Spôsob a zariadenie na budenie obvodového prvku

Číslo patentu: E 12856

Dátum: 28.12.2006

Autor: Rowland Barry

Je ešte 5 strán.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

0001 Tento vynález sa týka zariadenia na budeníe obvodového prvku a konkrétnejšie zariadenia na budenie reťazca série zapojených svietiacich diód (LED - light emitting diode), ako sa používa,ale nie je obmedzený, na podsvietenie obrazovky z tekutých kryštálov (LCD - liquid crystal display) pre mobilný telefón alebo inú záťaž, ktorá spôsobuje významné vybíjanie výstupného kondenzátora budiaceho obvodu.0002 V mobilných telefónoch, v typickej aplikácii, je namontovaná batéria akumulátorov na napájanie súčiastok. Avšak mobilné telefóny môžu obsahovať viacero pomocných obvodov, z ktorých každý si vyžaduje jedinečnú úroveň napätia, odlišnú od privádzanej z batérie akumulátorov(niekedy vyššie alebo nižšie než je napätie akumulátorov, alebo dokonca záporné napätie). Navyše,napätie akumulátorov klesá a jeho uložený výkon uniká. Meniče jednosmerného napätia (DC-DC meniče) ponúkajú spôsob generovanie viacerých regulovaných napätí z jediného premenlivého akumulátorového napätia. čim sa šetrí priestor namiesto používania viacerých akumulátorov na napájanie rôznych častí zariadenia.0003 Dodáva sa mnoho typov DC-DC meničov v zavislosti od vyžadovanej konkrétnej funkcie. Dva z najobvyklejších sú zvyšovacl menič napätia, ktorý sa používa na zvýšenie úrovne napätia, a znižovacl menič napätia, ktorý sa používa na zníženie úrovne napätia. Oba z nich sú spínané meniče napätia, ktoré vykonávajú konverziu privedením jednosmerného napätia na tlmivku alebo transforrnátor počas určitej doby (zvyčajne v rozsahu od 100 kHz do 5 MHz). Toto spôsobuje, že prúd prúdi cez tlmivku alebo transforrnátor, do ktorého sa magnetický ukladá energia. Napätie sa potom vypne, čo spôsobí, že uložená energia sa regulovaným spôsobom prevedie na napäťový výstup. Nastavením pomeru času ZAP (ON) aWP (OFF) možno výstupné napätie regulovať, aj ked sa potreba prúdu meni.0004 Obrázok 1 zobrazuje obvodovú schému jednoduchého zvyšovacieho DC-DC meniča napätia. Obvod obsahuje napájanie 1, vysokofrekvenčný spínač 2, diódu 3, tlmivku 4 a záťažový rezistor 5.0005 Súčasná technológia využíva elektronické, tantalové, alebo keramické Kondenzátory pre ñltrovanie výstupného napätia pre tieto druhy integrovaných obvodov pre špecifickú aplikáciu riadenia napájania. Účelom takýchto kondenzátorov je uložiť energiu, ktorú DC-DC menič privádza na výstup vo forme impulzov a aby sa dalej vyhladil výstupný napäťový signál odstránením šumu a iných vysokofrekvenčných prvkov.0006 Jeden konkrétny pomocný obvod, ktorý vyžaduje jedinečné napätie, je pomocný obvod používaný na napájanie reťazca LED, ako sa všeobecne používa na podsvietenie LCD obrazovky mobilného telefónu. Prlležitostne sa vyžaduje strnievať podsvietenie keď sa podsvietenie zaplna alebo vypína, alebo ked môže byť svetlo potrebné prepnúť na nižšiu úroveň pre účely vhodnosti alebo úspory energie. Toto možno taktiež využívať spolu so snímačom okolitého svetla. Aby sa dosiahol stmievací účinok, výstup spínaného DC-DC meniča je modulovaný impulzne šírkovou moduláciou (PWM - pulse width modulation). Ďalej na dosiahnutie úspory energie možno DC-DC menič deaktivovať, alebo čiastočne deaktivovať počas doby WP (OFF) cyklu PWM.0007 Obrázok 2 zobrazuje blokovú schému typického obvodu, ktorý sa v súčasnosti využíva na zabezpečenie napájania strnievatelného LED reťazca pre podsvietenie. Obvod obsahuje generátor 6 PWM ovládacieho signálu, splnaný DC-DC menič 7 obsahujúci aktivačný spínač 71, batériu akumulátorov 8, výstupný filtračný kondenzátor 9 a LED reťazec 10.0008 PWM využíva signál pravouhlých vĺn a moduluje šírku impulzu signálu pravouhlých vĺn tak,že pomer medzi dobou ZAP (ON) (doba, počas ktorej signál trvá) a dobou signálu sa mení podľa požadovaného fungovania LED reťazca. Obrázok 3 zobrazuje PWM signál, ktorý, ked sa privedie ako PWM ovládací signál na splnaný DC-DC menič 7 a LED reťazec 10, by mal účinok postupného stmievania LED reťazca 10. Obrázok zobrazuje meniaci sa pracovný cyklus 21 a periódu 20.0009 PWM signál sa privedie ako PWM ovládací signál na spinaný DC-DC menič 7 a reguluje integrovaný aktivačný spínač 71 tak, že aktivačný spínač 71 je zopnutý, ked trvá PWM ovládací signál, a aktivačný signál 71 je rozopnutý, ked PWM ovládací signál netrvá. Spínaný DC-DC menič privádza do LED reťazca konvertované napätie, len ked je aktivačný spínač zopnutý, Preto spinanýDC-DC menič privádza na výstup PWM napäťový signál s rovnakou frekvenciou a moduláciou ako PWM ovládací signál. Následne bude LED reťazec medzi emitovanlm svetla blikať, ked PWM Výstupný napäťový signál trvá, a neemitovať, ked PWM Výstupný napäťový signál netrvá. Ak sa PWM ovládací signál podľa obrázka 3 privedie na spínaný DC-DC menič 7, LED reťazec 10 by najprv emitoval svetlo počas väčšiny doby 20 PWM ovládacieho signálu. Časom však pomer doby 20, počas ktorej LED reťazec 10 emituje svetlo, postupne klesá. Preto, ak frekvencia PWM ovládacieho signálu je primeraná, svetlo emitované LED reťazcom 10 by sa ľudskému oku javilo ako strnievajúce.0010 Frekvencia rádu, že blikanie LED reťazca nie je detekovatelné, musí byť nad približne 50 Hz(napr. 300 Hz). Tieto frekvencie sú však V rozsahu počuteľných frekvencii. Keramické filtračné kondenzátory majú tendenciu vykazovať tieto elektrické kvality a preto ked je PWM Výstupný napäťový signál pri počuteľnej frekvencií, V dôsledku svojho neustáleho deformovania a obnovovania kondenzátor emituje bzučiaci šum. Tento šum nie je akceptovateľný.0011 Ďalší problém zariadenia zobrazeného na obrázku 2 je, že spinané DC-DC meniče pracujúce s tlmivkou odoberajú väčšinu prúdu ked sa zaplnajú a ñltračný kondenzátor sa nabíja z vybitého alebo čiastočne vybítého stavu. Toto je zvlášť dôležité, ked sa používa impulzne šlrková modulácia (PWM), pretože obvod sa zapína a vypína niekoľkokrát za sekundu, a preto zvýšený prúd si Vyžaduje, aby tlmivka a ostatné súčiastky boli dimenzované podľa vyskytujúcich sa špičkových prúdov, a preto rastie Velkosť a cena takýchto súčiastok, alebo sa zvyšuje úroveň ich prevádzkového namáhania.0012 Ďalším problémom takéhoto obvodu je, že dodatočný prúd spôsobuje zvýšené rušenie napájacieho vedenia ktoré napája obvod, čo pravdepodobne vedie k interferencii s inými zariadeniami, alebo k emisií elektromagnetického žiarenia ktoré presahuje zákonné limity.0013 Podobné problémy vznikajú V akejkoľvek technológii jednosmerného napájania, ktorá sa deaktivuje alebo vypína počas stavu nevyskytovania sa vlnotvaru PWM signálu tak, že výstupné napätie nie je budené V stave WP (OFF) napätie na kondenzátora je určujúce len aby bol zrejmý akustický šum. Dokonca V prípade ked jednosmerné napájanie je budiaci zdroj, fluktuácia napätia výstupného kondenzátora medzi stavom ZAP (ON) aWP (OFF) je zdrojom akustického šumu. V závislosti od toho, či sa pri spustení uplatní obmedzenie prúdu, kondenzátor sa stále javí ako veľmi nízka impedančná záťaž, ked sa napájanie znovu aktivuje, čo môže taktiež spôsobiť nárazové prúdové špičky. Ak je napájanie prúdovo obmedzené, zvýšený čas nárastu napätia na výstupnom kondenzátora spôsobuje Významnú nelinearitu výstupného napätia a prúdu pri nízkych pracovných cykloch PWM vlnotvaru.0014 Jednou možnosťou použitou na prekonanie problému počutelného bzučanía kondenzátora je použitie tantalových kondenzátorov namiesto keramických kondenzátorov. Avšak hoci tieto majú lepšie rezonančné charakteristiky, sú taktiež omnoho nákladnejšie a majú iné nevýhody, ako to, že Vysoký ekvivalentný sériový odpor (ESR - equlvalent series resistance). Ďalšia možnosť je modulovat jednosmerný prúd cez LED reťazec namiesto použitia PWM, hoci to môže viest k zmene farby, pretože biele LED (ktoré sa typicky používajú na podsvietenie farebných LCD obrazoviek) zmenia farbu s napájaním prúdom a môžu sa voči sebe meniť charakteristiky LED pri prúdoch,ktoré sú významne menšie alebo väčšie než prúd pri ktorých sú charakterizované.0015 Tento vynález poskytuje zariadenie na budenie obvodového prvku obsahujúceho prostriedok napäťového zdroja nakonfigurovaný na generovanie impulzne šlrkovo modulovaného (PWM) výstupného napäťového signálu, kondenzátor konfigurovaný na filtrovanle PWM výstupného napäťového signálu a spínací prostriedok, kde obvodový prvok obsahuje najmenej jednu svietiacu diódu nakonfigurovanú na emitovanie svetla, ked je PWM Výstupný napäťový signál V maxime, a na neemitovanie svetla, ked je PWM Výstupný napäťový signál V mínime, vyznačujúci sa tým, že spínací prostriedok je nakonfigurovaný na synchronízovanie s PWM Výstupným napäťovým signálom tak, že ked je PWM Výstupný napäťový signál V mínime, spínací prostriedok V podstate odpojí kondenzátor od obvodového prvku.0010 Preto sa kondenzátoru bráni obnoviť svoj pôvodný tvar a takto sa neemituje počutelný bzučiaci šum. Ďalej, keď je PWM Výstupný signál blízko maxima, kondenzátor sa nemusí nabljať a preto sa odoberá znížený prúd.0017 Výhodne napäťový zdroj nakonfigurovaný na generovanie PWM výstupného napáťovéhosignálu obsahuje spínaný DC-DC menič nakonfigurovaný na konvertovaníe úrovne privádzaného-3 napätia na konvertovanú úroveň napätia a napäťový zdroj nakonfigurovaný na generovanie PWM výstupného napäťového signálu ďalej obsahuje generátor PWM ovládacieho signálu nakonfigurovaný na privedenie na Výstup PWM ovládacieho signálu na ovládanie spínaného DC-DC meniča. 0018 Výhodne spínací prvok je ovládaný PWM ovládacim signálom. Toto dosahuje synchronizàciu medzi spínaním spí nacieho prvku a PWM výstupným napäťovým signálom.0019 Výhodne spínaný DC-DC menič obsahuje spínací prvok, ktorý je synchronizovaný s PWM ovládacím signálom aovláda výstup spínaného DC-DC meniča tak, že ked je aktivačný spínač zapnutý, spínaný DC-DC menič na výstup privádza úroveň konvertovaného napätia, a ked je aktivačný spínač rozopnutý, spinaný DC-DC menič neprivádza na výstup napätie.0020 Výhodne je kondenzátor nakonfigurovaný na ñltrovanie Vysokofrekvenčných prvkov PWM výstupného napäťového signálu.0021 Výhodne svetlo emitované LED osvetľuje zadnú časť obrazovky z tekutých kryštálov (LCD),kde LCD obrazovka môže byť obrazovka mobilného telefónu.0022 Výhodne, PWM Výstupný napäťový signál je modulovaný tak, že sa javí, že jas svetla emitovaného s LED sa postupne mení. Výhodne, PWM Výstupný napäťový signál je pri frekvencii nad 20 Hz.0023 Výhodne spínací prvok je zabudovaný do napájacieho integrovaného obvodu, ktorý obsahuje DC-DC menič tak. že spínací prvok zabezpečuje spojenie medzi vývodom výstupného napätia DC-DC meniča, výstupným ñltračným kondenzátorom a druhým vývodom alebo vývodmi,ktoré sú pripojené na obvodový prvok.0024 Voliteľné spínač výstupnej záťaže môže byť zvonku napájacieho integrovaného obvodu a obsahovat dva bipoláme tranzistory a príslušné predpáťové súčiastky.0025 Voliteľné spínač výstupnej záťaže môže byť zvonku napájacieho integrovaného obvodu a obsahuje dva poíom riadené tranzistory (FET - field-effect transistor) a požadované predpäťové súčiastky.0026 Voliteľné spínač výstupnej záťaže môže byť zvonku napájacieho integrovaného obvodu a obsahovať kombináciu rôznych typov tranzistorov a požadovaných predpäťových súčiastok.0027 Výhodne úroveň privádzaného vstupného napätia sa privádza jediným akumulátorom, alebo batériou akumulátorov.0028 Výhodne Výstupný filtračný kondenzátor je keramický kondenzátor.0029 Tento vynález taktiež poskytuje spôsob budenia obvodového prvku, zahŕňajúci generovanie PWM výstupného napäťového signálu, kde PWM Výstupný napäťový signál budi obvodový prvok,ktorý má najmenej jednu LED, ktorá emituje svetlo, ked je PWM Výstupný napäťový signál V maxime, a neemituje svetlo, ked je PWM Výstupný napäťový signál V minime, ñltrovanie PWM výstupného napäťového signálu pomocou kondenzátora, vyznačujúci sa tým, že spôsob dalej zahŕňa synchronizovanie spinacieho prostriedku s PWM výstupným napäťovým signálom tak, že keď je PWM Výstupný napäťový signál V minime. spínací prostriedok V podstate odpája kondenzátor od obvodového prvku.0030 Výhodné uskutočnenia tohto Vynálezu budú teraz opisané len ako príklad, s odkazom na priložené výkresy na ktorýchObrázok 1 zobrazuje schému zvyšovacieho spínaného DC-DC meničaObrázok 2 zobrazuje schému typického obvodu na budenie stmievateíného LED reťazca pre podsvietenieObrázok 3 zobrazuje PWM signál, ktorý by sa privádzal na stmievanie LED reťazcaObrázok 4 zobrazuje blokovú schému obvodu na budenie stmievateľného LED reťazca podľa tohto Vynálezu, ktorý má spínač záťaže zvonku napájania aObrázok 5 zobrazuje blokovú schému obvodu na budete stmievateíného LED reťazca podľa tohto Vynálezu, ktorý má spínač záťaže vo vnútri napájania.0031 Obrázok 2 zobrazuje blokovú schému typického obvodu na napájanie stmievatelného LED reťazca pre podsvietenie. Batéria akumulátorov 8 napája jednosmerným napätím spínaný DC-DC menič 7. Spínaný DC-DC menič 7 konvertuje jednosmemé napätie z batérie akumulátorov 8 na napätie odlišnej úrovne než úroveň privádzaná batériou akumulátorov 8. Konkrétna úroveň napätia závisí od požiadaviek LED reťazca.0032 Spínaný DC-DC menič 7 obsahuje aktivačný spínač 71. Aktívačný spínač ovláda fungovanie spinaného DC-DC meniča 7 tak, že ked je aktivačný spínač zopnutý, spínaný DC-DC menič 7 na výstup privádza konvertované napätie a ked je aktivačný spínač rozopnutý, spínaný DC-DC menič 7 neprivádza na výstup napätie. Generátor 6 PWM ovládacieho signálu privádza ovládací signál modulovaný šírkou impulzu (ako je zobrazený na obrázku 2) do aktivačného spínača 71 spinaného DC-DC meniča 7. PWM ovládací signál ovláda aktivačný spínač 11 tak, že ked je PWM signál v maxime, aktivačný spínač 71 je zopnutý, a ked je PWM signál v minime, aktivačný spínač 71 je rozopnutý.0033 Ked je PWM signál v maxime a tým aktivačný spínač 71 je zopnutý, spínaný DC-DC menič 7 privádza na výstup konvertované napätie. Preto spínaný DC-DC menič privádza na výstup PWM napäťový signál rovnakej frekvencie a modulácie ako PWM ovládací signál. Maximá PWM výstupného napäťového signálu sú v úrovni konvertovaného napätia. Ked je PWM Výstupný napäťový signál v maxime, prúd prúdi ako do výstupného kondenzátora 9, čím ho nabíja, tak do LED reťazca 10, čím spôsobuje, že LED ernitujú svetlo. Ak je prúd perfektný jednosmerný prúd,kondenzátor 9 keď je úplne nabitý nie je schopný už prijímať prúd. Avšak v skutočnosti jednosmemé prúdy vždy obsahujú vysokofrekvenčné oscilácie. Preto ked prúd na okamih klesne na nižšiu úroveň o malú veľkosť, kondenzátor 9 uvoľní porovnateľné množstvo náboja uloženého na jeho elektródach a preto má účinok vyhladzovania prúdu ktorý prechádza cez LED reťazec 10. Ked vysokofrekvenčné oscilácíe v prúde spôsobujú krátkodobý nárast prúdu, kondenzátor 9 sa dobije.0034 Ked sa PWM výstupný napäťový signál stane minimom. čo znamená že spínaný DC-DC menič 7 na výstup neprivádza napätie, kondenzátor 9 sa vybíja cez LED reťazec 10. Proces sa opakuje podľa PWM výstupného napäťoveho signálu.0035 Keramické kondenzátory vykazujú piezoelektrické kvality a preto ked je kondenzátor nabitý,nastáva malá deformácia. Pri vybíjaní sa kondenzátor vracia do svojho pôvodného tvaru. Frekvencia PWM výstupného napäťového signálu je približne 300 Hz a preto deforrnácia nastáva 300 krát za sekundu. Pretože je to v rozsahu počuteľných frekvencii, nastáva bzučiaci šum.0036 DE 10236872 (A 1) uvádza regulovaný napájací obvod pre stmievanie LED svetelného zdroja, využíva jednosmemý regulátor využívajúci kondenzátor alalebo tlmivky s impulzne modulačnou reguláciou.0037 Obrázok 4 zobrazuje obvod na budenie stmievateľného LED reťazca 10 podľa tohto vynálezu. Obvod obsahuje generátor 6 PWM ovládacieho signálu, spínaný DC-DC menič 7 obsahujúci aktivačný spínač 71, batériu akumulátorov 8. Výstupný filtračný kondenzátor 9, LED reťazec 10 a spínač 13 výstupnej záťaže.0038 Spínač 13 výstupnej záťaže môže obsahovať konfiguráciu bipolámych tranzistorov a je ovládaný s PWM ovládacím signálom tak, že je synchronizovaný s PWM ovládacím signálom (a takto taktiež synchronizovaný s PWM výstupným napäťovým signálom). Preto, ked je PWM Výstupný napäťový signál v maxime, spínač 13 výstupnej záťaže dovoľuje prúdu prechádzať, a ked je PWM Výstupný napäťový signál v minime, spínač 13 výstupnej záťaže nedovoľuje prúdu prechádzať. Ked je PWM Výstupný napäťový signál v minime a spínač 13 výstupnej záťaže nedovoľuje prúdu prechádzať, kondenzátor 9 je oddelený a nemôže sa vybíjať cez LED reťazec 10,alebo namiesto toho si uchováva svoj náboj. Preto si kondenzátor neobnoví svoj pôvodný tvar. Následne. pretože kondenzátor 9 nie je neustále deforrnovaný a obnovovaný počuteľnou frekvenciou, neemituje sa bzučiaci šum. Ďalej, ked sa PWM signál priblíži k maximu, kondenzátor 9 je už nabitý a preto je znížená velkosť prúdu odoberaného cez tlmivku a ostatné súčiastky spinaného DC-DC meniča 7.0039 Alternatívne, ako je zobrazené na obrázku 5, spínač 13 výstupnej záťaže možno zabudovať do napájacieho integrovaného obvodu, ktorý obsahuje DC-DC menič 7 tak, že spínač 13 výstupnej záťaže zabezpečuje prepojenie medzi vývodom výstupného napätia DC-DC meniča 7, výstupným ñltračným kondenzátorom 9 a druhým vývodom alebo vývodmi, ktoré sú pripojené na LED reťazec 10.

MPK / Značky

MPK: H02M 3/155, H05B 33/08, H05B 37/02

Značky: obvodového, budenie, zariadenie, prvků, spôsob

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/13-e12856-sposob-a-zariadenie-na-budenie-obvodoveho-prvku.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Spôsob a zariadenie na budenie obvodového prvku</a>

Podobne patenty