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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Anmeldung bezieht sich auf Schaltleistungsumsetzer und insbesondere auf einen Schaltleistungsumsetzer mit adaptiven Ausgangsspannungsgrenzen.
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HINTERGRUND
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Die einstufige Wechselspannungs/Gleichspannungs-Leistungsumsetzung ist eine kostengünstige und folglich populäre Leistungsversorgungstopologie. Ein wichtiger Parameter für einen einstufigen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzer ist sein Leistungsfaktor, der das Verhältnis der durch die Wechselspannungsversorgungsleitung zum einstufigen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzer gelieferten Wirkleistung im Vergleich zur Scheinleistung, die zum einstufigen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzer geliefert wird, ist. Die Scheinleistung ist für die Phasenlage zwischen dem Eingangsstrom und der Eingangsspannung im Gegensatz zur Wirkleistung unempfindlich. Der Leistungsfaktor wird folglich verringert, wenn der Eingangsstrom und die Eingangsleistung phasenverschoben sind. Die gleichgerichtete Eingangsspannung in einen einstufigen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzer läuft im Zyklus von ungefähr null Volt zur Spitzenleitungsspannung (z. B. 120 V·1,414 in USA) bei zweimal der Frequenz für die Wechselspannungsversorgungsleitung. In Anbetracht dieser sinusförmigen Pulsation oder Zyklusführung der gleichgerichteten Eingangsspannung sollte der Eingangsstrom ein ähnliches Profil aufweisen, um einen hohen Leistungsfaktor zu erreichen, wie z. B. unter Verwendung einer geeigneten Regelungsmethodologie für den Spitzenstrom oder eine konstante Einschaltzeit.
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Obwohl die einstufige Wechselspannungs/Gleichspannungs-Leistungsumsetzung folglich einen hohen Leistungsfaktor schaffen kann, verursacht die Formgebung des Eingangsstroms, um ihn an die gleichgerichtete Eingangsspannungszyklusführung anzupassen, dass die Ausgangsspannung um irgendeinen nominalen Ausgangswert eine Welligkeit aufweist. Sollte die Regelungsschleife in einem einstufigen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzer eine Bandbreite aufweisen, die größer ist als zweimal die Wechselspannungsversorgungsleitungsfrequenz, würde sie zum Unterdrücken dieser Ausgangsspannungswelligkeit wirken. In diesem Fall würde jedoch der Leistungsfaktor abfallen, da der Eingangsstrom nicht mehr dasselbe gleichgerichtete sinusförmige Profil wie für die gleichgerichtete Eingangsspannung hätte. Die Bandbreite für die Regelungsschleife in einem einstufigen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzer muss folglich geringer sein als zweimal die Leitungsfrequenz, um einen hohen Leistungsfaktor zu erreichen. Die resultierende Regelungsschleife wird typischerweise unter Verwendung eines Proportional-Integral-Reglers (PI-Reglers) implementiert.
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Die relativ langsame Reaktionsgeschwindigkeit des PI-Reglers ist jedoch im Hinblick auf die Reaktion auf Lastübergänge problematisch. Die Last kann beispielsweise plötzlich von einem relativ leichten Bedarf auf einen relativ hohen Bedarf an Leistung zunehmen. Dagegen kann sich ein hoher Bedarf plötzlich auf einen niedrigen Bedarf an Leistung an der Last ändern. Um diesen transienten Änderungen Rechnung zu tragen, ist es üblich, die Ausgangsspannung mit einer oberen Ausgangsspannungsgrenze sowie mit einer unteren Ausgangsspannungsgrenze zu vergleichen. Die Ausgangsspannungsgrenzen können auch als Ausgangsspannungs-Schwellenwerte bezeichnet werden. Sollte das Ausgangsspannungs-Rückkopplungssignal angeben, dass die Ausgangsspannung unter die untere Ausgangsspannungsgrenze abgefallen oder über die obere Ausgangsspannungsgrenze angestiegen ist, wird die Reglerreaktionsgeschwindigkeit signifikant erhöht. Eine maximale Einschaltzeit kann beispielsweise für jeden Leistungsschaltzyklus verwendet werden, wenn die untere Ausgangsspannungsgrenze überquert wird. Ebenso kann eine minimale Einschaltzeit für jeden Leistungsschaltzyklus verwendet werden, wenn die obere Ausgangsspannungsgrenze überschritten wird. Nachdem sich die Ausgangsspannung erholt, so dass das Ausgangsspannungs-Rückkopplungssignal zwischen der oberen und der unteren Spannungsgrenze liegt, kann die PI-Regelung mit niedriger Bandbreite fortfahren.
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Obwohl die Änderung der Regelung unter Verwendung der oberen und der unteren Spannungsgrenze folglich Lastübergängen in einstufigen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Leistungsumsetzern mit hohem PFC Rechnung trägt, unterschreitet die Ausgangsspannung gewöhnlich die untere Ausgangsspannungsgrenze und überschreitet die obere Ausgangsspannungsgrenze. Die Ausgangsspannung für einen herkömmlichen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Leistungsumsetzer mit hohem PFC ist beispielsweise in 1 für einen anfänglichen Strom bei leichter Last, gefolgt vom plötzlichen Bedarf an einem Strom bei schwerer Last gezeigt. Die oberen und unteren Grenzen für die Ausgangsspannung müssen eine ausreichende Toleranz für den normalen Betrieb während der Periode mit schwerer Last vorsehen. Beispielsweise ist es üblich, dass die Toleranz zwischen der Spitzenausgangsspannung und der oberen Ausgangsspannungsgrenze mindestens 5% der nominalen Ausgangsspannung (des Gleichspannungsmittelwerts für die Ausgangsspannung) ist. Ebenso ist es üblich, dass die Toleranz zwischen der minimalen Ausgangsspannung und der unteren Ausgangsspannungsgrenze mindestens 5% der nominalen Ausgangsspannung ist. Während des Betriebs mit schwerer Last kann die Ausgangsspannungswelligkeit selbst 5% der nominalen Ausgangsspannung sein. Während eines Betriebs mit leichter Last ist jedoch die Ausgangswelligkeit signifikant geringer als die 5% Welligkeit, die während des Betriebs mit schwerer Last zu sehen sind. Die Toleranz zwischen der unteren Ausgangsspannungsgrenze und dem minimalen Wert für Vout während des Betriebs mit geringer Last ist folglich signifikant. Wenn sich Vout aufgrund des Anlegens einer schweren Last ändert, unterschreitet Vout folglich gewöhnlich die untere Ausgangsspannungsgrenze. An diesem Punkt wird die reguläre PI-Regelung gestoppt, so dass die maximalen Leistungszyklen (oder eine Erhöhung der Reaktionsverstärkung) angewendet werden können, wie vorstehend erörtert. Die Ausgangsspannung erholt sich schließlich, woraufhin die reguläre PI-Regelung fortfahren kann. Diese Unterschreitung ist problematisch, da die Ausgangsspannung unter ihren gewünschten minimalen Wert schwingt.
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Folglich besteht auf dem Fachgebiet ein Bedarf an einer verbesserten Übergangsantwort für einstufige Wechselspannungs/Gleichspannungs-Leistungsumsetzer.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein einstufiger Schaltleistungsumsetzer wird geschaffen, der die obere Ausgangsspannungsgrenze und die untere Ausgangsspannungsgrenze, die verwendet werden, um zwischen der PI-Regelung mit geringer Bandbreite und der Regelung der Ausgangsspannung mit hoher Geschwindigkeit zu unterscheiden, adaptiv ändert. Die resultierenden adaptiven Ausgangsspannungsgrenzen mildern die Ausgangsspannungsunterschreitungs- und Ausgangsspannungsüberschreitungsprobleme, unter denen herkömmliche einstufige Wechselspannungs/Gleichspannungs-Leistungsumsetzer mit hohem Leistungsfaktor leiden.
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Diese vorteilhaften Merkmale können durch Betrachtung der nachstehenden ausführlichen Beschreibung besser erkannt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt die Ausgangsspannungswellenform für einen einstufigen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Leistungsumsetzer des Standes der Technik im Vergleich zu seinen oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen für das Umschalten zwischen regulärer PI-Regelung und erhöhter Reaktionsgeschwindigkeit in Reaktion auf eine Strombedingung bei niedriger Last, die schnell auf einen Strom bei schwerer Last übergeht, dar.
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2 stellt die Ausgangsspannungswellenform im Vergleich zu ihren adaptiven oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen zum Umschalten zwischen PI-Regelung mit geringer Bandbreite und einem Modus mit schneller Reaktion für eine schnelle Änderung von einer Bedingung mit niedriger Last auf eine Bedingung mit hoher Last gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar.
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3 stellt die Ausgangsspannungswellenform im Vergleich zu ihren adaptiven oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen zum Umschalten zwischen PI-Regelung mit geringer Bandbreite und einem Modus mit schneller Reaktion für eine transiente Änderung von einer Bedingung mit hoher Last auf eine Bedingung mit niedriger Last gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar.
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4 stellt die Ausgangsspannungswellenform im Vergleich zu ihren adaptiven oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen zum Umschalten zwischen PI-Regelung mit geringer Bandbreite und einem Modus mit schneller Reaktion für eine allmähliche Änderung von einer Bedingung mit niedriger Last auf eine Bedingung mit hoher Last gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar.
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5 ist ein Diagramm eines Reglers, der dazu konfiguriert ist, die oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung anzupassen.
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6 ist ein Diagramm eines Rücklaufumsetzers mit dem Regler von 5 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und ihre Vorteile werden mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung am besten verstanden. Es sollte erkannt werden, dass gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente zu identifizieren, die in einer oder mehreren der Figuren dargestellt sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Um den Bedarf an einer verbesserten transienten Reaktion in einstufigen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzern anzugehen, werden die oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen, die einen Übergang von einer Regelung mit geringer Bandbreite auf eine Regelung mit schneller Reaktion auslösen, adaptiv im Hinblick auf die aktuelle Ausgangsspannungswelligkeit bestimmt. In dieser Weise hängen die oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen von den aktuellen Lastbedingungen ab. Während Perioden, in denen der Ausgangsstrombedarf leicht bzw. gering ist, ist die Ausgangsspannungswelligkeit um ihren nominalen Wert relativ klein. Der Einzustands-Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzer-Regler, der hier offenbart ist, reagiert auf diese verringerte Ausgangsspannungswelligkeit durch Verringern der oberen Ausgangsspannungsgrenze im Vergleich zur oberen Ausgangsspannungsgrenze, die während einer Periode eines hohen Ausgangsstrombedarfs verwendet wird. Ebenso erhöht der Regler adaptiv die untere Ausgangsspannungsgrenze während Perioden mit leichter Last im Vergleich zur unteren Ausgangsspannungsgrenze, die während einer Bedingung mit schwerer bzw. hoher Last verwendet wird.
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Während Perioden mit hoher Last nimmt die Ausgangsspannungswelligkeit im Hinblick auf den nominalen Wert (den Gleichspannungsmittelwert) der Ausgangsspannung zu. Die obere Ausgangsspannungsgrenze wird folglich in Reaktion auf diese erhöhte Ausgangsspannungswelligkeit erhöht. Ebenso wird die untere Ausgangsspannungsgrenze in Reaktion auf die erhöhte Ausgangsspannungswelligkeit verringert. In Anbetracht dieser Anpassung der Ausgangsspannungsgrenzen an den aktuellen Lastbedarf kann der Regler schneller auf entweder eine Unterspannungs- oder Überspannungsbedingung reagieren. 2 zeigt beispielsweise die Ausgangsspannungswellenform, wenn sich die Last plötzlich von einer stationären Periode mit geringem Lastbedarf auf eine Periode mit hohem Lastbedarf ändert. Aufgrund der verringerten Ausgangsspannungswelligkeit in Bezug auf die nominale Ausgangsspannung während der Bedingung mit leichter Last wird der Abstand oder die Toleranz zwischen der oberen Ausgangsspannungsgrenze und der nominalen Ausgangsspannung während der Bedingung mit leichter Last aufgrund der Anpassung der oberen Ausgangsspannungsgrenze im Vergleich zur Toleranz, die während der Periode mit hoher Last verwendet wird, verringert. Ebenso wird die Toleranz zwischen der unteren Ausgangsspannungsgrenze und der nominalen Ausgangsspannung während der Bedingung mit leichter Last im Vergleich zur Toleranz, die während der Periode mit hoher Last verwendet wird, adaptiv verringert. Zu einem Zeitpunkt t0 ändert sich die Last plötzlich auf eine Bedingung mit schwerer Last, so dass die Ausgangsspannung unter die untere Ausgangsspannungsgrenze gezogen wird. Die Regelungsmethodologie kann dann von einer herkömmlichen PI-Regelung mit geringer Geschwindigkeit auf eine Regelung mit hoher Geschwindigkeit geändert werden, wie z. B. durch Zyklusführung des Leistungsschalters unter Verwendung einer maximalen Einschaltzeit. Alternativ kann die PI-Regelung aufrechterhalten werden, aber mit einer ausreichend erhöhten Verstärkung, um ausreichend auf die Unterspannungsbedingung zu reagieren. Wenn die Zyklusführung des Leistungsschalters während des Regelungsmodus mit hoher Geschwindigkeit bei seiner maximalen Einschaltzeit gesättigt ist, kann der Regelungsmodus mit hoher Geschwindigkeit auch als Regelungsmodus in offener Schleife bezeichnet werden, da die Einschaltzeit nicht verändert wird. Alternativ kann die Schaltfrequenz während des Regelungsmodus mit hoher Geschwindigkeit erhöht werden. Der Regelungsmodus mit hoher Geschwindigkeit kann fortfahren, bis die Ausgangsspannung ausreichend über die untere Ausgangsspannungsgrenze ansteigt, woraufhin ein PI-Regelungsmodus mit ”mittlerer” Verstärkung folgen kann, der eine Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, die größer als der PI-Regelungsmodus mit niedriger Geschwindigkeit und geringer als der Regelungsmodus mit hoher Geschwindigkeit ist. Um zu bestimmen, wann die transiente Änderung der Ausgangsspannung nachgelassen hat, kann der Regler die Anzahl von Malen zählen, die die Ausgangsspannung den nominalen Ausgangsspannungswert im Anschluss an den Start der Übergangsperiode zum Zeitpunkt t0 überquert. Nach einer ausreichenden Anzahl von Überquerungen des nominalen Ausgangsspannungswerts kann der Regler bestimmen, dass die Übergangsperiode für die Ausgangsspannung zu einem Zeitpunkt t1 geendet hat. Wenn die Überquerungen der nominalen Spannung mit zweimal der Leitungsfrequenz stattfinden, kann angenommen werden, dass die Übergangsperiode zum Zeitpunkt t1 geendet hat, woraufhin der PI-Regelungsmodus mit geringer Bandbreite fortfahren kann. Während der Übergangsperiode kann der Regler die Spannungsgrenzen anpassen, aber die Spannungsgrenzen werden während der Übergangsperiode im Hinblick auf die Detektion einer Überspannungs- oder Unterspannungsbedingung nicht verwendet. Aufgrund der erhöhten Last ist die obere Ausgangsspannungsgrenze im Anschluss an das Ende der Übergangsperiode zum Zeitpunkt t1 größer im Vergleich zur oberen Ausgangsspannungsgrenze, die während der Bedingung mit leichter Last verwendet wird. Ebenso wird die untere Ausgangsspannungsgrenze im Vergleich zur unteren Ausgangsspannungsgrenze verringert, die während der Bedingung mit leichter Last verwendet wird. Die resultierende Ausgangsspannungsgrenzenanpassung ist ziemlich vorteilhaft, da die Unterspanungsbedingung durch Einleiten der Regelung mit hoher Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Reglern schneller detektiert werden kann und schneller auf diese reagiert werden kann. Die Ausgangsspannung wird folglich im Hinblick auf den gewünschten nominalen Wert aufgrund der Anpassung der oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen besser reguliert.
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Eine ähnliche Anpassung findet für einen plötzlichen oder transienten Übergang von einer stationären Bedingung mit schwerer Last auf eine Bedingung mit geringer Last statt, wie in 3 gezeigt. Während der stationären Bedingung mit schwerer Last ist die Ausgangsspannungswelligkeit relativ groß, so dass die Anpassung der Ausgangsspannungsgrenzen die Toleranz für die Grenzen von der nominalen Ausgangsspannung erhöht. Zu einem Zeitpunkt t0 geht der Lastbedarf plötzlich in eine Periode mit leichtem Bedarf über. Die obere Ausgangsspannungsgrenze wird dann verletzt, da die Ausgangsspannung dementsprechend ansteigt, indem die relativ langsame PI-Regelung während der Periode mit schwerem Bedarf nicht auf die plötzliche Verringerung des Lastbedarfs reagieren kann. Ein Regelungsmodus mit hoher Geschwindigkeit folgt dann während der anschließenden Übergangsperiode, in der der Regler die Anzahl von Überquerungen der nominalen Ausgangsspannung durch die Ausgangsspannung zählen kann, um ein Ende der Übergangsperiode zu einem Zeitpunkt t1 zu bestimmen. Wie im Hinblick auf den Übergang von leichter zu schwerer Last von 2 beschrieben, kann der Regler auf einen Regelungsmodus mit mittlerer Geschwindigkeit umschalten, wenn die Ausgangsspannung für die Dauer der Übergangsperiode sich ausreichend erholt hat. Der Regler kann die Ausgangsspannungsgrenzen während der Übergangsperiode anpassen, um die Toleranz zwischen den Grenzen und der nominalen Ausgabe zu verringern. Die Ausgangsspannung mit verringerter Toleranz begrenzt sich, wenn die PI-Regelung mit geringer Bandbreite fortfährt, im Anschluss an das Ende der Übergangsperiode zum Zeitpunkt t1. In dieser Weise kann der Regler schnell auf ein anschließendes Anlegen einer schweren Last reagieren, wie im Hinblick auf 2 erörtert.
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Sollten keine plötzlichen Änderungen des Lastbedarfs bestehen, kann der Regler die Ausgangsspannungsgrenzen allmählich anpassen, wie in 4 für einen allmählichen Übergang von einer Periode mit Bedarf einer leichten Last auf eine Periode mit Bedarf einer schwereren Last gezeigt. Da die Ausgangsspannung die Ausgangsspannungsgrenzen aufgrund dieser allmählichen Änderung des Lastbedarfs niemals verletzt, wird der Regelungsmodus mit hoher Geschwindigkeit nicht aufgerufen. Eine Beispielreglerausführungsform wird nun erörtert.
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5 zeigt einen Beispielregler 500. In dieser Ausführungsform ist der Regler 500 ein Spitzenstrommodusregler, es ist jedoch zu erkennen, dass die hier erörterte Ausgangsspannungsgrenzenanpassung auch in einem Regler mit konstanter Einschaltzeit implementiert werden kann. Eine Rückkopplungsspannung (VFB), die die Ausgangsspannung darstellt, wird mit einer Referenzspannung an einem Komparator 505 verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Ein Kompensationsfilter 510 kann das Fehlersignal kompensieren, wie auf dem Fachgebiet von Reglern mit hohem Leistungsfaktor bekannt. Ein Multiplizierer 515 multipliziert das Fehlersignal mit einem Signal, das die gleichgerichtete Eingangsspannung Vin darstellt, um ein multipliziertes Fehlersignal zu erzeugen. Die gleichgerichtete Spannung läuft im Zyklus mit zweimal der Frequenz der Wechselspannungsversorgungsleitung (nicht dargestellt). Ein Komparator 520 vergleicht das multiplizierte Fehlersignal mit einem Isense-Signal, das den Eingangsstrom in den Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzer darstellt, der durch den Regler 500 geregelt wird. Während der PI-Regelung mit geringer Bandbreite schaltet der Komparator 520 den Leistungsschalter (nicht dargestellt) in jedem Leistungsschaltzyklus aus, wenn Isense das multiplizierte Fehlersignal überschreitet. Das multiplizierte Fehlersignal bestimmt folglich den gewünschten Spitzeneingangsstrom in den Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzer. Da dieser gewünschte Spitzeneingangsstrom gemäß der Zyklusführung der gleichgerichteten Eingangsspannung moduliert wird, schafft die resultierende PI-Regelung mit geringer Bandbreite einen hohen Leistungsfaktor.
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Eine Modusregelungsschaltung 525 vergleicht die Ausgangsspannung (wie durch VFB dargestellt) mit einer oberen Ausgangsspannungsgrenze und mit einer unteren Ausgangsspannungsgrenze. Wenn die Ausgangsspannung zwischen der oberen Ausgangsspannungsgrenze und der unteren Ausgangsspannungsgrenze liegt, regelt der Komparator 520 die Leistungsschalterzyklusführung, wie vorstehend erörtert. Unter einer Überspannungsbedingung, in der die Ausgangsspannung die obere Ausgangsspannungsgrenze überschreitet, regelt die Modusregelungsschaltung 525 die Leistungsschalterzyklusführung unter Verwendung einer Regelung im schnellen Modus. Ebenso ruft die Modusregelungsschaltung 525 die Regelung im schnellen Modus in Reaktion auf eine Unterspannungsbedingung auf, in der die Ausgangsspannung unter die untere Ausgangsspannungsgrenze abfällt. Die Modusregelung auf der Basis eines Vergleichs der Ausgangsspannung mit oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen ist herkömmlich. Um die Unterschreitungs- und Überschreitungsprobleme zu mildern, die mit einer solchen herkömmlichen Regelung verbunden sind, umfasst der Regler 500 eine Anpassungsschaltung 530 für die obere Ausgangsspannungsgrenze, die die obere Ausgangsspannungsgrenze auf der Basis der Ausgangsspannungswelligkeit im Vergleich zur nominalen Ausgangsspannung adaptiv ändert.
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Die Anpassungsschaltung 530 für die obere Ausgangsspannungsgrenze kann dazu konfiguriert sein, entweder einen Prozentsatz der Ausgangsspannungswelligkeit zu verwenden, oder kann einfach einen Spannungsversatz zur Spitzenausgangsspannung addieren, um die obere Ausgangsspannungsgrenze zu erzeugen. Alternativ kann die Anpassungsschaltung 530 für die obere Ausgangsspannungsgrenze beide Techniken parallel verwenden und entweder den resultierenden minimalen oder maximalen Wert verwenden. Die Anpassung kann unter Verwendung entweder einer digitalen oder analogen Schaltungsanordnung durchgeführt werden. Um eine Glättung zu schaffen, kann die Anpassungsschaltung 530 für die obere Ausgangsspannungsgrenze die Anpassung der oberen Ausgangsspannungsgrenze tiefpassfiltern. Eine Anpassungsschaltung 535 für die untere Ausgangsspannungsgrenze passt die untere Ausgangsspannungsgrenze analog an, wie im Hinblick auf die Anpassungsschaltung 530 für die obere Ausgangsspannungsgrenze erörtert. Die Schaltungen 530 und 535 können dazu konfiguriert sein, die Anpassung festzusetzen (weitere Änderungen der oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen verhindern) bei einer gewissen Bedingung mit maximalem Lastbedarf.
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Die resultierende Ausgangsspannungsgrenzenanpassung kann in irgendeiner geeigneten Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schaltleistungsumsetzertopologie mit hohem Leistungsfaktor, einschließlich Tiefsetzstellern und Hochsetzstellern, ausgeführt werden. Ein Beispiel-Rücklaufumsetzer 600 mit einem Regler 500 ist in 6 gezeigt. Der Regler 500 regelt das Umschalten eines Leistungsschalters wie z. B. eines NMOS-Transistors Q1 durch Ansteuern seines Gates durch einen Ausgangsstift 5. In alternativen Ausführungsformen kann der Leistungsschalter unter Verwendung eines bipolaren Sperrschichttransistors implementiert werden. Wenn er eingeschaltet ist, ermöglicht der Leistungsschalttransistor Q1, dass ein primärer Strom durch eine Primärwicklung 610 eines Transformators 615 in Reaktion auf die gleichgerichtete Eingangsspannung Vin fließt. Ein Gleichrichter 620 mit einer Diodenbrücke und einem Kondensator C1 richtet die Leitungswechselspannung gleich, die auf einer Wechselspannungsversorgungsleitung 621 geführt wird, um die gleichgerichtete Eingangsspannung Vin zu schaffen. Die gleichgerichtete Eingangsspannung Vin hält folglich immer noch ein ausgeprägtes sinusförmiges Profil über jede Hälfte eines Wechselspannungsversorgungszyklus aufrecht.
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Für jeden Zyklus des Leistungsschalttransistors Q1 steigt der Primärwicklungsstrom von null auf einen Spitzenwicklungsstromwert an, der sowohl von der Eingangsspannung Vin, der Einschaltzeit als auch der Induktivität für die Primärwicklung 610 abhängt. Wenn der Leistungsschalttransistor Q1 im Zyklus ausschaltet, fließt ein Sekundärwicklungsstrom über eine zweite Wicklung 625 im Transformator 615 beginnend von einem Spitzenwert und fortlaufend zu einem Abfall auf null. Ein Ausgangskondensator C2 stabilisiert eine resultierende Ausgangsspannung Vout, die durch den zweiten Wicklungsstrom erzeugt wird. Eine Diode D1 verhindert, dass der Sekundärwicklungsstrom fließt, während die Primärwicklung leitet. Alternativ kann die Diode D1 durch einen Transistorschalter ersetzt werden, wie es für einen Rücklaufumsetzer mit synchroner Gleichrichtung üblich ist. Der Sekundärwicklungsstrom erzeugt eine reflektierte Spannung über der Primärwicklung 610 und auch über einer Hilfswicklung 630 für den Transformator 615. Die Diode D1 weist einen Spannungsabfall über dieser auf, der eine direkte Beziehung zwischen der reflektierten Spannung und der Ausgangsspannung verhindert, während der sekundäre Strom immer noch fließt. Wenn jedoch der sekundäre Strom auf null abfällt (die Transformatorrücksetzzeit), besteht kein Spannungsabfall über der Diode D1, so dass die resultierende reflektierte Spannung zu diesem Zeitpunkt direkt mit der Ausgangsspannung in Beziehung steht. Durch indirektes Abtasten der Ausgangsspannung zu dieser Transformatorrücksetzzeit führt der Regler 500 eine nur primäre Rückkopplungsregelung der Ausgangsspannung durch. Der Regler 500 kann beispielsweise einen VFB-Stift 2 umfassen, der die reflektierte Spannung über der Hilfswicklung 630 durch einen Spannungsteiler abtastet, der durch ein Paar von Widerstanden R3 und R4 gebildet ist. Die reflektierte Spannung kann auch durch eine Diode D2 und einen Kondensator C3 gleichgerichtet werden, um eine Leistungsversorgungsspannung VCC zu bilden, die durch den Regler 205 an einem Leistungsstift 1 empfangen wird. Der Regler 500 kann einen Massestift 6 und einen Stromerfassungsstift (Isense-Stift) 4 umfassen, der den Primärwicklungsstrom durch die Spannung abtastet, die über einem Abtastwiderstand Rs erzeugt wird, der mit einer Source eines Leistungsschalttransistors Q1 gekoppelt ist. Die resultierende Anpassung der oberen und unteren Ausgangsspannungsgrenzen durch den Regler 500 mildert die herkömmliche Unterschreitung und Überschreitung der Ausgangsspannung im Rücklaufumsetzer 600.
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Zusätzlich zum Mildern der Unterschreitungs- und Überschreitungsprobleme gehen die hier offenbarten adaptiven Ausgangsspannungsgrenzen auch die Alterung des Ausgangskondensators C2 an, der typischerweise eine relativ große Kapazität aufweisen muss, um einen stabilen stationären Betrieb sicherzustellen. Um eine ausreichende Kapazität mit niedrigen Kosten zu schaffen, ist es üblich, den Ausgangskondensator C2 unter Verwendung eines elektrolytischen Kondensators zu implementieren. Die Kapazität eines elektrolytischen Kondensators nimmt jedoch während seiner Lebensdauer allmählich ab. Die Ausgangsspannungswelligkeit nimmt folglich während der Lebensdauer des elektrolytischen Kondensators allmählich zu. Mit erneutem Bezug auf 4 ist die langsame Zunahme der Ausgangsspannungswelligkeit insofern problematisch, als herkömmliche feste obere und untere Ausgangsspannungsgrenzen schließlich durch die erhöhte Ausgangsspannungswelligkeit verletzt werden, woraufhin der normale Betrieb nicht mehr stabil ist. Um die erwartete Lebensdauer zu verlängern, sind die Hersteller folglich gezwungen, die Kapazität des elektrolytischen Ausgangskondensators zu erhöhen, was die Kosten erhöht. Die hier offenbarte Anpassung ermöglicht jedoch nicht nur die Verwendung von weniger teuren Ausgangskondensatoren mit verringerter Kapazität, sondern passt auch vorteilhafterweise an die erhöhte Ausgangsspannungswelligkeit über die Ausgangskondensatorlebensdauer an.
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Wie der Fachmann auf dem Gebiet nun erkennt, und in Abhängigkeit von der speziellen vorliegenden Anwendung können viele Modifikationen, Substitutionen und Veränderungen in und an den Materialien, Geräten, Konfigurationen und Verfahren zur Verwendung der Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich davon abzuweichen. Angesichts dessen sollte der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung nicht auf jenen der hier erläuterten und beschriebenen speziellen Ausführungsformen begrenzt werden, da sie lediglich als einige Beispiele davon dienen, sondern sollte vielmehr vollständig jenem der danach beigefügten Ansprüche und ihren funktionalen Äquivalenten entsprechen.
