DE102008036773A1

DE102008036773A1 - Regelschaltung für einen großen Eingangsspannungsbereich

Info

Publication number: DE102008036773A1
Application number: DE102008036773A
Authority: DE
Inventors: Simone Fabbro
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2009-02-19
Also published as: US7884586B2; US20090039841A1

Abstract

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Spannungsregelsystem offenbart, bei welchem ein Tastverhältniswert einer Eingangsspannung (118) gemessen wird, wobei die Eingangsspannung (118) einer Regelschaltung (102) zugeführt wird, welche eine geregelte Ausgangsspannung (120) bereitstellt. In Abhängigkeit von einem berechneten idealen Tastverhältnis, welches von dem gemessenen Tastverhältnis abgeleitet wird, wird eine Bestimmung vorgenommen, ob eine Betriebsart der Regelschaltung (102) gewechselt werden sollte, um eine höhere Effizienz zu erreichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme und elektronische Geräte, welche eine Regelung zur Bewältigung eines Bereichs von Eingangsspannungen aufweisen, sowie entsprechende Verfahren.
Mit der zunehmenden technischen Komplexität tragbarer elektronischer Geräte wachsen auch die Forderungen an die Stromversorgung derartiger Geräte. Beispielsweise können tragbare elektronische Geräte wie Digitalkameras verschiedene Batteriestromversorgungen (d. h. Batterien) von verschiedenen Herstellern akzeptieren. Verschiedene Batterien können verschiedene Spannungsbereiche aufweisen. Zudem kann der Spannungsbereich ein und desselben Batterietyps mit dem Fortschritt der Herstellungstechnologie größer werden. Ein elektronisches Gerät weist jedoch eine festgelegte oder geregelte Ausgangsspannung auf. Daher sollten elektronische Geräte, um auf dem Markt wettbewerbsfähig zu sein, einen breiten Bereich von Eingangsspannungen und verschiedene Arten von Batterien unterstützen. Die Eingangsspannung von derartigen Batterien sollte konvertiert und geregelt werden, so dass eine gute Effizienz erreicht wird. In anderen Worten sollten keine wesentlichen Verluste oder Leistungsabfälle bei der Anpassung an variierende Spannungsbereiche und Spannungstastverhältnisse auftreten. Zudem ist es, da die Ausgangsspannung festgelegt oder geregelt ist, wünschenswert, große Variationen der Ausgangsspannung zu vermeiden.
Diesbezüglich stellt die vorliegende Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel ein System nach Anspruch 1 bereit. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein elektronisches Gerät nach Anspruch 8 bereitgestellt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren gemäß Anspruch 15 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren gibt die linke Ziffer jedes Bezugszeichens die Figur an, in welcher das Bezugszeichen zuerst auftritt. Gleiche Bezugszeichen an verschiedenen Stellen der Beschreibung und in den Figuren deuten auf gleiche oder ähnliche Komponenten hin. Es zeigen:
1 ein beispielhaftes Ausgangsspannungsregelsystem zum Beibehalten einer hohen Effizienz für einen breiten Bereich von Eingangsspannungen,
2 ein Diagramm, in dem ein Tastverhältnis über einer Eingangsspannung V_IN aufgetragen ist, und
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Tastverhältnisses einer Eingangsspannung und zum Verändern einer Betriebsart einer Spannungsregelschaltung, welche eine Ausgangsspannung mit konstantem Wert bereitstellt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, welche sich zumindest teilweise auf Techniken zum Regeln einer Ausgangsspannung für ein tragbares elektronisches Gerät beziehen, um einen breiten Bereich von Eingangsspannungen von einer Batteriequelle zu unterstützen. Bei einer beschriebenen Implementierung, bei der ein schaltender Gleichspannungs-/Gleichspannungswandler betrachtet wird, berechnet ein Idealtastverhältnisberechner einen idealen Tastverhältniswert basierend auf einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung einer Regelschaltung, und ein Tastverhältnisüberwacher und Betriebsartumschalter empfängt ein Tastverhältnis basierend auf dem Wert für das ideale Tastverhältnis und einem angepassten Fehlersignal basierend auf einem Rückkopplungssignal und verändert eine Betriebsart der Regelschaltung in Abhängigkeit von dem empfangenen Tastverhältnis. Das ideale Tastverhältnis unterscheidet sich von dem schlussendlich bei der Konvertierung benutzten Tastver hältnis darin, dass das schlussendliche „reale Tastverhältnis" durch die Kombination des idealen Tastverhältnisses mit dem Fehlersignal in Abhängigkeit von einem Rückkopplungssignal erhalten wird. Auf diese Weise wird das ideale Tastverhältnis berechnet, als ob das Konvertierungssystem verlustlos wäre, und der dem idealen Tastverhältnis zur Kompensierung der Verluste hinzuzufügende Offset wird durch das Fehlersignal in Abhängigkeit von der Rückkopplung der Ausgangsspannung zu einem Fehlerverstärker angegeben. Wie oben diskutiert erzeugt die Summierung/Kombination des idealen Tastverhältnisses mit dem Fehlersignal ein Signal, welches das schlussendliche von dem Konvertierer benutzte reale Tastverhältnis kodiert.
Die hier beschriebenen Techniken können auf verschiedene Weise implementiert werden. Eine beispielhafte Umgebung und ein beispielhafter Kontext werden unten stehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Ein Spannungsregler wird implementiert, welcher einen breiten Eingangsspannungsbereich unterstützt und an einem Ausgang eine Versorgungsspannung bereitstellt, welche höher ist als eine minimale spezifizierte Eingangsspannung und geringer als eine maximale spezifizierte Eingangsspannung, und das bei einer beträchtlich hohen Leistungsumwandlungseffizienz.
1 zeigt ein beispielhaftes Ausgangsspannungsregelsystem 100 zum Beibehalten einer hohen Effizienz für einen breiten Eingangsspannungsbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Das Ausgangsspannungsregelsystem 100 kann als Teil irgendeines elektronischen Geräts, beispielsweise eines tragbaren elektronischen Geräts wie einer Digitalkamera, implementiert werden. Bei derartigen elektronischen Geräten kann eine Spannungsregelschaltung wie durch eine Schaltung 102 dargestellt implementiert sein. Die Spannungsregelschaltung 102 ist insbesondere ein Leistungswandler bzw. Spannungswandler, welcher eine Eingangsleistung bzw. Eingangsspannung in eine Ausgangs leistung bzw. Ausgangsspannung konvertiert. Bei dem dargestellten Beispiel empfängt die Schaltung 102 eine Eingangsspannung von einer Batteriespannungsversorgung oder Batterie 104. Die Batterie 104 kann irgendeine von verschiedenen Batterien sein, welche variierende Eingangsspannungsbereiche aufweisen.
Bei diesem Beispiel ist die Schaltung 102 ein nichtinvertierender Tief-Hochsetzsteller bzw. -wandler (engl. buck-boost converter), welcher eine H-Brückenschaltung mit Schaltern SW1 106, SW2 108, SW3 110 und SW4 112 umfasst. Wie Fachleuten klar ist, kann die Schaltung 102 verschiedene Schaltungen umfassen. Das bestimmte Beispiel eines nichtinvertierenden Tief-Hochsetzstellers wird lediglich zur Veranschaulichung diskutiert.
Eine Induktivität 114 ist zwischen zwei Halbbrücken angeordnet, wobei eine Halbbrücke den SW1 106 und den SW2 108 umfasst und die andere Halbbrücke den SW3 110 und den SW4 112 umfasst. Die Spannungsregelschaltung 102 erzeugt eine Spannung an einer Kapazität C_OUT 116, welche entweder höher oder geringer als die Spannung an der Batterie 104 sein kann, abhängig davon, wie und mit welchem Tastverhältnis (d. h. mit welchem Verhältnis an zu aus) die Schalter SW1 106, SW2 108, SW3 110 und SW4 112 betrieben werden. Wenn beispielsweise ein klassischer Tief-Hochsetzstellvorgang angenommen wird, wird, wenn sowohl der Schalter SW1 106 als auch der Schalter SW4 112 geschlossen sind, in der Induktivität 114 magnetischer Fluss aufgebaut. Wenn sowohl der Schalter SW2 108 als auch der Schalter SW3 110 geschlossen werden, wird Energie, d. h. Spannung, an die Kapazität C_OUT 116 geliefert. Dies stellt eine klassische Tief-Hochsetzstelloperation dar, bei welcher die Schalter SW1 106, SW4 112 und die Schalter SW2 108, SW3 110 in Kombination miteinander gemäß einem Tastverhältnis benutzt werden. Es kann andere Implementierungen mit vier Schaltern geben, welche eine Tief-Hochsetzstellfunktion ausüben können (Eingangsspannung höher oder geringer als die Ausgangsspannung), indem die verschiedenen Schalter auf andere Weise und mit anderen Tastverhältnissen als in der zuvor beschriebenen klassischen Tief-Hochsetzstelloperation bei einer Tief-Hochsetzbetriebsart kombiniert werden.
Bei der Benutzung von vier Schaltern (d. h. beim Vierschalterbetrieb) können Leistungsverluste auftreten, welche die Effizienz des Systems 100 beeinflussen. Derartige Verluste umfassen inhärente Widerstandsverluste, Ladungsübertragungsverluste und Schaltverluste. Eine Lösung, um die Ladungsübertragungsverluste und Schaltverluste zu vermeiden oder zu minimieren, umfasst einen selektiven Vollbetrieb der Schalter SW1 106, SW3 110 und SW 108, SW4 112 mit jeweils einem 100%-Tastverhältnis oder einem 0%-Tastverhältnis. Insbesondere kann der Vollbetrieb der Schalter SW1 106, SW2 108, SW3 110 und SW4 112 bezüglich der Größe der Eingangsspannung wie der Größe der Eingangsspannung 118 ausgewählt werden. In anderen Worten arbeitet die Spannungsregelschaltung 102 abhängig von dem Eingangsspannungsbetrieb in verschiedenen Schalterbetriebsarten. Insbesondere wird in einem „Tiefsetzbetrieb" die H-Brücke der Spannungsregelschaltung 102 derart betrieben, dass die Halbbrücke SW1 106 und SW2 108 (welche als Tiefsetzzweig bezeichnet werden kann) in Betrieb ist (d. h. SW1 106 und SW2 108 wird erlaubt, sich mit einem bestimmten auf die Eingangsspannung 118 bezogenen Tastverhältnis zu öffnen und zu schließen), während SW4 112 immer geschlossen ist und SW3 110 immer offen ist. Im „Hochsetzbetrieb" wird die H-Brücke so betrieben, dass die andere Halbbrücke aus SW3 110 und SW4 112 (welche als Hochsetzzweig bezeichnet werden kann) in Betrieb ist (d. h. SW3 110 und SW4 112 ist es gestattet, sich mit einem bestimmen auf die Eingangsspannung 118 bezogenen Tastverhältnis zu öffnen und zu schließen), während SW1 106 immer geschlossen ist und SW2 108 immer offen ist.
Die vier Schalter SW1 106, SW2 108, SW3 110 und SW4 112 können alle in verschiedenen Weisen, Kombinationen und verschiedenen Tastverhältnissen (d. h. „Tief-Hochsetzbetriebsart") be trieben werden in Fällen, bei denen die Eingangsspannung 118 näherungsweise der Ausgangsspannung V_OUT 120 in einem Bereich entspricht, für welchen ein Tastverhältnis für entweder die Tiefsetzbetriebsart oder die Hochsetzbetriebsart zu nahe am Maximum oder Minimum ist, um eine ausreichende Regelleistung zu garantieren. Ein Begrenzen des Vierschalterbetriebs nur auf einen bestimmten verringerten Eingangsspannungsbereich kann zu einer besseren Effizienz außerhalb des begrenzten Eingangsspannungsbereichs führen, der sehr breite Eingangsspannungsbereich kann jedoch große Unterschiede hinsichtlich des Wertes des Tastverhältnisses nach sich ziehen, welches den erwähnten Umwandlungsbetriebsarten (Tiefsetzen, Hochsetzen, Tief-Hochsetzen) entspricht. Ein einfacher und plötzlicher Übergang zwischen verschiedenen Betriebsarten (beispielsweise ein Übergang zwischen Tiefsetzen und Tief-Hochsetzen oder zwischen Tief-Hochsetzen und Hochsetzen) kann zu Übergangsantworten mit großen Schritten des Tastverhältnisses führen, welche gemäß einer inhärenten Steuerzeitkonstanten zu großen Ausgangsspannungsabweichungen bei V_OUT 120 führen können.
Um zwischen Betriebsarten (z. B. Tiefsetzbetriebsart, Hochsetzbetriebsart, Tief-Hochsetzbetriebsart) umzuschalten, wird eine Bestimmung der Größe der Eingangsspannung 118 vorgenommen. Diese Bestimmung kann direkt oder indirekt vorgenommen werden, indem ein derzeitiger Wert des Tastverhältnisses überprüft wird oder indem direkt oder indirekt die derzeitige Eingangsspannung 118 überprüft wird. Es kann bevorzugt sein, den Wert des Tastverhältnisses zu überprüfen, weil eine mögliche Sättigungsbedingung dabei ebenso überprüft wird (wenn das Tastverhältnis die Grenzen von 0% und 100% unter- bzw. überschreitet), wobei eine derartige Sättigungsbedingung nur teilweise von der Eingangsspannung 118 oder der Ausgangsspannung V_OUT 120 abhängt, da ein bloßes Betrachten der Eingangs- und Ausgangsspannung Leistungsverluste nicht berücksichtigt. Wenn der Wert des Tastverhältnisses überprüft wird, wird die Eingangsspannung 118 indirekt überprüft.
Wenn zwischen verschiedenen Betriebsarten umgeschaltet wird, ist es wünschenswert, hinsichtlich der Ausgangsspannung V_OUT 120 einen weichen Übergang, möglichst ohne Signalspitzen oder Überschwinger, vorzunehmen.
In anderen Worten können für gleiche Werte der Eingangsspannung (z. B. Eingangsspannung 118) und der Ausgangsspannung (z. B. V_OUT 120) verschiedene Betriebsarten stark unterschiedlichen Werten des Tastverhältnisses entsprechen. Eine Durchführung eines Wechsels zwischen Betriebsarten (d. h. eine plötzliche Veränderung der Anordnung/des Betriebs der Schalter) würde eine große Veränderung des Tastverhältnisses von einer Betriebsart zur anderen implementieren, was zu inakzeptablen Überschwingern/Unterschwingern bei der Ausgangsspannung V_OUT 120 führen würde, welche durch die begrenzte Geschwindigkeit verursacht werden, mit welcher die Regelschleife reagieren würde.
Bei einer Implementierung wird die Entscheidung, wann ein Wechsel der Betriebsart vorgenommen wird, in Abhängigkeit von einer Überwachung eines existierenden oder derzeitigen Tastverhältnisses bezüglich der Stromwandlerbetriebsart (Schalteranordnung) getroffen. Beispielsweise wird, wenn, ausgehend von einem Zustand, in dem die Eingangsspannung 118 größer ist als die Ausgangsspannung V_OUT 120, die Eingangsspannung 118 schrittweise von oben her kommend (d. h. von einem hohen Spannungswert) abnimmt und in die Nähe der Ausgangsspannung bei V_OUT 120 kommt, die Entscheidung, von einem Zweischalterbetrieb (d. h. Tiefsetzbetriebsart) zu einem Vierschalterbetrieb (d. h. Tief-Hochsetzbetriebsart) überzugehen, getroffen, wenn das Tastverhältnis größer als ein bestimmter Schwellenwert wird, welcher akzeptable Dynamikleistungen für geringere Werte des Tastverhältnisses garantiert.
In ähnlicher Weise wird, wenn ausgehend von einem Zustand, in dem die Eingangsspannung 118 kleiner als die Ausgangsspannung bei V_OUT 120 ist, die Eingangsspannung 118 dann anwächst, die Entscheidung, von dem Zweischalterbetrieb (d. h. Hochsetzbetriebsart) zu einem Vierschalterbetrieb (d. h. Tief-Hochsetzbetriebsart) überzugehen, getroffen, wenn das Tastverhältnis geringer als ein bestimmter Schwellenwert wird. Tastverhältnis-Schwellenwert-Übergänge werden untenstehend weiter diskutiert.
Während das System 100 in Betrieb ist (d. h. läuft), wird ein ideales Tastverhältnis mathematisch durch einen Idealtastverhältnisberechner 122 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung 118, einer gewünschten Ausgangsspannung bei V_OUT 120 und von der derzeitig laufenden Umwandlungsbetriebsart (Schalteranordnung) berechnet. Ein Signal 124, welches das ideale Tastverhältnis wiedergibt, wird erzeugt und bei einem Summationsknoten 126 zu einem Signal 128, welches an einem Ausgang eines Fehlerverstärkers 130 anliegt, summiert. Der Fehlerverstärker 130 bewirkt eine Rückkopplungssteuerung durch Vergleichen eines Signals 132, welches sich auf die Ausgangsspannung V_OUT 120 bezieht, welche durch einen Wandler (Transducer)/Dämpfer 134 gedämpft werden kann, mit einer bestimmten Referenzspannung V_REF 136. Die Summierung/Kombination der Signale 124 und 128 gibt einen Wert für ein reales Tastverhältnis 150 an, dessen zwei Beiträge somit das ideale Tastverhältnis, welches berechnet wird, als ob das System verlustlos wäre (da es nur von der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung abhängt) und ein Versatz, welcher von dem Fehlerverstärker erzeugt wird und Leistungsverluste kompensiert, sind.
Ein Pulsweitenmodulator (PWM) 138 erzeugt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Tastverhältnissignal 140 in Abhängigkeit von dem realen Tastverhältniswert 150, welches einem Treiber 122 zugeführt wird. Insbesondere kommt die in dem realen Tastverhältniswert 150 enthaltene Information über die Eingangsspannung 118 vollständig von dem Signal 124, welches über den Idealtastverhältnisberechner 122 direkt von der Ein gangsspannung 118 abhängt und an dem die Rückkopplungsschleife (Signale 132 und 128) nicht beteiligt ist. Auf diese Weise muss der Fehlerverstärker 130 nicht auf alle durch Eingangsleitungsvariationen hervorgerufenen Effekt eingehen. Der Fehlerverstärker 130 regelt sein Ausgangssignal 138, um das Tastverhältnis anzupassen und damit die Leistungsverluste, welche bei der Umwandlung auftreten (z. B. wenn zwischen Betriebsarten umgeschaltet wird), zu kompensieren. Dies ermöglicht es dem Idealtastverhältnisberechner 122, das ideale Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Eingangsspannung 118, der gewünschten Ausgangsspannung V_OUT 120 und der derzeitigen Betriebsart unter Vernachlässigung der Verluste, welche dynamisch durch die Regelschleife kompensiert werden, die den Fehlerverstärker 130 umfasst, unabhängig zu berechnen.
Auf diese Weise wird, wenn zwischen zwei verschiedenen Betriebsarten umgeschaltet wird, das ideale Tastverhältnis unverzüglich an seinen idealen Wert von einer Betriebsart zur anderen angepasst, was nur geringfügige Effekte auf die dynamische Variation der Ausgangsspannung V_OUT 120 verursacht, welche von Verlusten abhängen, welche durch den Fehlerverstärker 130 kompensiert werden. In anderen Worten wird ein Übergang im Wesentlichen ohne Über- oder Unterschwinger oder andere Signalspitzen realisiert. Bei V_OUT 120 kann ein Transient gesehen werden, welcher von einer geringen Änderung des Tastverhältnisses herrührt, welche mit Verlusten verknüpft ist, welche durch den Fehlerverstärker 130 kompensiert werden. In anderen Worten wird ein Übergang im Wesentlichen ohne Über- bzw. Unterschwinger oder ähnliche Signalverläufe realisiert. Bei V_OUT 120 kann ein Transient zu sehen sein, welcher mit einer kleinen Veränderung des Tastverhältnisses, welche durch die Rückkopplungsschleife des Systems 100 bestimmt wird, verknüpft ist, wenn die Veränderung des Tastverhältnisses benutzt wird, Leistungsumwandlungsverluste zu kompensieren. Die beschriebene Herangehensweise implementiert weiterhin eine Vorwärtskompensation (engl.: „Feed Forward"), so dass die im Idealtastverhältnisberechner 122 durchgeführte Berechnung des unabhängigen idealen Tastverhältnisses die Effekte von Eingangsleitungsvariationen bei V_OUT 120, welche durch einen von der Rückkopplung unabhängigen Pfad hindurchgehen, verringert.
Ein Tastverhältnisüberwacher und Betriebsartwechsler 144 stellt ein Signal 126 bereit, um den Schaltbetrieb der Schaltung 102 festzulegen, insbesondere Tiefsetzbetriebsartbetrieb mit zwei Schaltern, Tief-Hochsetzbetriebsartbetrieb mit vier Schaltern oder Hochsetzbetriebsartbetrieb mit zwei Schaltern. Das Wechseln der Betriebsarten wird durch den Tastverhältnisüberwacher und Betriebsartwechsler 144 durchgeführt, indem er einen derzeitigen Wert des Tastverhältnisses 140 (und schlussendlich Signal 150) empfängt und es mit definierten Schwellenwerten vergleicht, so dass die Regelleistung an den Grenzen erfüllt ist. Die Schwellenwerte werden weiter unten diskutiert. Der Idealtastverhältnisberechner 122 erzeugt in Abhängigkeit von der Eingangsspannung 118, der Ausgangsspannung V_OUT 120 und der derzeitigen Betriebsart ein Signal, welches den Wert des idealen Tastverhältnisses widerspiegelt, wie in Signal 148 bereitgestellt. Bei einer Implementierung kann der Idealtastverhältnisberechner 122 seine Berechnung auch auf eine skalierte Version der Referenzspannung V_REF 136 basieren, statt die Ausgangsspannung V_OUT 120 direkt zu benutzen, und damit eine parasitäre Schleife vermeiden.
Wie oben diskutiert wird das Signal 124 von dem Idealtastverhältnisberechner 122 mit dem Signal 128 von dem Fehlerverstärker 130 an dem Summationsknoten 126 summiert und vervollständigt eine geschlossene Regelschleife des Ausgangsspannungsregelsystems 100.
Wie diskutiert ist es wünschenswert, den Spannungswert an der Ausgangsspannung V_OUT 120 unabhängig von dem Wert der von der Batterie 104 bereitgestellten Spannung und/oder der Eingangsspannung 118 beizubehalten. Daher wird, um den konstanten Wert bei V_OUT 120 beizubehalten, das Tastverhältnis verändert.
Wenn das Tastverhältnis verändert wird, kann sich auch die Betriebsart der Spannungsregelschaltung 102 verändern, um den gewünschten konstanten Wert bei V_OUT 120 bereitzustellen.
Die folgenden Gleichungen beschreiben die mathematischen Beziehungen des idealen (verlustfreien) Tastverhältnisses zu der Eingangsspannung 118 (mit V_IN bezeichnet) und der Ausgangsspannung 120 (als V_OUT bezeichnet) im Falle einer Hochsetz- oder Tiefsetzbetriebsart (nur zwei Schalter werden periodisch geschaltet):
Tastverhältnis = (V_OUT – V_IN)/V_OUT in der Hochsetzbetriebsart
Tastverhältnis = V_OUT/V_IN in der Tiefsetzbetriebsart
In der Tief-Hochsetzbetriebsart, bei welcher vier Schalter periodisch geschaltet werden, kann der Ausdruck für das ideale Tastverhältnis für verschiedene Schaltkonzepte bezüglich unterschiedlicher/unabhängiger An- und Auszeiten der vier einbezogenen Schalter unterschiedlich sein. Das bedeutet, dass die Implementierung des Idealtastverhältnisberechners 122 das jeweilige verwendete Schaltkonzept für den Tiefsetz-Hochsetzvierschalterbetrieb berücksichtigen muss.
2 zeigt einen beispielhaften Graphen 200, wobei das Tastverhältnis über der Eingangsspannung V_IN ausgetragen ist. Der Graph 200 enthält beispielhafte Tastverhältniswerte und damit verknüpfte Werte der Eingangsspannung V_IN, bei denen bestimmte Betriebsarten existieren. Insbesondere kann der Tastverhältnisüberwacher und Betriebsartwechsler 144 einen derartigen Graphen 200 oder von dem Graphen 200 abgeleitete Werte benutzen, um zu bestimmen, wann zwischen Betriebsarten gewechselt werden soll. In anderen Worten weist der Tastverhältnisüberwacher und Betriebsartwechsler 144 in Abhängigkeit von dem Tastverhältniswert und dem Wert von V_IN die Schaltung 102 an, in einer bestimmten Betriebsart, d. h. Tiefsetzbetriebsart, Tief-Hochsetzbetriebsart oder Hochsetzbetriebsart, zu arbeiten. Da V_OUT ein konstanter oder sich zumindest im Wesentlichen nicht verändernder Wert ist, ist das Tastverhältnis abhängig von V_IN, z. B. proportional zu V_IN. Damit wird abhängig vom Tastverhältnis die jeweilige Betriebsart ausgewählt. Bei diesem Beispiel stellt eine Linie 202 ein Gebiet mit Tiefsetzbetriebsart dar, in dem das Tastverhältnis von 60% bis 90% ist. Eine Linie 204 stellt ein Gebiet mit Tief-Hochsetzbetriebsart dar, wobei das Tastverhältnis von 40% bis 60% ist. Eine Linie 206 stellt ein Gebiet mit Hochsetzbetriebsart dar, wobei das Tastverhältnis von 15% bis 40% ist.
3 zeigt eine beispielhafte Implementierung eines Verfahrens 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Überwachen eines Tastverhältnisses an bzw. in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung und zum Verändern einer Betriebsart einer Spannungsregelschaltung, welche eine Ausgangsspannung mit konstantem Wert bereitstellt.
Spezifische Merkmale beispielhafter Verfahren werden unten beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, dass bestimmte Vorgänge abhängig von den Umständen nicht in der beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden müssen, modifiziert werden können und/oder ganz weggelassen werden können. Zudem können die beschriebenen Vorgänge beispielsweise durch einen Computer, einen Prozessor oder eine andere Rechenmaschine basierend auf auf einem oder mehreren computerlesbaren Medien gespeicherten Instruktionen implementiert sein. Das computerlesbare Medium kann jegliches verfügbare Medium sein, auf welches eine Rechenmaschine zugreifen kann, um die darauf gespeicherten Instruktionen zu implementieren oder auszuführen.
Bei 302 wird ein ideales Tastverhältnis, bei welchem die Spannungsregelschaltung arbeiten soll, berechnet. Wie beschrieben kann die Spannungsregelschaltung in verschiedenen Betriebsarten arbeiten, um variierende Eingangsspannungswerte zu berücksichtigen. Bei dem oben beschriebenen Beispiel ist die Spannungsregelschaltung 102 ein nichtinvertierender Tief-Hochsetzsteller (engl. „buck-boost converter"). Abhängig von der Eingangsspannung, welche größer oder kleiner als die Ausgangsspannung sein kann, kann die Spannungsregelschaltung 102 in einer Tiefsetzbetriebsart, in einer Tief-Hochsetzbetriebsart oder in einer Hochsetzbetriebsart arbeiten. Ein ideales Tastverhältnis wird für diejenige Betriebsart bestimmt, welche momentan verwendet wird. Die Berechnung kann durch den Idealtastverhältnisberechner 122 durchgeführt werden. Wie oben diskutiert wird die Berechnung in Abhängigkeit von dem Wert der Ausgangsspannung, dem Wert der Eingangsspannung und der jeweils momentan angewandten Betriebsart durchgeführt. Der Wert des berechneten idealen Tastverhältnisses kann zudem mit einem Wert summiert werden, welcher von einem Fehlerverstärker (z. B. Fehlerverstärker 130) als Teil der Regelschleife kommt, womit sowohl eine Rückkopplungs- als auch Vorwärtskopplungssteuerung eingeschlossen ist. Weiterhin kann der Idealtastverhältnisberechner 122 das ideale Tastverhältnis zur selben Zeit für ein oder mehrere Betriebszyklen berechnen.
Bei 304 wird das (aus der Kombination des Signals des idealen Tastverhältnisses mit dem Ausgangssignal des Fehlerverstärkers abgeleitete) reale Tastverhältnis gemessen, d. h. erfasst. In der Tat wird innerhalb der gleichen Betriebsart (Tiefsetzbetriebsart, Tief-Hochsetzbetriebsart, Hochsetzbetriebsart) das Tastverhältnis in Abhängigkeit von der derzeitigen Eingangsspannung und den Leistungsverlusten geregelt, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.
Bei 306 wird bestimmt, ob das gemessene Tastverhältnis innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. Wie oben diskutiert kann der vorgegebene Bereich auf Schwellenwerten für das Tastverhältnis beruhen, welche für jede Betriebsart der Spannungsregelschaltung bestimmt sind. Wenn der Tastverhältniswert innerhalb des vorgegebenen Bereichs für das ideale Tastverhältnis liegt (d. h. folgend dem JA-Zweig von 306), dann wird bei 308 die derzeitige Betriebsart der Spannungsregelschaltung beibehalten, und alle Einstellungen bleiben unverändert. Wenn das Tastverhältnis nicht innerhalb des vorgegebenen Bereichs für das ideale Tastverhältnis ist (d. h. folgend dem NEIN-Zweig von 306), dann wird bei 310 die Betriebsart des Spannungsreglers geändert, um das gemessene Tastverhältnis innerhalb der zu der neuen Betriebsart gehörenden Schwellenwerte zu beherbergen. Zur selben Zeit wird der Idealtastverhältnisberechner mit den Einstellungen entsprechend der neuen Betriebsart programmiert. Das Tastverhältnisüberprüfungsverfahren beginnt dann erneut mit den neuen Einstellungen.
Zum Zwecke dieser Offenbarung und der folgenden Ansprüche wurden die Begriffe „gekoppelt" und „verbunden" benutzt, um zu beschreiben, wie verschiedene Elemente zusammen arbeiten. Eine derart beschriebene Zusammenarbeit verschiedener Elemente kann direkt oder indirekt sein. Obwohl der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung in für strukturelle Merkmale und/oder Verfahrensvorgänge spezifischen Worten beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass die durch die angehängten Ansprüche definierten Gegenstände nicht notwendigerweise auf die spezifischen beschriebenen Merkmale oder Vorgänge begrenzt sind. Vielmehr sind die spezifischen Merkmale und Vorgänge als bevorzugte Implementierung der Ansprüche offenbart. Beispielsweise könnten die beschriebenen Systeme als Überwachungsschaltungen konfiguriert sein und in verschiedene Rückkopplungs- und Steuerschleifen eingebaut sein. Zudem kann die Spannungsregelschaltung andere Arten von Spannungsregelschaltungen in verschiedenen analogen und digitalen Konfigurationen umfassen.

Claims

System (100) umfassend: einen Idealtastverhältnisberechner (122), welcher ausgestaltet ist, einen idealen Tastverhältniswert in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung (118) und einer Ausgangsspannung (120) einer Regelschaltung (102) zu berechnen, wobei die Ausgangsspannung (120) ein Teil einer Rückkopplungsschleife in dem System ist, und einen Tastverhältnisüberwacher und Betriebsartwechsler (144), welcher ausgestaltet ist, einen Tastverhältniswert in Abhängigkeit von dem idealen Tastverhältniswert und einem angepassten rückkopplungsabhängigen Fehlerspannungsfehlerwert zu empfangen und eine Betriebsart der Regelschaltung (102) in Abhängigkeit von dem empfangenen Tastverhältniswert zu ändern.
System (100) nach Anspruch 1, wobei der ideale Tastverhältniswert als Teil der Rückkopplungsschleife mit einem angepassten Spannungsfehlerwert kombiniert wird.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Idealtastverhältnisberechner (122) ausgestaltet ist, den idealen Tastverhältniswert unabhängig von der Rückkopplungsschleife zu berechnen.
System nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der ideale Tastverhältniswert unverzüglich für eine Betriebsart der Regelschaltung (102) geändert wird, wenn die Betriebsart geändert wird.
System (100) nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Regelschaltung (102) ein Leistungs- oder Spannungswandler ist, welcher eine Eingangsleistung oder Eingangsspannung in eine Ausgangsleistung oder Ausgangsspannung umwandelt.
System (100) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei der Idealtastverhältnisberechner (122) ausgestaltet ist, den idealen Tastverhältniswert statt in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (120) in Abhängigkeit von einer Referenzspannung (136) zu berechnen.
System nach einem der Ansprüche 1–6, wobei der Tastverhältnisüberwacher und Betriebsartwechsler (144) ausgestaltet ist, die Betriebsart der Regelschaltung (102) in Abhängigkeit von vorgegebenen Schwellenwerten für das Tastverhältnis zu ändern.
Elektronisches Gerät mit einer geregelten Ausgangsspannung und einer Spannungsversorgung mit variierenden Eingangswerten, umfassend: ein Ausgangsspannungsregelsystem, welches umfasst: einen Idealtastverhältnisberechner (122), welcher ausgestaltet ist, einen idealen Tastverhältniswert in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung und der geregelten Ausgangsspannung einer Regelschaltung (102) zu berechnen, und einen Tastverhältnisüberwacher und Betriebsartwechsler (144), welcher ausgestaltet ist, ein Tastverhältnis in Abhängigkeit von dem idealen Tastverhältniswert und einem angepassten Fehlerspannungsfehlerwert zu empfangen und eine Betriebsart der Regelschaltung (102) in Abhängigkeit von dem empfangenen Tastverhältnis zu verändern.
Gerät nach Anspruch 8, wobei das Ausgangsspannungsregelsystem eine Vorwärtsregelschleife umfasst, wobei der ideale Tastverhältniswert der Regelschleife unverzüglich bereitgestellt wird, um das ideale Tastverhältnis für eine Betriebsart zu beeinflussen.
Gerät nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Idealtastverhältnisberechner (122) weiter ausgestaltet ist, den idealen Tastverhältniswert in Abhängigkeit von einer derzeitigen Betriebsart der Regelschaltung (102) zu berechnen.
Gerät nach einem der Ansprüche 8–10, wobei der Idealtastverhältnisberechner (122) ausgestaltet ist, ideale Tastverhältniswerte für eine oder mehrere Betriebsarten der Regelschaltung (102) zur gleichen Zeit zu berechnen.
Gerät nach einem der Ansprüche 8–11, wobei das Ausgangsspannungsregelsystem weiter eine Referenzspannung (136) umfasst und der Idealtastverhältnisberechner (122) ausgestaltet ist, den idealen Tastverhältniswert statt in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (120) in Abhängigkeit von der Referenzspannung (136) zu berechnen.
Gerät nach einem der Ansprüche 8–12, wobei das Ausgangsspannungsregelsystem weiterhin einen Pulsweitenmodulator (138) umfasst, welcher ausgestaltet ist, das von dem Tastverhältnisüberwacher (144) erhaltene Verhältnis zu erzeugen.
Gerät nach einem der Ansprüche 8–13, wobei das Ausgangsspannungsregelsystem weiter einen Fehlerverstärker (130) umfasst, welcher ausgestaltet ist, den angepassten Spannungsfehlerwert bereitzustellen.
Verfahren, umfassend: Erfassen eines derzeitigen Tastverhältnisses einer Spannungsregelschaltung (102), Berechnen eines idealen Tastverhältnisses für eine Eingangsspannung (118), Bestimmen, ob das gemessene Tastverhältnis innerhalb eines vorgegebenen Bereichs für eine Anzahl von Betriebsarten für die Spannungsregelschaltung (102) ist, und wenn das erfasste Tastverhältnis nicht innerhalb des vorgegebenen Bereichs ist, Ändern einer vorliegenden Betriebsart der Spannungsregelschaltung (102).
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Erfassen ein Messen eines angepassten Eingangsspannungswerts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Erfassen in Abhängigkeit von einer Bezugsspannung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–17, wobei das Berechnen in Abhängigkeit von dem erfassten Tastverhältnis durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–18, wobei das Bestimmen in Abhängigkeit von den Betriebsarten entsprechenden Schwellenwerten für die Tastverhältniswerte durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–19, wobei die Betriebsarten eine Tiefsetzbetriebsart, eine Tief-Hochsetzbetriebsart und eine Hochsetzbetriebsart umfassen.