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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltwandler mit wenigstens
zwei parallel geschalteten Wandlerstufen.
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Zur
Spannungs- und Stromversorgung von Lasten mit hoher Stromaufnahme
ist es bekannt, Schaltwandler vorzusehen, die mehrere parallel geschaltete
Wandlerstufen umfassen, von denen jede einen Teil des von der Last
aufgenommenen Stromes bereitstellt. Ziel ist es dabei, die einzelnen
Wandlerstufen so anzusteuern, dass diese jeweils gleiche Ausgangsströme an die
Last liefern, um eine gleichmäßige Strombelastung
der einzelnen Wandlerstufen zu erhalten. Derartige Wandlerstufen
werden auch als Mehrphasenwandler bezeichnet, wenn die einzelnen
Wandlerstufen zeitlich versetzt zueinander angesteuert werden.
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Zur
Gewährleistung
einer solchen gleichmäßigen Strombelastung
der einzelnen Wandlerstufen in einem Schaltwandler, der mehrere
parallel geschaltete Wandlerstufen umfasst, ist es beispielweise aus
der
GB 2012501 A ,
der
US 6,404,175 B1 oder der
US 2003/0048648 A1 bekannt, die Ausgangströme der einzelnen Wandlerstufen
zu erfassen und an einem Bus, an den alle Wandlerstufen angeschlossen
sind, ein gemeinsames Stromsignal zur Verfügung zu stellen. Dieses Stromsignal
ist von den Ausgangsströmen
der einzelnen Wandlerstufen abhängig
und wird zur Ansteuerung der einzelnen Wandlerstufen verwendet.
Den einzelnen Wandlerstufen ist bei diesem Konzept darüber hinaus
ein von der Ausgangsspannung abhängiges
Signal zugeführt,
das zur Regelung der Ausgangsspannung der einzelnen Wandlerstufen
dient. Die Ausgangsspannung ist dabei die von dem Wandler bereitgestellte über einer angeschlossenen
Last anliegende Spannung.
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Bei
einem anderen Konzept zur Ansteuerung der Wandlerstufen eines Mehrphasenwandlers,
das beispielsweise in der US 2002/0036486 A1 beschrieben ist, ist
eine gemeinsame Ansteuerschaltung für die einzelnen Wandlerstufen
vorhanden, der ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal sowie Strommesssignale
der einzelnen Wandlerstufen zugeführt sind. Die Ansteuerschaltung
generiert aus diesen Signalen Ansteuersignale für die einzelnen Wandlerstufen.
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Ein
Spannungswandler mit mehreren Wandlerstufen ist darüber hinaus
in der
US 6,404,175
B1 beschrieben. Bei diesem Schaltwandler ist in jeder der
Wandlerstufen eine Messanordnung zur Ermittlung eines Ausgangsstromes
der jeweiligen Wandlerstufe vorhanden. Die einzelnen Strommesssignale werden
dabei auf einen gemeinsamen „current-sharing
bus" gegeben, an
den die Wandlerstufen angeschlossen sind und der ein Signal führt, welches
vom Mittelwert der einzelnen Strommesswerte der Wandlerstufen abhängig ist.
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Die
DE 103 31 194 A1 beschreibt
einen als Buck-Converter ausgebildeten Schaltwandler, der zwei Schalter
aufweist, die nach Maßgabe
eines pulsweitenmodulierten Signals angesteuert sind. Die Erzeugung
dieses pulsweitenmodulierten Signals erfolgt durch zwei Schaltungsanordnungen,
nämlich eine "Lastbewertungsschaltung" und eine "Detektorschaltung". In der Lastbewertungsschaltung
wird dabei ein von einem Messstrom abhängiges pulsweitenmoduliertes
Signal erzeugt, das anschließend
unter Verwendung von Flip-Flops und Logikgattern zusammen mit einem
Vergleichssignal weiterverarbeitet wird. Der Messstrom ist dabei
abhängig
von einem Ausgangsstrom des Schaltwandlers.
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Es
besteht zunehmend der Wunsch, derartige Ansteuerschaltungen als
digitale Schaltungen zu realisieren, die die Strommesssignale und
das Ausgangsspannungssignal digital verarbeiten, um Ansteuersignale
für die
einzelnen Wandlerstufen zu erzeugen. Dies erfordert den Einsatz
von Analog-Digital- Wandlern
(A/D-Wandler) zur Umsetzung der üblicherweise
als Analogsignale vorliegenden Strom- und Spannungsmesssignale in
digital verarbeitbare Signale. Hierbei wird pro Wandlerstufe ein A/D-Wandler
benötigt.
Derartige A/D-Wandler, die einen Amplitudenwert eines Analogsignals
in einen digital verarbeitbaren Messwert umsetzen, sind allerdings
aufwendig zu realisieren, wobei der erforderliche Aufwand mit zunehmender
Auflösung
der A/D-Wandlung und zunehmender Geschwindigkeit der A/D-Wandlung.
Insbesondere bei den erläuterten Schaltwandlern
mit mehreren Wandlerstufen werden an die A/D-Wandler zur Wandlung
der Strommesssignale hohe Anforderungen an die Genauigkeit/Auflösung und
deren Geschwindigkeit gestellt, was zu einer hohen Komplexität, und damit
zu hohen Kosten eines solchen Systems führt.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schaltwandler mit mehreren
parallelen Wandlerstufen, die durch eine Ansteuerschaltung angesteuert sind,
zur Verfügung
zu stellen, der einfach und kostengünstig realisierbar ist.
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Dieses
Ziel wird durch einen Schaltwandler gemäß der Merkmale des Anspruchs
1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Der
Schaltwandler umfasst wenigstens zwei Wandlerstufen, die jeweils
Spannungsversorgungsanschlüsse
zum Anschließen
an eine Versorgungsspannung, einen Steueranschluss zum Zuführen eines
Ansteuersignals, einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines
Ausgangsstromes und einen Messanschluss zum Bereitstellen eines
von dem jeweiligen Ausgangsstrom abhängigen Messsignals aufweisen.
Der Schaltwandler umfasst außerdem
einen Ausgang zum Anschließen
einer Last und Bereitstellen einer Ausgangsspannung für die Last,
an den die Ausgangsanschlüsse
der wenigstens zwei Wandlerstufen angeschlossen sind. Zur Bereitstellung
von Ansteuersignalen für
die wenigstens zwei Wandlerstufen dient eine Ansteuerschaltung,
der die Messsignale und ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal
zugeführt
sind, und die die Ansteuersignale bereitstellt. Die Wandlerstufen
sind hierbei dazu ausgebildet, ein pulsweitenmoduliertes Messsignal zur
Verfügung
zu stellen, dessen Pulsdauer bzw. dessen Duty-Cycle von dem jeweiligen
Ausgangsstrom abhängig
ist.
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Die Übertragung
der Strominformationen von den einzelnen Wandlerstufen an die Ansteuerschaltung
mittels pulsweitenmodulierter Signale, deren jeweilige Pulsdauer
bzw. deren jeweiliger Duty-Cycle eine Information über den
Ausgangsstrom darstellt, bietet verschiedene Vorteile: Pulsweitenmodulierte
Signale können
mit geringem schaltungstechnischem Aufwand in digital verarbeitbare
Signale gewandelt werden. Darüber
hinaus sind pulsweitenmodulierte Signale robust gegenüber Schwankungen einer
Versorgungsspannung, die zu Schwankungen der Amplitude des pulsweitenmodulierten
Signals führen
können,
da die Amplitude pulsweitenmodulierter Signale – anders als die Amplitude
amplitudenmodulierter Signale – keine
Information trägt.
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Die
einzelnen Wandlerstufen des Schaltwandlers sind beispielsweise als
Tiefsetzsteller (Buck Converter) ausgebildet und umfassen jeweils eine
Induktivität
und einen ersten Tran sistor, wobei die Induktivität an die
jeweilige Ausgangsklemme angeschlossen ist und nach Maßgabe des
jeweiligen Ansteuersignals an die Spannungsversorgung angeschlossen
wird.
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Eine
in den einzelnen wandlerstufen vorhandene Messanordnung, die den
Ausgangsstrom des Wandlers ermittelt und ein von diesem Ausgangsstrom
abhängiges
Messsignal bereitstellt, ist beispielsweise an den ersten Transistor
gekoppelt, um den Strom durch diesen ersten Transistor zu erfassen.
Eine Messung des Ausgangsstromes des jeweiligen Wandlers erfolgt
hierbei nur bei leitend angesteuertem erstem Transistor.
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Die
Messanordnung umfasst bei einer Ausführungsform eine Stromspiegelanordnung
zur Bereitstellung eines zu einem Strom durch den ersten Transistor
proportionalen Messstrom, einen Strom-Spannungs-Wandler zur Bereitstellung
einer von dem Messstrom abhängigen
Messspannung, und eine Vergleicheranordnung zum Vergleichen der Messspannung
mit einem Referenzwert und Bereitstellen des pulsweitenmodulierten
Messsignals. Die Vergleicheranordnung ist hierbei vorzugsweise dazu ausgebildet,
mit Einschalten des ersten Transistors einen ersten Pegel des Messsignals
zur Verfügung zu
stellen und einen zweiten Pegel des Messsignals zur Verfügung zu
stellen, wenn die Messspannung den Referenzwert erreicht.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren näher erläutert.
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1 veranschaulicht
einen erfindungsgemäßen Schaltwandler
mit mehreren parallel geschalteten Wandlerstufen, die gemeinsam
zur Stromversorgung einer Last beitragen und die durch eine gemeinsame
Ansteuerschaltung angesteuert sind.
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2 veranschaulicht
eine beliebige der Wandlerstufen, die eine Strommessanordnung zur Bereitstellung
ei nes von einem Ausgangsstrom abhängigen pulsweitenmodulierten
Messsignals aufweist.
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3 zeigt
ein erstes schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel der Strommessanordnung.
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4 veranschaulicht
die Funktionsweise der Strommessanordnung anhand ausgewählter in der
Strommessanordnung vorkommender Signale.
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5 zeigt
ein zweites schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel der Strommessanordnung.
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6 veranschaulicht
die Ansteuerschaltung, die einen Regler und eine der Anzahl der
Wandlerstufen entsprechende Anzahl Wandlereinheiten aufweist, die
jeweils ein pulsweitenmoduliertes Messsignal in ein Digitalsignal
umsetzen.
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7 zeigt ein Realisierungsbeispiel einer Wandlereinheit
zur Umsetzung eines pulweitenmodulierten Signals in ein digitales
Signal (7a) und zeitliche Verläufe ausgewählter in
der Wandlereinheit vorkommender Signale (7b).
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8 zeigt
ein Realisierungsbeispiel einer Ausgangsstufe der Ansteuerschaltung.
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9 veranschaulicht
zeitliche Verläufe
der Ansteuersignale der einzelnen Wandlerstufen.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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Bezugnehmend
auf 1 weist der erfindungsgemäße Schaltwandler mehrere Wandlerstufen 11, 12, 1n auf.
Die einzelnen Wandlerstufen umfassen jeweils Spannungsversorgungsanschlüsse zum
Anschließen
an eine Versorgungsspannung, die zwischen einer Klemme für ein erstes
Versorgungspotential V+ und einer Klemme für ein zweites Versorgungspotential
anliegt, einen Steueranschluss zum Zuführen eines Ansteuersignals
S11, S12, S1n, einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines Ausgangsstromes
I1, I2, In und einen Messanschluss zum Bereitstellen eines von dem
jeweiligen Ausgangsstrom I1, I2, In abhängigen Strommesssignals S21,
S22, S2n aufweisen. Wenngleich bei dem Schaltwandler gemäß 1 lediglich
drei Wandlerstufen 11, 12, 1n dargestellt
sind, sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich beliebig viele Wandlerstufen
parallel geschaltet werden können,
die jeweils an die Versorgungsspannung angeschlossen sind, denen
jeweils ein Ansteuersignal zugeführt
ist und die jeweils einen Ausgangsstrom und ein von dem Ausgangsstrom
abhängiges
Messsignal bereitstellen.
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Die
Ausgänge
der einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n,
an denen die Ausgangsströme
I1, I2, In zur Verfügung
stehen, sind gemeinsam an eine Ausgangsklemme OUT des Schaltwandlers
angeschlossen, an die eine Last Z anschließbar ist. Aufgabe des Schaltwandlers
ist es, eine wenigstens annäherungsweise
konstante Ausgangsspannung Vout für die Last zur Verfügung zu
stellen. Der zur Aufrechterhaltung der Ausgangsspannung Vout erforderliche,
von der Last Z aufgenommene Ausgangsstrom Iout wird hierbei gemeinsam
von den einzelnen Wandlerstufen 11, 12 In zur
Verfügung
gestellt wird.
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Zur
Ansteuerung der einzelnen Wandlerstufen 11, 12 In
ist eine Ansteuerschaltung 20 vorgesehen, die die Ansteuersignale
S11, S12, S1n für
die einzelnen Wandlerstufen bereitstellt. Aufgabe dieser Ansteuerschaltung
ist es dabei, die einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n so
anzusteuern, dass die Ausgangsspannung Vout lastunabhängig konstant
gehalten wird und dass die einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n wenigstens
annähernd
gleiche Ausgangsströme
I1, I2, In bereitstellen. Zur Regelung der Ausgangsspannung Vout
ist der Ansteuerschaltung 20 ein von der Ausgangsspannung
Vout abhängiges Ausgangssignal
Sout zugeführt.
Dieses Ausgangssignal Sout stimmt in dem dargestellten Beispiel
mit der Ausgangsspannung Vout überein,
kann jedoch in nicht näher
dargestellter Weise auch mittels eines Spannungsteilers aus der
Ausgangsspannung Vout erzeugt werden. Zur Regelung der Strombelastung der
einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n sind
der Ansteuerschaltung 20 Strommesssignale S21, S22, S2n
von den einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n zugeführt, die
von dem Ausgangsstrom I1, I2, In der jeweiligen Wandlerstufe 11, 12,
In abhängig
sind.
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Die
Wandlerstufen 11, 12, 1n sind dazu ausgebildet,
pulsweitenmodulierte Strommesssignale S21, S22, S2n zur Verfügung zu
stellen. Die Information über
die Amplitude des jeweiligen Ausgangsstromes I1, I2, In ist hierbei
in der Pulsdauer bzw. in dem Duty-Cycle des jeweiligen pulsweitenmodulierten Messsignals
S21, S22, S2n enthalten. Die Übertragung
der Informationen über
die Ausgangsströme
I1, I2, In der einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n mittels pulsweitenmodulierter
Signale an die Ansteuerschaltung 20 bietet den Vorteil,
dass pulsweitenmodulierte Signale anders als amplitudenmodulierte
Signale in der Ansteuerschaltung 20 vergleichsweise einfach
in digitale Messsignale zur weiteren Verarbeitung gewandelt werden
können.
Ein A/D-Wandler zur Wandlung eines amplitudenmodulierten Signals
in ein digitales Signal ist bei dem erfindungsgemäßen Schaltwandler
lediglich zur Wandlung des analogen Ausgangssignals Sout in ein
digitales Ausgangssignal DSout, der der Ansteuerschaltung 20 vorgeschaltet ist,
erforderlich.
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Die
einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n sind beispielsweise
als Tiefsetzsteller (Buck Converter) ausgebildet, wie anhand von 2 veranschaulicht wird. 2 zeigt
beispielhaft eine beliebige der Wandlerstufen 11, 12, 1n,
die in 2 mit dem Bezugszeichen 1x bezeichnet
ist. Die Signale S1x, S2x und Ix stehen entsprechend für eines
der Ansteuersignale S11, S12, S1n, eines der Messsignale S21, S22,
S2n und einen der Ausgangsströme
I1, I2, In. Die als Tiefsetzsteller ausgebil dete Wandlerstufe umfasst
zwei Transistoren T1, T2, die in dem Beispiel als MOSFET ausgebildet
sind, und deren Laststrecken zwischen das erste Versorgungspotential
V+ und das zweite Versorgungspotential GND geschaltet sind. Das
erste Versorgungspotential V+ ist hierbei beispielsweise ein positives
Versorgungspotential, während
das zweite Versorgungspotential ein Bezugspotential, insbesondere
Masse ist. An einen den beiden Transistoren T1, T2 gemeinsamen Lastanschluss
ist eine Induktivität
Lout angeschlossen, die von dem Ausgangsstrom Ix durchflossen wird.
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Die
beiden Transistoren T1, T2 sind durch eine Treiberschaltung 60 nach
Maßgabe
des Ansteuersignals S1x angesteuert. Die Treiberschaltung 60 setzt
das Ansteuersignal S1x in Ansteuersignale ST1, ST2 mit geeigneten
Pegeln für
die beiden Transistoren T1, T2 um und stellt dabei sicher, dass
die beiden Transistoren T1, T2 nie gleichzeitig leiten. Der Ausgangsstrom
Ix der Wandlerstufe ist maßgeblich bestimmt
durch den Duty-Cycle der Ansteuerung des ersten Transistors T1,
also das Verhältnis
zwischen Einschaltdauer und Periodendauer einer Ansteuerperiode
dieses ersten Transistors T1. Der Duty-Cycle des Ansteuersignals ST1 des ersten
Transistors T1 entspricht vorzugsweise dem Duty-Cycle des Ansteuersignals
S1x. Es sei darauf hingewiesen, dass die Treiberschaltung 60 auch
Bestandteil der Ansteuerschaltung 20 sein kann, so dass
die Ansteuerschaltung 20 für jede der Wandlerstufen zwei
Ansteuersignale liefert, nämlich
ein erstes Ansteuersignal für
den jeweiligen ersten Transistor T1 und ein zweites Ansteuersignal
für den
jeweiligen zweiten Transistor T2.
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Der
zweite Transistor T2 dient lediglich als Freilaufelement für die Induktivität Lout bei
sperrendem ersten Transistor T1 und kann in hinlänglich bekannter Weise auch
durch eine Diode ersetzt werden.
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Die
Wandlerstufe 1x umfasst weiterhin eine Strommessanordnung 30,
die an die Lastanschlüsse und
den Steueranschluss des ersten Transistors T1 gekoppelt ist, und
die ein pulsweitenmoduliertes Strommesssignal S2x bereitstellt.
Ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel einer solchen Messanordnung 30 ist
in 3 dargestellt.
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Diese
Messanordnung funktioniert nach dem sogenannten Stromsense-Prinzip
und umfasst einen dritten Transistor T3, dessen Steueranschluss
an den Steueranschluss des ersten Transistors T1 angeschlossen ist
und dessen erster Lastanschluss an den entsprechenden Lastanschluss
des ersten Transistors T1 angeschlossen ist. Weiterhin ist eine
Regelanordnung mit einem Operationsverstärker 31 und einem
vierten Transistor T4 vorgesehen, die bewirkt, dass der dritte Transistor
T3 im selben Arbeitspunkt wie der erste Transistor T1 betrieben
wird, so dass ein den dritten Transistor T3 durchfließender Messstrom
Im zu einem den ersten Transistor T1 durchfließenden Laststrom Iin proportional
ist. Der Proportionalitätsfaktor
ergibt sich aus dem Flächenverhältnis der
beiden Transistoren, wobei der als Lasttransistor dienende erste
Transistor T1 üblicherweise
eine wesentlich größere Transistorfläche als der
Messtransistor T3 aufweist. Übliche
Flächenverhältnisse
liegen im Bereich von 3000:1. Zur Einstellung des Arbeitspunktes
des Messtransistors T3 ist die Laststrecke des vierten Transistors
T4 zwischen den zweiten Lastanschluss des dritten Transistors T3 und
Bezugspotential GND geschaltet. Der Operationsverstärker 31 vergleicht
das Potential an dem zweiten Lastanschluss des ersten Transistors
T1 mit dem Potential an dem zweiten Lastanschluss des Messtransistors
T3 und steuert den vierten Transistor T4 derart an, dass diese Potentiale
gleich sind, wodurch die beiden Transistoren T1, T3 im selben Arbeitspunkt
betrieben werden.
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Der
erste, dritte und vierte Transistor T1, T3, T4 sind beispielsweise
als n-Kanal-Transistor ausgebildet, deren Gate-Anschluss den Steueranschluss, deren
Drain-Anschluss den ersten Lastanschluss und deren Source-Anschluss
den zweiten Lastanschluss bildet.
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Der
Gate-Anschluss G des vierten Transistors ist an den Ausgang des
Operationsverstärkers 31 gekoppelt
ist, und dessen Source-Anschluss liegt auf Bezugspotential GND.
Für die
Regelung der Arbeitspunkte des ersten und dritten Transistors T1,
T3 jeweils auf denselben Arbeitspunkt, d.h. für die Regelung der Source-Potentiale
dieser Transistoren T1, T3 auf den denselben Wert stellt sich zwischen
Gate und Source G, S des vierten Transistors T4 eine Gate-Source-Spannung
Vgs4 ein, die über
die Kennlinie des vierten Transistors T4 zu dem den vierten Transistor
T4 durchfließenden
Messstrom Im in Beziehung steht. Die Messanordnung 30 nutzt
diese Gate-Source-Spannung
Vgs4 als Maß für den zu dem
Laststrom Iin proportionalen Messstrom Im und zur Erzeugung des
pulsweitenmodulierten Strommesssignals S2x. Der vierte Transistor
T4 funktioniert hierbei als Strom-Spannungswandler.
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Zur
Ermittlung und Weiterverarbeitung dieser Gate-Source-Spannung Vgs4 ist
ein kapazitives Speicherelement 39, im vorliegenden Fall
ein Kondensator, vorgesehen, der nach Maßgabe des Ansteuersignals ST1
des ersten Transistors T1 parallel zur Gate-Source-Strecke Vgs4
des vierten Transistors T4, d.h. zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 31 und
Bezugspotential GND geschaltet ist. Zwischen diesen Ausgang des
Operationsverstärkers 31 und
das kapazitive Speicherelement 39 ist ein erster Schalter 32 geschaltet,
der bei leitend angesteuertem ersten Transistor T1 geschlossen ist, wodurch
eine Spannung V39 über
dem Kondensator 39 der Gate-Source-Spannung Vgs4 des vierten Transistors
T4 folgt.
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Diese
Kondensatorspannung V39 wird mittels eines Komparators 35 mit
einer durch eine Referenzspannungsquelle 36 bereitgestellten
Referenzspannung REF verglichen. Der Ausgang des Komparators 35 steuert
den Rücksetzeingang
R eines RS-Flip-Flops
an, dessen Setz-Eingang durch das Ansteuersignal ST1 des ersten
Transistors T1 angesteuert ist. An einem Ausgang Q dieses Flip-Flops steht
das pulsweitenmodulierte Stromsignal S2x zur Verfügung.
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Der
Kondensator C39 ist außerdem über einen
zweiten Schalter 33 und eine Entladestromquelle 34 an
Bezugspotential GND angeschlossen. Der zweite Schalter 33 ist
komplementär
zu dem ersten Schalter 32 angesteuert und dient dazu den
Kondensator 39 nach Sperren des ersten Transistors T1 für einen
nachfolgendem Messvorgang zu entladen. Eine Ermittlung des Ausgangsstromes
Ix findet bei dieser Messanordnung nur bei eingeschaltetem ersten
Transistor T1 statt, wobei der den ersten Transistor T1 durchfließende Laststrom
Iin dabei dem Ausgangsstrom Ix entspricht.
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Die
Funktionsweise der Strommessanordnung 30 gemäß 3 wird
nachfolgend anhand zeitlicher Verläufe des Ansteuersignals ST1
des ersten Transistors T1, der Last- und Messströme Iin, Im, der Kondensatorspannung
V39 und des Messsignals S2x näher
erläutert.
Für die
Darstellung wird davon ausgegangen, dass der erste Transistor T1
bei einem High-Pegel des Ansteuersignals ST1 leitet und bei einem
Low-Pegel dieses Ansteuersignals sperrt. Für die Darstellung wird weiterhin
davon ausgegangen, dass der Schalter T1 zuvor bereits eingeschaltet
war und dass die Induktivität
Lout zwischen einzelnen Einschaltvorgängen nicht vollständig abkommutiert, so
dass der Laststrom Iin durch den ersten Transistor T1 bei Einschalten
des ersten Transistors T1 unmittelbar auf einen Wert ungleich Null
ansteigt. Ausgehend von diesem Anfangswert steigt der Laststrom Iin,
und entsprechend der zu dem Laststrom Iin proportionale Messstrom
Im mit zunehmender Einschaltdauer annähernd linear an.
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Entsprechend
des Messstromes Im nimmt auch die Gate-Source-Spannung Vgs4 des vierten Transistors
T4 und damit die Kondensatorspannung V39 mit Einschalten des ersten
Transistors T1 rasch einen Anfangswert an, ausgehend von dem diese Spannung
mit zunehmenden Messstrom Im ebenfalls ansteigt. Es sei darauf hingewiesen,
dass der Zusammenhang zwischen dem Messstrom Im und der Gate-Source-Spannung
Vgs4 grundsätzlich
nicht linear ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde jedoch
von einer solchen linearen Abhängigkeit
des Messstromes Im von der Gate-Source-Spannung Vgs4 ausgegangen.
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Mit
einer steigenden Flanke des Ansteuersignals ST1 wird das Flip-Flop 37 gesetzt,
wodurch das Messsignal S2x einen High-Pegel annimmt. Das Flip-Flop 37 bleibt
dabei gesetzt, bis die Kondensatorspannung V39 den Wert des Referenzsignals
REF erreicht. Mit Rücksetzen
dieses Flip-Flops 37 nimmt das Messsignal S2x einen Low-Pegel
an. Die Pulsdauer der einzelnen Impulse des Messsignals ist somit
abhängig
von der Zeitdauer zwischen dem Einschalten des ersten Transistors
T1 und dem Erreichen der Referenzspannung REF durch die Kondensatorspannung
V39. Bei einer angenommenen Linearität zwischen dem Messstrom Im
und der Kondensatorspannung V39 ist diese Zeitdauer unmittelbar proportional
zu der mittleren Stromaufnahme während
der Einschaltdauer des ersten Transistors T1, und damit unmittelbar
proportional zu dem Ausgangsstrom Ix. Wegen der Nicht-Linearität zwischen dem
Messstrom Im und der Kondensatorspannung V39 ist diese Zeitdauer
nicht proportional zu dem mittleren Ausgangsstrom Ix der Wandlerstufe.
Dies stellt allerdings keinen Nachteil bezüglich eines korrekten Funktionierens
des Schaltwandlers dar, da es für
die Regelung der Stromaufnahme der einzelnen Wandlerstufen nicht
relevant ist, den tatsächlich
fließenden
Ausgangsstrom zu ermitteln, sondern da es lediglich relevant ist,
eine Information dahingehend zu erhalten, ob die Wandlerstufen gleiche
Ausgangsströme
liefern, bzw. welcher) der Wandlerstufen einen kleineren oder größeren Strom
liefern. Bei gleichen Ausgangsströmen I1, I2, In sind die Pulsdauern der
pulsweitenmodulierten Signale S21, S22, S2n aller Wandlerstufen
gleich. Liefert eine Wandlerstufe einen geringeren Ausgangsstrom
I1, I2, In als die anderen Wandlerstufen, so resultiert hieraus
eine längere
Pulsdauer des jeweiligen Messsignals, da eine Zeitdauer zwi schen
dem Einschalten des ersten Transistors T1 und einem Erreichen der
Referenzspannung REF entsprechen größer ist.
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Als
Kondensator 39, dessen Spannung V39 mit der Referenzspannung
REF verglichen wird, kann insbesondere die Gate-Source-Kapazität eines MOS-Transistors
verwendet werden, wie in 3 veranschaulicht ist.
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Selbstverständlich können beliebige
weitere Strom-Spannungswandler
in der Messanordnung 30 zur Umsetzung des Messstroms Im
in einen Spannungswert vorgesehen werden.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Strommessanordnung, bei der ein Widerstand 40 in Reihe
zu dem vierten Transistor T4 geschaltet ist. Dieser Widerstand 40 liefert
ein zu dem Messstrom Im proportionales Spannungssignal V40, das
entsprechend der Kondensatorspannung V39 gemäß 3 durch
den Komparators 35 mit der Referenzspannung REF verglichen
wird. Bei dieser Ausführungsform
besteht eine Linearität
zwischen der Dauer der Impulse des Messsignals S2x und dem Messstrom
Im.
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6 veranschaulicht
ein Beispiel für
die Ansteuerschaltung 20 zur Erzeugung der Ansteuersignale
S11, S12, S2n aus dem digitalen Ausgangssignal DSout und den pulsweitenmodulierten
Strommesssignalen S21, S22, S2n.
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Die
Ansteuerschaltung weist einen digitalen Regler 21 auf,
der beispielsweise als PI-Regler ausgebildet ist, und dem das digitale
Ausgangssignal DSout und ein zweiter Referenzwert REF2 zugeführt sind.
Dieser zweite Referenzwert REF2 repräsentiert einen Sollwert für die Ausgangsspannung
Vout des Schaltwandlers. Am Ausgang dieses digitalen Reglers 21 steht
ein digitales Regelsignal RS zur Verfügung, das in noch erläuterter
Weise zur Erzeugung der Ansteuersignale S11, S12, S1n für die einzelnen Wandler
herangezogen wird. Die Ansteuerschaltung umfasst außerdem weiterhin
Wandlereinheiten 221, 222, 22n, zur Umsetzung
pulsweitenmodulierter Signale in digitale Signale denen jeweils
eines der pulsweitenmodulierten Strommesssignale S21, S22, S2n zugeführt sind,
und die jeweils ein digitales Messsignal S221, S222, S22n bereitstellen.
Jedes dieser digitalen Strommesssignale S221, S222, S22n wird mittels
eines Addierers 231, 232, 23n zu dem
digitalen Regelsignal RS addiert, um digitale Steuersignale S31,
S32, S3n für
die einzelnen Wandlerstufen zur Verfügung zu stellen. Diese digitalen
Steuersignale S31, S32, S3n werden einer Ausgangsstufe 24 der Ansteuerschaltung
zugeführt,
die diese digitalen Steuersignale in pulsweitenmodulierte Ansteuersignale
S11, S12, S1n für
die einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n umsetzt.
Der Duty-Cycle jedes dieser Ansteuersignale S11, S12, S1n ist dabei
von einem der digitale Steuersignale D31, S32, S3n abhängig.
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Vorzugsweise
ist die Ausgangsstufe 24 der Ansteuerschaltung dazu ausgebildet,
die einzelnen Wandlerstufen zeitlich versetzt zueinander anzusteuern,
wie in 9 dargestellt ist. 9 zeigt
die Ansteuersignale S11, S12, S1n der einzelnen Wandlerstufen während einer
Periode T innerhalb derer jede Wandlerstufe genau einmal angesteuert
wird. Wie ersichtlich ist, sind Ansteuerimpulse der einzelnen Ansteuersignale
S11, S12, S1n zeitlich zueinander versetzt, so dass während einer
Zeitdauer nur jeweils eine der Wandlerstufen angesteuert ist. Die
Zeitdauern t11, t12, t1n der Ansteuerung sind dabei abhängig von
den zugehörigen
digitalen Steuersignalen S31, S32, S3n, das heißt, die Ansteuerdauer t11 der ersten
Wandlerstufe ist abhängig
von dem digitalen Steuersignal S31, die Zeitdauer t12 ist abhängig von dem
digitalen Steuersignal S32 und die Zeitdauer t1n ist abhängig von
dem digitalen Steuersignal S3n. Bei Verwendung von Tiefsetzstellern
gemäß 2 in den
Wandlerstufen entsprechen die Ansteuerdauern t11, t12, t1n jeweils
den Einschaltdauern des ersten Transistors T1 der jeweiligen Wandlerstufe.
Die Ansteuerdauern t11, t12, t1n beeinflussen unmittelbar die Stromaufnahme
der jeweiligen Wandlerstufe, wobei gilt, dass die Stromaufnahme
der jeweiligen Wandlerstufe um so größer ist, je länger die
Ansteuerdauer ist.
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Die
digitalen Steuersignale S31, S32, S3n enthalten eine von der Ausgangsspannung
Vout abhängige,
aus dem Regelsignal RS resultierende Komponente und eine aus dem
Ausgangsstrom I1, I2, In der jeweiligen Wandlerstufe 11, 12, 1n resultierende
Komponente. Ist der Ausgangsstrom I1, I2, In einer der Wandlerstufen 11, 12, 1n kleiner
als der Ausgangsstrom I1, I2, In der anderen Wandlerstufen 11, 12, 1n,
so resultiert hieraus eine grö0ßere Pulsdauer
des zugehörigen
Strommesssignals S21, 522, S2n und ein größeres digitales Steuersignal
S31, S32, S3n. Dies hat zur Folge, dass die Einschaltdauer der jeweiligen
Wandlerstufe 11, 12, 1n während einer
Ansteuerperiode T vergrößert wird,
mit der Folge, dass der Ausgangsstrom I1, I2, In der Wandlerstufe steigt,
um sich den Ausgangsströmen
der anderen Wandlerstufen anzugleichen.
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Sinkt
die Ausgangsspannung Vout, beispielsweise bedingt durch eine höhere Stromaufnahme
der Last, so vergrößert sich
das digitale Regelsignal, woraus eine gleichmäßige Vergrößerung der digitalen Steuersignale
S31, S32, S3n resultiert, wodurch die Ausgangsströme I1, I2,
In aller Wandlerstufen gleichermaßen erhöht werden. Bei einem Ansteigen
der Ausgangsspannung Vout werden die Ausgangsströme aller Wandlerstufen entsprechend
verkleinert.
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7a zeigt
ein Realisierungsbeispiel für
die Wandlereinheiten 221, 222, 22n, zur
Umwandlung der pulsweitenmodulierten Messsignale S21, S22, S2n in
digitale Messwerte S221, S222, S22n. Das Bezugszeichen 22x in 7 steht für eine beliebige dieser Wandlereinheiten,
S2x steht für
ein beliebiges der pulsweitenmodulierten Messsignale und S22x steht
für einen
der digitale Messwerte. Die Wandlereinheit umfasst einen digitalen
Zähler 45 mit
einem Freigabeeingang 451, einem Rücksetzeingang 452 und
einem Taktsignaleingang 453. Dem Freigabeeingang 451 ist
dabei das pulsweitenmodulierte Mess signal S2x zugeführt. Der
Zähler 45 ist
dazu ausgebildet, bei einem vorgegebenen Pegel des pulsweitenmodulierten
Signals, beispielsweise dem High-Pegel, nach Maßgabe des Taktsignals CLK ausgehend
von einem Anfangswert hochgezählt
zu werden. Dieser Anfangswert, auf den der Zähler bei Anlegen eines Rücksetzsignals
an dem Rücksetzeingang 452 zurückgesetzt
wird, ist vorzugsweise Null. Die Frequenz bzw. die Periodendauer
des Taktsignals CLK ist so auf die durch die Wandlerstufen bereitgestellten
pulsweitenmodulierten Messsignale S2x abgestimmt, dass die Periodendauer
des Taktsignals CLK kleiner ist als die minimale Pulsdauer des pulsweitenmodulierten
Signals S2x.
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Die
Funktionsweise dieser Wandlereinheit wird nachfolgend unter Verwendung
von 7b erläutert. 7b veranschaulicht
zeitliche Verläufe
des pulsweitenmodulierten Messsignals S2x, des Taktsignals CLK sowie
eines an einem Ausgangs 454 des Zählers zur Verfügung stehenden
digitalen Zählerwertes
S45. Der Zähler 45 wird
nach einer steigenden Flanke des pulsweitenmodulierten Signals S2x mit
jedem Takt des Taktsignals CLK inkrementiert, vorzugsweise jeweils
um den Wert Eins. Der Zählerstand
S45 wird am Ende der Pulsdauer in einem dem Zähler 45 nachgeschalteten
Register 46 abgespeichert. Hierzu ist einem Ladeingang
des Registers 46 das invertierte pulsweitenmodulierte Messsignal
S2x zugeführt,
um am Ende der Pulsdauer den von dem Zähler 45 zur Verfügung gestellten
Zählerwert
S45 zu speichern. Nach Ablauf einer Verzögerungsdauer τ nach der
fallenden Flanke des Messsignals S2x wird der Zähler 45 wieder auf
den Anfangswert, vorzugsweise Null, zurückgesetzt. Hierzu ist dem Rücksetzeingang 452 des
Zählers 45 das
invertierte und mittels eines Verzögerungsglieds 44 verzögerte Messsignal
S2x zugeführt.
Am Ausgang des Registers 46 steht das digitale Messsignal
S22x zur weiteren Verarbeitung in der Ansteuerschaltung zur Verfügung. Optional
ist dem Register 46 ein Dividierer 47 nachgeschaltet,
der zur Skalierung des zu dem digitalen Regelsignal RS addierten
digitalen Strommesswertes S2x dient, um die Amplituden des Regelsignals RS
und der digitalen Strommesssignale S21, S22, S2n aufeinander abstimmen
zu können.
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Ein
Realisierungsbeispiel der Ausgangsstufe 24 der Ansteuerschaltung
ist in 8 dargestellt. Diese Ausgangsstufe 24 ist
als Pulsweitenmodulatoranordnung ausgebildet und umfasst eine der
Anzahl der anzusteuernden Wandlerstufe entsprechende Anzahl digitaler
Pulsweitenmodulatoren zur Umwandlung der digitalen Steuersignale
S31, S32, S3n in pulsweitenmodulierte Signale S11, S12, S1n, wobei
die Pulsdauern der einzelnen Impulse dieser pulsweitenmodulierten
Signale jeweils von einem der digitalen Steuersignale S31, S32,
S3n abhängig
sind.
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Diese
Wandlereinheiten 241, 242, 24n können in
nicht näher
dargestellter Weise beispielsweise jeweils unter Verwendung eines
Rückwärtszählers realisiert
werden, der mit dem jeweiligen digitalen Steuersignalwert geladen
wird und der nach Maßgabe
eines Taktsignals bis auf einen vorgegebenen Endwert, vorzugsweise
Null, heruntergezählt
wird. Die Impulsdauer eines Impulses des Ansteuersignals S11, S12,
S1n entspricht dabei der Zeitdauer, die für das Herunterzählen des
Zählers
ausgehend von dem Anfangswert benötigt wird.
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Die
Ausgangsstufe umfasst weiterhin eine Steuerschaltung 25,
die die einzelnen Modulatoren 241, 242, 24n ansteuert,
um jeweils die Anfangszeitpunkte der einzelnen Impulse der Ansteuersignale festzulegen,
wobei die Steuerschaltung 25 insbesondere dahingehend ausgebildet
ist, die einzelnen Wandlereinheiten 241, 242, 24n zeitlich
versetzt zueinander anzusteuern, um eine zeitliche Abfolge der Ansteuerimpulse
der einzelnen Wandlerstufen gemäß 9 zu
erreichen.
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- 11,
12, 1n
- Wandlerstufen
- 1x
- Wandlerstufe
- 20
- Ansteuerschaltung
- 21
- Regler
- 221,
222, 22n
- Wandlereinheiten
- 231,232,
23n
- Addierer
- 24
- Ausgangsstufe
- 241,
242, 24n
- Wandlereinheiten
- 25
- Steuerschaltung
- 30
- Strommessanordnung
- 31
- Operationsverstärker
- 32,
33
- Schalter
- 34
- Stromquelle
- 35
- Komparator
- 36
- Referenzspannungsquelle
- 37
- Flip-Flop
- 38
- Inverter
- 39
- Kondensator
- 40
- Widerstand
- 44
- Verzögerungsglied
- 45
- Zähler
- 451
- Freigabeeingang
des Zählers
- 452
- Rücksetzeingang
des Zählers
- 453
- Takteingang
des Zählers
- 454
- Ausgang
des Zählers
- 46
- Register
- 47
- Dividierer
- 48
- Inverter
- 50
- Analog-Digital-Wandler
- DSout
- digitales
Ausgangssignal
- GND
- Bezugspotential
- I1,
I2, In
- Ausgangsströme der Wandlerstufen
- Iout
- Ausgangsstrom
- Ix
- Ausgangsstrom
- Lout
- Induktivität
- OUT
- Ausgangsklemme
- REF
- Referenzspannung
- S11,
S12, S1n
- Ansteuersignale
- S1x
- Ansteuersignal
- S21,
S22, S2n
- pulsweitenmodulierte
Strommesssignale
- S221,
S222, S22n
- digitale
Strommesssignale
- S2x
- pulsweitenmoduliertes
Strommesssignal
- S31,
S32, S3n
- digitale
Steuersignale
- S45
- Zählerausgangssignal
- Sout
- analoges
Ausgangssignal
- ST1,
ST2
- Transistoransteuersignale
- T1,
T2
- Transistoren
- T3,
T4
- Transistoren
- V+
- Versorgungspotential
- Vout
- Ausgangsspannung
- Z
- Last