DE102014101129A1

DE102014101129A1 - Spannungserfassung in einem Spannungswandler

Info

Publication number: DE102014101129A1
Application number: DE102014101129.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Feldtkeller
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2014-07-31
Also published as: CN103973117B; US20140211510A1; CN103973117A; US9197131B2

Abstract

Ein Verfahren zum Erfassen einer Ausgangsspannung in einem Spannungswandler umfasst wenigstens ein Schaltelement und einen Transformator. Eine Spannung über einer Hilfswicklung oder ein Signal, das aus der Spannung über einer Hilfswicklung erhalten wird, wird abgetastet, um mehrere Abtastwerte zu erhalten, nachdem das wenigstens eine Schaltelement einen ersten Betriebszustand angenommen hat und bis die Hilfsspannung eine vordefinierte Schwelle erreicht. Die Hilfswicklung ist induktiv mit dem Transformator gekoppelt. Wenigstens ein erhaltener Abtastwert wird ausgewertet, bevor die Hilfsspannung die vordefinierte Schwelle erreicht.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren und eine Schaltung zur Erfassung einer Spannung in einem Spannungswandler, insbesondere zum Erfassen der Ausgangsspannung in einem Spannungswandler, der einen Transformator aufweist.
Spannungswandler sind in Industrie-, Automobil- oder Verbraucherelektronikanwendungen zum Wandeln einer ersten Spannung in eine zweite Spannung weit verbreitet, wobei die erste Spannung und die zweite Spannung sich wenigstens in einem Spannungspegel oder einer Signalform unterscheiden. Schaltwandler (Schaltnetzteile) umfassen wenigstens ein Schaltelement, das aus der ersten Spannung eine pulsweitenmodulierte (PWM) Spannung erzeugt, und die PWM-Spannung wird einer Gleichrichterschaltung zugeführt, die die zweite Spannung aus der ersten Spannung erzeugt. Der Spannungspegel der zweiten Spannung kann durch Steuern eines Duty-Cycle der PWM-Spannung bei dieser Art von Spannungswandler gesteuert werden.
Es gibt Schaltwandler, bei denen die Gleichrichterschaltung einen Transformator enthält, der eine Potenzialbarriere zwischen einem Eingang, an den die erste Spannung angelegt wird, und dem Ausgang, an dem die zweite Spannung zur Verfügung steht, bildet. Bei dieser Art von Wandler ist das Schaltelement üblicherweise an die Primärwicklung des Transformators gekoppelt, das heißt, das Schaltelement ist in einem primärseitigen Abschnitt der Gleichrichterschaltung angeordnet, während die zweite Spannung in einen sekundärseitigen Abschnitt der Gleichrichterschaltung zur Verfügung steht. Um in der Lage zu sein, die Ausgangsspannung durch geeignetes Schalten des Schaltelements zu steuern, muss der Spannungspegel der Ausgangsspannung von dem sekundärseitigen Abschnitt zu dem primärseitigen Abschnitt kommuniziert werden.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Schaltung zum effizienten Kommunizieren eines Spannungspegels einer Spannungswandlerausgangsspannung von einer Sekundärseite zu einer Primärseite zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch einen Spannungswandler gemäß Anspruch 18 gelöst. Details und spezielle Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Ein erstes Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer Ausgangsspannung in einem Spannungswandler, der wenigstens ein Schaltelement und einen Transformator aufweist. Das Verfahren umfasst das Abtasten einer Spannung über einer Hilfswicklung oder eines Signals, das aus der Spannung über eine Hilfswicklung erhalten wird, um mehrere Abtastwerte zu erhalten, nachdem das wenigstens eine Schaltelement einen ersten Betriebszustand angenommen hat und bis die Hilfsspannung eine vordefinierte Schwelle erreicht, wobei die Hilfswicklung induktiv mit dem Transformator gekoppelt ist, und das Auswerten wenigstens eines Abtastwertes, der erhalten wird, bevor die Hilfsspannung die vordefinierte Schwelle erreicht.
Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft einen Spannungswandler. Der Spannungswandler umfasst wenigstens ein Schaltelement, einen Transformator und eine Hilfswicklung, die induktiv mit dem Transformator gekoppelt ist. Eine Erfassungsschaltung ist entweder an den Transformator oder die Hilfswicklung gekoppelt und ist dazu ausgebildet, mehrere Abtastwerte zu erhalten, nachdem das wenigstens eine Schaltelement einen ersten Betriebszustand angenommen hat und bis die Hilfsspannung eine vordefinierte Schwelle erreicht, und wenigstens einen Abtastwert auszuwerten, der erhalten wird, bevor die Hilfsspannung die vordefinierte Schwelle erreicht.
Beispiele werden nun anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zum Veranschaulichen des Grundprinzips, so dass nur solche Merkmale, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.
1 veranschaulicht schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltwandlerschaltung;
2 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Schaltwandlerschaltung weiter im Detail;
3 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterschaltung der Spannungswandlerschaltung gemäß 2;
4 zeigt Zeitverläufe, die das Funktionsprinzip des Spannungswandlers gemäß 3 veranschaulichen;
5 veranschaulicht den Zeitverlauf einer Spannung über einer Sekundärwicklung bzw. einer Hilfswicklung des Spannungswandlers gemäß 3;
6 zeigt den Zeitverlauf gemäß 5 und veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Erfassen einer Ausgangsspannung des Spannungswandlers;
7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Erfassungsschaltung, die an die Hilfswicklung gekoppelt ist;
8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Messschaltung in der Erfassungsschaltung gemäß 7;
9 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Abtast- und Speicherschaltung in der Erfassungsschaltung gemäß 7;
10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung in der Erfassungsschaltung gemäß 7;
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Speicherschaltung gemäß 9 weiter im Detail;
12 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Abtast- und Speicherschaltung;
13 veranschaulicht eine Speicherschaltung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
14 zeigt den Zeitverlauf der Spannung über einer Sekundärwicklung bzw. einer Hilfswicklung, wenn eine Entmagnetisierungsdauer sehr kurz ist;
15 veranschaulicht eine Erfassungsschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
16 veranschaulicht eine Erfassungsschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; und
17 veranschaulicht eine Erfassungsschaltung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezielle Ausführungsbeispiele, wie die Erfindung realisiert werden kann, dargestellt sind.
1 veranschaulicht schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schaltspannungswandlers (der auch als Schaltleistungswandler bezeichnet werden kann), der nachfolgend als Spannungswandler bezeichnet wird. Bezug nehmend auf 1 umfasst der Spannungswandler einen Eingang mit Eingangsanschlüssen 11, 12 zum Erhalten einer Eingangsspannung Vin und einen Ausgang mit Ausgangsanschlüssen 13, 14 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung Vout. Der Spannungswandler ist dazu ausgebildet, die Ausgangsspannung Vout aus der Eingangsspannung Vin zu erzeugen, wobei die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout sich wenigstens in einem von den Spannungspegeln und den Signalverläufen unterscheiden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout Gleichspannung (DC-Spannungen) und besitzen unterschiedliche Spannungspegel; die Eingangsspannung Vin besitzt beispielsweise einen höheren Spannungspegel als die Ausgangsspannung Vout. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Eingangsspannung Vin eine Wechselspannung (AC-Spannung), wie beispielsweise eine Spannung mit einem sinusförmigen Signalverlauf, während die Ausgangsspannung Vout eine Gleichspannung ist.
Bezug nehmend auf 1 umfasst der Spannungswandler eine Schalt-Schaltung SW mit wenigstens einem elektronischen Schalter 16 und einer induktiven Gleichrichterschaltung IRC mit wenigstens einem Transformator 15. Die Schalt-Schaltung SW mit dem elektronischen Schalter 16 ist dazu ausgebildet, die Eingangsspannung Vin zu erhalten und eine pulsweitenmodulierte Spannung V_PWM zu erzeugen, die von der induktiven Gleichrichterschaltung IRC erhalten wird. Die induktive Gleichrichterschaltung IRC transformiert die PWM-Spannung V_PWM in die Ausgangsspannung Vout. Die PWM-Spannung V_PWM wird erzeugt durch Ansteuern des wenigstens einen Schaltelements 16 in pulsweitenmodulierter Weise. Die Ausgangsspannung Vout kann gesteuert werden durch Steuern des Duty-Cycles eines PWM-Ansteuersignals, das den wenigstens einen elektronischen Schalter 16 ein- und ausschaltet. Das heißt, die Ausgangsspannung kann gesteuert werden durch Einstellen eines Duty-Cycle des PWM-Betriebs des wenigstens einen elektronischen Schalters 16. Insbesondere kann die Ausgangsspannung Vout so gesteuert werden, dass sie einen vorgegebenen Spannungspegel und/oder dass sie einen vorgegebenen Signalverlauf besitzt, der mit einem Referenzsignal übereinstimmt.
Um die Ausgangsspannung Vout zu steuern, muss ein Spannungspegel der Ausgangsspannung Vout an die Schalt-Schaltung SW kommuniziert werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 erzeugt eine Erfassungsschaltung ein Ausgangssignal Sout, das einen Spannungspegel der Ausgangsspannung Vout repräsentiert. Die Schalt-Schaltung erhält das Ausgangssignal Sout und stellt einen Duty-Cycle des PWM-Betriebs des wenigstens einen Schaltelements 16 abhängig von dem Ausgangssignal Sout ein, um den Spannungspegel der Ausgangsspannung Vout zu steuern.
Bezug nehmend auf 1 umfasst die Erfassungsschaltung eine Hilfswicklung 2 (oder ist an eine solche gekoppelt), die induktiv mit dem Transformator 15 der induktiven Gleichrichterschaltung IRC gekoppelt ist, und eine Auswerteschaltung 3. Die Auswerteschaltung 3 ist dazu ausgebildet, eine Spannung V2 über der Hilfswicklung auszuwerten und ein Ausgangssignal Sout aus dieser Spannung V2 zu erzeugen. Die Spannung V2 über der Hilfswicklung wird nachfolgend als Hilfsspannung bezeichnet.
Ein genaueres Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers mit einer Schalt-Schaltung, die wenigstens ein Schaltelement 16 umfasst, und mit einer induktiven Gleichrichterschaltung, die wenigstens einen Transformator 15 umfasst, ist in 2 dargestellt. Der Spannungswandler gemäß 2 ist mit einer Sperrwandlertopologie ausgebildet. In diesem Fall ist ein Schaltelement 16 in Reihe mit einer Primärwicklung 15p des Transformators 15 geschaltet und die Reihenschaltung mit dem Schaltelement 16 und der Primärwicklung 15p ist zwischen die Eingangsanschlüsse 11, 12 geschaltet. Das Schaltelement 16 und eine Ansteuerschaltung 17 bilden die zuvor erläuterte Schalt-Schaltung SW. Die Ansteuerschaltung 17 erhält das Ausgangssignal Sout von der Erfassungsschaltung 3 und ist dazu ausgebildet, ein PWM-Ansteuersignal S16 auszugeben, das von dem Schaltelement 16 erhalten wird, und schaltet das Schaltelement 16 in einer PWM-Weise ein und aus. Die Ansteuerschaltung 17 stellt einen Duty-Cycle des PWM-Ansteuersignals S16 abhängig von dem Ausgangssignal Sout und abhängig von einem internen Referenzsignal so ein, dass die Ausgangsspannung Vout, die durch das Ausgangssignal Sout repräsentiert ist, in Übereinstimmung mit dem Referenzsignal ist.
Der Transformator 15 umfasst außerdem eine Sekundärwicklung 15s, die induktiv mit der Primärwicklung 15p gekoppelt ist. Der Transformator 15 ist Teil der induktiven Gleichrichterschaltung IRC, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel außerdem eine Gleichrichterschaltung 18 aufweist, die zwischen die Sekundärwicklung 15s und den Ausgang 13, 14 gekoppelt ist.
Gemäß einem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Gleichrichterschaltung 18 eine Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement 181 und einem kapazitiven Speicherelement 182, wobei die Reihenschaltung parallel zu der Sekundärwicklung 15s geschaltet ist. Die Ausgangsspannung Vout ist über dem kapazitiven Speicherelement 182 verfügbar. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Gleichrichterelement 181 eine Diode. Allerdings können auch andere Arten von Gleichrichterelementen, wie beispielsweise Synchrongleichrichter (synchronous rectifiers, SR), die mit einem MOSFET (nicht dargestellt) ausgebildet sind, ebenso verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das kapazitive Speicherelement 182 ein Kondensator.
Das Funktionsprinzip des Spannungswandlers gemäß 2 wird anhand von 4 kurz erläutert, die schematisch Zeitverläufe des PWM-Ansteuersignals S16, einer Primärspannung Vp und einer Sekundärspannung Vs des Transformators 15 zeigt. Die Primärspannung Vp ist die Spannung über der Primärwicklung 15p, und die Sekundärspannung Vs ist die Spannung über der Sekundärwicklung 15s des Transformators 15.
4 zeigt die Zeitverläufe in einem Ansteuerzyklus des PWM-Ansteuersignals S16. Ein Ansteuerzyklus des PWM-Ansteuersignals S16 umfasst ein Ein-Dauer Ton, in der das Ansteuersignal S16 das Schaltelement 16 einschaltet, und eine Aus-Dauer Toff, in der das Ansteuersignal S16 das Schaltelement 16 ausschaltet. Während der Ein-Dauer Ton besitzt das Ansteuersignal S16 einen Ein-Pegel, der das Schaltelement 16 einschaltet, und während der Aus-Dauer Toff besitzt das Ansteuersignal S16 einen Aus-Pegel, der das Schaltelement 16 ausschaltet. Zu Erläuterungszwecken sein angenommen, dass der Ein-Pegel des Ansteuersignals S16 ein High-Pegel ist, während der Aus-Pegel ein Low-Pegel ist.
Bezug nehmend auf die 2 und 4 entspricht die Primärspannung Vp während der Ein-Dauer Ton im Wesentlichen der Eingangsspannung Vin, also wenn das Schaltelement 16 eingeschaltet ist. In dem Spannungswandler gemäß 2 besitzen die Primärwicklung 15p und die Sekundärwicklung 15s entgegengesetzte Wicklungssinne. Daher besitzen die Primärspannung Vp und die Sekundärspannung Vs entgegengesetzte Polaritäten. Wenn die Eingangsspannung Vin beispielsweise eine positive Spannung ist, so dass die Primärspannung Vp während der Ein-Dauer eine positive Spannung ist, dann ist die Sekundärspannung Vs während der Ein-Dauer Ton negative. Die Eingangsspannung Vin und die Sekundärspannung Vs können auf unterschiedliche Bezugspotenziale bezogen sein. Die Eingangsspannung Vin kann beispielsweise auf ein primärseitiges Bezugspotenzial (primärseitige Masse) bezogen sein, und die Sekundärspannung Vs kann auf sekundärseitiges Bezugspotenzial (sekundärseitige Masse) bezogen sein.
Es sei erwähnt, dass in Verbindung mit der vorliegenden Beschreibung ein (positiver Pegel) der Sekundärspannung Vs einen Spannungspegel bezeichnet, der die Gleichrichterschaltung 18 so polt, dass ein Sekundärstrom Is von der Sekundärwicklung 15s zum Ausgang 13, 14 fließen kann, und ein (negativer Pegel) polt die Gleichrichterschaltung so, dass die Gleichrichterschaltung 18 verhindert, dass während der Ein-Dauer Ton ein Strom durch die Sekundärwicklung Vs fließt, also wenn die Sekundärspannung Vs negativ ist. Ein Verhältnis zwischen dem Betrag der Primärspannung Vp und dem Betrag der Sekundärspannung Vs ist durch ein Windungsverhältnis des Transformators 15 definiert. Wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, wird die Energie magnetisch in dem Transformator 15 gespeichert. Wenn des Schaltelement 16 ausschaltet, dreht sich die Polarität der Sekundärspannung Vs um und die Sekundärspannung Vs steigt an, bis ein Sekundärstrom Is durch die Sekundärwicklung 15s und den Gleichrichter 18 zum Ausgang 13, 14 fließt, an den eine Last Z (in 2 in gestrichelten Linien dargestellt) angeschlossen sein kann. Die Sekundärspannung Vs sinkt auf null ab, sobald die zuvor in dem Transformator 15 gespeicherte Energie an den Ausgang 13, 14 übertragen wurde, das heißt, sobald der Transformator 15 vollständig entmagnetisiert ist. Während der Zeitdauer, in der ein Strom durch die Sekundärwicklung 15s fließt, ist eine negative Spannung über der Primärwicklung 15p vorhanden. Allerdings ist ein Strom durch die Primärwicklung 15p null, da das Schaltelement 16 sperrt.
Der Signalverlauf der Sekundärspannung Vs während der Aus-Periode ist in 4 nur schematisch dargestellt, wo diese Spannung so gezeichnet ist, dass sie ansteigt, wenn das Schaltelement 16 ausschaltet, um einen im Wesentlichen konstanten Spannungspegel zu halten, so lange Energie in dem Transformator 15 gespeichert ist, und dann auf null absinkt.
Tatsächlich ist dieser Signalverlauf weniger ideal. 5 zeigt einen realistischeren Signalverlauf der Sekundärspannung Vs zwischen dem Beginn der Aus-Dauer (repräsentiert durch den Zeitpunkt t1 in 4) und den Zeitpunkt, zu dem der Transformator entmagnetisiert ist (repräsentiert durch den Zeitpunkt t3 in 4.
Bezug nehmend auf 5 beginnt die Sekundärspannung Vs zu Beginn der Aus-Dauer ausgehend von dem negativen Signalpegel, den sie während der Ein-Dauer Ton besitzt, in Richtung eines positiven Signalpegels anzusteigen. Nachdem die Sekundärspannung Vs einen maximalen Spannungspegel erreicht hat, treten parasitäre Oszillationen auf, bevor die Sekundärspannung Vs (zum Zeitpunkt t2 in 5) einen eingeschwungenen Zustand erreicht, in dem der Spannungspegel im Wesentlichen konstant ist. Die Oszillationen der Sekundärspannung Vs zu Beginn der Aus-Dauer Toff resultieren aus parasitären Streuinduktivitäten des Transformators und parasitären Kapazitäten des Transformators. Die Sekundärspannung Vs sinkt auf null ab, wenn der Transformator entmagnetisiert wurde. Zu diesem Zeitpunkt können erneut Oszillationen auftreten. Allerdings ist nur etwa eine Hälfte (1/2) einer Periode dieser Oszillationen in 5 dargestellt. Eine Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t4 entspricht einem Viertel (1/4) einer Oszillationsperiode. Bezug nehmend auf 5 ist t4 der Zeitpunkt, zu dem die Sekundärspannung Vs auf null abgesunken ist, dies ist unten weiter im Detail erläutert.
Bezug nehmend auf 5 ist die Sekundärspannung Vs zwischen einem zweiten Zeitpunkt t2 am Ende der parasitären Oszillationen und einen Zeitpunkt t3 (der nachfolgend als dritter Zeitpunkt bezeichnet wird), zu dem der Transformator 15 entmagnetisiert wurde und zu dem die Sekundärspannung Vs beginnt auf null abzusinken, im Wesentlichen konstant. Während dieser Dauer entspricht die Sekundärspannung Vs im Wesentlichen der Ausgangsspannung Vout plus einer zeitlich variierenden Spannung. Bezug nehmend auf 5 nimmt diese zeitlich variierende Spannung, die der Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Sekundärspannung V2 entspricht, zwischen den zweiten und dritten Zeitpunkten t2, t3 im Wesentlichen linear ab.
Bezug nehmend auf 2 entspricht der zeitlich variierende Abschnitt der Sekundärspannung V2 einer Spannung V18 über der Gleichrichterschaltung 18, wenn der Gleichrichter 18 den Sekundärstrom Is leitet. Wenn die Gleichrichterschaltung 18 wie in 3 dargestellt mit einer Diode 181 zwischen der Sekundärwicklung 15s und dem Ausgang 13, 14 ausgebildet ist, ist die Spannung V18 über der Gleichrichterschaltung im Wesentlichen gegeben durch: V18 = V_F + V₁₈(Is) (1)
V_F bezeichnet eine Flussspannung der Diode 181. Diese Flussspannung V_F ist im Wesentlichen konstant und beträgt etwa 0,7 V, wenn die Diode 181 mit Silizium realisiert ist. V₁₈(Is) bezeichnet einen stromabhängigen Teil der Spannung V₁₈(Is), der im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen proportional zu dem Sekundärstrom Is ist. Wenn der Sekundärstrom Is abnimmt (im Wesentlichen linear), wenn der Transformator 15 entmagnetisiert, nimmt V₁₈(Is) ebenfalls ab (im Wesentlichen linear). Zum dritten Zeitpunkt t3, kurz bevor die Sekundärspannung Vs beginnt auf null abzusinken, ist der Transformator 15 entmagnetisiert und der Sekundärstrom Is ist im Wesentlichen null. Entsprechend ist zu diesem Zeitpunkt t3 die Sekundärspannung Vs nur gegeben durch die Summe der Ausgangsspannung Vout und den konstanten Anteil V_F der Spannung V18 über der Diode 181. Dieser konstante Anteil V_F ist definiert durch das Design der Gleichrichterschaltung 18, so dass die Sekundärspannung Vs kurz bevor die Sekundärspannung Vs beginnt auf null abzusinken, die Ausgangsspannung Vout sehr gut repräsentiert. Es ist daher wünschenswert, die Sekundärspannung Vs zum dritten Zeitpunkt t3 oder kurz vor dem dritten Zeitpunkt t3 auszuwerten, um die Ausgangsspannung Vout zu erfassen und das Ausgangssignal Sout bereitzustellen.
In dem Spannungswandler gemäß 2 umfasst die Erfassungsschaltung eine Hilfswicklung 2, die induktiv mit der Sekundärwicklung 15s (und natürlich auch mit der Primärwicklung 15p) gekoppelt ist. Eine Spannung V2 über der Hilfswicklung 2 während der Aus-Dauer ist im Wesentlichen proportional zu der Sekundärspannung Vs, wobei ein Proportionalitätsfaktor zwischen der Sekundärspannung Vs und der Spannung V2 über der Hilfswicklung 2 definiert ist durch ein Wicklungsverhältnis dieser zwei Wicklungen 15s, 2. Damit repräsentiert der in 5 dargestellte Zeitverlauf sowohl die Sekundärspannung Vs als auch die ausgewertete Spannung V2 während der Aus-Dauer Toff. Anstelle der Sekundärspannung Vs wird in der Schaltung gemäß 2 die Spannung über der Hilfswicklung 2 ausgewertet. Diese Spannung V2 wird nachfolgend als ausgewertete Spannung bezeichnet. Bezug nehmend auf 2 ist die Auswerteschaltung 3 an die Hilfswicklung 2 gekoppelt und ist dazu ausgebildet, das Ausgangssignal Sout aus der ausgewerteten Spannung V2 zu erzeugen.
Das Funktionsprinzip der Auswerteschaltung 3 (und ein in der Auswerteschaltung 3 implementiertes Verfahren) wird nachfolgend anhand von 6 erläutert. 6 zeigt erneut den Zeitverlauf der ausgewerteten Spannung V2 zwischen dem Beginn der Aus-Dauer (Zeitpunkt t1 in 6) und dem Zeitpunkt, zu dem die ausgewertete Spannung V2 auf eine vorgegebene Schwelle (die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel null ist) abgesunken ist.
Bezug nehmend auf 6 umfasst das durch die Auswerteschaltung 3 durchgeführte Verfahren das Abtasten der Hilfsspannung V2 nach dem Zeitpunkt t1, zu dem das Schaltelement 16 einen vordefinierten Schaltzustand annimmt, welcher in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Aus-Zustand ist, und bis die Hilfsspannung 2 eine vordefinierte Schwelle erreicht (zum Zeitpunkt t4), die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel null ist.
Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel beginnt das Abtasten der Hilfsspannung V2 zum Zeitpunkt t2 nach einer Verzögerungszeit t1 nachdem Schaltelement 16 zum ersten Zeitpunkt t1 ausschaltet. Der erste Zeitpunkt t1 ist definiert durch das Ansteuersignal S16, das das Schaltelement 16 ein- und ausschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verzögerungszeit t1 konstant und derart gewählt, dass sie annähernd der Zeitdauer entspricht oder länger ist als die Zeitdauer, für welche nach dem Ausschalten des Schaltelements 16 parasitäre Oszillationen auftreten.
Bezug nehmend auf 6 umfasst das Verfahren außerdem aus Auswählen wenigstens eines zu dem oder vor dem Zeitpunkt t3 erhaltenen Abtastwerts. In 6 bezeichnet t2 eine Zeitdauer zwischen einem fünften Zeitpunkt t5, zu dem der wenigstens eine ausgewertete Abtastwert erhalten wird, und den vierten Zeitpunkt t4, zu dem die Hilfsspannung V2 die vordefinierte Schwelle erreicht. Diese Zeitdauer t2 ist so gewählt, dass der fünfte Zeitpunkt t5 dem dritten Zeitpunkt t3 entspricht oder (kurz) davor ist, so dass zum fünften Zeitpunkt t5 die Hilfsspannung V2 im Wesentlichen einen konstanten Spannungspegel besitzt, das heißt, bevor die Hilfsspannung V2 nach null absinkt. Das Ausgangssignal Sout, das die Ausgangsspannung Vout repräsentiert, wird aus dem wenigstens einen Abtastwert erzeugt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird nur ein Abtastwert ausgewertet, nämlich der zum fünften Zeitpunkt t5 erhaltene Abtastwert. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zwei oder mehr (mehrere) Abtastwerte ausgewählt, ein Durchschnitt der ausgewählten Abtastwerte wird berechnet und der Signalpegel des Ausgangssignals Sout wird abhängig von dem Durchschnitt erzeugt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die mehreren Abtastwerte den zum fünften Zeitpunkt t5 erhaltenen Abtastwert und wenigstens einen weiteren, unmittelbar vor dem Zeitpunkt t5 erhaltenen Abtastwert. Der fünfte Zeitpunkt wird nachfolgend auch als Auswertezeitpunkt bezeichnet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der wenigstens eine weitere Abtastwert aus mehreren Abtastwerten ausgewählt, die innerhalb einer Auswertedauer T_EVAL erhalten werden, die zum fünften Zeitpunkt t5 endet.
Bezug nehmend auf die obige Erläuterung ist die Hilfsspannung V2 im Wesentlich proportional zu der Sekundärspannung Vs und die Sekundärspannung Vs entspricht im Wesentlichen der Ausgangsspannung Vout plus der bekannten Flussspannung V_F der Gleichrichterschaltung 13 zum dritten Zeitpunkt t3. Angenommen, der Auswertezeitpunkt t5 ist nahe dem dritten Zeitpunkt t3, dann repräsentiert wenigstens ein zum fünften Zeitpunkt t5 erhaltene Abtastwert die Ausgangsspannung Vout, so dass das Ausgangssignal Sout, wenn es basierend auf dem wenigstens einen ausgewählten Abtastwert erzeugt wird, ebenfalls die Ausgangsspannung Vout repräsentiert. Wenn mehrere Abtastwerte, die innerhalb der Auswertedauer T_EVAL erhalten werden, ausgewertet werden, ist eine Länge der Auswertedauer T_EVAL so gewählt, dass die Hilfsspannung V2 innerhalb T_EVAL im Wesentlichen konstant ist.
Um sicherzustellen, dass der Auswertezeitpunkt t5 vor dem dritten Zeitpunkt t3 liegt, zu dem die Hilfsspannung Vs abzusinken beginnt, ist die zweite Zeitdauer t2 so gewählt, dass sie wenigstens ein Viertel (1/4) einer Periode der parasitären Oszillationen ist, die nach dem dritten Zeitpunkt t3 beginnen. Die Zeitdauer zwischen dem dritten Zeitpunkt t3 und dem vierten Zeitpunkt t4 entspricht einem Viertel dieser Periode. Die parasitären Oszillationen resultieren hauptsächlich aus der Induktivität der Primärwicklung 15p und aus parasitären Kapazitäten in der Schaltung, wie beispielsweise parasitären Kapazitäten des Transformators 15 und des wenigstens einen Schaltelements 16. Damit ist die Periode der parasitären Oszillationen abhängig von dem speziellen Design der Schaltung. Diese Periode kann durch Simulationen oder durch Experimente für jedes spezielle Design erhalten werden und kann dazu verwendet werden, die Zeitdauer T2 vor dem Betrieb der Schaltung einzustellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist T2 zwischen 0,2 µs und 2 µs.
7 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel der Auswerteschaltung 3, die dazu ausgebildet ist, die Hilfsspannung V2 auszuwerten und das Ausgangssignal Sout in der anhand von 6 erläuterten Weise zu erzeugen. Bezug nehmend auf 7 umfasst die Auswerteschaltung 3 eine Messschaltung 4, die an die Hilfswicklung 2 gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, ein Messsignal S2 zu erzeugen, das die Hilfsspannung V2 repräsentiert. Eine Abtast- und Speicherschaltung 50 erhält das Messsignal S2 und ist dazu ausgebildet, das Messsignal S2 abzutasten, durch Abtasten des Messsignals S2 erhaltene Abtastwerte zu speichern und einen Abtastwert oder einen Durchschnitt von wenigstens zwei innerhalb der Auswerteperiode T_EVAL erhaltenen Abtastwerte an eine Ausgangsstufe 10 auszugeben, die das Ausgangssignal Sout ausgibt. Der Betrieb der Abtast- und Speicherschaltung 5 wird durch eine Steuerschaltung 7 gesteuert, der ebenfalls das Messsignal S2 zugeführt ist und die ein Steuersignal CTRL an die Abtast- und Speicherschaltung 5 ausgibt.
8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Messschaltung 4. Diese Messschaltung 4 umfasst einen Spannungsteiler mit einem ersten und einem zweiten Widerstand 41, 42, die in Reihe geschaltet sind. Die Reihenschaltung mit den Widerständen 41, 42 ist parallel zu der Hilfswicklung 2 geschaltet. Das Messsignal S2, das die Spannung V2 über der Hilfswicklung 2 repräsentiert, steht an einem Abgriff (Ausgang) des Spannungsteilers zur Verfügung, welcher ein Schaltungsknoten ist, der den ersten und zweiten Widerständen 41, 42 gemeinsam ist. Optional erhält ein Puffer 44 das elektrische Potenzial an dem Abgriff und stellt das Messsignal S2 zur Verfügung. Gemäß einer weiteren Option ist ein Gleichrichterelement 43, wie beispielsweise eine Diode, parallel zu einem der Spannungsteilerwiderstände geschaltet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Gleichrichterelement parallel zu dem zweiten Teilerwiderstand 42 geschaltet und ist so geschaltet, dass ein Betrag einer negativen Spannung (eines Potenzials) an dem Abgriff des Spannungsteilers auf eine Flussspannung des Gleichrichterelements 43 begrenzt ist. Solche negative Spannungen am Ausgang des Spannungsteilers treten auf, wenn das Schaltelement 16 im Ein-Zustand ist und die Eingangsspannung Vin an die Primärwicklung 15p angelegt wird, und können auftreten nach dem in den 5 und 6 dargestellten vierten Zeitpunkt, wenn der Transformator entmagnetisiert wurde und parasitäre Oszillationen auftreten. Positive Signalwerte der Hilfsspannung, das heißt, solche Signalwerte kurz nach dem ersten Zeitpunkt und bis zum vierten Zeitpunkt t4 werden durch das Gleichrichterelement 43 nicht beeinflusst.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Abtast- und Speicherschaltung 5 weiter im Detail. Diese Abtast- und Speicherschaltung 5 umfasst eine Speicherschaltung 6 mit einer Vielzahl von n Speicherzellen 61, 62, 63, 6n. Jede dieser Speicherzellen 6 ₁–6 _n ist dazu ausgebildet, einen Abtastwert des Messsignals S2 zu speichern. In 9 sind zu Veranschaulichungszwecken nur vier Speicherzellen dargestellt. Allerdings kann die Speicherschaltung 6 selbstverständlich auch mehr als vier Speicherzellen enthalten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Speicherschaltung 6 16 Speicherzellen, 32 Speicherzellen oder sogar mehr als 32 Speicherzellen.
Bezug nehmend auf 8 erhält ein Multiplexer 8 das Messsignal S2 und ist dazu ausgebildet, die Abtastwerte des Messsignals S2 gemäß einem Adresszählersignal ADR in den einzelnen Speicherzellen 6 ₁–6 _n zu speichern. Das Adresssignal ADR umfasst eine Sequenz mit n unterschiedlichen Adressen, wobei jede Adresse mit einer Speicherzelle 6 ₁–6 _n verknüpft ist. Das heißt, der Multiplexer 8 speichert zu einem Zeitpunkt den momentanen Signalpegel des Messsignals S2 in der Speicherzelle 6 ₁–6 _n, die mit der Adresse verknüpft ist, die der Multiplexer 8 zu diesem Zeitpunkt erhält. Nachfolgend bezeichnet ADR(i) einen der n Zählerwerte und 6i bezeichnet die mit dem Zählerwert ADR(i) verknüpfte Speicherzelle.
Eine Adressierungsschaltung 52 gibt das Adresssignal ADR abhängig von einem durch einen Taktgenerator 51 ausgegebenen Taktsignal CLK aus. Eine Frequenz, mit welcher die Adressierungsschaltung 52 die Adresse ändert, definiert die Abtastfrequenz, mit welcher das Messsignal S2 abgetastet wird. Diese Frequenz kann einer Frequenz des Taktsignals CLK entsprechen. Allerdings könnte die Abtastfrequenz auch niedriger sein als die Taktfrequenz. Eine Abtastfrequenz, die nur einen Bruchteil von 1/n der Taktfrequenz beträgt, kann beispielsweise erhalten werden durch Ändern der Adresse nur mit jedem n-ten Signalimpuls des Taktsignals CLK.
Die Adressierungsschaltung ist dazu ausgebildet, die in dem Adresssignal enthaltenen n unterschiedlichen Adressen in einer vordefinierten Reihenfolge zu adressieren. Das heißt, nachdem die Adressierungsschaltung eine Sequenz mit n unterschiedlichen Adressen ausgegeben hat, beginnt die Adressierungsschaltung wieder damit, dieselbe Adresssequenz auszugeben. Auf diese Weise funktioniert die Speicherschaltung 6 gemäß 9 wie ein Ringpuffer. Das heißt, der Multiplexer 8 schreibt gemäß dem Adresssignal ADR aufeinanderfolgende Abtastwerte in einer vordefinierten Reihenfolge in die einzelnen Speicherzellen 6 ₁–6 _n. Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass ein erster Abtastwert in einer ersten Speicherzelle 6 ₁ gespeichert wird, ein zweiter Abtastwert in einer zweiten Speicherzelle 62 gespeichert wird und so weiter. Nachdem ein n-ter Abtastwert in der n-ten Speicherzelle 6n gespeichert wurde, kehrt der Multiplexer 8 gesteuert durch das Adresssignal zu der ersten Speicherzelle 61 zurück und schreibt eine Sequenz von nächsten Abtastwerten in derselben vordefinierten Reihenfolge wie zuvor in die Speicherzellen 6 ₁–6 _n. Auf diese Weise werden jeweils die letzten n Abtastwerte in der Speicherschaltung 6 gespeichert. Die Reihenfolge, in der die Abtastwerte in die einzelnen Speicherzellen 6 ₁–6 _n geschrieben werden, ist durch das Adresssignal ADR definiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Adressierungsschaltung 52 einen Zähler, der dazu ausgebildet ist, n unterschiedliche Zählerwerte in einer vorgegebenen Reihenfolge und getaktet durch das Taktsignal auszugeben. Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass dieser Zähler gemäß einem durch das Taktsignal vorgegebenen Takt von 1 bis n zählt. Wenn der Zählerwert n erreicht und der Zähler den nächsten Taktimpuls erhält, wird er auf 1 zurückgesetzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Adresssignal eine Sequenz von Zählerwerten, wobei jeder Zählerwert eine Adresse repräsentiert.
Die Steuerschaltung 7 ist dazu ausgebildet, den Vorgang des Abtastens des Messsignals S2 und des Speicherns von Abtastwerten des Messsignals S2 in der Speicherschaltung 6 zu beenden, wenn das Messsignal S2, das die Höchstspannung V2 repräsentiert, eine vordefinierte Schwelle erreicht. Bezug nehmend auf 9 erhält die Steuerschaltung 7 das Messsignal S2 und das Ansteuersignal S16 und gibt ein Steuersignal CTRL an den Multiplexer 8 und die Adressierungsschaltung 52 aus. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Steuersignal CTRL zwei unterschiedliche Signalpegel annehmen, nämlich einen ersten Pegel und einen zweiten Pegel. Nachfolgend wird der erste Pegel auch als Abtast- und Speicherpegel bezeichnet und der zweite Pegel wird als Auslesepegel bezeichnet. Wenn das Steuersignal CTRL den Abtast- und Speicherpegel aufweist, werden der Multiplexer 8 und die Adressierungsschaltung 52 freigegeben, das Messsignal S2 abzutasten und Abtastwerte des Messsignals in der Speicherschaltung 8 zu speichern. Wenn das Steuersignal CTRL den Auslesepegel aufweist, werden der Multiplexer 8 und/oder der Zähler 52 deaktiviert, so dass keine neuen Abtastwerte in der Speicherschaltung 6 gespeichert werden und wenigstens ein Abtastwert aus der Speicherschaltung 6 ausgelesen wird. Dies ist nachfolgend weiter im Detail erläutert. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 wechselt das Steuersignal CTRL von dem Abtast- und Speicherpegel zu dem Auslesepegel, wenn das Messsignal die vordefinierte Schwelle erreicht oder unter diese absinkt. Allerdings kann anstelle des Messsignals S2 ein beliebiges anderes, von der Hilfsspannung V2 abgeleitetes Signal dazu verwendet werden, solche Zeitpunkte zu detektieren, zu denen die Sekundärspannung Vs null erreicht und um Steuersignal CTRL zu erzeugen.
Ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung 7 ist in 10 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Steuerschaltung 7 einen Komparator 71, der einen Signalpegel des Messsignals S2 mit einem Signalpegel des Referenzsignals SREF vergleicht. Das Referenzsignal SREF repräsentiert die vordefinierte Schwelle. Wenn der Signalpegel des Messsignals S2 das Referenzsignal SREF erreicht oder unter dieses absinkt, wechselt ein Komparatorausgangssignal S71 auf einen Signalpegel, der anzeigt, dass das Messsignal S2 das Referenzsignal SREF erreicht oder unter dieses abgesunken ist. Das Komparatorausgangssignal S71 bewirkt dann, dass das Steuersignal CTRL von dem ersten Pegel auf den zweiten Pegel wechselt. Das Steuersignal CTRL wird auf dem zweiten Pegel gehalten, bis das Schaltelement 16 wieder ausgeschaltet wird. Diese Funktionalität kann auf vielfältige unterschiedliche Weise erreicht werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel speichert ein Flipflop, wie beispielsweise ein RS-Flipflop die Änderung des Signalpegels des Komparatorausgangssignals S71. Das Flipflop wird gesetzt, wenn das Messsignal S2 die Schwelle SREF erreicht, und eine fallende Flanke des Ansteuersignals S16 setzt das Flipflop 73 zurück, wenn das Ansteuersignal S16 den Aus-Pegel annimmt. Um zu verhindern, dass das Abtasten der Hilfsspannung V2 bereits zum ersten Zeitpunkt t1 beginnt, verzögert ein optionales Verzögerungselement das am Rücksetzeingang des Flipflops 73 erhaltene Ansteuersignal S16. Eine Verzögerungszeit dieses Verzögerungselements 74 entspricht der Zeit t1 (vergleiche 6) zwischen dem ersten Zeitpunkt t1, zu dem das Schaltelement 16 ausschaltet, und dem Zeitpunkt t2, zu dem das Abtasten der Hilfsspannung V2 bzw. des Messsignals S2 beginnt.
Bezug nehmend auf 6 endet die Auswertezeit t5 mit der Anzahl von Abtastperioden vor dem vierten Zeitpunkt t4, zu dem die Hilfsspannung V2 die vordefinierte Schwelle (null bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6) erreicht. Um den wenigstens einen im Auswertezeitpunkt t5 erhaltenen Abtastwert auszuwerten, muss der zum Abtastzeitpunkt in die Speicherschaltung 6 geschriebene wenigstens eine Abtastwert aus der Speicherschaltung 6 ausgelesen werden. In der Abtast- und Speicherschaltung 5 gemäß 9 wird die Speicherzelle, die zum Auswertezeitpunkt t5 beschrieben wurde, unter Verwendung der Zählersignaladresse identifiziert. Nachfolgend bezeichnet ADR(STOP) die Adresse des Adresssignals zu dem Zeitpunkt, zu dem das Steuersignal CTRL die Adressierungsschaltung 52 und dem ersten Multiplexer 8 deaktiviert. Diese Adresse wird nachfolgend als Stopp-Adresse bezeichnet. Die Stopp-Adresse ADR(STOP) definiert die Speicherzelle, in die der letzte Abtastwert geschrieben wurde. Dieser Abtastwert kann ein Abtastwert sein, der erhalten wurde, kurz bevor oder kurz nachdem die Hilfsspannung V2 (oder das Messsignal S2) den vordefinierten Schwellenwert erreicht, das heißt kurz bevor oder kurz nach der vierten Zeitdauer t4. Unvermeidlich gibt es eine Verzögerungszeit zwischen dem Erreichen der Schwelle durch das Messsignal S2 und dem Deaktivieren des Zählers und des Multiplexers durch die Steuerschaltung 7, so dass ein oder mehrere Abtastwerte nach dem vierten Zeitpunkt t4 in die Speicherschaltung 6 geschrieben werden können.
Speicherzellen, die eine Anzahl von Abtastperioden beschrieben wurden, bevor der letzte Abtastwert in die durch ADR(STOP) repräsentierte (adressierte) Speicherzelle geschrieben wurde, können einfach unter Verwendung der Stopp-Adresse und der Reihenfolge, in der die Adressierungsschaltung 52 das Adresssignal erzeugt, identifiziert werden. Wenn beispielsweise der Abtastwert ausgewertet werden soll, der p Abtastperioden vor dem letzten Abtastwert erhalten wurde, kann die Adresse, an die dieser Abtastwert geschrieben wurde, einfach erhalten werden durch Zurückgehen von p Adressen ausgehend von der Stopp-Adresse ADR(STOP) in der Adresssequenz.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 erhält eine Berechnungseinheit 53 die Stopp-Adresse ADR(STOP) und den Parameter p und berechnet die Adresse ADR(READ) der wenigstens einen Speicherzelle, die ausgelesen werden soll. Die Reihenfolge, in der die Adressierungsschaltung 52 die Adressen erzeugt, können in der Berechnungseinheit gespeichert werden, um die Berechnungseinheit 53 in die Lage zu versetzen, die auszulesende Adresse zu erhalten.
Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Adressierungsschaltung 52 einen Zähler enthält, der durch das Taktsignal periodisch inkrementiert (dekrementiert) wird und bei dem die Adresse zunehmende (abnehmende) Zählerwerte sind, kann die Ausleseadresse ADR(READ) berechnet werden anhand der Stopp-Adresse ADR(STOP) durch Abziehen (Hinzuaddieren) des Parameters p.
Zu Erläuterungszwecken sein angenommen, dass eine Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Adressen (jeweils repräsentiert durch einen Zählerwert) in dem Adresssignal ADR=q ist, so dass ADR(i + 1) – ADR(i) = q, wobei ADR(i + 1) und ADR(i) aufeinanderfolgende Adressen in dem Adresssignal ADR bezeichnet. q wird nachfolgend als Inkrement bezeichnet. Dieses Inkrement kann ein positiver Wert sein, wobei in diesem Fall der Zähler den Zählerwert periodisch inkrementiert, oder kann ein negativer Wert sein, wobei in diesem Fall der Zähler den Zählerwert periodisch dekrementiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel gilt: q = 1.
Zu Erläuterungszwecken sei weiterhin angenommen, dass der Auswertezeitpunkt t5 der Zeitpunkt ist, der p Abtastperioden bevor der letzte Abtastwert in die Speicherzelle bei ADR(STOP) geschrieben wird, liegt. Der Parameter p ist so gewählt, dass das p-fache einer Abtastperiode der anhand von 6 erläuterten Zeitdauer T2 entspricht (oder etwas länger als diese ist). Das heißt, das p-fache einer Abtastperiode ist wenigstens ein Viertel einer Periode der nach dem Zeitpunkt t3 auftretenden parasitären Oszillationen. Zur Erleichterung der Erläuterung sei weiterhin angenommen, dass nur der zum Auswertezeitpunkt t5 (die optional das Ende der Auswertedauer T_EVAL definiert) erhaltene Abtastwert ausgewertet werden soll. In diesem Fall kann die Ausleseadresse ADR(READ) basierend auf der Stopp-Adresse wie folgt berechnet werden: ADR(READ) = ADR(STOP) – p·q. (2).
Die Berechnungseinheit kann als einfacher Subtrahierer realisiert sein, der p·q von ADR(STOP) subtrahiert. p·q wird in einem Speicher 54, wie beispielsweise einem Register, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gespeichert. Die Berechnungseinheit 53 berechnet die Differenz zwischen ADR(STOP) und p·q derart, dass abhängig von dem Verhältnis zwischen ADR(STOP) und p·q die Berechnungseinheit 53 entweder die Differenz ausgibt oder die höchste mögliche Adresse plus der Differenz ausgibt. Es sei beispielsweise angenommen, dass das Adresssignal ADR Adressen zwischen 1 und n repräsentiert und dass das Inkrement q gleich 1 ist. Wenn der Offset p·q größer ist als ADR(STOP), dann würde die Differenz den Adressbereich unterlaufen. In diesem Fall wird die Adresse n + ADR(STOP) – p·q als die Ausleseadresse ADR(READ) ausgegeben. In jedem Fall entspricht die Ausleseadresse ADR(READ) der Adresse der Speicherzelle, die p Abtastperioden vor dem letzten Abtastwert beschrieben wurde.
Ein zweiter Multiplexer 9, der durch das Steuersignal CTRL aktiviert wird, wenn der erste Multiplexer deaktiviert wird, erhält die Leseadresse ADR(READ), liest den Abtastwert aus der Speicherzelle, die mit der Ausleseadresse ADR(READ) verknüpft ist und leitet den Abtastwert an die Ausgangsstufe (10 in 7) weiter.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel liest der zweite Multiplexer 9 nicht nur den in der durch ADR(READ) repräsentierten Speicherzelle, sondern liest auch Abtastwerte aus benachbarten Speicherzellen, welches Speicherzellen sind, die direkt vor der durch ADR(READ) repräsentierten Speicherzelle beschrieben wurden, jedoch innerhalb der Auswertedauer T_EVAL. In diesem Fall liefert der Multiplexer 9 zu einem Zeitpunkt oder zeitlich aufeinanderfolgend zwei oder mehr Abtastwerte an die Ausgangsstufe 10. In diesem Fall berechnet die Ausgangsstufe 10 den Durchschnitt dieser Abtastwerte und gibt das Ausgangssignal Sout abhängig von dem Durchschnitt aus.
11 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Speicherschaltung 6. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 sind die einzelnen Speicherzellen 6 ₁–6 _n als kapazitive Speicherelemente ausgebildet, insbesondere als Kondensatoren, die zwischen einem Anschluss für ein Referenzpotenzial, wie beispielsweise ein primärseitiges Referenzpotenzial, und den Multiplexer 8 geschaltet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Multiplexer 8 mehrere Schalter 81 ₁–81 _n, wobei jeder Schalter zwischen eines der kapazitiven Speicherelemente 61 und den Ausgang der Messschaltung 2 (in 11 nicht dargestellt), wo das Messsignal S2 zur Verfügung steht, geschaltet ist. Der Multiplexer 8 umfasst außerdem eine Ansteuerschaltung 82, die das Adresssignal ADR erhält und die die einzelnen Schalter 81 ₁–81 _n abhängig von dem Adresssignal ADR ansteuert. Das Funktionsprinzip der Speicherschaltung 6 ist wie folgt. Zu Erläuterungszwecken sein angenommen, dass ein Abtastwert der Messschaltung S2 zu einem Zeitpunkt in der Speicherzelle 6 _i (wobei 6 _i eine beliebige der Speicherzellen bezeichnet), die durch die Adresse ADR(i) zu diesem Zeitpunkt repräsentiert ist, gespeichert werden soll. Die Ansteuerschaltung 82 schließt dann den mit der Speicherzelle 6 _i verknüpften Schalter 81 _i, so dass das kapazitive Speicherelement 6 _i auf eine Spannung aufgeladen wird, die den Signalpegel des Messsignals S2 entspricht.
Bezug nehmend auf 11 umfasst der Multiplexer 9 auch mehrere Schalter 91 ₁–91 _n, wobei jeder dieser Schalter zwischen eines der Speicherelemente 6 ₁–6 _n und einen Ausgang der Speicherschaltung 6 geschaltet ist, wobei der Ausgang an die Ausgangsstufe 10 (in 11 nicht dargestellt) gekoppelt ist. Eine Ansteuerschaltung 92 ist dazu ausgebildet, die einzelnen Schalter 91 ₁–91 _n abhängig von der Ausleseadresse ADR(READ) ein- und auszuschalten. Um den Abtastwert aus dem Speicherelement auszulesen, der durch die Adresse ADR(READ) repräsentiert ist, schließt die Ansteuerschaltung 92 das mit dieser Speicherzelle verknüpfte Schaltelement, um die zugehörige Speicherzelle an die Ausgangsstufe 10 zu koppeln, die den Abtastwert auswertet. Insbesondere wertet die Ausgangsstufe 10 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 einen Spannungspegel einer Spannung über dem zugehörigen kapazitiven Speicherelement aus.
Optional koppelt die Ansteuerschaltung 90 abhängig von der Adresse ADR(READ) zwei oder mehr benachbarte kapazitive Speicherelemente auf einmal an den Ausgang. „Benachbarte Speicherzellen“ sind solche Speicherzellen, die aufeinanderfolgend beschrieben werden. Die elektrische Spannung am Ausgang entspricht dann einen Durchschnitt der Spannungen, die zuvor in diesen kapazitiven Speicherelementen gespeichert wurden.
12 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Abtast- und Speicherschaltung 5. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet nur einen Multiplexer, der dazu verwendet wird, Abtastwerte in der Speicherschaltung 6 zu speichern und Abtastwerte aus der Speicherschaltung 6 auszulesen. In diesem Fall steuert die Steuerschaltung 7 ein erstes Paar von Schaltern 55 ₁, 55 ₂. Ein erster dieser Schalter ist zwischen die Messschaltung (nicht dargestellt) und einen Eingang/Ausgang des Multiplexers 8 gekoppelt, und ein zweiter ist zwischen den Eingang/Ausgang des Multiplexers 8 und den Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 6 geschaltet. Die Steuerschaltung 7 steuert außerdem einen Multiplexer 56, der entweder das Adresssignal ADR oder die Ausleseadresse ADR(READ), die durch die Berechnungseinheit 53 bereitgestellt wird, an den Multiplexer weiterleitet. Wenn das Steuersignal CTRL den Abtast- und Haltepegel aufweist, wird der erste Schalter 55 ₁ aktiviert, der zweite Schalter deaktiviert und der Multiplexer leitet das durch die Adressierungsschaltung 52 bereitgestellte Adresssignal ADR an den Multiplexer 8 weiter. In diesem Fall wird das Messsignal abgetastet und Abtastwerte werden in der Speicherschaltung 6 gespeichert.
Wenn das Steuersignal CTRL den Auslesepegel aufweist, wird der erste Schalter 55 ₁ deaktiviert, der zweite Schalter 55 ₂ wird deaktiviert und der weitere Multiplexer 56 leitet die Ausleseadresse ADR(READ) an den Multiplexer weiter. In diesem Fall wird wenigstens eine Speicherzelle, die durch Ausleseadresse ADR(READ) repräsentiert ist, ausgelesen und der Abtastwert wird an die Ausgangsstufe 10 ausgegeben (in 12 nicht dargestellt).
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Speicherschaltung 6. Die Speicherschaltung 6 gemäß 13 ist eine Modifikation der Speicherschaltung 6 gemäß 11. In der Speicherschaltung 6 gemäß 13 ist der in 11 dargestellte zweite Multiplexer 9 weggelassen.
Es kann Betriebsszenarien des Spannungswandlers geben, bei denen die Ein-Dauern Ton des Schaltelements 16 relativ kurz sind, so dass in jedem Ansteuerzyklus nur eine geringe Energiemenge in dem Transformator gespeichert wird. Folglich wird der Transformator sehr schnell entmagnetisiert. 14 veranschaulicht einen Signalverlauf der Sekundärspannung Vs bzw. der Hilfsspannung V2 in diesem Fall. Bezugnehmend auf 14 beginnt die Hilfsspannung V2 sofort nach dem Ende der parasitären Oszillationen auf null abzusinken. Damit gibt es in diesem Fall keine Zeitdauer, in der die Hilfsspannung V2 im Wesentlichen konstant ist, um ausgewertet zu werden. Um in der Lage zu sein, auch bei diesen Betriebsszenarien ein Ausgangssignal Sout zur Verfügung zu stellen, umfasst die Auswerteschaltung 3 optional einen Spitzenspannungsdetektor, der dazu ausgebildet ist, eine Spitzenspannung der Hilfsspannung V2 bzw. des Messsignals S2 zu detektieren und ein Signal auszugeben, das die Spitzenspannung repräsentiert.
15 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteschaltung 3, die einen solchen Spitzenspannungsdetektor aufweist. Das Ausführungsbeispiel gemäß 15 basiert auf dem Ausführungsbeispiel gemäß 7. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet den Spitzenspannungsdetektor bei diesem Ausführungsbeispiel. Der Spitzenspannungsdetektor 20 erhält das Messsignal S2 und gibt ein Spitzensignal S20 aus, das die Spitzenspannung des Messsignals S2 repräsentiert. Der Spitzenspannungsdetektor 20 kann zu Beginn oder am Ende jedes Ansteuerzyklus zurückgesetzt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erhält der Spitzenspannungsdetektor 20 das Ansteuersignal S16, wobei das Ansteuersignal S16 den Spitzenspannungsdetektor jedes Mal dann zurücksetzt, wenn der Signalpegel des Ansteuersignals S16 von dem Aus-Pegel zum Ein-Pegel wechselt, das heißt, zu Beginn der Ein-Dauer Ton, oder wenn der Signalpegel vom Ein-Pegel auf den Aus-Pegel wechselt, das heißt, zu Beginn der Aus-Dauer. Ein Multiplexer 30 erhält das Ausgangssignal der Abtast- und Speicherschaltung 5 und das Ausgangssignal des Spitzenspannungsdetektors 20 und gibt abhängig von einem weiteren Steuersignal CTRL2 eines dieser Ausgangssignale an die Ausgangsstufe 10 aus. Eine weitere Steuerschaltung 40 erhält ein Ansteuersignal S16 und das Messsignal S2 und berechnet die Zeitdauer zwischen dem Beginn der Aus-Dauer (T1 in 6) und den vierten Zeitpunkt t4, wenn das Messsignal S2 die vordefinierte Schwelle erreicht. Wenn diese Zeitdauer kürzer ist als eine vordefinierte Zeitdauerschwelle, veranlasst das weitere Steuersignal CTRL2 den Multiplexer 30 den Ausgang des Spitzenspannungsdetektors 20 an den Ausgang der Auswerteschaltung 3 zu koppeln, wo das Ausgangssignal Sout zur Verfügung steht. Andernfalls wird die Ausgangsstufe 10, die der Abtast- und Speicherschaltung 5 nachgeschaltet ist, an den Ausgang der Auswerteschaltung 3 gekoppelt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 16 dargestellt ist, wird der Multiplexer 30 durch eine Berechnungseinheit 50 ersetzt, die die gewichtete Summe des Spitzensignals S20 und des Ausgangssignals der Ausgangsstufe berechnet, so dass: Sout = a·S10 + b·S20 (3), wobei a + b = 1 und S10 das Ausgangssignal der Ausgangsstufe 10 ist. Die Gewichtungsfaktoren a, b werden abhängig von der Ausgangsleistung des Spannungswandlers berechnet, wobei das Gewicht des Faktors a zunimmt, wenn die Ausgangsleistung zunimmt. Eine Berechnungseinheit 60 berechnet die Gewichtungsfaktoren a, b abhängig von der Ausgangsleistung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel repräsentiert ein Duty-Cycle des Ansteuersignals S16 die Ausgangsleistung, wobei die Ausgangsleistung zunimmt, wenn der Duty-Cycle zunimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel erhält die Berechnungseinheit 60 das Ansteuersignal S16.
17 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Auswerteschaltung 3. Diese Auswerteschaltung 3 basiert auf der Auswerteschaltung 3 gemäß 5 und unterscheidet sich von der Auswerteschaltung gemäß 3 dadurch, dass anstelle des Speichers 54 eine Berechnungseinheit 55 die Parameter p·q (oder p, wenn q = 1) bereitstellt, die für das Berechnen der Ausleseadresse ADR(READ) aus der Stopp-Adresse ADR(STOP) benötigt werden. Bezug nehmend auf die vorangehende Erläuterung wird p so gewählt, dass der wenigstens eine ausgewertete Abtastwert (der Abtastwert, der zum Auswertezeitpunkt t5 erhalten wird) derjenige ist, der zu dem oder vor dem dritten Zeitpunkt t3 erhalten wird. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 17 ist die Berechnungsschaltung 55 an die Speicherschaltung 6 gekoppelt und ist dazu ausgebildet, den zum dritten Zeitpunkt t3 erhaltenen Abtastwert basierend auf den in der Speicherschaltung 6 gespeicherten Abtastwerten zu bestimmen. Diese Berechnungsschaltung 55 wird durch das Steuersignal CTRL gesteuert und wird aktiviert, wenn das Steuersignal den Auslesepegel aufweist. Wenn die Berechnungsschaltung 55 aktiviert ist, liest sie alle in der Speicherschaltung 6 gespeicherten n Abtastwerte aus und berechnet die zweite Ableitung der von der Speicherschaltung 6 erhaltenen Abtastwertsequenz. Solche Abtastwerte, bei denen die zweite Ableitung der Sequenz null ist, sind Abtastwerte zwischen den zweiten und dritten Zeitpunkten t2, t3 in der Kurve der Hilfsspannung V2 bzw. des Messsignals S2, während die zweite Ableitung solcher Abtastwerte, die zwischen dem dritten Zeitpunkt und dem vierten Zeitpunkt erhalten werden, negativ ist. Damit entspricht der zuletzt gespeicherte Abtastwert in der Sequenz, der ein zweite Ableitung von null besitzt, den zum dritten Zeitpunkt t3 erhaltenen Abtastwert. Basierend auf der Stopp-Adresse ADR(STOP) und der Adresse des zum dritten Zeitpunkt t3 erhaltenen Abtastwerts, berechnet die Berechnungseinheit 55 dann den Parameter p und gibt diesen Parameter p an die Berechnungseinheit 53 aus.
Es sei erwähnt, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einer speziellen Figur erläutert wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in solchen Fällen, in denen dies nicht explizit erwähnt wurde. Außerdem können die Verfahren der Erfindung entweder als reine Software-Realisierungen unter Verwendung der geeigneten Prozessorbefehle oder als Hybrid-Realisierungen, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik nutzen, um dieselben Ergebnisse zu erhalten, erreicht werden.

Claims

Verfahren zum Erfassen einer Ausgangsspannung (Vout) in einem Spannungswandler, der ein Schaltelement (16) und einen Transformator (15) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Abtasten einer Spannung (V2) über einer Hilfswicklung oder eines aus der Spannung (V2) über der Hilfswicklung (2) erhaltenen Signals, um mehrere Abtastwerte zu erhalten, nachdem das Schaltelement (16) einen ersten Betriebszustand angenommen hat und bis die Hilfsspannung (V2) eine vordefinierte Schwelle erreicht, wobei die Hilfswicklung (2) induktiv mit dem Transformator (15) gekoppelt ist; und Auswerten wenigsten eines Abtastwertes, der erhalten wird, bevor die Hilfsspannung (V2) die vordefinierte Schwelle erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Auswerten des wenigstens einen Abtastwertes das Auswerten eines Durchschnitts von mehreren Abtastwerten aufweist, die erhalten werden, bevor die Hilfsspannung (V2) die vordefinierte Schwelle erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die vordefinierte Schwelle im Wesentlichen null ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine Abtastwert eine vordefinierte Zeitdauer bevor die Hilfsspannung (V2) die vordefinierte Schwelle erreicht erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine Abtastwert zwischen 0,2 und 2 µs vor dem Zeitpunkt erhalten wird, zu dem die Hilfsspannung (V2) die vordefinierte Schwelle erreicht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Abtasten das periodische Abtasten der Spannung (V2) über der Hilfswicklung (2) oder des aus der Spannung (V2) über die Hilfswicklung (2) erhaltenen Signals aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Erhalten eines letzten Abtastwertes, wobei der wenigstens eine Abtastwert ein Abtastwert ist, der eine vordefinierte Anzahl von Abtastwerten vor dem letzten Abtastwert erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die vordefinierte Anzahl unter Verwendung einer Sequenz von Abtastwerten berechnet wird, wobei das Berechnen der Anzahl das Berechnen einer zweiten Ableitung der Sequenz umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Abtasten der Hilfsspannung (V2) das Speichern einer Gruppe von Abtastwerten in einer Speicherschaltung (6) aufweist, wobei die Gruppe von Abtastwerten in einem Zeitfenster am Ende der Abtastperiode erhalten wird, bei dem das Auswerten des wenigstens einen Abtastwertes das Erhalten des wenigstens einen Abtastwertes von der Speicherschaltung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Speicherschaltung 6 eine Anzahl von n Speicherzellen (61, 62, 6n) aufweist, wobei jede Speicherzelle (61, 62, 6n) dazu ausgebildet ist, einen Abtastwert zu speichern, und bei dem das Speichern der Gruppe von Abtastwerten das Speichern zeitlich aufeinanderfolgender Abtastwerte in einer vordefinierten Reihenfolge in den Speicherzellen (61, 62, 6n) derart aufweist, dass nachdem n Abtastwerte in der Speicherschaltung (6) gespeichert wurden, jeder zusätzliche Abtastwert in der Speicherzelle gespeichert wird, die momentan den ältesten Abtastwert enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Erhalten des wenigstens einen Abtastwerts aus der Speicherschaltung (6) aufweist: Identifizieren einer Speicherzelle, in welche ein letzter der Gruppe von Abtastwerten geschrieben wurde; und Identifizieren einer Speicherzelle, in welche ein Abtastwert eine vordefinierte Anzahl von Abtastperioden vor dem letzten Abtastwert geschrieben wurde und Erhalten des Abtastwerts aus dieser Speicherzelle.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin aufweist: Erhalten eines Abtastwertes von wenigstens einer weiteren Speicherzelle, die direkt vor oder direkt nach der Identifizierten Speicherzelle beschrieben wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–12, bei dem die Speicherschaltung 6 mehrere kapazitive Speicherelemente aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Detektieren einer Spitze der Hilfsspannung nachdem das Schaltelement (16) den ersten Betriebszustand angenommen hat; und bei dem das Erfassen der Ausgangsspannung (Vout) das Auswerten der Spitzenspannung aufweist, wenn eine Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Schaltelement den ersten Betriebszustand annimmt, und dem Zeitpunkt, zu dem die Hilfsspannung (V2) die vordefinierte Schwelle erreicht, unterhalb einer vordefinierten Zeitschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die vordefinierte Zeitschwelle etwa 1 µs beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Detektieren einer Spitze der Hilfsspannung nachdem das Schaltelement (16) den ersten Betriebszustand angenommen hat, wobei das Erfassen der Ausgangsspannung das Berechnen einer gewichteten Summe der Spitze und des wenigstens einen Abtastwerts aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ein Gewicht des wenigstens einen Abtastwerts zunimmt, wenn die Ausgangsleistung des Spannungswandlers zunimmt.
Spannungswandler, der aufweist: ein Schaltelement (16); einen Transformator (15); eine Hilfswicklung (2), die induktiv mit dem Transformator (15) gekoppelt ist; und eine Erfassungsschaltung (3), die entweder an den Transformator (15) oder die Hilfswicklung gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, mehrere Abtastwerte zu erhalten, nachdem das Schaltelement (16) einen ersten Betriebszustand angenommen hat und bis eine Spannung (V2) über der Hilfswicklung (2) eine vordefinierte Schwelle erreicht, und wenigstens einen Abtastwert auszuwerten, der erhalten wird bevor die Spannung (V2) über der Hilfswicklung (2) die vordefinierte Schwelle erreicht.
Spannungswandler nach Anspruch 18, bei dem die Erfassungsschaltung (3) dazu ausgebildet ist, einen Durchschnitt von mehreren Abtastwerten auszuwerten, die erhalten werden, bevor die Spannung (V2) über die Hilfswicklung (2) die vordefinierte Schwelle erreicht.
Spannungswandler nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die Erfassungsschaltung (3) dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Abtastwert auszuwerten, der eine vordefinierte Zeitdauer erhalten wird bevor die Spannung (V2) über die Hilfswicklung (2) die vordefinierte Schwelle erreicht.
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 18–20, bei dem die Erfassungsschaltung (3) dazu ausgebildet ist, die Spannung (V2) über der Hilfswicklung (2) oder ein aus der Spannung (V2) über der Hilfswicklung (2) erhaltenes Signal periodisch abzutasten.
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 18–21, bei dem die Erfassungsschaltung (3) dazu ausgebildet ist, einen letzten Abtastwert zu erhalten und wenigstens einen Abtastwert auszuwerten, der eine vordefinierte Anzahl von Abtastwerten vor dem letzten Abtastwert erhalten wird.
Spannungswandler nach Anspruch 22, bei dem die Erfassungsschaltung (3) dazu ausgebildet ist, die vordefinierte Anzahl unter Verwendung einer Sequenz von Abtastwerten zu berechnen, wobei das Berechnen der Anzahl das Berechnen einer zweiten Ableitung der Sequenz aufweist.
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 18–23, bei dem die Erfassungsschaltung (23) außerdem eine Speicherschaltung (6) aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine Gruppe von Abtastwerten zu speichern, die innerhalb eines Zeitfensters am Ende der Abtastperiode erhalten werden, und außerdem dazu ausgebildet, wenigstens einen in der Speicherschaltung (6) gespeicherten Abtastwert auszuwerten.