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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen geschalteten Spannungswandler,
insbesondere einen geschalteten Spannungswandler zur Ansteuerung
eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements.
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Geschaltete
Spannungswandler werden zur Versorgung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen
wie Leuchtdioden (LEDs) mit Strom verwendet. Derartige geschaltete
Spannungswandler können
als Abwärtswandler,
Aufwärtswandler
oder Abwärts/Aufwärtswandler
und in anderen Konfigurationen ausgeführt sein. Sie erzeugen und
regeln eine Sekundärversorgungsspannung
von einer Primärversorgungsspannung
unter Verwendung von Schaltern (z. B. MOSFET-Transistoren), Dioden
und Induktivitäten.
Herkömmliche
Steuermechanismen messen den Spannungspegel der Sekundärausgangsspannung
und passen das Schaltschema des Spannungswandlers derart an, dass
er eine benötigte
Ausgangsspannung herstellt. LEDs zum Beispiel benötigen jedoch
einen recht exakten Strom, um eine spezifische Luminanz oder Helligkeit
bereitzustellen. Dies bedeutet, dass ein zweiter Regelkreis, der
unabhängig
von der Regelung der Ausgangsspannung des geschalteten Spannungswandlers
ist, dafür
verwendet wird, einen exakten Strom durch die LED einzustellen.
Ein Messwiderstand ist in Reihe mit der LED gekoppelt, und der Spannungsabfall über den Messwiderstand
wird zur Bestimmung des Stroms durch die LED verwendet. Eine Stromquelle
ist in Reihe mit der LED gekoppelt und wird dafür verwendet, den Strom durch
die LED zu erhöhen
oder zu verringern, falls der Wert von dem vorgegebenen Wert abweicht.
In dieser herkömmlichen
Konfiguration werden zwei Regelkreise benötigt. Dies ist in 1 gezeigt.
Es gibt einen geschalteten Spannungswandler DC/DC, zum Beispiel
einen DC-DC-Aufwärts-
oder – Abwärtswandler,
mit einer Steuerstufe CNTL&PWM
mit Ausgängen,
die mit den Gates von zwei PMOS-Transistoren PM1 und PM2 verbunden
sind. Eine Seite einer Induktivität L ist an eine Versorgungsspannung
Vcc angeschlossen, wobei der Transistor PM1 an die andere Seite
der Induktivität
L und einen Ausgangsknoten Vout angeschlossen ist. Der Transistor
PM2 ist zwischen die Induktivität
und Masse geschaltet. Die Steuerstufe CNTL&PWM empfängt ein Eingangssignal von
einem Verstärker
EA1, der zwei Eingänge
hat – einer ist
mit dem Ausgangsknoten Vout verbunden, und der andere ist mit einer
Referenzspannungsquelle Vref verbunden. Ein Bufferkondensator C0
ist ebenfalls zwischen den Ausgangsknoten und Masse geschaltet.
Der Ausgang des geschalteten Spannungswandlers DC/DC ist mit den
zwei in Reihe geschalteten LEDs verbunden, die als Stromsenke fungieren. Ein
Transistor M3 und ein Messwiderstand Rsens sind zwischen die LED-Reihenschaltung
und Masse in Reihe geschaltet, wobei der Transistor M3 ebenfalls
mit einem Eingang des zweiten Fehlerverstärkers EA2 verbunden ist. Der
andere Eingang des zweiten Fehlerverstärkers EA2 ist mit einer anderen Referenzspannung
Vc verbunden. Der Gate-Anschluss des Transistors M3 ist mit dem
Ausgang eines – zweiten
Fehlerverstärkers
EA2 verbunden.
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Die
Sekundärausgangsspannung
Vout wird durch den den Fehlerverstärker EA1 und die Steuerstufe
CNTL&PWM umfassenden
Regelkreis so gesteuert, dass sich ein bestimmter Ausgangsspannungspegel
Vout ergibt. Der Sekundärspannungspegel
wird durch die Referenzspannung Vref festgelegt. Der Referenzspannungspegel
Vref entspricht einem spezifischen Sollausgangsspannungspegel Vout, und
die Beziehung könnte
wie folgt ausgedrückt
werden Vout = k1 × Vref, (1)wobei k1
eine anwendungsspezifische Konstante ist. Andererseits wird der
Strom durch die LEDs LED1 und LED2 unabhängig davon durch einen anderen Regelkreis,
der den Transistor M3, den zweiten Fehlerverstärker EA2 und den Messwiderstand
Rsens umfasst, gesteuert. Der erforderliche Strom ILED wird durch
eine andere Referenzspannung Vc festgelegt, die dem zweiten Fehlerverstärker EA2
zugeführt
wird. Wenn sich der Spannungsabfall über LED1 und LED2, den Transistor
M3 und Rsens aus irgendeinem Grund ändert, muss der erste Regelkreis
die Spannung Vout anpassen. Andernfalls kann zum Beispiel die von
dem Transistor M3 verbrauchte Leistung inakzeptabel hoch sein. Wenn
der Ausgangsspannungspegel Vout zu niedrig ist, kann der Strom ILED nicht
bereitgestellt werden. Entsprechend reagiert der erste Regelkreis
als Reaktion auf den zweiten Regelkreis. Die herkömmliche
Lösung ist
somit anfällig
für Fehlfunktionen,
groß und
nicht kostengünstig
in der Herstellung. Ein leicht unterschiedlicher Ansatz wird durch
die gestrichelte Linie angedeutet, die den Fehlerverstärkereingang
mit dem Knoten zwischen dem Drain von M3 und der Kathode der zweiten
LED verbindet. In dieser Situation wird Vout nicht auf einen bestimmten
Spannungspegel gesteuert, sondern der DC/DC-Wandler wird so gesteuert,
dass er an diesem Knoten zwischen M3 und der LED eine bestimmte
Spannung herstellt. Dabei bestehen jedoch immer noch zwei Regelkreise, und
die Nachteile des Schaltkreises bleiben unverändert.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen geschalteten Spannungswandler
mit einem Steuermechanismus, der weniger komplex und somit leichter
und billiger zu implementieren ist, bereitzustellen.
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Entsprechend
stellt die vorliegende Erfindung eine elektronische Vorrichtung
bereit. Die Vorrichtung umfasst einen geschalteten Spannungswandler
zur Erzeugung und Regelung eines Sekundärversorgungsspannungspegels
an einem Ausgangsknoten von einer Primärenergiequelle. Zur Messung
eines Ausgangsstroms durch den Ausgangsknoten werden ein Messmittel
sowie zur Mittelung des gemessenen Ausgangsstroms im Zeitverlauf
und zur Ausgabe eines Strommittelwertsignals, das einen mittleren
Ausgangsstrom darstellt, ein Mittelwertbildungsmittel bereitgestellt.
Ein Fehlerverstärker
ist mit dem Mittelwertbildungsmittel gekoppelt, um das Strommittelwertsignal
und ein Strommittelwerteinstellsignal zu empfangen und ein Stromfehlersignal
auszugeben. Des Weiteren ist eine Steuerstufe mit dem Fehlerverstärker gekoppelt,
um den geschalteten Spannungswandler als Reaktion auf das Stromfehlersignal
so zu steuern, dass er an dem Ausgangsknoten einen vorbestimmten
mittleren Strom bereitstellt. Ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement
ist mit dem Ausgangsknoten gekoppelt. Entsprechend sorgt die vorliegende
Erfindung dafür, dass
ein Strommittelwert-DC/DC-Wandler zur Ansteuerung eines lichtemittierenden
Halbleiterbauelements verwendet wird. Folglich kann ein einzelner Regelkreis
verwendet werden. Der Regelkreis muss jedoch dafür sorgen, dass ein Steuersignal
der Schleife einem mittleren Strom an dem Ausgangsknoten entspricht.
Das Steuersignal kann zum Beispiel ein bestimmter Referenzspannungspegel
für einen
Fehlerverstärker
sein, wobei es in Bezug auf eine Last, die ein lichtemittierendes
Halbleiterbauelement ist, gewählt
werden muss. Der Pegel der Sekundärversorgungsspannung an dem
Ausgangsknoten, die durch den geschalteten Spannungswandler aus
der Primärenergieversorgungsspannung
erzeugt wird, ist praktisch so lange unbedeutend, wie er ausreichend
hoch ist, um den benötigten
mittleren Strom durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement
zu treiben. Die Sekundärversorgungsspannung
wird nur in Hinblick auf den mittleren Ausgangsstrom an dem Ausgangsknoten
gesteuert. Der Ausgangsstrom durch den Ausgangsknoten wird durch
das Messmittel gemessen, und der gemessene Ausgangsstrom wird dann
im Zeitverlauf durch das Mittelwertbildungsmittel gemittelt. Das
Mittelwertbildungsmittel kann vorteilhafterweise ein passives RC-Tiefpassfilter aber
auch jeder beliebige andere Schaltkreis sein, der zur Mittelung
des gemessenen Werts geeignet ist. Das Mittelwertbildungsmittel
gibt dann ein Strommittelwertsignal aus, das einen mittleren Wert
des Ausgangsstroms durch. den Ausgangsknoten darstellt. Das Strommittelwertsignal
wird an einem mit dem Mittelwertbildungsmittel verbundenen Fehlerverstärker empfangen,
und der Fehlerverstärker empfängt ebenfalls
ein Strommittelwerteinstellsignal und gibt ein Stromfehlersignal
aus. Der geschaltete Spannungswandler wird als Reaktion auf das
Stromfehlersignal durch eine mit dem Fehlerverstärker gekoppelte Steuerstufe
gesteuert. Das lichtemittierende Halbleiterbauelement, zum Beispiel
eine Leuchtdiode (LED), ist mit dem Ausgangsknoten verbunden, so dass
es durch den Strom durch den Ausgangsknoten gespeist wird. In der
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der geschaltete Spannungsregler, der zum Beispiel
ein induktiver Abwärts-
oder Aufwärts-
oder Abwärts/Aufwärtswandler
sein kann, dann so gesteuert werden, dass er vielmehr als gesteuerte
Stromquelle als als Spannungsregler arbeitet. Auf diese Weise werden
keine zusätzlichen
geregelten linearen Stromquellen bzw. -senken mehr gebraucht, wie
sie von herkömmlichen
Vorrichtungen mit Spannungsreglern benötigt werden. Das bedeutet,
dass die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wesentlich kleiner und weniger komplex als herkömmliche
Vorrichtungen ist, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
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Vorzugsweise
ist das Mittelwertbildungsmittel ein passives RC-Tiefpassfilter,
und die Zeitkonstante des RC-Tiefpassfilters liegt zwischen 1/50
und 1/10 einer Taktfrequenz eines Systems des geschalteten Spannungswandlers.
Das Mittelwertbildungsmittel kann dann als als RC-Tiefpassfilter
geschaltete Standard-Widerstands-Kapazitäts-Anordnung ausgeführt sein.
Dann können
der Widerstand und die Kapazität
der RC-Anordnung so gewählt
werden, dass die RC-Zeitkonstante des Filters zwischen 1/50 und
1/10 der Systemtaktfrequenz des geschalteten Spannungswandlers liegt.
Da die Zeitkonstante des RC-Filters so klein sein kann, kann die
Modulation des LED-Stroms und dadurch des von der LED emittierten
Lichts durch Verwendung des Strommittelwerteinstellsignals erreicht
werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ebenso ein Verfahren zur Ansteuerung
eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements bereit. Das Verfahren
umfasst das Bereitstellen einer Sekundärversorgungsspannung für das leuchtende
Halbleiterbauelement durch einen geschalteten Spannungswandler,
das Messen eines mittleren Stroms an einem Sekundärversorgungsspannungs-Ausgangsknoten des
geschalteten Spannungswandlers, das Vergleichen des gemessenen Strommittelwerts
mit einem vorgegebenen Strommittelwert und das Steuern des geschalteten Spannungswandlers,
um einen mittleren Strom an dem Sekundärspannungs-Ausgangsknoten bereitzustellen,
der dem vorgegebenen Strommittelwert entspricht. Aus einer Primärversorgungsspannung
wird durch einen geschalteten Spannungswandler eine Sekundärversorgungsspannung
erzeugt. Der geschaltete Spannungswandler hat einen Sekundärversorgungsspannungs-Ausgangsknoten,
und an dem Sekundärversorgungsspannungs-Ausgangsknoten wird
ein mittlerer Strom gemessen. Dann wird ein gemessener Strommittelwert
mit einem vorgegebenen Strommittelwert verglichen. Ein mittlerer
Strom, der dem vorgegebenen Strommittelwert an dem Sekundärspannungs-Ausgangsknoten
entspricht, wird durch Steuerung des geschalteten Spannungswandlers
hergestellt. Auf diese Weise ermöglicht
das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung einen besseren Leistungswirkungsgrad, während sich
damit gleichzeitig wichtige Chipfläche einsparen lässt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der untenstehenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
vereinfachtes Schaltbild einer herkömmlichen elektronischen Vorrichtung
mit einem geschalteten Spannungsregler;
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2 ein
vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Vorrichtung mit einem
geschalteten Spannungsregler gemäß der Erfindung;
und
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3 einen
Graphen des Ausgangsstroms in Abhängigkeit von Zeit für eine elektronische
Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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2 zeigt
eine elektronische Vorrichtung gemäß der Erfindung. Ein geschalteter
Spannungswandler DC/DC, der ein Standard-DC-DC-Abwärts- oder
-Aufwärtswandler
sein kann, ist mit einem Primärversorgungsspannungsknoten
Vcc verbunden und mit einer Steuerstufe CNTL&PWM ausgestattet, die eigentlich
eine Steuer- und Pulsbreitenmodulationsstufe ist. Die Steuerstufe
CNTL&PWM ist
mit dem geschalteten Spannungswandler DC/DC gekoppelt. Der geschaltete
Spannungswandler DC/DC hat einen Ausgang, der mit einem Ausgangsknoten
OUT verbunden ist. Eine Verstärkerstufe
A, die als als Spannungsfolger geschalteter Operationsverstärker implementiert
sein kann, hat einen Eingang, der mit dem Ausgangsknoten OUT verbunden
ist, wobei der andere Eingang des Verstärkers A mit dessen Ausgang
verbunden ist. Tatsächlich
bildet der Verstärker A
ein Messmittel zum Messen des Stroms an dem Ausgangsknoten OUT,
das mit dem Ausgangsknoten OUT auf viele verschiedene Arten gekoppelt
sein kann – die
in 2 gezeigte Konfiguration ist lediglich eine Darstellung
einer beliebigen möglichen
Ausführung.
Es kann zum Beispiel ebenso einen Shunt-Widerstand zum Messen des
Stroms an dem Ausgangsknoten OUT geben, oder der Spannungsabfall über einen
Schalttransistor in dem Spannungswandler DC/DC kann zum Bestimmen
des momentanen Stroms durch den Sekundärausgangsknoten OUT verwendet
werden. Der Ausgang des Verstärkers
A ist mit einem RC-Tiefpassfilter, das einen Widerstand R1 und einen
Kondensator C1 aufweist, verbunden. Das Tiefpassfilter R1, C1 ist
ein Mittelwertbildungsmittel, das so konfiguriert ist, dass es den
an dem Ausgangsknoten OUT gemessenen Strom im Zeitverlauf mittelt
und ein Strommittelwertsignal ausgibt, das den mittleren Ausgangsstrom
an dem Ausgangsknoten OUT repräsentiert.
Das RC-Filter R1, C1 hat einen Widerstand und eine Kapazität, die so
gewählt
sind, dass seine Zeitkonstante zwischen 1/50 und 1/10 der Systemtaktfrequenz
des geschalteten Spannungswandlers DC/DC liegt. Der Ausgang des
Tiefpassfilters R1, C1 ist mit einem Eingang des Fehlerverstärkers EA
verbunden, wobei der andere Eingang des Fehlerverstärkers EA
mit einer Strommittelwerteinstellsignalquelle VISET verbunden ist.
Tatsächlich
repräsentiert
das Strommittelwerteinstellsignal VISET den benötigten mittleren Strom durch
den Sekundärausgangsknoten
OUT. VISET muss sich nicht auf den Spannungspegel an dem Ausgangsknoten
beziehen. Die Beziehung zwischen dem mittleren Strom und der Setzspannung VISET
kann wie folgt ausgedrückt
werden: ILED,DC =
k2 × VISET, (2)wobei k2
eine anwendungsspezifische Konstante ist. Der Unterschied zwischen
der durch Gleichung (1) beschriebenen, herkömmlichen Lösung und Gleichung (2) besteht
darin, dass der mittlere Strom gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Funktion ILED,DC der Spannung VISET
ist. Der Ausgang des Fehlerverstärkers
EA ist mit der Steuerstufe CNTL&PWM verbunden.
Ein Paar in Reihe geschalteter Leuchtdioden (LEDs) ist mit dem Ausgangsknoten
OUT gekoppelt, wobei ein Bufferkondensator C0 zwischen den Ausgangsknoten
OUT und die LEDs geschaltet ist.
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Im
Betrieb wird dem Spannungswandler DC/DC eine Versorgungsspannung
aus dem Versorgungsspannungsknoten Vcc bereitgestellt, und der Spannungswandler
gibt einen Strom Iout aus, der dem Ausgangsknoten OUT zugeführt wird.
Der Strom Iout wird dann durch den Verstärker A an dem Ausgangsknoten
OUT gemessen, und der Wert des an dem Ausgangsknoten OUT gemessenen
Stroms wird durch das Tiefpassfilter R1, C1 im Zeitverlauf gemittelt,
um einen mittleren gemessenen Strom zu erhalten. Der mittlere gemessene
Strom wird dann mit dem Strommittelwerteinstellsignal VISET an dem Fehlerverstärker EA
verglichen. VISET entspricht einem mittleren Sollausgangsstrom ILED,DC durch die LEDs. Der Fehlerverstärker EA
gibt ein Stromfehlersignal aus, das der Steuerstufe CNTL&PWM zugeführt wird.
Durch Verwendung des Stromfehlersignals steuert die Steuerstufe
CNTL&PWM den
geschalteten Spannungswandler DC/DC so, dass er an dem Ausgangsknoten
OUT den vorbestimmten mittleren Strom ILED,DC bereitstellt.
Nach Bufferung durch den Kondensator C0 wird der von dem geschalteten Spannungswandler DC/DC
bereitgestellte mittlere Strom ILED,DC dann
zur Ansteuerung der LEDs verwendet.
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3 zeigt
einen Graphen, der sich auf einen Abwärtswandler bezieht, aber es
könnten
auch ohne weiteres andere Graphen für alle möglichen Arten von geschalteten
Spannungswandlern, auf die die vorliegende Erfindung angewendet
wird, gezeigt werden. Der an dem Ausgangsknoten OUT durch den Verstärker A gemessene
Strom Iout und der mittlere Strom ILED,DC an
dem Ausgangsknoten OUT sind als Funktion der Zeit gezeigt. Die Referenzspannung; d.
h. das für
den Fehlerverstärker
EA verwendete Strommittelwerteinstellsignal VISET, wird dann basierend
auf dem mittleren Strom ILED,DC an dem Ausgangsknoten
OUT gewählt.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung benötigt
keine separate Stromquelle oder -senke, da der geschaltete Spannungswandler
DC/DC an dem Spannungsknoten OUT selbst einen Konstantstrom ILED,DC bereitstellt, der zur direkten Versorgung
der LEDs mit Strom verwendet wird.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform
beschrieben wurde, ist diese nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt,
und dem Fachmann fallen zweifellos weitere Alternativen ein, die
innerhalb des beanspruchten Schutzumfangs der Erfindung liegen.