DE10154814A1

DE10154814A1 - D.c. voltage converter with load current detector has arrangement for changing operating mode depending on measured current MOS transistor dependent on switching state

Info

Publication number: DE10154814A1
Application number: DE10154814A
Authority: DE
Inventors: Bernardon Derek
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2003-05-22

Abstract

The device has a power switch with a MOS transistor whose drain-source path receives a current dependent on an input voltage, a storage choke after the transistor from which an output voltage can be taken, a device for controling the transistor's gate potential, a device that measures current flowing through the transistor depending on it's switching state and an arrangement for changing operating mode depending on the measured current. The device is based on cyclical charging and discharging of a storage choke (L) and can be operated in pulse width modulation and pulse frequency modulation modes. It has a power switch with a MOS transistor (T1) whose drain-source path receives a current dependent on an input voltage (VIN), the storage choke after the transistor from which the output voltage can be taken, a first device (2) for controling the transistor's gate potential, a second device (6) that measures the current flowing through the transistor depending on it's switching state and an arrangement (7) for changing between the operating modes depending on the measured current. AN Independent claim is also included for the following: a method of setting the operating mode of a d.c. voltage converter.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, welcher zur Abwärtswandlung einer Gleichspannung verwendet wird. The invention relates to a DC converter, which is used to downconvert a DC voltage.

Jedes elektronische Gerät benötigt eine Stromversorgung, die im Allgemeinen eine Gleichspannung liefern muss. Da bei höherem Leistungsbedarf des elektronischen Geräts Batterien unwirtschaftlich sind, wird die benötigte Gleichspannung in Netzteilen durch Transformation und Gleichrichten einer Netzspannung erzeugt. Die so gewonnene Gleichspannung weist häufig eine beträchtliche Welligkeit auf und ändert sich zudem bei Schwankungen der Netzspannung, des Laststroms und der Temperatur. Daher wird in der Regel die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung nicht direkt als Versorgungsspannung für elektronische Schaltkreise verwendet, sondern zuvor noch einem Gleichspannungswandler zugeführt, welcher die Schwankungen aus dem Gleichspannungssignal eliminiert. Every electronic device needs a power supply that generally has to deliver a DC voltage. There with higher power requirements of the electronic device batteries are uneconomical, the required DC voltage is in Power supplies by transforming and rectifying one Mains voltage generated. The direct voltage thus obtained points often shows considerable ripple and also changes with fluctuations in the mains voltage, the load current and the Temperature. Therefore, the output voltage of the Rectifier circuit not directly as supply voltage used for electronic circuits, but previously fed to a DC converter, which the Fluctuations from the DC voltage signal are eliminated.

Ein Gleichspannungswandler weist einen getakteten Schalter auf, durch welchen eine Speicherdrossel zyklisch geladen und entladen wird. Die Ausgangsspannung, die am Ausgang der Speicherdrossel abgreifbar ist, lässt sich aus dem Verhältnis der Zeitintervalle bestimmen, in welchen der Schalter geöffnet bzw. geschlossen ist. A DC voltage converter has a clocked switch through which a storage choke is cyclically loaded and is discharged. The output voltage at the output of the Storage choke can be tapped, can be determined from the ratio of Time intervals determine when the switch opens or is closed.

Gleichspannungswandler sind beispielsweise aus dem Abschnitt 16.6.2 "Erzeugung des Schaltsignals" des Buchs "Halbleiter- Schaltungstechnik" von Ulrich Tietze und Christoph Schenk, erschienen im Springer-Verlag, Berlin, 1999, 11. Auflage, Seiten 983-985, bekannt. Dieser Abschnitt wird hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen. DC / DC converters are known, for example, from section 16.6.2 "Generation of the switching signal" of the book "Semiconductor Circuit Technology " by Ulrich Tietze and Christoph Schenk, published by Springer-Verlag, Berlin, 1999, 11th edition, pages 983-985. This section is hereby incorporated into the disclosure content of the present patent application.

In Fig. 1 ist das Schaltbild eines bekannten Gleichspannungswandlers schematisch dargestellt. In Fig. 1 the circuit diagram of a known DC-DC converter is shown schematically.

Zur Gleichspannungswandlung einer Eingangsspannung VIN in eine Ausgangsspannung VOUT umfasst der in Fig. 1 dargestellte Gleichspannungswandler 1 MOS-Transistoren T1 und T2, Kondensatoren C1 und C2, eine Speicherdrossel in Form einer Spule L und einen Treiber 2. Der MOS-Transistor T1, welcher ein p- Kanal-MOSFET ist, ist an seinem Source-Anschluss mit der Eingangsspannung VIN beaufschlagt. Durch die Drain-Source- Strecke des MOS-Transistors T1 fließt ein Strom IT1. Der Drain-Anschluss des MOS-Transistors T1 ist mit dem Eingang der Spule L verbunden. Zwischen dem Ausgang der Spule L und dem negativen Pol der Eingangsspannung VIN ist der Kondensator C2 angeordnet. Am Ausgang der Spule L ist die Ausgangsspannung VOUT abgreifbar. Der MOS-Transistor T2 ist mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen den Drain-Anschluss des MOS-Transistors T1 und den negativen Pol der Eingangsspannung VIN geschaltet. Der MOS-Transistor T2 ist ein n-Kanal-MOSFET. Durch seine Drain-Source-Strecke fließt ein Strom IT2. Die Gate-Potentiale der MOS-Transistoren T1 und T2 werden von dem Treiber 2 gesteuert. Der Kondensator C1 ist zwischen die beiden Pole der Eingangsspannung VIN geschaltet. Eine dem Gleichspannungswandler 1 nachgeschaltete Last 3 ist mit der Ausgangsspannung VOUT beaufschlagt. Der Gleichspannungswandler 1 speist die Last 3 mit einem Strom IL. For DC conversion of an input voltage VIN to an output voltage VOUT of the DC-DC converter shown in FIG. 1 1 MOS transistors T1 and T2, capacitors C1 and C2 includes a storage inductor in the form of a coil L and a driver 2. The MOS transistor T1, which is a p-channel MOSFET, has the input voltage VIN applied to it at its source connection. A current IT1 flows through the drain-source path of the MOS transistor T1. The drain connection of the MOS transistor T1 is connected to the input of the coil L. The capacitor C2 is arranged between the output of the coil L and the negative pole of the input voltage VIN. The output voltage VOUT can be tapped at the output of the coil L. The MOS transistor T2 is connected with its drain-source path between the drain terminal of the MOS transistor T1 and the negative pole of the input voltage VIN. The MOS transistor T2 is an n-channel MOSFET. A current IT2 flows through its drain-source path. The gate potentials of the MOS transistors T1 and T2 are controlled by the driver 2 . The capacitor C1 is connected between the two poles of the input voltage VIN. A load 3 connected downstream of the DC-DC converter 1 is supplied with the output voltage VOUT. The DC-DC converter 1 feeds the load 3 with a current IL.

In einem ersten Schaltzustand der MOS-Transistoren T1 und T2 ist die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T1 durchgeschaltet und die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T2 gesperrt. Der erste Schaltzustand wird durch Beaufschlagung der Gate-Anschlüsse der beiden MOS-Transistoren T1 und T2 mit geeigneten Potentialen durch den Treiber 2 erzeugt. In diesem Schaltzustand fließt durch den MOS-Transistor T1 der von der Eingangsspannung VIN erzeugte Strom IT1 in die Spule L und generiert dort ein Magnetfeld. Sobald die Schaltzustände der MOS-Transistoren T1 und T2 von dem Treiber 2 umgekehrt werden und dadurch ein zweiter Schaltzustand erzeugt wird, bricht das Magnetfeld in der Spule L zusammen und der Strom IT2 fließt durch die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T2. Bei beiden der genannten Schaltzustände fließt der Strom IL durch die Spule L in die Last 3. Zwischen die Spule L und die Last 3 ist ein Tiefpassfilter in Form des Kondensators C2 geschaltet. Der Kondensator C2 bewirkt eine Glättung des Stroms IL. In a first switching state of the MOS transistors T1 and T2, the drain-source path of the MOS transistor T1 is turned on and the drain-source path of the MOS transistor T2 is blocked. The first switching state is generated by the driver 2 supplying the gate connections of the two MOS transistors T1 and T2 with suitable potentials. In this switching state, the current IT1 generated by the input voltage VIN flows through the MOS transistor T1 into the coil L and generates a magnetic field there. As soon as the switching states of the MOS transistors T1 and T2 are reversed by the driver 2 and a second switching state is thereby generated, the magnetic field in the coil L collapses and the current IT2 flows through the drain-source path of the MOS transistor T2. In both of the switching states mentioned, the current IL flows through the coil L into the load 3 . A low-pass filter in the form of the capacitor C2 is connected between the coil L and the load 3 . The capacitor C2 smoothes the current IL.

Der Gleichspannungswandler 1 kann in zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. In einem PWM (pulse width modulation)-Betriebsmodus schaltet der Treiber 2 die MOS- Transistoren T1 und T2 zyklisch zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand hin und her, wobei die Zeitlängen des ersten und des zweiten Schaltzustands vorgegeben sein können oder durch einen Regelkreis gesteuert werden. Die Ausgangsspannung VOUT ist in dem PWM-Betriebsmodus eine Funktion der Eingangsspannung VIN und der Zeitlängen, in denen sich der Gleichspannungswandler 1 jeweils in dem ersten bzw. in dem zweiten Schaltzustand befindet. Jeder Umschaltvorgang zwischen den beiden Schaltzuständen bewirkt eine Energiedissipation, welche durch das Aufbringen bzw. das Abführen von Ladungsmengen auf bzw. von den Gate-Elektroden der MOS- Transistoren T1 und T2 verursacht wird. Dieser Energiedissipationseffekt ist umso größer, je höher die Umschaltfrequenz ist. Zur Minimierung des Energieverbrauchs kann der Gleichspannungswandler 1 bei einem niedrigen Laststrom in einem PFM (pulse frequency modulation)-Betriebsmodus betrieben werden. Der PFM-Betriebsmodus wird beispielsweise aktiviert, falls der Strom IL unter einen vorgegebenen Schwellwert sinkt. Ein niedriger Strom IL zeigt an, dass die Last 3 ihrerseits einen geringeren Energiebedarf aufweist und sich beispielsweise in einem Bereitschaftsbetrieb befindet. In dem PFM-Betriebsmodus ist die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T2 gesperrt. Die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T1 wird solange in einem leitenden Zustand gehalten, bis der Strom IL einen oberen Grenzwert erreicht hat. Bei Erreichen des oberen Grenzwerts wird der MOS-Transistor T1 gesperrt, sodass das Magnetfeld in der Spule L zusammenbricht. Sobald der Strom IL auf einen unteren Grenzwert gesunken ist, wird der MOS- Transistor T1 wieder geöffnet. In dem PFM-Betriebsmodus sind folglich die Zeitlängen der Schaltzustände des MOS- Transistors T1 nicht vorgegeben, sondern sie sind durch die Größe des Stroms IL bestimmt und hängen somit von dem Energiebedarf der Last 3 ab. Dadurch wird die Umschaltfrequenz bei nur kleinen Lastströmen im Vergleich zum PWM- Betriebsmodus erheblich reduziert, wodurch sich letztlich eine verringerte Energiedissipation und ein verringerter Energieverbrauch des Gleichspannungswandlers 1 ergeben. The DC-DC converter 1 can be operated in two different operating modes. In a PWM (pulse width modulation) operating mode, the driver 2 cyclically switches the MOS transistors T1 and T2 back and forth between the first and the second switching state, wherein the time lengths of the first and the second switching state can be predetermined or controlled by a control loop become. In the PWM operating mode, the output voltage VOUT is a function of the input voltage VIN and the time lengths in which the DC-DC converter 1 is in the first or in the second switching state. Each switching process between the two switching states causes energy dissipation, which is caused by the application or removal of charge amounts to or from the gate electrodes of the MOS transistors T1 and T2. The higher the switching frequency, the greater this energy dissipation effect. To minimize the energy consumption, the DC / DC converter 1 can be operated in a PFM (pulse frequency modulation) operating mode with a low load current. The PFM operating mode is activated, for example, if the current IL drops below a predetermined threshold. A low current IL indicates that the load 3 in turn has a lower energy requirement and is, for example, in a standby mode. In the PFM operating mode, the drain-source path of the MOS transistor T2 is blocked. The drain-source path of the MOS transistor T1 is kept in a conductive state until the current IL has reached an upper limit. When the upper limit value is reached, the MOS transistor T1 is blocked, so that the magnetic field in the coil L collapses. As soon as the current IL has dropped to a lower limit, the MOS transistor T1 is opened again. In the PFM operating mode, the time lengths of the switching states of the MOS transistor T1 are therefore not predetermined, but rather are determined by the size of the current IL and thus depend on the energy requirement of the load 3 . As a result, the switching frequency is reduced considerably in the case of only small load currents in comparison to the PWM operating mode, which ultimately results in a reduced energy dissipation and a reduced energy consumption of the DC / DC converter 1 .

Gemäß den vorstehenden Ausführungen muss zum Umschalten eines Gleichspannungswandlers von dem PWM- in den PFM-Betriebsmodus die Größe des Laststroms detektiert werden. Eine bekannte Möglichkeit besteht darin, einen Messwiderstand seriell zu der Speicherdrossel anzuordnen und aus dem Spannungsabfall über dem Messwiderstand den Laststrom zu bestimmen. Nachteilig daran ist, dass der zusätzliche Messwiderstand eine weitere Dissipationsquelle darstellt sowie zusätzliche Kosten und zusätzlichen Flächenverbrauch erforderlich macht. Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, zur Ermittlung des Laststroms die über der Speicherdrossel abfallende Spannung zu integrieren, allerdings mit dem Nachteil, dass die dazu notwendigen Widerstände und Kapazitäten in einem integrierten Schaltkreis nur geringe Genauigkeiten aufweisen. According to the above explanations, a DC / DC converter from PWM to PFM mode the size of the load current can be detected. An acquaintance One possibility is to connect a measuring resistor in series arrange the storage inductor and from the voltage drop to determine the load current via the measuring resistor. The disadvantage of this is that the additional measuring resistor is a represents another source of dissipation and additional costs and requires additional space. A Another known possibility is to determine of the load current falling over the storage choke Integrating tension, but with the disadvantage that the the necessary resistance and capacity in one integrated circuit only have low accuracies.

In der den nächstliegenden Stand der Technik darstellenden internationalen Patentanmeldung WO 96/10287 A1 ist ein Gleichspannungswandler beschrieben, der die in Fig. 1 dargestellte Schaltung enthält und in den genannten Betriebsmodi betrieben werden kann. Bei diesem Gleichspannungswandler werden die über den Drain-Source-Strecken der beiden MOS- Transistoren abfallenden Spannungen gemessen, um dadurch zum Zwecke des Umschaltens in den PFM-Betriebsmodus den Zeitpunkt zu detektieren, zu dem der Laststrom einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Für diese Maßnahme ist es erforderlich, dass sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsspannung keine großen Schwankungen aufweisen. In the international patent application WO 96/10287 A1, which represents the closest prior art, a DC-DC converter is described which contains the circuit shown in FIG. 1 and can be operated in the above-mentioned operating modes. In this DC voltage converter, the voltages falling across the drain-source paths of the two MOS transistors are measured in order to thereby detect the point in time at which the load current falls below a predetermined threshold value for the purpose of switching over to the PFM operating mode. This measure requires that both the input and the output voltage do not have large fluctuations.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen weiteren Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher eine Einrichtung aufweist, mit der sich der Zeitpunkt zur Umschaltung zwischen dem PWM- und dem PFM-Betriebsmodus bestimmen lässt. The object of the invention is another To create DC converter, which has a device with which is the time to switch between the PWM and the PFM operating mode.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. The problem underlying the invention is by the features of independent claims 1 and 15 solved. Advantageous further developments and refinements of Invention are specified in the subclaims.

Einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler liegt das Prinzip zugrunde, nach welchem eine Speicherdrossel zyklisch geladen und entladen wird. Dadurch wird eine Eingangsspannung durch Abwärtswandlung in eine kleinere oder gleich große Ausgangsspannung umgewandelt. Der Gleichspannungswandler kann in einem PWM- und in einem PFM-Betriebsmodus betrieben werden und umfasst einen Leistungsschalter mit einem MOS-Transistor, die Speicherdrossel, eine erste Einrichtung, eine zweite Einrichtung und ein Mittel zum Umschalten zwischen den Betriebsmodi. Die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors wird eingangsseitig von einem Strom gespeist, welcher von der Eingangsspannung abhängt. Die Speicherdrossel ist der Drain- Source-Strecke des MOS-Transistors nachgeschaltet. Am Ausgang der Speicherdrossel kann die Ausgangsspannung abgegriffen werden. Die erste Einrichtung dient zur Steuerung des Gate- Potentials des MOS-Transistors. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt darin, dass die zweite Einrichtung den Strom, welcher durch die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors fließt, in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des MOS- Transistors misst. In Abhängigkeit von dem derart gemessenen Strom schaltet das Mittel den Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers gegebenenfalls um. This is a DC voltage converter according to the invention Principle based on which a storage choke cyclically is loaded and unloaded. This creates an input voltage by down conversion to a smaller or the same size Output voltage converted. The DC-DC converter can be in be operated in a PWM and in a PFM operating mode and includes a power switch with a MOS transistor, the storage choke, a first device, a second Device and a means to switch between the Modes of operation. The drain-source path of the MOS transistor will on the input side fed by a current which is supplied by the Input voltage depends. The storage choke is the drain Source path of the MOS transistor connected downstream. At the exit the storage choke can tap the output voltage become. The first device is used to control the gate Potential of the MOS transistor. An essential thought of Invention is that the second device is the current, which through the drain-source path of the MOS transistor flows depending on the switching state of the MOS Transistor measures. Depending on what is measured Electricity switches the operating mode of the medium DC converter if necessary.

Ein Vorteil des vorliegenden Gleichspannungswandlers ist, dass bei der Messung des Stroms durch den MOS-Transistor der Schaltzustand des MOS-Transistors berücksichtigt wird. Die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors ist in der Regel nur während des Ladevorgangs der Speicherdrossel leitfähig, nur dann kann also ein Strom fließen. Um aus dem Drain-Source- Strom des MOS-Transistors Rückschlüsse auf den Laststrom des Gleichspannungswandlers ziehen zu können, darf folglich nur der während des Ladevorgangs fließende Strom herangezogen werden. Dieser Ladestrom erlaubt direkte Rückschlüsse auf den Laststrom, den eine dem Gleichspannungswandler nachgeschaltete Last aus der Speicherdrossel zieht. Die Größe des Laststroms kann als Kriterium verwendet werden, um aus den PWM- und PFM-Betriebsmodi den Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers auszuwählen, der zu dem gewählten Zeitpunkt im Hinblick auf den Energiebedarf der Last am günstigsten ist. An advantage of the present DC-DC converter is that when measuring the current through the MOS transistor the Switching state of the MOS transistor is taken into account. The The drain-source path of the MOS transistor is usually only while charging the storage choke conductive, only then a current can flow. Order from the drain-source Current of the MOS transistor conclusions on the load current of the To be able to pull DC voltage converter is therefore only allowed the current flowing during the charging process is used become. This charging current allows direct conclusions to be drawn about the Load current, the one to the DC converter downstream load pulls from the storage choke. The size of the Load current can be used as a criterion to derive from the PWM and PFM operating modes the operating mode of the DC converter to select that at the selected time in Is cheapest in terms of the energy requirements of the load.

Aus den vorstehend genannten Gründen ist es vorteilhaft, die zweite Einrichtung derart auszulegen, dass sie nur bei einer leitenden Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors den durch diese Strecke fließenden Strom misst. For the reasons mentioned above, it is advantageous to to interpret the second facility in such a way that it only applies to one conductive drain-source path of the MOS transistor through this route measures current flowing.

Allerdings ist zu bedenken, dass der Strom durch den MOS- Transistor auch während des Ladevorgangs der Speicherdrossel nicht konstant ist, sondern mit der Zeit ansteigt. Für die Umschaltung zwischen den PWM- und PFM-Betriebsmodi interessiert in erster Linie der Gleichstrom, welcher von der Last benötigt wird. Diesem entspricht der im Durchschnitt durch die durchgeschaltete Drain-Source-Strecke fließende Strom. Daher ist es besonders vorteilhaft, mit der zweiten Einrichtung den durchschnittlichen Drain-Source-Strom zu messen. However, it should be borne in mind that the current through the MOS Transistor also during the charging of the storage choke is not constant, but increases with time. For the Switch between the PWM and PFM operating modes primarily interested in the direct current, which of the load is needed. This corresponds to that on average the current flowing through the drain-source path. Therefore, it is particularly advantageous to use the second Device to measure the average drain-source current.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Speicherdrossel ein Tiefpassfilter nachgeschaltet ist. Das Tiefpassfilter, beispielsweise in Form eines entsprechend angeordneten Kondensators, bewirkt eine Glättung der Ausgangsspannung. A further advantageous embodiment of the invention provides before that the storage inductor is a low pass filter is connected downstream. The low pass filter, for example in the form of a appropriately arranged capacitor causes smoothing the output voltage.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite Einrichtung einen Messwiderstand und eine Spannungsmesseinheit enthält. Dabei ist der Messwiderstand seriell zu der Drain-Source- Strecke des MOS-Transistors geschaltet, und die Spannungsmesseinheit misst die über dem Messwiderstand abfallende Spannung während einer durchgeschalteten Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors. Diese Spannung ist sowohl von der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers als auch von dessen Ausgangsspannung unabhängig. Daher spielen Schwankungen der Eingangs- und Ausgangsspannungen keine bedeutende Rolle. Ferner ist in einem CCM (continuous conduction mode)- Betriebsmodus die über dem Messwiderstand abfallende Spannung direkt proportional zu dem Laststrom. Dadurch liefert die Spannungsmesseinheit ein Signal, das für die Entscheidung zwischen dem PWM- und dem PFM-Betriebsmodus verwendet werden kann. Auch in einem DCM (discontinuous conduction mode)- Betriebsmodus kann die über dem Messwiderstand abfallende Spannung als Entscheidungskriterium für die Wahl zwischen dem PWM- und dem PFM-Betriebsmodus verwendet werden. Zwar weist die Messwiderstandsspannung in dem DCM-Betriebsmodus keine direkte Proportionalität mit dem Laststrom auf, jedoch ist die Abhängigkeit dieser beiden Größen noch groß genug, um anhand der Messwiderstandsspannung die Betriebsmodus- Entscheidung zu treffen. It is particularly advantageous if the second device contains a measuring resistor and a voltage measuring unit. The measuring resistor is serial to the drain-source Route of the MOS transistor switched, and the Voltage measuring unit measures the one falling across the measuring resistor Voltage during a switched drain-source path of the MOS transistor. This tension is both from the Input voltage of the DC-DC converter as well as its Output voltage independent. Therefore, fluctuations in the Input and output voltages don't matter. Furthermore, in a CCM (continuous conduction mode) - Operating mode the voltage drop across the measuring resistor directly proportional to the load current. The Voltage measurement unit a signal that is used for the decision between PWM and PFM operating modes can. Also in a DCM (discontinuous conduction mode) - Operating mode can be the one falling over the measuring resistor Tension as a decision criterion for choosing between the PWM and the PFM operating mode can be used. Although points the measuring resistance voltage in the DCM operating mode none direct proportionality with the load current, however the dependency of these two sizes is still large enough to based on the measuring resistor voltage, the operating mode To make a decision.

Eine Anordnung des Messwiderstands vor dem MOS-Transistor ist besonders vorteilhaft, da durch den MOS-Transistor im Mittel etwa nur die Hälfte des durch die Speicherdrossel fließenden Stroms fließt und somit der quadratische Mittelwert des durch den MOS-Transistor fließenden Stroms kleiner ist als der quadratische Mittelwert des durch die Speicherdrossel fließenden Stroms. Daher wird durch die vorliegende Anordnung die von dem Messwiderstand verursachte Energiedissipation minimiert. An arrangement of the measuring resistor in front of the MOS transistor is particularly advantageous because of the MOS transistor on average about only half of what flows through the storage choke Current flows and thus the root mean square of the through the current flowing through the MOS transistor is smaller than that root mean square of that through the storage inductor flowing current. Therefore, the present arrangement energy dissipation caused by the measuring resistor minimized.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die zweite Einrichtung einen weiteren Tiefpassfilter, welcher gewährleistet, dass nur niederfrequente Spannungssignale von dem Messwiderstand zu der Spannungsmesseinheit gelangen. Das derart gefilterte Spannungssignal gibt bei einer entsprechend niedrigen Grenzfrequenz des Tiefpassfilters den durchschnittlichen Spannungsabfall über dem Messwiderstand wieder und eignet sich daher besonders für die Bestimmung des optimalen Betriebsmodus. According to a further advantageous embodiment of the Invention, the second device contains another Low pass filter, which ensures that only low-frequency Voltage signals from the measuring resistor to the Voltage measuring unit. The voltage signal filtered in this way gives a correspondingly low cutoff frequency of the Low pass filter the average voltage drop across the Measuring resistor again and is therefore particularly suitable for Determination of the optimal operating mode.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung einen steuerbaren Schalter enthält, mittels welchem sich die Verbindung zwischen dem Messwiderstand und der Spannungsmesseinheit unterbrechen oder schließen lässt. Vorzugsweise ist der steuerbare Schalter bei einer durchgeschalteten Drain- Source-Strecke des MOS-Transistors geschlossen und bei einer gesperrten Drain-Source-Strecke geöffnet. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass nur während des Ladens der Speicherdrossel der durch den MOS-Transistor fließende Strom gemessen wird. Another particularly advantageous embodiment of the Invention is characterized in that the second device contains a controllable switch, by means of which the Connection between the measuring resistor and the Interrupt or close the voltage measuring unit. Preferably the controllable switch when the drain is switched on Source path of the MOS transistor closed and at one blocked drain-source path opened. Through this Measure ensures that only while charging the Storage choke the current flowing through the MOS transistor is measured.

Vorzugsweise wird die Wahl des Betriebsmodus unter Berücksichtigung des während des Ladens der Speicherdrossel durchschnittlich durch den MOS-Transistor fließenden Stroms getroffen. Bei einer Unterschreitung des durchschnittlichen Ladestroms unter einen vorgegebenen Schwellwert wird der PFM- Betriebsmodus aktiviert, während der Gleichspannungswandler ansonsten im PWM-Betriebsmodus betrieben wird. The selection of the operating mode is preferably under Taking into account the while charging the storage choke average current flowing through the MOS transistor met. If the average falls below Charging current below a predetermined threshold, the PFM Operating mode activated while the DC-DC converter is otherwise operated in the PWM operating mode.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann ferner vorteilhafterweise einen weiteren MOS-Transistor aufweisen. Die Drain-Source-Strecke des weiteren MOS-Transistors ist mit einem gemeinsamen Knoten verbunden, welcher den oben bereits genannten MOS-Transistor und die Speicherdrossel verbindet. Dabei ist vorgesehen, dass die Drain-Source-Strecken der beiden MOS-Transistoren stets entgegengesetzte Leitfähigkeitszustände aufweisen. Das bedeutet, dass durch den weiteren MOS- Transistors nur während des Entladevorgangs der Speicherdrossel ein Strom fließt. Vorzugsweise ist der Drain-Source-Kanal des weiteren MOS-Transistors n-dotiert, während der Drain- Source-Kanal des MOS-Transistors p-dotiert ist. The DC-DC converter according to the invention can also advantageously have a further MOS transistor. The Drain-source path of the further MOS transistor is with connected to a common node that already has the above called MOS transistor and the storage inductor connects. It is provided that the drain-source sections of the two MOS transistors always opposite Have conductivity states. This means that through the further MOS Transistor only during the discharge of the Storage choke a current flows. Preferably the drain-source channel of the further MOS transistor n-doped, while the drain Source channel of the MOS transistor is p-doped.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers sieht vor, dass eine Diode, insbesondere eine Schottky-Diode, zwischen den gemeinsamen Knoten und ein gemeinsames festes Potential, insbesondere eine Masse, geschaltet ist. Die Diode wird bei entsprechender Polung leitend, sobald das Potential an dem gemeinsamen Knoten einen bestimmten Wert unterschreitet. In diesem Fall wird der Strom durch die Speicherdrossel über die Diode abgeführt. Another advantageous embodiment of the invention DC converter provides that a diode, in particular a Schottky diode, between the common nodes and a common fixed potential, especially a mass, is switched. The diode turns on with the correct polarity conductive as soon as the potential at the common node unites falls below a certain value. In this case the electricity dissipated through the storage choke via the diode.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann vorzugsweise auf einem gemeinsamen Substrat als integrierter Schaltkreis hergestellt werden. The DC-DC converter according to the invention can preferably on a common substrate as an integrated circuit getting produced.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Einstellung des Betriebsmodus eines Gleichspannungswandlers, welcher einen Leistungsschalter mit einem MOS-Transistor, eine dem MOS- Transistor nachgeschaltete Speicherdrossel und eine Einrichtung zur Steuerung des Gate-Potentials des MOS-Transistors aufweist. Der Gleichspannungswandler kann in einem PWM- und einem PFM-Betriebsmodus betrieben werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der durch den MOS-Transistor fließende Strom in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des MOS-Transistors gemessen. Anschließend wird der Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom eingestellt. The inventive method is used to adjust the Operating mode of a DC converter, which one Circuit breaker with a MOS transistor, a MOS Transistor downstream storage choke and one Device for controlling the gate potential of the MOS transistor having. The DC-DC converter can be used in a PWM and operating in a PFM operating mode. In which The method according to the invention is first that of the MOS transistor flowing current depending on the switching state of the MOS transistor measured. Then the operating mode set depending on the measured current.

Der erfindungsgemäß gemessene Strom erlaubt direkte Rückschlüsse auf den von dem Gleichspannungswandler erzeugten Laststrom. Daher kann dieser Strom in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, um den optimalen Betriebsmodus auszuwählen. The current measured according to the invention allows direct Conclusions on the generated by the DC converter Load current. Therefore, this stream can advantageously used to find the optimal operating mode select.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen: The invention is described below with reference to the Drawings explained in more detail. In these show:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines bekannten Gleichspannungswandlers; Figure 1 is a schematic circuit diagram of a known DC-DC converter.

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers; und Fig. 2 is a schematic diagram of an embodiment of the DC converter according to the invention; and

Fig. 3 Diagramme der zeitlichen Verläufe des Laststroms und des Drain-Source-Stroms des MOS-Transistors. Fig. 3 diagrams of the time profiles of the load current and the drain-source current of the MOS transistor.

In Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Gleichspannungswandler 4 dargestellt, welcher in vielen Schaltungsteilen dem in Fig. 1 gezeigten Gleichspannungswandler 1 entspricht. Dieselben oder vergleichbare Funktionselemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Gleichspannungswandlern 1 und 4 liegt darin, dass bei dem Gleichspannungswandler 4 dem MOS-Transistor eine Strommesseinheit 6 vorgeschaltet ist. Die Strommesseinheit 6 weist einen Widerstand R1 auf, welcher mit der Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T1 in Reihe geschaltet ist und über welchem eine Spannung VR1 abfällt. Für die Einstellung des Betriebsmodus soll die durchschnittliche Spannung VR1 gemessen werden und zwar nur während des Ladevorgangs der Spule L. Dazu ist parallel zu dem Widerstand R1 ein Tiefpassfilter, welches einen Widerstand R2 und einen Kondensator C3 enthält, angeordnet. Dem Tiefpassfilter ist eine Spannungsmesseinheit 5 nachgeschaltet, welche eingangsseitig von der gefilterten Spannung VR1 gespeist wird. Ferner kann die Verbindung zwischen dem Widerstand R1 und der Spannungsmesseinheit 5 durch einen Schalter S geschlossen oder geöffnet werden. Die Spannungsmesseinheit 5 speist eine Steuereinheit 7, welche wiederum mit einem Eingang des Treibers 2 verbunden ist. FIG. 2 shows a DC / DC converter 4 as an exemplary embodiment of the invention, which corresponds in many circuit parts to the DC / DC converter 1 shown in FIG. 1. The same or comparable functional elements are designated with the same reference symbols. An essential difference between the DC-DC converters 1 and 4 is that in the DC-DC converter 4 a current measuring unit 6 is connected upstream of the MOS transistor. The current measuring unit 6 has a resistor R1, which is connected in series with the drain-source path of the MOS transistor T1 and across which a voltage VR1 drops. To set the operating mode, the average voltage VR1 is to be measured and only during the charging process of the coil L. To this end, a low-pass filter, which contains a resistor R2 and a capacitor C3, is arranged in parallel with the resistor R1. The low-pass filter is followed by a voltage measuring unit 5 , which is fed on the input side by the filtered voltage VR1. Furthermore, the connection between the resistor R1 and the voltage measuring unit 5 can be closed or opened by a switch S. The voltage measuring unit 5 feeds a control unit 7 , which in turn is connected to an input of the driver 2 .

Das aus dem Widerstand R2 und dem Kondensator C3 aufgebaute Tiefpassfilter bewirkt, dass keine hochfrequenten Anteile der Spannung VR1 zu der Spannungsmesseinheit 5 übertragen werden. Folglich findet dadurch in gewisser Weise eine Mittelung der Spannung VR1 statt. Sofern der Schalter S derart geschaltet wird, dass er bei durchgeschalteter Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T1 geschlossen ist und ansonsten geöffnet ist und die Spannungsmesseinheit 5 nur bei einem geschlossenen Schalter S aktiviert ist, wird die durchschnittlich über dem Widerstand R1 abfallende Spannung nur während des Ladevorgangs der Spule L gemessen. Diese Spannung gibt ein Maß für den bei diesem Ladevorgang durchschnittlich fließenden Strom IT1 an und gibt somit auch ein Maß für den von der Last 3 benötigten Laststrom an. Anhand dieser Information kann die Steuereinheit 7 aus den PWM- und PFM-Betriebsmodi den optimalen Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers 4 auswählen und durch Steuerung des Treibers 2 den Betriebsmodus gegebenenfalls umschalten. Beispielsweise kann die Steuereinheit 7 dazu die von der Spannungsmesseinheit 5 gelieferte Spannung mit einer Referenzspannung vergleichen. The low-pass filter constructed from the resistor R2 and the capacitor C3 has the effect that no high-frequency components of the voltage VR1 are transmitted to the voltage measuring unit 5 . As a result, the voltage VR1 is thus somewhat averaged. If the switch S is switched in such a way that it is closed when the drain-source path of the MOS transistor T1 is switched on and is otherwise open and the voltage measuring unit 5 is only activated when the switch S is closed, the voltage dropping across the resistor R1 becomes average measured only while the coil L is being charged. This voltage indicates a measure of the current IT1 flowing on average during this charging process and thus also indicates a measure of the load current required by the load 3 . On the basis of this information, the control unit 7 can select the optimal operating mode of the DC / DC converter 4 from the PWM and PFM operating modes and, if necessary, switch the operating mode by controlling the driver 2 . For example, the control unit 7 can compare the voltage supplied by the voltage measuring unit 5 with a reference voltage.

In den beiden in Fig. 3 gezeigten Diagrammen sind die Ströme IL und IT1 jeweils über gleiche Zeiten t aufgetragen. Während zu jeder Zeit t ein Strom IL fließt, ist der Strom IT1 bei gesperrter Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T1 gleich Null. In dem oberen Diagramm gibt die gestrichelte Linie den Gleichstrom an, welcher von der Last 3 als Laststrom benötigt wird. Dieser Laststrom ist der durchschnittlich durch die Spule L fließende Strom IL. Anhand seiner Größe wird der optimale Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers 1 festgelegt. Die gestrichelte Linie in dem unteren Diagramm ist der Durchschnittswert des Stroms IT1 bei geöffneter Drain-Source- Strecke. Dieser Durchschnittswert hat die gleiche Größe wie der Laststrom. Daher ist er in besonderer Weise dafür geeignet, als Entscheidungskriterium für die Betriebsmodus-Wahl verwendet zu werden. In the two diagrams shown in FIG. 3, the currents IL and IT1 are each plotted over the same times t. While a current IL flows at all times t, the current IT1 is zero when the drain-source path of the MOS transistor T1 is blocked. In the upper diagram, the dashed line indicates the direct current which is required by the load 3 as the load current. This load current is the average current IL flowing through the coil L. The optimal operating mode of the DC / DC converter 1 is determined on the basis of its size. The dashed line in the diagram below is the average value of the current IT1 with the drain-source path open. This average value is the same size as the load current. It is therefore particularly suitable for being used as a decision criterion for the operating mode selection.

Claims

1. DC-DC converter ( 4 ) for down-converting an input voltage (VIN) into an output voltage (VOUT), which is based on cyclical charging and discharging of a storage inductor (L) and can be operated in a PWM and a PFM operating mode
a circuit breaker with a MOS transistor (T1), the drain-source path of which is fed on the input side by a current (IT1) which is dependent on the input voltage (VIN),
the storage choke (L) connected downstream of the MOS transistor (T1), on which the output voltage (VOUT) can be tapped on the output side, and
a first device ( 2 ) for controlling the gate potential of the MOS transistor (T1),
marked by
a second device ( 6 ) for measuring the current (IT1) flowing through the MOS transistor (T1) as a function of the switching state of the MOS transistor (T1), and
means ( 7 ) for switching between the operating modes depending on the measured current (IT1).

2. DC-DC converter ( 4 ) according to claim 1, characterized in that the second device ( 6 ) is designed such that it with the through-connected drain-source path of the MOS transistor (T1) by the MOS transistor (T1) flowing current (IT1) measures.

3. DC-DC converter ( 4 ) according to claim 2, characterized in that the second device ( 6 ) is designed in such a way that when the drain-source path of the MOS transistor (T1) is switched through, the average flowing drain-source current (IT1) measures.

4. DC-DC converter ( 4 ) according to one or more of the preceding claims, characterized by a low-pass filter (C2), which is connected downstream of the storage inductor (L) and on which the output voltage (VOUT) can be tapped on the output side.

5. DC-DC converter ( 4 ) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the second device ( 6 ) has a measuring resistor (R1) which is connected in series with the drain-source path of the MOS transistor (T1), and has a voltage measuring unit ( 5 ) for measuring the voltage (VR1) dropping across the measuring resistor (R1) during a switched-through drain-source path of the MOS transistor (T1).

6. DC-DC converter ( 4 ) according to claim 5, characterized in that the measuring resistor (R1) is connected upstream of the MOS transistor (T1).

7. DC-DC converter ( 4 ) according to claim 5 or 6, characterized in that the voltage measuring unit ( 5 ) is connected upstream of a further low-pass filter (R2, C3) which filters the voltage (VR1) dropping across the measuring resistor (R1).

8. DC-DC converter ( 4 ) according to one or more of claims 5 to 7, characterized in that a controllable switch (S) is arranged between the measuring resistor (R1) and the voltage measuring unit ( 5 ).

9. DC converter ( 4 ) according to claim 8, characterized in that the controllable switch (S) is closed when the drain-source path of the MOS transistor (T1) is switched on and when the drain-source path of the MOS transistor is blocked (T1) is open.

10. DC-DC converter ( 4 ) according to one or more of claims 3 to 9, characterized in that the DC-DC converter ( 4 ) is designed such that it falls below the at a switched through drain-source path of the MOS transistor (T1) the average flowing drain-source current is operated below a predetermined threshold in the PFM operating mode and otherwise in the PWM operating mode.

11. DC-DC converter ( 4 ) according to one or more of the preceding claims, characterized by a further MOS transistor (T2), the drain-source path of which is connected to a common node, the common node being the MOS transistor (T1) and connects the coil (L), and the drain-source path of the further MOS transistor (T2) always has the opposite conductivity state as the drain-source path of the MOS transistor (T1).

12. DC-DC converter ( 4 ) according to claim 11, characterized in that the MOS transistor (T1) has a p-doped channel and the further MOS transistor (T2) has an n-doped channel.

13. DC-DC converter ( 4 ) according to claim 11 or 12, characterized by a diode, in particular a Schottky diode, which is arranged between the common node and a common fixed potential, in particular a ground.

14. DC-DC converter ( 4 ) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the components of the DC-DC converter ( 4 ) are integrated on a common substrate.

15. A method for setting the operating mode of a DC-DC converter ( 4 ) which converts an input voltage (VIN) into an output voltage (VOUT) by cyclically charging and discharging a storage inductor (L) and which can be operated in a PWM and a PFM operating mode , and wherein the DC-DC converter ( 4 ) has:
a circuit breaker with a MOS transistor (T1), the drain-source path of which is fed on the input side by a current (IT1) which is dependent on the input voltage (VIN),
the storage choke (L) connected downstream of the MOS transistor (T1), at which the output voltage (VOUT) is tapped on the output side, and
a device ( 2 ) for controlling the gate potential of the MOS transistor (T1), and wherein
following steps:

1. Measuring the current (IT1) flowing through the MOS transistor (T1) as a function of the switching state of the MOS transistor (T1); and

2. Setting the operating mode depending on the measured current (IT1).

16. The method according to claim 15, characterized, that of a through-connected drain-source path of the MOS transistor (T1) through the MOS transistor (T1) flowing current (IT1) is measured.

17. The method according to claim 16, characterized, that of a through-connected drain-source path of the MOS transistor (T1) Source current (IT1) is measured.

18. The method according to claim 17, characterized in that the DC-DC converter ( 4 ) when the drain-source current of the MOS transistor (T1), which flows through on average, falls below a predetermined threshold value in the PFM- Operating mode and is otherwise operated in the PWM operating mode.