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Ein energieeffizientes, einkanaliges Signalübertragungsverfahren

IP.com Disclosure Number: IPCOM000009559D
Published in the IP.com Journal: Volume 2 Issue 10 (2002-10-25)
Included in the Prior Art Database: 2002-Oct-25
Document File: 1 page(s) / 50K

Publishing Venue

Siemens

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Juergen Carstens: SUBMITTER

Abstract

Die Arbeitsfequenz eines Transformators ist aufgrund parasitärer Effekte von oben und von unten eingeschränkt. Die Arbeitsfrequenz hängt sehr stark von seiner Konstruktion und von seiner Größe ab. Die planaren Transformatoren, die auf Chipoberflächen aufgebracht sind, haben spiralförmige Wick-lungen, welche einen relativ hohen Leiterbahnwiderstand haben. Deshalb ist das Verhältnis der Selbstinduktivität L der Wicklung zu deren Widerstand R ungünstig. Die Zeitkonstante der Wicklung (Tp=L/R) schränkt die Arbeitsfrequenz des Transformators von unten ein. Um Informationen durch einen derartigen Transformator zu übertragen, muss die Signaldauer ver-gleichbar mit der Zeitkonstanten sein. Dies erfordert den Einsatz von schnell schaltenden Elementen. Um die Schaltgeschwindigkeit zu steigern, werden die Versorgungsspannungen der Schaltkreise im-mer weiter erniedrigt. Die niedrigen Versorgungsspannungen begrenzen aber den Einsatz bestimmter Schaltungstopologien. Die Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltungen erlauben einen 2-Quadrantenbetrieb der nachgeschalteten Elemente wie beispielsweise einen Transformator. Ein 2-Quadrantenbetrieb ist für die Übertragung bestimmter Pulsmuster notwendig. Wenn aber dieser Be-trieb nicht möglich ist, dann müssen andere Informationsübertragungsverfahren oder eine Multikanal-übertragung angewendet werden. Das neue Übertragungsverfahren mit nur einem Transformator und ohne den Einsatz eines 2-Quadrantenbetriebes nutzt für die Übertragung der Informationen unidirektionale Signale und nur ei-nen Übertragungskanal. Damit ist ein Design einfacherer Schaltungen für die Signalaufbereitung und eine einfachere Ansteuerung des Übertragungskanals möglich. Die Übertragungsmethode reduziert zudem den Energieaufwand, der für die Informationsübertragung notwendig ist. Bei dem Verfahren werden kurze Energieimpulse gesendet, die in Korrelation zum Eingangssignal stehen. Liegt eine Änderung (eine Flanke) des Eingangssignals vor, so wird ein Ankündigungsimpuls gesendet und kurz danach in einem definierten Zeitabstand ein zweiter Puls oder eine festgelegte Pulsfolge, die darüber informiert, dass es sich um eine festgelegte Flanke des Eingangssignals han-delt. Kommt nach dem Ankündigungssignal kein Puls oder eine andere festgelegte Pulsfolge in dem definierten Zeitabstand, so wird dieses als zweite Flanke des Eingangssignals interpretiert. Auf diese Weise können Signale von beliebiger Pulsdauer mit Hilfe von nur drei Pulsen energiesparend übertra-gen werden. Die Verzögerungen der Übertragungsstrecke können sehr klein gehalten werden. Auf diesem Übertragungsprinzip basierend können folgende Übertragungsmethoden abgeleitet wer-den:  Eine festgelegtes, kodiertes Pulsmuster wird gesendet, wenn eine Flanke des Eingangssignals auftritt; ein anderes Pulsmuster wird gesendet, wenn eine andere Flanke auftritt. Dadurch wird die Störempfindlichkeit der Übertragungsstrecke verbessert.  In einem System mit fester Arbeitsfrequenz kann nur ein Pulsmuster die Information über die Pulsdauer übermitteln, so dass eine effiziente PWM (Pulse Width Modulation) möglich ist. Dabei werden Informationen über die Pulsdauer zu festen Zeitpunkten gesendet, die durch die Taktfre-quenz festgelegt sind. Auf diese Weise kann entweder die Information über die Dauer der Ein-schaltzeit oder Ausschaltzeit gesendet werden. Besonders geeignet ist die neue Methode für die Übertragung mit Transformatoren. Sie kann aber auch für Optokoppler oder andere Kopplerglieder angewendet werden.

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S

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Ein energieeffizientes, einkanaliges Signalübertragungsverfahren

Idea: Bernhard Strzalkowski, DE-München

Die Arbeitsfequenz eines Transformators ist aufgrund parasitärer Effekte von oben und von unten eingeschränkt. Die Arbeitsfrequenz hängt sehr stark von seiner Konstruktion und von seiner Größe ab. Die planaren Transformatoren, die auf Chipoberflächen aufgebracht sind, haben spiralförmige Wick- lungen, welche einen relativ hohen Leiterbahnwiderstand haben. Deshalb ist das Verhältnis der Selbstinduktivität L der Wicklung zu deren Widerstand R ungünstig. Die Zeitkonstante der Wicklung (Tp=L/R) schränkt die Arbeitsfrequenz des Transformators von unten ein.

Um Informationen durch einen derartigen Transformator zu übertragen, muss die Signaldauer ver- gleichbar mit der Zeitkonstanten sein. Dies erfordert den Einsatz von schnell schaltenden Elementen. Um die Schaltgeschwindigkeit zu steigern, werden die Versorgungsspannungen der Schaltkreise im- mer weiter erniedrigt. Die niedrigen Versorgungsspannungen begrenzen aber den Einsatz bestimmter Schaltungstopologien. Die Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltungen erlauben einen 2- Quadrantenbetrieb der nachgeschalteten Elemente wie beispielsweise einen Transformator. Ein 2- Quadrantenbetrieb ist für die Übertragung bestimmter Pulsmuster notwendig. Wenn aber dieser Be- trieb nicht möglich ist, dann müssen andere Informationsübertragungsverfahren oder eine Multikanal- übertragung angewendet werden.

Das neue Übertragungsverfahren mit nur einem Transformator und ohne den Einsatz eines 2- Quadrantenbetriebes nutzt für die Übertragung der Informationen unidirektionale Signale und nur ei- nen Übertragungskanal. Damit ist ein Design einfacherer Schaltungen für die Signalaufbereitung und eine einfachere Ansteuerung des Übertragu...