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EP4200965A1 - Method for operating a switched-mode power supply unit and voltage supply device - Google Patents

Method for operating a switched-mode power supply unit and voltage supply device

Info

Publication number
EP4200965A1
EP4200965A1 EP21745967.6A EP21745967A EP4200965A1 EP 4200965 A1 EP4200965 A1 EP 4200965A1 EP 21745967 A EP21745967 A EP 21745967A EP 4200965 A1 EP4200965 A1 EP 4200965A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switched
power supply
mode power
voltage
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21745967.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Axel Haas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4200965A1 publication Critical patent/EP4200965A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M3/157—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators with digital control

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a switched-mode power supply and a voltage supply device.
  • one or more safety fuses can be connected upstream of a switched-mode power supply, which permanently interrupt energization of the switched-mode power supply if a tripping current is exceeded. Recommissioning is possible after replacing the interrupting safety fuse (and, if necessary, eliminating the cause of the overcurrent).
  • a method for operating a switched-mode power supply comprises detecting at least one operating parameter of the switched-mode power supply, determining a variable of the switched-mode power supply that is dependent on an output power using the at least one operating parameter, comparing the variable that is dependent on the output power with a power threshold value, and performing a Measure that includes, in particular, lowering the output power of the switched-mode power supply when the determined variable exceeds the power threshold.
  • the variable dependent on an output power can in particular be the output line itself or, for example, a characteristic value proportional thereto.
  • a switched-mode power supply that is particularly suitable for the invention has in particular one or more elements from a rectifier for rectifying an input AC voltage, a smoother for smoothing the resulting DC voltage, an electrically controllable switch (e.g. MOSFET, IGBT) for "chopping" the DC voltage, a Transformer to transform the resulting AC voltage, a rectifier to rectify the AC voltage, and a filter to filter the DC voltage.
  • a rectifier for rectifying an input AC voltage
  • a smoother for smoothing the resulting DC voltage
  • an electrically controllable switch e.g. MOSFET, IGBT
  • the operating parameter includes one or more from the group consisting of the input voltage of the switched-mode power supply, output voltage of the switched-mode power supply or a variable proportional thereto, for example determined from an auxiliary winding, operating state (1/0 or on/off) of the switched-mode power supply, duty cycle of a power switch of the switched-mode power supply, control voltage curve of the circuit breaker and voltage drop across a shunt.
  • these operating parameters are particularly easy to determine and, on the other hand, they precisely characterize the output power of the switched-mode power supply.
  • the lowering of the output power preferably includes limiting or switching off a current flowing through the circuit breaker, in particular by opening a switch on the input side of the switched-mode power supply, and/or opening a switch on the output side of the switched-mode power supply.
  • the power threshold value corresponds at most to 150% of a maximum power of a consumer connected to the switched-mode power supply on the output side, regardless of the operating state.
  • a voltage supply device which is set up in particular for connecting to a voltage supply source and for supplying a load, accordingly comprises - in particular in a common housing - a switched-mode power supply, a diagnostic circuit which is set up to record at least one operating parameter of the switched-mode power supply, and one of to determine a variable of the switched-mode power supply that is dependent on an output power using the at least one detected operating parameter, a comparator circuit that is set up to compare the variable determined by the diagnostic circuit with a power threshold value, and a power-limiting circuit that is set up to limit the output power of the switched-mode power supply reduce if the determined size exceeds the power threshold.
  • the diagnostic circuit for detecting the at least one operating parameter includes one or more from the group of voltage measurement circuit, current measurement circuit, shunt, time measurement circuit, frequency measurement circuit and on-state detection circuit.
  • the comparator circuit is preferably connected at a first input to an output of the diagnostic circuit, at one output it is connected to an input of the power limitation circuit and optionally set up at a second input to receive a specification for the power threshold value.
  • the latter enables a flexible specification of the power threshold. For example, in cases where different loads are supplied by the switched-mode power supply (or a load that consumes different power in different states), the power threshold value can be variably selected as a function of the load currently being supplied.
  • the power limitation circuit advantageously includes a switch in a conduction path between an input of the voltage supply device and the switched-mode power supply and/or between the switched-mode power supply and an output of the voltage supply device and/or a current and/or voltage-limiting element, in particular an adjustable resistor, in a conduction path between the Input of the voltage supply device and the switched-mode power supply and/or between the switched-mode power supply and the output of the voltage supply device.
  • a switch in a conduction path between an input of the voltage supply device and the switched-mode power supply and/or between the switched-mode power supply and an output of the voltage supply device.
  • FIG. 1 shows an advantageous embodiment of a voltage supply device according to the invention in a circuit in a schematic representation as a block diagram.
  • FIG. 2 shows an advantageous embodiment of a method according to the invention in a schematic representation as a flow chart.
  • FIG. 3 shows exemplary possibilities for an embodiment of a voltage supply device according to the invention.
  • FIG. 1 a circuit with an advantageous embodiment of a voltage supply device according to the invention is shown schematically in the form of a block diagram.
  • the circuit as a whole is denoted by 10 and the voltage supply device is denoted by 100 .
  • FIG. 2 an advantageous embodiment of a method according to the invention is shown schematically in the form of a flowchart and is labeled 200 overall.
  • the circuit 10 includes a voltage supply source 110, a switched-mode power supply 120 and one or more consumers 130.
  • the voltage supply source 110 is electrically conductively connected to the switched-mode power supply 120 and, during operation, supplies electrical energy to it at an input voltage level.
  • the switched-mode power supply 120 is set up to convert the input voltage during operation, i.e. when it is energized by the voltage supply source 110, such that an output voltage of the switched-mode power supply 120 corresponds to a requirement of the at least one consumer 130. In particular, the output voltage of the switched-mode power supply does not exhibit any strong voltage fluctuations or spikes.
  • the voltage supply device 100 is equipped with a diagnostic circuit 140, which during operation of the switching Device 10 detects suitable operating parameters of the switched-mode power supply 120 in a first step 210 of the method 200 and determines from this in a second step 220 a variable of the switched-mode power supply 120 that is dependent on an output power.
  • the detected operating parameters can include, for example, the input voltage, an input-side current, an on state, a duty cycle of a power switch, the output voltage of the switched-mode power supply, a control voltage of the power switch and/or a voltage drop across a shunt.
  • the variable determined in the second step 220 can be determined from a pair of values (e.g. output voltage and current intensity on the output side or duty cycle and control voltage of the power switch) or from several pairs of values or combinations of values in connection with a suitable averaging with or without weighting .
  • the diagnostic circuit 140 has corresponding means that enable such arithmetic operations and can be provided, for example, in the form of a microcomputer, a dedicated circuit, a system-on-a-chip or the like.
  • a comparator circuit 150 is provided in the voltage supply device 100 to check whether the output power ascertained in this way corresponds to the aforementioned requirement of the at least one consumer 130 .
  • This can compare the output power ascertained in step 220 in a comparison step 230 with a comparison variable, for example a power threshold value or an input signal characterizing such a power threshold value.
  • a power threshold value can be permanently specified for this purpose, or the consumer 130 provides the comparator circuit 150 with a signal that contains information about a currently maximum permissible power consumption.
  • this signal can also be made available by another suitable component of the voltage supply device 100, the circuit 10 or from outside the circuit 10.
  • such up-to-date information enables more flexible monitoring of the output power and, if necessary, also the use of the voltage supply device 100 for the simultaneous monitoring of a plurality of switch-mode power supplies 120 or circuits 10.
  • the comparator circuit 150 determines in the comparison step 230 that the power threshold value has been exceeded, it outputs a corresponding signal to a power limiting circuit 160 of the voltage supply device 100 .
  • the power limiting circuit 160 then carries out a measure which is suitable for limiting the output power of the switched-mode power supply 120 in such a way that the power falls below the threshold value again in the subsequent time segment.
  • the power limiting circuit 160 can, for example, increase an input-side resistance between the voltage supply source 110 and the switched-mode power supply 120, so that the input voltage is reduced.
  • An alternative or additional possibility would be an intervention on the output side, for example by increasing an output-side resistance between switched-mode power supply 120 and load 130 .
  • a total disconnection of the voltage supply source 110 from the switched-mode power supply 120 and/or the switched-mode power supply 120 from the at least one load 130 can be provided as a measure to protect the load 130 or also the switched-mode power supply 120 from excessive power consumption, for example by shutting down the control of the circuit breaker. If a power limitation measure has been taken in step 240, method 200 can advantageously return to step 210 to check the success of the measure and, if necessary, carry out further steps 240, or resume and monitor control operation over time.
  • diagnostic circuit 140 can be combined with the comparator circuit 150 and parts of the power limit circuit 160 and can be provided as a single chip or microcomputer, for example.
  • FIG. 3 shows exemplary possibilities for configurations of a voltage supply device 100 according to the invention, as shown more generally in FIG.
  • the switched-mode power supply 120 has a power switch 121 and a control circuit 122 .
  • the switched-mode power supply 120 includes a transformer that has at least two coils that are electrically inductively coupled to one another. A first of the coils, which is arranged on the input side, is connected to ground via the power switch 121 and via a current measurement or shunt resistor. A control connection of the power switch 121 is connected to an output of the drive circuit 122 .
  • a second of the coils is arranged on the output side and is connected on the one hand to ground and on the other hand to an output of the switched-mode power supply via a diode.
  • the diode is connected in the forward direction between the second coil and the output of the switched-mode power supply 120 .
  • the diagnostic circuit 140 is divided into an essentially analog first circuit part 140A and an essentially digital second circuit part 140B.
  • the first circuit part 140A has, for example, a first voltage divider 141 for monitoring an input voltage of the switched-mode power supply 120, which is connected on the input side to the input of the switched-mode power supply 120 and whose voltage tap is connected to a signal input of a first analog-to-digital converter 145 of the second circuit part 140B.
  • a second Voltage divider 144 can be provided, for example, as an alternative or in addition to monitoring an output voltage of switched-mode power supply 120 .
  • the second voltage divider 144 is connected to the output of the switched-mode power supply 120 on the input side.
  • the voltage tap of the second voltage divider 144 is in turn connected to an input of a further analog/digital converter 148 of the second circuit part 140B of the diagnostic circuit 140 .
  • the first circuit part 140A of the diagnostic circuit 140 can also have a logic circuit 142 which monitors the control connection of the circuit breaker 121 of the switched-mode power supply 120 and is connected to an interface 146 of the second circuit part 140B of the diagnostic circuit 140 .
  • this logic circuit can send a signal to the interface 146 which contains information about the switching state (e.g. "open” or "closed") of the circuit breaker 121.
  • the first circuit part 140A of the diagnostic circuit can alternatively or additionally also include an amplifier 143, which amplifies a voltage drop across the shunt resistor, which indicates a current flowing through the power switch 121, and connects it on the output side to an input of a further analog/digital converter 147 of the second circuit part 140B of the diagnostic circuit 140 is connected.
  • an amplifier 143 which amplifies a voltage drop across the shunt resistor, which indicates a current flowing through the power switch 121, and connects it on the output side to an input of a further analog/digital converter 147 of the second circuit part 140B of the diagnostic circuit 140 is connected.
  • the second circuit part 140B of the diagnostic circuit 140 alternatively or additionally has a calculation unit 149 which is set up to calculate from the digital or digitized signals received to calculate a variable of the switched-mode power supply 120 that is dependent on an output power, for example the output power itself.
  • the output power can be calculated as the product of the input voltage (determined using the first voltage divider 141) and the input current (determined using the amplifier 147) minus a known or predetermined power loss that takes into account the efficiency of the transformer of the switched-mode power supply 120.
  • a calculation using the input voltage of the switching power supply 120 and a duty cycle calculated using the signal als the logic circuit 142 can be determined in connection with a time measurement is advantageously provided in certain configurations.
  • the output power P 2 in a so-called flyback converter can be calculated using the following formulas:
  • the output voltage V 2 can be calculated from the ratio of the number of windings Ni, N 2 of the transformer, the duty cycle D and the input voltage Vi:
  • the output current I 2 results from the input voltage Vi, the duty cycle D, the inductance L m of the transformer, the output voltage V 2 and the switching frequency f to:
  • the diagnostic circuit 140 in particular the second circuit part 140B or its calculation unit 149, can also be implemented in the form of a so-called neural network or a simulation of one. This offers the advantage that learning effects or results that improve over time can be achieved.
  • the neural network can weight the supplied operating parameters according to learned values and decide whether or not the output power is above a power threshold value.
  • a combination of the power calculation from current and voltage as well as voltage and pulse duty factor depending on the operating point of the switched-mode power supply 120 makes sense, to achieve optimal results. For example, in the case of high input voltages, a current to be evaluated can be so small that an unavoidable measurement error can only result in a very imprecise calculation of the power. Accordingly, in such situations, a calculation using the duty cycle is advantageous.
  • the comparator circuit 150 has a comparator 151 and a specification element 152 .
  • the specification element outputs a signal which describes a maximum permissible output power of the switched-mode power supply, in particular the power threshold value already mentioned several times.
  • a first input of the comparator 151 is connected to an output of the diagnostic circuit 140, in particular to an output of the calculation unit 149.
  • a second input is connected to an output of the setting element 152 .
  • the comparator 151 compares the signals present at the first and second inputs and, for example as a function of the difference between the two signals, outputs an output signal which contains information about compliance with the power threshold value.
  • the output signal of the comparator causes the power limitation device 160 already explained with reference to FIG.
  • the output signal of the comparator 151 of the comparator circuit 150 can act on an actuating element of the power limitation circuit 160 .
  • Possible positions 161, 162, 163 for such control elements are shown schematically in FIG.
  • control elements can be, for example, switches or adjustable resistors.
  • the conduction path through the switched-mode power supply 120 can be interrupted or the power can be limited via a resistor.
  • control circuit 122 of switched-mode power supply 120 If the output signal of comparator 151 acts on an input of control circuit 122 of switched-mode power supply 120 (position 163), the duty cycle of circuit breaker 121 can be influenced, for example, or it can be opened permanently in order to interrupt the conduction path through switched-mode power supply 120 or in its limit throughput. In the latter case (actuator at position 163) can therefore Control circuit 122 of the switched-mode power supply simultaneously act as a power-limiting circuit 160 of the voltage supply device 100 .
  • Parts of the power supply device 100 can be provided as a single microcomputer pC. This is indicated in FIG. 3 in the form of a dot-dashed box, which in this example includes the second circuit part 140B and the comparator circuit 150, that is to say essentially digital circuits.
  • the configuration shown is merely an exemplary embodiment and not all components have to be present in order to provide a power supply device 100 according to the invention.
  • the diagnostic circuit 140 can also have more or fewer and/or different components in order to determine the output power of the switched-mode power supply 120 .
  • the aforementioned division of the diagnostic circuit 140 into the first 140A and second 140B circuit part is also to be understood merely as an example and is not necessarily provided in the manner shown in all configurations.
  • the microcomputer pC comprises fewer or more parts of the voltage supply device 100, for example additionally the control circuit 122 of the switched-mode power supply 120 and/or other components.
  • a specific configuration of a device part, such as switched-mode power supply 120, described with reference to FIG. 3 is to be understood as being independent of the specific configuration of the remaining device parts.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Control Of Voltage And Current In General (AREA)

Abstract

The invention relates to a method (200) for operating a switched-mode power supply unit (120), comprising capturing (210) at least one operating parameter of the switched-mode power supply unit (120), determining (220), using the at least one operating parameter, a variable of the switched-mode power supply unit (120), said variable being dependent on an output power, comparing (230) the variable dependent on the output power with a power threshold value, and carrying out a measure (240), which more particularly comprises lowering the output power of the switched-mode power supply unit (120), if the determined output power exceeds the power threshold. Further proposed is a voltage supply device (100) designed to carry out such a method (200).

Description

Beschreibung description
Titel title
Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils und Spannungsversorgungsvorrichtung Method for operating a switched-mode power supply and voltage supply device
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils und eine Spannungsversorgungsvorrichtung. The present invention relates to a method for operating a switched-mode power supply and a voltage supply device.
Stand der Technik State of the art
Elektronische Schaltungen benötigen häufig eine Eingangsspannung, die von einer zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung abweicht. Zur Bereitstellung der benötigten Eingangsspannung werden daher häufig sogenannte Schaltnetzteile verwendet, die den Unterschied zwischen Versorgungsspannung und Eingangsspannung ausgleichen. Electronic circuits often require an input voltage that differs from an available supply voltage. To provide the required input voltage, so-called switching power supplies are therefore often used, which compensate for the difference between the supply voltage and the input voltage.
Da die elektronischen Schaltungen zudem häufig empfindlich gegenüber Spannungsschwankungen, insbesondere gegenüber Überspannungen, sind, können einem Schaltnetzteil eine oder mehrere Schmelzsicherungen vorgeschaltet sein, die eine Bestromung des Schaltnetzteils im Falle einer Überschreitung eines Auslösestroms dauerhaft unterbrechen. Eine Wiederinbetriebnahme ist nach Austausch der unterbrechenden Schmelzsicherung (und gegebenenfalls Behebung der Ursache des Überstroms) möglich. Since the electronic circuits are also often sensitive to voltage fluctuations, in particular to overvoltages, one or more safety fuses can be connected upstream of a switched-mode power supply, which permanently interrupt energization of the switched-mode power supply if a tripping current is exceeded. Recommissioning is possible after replacing the interrupting safety fuse (and, if necessary, eliminating the cause of the overcurrent).
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils und eine Spannungsversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. According to the invention, a method for operating a switching power supply and a power supply device with the features of the independent Patent claims proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils umfasst ein Erfassen zumindest eines Betriebsparameters des Schaltnetzteils, ein Ermitteln einer von einer Ausgangsleistung abhängigen Größe des Schaltnetzteils unter Verwendung des zumindest einen Betriebs para meters, ein Vergleichen der von der Ausgangsleistung abhängigen Größe mit einem Leistungsschwellwert und ein Durchführen einer Maßnahme, die insbesondere ein Senken der Ausgangsleistung des Schaltnetzteils umfasst, wenn die ermittelte Größe den Leistungsschwellwert übersteigt. Dadurch können das Schaltnetzteil und angeschlossene Verbraucher vor einem Überstrom bzw. einer Überspannung geschützt werden. Die von einer Ausgangsleistung abhängige Größe kann insbesondere die Ausgangsleitung selbst oder beispielsweise ein hierzu proportionaler Kennwert sein. A method according to the invention for operating a switched-mode power supply comprises detecting at least one operating parameter of the switched-mode power supply, determining a variable of the switched-mode power supply that is dependent on an output power using the at least one operating parameter, comparing the variable that is dependent on the output power with a power threshold value, and performing a Measure that includes, in particular, lowering the output power of the switched-mode power supply when the determined variable exceeds the power threshold. As a result, the switched-mode power supply and connected loads can be protected against overcurrent or overvoltage. The variable dependent on an output power can in particular be the output line itself or, for example, a characteristic value proportional thereto.
Im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzsicherungen kann eine Leistungsbegrenzung bereits bei deutlich geringerer Leistungsabweichung erfolgen. Ein für die Erfindung besonders geeignetes Schaltnetzteil weist insbesondere ein oder mehrere Elemente auf aus einem Gleichrichter zum Gleichrichten einer Eingangs-Wechselspannung, einem Glätter zum Glätten der entstehenden Gleichspannung, einem elektrisch ansteuerbaren Schalter (z.B. MOSFET, IGBT) zum „Zerhacken“ der Gleichspannung, einem Transformator zum Transformieren der entstandenen Wechselspannung, einem Gleichrichter zum Gleichrichten der Wechselspannung, und einem Sieber zum Sieben der Gleichspannung. In comparison to conventional safety fuses, a power limitation can already take place with a significantly lower power deviation. A switched-mode power supply that is particularly suitable for the invention has in particular one or more elements from a rectifier for rectifying an input AC voltage, a smoother for smoothing the resulting DC voltage, an electrically controllable switch (e.g. MOSFET, IGBT) for "chopping" the DC voltage, a Transformer to transform the resulting AC voltage, a rectifier to rectify the AC voltage, and a filter to filter the DC voltage.
Vorteilhafterweise umfasst der Betriebsparameter eines oder mehrere aus der Gruppe aus Eingangsspannung des Schaltnetzteils, Ausgangsspannung des Schaltnetzteils oder einer dazu proportionalen Größe z.B. ermittelt aus einer Hilfswicklung, Betriebszustand (1/0 bzw. ein/aus) des Schaltnetzteils, Tastverhältnis eines Leistungsschalters des Schaltnetzteils, Ansteuerspannungsverlauf des Leistungsschalters und Spannungsabfall an einem Shunt. Diese Betriebsparameter sind einerseits besonders leicht zu bestimmen und charakterisieren andererseits präzise die Ausgangsleistung des Schaltnetzteils. Bevorzugt umfasst das Senken der Ausgangsleistung ein Begrenzen oder Abschalten eines durch den Leistungsschalter fließenden Stroms, insbesondere durch Öffnen eines Schalters eingangsseitig des Schaltnetzteils, und/oder ein Öffnen eines Schalters ausgangsseitig des Schaltnetzteils. Dadurch kann der Verbraucher und gegebenenfalls auch das Schaltnetzteil vor einer Überlastung durch eine zu hohe elektrische Leistung geschützt werden. Advantageously, the operating parameter includes one or more from the group consisting of the input voltage of the switched-mode power supply, output voltage of the switched-mode power supply or a variable proportional thereto, for example determined from an auxiliary winding, operating state (1/0 or on/off) of the switched-mode power supply, duty cycle of a power switch of the switched-mode power supply, control voltage curve of the circuit breaker and voltage drop across a shunt. On the one hand, these operating parameters are particularly easy to determine and, on the other hand, they precisely characterize the output power of the switched-mode power supply. The lowering of the output power preferably includes limiting or switching off a current flowing through the circuit breaker, in particular by opening a switch on the input side of the switched-mode power supply, and/or opening a switch on the output side of the switched-mode power supply. As a result, the consumer and possibly also the switched-mode power supply can be protected from overloading due to excessive electrical power.
Insbesondere entspricht der Leistungsschwellwert höchstens 150% einer Maximalleistung eines ausgangsseitig an dem Schaltnetzteil angeschlossenen Verbrauchers, unabhängig vom Betriebszustand. Je besser die zulässige Maximalleistung bekannt ist, desto näher kann der Leistungsschwellwert an die Maximalleistung gelegt werden, um Fehlauslösungen zu verhindern. Damit kann die Leistungsbegrenzung besonders empfindlich auf ein Überschreiten des Leistungsschwellwerts reagieren, was sich positiv auf die Schutzwirkung auswirkt. In particular, the power threshold value corresponds at most to 150% of a maximum power of a consumer connected to the switched-mode power supply on the output side, regardless of the operating state. The better the permissible maximum power is known, the closer the power threshold value can be to the maximum power in order to prevent false tripping. This means that the power limitation can react particularly sensitively to exceeding the power threshold value, which has a positive effect on the protective effect.
Eine erfindungsgemäße Spannungsversorgungsvorrichtung, die insbesondere zum Anschließen an eine Spannungsversorgungsquelle und zum Versorgen eines Verbrauchers eingerichtet ist, umfasst dementsprechend - insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse - ein Schaltnetzteil, eine Diagnoseschaltung, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Betriebsparameter des Schaltnetzteils zu erfassen, und eine von einer Ausgangsleistung abhängige Größe des Schaltnetzteils unter Verwendung des zumindest einen erfassten Betriebsparameters zu ermitteln, eine Komparatorschaltung, die dazu eingerichtet ist, die von der Diagnoseschaltung ermittelte Größe mit einem Leistungsschwellwert zu vergleichen, und eine Leistungsbegrenzungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, die Ausgangsleistung des Schaltnetzteils zu senken, wenn die ermittelte Größe den Leistungsschwellwert übersteigt. Die Vorteile, die hier in Bezug auf Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert sind, gelten daher sinngemäß entsprechend auch für die Vorrichtung und umgekehrt. A voltage supply device according to the invention, which is set up in particular for connecting to a voltage supply source and for supplying a load, accordingly comprises - in particular in a common housing - a switched-mode power supply, a diagnostic circuit which is set up to record at least one operating parameter of the switched-mode power supply, and one of to determine a variable of the switched-mode power supply that is dependent on an output power using the at least one detected operating parameter, a comparator circuit that is set up to compare the variable determined by the diagnostic circuit with a power threshold value, and a power-limiting circuit that is set up to limit the output power of the switched-mode power supply reduce if the determined size exceeds the power threshold. The advantages that are explained here in relation to configurations of a method according to the invention therefore also apply accordingly to the device and vice versa.
Vorteilhafterweise umfasst die Diagnoseschaltung zum Erfassen des zumindest einen Betriebsparameters eines oder mehrere aus der Gruppe aus Spannungs- messschaltung, Strommessschaltung, Shunt, Zeitmessschaltung, Frequenzmessschaltung und Einschaltzustandserfassungsschaltung. Advantageously, the diagnostic circuit for detecting the at least one operating parameter includes one or more from the group of voltage measurement circuit, current measurement circuit, shunt, time measurement circuit, frequency measurement circuit and on-state detection circuit.
Bevorzugt ist die Komparatorschaltung an einem ersten Eingang signalleitend mit einem Ausgang der Diagnoseschaltung verbunden, an einem Ausgang signalleitend mit einem Eingang der Leistungsbegrenzungsschaltung verbunden und optional an einem zweiten Eingang zum Empfang einer Vorgabe für den Leistungsschwellwert eingerichtet. Letzteres ermöglicht eine flexible Vorgabe des Leistungsschwellwerts. So kann beispielsweise in Fällen, in denen verschiedene Verbraucher durch das Schaltnetzteil versorgt werden (bzw. ein Verbraucher, der in unterschiedlichen Zuständen unterschiedlich Leistung aufnimmt), der Leistungsschwellwert in Abhängigkeit von dem aktuell versorgten Verbraucher variabel gewählt werden. The comparator circuit is preferably connected at a first input to an output of the diagnostic circuit, at one output it is connected to an input of the power limitation circuit and optionally set up at a second input to receive a specification for the power threshold value. The latter enables a flexible specification of the power threshold. For example, in cases where different loads are supplied by the switched-mode power supply (or a load that consumes different power in different states), the power threshold value can be variably selected as a function of the load currently being supplied.
Die Leistungsbegrenzungsschaltung umfasst vorteilhafterweise einen Schalter in einem Leitungspfad zwischen einem Eingang der Spannungsversorgungsvorrichtung und dem Schaltnetzteil und/oder zwischen dem Schaltnetzteil und einem Ausgang der Spannungsversorgungsvorrichtung und/oder ein Strom und/oder Spannung begrenzendes Element, insbesondere einen verstellbaren Widerstand, in einem Leitungspfad zwischen dem Eingang der Spannungsversorgungsvorrichtung und dem Schaltnetzteil und/oder zwischen dem Schaltnetzteil und dem Ausgang der Spannungsversorgungsvorrichtung. Dadurch kann effektiv die Leistung begrenzt werden. The power limitation circuit advantageously includes a switch in a conduction path between an input of the voltage supply device and the switched-mode power supply and/or between the switched-mode power supply and an output of the voltage supply device and/or a current and/or voltage-limiting element, in particular an adjustable resistor, in a conduction path between the Input of the voltage supply device and the switched-mode power supply and/or between the switched-mode power supply and the output of the voltage supply device. This can effectively limit the power.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. The invention is shown schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsvorrichtung in einer Schaltung in schematischer Darstellung als Blockdiagramm. Brief description of the drawings FIG. 1 shows an advantageous embodiment of a voltage supply device according to the invention in a circuit in a schematic representation as a block diagram.
Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung als Flussdiagramm. FIG. 2 shows an advantageous embodiment of a method according to the invention in a schematic representation as a flow chart.
Figur 3 zeigt beispielshafte Möglichkeiten für eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsvorrichtung. FIG. 3 shows exemplary possibilities for an embodiment of a voltage supply device according to the invention.
Ausführungsform(en) der Erfindung embodiment(s) of the invention
In Figur 1 ist eine Schaltung mit einer vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsvorrichtung schematisch in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Dabei ist die Schaltung insgesamt mit 10, die Spannungsversorgungsvorrichtung mit 100 bezeichnet. In FIG. 1, a circuit with an advantageous embodiment of a voltage supply device according to the invention is shown schematically in the form of a block diagram. The circuit as a whole is denoted by 10 and the voltage supply device is denoted by 100 .
In Figur 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in Form eines Flussdiagramms dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. In FIG. 2, an advantageous embodiment of a method according to the invention is shown schematically in the form of a flowchart and is labeled 200 overall.
Die Schaltung 10 umfasst eine Spannungsversorgungsquelle 110, ein Schaltnetzteil 120 sowie einen oder mehrere Verbraucher 130. Die Spannungsversorgungsquelle 110 ist elektrisch leitend mit dem Schaltnetzteil 120 verbunden und führt diesem im Betrieb elektrische Energie auf einem Eingangsspannungsniveau zu. Das Schaltnetzteil 120 ist dazu eingerichtet, im Betrieb, d.h. wenn es von der Spannungsversorgungsquelle 110 bestromt wird, die Eingangsspannung so zu wandeln, dass eine Ausgangsspannung des Schaltnetzteils 120 einer Anforderung des zumindest einen Verbrauchers 130 entspricht. Insbesondere weist die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils keine starken Spannungsschwankungen oder -spitzen auf. The circuit 10 includes a voltage supply source 110, a switched-mode power supply 120 and one or more consumers 130. The voltage supply source 110 is electrically conductively connected to the switched-mode power supply 120 and, during operation, supplies electrical energy to it at an input voltage level. The switched-mode power supply 120 is set up to convert the input voltage during operation, i.e. when it is energized by the voltage supply source 110, such that an output voltage of the switched-mode power supply 120 corresponds to a requirement of the at least one consumer 130. In particular, the output voltage of the switched-mode power supply does not exhibit any strong voltage fluctuations or spikes.
Um dies zu gewährleisten, ist die Spannungsversorgungsvorrichtung 100 mit einer Diagnoseschaltung 140 ausgestattet, die während des Betriebs der Schal- tung 10 in einem ersten Verfahrensschritt 210 des Verfahrens 200 geeignete Betriebsparameter des Schaltnetzteils 120 erfasst und daraus in einem zweiten Schritt 220 eine von einer Ausgangsleistung abhängige Größe des Schaltnetzteils 120 ermittelt. Die erfassten Betriebsparameter können beispielsweise die Eingangsspannung, eine eingangsseitige Stromstärke, einen Einschaltzustand, ein Tastverhältnis eines Leistungsschalters, die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils, eine Ansteuerspannung des Leistungsschalters und/oder einen Spannungsabfall an einem Shunt umfassen. In order to ensure this, the voltage supply device 100 is equipped with a diagnostic circuit 140, which during operation of the switching Device 10 detects suitable operating parameters of the switched-mode power supply 120 in a first step 210 of the method 200 and determines from this in a second step 220 a variable of the switched-mode power supply 120 that is dependent on an output power. The detected operating parameters can include, for example, the input voltage, an input-side current, an on state, a duty cycle of a power switch, the output voltage of the switched-mode power supply, a control voltage of the power switch and/or a voltage drop across a shunt.
Die in dem zweiten Schritt 220 ermittelte Größe, z.B. die Ausgangsleistung selbst, kann aus einem Wertepaar (z.B. Ausgangsspannung und ausgangsseitige Stromstärke oder Tastverhältnis und Ansteuerspannung des Leistungsschalters) oder aus mehreren Wertepaaren bzw. Wertekombinationen in Verbindung mit einer geeigneten Mittelung mit oder ohne Wichtung ermittelt werden. Die Diagnoseschaltung 140 weist entsprechende Mittel auf, die derartige Rechenoperationen ermöglichen, und kann beispielsweise in Form eines Mikrocomputers, einer dedizierten Schaltung, eines System-on-a-Chip o.Ä. bereitgestellt sein. The variable determined in the second step 220, e.g. the output power itself, can be determined from a pair of values (e.g. output voltage and current intensity on the output side or duty cycle and control voltage of the power switch) or from several pairs of values or combinations of values in connection with a suitable averaging with or without weighting . The diagnostic circuit 140 has corresponding means that enable such arithmetic operations and can be provided, for example, in the form of a microcomputer, a dedicated circuit, a system-on-a-chip or the like.
Zur Überprüfung, ob die derart ermittelte Ausgangsleistung der erwähnten Anforderung des zumindest einen Verbrauchers 130 entspricht, ist in der Spannungsversorgungsvorrichtung 100 eine Komparatorschaltung 150 vorgesehen. Diese kann die in Schritt 220 ermittelte Ausgangsleistung in einem Vergleichsschritt 230 mit einer Vergleichsgröße, beispielsweise einem Leistungsschwellwert oder einem einen solchen Leistungsschwellwert kennzeichnenden Eingangssignal vergleichen. Beispielsweise kann dazu ein Leistungsschwellwert dauerhaft vorgegeben sein, oder der Verbraucher 130 stellt der Komparatorschaltung 150 ein Signal, das eine Information über eine aktuell maximal zulässige Leistungsaufnahme beinhaltet, zur Verfügung. Selbstverständlich kann dieses Signal auch von einer anderen geeigneten Komponente der Spannungsversorgungsvorrichtung 100, der Schaltung 10 oder von außerhalb der Schaltung 10 zur Verfügung gestellt werden. Jedenfalls ermöglicht eine solche aktuelle Information eine flexiblere Überwachung der Ausgangsleistung und gegebenenfalls auch die Verwendung der Spannungsversorgungsvorrichtung 100 zur gleichzeitigen Überwachung mehrerer Schaltnetzteile 120 bzw. Schaltungen 10. Stellt die Komparator- Schaltung 150 in dem Schritt 230 fest, dass der Leistungsschwellwert nicht überschritten wird, kehrt das Verfahren 200 zu dem Schritt 210 zurück, um im weiteren zeitlichen Verlauf die Ausgangsleistungsüberwachung fortzusetzen. A comparator circuit 150 is provided in the voltage supply device 100 to check whether the output power ascertained in this way corresponds to the aforementioned requirement of the at least one consumer 130 . This can compare the output power ascertained in step 220 in a comparison step 230 with a comparison variable, for example a power threshold value or an input signal characterizing such a power threshold value. For example, a power threshold value can be permanently specified for this purpose, or the consumer 130 provides the comparator circuit 150 with a signal that contains information about a currently maximum permissible power consumption. Of course, this signal can also be made available by another suitable component of the voltage supply device 100, the circuit 10 or from outside the circuit 10. FIG. In any case, such up-to-date information enables more flexible monitoring of the output power and, if necessary, also the use of the voltage supply device 100 for the simultaneous monitoring of a plurality of switch-mode power supplies 120 or circuits 10. Provides the comparator Circuit 150 determines in step 230 that the power threshold value is not exceeded, the method 200 returns to step 210 in order to continue monitoring the output power over time.
Stellt die Komparatorschaltung 150 in dem Vergleichsschritt 230 hingegen fest, dass der Leistungsschwellwert überschritten ist, gibt sie ein entsprechendes Signal an eine Leistungsbegrenzungsschaltung 160 der Spannungsversorgungsvorrichtung 100 aus. If, on the other hand, the comparator circuit 150 determines in the comparison step 230 that the power threshold value has been exceeded, it outputs a corresponding signal to a power limiting circuit 160 of the voltage supply device 100 .
Die Leistungsbegrenzungsschaltung 160 führt dann in einem Schritt 240 eine Maßnahme durch, die dazu geeignet ist, die Ausgangsleistung des Schaltnetzteils 120 derart zu begrenzen, dass der Leistungsschwellwert im nachfolgenden Zeitabschnitt wieder unterschritten wird. Dazu kann die Leistungsbegrenzungsschaltung 160 beispielsweise einen eingangsseitigen Widerstand zwischen der Spannungsversorgungsquelle 110 und dem Schaltnetzteil 120 erhöhen, so dass die Eingangsspannung gesenkt wird. Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit wäre ein ausgangsseitiger Eingriff, beispielsweise durch Erhöhen eines ausgangsseitigen Widerstands zwischen Schaltnetzteil 120 und Verbraucher 130. Auch eine Anpassung des Tastverhältnisses des erwähnten Leistungsschalters oder ähnliche Maßnahmen sind in Ausgestaltungen des Verfahrens 200 vorgesehen. Ultimativ kann auch eine totale Trennung der Spannungsversorgungsquelle 110 von dem Schaltnetzteil 120 und/oder des Schaltnetzteils 120 von dem zumindest einen Verbraucher 130 als Maßnahme vorgesehen sein, um den Verbraucher 130 bzw. auch das Schaltnetzteil 120 vor zu hoher Leistungsaufnahme zu schützen, beispielsweise durch Beenden der Ansteuerung des Leistungsschalters. Ist eine Maßnahme zur Leistungsbegrenzung in dem Schritt 240 erfolgt, kann das Verfahren 200 vorteilhafterweise zu dem Schritt 210 zurückkehren, um den Erfolg der Maßnahme zu überprüfen und gegebenenfalls weitere Schritte 240 durchzuführen, oder den Regelbetrieb im weiteren zeitlichen Verlauf wieder aufzunehmen und zu überwachen. In a step 240, the power limiting circuit 160 then carries out a measure which is suitable for limiting the output power of the switched-mode power supply 120 in such a way that the power falls below the threshold value again in the subsequent time segment. For this purpose, the power limiting circuit 160 can, for example, increase an input-side resistance between the voltage supply source 110 and the switched-mode power supply 120, so that the input voltage is reduced. An alternative or additional possibility would be an intervention on the output side, for example by increasing an output-side resistance between switched-mode power supply 120 and load 130 . Ultimately, a total disconnection of the voltage supply source 110 from the switched-mode power supply 120 and/or the switched-mode power supply 120 from the at least one load 130 can be provided as a measure to protect the load 130 or also the switched-mode power supply 120 from excessive power consumption, for example by shutting down the control of the circuit breaker. If a power limitation measure has been taken in step 240, method 200 can advantageously return to step 210 to check the success of the measure and, if necessary, carry out further steps 240, or resume and monitor control operation over time.
Es sei hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass bestimmte Schritte des Verfahrens 200 gegebenenfalls auch in anderer, beispielsweise umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden können oder mehrere Schritte zu einem einzigen Schritt zusammengefasst werden können. Auch kann es vorteilhaft sein, bestimmte Komponenten der Spannungsversorgungsvorrichtung 100 nicht voneinander getrennt, sondern integriert auszugestalten. So kann beispielsweise die Diagnoseschaltung 140 mit der Komparatorschaltung 150 und Teilen der Leistungsbegrenzungsschaltung 160 zusammengefasst werden und beispielsweise als ein einziger Chip oder Mikrocomputer bereitgestellt werden. It should be expressly pointed out here that certain steps of the method 200 can optionally also be carried out in a different order, for example in reverse order, or several steps into one step can be summarized. It can also be advantageous not to design specific components of the voltage supply device 100 separately from one another, but rather to design them to be integrated. For example, the diagnostic circuit 140 can be combined with the comparator circuit 150 and parts of the power limit circuit 160 and can be provided as a single chip or microcomputer, for example.
In Figur 3 sind beispielhafte Möglichkeiten für Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsvorrichtung 100, wie sie allgemeiner in Figur 1 dargestellt ist, aufgezeigt. FIG. 3 shows exemplary possibilities for configurations of a voltage supply device 100 according to the invention, as shown more generally in FIG.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Schaltnetzteil 120 einen Leistungsschalter 121 und eine Ansteuerschaltung 122 auf. In dem gezeigten Beispiel beinhaltet das Schaltnetzteil 120 dabei einen Transformator, der zumindest zwei Spulen aufweist, die miteinander elektrisch induktiv gekoppelt sind. Eine erste der Spulen, die eingangsseitig angeordnet ist, ist über den Leistungsschalter 121 und über einen Strommess- bzw. Shunt-Widerstand mit Masse verschaltet. Ein Steueranschluss des Leistungsschalters 121 ist an einem Ausgang der Ansteuerschaltung 122 angeschlossen. In one exemplary embodiment, the switched-mode power supply 120 has a power switch 121 and a control circuit 122 . In the example shown, the switched-mode power supply 120 includes a transformer that has at least two coils that are electrically inductively coupled to one another. A first of the coils, which is arranged on the input side, is connected to ground via the power switch 121 and via a current measurement or shunt resistor. A control connection of the power switch 121 is connected to an output of the drive circuit 122 .
Eine zweite der Spulen ist ausgangsseitig angeordnet und einerseits mit Masse und andererseits über eine Diode mit einem Ausgang des Schaltnetzteils verbunden. Die Diode ist dabei in Durchlassrichtung zwischen die zweite Spule und den Ausgang des Schaltnetzteils 120 geschaltet. A second of the coils is arranged on the output side and is connected on the one hand to ground and on the other hand to an output of the switched-mode power supply via a diode. In this case, the diode is connected in the forward direction between the second coil and the output of the switched-mode power supply 120 .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Diagnoseschaltung 140 in einen im Wesentlichen analogen ersten Schaltungsteil 140A und einen im Wesentlichen digitalen zweiten Schaltungsteil 140B unterteilt. In a further exemplary embodiment, the diagnostic circuit 140 is divided into an essentially analog first circuit part 140A and an essentially digital second circuit part 140B.
Der erste Schaltungsteil 140A weist beispielsweise einen ersten Spannungsteiler 141 zur Überwachung einer Eingangsspannung des Schaltnetzteils 120 auf, der eingangsseitig mit dem Eingang des Schaltnetzteils 120 verbunden ist und dessen Spannungsabgriff mit einem Signaleingang eines ersten Analog-Digital- Wandlers 145 des zweiten Schaltungsteils 140B verbunden ist. Ein zweiter Spannungsteiler 144 kann beispielsweise alternativ oder zusätzlich zur Überwachung einer Ausgangsspannung des Schaltnetzteils 120 vorgesehen sein. Dazu ist der zweite Spannungsteiler 144 eingangsseitig mit dem Ausgang des Schaltnetzteils 120 verbunden. Der Spannungsabgriff des zweiten Spannungsteilers 144 ist wiederum mit einem Eingang eines weiteren Analog-Digital-Wandlers 148 des zweiten Schaltungsteils 140B der Diagnoseschaltung 140 verbunden. The first circuit part 140A has, for example, a first voltage divider 141 for monitoring an input voltage of the switched-mode power supply 120, which is connected on the input side to the input of the switched-mode power supply 120 and whose voltage tap is connected to a signal input of a first analog-to-digital converter 145 of the second circuit part 140B. A second Voltage divider 144 can be provided, for example, as an alternative or in addition to monitoring an output voltage of switched-mode power supply 120 . For this purpose, the second voltage divider 144 is connected to the output of the switched-mode power supply 120 on the input side. The voltage tap of the second voltage divider 144 is in turn connected to an input of a further analog/digital converter 148 of the second circuit part 140B of the diagnostic circuit 140 .
Der erste Schaltungsteil 140A der Diagnoseschaltung 140 kann alternativ oder zusätzlich auch eine Logikschaltung 142 aufweisen, die den Steuer-Anschluss des Leistungsschalters 121 des Schaltnetzteils 120 überwacht und mit einer Schnittstelle 146 des zweiten Schaltungsteils 140B der Diagnoseschaltung 140 verbunden ist. Insbesondere kann diese Logikschaltung ein Signal an die Schnittstelle 146 senden, das eine Information über den Schaltzustand (z.B. "geöffnet" oder "geschlossen") des Leistungsschalters 121 beinhaltet. Alternatively or additionally, the first circuit part 140A of the diagnostic circuit 140 can also have a logic circuit 142 which monitors the control connection of the circuit breaker 121 of the switched-mode power supply 120 and is connected to an interface 146 of the second circuit part 140B of the diagnostic circuit 140 . In particular, this logic circuit can send a signal to the interface 146 which contains information about the switching state (e.g. "open" or "closed") of the circuit breaker 121.
Der erste Schaltungsteil 140A der Diagnoseschaltung kann alternativ oder zusätzlich auch einen Verstärker 143 umfassen, der eine am Shunt-Widerstand abfallende Spannung, die einen durch den Leistungsschalter 121 fließenden Strom angibt, verstärkt und ausgangsseitig mit einem Eingang eines weiteren Analog- Digital-Wandlers 147 des zweiten Schaltungsteils 140B der Diagnoseschaltung 140 verbunden ist. The first circuit part 140A of the diagnostic circuit can alternatively or additionally also include an amplifier 143, which amplifies a voltage drop across the shunt resistor, which indicates a current flowing through the power switch 121, and connects it on the output side to an input of a further analog/digital converter 147 of the second circuit part 140B of the diagnostic circuit 140 is connected.
Der zweite Schaltungsteil 140B der Diagnoseschaltung 140 weist, neben den bereits erwähnten Analog-Digital-Wandlern 145, 147, 148 und/oder der Schnittstelle 146 alternativ oder zusätzlich eine Berechnungseinheit 149 auf, die dazu eingerichtet ist, aus den digitalen bzw. digitalisierten empfangenen Signalen eine von einer Ausgangsleistung abhängige Größe des Schaltnetzteils 120, z.B. die Ausgangsleistung selbst, zu berechnen. Beispielsweise kann die Ausgangsleistung als Produkt von Eingangsspannung (mittels des ersten Spannungsteilers 141 bestimmt) und Eingangsstrom (unter Verwendung des Verstärkers 147 ermittelt) abzüglich einer bekannten bzw. vorbestimmten Verlustleistung, die einen Wirkungsgrad des Transformators des Schaltnetzteils 120 berücksichtigt, berechnet werden. Auch eine Berechnung unter Verwendung der Eingangsspannung des Schaltnetzteils 120 und eines Tastverhältnisses, das unter Verwendung des Sig- nals der Logikschaltung 142 in Verbindung mit einer Zeitmessung ermittelt werden kann, ist in bestimmten Ausgestaltungen vorteilhaft vorgesehen. In addition to the already mentioned analog/digital converters 145, 147, 148 and/or the interface 146, the second circuit part 140B of the diagnostic circuit 140 alternatively or additionally has a calculation unit 149 which is set up to calculate from the digital or digitized signals received to calculate a variable of the switched-mode power supply 120 that is dependent on an output power, for example the output power itself. For example, the output power can be calculated as the product of the input voltage (determined using the first voltage divider 141) and the input current (determined using the amplifier 147) minus a known or predetermined power loss that takes into account the efficiency of the transformer of the switched-mode power supply 120. Also, a calculation using the input voltage of the switching power supply 120 and a duty cycle calculated using the signal als the logic circuit 142 can be determined in connection with a time measurement is advantageously provided in certain configurations.
Beispielsweise kann die Ausgangsleistung P2 bei einem sog. Flyback-Converter anhand folgender Formeln berechnet werden: For example, the output power P 2 in a so-called flyback converter can be calculated using the following formulas:
P 1 2 = 1 - V r 2 P 1 2 = 1 - V r 2
Dabei kann die Ausgangsspannung V2 aus dem Verhältnis der Wicklungszahlen Ni, N2 des Transformators, dem Tastverhältnis D und der Eingangsspannung Vi berechnet werden: The output voltage V 2 can be calculated from the ratio of the number of windings Ni, N 2 of the transformer, the duty cycle D and the input voltage Vi:
Der Ausgangsstrom I2 ergibt sich aus der Eingangsspannung Vi, dem Tastverhältnis D, der Induktivität Lm des Transformators, der Ausgangsspannung V2 und der Schaltfrequenz f zu: The output current I 2 results from the input voltage Vi, the duty cycle D, the inductance L m of the transformer, the output voltage V 2 and the switching frequency f to:
Ein von 1 verschiedener Wirkungsgrad des Transformators senkt dabei die Ausgangsleistung P2 entsprechend: P2 = rj-Pi An efficiency of the transformer that differs from 1 reduces the output power P 2 accordingly: P 2 =rj-Pi
Die Diagnoseschaltung 140, insbesondere der zweite Schaltungsteil 140B bzw. deren Berechnungseinheit 149, kann auch in Form eines sog. neuronalen Netzes bzw. einer Nachbildung eines solchen implementiert sein. Dies bietet den Vorteil, dass Lerneffekte bzw. mit der Zeit sich verbessernde Ergebnisse erzielt werden können. Insbesondere kann dabei das neuronale Netzwerk die zugeführten Betriebsparameter entsprechend gelernter Werte gewichten und entscheiden, ob die Ausgangsleistung über einem Leistungsschwellwert liegt oder nicht. The diagnostic circuit 140, in particular the second circuit part 140B or its calculation unit 149, can also be implemented in the form of a so-called neural network or a simulation of one. This offers the advantage that learning effects or results that improve over time can be achieved. In particular, the neural network can weight the supplied operating parameters according to learned values and decide whether or not the output power is above a power threshold value.
Bei der Berechnung der momentan aufgenommenen Leistung ist auch eine Kombination der Leistungsberechnung aus Strom und Spannung sowie Spannung und Tastverhältnis je nach Arbeitspunkt des Schaltnetzteils 120 sinnvoll, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Beispielsweise kann bei hohen Eingangsspannungen ein auszuwertender Strom so klein sein, dass ein unvermeidbarer Messfehler zu einer nur sehr ungenauen Berechnung der Leistung führen kann. In solchen Situationen ist dementsprechend eine Berechnung unter Verwendung des Tastverhältnisses vorteilhaft. When calculating the currently consumed power, a combination of the power calculation from current and voltage as well as voltage and pulse duty factor depending on the operating point of the switched-mode power supply 120 makes sense, to achieve optimal results. For example, in the case of high input voltages, a current to be evaluated can be so small that an unavoidable measurement error can only result in a very imprecise calculation of the power. Accordingly, in such situations, a calculation using the duty cycle is advantageous.
In dem in Figur 3 dargestellten Beispiel weist die Komparatorschaltung 150 einen Vergleicher 151 und ein Vorgabeelement 152 auf. Das Vorgabeelement gibt bei einem Betrieb der Spannungsversorgungsvorrichtung 100 ein Signal aus, das eine maximal zulässige Ausgangsleistung des Schaltnetzteils, insbesondere den bereits mehrfach erwähnten Leistungsschwellwert, beschreibt. Ein erster Eingang des Vergleichers 151 ist mit einem Ausgang der Diagnoseschaltung 140, insbesondere mit einem Ausgang der Berechnungseinheit 149, verbunden. Ein zweiter Eingang ist mit einem Ausgang des Vorgabeelements 152 verbunden. Im Betrieb vergleicht der Vergleicher 151 die an den ersten und zweiten Eingängen anliegenden Signale und gibt, beispielsweise in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den beiden Signalen, ein Ausgangssignal aus, das eine Information über die Einhaltung des Leistungsschwellwerts beinhaltet. In the example shown in FIG. 3, the comparator circuit 150 has a comparator 151 and a specification element 152 . During operation of the voltage supply device 100, the specification element outputs a signal which describes a maximum permissible output power of the switched-mode power supply, in particular the power threshold value already mentioned several times. A first input of the comparator 151 is connected to an output of the diagnostic circuit 140, in particular to an output of the calculation unit 149. A second input is connected to an output of the setting element 152 . During operation, the comparator 151 compares the signals present at the first and second inputs and, for example as a function of the difference between the two signals, outputs an output signal which contains information about compliance with the power threshold value.
Das Ausgangssignal des Vergleichers bewirkt, dass die bereits in Bezug auf Figur 1 erläuterte Leistungsbegrenzungsvorrichtung 160 die Ausgangsleistung des Schaltnetzteils 120 begrenzt. Dazu kann das Ausgangssignal des Vergleichers 151 der Komparatorschaltung 150 auf ein Stellelement der Leistungsbegrenzungsschaltung 160 einwirken. In Figur 3 sind mögliche Positionen 161, 162, 163 für derartige Stellelemente schematisch dargestellt. Stellelemente können in diesem Zusammenhang beispielsweise Schalter oder verstellbare Widerstände sein. An den Positionen 161 und 162 kann beispielsweise der Leitungspfad durch das Schaltnetzteil 120 unterbrochen oder über einen Widerstand leistungsbegrenzt werden. Wirkt das Ausgangssignal des Vergleichers 151 auf einen Eingang der Ansteuerschaltung 122 des Schaltnetzteils 120 (Position 163), kann beispielsweise auf das Tastverhältnis des Leistungsschalters 121 Einfluss genommen werden oder dieser dauerhaft geöffnet werden, um den Leitungspfad durch das Schaltnetzteil 120 zu unterbrechen bzw. in seiner Durchgangsleistung zu begrenzen. In letzterem Fall (Stellelement an Position 163) kann folglich die Ansteuerschaltung 122 des Schaltnetzteils gleichzeitig als Leistungsbegrenzungsschaltung 160 der Spannungsversorgungsvorrichtung 100 fungieren. The output signal of the comparator causes the power limitation device 160 already explained with reference to FIG. For this purpose, the output signal of the comparator 151 of the comparator circuit 150 can act on an actuating element of the power limitation circuit 160 . Possible positions 161, 162, 163 for such control elements are shown schematically in FIG. In this context, control elements can be, for example, switches or adjustable resistors. At positions 161 and 162, for example, the conduction path through the switched-mode power supply 120 can be interrupted or the power can be limited via a resistor. If the output signal of comparator 151 acts on an input of control circuit 122 of switched-mode power supply 120 (position 163), the duty cycle of circuit breaker 121 can be influenced, for example, or it can be opened permanently in order to interrupt the conduction path through switched-mode power supply 120 or in its limit throughput. In the latter case (actuator at position 163) can therefore Control circuit 122 of the switched-mode power supply simultaneously act as a power-limiting circuit 160 of the voltage supply device 100 .
Teile der Spannungsversorgungsvorrichtung 100 können zusammengefasst als ein einziger Mikrocomputer pC bereitgestellt werden. Dies ist in Figur 3 in Form einer gepunktstrichelten Box angedeutet, die in diesem Beispiel den zweiten Schaltungsteil 140B sowie die Komparatorschaltung 150 umfasst, also im Wesentlichen digitale Schaltungen. Parts of the power supply device 100 can be provided as a single microcomputer pC. This is indicated in FIG. 3 in the form of a dot-dashed box, which in this example includes the second circuit part 140B and the comparator circuit 150, that is to say essentially digital circuits.
Es sei hier ausdrücklich betont, dass es sich bei der dargestellten Ausgestaltung lediglich um ein Ausführungsbeispiel handelt und nicht sämtliche Bauelemente vorhanden sein müssen, um eine erfindungsgemäße Stromversorgungsvorrichtung 100 bereitzustellen. Beispielsweise kann die Diagnoseschaltung 140 auch mehr oder weniger und/oder auch andersartige Bauteile aufweisen, um die Ausgangsleistung des Schaltnetzteils 120 zu ermitteln. Auch die erwähnte Aufteilung der Diagnoseschaltung 140 in den ersten 140A und zweiten 140B Schaltungsteil ist lediglich beispielhaft zu verstehen und nicht zwangsläufig in allen Ausgestaltungen in der dargestellten Weise vorgesehen. In Ausgestaltungen kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass der Mikrocomputer pC weniger oder weitere Teile der Spannungsversorgungsvorrichtung 100 umfasst, beispielsweise zusätzlich die Ansteuerschaltung 122 des Schaltnetzteils 120 und/oder andere Bauelemente. Ferner ist zu beachten, dass eine in Bezug auf Figur 3 beschriebene konkrete Ausgestaltung eines Vorrichtungsteils, wie beispielsweise des Schaltnetzteils 120, als unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der übrigen Vorrichtungsteile zu verstehen ist. It should be expressly emphasized here that the configuration shown is merely an exemplary embodiment and not all components have to be present in order to provide a power supply device 100 according to the invention. For example, the diagnostic circuit 140 can also have more or fewer and/or different components in order to determine the output power of the switched-mode power supply 120 . The aforementioned division of the diagnostic circuit 140 into the first 140A and second 140B circuit part is also to be understood merely as an example and is not necessarily provided in the manner shown in all configurations. In configurations it can also be provided, for example, that the microcomputer pC comprises fewer or more parts of the voltage supply device 100, for example additionally the control circuit 122 of the switched-mode power supply 120 and/or other components. It should also be noted that a specific configuration of a device part, such as switched-mode power supply 120, described with reference to FIG. 3 is to be understood as being independent of the specific configuration of the remaining device parts.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren (200) zum Betreiben eines Schaltnetzteils (120), umfassend: A method (200) for operating a switched-mode power supply (120), comprising:
Erfassen (210) zumindest eines Betriebsparameters des Schaltnetzteils (120), detecting (210) at least one operating parameter of the switched-mode power supply (120),
Ermitteln (220) einer von einer Ausgangsleistung abhängigen Größe des Schaltnetzteils (120) unter Verwendung des zumindest einen Betriebsparameters, Determining (220) a variable of the switched-mode power supply (120) that is dependent on an output power using the at least one operating parameter,
Vergleichen (230) der von der Ausgangsleistung abhängigen Größe mit einem Leistungsschwellwert, und comparing (230) the quantity dependent on the output power with a power threshold value, and
Durchführen einer Maßnahme (240), die insbesondere ein Senken der Ausgangsleistung des Schaltnetzteils (120) umfasst, wenn die ermittelte Ausgangsleistung den Leistungsschwellwert übersteigt. Carrying out a measure (240), which includes, in particular, lowering the output power of the switched-mode power supply (120) when the determined output power exceeds the power threshold value.
2. Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei der Betriebsparameter eines oder mehrere aus der Gruppe aus Eingangsspannung des Schaltnetzteils, Ausgangsspannung des Schaltnetzteils, Betriebszustand des Schaltnetzteils, Tastverhältnis eines Leistungsschalters des Schaltnetzteils, Ansteuerspannung des Leistungsschalters und Spannungsabfall an einem Shunt umfasst. 2. The method (200) according to claim 1, wherein the operating parameter includes one or more from the group consisting of the input voltage of the switched-mode power supply, the output voltage of the switched-mode power supply, the operating state of the switched-mode power supply, the duty cycle of a power switch of the switched-mode power supply, the control voltage of the power switch and the voltage drop across a shunt.
3. Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Senken der Ausgangsleistung ein Begrenzen oder Abschalten eines durch einen Leistungsschalter des Schaltnetzteils (120) fließenden Stroms und/oder ein Öffnen eines Schalters ausgangsseitig und/oder eingangsseitig des Schaltnetzteils (120) umfasst. 3. The method (200) according to claim 1 or 2, wherein the lowering of the output power comprises limiting or switching off a current flowing through a power switch of the switched-mode power supply (120) and/or opening a switch on the output side and/or input side of the switched-mode power supply (120). .
4. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leistungsschwellwert höchstens 150%, 125%, 110%, 105%, 102% oder 101% einer Maximalleistung eines ausgangsseitig an dem Schaltnetzteil (120) angeschlossenen Verbrauchers (130) entspricht. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (220) der zumindest einen von der Ausgangsleistung abhängigen Größe und/oder das Vergleichen (230) der von der Ausgangsleistung abhängigen Größe mit dem Leistungsschwellwert unter Verwendung eines neuronalen Netzes durchgeführt wird. Spannungsversorgungsvorrichtung (100), umfassend ein Schaltnetzteil (120); eine Diagnoseschaltung (140), die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Betriebsparameter des Schaltnetzteils (120) zu erfassen und eine von einer Ausgangsleistung abhängige Größe des Schaltnetzteils (120) unter Verwendung des zumindest einen erfassten Betriebsparameters zu ermitteln; eine Komparatorschaltung (150), die dazu eingerichtet ist, die von der Diagnoseschaltung (140) ermittelte Größe mit einem Leistungsschwellwert zu vergleichen; und eine Leistungsbegrenzungsschaltung (160), die dazu eingerichtet ist, die Ausgangsleistung des Schaltnetzteils (120) zu senken, wenn die ermittelte Ausgangsleistung den Leistungsschwellwert übersteigt. Spannungsversorgungsvorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei die Diagnoseschaltung (140) zum Erfassen des zumindest einen Betriebsparameters eines oder mehrere aus der Gruppe aus Spannungsmessschaltung, Strommessschaltung, Shunt, Zeitmessschaltung, Frequenzmessschaltung und Einschaltzustandserfassungsschaltung umfasst. Spannungsversorgungsvorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Komparatorschaltung (150) an einem ersten Eingang signalleitend mit einem Ausgang der Diagnoseschaltung (140) verbunden ist, an einem Ausgang signalleitend mit einem Eingang der Leistungsbegrenzungsschaltung (160) verbunden ist und optional an einem zweiten Eingang zum Empfang einer Vorgabe für den Leistungsschwellwert eingerichtet ist. - 15 - Spannungsversorgungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Leistungsbegrenzungsschaltung (160) einen Schalter in einem Leitungspfad zwischen einem Eingang der Spannungsversorgungsvorrichtung (100) und dem Schaltnetzteil (120) und/oder zwischen dem Schaltnetz- teil (120) und einem Ausgang der Spannungsversorgungsvorrichtung (100) und/oder ein Strom und/oder Spannung begrenzendes Element, insbesondere einen verstellbaren Widerstand, in einem Leitungspfad zwischen dem Eingang der Spannungsversorgungsquelle (110) und dem Schaltnetzteil (120) und/oder zwischen dem Schaltnetzteil (120) und dem Ausgang der Spannungsversorgungsvorrichtung (100) umfasst. Spannungsversorgungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei in der Diagnoseschaltung (140) ein neuronales Netzwerk implementiert ist. 4. The method (200) according to any one of the preceding claims, wherein the power threshold corresponds to at most 150%, 125%, 110%, 105%, 102% or 101% of a maximum power of a consumer (130) connected to the switched-mode power supply (120) on the output side. Method (200) according to one of the preceding claims, wherein the determination (220) of the at least one variable dependent on the output power and/or the comparison (230) of the variable dependent on the output power with the power threshold value is carried out using a neural network. Voltage supply device (100), comprising a switched-mode power supply (120); a diagnostic circuit (140), which is set up to detect at least one operating parameter of the switched-mode power supply (120) and to determine a variable of the switched-mode power supply (120) that is dependent on an output power using the at least one detected operating parameter; a comparator circuit (150) which is set up to compare the variable determined by the diagnostic circuit (140) with a power threshold value; and a power limitation circuit (160) which is set up to reduce the output power of the switched-mode power supply (120) if the determined output power exceeds the power threshold value. The power supply device (100) of claim 6, wherein the diagnostic circuit (140) for detecting the at least one operating parameter comprises one or more of a voltage measurement circuit, a current measurement circuit, a shunt, a time measurement circuit, a frequency measurement circuit, and an on-state detection circuit. Voltage supply device (100) according to claim 6 or 7, wherein the comparator circuit (150) is connected at a first input to an output of the diagnostic circuit (140) in a signal-conducting manner, at an output is connected in a signal-conducting manner to an input of the power limiting circuit (160) and optionally at a second input is set up to receive a specification for the power threshold value. - 15 - Voltage supply device (100) according to any one of claims 6 to 8, wherein the power limitation circuit (160) comprises a switch in a conduction path between an input of the voltage supply device (100) and the switched-mode power supply (120) and/or between the switched-mode power supply (120 ) and an output of the voltage supply device (100) and/or a current and/or voltage-limiting element, in particular an adjustable resistor, in a conduction path between the input of the voltage supply source (110) and the switched-mode power supply (120) and/or between the switched-mode power supply ( 120) and the output of the voltage supply device (100). Voltage supply device (100) according to one of Claims 6 to 9, a neural network being implemented in the diagnostic circuit (140).
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