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DE102013016803B4 - Laständerungserkennung für Schaltnetzteil mit geringer Leerlaufleistung - Google Patents

Laständerungserkennung für Schaltnetzteil mit geringer Leerlaufleistung Download PDF

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DE102013016803B4
DE102013016803B4 DE102013016803.1A DE102013016803A DE102013016803B4 DE 102013016803 B4 DE102013016803 B4 DE 102013016803B4 DE 102013016803 A DE102013016803 A DE 102013016803A DE 102013016803 B4 DE102013016803 B4 DE 102013016803B4
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Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Schaltnetzteils (10), umfassend:a. Konfigurieren eines Schaltnetzteils (10), das einen Transformator (14) mit einer Primärwicklung (P1), die mit einer Eingangsversorgungsspannung Vingekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung (S1), die mit einem Ausgang gekoppelt ist, einen mit der Primärwicklung (P1) in Reihe geschalteten Schalter (16) und eine mit dem Schalter (16) gekoppelte Steuerung (22) umfasst;b. Erzeugen eines oder mehrerer Messimpulse (100) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen einer jedem Messimpuls (100) entsprechenden reflektierten Spannung, bis eine Leerlaufbedingung am Ausgang festgestellt wird, wobei die gemessene reflektierte Spannung proportional zu einer Ausgangsspannung des Schaltnetzteils (10) ist,c. nachdem die Leerlaufbedingung festgestellt wurde, Erzeugen eines Referenzimpulses (110) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen der dem Referenzimpuls (110) entsprechenden reflektierten Spannung, wobei die dem Referenzimpuls (110) entsprechende gemessene reflektierte Spannung eine reflektierte Basisspannung umfasst;d. Erzeugen eines oder mehrerer Erkennungsimpulse (120) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen der jedem Erkennungsimpuls (120) entsprechenden reflektierten Spannung;e. Vergleichen der jedem Erkennungsimpuls (120) entsprechenden reflektierten Spannung mit der reflektierten Basisspannung, bis eine Differenz zwischen den beiden einen Schwellenwert überschreitet, woraufhin eine Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt wird.

Description

  • Verwandte Anmeldungen
  • Diese Patentanmeldung beansprucht gemäß 35 U.S.C. 119 (e) die Priorität der von demselben Erfinder stammenden und am 10. Oktober 2012 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/712,183 mit dem Titel „Intermediate Valley Switching Mode Converter“. Der gesamte Inhalt der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/712,183 wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Leistungswandler. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Leistungswandlerarchitektur, die so konfiguriert ist, dass sie die Leerlaufleistung eines Schaltnetzteils minimiert.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ein Netzteil oder Leistungswandler wandelt eine Form und Spannung elektrischer Leistung in eine andere gewünschte Form und Spannung um. AC-DC-Netzteile wandeln Wechselspannung, beispielsweise 115 oder 230 Volt Wechselspannung (AC), in eine geregelte Gleichspannung (DC) um. DC-DC-Netzteile wandeln Gleichspannung eines bestimmten Pegels, beispielsweise 400 V, in eine andere Gleichspannung, beispielsweise 12 V, um.
  • Ein Schaltnetzteil, schaltendes Netzteil oder SMPS ist ein Netzteil, das einen Schaltregler beinhaltet. Ein SMPS schaltet einen Transistor aktiv mit hoher Geschwindigkeit zwischen vollständiger Sättigung und vollständiger Sperrung hin und her. Die daraus resultierende Rechteckwellenform wird anschließend durch einen Tiefpassfilter, in der Regel eine Schaltung mit einer Spule und einem Kondensator (LC-Schaltung), geleitet, um eine approximierte Ausgangsspannung zu erhalten.
  • Ein SMPS verwendet einen Hochfrequenzschalter (Transistor) mit veränderlichem Tastgrad, um die Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Die durch das Schalten hervorgerufenen Ausgangsspannungsschwankungen werden durch den LC-Filter herausgefiltert. SMPSs können verwendet werden, um eine Versorgungsspannung herunterzusetzen sowie um eine Hochsetzfunktion und eine Ausgangsinversionsfunktion bereitzustellen. Ein SMPS wandelt einen Eingangsspannungspegel in einen anderen Pegel um, indem er die Eingangsenergie vorübergehend speichert und anschließend die Energie mit einer anderen Spannung an den Ausgang freigibt. Die Speicherung kann entweder in elektromagnetischen Bauteilen, wie beispielsweise Spulen und/oder Transformatoren, oder in elektrostatischen Bauteilen, wie beispielsweise Kondensatoren, erfolgen. Mit dem Ausgang ist eine Last gekoppelt, um die bereitgestellte Energie zu nutzen. Ist mit dem Leistungswandler keine Last gekoppelt, so liegt eine Leerlaufleistungsbedingung vor. Leerlaufleistungsverbrauch ist die Energie, die vom Leistungswandler verbraucht wird, wenn der Leistungswandler mit einer Eingangsleistungsversorgung gekoppelt ist aber keine Last angeschlossen ist, beispielsweise wenn ein Ladegerät in eine Steckdose gesteckt ist, ohne dass ein Mobiltelefon oder ein anderes Handgerät angeschlossen ist.
  • Durch die Entwicklung von Verbund-Halbleiterschaltern mit hoher Schaltgeschwindigkeit, wie beispielsweise mit Pulsweitenmodulation (PWM) betriebenen Metall-Oxid-Halbleiter-FeldeffektTransistor-Schaltern (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET), können neuere SMPS-Topologien nun mit deutlich erhöhten Schaltfrequenzen, beispielsweise bis zu 1,0 MHz, betrieben werden. Um jedoch die Leerlaufleistung eines SMPS zu minimieren, müssen die Schaltfrequenz und die pro Impuls auf die Sekundärseite übertragene Leistungsmenge minimiert werden.
  • Die Leistung, die auf die Sekundärseite übertragen wird, ist P = Wp * fs, wobei Wp die pro Impuls übertragene Energie und fs die Schaltfrequenz des Hauptschalters sind. Um die Leerlaufleistung zu minimieren, muss die übertragene Leistung P so gering wie möglich sein, da sie durch eine Basislast verbraucht werden muss. Andernfalls steigt die Ausgangsspannung, wenn keine Last angeschlossen ist. Der Impuls muss eine Mindestpulsweite aufweisen, um zu gewährleisten, dass etwas Energie auf die Sekundärseite übertragen wird. Um die übertragene Leistung P zu minimieren, müssen die mit jedem Impuls übertragene Energie Wp und die Schaltfrequenz fs gesenkt werden.
  • Moderne SMPS-Steuerungen steuern die Ausgangsspannung und den -strom, indem sie die reflektierte Spannung an einer Wicklung des Transformators messen. Wenn die pro Impuls übertragene Energie sehr gering ist, dann ist es sehr schwierig, die Ausgangsspannung zu erfassen, da der reflektierte Impuls durch parasitäre Effekte beeinflusst wird. Wenn die Frequenz sehr gering ist, kann eine Änderung der Ausgangsspannung nur mit einer großen Verzögerung erkannt werden. Daher ist eine schnelle Reaktion auf eine Laständerung nicht möglich.
  • US 2011 / 0 157 924 A1 offenbart eine integrierte Schaltung zur Steuerung eines Primärseitenreglers (PSR), die folgendes umfasst: einen ersten Anschluss; einen zweiten Anschluss; einen dritten Anschluss; eine Spannungsreglerschaltung, die ein Hilfswicklungsrückkopplungssignal an dem ersten Anschluss empfängt und ein Schaltsteuersignal an dem zweiten Anschluss ausgibt, so dass das Schaltsteuersignal in einem ersten Betriebsmodus der integrierten Schaltung wiederholt pulsiert, und wobei das Schaltsteuersignal in einem zweiten Betriebsmodus der integrierten Schaltung im Wesentlichen fest ist, und eine Stromüberwachungsschaltung, die einen durch den dritten Anschluss fließenden Optokopplerstrom in dem zweiten Modus überwacht und, wenn die Stromüberwachungsschaltung feststellt, dass sich der Optokopplerstrom in einer vorbestimmten Weise geändert hat, dann die Stromüberwachungsschaltung bewirkt, dass die integrierte Schaltung den Betrieb in dem zweiten Modus stoppt und den Betrieb in einem ersten Modus startet.
  • US 6 990 000 B1 offenbart einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, der folgendes umfasst: einen Schalter, der eine Last elektrisch mit einer Stromquelle koppelt oder von ihr entkoppelt; und eine Steuerung, die mit dem Schalter gekoppelt ist, um die Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters zu steuern, wobei die Steuerung ein Akkumulationsmodul zum Akkumulieren eines Differenzwertes enthält, der durch Subtraktion einer ersten Darstellung einer Ausgangsspannung des Leistungswandlers, die einem ersten Abtastzeitpunkt entspricht, von einem Ausgangsspannungswert erhalten ist, der zu einem zweiten Abtastzeitpunkt nach dem ersten Abtastzeitpunkt abgetastet wird, um eine zweite Darstellung der Ausgangsspannung des Leistungswandlers zu erhalten, die dem zweiten Abtastzeitpunkt entspricht.
  • US 2011 / 0 267 846 A1 offenbart einen Regler zur Verwendung in einem Leistungswandler, umfassend: einen Stromregler, der mit einem Energieübertagungselement und einem Eingang des Leistungswandlers zu koppeln ist, eine Steuerschaltung zum Erzeugen eines Betriebsmodus-Auswahlsignals, das so gekoppelt ist, dass es von dem Stromregler empfangen wird, wobei ein erster, zweiter oder dritter Strom in dem Stromregler in Reaktion auf eine Auswahl eines ersten, zweiten bzw. dritten Betriebsmodus des Stromreglers freigegeben wird, wobei der erste Strom im Wesentlichen 0 ist, der zweite Strom größer als der dritte Strom ist und der dritte Strom größer als der erste Strom ist, eine erste Rückkopplungsschaltung, die mit der Steuerschaltung gekoppelt ist und ein erstes Rückkopplungssignal erzeugt, das ein Ausgangssignal des ersten Leistungswandlers während des ersten Betriebsmodus nach einer Betriebsperiode des zweiten Betriebsmodus des Stromreglers darstellt, und eine zweite Rückkopplungsschaltung, die mit der Steuerschaltung gekoppelt ist, um ein zweites Rückkopplungssignal zu erzeugen, das für die Ausgabe des Leistungswandlers während des ersten Betriebsmodus nach einer Betriebsperiode des dritten Betriebsmodus des Stromreglers repräsentativ ist, wobei die Steuerschaltung gekoppelt ist, um die Auswahl des ersten, zweiten oder dritten Betriebsmodus in Reaktion auf die ersten und zweiten Rückkopplungssignale zu steuern, um eine Übertragung von Energie von dem Eingang des Leistungswandlers zum Ausgang des Leistungswandlers zu steuern.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ausführungsformen beziehen sich auf eine Leistungswandlerschaltung und ein Verfahren zur Minimierung der durch den Leistungswandler verbrauchten Leerlaufleistung. Die Leistungswandlerschaltung beinhaltet einen Transformator und einen mit der Primärwicklung gekoppelten Hauptschalter. Der Hauptschalter wird durch eine gesteuerte Antriebsschaltung ein- und ausgeschaltet. Während der Hauptschalter eingeschaltet ist, ist ein Primärstromfluss durch die Primärwicklung möglich.
  • Ein Messimpuls wird genutzt, um den genauen Ausgangsspannungswert zu ermitteln, und der ermittelte Ausgangsspannungswert wird genutzt, um eine Last- oder Leerlaufbedingung zu ermitteln. Wird keine Last erkannt, so wird kurz nach dem vorangehenden Messimpuls ein sehr geringer Referenzimpuls erzeugt. Die Spitzenspannung des Referenzimpulses wird gemessen und das Ergebnis wird gespeichert. Alternativ können statt der Spitzenspannung des Referenzimpulses eine abgetastete Spannung an einem bestimmten Abschnitt des Referenzimpulses oder der Durchschnitt der Referenzimpulsspannung über eine bestimmte Zeit genutzt werden. Bei einigen Ausführungsformen wird die gemessene Spitzenspannung nach einer Analog-Digital-Umwandlung als ein digitaler Wert gespeichert. Nachdem der Referenzimpuls gemessen wurde, werden Erkennungsimpulse mit derselben „Größe“ wie der Referenzimpuls, beispielsweise derselben Menge an übertragener Energie und/oder demselben Primärspitzenstrom, mit einer Frequenz erzeugt, die gering genug ist, um die Eingangsleistung gering zu halten, und hoch genug, um eine ausreichende Lastreaktionszeit zu ermöglichen. In einigen Fällen können der Referenzimpuls und die Erkennungsimpulse so gering sein, dass die Erfassung der exakten Ausgangsspannung sehr schwierig oder unmöglich ist. Dennoch kann die gemessene Spitzenspannung genutzt werden, um eine Spannungsänderung am Ausgang zu erkennen. Da der Referenzimpuls und die Erkennungsimpulse dieselbe Energiemenge übertragen, ist die gemessene Spitzenspannung dieselbe, sofern keine Änderung der Ausgangsspannung vorliegt. Die Steuerung erkennt einen Spannungsabfall und einen Anstieg der Energieübertragung auf die Sekundärseite, indem sie das gespeicherte Ergebnis mit dem Ergebnis der Spitzenspannung nach jedem Erkennungsimpuls vergleicht. Bei einigen Ausführungsformen werden Messimpulse bei sehr geringer Frequenz ausgeführt, um die Ausgangsspannung nachzuprüfen. Die Messimpulse sollten so gering wie möglich sein, aber groß genug, um die exakte Ausgangsspannung erfassen zu können. Nach jedem Messimpuls werden ein neuer Referenzimpuls und verschiedene (einer oder mehrere) Erkennungsimpulse ausgeführt, wenn eine Leerlaufbedingung festgestellt wird.
  • Bei einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung eines Schaltnetzteils offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Konfigurieren eines Schaltnetzteils, das einen Transformator mit einer Primärwicklung, die mit einer Eingangsversorgungsspannung gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung, die mit einem Ausgang gekoppelt, einen mit der Primärwicklung in Reihe geschalteten Schalter und eine mit dem Schalter gekoppelte Steuerung beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erzeugen eines oder mehrerer Messimpulse durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters und das Messen einer jedem Messimpuls entsprechenden reflektierten Spannung, bis eine Leerlaufbedingung am Ausgang ermittelt wird, wobei die gemessene reflektierte Spannung proportional zu einer Ausgangsspannung des Schaltnetzteils ist. Das Verfahren beinhaltet ferner, nachdem die Leerlaufbedingung festgestellt wurde, das Erzeugen eines Referenzimpulses durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters und das Messen der dem Referenzimpuls entsprechenden reflektierten Spannung, wobei die dem Referenzimpuls entsprechende gemessene reflektierte Spannung eine reflektierte Basisspannung umfasst. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erzeugen eines oder mehrerer Erkennungsimpulse durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters und Messen der jedem Erkennungsimpuls entsprechenden reflektierten Spannung. Das Verfahren beinhaltet ferner das Vergleichen der jedem Erkennungsimpuls entsprechenden reflektierten Spannung mit der reflektierten Basisspannung, bis eine Differenz zwischen den beiden einen Schwellenwert überschreitet, woraufhin eine Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt wird.
  • Das Erzeugen jedes Messimpulses kann zu einer Energieübertragung auf eine Sekundärseite des Schaltnetzteils führen, die ausreicht, um die Ausgangsspannung gemäß der gemessenen reflektierten Spannung korrekt zu bestimmen. Das Erzeugen des Referenzimpulses kann zu einer Energieübertragung auf die Sekundärseite des Schaltnetzteils führen, wobei die dem Referenzimpuls entsprechende Energieübertragung geringer als die dem Messimpuls entsprechende Energieübertragung ist. Die dem Referenzimpuls entsprechende Energieübertragung kann unzureichend sein, um die Ausgangsspannung gemäß der gemessenen reflektierten Spannung korrekt zu bestimmen. Zwischen dem Erzeugen des reflektierten Impulses und dem Erzeugen eines ersten Erkennungsimpulses kann es eine Aus-Zeit geben, während derer die reflektierte Spannung auf nahezu null sinkt. Zwischen dem Erzeugen nachfolgender Erkennungsimpulse kann es eine Aus-Zeit geben, während derer die reflektierte Spannung auf nahezu null sinkt. Wird die Leerlaufbedingung festgestellt, so kann das Schaltnetzteil in einen Leerlauf-Betriebsmodus versetzt werden. Wird die Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt, so kann das Schaltnetzteil in einen Normallast-Betriebsmodus versetzt werden. Wird die Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt, so kann das Verfahren auch das Erzeugen eines weiteren Messimpulses, das Messen der dem weiteren Messimpuls entsprechenden reflektierten Spannung und das Bestimmen, ob eine Lastbedingung oder die Leerlaufbedingung am Ausgang vorliegt, gemäß der dem weiteren Messimpuls entsprechenden gemessenen reflektierten Spannung beinhalten. Die reflektierte Spannung kann eine Spannung an der Primärwicklung sein. Das Schaltnetzteil kann auch eine Hilfswicklung beinhalten, die mit der Steuerung elektrisch gekoppelt und mit der Sekundärwicklung magnetisch gekoppelt ist, wobei die reflektierte Spannung eine Spannung an der Hilfswicklung umfasst.
  • Bei einem anderen Aspekt wird ein weiteres Verfahren zur Steuerung eines Schaltnetzteils offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Konfigurieren eines Schaltnetzteils, das einen Transformator mit einer Primärwicklung, die mit einer Eingangsversorgungsspannung gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung, die mit einem Ausgang gekoppelt ist, einen mit der Primärwicklung in Reihe geschalteten Schalter und eine mit dem Schalter gekoppelte Steuerung umfasst. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erzeugen eines Messimpulses durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters und das Messen einer dem Messimpuls entsprechenden reflektierten Spannung, wobei die dem Messimpuls entsprechende gemessene reflektierte Spannung proportional zu einer Ausgangsspannung des Schaltnetzteils ist. Das Verfahren beinhaltet ferner das Feststellen einer Lastbedingung oder einer Leerlaufbedingung am Ausgang gemäß der dem Messimpuls entsprechenden gemessenen reflektierten Spannung. Wird die Lastbedingung festgestellt, so folgt das periodische Erzeugen zusätzlicher Messimpulse, bis die Leerlaufbedingung festgestellt wird. Wird die Leerlaufbedingung festgestellt, so folgen das Erzeugen eines Referenzimpulses durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters und das Messen der dem Referenzimpuls entsprechenden reflektierten Spannung, wobei die dem Referenzimpuls entsprechende gemessene reflektierte Spannung eine reflektierte Basisspannung umfasst; das Erzeugen eines Erkennungsimpulses durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters und das Messen der dem Erkennungsimpuls entsprechenden reflektierten Spannung; und das Vergleichen der dem Erkennungsimpuls entsprechenden reflektierten Spannung mit der reflektierten Basisspannung, und wenn eine Differenz zwischen der dem Erkennungsimpuls entsprechenden reflektierten Spannung und der reflektierten Basisspannung geringer als ein Schwellenwert ist, so wird festgestellt, dass die Leerlaufbedingung fortbesteht, und es wird ein weiterer Erkennungsimpuls erzeugt und verglichen, und wenn die Differenz größer als oder so groß wie der Schwellenwert ist, so wird festgestellt, dass eine Änderung der Leerlaufbedingung vorliegt.
  • Das Erzeugen des Messimpulses kann zu einer Energieübertragung auf eine Sekundärseite des Schaltnetzteils führen, die ausreichend ist, um die Ausgangsspannung gemäß der gemessenen reflektierten Spannung korrekt zu bestimmen. Das Erzeugen des Referenzimpulses kann zu einer Energieübertragung auf die Sekundärseite des Schaltnetzteils führen, wobei die dem Referenzimpuls entsprechende Energieübertragung geringer als die dem Messimpuls entsprechende Energieübertragung ist. Die dem Referenzimpuls entsprechende Energieübertragung kann unzureichend sein, um die Ausgangsspannung gemäß der gemessenen reflektierten Spannung korrekt festzustellen. Zwischen dem Erzeugen des reflektierten Impulses und dem Erzeugen des Erkennungsimpulses kann es eine Aus-Zeit geben, während derer die reflektierte Spannung auf nahezu null sinkt. Zwischen dem Erzeugen nachfolgender Erkennungsimpulse kann es eine Aus-Zeit geben, während derer die reflektierte Spannung auf nahezu null sinkt. Wird die Leerlaufbedingung festgestellt, so kann das Schaltnetzteil in einen Leerlauf-Betriebsmodus versetzt werden. Wird die Lastbedingung festgestellt, so kann das Schaltnetzteil in einen Normallast-Betriebsmodus versetzt werden. Wird die Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt, so kann das Schaltnetzteil in einen Normallast-Betriebsmodus versetzt werden. Wird die Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt, so kann das Verfahren auch das Erzeugen eines weiteren Messimpulses, das Messen der dem weiteren Messimpuls entsprechenden reflektierten Spannung und das Bestimmen, ob die Lastbedingung oder die Leerlaufbedingung am Ausgang vorliegt, gemäß der dem weiteren Messimpuls entsprechenden gemessenen reflektierten Spannung beinhalten. Die reflektierte Spannung kann eine Spannung an der Primärwicklung sein. Das Schaltnetzteil kann auch eine Hilfswicklung beinhalten, die mit der Steuerung elektrisch gekoppelt und mit der Sekundärwicklung magnetisch gekoppelt ist, wobei die reflektierte Spannung eine Spannung an der Hilfswicklung umfasst.
  • Bei einem weiteren Aspekt wird ein Schaltnetzteil offenbart. Das Schaltnetzteil beinhaltet einen Transformator, einen Schalter und eine Steuerung. Der Transformator weist eine Primärwicklung, die mit einer Eingangsversorgungsspannung gekoppelt ist, und eine Sekundärwicklung, die mit einem Ausgang gekoppelt ist, auf. Der Schalter ist mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet. Die Steuerung ist mit dem Schalter gekoppelt, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie den Schalter ein- und ausschaltet. Die Steuerung ist ferner so konfiguriert, dass sie durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters und Messen einer jedem Messimpuls entsprechenden reflektierten Spannung einen oder mehrere Messimpulse erzeugt, bis eine Leerlaufbedingung am Ausgang festgestellt wird, wobei die gemessene reflektierte Spannung proportional zu einer Ausgangsspannung des Schaltnetzteils ist; und nachdem die Leerlaufbedingung festgestellt wurde, durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters und Messen der dem Referenzimpuls entsprechenden reflektierten Spannung einen Referenzimpuls erzeugt, wobei die dem Referenzimpuls entsprechende gemessene reflektierte Spannung eine reflektierte Basisspannung umfasst; und durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters und Messen der jedem Erkennungsimpuls entsprechenden reflektierten Spannung einen oder mehrere Erkennungsimpulse erzeugt und die jedem Erkennungsimpuls entsprechende reflektierte Spannung mit der reflektierten Basisspannung vergleicht, bis eine Differenz zwischen den beiden einen Schwellenwert überschreitet, woraufhin eine Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt wird.
  • Figurenliste
  • Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile beziehen. Die beispielhaften Ausführungsformen sollen die Erfindung erläutern aber nicht einschränken. Es zeigen:
    • 1 eine Leistungswandlerschaltung nach einer Ausführungsform,
    • 2 den Leistungswandler aus 1 mit einer beispielhaften Konfiguration der Leistungsversorgungsschaltung 50 nach einer Ausführungsform,
    • 3A jeweils einen beispielhaften Mess-, Referenz- und Erkennungsimpuls, die sich auf einen Leerlaufbetrieb der Leistungswandlerschaltung aus 1 nach einer Ausführungsform beziehen,
    • 3B den Messimpuls aus 3A nach einer Ausführungsform in detaillierterer Form,
    • 3C den Referenzimpuls aus 3A nach einer Ausführungsform in detaillierterer Form,
    • 3D den Erkennungsimpuls aus 3A nach einer Ausführungsform in detaillierterer Form,
    • 3E eine Fortführung des Impulsschemas aus 3A nach einer Ausführungsform,
    • 3F eine erweiterte Ansicht eines Abschnitts der Wellenformen aus 3E,
    • 4 eine Leistungswandlerschaltung nach einer weiteren Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
  • Ausführungsformen der vorliegenden Anwendung beziehen sich auf einen Leistungswandler. Der Fachmann wird erkennen, dass die folgende detaillierte Beschreibung des Leistungswandlers lediglich der Erläuterung dient und in keiner Weise einschränkend ist. Andere Ausführungsformen des Leistungswandlers werden sich dem Fachmann, dem diese Offenbarung vorliegt, ohne Weiteres erschließen.
  • Im Folgenden wird genauer auf verschiedene Ausführungen des Leistungswandlers, wie er in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, Bezug genommen. In den Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung werden für dieselben oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Einfachheit halber sind nicht alle Standardmerkmale der hierin beschriebenen Ausführungen dargestellt und beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Entwicklung einer jeglichen tatsächlichen Ausführung zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie beispielsweise die Anpassung an anwendungs- und geschäftsbezügliche Vorgaben, und dass sich diese spezifischen Ziele je nach Ausführung und je nach Entwickler unterscheiden.
  • Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass ein entsprechender Entwicklungsvorgang energie- und zeitaufwändig sein kann, für einen Fachmann, dem diese Offenbarung vorliegt, jedoch einen Routinevorgang darstellt.
  • 1 zeigt eine Leistungswandlerschaltung nach einer Ausführungsform. Der Leistungswandler 10 ist so konfiguriert, dass er ein Signal mit einer ungeregelten Gleichspannung Vin empfängt und eine geregelte Ausgangsspannung Vout bereitstellt. Die Eingangsspannung der Schaltung kann ungeregelte Gleichspannung sein, die von einer Wechselstromquelle abgeleitet und gleichgerichtet wurde. Die Eingangsspannung wird in der Regel gefiltert, beispielsweise über einen Kondensator 12. Bei einigen Ausführungsformen ist der Ausgangsspannungspegel für zahlreiche Niederspannungsgeräte, wie beispielsweise Computerlaptops, Mobiltelefone und andere Handgeräte, geeignet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Ausgangsspannung Vout auf 10 V oder weniger eingestellt. Alternativ kann der Leistungswandler 10 eine Ausgangsspannung Vout bereitstellen, die größer als 10 VDC ist.
  • Der Leistungswandler 10 ist als ein Abwärtswandler konfiguriert. Bei einigen Ausführungsformen ist der Leistungswandler so konfiguriert, dass er Eigenschaften eines Sperrwandlers beinhaltet. Im Allgemeinen kann der Leistungswandler Konfigurationen von Schaltnetzteilen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, beinhalten. Der Leistungswandler 10 beinhaltet einen Trenntransformator 14 mit einer Primärwicklung P1 und einer Sekundärwicklung Sl, einen Hauptschalter 16, einen Widerstand 18, eine Antriebsschaltung 20, eine Steuerung 22 und eine Erfassungsschaltung. Die Primärwicklung P1 ist mit der Eingangsspannung Vin, dem Hauptschalter 16 und einer Entstörschaltung 30 gekoppelt. Die Entstörschaltung 30 ist so konfiguriert, dass sie hohe Spitzenspannungen am Hauptschalter 16 verhindert und elektromagnetische Interferenz (EMI) reduziert. Der Widerstand 18 ist ein Shuntwiderstand und dient dazu, einen Spitzenprimärstromfluss durch die Primärwicklung P1 einzustellen. Der Hauptschalter 16 ist eine geeignete Schaltvorrichtung. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Schalter 16 eine n-leitende Metal-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor-Vorrichtung (MOSFET-Vorrichtung). Alternativ ist der Schalter 16 durch eine jegliche andere, dem Fachmann bekannte Halbleiter-Schaltvorrichtung ersetzbar. Der Transistor 16 wird durch die Steuerung 22 gesteuert, um eine gewünschte Ausgangsspannung Vout aufrechtzuerhalten. Die Steuerung 22 steuert den Transistor 16 mit der Antriebsschaltung 20. Bei einigen Ausführungsformen ist die Antriebsschaltung 20 eine Pulsweitenmodulationsschaltung (PWM-Schaltung). Die Steuerung 22 regelt den Tastgrad des Transistors 16 mit der PWM-Schaltung.
  • Mit der Sekundärwicklung S1 gekoppelt ist eine Ausgangsschaltung gekoppelt. Die Ausgangsschaltung beinhaltet eine Diode 24 und einen Kondensator 26. Die Sekundärwicklungsspannung wird mittels der Diode 24 und des Kondensators 26 gleichgerichtet und gefiltert, wobei die Ausgangsspannung Vout an eine Last 28 abgegeben wird.
  • Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Erfassungsschaltung eine Hilfswicklung 32, die eine weitere Wicklung auf der Primärseite des Transformators 14 ist. Die Hilfswicklung 32 ist mit der Sekundärwicklung S1 magnetisch gekoppelt und von der Primärwicklung P1 elektrisch isoliert. Die Erfassungsschaltung beinhaltet ferner eine Spannungserkennungsschaltung 36 und eine Leistungsversorgungsschaltung 50. Die Spannungserkennung 36 misst eine Spannung Vaux an der Hilfswicklung 32 und überträgt die gemessene Hilfswicklungsspannung Vaux an die Steuerung 22.
  • Die Leistungsversorgungsschaltung 50 ist so konfiguriert, dass sie die Steuerung 22 mit Leistung versorgt. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Leistungsversorgungsschaltung 50 ein Paar Transistoren und einen Kondensator, wobei die Transistoren durch die Steuerung 22 gesteuert werden, um einen Stromfluss von der Hilfswicklung 32 zum Kondensator zum Speichern von Energie, die zu Versorgung der Steuerung 22 genutzt wird, zu ermöglichen. 2 zeigt den Leistungswandler 10 aus 1 mit einer beispielhaften Konfiguration der Leistungsversorgungsschaltung 50 nach einer Ausführungsform. Bei der beispielhaften Konfiguration in 2 beinhaltet die Leistungsversorgungsschaltung 50 einen Widerstand 38, eine Diode 40, einen Transistor 42, einen Transistor 44 und einen Kondensator 46. Der Widerstand 38 und die Diode 40 sind mit der Hilfswicklung 32 in Reihe geschaltet und dienen dazu, Strom von der Hilfswicklung 32 an die Erfassungsschaltung und die Steuerung 22 abzugeben.
  • Der Kondensator 46 speichert Energie, während der Versorgungsstrom über die Diode 40 und den Widerstand 38 abgegeben wird, und versorgt zwischen Impulsen die Steuerung 22. Die Transistoren 42 und 44 ermöglichen das Ein- und Ausschalten des Versorgungsstroms durch die Diode 40 und den Widerstand 38. Die Transistoren 42 und 44 werden durch die Steuerung 22 gesteuert. Die Leistungsversorgungsschaltung 50 kann auch ohne Transistoren 42 und 44 funktionieren, dann muss allerdings der Mindestimpuls ein wenig größer sein, da etwas Energie an die Steuerung 22 übertragen wird. Durch die Einbeziehung der Transistoren 42 und 44 kann die Steuerung 22 steuern, wann Strom zur Versorgung, die dem Kondensator 46 entspricht, fließt. Bei einigen Ausführungsformen werden die Transistoren 42 und 44 während des Abtastens der Ausgangsspannung ausgeschaltet, da dann das Abtasten der Ausgangsspannung genauer ist. In einigen Fällen können die Transistoren 42 und 44 während des Abtastens eingeschaltet sein, um zu gewährleisten, dass die Steuerung 22 genügend Versorgungsleistung erhält. Dies sollte mit größeren Impulsen bei geringer Frequenz erfolgen.
  • Im Betrieb bilden der Transformator 14 und die parasitären Kapazitäten des Transformators 14 und des Hauptschalters 16 einen Schwingkreis. Es versteht sich, dass der Schwingkreis andere Bauteile beinhalten kann, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, Sekundärdiodenkapazität, Entstörschaltung, sofern vorhanden, sowie Kapazität und Induktivität von Bahnen auf der Platine. Um Energie auf die Sekundärseite der Leistungswandlerschaltung zu übertragen, muss die Spannungsamplitude der ersten Oszillationswelle an der Sekundärwicklung S1 die Ausgangsspannung Vout plus den Spannungsabfall an der Diode 24 erreichen. Ist die am Transformator 14 übertragene Energie zu gering ist, so wird die Energie durch die Störeffekte verbraucht. In diesem Fall bleibt die Spannung an der Sekundärwicklung S1 unterhalb des kritischen Werts der Ausgangsspannung Vout plus des Spannungsabfalls an der Diode 24 und es gibt keinen Sekundärstrom durch die Diode 24. Ohne Sekundärstrom sind die Spannung an der Sekundärwicklung S1 und damit die Spannung an der Primärwicklung P1 unabhängig von der Ausgangsspannung Vout und die Ausgangsspannung Vout kann nicht erkannt werden. Der Wert der Ausgangsspannung Vout wird von der Steuerung 22 genutzt, um eine oder mehrere Steuerungsfunktionen auszuführen.
  • Es wird ein Impulsschema zur Minimierung der durch den Leistungswandler verbrauchten Leerlaufleistung umgesetzt. Die Steuerung 22 treibt die Antriebsschaltung 20 selektiv an, um eine Reihe von Steuerimpulsen zu Ein- und Ausschalten des Hauptschalters 16 zu erzeugen. Die Steuerimpulse führen zu entsprechenden reflektierten Spannungsimpulsen, die Impulse der durch die Spannungserkennung 36 gemessenen Hilfsspannung Vaux sind. Das Impulsschema führt zu drei verschiedenen Arten reflektierter Spannungsimpulse, die für den Leerlaufbetrieb relevant sind. Die drei Impulsarten für den Leerlaufbetrieb werden als Messimpuls, Referenzimpuls und Erkennungsimpuls bezeichnet. 3A zeigt jeweils einen beispielhaften Mess-, Referenz- und Erkennungsimpuls, die sich auf den Leerlaufbetrieb der Leistungswandlerschaltung aus 1 nach einer Ausführungsform beziehen. Die in 3A dargestellte Wellenform zeigt die gemessene Hilfsspannung Vaux gegen die Zeit. Die beispielhafte Wellenform beinhaltet einen Messimpuls 100, einen Referenzimpuls 110 und einen Erkennungsimpuls 120. Jeder Impuls wird durch kurzes Einschalten des Hauptschalters 16 ausgelöst, wie später genauer beschrieben wird. Wie in 3A dargestellt, wird der Messimpuls 100 bei etwa 20,0 ms ausgelöst. Der Messimpuls 100 wird von der Steuerung 22 genutzt, um die Ausgangsspannung Vout über die Hilfswicklung 32 zu messen, wobei die Ausgangsspannung Vout proportional zur Hilfsspannung Vaux ist. Die gemessene Hilfsspannung Vaux wird genutzt um festzustellen, ob eine Leerlaufbedingung vorliegt. Bei diesem Beispiel zeigt der Messimpuls 100 eine Leerlaufbedingung an, da die Hilfsspannung Vaux hoch ist, obwohl die Ausgangsleistung vor dem Messimpuls gering war. Im Allgemeinen ist jedes herkömmliche Verfahren zur Erkennung, ob eine Leerlaufbedingung vorliegt, verwendbar. Das Verfahren hängt vom Regelkreis unter Normallastbedingung ab. Beispiele für die Erkennung einer Leerlaufbedingung beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, wenn die Ausgangsspannung eine bestimmte Spannung überschreitet, wenn die Steuerung einen minimalen Normallast-Tastgrad aufweist und die Ausgangsspannung steigt, wenn die Steuerung einen minimalen Normallast-Tastgrad aufweist und die Ausgangsspannung einen bestimmten Pegel überschreitet oder wenn eine Spannung/ein Strom im Regelkreis einen Pegel erreicht, der anzeigt, dass die Steuerung die Mindestausgangsleistung erreicht hat, die Ausgangsleistung allerdings weiter verringert werden soll. Da eine Leerlaufbedingung festgestellt wurde, wird eine Aus-Zeit erzeugt, die lang genug ist, um die Oszillation der Hilfsspannung Vaux auf einen Wert sinken zu lassen, der niedrig genug ist, dass deren Einfluss auf den nächsten Impuls vernachlässigbar ist, wie beispielsweise zum Zeitpunkt t1, der etwa der Zeit 20,1 ms entspricht. Die Aus-Zeit ist eine Zeitdauer, während derer der Hauptschalter 16 ausgeschaltet bleibt. Die Hilfsspannung Vaux schwingt aufgrund des Schwingkreises, der durch den Hauptschalter 16 und den Transformator 14 ausgebildet ist.
  • Zum Zeitpunkt t1 wird anschließend durch kurzes Einschalten des Hauptschalters 16 der Referenzimpuls 110 erzeugt. Sobald der Hauptschalter 16 ausgeschaltet ist, wird die Hilfsspannung Vaux gemessen, um die Spitzenspannung des Referenzimpulses 110 zu bestimmen. Nachdem der Referenzimpuls 110 ausgelöst und der Hauptschalter 16 ausgeschaltet sind, wird eine weitere Aus-Zeit bis zum Zeitpunkt t2, der etwa der Zeit 21,1 ms entspricht, aufrechterhalten. Die Länge der Aus-Zeit wird durch die geforderte Lastreaktionszeit bestimmt. Sie kann durch den Entwickler festgelegt werden. Ist eine schnelle Reaktion auf den Lastwechsel gefordert, so muss die Aus-Zeit kurz sein, in diesem Fall ist die Leerlaufleistung jedoch höher, als wenn eine längere Lastreaktion möglich ist, die eine längere Aus-Zeit erlaubt.
  • Zum Zeitpunkt t2 wird anschließend durch kurzes Einschalten des Hauptschalters 16 der Erkennungsimpuls erzeugt. Vorzugsweise ist die Energie, die infolge der Auslösung des Erkennungsimpulses auf die Sekundärseite übertragen wird, dieselbe oder fast dieselbe wie die Energie, die durch die Auslösung des Referenzimpulses übertragen wird. Die Auslösung des Referenzimpulses und des Erkennungsimpuls erfolgt durch Einschalten des Hauptschalters 16. Die Menge der durch die Auslösung des Referenzimpulses übertragenen Energie hängt von der Ein-Zeit des Hauptschalters 16 während der Auslösung des Referenzimpulses ab. Gleichermaßen hängt die Menge der durch die Auslösung des Erkennungsimpulses übertragenen Energie von der Ein-Zeit des Hauptschalters 16 während der Auslösung des Erkennungsimpulses ab. Da die dem Referenzimpuls entsprechende Energieübertragung dieselbe oder nahezu dieselbe wie die dem Erkennungsimpuls entsprechende Energieübertragung ist, ist die Spitzenspannung der nach dem Erkennungsimpuls gemessenen Hilfsspannung Vaux dieselbe oder nahezu dieselbe wie die Spitzenspannung nach dem Referenzimpuls, wenn die Ausgangsspannung unverändert bleibt. Eine unveränderte Ausgangsspannung zeigt an, dass die Leerlaufbedingung aufrechterhalten bleibt. Im Fall eines Spannungsabfalls, beispielsweise aufgrund eines Lastwechsels, wird die Spitzenspannung nach einem Erkennungsimpuls kleiner als die Spitzenspannung nach dem Referenzimpuls. Dementsprechend kann die Steuerung 22 die Spitzenspannung der gemessenen Hilfsspannung Vaux nutzen, um festzustellen, ob die Ausgangsspannung gefallen ist, und somit ermitteln, ob sich die Lastbedingung verändert hat.
  • 3B zeigt den Messimpuls 100 aus 3A nach einer Ausführungsform in detaillierterer Form. Der Messimpuls wird durch ausgelöst, indem der Hauptschalter 16 zum Zeitpunkt t0, der etwa der Zeit 20,0002 ms entspricht, eingeschaltet wird. Der Hauptschalter 16 bleibt lang genug eingeschaltet um zu gewährleisten, dass genügend Energie auf die Sekundärseite übertragen wurde, um die Ausgangsspannung Vout über die Hilfsspannung Vaux an der Hilfswicklung 32 messen zu können. In dem in 3B dargestellten Beispiel ist der Hauptschalter 16 vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t3 eingeschaltet, wobei Zeitpunkt t3 etwa der Zeit 20,001 ms entspricht. Wenn der Hauptschalter 16 ab der Zeit 20,001 ms (Zeitpunkt t3) ausgeschaltet ist, steigt die Spannung an der Sekundärwicklung, die proportional zu der in 3B dargestellten Hilfsspannung Vaux ist, weit genug an, um einen ausreichenden Stromfluss durch die Sekundärwicklung zum Ausgang zu ermöglichen, um die Mindestenergie, die zum Messen der Ausgangsspannung Vout benötigt wird, auf die Sekundärseite zu übertragen. Dieser Energieübertragungszeitraum dauert vom Zeitpunkt t3, der etwa der Zeit 20,0015 ms entspricht, bis zum Zeitpunkt t5, der etwa der Zeit 20,0046 ms entspricht. Innerhalb dieses Zeitraums vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t5 treten an der Hilfswicklung zunächst eine gewisse Spannungsüberhöhung und Oszillation aufgrund von Streuinduktivität auf. Dieser Überhöhungs- und Oszillationszeitraum erstreckt sich vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4, wobei Zeitpunkt t4 etwa 20,0028 ms entspricht. Nach dem Zeitpunkt t4 ist die Hilfsspannung Vaux bis zum Zeitpunkt t5 proportional zur Ausgangsspannung Vout. Bei einigen Ausführungsformen ist die Hilfsspannung Vaux gleich oder nahezu gleich der Summe der Ausgangsspannung Vout plus der Durchflussspannung der Sekundärdiode multipliziert mit dem Übertragungsverhältnis der Hilfswicklung zur Sekundärwicklung. Dementsprechend kann die Steuerung 22 etwa zwischen der Zeit 20,0028 (Zeitpunkt t4) und der Zeit 20,0046 ms (Zeitpunkt t5) die Ausgangsspannung anhand der gemessenen Hilfsspannung Vaux bestimmen.
  • 3C zeigt den Referenzimpuls 110 aus 3A nach einer Ausführungsform in detaillierterer Form. Der Referenzimpuls wird ausgelöst, indem der Hauptschalter 16 zum Zeitpunkt t1, der etwa der Zeit 20,1003 ms entspricht, eingeschaltet wird. Der Hauptschalter 16 bleibt lang genug eingeschaltet, um eine sehr geringe Energiemenge auf die Sekundärseite zu übertragen. Es muss eine gewisse Energieübertragung auf die Sekundärseite geben, die größer als null ist. Die übertragene Energie sollte so gering wie möglich sein, um die Leerlaufleistung so gering wie möglich zu halten. In dem in 3C dargestellten Beispiel ist der Hauptschalter 16 vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t6 eingeschaltet, wobei Zeitpunkt t6 etwa der Zeit 20,1004 ms entspricht. Die Ein-Zeit zum Erzeugen des Referenzimpulses 110 ist kürzer als die Ein-Zeit zum Erzeugen des Messimpulses 100, weshalb im Zusammenhang mit dem Referenzimpuls 110 weniger Energie auf die Sekundärseite übertragen wird als im Zusammenhang mit dem Messimpuls 100. Wenn der Hauptschalter 16 ab der Zeit 20,1004 ms (Zeitpunkt t6) ausgeschaltet ist, steigt die Spannung an der Sekundärwicklung, die proportional zu der in 3C dargestellten Hilfsspannung Vaux ist, weit genug an, um einen Stromfluss durch die Sekundärwicklung zum Ausgang zu ermöglichen. Der Stromfluss ist ab dem Zeitpunkt t7, der etwa der Zeit 20,1009 ms, bis zum Zeitpunkt t9, der etwa der Zeit 20,1016 ms entspricht, möglich. Es gibt keinen Punkt, an dem die Hilfsspannung Vaux indikativ für die Ausgangsspannung Vout ist. Dennoch wird die Ausgangsspannung Vout beeinflusst, während der Strom durch die Sekundärwicklung zum Ausgang fließt, und insofern wird auch die Hilfsspannung Vaux beeinflusst, während der Strom durch die Sekundärwicklung fließt. Daher verändert sich die Spitzenhilfsspannung Vaux zum Zeitpunkt t8, wenn sich die Ausgangsspannung verändert.
  • 3D zeigt den in 3A dargestellten Erkennungsimpuls 120 nach einer Ausführungsform in detaillierterer Form. Der Erkennungsimpuls wird ausgelöst, indem der Hauptschalter 16 zum Zeitpunkt t2, der etwa der Zeit 21,10025 ms entspricht, eingeschaltet wird. Der Hauptschalter 16 bleibt lang genug eingeschaltet, um eine sehr geringe Energiemenge auf die Sekundärseite zu übertragen. Es muss eine gewisse Energieübertragung auf die Sekundärseite geben, die größer als null ist. Die übertragene Energie sollte so gering wie möglich sein, um die Leerlaufleistung so gering wie möglich zu halten. In dem in 3D dargestellten Beispiel ist der Hauptschalter 16 vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t10 eingeschaltet. Wenn der Hauptschalter 16 ab dem Zeitpunkt t10 ausgeschaltet ist, steigt die Spannung an der Sekundärwicklung, die proportional zu der in 3D dargestellten Hilfsspannung Vaux ist, weit genug an, um einen Stromfluss durch die Sekundärwicklung zum Ausgang zu ermöglichen. Der Stromfluss ist zum Zeitpunkt t11, der etwa der Zeit 21,10009 ms, bis zum Zeitpunkt t13, der etwa der Zeit 21,10165 ms entspricht, möglich. Wie beim Referenzimpuls gibt es keinen Punkt beim Erkennungsimpuls, an dem die Hilfsspannung Vaux indikativ für die Ausgangsspannung Vout ist. Dennoch wird die Ausgangsspannung Vout beeinflusst, während der Strom durch die Sekundärwicklung zum Ausgang fließt, und insofern wird auch die Hilfsspannung Vaux beeinflusst, während der Strom durch die Sekundärwicklung fließt. Daher verändert sich die Spitzenhilfsspannung Vaux zum Zeitpunkt t12, wenn sich die Ausgangsspannung verändert.
  • Die Steuerung 22 vergleicht die für den Erkennungsimpuls gemessene Spitzenspannung mit der für den Referenzimpuls gemessenen Spitzenspannung. Sind die Spitzenspannungen dieselben, so wird festgestellt, dass die Leerlaufbedingung am Ausgang fortbesteht. Wird dagegen festgestellt, dass die Spitzenspannungen unterschiedlich sind, so wird festgestellt, dass sich die Leerlaufbedingung am Ausgang geändert hat. Bei der in 3A, 3B und 3C dargestellten beispielhaften Wellenform gibt es keine Änderung der Leerlaufbedingung am Ausgang, weshalb die Ausgangsspannung Vout unverändert bleibt. Daher weist der Erkennungsimpuls 120 dieselbe Wellenform und dieselbe Spitzenspannung wie der Referenzimpuls 110 auf. Anhand dieser Methode lässt sich durch Messen und Vergleichen der Spitzenspannung des Referenzimpulses und des Erkennungsimpulses feststellen, ob die Ausgangsspannung Vout unverändert ist.
  • Während die Leerlaufbedingung unverändert bleibt, werden zusätzliche, jeweils durch eine Aus-Zeit voneinander getrennte Erkennungsimpulse erzeugt, bis eine Änderung der Ausgangsspannung Vout und somit eine Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt wird. 3E zeigt eine Fortsetzung des in 3A dargestellten Impulsschemas nach einer Ausführungsform. Zusätzlich zur Hilfsspannung Vaux beinhaltet 3E ferner eine der Ausgangsspannung Vout entsprechende beispielhafte Wellenform. 3F zeigt eine erweiterte Ansicht eines Abschnitts der in 3E dargestellten Wellenformen. Nachfolgende Erkennungsimpulse 130, 140 und 150 werden auf einer periodischen Grundlage generiert, wobei jeder einer Ausgangsspannung Vout entspricht. Bei diesem Beispiel bleibt die Ausgangsspannung Vout konstant bei 5 V. Die konstante Ausgangsspannung Vout stellt keine Änderung der Leerlaufbedingung am Ausgang dar. In diesem Beispielfall besteht die Leerlaufbedingung bis zum Zeitpunkt t14, der etwa der Zeit 25 ms entspricht. Bis zum Zeitpunkt t14 ist die Spitzenspannung für jeden Erkennungsimpuls 120, 130, 140 und 150 dieselbe. Vom Zeitpunkt t14 bis zum Zeitpunkt t18, wobei Zeitpunkt t18 etwa der Zeit 26,12 entspricht, sinkt die Ausgangsspannung Vout von 5 V auf 4,87 V.
  • Zum Zeitpunkt t15, der etwa der Zeit 25,1 ms entspricht, wird ein planmäßiger Erkennungsimpuls 160 erzeugt. Da der Erkennungsimpuls 160 so nah am Beginn des Abfalls der Ausgangsspannung Vout erzeugt wird, unterscheidet sich die dem Erkennungsimpuls 160 entsprechende Spitzenspannung nur geringfügig von der dem Referenzimpuls 110 entsprechenden Spitzenspannung. Bei einigen Ausführungsformen sieht der Vergleich zwischen Spitzenspannungen des Referenzimpulses und eines gegebenen Erkennungsimpulses geringfügige Änderungen, beispielsweise durch Zufallsrauschen und andere Schaltungsanomalien, vor. In diesem Fall wird eine Schwelle eingeführt, wobei die Differenz zwischen Spitzenspannungen die Schwelle überschreiten muss, damit eine Änderung der Ausgangsspannung bestätigt wird. Bei Anwendung auf den Erkennungsimpuls 160 überschreitet die Differenz zwischen der Spitzenspannung des Erkennungsimpulses 160 und der Spitzenspannung des Referenzimpulses 110 die eingeführte Schwelle nicht. Somit reagiert die Steuerung 22 nicht auf den Spannungsabfall.
  • Zum Zeitpunkt t16 (3F), der etwa der Zeit 26,1 ms entspricht, wird ein nächster planmäßiger Erkennungsimpuls 170 erzeugt. Zum Zeitpunkt, an dem der Erkennungsimpuls 170 erzeugt wird, ist die Ausgangsspannung Vout um einen solchen Wert gesunken, dass die Differenz zwischen der dem Erkennungsimpuls 170 entsprechenden Spitzenspannung und der dem Referenzimpuls 110 entsprechenden Spitzenspannung den Schwellenwert überschreitet. Somit stellt die Steuerung 22 fest, dass eine Änderung der Leerlaufbedingung am Ausgang vorliegt. Als Reaktion auf diese Feststellung wird zum Zeitpunkt t17, der etwa der Zeit 26,12 ms entspricht, ein Messimpuls 180 erzeugt.
  • Wie oben beschrieben ermöglicht ein Messimpuls, dass genügend Energie auf die Sekundärseite übertragen wird, sodass die Ausgangsspannung Vout durch Messung der Hilfsspannung Vaux korrekt messbar ist. Als Reaktion auf den Messimpuls 180 wird festgestellt, dass die Ausgangsspannung Vout unterhalb der gewünschten 5 V liegt. Somit erhöht die Steuerung 22 die Ausgangsleistung, um die Ausgangsspannung Vout zu erhöhen. An diesem Punkt befindet sich die Steuerung 22 im Normallast-Modus, bis erneut ein Leerlauf festgestellt wird. Bei einigen Ausführungsformen wechselt das System nach dem Messimpuls 180 in den Normallast-Modus. Bei anderen Ausführungsformen wechselt das System nach dem Erkennungsimpuls 170 und vor dem Messimpuls 180 in den Normallast-Modus. Im Normallast-Modus werden nachfolgende Messimpulse ähnlich dem Messimpuls 100 in 3A erzeugt, um eine Leerlaufbedingung festzustellen. Die Messimpulse, wie beispielsweise die in 3F dargestellten Messimpulse 190, 200, 210 und 220, werden mit einer höheren Frequenz als die Erkennungsimpulse erzeugt. Die Messimpulse 190, 200, 210 und 220 im Normallast-Modus sind mindestens so groß wie der Messimpuls 100.
  • Im Betrieb wird ein Messimpuls erzeugt, um festzustellen, ob eine Last- oder eine Leerlaufbedingung am Ausgang vorliegt. Der Messimpuls ermöglicht eine ausreichende Energieübertragung auf die Sekundärseite, um die Feststellung einer exakten Ausgangsspannung gemäß einer gemessenen reflektierten Spannung, wie beispielsweise der Hilfsspannung, zu ermöglichen. Wird das Vorliegen einer Lastbedingung festgestellt, so wird das System weiterhin im Normallast-Modus betrieben und es wird nach einer geplanten Zeitdauer ein weiterer Messimpuls erzeugt. Wird dagegen das Vorliegen einer Leerlaufbedingung festgestellt, so wechselt das System in einen Leerlauf-Betriebsmodus. Befindet sich das System im Leerlaufmodus, so muss festgestellt werden, wann eine Last mit dem Ausgang gekoppelt wird, sodass das System zurück in den Normallast-Betriebsmodus zurückkehren kann. Nach dem Messimpuls, der die Leerlaufbedingung festgestellt hat, wird ein Referenzimpuls erzeugt. Der Referenzimpuls dient dazu, einen Basishilfsspannungswert, wie beispielsweise eine Spitzenspannung, zu ermitteln. Der Referenzimpuls führt zu einer geringeren Energieübertragung als der Messimpuls. Die aufgrund des Referenzimpulses übertragene Energie ist unzureichend, um eine exakte Berechnung der Ausgangsspannung zu ermöglichen. Allerdings lassen sich die relativen Änderungen der Spitzenspannung bestimmen. Eine Änderung der Spitzenspannung weist auf eine Änderung der Leerlaufbedingung hin. Um Änderungen der Spitzenspannung festzustellen, werden periodisch Erkennungsimpulse erzeugt, nachdem die Basisspitzenspannung mittels des Referenzimpulses ermittelt wurde. Die Spitzenspannung für den Erkennungsimpuls wird mit der Spitzenspannung für den Referenzimpuls verglichen. Unterscheidet sich die Spitzenspannung für den Erkennungsimpuls von der Spitzenspannung für den Referenzimpuls oder überschreitet sie eine gewisse Schwellendifferenz, so wird festgestellt, dass sich die Leerlaufbedingung geändert hat, und es wird ein Messimpuls erzeugt, um die exakte Ausgangsspannung zu bestimmen. Ist die Ausgangsspannung unter einen bestimmten Wert gesunken, so wechselt das System in den Normallast-Modus und erhöht die Ausgangsleistung. Ist die Spitzenspannung für den Erkennungsimpuls dagegen dieselbe wie Spitzenspannung für den Referenzimpuls oder liegt sie innerhalb einer gewissen Schwellendifferenz, so wird festgestellt, dass die Leerlaufbedingung fortbesteht. Das System bleibt im Leerlauf-Betriebsmodus und es wird periodisch ein weiterer Erkennungsimpuls erzeugt.
  • Der Leistungswandler 10 aus 1 ist so konfiguriert, dass er die Hilfswicklungsspannung Vaux misst und vergleicht, um eine Änderung der Leerlaufbedingung am Ausgang festzustellen. Im Allgemeinen lässt sich eine Änderung der Leerlaufbedingung durch Überwachung einer reflektierten Spannung auf der Primärseite der Schaltung feststellen. Somit ist der Leistungswandler alternativ auch ohne die Hilfswicklung konfigurierbar, wobei stattdessen die Primärwicklung gemessen und verglichen wird, um eine Änderung der Leerlaufbedingung am Ausgang festzustellen. 4 zeigt einen Leistungswandler 200 nach einer weiteren Ausführungsform. Der Leistungswandler 200 ist ähnlich wie der Leistungswandler 10 aus 1 konfiguriert und funktioniert ähnlich wie dieser, mit der Ausnahme, dass der Leistungswandler 200 keine Hilfswicklung beinhaltet. Stattdessen misst die Spannungserkennung 236 eine Spannung Vd an der Primärwicklung P1 und überträgt die gemessene Spannung Vd an die Steuerung 222. Bei der beispielhaften Konfiguration aus 4 ist die Leistungsversorgungsschaltung 250 mit der Eingangsspannung Vin gekoppelt. Der Leistungswandler 200 funktioniert ähnlich wie der Leistungswandler 10 aus 1, um eine Änderung der Leerlaufbedingung am Ausgang festzustellen.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird die Versorgungsspannung für die Steuerung von einer Wicklung des Transformators abgeleitet. In diesem Fall kann der Stromverbrauch der Steuerung einen großen Einfluss auf die reflektierte Spannung, die zur Feststellung einer Änderung der Leerlaufbedingung gemessen und verglichen wird, haben. Um diesen Einfluss zu minimieren, kann die Wicklung von der Steuerungsversorgung getrennt werden, während die reflektierte Spannung abgetastet wird. Die Wicklung muss über eine gewisse Zeit mit der Steuerungsversorgung verbunden sein, um der Steuerung genügend Energie bereitzustellen. Daher kann zwischen der Wicklung und der Steuerungsversorgung ein Schalter vorgesehen sein. Im Fall des oben beschriebenen Impulsschemas trennt dieser Schalter vorzugsweise die Wicklung von der Steuerungsversorgung, während die reflektierte Spannung für die Referenzimpulse und die Erkennungsimpulse gemessen wird. Für Messimpulse ist die Wicklung während eines Anfangsabschnitts von Messimpulsen mit der Steuerungsversorgung verbunden, um der Steuerung Energie bereitstellen zu können. Während eines späteren Abschnitts ist die Wicklung getrennt, um eine genaue Messung zu ermöglichen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann ein weiterer Impuls vorgesehen sein, bevor der Messimpuls angewandt wird, wobei dieser weitere Impuls eine Energieübertragung an die Steuerung bewirkt aber nicht gemessen wird. Eine Größe dieses weiteren Impulses ist gleich der eines Messimpulses oder möglicherweise größer. In einem Zeitdiagramm wie dem in 3E können diese beiden Impulse ähnlich zwei aufeinanderfolgenden Messimpulsen mit einer kurzen dazwischenliegenden Aus-Zeit auftreten.
  • Die vorliegende Anwendung wurde in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen unter Einbeziehung von Details beschrieben, um das Verständnis der Konstruktions- und Funktionsprinzipien des Leistungswandlers zu erleichtern. Viele der in den einzelnen Figuren dargestellten und beschriebenen Bauteile sind austauschbar, um die notwendigen Ergebnisse zu erzielen, und die vorliegende Beschreibung ist so zu verstehen, dass entsprechende Austausche ebenfalls inbegriffen sind. Jegliche Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen und Details derselben sollen nicht den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränken. Der Fachmann wird erkennen, dass an den Ausführungsformen, die zu Erläuterungszwecken ausgewählt wurden, Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Anwendung abzuweichen.

Claims (24)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Schaltnetzteils (10), umfassend: a. Konfigurieren eines Schaltnetzteils (10), das einen Transformator (14) mit einer Primärwicklung (P1), die mit einer Eingangsversorgungsspannung Vin gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung (S1), die mit einem Ausgang gekoppelt ist, einen mit der Primärwicklung (P1) in Reihe geschalteten Schalter (16) und eine mit dem Schalter (16) gekoppelte Steuerung (22) umfasst; b. Erzeugen eines oder mehrerer Messimpulse (100) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen einer jedem Messimpuls (100) entsprechenden reflektierten Spannung, bis eine Leerlaufbedingung am Ausgang festgestellt wird, wobei die gemessene reflektierte Spannung proportional zu einer Ausgangsspannung des Schaltnetzteils (10) ist, c. nachdem die Leerlaufbedingung festgestellt wurde, Erzeugen eines Referenzimpulses (110) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen der dem Referenzimpuls (110) entsprechenden reflektierten Spannung, wobei die dem Referenzimpuls (110) entsprechende gemessene reflektierte Spannung eine reflektierte Basisspannung umfasst; d. Erzeugen eines oder mehrerer Erkennungsimpulse (120) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen der jedem Erkennungsimpuls (120) entsprechenden reflektierten Spannung; e. Vergleichen der jedem Erkennungsimpuls (120) entsprechenden reflektierten Spannung mit der reflektierten Basisspannung, bis eine Differenz zwischen den beiden einen Schwellenwert überschreitet, woraufhin eine Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen jedes Messimpulses (100) zu einer Energieübertragung auf eine Sekundärseite des Schaltnetzteils (10) führt, die ausreichend ist, um die Ausgangsspannung gemäß der gemessenen reflektierten Spannung genau zu bestimmen.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Erzeugen des Referenzimpulses (100) zu einer Energieübertragung auf die Sekundärseite des Schaltnetzteils (10) führt, wobei die dem Referenzimpuls (110) entsprechende Energieübertragung geringer als die dem Messimpuls (100) entsprechende Energieübertragung ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die dem Referenzimpuls (110) entsprechende Energieübertragung unzureichend ist, um die Ausgangsspannung gemäß der gemessenen reflektierten Spannung korrekt zu bestimmen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es zwischen dem Erzeugen des reflektierten Impulses und dem Erzeugen eines ersten Erkennungsimpulses (120) eine Aus-Zeit gibt, während derer die reflektierte Spannung auf nahezu null sinkt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es zwischen dem Erzeugen nachfolgender Erkennungsimpulse (120) eine Aus-Zeit gibt, während derer die reflektierte Spannung auf nahezu null sinkt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schaltnetzteil (10) in einen Leerlauf-Betriebsmodus versetzt wird, wenn die Leerlaufbedingung festgestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schaltnetzteil (10) in einen Normallast-Betriebsmodus versetzt wird, wenn die Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner das Erzeugen eines weiteren Messimpulses (100), das Messen der dem weiteren Messimpuls (100) entsprechenden reflektierten Spannung und das Bestimmen, ob eine Lastbedingung oder die Leerlaufbedingung am Ausgang vorliegt, gemäß der dem weiteren Messimpuls (100) entsprechenden gemessenen reflektierten Spannung umfasst, wenn die Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die reflektierte Spannung eine Spannung an der Primärwicklung (P1) umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schaltnetzteil (10) ferner eine Hilfswicklung (32) umfasst, die mit der Steuerung (22) elektrisch gekoppelt und mit der Sekundärwicklung (S1) magnetisch gekoppelt ist, wobei die reflektierte Spannung eine Spannung an der Hilfswicklung (32) umfasst.
  12. Verfahren zur Steuerung eines Schaltnetzteils (10), umfassend: a Konfigurieren eines Schaltnetzteils (10), das einen Transformator (14) mit einer Primärwicklung (P1), die mit einer Eingangsversorgungsspannung Vin gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung (S1), die mit einem Ausgang gekoppelt ist, einen mit der Primärwicklung (P1) in Reihe geschalteten Schalter (16) und eine mit dem Schalter (16) gekoppelte Steuerung (22) umfasst; b. Erzeugen eines Messimpulses (100) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen einer dem Messimpuls (100) entsprechenden reflektierten Spannung, wobei die dem Messimpuls (100) entsprechende gemessene reflektierte Spannung proportional zu einer Ausgangsspannung des Schaltnetzteils (10) ist, c. Feststellen einer Lastbedingung oder einer Leerlaufbedingung am Ausgang gemäß der dem Messimpuls (100) entsprechenden gemessenen reflektierten Spannung; d. bei Feststellung einer Lastbedingung: periodisches Erzeugen zusätzlicher Messimpulse (100), bis die Leerlaufbedingung festgestellt wird; e. bei Feststellung der Leerlaufbedingung: i. Erzeugen eines Referenzimpulses (110) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen der dem Referenzimpuls (110) entsprechenden reflektierten Spannung, wobei die dem Referenzimpuls entsprechende gemessene reflektierte Spannung eine reflektierte Basisspannung umfasst; ii. Erzeugen eines Erkennungsimpulses (120) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen der dem Erkennungsimpuls (110) entsprechenden reflektierten Spannung; iii. Vergleichen der dem Erkennungsimpuls (120) entsprechenden reflektierten Spannung mit der reflektierten Basisspannung, und wenn eine Differenz zwischen der dem Erkennungsimpuls (120) entsprechenden reflektierten Spannung und der reflektierten Basisspannung geringer als ein Schwellenwert ist, wird festgestellt, dass die Leerlaufbedingung fortbesteht, und es wird ein nachfolgender Erkennungsimpuls (120) erzeugt und verglichen, und wenn die Differenz größer als oder so groß wie der Schwellenwert ist, wird festgestellt, dass eine Änderung der Leerlaufbedingung vorliegt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Erzeugen des Messimpulses (100) zu einer Energieübertragung auf eine Sekundärseite des Schaltnetzteils (10) führt, die ausreichend ist, um die Ausgangsspannung gemäß der gemessenen reflektierten Spannung korrekt zu bestimmen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13 wobei das Erzeugen des Referenzimpulses (110) zu einer Energieübertragung auf die Sekundärseite des Schaltnetzteils (10) führt, wobei die dem Referenzimpuls (110) entsprechende Energieübertragung geringer als die dem Messimpuls (100) entsprechende Energieübertragung ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die dem Referenzimpuls (110) entsprechende Energieübertragung unzureichend ist, um die Ausgangsspannung gemäß der gemessenen reflektierten Spannung korrekt zu bestimmen.
  16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei es zwischen dem Erzeugen des reflektierten Impulses und dem Erzeugen des Erkennungsimpulses (120) eine Aus-Zeit gibt, während derer die reflektierte Spannung auf nahezu null sinkt.
  17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei es zwischen dem Erzeugen nachfolgender Erkennungsimpulse (120) eine Aus-Zeit gibt, während derer die reflektierte Spannung auf nahezu null sinkt.
  18. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Schaltnetzteil (10) in einen Leerlauf-Betriebsmodus versetzt wird, wenn die Leerlaufbedingung festgestellt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Schaltnetzteil (10) in einen Normallast-Betriebsmodus versetzt wird, wenn die Lastbedingung festgestellt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Schaltnetzteil (10) in einen Normallast-Betriebsmodus versetzt wird, wenn die Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren ferner das Erzeugen eines weiteren Messimpulses (100), das Messen der dem weiteren Messimpuls (100) entsprechenden reflektierten Spannung und das Bestimmen, ob eine Lastbedingung oder die Leerlaufbedingung am Ausgang vorliegt, gemäß der dem weiteren Messimpuls (100) entsprechenden gemessenen reflektierten Spannung umfasst, wenn die Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die reflektierte Spannung eine Spannung an der Primärwicklung (P1) umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Schaltnetzteil (10) ferner eine Hilfswicklung (32) umfasst, die mit der Steuerung (S2) elektrisch gekoppelt und mit der Sekundärwicklung (S1) magnetisch gekoppelt ist, wobei die reflektierte Spannung eine Spannung an der Hilfswicklung (32) umfasst.
  24. Schaltnetzteil (10), umfassend: a. einen Transformator (14) mit einer Primärwicklung (P1), die mit einer Eingangsversorgungsspannung Vin gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung (S1), die mit einem Ausgang gekoppelt ist, b. einen mit der Primärwicklung (P1) in Reihe geschalteten Schalter (16) und c. eine mit dem Schalter (16) gekoppelte Steuerung (22), wobei die Steuerung (22) so konfiguriert ist, dass sie den Schalter (16) ein- und ausschaltet, wobei die Steuerung (22) so konfiguriert ist, dass sie einen oder mehrere Messimpulse (100) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) erzeugt und eine jedem Messimpuls entsprechende reflektierte Spannung misst, bis eine Leerlaufbedingung am Ausgang festgestellt wird, wobei die gemessene reflektierte Spannung proportional zu einer Ausgangsspannung des Schaltnetzteils (10) ist, und nachdem die Leerlaufbedingung festgestellt wurde; einen Referenzimpuls (110) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen der dem Referenzimpuls (110) entsprechenden reflektierten Spannung erzeugt, wobei die dem Referenzimpuls (110) entsprechende gemessene reflektierte Spannung eine reflektierte Basisspannung umfasst; und einen oder mehrere Erkennungsimpulse (120) durch selektives Ein- und Ausschalten des Schalters (16) und Messen der jedem Erkennungsimpuls (120) entsprechenden reflektierten Spannung erzeugt und die jedem Erkennungsimpuls (120) entsprechende reflektierte Spannung mit der reflektierten Basisspannung vergleicht, bis eine Differenz zwischen den beiden einen Schwellenwert überschreitet, woraufhin eine Änderung der Leerlaufbedingung festgestellt wird.
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