DE102006013524B4 - Schaltwandler mit mehreren Wandlerstufen - Google Patents

Abstract

Schaltwandler zur Erzeugung einer Ausgangsspannung (Vout) an einer Ausgangsklemme (Out) aus einer Eingangsspannung (Vin), der aufweist: – eine Regelanordnung (30) zur Bereitstellung eines von der Ausgangsspannung (Vout) abhängigen Regelsignals (Serr), – einen Ausgangskondensator (C) der an die Ausgangsklemme (Out) gekoppelt ist, – eine erste Wandlerstufe (1A) und wenigstens eine zweite Wandlerstufe (1B, 1C), die jeweils aufweisen: ein induktives Speicherelement (11A, 11B, 11C), eine Strommessanordnung (12A, 12B, 12C), die dazu ausgebildet ist, einen Strom (IL1, IL2, IL3) durch das induktive Speicherelement (11A, 11B, 11C) zu erfassen und ein zu diesem Strom proportionales Strommesssignal (Is1, Is2, Is3) bereitzustellen, einen Pulsweitenmodulator (16A, 15B, 16C), dem das Regelsignals (Serr) und das Strommesssignal (Is1, Is2, Is3) zugeführt sind und der ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM1, PWM2, PWM3) bereitstellt, eine Treiberschaltung, der das pulsweitenmodulierte Signal (PWM1, PWM2, PWM3) und die Eingangsspannung (Vin) zugeführt sind und die die Eingangsspannung (Vin) nach Maßgabe des pulsweitenmodulierten Signals...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltwandler mit mehreren Wandlerstufen.
• Zur Strom- und Spannungsversorgung einer Last mit einer hohen Stromaufnahme, wie beispielsweise einer CPU (Central Processing Unit) in einem Rechner, ist es bekannt, Schaltwandler zu verwenden, die mehrere parallel geschalteten Wandlerstufen aufweisen. Jeder dieser Wandlerstufen ist eine Eingangsspannung zugeführt und jede dieser Wandlerstufen stellt einen Teil des zur Versorgung der Last erforderlichen Gesamtstromes zur Verfügung. Die einzelnen Wandlerstufen umfassen jeweils ein induktives Speicherelement, an das nach Maßgabe eines pulsweitenmodulierten Signals, das für jede Wandlerstufe erzeugt wird, die Eingangsspannung angelegt wird. Eine Regelung der Stromaufnahme einer einzelnen Wandlerstufen erfolgt über das Tastverhältnis (Duty Cycle) des für die jeweilige Wandlerstufe erzeugten pulsweitenmodulierten Signals.
• Als Wandlerstufen eignen sich sowohl Wandlerstufen, die nach dem Stromregelprinzip (Current Mode, CM) funktionieren, als auch Wandlerstufen, die nach dem Spannungsregelprinzip (Voltage Mode, VM), funktionieren. Die grundsätzliche Funktionsweise dieser beiden Regelprinzipien ist beispielsweise in Tarter: ”Solid-State Power Conversion Handbook”, John Wiley & Sons, 1993, ISBN 0-471-57243-8, Seiten 484–495, beschrieben.
• CM-Wandlerstufen und VM-Wandlerstufen unterscheiden sich bezüglich der Erzeugung pulsweitenmodulierten Signals, das die Stromaufnahme der Wandlerstufen regelt. Gemeinsam ist beiden Regelprinzipien, dass zur Erzeugung des pulsweitenmodulierten Signals ein von der Ausgangsspannung abhängiges Regelsignal erzeugt wird.
• Bei einer CM-Wandlerstufe wird dieses Regelsignal mit einem Rampensignal verglichen, das proportional ist zu einem Stromfluss durch das induktive Speicherelement der Wandlerstufe. Die Steilheit der Flanken dieses Rampensignals ist hierbei von der Eingangsspannung und der Induktivität des induktiven Speicherelements der Wandlerstufe abhängig. Bei einer VM-Wandlerstufe ist ein separater Rampensignalgenerator für die Erzeugung des Rampensignals vorhanden.
• Ein Problem bei der Parallelschaltung mehrerer Wandlerstufen, die gemeinsam eine Last versorgen, besteht darin, dass gleiche Stromaufnahmen der Wandlerstufen ohne weitere Maßnahmen nur dann erreicht werden können, wenn die einzelnen Wandlerstufen identisch aufgebaut sind und wenn die zur Realisierung der Wandlerstufen verwendeten Bauelemente identisch dimensioniert sind. Voneinander abweichende Parameter der zur Realisierung der Wandlerstufen verwendeten Bauelemente führen zu ungleichen Strombelastungen der einzelnen Wandlerstufen. Dies kann im Extremfall dazu führen, dass einzelne Wandlerstufen überhitzen und dadurch beschädigt werden.
• Um eine gleichmäßige Stromverteilung zu erreichen, ist es beispielsweise aus der GB 2 012 501 A oder der US 6 674 325 A bekannt, eine Wandlerstufe als Master-Wandlerstufe festzulegen und den Ausgangsstrom dieser Wandlerstufe zu erfassen. Die übrigen Wandlerstufen sind Slave-Wandlerstufen, deren Ausgangsströme mit dem Ausgangsstrom der Master-Stufe verglichen werden. Ein den einzelnen Wandlerstufen über eine äußere Regelschleife zugeführtes, von der Ausgangsspannung abhängiges Regelsignal wird in den Slave-Wandlerstufen abhängig vom Vergleich des Ausgangsstromes der jeweiligen Wandlerstufe mit dem Ausgangsstrom der Master-Wandlerstufe korrigiert, um dadurch gleiche Stromaufnahmen der einzelnen Wandlerstufen zu erreichen.
• Weitere Konzepte zur Angleichung der Ausgangsströme mehrerer parallel geschalteter Wandlerstufen in einem Schaltwandler sind in der US 5 477 132 A oder der US 2003/0102849 A1 beschrieben.
• Die US 2004/0000894 A1 beschreibt einen nach dem Spannungsregelprinzip arbeitenden Schaltwandler, der mehrere Schaltwandlerstufen aufweist. Den einzelnen Wandlerstufen ist ein pulsweitenmoduliertes Signal zugeführt, das durch eine in jeder Wandlereinheit vorhandene Einstellschaltung (duty cycle trimmer) modifiziert wird, und zwar abhängig von der Differenz zwischen dem Ausgangsstrom der einzelnen Wandlerstufe und dem Mittelwert eines Gesamtausgangsstromes des Schaltwandlers.
• Die US 2004/0076027 A1 beschreibt einen weiteren Schaltwandler mit mehreren parallel geschalteten Wandlerstufen.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schaltwandler mit mehreren parallel geschalteten Wandlerstufen zur Verfügung zu stellen, bei dem die einzelnen Wandlerstufen eine wenigstens annäherungsweise gleiche Stromaufnahme besitzen.
• Dieses Ziel wird durch Schaltwandler nach den Ansprüchen 1 und 9 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Ein Schaltwandler gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Regelanordnung zur Bereitstellung eines von der Ausgangsspannung abhängigen Regelsignals, sowie eine erste Wandlerstufe und wenigstens eine zweite Wandlerstufe. Diese Wandlerstufen sind als Current-Mode-(CM)-Wandlerstufen ausgebildet und umfassen jeweils ein induktives Speicherelement, eine Strommessanordnung, die dazu ausgebildet ist, einen Strom durch das induktive Speicherelement zu erfassen und ein zu diesem Strom proportionales Strommesssignal bereitzustellen, einen Pulsweitenmodulator, dem das Regelsignals und das Strommesssignal zugeführt sind und der ein pulsweitenmoduliertes Signal bereitstellt, eine Treiberschaltung, der das pulsweitenmodulierte Signal und die Eingangsspannung zugeführt sind und die die Eingangsspannung nach Maßgabe des pulsweitenmodulierten Signals an das induktive Speicherelement anlegt. Die wenigstens eine zweite Wandlerstufe ist hierbei so ausgebildet, dass ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem Strom durch das induktive Speicherelement und dem Strommesssignal der Strommessanordnung der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe einstellbar ist. Zur Einstellung dieses Proportionalitätsfaktors ist der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe ein Kalibrierungssignal zugeführt, das von einem Proportionalitätsfaktor zwischen einem Strom durch das induktive Speicherelement des ersten Schaltwandlers und dem Strommesssignal des ersten Schaltwandlers abhängig ist.
• Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die Stromaufnahme bzw. die Stromabgabe einer CM-Wandlerstufe außer von dem zurückgekoppelten Regelsignal auch von dem Strommesssignal, insbesondere von dem Proportionalitätsfaktor zwischen dem das induktive Speicherelement durchfließenden Strom und dem Strommesssignal, abhängig ist. Dieses Strommesssignal wird zusammen mit dem Regelsignal zur Erzeugung des die Treiberstufe ansteuernden pulsweitenmodulierten Signals verwendet wird. Über das Kalibrierungssignal wird bei dem erfindungsgemäßen Schaltwandler der Proportionalitätsfaktor der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe abhängig von dem Proportionalitätsfaktor der ersten Wandlerstufe so eingestellt, dass die Stromabgabe dieser wenigstens einen zweiten Wandlerstufe der Stromabgabe der ersten Wandlerstufe entspricht.
• Ein Schaltwandler gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Regelanordnung zur Bereitstellung eines von der Ausgangsspannung abhängigen Regelsignals, sowie eine erste und wenigstens eine zweite Wandlerstufe. Die Wandlerstufen sind als Voltage-Mode-(VM)-Wandlerstufen ausgebildet und umfassen jeweils ein induktives Speicherelement mit einer Induktivität, einen Rampensignalgenerator, der dazu ausgebildet ist, ein rampenförmiges, eine Rampensteigung aufweisendes Signal bereitzustellen, einen Pulsweitenmodulator, dem das Regelsignal und das rampenförmige Signal zugeführt sind und der ein pulsweitenmoduliertes Signal bereitstellt, eine Treiberschaltung, der das pulsweitenmodulierte Signal und die Eingangsspannung zugeführt sind und die die Eingangsspannung nach Maßgabe des pulsweitenmodulierten Signals an das induktive Speicherelement anlegt. Die Rampensteigung des durch den Rampensignalgenerator erzeugten rampenförmigen Signals der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe ist bei diesem Schaltwandler einstellbar, wobei dem Rampensignalgenerator dieser wenigstens einen zweiten Wandlerstufe ein Kalibrierungssignal zugeführt ist, das von der Induktivität des induktiven Speicherelements der ersten Wandlerstufe abhängig ist.
• Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die Stromaufnahme bzw. die Stromabgabe einer VM-Wandlerstufe außer von dem zurückgekoppelten Regelsignal auch von der Induktivität des induktiven Speicherelements abhängig ist. Über das von der Induktivität des Speicherelements in der ersten Wandlerstufe abhängige Kalibrierungssignal wird bei dem erfindungsgemäßen Schaltwandler die Steilheit des in der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe erzeugten Rampensignals so eingestellt, dass die Stromaufnahme bzw. Stromabgabe dieser wenigstens einen zweiten Wandlerstufe der Stromaufnahme bzw. Stromabgabe der ersten Wandlerstufe entspricht.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
• 1 zeigt einen Schaltwandler gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, der zwei parallel geschaltete Wandlerstufen aufweist, die jeweils eine Treiberstufe, einen Pulsweitenmodulator und eine Strommessanordnung aufweisen, wobei der Strommessanordnung einer der Wanderstufen ein Kalibrierungssignal zugeführt ist.
• 2 veranschaulicht ein Realisierungsbeispiel für eine Treiberstufe einer Wandlerstufe des Schaltwandlers gemäß 1.
• 3 veranschaulicht ein Realisierungsbeispiel für einen Pulsweitenmodulator einer Wandlerstufe.
• 4 zeigt beispielhaft zeitliche Verläufe ausgewählter Signale des Schaltwandlers gemäß 1.
• 5 veranschaulicht ein Verfahren zur Erzeugung des Kalibrierungssignals.
• 6 veranschaulicht ein Verfahren zur Erzeugung des Kalibrierungssignals.
• 7 zeigt ein weiteres Realisierungsbeispiel für eine Treiberstufe.
• 8 zeigt ein Realisierungsbeispiel für die Strommessanordnung.
• 9 zeigt ein weiteres Realisierungsbeispiel für die Strommessanordnung.
• 10 zeigt einen Schaltwandler gemäß einer ersten Ausführungsform, der mehrere parallel geschaltete Wandlerstufen sowie Kalibrierungseinheiten zur Erzeugung von Kalibrierungssignalen für die Strommessanordnungen einzelner Wandlerstufen aufweist.
• 11 zeigt eine Wandlerstufe mit einer Kalibrierungseinheit im Detail.
• 12 zeigt einen Schaltwandler gemäß einer zweiten Ausführungsform, der parallel geschaltete VM-Wandlerstufen aufweist, die jeweils eine Treiberschaltung, einen Pulsweitenmodulator sowie einen Rampensignalgenerator umfassen.
• 13 zeigt ein Realisierungsbeispiel für einen Rampensignalgenerator mit einstellbarer Rampensteigung.
• 14 veranschaulicht zeitliche Verläufe ausgewählter Signale einer der Wandlerstufen gemäß 12.
• In denn Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
• 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltwandlers mit mehreren parallel geschalteten Wandlerstufen 1A, 1B. Der in 1 dargestellte Schaltwandler weist zwei parallel geschaltete Wandlerstufen, eine erste Wandlerstufe 1A und eine zweite Wandlerstufe 1B auf. Die erste Wandlerstufe 1A wird nachfolgend auch als Master-Wandlerstufe bezeichnet, während die zweite Wandlerstufe nachfolgend auch als Slave-Wandlerstufe bezeichnet wird.
• Die Wandlerstufen 1A, 1B weisen jeweils Eingängen INA, INB zum Anlegen einer Eingangsspannung Vin und Ausgangsklemmen OUTA, OUTS zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung Vout auf. Die beiden Wandlerstufen sind parallel geschaltet, indem die Eingänge INA, INB jeweils gemeinsam an eine Klemme für ein Eingangspotential Vin angeschlossen sind und indem die Ausgänge OUTA, OUTB gemeinsam an eine Ausgangsklemme OUT des Schaltwandlers angeschlossen sind. An diesem Ausgang OUT des Schaltwandlers steht die Ausgangsspannung Vout zur Spannungsversorgung einer Last Z (gestrichelt dargestellt) zur Verfügung. Ein an die Ausgangsklemme OUT angeschlossener Ausgangskondensator C dient zur Glättung der Ausgangsspannung Vout.
• Die einzelnen Wandlerstufen sind bei dem Schaltwandler gemäß 1 jeweils als Current-Mode-Wandlerstufen (CM-Wandlerstufen) ausgebildet und umfassen jeweils ein induktives Speicherelement 11A, 11B, eine Strommessanordnung 12A, 12B und eine Treiberschaltung 15A, 15B, der die Eingangsspannung Vin zugeführt ist. Die Treiberschaltung 15A, 15B ist dazu ausgebildet, das jeweilige induktive Speicherelement 11A, 11B einer Wandlerstufe 1A, 1B nach Maßgabe eines pulsweitenmodulierten Signals PWM1, PWM2 an die Eingangsspannung Vin anzulegen. Zur Bereitstellung des pulsweitenmodulierten Signals PWM1, PWM2 umfasst jede der Wandlerstufen 1A, 1B einen Pulsweitenmodulator 16, 16B. Jedem Pulsweitenmodulator 16A, 16B einer Wandlerstufe 1A, 1B ist hierbei ein von der Ausgangsspannung Vout des Schaltwandlers abhängiges Regelsignal bzw.
• Fehlersignal Serr sowie ein in der jeweiligen Wandlerstufe 1A, 1B erzeugtes Strommesssignal Is1, Is2 zugeführt.
• Zur Bereitstellung der Strommesssignale Is1, Is2 umfassen die Wandlerstufen 1A, 1B jeweils eine Strommessanordnung 12A, 12B, die dazu ausgebildet ist, einen Strom IL1, IL2 durch das jeweilige induktive Speicherelement 11A, 11B zu erfassen und ein zu diesem Strom IL1, IL2 proportionales Strommesssignal Is1, Is2 zur Verfügung zu stellen. Bezug nehmend auf 1 umfassen diese Strommessanordnungen 12A, 12B beispielsweise jeweils einen Strommesswiderstand 13A, 13B, der in Reihe zu dem jeweiligen induktiven Speicherelement 11A, 11B geschaltet ist, und einen Messverstärker 14A, 14B, der einen Spannung über dem Strommesswiderstand 13A, 13b erfasst und an dessen Ausgang das Strommesssignal Is1, Is2 zur Verfügung steht.
• Zur Bereitstellung des Regelsignals Serr weist der Schaltwandler einen Regelanordnung 30 auf, die an die Ausgangsklemmen OUT gekoppelt ist. Diese Regelanordnung 30 vergleicht eine von der Ausgangsspannung Vout abhängige Spannung Vout', die in dem Beispiel mittels eines Spannungsteilers 33, 34 aus der Ausgangsspannung Vout erzeugt wird, mit einer Referenzspannung Vref und erzeugt das Regelsignal Serr aus der Differenz zwischen dieser heruntergeteilten Spannung Vout' und der Referenzspannung Vref. Die Regelanordnung 30 umfasst einen Regelverstärker 31, dem die heruntergeteilte Spannung Vout' und die Referenzspannung Vref zugeführt sind. Dieser Regelverstärker besitzt beispielsweise ein proportionales Verhalten (P-Verhalten), ein integrales Verhalten (I-Verhalten) oder ein Proportional-Integral-Verhalten (PI-Verhalten).
• Gleiche Komponenten der einzelnen Wandlerstufen 1A, 1B sind in 1 mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, an die zur Unterscheidung zwischen den einzelnen Wandlerstufen 1A, 1B Großbuchstaben angefügt sind. Sofern sich nachfolgende Erläuterungen in gleicher Weise auf alle Wandlerstufen des Schaltwandlers beziehen, werden nur die Bezugsziffern, ohne den zur Unterscheidung angefügten Großbuchstaben verwendet.
• Die einzelnen Wandlerstufen des in 1 dargestellten Schaltwandlers sind als Tiefsetzsteller (Guck-Converter) ausgebildet. Bezug nehmend auf 2 umfasst die Treiberstufe 15 eines solchen Tiefsetzstellers einen Schalter 151, der zwischen die Eingangsklemme IN und das induktive Speicherelement 11 geschaltet ist, sowie ein Freilaufelement 152, das zwischen das induktive Speicherelement 11 und eine Klemme für ein Bezugspotential GND geschaltet ist. Dieses Bezugspotential GND ist beispielsweise Masse und entspricht üblicherweise dem Potential, auf welches auch die Ausgangsspannung (Vout in 1) bezogen ist. Der Schalter 151 ist durch das pulsweitenmodulierte Signal PWM des Pulsweitenmodulators 16 angesteuert und dient zum Anlegen des induktiven Speicherelementes 11 an die Eingangsspannung Vin nach Maßgabe des pulsweitenmodulierten Signals PWM.
• Der Pulsweitenmodulator 16 ist dazu ausgebildet, den Schalter 151 im Takt eines Taktsignals CLK, das durch einen nicht näher dargestellten Oszillator erzeugt wird, zu schließen und abhängig von einem Vergleich zwischen dem Regelsignal Serr und dem Strommesssignal Is zu öffnen. 3 zeigt ein mögliches Realisierungsbeispiel für einen solchen Pulsweitenmodulator 16. Der dargestellte Pulsweitenmodulator 16 weist ein RS-Flipflop 161 auf. Dem Setz-Eingang S dieses Flipflops 161 ist das Taktsignal CLK zugeführt, das das Flip-Flop im Takt dieses Taktsignals CLK setzt. Dem Rücksetzeingang R dieses Flipflops 161 ist ein Ausgangssignal S162 eines Komparators 162 zugeführt, wobei einem Plus-Eingang dieses Komparators 162 das Regelsignal Serr und dem Minus-Eingang das Strommesssignal Is zugeführt sind. Bei dem in 3 dargestellten Pulsweitenmodulator 16 wird das Flipflop 161 jeweils dann über das Komparatorsignal S162 zurückgesetzt, wenn das Strommesssignal Is das Regelsignal Serr erreicht oder übersteigt.
• Das pulsweitenmodulierte Signal PWM steht am nicht invertierenden Ausgang Q des Flipflops 161 zur Verfügung.
• Die Funktionsweise einer in 2 dargestellten Wandlerstufe 15, und insbesondere die Erzeugung des pulsweitenmodulierten Signals PWM innerhalb der Wandlerstufe 15, wird nachfolgend anhand der 4A bis 4C erläutert. Diese Figuren zeigen beispielhaft zeitliche Verläufe des Taktsignals CLK (4A), des Strommesssignals Is sowie des rückgekoppelten Regelsignals Serr (4B) und des pulsweitenmodulierten Signals PWM (4C). Der Zeitverlauf des Strommesssignals Is entspricht dabei dem Verlauf dieses Strommesssignals Is im eingeschwungenen Zustand der Wandlerstufe, also dann wenn die Stromabgabe der Wandlerstufe an die Last dem Strombedarf der Last entspricht.
• Der Pulsweitenmodulator 16 erzeugt das pulsweitenmodulierte Signal PWM derart, dass dieses Signal jeweils mit einem Taktimpuls des Taktsignals CLK einen High-Pegel annimmt. Der Schalter 151 der Treiberschaltung 15 wird zu diesem Zeitpunkt geschlossen, wodurch über dem induktiven Speicherelement 11 eine Spannung anliegt, die der Differenz aus der Eingangsspannung Vin und der Ausgangsspannung Vout entspricht. Der Strom IL durch das induktive Speicherelement 11 steigt dadurch linear an, bis das aus dem Strom IL abgeleitete Strommesssignal Is den Wert des rückgekoppelten Regelsignals Serr erreicht. Das pulsweitenmodulierte Signal PWM nimmt zu diesem Zeitpunkt einen Low-Pegel an, wodurch der Schalter 151 geöffnet wird. Das Freilaufelement 152 ermöglicht ab diesem Zeitpunkt ein Weiterfließen des Stromes durch das induktive Speicherelement 11, wobei dieser Strom IL und damit das Strommesssignal Is linear absinkt, bis der Schalter mit dem nächsten Taktimpuls des Taktsignals CLK wieder geschlossen wird.
• Mit T ist in 4C die Periodendauer des Taktsignals CLK und damit die Periodendauer des pulsweitenmodulierten Signals PWM bezeichnet. Ton bezeichnet die Einschaltdauer, Tot bebezeichnet die Ausschaltdauer. Der Duty-Cycle D des pulsweitenmodulierten Signals PWM ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen Einschaltdauer Ton und Periodendauer T, wobei gilt: D = Ton/T.
• Für die zuvor erläuterte Wandlerstufe lässt sich zeigen, dass für die mittlere Stromaufnahme ILm der Wandlerstufe im eingeschwungenen Zustand gilt: IL_m = Ib + 1 / 2 ( Vin – Vout ) / L·Ton (1).
• L bezeichnet dabei die Induktivität des induktiven Speicherelements 11 der Wandlerstufe. Ib bezeichnet den Gleichanteil der Stromaufnahme. Die Einschaltdauer Ton ist Bezug nehmend auf 4B von der Steigung des Strommesssignals Is und dem Regelsignal Serr abhängig. Hierbei gilt: g·(Ib + 1 / 2 ( Vin – Vout ) / L·Ton) = Serr (2).
• g bezeichnet dabei den Proportionalitätsfaktor zwischen dem Strom IL durch das induktive Speicherelement und dem Strommesssignal Is mit: Is = g·IL (3).
• Der Term g·(Vin – Vout)/L bezeichnet dabei die Steigung des Strommesssignals Is.
• Aus den Gleichungen (1) und (2) folgt: IL_m = Serr / g (4).
• Die mittlere Stromaufnahme IL_m einer Wandlerstufe ist damit ausschließlich abhängig von dem rückgekoppelten Regelsignal Serr und dem Proportionalitätsfaktor zwischen dem Strom IL durch das induktive Speicherelement und dem Strommesssignal Is einer jeder Wandlerstufe.
• Herstellungsbedingte Schwankungen der Parameter der einzelnen Komponenten der Strommessanordnungen in den einzelnen Wandlerstufen können ohne zusätzliche Maßnahmen zu erheblichen Unterschieden in der Strombelastung der einzelnen Wandlerstufen führen, was nachfolgend anhand des Schaltwandlers in 1 erläutert wird. Bezug nehmend auf Gleichung (4) beträgt die Stromaufnahme der ersten und zweiten Wandlerstufe 1A, 1B: IL1_m = Serr / g1 (4a) IL2_m = Serr / g2 (4b).
• Mit IL1_m und IL2_m sind dabei die mittleren Stromaufnahmen der beiden Wandlerstufen bezeichnet. g1 und g2 bezeichnen jeweils die Proportionalitätsfaktoren zwischen den Strömen IL1, IL2 und den Strommesssignalen Is1, Is2.
• Es sei nun angenommen, dass die beiden Proportionalitätsfaktoren g1, g2 unterschiedlich sind, beispielsweise aufgrund herstellungsbedingter Schwankungen der Widerstandswerte der Strommesswiderstände 13A, 13B, und dass gilt: g2 = (1 + ε)·g1 (5)
• Für die mittlere Stromaufnahme der zweiten Wandlerstufe 1B gilt dann: IL2_m = Serr / (1+ε)·g1 = 1 / 1+εIL1_m (6).
• Die mittlere Stromaufnahme der zweiten Wandlerstufe 1B ist aufgrund des größeren Proportionalitätsfaktors g2 im Vergleich zum Proportionalitätsfaktor g1 der ersten Wandlerstufe 1A um den Faktor (1 + ε) kleiner als die mittlere Stromaufnahme IL1_m der ersten Wandlerstufe 1A.
• Die Abnahme der Stromaufnahme einer Wandlerstufe mit steigendem Proportionalitätsfaktor g lässt sich Bezug nehmend auf 4b dadurch erklären, dass die Steilheit des Strommesssignals Is mit zunehmenden Proportionalitätsfaktor zunimmt, wodurch des Strommesssignal Is den Pegel des rückgekoppelten Regelsignals Serr früher erreicht. Dies ist gleichbedeutend damit, dass sich die Einschaltdauer Ton verringert.
• Zur Anpassung der Stromaufnahmen einzelner parallel geschalteter Wandlerstufen ist bei dem erfindungsgemäßen Schaltwandler vorgesehen, der Strommessanordnung 12B der zweiten Wandlerstufe 1B ein Kalibrierungssignal k2 zur Einstellung des Proportionalitätsfaktors g2 zwischen dem Strom IL2 durch das induktive Speicherelement 11B und dem Strommesssignal Is2 zuzuführen. Dieses Kalibrierungssignal k2 ist dabei so gewählt, dass der Proportionalitätsfaktor g2 der zweiten Wandlerstufe 1B dem Proportionalitätsfaktor g1 der ersten Wandlerstufe 1A entspricht, so dass Bezug nehmend auf die Gleichungen (4a) und (4b) die mittleren Stromaufnahmen der beiden Wandlerstufen gleich sind. Das Kalibrierungssignal k2 ist bei dem Schaltwandler gemäß 1 dem Messverstärker 14B der Strommessanordnung 12B der zweiten Wandlerstufe 1B zugeführt und dient zur Einstellung der Verstärkung des Messverstärkers 14B. Dieser Messverstärker ist beispielsweise als Transkonduktanzverstärker ausgebildet, der die über dem Messwiderstand 13B anliegende Spannung in den an seinem Ausgang anliegenden Messstrom Is2 wandelt. Für den Proportionalitätsfaktor g2 gilt in diesem Fall: g2 = k2·Rs2 (7a).
• Rs2 bezeichnet dabei den Widerstandswert des Strommesswiderstandes 13B. Entsprechend gilt für den Proportionalitätsfaktor g1 der ersten Wandlerstufe 1A: g1 = k1·Rs1 (7b).
• Rs1 bezeichnet hierbei entsprechend den Widerstandswert des Strommesswiderstandes 13A der ersten Wandlerstufe 1A. k1 bezeichnet die Verstärkung des Messverstärkers 14A der Strommessanordnung 12A der ersten Wandlerstufe 1A. Diese Verstärkung kann werkseitig vorgegeben sein oder kann vom Anwender des Schaltwandlers über einen nicht näher dargestellten Eingang eingestellt werden. Die Verstärkungen der Messverstärker 14A, 14B sind vergleichsweise exakt einstellbar, so dass Schwankungen der Proportionalitätsfaktoren zwischen den Strömen durch die Induktivitäten IL1, IL2 und den Strommesssignalen Is1, Is2 maßgeblich bedingt sind durch herstellungsbedingte Schwankungen der Widerstandswerte der Strommesswiderstände 13A, 13B. Für das Kalibrierungssignal k2 ergibt sich unter der Bedingung gleicher Proportionalitätsfaktoren, d. h. g1 = g2: k2 = k1·Rs1 / Rs2 = g1 / Rs2 (8).
• Zur Erzeugung des Kalibrierungssignals k2 wird außer der Information über die Verstärkung k1 des Messverstärkers 14A die Information über das Verhältnis Rs1/Rs2 der Strommesswiderstände 13A, 13B benötigt. Ein mögliches Verfahren zur Ermittlung eines Verhältnisses dieser Strommesswiderstandswerte Rs1, Rs2 wird nachfolgend anhand der 5 und 6 erläutert.
• Zur Erzeugung des Kalibrierungssignals k2 wird bei Start des Systems, d. h. dann, wenn die Ausgangsspannung Vout = 0 ist und wenn die Induktivitätsströme IL1 = IL2 = 0 sind, ein Kalibrierungsschritt durchgeführt. Der Kalibrierungsschritt umfasst das Anlegen der Eingangsspannung Vin für eine vorgegebene Einschaltzeit Tc an das induktive Speicherelement (11 in 2, 11A, 11B in 1), anschließendes Abwarten bis der Strom durch das induktive Speicherelement auf Null abgesunken ist und anschließend die Ermittlung der aus diesem Vorgang resultierende Änderung der Ausgangsspannung über dem Ausgangskondensator C des Schaltwandlers. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Stromes IL durch das induktive Speicherelement einer Wandlerstufe während des zuvor erläuterten Vorgangs, während 6 die Zunahme der auf dem Ausgangskondensator während dieses Vorgangs gespeicherten elektrischen Ladung zeigt. Während der Einschaltdauer Tc_on steigt der Strom IL durch das induktive Speicherelement linear an und sinkt anschließend während einer Zeitdauer Tc_off wieder auf Null ab. Die durch diesen Vorgang in dem Ausgangskondensator C gespeicherte elektrische Ladung entspricht dabei der Fläche unter der Kurve des zeitlichen Verlauf des Induktivitätsstromes IL. Die zuvor erläuterten Verfahrensschritte werden nacheinander für alle der parallel geschalteten Wandlerstufen durchgeführt. Jede Wandlerstufe vergrößert hierbei die auf dem Ausgangskondensator C gespeicherte Ladung und erhöht während des Kalibriervorganges die Ausgangsspannung Vout.
• Unter der Annahme, dass die Ausgangsspannung Vout während des Kalibriervorganges stets sehr viel kleiner ist als die Eingangsspannung Vin, gilt für den Strom IL durch die Induktivität während der Einschaltdauer Tc_on: IL = 1 / 2· Vin / L·t (9).
• Für die während des Kalibriervorganges aus einer Wandlerstufe auf den Ausgangskondensator C fließende Ladung gilt; ΔQ_out= 1 / 2· Vin / L·Tc_on·(Tc_on + Tc_off) (10).
• Für die durch eine Wandlerstufe hervorgerufene Änderung der Ausgangsspannung ΔVout gilt entsprechend: ΔVout = ΔQout / C (11).
• Die Zeitdauer Tc_off, während der der Induktivitätsstrom IL während des Kalibriervorganges auf Null absinkt, ist Bezug nehmend auf 2 maßgeblich bestimmt durch den Spannungsabfall über der Freilaufdiode 152 nach Öffnen des Schalters 151. Unter der Annahme, dass die Ausgangsspannung Vout wesentlich kleiner ist als der Spannungsabfall über dieser Diode 152 während des Freilaufvorganges, gilt für die Ausschaltzeit Tc_off: Tc_off = Vin / Vd·Tc_on (12)
• Mit Vd ist dabei die Spannung über der in Durchlassrichtung gepolten Freilaufdiode 152 nach Öffnen des Schalters 151 bezeichnet. Unter Berücksichtigung der Gleichungen (10) bis (12) gilt für eine Änderung der Ausgangsspannung ΔVout, die durch eine der Wandlerstufen während des Kalibriervorganges hervorgerufen wird:

  
• Aus dieser Änderung ΔVout der Ausgangsspannung ist eine Information über den Induktivitätswert L des jeweiligen induktiven Speicherelements einer Wandlerstufe ableitbar.
• Zusätzlich zur Ermittlung der Änderung ΔVout der Ausgangsspannung ist während Kalibriervorganges vorgesehen, einen zu Kalibrierzwecken zusätzlich zu dem Ausgangskondensator C vorhandenen Kondensator Cc während einer fest vorgegebenen Zeitdauer Ts mit dem Messstrom aufzuladen, der durch die Strommessanordnung (12A, 12B in 1, 12 in 2) einer jeweiligen Wandlerstufe bereitgestellt wird, und den dadurch über diesem Kondensator Cc entstehenden Spannungsabfall Vc zu ermitteln. Dieser zu Kalibrierungszwecken vorhandene Kondensator Cc ist in 2 zum besseren Verständnis eingezeichnet. Der zeitliche Verlauf des Messstromes Is entspricht qualitativ dem zeitlichen Verlauf des in 5 dargestellten Stromes IL durch die Induktivität, wobei der Messstrom Is in bereits erläuterter Weise proportional zu dem Induktivitätsstrom IL ist. Die Zeitdauer Ts, während der der Kalibrierungskondensator Cc durch den Messstrom Is aufgeladen wird, liegt innerhalb der Einschaltdauer Tc_on und ist in 5 ebenfalls dargestellt. Diese Zeitdauer Ts liegt vorzugsweise nicht am Beginn der Einschaltdauer Tc_on, sondern beginnt erst eine Zeitdauer nach dem Einschalten. Diese Wartezeit kann beispielsweise der Zeitdauer Ts entsprechen, während der der Kalibrierkondensator Cc aufgeladen wird. Für den Messstrom Is während dieser steigenden Flanke gilt unter der Annahme, dass die Ausgangsspannung Vout des Ausgangskondensators C wesentlich kleiner ist als die Eingangsspannung Vin: Is(t) = g·IL = g· Vin / L·t (14).
• Für die Spannung Vc über dem Kalibrierkondensator Cc nach Ende der Ladedauer Ts gilt:

  
• Mit ΔVout1 ist nachfolgend die Änderung der Ausgangsspannung bezeichnet, die durch den Messvorgang der ersten Wandlerstufe 1A hervorgerufen wird, während ΔVout2 die Änderung der Ausgangsspannung bezeichnet, die durch den Messvorgang der zweiten Wandlerstufe 1B hervorgerufen wird. Setzt man diese beiden Spannungsänderungen ins Verhältnis, so gilt unter Verwendung von Gleichung (13):

  
• λ₂ bezeichnet dabei den Quotienten aus der Induktivität L1 des induktiven Speicherelements 13A der ersten Wandlerstufe 1A und der Induktivität L2 des induktiven Speicherelements 13B der zweiten Wandlerstufe 1B.
• Mit Vc1 ist nachfolgend die Spannung über dem Kalibrierkondensator Cc am Ende des Messvorgangs der ersten Wandlerstufe 1A bezeichnet, während Vc2 die Spannung über dem Kalibrierkondensator Cc nach Abschluss des Messvorgangs der zweiten Wandlerstufe 1B bezeichnet. Vorzugsweise wird ein einziger Kalibrierkondensator Cc für alle Wandlerstufen verwendet, der zwischen den einzelnen Messvorgängen jeweils entladen wird. Setzt man die beiden Spannungen Vc1, Vc2 über dem Kalibrierkondensator ins Verhältnis, so gilt unter Bezugnahme auf Gleichung (15):

  
• Aus den Gleichungen (16) und (17) folgt:

  
• Aus den während der Messvorgänge ermittelten Messgrößen ΔVout1, ΔVout2, Vc1, Vc2 lässt sich somit der Proportionalitätsfaktor g2₀ der zweiten Wandlerstufe 1B zu dem Proportionalitätsfaktor der ersten Wandlerstufe bzw. Master-Wandlerstufe 1A in Beziehung setzen. g2₀ bezeichnet dabei den Proportionalitätsfaktor der zweiten Wandlerstufe 1B vor Kalibrieren dieser zweiten Wandlerstufe mittels des Kalibriersignals k2. k2₀ bezeichnet die Verstärkung des Messverstärkers 14B der zweiten Wandlerstufe 1B. Um gleiche Proportionalitätsfaktoren in den beiden Wandlerstufen 1A, 1B zu erreichen, ist der Proportionalitätsfaktor der zweiten Wandlerstufe g2 wie folgt einzustellen: g2 = 1 / g2·g2₀ (19a).
• Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Verstärkung k2 des Messverstärkers 14B der zweiten Wandlerstufe 1B wie folgt abhängig von dem aus den Messwerten abgeleiteten Wert 1/ρ2 und der Anfangs eingestellten Verstärkung k2₀ einzustellen ist: k2 = 1 / ρ2·k2₀ (19b)
• Bei einem Schaltwandler mit mehr als zwei parallel geschalteten Wandlerstufen wird für jede zusätzliche Wandlerstufe i die Ausgangsspannungsänderung ΔVouti sowie die am Ende des Messvorgangs anliegende Spannung Vci über dem Kalibrierungskondensator Cc ermittelt. Aus diesen Messgrößen wird entsprechend Gleichung (18) der Wert ρi ermittelt. Dieser Wert pi gibt das Verhältnis zwischen dem Proportionalitätsfaktor g1 der Master-Wandlerstufe und dem Anfangs-Proportionalitätsfaktor gi₀ der i-ten Wandlerstufe an und gibt an, um welchen Faktor dieser Anfangs-Proportianalitätsfaktor gi₀ über das Kalibrierungssignal ki zu ändern ist, um die gewünschte Bedingung zu erfüllen, dass diese i-te Wandlerstufe den gleichen Proportionalitätsfaktor wie die erste Wandlerstufe aufweist.
• Bei den anhand der 1 und 2 erläuterten Wandlerstufen ist der Strommesswiderstand 13A, 13B bzw. 13 als separates Bauelement in Reihe zu dem induktiven Speicherelement 11A, 11B bzw. 11 geschaltet. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung 15, bei der auf ein zusätzliches, die Funktion eines Messwiderstandes erfüllendes Bauelement verzichtet werden kann. Diese Treiberschaltung 15 umfasst eine Halbbrückenschaltung mit zwei Halbleiterschaltern 151, 153, die in dem Beispiel als n-Kanal-MOSFET ausgebildet sind. Laststrecken (Drain-Source-Strecken) dieser Transistoren sind in Reihe zueinander zwischen die Klemme für die Eingangsspannung Vin und die Klemme für Bezugspotential GND geschaltet. Ein den beiden Laststrecken dieser Transistoren 151, 153 gemeinsamer Schaltungsknoten bildet einen Ausgang der Halbbrückenschaltung, an den das induktive Speicherelement 11 angeschlossen ist. Die beiden Halbleiterschalter 151, 153 sind durch eine Ansteuerschaltung 154 abhängig von dem pulsweitenmodulierten Signal PWM angesteuert. Diese Ansteuerschaltung 154 dient in bekannter Weise dazu, das pulsweitenmodulierte Signal PWM auf einen zur Ansteuerung der Transistoren 151, 153 geeigneten Pegel umzusetzen. Die Ansteuerschaltung 154 stellt außerdem sicher, dass die beiden Transistoren 151, 153 nicht gleichzeitig leitend angesteuert sind. Der erste Halbleiterschalter 151 wird dabei während der Einschaltdauern des pulsweitenmodulierten Signals PWM leitend angesteuert, während der zweite Halbleiterschalter 153 die Funktion eines Freilaufelements für das induktive Speicherelement 11 übernimmt und während der Ausschaltdauern des pulsweitenmodulierten Signals PWM leitend angesteuert ist.
• Die beiden Halbleiterschalter 151, 152 besitzen in eingeschaltetem Zustand unvermeidlich einen Einschaltwiderstand. Ein Einschaltwiderstand Rds an des ersten Halbleiterschalter 151 erfüllt bei dieser Schaltung die Funktion des Strommesswiderstandes, so dass der Messverstärker 14 derart verschaltet ist, dass er unmittelbar die Spannung über der Laststrecke des ersten Halbleiterschalters 151 abgreift. Die zuvor gemachten Ausführungen gelten entsprechend für die in 7 dargestellte Treiberschaltung 15 mit der Maßgabe, dass als Widerstandswert des Messwiderstandes der Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters 151 zu verwenden ist. Der zeitliche Verlauf des Strommesssignals Is der in 7 dargestellten Wandlerstufe unterscheidet sich von dem in 4b dargestellten zeitlichen Verlauf dadurch, dass das Strommesssignal Is am Ende der Einschaltdauer Ton, wenn der Halbleiterschalter 151 geöffnet wird, unmittelbar auf Null absinkt. Das Strommesssignal Is besitzt sodann einen rampenförmigen Verlauf, wie dies in 4b strichpunktiert dargestellt ist.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Strommessanordnung 12 ist in 8 dargestellt. Diese Strommessanordnung funktioniert nach dem sogenannten Strom-Sense-Prinzip und umfasst einen an den ersten Halbleiterschalter 151 gekoppelten Stromspiegel. Dieser Stromspiegel ist dazu ausgebildet, den Induktivitätsstrom IL, der bei eingeschaltetem ersten Halbleiterschalter 151 diesen Halbleiterschalter 151 durchfließt, auf einen Messstrom IM abzubilden. In Reihe zu dieser Stromspiegelanordnung 131 ist ein Messwiderstand 13 geschaltet, der von dem Messstrom IM durchflossen ist. Ein Messverstärker 14 greift die Spannung über diesem Messwiderstand 13 ab und erzeugt hieraus das Strommesssignal Is. Der Vorteil der in 8 dargestellten Strommessanordnung gegenüber der in 7 Dargestellten besteht darin, dass bei der in 8 dargestellten Schaltung die Eingangsspannung des Messverstärkers 14 stets auf das gleiche Potential bezogen ist, nämlich das Potential, an dem der dem Stromspiegel 131 abgewandte Anschluss des Strommesswiderstands 13 angeschlossen ist. Diese Potential ist beispielsweise Bezugspotential GND.
• Der Stromspiegel 131 umfasst einen Stromspiegeltransistor 132, der entsprechend des ersten Halbleiterschalters 151 als n-Kanal-MOSFET ausgebildet und dessen Gate-Anschluss an den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters 151 angeschlossen ist. Ein Laststreckenanschluss dieses Stromspiegeltransistors 132 ist an einen der Laststreckenanschlüsse des Halbleiterschalters 151 angeschlossen, während der andere Laststreckenanschluss des Stromspiegeltransistors 132 an den Messwiderstand 13 gekoppelt ist. Zwischen den Stromspiegeltransistor 132 und den Strommesswiderstand 13 ist ein Regeltransistor 134 geschaltet, der durch einen Differenzverstärker 133 derart angesteuert ist, dass das Source-Potential des Lasttransistors 151 dem Source-Potential des Stromspiegeltransistors 132 entspricht. Der Differenzverstärker 133 greift hierzu die Source-Potentiale dieser beiden Transistoren 151, 132 ab. In eingeregeltem Zustand ist der Messstrom IM proportional zu dem Laststrom IL, wobei sich der Proportionalitätsfaktor zwischen diesen beiden Strömen aus dem Verhältnis der aktiven Transistorflächen des Lasttransistors 151 und des Stromspiegeltransistors 132 ergibt. Für das Strommesssignal Is gilt hierbei abweichend von Gleichung (3): Is = IM·Rs·k = 1 / 2·IL·Rs·k (20).
• Rs bezeichnet dabei den Widerstandswert des Messwiderstandes 13, k bezeichnet die Verstärkung des Messverstärkers 14 und n, mit n > 1, bezeichnet das Verhältnis zwischen der aktiven Transistorfläche des Lasttransistors 151 und der aktiven Transistorfläche des Stromspiegeltransistors 131.
• 9 zeigt eine Wandlerstufe mit einer Strommessanordnung 12, die das Strommesssignal Is aus der Spannung über einem parallel zu dem induktiven Speicherelement 11 geschalteten Kondensator 136 ableitet. Der Kondensator 136 ist in Reihe zu einem Widerstand 135 geschaltet, um ein RC-Glied zu bilden, wobei das RC-Glied parallel zu der Induktivität geschaltet ist. Die Parameter des RC-Glieds sind so gewählt, dass die Zeitkonstante des RC-Glieds wenigstens annäherungsweise gleich der Zeitkonstante der Induktivität ist. Unter dieser Bedingung stimmt der Verlauf der Spannung über dem Kondensator 136 mit dem Verlauf des Induktivitätsstroms überein, d. h. die Spannung über dem Kondensator 136 repräsentiert sowohl die Offset-Komponente als auch die Sägezahnkomponente des Induktivitätsstromes (vgl. Gleichung 1).
• Die Kalibrierung der einzelnen Wandlerstufen mit dem Ziel, die Proportionalitätsfaktoren zwischen den jeweiligen Strommesssignalen und den Strömen durch die jeweiligen Induktivitäten aneinander anzupassen, kann bereits werkseitig erfolgen. In diesem Fall wird das zuvor erläuterte Verfahren zur Ermittlung des Korrekturfaktors pi einmal werkseitig für alle Wandlerstufen durchgeführt und die Kalibrierungssignale für die einzelnen Wandlerstufen werden in einem Festwertspeicher abgelegt, um während des Betriebs des Schaltwandlers zur Verfügung zu stehen.
• 10 zeigt einen Schaltwandler mit mehreren, in dem Beispiel drei, parallel geschalteten Wandlerstufen 1A, 1B, 1C, die entsprechend der Wandlerstufen gemäß 1 aufgebaut sind. Von den drei in 10 dargestellten Wandlerstufen bildet die erste Wandlerstufe 1A die Master-Wandlerstufe, während die beiden weiteren Wandlerstufen 1B, 1C die Slave-Wandlerstufen bilden. Die einzelnen Wandlerstufen 1A, 1B, 1C umfassen jeweils Messanordnungen 17A, 17B, 17C, die jeweils an den Ausgang OUT des Schaltwandlers und an den Ausgang der in dem jeweiligen Schaltwandler vorhandenen Strommessanordnung 12A angeschlossen sind. Diese Messanordnungen 17A, 17B, 17C sind dazu ausgebildet, während des Kalibriervorgangs die Ausgangsspannungsänderungen ΔVout1, ΔVout2, ΔVout3 und die Spannungen Vc1, Vc2, Vc3 über dem Messkondensator (in 10 nicht dargestellt) zu ermitteln. Jede der Slave-Wandlerstufen 1B, 1C umfasst neben der Messeinheit 17B, 17C außerdem eine Recheneinheit 18B, 18C, der die Messwerte der Messanordnung dieser Slave-Wandlerstufe und die Messwerte ΔVout1 und Vc1 der Master-Wandlerstufe zugeführt sind. Diese Berechnungseinheit 18B, 18C ist dazu ausgebildet, die Kalibrierungssignale k2, k3 aus diesen Messwerten entsprechend der Gleichungen (7) und (8) zu ermitteln.
• Die Erzeugung dieser Kalibrierungssignale k2, k3 kann beispielsweise jedes Mal bei Einschalten des Schaltwandlers erfolgen.
• Anhand von 11 wird nachfolgend grundsätzlich die Funktionsweise der Messanordnungen 17A–17C sowie der Recheneinheiten 18B, 18c erläutert. 11 zeigt im Detail eine der Slave-Wandlerstufen. Die Messeinheit 17 umfasst hierbei eine Steuerschaltung 171 und zwei Auswerteschaltungen 172, 173, von denen eine an die Ausgangsklemme OUT des Schaltwandlers gekoppelt ist und von denen die Andere an einen Kalibrierungskondensator 174 angeschlossen ist. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass dieser Kalibrierungskondensator 174, der dem Kondensator Cc in 2 entspricht, ein allen Wandlerstufen gemeinsamer Kalibrierungskondensator sein kann, der in nicht näher dargestellter Weise für den jeweiligen Messvorgang an eine der Messanordnungen 17 angeschlossen wird.
• In der Treiberschaltung 15 ist zusätzlich zu den bereits erläuterten Schaltungskomponenten ein Multiplexer 156 vorhanden, der der Ansteuerschaltung 154 vorgeschaltet ist und der nach Maßgabe eines Auswahlsignals das durch den Pulsweitenmodulator 16 erzeugte pulsweitenmodulierte Signal PWM oder ein von der Steuerschaltung 171 erzeugtes Signal PWM_c der Ansteuerschaltung 154 zuführt. Gesteuert durch das Auswahlsignal, das beispielsweise durch eine nicht näher dargestellte zentrale Steuerschaltung geliefert wird, liefert der Multiplexer während des Kalibriervorgangs das durch die Steuerschaltung 171 gelieferte Signal PWM_c an die Ansteuerschaltung 154. Das Signal PWM_c gibt während des Kalibriervorgangs die Zeitdauer Tc_on (vgl. 5) vor, während der der erste Halbleiterschalter 151 während des Kalibriervorgangs geschlossen ist. Optional ist in der Treiberschaltung 15 dem Steueranschluss des zweiten Halbleiterschalters 153 ein weiterer Schalter 155 vorgeschaltet, der während des Kalibriervorgangs eine Ansteuerung dieses zweiten Halbleiterschalters 153 verhindert. Als Freilaufelement für das induktive Speicherelement dient während des Kalibriervorgangs dann eine in dem als MOSFET ausgebildeten zweiten Halbleiterschalter 153 integrierte Body-Diode 152. Der erste Halbleiterschalter 151 weist eine entsprechende Body-Diode auf, die in 11 jedoch nicht explizit dargestellt ist.
• Die Verwendung der Body-Diode 152 des zweiten Halbleiterschalters 153 als Freilaufelement während des Kalibriervorgangs führt zu einer Verkürzung der Zeitdauer Tc_off (vgl. 5), innerhalb der der Induktivitätsstrom IL wieder auf Null absinkt, gegenüber der Verwendung des leitend angesteuerten zweiten Halbleiterschalters 153 als Freilaufelement während des Freilaufvorgangs. Bezug nehmend auf Gleichung (12) ist diese Freilaufzeit Tc_off umso kürzer, je größer der Spannungsabfall über dem Freilaufelement ist. Zur Verkürzung der Freilaufzeit Tc_off ist es aus den zuvor genannten Gründen vorteilhaft, während des Freilaufvorgangs das zweite Halbleiterschaltelement 153 nicht leitend anzusteuern. Der Schalter 155, der dem Steueranschluss des zweiten Halbleiterschalters 153 vorgeschaltet ist, wird in nicht näher dargestellter Weise ebenfalls durch eine den Kalibriervorgang steuernde zentrale Steuereinheit angesteuert.
• Den ersten und zweiten Auswerteschaltungen 172, 173 sind durch die Steuerschaltung 171 der Messanordnung 17 Steuersignale zugeführt, die den Auswerteschaltungen 172, 173 den Beginn des Messvorganges signalisieren, d. h. den Zeitpunkt, zu dem das pulsweitenmodulierte Signal PWM_c der Steuerschaltung 171 einen High-Pegel annimmt. Die erste Auswerteschaltung 172 erzeugt hieraus ein Ansteuersignal S175 für einen Schalter 175, der nach Beginn des Messvorgangs den Kalibrierungskondensator 174 für die Zeitdauer Ts (vgl. 5) mit dem am Ausgang des Messverstärkers 14 anliegenden Messstrom Is auflädt. Die Auswerteschaltung 172 greift die Spannung über diesem Kalibrierungskondensator 174 ab und stellt am Ende des Messvorgangs an einem Ausgang den Messwert Vci zur Verfügung. Die zweite Auswerteschaltung 173 erfasst die Spannungsänderung am Ausgangskondensator C und stellt am Ende des Messvorgangs den zweiten Messwert ΔVouti zur Verfügung. Diese beiden Messwerte Vci, ΔVouti sind zusammen mit den entsprechenden Messwerten Vc1, ΔVout1 der ersten Wandlerstufe der Berechnungseinheit 18 zugeführt. Diese Berechnungseinheit 18 erzeugt in erläuterter Weise das Kalibrierungssignal k für den Messverstärker 14 der Strommessanordnung.
• Die erste Wandlerstufe ist entsprechend der in 11 dargestellten Wandlerstufe realisiert, wobei bei dieser ersten Wandlerstufe auf die Berechnungseinheit verzichtet ist.
• Bei dem zuvor anhand der 1 bis 11 erläuterten Schaltwandler sind die einzelnen Wandlerstufen als Current-Mode-Wandlerstufen ausgebildet. Die pulsweitenmodulierten Signale in den einzelnen Wandlerstufen werden hierbei abhängig von dem rückgekoppelten Regelsignal Serr und abhängig von den in den einzelnen Wandlerstufen ermittelten Strommesssignalen erzeugt.
• 12 zeigt einen Schaltwandler gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Schaltwandler ist ein nach dem Spannungsregelprinzip funktionierender Wandler und weist mehrere, in dem dargestellten Beispiel zwei, parallel geschaltete Wandlerstufen 1A, 1B auf, die sich von den zuvor erläuterten Wandlerstufen dadurch unterscheiden, dass anstelle einer Strommessanordnung jeweils ein Rampensignalgenerator 19A, 19B vorhanden ist, der ein Rampensignal Sr1, Sr2 an den Pulsweitenmodulator 16A, 16B der jeweiligen Wandlerstufe liefert. Den Pulsweitenmodulatoren 16A, 16B ist in bereits erläuterter Weise das rückgekoppelte Regelsignal Serr von der an den Ausgang OUT des Schaltwandlers gekoppelten Regelanordnung 30 zugeführt. Den Rampensignalgeneratoren 19A, 19B der einzelnen Wandlerstufen 1A, 1B kann das pulsweitenmodulierte Signal PWM1, PWM2 der jeweilige Wandlerstufe zugeführt sein, was in 12 gestrichelt dargestellt ist.
• Ein mögliches Realisierungsbeispiel eines Rampensignalgenerators 19 ist in 13 dargestellt. Dieser Rampensignalgenerator weist eine Reihenschaltung mit einer Stromquelle 191, einem Schalter 192 sowie einem Kondensator 194 auf, die zwischen eine Klemme für ein Versorgungspotential V und Bezugspotential GND geschaltet ist. Der erste Schalter 192 ist durch das pulsweitenmodulierte Signal PWM angesteuert und dient dazu, während der Einschaltdauern des pulsweitenmodulierten Signals den Kondensator 194 mit einem von der Stromquelle 191 gelieferten Strom aufzuladen. Parallel zu dem Kondensator 194 ist ein zweiter Schalter 193 geschaltet, der komplementär zu dem ersten Schalter 192 angesteuert ist. Diesem zweiten Schalter 193 ist das pulsweitenmodulierte Signal PWM über einen Inverter 195 zugeführt. Aufgabe des zweiten Schalters 193 ist es, den Kondensator 194 während der Ausschaltdauern des pulsweitenmodulierten Signals PWM zu entladen.
• Die Pulsweitenmodulatoren 16A, 16B sind beispielsweise entsprechend dem Pulsweitenmodulator gemäß 3 realisiert.
• Das Zusammenwirken der Pulsweitenmodulatoren 16A, 16B und der Rampensignalgeneratoren 19A, 19B zur Erzeugung der pulsweitenmodulierten Signale PWM1, PWM2 wird nachfolgend anhand der 14 erläutert. 14 zeigt für eine Wandlerstufe zeitliche Verläufe des Rampensignals Sr (14A), des in dem jeweiligen Pulsweitenmodulator erzeugten oder diesem Pulsweitenmodulator zugeführten Taktsignals CLK (14B), des pulsweitenmodulierten Signals PWM (14C) und des zeitlichen Verlaufs des Stroms IL durch das induktive Speicherelement (14D). Das pulsweitenmodulierte Signal PWM wird im Takt des Taktsignals CLK erzeugt, wobei eine Einschaltdauer Ton des pulsweitenmodulierten Signals jeweils mit einem Taktimpuls des Taktsignals CLK beginnt. Mit Beginn der Einschaltdauer Ton des pulsweitenmodulierten Signals PWM wird der Kondensator 194 des Rampensignalgenerators 19 durch den Strom der Stromquelle 191 aufgeladen, wodurch eine Spannung V194 über diesem Kondensator kontinuierlich ansteigt. Das Rampensignal Sr, das an einem Ausgang des Rampensignalgenerators 19 zur Verfügung steht, entspricht entweder der Spannung über diesem Kondensator oder einem mittels eines Transkonduktanzverstärkers 196 aus dieser Spannung abgeleiteten Stromsignal. Ein solcher Transkonduktanzverstärker 196 ist in 13 gestrichelt dargestellt.
• Die Einschaltdauer Ton des pulsweitenmodulierten Signals PWM endet, wenn das Rampensignal Sr den Wert des rückgekoppelten Regelsignals Serr erreicht.
• Für die mittlere Stromaufnahme IL_m einer der Wandlerstufen 1A, 1B gemäß 12 in Abhängigkeit der Einschaltdauer Ton gilt Gleichung (1). Die Einschaltdauer Ton ist bei einer dieser Wandlerstufen abhängig von der Steigung des Rampensignals und dem rückgekoppelten Regelsignal Serr, wobei gilt: Ton = Serr / mr = g·IL (21).
• mr bezeichnet dabei die Steigung des Rampensignals Sr, die wiederum abhängig ist von dem durch die Stromquelle 191 gelieferten Strom und der Kapazität des Kondensators 194. Unter Berücksichtigung der Gleichung (1) und (21) gilt für die mittlere Stromaufnahme IL_m einer der Wandlerstufen gemäß 12: IL_m = 1 / 2( Vin – Vout / L)· Serr / mr (22)
• Für das Verhältnis der mittleren Stromaufnahmen IL1_m/IL2_m der parallel geschalteten ersten und zweiten Wandlerstufen 1A, 1B gilt damit:

  
• L1, L2 bezeichnen dabei die Induktivitäten der induktiven Speicherelemente 11A, 11B. Mit mr1, mr2 sind die Steigungen der durch die Rampensignalgeneratoren 19A, 19B erzeugten Rampensignale Sr1, Sr2 bezeichnet.
• Die mittleren Stromaufnahmen der beiden parallel geschalteten Wandlerstufen können Bezug nehmend auf Gleichung (23) durch herstellungsbedingte Toleranzen der Induktivitätswerte L1, L2 sowie durch herstellungsbedingte Toleranzen der zur Realisierung der Rampensignalgeneratoren 19A, 19B verwendeten Bauelemente voneinander abweichen. Zur Anpassung der mittleren Stromaufnahmen der beiden parallel geschalteten Wandlerstufen 1A, 1B ist erfindungsgemäß vorgesehen, dem Rampensignalgenerator 19B der zweiten Wandlerstufe 1B ein Kalibrierungssignal p2 zuzuführen, das zur Einstellung der Rampensteilheit des durch diesen Rampensignalgenerator 19B erzeugten Rampensignals Sr2 dient. Bezug nehmend auf 13 dient dieses Kalibrierungssignal p2 beispielsweise zur Einstellung des von der Stromquelle 191 gelieferten Stromes. Eine Reduzierung dieses Stromes abhängig von dem Kalibrierungssignal führt zu einer Verringerung der Steilheit des durch den Rampensignalgenerator erzeugten Rampensignals, während eine Erhöhung der Stromstärke der Stromquelle 191 eine Vergrößerung der Rampensteilheit bewirkt. Das Kalibrierungssignal p2 ist dabei so gewählt, dass für die Rampensteilheit mr2 des Rampensignals Sr2 gilt: mr2 = L1 / L2·mr1 = λ2·mr1 (24).
• Mit λ2 ist in Gleichung (24) das Verhältnis der Induktivitäten L1, L2 der induktiven Speicherelement 11A, 11B der parallel geschalteten Wandlerstufen 1A, 1B bezeichnet. Das Verhältnis dieser beiden Induktivitäten kann Bezug nehmend auf Gleichung (16) anhand des im Zusammenhang mit dieser Gleichung erläuterten Kalibrierverfahrens ermittelt werden, bei dem die Induktivitäten der einzelnen Wandlerstufen jeweils für eine vorgegebene Zeitdauer Tc_on an die Eingangsspannung Vin angelegt werden und bei dem eine aus diesem Vorgang resultierende Spannungsdifferenz ΔVout des Ausgangskondensators C des Schaltwandlers ermittelt wird.
• Der Wert der Steigung mr1 wird vorher festgelegt und wird unter Berücksichtigung von Stabilitätsgesichtspunkten bestimmt. Im eingeschwungenen Zustand ist die Schleifenverstärkung der einzelnen Wandlerstufen proportional zu der Eingangsspannung umgekehrt proportional zu dem Maximalwert des Rampensignals, wobei für das Maximum mr1·Ts gilt.
• Bezugnehmend auf die vorherigen Ausführungen sollte der Kalibrierungsschritt beim Start des Leistungswandlers durchgeführt werden. Nur zu diesem Zeitpunkt können die Werte ΔVout1, ΔVout2 und Vc1, Vc2, die für die Berechnung der zwei Parameter g2 und p2 benötigt werden, in der oben erläuterten Weise gemessen werden. Wenn jedoch die Kalibrierungsschritte, die im Zusammenhang mit den Gleichungen (15) und (17) erläutert wurden, während des Normalbetriebs des Spannungswandlers durchgeführt werden, können Informationen über Variationen des Verhältnisses g/L = Ai·Rsense/L erhalten werden. Grundsätzlich ist Rsense/L ein Verhältnis, das von externen Parametern abhängig ist, und diese Parameter ändern sich mit großer Wahrscheinlichkeit 1) während der Lebensdauer und 2) während des Betriebs nach dem Start. Solche Variationen können auftreten aufgrund von Alterung, Temperatur, Stress, usw. Wenn die Gleichung (17) daher zu einem Zeitpunkt während des Betriebs des Spannungswandlers ausgewertet wird, können die Einstellparameter ki aktualisiert werden, um sie an geänderte Bedingungen anzupassen – vor allem an sich ändernde Temperaturen.
• Bezugszeichenliste

1A, 1B

Wandlerstufen

11

induktives Speicherelement

11A–11C

induktive Speicherelemente

12

Strommessanordnung

12A–12C

Strommessanordnungen

13A–13C

Strommesswiderstände

14

Strommessverstärker

14A–14C

Messverstärker

15

Treiberschaltung

15A–15C

Treiberschaltungen

16

Pulsweitenmodulator

16A–16C

Pulsweitenmodulatoren

19A, 19B

Rampensignalgeneratoren

30

Regelanordnung

31

Regelverstärker

32

Referenzspannungsquelle

33, 34

Spannungsteiler

131

Stromspiegel

132

Differenzverstärker

133

Regeltransistor

133

Stromspiegeltransistor

151

Schalter, Halbleiterschalter, MOSFET

152

Freilaufdiode

153

Halbleiterschalter, MOSFET

154

Ansteuerschaltung

161

RS-Flipflop

162

Komparator

171

Steuerschaltung

172, 173

Auswerteschaltungen

174

Kondensator

175

Schalter

191

Stromquelle

194

Kondensator

195

Inverter

196

Transkonduktanzverstärker

192, 193

Schalter

C

Ausgangskondensator des Schaltwandlers

Cc

Kapazität des Messkondensators

CLK

Taktsignal

GND

Bezugspotential

IM

Messstrom

INA, INB

Eingänge der Wandlerstufen

Is

Strommesssignal

Is1–Is3

Strommesssignale

k

Kalibrierungssignal

k2, k3

Kalibrierungssignale

L

Induktivität

L1–L3

Induktivitäten

OUT

Ausgang des Schaltwandlers

OUTA, OUTB

Ausgänge der Wandlerstufen

PWM

pulsweitenmoduliertes Signal

PWM1–PWM3

pulsweitenmodulierte Signale

Rs

Widerstandswert

Rs1–Rs3

Widerstandswerte

S162

Komparatorsignal

S175

Steuersignal

Sr1, Sr2

Rampensignale

T

Periodendauer des Taktsignals und des pulsweitenmodulierten Signals

Tc_off

Entmagnetisierungsdauer

Tc_on

Magnetisierungsdauer

Toff

Ausschaltdauer des pulsweitenmodulierten Signals

Ton

Einschaltdauer des pulsweitenmodulierten Signals

Ts

Messdauer

Vc

Spannung über dem Messkondensator

Vci

Messsignal

Vin

Eingangsspannung

Vout

Ausgangsspannung

Vout'

aus der Ausgangsspannung abgeleitete Spannung

Vref

Referenzspannung

Z

Last

ΔVouti

Messsignal

Claims (8)

1. Schaltwandler zur Erzeugung einer Ausgangsspannung (Vout) an einer Ausgangsklemme (Out) aus einer Eingangsspannung (Vin), der aufweist: – eine Regelanordnung (30) zur Bereitstellung eines von der Ausgangsspannung (Vout) abhängigen Regelsignals (Serr), – einen Ausgangskondensator (C) der an die Ausgangsklemme (Out) gekoppelt ist, – eine erste Wandlerstufe (1A) und wenigstens eine zweite Wandlerstufe (1B, 1C), die jeweils aufweisen: ein induktives Speicherelement (11A, 11B, 11C), eine Strommessanordnung (12A, 12B, 12C), die dazu ausgebildet ist, einen Strom (IL1, IL2, IL3) durch das induktive Speicherelement (11A, 11B, 11C) zu erfassen und ein zu diesem Strom proportionales Strommesssignal (Is1, Is2, Is3) bereitzustellen, einen Pulsweitenmodulator (16A, 15B, 16C), dem das Regelsignals (Serr) und das Strommesssignal (Is1, Is2, Is3) zugeführt sind und der ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM1, PWM2, PWM3) bereitstellt, eine Treiberschaltung, der das pulsweitenmodulierte Signal (PWM1, PWM2, PWM3) und die Eingangsspannung (Vin) zugeführt sind und die die Eingangsspannung (Vin) nach Maßgabe des pulsweitenmodulierten Signals (PWM1, PWM2, PWM3) an das induktive Speicherelement (11A, 11B, 11C) anlegt, wobei – ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem Strom (IL2, IL3) durch das induktive Speicherelement (11B, 11C) und dem Strommesssignal (Is2, Is3) der Strommessanordnung (12B, 12C) der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe (1B, 1C) einstellbar ist und wobei – der Strommessanordnung (12B, 12C) der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe ein Einstellsignal (k2, k3) zur Einstellung des Proportionalitätsfaktors zugeführt ist, und wobei der Schaltwandler dazu ausgebildet ist während eines Kalibrierschrittes: die Eingangsspannung (Vin) aufeinander folgend jeweils für eine vorgegebene Einschaltzeit (Tc_on) an das erste induktive Speicherelement (11A) und das wenigstens eine zweite induktive Speicherelement (11B, 11C) anzulegen, woraus ein Stromfluss durch das jeweilige induktive Speicherelement (11A, 11B, 11C) resultiert, der den Ausgangskondensator (C) auflädt, wobei das Anlegen der Eingangsspannung (Vin) an das erste induktive Speicherelement (11A) für die vorgegebene Einschaltzeit (Tc_on) nach Absinken des Stromes auf Null zu einer ersten Spannungsänderung (ΔVout1) an dem Ausgangskondensator (C) führt und das Anlegen der Eingangsspannung (Vin) an das wenigstens eine zweite induktive Speicherelement (11C) für die vorgegebene Einschaltzeit (Tc_on) nach Absinken des Stromes auf Null zu einer zweiten Spannungsänderung (Δvout2) an dem Ausgangskondensator (C) führt, einen Kalibrierkondensator (Cc) jeweils während eines Messvorgangs für eine fest vorgegebene Zeitdauer (Ts) mit einem Messstrom aufzuladen, der durch die Strommessanordnung (12A) der ersten Wandlerstufe (1A) geliefert wird und mit einem Messstrom aufzuladen, der durch die Strommessanordnung (12B, 12C) der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe (1B, 1C) geliefert wird und die Spannung über dem Kalibrierkondensator (Cc) nach jedem dieser Messvorgänge auszuwerten, um eine erste Messspannung und eine zweite Messspannung zu erhalten, und wobei der Schaltwandler weiterhin dazu ausgebildet ist, das Kalibriersignal (k2, k3) aus der ersten und zweiten Spannungsänderung (Δvout1, Δvout2) und den ersten und zweiten Messspannungen (Vc1, Vc2) zu erzeugen.
2. Schaltwandler nach Anspruch 1, bei dem die Strommessanordnungen (12A, 12B, 12C) jeweils einen an den Strommesswiderstand (13A, 13B, 13C) angeschlossenen Messverstärker (14A, 14B, 14C) aufweisen.
3. Schaltwandler nach Anspruch 2, bei dem eine Verstärkung des Messverstärker (14B, 14C) der Strommessanordnung der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe (1B, 1C) einstellbar ist und bei dem diesem Messverstärker (14B, 14C) das Einstellsignal (k3, k4) zugeführt ist.
4. Schaltwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Strommesswiderstand (13A, 13B, 13C) in Reihe zu dem induktiven Energiespeicherelement (11A, 11B, 11C) geschaltet ist.
5. Schaltwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Treiberschaltungen (15A, 15B, 15C) jeweils ein Schaltelement (151) aufweisen, das durch das pulsweitenmodulierte Signal (PWM) angesteuert ist.
6. Schaltwandler nach Anspruch 4 und 5, bei dem das Schaltelement (151) ein Halbleiterschaltelement mit einem Einschaltwiderstand ist und bei dem das Halbleiterschaltelement (151) als Strommesswiderstand dient.
7. Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Strommessanordnungen jeweils einen Stromspiegel (131) aufweisen, der an einen Strompfad mit dem induktiven Speicherelement (11) und an den Strommesswiderstand (13) gekoppelt ist und der dazu ausgebildet ist, einen das induktive Speicherelement durchfließenden Strom (IL) auf einen den Messwiderstand (13) durchfließenden Messstrom (IM) abzubilden.
8. Schaltwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, die eine Kalibrierschaltung aufweist, die das Einstellsignal für den wenigstens einen zweiten Schaltwandler bereitstellt.

Images