CN105518986A - 用于在开关调节器中进行占空比限制的电路以及用于运行开关调节器的方法 - Google Patents

用于在开关调节器中进行占空比限制的电路以及用于运行开关调节器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明描述一种用于在具有由PWM信号控制的末级(3)的开关调节器(1)中进行占空比限制的电路，其中占空比限制器(2)与所述开关调节器(1)连接，以便将所述信号(PWMJN)传输到所述占空比限制器(2)上，所述占空比限制器(2)设置用于由所述信号(PWMJN)生成在所述占空比方面向上限界的经限制的信号(PWM_OUT)，并且所述占空比限制器(2)与所述末级(3)连接，以便将所述经限制的信号(PWMJDUT)传输到所述末级(3)上。此外，提出一种用于运行具有由所述开关调节器(1)的信号(PWMJN)控制的后置电路(3)和电容器(4)的开关调节器(1)的方法，在后置电路(3)断开时所述电容器被充电，其中在上边界值处如此限制所述信号(PWMJN)的占空比，使得提供用于所述电容器(4)的预先确定的充电时间。

Description

用于在开关调节器中进行占空比限制的电路以及用于运行开关调节器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在开关调节器中进行占空比限制的电路、一种用于运行开关调节器的方法以及一种具有用于在开关调节器中进行占空比限制的电路的机动车。
背景技术
信号、例如时钟信号或PWM(经脉宽调制的)信号具有占空比，所述占空比也称作占空度。占空比限定信号的脉冲持续时间、即激活的信号部分相对于周期持续时间的比例。没有激活的信号部分也可以称作断开时间。
如果开关调节器运行为向下转换器则出现理想化地相应于输出电压与输入电压的比例的占空比。如果例如由输入电压14V产生输出电压6V，则出现占空比约43％。在所述占空比时，开关调节器的末级好像接通时钟周期的首先43％并且断开所述时钟周期的随后57％。在断开时间中、即当末级断开时，能量存储器、例如升压电容器(Boost-Kondensator)被后续充电，在下一周期中再次为了接通和/或保持末级的栅极电压需要所述能量存储器的电荷。
现在，如果开关调节器在下降区域(Dropbereich)近旁运行，即输入电压比输出电压仅仅略微更大，则出现达到接近100％的占空比。所述运行状态可能在汽车中例如在启动过程期间出现。在此，所述电池电压可能强烈降低。
当升压电容器的充电水平不够高时，在随后的时钟周期中可以不再接通末级。这则导致，输出电压下降并且占空比由调节器调整成100％。然而，只要升压电容器不具有所需的电荷，则在已调整成占空比100％时就可以不再接通末级。升压电容器则通常通过紧急充电电流路径充电。所述机制然而在输出电压显著下降并且占空比较长时间是100％并且因此从升压电容器不再得到电荷以接通尝试或者没有结果的接通过程之后才起作用。这引起，由升压电容器不再能够得到用于接通过程的电荷。这种效应作为输出电压的不期望的纹波或者不期望的振荡可被察觉，这使调节回路不稳定。
发明内容
根据本发明的用于运行具有由所述开关调节器的信号控制的后置电路并且具有能量存储器、如在后置电路断开时被充电的电容器或升压电容器的开关调节器的方法基本上包括：在上边界值处如此限制信号的占空比，使得提供用于所述电容器的预先确定的充电时间。
根据本发明的方法有以下优点：也可以在下降电压近旁稳定地运行开关调节器，其方式是，在边界值处或者通过边界值向上限制信号、例如(经脉宽调制的)PWM信号或方波信号的占空比。通过这种方式确保，所述电容器始终可以提供为了接通和/或保持后置电路、例如末级的栅极电压所需要的电荷。
一方面，可以根据所述电容器的特性、例如所述电容器的电容或种类，或者另一方面根据所述后置电路、例如栅极电压的特性来限定所述预先确定的充电时间。例如，栅极电压对于能量优化的FET(场效应晶体管)而言可以位于约1.8V的范围中，对于MOSFET(金属绝缘体半导体场效应晶体管)而言位于约10V的范围中或者对于IGBT(具有绝缘栅电极的双极性晶体管)而言位于约20V的范围中。对于单纯的双极性晶体管而言，为了进行控制需要大多位于μA范围中的基极电流。电容器的所述充电时间由C×U/I计算，即所述电容器的电容乘以电压除以电流。
针对后置电路所使用的或所确定尺寸的电容器可以根据所述预先确定的充电时间充电到50％和100％之间、优选70％和90％之间以及特别优选90％和100％之间的充电水平。
替代地可以设置，所述预先确定的充电时间通过信号、例如通过信号的占空比来限定。因此可以设置，将经限制的信号的断开时间定义为信号的时钟、占空比或脉冲持续时间的一部分或多倍。
有利地，可以将占空比调整成零和边界值之间的值或调整成值100％。因此，还能够实现保持占空比100％，在所述占空比时末级持续地接通。然而，通过所述限制，占空比不再能够在边界值和100％之间取值。
可以限制信号的每一个第n周期的占空比。如所描述的那样，在后置电路或末级断开期间，电容器被后续充电。然而，在接通和断开时的无限的侧沿斜度缩短充电时间。现在，当仅仅在每一个第n周期而不是在每一个周期中限制占空比时，可以提高所述方法的效率。有利地，相应地增大断开时间，从而在n个周期上求平均得出的有效占空比保持不变。因此，在有效占空比限制相同时，在n大于1时电容器的在n个周期上求平均得出的可供使用的后续充电时间相对于在n等于1时的后续充电时间增大。
有利地可以选择n等于3。该值在实际中已经被证实为有利。值2至5、尤其3至5或直至小于等于10也已经显示为有利。
所述边界值可以作为(n×T-taus)/(n×T)被计算，其中，T是信号的周期持续时间，而taus是后置电路的断开的或要断开的时间。这是简单且快速进行的计算，所述计算此外基于信号的所期望的断开时间或者基于后置电路的要断开的时间。
当在n个周期上的平均占空比大于所述边界值时，有利地限制占空比。替代对于确定的周期固定地限制占空比、例如对于n等于3对于每一个第三周期，可以有利地设置，仅仅当在一定数量的周期上的平均占空比大于所述边界值时，才限制占空比。所述占空比限制的所述符合目的的激活能够实现所述方法的高效实施。
当第一至第(n-1)周期的平均占空比大于所述边界值时，可以在第n周期中限制占空比。当第一至第(n-1)周期具有比边界值更大的占空比时，则可以假设，第n周期以一定的概率也具有较大的占空比。这引起，求平均得出的占空比大于所要实现的占空比限制。借助所述标准，已经可以直接在第n周期中激活占空比的限制。这具有快速反应的优点。
根据本发明的另一方面，用于在具有由信号控制的末级的开关调节器中进行占空比限制的电路旨在：将占空比限制器与开关调节器连接，以便将信号传输到占空比限制器上，所述占空比限制器设置用于从所述信号生成在占空比方面向上限界的经限制的信号，并且所述占空比限制器与所述末级连接，以便将所述经限制的信号传输到末级上。根据本发明，由调节器生成的用于控制末级的信号、例如PWM(经脉宽调制的)信号或方波信号不直接用于控制末级，而是首先在占空比限制器中被处理，或者换言之生成新的信号，所述新的信号然后用于末级的控制。所述简单的结构能够实现也在已经存在的系统中的集成以及新系统的容易的规划。
经限制的信号的断开时间可以如此计量，使得提供用于末级的电容器的预先确定的充电时间。将经限制的信号的产生、尤其断开时间的没有激活的信号部分的产生优化成：当末级断开时，电容器被充电或者保持限定的充电水平。
根据本发明的另一方面，一种机动车包括上述电路，其中所述开关调节器与机动车的车载电网连接。根据本发明的电路尤其适于在机动车领域中的特殊要求。通常，先前所描述的优点和修改适用。
本发明的有利扩展构型在从属权利要求中说明并且在说明书中描述。
附图说明
根据附图和随后的描述详细阐述本发明的实施例。附图示出：
图1：占空比限制的框图；
图2：占空比限制的作用方式的示图；
图3：用于占空比限制的电路的电路图；
图4：图3的电路的示例性信号变化过程。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的占空比限制装置，其中例如运行为向下转换器的开关调节器1与占空比限制器2连接，所述占空比限制器包含在图3中示出的用于占空比限制的电路。开关调节器1将信号、在此经脉宽调制的信号PWM_IN输出到占空比限制器2上。占空比限制器2与末级3、例如开关调节器连接并且将信号、在此经脉宽调制的信号PWM_OUT输出到末级3上。在末级3中包含例如以升压电容器形式的电容器4。升压电容器的电荷可以用于接通末级或者保持末级3的栅极电压。在此，示例性地针对后置电路示出末级3。
电容器4可以如所示出的那样被包含在末级3中或开关调节器1中或者可以与末级3或开关调节器1分离地布置。末级3和/或占空比限制器2可以是开关调节器1的组成部件。
在末级3断开期间，电容器4被充电。电容器4的充电时间或后续充电时间tld通过在末级3的接通和断开时无限的侧沿斜度trf缩短。
因此，后续充电时间tld通过以下计算：
(1)tld＝taus-2×trf
现在，仅仅限制每一个第n周期的占空比，末级3的断开时间taus为此但相应地延长。因此，在n个周期上求平均得出的有效占空比保持不变。
用于占空比限制的上边界值或者有效占空比限制TVB通过以下计算：
(2)TVB＝(n×T-taus)/(n×T)
因此，在有效占空比限制TVB相同时，在n个周期上考虑，电容器的在n大于1时的后续充电时间相对于在n等于1时的后续充电时间增加。如果在开关调节器时钟1MHz(这相应于周期持续时间t＝1μs)时末级3例如需要trf＝20ns来切换，则在边界值TVB＝95％时在n＝1或n＝3时分别得到以下断开时间：
(3)taus,n＝1＝n×T×(1-TVB)＝1×1μs×(1-0.95)＝50ns
(4)taus,n＝3＝3×1μs×(1-0.95)＝150ns
具有以下相应的充电时间：
(5)tld,n＝1＝taus,n＝1-2×trf＝50ns-2×20ns＝10ns
(6)tld,n＝3＝taus,n＝3-2×trf＝150ns-2×20ns＝110ns
由所述计算可以识别出：n越大，则在每个周期的有效占空比限制相同时由于更长的充电持续时间所以提供越多的电荷以便接通末级3。在实际中，n＝3被证实为好的值。
作为开关调节器末级可以使用外部晶体管，也就是说，所述晶体管没有集成在ASIC(AnwendungsspezifischeintegrierteSchaltung：应用特定的集成电路，英语：Application-SpecificIntegratedCircuit)中，而是设置为离散的构件。电容器4的电荷保持问题则加强了，因为所述外部晶体管的侧沿斜度不能以如在内部开关调节器末级中那样的程度控制或特定化。这引起以下结果：在外部晶体管的情况下且n＝1时对于电容器4必须维持过大的后续充电时间。由此得到的占空比限制TVB意味着在用于调节回路的占空比的可调整性方面过大的不连续性，这可能再次作为输出电压的不期望的纹波或作为不期望的振荡被察觉。
因此可以设置，占空比限制仅仅应用于每一个第n周期。因此，在所述示例中(TVB＝95％，T＝1μs且n＝3)，每一个第三周期被限制成占空比85％，而不限制每一个第一和第二周期。
在图2中示出PWM信号PWM_IN(即由调节器1的原始PWM信号)和信号PWM_OUT(即具有经限制的占空比的PWM信号)的示例性的变化过程。在首先的两个周期100和101中，占空比TV小于边界值或有效占空比限制TVB。因此，对于首先的两个周期而言，所述两个信号PWM_IN和PWM_OUT相同，因为占空比限制没有被激活。在此，周期在断开时间处标记，一个周期从上升沿延伸至下一上升沿。
在第三周期102和第四周期103中，对于第一和第二周期而言，占空比TV大于上边界值TVB。然而在此也没有被限制，因为其占空比大于边界值TVB的周期的数量仍小于n、即等于2。在下一周期104中占空比限制才起作用。这可以通过现在不同的信号PWM_IN和PWM_OUT识别出。
所述周期104被限制成占空比85％，以便在位于前方的两个周期102、103中分别100％最大占空比时实现在这三个周期上求平均得出的占空比小于等于95％。有效占空比不必须恰好为95％，因为位于前方的两个周期可能具有小于100％的占空比，这对求平均值产生影响。接下来的三个周期105、106和107相应于周期102、103和104，从而信号变化过程相同。在周期108中，占空比TV再次小于边界值或有效占空比限制TVB。
可以设置，测量位于前方的两个周期或者所有周期的精确的占空比，以便因此精确调整要进行限制的周期的占空比，从而得到95％的有效占空比或所选择的另一边界值的有效占空比。
对于何时激活占空比限制的决定，监视由调节器1产生的原始PWM信号PWM_IN。当原始PWM信号PWM_IN的在n个周期上求平均得出的占空比TV大于所要实现的占空比限制TVB或边界值TVB时，才限制各个第n周期的占空比TV。因此，在所述示例中，仅仅当先前存在以下周期：其占空比如此大使得原始PWM信号PWM_IN的在三个周期上求平均得出的占空比TV大于所要实现的占空比限制95％时，才将每一个第三周期限制成占空比85％。因此，所述第三周期不必须是顺序的第三周期，而可以是具有过大的占空比的第三周期。
在实际中已经证明所述假设，当第一至第(n-1)周期具有比TVB更大的占空比TV时，则第n周期以一定的概率也具有比TVB更大的占空比TV。由此引起，求平均得出的占空比大于所要实现的占空比。在该示例(TVB＝95％，T＝1μs且n＝3)中，当不仅第一周期而且第二周期分别具有大于95％的占空比TV时，则在第三周期中激活占空比限制。
相应地，实现具有计数器的电路，当一个周期的占空比TV大于所要实现的占空比限制或上边界值TVB时，所述计数器被向上计数。如果所述计数器达到了状态n-1，则将第n周期在占空比方面限制成(T-taus)/T。可能有利的是，当在其间存在具有小于TVB的占空比TV的周期时，不重置计数器。这意味着，当先前两个任意周期以及不仅之前紧邻的两个周期分别具有大于TVB(在此95％)的占空比TV时，则也对于周期激活占空比限制。
作为对在图3中示出的电路实现的预处理，进行以下预先考虑。对于评估由调节器1产生的PWM信号PWM_IN是否超过所要实现的占空比限制TVB，使用具有占空比TV1＝TVB的时钟信号CLK1，将由调节器1产生的PWM信号与所述时钟信号进行比较。
为了实现上述有效占空比限制TVB，附加地使用具有占空比TV2的时钟信号CLK2，所述时钟信号可以由末级3的断开时间taus通过以下计算：
(7)TV2＝(T-taus)/T
在该示例(TVB＝95％，T＝1μs且n＝3)中，设置断开时间
(8)taus＝n×T×(1-TVB)＝3×1μs×(1-0.95)＝150ns
并且因此设置时钟信号，其具有占空比：
(9)TV2＝(1μs-150ns)/1μs＝85％
有利地，在确定尺寸时考虑占空比TV1和TV2的可能的公差，以便避免在用于调节回路的占空比的可调整性方面过大的不连续性。因为过大的不连续性可以作为输出电压的不期望的纹波或者作为输出电压的不期望的振荡被察觉。
因为不同时使用所述两个时钟信号CLK1和CLK2，所以可以使用一个共同的时钟信号CLK，其占空比可以在TV1和TV2之间切换。
现在，根据图3示例性地阐述用于在开关调节器中进行占空比限制的电路5。所述电路5可以被包含在图1的占空比限制器2中。电路5的中央组成部件是计数器6、JK触发器7以及时钟发生器8。此外，所述电路包含多个逻辑元件，所述多个逻辑元件在另一变化过程中详细阐述。所述电路的输入是来自调节器1的PWM信号PWM_IN以及时钟信号CLK_IN，所述电路5的输出是经限制的PWM信号PWM_OUT，其从占空比限制器2输出到末级3上。
电路图5的示例性的信号变化过程在图4中示出并且与图3的讨论共同阐述。所述信号变化过程或信号可以具有其他的形状或比例、例如梯形的信号形状。
计数器6和JK触发器7在所述观察的开始时设置为零或者被清除。这引起，也可以称作EQN的、在计数器6的输出＝(n-1)上存在的信号110等于0。计数器6的输出端与JK触发器7的J输入端连接。JK触发器7的时钟输入端C1与电路5的时钟输入端CLK_IN连接。由于置零或清除，JK触发器7的Q输出端上的信号111也等于零。信号111也可以称作TV_SEL，因为借助所述信号在占空比TV1和TV2之间进行切换。信号111被反馈到JK触发器7的K输入端上。JK触发器7的输出端与计数器6的重置输入端R连接并且用于计数器6的重置，在所述输出端上输出信号112或RST_CNT。
信号111与时钟发生器8连接，借助所述信号在占空比TV1和TV2之间进行切换。在时钟发生器8的时钟输入端CLK_IN上施加输入时钟CLK_IN。由于11＝0，时钟信号CLK＝CLK1从时钟信号CLK_IN由时钟发生器8生成并且提供给所述时钟发生器8的输出端CLK_OUT。时钟信号CLK1具有占空比TV1。
时钟发生器8的时钟输出端、计数器6的输出端以及时钟输入端CLK_IN和或非门9连接。当所有三个输入端具有信号电平0时，所述或非门9将信号输出到与门10上。与门10的第二输入端与输入信号PWM_IN连接。与门10的输出端与计数器6的增加输入端I连接。
因此，如果原始PWM信号PWM_IN在CLK的下降沿期间置位(PWM_IN＝1)，则PWM信号PWM_IN的当前周期114的占空比TV大于所要实现的占空比限制TVB。只要计数器状态113(也称作Counter)在增加之前小于n-1，则计数器6的计数器状态113在该情形中借助CLK的下降沿增加1。在此，所述周期在周期的断开时间处标记，一个周期从上升沿延伸至下一上升沿。
如果在必要时计数器6在重复的计数之后达到计数器的状态n-1，则在周期115中设置计数器6的输出信号110等于1。随后，JK触发器7借助CLK的上升沿被置位，从而在JK触发器7的输出端Q上设置信号111＝1。因此，时钟发生器8由时钟信号CLK_IN在当前的周期中产生具有占空比TV＝TV2的时钟信号CLK＝CLK2。
因为JK触发器7被置位，所以在输出端上输出的信号RST_CNT＝0，这引起，或门11使时钟信号CLK＝CLK通过至与门12。在与门12中，时钟信号CLK＝CLK2与原始PWM信号PWM_IN结合并且因此在周期116中借助CLK的下降沿在电路5的输出端PWM_OUT上显现为经限制的PWM信号PWM_OUT。
借助时钟信号CLK的下一上升沿，JK触发器再次被重置，因为输入端J和K等于1。这引起，所述两个输出信号被置成111＝0且112＝1。借助112的上升沿，计数器6也再次被置成零。因此，电路5再次处于其在观察的开始时所具有的状态。

Claims (10)

1.一种用于运行具有后置电路(3)和电容器(4)的开关调节器(1)的方法，所述后置电路由所述开关调节器(1)的信号(PWM_IN)控制，在所述后置电路(3)断开时所述电容器(4)被充电，其特征在于，在上边界值(TVB)处如此限制所述信号(PWM_IN)的占空比，使得提供用于所述电容器(4)的预先确定的充电时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述占空比调整成在零和所述边界值(TVB)之间的值或值100％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，限制所述信号的每一个第n周期的占空比。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，选择2≤n≤5、优选地选择n等于3。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，作为(n×T-taus)/(n×T)地计算所述边界值(TVB)，其中，T是所述信号的周期持续时间，而taus是所述后置电路的断开时间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，当在n个周期上的平均占空比大于所述边界值(TVB)时，限制所述占空比。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，当所述第一至第(n-1)周期的平均占空比大于所述边界值(TVB)时，在所述第n周期中限制所述占空比。
8.一种用于在具有由信号控制的末级(3)的开关调节器(1)中进行占空比限制的电路，其特征在于，占空比限制器(2)与所述开关调节器(1)连接，以便将所述信号(PWM_IN)传输到所述占空比限制器(2)上，所述占空比限制器(2)设置用于由所述信号(PWM_IN)生成在所述占空比方面向上限界的经限制的信号(PWM_OUT)，并且所述占空比限制器(2)与所述末级(3)连接，以便将所述经限制的信号(PWM_OUT)传输到所述末级(3)上。
9.根据权利要求8所述的电路，其中，所述经限制的信号(PWM_OUT)的断开时间如此计量，使得提供用于所述末级(3)的电容器(4)的预先确定的充电时间。
10.一种具有根据权利要求8或9所述的电路(5)的机动车，其特征在于，所述开关调节器(1)与所述机动车的车载电网连接。
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