist. 4B shows a detection signal ZCD at the output of the detection circuit 6 with the same time base. The detection signal ZCD (abbreviation for Zero Crossing Detection) is logically "high" corresponding to the logical value 1 and briefly changes to a logical level "low" corresponding to the logical value 0 when the mains AC voltage Uac has a zero crossing .

[0049] In Fig. 4C ist mit derselben Zeitbasis ein Ansteuersignal „SAMPLE ADC“ dargestellt, wie es von einem Ausgang des programmierbaren Intervallzeitgebers 10 an einen Steuereingang des Abtast- und Halteglieds 9 gegeben wird. Das Ansteuersignal ist logisch „High“ entsprechend dem logischen Wert 1 und wechselt für den Zeitpunkt für eine vorbestimmte Dauer auf einen Logikpegel,“Low“ entsprechend dem logischen Wert 0, wenn die Netzwechselspannung Uac einen Null-In Fig. 4C, a control signal "SAMPLE ADC" is shown with the same time base, as given by an output of the programmable interval timer 10 to a control input of the sample and hold element 9. The control signal is logically "High" corresponding to the logical value 1 and changes to a logical level for a predetermined period of time, "Low" corresponding to the logical value 0, when the mains AC voltage Uac crosses a zero

durchgang aufweist. Die vorbestimmte Dauer wird dabei durch ein Zählerintervall des programmierbaren Intervallzeitgebers 10 voreingestellt. Das so angesteuerte Abtast- und Halteglied 9 speichert den zum Zeitpunkt einer steigenden Taktflanke des Ansteuersignals „SAMPLE ADC“ den zu diesem Zeitpunkt anliegenden Wert der Spannung Urea über den Linearregler 5 und gibt den gespeicherten Wert an einen Ausgang des Abtast- und Halteglieds 9. Dieser Zusammenhang zwischen dem zeitlichen Verlauf der Spannung Uree(t) 12 über den Linearregler 5 und der Ausgangsspannung Urec min(t) 13 des Abtast- und Halteglieds 9 ist in Fig. 4D gezeigt. Der Abtastzeitpunkt des Abtast- und Halte-Glieds 9 ist um ein geeignet gewähltes Zeitintervall verzögert, so dass die Abtastung für einen lokalen Minimalwert der Reglerspannung Uree(t) 12 erfolgt. Der abgetastete Wert der Ausgangsspannung UreG min(t) 13 wird anschließend bis zu einer erneuten Abtastung gehalten. passage. The predetermined duration is preset by a counter interval of the programmable interval timer 10 . The sample and hold element 9 controlled in this way stores the value of the voltage Urea present at the time of a rising clock edge of the “SAMPLE ADC” control signal via the linear regulator 5 and outputs the stored value to an output of the sample and hold element 9. This The relationship between the time profile of the voltage Uree(t) 12 across the linear regulator 5 and the output voltage Urec min(t) 13 of the sample and hold element 9 is shown in FIG. 4D. The sampling instant of the sample and hold element 9 is delayed by a suitably selected time interval, so that sampling takes place for a local minimum value of the regulator voltage Uree(t) 12 . The sampled value of the output voltage UreG min(t) 13 is then held until another sample is taken.

[0050] Die in Fig. 4 dargestellte Implementierung zur Ermittlung der minimalen Reglerspannung UReG min Stellt lediglich eine von mehreren Möglichkeiten dar, die für die Implementierung der Erfindung möglich sind. The implementation shown in FIG. 4 for determining the minimum regulator voltage UReG min represents only one of several possibilities that are possible for the implementation of the invention.

[0051] Die Darstellung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erfolgte mit Schwerpunkt auf eine Schaltungsanordnung für Beleuchtungszwecke und in Aufwärtswandlertopologie. Das erfindungsgemäße Vorgehen und die einzelnen Merkmale sind ebenso für andere Wandleranordnungen und Schaltnetzteile (engl. Switched Mode Power Supply - kurz: SMPS), insbesondere auch Sperrwandler anwendbar und entsprechend zu kombinieren. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Schutzansprüche definiert. The presentation of the invention using an exemplary embodiment was carried out with a focus on a circuit arrangement for lighting purposes and in a step-up converter topology. The procedure according to the invention and the individual features can also be used for other converter arrangements and switched mode power supplies (SMPS for short), in particular also flyback converters, and can be combined accordingly. The invention is defined by the following claims.

Claims (6)

AnsprücheExpectations 1. Konverterschaltungsanordnung mit einem Schalter (T1) und einem Linearregler (5), der in Serie zu einem Lastausgang der Konverterschaltungsanordnung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reglerschaltung (7, 11) den Schalter (T1) auf Basis einer Differenz aus einem unmittelbar erfassten Spannungsabfall über den Linearregler (5) und einem Sollwert für den Spannungsabfall ansteuert. 1. Converter circuit arrangement with a switch (T1) and a linear regulator (5), which is arranged in series with a load output of the converter circuit arrangement, characterized in that a regulator circuit (7, 11) switches the switch (T1) on the basis of a difference from a directly detected voltage drop via the linear regulator (5) and a target value for the voltage drop. 2. Konverterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassungsschaltung (6) eingerichtet ist, Nulldurchgänge einer eingangsseitigen Netzspannung der Konverterschaltungsanordnung zu erfassen, und ein Steuerschaltkreis (8, 11) eingerichtet ist, einen Sollwert für eine ausgangseitige Lastspannung der Konverterschaltungsanordnung auf Basis der erfassten Nulldurchgänge zu verändern. 2. Converter circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that a detection circuit (6) is set up to detect zero crossings of an input-side mains voltage of the converter circuit arrangement, and a control circuit (8, 11) is set up to set a desired value for an output-side load voltage of the converter circuit arrangement on the basis of the to change detected zero crossings. 3. Konverterschaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abtast-Halte-Glied (9) ausgelegt ist, einen Wert des Spannungsabfalls über den Linearregler (5) zu erfassen, und ein Zeitschaltkreis (10) ausgelegt ist, auf Basis der erfassten Nulldurchgänge das AbtastHalte-Glied (9) anzusteuern. 3. Converter circuit arrangement according to claim 2, characterized in that a sample and hold element (9) is designed to detect a value of the voltage drop across the linear regulator (5), and a timing circuit (10) is designed based on the detected zero crossings to drive the sample and hold element (9). 4. Konverterschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtast-Halte-Glied (9) und/oder der Zeitschaltkreis (10) und/oder der der Steuerschaltkreis (8, 11) in einem Mikrokontroller-Schaltkreis integriert ausgeführt sind. 4. Converter circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the sample-and-hold element (9) and/or the timing circuit (10) and/or the control circuit (8, 11) are designed to be integrated in a microcontroller circuit. 5. Konverterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konverterschaltungsanordnung einen einstufigen Konverter (1), insbesondere einen einstufigen Konverter zum Betrieb eines LED-Moduls (4) mit zumindest einer Leuchtdiode (LED) umfasst. 5. Converter circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the converter circuit arrangement comprises a single-stage converter (1), in particular a single-stage converter for operating an LED module (4) with at least one light-emitting diode (LED). 6. Konverterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konverterschaltungsanordnung einen Aufwärtswandler oder Sperrwandler umfasst. 6. Converter circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the converter circuit arrangement comprises a step-up converter or flyback converter. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 4 sheets of drawings