AT18539U1 - Betriebsgerät und Steuerungsverfahren, insbesondere für LEDs - Google Patents

Abstract

Es wird ein Betriebsgerät, insbesondere ausgelegt für einen dimmbaren Betrieb von Leuchtmitteln (2) mit einem getakteten Konverterschaltkreis (1), vorgeschlagen. Das Betriebsgerät erzeugt mit wenigstens einem Schalter (S) des Konverterschaltkreis (1) einen Laststrom (Ilast). Eine Steuerschaltung (5) steuert den wenigstens einen Schalter (S) in einem lückenden Betriebsmodus oder einem Grenzbetriebsmodus an. Die Steuerschaltung (5) stellt dabei einen vorgegebenen mittleren Laststrom durch Schließen des Schalters (S) zu einem Wiedereinschaltzeitpunkt aus einer Menge diskreter möglicher Wiedereinschaltzeitpunkte und Öffnen des Schalters (S) zu einem Ausschaltzeitpunkt ein. Die Steuerschaltung (5) ermittelt den Ausschaltzeitpunkt auf Grundlage eines korrigierten Spitzenstroms (Ipk_korr), wobei der korrigierte Spitzenstrom (Ipk_korr) ermittelt wird, indem der Steuerschaltkreis (5) in einem ersten Korrekturschritt eine Wahl des Wiedereinschaltzeitpunkts mittels Ermitteln eines kompensierten Spitzenstroms (Ipk_komp) kompensiert, und in einem zweiten Korrekturschritt mittels eines Korrekturwerts (∆Ipk), der auf Grundlage einer Abweichung eines gemessenen mittleren Laststroms (Imess_avg) zu dem vorgegebenen mittleren Laststrom (Iavg_nom) berechnet wird, den kompensierten Spitzenstrom (Ipk_korr) korrigiert.

Description

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Beschreibung

BETRIEBSGERÄT UND STEUERUNGSVERFAHREN, INSBESONDERE FÜR LEDS

[0001] Die Erfindung betrifft das Gebiet der Betriebsgeräte für Leuchtmittel, insbesondere für die Ansteuerung dimmbarer Leuchtmittel. Es wird ein Betriebsgerät mit einem getakteten Konverterschaltkreis, sowie ein Steuerungsverfahren für den Konverterschaltkreis vorgeschlagen.

[0002] Wesentlicher Bestandteil vieler Betriebsgeräte zur Bereitstellung eines Laststroms für eine mit einem Gleichstrom zu versorgende Last ist zumindest ein Konverterschaltkreis.

[0003] Betriebsgeräte mit Konverterschaltkreis werden insbesondere auch für den Betrieb von Leuchtmitteln, beispielsweise dimmbaren Leuchtmitteln mit einer Vielzahl von Leuchtdioden (LED) als lichterzeugenden Elemente eingesetzt. Die Lichtabgabe einer LED ist abhängig von einem Strom durch die LED. Somit kommt besonders für dimmbare Leuchtmittel als Last eines Betriebsgeräts der präzisen Steuerung des Laststroms (LED-Stroms) eine große Bedeutung zu.

[0004] Der Laststrom kann mittels des Konverterschaltkreises, ausgeführt als getakteter Schaltregler, beispielsweise ein Aufwärtswandler, Abwärtswandler oder Sperrwandler, erzeugt und entsprechend einem Sollwert für den Laststrom eingestellt werden.

[0005] In einem Aufwärtswandler wird ein Schalter, angesteuert von einem Steuerschaltkreis, aus- und wieder eingeschaltet. Wenn der Schalter geöffnet ist, ermöglicht ein Energiespeicher des Konverterschaltkreises, typisch ausgeführt als eine Spule (Drossel, Induktivität), die Versorgung der Last aus der in einem Magnetfeld der Spule gespeicherten Energie.

[0006] Es werden unterschiedliche Betriebsarten für den Aufwärtswandler unterschieden. In einem nicht-lückenden Betriebsmodus (englisch: Continuous Current Mode, abgekürzt: CCM, auch: kontinuierlicher Betriebsmodus) wird der Schalter bereits geschlossen, bevor die in der Spule gespeicherte magnetische Energie vollständig abgebaut ist. Somit hört in dem nicht-Iückenden Betriebsmodus der Strom durch die Spule während einer gesamten Schalterperiode nicht auf zu fließen.

[0007] In einem Grenzbetriebsmodus (engl.: Borderline Current Mode, abgekürzt: BCM) wird hingegen der Schalter zu dem Zeitpunkt geschlossen, zu dem der Strom durch die Spule den Wert Null erreicht.

[0008] In einem nicht-kontinuierlichen Betriebsmodus (engl.: Discontinuous Current Mode, abgekürzt DCM; auch: lückender Betriebsmodus) fällt der Strom durch die Spule regelmäßig auf Null ab, so dass eine Schalterperiode eine Phase der Energiespeicherung bei geschlossenem Schalter, eine Phase der Energiefreisetzung aus der Spule bei geöffnetem Schalter und anschließend eine dritte Phase, in der eine angeschlossene Last ausschließlich aus in einem Kondensator des Konverterschaltkreises gespeicherter Energie versorgt wird, ehe der Schalter erneut geschlossen wird.

[0009] Getaktete Konverterschaltkreise weisen eine Induktivität (Spule) als Speicherelement für magnetische Energie auf. Diese Induktivität kann mit Kapazitäten des Konverterschaltkreises, zumindest aber mit parasitären Kapazitäten der Bauelemente, zum Beispiel des Schalters, einen Resonanzkreis bilden.

[0010] Derartige getaktete Konverter zeigen das Verhalten, dass nach einem Ausschalten des Schalters ein Strom Ispue durch die Induktivität abnimmt, bis er den Nullpunkt erreicht. Der Strom Ispule bleibt indessen nicht konstant auf Null, sondern wird aufgrund des oben angeführten Resonanzkreisverhaltens der Schaltung schwingen. Der Stroms Ispue kann mit abfallender Amplitude über mehrere Perioden weiterschwingen.

[0011] Wird der Konverterschaltkreis in dem Grenzbetriebsmodus oder in dem nicht-kontinuierlichen Betriebsmodus betrieben, so sind diskret beabstandete Wiedereinschaltzeitpunkte des Schalters vorteilhaft also nur die Zeitpunkte des positiven Nulldurchgangs des Stroms |spule-

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[0012] Ein Medereinschalten des Schalters wird also vorteilhaft nicht zu beliebigen Zeitpunkten, sondern nur an den folgenden diskret beabstandeten Nulldurchgängen mit positivem Gradienten des Stroms |spue erfolgen, um ein möglichst verlustarmes Schalten zu ermöglichen.

[0013] Diese Steuerung des Schalters des Konverterschaltkreises wird mit dem englischen Begriff „Valley Switching“ bezeichnet. Aufgrund dieser diskret beabstandeten Einschaltzeitpunkte des Schalters kann es zu einem Fehler in einem kontinuierlich einzustellenden mittleren Laststrom kommen, wenn der Konverterschaltkreis in einem Grenzbetriebsmodus oder einem nichtkontinuierlichen Betriebsmodus betrieben und von einem ersten Einschaltzeitpunkt zu einem zweiten Einschaltzeitpunkt unterschiedlich von dem ersten Einschaltzeitpunkt gewechselt wird.

[0014] Es ist bekannt, diesen Fehler des mittleren Laststroms dadurch zu kompensieren, dass ein Schwellenwert des Stroms Ispue über die Spule, bei dessen Erreichen der Schalter des Konverterschaltkreises nichtleitend geschaltet (geöffnet) werden soll, entsprechend kompensiert wird. Dabei ist allerdings festzustellen, dass der eingestellte Schwellenwert, auch als Spitzenstrom I, bezeichnet, für den Spulenstrom Ispue Nicht unbedingt zu dem gewünschten Mittelwert lavyg des Laststroms führt. Fehler und Abweichungen für den Ausschaltzeitpunkt des Schalters können aufgrund der realen Schaltung, beispielsweise auch aufgrund einer als Last des Betriebsgeräts verwendeten LED-Strecke, sowie auch Eigenschaften der verwendeten Bauelemente und realisierten Schaltungstopologien des Konverterschaltkreises auftreten.

[0015] So kann beispielsweise aufgrund von Laufzeiteffekten in A/D-Wandlern und Komparatorschaltungen ein Erreichen des Spitzenstroms I, durch den Spulenstrom Ispue lediglich zeitverzögert erkannt werden. Damit wird eine entsprechende Abweichung des mittleren Laststroms lavg aufgrund eines überschrittenen theoretisch ermittelten Spitzenstroms I, auftreten. Entsprechend kann eine abgegebene Lichtleistung eines LED-Modul entsprechend unerwünschte Abweichungen von einem eingestellten Sollwert für die abzugebende Lichtleistung zeigen.

[0016] Es ist daher die Aufgabe zu lösen, den von dem Konverterschaltkreis abgegebenen Laststrom präzise auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen.

[0017] Die Aufgabe wird von einem Betriebsgerät mit den Merkmalen nach Anspruch 1, sowie ein Steuerungsverfahren für das Betriebsgerät gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch gelöst.

[0018] Die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung.

[0019] Das Betriebsgerät nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist insbesondere für einen dimmbaren Betrieb von Leuchtmitteln, insbesondere LEDs, ausgelegt. Das Betriebsgerät umfasst einen getakteten Konverterschaltkreis mit wenigstens einem Schalter, um einen Laststrom zu erzeugen. Eine Steuerschaltung des Konverterschaltkreises ist dafür ausgelegt, den wenigstens einen Schalter in einem lückenden Betriebsmodus oder einem Grenzbetriebsmodus des Konverterschaltkreises anzusteuern, also zu öffnen und zu schließen. Die Steuerschaltung ist eingerichtet, einen vorgegebenen mittleren Laststrom durch Schließen des Schalters zu einem Wiedereinschaltzeitpunkt aus einer Menge diskreter möglicher Wiedereinschaltzeitpunkte und Öffnen des Schalters zu einem Ausschaltzeitpunkt einzustellen. Das Betriebsgerät zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerschaltung eingerichtet ist, den Ausschaltzeitpunkt auf Grundlage eines korrigierten Spitzenstroms zu ermitteln. Dabei wird der korrigierte Spitzenstrom ermittelt, indem der Steuerschaltkreis in einem ersten Korrekturschritt eine Wahl des Einschaltzeitpunkts mittels Ermitteln eines kompensierten Spitzenstroms kompensiert. In einem zweiten Korrekturschritt wird der kompensierte Spitzenstrom mittels eines Korrekturwerts korrigiert, wobei der Korrekturwert auf Grundlage einer Abweichung eines gemessenen mittleren Laststroms zu dem vorgegebenen mittleren Laststrom berechnet wird.

[0020] Die Erfindung schlägt vor, dass der berechnete Abschaltschwellenwert des Stroms (Spitzenstrom) Ipx durch einen Korrekturwert korrigiert wird. Der Korrekturwert wird dadurch ermittelt, dass der tatsächliche mittlere Strom bestimmt (gemessen) wird und in Abhängigkeit von einer Abweichung des tatsächlichen mittleren Stroms von einem vorgegebenen Sollwert für den mittleren Strom dieser Korrekturwert bestimmt wird.

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[0021] Ein Fehler in dem seitens des Konverterschaltkreises ausgegebenen Laststroms aufgrund der Diskretisierung der WMedereinschaltzeitpunkte wird durch Berechnung eines kompensierten Abschaltstromwerts kompensiert. Damit lässt sich eine präzise Einstellung und Steuerung des Laststroms erreichen. Die Steuerung des Laststroms gemäß der Erfindung erreicht darüber hinaus aufgrund der Korrektur des kompensierten Spitzenstroms mit dem auf Basis einer Abweichung des gemessenen mittleren Laststroms zu dem vorgegebenen mittleren Laststrom eine präzise Regelung des tatsächlich ausgegebenen mittleren Laststroms.

[0022] Somit wird über die präzise Regelung des Laststroms beispielsweise eine exakte Steuerung dimmbarer Leuchtmodule über einen präzise einzustellenden mittleren Laststrom erreicht. Die erfindungsgemäße Regelung des mittleren Laststroms unter Berücksichtigung einer Differenz des gemessenen mittleren Laststroms zu einem Sollwert für den mittleren Laststrom ermöglicht eine stabile Steuerung des Laststroms, die über bekannte Steuerungsverfahren für Konverterschaltkreise nicht erreicht wird.

[0023] Eine bevorzugte Ausführung der Steuerschaltung umfasst einen Regler, insbesondere einen Regler mit einem integrierenden Anteil der Regler-Übertragungsfunktion, dem eine Differenz (Abweichung) des gemessenen mittleren Laststroms und des vorgegebenen mittleren Laststroms als Eingangsgröße zugeführt wird.

[0024] Ein Regler mit integrierendem Anteil der Regle-Übertragungsfunktion kann insbesondere ein I- Regler oder ein Pl-Regler sein.

[0025] Ein Verhältnis zwischen der einzustellenden Abschaltschwelle Ipeax (Spitzenstrom) des Spulenstroms Ispue ZU dem zu erreichenden Sollwert des mittleren Laststroms kann nichtlinear sein.

[0026] Gemäß der Erfindung wird also auch eine Abweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert für den mittleren Laststrom ermittelt und diese Abweichung als Regeldifferenz eines Regelkreises verwendet. Die Regeldifferenz wird dem Regler, insbesondere einem |-Regler zugeführt.

[0027] Der I-Regler ermöglicht mit seinem integrativen Übertragungsverhalten eine stabile Regelung des mittleren Stroms durch entsprechende Ermittlung des Korrekturwerts ohne eine bleibende Regelabweichung.

[0028] Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Steuerschaltung eine von dem |- Regler ausgegebene Steuergröße abhängig von einem aktuellen Sollwert oder einem aktuellen Istwert des vorgegebenen mittleren Laststroms kalibriert.

[0029] Somit wird die Steuergröße, also der Ausgang des I-Reglers, abhängig von dem aktuellen Arbeitspunkt des Sollwerts des mittleren Laststroms kalibriert. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Verstärkungsfaktor der Steuergröße abhängig von diesem Arbeitspunkt des mittleren Laststroms eingestellt wird.

[0030] Damit werden insbesondere nichtlineare Effekte aufgrund eines nichtlinearen Zusammenhangs zwischen dem mittleren Laststrom lag und dem Spitzenstrom I,« korrigiert.

[0031] Das Betriebsgerät in einer weiteren Ausführung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerschaltung eingerichtet ist, die ausgegebene Steuergröße mit einem Verstärkungsfaktor abhängig von dem aktuellen Sollwert des vorgegebenen mittleren Laststroms zu kalibrieren.

[0032] Es ist vorteilhaft, wenn das Betriebsgerät, insbesondere die Steuerschaltung eingerichtet ist, den Verstärkungsfaktor auf Basis eines Gradienten eines Verlaufs des Spitzenstroms I, In Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lag für den aktuellen Sollwert des mittleren Laststroms zu ermitteln.

[0033] Insbesondere kann die Steuerschaltung eingerichtet sein, den Verstärkungsfaktor so zu ermitteln, dass für einen zunehmenden Gradienten des Verlaufs des Spitzenstroms Ip in Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lag für den vorgegebenen Sollwert des mittleren Stroms ein zunehmender Verstärkungsfaktor ermittelt wird.

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[0034] Die Steuerschaltung einer vorteilhaften Ausführung des Betriebsgeräts ermittelt den Korrekturwert für den Spitzenstrom Ip derart, dass der Korrekturwert mit zunehmendem Sollwert für den mittleren Laststrom lavg abnimmt.

[0035] Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird diese arbeitspunktabhängige Einstellung dadurch ausgeführt, dass bei bekannter Abhängigkeit des Spitzenstroms Ip von dem mittleren Laststrom lavg ein Wert für einen Gradienten an einem aktuellen Arbeitspunkt des mittleren Laststroms lag ermittelt wird. Der ermittelte Gradient beeinflusst den Verstärkungsfaktor. Je steiler also die nichtlineare Kurve für die Abschaltschwelle des Spulenstroms Ispue, also des Spitzenstroms Ipk zu dem mittleren Laststrom lavg, verläuft, umso größer wird die Verstärkung der Steuergröße in der Regelschleife sein. Die Verstärkung der Steuergröße wird umso größer sein, je geringer der mittlere Laststrom layvg ISt.

[0036] Somit ist der Korrekturwert für den Spitzenstroms I, bei gleicher Regeldifferenz für den mittleren Laststrom umso kleiner, je höher der mittlere Laststrom lag des Arbeitspunkts, also der Sollwert lavg_nom des mittleren Laststroms ist.

[0037] Das Betriebsgerät nach einer vorteilhaften Ausführung weist die Steuerschaltung dafür ausgelegt auf, zunächst eine nichtlineare Kurve der Abhängigkeit des Spitzenstroms Ipk von dem mittleren Laststrom zu ermitteln, und anschließend den Gradienten als erste Ableitung der ermittelten nichtlinearen Kurve zu bestimmen.

[0038] Die Erfindung wird somit bevorzugt derart implementiert, dass bei vorgegebenen Größen für die Totzeit Twt, eine Busspannung Usus und eine Lastspannung Uiest die nichtlineare Abhängigkeit in Form einer Kurve des Abschaltstroms Ip zu dem mittleren Laststrom lag berechnet wird. Aus der ermittelten Kurve wird dann der Gradient, also die erste Ableitung der ermittelten Kurve bestimmt.

[0039] Mittels des bestimmten Gradienten kann in einfacher Weise die nichtlineare Eigenschaft in die Bestimmung des Korrekturwerts einfließen. Die Korrektur des Spitzenstroms I, ermöglicht damit über einen weiten Wertebereich des mittleren Laststroms eine präzise Bestimmung des Spitzenstroms I, auch für den diskontinuierlichen Betriebsmodus oder auch den Grenzbetriebsmodus des Konverterschaltkreises.

[0040] Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein entsprechendes Steuerungsverfahren für einen Konverterschaltkreis.

[0041] Das Verfahren steuert den Konverterschaltkreis des Betriebsgeräts, wobei das Betriebsgerät insbesondere für einen dimmbaren Betrieb von Leuchtmitteln ausgelegt ist.

[0042] Das Betriebsgerät erzeugt mit dem getakteten Konverterschaltkreis mit wenigstens einem Schalter einen Laststrom. Eine Steuerschaltung ist dafür ausgelegt, den wenigstens einen Schalter in einem lückenden Betriebsmodus oder einem Grenzbetriebsmodus des Konverterschaltkreises anzusteuern. Das Verfahren weist hierzu die Schritte auf: Auswählen eines Einschaltzeitpunkts aus einer Menge diskreter möglicher Einschaltzeitpunkte, um einen vorgegebenen mittleren Laststrom durch Schließen des Schalters zu bewirken. Ermitteln eines Ausschaltzeitpunkts des Schalters, um den vorgegebenen mittleren Laststrom durch Öffnen des Schalters zu bewirken. Das Ermitteln des Ausschaltzeitpunkts des Schalters erfolgt auf Grundlage eines korrigierten Spitzenstroms, wobei der korrigierte Spitzenstrom ermittelt wird, indem der Steuerschaltkreis in einem ersten Korrekturschritt die Auswahl des Einschaltzeitpunkts mittels Ermitteln eines kompensierten Spitzenstroms kompensiert, und in einem zweiten Korrekturschritt den kompensierten Spitzenstrom mittels eines Korrekturwerts korrigiert, wobei der Korrekturwert auf Grundlage einer Abweichung eines gemessenen mittleren Laststroms zu dem vorgegebenen mittleren Laststrom berechnet wird.

[0043] Der Steuerschaltkreis kann bevorzugt als anwendungsspezifischer Schaltkreis (ASIC) oder als Mikrokontroller (Mikroprozessor) ausgeführt sein.

[0044] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezug zu den nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

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[0045] Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Konverterschaltkreises,

[0046] Fig. 2 ein Zeitdiagramm wesentlicher Signalverläufe des Konverterschaltkreises nach Fig. 1,

[0047] Fig. 3 die Struktur eines erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens für einen Konverterschaltkreis in Form eines einfachen Blockschaltbildes,

[0048] Fig. 4 den Verlauf des Abschaltstroms Ip in Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lavg Mit einem ersten Arbeitspunkt des Konverterschaltkreises,

[0049] Fig. 5 den Verlauf des Abschaltstroms Ip in Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lavg Mit einem zweiten Arbeitspunkt des Konverterschaltkreises,

[0050] Fig. 6 die Abhängigkeit einer Zeitkonstante t eines geschlossenen Regelkreises zur Regelung des mittleren Ausgangsstroms lag von einem eingestellten Nominalwert für den mittleren Strom lavg_nom;

[0051] Fig. 7 ein Signalflussdiagramm der geschlossenen Regelschleife gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

[0052] Fig. 8 die Abhängigkeit einer Zeitkonstante t eines geschlossenen Regelkreises zur Regelung des mittleren Ausgangsstroms lag von einem eingestellten Nominalwert für den mittleren Strom lavg_nom für die geschlossene Regelschleife gemäß dem Ausführungsbeispiel, und

[0053] Fig. 9 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens.

[0054] In den Figuren zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente. Auf eine redundante Beschreibung wird, soweit ohne Einschränkung der Klarheit möglich, verzichtet.

[0055] Die Erfindung ist für getaktete Schaltregler, im Folgenden als Konverterschaltkreise bezeichnet, geeignet. Insbesondere ist die Erfindung gleichermaßen auf Konverterschaltkreise in Boost- (Aufwärtswandler), Buck- (Abwärtswandler) und Flyback-Topologie (Sperrwandler, HochTiefsetzsteller) anwendbar.

[0056] Fig. 1 gibt einen Konverterschaltkreis 1 in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung in Form eines einfachen Blockschaltbildes wieder.

[0057] Der Konverterschaltkreis 1 ist in Fig. 1 als Abwärtswandlerschaltung für den Betrieb von Leuchtdioden (LED) gezeigt. Es ist festzuhalten, dass ebenso andere Schaltungsstrukturen für geschaltete Schaltnetzteile, als Konverterschaltkreis eingesetzt werden können.

[0058] Der getaktete Konverterschaltkreis 1 weist eine Spule L (Induktivität) als Speicherelement für magnetische Energie auf. Diese Induktivität kann mit Kapazitäten des Konverterschaltkreises, zumindest mit parasitären Kapazitäten, zum Beispiel eines Schalters S, einen Resonanzkreis bilden.

[0059] Der getaktete Konverterschaltkreis 1 zeigt das Verhalten, dass nach einem Ausschalten des Schalters S ein Strom Ispue durch die Induktivität abnimmt, bis er den Nullpunkt erreicht. Der Strom Ispue bleibt indessen nicht konstant auf Null, sondern wird aufgrund des oben genannten Resonanzkreisverhaltens schwingen. Der Stroms |spue Wird mit abfallender Amplitude über mehrere Perioden weiterschwingen.

[0060] Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm wesentlicher Signalverläufe des Konverterschaltkreises 1 nach Fig. 1. Dabei ist in der untersten Teilfigur der Fig. 2 die Schwingung des Spulenstroms |spule nach Öffnen des Schalters S und erstmaligem Abklingen des Spulenstroms |spue auf Null dargestellt.

[0061] Wird der Konverter in einem Grenzbetriebsmodus (engl.: Borderline-Mode, abgekürzt: BCM) oder in einer nicht-kontinuierlichen Betriebsart (engl.: Discontinuous-Mode, abgekürzt DCM) betrieben, so sind im DCM-Modus nicht beliebige Wiedereinschaltzeitpunkte für das

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Schließen des Schalters S möglich, sondern nur die diskret beabstandeten Zeitpunkte der positiven Nulldurchgänge des Spulenstroms |spule („Valley Switching“).

[0062] Ein Medereinschalten des Schalters wird vorteilhaft nur an den diskret beabstandeten Nulldurchgängen mit positivem Gradienten des Stroms Ispue erfolgen, um ein möglichst verlustfreies Schalten zu ermöglichen. Für die genannten Zeitpunkte des Nulldurchgangs mit positiver Steigung des Stroms Ispule ISt der Spannungsabfall über den Schalter am geringsten.

[0063] Der Abwärtswandlerschaltung wird eine Gleichspannung, als Busspannung Usus bezeichnet, von einer Gleichspannungsquelle 4 zugeführt. Die Gleichspannungsquelle 4 kann beispielsweise der Ausgang eines Leistungsfaktorkorrekturglieds (englisch: Power Factor Correction; abgekürzt: PFC) des Betriebsgeräts sein.

[0064] Die Abwärtswandlerschaltung stellt eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom für den Betrieb der Last 2 bereit. Die Ausgangsspannung entspricht einer Lastspannung Ujast (ULeo), die über die LED abfällt. Der Ausgangsstrom entspricht einem Laststrom last (ILeo) für das LED-Modul als Last 2.

[0065] Ein Schalter S, meist mittels eines Transistors ausgeführt, wird angesteuert von einem Steuerschaltkreis 5 mit einem Schalteransteuersignal 3 periodisch ein- und ausgeschaltet. Üblich sind einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde. Dadurch wird elektrische Energie von der eingangsseitig angeschlossenen Gleichspannungsquelle 4 zu der am Ausgang der Abwärtswandlerschaltung angeschlossenen Last 2 übertragen. Die beiden reaktiven Schaltelemente Spule (Induktivität) L und Ausgangskapazität (Ausgangskondensator) C ermöglichen als Energiespeicher die Versorgung der Last 2 mit elektrischer Energie in den Zeitphasen der Schalterperiode, in denen der Schalter S geöffnet ist. Die Induktivität der Spule L trennt eine hohe Eingangsspannung Upus von der Last 2. Der Ausgangsstrom lıası kann durch eine geeignete Steuerung einer Einschaltzeit tzın und einer Ausschaltzeit taus des Schalters S eingestellt werden. Diese Einstellung erfolgt üblicherweise in einer Regelschleife (Regelkreis), um die Ausgangsspannung Ujası und/oder Ausgangsstrom lası auf einen gewünschten Wert zu regeln.

[0066] Während einer Einschaltzeit tzın des Schalters S fließt der Ausgangsstrom ljast durch die Spule L und durch die Last 2; eine Diode D sperrt. Während der Ausschaltzeit taus des Schalters wird die in der Spule L gespeicherte Energie abgebaut. Der Ausgangsstrom last über den Ausgang des Konverterschaltkreises 1 fließt weiter, nun jedoch durch die Diode D und aus der in dem Kondensator C gespeicherten elektrischen Energie.

[0067] Die Spule L und der Kondensator C bilden einen Tiefpass zweiter Ordnung. Effektiv wird die Abwärtswandlung dadurch erreicht, dass aus der Rechteckspannung der Gleichanteil herausgefiltert wird. Wie hoch dieser übrigbleibende Gleichanteil ist, kann durch das Tastverhältnis des Schalters S, vorgegeben durch das Schaltersteuersignal 3 des Steuerschaltkreises 5, eingestellt werden.

[0068] Im nichtlückenden Betrieb des Abwärtswandlers (englisch Continuous Current Mode, abgekürzt CCM: kontinuierlicher Betrieb) fällt der Spulenstrom Ispue durch die Spule L während der gesamten Schalterperiode nie auf Null, da der Schalter S erneut geschlossen wird, noch bevor die in der Spule L gespeicherte magnetische Energie vollständig abgebaut ist.

[0069] Im Gegensatz dazu sinkt in einem lückenden Betrieb (englisch: Discontinuous Current Mode, abgekürzt DCM; diskontinuierlicher Betrieb) der Strom durch die Spule L regelmäßig während jeder Schalterperiode auf Null. Die Schalterperiode umfasst nun zeitlich eine dritte Phase: Zu den auch im nicht-lückenden Betrieb auftretenden Phasen der Energiespeicherung bei geschlossenem Schalter S einerseits und der Energiefreisetzung bei offenem Schalter S andererseits kommt eine dritte Phase ohne Stromfluss durch die Spule L, in der die Last ausschließlich aus dem Kondensator C versorgt wird.

[0070] Ob ein kontinuierlicher oder ein lückender Betrieb vorliegt, hängt von der Induktivität der Spule L, Schaltfrequenz, Eingangsspannung Upus, Ausgangsspannung Ups: und dem Ausgangsstrom Iası ab. Da sich diese Parameter teilweise rasch ändern können, muss im Allgemeinen bei der Auslegung der Schaltung, und insbesondere eines Regelkreises, der Übergang zwischen den

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Betriebsarten berücksichtigt oder vermieden werden. Die Betriebsarten unterscheiden sich hinsichtlich einer Steuerkennlinie, also der Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ujst von einem Tastverhältnis des Schalteransteuersignals 3.

[0071] Die Regelung des Ausgangsstroms last als Regelgröße erfolgt in einer Regelschleife. Die Größe des Ausgangstroms last wird von einem Messmittel erfasst. Insbesondere kann über einen in Serie zu der Leuchtdiode angeordneten Messwiderstand Rmess (Shuntwiderstand) eine für den Strom last repräsentative Größe erfasst werden. Diese repräsentative Größe wird von einem Regler zur Erzeugung des Schalteransteuersignals 3 für den Schalter S genutzt.

[0072] Im kontinuierlichen Betriebsmodus und in einem Grenzbetriebsmodus kann ein Dimmen der LED bzw. eine Änderung der Abgabeleistung der Abwärtswandlerschaltung über eine Änderung des Schwellenwerts des Stroms ljası über die Spule L, bei dessen Erreichen der Schalter S ausgeschaltet wird, erfolgen. Jedoch ist ein Absenken der Abschaltschwelle für sehr niedrige Dimmpegel bzw. niedrige Abgabeströme im Grenzbetrieb oft nicht beliebig möglich, da es bei kleinen Schwellenwerten zu Problemen hinsichtlich der Erfassung und Verarbeitung des geringen Stromwerts kommen kann. Für niedrige Lastströme last wird außerdem für den kontinuierlichen Betriebsmodus eine große Spule L benötigt, wodurch die Abwärtswandlerschaltung teuer wird und der Raumbedarf der Abwärtswandlerschaltung steigt.

[0073] Im lückenden Betrieb wird ein Variieren des Laststroms last, Insbesondere auch ein Dimmen eines LED-Moduls als Last 2 oder das Einstellen einer gewünschten Abgabeleistung der Abwärtswandlerschaltung daher zumindest auch über eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung einer Totzeit tot erreicht.

[0074] Die Totzeit tıoı ist die Zeitdauer von dem Zeitpunkt, bei dem der Strom Ispue über die Spule L auf Null erstmals nach Öffnen des Schalters S abgesunken ist, bis zu einem erneuten Einschalten (WMedereinschalten) des Schalters S.

[0075] Ein Nachteil des lückenden Betriebs ist es, dass nach dem Ausschalten des Schalters S, wenn der Strom ljast auf Null sinkt, Oszillationen (gedämpfte Schwingung) der Spannung über den Schalter auftreten, die aus einem aus der Spuleninduktivität L und den parasitären Kapazitäten der Spule L, der Diode D und des als Schalter S verwendeten Transistors gebildeten Resonanzkreis herrühren.

[0076] Um Schaltverluste des Schalters S zu vermeiden, sollten solche Oszillationen beim Wählen des Einschaltzeitpunktes berücksichtigt bzw. der Einschaltzeitpunkt so gewählt werden, dass zum Einschaltzeitpunkt eine elektrische Spannung über den Schalter S ein Minimum aufweist. Dies bedeutet jedoch, dass das Einschalten des Schalters nicht zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen kann, sondern nur in diskreten Zeitabständen, insbesondere dann, wenn der Verlauf der Spannung über den Schalter S ein Minimum zeigt. Wird der Schalter jedoch nicht zu dem der abzugebenden Leistung entsprechenden Zeitpunkt wieder eingeschaltet, sondern z.B. verspätet beim nächsten Spannungsminimum, weicht ein Istwert der von der Abwärtswandlerschaltung abgegebenen Leistung von der vorgegebenen Abgabeleistung (Soll-Wert) ab.

[0077] Typische Signalverläufe der Abwärtswandlerschaltung nach Fig. 1 über der Zeit t sind in Fig. 2 dargestellt. Eine Schalterperiode tperoae UMfasst dabei die Einschaltzeit tzın, die Ausschaltzeitdauer taus und die Totzeit tot.

[0078] Während der Einschaltzeitdauer teın ist der Schalter S leitend („1“) und die Diode D sperrt („0“). Während der Ausschaltzeitr taus sperrt der Schalter S („0“) und die Diode D leitet („1“).

[0079] Der Verlauf des Laststroms last über der Zeit zeigt in der Totzeit to die vorstehend angesprochenen Oszillationen.

[0080] Der an die Last abgegebene mittlere Strom lavg ergibt sich zu Iavg = Apr /2) X ((teın + taus) / (tzın + taus + trot)); (1)

mit einem Spitzenwert Ipx des Stroms last, der Einschaltzeit tzın, der Ausschaltzeit taus und der Totzeit tt. Während der Einschaltzeit teın fließt ein Strom last, zın. Während der Ausschaltzeit taus

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flieRt ein Strom l}ast, Aus.

[0081] Während der Totzeit to: Schwingt ein Strom I_ durch die Induktivität L mit einer Schwingfrequenz fosz in Höhe von

1 fosı = ——— 2 95% 2 u LCpETt+CsNUBBER) ©

mit dem Wert der Induktivität L der Spule L, einer parasitären Kapazität Cret des Schalters S und einer parasitären Kapazität Csnusser der Diode.

[0082] Die Kapazität Csnusser kann alternativ neben der parasitären Kapazität der Diode auch die Kapazität einer Snubberkapazität umfassen. Die Snubberkapazität kann als eigenes Bauteil zur Verlangsamung der Übergangszeit bei Schaltflanken vorgesehen sein.

[0083] Fig. 3 zeigt wesentliche Funktionsblöcke eines Steuerschaltkreises 5, soweit diese für die Erläuterung einer Ausführung der Erfindung wesentlich sind.

[0084] In den in den mit ihren Ein- und Ausgangssignalen dargestellten Funktionsblöcken des Steuerschaltkreises 5 wird ein Schalteransteuersignal 3 für den Schalter S erzeugt. Insbesondere wird in dem Schalteransteuersignal 3 für den Schalter S ein Einschaltzeitpunkt des Schalters S und ein Ausschaltzeitpunkt des Schalters S über eine Schalterperiode tperiode festgelegt.

[0085] Ein Steuermittel 6 des Steuerschaltkreises 5 gibt einen Nominalwert (Sollwert) lavg_nom für einen mittleren Laststrom lavg vor.

[0086] Das Steuermittel 6 kann den Nominalwert lavg_nom, Zum Beispiel auf Basis einer extern eingelesenen Dimmwertvorgabe für die Lichtgabe eines ausgangsseitig an dem Konverterschaltkreis angeschlossenen Lichtmoduls mit zumindest einer LED ermitteln.

[0087] Der Nominalwert lavg_nom wird einem Mittel 7 zur Bestimmung einer Totzeit to: zugeführt. Das Mittel 7 zur Bestimmung der Totzeit tor bestimmt die Totzeit two: auf Basis des zugeführten Nominalwerts lavg_nom für den Strommittelwert, einer Busspannung Upus und einer Lastspannung Ulast (bzw. ULeD).

[0088] Die Lastspannung Ust kann beispielsweise, wie in Fig. 3 dargestellt, mittels eines Spannungsteilers 8 ermittelt werden.

[0089] Die Busspannung Upus kann in entsprechender Weise über einen in Fig. 3 nicht dargestellten Spannungsteiler gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Busspannung Ubus von in Fig. 3 nicht dargestellten weiteren Baugruppen des Betriebsgeräts dem Steuerschaltkreis 5 zugeführt werden.

[0090] Der Nominalwert lavg_nom für den mittleren Strom lavg wird weiter einem Mittel 9 zur Berechnung eines kompensierten Spitzenstroms IpKk_komp zugeführt.

[0091] Das Mittel 9 zur Berechnung eines kompensierten Spitzenstroms ermittelt auf Basis des zugeführten Nominalwerts für den mittleren Strom lavg nom, der Busspannung Upus, der Lastspannung Ujası UNd der vom Mittel 7 zur Bestimmung einer Totzeit zugeführten Totzeit tor einen kompensierten Wert für den Spitzenstrom Ipk_komp-

[0092] Der kompensierte Wert für den Spitzenstrom Ipk_k«omp bezeichnet einen Schwellenwert für den Spulenstrom Ispue, der berücksichtigt, dass ein Wiedereinschalten des Schalters S zu Ende der Totzeit tot lediglich zu einem ausgewählten Einschaltzeitpunkt aus einer Menge diskret beabstandeter Einschaltzeitpunkte erfolgen kann.

[0093] Der Nominalwert lavg_ nom für den mittleren Strom lavg wird weiter einem Mittel 13 zur Berechnung eines Korrekturwerts Alp zur Korrektur des kompensierten Spitzenstroms Ipk_komp ZUgeführt.

[0094] Das Mittel 13 zur Berechnung eines Korrekturwertes erhält über einen weiteren Eingang einen Strommesswert Imess_avg. Der Strommesswert Imess_avg repräsentiert einen gemessenen Wert des mittleren Stroms lag. Der Strommesswert Imess avg Wird in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 über einen Messwiderstand Rmess In einem Laststromkreis des Konverterschaltkreises 1 erfasst

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Ss N

und einem Mittel 11 zur Strommittelwertbildung zugeführt.

[0095] Das Mittel zur Strommittelwertbildung 11 kann, wie in Fig. 3 dargestellt, zum Beispiel einen Tiefpass umfassen. Das Mittel zur Strommittelwertbildung 11 kann insbesondere die über den Messwiderstand Rmess abfallende Spannung (analoge Messspannung) mittels des Tiefpasses filtern. Die gefilterte Messspannung kann anschließend verstärkt werden. Ein A/D-Wandler tastet die, möglicherweise verstärkte, gefilterte Messspannung ab und erzeugt den digitalen Strommesswert Imess_avg-

[0096] Der kompensierte Wert für den Spitzenstrom Ipk komp Und der Korrekturwert Alpk werden einem Korrekturmittel 12 zugeführt. Das Korrekturmittel 12 korrigiert den kompensierten Wert für den Spitzenstrom Ipk_komp Mit dem Korrekturwert Alpx durch Addition. Das Korrekturmittel 12 gibt einen korrigierten Wert für den Spitzenstrom Ipk_korr AUS.

[0097] Der korrigierte Wert für den Spitzenstrom Ipk_kor Wird einen Komparator 14 an dessen nichtinvertieren Eingang zugeführt. Der invertierende Eingang des Komparators 14 erhält als Eingangssignal ein den aktuellen Spulenstrom Ispue durch die Spule repräsentierenden Strommesswert Imess_pk-

[0098] Der Strommesswert Imess pr, bzw. eine den Strommesswert Imess pr, repräsentierende Größe, kann zum Beispiel, wie in Fig. 1 dargestellt, mittels des in einem Lastpfad des Konverterschaltkreises 1 angeordneten Messwiderstand Rmess ermittelt (gemessen) werden.

[0099] Der Komparator 14 liefert an seinem Ausgang eine positive Flanke, wenn der Strommesswert Imess_pk den korrigierten Spitzenstrom Igk _korr erreicht. Das Ausgangssignal des Komparators 14, insbesondere eine positive Flanke in diesem Ausgangssignal, kann daher in einem Schalteransteuermittel 10 dazu genutzt werden, das Schalteransteuersignal 3 für den Schalter S zu erzeugen, das den Schalter S ausschaltet (öffnet).

[00100] Dem Schalteransteuermittel 10 werden an weiteren Eingängen die Totzeit tot, Sowie ein Detektionssignal, das einen Nulldurchgang des Spulenstroms |spue Signalisiert, zugeführt.

[00101] Der Nulldurchgang des Spulenstroms |Ispule wird in einem Nulldurchgangsdetektor 15 detektiert und in dem Detektionssignal ZX_Ereignis dem Schalteransteuermittel 10 bereitgestellt.

[00102] Das Schalteransteuermittel 19 ermittelt auf Basis der zugeführten Totzeit tor und des Detektionssignals ZX_Ereignis einen Einschaltzeitpunkt für den Schalter S. Der ermittelte Einschaltzeitpunkt wird zur Erzeugung des Schalteransteuersignals 3 für den Schalter S genutzt. Insbesondere bestimmt der ermittelte Einschaltzeitpunkt den Zeitpunkt, zu dem das Schalteransteuersignal den Schalter S einschaltet (schließt).

[00103] Die in Fig. 3 dargestellte Struktur des Steuerschaltkreises 5 ermöglicht eine Steuerung des Konverterschaltkreises 1, insbesondere dessen Schalters S, die in einem Grenzbetriebsmodus oder in einem lückenden Betriebsmodus des Konverterschaltkreises 1 eine präzise Einstellung des mittleren Laststroms lag ermöglicht.

[00104] Dies wird insbesondere erreicht, indem der kompensierte Spitzenstrom lpk_komp mittels des Korrekturwerts Al, korrigiert wird.

[00105] Dieser Korrekturwert Alp kann in besonders vorteilhafter Weise auf Grundlage des aktuellen mittleren Laststroms lag und des Sollwerts für den Laststrom lavg_nom ermittelt werden. Dies wird für eine mögliche Ausführung der Regelschleife nachfolgend mit Bezug zu Fig. 7 näher erläutert.

[00106] In Fig. 4 ist der Verlauf des Spitzenstroms I,« In Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lavg Mit einem ersten Arbeitspunkt des Konverterschaltkreises 1 dargestellt.

[00107] Der mittleren Laststrom lavg ist dabei auf der Abszisse, der Abschaltstrom Ipk in Richtung der Ordinate in Fig. 4 aufgetragen. Der Verlauf des Spitzenstroms I, In Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lag zeigt eine nichtlineare Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lavg.

[00108] Für einen (ersten) Arbeitspunkt ist dabei die erfindungsgemäße Näherung erster Ord-

Ss Ss

Ss N

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nung für den Spitzenstrom Ipk mit

Öl — pk Ip (Tavg) — Ip komp (Tavg- rot Upus- Ujast) + dlavg | Iavg-ttot,Ubus-Ulast X Alavg (3)

in Fig. 4 eingezeichnet. In Fig. 4 bezeichnet Ipx (lavyg) den Spitzenstrom Ip als Funktion des mittleren Laststroms lavg, Ipk_komp den kompensierten Spitzenstrom, der berücksichtigt, dass ein lediglich einem berechneten Einschaltzeitpunkt des Schalters S nahekommender, allerdings nicht exakt gleicher Einschaltzeitpunkt aus der Menge diskret beabstandeter Einschaltzeitpunkte gewählt wird. Weiter bezeichnet in (3) to: die Totzeit, Upus die Busspannung und Ujsı die Lastspannung. Der Korrekturwert Alp wird in Fig. 4 durch den zweiten Summanden zu

öl — Ylpx Alp nn Ölavg | Iavg-ttot, Ubus-Ulast X Alavg (4) öl .. pk . . . . dargestellt. Dabei ist days | Iavg-ttot-Ubus-U1ast der Gradient der Funktion des Spitzenstroms I;« in Ab-

hängigkeit von dem mittleren Laststrom lag für vorgegebene Werte des mittleren Laststroms lavg, der Totzeit tot, der Busspannung Usus und der Lastspannung Ust IN einem Arbeitspunkt. Alavg bezeichnet die Abweichung des mittleren Laststroms lavyg von einem Sollwert lavg_nom.

[00109] Fig. 5 zeigt den Verlauf des Abschaltstroms I, in Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lavg Mit einem weiteren, zweiten Arbeitspunkt des Konverterschaltkreises 1.

[00110] Die Darstellung des Verlaufs des Abschaltstroms Ip in Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lavg zeigt eine klare nichtlineare Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lavg und entspricht der Darstellung in Fig. 4.

[00111] Der in Fig. 5 eingezeichnete zweite Arbeitspunkt ist gegenüber dem in Fig. 4 eingezeichneten Arbeitspunkt in Richtung zu einem höheren mittleren Laststrom lag hin verschoben. Dies entspricht einem höheren Sollwert lavg_nom für den mittleren Laststrom law in Fig. 5 verglichen mit dem Sollwert lavg_nom des Laststroms in Fig. 4. Aufgrund des nichtlinearen Verlaufs des Spitzenstroms Ip In Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom lavg, hier einem flacheren Verlauf des Abschaltstroms Ip für zunehmende Werte des mittleren Laststroms lavg, ist der Gradient

öl pk .. . . . . . . . . Ölavg | Iavg-ttot-Ubus-Ulast für den zweiten Arbeitspunkt in Fig. 5 im Wert geringer als der Gradient im

ersten Arbeitspunkt in Fig. 4. Dementsprechend fällt der Wert des korrigierten Spitzenstroms |, nach Formel (3) in Fig. 5 geringer aus, als dies für den Wert des korrigierten Spitzenstroms |, nach Formel (3) in Fig. 4 zutrifft. Die Näherung erster Ordnung berücksichtigt also den nichtlinearen Zusammenhang zwischen dem Verlauf des Spitzenstroms Ipk und dem mittleren Laststrom

lavg-

[00112] In Fig. 6 ist die Abhängigkeit einer Zeitkonstante t eines geschlossenen Regelkreises zur Regelung des mittleren Laststroms lag von einem eingestellten Nominalwert für den Strom lavg_nom dargestellt.

[00113] Aufgrund des nicht-linearen Verhaltens der Regelstrecke mit Iavg = f(Ipıo Lrot- Urast, ..), (5)

verhält sich ein Il-Regler in dem Regelkreis für niedrige Sollwerte des mittleren Laststroms lavg_nom anders als für hohe Sollwerte des mittleren Laststroms lavg_nom.

[00114] Eine Zeitkonstante t einer Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises mit dem |- Regler

F.=1(1+58$SXT); (6) zeigt den in Fig. 6 beispielhaft dargestellten Verlauf der Zeitkonstante t als Funktion T Apom- Ink (Inom trot(Inom- Ipk.nom (I nom), Ujast Upus) Uiast nom» Upus)) (7)

aufgetragen in Richtung der Ordinate in Abhängigkeit von einem auf der Abszisse aufgetragenen

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nominalen Laststrom Inom.

[00115] Es ist aus Fig. 6 ersichtlich, dass das Regelverhalten des Regelkreiseses für kleine mittlere Lastströme lag Sehr langsam und somit nachteilig wird.

[00116] Fig. 7 zeigt ein Signalflussdiagramm der geschlossenen Regelschleife gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

[00117] Die Signale werden in Fig. 7 entsprechend der Signalart „digitales Signal“ und „analoges Signal“ unterschiedlich dargestellt. Ein digitales Signal ist als Pfeil mit Doppellinie gezeigt und zusätzlich mit einer Wortbreite des einzelnen Signals in Bit, beispielsweise „31“ Bit und „12“ Bit gekennzeichnet. Ein analoges Signal ist hingegen mittels eines einfachen Pfeils gezeigt.

[00118] Die in Fig. 7 genannten Wortbreiten digitaler Signale in Bit (Bitbreite) geben die Auflösung eines Abtastwerts des Signals wieder und sind als Anhaltspunkte für eine mögliche Implementierung unter einer Vielzahl möglicher Implementierungen der Erfindung zu verstehen.

[00119] Führungsgröße des einschleifig ausgebildeten Regelkreises nach Fig. 7 ist ein nominaler mittlerer Strom lavg_nom. Ein Sollwert für den nominalen mittlerer Strom lavg_nom kann beispielsweise vorgegeben werden, um ein LED-Modul als Last 2 zu einer Lichtabgabe mit einer gewünschten Lichtstärke zu veranlassen.

[00120] Der Sollwert für den nominalen mittlerer Strom lavg nom kann auch entsprechend einer vorgegebenen Zeitabhängigkeit ansteigen oder abfallen (Dimmvorgang).

[00121] Ausgangsgröße der Regelung ist der mittlere Laststrom lavg, dessen Wert durch das Betriebsgerät an die Last 2 abgegeben werden soll.

[00122] Der Wert des mittleren Laststroms lavg ist mittels der Regelschleife auf den Wert des nominalen mittleren Stroms lavg_nom ZU regeln.

[00123] Als Regelgröße wird ein Messwert für den mittleren Laststrom lag erfasst. Dieser Messwert für den mittleren Laststroms lavg wird regelmäßig als analoger repräsentativer Wert für den mittleren Laststroms lag vorliegen. Der Messwert für den mittleren Laststroms lavg wird einem Mittel zur Mittelwertbildung 16 zugeführt. Das Mittel zur Mittelwertbildung 16 mittelt den Messwert für den mittleren Laststroms lag für eine nachfolgende Digitalisierung des Messwerts für den mittleren Laststroms lavg. Ein Mittel zur A/D-Wandlung 17 mit einem Wandlergewinn gmı erzeugt anschließend einen digitalen Messwert imess für den mittleren Laststroms lag aus dem Messwert für den mittleren Laststroms lavg.

[00124] Am Ausgang des Mittels zur A/D-Wandlung 17 steht digitaler Istwert des Werts des mittleren Stroms als Imess Zu Verfügung.

[00125] Der digitale Istwert des Werts des mittleren Stroms als imess wird einem invertierenden Eingang eines Subtraktionsglieds 19 zugeführt.

[00126] Einem nichtinvertierenden Eingang des Subtraktionsglieds 19 wird ein digitaler Sollwert irer des mittleren Stroms zugeführt. Dieser digitaler Sollwert i,e: des mittleren Stroms wird in einem weiteren Mittel zur A/D-Wandlung 18 mit einem Wandlergewinn gmz aus dem als analoger Wert zugeführten nominalen mittlerer Strom lavg_nom erzeugt.

[00127] In einer besonders bevorzugten Ausführung liegt der nominale mittlere Laststrom lavg_nom bereits als digitaler nominaler mittleren Laststrom lavg_nom vor. Zum Beispiel kann der digitale nominale mittlere Laststrom lavg_nom über eine Schnittstelle, möglicherweise eine Schnittstelle basierend auf einem üblichen Leuchtprotokoll wie DALITM, zugeführt werden. Der nominale mittlere Laststrom lavg_nom kann aus einer über die Schnittstelle nutzerseitig bestimmten 100%-Wert Iseiect und einen Dimmwert umfassen. In dieser Ausführung ist ein Funktionsblock anstelle des Mittels zur A/D-Wandlung 18 in Fig. 7 angeordnet, der dafür ausgelegt ist, den digital zugeführten nominale mittlere Laststrom lavg_nom Mit einem Verstärkungsfaktor gmz in einen geeigneten Wertebereich entsprechend dem Wertebereich („Einheit“) von Imess ZU Skalieren.

[00128] Das Subtraktionsglied 19 erzeugt und gibt an seinem Ausgang eine Regeldifferenz für

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den Wert des mittleren Stroms lag als digitaler Regelfehler err des Werts des mittleren Stroms lavyg aus. Der digitale Regelfehler err entspricht einer Differenz aus dem digitalen Sollwert irer des mittleren Stroms und dem digitalen Istwert imess des Werts des mittleren Stroms.

[00129] Der digitale Regelfehler err des mittleren Stroms wird einem |-Regler 20 zugeführt. Der l-Regler 20 ist ein lineares Ubertragungsglied mit der Ubertragungsfunktion Ki,

A, (8) mit einem Reglergewinn Kı des I-Reglers 20. Der l-Regler 20 bewirkt eine zeitliche Integration des als Eingangssignal zugeführten digitalen Regelfehlers err zu einem digitalen Ausgangssignal ik des I-Reglers 20. Das digitale Ausgangssignal ik des l-Reglers 20 weist die Dimension des mittleren Stroms lavg auf.

Fi_regler(S) —

[00130] Das digitale Ausgangssignal ik des l-Reglers 20 wird einem Mittel zur Linearisierung 21 zugeführt. Das Mittel zur Linearisierung 21 ermittelt für den aktuellen Arbeitspunkt gekennzeich-

net durch den aktuellen Nominalwert lavg nom aus dem Verlauf Ipr (lavg) mittels Linearisierung und

Bildung der Näherung erster Ordnung unter Verwendung der ersten Ableitung „Sk einen digitalen avg

Korrekturwert Alp in der Dimension des Spitzenstroms |pk.

[00131] Dieser digitale Korrekturwert Alp für den Spitzenstrom I,KÜÖ, der einen Schwellenwert für die Ausschaltschwelle des Spulenstroms Ispue, bei dessen Erreichen durch den Spulenstrom |spule der Schalter S geöffnet wird, darstellt, kann unmittelbar zur Korrektur des adaptiv berechneten kompensierten Spitzenwerts Ipk_ komp genutzt werden.

[00132] Der digitale Korrekturwert Al,« für den Spitzenstrom Ip wird ebenso wie der berechnete kompensierte Spitzenwert Ipk_komp Eingängen eines Summiermittels 22 zugeführt. Das Summiermittel 22 erzeugt mittels Addition des digitalen Korrekturwerts Alp und des berechneten kompensierten Spitzenwerts Ip comp einen korrigierten Wert Ipx_korr für den Spitzenstrom Ipx und stellt an einem Ausgang einen digitalen Wert für den korrigierten Spitzenstrom Ipx_kor bereit.

[00133] Der korrigierte Spitzenstrom Ipk_korr Wird in einem anschließenden Mittel zur D/A-Wandlung 23 in einen analogen korrigierten Spitzenstrom Ipk_kor umgewandelt. Die Wandlung in dem Mittel zur D/A-Wandlung 23 erfolgt mit einem Wandlergewinn Gpac.

[00134] Der analoge korrigierte Spitzenstrom Ipk_korr Stellt einen Schwellenwert für einen in Fig. 7 nicht dargestellten Komparator dar, dessen zweitem Eingang ein für den Spulenstrom |spule repräsentativer Wert zugeführt wird. Der Komparator kann somit das Schalteransteuersignal 3 für den Schalters S des Konverterschaltkreises 1, insbesondere zur Steuerung des Öffnens des Schalters S, bereitstellen.

[00135] Der analoge, korrigierte Spitzenstrom Ip kor Stellt somit die Stellgröße für die Regelstrecke 24 der Regelschleife in Fig. 7 dar.

[00136] Die Regelstrecke 24 wird im vorliegenden Fall durch den Konverterschaltkreis 1, im Ausführungsbeispiel ein Abwärtswandler, mit der Übertragungsfunktion lavg = f (Ip, tiot, Ulast, ...) beschrieben und ist in Fig. 7 vereinfacht als Übertragungsglied mit einer Proportionalitätskonstante Gs gezeichnet.

[00137] Anhand der Fig. 7 wird deutlich, dass der Il-Regler 20 der Regelschleife lediglich relative Werte ir, und das anschließende Mittel zur Linearisierung den relativen Korrekturwert Alp bereitstellt. Der adaptive berechnete Wert für den kompensierten Spitzenstrom Ipk_ komp berücksichtigt bereits die Nichtlinearität der Regelstrecke 24. Daher erfolgt erfindungsgemäß lediglich eine Multiplikation des relativen Werts ix am Ausgang des I-Reglers 20 mit der ersten Ableitung dIpk/dlavg der Funktion Ipk(dlavg), um eine Linearisierung des relativen Werts ix am Ausgang des I- Reglers 20 im Arbeitspunkt, vorgegeben durch Ipk komp, ZU erhalten. Das damit erreichte konstante Regelverhalten des Regelkreises nach Fig. 7 ist im nachfolgenden Diagramm nach Fig. 8 gezeigt.

[00138] In Fig. 8 wird die Abhängigkeit der Zeitkonstante t des geschlossenen Regelkreises zur Regelung des mittleren Laststroms lag von einem eingestellten Nominalwert für den mittleren

Ss Ss

Ss N

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Laststrom lavg_nom für die geschlossene Regelschleife gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Fig. 8 zeigt den Verlauf der Zeitkonstante t

T nom Ip (Inom- trot(Inom- Ipknom Cpom) Ujast Upus), Ürastnom? Upus)) (9)

aufgetragen in Richtung der Ordinate in Abhängigkeit von dem auf der Abszisse aufgetragenen nominalen Laststrom Inom. Das linearisierte Verhalten der Regelstrecke mit einem I-Regler 20 zeigt sich in Fig. 8 in einer konstanten Zeitkonstante t der Übertragungsfunktion F. des geschlossenen Regelkreises mit dem I-Regler 20 über einen weiten Bereich, für niedrige Inom ebenso wie für hohe Ipom.

[00139] Im Vergleich mit Fig. 6 wird aus Fig. 8 ein konstantes Regelverhalten, wie es mittels der speziellen Linearisierung entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel erreicht wird, ersichtlich. Die Näherung erster Ordnung des Abschaltstroms Ipk (lavg) lautet:

öl = —pk Ip (Tavg) -— Ipkcomp (Tavg Lob Upus) Ujast)) + dlavg | Iavg,tdead-Ubus-V1ast X Alavg (10) mit Lot Ypk | =14+—— (11) äl Tavg-ttot,Ubus-U1ast > 2lavgttot AVB Tavg + und LXU b=—— A bus (12)

(Upus -Vıast) X Uiast

[00140] Fig. 9 gibt ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens für den Konverterschaltkreis 1 wieder. Das Steuerungsverfahren beginnt mit Schritt S1 mit Einlesen eines Zielwerts lavg nom für den mittleren Strom lavg. In Schritt S2 wird eine nominelle Totzeit tıot_nom ermittelt. Die nominelle Totzeit tiot nom ISt die Totzeit to, Mit der der Zielwert lavg_nom für den mittleren Laststrom lag unterfestgelegten Randbedingungen, insbesondere für den Spitzenstrom Ip, die Lastspannung Ujst und die Busspannung U,us erreicht wird.

[00141] In einem nächsten Schritt S3 wird zu der ermittelten Totzeit tiot_ nom eine nächstliegende Totzeit tiot valley gewählt, deren Zeitdauer durch die begrenzte Menge verfügbarer, diskret beabstandeter möglicher Einschaltzeitpunkte des Schalters S bestimmt wird.

[00142] Der ausgewählte Einschaltzeitpunkt kann beispielsweise der Einschaltzeitpunkt aus der Menge möglicher Einschaltzeitpunkte sein, der dem berechneten Einschaltzeitpunkt des Schalters S zur Realisierung der Totzeit tıot_nom Zeitlich am nächsten liegt, also einen minimalen zeitlichen Abstand aufweist.

[00143] Der berechnete Einschaltzeitpunkt kann beispielsweise so berechnet werden, dass mit dem berechneten Einschaltzeitpunkt der vorab bestimmte, vorgegebene Sollwert für den mittleren Laststrom lavg_nom exakt realisiert werden kann.

[00144] Aufgrund der Abweichung des theoretischen Werts tiot_ nom ZU dem tatsächlich einzustellenden Wert tiot valley Würde eine abrupte und sprungartige Veränderung des mittleren Laststroms lavg erfolgen.

[00145] Für den Fall eines LED-Moduls als Last 2 des Betriebsgeräts, insbesondere auch des Konverterschaltkreises 1, kann dieser Sprung im mittleren Laststrom lag zu einer abrupten, möglicherweise optisch wahrnehmbaren Anderung in der Lichtabgabe der LEDs des LED-Moduls führen.

[00146] Um diesen Sprung des mittleren Laststroms lag zu vermeiden, wird in einem nachfolgenden Schritt S5 zu der Totzeit tot nom ein kompensierter Spitzenstrom Ipk_komp ermittelt, der eben dieses Sprungverhalten des mittleren Laststroms lag verhindert. In Schritt S4 erfolgt dies durch Bestimmen eines veränderten Werts Ipx komp für den Spitzenstrom Ip. Dieser kompensierte Spitzenstrom Ipk_komp bestimmt einen Ausschaltzeitpunkt für den Schalter S, um den vorgegebenen

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mittleren Laststrom lavg_nom für die einzustellende Totzeit tiot_valley ZU bewirken.

[00147] In Schritt S5 werden nun die Werte für die Totzeit tiot valley UNd den kompensierten Spitzenstrom Ipk_komp übernommen. In einem idealen Fall würde sich mit Einstellen der Werte für die Totzeit tiot_valley UNd den kompensierten Spitzenstrom Ipk_nom bereits am Ausgang des Betriebsgeräts der gewünschte mittlere Laststrom lavg_nom als realer mittlerer Laststrom einstellen.

[00148] Tatsächlich wird in der Regel eine, möglicherweise geringfügige Abweichung eines gemessenen mittleren Laststroms Imess_avg für den mittleren Laststrom lag von dem vorgegebenen mittleren Laststrom lavg_nom festzustellen sein.

[00149] Die Korrektur dieser Abweichung erfolgt erfindungsgemäß mittels des Korrekturwerts Alp In folgenden Schritten S6 bis S9.

[00150] Das Ermitteln des einzustellenden Ausschaltzeitpunkts des Schalters S erfolgt auf Grundlage eines korrigierten Spitzenstroms Ipk_korr-

[00151] Dazu wird in einem folgenden Schritt S6 ein Verlauf der nichtlinearen Funktion Ipk(lavg) betrachtet und der Gradient der nichtlinearen Funktion Ipk(lavg) In dem durch den Sollwert lavg_nom des Laststroms lag bestimmten Arbeitspunkt bestimmt.

[00152] Der Korrekturwert Alp wird in einem anschließenden Schritt S7 auf Grundlage einer Abweichung eines gemessenen mittleren Laststroms Imess_ag ZU dem vorgegebenen mittleren LastStrom lavg_nom auf Grundlage des Gradienten der nichtlinearen Funktion Ipk(lavg) In dem durch den Sollwert lavg_nom des Laststroms lavyg bestimmten Arbeitspunkt berechnet.

[00153] Anschließend wird in Schritt S8 der kompensierte Spitzenstrom lpk_komp Mittels des Korrekturwerts Alp korrigiert, um Ipk_komp ZU erhalten.

[00154] Anschließend werden in einem Schritt S9 in dem Steuerschaltkreis 5 der neu ermittelte, korrigierte Spitzenstrom Ipk_korr als Abschaltschwelle für den Spulenstrom Ispule UNd die berechnete Totzeit tiot vanley als aktuelle Werte für die Steuerung, auf deren Basis die Ansteuerung des Schalters S mit einem geeignet bestimmten Schalteransteuersignal 3 ausgeführt wird, gesetzt.

[00155] Die Schritte S6 bis S9 können wiederholt durchlaufen werden, bis die Abweichung des gemessenen mittleren Laststroms Imess_avyg ZU dem vorgegebenen mittleren Laststrom lavg_nom gegen Null geht oder genau Null ist.

[00156] Die Steuerung des Schalters S durch den Steuerschaltkreis 5 erfolgt nun mit den neuen Werten für den Ausschaltzeitpunkt ermittelt auf Basis des korrigierte Spitzenstrom Ipk_korr Und den Einschaltzeitpunkt auf Basis der Totzeit tiot_valley-

[00157] Die Verfahrensschritte S1 bis S9 können für jede Änderung des Sollwerts lavg_nom für den mittleren Laststroms lag durchlaufen werden.

[00158] Die Schritte S6 und S7 werden wiederholt während eines Betriebs des getakteten Konverterschaltkreises 1 ausgeführt. In einer Implementierung des Betriebsgeräts beispielsweise alle 1.536 s.

[00159] Die Schritte S1 bis S5 werden in dieser Implementierung lediglich bei einer Änderung des Sollwerts lavg_nom des mittleren Laststroms lavg ausgeführt.

Claims (7)

A hes AT 18 539 U1 2025-09-15 Ss N Ansprüche

1. Betriebsgerät, insbesondere ausgelegt für einen dimmbaren Betrieb von Leuchtmitteln (2),

wobei das Betriebsgerät in einem getakteten Konverterschaltkreis (1) mit wenigstens einem Schalter (S) einen Laststrom (lası) erzeugt, und

eine Steuerschaltung (5) ausgelegt dafür, den wenigstens einen Schalter (S) in einem lückenden Betriebsmodus oder einem Grenzbetriebsmodus anzusteuern, aufweist,

wobei die Steuerschaltung (5) eingerichtet ist, einen vorgegebenen mittleren Laststrom durch Schließen des Schalters (S) zu einem Einschaltzeitpunkt aus einer Menge diskreter möglicher Einschaltzeitpunkte und Öffnen des Schalters (S) zu einem Ausschaltzeitpunkt einzustellen, und

dadurch gekennzeichnet, dass

die Steuerschaltung (5) eingerichtet ist, den Ausschaltzeitpunkt auf Grundlage eines korrigierten Spitzenstroms (Ipk_kor) ZU ermitteln, wobei der korrigierte Spitzenstrom (Ipk_korr) ermittelt wird, indem der Steuerschaltkreis (5)

in einem ersten Korrekturschritt eine Wahl des Einschaltzeitpunkts mittels Ermitteln eines kompensierten Spitzenstroms (Ip komp) kompensiert, und

in einem zweiten Korrekturschritt mittels eines Korrekturwerts (Alp), der auf Grundlage einer Abweichung eines gemessenen mittleren Laststroms (Imess_avg) ZU einem vorgegebenen mittleren Laststrom (lavg_nom) berechnet wird, den kompensierten Spitzenstrom (lpk_komp) korrigiert, um den korrigierte Spitzenstrom (Ipk_korr) ZU ermitteln.

2. Betriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (5) einen Regler umfasst, insbesondere einen Regler mit I-Anteil (21), dem eine Differenz des gemessenen mittleren Laststroms (Imess_avg) UNd des vorgegebenen mittleren Laststroms (lavg_nom) als Eingangsgröße zugeführt wird.

3. Betriebsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (5) eingerichtet ist, eine von dem Regler ausgegebene Steuergröße abhängig von einem aktuellen Sollwert oder einem aktuellen Istwert des vorgegebenen mittleren Laststroms zu kalibrieren.

4. Betriebsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (5) eingerichtet ist, die ausgegebene Steuergröße mit einem Verstärkungsfaktor abhängig von dem aktuellen Sollwert des vorgegebenen mittleren Laststroms zu kalibrieren.

5. Betriebsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (5) eingerichtet ist, den Verstärkungsfaktor auf Basis eines Gradienten eines Verlaufs des Spitzenstroms (I,«) In Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom (lavg) für den aktuellen Sollwert des mittleren Laststroms zu ermitteln.

6. Betriebsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

die Steuerschaltung (5) eingerichtet ist, den Verstärkungsfaktor so zu ermitteln, dass für einen zunehmenden Gradienten des Verlaufs des Spitzenstroms (I) in Abhängigkeit von dem mittleren Laststrom (lag) für den Sollwert des mittleren Stroms ein zunehmender Verstärkungsfaktor ermittelt wird.

7. Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass

die Steuerschaltung (5) eingerichtet ist, den Korrekturwert (Alp) für den Spitzenstrom (Ipk) SO zu ermitteln, dass der Korrekturwert mit zunehmendem Sollwert für den mittleren Laststrom (lavg) abnimmt.

8. Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (5) eingerichtet ist,

zunächst eine nichtlineare Kurve der Abhängigkeit des Spitzenstroms (I,«) von dem mittleren Laststrom (lavg) Zu berechnen, und

anschließend den Gradienten als erste Ableitung der nichtlinearen Kurve zu bestimmen.

9. Verfahren für ein Betriebsgerät, insbesondere ausgelegt für einen dimmbaren Betrieb von Leuchtmitteln (),

wobei das Betriebsgerät in einem getakteten Konverterschaltkreis (1) mit wenigstens einem Schalter () einen Laststrom erzeugt, und eine Steuerschaltung (5) ausgelegt dafür, den wenigstens einen Schalter (S) in einem lückenden Betriebsmodus oder einem Grenzbetriebsmodus anzusteuern, aufweist, und das Verfahren die Schritte aufweist:

Auswahl eines Einschaltzeitpunkts aus einer Menge diskreter möglicher Einschaltzeit-

punkte, um einen vorgegebenen mittleren Laststrom (lavg_nom) durch Schließen des Schalters (S) zu bewirken, und

Ermitteln eines Ausschaltzeitpunkts des Schalters (S), um den vorgegebenen mittleren Laststrom (lavg_nom) durch Öffnen des Schalters (S) zu bewirken und

dadurch gekennzeichnet, dass

das Ermitteln des Ausschaltzeitpunkts des Schalters (S) auf Grundlage eines korrigierten Spitzenstroms (Ip«_korr) erfolgt, und wobei der korrigierte Spitzenstrom (Ipk_kor) ermittelt wird, indem der Steuerschaltkreis (5)

in einem ersten Korrekturschritt die Auswahl des Einschaltzeitpunkts mittels Ermitteln eines kompensierten Spitzenstroms (Ipk_ komp) kompensiert, und

in einem zweiten Korrekturschritt den kompensierten Spitzenstrom (lpk_komp) Mittels eines Korrekturwerts (Al,) korrigiert, wobei der Korrekturwert (Alp) auf Grundlage einer Abweichung eines gemessenen mittleren Laststroms (lavg mess) ZU dem vorgegebenen mittleren Laststrom (lavg_nom) berechnet wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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