DE102004038597A1

DE102004038597A1 - Aktive Spannungsabfalloptimierung für LDO-Regler mit Stromsteuerung

Info

Publication number: DE102004038597A1
Application number: DE102004038597A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Thiele; Erich Bayer
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2004-08-06
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-08-07
Also published as: US7282895B2; DE102004038597B4; US20060033481A1

Abstract

Ein Gleichstromumrichter umfasst einen linearen Spannungsregler für die Verminderung oder Beseitigung der Ausgangsrestwelligkeit des Umrichters mit minimalem Wirkungsgradverlust. Der Umrichter umfasst eine Umsetzerstufe mit einem Versorgungsspannungseingang, einem umgewandelten Spannungsausgang und einem Steuereingang, eine Reglerstufe mit einem Eingang, der mit dem umgewandelten Spannungsausgang der Umsetzerstufe verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einer Last verbunden ist, und eine Verfolgerschaltung mit Eingängen für eine Spannung am umgewandelten Spannungsausgang der Umsetzerstufe, eine Spannung am Ausgang der Reglerstufe und einen Lastmessstrom, und einem Ausgang, der mit dem Steuereingang der Umsetzerstufe verbunden ist. Die Verfolgerschaltung steuert die Umsetzerstufe so, dass die umgewandelte Spannung mit zunehmendem Lastmessstrom zunimmt und umgekehrt. Die Ausgangsspannung des Umrichters ist immer gerade ausreichend, um die Restwelligkeit zu beseitigen, ohne dass der Durchgangstransistor des Reglers in seinem linearen Bereich betrieben werden muss.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstromumrichter mit einem Linearregler für die Verminderung der Ausgangsrestwelligkeit des Umrichters.
Die Ausgangsspannung eines herkömmlichen, getaktet arbeitenden Gleichstromumrichters weist normalerweise eine erhebliche Restwelligkeit auf. Dies gilt vor allem für Umrichter mit Hysteresesteuerung. Wenn eine solche Restwelligkeit für eine bestimmte Anwendung nicht toleriert werden kann, wird ein Linearregler zwischen den Ausgang der Umsetzerstufe und die Last zwischengeschaltet, um die Restwelligkeit zu beseitigen. Da der Spannungsregler keine Kenntnis von den Lastanforderungen hat, wird die Ausgangsspannung des Umrichters auf einen Pegel eingestellt, der ausreicht, damit der Regler die Restwelligkeit unter allen Lastbedingungen beseitigen kann. Als Folge dessen arbeitet der Laststrom-Durchgangstransistor im Spannungsregler normalerweise in einem ungesättigten Zustand, wodurch ein erheblicher Wirkungsgradverlust entsteht.
Die vorliegende Erfindung bietet einen Gleichstromumrichter mit einem Linearregler für die Verminderung der Ausgangsrestwelligkeit des Umrichters mit minimalem Wirkungsgradverlust. Konkret umfasst der erfindungsgemäße Umrichter eine Umsetzerstufe mit einem Versorgungsspannungseingang, einem umgewandelten Spannungsausgang und einem Steuereingang, eine Reglerstufe mit einem Eingang, der mit dem umgewandelten Spannungsausgang der Umsetzerstufe verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einer Last verbunden ist, und eine Verfolgerschaltung mit Eingängen für eine Spannung am umgewandelten Spannungsausgang der Umsetzerstufe, eine Spannung am Ausgang der Reglerstufe und einen Lastmessstrom, und einem Ausgang, der mit dem Steuereingang der Umsetzerstufe verbunden ist. Die Verfolgerschaltung steuert die Umsetzerstufe so, dass die umgewandelte Spannung mit zunehmendem Lastmessstrom zunimmt und umgekehrt. Dementsprechend ist die Ausgangsspannung des Umrichters immer gerade ausreichend, um die Restwelligkeit zu beseitigen, ohne dass der Durchgangstransistor des Reglers in seinem linearen Bereich betrieben werden muss.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Linearregler einen Laststrom-Durchgangstransistor in MOS-Technologie, und die Verfolgerschaltung steuert die Umsetzerstufe so, dass die Spannung am umgewandelten Spannungsausgang der Umsetzerstufe gerade ausreicht, um einen Betrieb des Laststrom-Durchgangstransistors in einem ungesättigten Zustand zu vermeiden. Da ein MOS-Leistungstransistor im gesättigten Zustand so gut wie keinen Spannungsverlust aufweist, wird ein Wirkungsgradverlust vermieden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen:
stellt 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Gleichstromumrichters dar; und
2 ist ein Schaltplan des Umrichters.
Der Gleichstromumrichter in 1 besteht aus einer Umsetzerstufe 10, einem LDO-Regler (Low Dropout Regulator oder Linear Dropout Regulator) mit Stromsteuerung 12 und einer Spannungsabfall-Verfolgerschaltung 14.
Eine Eingangsspannung V_IN eines Systems wird zu einer bestimmten Ausgangsumrichterspannung bei V_BOOT (siehe 1) umgewandelt (über einen Abwärts-, Aufwärtswandler, eine Ladepumpe...). Ein LDO-Regler mit Stromsteuerung wandelt die relativ hohe Welligkeitsspannung bei V_BOOT auf eine niedrige Welligkeitsspannung bei V_MAIN um. Die Spannungsabfall- Verfolgerschaltung vergleicht die Spannungen V_BOOT und V_MAIN und sendet ein Steuersignal, das vom Laststrom I_LOAD abhängt, an den Spannungswandler (z.B. um das Tastverhältnis des Spannungswandlers zu ändern). Das Ziel dieser Konfiguration ist eine niedrige Ausgangswelligkeitsspannung V_MAIN ohne hohe Wirkungsgradverluste. Um die Wirkungsgradverluste möglichst gering zu halten, wird der Spannungsabfall des LDO-Reglers über die Spannungsabfall-Verfolgerschaltung geregelt.
Unter Bezugnahme auf 2 wird als nächstes der LDO-Regler mit Stromsteuerung 12 beschrieben.
Die kompensierte (C_C, R_C) gm-Stufe des LDO-Reglers mit Stromsteuerung vergleicht die Rückkopplungsspannung im Teiler R2 und R3 mit einer Referenzspannung V_REF. Der Ausgang der gm-Stufe steuert den Sourcefolger M1. Dieser Folger arbeitet als Spannungs-Strom-Wandler. Der Strom durch R1 wird über M2 mit einer Stromverstärkung k an den Durchgangstransistor M3 gespiegelt. Abhängig von der Ausgangslast des LDO-Reglers wird die Gate-Source-Spannung von M3 gesteuert. Der Messtransistor M4 sendet einen zu I_LOAD proportionalen Strom an die Spannungsabfall-Verfolgerschaltung.
Die Spannungsabfall-Verfolgerschaltung 14 enthält einen Hysteresekomparator, konkret vergleicht der Hysteresekomparator V_MAIN mit V_X = V_BOOT-dV. Die Offset-Spannung dV ist proportional zum Spannungsabfall des Durchgangselements M3 des LDO-Reglers. V_X hängt vom Laststrom ab. Bei höherem Laststrom nimmt dV zu, und der Komparator sendet ein Steuersignal an den Umrichter, damit V_BOOT erhöht wird. Dies bedeutet auch eine Zunahme der Spannungsabfallspannung (VDS) von M3.
Der Umrichter 10 wird durch einen Ausgang der Spannungsabfall-Verfolgerschaltung 14 gesteuert. Das von I_LOAD abhängige Steuersignal der Spannungsabfall-Verfolgerschaltung steuert die Umrichterausgangsspannung V_BOOT z.B. über eine Änderung des Tastverhältnisses. Abhängig vom Typ der „Spannungsabfall-Verfolgerschaltung" (Hysterese mit Komparator oder linear mit Operationsverstärker) könnte der Umrichter als Hysterese- oder lineargeregelter PWM-Wandler (z.B. Abwärts- oder Aufwärtswandler) arbeiten.
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind:

– Mit LDO-Regler mit Stromsteuerung extrem niedrige Ausgangswelligkeitsspannung (im Vergleich zu nur einem Umrichter)
– Minimierter Spannungsabfall im LDO-Regler zur Sicherstellung von Netzunterdrückungsfaktor und optimiertem Wirkungsgrad
– Für alle Wandler-Topologien möglich: Abwärts-, Aufwärtswandler, Ladepumpen...
– Der Wandler kann in einem PFM-Modus geregelt werden, ohne die Restwelligkeitseigenschaften zu opfern.

Claims

Gleichstromumrichter mit einem Linearregler für die Verminderung der Ausgangsrestwelligkeit des Umrichters, der eine Umsetzerstufe mit einem Versorgungsspannungseingang, einem umgewandelten Spannungsausgang und einem Steuereingang umfasst, eine Reglerstufe, mit einem Eingang, der mit dem umgewandelten Spannungsausgang der Umsetzerstufe verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einer Last verbunden ist, und eine Verfolgerschaltung mit Eingängen für eine Spannung am umgewandelten Spannungsausgang der Umsetzerstufe, eine Spannung am Ausgang der Reglerstufe und einen Lastmessstrom, und einem Ausgang, der mit dem Steuereingang der Umsetzerstufe verbunden ist, bei dem die Verfolgerschaltung die Umsetzerstufe so steuert, dass die umgewandelte Spannung mit zunehmendem Lastmessstrom zunimmt und umgekehrt.
Gleichstromumrichter aus Anspruch 1, bei dem der Linearregler einen Laststrom-Durchgangstransistor in MOS-Technologie enthält, und die Verfolgerschaltung die Umsetzerstufe so steuert, dass die Spannung am umgewandelten Spannungsausgang der Umsetzerstufe gerade ausreicht, um einen Betrieb des Laststrom-Durchgangstransistors in einem ungesättigten Zustand zu vermeiden.
Gleichstromumrichter aus Anspruch 2, bei dem der Linearregler eine Rückkopplungsschleife mit einem Komparator, die eine vom Ausgang des Reglers abgeleitete Rückkopplungsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht, und einem Ausgang enthält, der den Durchgangstransistor steuert.
Gleichstromumrichter gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem der Linearregler einen Stromspiegel enthält, der dem Durchgangstransistor zugeordnet ist und den Lastmessstrom liefert.