用于滞后调节直流电压转换器的输出电压的设备和方法与流程

本发明涉及用于在由下极限值和上极限值定义的滞后区域之内滞后调节直流电压转换器的输出电压的设备和方法，其中直流电压转换器的开关在离开滞后区域时被切换。

背景技术：
在将直流电压转换器用于可变负载的恒定供电时不能省略调节，以便能够将转换器的输出电压适配于变化的负载电阻。典型的电流调节器、例如PI调节器虽然能够利用如在LED组中所出现的快速变化的负载来补偿慢的效应、如温度或老化相关的效应和可能相对慢地波动的输入电压，但是所述电流调节器由于积分环路的慢的反应不能避免并且产生过电流或欠电流，这例如能够导致闪烁的光。在该情况下明显更有效的是如上提及的滞后调节，该滞后调节影响转换器的开关行为，以便提供对应于变化的负载的输出电压进而提供所期望的电流。转换器的两个开关过程之间的时间在此与所测量的输出电压有关并且可以从周期到周期地变化。由此也可以给具有动态地并且十分快速变化的负载的耗电器供应相当恒定的电流。这样的调节的缺点是，切换时间点不仅依赖于输出电压而且依赖于电流和其他参数、如比较器的延迟、转换器的FET开关的栅极电压、栅极驱动器的强度等。出于该原因，在输出电压中的过冲和下冲几乎一直发生，其中过冲和下冲的幅度与开关时间点和电流的上升或下降相关。但是，电流的上升以及下降又与输入和输出电压之间的差相关，所述输入和输出电压波动。平均电流与预先给定值的偏差因此几乎是不可避免的。

技术实现要素：
本发明的任务是，为调节提出一种经济的解决方案，该解决方案允许对所有电压相关和时间相关的效应的补偿。本发明此外应该操纵宽的输出电流范围并且能够提供灵活的、可能强烈波动的输出电压。此外值得期望的是，输入电压的波动和变化的供电水平在输入端上的影响是尽可能小的。除此之外，输入电流不应该过快地上升或下降，以便不干扰可能的前置的转换器。最后应该给出尽可能不受温度和老化影响的工作方式。开始所提出方式的根据本发明的方法通过以下方式解决该任务，即改变至少一个极限值以用于补偿开关延迟。在相应的根据本发明的装置中，为了解决所述任务，至少一个用于改变极限值的补偿电路以相应的方式与开关装置连接。与具有固定的滞后区域的已知调节相对，在本方法中或在本装置中，为了补偿过冲和下冲，滞后区域通过以下方式被适配，即改变极限值之一或两个极限值。通过这样的改变可以间接地修改所调节的转换器的有效开关时间点：极限值的缩小滞后区域的变化对应于按趋势更早的开关时间点，相对于先前的情况。而滞后区域的放大一般导致更小的开关频率。为了在不提高原始的开关频率的情况下实现所力求的补偿，有利的是，在输出电压从滞后区域中出来时，与出来侧相对的极限值与该出来对称地被改变。由于滞后调节因此可以实现尽可能恒定的平均值，因为对于该出来负责的“推迟的”开关时间点利用在滞后区域的相对侧上的有意引入的延迟来补偿。虽然输出电压的波由此总体上被提高，但是同时平均值与预先给定值的偏差明显被减小。在根据本发明的装置中可以相应地设置有用于降低下极限值的补偿电路和用于提高上极限值的补偿电路。如果在离开滞后区域时下极限值根据超出上极限值的大小被降低和/或上极限值根据低于下极限值的大小被提高，可以实现电压相关和时间相关的效应的特别快的补偿。在该情况下，补偿例如已经在半个开关周期之后、即在随后的开关时间点时被实现。为了能够实现合适的适配于波动幅度的补偿和极限值的变化，过冲或低于的大小被记录在存储元件中、特别是在分别所属的电容器中。因此为了确定改变的极限值在需要时可以在之后的时间点访问所记录的值并且该记录的值例如可以从预先给定的极限值上减去。在该情况下，存储元件的擦除不导致所有极限值的损失，而是仅仅擦除在存储元件中记录的变化。在根据本发明的装置中，在该上下文中有利的是，相应的补偿电路具有被分配给下极限值或上极限值的寄存电路。寄存电路的简单的实施方案例如可以通过以下来实现，即每个寄存电路具有电容器以及与电容器串联的二极管。二极管在此一方面确定充电过程的符号，即电容器在超过或低于相应的极限值时是否被充电，并且此外负责：电容器在转换器的开关过程之后保持其电荷。此外有利的是，每个寄存电路具有用于将电容器上所施加的电压转换为电流的补偿放大器，其中基本上避免电容器的放电。关于存储元件证实为有利的是，存储元件周期地、优选地在输出电压再进入到滞后区域中时被复位。通过复位可以防止共振效应、即极限值变化增加至越来越大的幅度。无论如何，用于复位的时间点不会位于实际的开关时间点之前，因为相对的（被分配给分别另外侧的）存储元件一直还可以根据过冲或下冲被更新。到滞后区域中的再进入是可简单识别的时间点，该时间点无论如何位于开关时间点之后并且可能从分别相对侧上的滞后区域中出来之前。在本装置中，相应的功能可以通过以下来实现，即用于给电容器放电的寄存电路具有复位开关。复位开关在此与电容器并联，使得闭合的复位开关引起电容器的充电进而电容器上的电压到零。对此，相对于转换器的周期短的时间窗已经足够，因为放电几乎立即发生。为了寄存电路之后又能够保持电荷，复位开关在完成相应的电容器的放电后又必须被断开。出于该原因有利的是，被分配给下极限值的寄存电路的复位开关经由脉冲发生器与用于用信号通知超出上极限值的开关装置连接并且被分配给上极限值的寄存电路的复位开关经由脉冲发生器与用于用信号通知低于下极限值的开关装置连接。由脉冲发生器产生的脉冲的持续时间在此必须足够，以便实现电容器的完全放电，然而绝不允许是如此长的，使得相应的复位开关可能不及时地、即在从滞后区域中下次出来之前又被断开。为了在本装置中实现最有利的放电时间点，可以有利地分别设置脉冲发生器，以便在输出电压再进入到滞后区域中时优选地在一定的延迟之后、暂时地、优选大约10ns闭合分别被分配的复位开关。详细地，优选的根据本发明的方法的一个周期的主要的方法步骤以在滞后区域之内下降的输出电压开始如下被综合：a）在低于下极限值时，下冲信号被置位并且促使直流电压转换器的开关的闭合；b）在开关过程的延迟期间，最低状态电容器通过二极管根据输出电压和下极限值之间的差被充电；c）最低状态电容器的因此达到的值被加到上极限值上并且上极限值根据电压差被提高；d）最低状态电容器在开关过程之后并且在输出电压的随后的上升期间由于二极管保持其电荷并且上极限值相应地保持向上偏移；e）在超过下极限值时，复位在步骤a）中被置位的下冲信号；f）在超过上极限值时，置位过冲信号并且促使直流电压转换器的开关的断开；g）在开关过程的延迟期间，最高状态电容器通过二极管根据上极限值和输出电压之间的差被充电；h）最高状态电容器的因此达到的值被从下极限值上减去并且下极限值根据电压差被降低；i）最高状态电容器在开关过程之后并且在输出电压的随后的下降期间由于二极管保持其电荷并且下极限值相应地保持向下偏移；j）在低于上极限值时，最后复位在步骤f）中被置位的过冲信号。在所描述的方法中，最低状态电容器和最高状态电容器分别对应于存储元件。如果存储元件（如上面另外解释的）应该周期地被复位，那么在所描述的方法中分别可以插入以下中间步骤，其中e1）在复位下冲信号时，促使最高状态电容器的放电并且下极限值被提高到原始的值上；或j1）在复位过冲信号时，促使最低状态电容器的放电并且上极限值被降低到原始的值上。本装置的简单并且经济的实现在于：平均电流宿预先给定参考值并且极限值优选地由两个基本相同的半波源来预先给定，其中平均电流宿直接与测量装置连接并且使所测量的输出电压与所述参考值发生关系，并且其中半波源经由分压器电阻与测量装置和平均电流宿连接，使得在与分压器电阻相邻的节点上施加比较电压以用于识别输出电压从滞后区域中出来。为了避免高的损耗并且少地保持所散发的热，平均电流宿例如可以容纳输出电流的大约千分之一。测量装置在该情况下应该被配置，以便输出相应地相对于输出电流标度的电流。两个半波源相对于通过平均电流宿确定的中间点或参考值来定义极限值并且因此定义原始的滞后区域。两个半波源应该精确地被校准，因为校准中的误差可能导致输出电流的所获得的平均值的移动。在本装置的一种特别有利的变型方案中，测量装置和开关装置包括补偿电路和可能连接在其间的组件被安置在集成电路中，其中优选地同样集成用于直流电压转换器上的电流测量的分流电阻和/或用于切断/接通转换器电感线圈上的电压的开关、尤其是FET。该结构形式由于少的部件数量和小的空间占用允许在现存的转换器草案中的简单集成。附图说明下面，借助特别优选的实施例并且参考附图还进一步地解释本发明，但是本发明不应该局限于所述实施例。在附图中在此详细地：图1示出用于给LED组供电的直流电压转换器链的示意框图；图2示出根据现有技术的滞后调节器中的电流变化曲线图；图3示出图2中的根据图2中的区域III的片段；图4示出根据本方法调节时的所产生的开关信号图和电压变化曲线图；图5示出用于执行在图4中所说明的方法的优选的装置的示意框图。具体实施方式图1示出设备或根据本发明的方法的典型的应用情形的基本结构。在此是具有升压转换器（Boost-Konverter）2和降压转换器（Buck-Konverter）3的直流电压转换器2、3的链1。升压转换器2与（车载）电网电压4连接，升压转换器将该（车载）电网电压转换成更高的供电电压5。降压转换器3或通常多个降压转换器与所提供的供电电压连接并且以此出发产生预先给定的输出电流6。降压转换器3的输出电压因此如下地来调节，即该输出电压根据所连接的负载电阻（未被描绘）引起预先定义的输出电流6。直流电压转换器2、3（以本身已知的并且因此没有详细示出或描述的方式）具有基本上周期性工作的开关（参见图5中的开关7）和一个或多个储能器。降压转换器3的期望的输出电压或期望的输出电流6通过相应地设定或调节储能器的充电和放电周期来实现。相应的、现有技术中已知的滞后调节器的输出电流6的变化曲线8在图2中示出。横坐标t是时间轴，其中选择刻度，使得储能器的大约两个完整的充电/放电周期是可见的。在纵坐标I上描绘所调节的转换器3的输出电流6，其中两个水平的虚线9、10标记输出电流6的下极限值9和上极限值10。两个极限值9、10之间的区域是滞后区域11。输出电流6的预先给定的值应该通常位于两个极限值9、10之间的滞后区域11的中间。所示出的电流变化曲线8以充电区段12开始。一旦输出电流6超过上极限值10，就结束充电区段12并且开始放电区段13。在此，由于开关延迟△t（参见图3）经常出现超出上极限值10。同样的情况类似地适用于低于下极限值9。在此，一旦输出电流6达到下极限值9，就结束放电区段13并且开始新的充电区段14。输出电流6在一个或多个周期上的平均值应该对应于预先给定的值。在此，只有当超出和低于两个极限值10、9在一个周期中是相同的，该目标才能实现。然而，这在实际中不是该情况，因为例如供电电压5和负载电阻的波动有助于不断地并且快速变化的条件。第二充电区段14到第二放电区段15的过渡在图2中通过矩形区域III标记并且在图3中详细地示出。示意图轴t、I相应地与图2相同。水平的虚线标记输出电流6的上极限值10。在此，清楚可见的是，从充电区段14到放电区段15中的切换不在达到极限值10时立即进行，而是在开关延迟△t之后才进行。因为降压转换器3的储能器在时间△t期间继续被充电，所以输出电流6也继续上升。在充电区段14和放电区段15之间的换向点16处，放电电流6达到大于上极限值10一个差△I的值。在换向点16之后，在放电区段15期间，在放电电流6又位于上极限值10之内、即在该情况下低于上极限值10之前，过冲的大小△I必须首先被放电。如在图2和图3中可看出，充电区段14和放电区段15的斜率一般是不同的。恒定的开关延迟△t因此导致不同的电流差△I，其中延迟的区段14、15的斜率越大（其中这自然也以负的符号、即在下极限值9的区域中适用），该差△I就越大。除了变化的供电电压和变化的负载之外，该效应同样有助于差△I的波动。此外，也必须考虑例如由于温度影响或老化现象所导致的更慢的变化。在没有附加的调节或补偿的情况下，由降压转换器3所产生的电流6的平均值在所列举的影响的情况下通常与预先给定的值强烈地偏离。在图4中示出在根据本方法进行电流调节时分流电阻18（参见图5）上的电流变化曲线17或电压变化曲线。与图2相对，在此极限值19、20根据时间t变化。代表下和上极限值19、20的虚线具有变化的一般阶梯形的变化曲线，其中下极限值19周期地返回到下基值21并且上极限值20周期地返回到上基值22。其间根据本方法改变极限值19、20：一旦输出电流6达到上极限值20，下极限值19就开始随着继续升高的输出电流6根据过冲的大小而对称地降低。如果充电区段23结束并且输出电流6或其变化曲线17达到最大值24，那么下极限值19相应地达到最小值25。在该最小值25时，如果输出电流6已经又下降，那么下极限值19也还保持不变。根据已知的调节原理，输出电流6此后下降，直至该输出电流达到（改变的）下极限值19、即最小值25的值。一旦输出电流下降到下极限值19以下，（类似于下极限值19的变化）上极限值20就随着下降的输出电流6的变化曲线17对称地被提高。如果放电区段27结束并且随后的充电区段28开始，那么输出电流6达到最小值26。由上极限值20在该时间点所达到的最大值29在充电区段28期间保持不变。一旦输出电流6在充电区段28期间超过下极限值19，下极限值19就被复位或提高到下基值21。在那里下极限值19保持不变，而输出电流6横穿滞后区域30。只有当输出电流6又超出上（从现在起改变的）极限值20、或在该情况下最大值29的值时，下极限值19（如解释的）才又下降。以相同的方式，在输出电流6在最大值31之后在放电区段32期间又下降到上极限值20以下之后，上极限值20被复位或降低到上基值22上。在图4的下面部分中示出与所描述的过程关联的信号S、R、Q（也参见图5）或所述信号的时间变化曲线。具体地，最下面的线34是下冲信号S（“Set”），中间的线35是过冲信号R（“Reset”）并且最上面的线36是控制信号Q。控制信号Q被施加在降压转换器3（参见图1）的开关7（参见图5）上，其中然而应该考虑控制信号Q的变化和开关7的切换之间的延迟。所有三个信号Q、R、S是二进制的并且因此分别仅采用值0或1或者“off”或“on”。下面，信号的“置位”表示采用值1/on并且信号的“复位”表示采用值0/off。在所示出的流程开始，输出电流6小于下极限值19并且因此下冲信号S被置位并且过冲信号R被复位。在被置位的下冲信号S的情况下，方法决定地总是也置位控制信号Q。一旦输出电流6超过下极限值19，就复位下冲信号S。下冲信号S或过冲信号R的复位对控制信号Q没有直接影响，该控制信号Q因此保持其状态（on）。因此降压转换器3的开关7保持闭合，输出电流6继续上升并且过冲信号R保持被复位。一旦输出电流6超出上极限值20，就置位过冲信号R并且方法决定地由此复位控制信号Q。由于控制信号Q和开关7的状态之间的延迟，电流6在延迟期间继续上升并且之后才又开始下降。当输出电流6下降到上极限值20以下时，复位过冲信号R，其中控制信号Q保持其状态（off）。只有当输出电流6下降到下极限值19以下时，才置位下冲信号S并且伴随着下冲信号置位控制信号Q。在延迟之后，降压转换器3的开关7又被闭合，随后的充电区段28开始并且所描述的流程重新开始。极限值19、20到相应的基值21、22的复位同样与所描述的信号S、R相关：在复位下冲信号S的情况下，促使下极限值19提高到下基值21，其中该变化仅仅由延迟来触发。（可选的）延迟用于，不立即在（向下变化的）下极限值19被超出时提高下极限值19并且下冲信号S由于由此位于下极限值19以下的输出电流6而重新被触发。以类似的方式，一旦复位过冲信号R或短暂地在复位过冲信号R之后，（向上变化的）上极限值20被降低到上基值22。如果使用延迟，必须确保：在相应的极限值19、20的重新变化开始之前达到基值21、22，即在超出上极限值20并且下极限值19的随之发生的（重新的）下降开始之前，下极限值19必须及时地被提高，并且在低于下极限值19和上极限值20的随之发生的（重新的）提高开始之前，上极限值20必须及时地被降低。被设立用于执行本方法的装置在图5中借助示意框图来示出。在此，降压转换器3（参见图1）的开关7以及在输出侧与降压转换器3连接的分流电阻18示意地表明。开关7优选地是半导体开关、特别是FET。在此，不仅开关7而且分流电阻18位于利用包围线来表明的集成电路38之外。但是同样能够设想的是，为了安装简化将开关7和/或分流电阻18容纳到集成电路38中。测量放大器39与属于负载电流回路（未示出）的分流电阻18连接。测量放大器39测量分流电阻18上的电压降并且因此间接地测量负载或（流经分流电阻18的）降压转换器3的输出电流6。测量放大器39输出电流Ii，该电流与分流电阻18上的电压降进而与输出电流6成比例。例如可以选择分流电阻18和测量放大器39，使得在输出电流6为1A时，放大器39输出1mA的电流Ii。平均电流宿40与测量放大器39的输出端连接。平均电流宿40（自然在考虑输出电流6和由测量放大器39所输出的电流Ii之间的刻度或比例系数的情况下）提取由测量放大器39所输出的电流Ii的一部分Iavg，该部分对应于预先定义的或所期望的平均输出电流。剩余的电流（Ii－Iavg）流经放大器电阻42、43、44的网络41，该网络将测量放大器39或平均电流宿40的输出端与两个半波源45、46或半波宿连接。放大器电阻42、43、44将电流源40、45、46和放大器39、47、48所产生的或所提取的电流转换成电压。半波源45、46因此是电流源或电流宿，所述电流源或电流宿确保：施加在分别被分配的放大器电阻43、44上的电压描述所测量的输出电流6关于相应的（下或上）极限值19、20（参见图4）的相对位置。两个比较器49、50监控电阻网络41的输入端51（输入电压；在后面出于简便同样利用51来表示）和两个输出端52、53（下输出电压或上输出电压；在后面出于简便同样利用52或53来表示）中各一个之间的电压。在此，比较器49、50以相反的符号与电阻网络41连接，即电阻网络41的输入端51在上比较器50时位于正输入端上并且在下比较器49时位于负输入端上。根据施加在输入端上的电压哪个较高，比较器49、50在其输出端上置位信号S、R（在正输入端上的电压较高时）或消除信号S、R（在负输入端上的电压较高时）。比较器49、50的输出端与RS触发器开关54连接，其中上比较器50的信号是过冲信号R并且下比较器49的信号是下冲信号S。两个信号R、S以结合图4描述的方式和方法控制在RS触发器开关54的输出端上所出现的控制信号Q：在置位下冲信号S时置位控制信号Q并且在置位过冲信号R时复位控制信号Q。RS传感器开关54的输出端与栅极驱动器55连接，该栅极驱动器将控制信号Q转化为适合于控制转换器开关7的电压。本设备37因此借助控制信号Q确定所控制的直流电压转换器3或其储能器（例如其电感线圈）的充电区段23、28和放电区段27、32（参见图4）之间的切换时间点。补偿电路56、57分别与下比较器49的输入端和上比较器50的输入端连接。补偿电路56、57分别包括寄存电路58、59和补偿放大器47、48。寄存电路58、59分别具有二极管60、61和电容器62或63形式的存储元件，其中二极管60、61在这两种情况下从比较器49、50的正输入端指向负输入端。即使相应的比较器49、50的输出信号被置位，电容器62、63因此仍可以分别仅仅被充电。因为电容器49、50（如上所述）以相反的符号工作，所以同样的也适用于寄存电路58、59或其二极管60、61。因此，如果输入电压51下降到下输出电压52以下，下寄存电路58的电容器或最低状态电容器62被充电，相应地，如果输入电压51上升到上输出电压53以上，上寄存电路59的电容器或最高状态电容器63被充电。寄存电路58、59因此作为峰值整流器工作，所述峰值整流器分别寄存借助电容器62、63的充电在二极管方向上达到的电压的最大值。在此分别精确地寄存扣除分别前置于电容器62、63的二极管60、61的正向电压的电压峰值。由二极管电压所导致的偏差（假设在这两个二极管60、61中相同的二极管电压的情况下）是镜像对称的，因此在完整的周期上合计抵消并且因此对输出电流6的平均值没有影响。有利地，此外设置寄存电路58、59，使得电容器62、63，至少上电容器63在设备起动期间、即例如在第一充电区段的前半段期间不被充电。补偿放大器47、48分别与寄存电路58、59的电容器62、63连接，所述补偿放大器根据施加在所属的电容器62、63上的电压产生补偿电流。补偿放大器47、48的输出端与电阻网络41的相对的输出端53、52交叉地连接。与上寄存电路59的电容器63连接的上补偿放大器48产生补偿电流，该补偿电流使下输出电压52与电容器63的充电成比例地下降；与下寄存电路58的电容器62连接的下补偿放大器47产生补偿电流，该补偿电流使上输出电压53与电容器62的充电成比例地提高。在此设置补偿放大器47、48，使得补偿电流与测量放大器39和半波源45、46协调地来标度。在恰好位于平均值上的输出电流6时，没有电流流经中间的放大器电阻42并且施加在其上的电压消失。连接三个放大器电阻42、43、44的节点64因为位于与输出电流6的预先给定的平均值对应的电位上。由此出发，以下电流流经上放大器电阻44，该电流对应于半波幅度（即扣除预先给定的平均值的上极限值20）加上由下补偿放大器47所产生的补偿电流。类似地，但是以相对于中间节点64相反的符号，以下电流流经下放大器电阻43，该电流对应于半波幅度（即扣除下极限值19的预先给定的平均值）加上由上补偿放大器48所产生的补偿电流。为了给电容器62、63放电，两个寄存电路58、59分别具有复位开关65、66。复位开关65、66（如补偿放大器47、48一样）在两侧与相应的电容器62、63连接，使得闭合的复位开关65、66给所属的电容器62、63放电。复位开关65、66的控制输入端分别与脉冲发生器67、68连接，其中上补偿电路57的复位开关66与下脉冲发生器67连接并且下补偿电路56的复位开关65与上脉冲发生器68连接（所述连接利用相同的字母A、B来表示）。脉冲发生器67、68是下或上补偿电路56、57的部分并且分别与所分配的比较器49、50的输出端连接并且被配置，使得所述脉冲发生器在复位比较器信号S、R时输出具有预先给定的宽度、例如大约10ns的脉冲信号。因此，在复位下冲信号S时复位上寄存电路59或给上寄存电路的电容器63放电并且在复位过冲信号R时复位下寄存电路58或给下寄存电路的电容器62放电。如已经在开头提及，总体上相对于使用恒定的极限值，为了有利于平均值与预先给定的值的明显更小的偏差，输出电流6的波在本方法中被提高。然而，通过以下方式能够与该效应起相反作用，即极限值19、20的基值21、22相应地被适配，也就是说下基值21可以相应地被提高并且上基值22可以相应地被降低，使得切换过程之间的更小的时间间隔进而更小的波被实现。