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Gebiet der Erfindung
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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindungen, welche hierin beschrieben sind, betreffen das Gebiet von Isolatoren, wie etwa galvanische Isolatoren, und Komponenten, Geräte, Systeme und Verfahren, welche damit assoziiert sind.
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Hintergrund
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In einem isolierten Kommunikationssystem, wo sowohl analoge als auch digitale Signale über eine Isolationsbarriere hinweg übermittelt werden, sind typischerweise zwei Isolationskanäle erforderlich, um die zwei verschiedenen Typen von Signalen über die Barriere hinweg (across) zu übermitteln. Solch ein isoliertes Kommunikationssystem ist in 1 gezeigt, wo ein Eingabeanalogsignal 10 in dem isolierten Kommunikationssystem 5 mittels des Transmitters 12 über einen Analogisolator 14 hinweg zum Empfang durch den Empfänger 16 übermittelt ist, welcher wiederum ein Ausgabeanalogsignal 18 erzeugt, und wo ein Eingabedigitalsignal 20 mittels des Transmitters 22 über den Digitalisolator 24 zum Empfang von dem Empfänger 26 übermittelt ist, welcher wiederum das Ausgabedigitalsignal 28 erzeugt. Das Erfordernis für zwei verschiedene Typen von Isolatoren in solch einem System 5 vermehrt die Kosten. Ferner ist es in einigen Fällen aufgrund von Raumbeschränkungen nicht durchführbar, zwei Isolatoren in einem integrierte-Schaltung-Package einzusetzen.
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Was benötigt ist, ist ein isoliertes Kommunikationssystem, wo analoge und digitale Signale durch einen einzelnen Isolationskanal übermittelt und empfangen werden können.
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Zusammenfassung
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In einigen Ausführungsformen ist bereitgestellt ein System zum Übermitteln und Empfangen von digitalen und analogen Signalen über einen Isolator hinweg, wobei das System aufweist: einen Modulator, einen Transmitter, welcher operativ mit dem Modulator verbunden ist, einen Signalisolator, welcher operativ mit dem Modulator verbunden ist, einen Empfänger, welcher operativ mit dem Isolator verbunden ist, einen Frequenzdiskriminator, welcher operativ mit dem Empfänger verbunden ist, und eine Filterschaltung, welche operativ mit dem Empfänger verbunden ist, wobei der Modulator konfiguriert ist, als Eingaben dazu ein analoges Signal und ein erstes digitales Signal, welches eine erste Frequenz hat, zu empfangen, und wobei der Modulator ferner konfiguriert ist, das analoge Signal gemäß der ersten Frequenz und einem korrespondierenden logischen Zustand des ersten digitalen Signals zu modulieren, um ein frequenzmoduliertes (FM) Signal als eine Ausgabe davon an den Transmitter zu bilden, wobei der Transmitter konfiguriert ist, das frequenzmodulierte Signal zu kodieren und an den Isolator zur Übermittlung darüber hinweg an den Empfänger als eine Eingabe dazu zu übermitteln, wobei der Empfänger das empfangene frequenzmodulierte Signal an den Frequenzdiskriminator und die Filterschaltung bereitstellt, wobei der Frequenzdiskriminator konfiguriert ist, das frequenzmodulierte Signal zu dekodieren und ein rekonstruiertes erstes digitales Signal als eine Ausgabe davon bereitzustellen, wobei die Filterschaltung konfiguriert ist, das frequenzmodulierte Signal zu filtern und das analoge Signal als eine Ausgabe davon bereitzustellen.
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In anderen Ausführungsformen ist bereitgestellt ein
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Festkörperbeleuchtungssystem, aufweisend: eine AC/DC-Gleichrichterschaltung, welche operativ mit einer Quelle einer AC-Spannung als eine Eingabe dazu verbindbar ist und konfiguriert ist, eine gleichgerichtete DC-Ausgabespannung bereitzustellen, einen Isolationstransformator, welcher einen Schaltnetzteil(SMPS)-Controller aufweist, wobei der Transformator konfiguriert ist, die gleichgerichtete DC-Ausgabespannung als eine Eingabe dazu zu empfangen und eine isolierte DC-Ausgabespannung davon bereitzustellen, eine Beleuchtungsschaltung, welche zumindest eine erste und eine zweite Mehrzahl von LEDs aufweist, welche in Serie verbunden sind und mittels der isolierten DC-Ausgabespannung getrieben sind, wobei eine Stromdetektionsschaltung operativ mit einem Stromdetektionsknoten in der Beleuchtungsschaltung verbunden ist und konfiguriert ist, ein detektiertes Stromsignal als eine Ausgabe davon bereitzustellen, eine Spannungsdetektionsschaltung, welche parallel zu der Beleuchtungsschaltung angeordnet ist und einen Spannungsdetektionsknoten aufweist, welcher zwischen einem ersten und einem zweiten Widerstand eines Spannungsteilernetzwerks (first and second resistors of a voltage dividing network) angeordnet ist, wobei die Spannungsdetektionsschaltung konfiguriert ist, ein Spannungsüberwachungssignal als eine Ausgabe davon durch den Spannungsdetektionsknoten bereitzustellen, einen ersten Komparator, welcher konfiguriert ist, als Eingaben dazu das Spannungsüberwachungssignal und eine erste Referenzspannung zu empfangen, wobei der erste Komparator konfiguriert ist, ein Fehlerzustandsausgabesignal zu erzeugen, wenn das Spannungsüberwachungssignal oberhalb oder unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts liegt, eine Dreieckswellengeneratorschaltung, welche als Eingabe dazu das Ausgabesignal des ersten Komparators hat, wobei der Dreieckswellengenerator konfiguriert ist, ein Dreieckswellenausgabesignal, welches eine erste Frequenz hat, zu erzeugen, wenn ein Ausgabesignal entsprechend dem Fehlerzustand dabei nicht empfangen ist, und ein Dreieckswellensignal, welches eine zweite Frequenz hat, zu erzeugen, wenn das Fehlerzustandsausgabesignal dabei empfangen wird, einen zweiten Komparator, welcher konfiguriert ist, als Eingaben dazu das Dreieckswellenausgabesignal und das detektierte Stromsignal zu empfangen, wobei der zweite Komparator konfiguriert ist, ein moduliertes Ausgabesignal, welches das detektierte Stromsignal und das Dreieckswellenausgabesignal aufweist, zu erzeugen, und eine optischer-Isolator-Schaltung, welche konfiguriert ist, als eine Eingabe dazu das modulierte Ausgabesignal zu empfangen, wobei der Isolator einen LED-Treiber aufweist, welcher operativ mit der Ausgabe des zweiten Komparators verbunden ist, wobei der LED-Treiber optische Ausgabesignale bereitstellt, wobei der Isolator ferner einen Fotodetektor aufweist, welcher konfiguriert ist, Strom in Antwort darauf zu erzeugen, dass der LED-Treiber die optischen Ausgabesignale dazu bereitstellt.
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In weiteren Ausführungsformen ist bereitgestellt ein DC/DC-Konverter-Rückkopplungsregulationssteuersystem, aufweisend: einen DC/DC-Konverter, welcher konfiguriert ist, eine erste DC-Eingabespannung zu empfangen und eine regulierte zweite DC-Ausgabespannung bereitzustellen, einen Isolationstransformator, welcher einen Schaltnetzteil(SMTP)-Controller aufweist, wobei der Transformator konfiguriert ist, die zweite DC-Spannung als eine Eingabe dazu zu empfangen und eine isolierte DC-Ausgabespannung davon bereitzustellen, eine Lastschaltung, welche mittels der isolierten DC-Ausgabespannung getrieben ist, wobei eine Stromfehlergeneratorschaltung operativ mit einem Stromdetektionsknoten in der Lastschaltung verbunden ist und konfiguriert ist, ein Stromfehlersignal als eine Ausgabe davon durch den Stromdetektionsknoten bereitzustellen, wenn der detektierte Strom unterhalb oder oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes liegt, eine Spannungsdetektionsschaltung, welche parallel zu der Lastschaltung angeordnet ist und welche Spannungsdetektions- und -rückkopplungsknoten aufweist, welche zwischen einem ersten und einem zweiten Widerstand (first and second resistors) eines Spannungsteilernetzwerks angeordnet sind, wobei die Spannungsdetektionsschaltung konfiguriert ist, Spannungsüberwachungs- und -rückkopplungssignale als Ausgaben davon durch den Spannungsdetektions- bzw. -rückkopplungsknoten bereitzustellen, einen ersten Komparator, welcher konfiguriert ist, als Eingaben dazu das Spannungsüberwachungssignal und eine erste Referenzspannung zu empfangen, wobei der erste Komparator konfiguriert ist, ein Spannungsfehlerzustandsausgabesignal zu erzeugen, wenn das Spannungsüberwachungssignal einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, eine Dreieckswellengeneratorschaltung, welche als Eingaben dazu das Ausgabesignal des ersten Komparators und des Stromdetektionsknotens hat, wobei der Dreieckswellengenerator konfiguriert ist, ein Dreieckswellenausgabesignal zu erzeugen, welches eine erste Frequenz hat, wenn ein Ausgabesignal entsprechend keinem Spannungs- oder Stromfehlerzustand (corresponding to no voltage and current fault state) dabei empfangen ist, wobei das Dreieckswellensignal eine zweite Frequenz hat, wenn das Spannungsfehlerzustandsausgabesignal dabei empfangen wird, und wobei das Dreieckswellensignal eine dritte Frequenz hat, wenn das Stromfehlerzustandsausgabesignal dabei empfangen ist, einen zweiten Komparator, welcher konfiguriert ist, als Eingaben dazu das Dreieckswellenausgabesignal und das Spannungsrückkopplungssignal zu empfangen, wobei der zweite Komparator konfiguriert ist, ein moduliertes Ausgabesignal zu erzeugen, welches das Dreieckswellenausgabesignal und das Spannungsrückkopplungssignal aufweist, und eine optischer-Isolator-Schaltung, welche konfiguriert ist, als eine Eingabe dazu das modulierte Ausgabesignal zu empfangen, wobei der Isolator einen LED-Treiber aufweist, welcher operativ mit der Ausgabe des zweiten Komparators verbunden ist, wobei der LED-Treiber optische Ausgabesignale bereitstellt, wobei der Isolator ferner einen Fotodetektor aufweist, welcher konfiguriert ist, Strom in Antwort darauf zu erzeugen, dass der LED-Treiber die optischen Ausgabesignale dazu bereitstellt.
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Weitere Ausführungsformen werden hierin offenbart oder werden für die Fachleute in der Technik, nachdem sie die Spezifikation und die Zeichnungen davon gelesen haben, ersichtlich werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Verschiedene Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung werden von der folgenden Spezifikation, den Zeichnungen und Ansprüchen ersichtlich werden.
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1 zeigt ein isoliertes Kommunikationssystem gemäß dem Stand der Technik;
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2 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines isolierten Kommunikationssystems;
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3 zeigt ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines isolierten Kommunikationssystems;
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4 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung entsprechend der Schaltung TRIWAVE GEN 50 der 3;
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5 zeigt Wellenformen, welche bei verschiedenen Knoten der Schaltung der 4 erzeugt sind;
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6 zeigt eine Implementierung eines Festkörperbeleuchtungssystems gemäß dem Stand der Technik;
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7 zeigt eine Ausführungsform eines Festkörperbeleuchtungssystems 7;
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8 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung, welche konfiguriert ist, eine lineare Signalrückkopplung mit Fehlerdetektion durch einen einzelnen Opto-Koppler in einem isolierten Festkörperbeleuchtungssystem zu multiplexen; und
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9 zeigt eine Ausführungsform eines optisch isolierten Gatetreibers, welcher mit einem DC-DC-Konverter integriert ist.
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Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht. Ähnliche Nummern beziehen sich auf ähnliche Teile oder Schritte durch die Zeichnungen hinweg, es sei denn, es ist andererseits bemerkt.
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Detaillierte Beschreibungen von einigen Ausführungsformen
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2 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines isolierten Kommunikationssystems 5, welches einen einzelnen Digitalisolator zum Übermitteln und Empfangen sowohl von analogen als auch von digitalen Signalen einsetzt. Analogsignal 10 wird in ein digitales Signal mittels des Modulators 30 konvertiert, welcher das analoge Signal 10 bei einer ersten Frequenz fmod1 moduliert. Diese Modulationsfrequenz kann gemäß dem Zustand (status) von einem oder mehreren digitalen Eingabesignalen 1, 2, ... N geändert werden.
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In einer Situation, wo nur ein digitales Signal über die Isolationsbarriere 34 hinweg zu senden ist, bleibt die Modulationsfrequenz bei fmod1, wenn die Digitaleingabesignaleingabe 1 (oder 20) bei einem logischen Niedrig-Pegel ist. Analogsignal 10 wird dann mittels des Modulators 30 in Übereinstimmung mit einem digitalen Signal moduliert, welches eine Frequenz von fmod1 hat. Wenn die Digitaleingabesignaleingabe 1 (oder 20) sich auf einen logischen Hoch-Pegel ändert, wird die Modulationsfrequenz mittels des Modulators 30 auf eine zweite Frequenz fmod2 geändert. Analogeingabesignal 10 wird dann in Übereinstimmung mit der zweiten Frequenz fmod2 moduliert. In solch einer Weise wird das digitale Eingabesignal 1 in ein Analogeingabesignal 10 eingebettet, welches in ein frequenzmoduliertes (FM) Signal übersetzt wird. Dieses FM-Signal wird durch den Transmitter 32 geführt (routed) und durch den digitalen Isolator oder Barriere 34 hindurch (through) gesendet. Auf der anderen Seite des Isolators 34 empfängt der Empfänger 36 das übermittelte Signal, welches dann gefiltert wird, um das analoge Signal zurückzugewinnen (recover), um ein Analogausgabesignal 18 zu erzeugen. Zur selben Zeit wird das empfangene Signal auch durch den Frequenzdiskriminator 38 geführt, um das eingebettete digitale Signal zu detektieren und zurückzugewinnen (recover).
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Im Allgemeinen kann mehr als eine Digitalsignaleingabe durch den digitalen Isolator oder Barriere 34 hindurch übermittelt werden, in welchem Fall die Modulationsfrequenz mittels des Modulators 30 gemäß dem Zustand jedes der übermittelten digitalen Signale geändert wird. Zum erfolgreichen Dekodieren von analogen und digitalen Signalen sollten Frequenzen fmod1, fmod2, ..., fmodN ausgewählt werden, außerhalb des Durchlassbereichs (passband) des Filters 40 zu liegen. Zusätzlich sollten die Frequenzen fmod1, fmod2, ..., fmodN ausreichend gut voneinander derart separiert sein, dass der Frequenzdiskriminator 38 zwischen den verschiedenen Frequenzen unterscheiden kann.
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3 zeigt ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines isolierten Kommunikationssystems 5. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung, welche konfiguriert ist, die Analog- und Digitaleingabesignale durch einen einzelnen Digitalisolator oder Barriere 34 hindurch zu multiplexen (multiplex). Das Analogeingabesignal Vanalog_in ist mit der positiven Eingabe des Komparators COMP1 (oder 52) verbunden. Das negative Eingabesignal von COMP1 ist mit der Ausgabe von Dreieckswellengenerator (triangle wave generator) TRIWAVE GEN 50 verbunden. Das digitale Eingabesignal DIGITAL_in steuert die FREQ_SEL-Eingabe des TRIWAVE GEN 50, was die Frequenz der Dreieckswellenausgabe, welche dabei bereitgestellt ist, bestimmt. Wenn DIGITAL_in bei logisch niedrig ist, oszilliert die Dreieckswelle bei einer ersten Frequenz f1. Wenn das digitale Eingabesignal DIGITAL_in in einem logischen Hoch-Zustand ist, oszilliert die Dreieckswelle bei einer zweiten Frequenz f2. Die Wellenformen bei den verschiedenen Knoten, welche in dem Abschnitt links unten von 3 angezeigt sind, zeigen den Effekt einer Modulation auf dem Ausgabesignal Vtxm, welches mittels COMP1 übermittelt ist. Auf der Empfangsseite repliziert der Empfänger das übermittelte Signal bei seiner Ausgabe und diese Ausgabe wird dann benutzt, um Schalter SW1 und SW2 von Ladungspumpeschaltung (charge pump circuit) 54 zu steuern. Wenn zum Beispiel das Signal OUT, welches mittels des Empfängers 36 bereitgestellt ist, in einem Niedrig-Zustand ist und das Signal OUTB in einem Hoch-Zustand, schaltet SW1 an und lädt den RC-Schleife-Filter (RC loop filter), welcher den Widerstand Rf und den Kondensator Cf aufweist. Wenn das Signal OUT in einem Hoch-Zustand ist und das Signal OUTB in einem Niedrig-Zustand, schaltet SW2 an und entlädt den RC-Schleife-Filter. Die Rate eines Anschaltens und Abschaltens der Schalter SW1 und SW2 hängt somit von der Frequenz des empfangenen Signals Vrcv ab. Der Ladungspumpestrom Ip, welcher mittels der Ladungspumpeschaltung 54 bereitgestellt ist, hängt auch von der Frequenz von Vrcv ab. Wenn Vrcv auf Frequenz f1 schaltet, schaltet die Ladungspumpeschaltung 54 bei einer Rate von f1 mit einem Strom von I1. Wenn Vrcv bei Frequenz f2 schaltet, schaltet Ladungspumpeschaltung 54 bei einer Rate von f1 mit einem Strom von I2. Die Beziehung zwischen dem Ladungspumpestrom Ip und der Schaltfrequenz ist somit, wenn f2 = A·f1, dann I2 = A·I1. Dies stellt sicher, dass der Ladungspumpestrom Ip derart skaliert ist, dass die Lade- oder Entladezeitkonstante, welche damit assoziiert ist, nicht von einer Änderung in der Schaltfrequenz berührt oder beeinflusst (effected) ist, und somit sind die Charakteristiken des Ausgabeanalogsignals, Vanalog_out erhalten. Dies stellt sicher, dass Schleifendynamik und Systemverhalten nicht modifiziert sind. Das gefilterte Analogsignal Vanalog_out repräsentiert daher getreu das ursprüngliche Analogeingabesignal, Vanalog_in, welches unabhängig von zusätzlicher Modulation, welche mittels des eingebetteten Digitalsignals bereitgestellt ist, erhalten ist und reproduziert ist. Um das eingebettete Digitalsignal zurückzuerhalten oder zurückzugewinnen (recover), wird die Empfängerausgabe dem Frequenzdetektor FREQ DETECT 38 bereitgestellt, welcher zwischen Frequenzen f1 und f2 diskriminiert und das Eingabedigitalsignal DIGITAL_in als Ausgabedigitalsignal DIGITAL_out reproduziert.
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4 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung korrespondierend zu der Schaltung TRIWAVE GEN 50 der 3. Man bemerke, dass andere Ausführungsformen von Schaltung für TRIWAVE GEN 50 betrachtet werden, zusätzlich zu der, welche in 4 gezeigt ist. 5 zeigt Wellenformen (wave forms), welche bei verschiedenen Knoten der Schaltung der 4 erzeugt sind. Die Dreieckswellengeneratorschaltung (triangle wave generator circuit) der 4 weist zwei Komparatoren, eine Ladungspumpeschaltung und einen RS-Latch oder RS-Signalspeicher auf. Schaltung 50 der 4 erzeugt ein Ausgabesignal TRI_WAVE, welches eine Dreieckswelle mit einem Spitze-zu-Spitze-Spannungspegel hat, welcher sich zwischen VrefL und VrefH erstreckt. Diese zwei Referenzpegel, VrefL und VrefH sind die Schwellwertspannungen, welche den zwei Komparatoren entsprechen. Bei Zeit t = 0 und angenommen, dass der Kondensator Cpmp mit verschwindender Ladung startet, geht RESET auf hoch, was dazu führt, dass OUT auf niedrig geht und OUTB auf hoch geht. Schalter SW1 schaltet dann an und SW2 schaltet ab. Die Ladungspumpe beschafft oder bewirkt (sources) Strom in Cpmp und somit lädt die Schaltung TRI_WAVE 50 bei einer Rate auf, welche mittels des Quellstroms und Cpmp bestimmt ist. Wenn Schaltung TRI_WAVE 50 auflädt und VrefH erreicht, geht SET auf hoch, was dazu führt, dass OUT auf hoch geht und OUTB auf niedrig geht. Schalter SW1 schaltet dann ab und SW2 schaltet an. Die Ladungspumpe erhält oder saugt (sinks) Strom von Cpmp und so entlädt die Schaltung TRI_WAVE 50 bei einer Rate, welche mittels des Senkenstroms (sink current) und Cpmp bestimmt ist. Wie in 5 gezeigt, sind, wenn Quellenstrom und Senkenstrom denselben Wert I1 haben, dann die Lade- und Entladezeiten dieselben, welche gegeben sind durch: T1 = T2 = (VrefH – VrefL)·Cpmp/I1 (Gleichung 1)
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Um die Frequenz der Dreieckswelle zu ändern, wie etwa auf eine höhere Frequenz, kann ein Steuersignal HF, welches die Schalter SW3 und SW4 steuert, auf hoch gesetzt werden. Dies schaltet sowohl SW3 als auch SW4 an und erhöht sowohl den Quellenstrom als auch den Senkenstrom der Ladungspumpe. Als ein Ergebnis lädt sich der Kondensator Cpmp schneller auf und entlädt sich schneller und die Schaltung TRI_WAVE 50 oszilliert dann zwischen dem Pegel VrefL und VrefL bei einer höheren Rate.
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In einigen Ausführungsformen, welche auf Festkörperbeleuchtungsanwendungen gerichtet sind, werden Licht emittierende Dioden (LEDs) als Lichtquelle benutzt, wird ein linearer Opto-Koppler für optische Isolation benutzt und wird eine lineare Rückkopplungssteuerung des LED-Stroms eingesetzt, um den LED-Strom präzise zu steuern. Im Falle eines LED-Ausfalls oder LED-Störung (failure) wird jedoch typischerweise solche Information nicht an einen Controller rückgekoppelt, um einen Fehlerzustand oder eine Fehlerbedingung zu berichten, so dass das System heruntergeschaltet oder abgeschaltet (shut down) werden kann, um Energie zu sparen, und die fehlerhafte LED kann ersetzt werden. Im Falle von LEDs, welche in einem Serienstapel verbunden sind, kann solch ein Ergebnis zu einer Herabstufung der Leuchtintensität oder zu einer ungleichmäßigen Luminosität in dem Feld von LEDs führen. Dieses Problem kann dadurch adressiert werden, dass Multiplexing einer isolierten Signaldetektion (multiplexing isolated signal sensing) in Kombination mit einer Fehlerrückkopplung durch einen einzelnen Opto-Koppler hindurch ausgeführt wird. Solch ein System kann daher geeignet auf eine Fehlerbedingung oder einen Fehlerzustand reagieren und antworten. Zum Beispiel kann ein Controller konfiguriert sein, das System herunterzufahren, um Energie zu sparen, bis die fehlerhafte LED-Birne ersetzt ist.
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6 zeigt eine Implementierung gemäß dem Stand der Technik eines Festkörperbeleuchtungssystems 7, welches analoge lineare Signalrückkopplung einsetzt, aber nicht in der Lage ist, eine Fehlerdetektion und -rückkopplung durch einen linearen Rückkopplungs-Opto-Koppler 66 hindurch bereitzustellen. System 7 der 6 weist eine Energiegeneratorschaltung, LEDs 68 und 70 in einem Serienstapel und einen linearen Rückkopplungs-Opto-Koppler 66 für Schleifenregulation des LED-Stroms auf. Die Energiegeneratorschaltung besteht aus einem AC-zu-DC-Gleichrichtungsblock 60, einem isolierten Rücklauf(fly back)-Konverter, welcher einen Schaltnetzteil(SMPS)-Controller 64, einen Transformator 62, eine Diode 72 und einen Ausgabekondensator 78 aufweist. LEDs 68 und 70 sind gewöhnlich in einem Serienstapel (series stack) verbunden, so dass ein konstanter Strom durch alle LEDs fließt, um einen konstanten Pegel einer Helligkeit bereitzustellen. Der LED-Strom entwickelt einen Spannungsabfall über dem Stromdetektionswiderstand Rcs. Der resultierende Analogspannungspegel wird durch den linearen Rückkopplungs-Optokoppler 66 detektiert (sensed) und wird dem SMPS-Controller 64 bereitgestellt, um die Systemantwort zu regulieren. Der Ausfallmodus oder Störmodus (failure mode) irgendeiner der LEDs 68 und 70 kann als ein offener Kreis oder als ein Kurzschluss auftreten und eine Fehlerbedingung oder ein Fehlerzustand tritt auf, wenn eine oder mehrere der LEDs der LEDs 68 und 70 in dem Stapel versagen oder defekt sind. In der ungewünschten Situation, wo eine LED mittels eines Kurzschlusses versagt, wird die fehlerhafte Birne andauern, Energie zu ziehen und ihr Verlust einer Leuchtdichte wird von dem System 7 unentdeckt sein.
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7 zeigt eine Ausführungsform eines Festkörperbeleuchtungssystems 7, welches einige der Probleme des Festkörperbeleuchtungssystems 7 der 6 überwindet. In 7 inkorporiert das System 7 eine lineare Rückkopplung für eine Schleifensteuerung und Spannungsdetektion für ein LED-Störmanagement in einem isolierten Festkörperbeleuchtungssystem. Verglichen mit dem System 7 der 6 stellt neben der linearen Rückkopplung des LED-Strompegels durch den Widerstand Rcs ein zusätzliches Widerstandsteilernetzwerk, welches die Widerstände R1 und R2 aufweist, eine Spannungsüberwachung der Gesamtspannung des LED-Stapels, welcher die LEDs 68 und 70 aufweist, bereit. Solch eine Spannungsüberwachung ist dadurch erreicht, dass der Spannungsdetektionspegel, welcher mittels des Widerstandsteilernetzwerks durch den mehrfach funktionalen Rückkopplungsisolator 88 entwickelt ist, rückgekoppelt wird. Da der Vorwärtsspannungsabfall einer LED im Allgemeinen ziemlich konsistent ist, kann der gesamte Vorwärtsspannungsabfall des Serienstapels von LEDs bestimmt werden und mittels der Rückkopplungsschleife reguliert werden. Wenn eine Störbedingung auftritt, wo zum Beispiel eine oder mehrere LEDs 68 und 70 aufgrund eines Kurzschlusses versagen, wird ein Abfall in dem Spannungsdetektionspegel detektiert und an den Schaltnetzteil(SMPS)-Controller 64 rückgekoppelt. In solch einer Weise ist das in 7 gezeigte System 7 konfiguriert, eine LED-Fehlerinformation dem Controller 64 bereitzustellen, so dass das System 7 heruntergefahren werden kann, um Energie zu sparen, bis die Störbedingung oder der Störzustand behoben werden kann.
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8 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung, welche konfiguriert ist, eine lineare Signalrückkopplung mit Stör- oder Fehlerdetektion durch einen einzelnen Opto-Koppler hindurch in einem isolierten Festkörperbeleuchtungssystem zu multiplexen. Die funktionalen Blöcke, um den LED-Strompegel und -Spannungspegel zu überwachen, weisen einen ersten Komparator COMP1 (96), um den Spannungsdetektionspegel zu überwachen, einen zweiten Komparator COMP2 (98), um den Stromdetektionspegel zu detektieren, und eine Dreieckswellengeneratorschaltung TRIWAVE GEN 50 auf, welche eine Dreieckswelle mit einer Frequenz ausgibt, welche durch die FAULT-Eingabe bestimmt ist. Komparator COMP1 (96) hat seine positive Eingabe verbunden mit einer Referenzspannung Vdet und hat seine negative Eingabe verbunden mit dem LED-Spannungsdetektionspegel. Der Spannungsdetektionspegel wird durch das Verhältnis bestimmt, welches mittels des Widerstandsteilernetzwerks gesetzt ist, welches die Widerstände R1 und R2 aufweist. Wenn der LED-Stapel, welcher die LED 68 aufweist, normal arbeitet, ist der Spannungsdetektionspegel ausgelegt, um weniger als der Vorwärtsspannungsabfall einer LED höher zu sein als der LED-Unterspannungsreferenzpegel Vdet. Somit ist der Zustand des FAULT-Signals, welches mittels der Ausgabe von COMP1 (96) bereitgestellt ist, bei normalen Betriebsbedingungen in einem Niedrig-Zustand. Das FAULT-Signal steuert den Frequenzauswahlpin FREQ_SEL der Schaltung TRIWAVE GEN 50. Wenn FAULT in einem Niedrig-Zustand ist, oszilliert die Dreieckswellefrequenz, welche erzeugt ist, bei einer ersten Frequenz f1. Diese Dreieckswelle wird dann mit der negativen Eingabe des zweiten Komparators COMP2 (98) verbunden, welcher seine positive Eingabe mit dem LED-Stromdetektionspegel verbunden hat. Als ein Ergebnis wird der Stromdetektionspegel mittels der Dreieckswelle moduliert und wird in ein digitales Format bei der Ausgabe COMP2 (98) konvertiert. Die Ausgabe von COMP2 (98) erzeugt ein Pulsbreite-moduliertes digitales Signal, welches einen Arbeitszyklus (duty cycle) hat, welcher den Analogstromdetektionspegel repräsentiert. Die Frequenz dieses Pulsbreite-modulierten Signals ist dieselbe wie die der Dreieckswelle. Im Falle eines LED-Defekts oder einer LED-Störung, wenn zum Beispiel eine oder mehrere LEDs in dem Stapel 68 aufgrund von Kurzschluss versagen, fällt der Spannungsdetektionspegel unterhalb seines normalen Pegels und triggert den Komparator COMP1 (96), den Vdet-Schwellwert zu überqueren (cross) und einen hohen Zustand bezüglich des FAULT-Zustands zu registrieren. FREQ_SEL wird dann auf hoch getrieben und führt dazu, dass die Dreieckswellenfrequenz auf eine zweite Frequenz f2 schaltet. Als ein Resultat hat das Pulsbreite-modulierte Signal, welches bei der Ausgabe von COMP2 (98) bereitgestellt ist, seine Frequenz auf f2 geschaltet. Der Arbeitszyklus des Ausgabesignals, welches mittels COMP2 (98) bereitgestellt ist, bleibt derselbe wie in dem Fall eines normalen Betriebs, ist jedoch, weil der Stromdetektionspegel, welcher ein Produkt des LED-Stroms durch LED-Stapel 68 hindurch und Widerstand R3 ist, nicht durch den Abfall in der LED-Stapelspannung berührt oder beeinflusst. Die Ausgabe von COMP2 (98) wird dann dem LED-Treiber LED DRV 99 bereitgestellt, welcher LED 101, welche an seiner Ausgabe verbunden ist, abhängig davon, ob die Ausgabe von COMP2 (98) hoch oder niedrig ist, an- oder ausschaltet.
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Auf der Empfangsseite wird die Fotodiode 103 eingeschaltet, wenn das mittels der LED 101 erzeugte Licht in dem An-Zustand ist darauf scheint. Der Fotodiodestrom, welcher mittels der Fotodiode 103 bereitgestellt ist, wird mittels des Transimpedanz-Verstärkers TIA 112 detektiert, welcher seine negative Eingabe mit der Fotodiode 103 verbunden hat. Der Fotodiodestrom fließt durch den TIA-Rückkopplungswiderstand Rfb, welcher in ein Spannungssignal bei der Ausgabe des TIA 112 übersetzt wird. Somit gibt der TIA 112 eine verzögerte Version des exakten Datenmusters, welches von der übermittelnden Seite empfangen ist, aus. Wenn der Ausgabespannungspegel des TIA 112 größer ist als der Komparator COMP3(116)-Referenzpegel Vref, welcher bei seiner negativen Eingabe verbunden ist, schaltet die Ausgabe des COMP3 116 auf den logisch Hoch-Pegel. Die Ausgaben von COMP3 116 werden benutzt, um die Schalter SW1 und SW2 der Ladungspumpeschaltung 118 zu steuern. Wenn zum Beispiel OUT von COMP3 116 in dem Niedrig-Zustand ist und OUTB von COMP3 (116) in dem Hoch-Zustand, schaltet SW1 an und lädt den RC-Schleife-Filter, welcher den Widerstand Rf und den Kondensator CF aufweist. Wenn OUT hoch ist und OUTB niedrig ist, schaltet SW2 an und entlädt den RC-Schleife-Filter. Die Rate, bei welcher die Schalter SW1 und SW2 an- und ausgeschaltet werden, hängt somit von der Frequenz des empfangenen Signals Vrcv ab. Der Ladungspumpestrom Ip hängt auch von der Frequenz von Vrcv ab. Wenn Vrcv bei Frequenz f1 schaltet, schaltet die Ladungspumpeschaltung 118 bei einer Rate f1 mit einem Strom I1. Wenn Vrcv bei Frequenz f2 schaltet, schaltet Ladungspumpeschaltung 118 bei einer Rate f2 mit einem Strom von I2. Die Beziehung zwischen dem Ladungspumpestrom I1 und der Schaltfrequenz ist derart, dass, wenn f2 = A·f1, I2 = A·I1. Dies stellt sicher, dass der Ladungspumpestrom I1 derart skaliert ist, dass die Lade- oder Entladezeitkonstante, welche damit assoziiert ist, nicht durch eine Änderung in der Schaltfrequenz berührt ist oder beeinflusst ist. Somit sind die Charakteristiken des Ausgabeanalogsignals, Vf, erhalten und stellen sicher, dass die Schleifendynamik und das Systemverhalten nicht modifiziert sind. Das gefilterte Analogsignal Vf repräsentiert somit den Eingabeanalogstromdetektionssignalpegel, welcher unabhängig von einer zusätzlichen Modulation, welche mit dem eingebetteten digitalen Signal assoziiert ist, erhalten ist. Der Vf-Spannungspegel wird dann an den SMPS-Controller rückgekoppelt, um den Konverter zu regulieren. Um das eingebettete FAULT-Digitalsignal zurückzugewinnen, wird die Ausgabe von COMP3 (116) dem Frequenzdetektor FREQ DETECT 38 bereitgestellt, welcher zwischen Frequenzen f1 und f2 diskriminiert, um das digitale Signal bei FAULT_out zu reproduzieren. In solch einer Weise operiert die Regulations- und Rückkopplungsschleife wie gewöhnlich, ohne durch das Rückkopplungs-FAULT-Signal unterbrochen (disrupted) zu werden. Unter Benutzen der FAULT-Rückkopplungsinformation kann jedoch der SMPS-Controller konfiguriert sein, das System 7 herunterzufahren, wenn ein Störereignis auftritt.
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9 zeigt eine Ausführungsform eines optisch isolierten Gate-Treibers, welcher mit einem DC-DC-Konverter integriert ist, wo mehr als ein digitales Rückkopplungssignal zusammen mit einem Analogsignal bereitgestellt ist. In solch einer Implementierung dient die Ausgabe des DC-DC-Konverters, Vout, als die Zuführung an den Gate-Treiber, welcher die Transistoren M1 und M2 (126) aufweist. Die Ausgabe des Gate-Treibers treibt wiederum den externen isoliertes-Gate-bipolarer-Transistor (IGBT oder 124). Die Regulation der DC-DC-Konverterschleife ist über einen Spannungsdetektionsrückkopplungsknoten bei Vfb, was mittels eines Widerstandsteilernetzwerks bereitgestellt ist, welches Widerstände R1 und R2 aufweist. Unter normalem Betrieb gibt die Schaltung TRIWAVE GEN 50 eine Dreieckswelle aus, welche eine Frequenz f1 hat, welche die Rückkopplungsspannung Vfb in ein Pulsbreite-moduliertes digitales Signal moduliert, welches bei der Ausgabe des Komparators COMP2 (98) erscheint. Durch den LED-Treiber 99 wird eine digitalisierte Version des analogen Rückkopplungssignals Vfb mittels optischer Isolation an die Empfangsseite herüber gesendet. Nach Durchlaufen durch den TIA-Verstärker 112 und Komparator COMP3 (116) und nach Filterung durch die Aktion von Ladungspumpeschaltung 118 und ihren korrespondierenden Schleifenfilter wird das digitalisierte Signal zurück in ein analoges Signal als Analogsignal Vf konvertiert. Analogsignal Vf wird dann an den SMPS-Controller rückgekoppelt, um die Ausgabe Vout der Konverterschleife zu regulieren. In solch einer Ausführungsform können die digitalen Eingabesignale, welche mit dem Analogeingabesignal über Isolator oder Barriere 120 hinweg zu multiplexen sind, konfiguriert sein, zwei Fehlerereignisse oder Störereignisse zu umfassen. Ein solches Störereignis kann der Detektion einer Überspannungsbedingung oder eines Überspannungszustands bei dem Vout-Spannungspegel entsprechen, welcher mittels des Komparators COMP1 (96) mit einem Schwellwert bei dem Überspannungspegel gesetzt bereitgestellt sein kann, und einem Zustand, welcher mittels Ausgabe FAULT_OV bereitgestellt ist. Ein anderer Fehler kann der Detektion einer Überstrombedingung oder eines Überstromzustands des IGBT 124 korrespondieren, welcher mittels der Überstromdetektionsschaltung OC DET (122) bereitgestellt ist, und einem Zustand, welcher mittels der Ausgabe FAULT_OC bereitgestellt ist. Die zwei Fehlerausgaben FAULT_OV und FAULT_OC werden dann eingesetzt, um die Frequenz zu ändern, bei welcher die Ausgabe der Schaltung TRIWAVE GEN 50 moduliert ist. Wenn zum Beispiel FAULT_OV in einem Hoch-Zustand ist, um eine Ausgabeüberspannungsbedingung oder einen Ausgabeüberspannungszustand anzuzeigen, wird die Modulationsfrequenz von der normalen Rate von f1 auf eine Rate von F2 geschaltet. Wenn FAULT_OC in einem Hoch-Zustand ist, um anzuzeigen, dass der IGBT 124 in einem Überstromzustand ist, wird die Modulationsfrequenz auf eine Rate von f3 geschaltet. Bei dem Empfangsende bestimmt der Frequenzdiskriminatorblock FREQ DETECT 38 das Vorhandensein von entweder Frequenz f2 und Frequenz f3 oder beiden und aktualisiert den Zustand der wiederhergestellten Ausgaben FAULT_OV_out und FAULT_OC_out dementsprechend. In solch einer Weise ist der SMPS-Controller konfiguriert, den besten zu verfolgenden Verlauf für das System basierend auf solchen Fehlerzustandsrückkopplungssignalen zu bestimmen. Man bemerke, dass das Auftreten eines Fehlerereignisses den normalen Betrieb des DC-DC-Konverterbetriebs nicht unterbricht (disrupt), da die digitalen Fehlersignale lediglich in einem digitalisierten Format zur Rückkopplung eingebettet sind und die gefilterte Ausgabe Vf dasselbe Analogeingabesignal wie in dem normalen Betriebsmodus repräsentiert.
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Der gesamte Signal- und Fehlerrückkopplungspfad des Systems 5 setzt die Benutzung eines einzelnen digitalen Opto-Kopplers für eine Signalübertragung durch Isolator oder Barriere 120 hindurch ein. Dies stellt einen signifikanten Vorteil verglichen mit einem Benutzen eines linearen Opto-Kopplers bereit, weil die digitale Signalübertragung nicht unter einer LED-Herabstufung leidet, was ein Hauptproblem in einem linearen Signaltransfer ist. Neben dem Benutzen eines optischen Isolators 101/103 arbeitet die in 9 gezeigte Ausführungsform gut mit anderen Isolationsmedien, wie etwa magnetischen oder kapazitiven Isolatoren oder Barrieren.
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Innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung sind Verfahren eines Herstellens und Verfahren eines Hergestellthabens der verschiedenen Komponenten, Geräte und Systeme, welche hierin beschrieben sind, umfasst. Zumindest einige der Schaltungen, Systeme und Verfahren, welche hierin offenbart sind, können unter Benutzung von einem konventionellen CMOS-Design und Herstellungstechniken und -prozessen implementiert werden, um zum Beispiel eine einzelne integrierte Schaltung oder ASIC bereitzustellen.
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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind zusätzlich zu den hierin oben offenbarten betrachtet. Die oben beschriebenen Ausführungsformen sollten als Beispiele der vorliegenden Erfindung betrachtet werden anstatt als den Geltungsbereich der Erfindung einschränkend. Zusätzlich zu den vorgenannten Ausführungsformen der Erfindung wird eine Durchsicht der detaillierten Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen zeigen, dass es andere Ausführungsformen der Erfindung gibt. Demgemäß fallen viele Kombinationen, Permutationen, Variationen und Modifikationen der vorgenannten Ausführungsformen der Erfindung, welche hierin nicht explizit ausgeführt sind, nichtsdestotrotz innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung.
