!HU0000074T2! (19) HU (11) Lajstromszám: E 007 4 (13) T2 MAGYAR KÖZTÁRSASÁG Magyar Szabadalmi Hivatal EURÓPAI SZABADALOM SZÖVEGÉNEK FORDÍTÁSA (21) Magyar ügyszám: E 06 790011 (22) A bejelentés napja: 2006. 08. 28. (96) Az európai bejelentés bejelentési száma: EP 20060790011 (97) Az európai bejelentés közzétételi adatai: EP 183198 A1 2007. 03. 08. (97) Az európai szabadalom megadásának meghirdetési adatai: EP 183198 B1 2009. 10. 07. (1) Int. Cl.: H02M 1/00 (2006.01) H02M 3/16 (2006.01) (87) A nemzetközi közzétételi adatok: WO 0702736 PCT/US 06/033317 (30) Elsõbbségi adatok: 21622 200. 08. 30. US (72) Feltaláló: KRIS, Bryan, Phoenix, AZ 8042 (US) (73) Jogosult: Microchip Technology Incorporated, Chandler, Arizona 8224-6199 (US) (74) Képviselõ: dr. Antalffy-Zsiros András, DANUBIA Szabadalmi és Jogi Iroda Kft., Budapest (4) Impulzusszélesség-modulációs frekvencia dithering jellegû változtatása kapcsolóüzemû tápegységben HU 007 4 T2 A leírás terjedelme 6 oldal (ezen belül 2 lap ábra) Az európai szabadalom ellen, megadásának az Európai Szabadalmi Közlönyben való meghirdetésétõl számított kilenc hónapon belül, felszólalást lehet benyújtani az Európai Szabadalmi Hivatalnál. (Európai Szabadalmi Egyezmény 99. cikk (1)) A fordítást a szabadalmas az 199. évi XXXIII. törvény 84/H. -a szerint nyújtotta be. A fordítás tartalmi helyességét a Magyar Szabadalmi Hivatal nem vizsgálta.
1 HU 007 4 T2 2 10 1 20 2 30 3 40 4 0 60 A jelen leírás egy kiviteli alaknak megfelelõen szabályozott kapcsolóüzemû tápegységekre vonatkozik, részletesebben kapcsolóüzemû tápegységekben az impulzusszélesség-modulációs frekvencia dithering jellegû változtatására. A tápegységgyártóknak különbözõ hatósági (például Federal Communications Comission) és végfelhasználói elektromágneses interferencia (EMI) emissziós követelményeket kell kielégíteniük az általuk gyártott kapcsolóüzemû tápegységek forgalmazása során. Egy kapcsolóüzemû tápegység valamilyen, egy tekercset kívánt árammal töltõ kapcsolóeleme, például teljesítménytranzisztora, nagy teljesítményû térvezérlésû tranzisztora stb. vezérlésére impulzusszélességmodulációt (Puls With Modulation, PWM) alkalmazhat. Minél hosszabb ideig aktív a PWM-jel, annál tovább tart a vezérelt kapcsolóelemen keresztül a tekercs töltése, és annál több áramot képes a kapcsolóüzemû tápegység leadni. Ilyen kapcsolóüzemû tápegységet ismertet például az US 6,317,48 B1 számú szabadalmi dokumentum. A nagyobb kapacitású kapcsolóüzemû tápegységekben a teljesítménytranzisztorok elektromágneses interferenciát (EMI) keltenek. Ezeket a nagy kapacitású kapcsolóüzemû tápegységeket a legszigorúbb EMItesztekkel vizsgálják, amelyek egy bizonyos idõn keresztül egy meghatározott frekvencián a rádiófrekvenciás energia mennyiségének a korlátozására vonatkoznak, és azokat kell teljesíteniük. Ha a kapcsolóüzemû tápegység ezeket az EMI-teszt-követelményeket nem képes teljesíteni, akkor nem hitelesíthetõ és/vagy nem kapja meg a típusengedélyt az illetékes vizsgálószervezettõl és/vagy kormányzati ügynökségtõl. A jelen találmány célja olyan nagy kapacitású kapcsolóüzemû tápegység létrehozása, amelyben meghatározott módon a kívánt idõtartamnál hosszabb ideig korlátozható bármely kiválasztott frekvencián létrejövõ EMI-energia mennyisége. Ezt a célt egy kapcsolóüzemû tápegységgel, valamint az önálló fõigénypontokban definiált berendezéssel és eljárással oldottuk meg a frekvencia dithering jellegû változtatására. A továbbfejlesztéseket az aligénypontokban tüntettük fel. Jelen ismertetés még teljesebben érthetõvé válik a soron következõ leírás és a csatolt rajzok alapján, ahol a rajzokon az 1. ábra egy kapcsolóüzemû tápegységgel táplált elektronikus rendszer elvi tömbvázlata; a 2. ábra egy PWM-frekvenciát dithering jelleggel változtató áramkörrel ellátott kapcsolóüzemû tápegység elvi tömbvázlata; és a 3. ábra a 2. ábra szerinti PWM-frekvenciát dithering jelleggel változtató áramkör még részletesebb elvi tömbvázlata, a jelen leírás egy meghatározott példakénti kiviteli alakja szerint. Bár a jelen kitanítás különbözõképpen módosítható, és alternatív megvalósítások is lehetségesek, az ábrákon néhány konkrét példakénti kiviteli alakot tüntettük fel, amelyeket az alábbiakban részletesebben ismertetünk. Nyilvánvaló azonban, hogy az itt megismerhetõ speciális példakénti kiviteli alakok leírása semmiképpen sem korlátozhatja a leírásból megismerhetõ kitanítás különbözõ megvalósulásait, ellenkezõleg, kitanításunk a csatolt igénypontok által meghatározott összes módosítást és egyenértékû megoldást lefedi. A kapcsolóüzemû tápegységekben a teljesítménytranzisztorok elektromágneses interferenciát (EMI) kelthetnek. Ezért célszerû az EMI korlátozása, hogy eleget tegyünk a végfelhasználói elvárásoknak és a hatósági elõírásoknak. A PWM impulzusszélesség-moduláció dithering jellegû változtatása az EMI¹t széles frekvenciatartományban széthúzza és így csökkenti az EMI-emisszió csúcsértékét bármely kiválasztott frekvencián. Áttérve a rajzra, az ábrákon néhány példakénti kiviteli alak részletét tüntettük fel vázlatosan. Az ábrákon az azonos elemeket azonos hivatkozási számokkal, a hasonló elemeket hasonló számokkal jelöltük, különbözõ kisbetûs indexszel ellátva. Áttérve az 1. ábrára, azon egy kapcsolóüzemû tápegység által táplált elektronikus rendszer vázlatos tömbvázlata látható. Egy általánosságban 100 hivatkozási számmal jelölt elektronikus rendszer olyan tápegységet, például kapcsolóüzemû 102 tápegységet tartalmazhat, amely a 100 elektronikus rendszer 104 elektronikus áramkörei számára biztosítja az üzemi feszültséget és áramot. A kapcsolóüzemû 102 tápegység 106 hálózati feszültséget, például 120 V váltakozó feszültséget vagy 48 V egyenfeszültséget stb. alakít át a 104 elektronikus áramkörök által használt különbözõ szükséges üzemi feszültségekre. Áttérve a 2. ábrára, azon egy olyan kapcsolóüzemû tápegység elvi kapcsolási vázlatát tüntettük fel, amely PWM-frekvenciát dithering jelleggel változtató áramkörrel rendelkezik. A kapcsolóüzemû 102 tápegység egy erõsáramú 210 töltõáramkört, 208 PWM-vezérlõ áramkört, valamint egy 212 PWM-frekvenciát dithering jelleggel változtató áramkört tartalmaz. Az erõsáramú 210 töltõáramkört a 208 PWM-vezérlõ áramkör vezérelheti vagy szabályozhatja. A 212 PWM-frekvenciát dithering jelleggel változtató áramkör a 208 PWM-vezérlõ áramkör PWM-órajel-frekvenciáját változtathatja. A teljesítmény 210 töltõáramkör legalább egy (nem látható) teljesítmény-kapcsolóelemet, például teljesítménytranzisztort, nagy teljesítményû térvezérlési tranzisztort stb. tartalmazhat. Áttérve a 3. ábrára, azon a jelen leírás egy speciális példakénti kiviteli alakja szerint kialakított 212 PWMfrekvenciát dithering jelleggel változtató áramkör elvi tömbvázlatát tüntettük fel. A 212 PWM-frekvenciát dithering jelleggel változtató áramkör 320 periódusregisztert, 322 komparátort és 324 PWM-idõalap-számlálót tartalmazó 326 PWM-idõalap-fokozatot, továbbá egy 330 gördülõszámlálót, 334 változtatható frekvenciájú oszcillátort (VFO), 332 multiplexert, valamint frekvenciaértékeket eltároló 336 frekvenciaregisztereket tartalmazhat. Ezek a frekvenciaértékek felhasználó által specifikált értékek lehetnek. A 320 periódusregiszter 338 kimenetén és a 324 PWM-idõalap-számláló 342 kimenetén megjelenõ értékeket a 322 komparátorral ha- 2
1 HU 007 4 T2 2 sonlíthatjuk össze, és ha azok lényegében egyezõek, akkor a 322 komparátor 340 kimenete a 324 PWM-idõalap-számlálót (annak 346 törlõbemenetén át) alaphelyzetbe állíthatja vissza, és a 330 gördülõszámlálót (annak 328 órajelbemenetén át) eggyel megnövelheti. A 322 komparátor a 324 PWM-idõalap-számláló tartalmát összehasonlíthatja egy olyan PWM-periódus-értékkel, amely a 320 periódusregiszterben tárolható el. A PWM-periódus-érték felhasználó által meghatározott lehet. Ha a 324 PWM-számláló eléri a 320 periódusregiszterben tárolt meghatározott maximális számlálótartalmat, akkor a PWM-periódus befejezõdött, és a 324 PWM-idõalap-számláló alaphelyzetbe áll vissza, és a PWM-ciklus újra elkezdõdhet. A 330 gördülõszámláló a 30 multiplexerbemenetkiválasztó bemeneten át vezérelheti, hogy a 332 multiplexernek mely bemenete kapcsolódjon össze 348 kimenetével. A 30 multiplexerbemenet-kiválasztó bemenet megválasztott értékétõl függõen az egyik kiválasztott 336 frekvenciaregiszterben tárolt frekvenciaértéket a 334 VFO 32 frekvenciabeállító bemenetére vezethetjük. A 332 multiplexer egy kívánt frekvenciaértéket választ ki a 336 frekvenciaregiszterekben tárolt, felhasználó által meghatározható értékek közül. A kiválasztott frekvenciaérték a 334 VFO-ban egy idõzítõelemet vezérelhet, például egy RC oszcillátor áramforrását, egy N osztású fáziszárt hurkot (PLL) stb. A 334 VFO olyan 34 PWM-órajel-kimenetet állíthat elõ, amelynek frekvenciája lényegében a 336 frekvenciaregiszterek közül kiválasztott regiszterbõl származó frekvenciaértéknek felel meg. A 334 VFO ezt az órajelet a 34 PWM-órajel-kimenettõl a 326 PWM-idõalapfokozat 324 PWM-idõalap-számlálójához juttatja. A 34 PWM-órajel-kimenet a 324 PWM-idõalap-számláló tartalmát annak 344 órajelbemenetén keresztül eggyel megnövelheti. A 330 gördülõszámláló minden alkalommal órajelet kaphat (tartalma megnövelhetõ), amikor a 326 PWMidõalap eléri legnagyobb (végsõ) számértékét. Ezért minden egyes PWM-ciklus végén a PWM-órajel frekvenciáját (334 VFO 34 kimenetét) felcseréljük egy a 336 frekvenciaregiszterek egyikében tárolt következõ frekvenciára. A 330 gördülõszámláló egy olyan pszeudo-véletlenszámgenerátort tartalmazhat, amelyben a 330 gördülõszámláló tartalma egy véletlen generált szám lehet a 332 multiplexer 30 multiplexerbemenetkiválasztó bemenetének bittartományán (bitek száma) belül. Ahogy a PWM-órajel-frekvencia (334 VFO 34 kimenete) változik, a (nem látható) kapcsoló teljesítménytranzisztorok által kisugárzott EMI-energia egy adott frekvenciatartományban szétterül. Ez bármely kiválasztott frekvencián csökkenti az EMI-energia idõben átlagát, ily módon lehetõvé teszi az EMI-specifikációk könnyebb teljesítését. Jóllehet a találmány tárgyát egyes kiviteli alakjait rajzoltuk és írtuk le és a példakénti kiviteli alakokra hivatkozva mutattuk be, ezek a hivatkozások sem ténylegesen, sem szándékoltan nem jelentenek a kitanításra semmilyen korlátozást. A találmány bemutatott tárgya 10 1 20 2 30 3 40 4 0 60 jelentõsen módosítható, megváltoztatható, és mind kialakítás, mind funkció tekintetében egyenértékû megoldások hozhatók létre, amint az szakember számára a vonatkozó szakterület és jelen leírás alapján egyértelmûen nyilvánvaló. SZABADALMI IGÉNYPONTOK 1. Kapcsolóüzemû tápegység, impulzusszélességmodulációs (PWM) frekvencia dithering jellegû változtatással, legalább egy teljesítménykapcsoló elemet tartalmazó teljesítménytöltõ áramkörrel (210); a teljesítménytöltõ áramkörhöz (210) kapcsolódó és azt vezérlõ PWM-vezérlõ áramkörrel (208), ahol a PWM-vezérlõ áramkörnek (208) PWM-idõalap-áramköre (326) van, mely utóbbi tartalmaz: egy PWM-periódus-értéket (338) tartalmazó periódusregisztert (320); egy komparátort (322); és egy PWM-számlálót (324), ahol egy, a PWM-számlálóban (324) lévõ PWMszámláló-tartalmat egy változó frekvenciájú PWM-órajel-generátor (34; 214) megnövel, a komparátor (322) a PWM-periódus-értéket (338) a PWM-számláló-értékkel (342) összehasonlítja, és ha a PWM-periódus-érték (338) és a PWM-számláló-érték (342) lényegében megegyezik egymással, a PWMszámláló-tartalmat (342) alaphelyzetbe visszaállítja; továbbá egy PWM-frekvenciát dithering jelleggel változtató áramkört (212), ahol a PWM-frekvenciát dithering jelleggel változtató áramkör (212) egy változtatható frekvenciájú PWM-órajel-generátor (34, 214) frekvenciáját minden egyes frekvenciával (336a, b, c n) azonos értékûre megváltoztatja. 2. Az 1. igénypont szerinti kapcsolóüzemû tápegység, ahol a legalább egy teljesítménykapcsoló elem legalább egy teljesítménytranzisztor. 3. Az 1. igénypont szerinti kapcsolóüzemû tápegység, ahol a legalább egy teljesítménykapcsoló elem legalább egy nagy teljesítményû térvezérlésû tranzisztor. 4. Az elõzõ igénypontok bármelyike szerinti kapcsolóüzemû tápegység, ahol a PWM-frekvencia dithering jelleggel változtató áramkör tartalmaz: egy gördülõszámlálót (330), ahol a gördülõszámláló (330) minden alkalommal megváltoztat egy gördülõszámláló-tartalmat, amikor a komparátor (322) a PWMszámlálóban (324) alaphelyzetbe állítja a PWM-számláló-tartalmat; egy multiplexert (332), amelynek több bemenete és egy kimenete (348) van, ahol a kimenet (348) a gördülõszámláló (330) értéke alapján a multiplexer (332) minden egyes bemenetével összekapcsolódik; és több frekvenciaregisztert (336a n), minden egyes frekvenciaregiszter (336a n) a multiplexer (332) egyegy bemenetére kapcsolódik; ahol a multiplexer (332) kimenete (348) a változó frekvenciájú PWM-órajel-áramkör (334) frekvenciave- 3
1 HU 007 4 T2 2 zérlõ bemenetéhez (32) kapcsolódik oly módon, hogy a frekvenciaregiszterekben (336a n) tárolt frekvenciaértékeket használja a változó frekvenciájú PWM-órajelgenerátor frekvenciájának a meghatározására.. A 4. igénypont szerinti kapcsolóüzemû tápegység, ahol a gördülõszámláló (300) a gördülõszámlálótartalmat egy legnagyobb gördülõszámláló-értékig sorban egymás után megnöveli, majd a gördülõszámlálótartalmat egy legkisebb gördülõszámláló-értékre alaphelyzetbe állítja. 6. A 4. igénypont szerinti kapcsolóüzemû tápegység, ahol a gördülõszámláló értéke véletlenszerûen változik. 7. Az elõzõ igénypontok bármelyike szerinti kapcsolóüzemû tápegység, ahol a változó frekvenciájú PWM-órajel-generátor (334) ellenállás-kapacitás (RC) áramkört tartalmaz. 8. Az 1 6. igénypontok bármelyike szerinti kapcsolóüzemû tápegység, ahol a változó frekvenciájú PWMórajel-generátor (334) N osztású fáziszárt hurkot tartalmaz. 9. Impulzusszélesség-modulációs (PWM) frekvenciát dithering jelleggel változtató berendezés több PWM-órajel-frekvencia vezérlésére, az említett PWMfrekvenciát dithering jelleggel változtató berendezés tartalmaz: egy gördülõszámlálót (330), ahol a gördülõszámláló (330) egy gördülõszámláló-tartalmat megváltoztatóan mûködtethetõ minden alkalommal, amikor egy PWM-számláló-tartalom (342) elér egy PWM-periódustartalmat (338); egy többbemenetû és egykimenetû (348) multiplexert (332), amelynek kimenete (348) a gördülõszámláló tartalma (30) szerint van a multiplexer (332) egyes bemeneteivel összekapcsolva; és a multiplexer (332) egy-egy bemenetéhez kapcsolódó frekvenciaregisztereket (336a n); ahol a multiplexer (332) kimenete egy változtatható frekvenciájú PWM-órajel-generátor (334) frekvenciavezérlõ bemenetéhez (32) kapcsolódik oly módon, hogy 10 1 20 2 30 3 40 a frekvenciaregiszterekben (336a n) tárolt frekvenciaértékeket használja a változó frekvenciájú PWM-órajelfrekvencia (34) meghatározására, ahol a gördülõszámláló (300) a gördülõszámláló-tartalmat egy legnagyobb gördülõszámláló-értékig sorban egymás után megnöveli, majd a gördülõszámláló-tartalmat egy legkisebb gördülõszámláló-értékre alaphelyzetbe állítja, vagy a gördülõszámláló tartalma véletlenszerûen kerül beállításra. 10. Eljárás egy kapcsolóüzemû tápegység impulzusszélesség-modulációs (PWM) órajelfrekvenciájának (34, 214) a dithering jellegû megváltoztatására, mely az alábbi lépéseket tartalmazza: egy PWM-számláló (342) tartalmának inkrementális megnövelését egy PWM-órajel-generátor minden egyes frekvenciaciklusa alapján; a PWM-számláló (342) tartalmának egy periódusértékkel (338) történ összehasonlítását (322) mindaddig, amíg a PWM-számláló (342) értéke lényegében azonossá válik a periódusértékkel (338), azután a PWMszámláló (342) tartalmának alaphelyzetbe állítását; a gördülõszámláló tartalmának (330) megváltoztatását (328) minden egyes alkalommal, amikor a PWMszámláló tartalmát (342) alaphelyzetbe állítjuk; a frekvenciaértékek (336a, b n) közül egy frekvenciaérték kiválasztását (332) a gördülõszámláló tartalma (30) alapján; és a PWM-órajel-generátor (34, 214) frekvenciájának a beállítását (32) a frekvenciaértékek (336a, b, c n) közül kiválasztott frekvenciaérték alapján. 11. A 10. igénypont szerinti eljárás, ahol a gördülõszámláló-érték megváltoztatása tartalmazza a gördülõszámláló-érték egy legnagyobb gördülõszámláló-értékig történõ szekvenciális megnövelését, majd a gördülõszámláló-érték egy legkisebb gördülõszámláló-értékre történõ visszaállítását. 12. A 11. igénypont szerinti kapcsolóüzemû tápegység, ahol a gördülõszámláló-érték megváltoztatása a gördülõszámláló-érték véletlenszerû megváltoztatását tartalmazza. 4
HU 007 4 T2 Int. Cl.: H02M 1/00
HU 007 4 T2 Int. Cl.: H02M 1/00 Kiadja a Magyar Szabadalmi Hivatal, Budapest Felelõs vezetõ: Szabó Richárd osztályvezetõ Windor Bt., Budapest