DE102018120821A1 - Determination of the small signal transfer function - Google Patents

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DE102018120821A1
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Abstract

Ein Controller (100) für ein Schaltnetzteil (200), welches eine Primärseite (210) und eine Sekundärseite (220) aufweist und ausgebildet ist, eine über die Primärseite (210) empfangene Eingangsleistung (U1) in eine Ausgangsleistung (U2) zu transformieren und über die Sekundärseite (220) bereitzustellen, umfasst: eine erste Controller-Subeinheit ausgebildet zum Ausführen eines offenen Regelkreises zur Regelung der Ausgangsleistung (U2) in Abhängigkeit von einem gemessenen Signal (CS, ZCD), wobei das gemessene Signal (CS, ZCD) von einer auf Basis des Regelkreises zu regelnden Größe (GD) abhängt; eine zweite Controller-Subeinheit ausgebildet zum Messen der Kleinsignaltransferfunktion des offenen Regelkreises durch: Erzeugen eines Testsignals variabler Amplitude und Frequenz; Einspeisen des Testsignals in den offenen Regelkreis durch Addieren des Testsignals auf das gemessene Signal (CS, ZCD) zum Erhalten eines gestörten Signals, welches dem Regelkreis zugeführt ist; und Bestimmen eines Unterschieds zwischen dem gestörten Signal und dem gemessenen Signal (CS, ZCD).A controller (100) for a switching power supply (200), which has a primary side (210) and a secondary side (220) and is designed to transform an input power (U1) received via the primary side (210) into an output power (U2) and To provide via the secondary side (220), comprises: a first controller subunit designed to execute an open control loop for controlling the output power (U2) as a function of a measured signal (CS, ZCD), the measured signal (CS, ZCD) from depends on a variable to be controlled on the basis of the control loop; a second controller subunit configured to measure the small signal transfer function of the open loop by: generating a test signal of variable amplitude and frequency; Feeding the test signal into the open control loop by adding the test signal to the measured signal (CS, ZCD) to obtain a disturbed signal which is fed to the control loop; and determining a difference between the disturbed signal and the measured signal (CS, ZCD).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Schrift betrifft Ausführungsbeispiele eines Controllers und Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zum Messen der Kleinsignaltransferfunktion eines offenen Regelkreises, welcher zur Regelung einer Ausgangsleistung eines Schaltnetzteils ausgeführt wird. Das Schaltnetzteil kann ein Schaltnetzteil mit galvanischer Trennung sein, z.B. ein Sperrwandler (engl.: Flyback-Converter).The present document relates to exemplary embodiments of a controller and exemplary embodiments of a method for measuring the small signal transfer function of an open control loop, which is carried out for regulating an output power of a switching power supply. The switching power supply can be a switching power supply with electrical isolation, e.g. a flyback converter.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Viele Funktionen moderner Geräte in Automobil-, Verbraucher- und Industrieanwendungen, wie etwa das Umwandeln elektrischer Energie und das Antreiben eines Elektromotors oder einer elektrischen Maschine, beruhen auf Leistungshalbleitervorrichtungen.Many functions of modern devices in automotive, consumer, and industrial applications, such as converting electrical energy and driving an electric motor or electrical machine, rely on power semiconductor devices.

Zum Beispiel werden sogenannte Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBTs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (MOSFETs) und Dioden, um nur einige zu nennen, für verschiedene Anwendungen verwendet, unter anderem für Schalter in Leistungsquellen und Leistungswandlern.For example, so-called insulated gate bipolar transistors (IGBTs), metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) and diodes, to name just a few, are used for various applications, including switches in power sources and power converters.

Zu der Gruppe der Leistungswandler gehören sog. Schaltnetzteile (engl.: switched mode power supplies). Ein Schaltnetzteil kann eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweisen, die beispielsweise galvanisch voneinander getrennt sind. Z.B. ist das Schaltnetzteil ausgebildet, eine über die Primärseite empfangene Eingangsleistung (z.B. eine Eingangsspannung oder einen Eingangsstrom) in eine Ausgangsleistung (z.B. eine Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom) zu transformieren und über die Sekundärseite bereitzustellen.The group of power converters includes so-called switched mode power supplies. A switching power supply can have a primary side and a secondary side, which are galvanically separated from one another, for example. For example, the switched-mode power supply is designed to transform an input power (e.g. an input voltage or an input current) received via the primary side into an output power (e.g. an output voltage or an output current) and to provide it via the secondary side.

Zur Regelung des Schaltnetzteils wird ein Controller eingesetzt. Ein derartiger Controller kann einen integrierten Regelkreis aufweisen, was es mitunter schwierig macht, die Stabilität des Regelkreises zu prüfen und verifizieren.A controller is used to regulate the switching power supply. Such a controller can have an integrated control loop, which sometimes makes it difficult to check and verify the stability of the control loop.

KURZDARSTELLUNGSUMMARY

Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Controller für ein Schaltnetzteil, welches eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist und ausgebildet ist, eine über die Primärseite empfangene Eingangsleistung in eine Ausgangsleistung zu transformieren und über die Sekundärseite bereitzustellen, eine erste Controller-Subeinheit und eine zweite Controller-Subeinheit. Die erste Controller-Subeinheit ist ausgebildet zum Ausführen eines offenen Regelkreises zur Regelung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von einem gemessenen Signal, wobei das gemessene Signal von einer auf Basis des Regelkreises zu regelnden Größe abhängt. Die zweite Controller-Subeinheit ist ausgebildet zum Messen der Kleinsignaltransferfunktion des offenen Regelkreises durch: Erzeugen eines Testsignals variabler Amplitude und Frequenz; Einspeisen des Testsignals in den offenen Regelkreis durch Addieren des Testsignals auf das gemessene Signal zum Erhalten eines gestörten Signals, welches dem Regelkreis zugeführt ist; und Bestimmen eines Unterschieds zwischen dem gestörten Signal und dem gemessenen Signal.According to one embodiment, a controller for a switching power supply, which has a primary side and a secondary side and is designed to transform an input power received via the primary side into an output power and to provide it via the secondary side, a first controller subunit and a second controller subunit. The first controller subunit is designed to carry out an open control loop for controlling the output power as a function of a measured signal, the measured signal depending on a variable to be controlled on the basis of the control loop. The second controller subunit is designed to measure the small signal transfer function of the open control loop by: generating a test signal of variable amplitude and frequency; Feeding the test signal into the open control loop by adding the test signal to the measured signal to obtain a disturbed signal which is fed to the control loop; and determining a difference between the disturbed signal and the measured signal.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils, welches eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist und ausgebildet ist, eine über die Primärseite empfangene Eingangsleistung in eine Ausgangsleistung zu transformieren und über die Sekundärseite bereitzustellen, folgende Schritte: Ausführen eines offenen Regelkreises zur Regelung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von einem gemessenen Signal, wobei das gemessene Signal von einer auf Basis des Regelkreises zu regelnden Größe abhängt; und Messen der Kleinsignaltransferfunktion des offenen Regelkreises durch Erzeugen eines Testsignals variabler Amplitude und Frequenz; Einspeisen des Testsignals in den offenen Regelkreis durch Addieren des Testsignals auf das gemessene Signal zum Erhalten eines gestörten Signals, welches dem Regelkreis zugeführt ist; und Bestimmen eines Unterschieds zwischen dem gestörten Signal und dem gemessenen Signal.According to a further embodiment, a method for operating a switching power supply, which has a primary side and a secondary side and is designed to transform an input power received via the primary side into an output power and to make it available via the secondary side, comprises the following steps: Output power as a function of a measured signal, the measured signal depending on a variable to be controlled on the basis of the control loop; and measuring the open loop small signal transfer function by generating a variable amplitude and frequency test signal; Feeding the test signal into the open control loop by adding the test signal to the measured signal to obtain a disturbed signal which is fed to the control loop; and determining a difference between the disturbed signal and the measured signal.

Zusätzliche Merkmale und Vorteile werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung sowie den Zeichnungen deutlich.Additional features and advantages will become apparent from the detailed description that follows, and from the drawings.

Figurenlistelist of figures

Elemente in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabseinheitlich dargestellt. Vorrang ist stattdessen auf die Darstellung von Prinzipien der Erfindung gelegt. Bezugszeichen in den Zeichnungen können zudem entsprechende Elemente bezeichnen. Es zeigen:

  • 1 schematisch und exemplarisch einen Schaltungsaufbau eines Schaltnetzteils mit einem Controller gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 2 schematisch und exemplarisch die Verstärkung (G) der Kleinsignaltransferfunktion in Abhängigkeit der Frequenz eines Testsignals; und
  • 3 schematisch und exemplarisch die Verstärkung (G) und die Phase (P) der Kleinsignaltransferfunktion in Abhängigkeit der Frequenz des Testsignals.
Elements in the drawings are not necessarily drawn to scale. Instead, priority is given to presenting principles of the invention. Reference symbols in the drawings can also designate corresponding elements. Show it:
  • 1 schematically and exemplarily a circuit structure of a switching power supply with a controller according to one or more embodiments;
  • 2 schematically and exemplarily the reinforcement ( G ) the small signal transfer function as a function of the frequency of a test signal; and
  • 3 schematically and exemplarily the reinforcement ( G ) and the phase ( P ) the small signal transfer function depending on the frequency of the test signal.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION

In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug genommen auf die Zeichnungen, die einen Teil der vorliegenden Offenbarung bilden und in denen bestimmte Ausführungsbeispiele, gemäß denen die Erfindung umgesetzt werden kann, zur Veranschaulichung gezeigt sind.In the following detailed description, reference is made to the drawings, which form a part of the present disclosure, and in which certain exemplary embodiments in accordance with which the invention can be implemented are shown by way of illustration.

Im Folgenden wird ausführlich Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsbeispiele, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung vorgestellt und soll nicht als eine Beschränkung der Erfindung verstanden werden. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels dargestellt oder beschrieben sind, in - oder in Verbindung mit - anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um ein weiteres Ausführungsbeispiel zu ergeben. Die vorliegende Erfindung soll auch derartige Modifikationen und Abwandlungen enthalten. Die Beispiele sind unter Verwendung spezifischer Sprache beschrieben, die nicht als beschränkend für den Geltungsbereich der Ansprüche ausgelegt werden soll. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgenau und dienen allein Veranschaulichungszwecken. Zur besseren Klarheit sind, sofern nicht anders angegeben, in den verschiedenen Zeichnungen identische Elemente oder Herstellungsschritte durch identische Bezugszeichen angezeigt.In the following, reference is made in detail to various exemplary embodiments, one or more examples of which are illustrated in the drawings. Each example is presented for illustration and should not be construed to limit the invention. For example, features that are shown or described as part of one embodiment may be used in - or in conjunction with - other embodiments to yield another embodiment. The present invention is also intended to include such modifications and alterations. The examples are described using specific language, which should not be construed as limiting the scope of the claims. The drawings are not to scale and are for illustration purposes only. Unless otherwise stated, identical elements or manufacturing steps are indicated by identical reference numerals in the different drawings for better clarity.

Im Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung sollen die Ausdrücke „in elektrischem Kontakt“ und „elektrisch verbunden“ beschreiben, dass eine niederohmige elektrische Verbindung oder ein niederohmiger Strompfad zwischen zwei Anschlüssen der vorliegend beschriebenen Vorrichtung vorliegt.In the context of the present description, the terms “in electrical contact” and “electrically connected” are intended to describe that there is a low-resistance electrical connection or a low-resistance current path between two connections of the device described here.

Ferner ist im Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck „elektrische Isolation“, sofern nicht anders angegeben, im Zusammenhang seines allgemeingültigen Verständnisses verwendet und soll demnach beschreiben, dass zwei oder mehr Komponenten getrennt voneinander positioniert sind und dass keine ohmsche Verbindung vorliegt, die diese Komponenten verbindet. Dennoch können Komponenten, die elektrisch isoliert voneinander sind, aneinander gekoppelt sein, zum Beispiel mechanisch gekoppelt und/oder kapazitiv gekoppelt und/oder induktiv gekoppelt. Um ein Beispiel zu geben, können zwei Elektroden eines Kondensators voneinander elektrisch isoliert sein und gleichzeitig mechanisch und kapazitiv miteinander gekoppelt sein, z.B. mittels einer Isolation, z.B. mittels eines Dielektrikums.Furthermore, in the context of the present description, the term “electrical insulation”, unless otherwise stated, is used in the context of its general understanding and is therefore intended to describe that two or more components are positioned separately from one another and that there is no ohmic connection which connects these components , Nevertheless, components that are electrically isolated from one another can be coupled to one another, for example mechanically coupled and / or capacitively coupled and / or inductively coupled. As an example, two electrodes of a capacitor may be electrically isolated from one another and simultaneously mechanically and capacitively coupled, e.g. by means of insulation, e.g. by means of a dielectric.

Spezielle Ausführungsbeispiele, die in der vorliegenden Beschreibung beschrieben sind, beziehen sich auch, ohne darauf beschränkt zu sein, auf einen Leistungswandler mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement. In einem Ausführungsbeispiel kann ein solches Bauelement dazu ausgebildet sein, einen Laststrom zu führen, der einer Last zuzuführen ist, und/oder der entsprechend mittels einer Leistungsquelle bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann das Leistungshalbleiterbauelement eine oder mehrere aktive Leistungshalbleiterzellen umfassen, wie etwa eine monolithisch integrierte Diodenzelle und/oder eine monolithisch integrierte Transistorzelle und/oder eine monolithisch integrierte IGBT-Zelle und/oder eine monolithisch integrierte RC-IGBT-Zelle und/oder eine monolithisch integrierte MOS-Gated-Dioden-, (MGD-), Zelle und/oder eine monolithisch integrierte MOSFET-Zelle und/oder Abwandlungen davon. Einer Mehrzahl solcher Diodenzellen und/oder solcher Transistorzellen können in dem Bauelement integriert sein.Special exemplary embodiments, which are described in the present description, also relate, without being restricted thereto, to a power converter with at least one power semiconductor component. In one exemplary embodiment, such a component can be designed to carry a load current which is to be supplied to a load and / or which is accordingly provided by means of a power source. For example, the power semiconductor device may include one or more active power semiconductor cells, such as a monolithically integrated diode cell and / or a monolithically integrated transistor cell and / or a monolithically integrated IGBT cell and / or a monolithically integrated RC-IGBT cell and / or a monolithic integrated MOS gated diode (MGD) cell and / or a monolithically integrated MOSFET cell and / or modifications thereof. A plurality of such diode cells and / or such transistor cells can be integrated in the component.

Der Ausdruck „Leistungshalbleiterbauelement“, wie in der vorliegenden Beschreibung verwendet, soll ein einzelnes Bauelement mit hoher Spannungssperr- und/oder Stromführungseignung bezeichnen. Mit anderen Worten: Ein solches Leistungshalbleiterbauelement ist vorgesehen für hohe Ströme, typischerweise im Amperebereich, z.B. bis zu 5 oder 100 A, und/oder Spannungen typischerweise oberhalb 15 V, besonders typischerweise bis zu 40 V und mehr, z.B. bis zu wenigstens 500 V oder mehr als 500 V, z.B. wenigstens 600 V.The term “power semiconductor component”, as used in the present description, is intended to denote a single component with high voltage blocking and / or current carrying suitability. In other words: such a power semiconductor component is intended for high currents, typically in the ampere range, e.g. up to 5 or 100 A, and / or voltages typically above 15 V, particularly typically up to 40 V and more, e.g. up to at least 500 V or more than 500 V, e.g. at least 600 V.

Zum Beispiel kann das nachfolgend beschriebene Leistungshalbleiterbauelement ein Bauelement sein, das dazu ausgebildet ist, als eine Leistungskomponente in einer Niedrig-, Mittel- und/oder Hochspannungsanwendung eingesetzt zu werden. Zum Beispiel ist der Ausdruck „Leistungshalbleiterbauelement“, wie in der vorliegenden Beschreibung verwendet, nicht auf logische Halbleiterbauelemente gerichtet, die beispielsweise zum Speichern von Daten, zum Verarbeiten von Daten und/oder zu anderen Arten von halbleiterbasierter Datenverarbeitung verwendet werden.For example, the power semiconductor component described below can be a component that is designed to be used as a power component in a low, medium and / or high voltage application. For example, the term “power semiconductor device” as used in the present specification is not intended to refer to logic semiconductor devices used, for example, for storing data, processing data and / or for other types of semiconductor-based data processing.

1 zeigt schematisch und exemplarisch einen Schaltungsaufbau eines Schaltnetzteils 200 mit einem Controller 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 1 shows schematically and exemplarily a circuit structure of a switching power supply 200 with a controller 100 according to one or more embodiments.

Das Schaltnetzteil 200 ist beispielsweise als ein Sperrwandler (engl.: Flyback Converter) ausgeführt. Daher wird vorliegend auch vom dem Sperrwandler 200 gesprochen.The switching power supply 200 is designed, for example, as a flyback converter. Therefore, the flyback converter is also used in the present case 200 spoken.

Das Schaltnetzteil 200 weist eine Primärseite 210 und eine Sekundärseite 220 auf. Die Primärseite 210 des Schaltnetzteils 200 kann galvanisch von der Sekundärseite 220 getrennt sein, beispielsweise durch einen Transformator 230.The switching power supply 200 has a primary side 210 and a secondary side 220 on. The primary side 210 of the switching power supply 200 can galvanically from the secondary side 220 be separated, for example by a transformer 230 ,

Über die Primärseite 210 empfängt das Schaltnetzteil 200 eine Eingangsleistung, beispielsweise eine Eingangsspannung U1 . Die Eingangsspannung U1 kann eine Wechselspannung sein, die beispielsweise zwischen zwei Eingangsanschlüssen 2101 und 2102 abfällt. Die Eingangsspannung U1 ist einem Kondensator 211 zugeführt, und sodann über einen Filter-Transformator 212 einem Gleichrichter 213. Der Gleichrichter 213 kann zum Beispiel als ein Diodengleichrichter (wie veranschaulicht) ausgeführt sein, und einen Kondensator 2135 sowie die Dioden 2131 bis 2134 aufweisen. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters 213 ist einem Speicherkondensator (oder Glättungskondensator) 214 zugeführt. Die Ausgangsspannung dieses Kondensators 214 stellt die Eingangsspannung für den aktiven Teil des Schaltnetzteils 200 dar. Via the primary side 210 receives the switching power supply 200 an input power, for example an input voltage U 1 , The input voltage U 1 can be an AC voltage, for example, between two input connections 2101 and 2102 drops. The input voltage U 1 is a capacitor 211 fed, and then through a filter transformer 212 a rectifier 213 , The rectifier 213 For example, can be implemented as a diode rectifier (as illustrated) and a capacitor 2135 as well as the diodes 2131 to 2134 exhibit. The output voltage of the rectifier 213 is a storage capacitor (or smoothing capacitor) 214 fed. The output voltage of this capacitor 214 sets the input voltage for the active part of the switching power supply 200 represents.

1 zeigt eine typische Konfiguration eines Sperrwandlers, welcher die Komponentengruppe 218 mit dem Kondensator 2181, den dazu parallel geschalteten Widerstand 2182 sowie die Diode 2183 umfasst. Parallel zu dieser Komponentengruppe 218 ist die Primärseite 231 des Transformators 230 geschaltet, und in Serie zu dieser Parallelschaltung das Schaltelement 215, das z.B. in Gestalt eines MOSFETs ausgebildet ist. 1 shows a typical configuration of a flyback converter which is the component group 218 with the capacitor 2181 , the resistor connected in parallel 2182 as well as the diode 2183 includes. Parallel to this component group 218 is the primary side 231 of the transformer 230 switched, and the switching element in series with this parallel connection 215 , which is designed, for example, in the form of a MOSFET.

Zur Steuerung des Betriebs des Schaltelements 215 ist ein Controller 100 vorgesehen, der dem Schaltelement 215 am Steuersignalanschluss 2153 (z.B. ein Gate-Anschluss) ein Steuersignal GD (z.B. ein Gate-Signal) zuführt. Dazu ist ein entsprechender Signalpfad zwischen dem Steuersignalanschluss 2153 des Schaltelements 215 und einem Steuersignalausgang 102 des Controllers 100 vorgesehen. Je nach Schaltzustand des Schaltelements 215 ergibt sich ein entsprechender Stromfluss in der Parallelschaltung aus Komponentengruppe 218 und der Primärseite 231. Eine Sekundärseite 232 des Transformators 230 gibt einen Ausgangsstrom aus, der aufgrund der Diode 221 und des Kondensators 222 in einer Ausgangsleistung U2 , beispielsweise einer Gleichspannung, resultiert, wobei der Kondensator 222 auf die sekundärseitige Masse 223 geschaltet ist.To control the operation of the switching element 215 is a controller 100 provided the switching element 215 at the control signal connection 2153 (eg a gate connection) supplies a control signal GD (eg a gate signal). For this there is a corresponding signal path between the control signal connection 2153 of the switching element 215 and a control signal output 102 of the controller 100 intended. Depending on the switching state of the switching element 215 there is a corresponding current flow in the parallel connection from the component group 218 and the primary side 231 , A secondary page 232 of the transformer 230 outputs an output current due to the diode 221 and the capacitor 222 in an output power U 2 , for example a DC voltage, the capacitor 222 to the secondary mass 223 is switched.

Der Controller 100, der über einen Anschluss 101 (GND) auf die primärseitige Masse 219 geschaltet ist, beeinflusst durch Steuerung des Schaltelements 215 die Transformation von Leistung aus der Eingangsspannung U1 in die Leistung der Ausgangsspannung U2 . Zum Beispiel ist der Controller 100 ausgebildet, eine Schaltfrequenz und/oder einen Tastgrad (relative Einschaltdauer) des Steuersignals GD zu variieren, um den Leistungstransfer zu beeinflussen. Zum Beispiel umfasst der Controller 100 eine erste Controller-Subeinheit (beispielsweise softwaremäßig implementiert, in den Zeichnungen nicht dargestellt), die ausgebildet ist, zur Regelung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von einem gemessenen Signal (CS, ZCD) einen offenen Regelkreis auszuführen, wobei das gemessene Signal von einer auf Basis des Regelkreises zu regelnde Größe abhängt. Diese zu regelnde Größe kann zum Beispiel das Steuersignal GD sein.The controller 100 that has a connector 101 ( GND ) on the primary mass 219 is switched, influenced by control of the switching element 215 the transformation of power from the input voltage U 1 in the power of the output voltage U 2 , For example, the controller 100 trained, a switching frequency and / or a duty cycle (relative duty cycle) of the control signal DG to vary to affect the transfer of power. For example, the controller includes 100 a first controller subunit (implemented in software, for example, not shown in the drawings), which is designed to regulate the output power as a function of a measured signal ( CS . ZCD ) execute an open control loop, the measured signal depending on a variable to be controlled on the basis of the control loop. This variable to be controlled can be, for example, the control signal DG his.

Das gemessene Signal kann ein Stromsignal CS beinhalten, welches beispielsweise indikativ für die Amplitude des zwischen den beiden Lastanschlüssen (z.B. Source und Drain) 2151 und 2152 des Schaltelements 215 fließenden Stroms ist. Zur Erfassung dieses Stromsignals CS kann zum Beispiel ein Messwiderstand 217 vorgesehen sein, der zwischen Masse 219 und Lastanschluss 2152 (beispielsweise der Source-Anschluss) geschaltet ist. Das Stromsignal CS kann dem Controller 100 über einen ersten Messsignaleingang 103 zugeführt sein.The measured signal can be a current signal CS which, for example, is indicative of the amplitude of the between the two load connections (e.g. source and drain) 2151 and 2152 of the switching element 215 flowing current. To detect this current signal CS can, for example, a measuring resistor 217 be provided between ground 219 and load connection 2152 (for example the source connection) is switched. The current signal CS can the controller 100 via a first measurement signal input 103 be fed.

Das gemessene Signal kann zusätzlich oder alternativ ein Zeitsignal ZCD beinhalten, welches einen geeigneten Zeitpunkt für einen Schaltvorgang des Schaltelements 215 angibt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Zeitsignal ZCD um das im Zusammenhang mit Sperrwandlern bekannte Zero-Current-Detection Signal. Zur Erzeugung dieses Zeitsignals ZCD kann das Schaltnetzteil 200 eine weitere Komponentengruppe 216 umfassen, die einer an den Transformator 212 gekoppelte Spule 2161 aufweist, sowie die beiden Widerstände 2162 und 2163, wie schematisch in der 1 veranschaulicht ist. Das Zeitsignal ZCD kann dem Controller 100 über einen zweiten Messsignaleingang 104 zugeführt sein.The measured signal can additionally or alternatively be a time signal ZCD include, which is a suitable time for a switching operation of the switching element 215 indicates. For example, it is the time signal ZCD around the zero current detection signal known in connection with flyback converters. To generate this time signal ZCD can the switching power supply 200 another component group 216 include one on the transformer 212 coupled coil 2161 has, as well as the two resistors 2162 and 2163 , as schematically in the 1 is illustrated. The time signal ZCD can the controller 100 via a second measurement signal input 104 be fed.

Die grundsätzliche Funktionsweise sowie der grundsätzliche Aufbau eines Sperrwandlers sind dem Fachmann bekannt, und vorliegend wird von diesen grundsätzlichen Eigenschaften eines Sperrwandlers nicht abgewichen, so dass auf weitergehende Erläuterungen des Schaltnetzteils 200 der beispielhaften Implementierung eines Sperrwandlers hier nicht weiter eingegangen wird.The basic mode of operation and the basic structure of a flyback converter are known to the person skilled in the art, and there are no deviations from these basic properties of a flyback converter in the present case, so that further explanations of the switched-mode power supply are given 200 the exemplary implementation of a flyback converter is not discussed further here.

Nach einer Ausführungsform ist der Controller 100 an die Primärseite 210 des Schaltnetzteils 200 gekoppelt. Das Schaltnetzteil 200 wird bei dieser Ausführungsform also an seiner Primärseite 210 geregelt, und nicht seiner Sekundärseite 220. Dies äußert sich z.B. darin, dass das gemessene Signal oder die gemessene Signale, z.B. das Zeitsignal ZCD sowie das Stromsignal CS, der Primärseite 210 entnommen sind, und dass die zu regelnde Größe, z.B. das Steuersignal GD, der Primärseite 210 zugeführt ist.In one embodiment, the controller 100 to the primary side 210 of the switching power supply 200 coupled. The switching power supply 200 is in this embodiment on its primary side 210 regulated, and not its secondary side 220 , This manifests itself, for example, in the fact that the measured signal or the measured signals, for example the time signal ZCD as well as the current signal CS , the primary side 210 are taken, and that the variable to be controlled, such as the control signal DG , the primary side 210 is fed.

Wie gesagt kann also der Controller 100 eine erste Controller-Subeinheit umfassen, die ausgebildet ist zum Ausführen des offenen Regelkreises zur Regelung der Ausgangsleistung (z.B. die Ausgangsspannung U2 ) in Abhängigkeit von einem gemessenen Signal (z.B. wenigstens eines der Signal CS und ZCD), wobei das gemessene Signal von einer auf Basis des Regelkreises zu regelnden Größe abhängt. Zu regelnde Größe ist beispielsweise das Steuersignal GD für das Schaltelement 215. Der offene Regelkreis kann im Controller 100 integriert sein, beispielsweise durch einen Software-Code, der in einem Speicher (nicht dargestellt) des Controller 100 hinterlegt ist.As I said, the controller can 100 comprise a first controller subunit which is designed to execute the open control loop for controlling the output power (for example the output voltage U 2 ) depending on a measured signal (e.g. at least one of the signals CS and ZCD ), the measured signal from one to Base of the control loop depends on the size to be controlled. The variable to be controlled is, for example, the control signal DG for the switching element 215 , The open control loop can be in the controller 100 be integrated, for example by a software code that is in a memory (not shown) of the controller 100 is deposited.

Aspekte der vorliegenden Schrift betreffen die messtechnische Ermittlung der Kleinsignaltransferfunktion des offenen Regelkreises, die der Controller 100 mittels seiner ersten Controller-Subeinheit ausführt, um die Ausgangsleistung in Abhängigkeit von dem gemessenen Signal zu regeln, wobei das gemessene Signal von der auf Basis des Regelkreises zu regelnden Größe abhängt.Aspects of this document relate to the metrological determination of the small signal transfer function of the open control loop, that of the controller 100 by means of its first controller subunit in order to regulate the output power as a function of the measured signal, the measured signal depending on the variable to be regulated on the basis of the control loop.

Die Ermittlung der Kleinsignaltransferfunktion kann beispielsweise zweckmäßig sein, um die Stabilität des offenen Regelkreises zu prüfen bzw. zu verifizieren. Ebenso kann die Ermittlung der Kleinsignaltransferfunktion zweckmäßig sein, um den offenen Regelkreis hinsichtlich wenigstens eines Regelparameters zu optimieren.The determination of the small signal transfer function can be expedient, for example, in order to check or verify the stability of the open control loop. The determination of the small signal transfer function can also be expedient in order to optimize the open control loop with regard to at least one control parameter.

Bei Schaltnetzteilen, die über einen Controller an der Sekundärseite geregelt werden, ist die Ermittlung der Kleinsignaltransferfunktion und damit die Verifizierung des offenen Regelkreises üblicherweise unproblematisch. Bei sekundärseitig geregelten Schaltnetzteilen wird z.B. der zu regelnde Wert auf der Sekundärseite mit einer Referenz verglichen. Das Vergleichsergebnis wird beispielsweise von einem Pl-Regler auf Sekundärseite verarbeitet. Das Ausgangssignal des Reglers wird dann z.B. über einen Opto-Koppler auf die Primärseite transferiert, um dort das GD-Signal zu beeinflussen. Auf Grund der dazu notwendigen Komponenten der Signalverarbeitungskette ist es vergleichsweise einfach, in diese Kette ein Störsignal einzubringen und die Reaktion des Systems zu messen. Da diese Funktonalität bei einem primärseitig geregelten Controller komplett integriert sein kann, fehlt ein geeigneter Zugang zur Beeinflussung und Messung.In the case of switched-mode power supplies which are controlled by a controller on the secondary side, the determination of the small signal transfer function and thus the verification of the open control loop are usually unproblematic. In the case of switching power supplies regulated on the secondary side, e.g. the value to be controlled is compared on the secondary side with a reference. The comparison result is processed, for example, by a PI controller on the secondary side. The output signal of the controller is then e.g. transferred to the primary side via an opto-coupler in order to influence the GD signal there. Due to the necessary components of the signal processing chain, it is comparatively easy to introduce an interference signal into this chain and to measure the reaction of the system. Since this functionality can be fully integrated in a controller controlled on the primary side, there is no suitable access for influencing and measuring.

Im Vergleich zu sekundärseitig geregelten Schaltnetzteilen ist die Ermittlung der Kleinsignaltransferfunktion bei Schaltnetzteilen, die über einen Controller an der Primärseite geregelt werden, also eher problematisch. Zum Beispiel erfordert die Verifizierung der Stabilität des Regelkreises aufwendige Messungen und Optimierungen von Übertragungsfunktionen. Gleichzeitig ist diese Art der Verifizierung der Stabilität des Regelkreises aufwendig und ungenau.Compared to switched-mode power supplies regulated on the secondary side, the determination of the small signal transfer function in switched-mode power supplies that are controlled by a controller on the primary side is therefore rather problematic. For example, verifying the stability of the control loop requires complex measurements and optimization of transfer functions. At the same time, this type of verification of the stability of the control loop is complex and imprecise.

Vorliegend wird eine verfahrenstechnische und/oder controllertechnisch umzusetzende Möglichkeit zum Messen und zur selbständigen Optimierung der Kleinsignaltransferfunktion des offenen Regelkreises vorgeschlagen.In the present case, a possibility to measure and / or independently optimize the small signal transfer function of the open control loop is proposed in terms of process engineering and / or controller technology.

Dazu umfasst der Controller 100 beispielsweise eine zweite Controller-Subeinheit (nicht dargestellt). Die zweite Controller-Subeinheit kann ebenfalls in dem Controller 100 integriert sein, beispielsweise in einen integrierten Schaltkreis (IC) des Controllers 100, wobei der Controller 100 insbesondere auf der Primärseite 210 des Schaltnetzteils 200 eingesetzt werden kann, also zur primärseitigen Regelung des Schaltnetzteils 200. Die beiden Controller-Subeinheiten können jeweils als ein Software-Code implementiert sein, die beispielsweise beide von dem Controller 100 in einen gemeinsamen oder in separaten integrierten Schaltkreisen (IC) vorgehalten werden.To do this, the controller includes 100 for example a second controller subunit (not shown). The second controller subunit can also be in the controller 100 be integrated, for example in an integrated circuit (IC) of the controller 100 , the controller 100 especially on the primary side 210 of the switching power supply 200 can be used, i.e. for primary control of the switching power supply 200 , The two controller subunits can each be implemented as software code, both of which are, for example, from the controller 100 be held in a common or in separate integrated circuits (IC).

Die zweite Controller-Subeinheit ist ausgebildet zum Messen der Kleinsignaltransferfunktion des offenen Regelkreises durch Ausführen der folgenden Maßnahmen: Erzeugen eines Testsignals variabler Amplitude und Frequenz; Einspeisen des Testsignals in den offenen Regelkreis durch Addieren des Testsignals auf das gemessene Signal zum Erhalten eines gestörten Signals, welches dem Regelkreis zugeführt ist; und Bestimmen eines Unterschieds zwischen dem gestörten Signal und dem gemessenen Signal.The second controller subunit is designed to measure the small signal transfer function of the open control loop by performing the following measures: generating a test signal of variable amplitude and frequency; Feeding the test signal into the open control loop by adding the test signal to the measured signal to obtain a disturbed signal which is fed to the control loop; and determining a difference between the disturbed signal and the measured signal.

Das Testsignal wird z.B. auf das Stromsignal CS aufaddiert und/oder auf das Zeitsignal ZCD. Zum Beispiel wird bei Regelung der Ausgangsspannung U2 dem ZCD-Signal mittels der zweiten Controller-Subeinheit eine Information über die Ausgangsspannung U2 entnommen. Dieser Information, die dem gemessenen Signal entspricht, wird dann das Testsignal aufaddiert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird bei Regelung des Ausgangsstroms sowohl dem CS-Signal wie auch dem ZCD-Signal eine jeweilige Information entnommen, die eine Berechnung des Ausgangsstroms erlauben. Zum Beispiel wird dann dem Ergebnis dieser Berechnung (welches das gemessene Signal darstellt) das Testsignal aufaddiert.The test signal is based on the current signal, for example CS added up and / or on the time signal ZCD , For example, when regulating the output voltage U 2 the ZCD signal by means of the second controller subunit, information about the output voltage U 2 taken. The test signal is then added to this information, which corresponds to the measured signal. In another exemplary embodiment, when the output current is regulated, information is taken from both the CS signal and the ZCD signal, which allow calculation of the output current. For example, the test signal is then added to the result of this calculation (which represents the measured signal).

An dieser Stelle sei also verdeutlicht, dass das Testsignal nicht vollständig mit dem Stromsignal CS bzw. dem Zeitsignal ZCD überlagert werden muss. Beispielsweise beinhalten die CS bzw. ZCD Signale nicht nur eine Indikation über die zu regelnde Größe, sondern auch noch weitere Informationen. Z.B. wird das Testsignal nicht dem vom Controller empfangenen Stromsignal CS bzw. Zeitsignal ZCD direkt aufaddiert, sondern zu einer Information, die aus dem empfangenen Signal entnommen worden ist.At this point it should be made clear that the test signal is not completely with the current signal CS or the time signal ZCD must be overlaid. For example, the include CS respectively. ZCD Signals not only an indication of the size to be controlled, but also other information. For example, the test signal does not become the current signal received by the controller CS or time signal ZCD added directly, but to information that has been taken from the received signal.

Die zweite Controller-Subeinheit kann z.B. ausgebildet sein, das Stromsignal CS und/oder das Zeitsignal ZCD zu empfangen und vor Vornahme der Addition auszuwerten, beispielsweise dahingehend, dass anhand des empfangenen Signals die zu regelnde Größe berechnet wird. Für diese Berechnung kann z.B. eine Signalverarbeitungseinheit vorgesehen sein. Auf das Berechnungsergebnis, also das gemessene Signal, wird dann z.B. das Testsignal addiert.The second controller subunit can be designed, for example, the current signal CS and / or the time signal ZCD to be received and evaluated before the addition is carried out, for example in that the variable to be controlled is calculated on the basis of the received signal. A signal processing unit can be provided for this calculation, for example. The test signal is then added to the calculation result, ie the measured signal.

Beispielsweise enthält bei einer Ausführungsform das ZCD-Signal nur zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Information über die Ausgangsspannung U2 . Nur dem zu diesem Zeitpunkt gemessenen Wert wird das Testsignal aufaddiert. Die Auswertung anderer Informationen des ZCD-Signals sollten nicht durch das Testsignal verändert werden (z.B. Zero-Crossings).For example, in one embodiment, the ZCD signal contains information about the output voltage only at a certain point in time U 2 , The test signal is added only to the value measured at this point in time. The evaluation of other information of the ZCD signal should not be changed by the test signal (eg zero crossings).

Ähnlich enthält bei einer weiteren Ausführungsform z.B. das CS-Signal nur zu einem Zeitpunkt des Schaltzyklus eine Information, die zur Berechnung des Ausgangsstroms verwendet werden kann. Nur diesem Wert wird das Testsignal überlagert, nicht dem kompletten CS-Signal.Similarly, in another embodiment, e.g. the CS signal only at one point in the switching cycle is information that can be used to calculate the output current. Only this value is superimposed on the test signal, not the complete CS signal.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt also die Addition zwischen Testsignal und gemessenem Signal (z.B. dem aus dem Stromsignal CS bzw. dem Zeitsignal ZCD abgeleiteten Teil) innerhalb des Controllers 100.According to one embodiment, the addition between the test signal and the measured signal (for example the part derived from the current signal CS or the time signal ZCD) takes place within the controller 100 ,

Die zweite Controller-Subeinheit ist beispielsweise ausgebildet zum Messen der Kleinsignaltransferfunktion des offenen Regelkreises durch Bestimmen der Phase P und Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion, was weiter unten mit Bezug auf die 2 und 3 noch näher erläutert werden wird.The second controller subunit is designed, for example, to measure the small signal transfer function of the open control loop by determining the phase P and reinforcement G the small signal transfer function, which is described below with reference to the 2 and 3 will be explained in more detail.

Das Bestimmen des Unterschieds zwischen dem gestörten Signal und dem gemessenen Signal umfasst beispielsweise das Bestimmen einer Phasendifferenz und einer Amplitudendifferenz, was anhand des nachstehenden Beispiels beschrieben wird:The determination of the difference between the disturbed signal and the measured signal includes, for example, the determination of a phase difference and an amplitude difference, which is described using the example below:

Beispielsweise erfolgt in einem ersten Schritt das Bestimmen eines ersten komplexen Zeigers (Yr , Yi ) durch Korrelation des Testsignals und des um 90° verschobenen Testsignals mit dem gemessenen Signal, sowie das Bestimmen eines zweiten komplexen Zeigers (Ur , Ui ) durch Korrelation des Testsignals und des um 90° verschobenen Testsignals mit dem gestörten Signal. Diese vier Schritte können mathematisch wie folgt ausgedrückt werden: Y r = N y ( n ) r e a l ( s ( n ) )

Figure DE102018120821A1_0001
Y i = N y ( n ) i m a g ( s ( n ) )
Figure DE102018120821A1_0002
U r = N u ( n ) r e a l ( s ( n ) )
Figure DE102018120821A1_0003
U i = N u ( n ) i m a g ( s ( n ) )
Figure DE102018120821A1_0004
For example, in a first step, a first complex pointer is determined ( Y r . Y i ) by correlating the test signal and the test signal shifted by 90 ° with the measured signal, and determining a second complex pointer ( U r . U i ) by correlating the test signal and the test signal shifted by 90 ° with the disturbed signal. These four steps can be expressed mathematically as follows: Y r = Σ N y ( n ) r e a l ( s ( n ) )
Figure DE102018120821A1_0001
Y i = Σ N y ( n ) i m a G ( s ( n ) )
Figure DE102018120821A1_0002
U r = Σ N u ( n ) r e a l ( s ( n ) )
Figure DE102018120821A1_0003
U i = Σ N u ( n ) i m a G ( s ( n ) )
Figure DE102018120821A1_0004

Dabei gibt y(n) das gemessene Signal an (z.B. eines der oben genannten Signale CS oder ZCD), und s(n) das Testsignal und u(n) das gestörte Signal.Here y (n) specifies the measured signal (eg one of the signals mentioned above CS or ZCD ), and s (n) the test signal and U.N) the disturbed signal.

Der Parameter real (s(n)) steht für den Realteil des Testsignals s(n), und korrespondierend der Parameter imag (s(n)) für den Imaginärteil des Testsignals s(n). Somit ergibt sich bei entsprechender Aufsummierung über N Abtastwerteergeben sich so die beiden komplexen Zeiger Y und U, die die entsprechenden Realteile Yr und Ur sowie die entsprechenden Imaginärteile Yi und Ui aufweisen. Die Korrelation kann zu beliebigen Zeitpunkten n starten. N deckt gemäß einer Ausführungsform mehrere Perioden des Testsignals ab und liegt z.B. in der Größenordnung von mehreren tausend Abtastwerten.The parameter real ( s (n) ) stands for the real part of the test signal s (n) , and correspondingly the parameter imag ( s (n) ) for the imaginary part of the test signal s (n) , With a corresponding summation, this results in N The two complex pointers thus result in samples Y and U that have the corresponding real parts Y r and U r as well as the corresponding imaginary parts Y i and U i exhibit. The correlation can start at any time n. N According to one embodiment, covers several periods of the test signal and is, for example, in the order of several thousand samples.

Die Ermittlung eines Korrelationsergebnisses mit Hilfe von einem komplexen Signals ist dem Fachmann z.B. als Fourieranalyse bekannt. Allerdings ist hier nicht unbedingt eine komplette Fourieranalyse notwendig, sondern nur eine Auswertung der Amplituden und Phasenlage bei einzelnen Frequenzen, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.The determination of a correlation result with the aid of a complex signal is known to the person skilled in the art e.g. known as Fourier analysis. However, a complete Fourier analysis is not absolutely necessary here, but only an evaluation of the amplitudes and phase position at individual frequencies, in accordance with one or more embodiments.

Der erste komplexe Zeiger Y repräsentiert zum Beispiel die relative Verstärkung und Phase des gemessenen Signals y(n) bezogen auf das Testsignal s(n).The first complex pointer Y represents, for example, the relative gain and phase of the measured signal y (n) related to the test signal s (n) ,

Der zweite komplexe Zeiger U repräsentiert zum Beispiel die relative Verstärkung und Phase des gestörten Signals u(n) bezogen auf das Testsignal s(n).The second complex pointer U represents, for example, the relative gain and phase of the disturbed signal U.N) related to the test signal s (n) ,

Das Verhältnis der beiden komplexen Zeiger Y und U ist somit repräsentativ für den Phasen- und Amplitudenunterschied zwischen dem gemessenen Signal y(n) und dem gestörten Signal u(n).The ratio of the two complex pointers Y and U is therefore representative of the phase and amplitude difference between the measured signal y (n) and the disturbed signal U.N) ,

Die zweite Controller-Subeinheit des Controllers 100 misst die Kleinsignaltransferfunktion z.B. durch Bestimmen der Amplituden- und Phasendifferenz der beiden komplexen Zeiger (Yr , Yi ; Ur , Ui ). An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass zumindest gemäß einigen Ausführungsformen zur Messung der Kleinsignaltransferfunktion eine vollständige Hin- und Rücktransformation in/aus dem kompletten Frequenzraum somit nicht zwingend notwendig ist.The second controller subunit of the controller 100 measures the small signal transfer function e.g. by determining the amplitude and phase difference of the two complex pointers ( Y r . Y i ; U r . U i ). At this point, it should be pointed out that at least according to some embodiments for measuring the small signal transfer function, a complete back and forth transformation into / out of the complete frequency space is therefore not absolutely necessary.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Controller-Subeinheit ausgebildet, die Kleinsignaltransferfunktion für eine Vielzahl verschiedener Frequenzen des Testsignals zu messen. Bezugnehmend auf die 2 kann die zweite Controller-Subeinheit beispielsweise ausgebildet sein, zu bestimmen, bei welcher Frequenz fD des Testsignals s(n) die Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion 0 dB beträgt. According to a further embodiment, the second controller subunit is designed to measure the small signal transfer function for a multiplicity of different frequencies of the test signal. Referring to the 2 For example, the second controller subunit can be designed to determine at which frequency f D of the test signal s (n) the reinforcement G the small signal transfer function is 0 dB.

Zum Beispiel ist die Frequenz des Testsignals s(n) innerhalb eines durch einen minimalen Frequenzwert fL und einen maximalen Frequenzwert fH definierten Frequenzbands variabel.For example, the frequency of the test signal s (n ) within a minimum frequency value f L and a maximum frequency value f H defined frequency band variable.

Eine erste Messung der Kleinsignaltransferfunktion erfolgt z.B. durch Einspeisen des Testsignals s(n) mit einer ersten Zwischenfrequenz fM , die zwischen dem minimalen Frequenzwert fL und dem maximalen Frequenzwert fH liegt.A first measurement of the small signal transfer function takes place, for example, by feeding in the test signal s (n) at a first intermediate frequency f M that between the minimum frequency value f L and the maximum frequency value f H lies.

Bei Schaltnetzteilen liegt die Regelbandbreite typischerweise zwischen einigen Hz und einigen kHz und hängt von der Applikation ab: Wenn z.B. eine Konverterstufe eine eingangsseitige PFC (Power Factor Correction)-Funktionalität bereitstellt, dann liegt die Bandbreite typischerweise bei wenigen Hz bis hin zu 100 Hz. Wenn ein Konverter schnell auf Laständerungen am Ausgang reagieren soll, dann liegt die Bandbreite typischerweise im Bereich 200 Hz bis 10 kHz.With switching power supplies, the control bandwidth is typically between a few Hz and a few kHz and depends on the application: If a converter stage provides PFC (Power Factor Correction) functionality on the input side, the bandwidth is typically a few Hz up to 100 Hz. If a converter is to react quickly to load changes at the output, the bandwidth is typically in the range of 200 Hz to 10 kHz.

Die Aktualisierungsrate liegt gemäß einem Ausführungsbeispiel beispielsweise in der Größenordnung der Schaltfrequenz (z.B. bis 20 kHz). Damit lassen sich Testsignale kleiner Frequenzen mit hoher Auflösung generieren. Mit größeren Frequenzen (>1 kHz) nimmt die Frequenzauflösung eher ab.According to one embodiment, the update rate is, for example, in the order of the switching frequency (e.g. up to 20 kHz). This enables test signals of low frequencies to be generated with high resolution. With higher frequencies (> 1 kHz) the frequency resolution tends to decrease.

Eine nachfolgende Messung der Kleinsignaltransferfunktion erfolgt z.B. durch Einspeisen des Testsignals mit einer zweiten Zwischenfrequenz, die kleiner als die erste Zwischenfrequenz fM ist, wenn die für die erste Zwischenfrequenz fM bestimmte Verstärkung kleiner als 0 dB ist, und die größer als die erste Zwischenfrequenz fM ist, wenn die für die erste Zwischenfrequenz fM bestimmte Verstärkung größer als 0 dB ist. Zum Beispiel hängt die Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion in einer Weise von der Frequenz F ab, wie in 2 exemplarisch veranschaulicht ist. Zum Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion mit zunehmender Frequenz F abnimmt, wobei dieser Abhängigkeit nicht zwingend linear sein muss, wie in 2 veranschaulicht.A subsequent measurement of the small signal transfer function is carried out, for example, by feeding the test signal with a second intermediate frequency that is lower than the first intermediate frequency f M is when for the first intermediate frequency f M certain gain is less than 0 dB and greater than the first intermediate frequency f M is when for the first intermediate frequency f M certain gain is greater than 0 dB. For example, the gain depends G the small signal transfer function in a manner of frequency F as in 2 is exemplarily illustrated. For example, it is assumed that the gain G the small signal transfer function with increasing frequency F decreases, although this dependency need not be linear, as in 2 illustrated.

Die Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion beträgt 0 dB (also 1), wenn das nachstehende Kriterium erfüllt ist: Y r 2 + Y i 2 = U r 2 + U i 2

Figure DE102018120821A1_0005
The reinforcement G the small signal transfer function is 0 dB (i.e. 1) if the following criterion is met: Y r 2 + Y i 2 = U r 2 + U i 2
Figure DE102018120821A1_0005

Das Bestimmen, bei welcher Frequenz fD des Testsignals die Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion 0 dB beträgt, kann also iterativ erfolgen. Abhängig davon, ob der Ausdruck Yr 2 + Yi 2 oder kleiner ist als der Ausdruck Ur 2 + Ui 2 (also abhängig davon, ob die Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion größer oder kleiner ist als 1), wird die betreffende Frequenz, bei der die Messung durchgeführt worden ist, als neuen minimalen Frequenzwert fL oder als neuen maximalen Frequenzwert fH definiert.Determining at what frequency f D the gain of the test signal G the small signal transfer function is 0 dB, it can be done iteratively. Depending on whether the expression Y r 2 + Y i 2 or less than the expression U r 2 + U i 2 (i.e. depending on whether the gain G If the small signal transfer function is greater or less than 1), the relevant frequency at which the measurement was carried out is the new minimum frequency value f L or as a new maximum frequency value f H Are defined.

Die erste Zwischenfrequenz fM sowie die weiteren Zwischenfrequenzen können auf verschiedene Art und Weise berechnet werden, zum Beispiel als arithmetisches, geometrisches oder harmonisches Mittel zwischen dem minimalen Frequenzwert fL und maximalen Frequenzwert fH . Die jeweils weitere Zwischenfrequenz kann bei anderen Ausführungsformen beispielsweise auch in Abhängigkeit von wenigstens einer der Verstärkungen GL und GH bestimmt werden, die die Kleinsignaltransferfunktion bei den entsprechenden Frequenzen fL und fH aufweist.The first intermediate frequency f M and the other intermediate frequencies can be calculated in various ways, for example as an arithmetic, geometric or harmonic mean between the minimum frequency value f L and maximum frequency value f H , The respective further intermediate frequency can, for example, also depend on at least one of the gains in other embodiments G L and G H be determined, the small signal transfer function at the corresponding frequencies f L and f H having.

Wie in 3 (B) dargestellt, nimmt nicht nur typischerweise die Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion mit zunehmender Frequenz F ab (s. 3 (A) und 2), sondern auch die Phase P der Kleinsignaltransferfunktion.As in 3 (B) not only typically takes gain G the small signal transfer function with increasing frequency F Section. 3 (A) and 2 ), but also the phase P the small signal transfer function.

Es kann gewünscht sein, dass die Phase P der Kleinsignaltransferfunktion bei jener Frequenz fD , bei der die Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion etwa 1 (0 dB) beträgt (Yr 2 + Yi 2 = Ur 2 + Ui 2), innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt, beispielsweise im Bereich von 30° bis 60°. Beispielsweise kann bei Einhaltung solcher Bedingungen davon gesprochen werden, dass der offene Regelkreis eine hinreichende Stabilität aufweist, gemäß der unerwünschte Oszillationen Überschwinger bei der Regelung der Ausgangsleistung vermieden werden.It may be desirable that the phase P the small signal transfer function at that frequency f D where the gain G the small signal transfer function is approximately 1 (0 dB) (Y r 2 + Y i 2 = U r 2 + U i 2 ), is within a certain range, for example in the range from 30 ° to 60 °. For example, if such conditions are met, it can be said that the open control loop has sufficient stability, according to which undesired oscillations are avoided overshoots when regulating the output power.

Ergeben beispielsweise die Messungen, dass die Phase P der Kleinsignaltransferfunktion bei der Frequenz fD nicht im gewünschten Bereich liegt, so kann der Controller 100 beispielsweise ausgebildet sein, einen oder mehrere Parameter des offenen Regelkreises selbständig zu modifizieren. Nach Modifikation kann die oben beschriebene Messung der Kleinsignaltransferfunktion erneut erfolgen, bis die Phase P der Kleinsignaltransferfunktion bei der Frequenz fD im gewünschten Bereich liegt.For example, the measurements indicate that the phase P the small signal transfer function at frequency f D is not in the desired range, the controller can 100 For example, be configured to independently modify one or more parameters of the open control loop. After modification, the measurement of the small signal transfer function described above can be carried out again until the phase P the small signal transfer function at frequency f D is in the desired range.

Gemäß einer Ausführungsform des Controllers 100 ist die erste Controller-Subeinheit ausgebildet, in Abhängigkeit von der Messung der Kleinsignaltransferfunktion durch die zweite Controller-Subeinheit den offenen Regelkreis automatisch hinsichtlich wenigstens eines Parameters zu modifizieren. Die zweite Controller-Subeinheit kann ausgebildet sein, nach Modifikation des offenen Regelkreises die erneute Messung der Kleinsignaltransferfunktion automatisch einzuleiten. Dies ist schematisch in der 3 angedeutet, wo hinsichtlich einer ersten Einstellung des wenigstens eines Parameters des offenen Regelkreises (Messpunkt 1) bei der Frequenz f1 , die zu einer Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion von 1 führt, sich eine Phase P1 ergibt, die beispielsweise außerhalb des gewünschten Bereichs liegt. Der offene Regelkreis wird hinsichtlich des wenigstens einen Parameters modifiziert (Messpunkt 2). Dann führt die Frequenz f2 zu einer Verstärkung G der Kleinsignaltransferfunktion von 1, und die Phase beträgt P2, die möglicherweise schon innerhalb des gewünschten Bereichs liegt.According to one embodiment of the controller 100 the first controller subunit is designed to automatically modify the open control loop with respect to at least one parameter as a function of the measurement of the small signal transfer function by the second controller subunit. The second controller subunit can be designed to automatically initiate the renewed measurement of the small signal transfer function after modification of the open control loop. This is shown schematically in the 3 indicated where with regard to a first setting of the at least one parameter of the open control loop (measuring point 1 ) at the frequency f 1 leading to reinforcement G 1, there is a phase P 1 results, which is outside the desired range, for example. The open control loop is modified with regard to the at least one parameter (measuring point 2 ). Then the frequency leads f2 to a reinforcement G the small signal transfer function of 1 , and the phase is P2 that may already be within the desired range.

Nachdem der Controller 100 dann hinsichtlich des Phasenbereichs des offenen Regelkreises optimiert worden ist, kann optional eine weitere Optimierung hinsichtlich der Bandbreite erfolgen, wobei dabei sichergestellt werden sollte, dass die Phase P bei der Frequenz, die zu einer Verstärkung von 1 führt, im gewünschten Bereich bleibt.After the controller 100 then has been optimized with regard to the phase range of the open control loop, a further optimization with regard to the bandwidth can optionally take place, it being thereby ensured that the phase P at the frequency that results in a gain of 1 remains in the desired range.

Zusammenfassend kann bei einer Ausführungsform der Controller 100 also ausgebildet sein, eine von dem offenen Regelkreis vorgegebene Reglerfunktion in Abhängigkeit von der ermittelten Phase der Kleinsignaltransferfunktion zu parametrisieren. Die zweite Controller-Subeinheit kann ausgebildet sein, nach der Parametrisierung der Reglerfunktion erneut zu bestimmen, bei welcher Frequenz fD des Testsignals die Verstärkung der Kleinsignaltransferfunktion 0 dB beträgt.In summary, in one embodiment, the controller 100 thus be configured to parameterize a controller function specified by the open control loop as a function of the phase of the small signal transfer function determined. The second controller subunit can be designed to determine again at which frequency after the parameterization of the controller function f D of the test signal the gain of the small signal transfer function is 0 dB.

Der Controller 100 kann außerdem ausgebildet sein, in entweder einem Normal-Modus oder in einem Test-Modus zu operieren, wobei die zweite Controller-Subeinheit nur während des Test-Modus das Testsignal einspeist. Nach der Optimierung des offenen Regelkreises bzw. der durch diesen vorgegebenen Reglerfunktion ist bei im Übrigen gleich bleibenden Bedingungen der Betrieb der zweiten Controller-Subeinheit möglicherweise nicht mehr erforderlich, wenn die Stabilität des offenen Regelkreis verifiziert worden ist.The controller 100 can also be designed to operate in either a normal mode or in a test mode, the second controller subunit feeding the test signal only during the test mode. After the optimization of the open control loop or the control function specified by it, the operation of the second controller subunit may no longer be necessary if the conditions remain the same if the stability of the open control loop has been verified.

Weitere Modifikationen sind denkbar. Zum Beispiel kann bei komplexeren Ausführungsformen vorgesehen sein, dass Gradienten der Phasen in Abhängigkeit der Frequenz bestimmt werden, um Parameter des offenen Regelkreises zu optimieren, welche z.B. sogenannte Randfrequenzen einstellen.Further modifications are conceivable. For example, in more complex embodiments it can be provided that gradients of the phases are determined as a function of frequency in order to optimize parameters of the open control loop, which e.g. Set so-called fringe frequencies.

Die exemplarisch beschriebene Messung der Verstärkung und der Phase können selbstverständlich die Ausführung mathematischer Algorithmen umfassen, wie beispielsweise die diskrete Fouriertransformation (DFT) oder die schnelle Fouriertransformation (FFT).The measurement of the gain and the phase described by way of example can of course include the execution of mathematical algorithms, such as the discrete Fourier transform (DFT) or the fast Fourier transform (FFT).

Vorgeschlagen wird hier nicht nur der Controller 100 für das Schaltnetzteil 200, sondern auch ein Schaltnetzteil, dass ein wie oben beschriebenen Controller 100 aufweist. Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Schrift zum Betreiben eines Schaltnetzteils, wobei das Verfahren entsprechend dem oben geschilderten Betrieb des Controllers 100 entspricht, sodass auf das Vorstehende verwiesen wird.Not only the controller is suggested here 100 for the switching power supply 200 , but also a switching power supply that a controller as described above 100 having. The present document also relates to the operation of a switching power supply, the method corresponding to the operation of the controller described above 100 corresponds so that reference is made to the above.

Die Ausdrücke „mit“, „enthaltend“, „einschließend“, „umfassend“, „aufweisend“ und ähnliche sind offene Ausdrücke, die das Vorhandensein der angeführten Elemente oder Merkmale angeben, zusätzliche Elemente oder Merkmale aber nicht ausschließen.The terms “with”, “containing”, “including”, “comprehensive”, “exhibiting” and similar are open terms which indicate the presence of the elements or features mentioned, but do not exclude additional elements or features.

Unter Berücksichtigung der vorangehenden Breite an Variationen und Anwendungen versteht sich, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorangehende Beschreibung noch durch die zugehörigen Zeichnungen definiert ist. Stattdessen ist die vorliegende Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche und deren rechtliche Äquivalente definiert.With the foregoing breadth of variations and applications in mind, it should be understood that the present invention is not defined by the foregoing description or the accompanying drawings. Instead, the present invention is only defined by the following claims and their legal equivalents.

Claims (15)

Controller (100) für ein Schaltnetzteil (200), welches eine Primärseite (210) und eine Sekundärseite (220) aufweist und ausgebildet ist, eine über die Primärseite (210) empfangene Eingangsleistung (U1) in eine Ausgangsleistung (U2) zu transformieren und über die Sekundärseite (220) bereitzustellen, wobei der Controller (100) umfasst: - eine erste Controller-Subeinheit ausgebildet zum - Ausführen eines offenen Regelkreises zur Regelung der Ausgangsleistung (U2) in Abhängigkeit von einem gemessenen Signal (CS, ZCD), wobei das gemessene Signal (CS, ZCD) von einer auf Basis des Regelkreises zu regelnden Größe (GD) abhängt; - eine zweite Controller-Subeinheit ausgebildet zum Messen der Kleinsignaltransferfunktion des offenen Regelkreises durch: - Erzeugen eines Testsignals variabler Amplitude und Frequenz; - Einspeisen des Testsignals in den offenen Regelkreis durch Addieren des Testsignals auf das gemessene Signal (CS, ZCD) zum Erhalten eines gestörten Signals, welches dem Regelkreis zugeführt ist; - Bestimmen eines Unterschieds zwischen dem gestörten Signal und dem gemessenen Signal (CS, ZCD).Controller (100) for a switching power supply (200), which has a primary side (210) and a secondary side (220) and is designed to transform an input power (U 1 ) received via the primary side (210) into an output power (U 2 ) and to be made available via the secondary side (220), the controller (100) comprising: a first controller subunit designed to execute an open control loop for regulating the output power (U 2 ) as a function of a measured signal (CS, ZCD), wherein the measured signal (CS, ZCD) depends on a variable (GD) to be controlled on the basis of the control loop; a second controller subunit designed to measure the small signal transfer function of the open control loop by: generating a test signal of variable amplitude and frequency; Feeding the test signal into the open control loop by adding the test signal to the measured signal (CS, ZCD) to obtain a disturbed signal which is fed to the control loop; - Determining a difference between the disturbed signal and the measured signal (CS, ZCD). Controller (100) nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Unterschieds zwischen dem gestörten Signal und dem gemessenen Signal (CS, ZCD) das Bestimmen einer Phasendifferenz und einer Amplitudendifferenz umfasst.Controller (100) Claim 1 , wherein determining the difference between the disturbed signal and the measured signal (CS, ZCD) the Determining a phase difference and an amplitude difference. Controller (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Controller-Subeinheit ausgebildet ist zum Messen der Kleinsignaltransferfunktion des offenen Regelkreises durch Bestimmen der Phase und Verstärkung der Kleinsignaltransferfunktion.Controller (100) Claim 1 or 2 , wherein the second controller subunit is designed to measure the small signal transfer function of the open control loop by determining the phase and amplification of the small signal transfer function. Controller (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Unterschieds zwischen dem gestörten Signal und dem gemessenen Signal (CS, ZCD) Folgendes umfasst: - Bestimmen eines ersten komplexen Zeigers (Yr, Yi) durch Korrelation des Testsignals und des um 90° verschobenen Testsignals mit dem gemessenen Signal (CS, ZCD); - Bestimmen eines zweiten komplexen Zeigers (Ur, Ui) durch Korrelation des Testsignals und des um 90° verschobenen Testsignals mit dem gestörten Signal; wobei die zweite Controller-Subeinheit die Kleinsignaltransferfunktion misst durch Bestimmen der Amplituden- und Phasendifferenz der beiden komplexen Zeiger (Yr, Yi; Ur, Ui).Controller (100) according to one of the preceding claims, wherein determining the difference between the disturbed signal and the measured signal (CS, ZCD) comprises: - determining a first complex pointer (Y r , Y i ) by correlating the test signal and the test signal shifted by 90 ° with the measured signal (CS, ZCD); - Determining a second complex pointer (U r , U i ) by correlating the test signal and the test signal shifted by 90 ° with the disturbed signal; the second controller subunit measuring the small signal transfer function by determining the amplitude and phase difference of the two complex pointers (Y r , Y i ; U r , U i ). Controller (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Controller-Subeinheit ausgebildet ist zum Messen der Kleinsignaltransferfunktion für eine Vielzahl verschiedener Frequenzen des Testsignals.Controller (100) according to one of the preceding claims, wherein the second controller subunit is designed to measure the small signal transfer function for a plurality of different frequencies of the test signal. Controller (100) nach Ansprüchen 3 und 5, wobei die zweite Controller-Subeinheit ausgebildet ist zum Bestimmen, bei welcher Frequenz (fD) des Testsignals die Verstärkung der Kleinsignaltransferfunktion 0 dB beträgt.Controller (100) Claims 3 and 5 , wherein the second controller subunit is designed to determine at which frequency (f D ) of the test signal the gain of the small signal transfer function is 0 dB. Controller (100) nach Anspruch 6, wobei die Frequenz des Testsignals innerhalb eines durch einen minimalen Frequenzwert (fL) und einen maximalen Frequenzwert (fH) definierten Frequenzbands variabel ist, und wobei eine erste Messung der Kleinsignaltransferfunktion durch Einspeisen des Testsignals mit einer ersten Zwischenfrequenz (fM) erfolgt, die zwischen dem minimalen Frequenzwert (fL) und dem maximalen Frequenzwert (fH) liegt, und wobei eine nachfolgende Messung der Kleinsignaltransferfunktion erfolgt durch Einspeisen des Testsignals mit einer zweiten Zwischenfrequenz, die kleiner als die erste Zwischenfrequenz (fM) ist, wenn die für die erste Zwischenfrequenz (fM) bestimmte Verstärkung kleiner als 0 dB ist, und die größer als die erste Zwischenfrequenz (fM) ist, wenn die für die erste Zwischenfrequenz (fM) bestimmte Verstärkung größer als 0 dB ist.Controller (100) Claim 6 , the frequency of the test signal being variable within a frequency band defined by a minimum frequency value (f L ) and a maximum frequency value (f H ), and a first measurement of the small signal transfer function being carried out by feeding in the test signal at a first intermediate frequency (f M ), which lies between the minimum frequency value (f L ) and the maximum frequency value (f H ), and where a subsequent measurement of the small signal transfer function is carried out by feeding the test signal with a second intermediate frequency which is smaller than the first intermediate frequency (f M ) if the the gain intended for the first intermediate frequency (f M ) is less than 0 dB, and which is greater than the first intermediate frequency (f M ) if the gain intended for the first intermediate frequency (f M ) is greater than 0 dB. Controller (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die zweite Controller-Subeinheit ausgebildet ist zum Bestimmen der Phase der Kleinsignaltransferfunktion, wenn das Störsignal mit der Frequenz (fD) eingespeist wird, bei der die Verstärkung der Kleinsignaltransferfunktion 0 dB beträgt.Controller (100) Claim 6 or 7 , wherein the second controller subunit is designed to determine the phase of the small signal transfer function when the interference signal is fed at the frequency (f D ) at which the gain of the small signal transfer function is 0 dB. Controller (100) nach Anspruch 8, wobei der Controller (100) ausgebildet ist, eine von dem offenen Regelkreis vorgegebene Reglerfunktion in Abhängigkeit von der ermittelten Phase der Kleinsignaltransferfunktion zu parametrisieren.Controller (100) Claim 8 The controller (100) is designed to parameterize a controller function specified by the open control loop as a function of the determined phase of the small signal transfer function. Controller (100) nach Anspruch 9, wobei die zweite Controller-Subeinheit ausgebildet ist, nach der Parametrisierung der Reglerfunktion erneut zu bestimmen, bei welcher Frequenz (fD) des Testsignals die Verstärkung der Kleinsignaltransferfunktion 0 dB beträgt.Controller (100) Claim 9 , wherein the second controller subunit is designed, after parameterizing the controller function, to determine again at which frequency (f D ) of the test signal the gain of the small signal transfer function is 0 dB. Controller (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter ausgebildet zum Operieren in einem Normal-Modus und in einem Test-Modus, wobei die zweite Controller-Subeinheit während nur während des Test-Modus das Testsignal einspeist.Controller (100) according to one of the preceding claims, further developed for operating in a normal mode and in a test mode, the second controller subunit feeding the test signal only during the test mode. Controller (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Primärseite (210) des Schaltnetzteils (200) von der Sekundärseite (220) galvanisch getrennt ist.Controller (100) according to one of the preceding claims, wherein the primary side (210) of the switching power supply (200) is galvanically isolated from the secondary side (220). Schaltnetzteil (200), wobei das Schaltnetzteil (200) einen Controller (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.Switched-mode power supply (200), wherein the switched-mode power supply (200) comprises a controller (100) according to one of the preceding claims. Schaltnetzteil (200) nach Anspruch 13, wobei das das Schaltnetzteil (200) ein Sperrwandler ist.Switching power supply (200) after Claim 13 , wherein the switching power supply (200) is a flyback converter. Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils (200), welches eine Primärseite (210) und eine Sekundärseite (220) aufweist und ausgebildet ist, eine über die Primärseite (210) empfangene Eingangsleistung (U1) in eine Ausgangsleistung (U2) zu transformieren und über die Sekundärseite (220) bereitzustellen, wobei das Verfahren umfasst: - Ausführen eines offenen Regelkreises zur Regelung der Ausgangsleistung (U2) in Abhängigkeit von einem gemessenen Signal (CS, ZCD), wobei das gemessene Signal (CS, ZCD) von einer auf Basis des Regelkreises zu regelnden Größe (GD) abhängt; und - Messen der Kleinsignaltransferfunktion des offenen Regelkreises durch: - Erzeugen eines Testsignals variabler Amplitude und Frequenz; - Einspeisen des Testsignals in den offenen Regelkreis durch Addieren des Testsignals auf das gemessene Signal (CS, ZCD) zum Erhalten eines gestörten Signals, welches dem Regelkreis zugeführt ist; - Bestimmen eines Unterschieds zwischen dem gestörten Signal und dem gemessenen Signal (CS, ZCD)Method for operating a switching power supply (200), which has a primary side (210) and a secondary side (220) and is designed to transform an input power (U 1 ) received via the primary side (210) into an output power (U 2 ) and via to provide the secondary side (220), the method comprising: - executing an open control loop for regulating the output power (U 2 ) as a function of a measured signal (CS, ZCD), the measured signal (CS, ZCD) being based on one of the control loop variable to be controlled (GD); and - measuring the small signal transfer function of the open control loop by: - generating a test signal of variable amplitude and frequency; Feeding the test signal into the open control loop by adding the test signal to the measured signal (CS, ZCD) to obtain a disturbed signal which is fed to the control loop; - determining a difference between the disturbed signal and the measured signal (CS, ZCD)
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