-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen DC-DC-Wandler, konkreter einen
DC-DC-Wandler mit
einer durch einen Impulsbreitenmodulator angesteuerten Leistungsstufe.
-
DC-DC-Wandler
werden für
eine große
Vielfalt von Anwendungen und Geräten,
insbesondere für
batteriebetriebene in der Hand gehaltene und tragbare Anwendungen
verwendet. Einige Geräte
erfordern mehrere verschiedene Spannungen oder Ströme für verschiedene
Teile und Funktionen des Geräts.
Ein Beispiel für
ein derartiges Gerät
ist ein Mobiltelefon mit einem integrierten Kameramodul, in dem
für die
normalen Mobiltelefonfunktionen eine konstante Spannung und für das Blitzlicht
der Kamera ein hoher Strom benötigt
werden kann. Ein herkömmlicher
Ansatz stellt eine einzelne DC-DC-Wandlerstufe mit einzelnen Regelschleifen für jede Funktion
bereit. Dieser Ansatz ist jedoch teuer, stromverbrauchend und unhandlich.
-
Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen DC-DC-Wandler bereitzustellen,
der für
viele verschiedene Anwendungen geeignet und trotzdem kleiner und
weniger komplex als Lösungen
nach dem Stand der Technik ist.
-
Dementsprechend
wird ein DC-DC-Wandler mit einer durch einen Impulsbreitenmodulator
angesteuerten Leistungsstufe bereitgestellt, einschließlich eines
ersten Fehlerverstärkers
mit einem ersten Eingang, der mit einer ersten Referenzspannungsquelle gekoppelt
ist, und einem zweiten Eingang, der mit einer Stromsenke, durch
die ein Strom von einem Ausgang der Leistungsstufe geleitet wird,
gekoppelt ist, um eine erste Rückkopplungsspannung
zu erhalten, eines zweiten Fehlerverstärkers mit einem ersten Eingang,
der mit einer zweiten Referenzspannungsquelle gekoppelt ist, und
einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang der Leistungsstufe gekoppelt
ist, um eine zweite Referenzspannung zu empfangen, und eines Schaltmittels
zur Verbindung eines Steuereingangs des Impulsbreitenmodulators
mit einem Ausgang des ersten Fehlerverstärkers in einer Stromregelungsbetriebsart
und mit einem Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers in einer Spannungsregelungsbetriebsart.
Folglich kann der DC-DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung
zumindest zwei verschiedene Regelungsmechanismen unterstützen. Jeder
der Regelungsmechanismen kann durch eine mit einem einzelnen Fehlerverstärker gekoppelte
einzelne Regelschleife (Rückkopplungsschleife)
implementiert sein. Ein Steuereingang des Impulsbreitenmodulators
wird zwischen die Ausgänge
der Fehlerverstärker
geschaltet, wodurch der DC-DC-Wandler von einer Regelungsbetriebsart
(z. B. zur Regelung der Ausgangsspannung auf einen konstanten Pegel)
auf eine andere Regelungsbetriebsart (z. B. zur Bereitstellung eines
konstanten Ausgangsstroms) umgeschaltet wird.
-
Wenn
man den DC-DC-Wandler jedoch für zwei
verschiedene Anwendungen mit verschiedenen Größen (d. h. Ausgangsspannungen
oder -ströme) verwendet,
kann das Umschalten starke Schleifenreaktionen auslösen. Dies
kann zu ungewünschten
und instabilen Ausgangssignalen des DC-DC-Wandlers führen.
-
Deshalb
enthält
der DC-DC-Wandler in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ein Referenzspannungsregelmittel zur vorübergehenden
Einstellung des Werts der zweiten Referenzspannungsquelle, um die
transienten Vorgänge
beim Umschalten zwischen der Spannungs- und der Stromregelungsbetriebsart
zu verringern. Dies kann implementiert werden, indem das Referenzspannungsregelmittel
so eingerichtet ist, dass es den Wert der zweiten Referenzspannungsquelle
nach einem Übergang
von der Spannungsregelungsbetriebsart in die Stromregelungsbetriebsart
von einem vorbestimmten Referenzspannungswert hin zu der ersten
Referenzspannung ändert
und das erste Vergleichsergebnis dem Eingang des Impulsbreitenmodulators über den
ersten Schalter nur dann zuführt, wenn
die zweite Referenzspannung im Wesentlichen gleich der ersten Referenzspannung
ist. Der Referenzspannungsregelkreis ist ferner so eingerichtet, dass
er die zweite Referenzspannung während
der Stromregelungsbetriebsart nahe an der zweiten Referenzspannung
hält. Letztendlich
ist das Referenzspannungsregelmittel so eingerichtet, dass es die zweite
Referenzspannung erst dann zurück
auf den vorbestimmten Referenzspannungswert ändert, nachdem der Ausgang
des zweiten Fehlerverstärkers über den
ersten Schalter als Reaktion auf einen Übergang von der Stromregelungsbetriebsart
in die Spannungsregelungsbetriebsart mit dem Steuereingang des Impulsbreitenmodulators
verbunden wurde. Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung
ein Mittel zur Verhinderung der Destabilisierung des DC-DC-Wandlers
auf Grund von durch das Umschalten zwischen verschiedenen Regelungsbetriebsarten
verursachten transienten Vorgängen
bereit. Der DC-DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung
ist dafür
geeignet, schnell und reibungslos von der Stromregelungsbetriebsart
in die Spannungsregelungsbetriebsart und umgekehrt zu wechseln.
Wenn der DC-DC-Wandler
die Ausgangsspannung in der Spannungsregelungsbetriebsart regelt und
der DC-DC-Wandler von der Spannungsregelungsbetriebsart in die Stromregelungsbetriebsart umgeschaltet
wird, wird die zweite Referenzspannung stetig so geändert, dass
sie sich der ersten Referenzspannung annähert, bevor der erste Schalter den
Ausgang des ersten Fehlerverstärkers
mit dem Impulsbreitenmodulator verbindet. Durch das stetige Einstellen
der zweiten Referenzspannung wird die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten
des DC-DC-Wandlers ebenfalls stetig eingestellt, und die erste Rückkopplungsspannung
nähert
sich der ersten Referenzspannung an. Die erste und die zweite Referenzspannung
befinden sich auf einem im Wesentlichen gleichen Spannungspegel,
wenn der Steuereingang des Impulsbreitenmodulators von dem Ausgang
des zweiten Fehlerverstärkers
auf den ersten Fehlerverstärker
umgeschaltet wird. Dementsprechend werden Schwingungen der Spannungen und
der Ströme
auf Grund einer plötzlichen Änderung des
Eingangssignals der ersten Regelschleife (d. h. der Rückkopplungsschleife)
minimiert, und der DC-DC-Wandler
schwingt in der Stromregelungsbetriebsart schnell ein. Während der
Stromregelungsbetriebsart wird die zweite Referenzspannung auf einem
Spannungspegel gehalten, der im Grunde gleich dem in der Stromregelungsbetriebsart
an dem zweiten Rückkopplungspfad
auftretenden Spannungspegel ist. Dementsprechend sind die beiden Eingangssignale
des zweiten Fehlerverstärkers gleich.
Wenn der DC-DC-Wandler zurück
in die Spannungsregelungsbetriebsart geschaltet wird, treten in
der zweiten Regelschleife (oder Rückkopplungsschleife) keine
transienten Vorgänge
auf. Schließlich
wird die zweite Referenzspannung, um die korrekte Ausgangsspannung
an dem Ausgangsknoten des DC-DC-Wandlers zu erzeugen, stetig auf einen
anfänglichen
und vorbestimmten Wert zurückgeführt, der
so festgesetzt ist, dass er eine bestimmte Ausgangsspannung erzeugt.
-
Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
-
1 einen
vereinfachten Schaltplan eines DC-DC-Wandlers gemäß der vorliegenden
Erfindung,
-
2 zeitliche
Signalverläufe
von Spannungen und Strömen
eines DC-DC-Wandlers
ohne Verringerung der transienten Vorgänge,
-
3 einen
vereinfachten Schaltplan eines Schaltkreises zur Einstellung der
zweiten Referenzspannung gemäß der vorliegenden
Erfindung,
-
4 zeitliche
Signalverläufe
von Spannungen und Strömen
eines DC-DC-Wandlers
mit einem Schaltkreis gemäß 3,
der von Spannungsregelungsbetriebsart auf Stromregelungsbetriebsart
umgeschaltet wird, und
-
5 zeitliche
Signalverläufe
von Spannungen und Strömen
eines DC-DC-Wandlers
mit einem Schaltkreis gemäß 3,
der von Stromregelungsbetriebsart auf Spannungsregelungsbetriebsart
umgeschaltet wird.
-
1 zeigt
einen vereinfachten Schaltplan eines DC-DC-Wandlers gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der DC-DC-Wandler enthält einen
Leistungsschalter wie zum Beispiel einen Leistungs-NMOS-Transistor
NM1 und einen zweiten Schalter (oder eine Diode) PM1 und einen Impulsbreitenmodulator
PWM zur Steuerung des Leistungsschalters NM1 und des Schalters PM1.
Die primäre Spannungsversorgung
ist durch VIN auf einer Seite der Induktivität L dargestellt. Der Impulsbreitenmodulator
PWM schaltet die Schalter NM1 und PM1, um an dem Ausgangsknoten
des DC-DC-Wandlers eine geregelte Ausgangsspannung VOUT bereitzustellen. Ein
Kondensator C1 dient zur Pufferung und Glättung der Ausgangsspannung
VOUT. Der DC-DC-Wandler stellt zwei Betriebsarten bereit. Eine Stromregelungsbetriebsart
und eine Spannungsregelungsbetriebsart. In der Stromregelungsbetriebsart
wird einer Last (zum Beispiel einer LED) durch die Stromsenke CS1 ein
im Wesentlichen konstanter Ausgangsstrom zugeführt, und die Spannung VLED
wird auf einen bestimmten Wert geregelt. Die Ausgangsspannung VOUT
folgt im Grunde der Spannung VLED plus der LED-Durchlassspannung,
was typischerweise bedeutet, dass VOUT abnimmt. In der Spannungsregelungsbetriebsart
wird an dem Ausgangsanschluss eine konstante Ausgangsspannung VOUT
erzeugt. Da der Ausgangsstrompfad durch die LED über SW3 gesperrt wird, folgt
VLED im Grunde VOUT. Es gibt zwei Fehlerverstärker A1, A2 für das Vergleichen
der Rückkopplungsspannungen
FB1, FB2 mit einer entsprechenden Referenzspannung VREF1, VREF2. Ein
erster Rückkopplungspfad
ist mit dem ersten Fehlerverstärker
A1 gekoppelt und so eingerichtet, dass er eine erste Rückkopplungsspannung
FB1 bereitstellt, die von der Stromquelle CS1, die den durch die
LED fließenden
Ausgangsstrom ILED bereitstellt abgeleitet wird. In der in 1 gezeigten
Ausführungsform
ist FB1 gleich VLED. Der Fehlerverstärker A1 vergleicht die erste
Rückkopplungsspannung
FB1 mit einer ersten Referenzspannung VREF1, um ein erstes Vergleichsergebnis
an dem Ausgang des ersten Fehlerverstärkers A1 bereitzustellen. Ein
zweiter Rückkopplungspfad
ist mit dem zweiten Fehlerverstärker
A2 gekoppelt und so eingerichtet, dass er eine durch die Spannungsteiler
R1, R2 von der Ausgangsspannung VOUT abgeleitete, zweite Rückkopplungsspannung
FB2 bereitstellt. Die Rückkopplungsspannungen
FB1, FB2 unterscheiden sich voneinander. Der zweite Fehlerverstärker A2
vergleicht die zweite Rückkopplungsspannung
FB2 mit einer zweiten Referenzspannung VREF2, um ein zweites Vergleichsergebnis
bereitzustellen. Der erste Schalter SW1 ist so eingerichtet, dass
er den Steuereingang des Impulsbreitenmodulators PWM als Reaktion
auf einen Übergang
von der Stromregelungsbetriebsart in die Spannungsregelungsbetriebsart
wahlweise mit dem Ausgang des ersten Fehlerverstärkers A1 oder mit dem Ausgang
des zweiten Fehlerverstärkers
A2 umschaltet. Ein Schalter SW3 wird dazu verwendet, die Leuchtdiode
LED mit der Stromsenke CS1 zu verbinden und dadurch die LED einzuschalten.
Die Stromsenke CS1 kann als Stromspiegel oder ähnliches implementiert sein.
Um eine vorbestimmte, geregelte VLED herzustellen, tritt der DC-DC-Wandler
in die Stromregelungsbetriebsart ein. In der Stromregelungsbetriebsart
wird die Spannung FB1 (VLED) an der Stromsenke CS1 als Eingangssignal für den ersten
Fehlerverstärker
A1 verwendet. Wenn der Ausgang des Fehlerverstärkers A1 auf den Steuereingang
des Impulsbreitenmodulators geschaltet wird, wird die erste Regelschleife
geschlossen, und die Ausgangsspannung VOUT folgt der Regelung für VLED.
Die LED dient lediglich dazu, ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement
darzustellen. An Stelle einer LED können auch mehrere LEDs parallel
oder in Reihe sowie eine einzelne oder mehrere LEDs auf einem Chip
verwendet werden. Eine Schaltsequenzsteuerstufe SC symbolisiert
zusätzliche
Steuermechanismen, die dazu verwendet werden, die korrekte Schaltsequenz
für die
Schalter SW1 und SW3 bereitzustellen. Die beiden Fehlerverstärker A1
und A2 teilen sich dasselbe Kompensationsnetzwerk (das hier durch
C2 dargestellt ist). Je nach der Regelungsbetriebsart ist entweder
der erste Fehlerverstärker
A1 oder der zweite Fehlerverstärker
A2 mit dem Kompensationskondensator verbunden.
-
Die
gestrichelte Linie in 1 gibt eine mögliche Partitionierung
von Bestandteilen an, die typischerweise auf einem aus Silizium
oder einer anderen Halbleitersubstanz bestehenden Einzelchip integriert
sind. Die Bauelemente außerhalb
der gestrichelten Linie sind vorzugsweise nicht integriert, d. h. sie
sind extern und befinden sich typischerweise gemeinsam mit dem Chip
auf einer Platine. Die durch die gestrichelte Linie in 1 angezeigte
Konfiguration betrifft eine typische CMOS- oder BICMOS-Technologie.
Es kann jedoch für
andere Technologien eine andere Aufteilung verwendet werden.
-
2 zeigt
zeitliche Signalverläufe,
die sich auf die Ausgangsspannung VOUT, die Spannung VLED an der
Leuchtdiode, die Ströme
IL durch die Induktivität
L und den Strom ILED durch die Leuchtdiode LED beziehen (vgl. 1). 2 zeigt
eine typische Betriebsartenübergangssituation.
Der DC-DC-Wandler
wird bei 200 μs
von Spannungsregelungsbetriebsart auf Strom regelungsbetriebsart umgeschaltet.
Dementsprechend wurde der DC-DC-Wandler
von der Regelung von VOUT, d. h. der Spannungsregelungsbetriebsart,
auf die Regelung von VLED, d. h. der Stromregelungsbetriebsart, umgeschaltet.
Somit gestattet der DC-DC-Wandler das Umschalten von einem Regelungsmechanismus auf
den anderen, indem der Steuereingang des Impulsbreitenmodulators
zwischen den Ausgängen
des ersten und des zweiten Fehlerverstärkers umgeschaltet wird.
-
Wenn
der DC-DC-Wandler jedoch von Spannungsregelung auf Stromregelung
umschaltet, liegt die Spannung an der Leuchtdiode VLED zu Beginn auf
einem äußerst hohen
Spannungspegel weit weg von dem in einer Stromregelungsbetriebsart
zu erreichenden Spannungspegel. Während der Spannungsregelungsbetriebsart
wird das Leuchtdiodenbauelement LED durch den Schalter SW3 getrennt, was
bedeutet, dass VLED nahezu gleich VOUT ist, die typischerweise zum
Beispiel 5 V beträgt.
Die Stromregelschleife (die erste Rückkopplungsschleife) versucht,
VLED auf eine viel niedrigere Spannung, zum Beispiel 250 mV, hinunterzuregeln. 2(a) zeigt die Eingangsspannung VIN von
der primären
Spannungsversorgung während
der gesamten Zeit als konstant und die Ausgangsspannung VOUT, die
nach 200 μs
abfällt
und für
die nächsten 40 μs oszilliert. 2(b) zeigt die Spannung VLED an der Leuchtdiode.
Der erste Teil der Wellenform ist nicht gezeigt, da VLED nahe an
VOUT liegt, wie oben beschrieben wurde. VLED fällt nach dem Umschalten von
der Spannungsregelungsbetriebsart auf die Strom regelungsbetriebsart
bei 200 μs
ab. Wie in 2(c) gezeigt, verursachen
die Regelungsaktivitäten
der ersten Rückkopplungsschleife
erhebliche ungeregelte negative Induktivitätsströme. Dies kann in der primären Spannungsversorgung
(z. B. einer Batterie) eine Spannungsüberhöhung nach sich ziehen. 2(d) zeigt den Strom durch die Leuchtdiode
LED. Nach dem Einschalten des Schalters SW3 (in 1 gezeigt)
steigt der Strom ILED an, um einen Endwert von circa 0,5 A zu erreichen.
Wie in allen 2(a)–(d) gezeigt, zieht der Übergang
von der Spannungsregelungsbetriebsart in die Stromregelungsbetriebsart
eine lange Periode nach sich, in der sich Ströme und Spannungen auf oszillierende
Weise ihren Endwerten annähern.
-
3 zeigt
einen vereinfachten Schaltplan eines Schaltkreises, der zur Einstellung
der zweiten Referenzspannung VREF2 gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird. Während
der Stromregelungsbetriebsart ist die zweite Rückkopplungsspannung FB2 über den
Transistor NM2 und den Schalter SW2 mit dem Gate des Transistors
NM3 gekoppelt. Die Stromquellen CS2 und CS5 beziehen und senken
ungefähr
denselben Strom (ICS5 ist gleich ICS2), der durch den Transistor
NM2 fließt.
Da der Transistor NM2 als Diode gekoppelt ist und der durch die
Stromquelle CS6 bereitgestellte Strom ICS6 ebenfalls gleich ICS5
und ICS2 ist, erreicht die Gate-Source-Spannung des Transistors
NM3 einen solchen Wert, dass VREF2 gleich FB2 ist. Wenn die Regelungsbetriebsart
des DC-DC-Wandlers von Stromregelungsbetriebsart auf Spannungsregelungsbetriebsart
umgeschaltet wird, wird der Schalter SW3 eingeschaltet, und die
Stromquelle CS3 fügt
einen bestimmten Strom ICS3 hinzu, so dass die Spannung an C3 und
an dem Gate des Transistors NM3 stetig zunimmt. Dementsprechend
nähert
sich die Spannung VREF2 VREFIN an. Wenn der DC-DC-Wandler von Spannungsregelungsbetriebsart
auf Stromregelungsbetriebsart umgeschaltet wird, wird der Schalter
SW4 eingeschaltet, und der Schalter SW3 wird ausgeschaltet. Dementsprechend
wird die zweite Referenzspannung VREF2 langsam heruntergefahren.
Der Wandler bleibt in der Spannungsregelungsbetriebsart bis VREF2
gleich VREF1 ist (z. B. 250 mV), und dann wird der DC-DC-Wandler
in die Stromregelungsbetriebsart geschaltet, Der Vergleich zwischen
VREF1 und VREF2 wird durch den Fehlerverstärker A3 durchgeführt. Das
Ende des Übergangs
wird durch das Signal ET angezeigt. Die Schaltsteuerung der Schalter
SW2, SW3 und SW4 wird durch die Sequenzsteuerstufe SC symbolisiert.
-
4 zeigt
zeitliche Signalverläufe
einiger Spannungen und Ströme
in einem DC-DC-Wandler gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem wie in 3 gezeigten
Referenzspannungsregelmittel. Folglich treten an der Induktivität L keine
negativen Ströme
auf, und der Induktivitätsstrom
IL wird stetig auf den Zielwert geregelt. Bei 400 μs wird der DC-DC-Wandler
von der Spannungsregelungsbetriebsart auf die Stromregelungsbetriebsart
umgeschaltet. Wie in 4(a) gezeigt,
wird die Referenzspannung VREF2 stetig von circa 1,25 V auf 0,25
V verringert, wobei es sich um den Wert von VREF1 (in 4(a) nicht gezeigt) handelt. 4(b) zeigt das Ende-des-Übergangs-Signal
ET, das angibt, dass die zweite Referenzspannung VREF2 ausreichend
nahe an der ersten Referenzspannung VREF1 liegt, so dass der Steuereingang
des Impulsbreitenmodulators umgeschaltet werden kann. 4(c) zeigt die Ausgangsspannung VOUT und
die Spannung an der Leuchtdiode VLED. Die Ausgangsspannung VOUT nimmt
nach 400 μs
stetig ab. VLED zeigt eine scharfe Kante auf Grund des Einschaltens
des Strompfads durch die LED. Nach diesem ersten Abfall nähert sich die
Spannung VLED stetig an 250 mV an. 4(d) zeigt
die Ströme
IL und ILED. Beide Ströme
erreichen ihre Endpegel stetig ohne unzulässige Oszillation.
-
5 zeigt
die gleichen Signale, wie sie in 4 dargestellt
sind, nun jedoch für
einen Wechsel von der Stromregelungsbetriebsart in die Spannungsregelungsbetriebsart
bei 800 μs.
In dieser Situation wird der Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers unverzüglich mit
dem Steuereingang des Impulsbreitenmodulators verbunden. Da die
zweite Referenzspannung VREF2 während
der Stromregelungsbetriebsart nahe an der zweiten Rückkopplungsspannung
FB2 gehalten wurde, tritt keine Oszillation auf. Nach 800 μs wird die
zweite Referenzspannung VREF2 stetig erhöht und erreicht nach 950 μs circa 1,25
V. Das Ende-des-Übergangs-Signal
ET ändert
sich bei 800 Ms abrupt, was anzeigt, dass der Steuereingang des
Impulsbreitenmodulators unverzüglich
auf den Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers umgeschaltet wird. Da
VREF2 stetig erhöht
wird, folgt VOUT wie in 5(c) gezeigt
und steigt stetig von 3,5 V bei 800 μs auf 5 V bei 950 μs an. Der
in 5(d) gezeigte Strom durch die Leuchtdiode
ILED wird auf 0 A abgeschaltet, und der Strom IL durch die Induktivität L tritt
in eine periodische Oszillation ein, die benötigt wird, um eine konstante
Ausgangsspannung VOUT herzustellen. Im Allgemeinen zeigt 5 den
reibungslosen Übergang
bei dem Umschalten von der Stromregelungsbetriebsart in die Spannungsregelungsbetriebsart.
VREF2 in 5(a) spiegelt die Referenzstellspannung
wider. Vor 800 μs wird
die Stromregelungsbetriebsart ausgeführt. Wenn der DC-DC-Wandler
bei 800 μs
in die Spannungsregelungsbetriebsart umgeschaltet wird, beginnt
die interne Referenzspannung VREF2 damit, langsam hochzufahren,
was es gestattet, die Regelschleife so hochzutreiben, dass sie VREF2
folgt, und VOUT somit ohne einen nennenswerten Einfluss auf den
Induktivitätsstrom
IL auf 5 V hochgefahren wird.