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Hintergrund
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Querverweis auf verwandte Patentanmeldungen
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Diese Anmeldung betrifft und beansprucht den Nutzen der Priorität, unter 35 U.S.C. §119(e), der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer
63/057,825 , mit dem Titel „Systems and Methods for Fault Detection and Reporting Through Serial Interface Transceivers“, eingereicht am 28. Juli 2020, die als Erfinder Suresh Hariharan, Ron Vincent Ocampo und Ramesh Selvaraj auflistet. Jede in diesem Patentdokument erwähnte Bezugnahme wird hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit und für alle Zwecke aufgenommen.
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A. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Systeme und -verfahren zu Einschwingverhaltensverbesserungen in elektrischen Schaltkreisen. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung Systeme und -verfahren zum Unterdrücken von Überschwingungsströmen und Überschwingungsdauern in Schaltkreisen unter Verwendung von Schaltreglern, wie etwa Treiberschaltkreisen für LED-Anwendungen.
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B. Hintergrund
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Da Scheinwerferhersteller dazu übergehen, Einzelkette-Fernlicht-Abblendlicht- und Mehrfachkettenkonfigurationen zu kombinieren, stehen sie Problemen gegenüber, die daraus resultieren, dass Leistungswandler vom Treiben einer relativ großen Anzahl an aktiven LEDs zu einer relativ kleineren Anzahl an LEDs übergehen. Bei diesen Arten von Beleuchtungsanwendungen bewirken solche Übergange allgemein, in Abhängigkeit von dem Betrag einer Änderung der Lastbedingungen, dass die Spannung an dem Ausgangskondensator des Leistungswandlers, wie etwa jene, die in einem H-Brücke-Abwärts-Aufwärts-Leuchtdiode(LED)-Treiber zu finden sind, die zum Ansteuern der neuen LED-Konfiguration erforderlichen Spannung überschreiten. Dies erzeugt wiederum ein relativ großes Überschwingen des LED-Stroms, der Amplituden und Dauern aufweisen kann, die in gewissen Fällen einen permanenten physischen Schaden an den LEDs bewirken können.
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Bestehende Ansätze zum Reduzieren von Stromüberschwingen nutzen Verfahren, die eine Überwachung der Ausgangskondensatorspannung oder ähnliches und Warten, dass sich der Kondensator, z. B. von 40 V auf 18 V, durch den Reglerschaltkreis entlädt, bevor eine reduzierte Anzahl an aktiven LEDs in der gleichen oder einer andere LED-Kette betrieben wird, einschließen. Jedoch beeinflusst die durch die Warteperiode verursachte Zeitverzögerung den Tastgrad negativ und verursacht unerwünschte Verluste der LED-Helligkeit, wodurch es erforderlich wird, dass der programmierte LED-Strom erhöht wird, um solche Verluste zu kompensieren. Manche Ansätze nutzen einen Mikrocontroller, der über eine Rückkopplungsschleife mit einem Abwärts-Aufwärts-Wandler kommuniziert, um eine Zielspannung zu überwachen, auf die sich der Ausgangskondensator entladen muss. Um jedoch Variationen in dem Gesamtschaltkreis zu berücksichtigen, die auftreten können, sobald die Rückkopplungsschleife die Steuerung des LED-Stroms übernimmt, erfordern solche Ansätze eine zusätzliche Feinabstimmung, um ungewollten Oszillationen in dem Schaltkreis entgegenzuwirken und die gewünschte Zielspannung direkt zu programmieren. Dies erhöht die Komplexität unnötigerweise und beschränkt eine Schaltkreisoperation auf einen Satz vorprogrammierter Zustände, die durch den Mikrocontroller vorgegeben werden.
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Entsprechend werden Systeme und -verfahren benötigt, die eine sichere und rasche Entladung des Ausgangskondensators ermöglichen, wenn eine Änderung des Lastzustands auftritt, um sowohl den Betrag als auch die Dauer von Überschwingungsströmen und ähnliche Transienteneffekte zu reduzieren oder zu unterdrücken.
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Die vorliegende Erfindung löst die obige Aufgabe und stellt ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung einer Treiberschaltung für Leuchtdioden (LED) und eine entsprechende Treiberschaltung zur Steuerung eines Laststroms gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der jeweiligen abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
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Figurenliste
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Es werden Bezüge auf Ausführungsformen der Erfindung vorgenommen, deren Beispiele möglicherweise in den begleitenden Figuren veranschaulicht werden. Diese Figuren sollen veranschaulichend und nicht beschränkend sein. Obwohl die Erfindung allgemein im Zusammenhang dieser Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass nicht beabsichtigt wird, den Schutzumfang der Erfindung auf diese bestimmten Ausführungsformen zu beschränken. Elemente in den Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
- 1 ist ein partielles Schaubild, das einen LED-Treiberschaltkreis veranschaulicht, der Transientenunterdrückungssysteme und -verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nutzt.
- 2 veranschaulicht ein Einschwingverhalten in üblichen LED-Treiberschaltkreisen.
- 3 ist ein partielles Schaubild, das einen LED-Treibersteuerschaltkreis zum Unterdrücken ungewollter Transienten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
- 4 veranschaulicht den Effekt einer Transientenaufhebung bei Anwendung auf einen LED-Treiberschaltkreis gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
- 5 stellt beispielhafte Konfigurationen zum Betreiben einer LED-Kette unter Nutzung von Transientenunterdrückungssysteme und - verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar.
- 6 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses zum Unterdrücken unerwünschter Transienten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
- 7 ist ein Flussdiagramm eines alternativen Prozesses zum Unterdrücken unerwünschter Transienten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
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In der folgenden Beschreibung werden spezielle Einzelheiten zur Erläuterung dargelegt, um ein Verständnis der Erfindung bereitzustellen. Für einen Fachmann versteht es sich jedoch, dass die Erfindung ohne diese Einzelheiten umgesetzt werden kann. Des Weiteren wird ein Fachmann erkennen, dass im Folgenden beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf vielfältige Weisen implementiert werden können, wie etwa als ein Prozess, eine Einrichtung, ein System, eine Vorrichtung oder ein Verfahren auf einem materiellen computerlesbaren Medium.
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In Diagrammen gezeigte Komponenten oder Module sind veranschaulichend für Ausführungsbeispiele der Erfindung und sollen die Erfindung nicht undeutlich machen. Es versteht sich auch, dass durch diese Erörterung hinweg Komponenten als separate Funktionseinheiten beschrieben werden können, die Untereinheiten umfassen können, wobei ein Fachmann jedoch erkennen wird, dass verschiedene Komponenten oder Teile davon in separate Komponenten unterteilt sein können oder zusammen integriert sein können, einschließlich innerhalb eines einzigen Systems oder einer einzigen Komponente integriert. Es sei angemerkt, dass hier besprochene Funktionen oder Operationen als Komponenten implementiert werden können. Komponenten können in Software, Hardware oder einer Kombination davon implementiert werden.
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Des Weiteren sollen Verbindungen zwischen Komponenten oder Systemen innerhalb der Figuren nicht auf direkte Verbindungen beschränkt sein. Vielmehr können Daten zwischen diesen Komponenten durch dazwischenliegende Komponenten modifiziert, umformatiert oder anderweitig geändert werden. Außerdem können zusätzliche oder weniger Verbindungen verwendet werden. Es soll auch angemerkt werden, dass die Ausdrücke „gekoppelt“, „verbunden“ oder „kommunikativ gekoppelt“ so verstanden werden sollen, dass sie direkte Verbindungen, indirekte Verbindungen über eine oder mehrere dazwischenliegende Vorrichtungen und drahtlose Verbindungen einschließen.
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Bezüge in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform“, „bevorzugte Ausführungsform“ oder „Ausführungsformen“ bedeuten, dass eine spezielles Merkmal, eine spezielle Struktur, eine spezielle Charakteristik oder eine spezielle Funktion, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist und in mehr als einer Ausführungsform vorhanden sein kann. Außerdem bezieht sich jedes Auftreten der oben angemerkten Formulierungen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform oder dieselben Ausführungsformen.
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Die Verwendung gewisser Ausdrücke an verschiedenen Stellen in der Beschreibung dient der Veranschaulichung und sollte nicht als beschränkend ausgelegt werden. Ein Dienst, eine Funktion oder eine Ressource ist nicht auf einen einzigen Dienst, eine einzige Funktion oder eine einzige Ressource beschränkt; die Verwendung dieser Ausdrücke kann sich auf eine Gruppierung in Beziehung stehender Dienste, Funktionen oder Ressourcen beziehen, die verteilt oder aggregiert sein können.
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Die Ausdrücke „beinhalten“, „einschließlich“, „umfassen“ und „umfassend“ sollen so verstanden werden, dass sie offene Ausdrücke sind und beliebige folgende Listen Beispiele sind und nicht auf die aufgelisteten Gegenstände beschränkt sein sollen. Beliebige vorliegend verwendete Überschriften dienen lediglich organisatorischen Zwecken und sollen nicht den Schutzumfang der Beschreibung oder der Ansprüche beschränken. Jede in diesem Patentdokument erwähnte Bezugnahme wird hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
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Es ist anzumerken, dass hier beschriebene Ausführungsformen in dem Zusammenhang von LED-Treiberschaltkreisen besprochen werden, aber ein Fachmann sollte erkennen, dass die Lehren der vorliegenden Offenbarung auf keinerlei speziellen Treiberschaltkreis, Spannungs- oder Stromregler oder LED-Anwendungen beschränkt sind und gleichermaßen in anderen Zusammenhängen verwendet werden können.
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In diesem Dokument werden die Ausdrücke „Helligkeit“ und „Leuchtdichte“ austauschbar verwendet und verweisen auf ein Maß einer wahrgenommenen Oberflächenhelligkeit, wie in cd/m2 messbar. Gleichermaßen werden die Ausdrücke „Regler“ und „Wandler“ und die Ausdrücke „LED-Kette“ und „LED-Array“ austauschbar verwendet. „Steuerschaltkreis“ umfasst Mikrocontroller, Logikelemente und beliebige andere Steuerelemente, die durch einen Fachmann erkannt werden.
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1 ist ein partielles Schaubild, das einen LED-Treiberschaltkreis veranschaulicht, der Transientenunterdrückungssysteme und -verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nutzt. Der LED-Treiberschaltkreis 100 in 1 umfasst eine Leistungsquelle 102, einen Stromregler 140, einen Verstärkerschaltkreis 110, LED-Ketten 106 und 108, die jeweilige Schalter 120 und 130 umfassen, Widerstände 118, 152 und einen Ausgangskondensator 114. Es wird angemerkt, dass der Klarheit halber gewisse Hilfsschaltkreiselemente in 1 nicht gezeigt oder nur teilweise gezeigt sind, wie etwa ein Steuerschaltkreis, der den Stromregler 140 und die Schalter, z. B. 120, 124, steuert. Es versteht sich für einen Fachmann, dass eine beliebige Anzahl an verschiedenen oder zusätzlichen Schaltkreiselementen verwendet werden können, um Signale zum Steuern einer oder mehrerer Schaltkreiskomponenten, wie etwa Ladungspumpen, Wandler, Mikrosteuerungen usw., zu erzeugen und zu verarbeiten.
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Wie in 1 dargestellt, ist die Leistungsquelle 102 als eine Batterie implementiert und ist der Stromregler 140 als ein H-Brücke-Abwärts-Aufwärts-Wandler implementiert, der eine Induktivität 150, einen Erfassungswiderstand 152 und n-Typ-MOSFETs 142-148 umfasst. Jedoch ist dies nicht als eine Beschränkung des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung beabsichtigt, da ein beliebiger Typ von Regler oder Steuerschaltkreis verwendet werden kann. Obwohl Schalter als MOSFET-Vorrichtungen gezeigt sind, versteht es sich außerdem, dass ein beliebiger anderer Typ von Schalter (z. B. BJTs) verwendet werden kann, um die Ziele der vorliegenden Offenbarung zu erreichen.
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Bei Ausführungsformen umfasst die LED-Kette 106 ein Array aus LEDs (z. B. 122), die durch Schalter (z. B. 124) einzeln oder in Gruppen aktiviert und deaktiviert werden können, um die Anzahl an LEDs in einer Kette (z. B. 106) zu steuern, die zu einer beliebigen gegebenen Zeit eingeschaltet sind. Bei Ausführungsformen kann die Kette 106 z. B. zum Betreiben eines Nacht-, Umriss- oder Parklichts verwendet werden und kann die Kette 108 zum Betreiben eines Tagfahrlichts in einer Automobilanwendung verwendet werden. Der Verstärkerschaltkreis 110 kann als ein Hochgeschwindigkeitsschaltkreis implementiert werden, der den Laststrom überwacht, der durch die LED-Ketten 106, 108 fließt, z. B. durch Detektieren einer Spannung oder eines Stroms in dem Widerstand 118.
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Im Betrieb kann der LED-Treiber als eine Stromquelle wirken, die einen High-Side-Stromerfassungswiderstand 118 verwendet, der in Reihe mit der Kette 106, 108 platziert ist, um einen durch die LED-kette 106, 108 fließenden Laststrom direkt oder indirekt zu überwachen, z. B. durch Detektieren einer Spannung oder eines Stroms in dem Widerstand 118. Die Laststrominformationen können z. B. in der Form einer Ausgangsspannung des Verstärkerschaltkreises 110 zurückgeführt werden. Bei Ausführungsformen können die Laststrominformationen als ein Rückkopplungssignal an einen (in 1 nicht gezeigten) Fehlerverstärker geliefert und durch einen Steuerschaltkreis verwendet werden, um einen Stromregler 140 zum Erzeugen eines im Wesentlichen konstanten Ausgangsstroms anzupassen. Wie es sich für einen Fachmann versteht, kann der Stromregler 140 das Rückkopplungssignal verwenden, um den Laststrom z. B. durch Variieren eines Tastgrades von Schaltern 142-148 zu steuern.
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Da die Helligkeit einer LED bekanntermaßen im Wesentlichen proportional zu dem durchschnittlichen durch sie fließenden Strom ist, kann im Allgemeinen ein Umgehungsschalter 121 zum kontinuierlichen Ein- oder Ausschalten gesteuert oder programmiert werden, um zu bewirken, dass die LEDs 122-123 eine gewünschte Helligkeit haben. Bei Ausführungsformen kann ein Steuerschaltkreis den Kettenstrom unter Verwendung eines beliebigen bekannten Pulsbreitenmodulation(PWM: Pulse Width Modulation)-Verfahrens angepasst werden, z. B. durch Variieren eines Tastgrads des Schalters 121, durch kontinuierliches Ein- und Ausschalten von diesem. Zum Beispiel kann der Schalter 121 so gesteuert werden, dass er 80 % der Zeit einschaltet, wodurch bewirkt wird, dass LEDs in der Kette 106 den Laststrom für 20 % der Zeit empfangen, z. B. mit einer festen Schaltfrequenz von 200 Hz. Es versteht sich, dass der Schalter 121 bei Ausführungsformen LEDs 122-123 nebenschließen kann, um sie gänzlich zu umgehen.
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In Szenarien, in denen ein H-Brücke-Abwärts-Aufwärts-LED-Treiberschaltkreis 100 von dem Ansteuern der Kette 106, die eine relativ größere Anzahl an LEDs als die Kette 108 aufweist, zum Ansteuern der Kette 108 schaltet, wird die Spannung, auf die der Ausgangskondensator 114 zum Ansteuern der Kette 106 geladen wurde, diejenige überschreiten, die zum Betreiben der Kette 108 erforderlich ist. Wie zuvor erwähnt, bewirken Übergänge, die relativ große Änderungen der Lastbedingungen involvieren, bei bestehenden Gestaltungen typischerweise unerwünschte transiente Effekte, wie etwa ein Überschwingen des LED-Stroms, wie in 2 veranschaulicht ist.
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Wie in 2 veranschaulicht, steigt ein LED-Strom 206, sobald eine LED-Spannung 204 infolge des Übergangs von etwa 24 V auf 18 V abzufallen beginnt, von etwa 1 A auf über 4 A an, bevor er seinen stationären Zustand erreicht. Daher wird bei verschiedenen Ausführungsformen hierin ein LED-Treibersteuerschaltkreis, wie etwa jener in 3 gezeigte, verwendet, um solche transienten Effekte zu unterdrücken oder aufzuheben, wie als Nächstes besprochen wird.
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3 ist ein partielles Schaubild, das einen LED-Treibersteuerschaltkreis zum Unterdrücken ungewollter Transienten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Gleiche Ziffern wie in 1 bezeichnen ähnliche Elemente. Ein Steuerschaltkreis 300 umfasst einen Eingang 310 (in 3 als „Shunt“-Eingang bezeichnet), einen Prioritätsschalter 304, einen Fehlerverstärker 306, einen Entladungsschalter 307, Kompensationsnetze 312, 314 und einen Modusauswahlschaltkreis 316, der einen Komparator 318 und einen PMOS-Gate-Treiber 330 umfassen kann. Es wird angemerkt, dass, obwohl nur zwei Kompensationsnetze 312, 314 in 3 dargestellt sind, dies nicht als eine Beschränkung beabsichtigt ist, da eine beliebige Anzahl an Kompensationsnetzen verwendet werden kann, um eine beliebige Anzahl an Umgehungsschaltern zu steuern.
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Im Betrieb kann der Prioritätsschalter 304 verwendet werden, um auszuwählen, welches der Kompensationsnetze 312, 314 verwendet werden wird, um den Stromreglerschaltkreis zu steuern, der die Ketten 106, 108 ansteuert. Bei Ausführungsformen kann der Prioritätsschalter 304 seinen Zustand in Abhängigkeit von dem Eingangssignal 310 ändern, das extern bereitgestellt werden kann, z. B. als Reaktion auf eine Benutzerauswahl. Gleichermaßen kann das Signal 310 ein von einem Benutzer bereitgestelltes Signal sein, das zum Beispiel bewirkt, dass eine Anzahl an LEDs reduziert wird. Infolgedessen kann der Zustand des Schalters 121 bestimmen, ob das Kompensationsnetz 312 oder das Kompensationsnetz 314 aktiv sein wird. Wie in 3 dargestellt, können die Kompensationsnetze 312, 314 innerhalb einer (nicht gezeigten) Steuerschleife gesteuert und als RC-Netze implementiert werden, wovon die Schaltkreisstabilität vorteilhafterweise profitiert. Bei Ausführungsformen kann der Eingang 310 mit einem Signal kombiniert werden, das den Prioritätsschalter 304 zum Verbessern des Einschwingverhaltens des Schaltkreises steuert. Bei Ausführungsformen können die Kompensationsnetze 312, 314 gemultiplext werden, z. B. in Szenarien, wenn der Eingang 310 auf High ist.
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Spezielle Überlegungen können in Szenarien zutreffen, in denen die Kette 106 zu einer geringeren Anzahl an LEDs übergeht, aber der Prioritätsschalter 304 fehlt. Wie unter Bezugnahme auf 5 ausführlicher besprochen, kann, um zu verhindern, dass der LED-Strom beim Übergang zu einer geringen Anzahl an LEDs instabil wird, bei manchen Ausführungsformen eine zusätzliche Logik verwendet werden, um zwei oder mehr aufeinanderfolgende Überschwingereignisse oder Ausgangskondensatorentladungsereignisse zu bestimmen und als Reaktion darauf einen Kompensationskondensator (z. B. 320) in einem aktiven Kompensationsnetz (z. B. 312) über den Entladungsschalter 307 zu entladen, um unerwünschte Oszillationen zu reduzieren oder zu beseitigen.
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Auf eine zu 1 ähnliche Weise kann eine typische Last eine beliebige Anzahl an LED-Arrays mit unterschiedlichen Anzahlen an LEDs umfassen, die verschiedene Lastimpedanzen für den Stromregler 140 darstellen. Wie zuvor erwähnt, kann, wenn der LED-Treiberschaltkreis 100 einen Betrieb von der Kette 106 zu der Kette 108 schaltet und umgekehrt, dies transiente Effekte hervorrufen. Gleichermaßen kann das Ein- und Ausschalten eines Umgehungsschalters (z. B. 124) transiente Effekte bewirken. Bei Ausführungsformen können solche transienten Effekte durch einen Hochgeschwindigkeitsverstärkerschaltkreis 110 detektiert werden, der den LED-Strom über den Widerstand 118 überwacht, um z. B. einen Überschwingstrom zu bestimmen.
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Bei Ausführungsformen kann der Steuerschaltkreis 300 als Reaktion auf das Detektieren eines solchen Stromüberschwingens anstelle des Betreibens des PMOS-Dimm-FET 120, 130 in 3 in einem „vollständig eingeschalteten“ Modus den Modusauswahlschaltkreis 316 zum Steuern des FET 120 auf eine solche Weise verwenden, dass er in einem Linearregelmodus arbeitet, z. B. zum Steuern des Stroms, der durch den FET 120 fließt, in einem Triodengebiet. Bei Ausführungsformen kann, sobald ein Überschwingereignis im Wesentlichen vorüber ist, z. B. gemäß einer Schwelle an einem Komparator, die indikativ dafür ist, dass ein LED-Strom an dem Komparator auf unterhalb einer vorbestimmten Spannung abfällt, der Stromregler mit dem Regeln eines programmierten Stroms fortfahren, z. B. durch Deaktivieren eines Linearmodus in dem Modusauswahlschaltkreis 316. Auf diese Weise kann die Anzahl an LEDs (z. B. 124) in einer Kette geändert werden und/oder können die Ketten 106, 108 „spontan“ geändert werden, ohne dass ein manueller Synchronisierungsaufwand und dergleichen erforderlich ist. Es versteht sich, dass eine beliebige Anzahl an Ketten 106, 108 auf eine zeitlich teilende Weise arbeiten kann. Zum Beispiel kann die Kette 106 mit einem Tastgrad von 10 % arbeiten, während die Kette 108 gleichzeitig mit einem Tastgrad von 90 % arbeiten kann.
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Im Einzelnen kann der Steuerschaltkreis 300 bei Ausführungsformen das Kompensationsnetz 314 nutzen, z. B. als ein dediziertes Kompensationsnetz zum Steuern des Tastgrads des Stromreglers, wenn der Schalter 121 eingeschaltet ist. Eine (nicht gezeigte) Rückkopplungsschleife kann verwendet werden, um eine Kompensationskondensatorspannung für Kompensationskondensatoren 320, 322 zu bestimmen, z. B. während eines ersten Dimmzyklus des Kompensationsnetzes 312, oder wenn eine Anzahl an LEDs in der Kette 106 auf eine solche Weise reduziert wird, die die Aktivierung des Schalters 307 bewirkt. Es wird angemerkt, dass die Kondensatoren 320, 322 in dem Kompensationsnetz 312 gleich sein können und die gleiche Spannung tragen können, die sich aufgrund dessen, dass sie zum Ansteuern verschiedener Impedanzen gestaltet ist, von einer Spannung an den Kondensatoren 326, 328 in dem Kompensationsnetz 314 unterscheiden kann.
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Bei Ausführungsformen ermöglicht das Nutzen von mehr als einem Kompensationsnetz 312, 314 und Schalten von einem aktiven Kompensationsnetz zu einem anderen, z. B. von 312 zu 314, dass der Steuerschaltkreis 300 eines der Kompensationsnetze 312, 314 zu einer gegebenen Zeit verwendet, um den Speicherzustand des Steuerschleifenregelpunktes für die letzte aktive LED-Konfiguration zu halten, die mit diesem speziellen Kompensationsnetz konfiguriert ist. Es wird angemerkt, dass das Speichern einer Steuerkondensatorspannung in einem Kompensationsnetz voraussetzt, dass eine anschließende Verwendung des Kompensationsnetzes Ansteuern der gleichen Last, d. h. der Anzahl an LEDs in einer gegebenen Kette, wie in dem vorherigen Zustand involviert. Im Gegensatz zu üblichen Kompensationsnetzen, beseitigt das Verwenden eines zusätzlichen Kompensationsschaltkreises zum Speichern des Speicherzustands vorteilhafterweise die Notwendigkeit, einen Kompensationskondensator (z. B. 322) aktiv zu entladen, und reduziert die Komplexität in vielen Szenarien, während gleichzeitig eine Transientenleistungsfähigkeit verbessert wird. Es versteht sich für einen Fachmann, dass die Kompensationsnetze 312, 314 vorteilhaft in Anwendungen verwendet werden können, bei denen ein oder mehrere Teile einer aktiven Kette (z. B. 106) zeitweise kurzgeschlossen oder gedimmt werden.
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Bei Ausführungsformen kann zum Beschränken des LED-Stroms und dementsprechend des unerwünschten Überschwingens der Modusauswahlschaltkreis 316 verwendet werden, um den Schalter 120 in einem Linearreglermodus zum Regeln des LED-Stroms auf einen Wert zu betreiben, der z. B. 20 % - 40 % höher als ein Ursprungspunkt des gewünschten LED-Stroms sein kann, der durch den Komparator 318 bestimmt wird. Dies verhindert vorteilhafterweise, dass transiente Effekte, die durch die Hauptsteuerschleife verursacht werden können, z. B. einen Überstrom von 5 % - 10 %, den Linearreglermodus stören (und unbeabsichtigt auslösen).
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Bei Ausführungsformen kann zusätzlich zu dem Betreiben des Schalters 120 in dem Linearreglermodus zum Beschränken des LED-Stroms der (in 1 gezeigte) Ausgangskondensator 114 entladen werden, um die gespeicherte Energie und/oder Fluktuationen der Spannung des Ausgangskondensators 114 zu reduzieren. Vorteilhafterweise hilft das Entladen des Ausgangskondensators 114 beim Reduzieren der Zeit zum Betreiben des Schalters 120 im Linearreglermodus. Bei Ausführungsformen kann das Entladen durch Verwenden einer Steuerschleife zum Regeln der Schalter 142-148 in einer H-Brücke 140 zum Einschalten der Schalter 144 und 148 erreicht werden, um den Ausgangskondensator 114 zu entladen und eine Menge an Energie proportional zu der Entladung zurück an die Batterie 102 zu liefern, wie durch einen in 4 gezeigten negativen Induktivitätsstrom 404 angegeben ist.
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Bei Ausführungsformen kann ein Induktivitätsstrom, der durch z. B. den Schalter 144 fließt, durch einen Erfassungsschaltkreis erfasst werden, der den Stromerfassungswiderstand 152 umfassen kann. Der Induktivitätsstrom kann verwendet werden, um zu bestimmen, wann die Schalter 142-148 zum Entladen des Ausgangskondensators 114 ein- und auszuschalten sind, um Energie an die Batterie 102 zurückzuliefern, wodurch die Induktivität 150 geladen und entladen wird. Zum Beispiel können zum Bestimmen, wann die Schalter 144 und 148 auszuschalten sind und die Schalter 142 und 146 auszuschalten sind und umgekehrt, zwei Induktivitätsstromschwellen, z. B. -5 A und -4 A (wie in 4 gezeigt) verwendet werden, um den Rückwärtsstrom auf Werte zu beschränken, die die Induktivität 150 von einer Sättigung abhalten. Bei Ausführungsformen kann, sobald der LED-Strom durch den Widerstand 118 ausreichend reduziert wurde, wie durch den Verstärkerschaltkreis 110 angegeben werden kann, die Entladung gestoppt werden und kann die Reglersteuerschleife die Kontrolle des LED-Stroms übernehmen.
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Der in 3 veranschaulichte LED-Treibersteuerschaltkreis ist nicht auf das dort gezeigte oder in dem begleitenden Text beschriebene Konstruktionsdetail beschränkt. Wie in 1, versteht es sich für einen Fachmann, dass eine beliebige Anzahl an verschiedenen oder zusätzlichen Schaltkreiselementen verwendet werden kann, um Signale zum Steuern einer oder mehrerer Schaltkreiskomponenten, wie etwa Ladungspumpen, Wandler, Mikrosteuerungen usw., zu erzeugen und zu verarbeiten. Ein Fachmann wird ferner verstehen, dass Kondensatoren als Bänke aus parallelen variablen Kondensatoren implementiert werden können, die zum Beispiel durch eine Steuerlogik auf vorbestimmte Kapazitätswerte angepasst werden können.
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4 veranschaulicht den Effekt einer Transientenaufhebung bei Anwendung auf einen LED-Treiberschaltkreis gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Dargestellt sind ein wiederholender Induktivitätsstrom 402 und LED-Strom 206 für einen gemeinsamen LED-Treiber-Schaltkreis und der Induktivitätsstrom 404 und LED-Strom 406 für einen LED-Treiberschaltkreis gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Obwohl z. B. als Reaktion auf einen Übergang von einer relativ hohen Anzahl an LEDs zu einer niedrigeren Anzahl an LEDs der LED-Strom 206 in einem gemeinsamen LED-Treiberschaltkreis von etwa 1A auf oberhalb von 4A ansteigt, wird der LED-Strom 406 anschließend an einen solchen Übergang auf etwa 1,4 A 408 geklemmt. Außerdem überschreitet die Einschwingzeit für den gemeinsamen LED-Treiberschaltkreis jene der neuartigen LED-Treibergestaltung stark, die die hier beschriebenen Entladungs- und Stromklemmverfahren nutzt. Manche Ausführungsformen reduzieren die Dauer eines Stromüberschwingens von etwa 50 µs auf weniger als 10 IJs. Mit anderen Worten wird die Zeit zum Erreichen eines stationären Zustands erheblich reduziert. Wie in 4 dargestellt, bewirkt eine Entladung des Ausgangskondensators gemäß verschiedenen Ausführungsformen, dass der Induktivitätsstrom 404 in dem Stromregler umgekehrt wird und zurück in die Batterie fließt, um sie zu laden. Bei Ausführungsformen kann das Umschalten zwischen zwei Sätzen von Schaltern in dem Stromregler bewirken, dass der Induktivitätsstrom zwischen zwei Schwellen, hier -5 A und -4 A, umschaltet 412, um z. B. zu beschränken, dass der Rückwärtsstrom die Induktivität in dem Stromregler sättigt.
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Es ist anzumerken, dass die Experimente und Ergebnisse hierin als Veranschaulichung bereitgestellt werden und unter speziellen Bedingungen unter Verwendung einer speziellen Ausführungsform oder spezieller Ausführungsformen durchgeführt wurden. Entsprechend sollen weder diese Experimente noch ihre Ergebnisse verwendet werden, um den Schutzumfang der Offenbarung des vorliegenden Patentdokuments zu beschränken.
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5 stellt beispielhafte Konfigurationen zum Betreiben einer LED-Kette unter Nutzung von Transientenunterdrückungssystemen und -verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Dargestellt sind verschiedene Änderungen an Kettenkonfigurationen mit der Zeit, die jeweils mit einer anderen Lastimpedanz assoziiert sein können, in Abhängigkeit von der Konfiguration der LEDs. Wie zuvor unter Bezugnahme auf 1 erwähnt, kann bei Automobilanwendungen eine Kette LEDs umfassen, die zum Beispiel eine Fernlichtbeleuchtung und eine Abblendlichtbeleuchtung für Fahren in der Nacht betreiben können. Bei Ausführungsformen kann dies durch Aktivieren und Deaktivieren eines Umgehungsschalters (z. B. 124) erreicht werden, der sich an verschiedenen Stellen entlang eines Arrays aus LEDs befindet.
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Bei Ausführungsformen bestimmt der Umgehungsschalter 121, der durch ein externes Signal gesteuert wird, das auch den Prioritätsschalter 304 steuert, ob das Kompensationsnetz 1 oder 2 (z. B. jeweilige Kompensationsnetze 312 und 314 in 3) aktiviert wird. Sobald zum Beispiel der Schalter 121 in LED-Konfiguration A, die das Kompensationsnetz 1 verwendet (in 3 als Ziffer 312 bezeichnet) einschaltet, um die oberen zwei LEDs zu umgehen, nimmt der Schaltkreis die LED-Konfiguration B und geht zur Verwendung des Kompensationsnetzes 2 über (in 3 als Ziffer 314 bezeichnet), um eine reduzierte Anzahl an aktiven LEDs in der Kette zu berücksichtigen, während ein Kompensationskondensatorkompensationsnetz 1 seine Ladung beibehalten kann, wodurch sein Steuerspannungswert für eine zukünftige Verwendung gespeichert wird. Bei Ausführungsformen bewirkt eine weitere Reduzierung der Anzahl an LEDs durch Aktivieren des Transistors 125 in 5 nicht, dass die LED-Konfiguration C einen Übergang von dem Kompensationsnetz 2 weg durchführt. In Konfiguration D, in der die Anzahl an LEDs durch Ausschalten des Schalters 121 wieder erhöht wird, geht der Schaltkreis von dem Kompensationsnetz 2 zurück zu dem Kompensationsnetz 1 über.
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Es wird angemerkt, dass der Steuerspannungswert, der für das Kompensationsnetz 1 in Konfiguration A gespeichert wurde, in der alle LEDs aktiv waren, für Konfiguration D, in der weniger als alle LEDs aktiv sind, zu hoch sein kann. Infolgedessen kann, selbst wenn die LED-Konfigurationen A und D möglicherweise dasselbe Kompensationsnetz 1 verwenden, der Steuerspannungswert, der für das Kompensationsnetz 1 in Konfiguration A gespeichert wurde, zum Betreiben der LEDs in Konfiguration D zu hoch sein. Daher kann bei Ausführungsformen die Spannung an einem Kompensationspin in dem Kompensationsnetz 1 reduziert werden, z. B. durch Entladen von Kompensationskondensatoren durch den Schalter 307.
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Auf diese Weise wird, in Kombination mit Systemen und Verfahren zum Unterdrücken ungewollter Transienten, die unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben sind, ein Übergang von der LED-Konfiguration A zu der LED-Konfiguration D, die in 5 gezeigt ist, das Problem von Wartezeiten abschwächen, die durch Überschwingzustände aufgezwungen werden, wenn Einzel- oder Mehrfachketten-LED-Arrays in Automobilanwendungen und anderen Anwendungen betrieben werden.
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6 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses zum Unterdrücken unerwünschter Transienten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Prozess 600 zum Unterdrücken ungewollter Transienten beginnt bei Schritt 602, wenn ein Komparator, der mit einem Stromregler gekoppelt sein kann, zum Überwachen eines Laststroms verwendet wird, um einen Überschwingzustand, wie etwa einen Überstromzustand, zu detektieren.
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In Schritt 604 kann ein Schalter, z. B. ein p-Typ-MOSFET, in einem Linearmodus betrieben werden, so dass ein Laststrom in einem Array aus LEDs nicht beschränkt wird.
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In Schritt 606 kann als Reaktion auf das Erfassen des Laststroms der Stromregler zum Umkehren eines Induktivitätsstroms in dem Stromregler gesteuert werden, so dass der Induktivitätsstrom bewirkt, dass sich ein Ausgangskondensator, der mit dem Komparator gekoppelt ist, entlädt. Bei Ausführungsformen umfasst das Entladen des Ausgangskondensators Verwenden einer Steuerschleife, die Schalter in dem Stromregler auf eine solche Weise ein- und ausschaltet, dass Ladung von dem Ausgangskondensator zu einer Quelle bewegt wird. Bei Ausführungsformen kann der Induktivitätsstrom eine Stromreglerinduktivität z. B. gemäß einem Schaltmuster laden und entladen, welches basierend auf einem erfassten Induktivitätsstrom gesteuert werden kann.
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Schließlich kann in Schritt 608 der Schalter z. B. als Reaktion auf das Detektieren einer Abwesenheit des Überschwingzustands in einem regulären Modus betrieben werden und kann eine Überwachung des Laststroms fortgesetzt werden. Ein Fachmann sollte erkennen, dass: (1) gewisse Schritte optional durchgeführt werden können; (2) Schritte möglicherweise nicht auf die vorliegend dargelegte spezielle Reihenfolge beschränkt sind; (3) gewisse Schritte in unterschiedlichen Reihenfolgen durchgeführt werden können; und (4) gewisse Schritte gleichzeitig durchgeführt werden können.
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7 ist ein Flussdiagramm eines alternativen Prozesses zum Unterdrücken unerwünschter Transienten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Ein Prozess 700 zum Unterdrücken von Transienten kann bei Schritt 702 beginnen, wenn ein erstes Kompensationsnetz, das mit einer Steuerspannung assoziiert ist, die einen Stromregler steuert, z. B. basierend auf einer Benutzereingabe ausgewählt werden kann.
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In Schritt 704 kann ein Fehlerverstärker verwendet werden, um eine Steuerspannung für das erste Kompensationsnetz z. B. basierend auf einem überwachten Laststrom anzupassen. Bei Ausführungsformen ist die Steuerspannung mit einem Array aus LEDs assoziiert und kann das erste Kompensationsnetz verwendet werden, um einen Tastgrad des Stromreglers zu steuern.
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In Schritt 706 kann das erste Kompensationsnetz zum Speichern der Steuerspannung für eine zukünftige Verwendung gespeichert werden, z. B. in einem oder mehreren Kondensatoren.
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In Schritt 708 kann ein Komparator, der mit dem Stromregler gekoppelt ist, zum Überwachen eines Laststroms verwendet werden, um einen Überschwingzustand, z. B. einen Überstrom, zu detektieren.
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In Schritt 710 kann ein Schalter in einem Linearmodus betrieben werden, so dass ein Laststrom in dem Array aus LEDs beschränkt wird.
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In Schritt 712 kann als Reaktion auf das Erfassen des Laststroms der Stromregler zum Umkehren eines Induktivitätsstroms gesteuert werden, der bewirkt, dass sich ein Ausgangskondensator in eine Batterie entlädt.
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In Schritt 714 kann der Schalter als Reaktion auf das Detektieren einer Abwesenheit des Überschwingzustands in einem regulären Modus betrieben werden und kann eine Überwachung des Laststroms fortgesetzt werden.
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In Schritt 716 kann ein zweites Kompensationsnetz verwendet werden, um den Stromregler als Reaktion auf eine Benutzereingabe zu steuern, die mit einer Anzahl an LEDs in dem Array aus LEDs assoziiert ist.
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Schließlich kann in Schritt 718 das Umschalten der Benutzereingabe einen Übergang von dem zweiten Kompensationsnetz zurück zu dem ersten Kompensationsnetz auslösen, um den Stromregler unter Verwendung der Steuerspannung zu steuern, die in Schritt 706 in dem ersten Kompensationsnetz gespeichert wurde. Bei Ausführungsformen kann in Szenarien, in denen die gespeicherte Steuerspannung in dem ersten Kompensationsnetz zu hoch ist, zum Beispiel weil eine LED-Konfiguration eine Anzahl an LEDs aufweist, die erheblich niedriger als eine vorherige LED-Konfiguration ist, ein Kompensationskondensator in dem ersten Kompensationsnetz entladen werden, um die gespeicherte Steuerspannung auf einen geeigneteren Wert anzupassen, um die niedrigere Anzahl an LEDs zu berücksichtigen.
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Ein Fachmann auf dem Gebiet wird auch erkennen, dass eine Anzahl der oben beschriebenen Elemente physisch und/oder funktionell in Untermodule separiert oder miteinander kombiniert werden kann.
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Ein Fachmann wird verstehen, dass die vorstehenden Beispiele und Ausführungsformen beispielhaft sind und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken. Sämtliche Permutationen, Erweiterungen, Äquivalente, Kombinationen und Verbesserungen davon, die einem Fachmann bei Lektüre der Beschreibung und genauer Betrachtung der Zeichnungen ersichtlich sind, sollen innerhalb des wahren Wesens und des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung enthalten sein. Es sei auch angemerkt, dass Elemente beliebiger Ansprüche unterschiedlich angeordnet werden können, was einschließt, dass sie mehrere Abhängigkeiten, Konfigurationen und Kombinationen aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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