DE102010036421B4

DE102010036421B4 - Überstromschutz für Gleichstromwandler

Info

Publication number: DE102010036421B4
Application number: DE102010036421.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Jenkner; Sergio Walter
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2020-06-25
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: US8310793B2; DE102010036421A1; US20110019315A1

Abstract

Vorrichtung, umfassend:eine Schaltsteuerschaltung (110) zur Bereitstellung eines Steuersignals, das ein Tastverhältnis aufweist;einen Schaltregler (112, 218) zum Empfangen eines Gleichstromversorgungssignals und des Steuersignals, wobei der Schaltregler (112, 218) durch Verwendung des Steuersignals das Gleichstromversorgungssignal regeln kann, um ein Ausgangssignal zu erzeugen; undeine Strommessschaltung (108, 300) zum Bereitstellen mindestens eines Alarmsignals auf der Basis des Tastverhältnisses des Steuersignals, wobei die Strommessschaltung (300) dafür ausgelegt ist, die Ausgabe des mindestens einen Alarmsignals auf der Basis davon zu ermöglichen, ob das Tastverhältnis für mehr als eine erste Anzahl aufeinanderfolgender Tastverhältnisperioden größer als eine obere Tastverhältnisschwelle und für mehr als eine zweite Anzahl von aufeinanderfolgenden Tastverhältnisperioden kleiner als eine untere Tastverhältnisschwelle ist.

Description

HINTERGRUND
Gleichstromwandler bzw. Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler, engl.: DC-to-DC converter) setzten typischerweise Leistung von einer Gleichspannung in eine andere Gleichspannung um. Sie sind gewöhnlich geregelte Einrichtungen, die eine möglicherweise variierende Eingangsspannung nehmen und eine stabile geregelte Ausgangsspannung, oft bis heraus zu einer bestimmten Grenze des Stroms (Amperewerts), liefern.
Durch diese grundlegende Funktionalität der DC-DC-Umsetzung werden Gleichstromwandler vielfältig zur Leistungsumwandlung in vielen elektronischen Systemen verwendet, wie zum Beispiel u.a. in Kommunikationssystemen. Auf diese Weise können Gleichstromwandler in bestimmten Fällen als ein „schwarzer Kasten“ betrachtet werden, der eine Spannung zum Beispiel aus dem nationalen Stromnetz oder einer Batterie empfängt und diese in eine andere Spannung umsetzt, die zur Versorgung einer integrierten Schaltung verwendet wird.
Die US 2005 / 0 035 748 A1 beschreibt einen Strommodus-Schaltregler (engl.: current mode switching regulator), der ein Doppelsensor-Schema implementiert. Das Doppelsensor-Schema umfasst eine erste Stromerfassungsschaltung zum Erfassen eines Stroms durch einen ersten Schalter und zum Bereitstellen eines ersten Stromerfassungssignals und eine zweite Stromerfassungsschaltung zum Erfassen eines Stroms durch einen zweiten Schalter und zum Bereitstellen eines zweiten Stromerfassungssignals. Der Schaltregler enthält eine Steuerschaltung zum Erzeugen von Schaltsteuersignalen zum Ansteuern des ersten und des zweiten Schalters als Reaktion auf eines der ersten und zweiten Stromerfassungssignale. Der Regler enthält ferner eine Tastverhältniserfassungsschaltung, die gekoppelt ist, um ein Tastverhältnis des Schaltreglers zu bestimmen. Die Tastverhältniserfassungsschaltung aktiviert ein erstes Auswahlsignal, um das erste Stromerfassungssignal auszuwählen, wenn das Tastverhältnis einen ersten Schwellwertpegel überschreitet, und ein zweites Auswahlsignal, um das zweite Stromerfassungssignal auszuwählen, wenn das Tastverhältnis kleiner als ein zweiter Schwellwertpegel ist.
Angesichts des Obigen wird eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt. Ferner wird eine Vorrichtung nach Anspruch 10 bereitgestellt. Darüber hinaus wird ein Verfahren nach Anspruch 14 bereitgestellt. Weitere Ausführungsformen, Vorteile und Modifikationen werden aus der folgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers gemäß bestimmten Ausführungsformen.
2 ist ein Blockdiagramm eines anderen Gleichstromwandlers gemäß bestimmten Ausführungsformen.
3 ist ein Blockdiagramm einer
Strommessschaltung gemäß bestimmten Ausführungsformen.
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Gleichspannungsumsetzung gemäß bestimmten Ausführungsformen.
5 ist ein Signalform-Impulsdiagramm, das ein Verfahren zur Gleichspannungsumsetzung gemäß bestimmten Ausführungsformen darstellt.
6-8 zeigen Stromschätzungstechniken gemäß bestimmten Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine oder mehrere Implementierungen der vorliegenden Offenbarung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen durchweg gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Nichts in der vorliegenden ausführlichen Beschreibung wird als Stand der Technik zugelassen.
Bestimmte hier offenbarte Ausführungsformen betreffen eine Technik zur Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzung. Die Erfinder haben erkannt, dass vorbekannte Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzungstechniken nicht in der Lage sind, angemessen zu detektieren, wann ein Überstromzustand an einer Last vorliegt. Die hier offenbarten Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzungstechniken regeln eine Versorgungsgleichspannung durch Verwendung eines Steuersignals, das ein Tastverhältnis (engl.: duty cycle) aufweist. Um Überstromzustände zu begrenzen, wird mindestens ein Alarmsignal bereitgestellt, wobei das Alarmsignal auf dem Tastverhältnis des Steuersignals basiert.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Gleichstromwandlers 100. Wie viele Gleichstromwandler umfasst der Gleichstromwandler 100 einen Versorgungs- oder Eingangsanschluss 102 und einen Ausgangsanschluss 104. Während des Betriebs wird auf dem Eingangsanschluss 102 ein Gleichstromversorgungssignal bereitgestellt, das einen ersten Spannungswert (V₁ ) aufweist. Der Gleichstromwandler setzt das Gleichstromversorgungssignal dann in ein Gleichstromausgangssignal um, das einen zweiten Spannungswert V₂ aufweist. Obwohl der erste und der zweite Spannungswert V₁ , V₂ in bestimmten Fällen derselbe sein könnten, sind typischerweise der erste und zweite Spannungswert verschieden. Zum Bespiel beträgt bei einer Ausführungsform der erste Spannungswert V₁ etwa 3,3 Volt und der zweite Spannungswert V₂ etwa 1,0 Volt, ein Beispiel für einen Abwärts- oder „Buck“-Wandler.
Zusätzlich zu dieser Funktionalität der Gleichspannungsumsetzung ist der Gleichstromwandler 100 dafür ausgelegt, Strom in dem Gleichstromwandler 100 zu überwachen und mindestens ein Alarmsignal 106 bereitzustellen, das eine Überstromsituation anzeigt. Solche Überstromzustände können zum Beispiel auftreten, wenn ein Kurzschluss oder eine niedrige ohmsche Last an dem Ausgangsanschluss 104 vorliegt oder wenn andere Ausfälle, wie zum Beispiel eine beschädigte Schalteinrichtung, aufgetreten sind. Ohne ein solches Alarmsignal 106 könnten Überstromsituationen den Gleichstromwandler 100 beschädigen oder zerstören. Wenn eine Überstromsituation detektiert wird, ist dementsprechend der Gleichstromwandler 100 dafür ausgelegt, als Reaktion auf das Alarmsignal 106 Aktionen zu unternehmen, um den Strom zu begrenzen und Beschädigung zu verhindern.
Um die gewünschte Funktionalität zu ermöglichen, umfasst der dargestellte Gleichstromwandler 100 eine Strommessschaltung 108, eine Schaltsteuerschaltung 110, einen Schaltregler 112 und einen Rückkopplungsweg 114, der eine Fehleranalyseschaltung 116 umfasst. Diese Komponenten sind kollektiv so angeordnet, dass der Gleichstromwandler 100 in einem Modus kontinuierlichen Stroms arbeitet.
Während des Betriebs liefert die Schaltsteuerschaltung 110 ein Steuersignal 118, das ein Tastverhältnis aufweist. Im vorliegenden Gebrauch wird der Ausdruck „Tastverhältnis“ verwendet, um einen Zeitbruchteil zu beschreiben, für den sich das Steuersignal 118 relativ zu einem inaktiven Zustand in einem aktiven Zustand befindet (oder umgekehrt). Zum Beispiel kann ein Tastverhältnis von 30% anzeigen, dass sich das Steuersignal 118 für 30% einer Steuersignalperiode in einem kontinuierlichen aktiven Zustand befindet und sich für die übrigen 70% der Steuersignalperiode in einem kontinuierlichen inaktiven Zustand befindet.
Der Schaltregler 112 empfängt das Steuersignal 118 sowie das Gleichstromversorgungssignal von dem Eingangsanschluss 102. Auf der Basis des Steuersignals 118 und des Gleichstromversorgungssignals liefert der Schaltregler 112 an dem Ausgangsanschluss 104 ein Gleichstromausgangssignal 120.
Die Fehleranalyseschaltung 116 vergleicht das Gleichstromausgangssignal 120 mit einem Referenzsignal (S_ref), um ein Fehlersignal 122 bereitzustellen. Das Fehlersignal 122 wird zu der Schaltsteuerschaltung 110 zurückgekoppelt, die dann als Reaktion auf das Fehlersignal 122 das Steuersignal 118 justiert. Wenn zum Beispiel die Fehleranalyseschaltung 116 bestimmt, dass der zweite Spannungswert V₂ kleiner als das Referenzsignal (S_Ref ) ist, kann das Fehlersignal 122 es der Schaltsteuerschaltung 110 ermöglichen, das Steuersignal 118 zu ändern, um den zweiten Spannungswert V₂ zu vergrößern. Wenn umgekehrt die Fehleranalyseschaltung 116 bestimmt, dass der zweite Spannungswert V₂ höher als das Referenzsignal (S_REF ) ist, kann das Fehlersignal 122 es der Schaltsteuerschaltung 110 ermöglichen, das Steuersignal 118 zu ändern und den zweiten Spannungswert V₂ zu verkleinern. Auf diese Weise kann der Rückkopplungsweg 114 den zweiten Spannungswert V₂ gemäß dem Referenzsignal Sref abgestimmt halten und dadurch eine gewünschte Beziehung zwischen der ersten und zweiten Spannung V₁ , V₂ aufrechterhalten.
Um Überstromzustände zu überwachen und zu begrenzen, empfängt die Strommessschaltung 108 das Fehlersignal 122 sowie ein Tastverhältnissignal 124. Das Tastverhältnissignal 124 kann direkt von der Schaltsteuerschaltung 110 bereitgestellt oder durch (nicht gezeigte) Überwachungsschaltkreise wie durch die Linie 126 gezeigt aus dem Steuersignal 118 abgeleitet werden. In jedem Fall ist die Strommessschaltung 108 dafür ausgelegt, mindestens ein Alarmsignal 106 bereitzustellen, das verwendet werden kann, um zum Beispiel durch den Schaltregler Strom zu begrenzen. Die dargestellte Ausführungsform zeigt zwei separate Alarmsignale, nämlich ein Fehleralarmsignal 128 und ein Tastverhältnis-alarmsignal 130, wobei bestimmte Ausführungsformen später ausführlicher beschrieben werden. Siehe zum Beispiel 3-4 und den begleitenden Text.
2 zeigt eine ausführlichere Implementierung eines Gleichstromwandlers 200. In dem Beispiel von 2 umfasst eine Fehleranalyseschaltung 202 einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 204 und einen Komparator 206. Der ADC 204 setzt ein Gleichstromausgangssignal 208 in ein digitalisiertes Signal 210 um. Der Komparator 206 vergleicht dann das digitalisierte Signal 210 mit einem digitalen Referenzsignal S_DigRef , um dadurch ein digitales Fehlersignal 212 bereitzustellen. Das digitale Referenzsignal S_DigRef kann ein Mehrbit-Digitalwert sein, wie zum Beispiel ein 16-Bit-Wert.
Beim Empfang des digitalen Fehlersignals 212 verwendet die Schaltsteuerschaltung 214 dann das digitale Fehlersignal 212, um dem Schaltregler 218 ein Steuersignal 216 zuzuführen.
Der Schaltregler 218 in dem Beispiel von 2 umfasst ein erstes Schaltelement 220, das zwischen einen Zwischenausgangsknoten 222 und eine Versorgungsgleichspannung V₁ geschaltet ist. Der Gleichstromwandler 200 umfasst außerdem ein zweites Schaltelement 224, das zwischen den Zwischenausgangsknoten 222 und eine zweite Versorgungsgleichspannung (z.B. Masse (GND)) geschaltet ist. Eine Induktivität 226 wird als das Stromspeicherelement verwendet. Ein Tiefpassfilter 228, das die Induktivität 226 und einen Kondensator 230 umfasst, ist zwischen den Zwischenausgangsknoten 222 und die Fehleranalyseschaltung 202 geschaltet. Das erste und zweite Schaltelement 220, 224 sind im Allgemeinen komplementär, so dass das Steuersignal 216 gemäß dem Tastverhältnis des Steuersignals 216 eines der Schaltelemente einschaltet, während das andere Schaltelement ausgeschaltet ist.
Der Gleichstromwandler 200 umfasst außerdem eine Soft-Start-Schaltung 232, die dafür ausgelegt ist, das Gleichstromausgangssignal auf dem Ausgangsanschluss 234 während eines Soft-Start-Intervalls für den Gleichstromwandler allmählich von einem anfänglichen Spannungswert rampenförmig auf den zweiten Spannungswert V₂ heraufzufahren. Die Funktionalität des „Soft-Start“ ist insofern vorteilhaft, als sie es den Einrichtungen erlaubt, allmählich hochzufahren, wodurch große Leistungsspitzen potentiell verhindert werden, insbesondere wenn die Leistung während dieses Soft-Start-Intervalls überwacht wird. Eine ausführlichere Erläuterung einer Ausführungsform dieser Funktionalität wird später beschrieben und dargestellt. Siehe zum Beispiel 3-4.
3 zeigt eine Weise, auf die eine Strommessschaltung 300 (z.B. die Strommessschaltung 108 oder 234) implementiert werden kann. Obwohl die dargestellte Strommessschaltung 300 Komparatoren 302, logische OR-Gatter 304, logische AND-Gatter 306 und einen Inverter 308 umfasst, versteht sich, dass die dargestellten logischen Komponenten lediglich beispielhaft sind und eine Myriade anderer Schaltungsanordnungen verwendet werden könnte, um die beschriebene Funktionalität zu erzielen.
Während des Betriebs benutzt die Strommessschaltung 300 das Fehlersignal 310 (z.B. das Fehlersignal 122 oder 212), das Steuersignal-Tastverhältnis 312 (z.B. das Steuersignal 118 oder 216) und ein Rampe-beendet-Signal 314 (z.B. das Rampensignal 240 von 2). Ein Fehleralarmsignal 316 wird nur dann aktiviert, wenn das Fehlersignal 310 einen oberen Fehlerschwellenwert überschreitet, der durch eine Oberfehlerschwellenschaltung 318, wie zum Beispiel ein Register, bereitgestellt wird. Bei bestimmten Ausführungsformen wird dieses Fehleralarmsignal 316 nur während eines „Soft“-Herauffahrens des Gleichstromwandlers aktiviert, wenn das Rampe-beendet-Signal 314 niedrig ist. Zusätzlich wurde bei bestimmten Ausführungsformen während des „Soft“-Herauffahrens noch keine Software geladen, so dass ein Hardwaremechanismus den Gleichstromwandler herunterfahren kann, wenn das Fehleralarmsignal 316 aktiviert ist.
Es kann auch ein Tastverhältnisalarm 312 aktiviert werden. Der Tastverhältnisalarm 320 kann aktiviert werden, wenn entweder (1) das Steuersignal-Tastverhältnis 312 kleiner als ein unterer Tastverhältnisschwellenwert ist, der durch eine untere Tastverhältnisschwellenschaltung (engl. lower duty cycle threshold circuit) 322 bereitgestellt wird, oder (2) das Steuersignal-Tastverhältnis 312 einen oberen Tastverhältnisschwellenwert übersteigt, der durch eine obere Tastverhältnisschwellenschaltung (engl.: upper duty cycle threshold circuit)324 bereitgestellt wird. Bei bestimmten Ausführungsformen können der Tastverhältnisalarm 320 und das Fehleralarmsignal 316 miteinander in Beziehung stehen (wie durch die Linie 326 angegeben), bei anderen Ausführungsformen können diese Alarmsignale aber unabhängig voneinander sein.
Bei einer Ausführungsform kann das Tastverhältnis-Steuersignal gemäß den folgenden Beziehungen zwischen der oberen und unteren Tastverhältnisschwelle bleiben: $\begin{array}{l} V = L \cdot \frac{d i}{d t} \\ \begin{array}{l} {\begin{array}{l} V_{d d} - R \cdot I - V_{o u t} = L \cdot \frac{Δ I *}{D \cdot T} \\ V_{o u t} + R \cdot I = L \cdot \frac{Δ I^{-}}{(1 - D) \cdot T} \\ Δ I^{+} - Δ I^{-} = 0 s t a t i o n ä r e r Z u s t a n d \end{array} \\ \begin{matrix} ↕ \\ D = \frac{V_{o u t} + R \cdot I}{V_{d d}} \Rightarrow {\begin{array}{l} D_{m i n} = \frac{V_{o u t} \cdot (1 - y %) + R_{m i n} \cdot I_{m i n}}{V_{d d} \cdot (1 + x %)} \\ D_{m a x} = \frac{V_{o u t} \cdot (1 + y %) + R_{m a x} \cdot I_{m a x}}{V_{d d} \cdot (1 + x %)} \end{array} \end{matrix} \end{array} \end{array}$
Dabei ist L die Induktivität der Induktivität 220; di/dt die Änderung des Stroms durch die Induktivität 220 mit der Zeit; R_min und R_max repräsentieren den maximalen Bereich des parasitären Widerstands der Schaltelemente 212, 216 und der Induktivität 220; (x%) ist die maximal zulässige Genauigkeit des ersten Spannungswerts (v_DD-Versorgung); und y% ist die gewünschte Genauigkeit des zweiten Spannungswerts (V_out _output), D ist das Tastverhältnis, T ist die Schaltperiode, I max ist der maximal zulässige Strom in der Anwendung. Wenn somit das tatsächliche Steuersignal-Tastverhältnis außerhalb des erlaubten Tastverhältnisbereichs fällt, kann eine abnorme Situation vorliegen.
Da nun einige Beispiele für Schaltungen besprochen wurden, wird auf 4-5 Bezug genommen, die Verfahren 400, 500 gemäß bestimmten Aspekten zeigen. 4 zeigt ein Verfahren 400 im Flussdiagrammformat, während 5 ein Verfahren 500 im Kontext von Signalformen zeigt. Obwohl diese Verfahren im Folgenden als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen beschrieben werden, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die dargestellte Reihenfolge solcher Schritte oder Ereignisse beschränkt. Zum Beispiel können bestimmte Schritte in einer anderen Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen außer den hier dargestellten und/oder beschriebenen auftreten. Zusätzlich sind nicht alle dargestellten Schritte erforderlich, und die Signalform-Formen sind lediglich beispielhaft und andere Signalformen können signifikant von den dargestellten abweichen. Ferner können einer oder mehrere der hier abgebildeten Schritte in einem oder mehreren separaten Schritten oder Phasen ausgeführt werden.
Das Verfahren von 4 beginnt bei 402, wenn während eines Soft-Start-Intervalls ein Gleichstromausgangssignal allmählich rampenförmig auf einen vorbestimmten Spannungswert heraufgefahren wird.
Bei 404 wird während der Rampe ein Fehlersignal überwacht, das aus dem Gleichstromausgangssignal abgeleitet wird. Wenn das Fehlersignal während der Rampe eine Fehlerschwelle übersteigt („JA“ bei 406), wird bei 408 ein Fehleralarmsignal aktiviert. Wenn das Fehlersignal während der Rampe keine Fehlerschwelle übersteigt („NEIN“ bei 406) schreitet das Verfahren zu 410 voran, worin das Gleichstromausgangssignal eine ungefähr stationäre Spannung erreicht.
Bei 412 werden mehrere Variablen initialisiert, um das Steuersignal-Tastverhältnis zu überwachen. Die erste aufgelistete Variable n ist ein Index, der ein bestimmtes Steuersignal-Tastverhältnis identifiziert. Aufeinanderfolgende niedrige Tastverhältnisse (CLDC) führen Buch über die Anzahl aufeinanderfolgender Tastverhältnisse, während deren ein überwachtes Steuersignal-Tastverhältnis unter eine untere Tastverhältnisschwelle fällt. Aufeinanderfolgende hohe Tastverhältnisse (CHDC) führen Buch über die Anzahl aufeinanderfolgender Tastverhältnisse, während deren das überwachte Steuersignal-Tastverhältnis eine obere Tastverhältnisschwelle übersteigt.
Somit wird bei 426 das Tastverhältnis DC(n) überwacht.
Bei 418 wird bestimmt, ob das Tastverhältnis DC(n) kleiner als eine untere Tastverhältnisschwelle ist. Wenn dem so ist (JA bei 418), wird CLDC bei 420 inkrementiert und das Verfahren bestimmt bei 422, ob CLDC eine erste Anzahl von Tastverhältnissen übersteigt. Zum Beispiel könnte das Verfahren bestimmen, ob CLDC fünf, zehn oder hundert Steuersignal-Tastverhältnisse übersteigt. Wenn CLDC eine erste Anzahl von Tastverhältnissen übersteigt (JA bei 422), wird bei 424 das Tastverhältnis-Alarmsignal aktiviert. Bei bestimmten Implementierungen kann das Tastverhältnis-Alarmsignal in einem Register gespeichert werden, wodurch ein Interrupt erzeugt wird. Software, wie zum Beispiel eine den Gleichstromwandler steuerende Interrupt-Serviceroutine kann dann das Tastverhältnis des Steuersignals ändern, um den Strom zu begrenzen, der dem Ausgangsanschluss des Gleichstromwandlers zugeführt wird. Andernfalls (NEIN bei 422) überwacht das Verfahren bei 416 das nächste Tastverhältnis.
Wenn das Tastverhältnis DC(n) die untere Tastverhältnisschwelle erreicht oder übersteigt (NO bei 418), wird bei 426 CLDC auf null gesetzt. Das Verfahren bestimmt dann bei 428, ob das Tastverhältnis DC(n) eine obere Tastverhältnisschwelle übersteigt. Wenn nicht (NEIN bei 428) setzt das Verfahren bei 430 CHDC auf null und überwacht dann weiter das nächste Tastverhältnis. Wenn jedoch das Tastverhältnis DC(n) die obere Tastverhältnisschwelle übersteigt (JA bei 428), wird bei 432 CLHC inkrementiert und bei 434 bestimmt, ob CLHC eine zweite Anzahl von Tastverhältnissen übersteigt. Wenn CLHC die zweite Anzahl von Tastverhältnissen übersteigt (JA bei 434) wird bei 424 der Tastverhältnisalarm aktiviert. Andernfalls (NEIN bei 434) wird bei 416 das nächste Tastverhältnis überwacht.
5 zeigt bestimmte beispielhafte Signalformen als Funktion der Zeit. Das erste Signalformdiagramm zeigt ein Gleichstromversorgungssignal 502 mit einer ersten Spannung V₁ (z.B. etwa 3,3 V) und ein Gleichstromausgangssignal 504 mit einer zweiten Spannung V₂ (z.B. etwa 1,0 V, sobald sie den stationären Zustand erreicht). Das Gleichstromversorgungssignal 502 kann an einen Eingangsanschluss (z.B. den Eingangsanschluss 102a in 2) angelegt und das Gleichstromausgangssignal 504 einem Ausgangsanschluss (z.B. dem Ausgangsanschluss 104a in 2) eines Gleichstromwandlers zugeführt werden.
Während des Soft-Start-Intervalls 506 wird das Gleichstromausgangssignal 504 rampenförmig von einem anfänglichen Spannungswert auf den zweiten Spannungswert V₂ heraufgefahren, der einem Referenzsignal (z.B. S_Ref in 2) entspricht. Während dieses Soft-Start-Intervalls 506 ist ein Rampe-beendet-Signal 508 inaktiv (z.B. niedrig).
Ein Fehlersignal 510 (z.B. das digitale Fehlersignal 208 in 2) wird während des Soft-Start-Intervalls 506 überwacht und mit einer oberen Fehlerschwelle 512 verglichen. Wenn das Fehlersignal 510 wie zum Zeitpunkt 514 gezeigt die obere Fehlerschwelle 512 übersteigt, wird ein Fehleralarmsignal 516 aktiviert. An diesem Punkt könnte der Gleichstromwandler als Reaktion auf das Fehleralarmsignal 516 herunterfahren, wodurch ein potentiell schädlicher Überstrom durch die Einrichtung begrenzt wird. In diesem Beispiel fährt der Gleichstromwandler nicht herunter, sondern wird stattdessen weiter betrieben, um zusätzliche Funktionalität zu zeigen. Am Ende des Soft-Start-Intervalls 506 erreicht somit das Gleichstromausgangssignal 504 die zweite Spannung V₂ und das Rampe-beendet-Signal 508 wird hoch, wodurch in diesem Beispiel das Fehleralarmsignal 516 deaktiviert wird.
Nach dem Abschluss des Soft-Start-Intervalls 506 überwacht der Gleichstromwandler ein Steuersignal-Tastverhältnis 518 und analysiert, ob das Tastverhältnis zwischen einer unteren Tastverhältnisschwelle 520 und einer oberen Tastverhältnisschwelle 522 liegt. Just nach dem Ende des Soft-Start-Intervalls 506 fällt zum Beispiel das Steuersignal-Tastverhältnis 518 unter die untere Tastverhältnisschwelle 520. Da das Tastverhältnis für mehr als eine bestimmte vorbestimmte Anzahl von Perioden des Steuersignals unter das Tastverhältnis des unteren Werts fällt, wird ein Tastverhältnis-Alarmsignal 524 aktiviert. Der Gleichstromwandler kann auf der Basis des Tastverhältnis-Alarmsignals 524 aktiv werden, um den Strom zu dem Gleichstromwandler zu begrenzen und eine Beschädigung des Gleichstromwandlers zu verhindern. Der erste Impuls in 524 zeigt ein Szenario, bei dem die Last hochohmisch wird (z.B. nach dem Soft-Start-Intervall, wenn alle kapazitiven Lasten voll geladen sind), und die Spannung V₂ zu hoch ist. Der zweite Impuls in 524 zeigt eine Situation, in der die Last niederohmisch ist und mehr Strom als erlaubt in die Last fließt. Die Signalform 526 zeigt den Ausgangsstrom (z.B. an dem Ausgangsanschluss 104a in 2).
Bemerkenswerterweise kann zu bestimmten Zeiten das überwachte Tastverhältnis über oder unter der oberen oder unteren Tastverhältnisschwelle „spiken“. Diese „Spikes“ triggern nicht unbedingt das Tastverhältnis-Alarmsignal, weil der Tastverhältnisalarm nur dann getriggert wird, wenn das Steuersignal-Tastverhältnis für eine bestimmte vorbestimmte Anzahl von Steuersignalperioden außerhalb des oberen oder unteren Schwellenwerts fällt.
Nunmehr mit Bezug auf 6-8 werden einige zusätzliche Ausführungsformen besprochen. Diese zusätzlichen Ausführungsformen betreffen digitale Stromschätzungstechniken zur Schätzung des physikalischen Werts des Stroms in der Induktivität auf der Basis interner Parameter eines Gleichstromwandlers und der Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss. Diese Verfahren werden oft durch eine Steuerung ausgeführt, die sich zum Beispiel in einer Strommessschaltung (z.B. 108 in 1 oder 234 in 2) befinden und die den Gesamtstrom (I) durch Vergleichen des Stroms in die Last (ΔI+) mit dem Strom zurück aus der Last (ΔI-) zusammen mit anderen Parametern des Gleichstromwandlers messen kann.
6 zeigt ein Funktionsdiagramm, das zeigt, wie der Gesamtstrom (I) durch Vergleichen des Stroms in die Last (ΔI+) mit dem Strom zurück aus der Last (ΔI-) gemessen werden kann. Der Klarheit halber sind die Bezugszahlen in 7 übereinstimmend mit dem Gleichstromwandler 200 von 2, es versteht sich jedoch, dass die mit Bezug auf 6-8 beschriebenen Stromschätzungstechniken auch mit den anderen Ausführungsformen (z.B. 1) verwendet werden können.
Durch Verwendung der nachfolgenden Formeln kann der physikalische Wert des Stroms in der Induktivität 226 bestimmt werden.
$\begin{array}{l} V = L \frac{d i}{d t} \\ {\begin{matrix} V_{d d} - R \cdot I - V_{o u t} = L \cdot \frac{Δ I^{+}}{D \cdot T} \\ V_{o u t} + R \cdot I = L \cdot \frac{Δ I^{-}}{(1 - D) \cdot T} \\ I (n) = Δ I^{+} - Δ I^{-} + I (n - 1) \end{matrix} \\ I (n) = \frac{T}{L} \cdot \underset{}{\underset{︸}{(V_{d d} \cdot D - V_{o u t} - R \cdot I (n - I)) + I (n - I)}} \end{array}$
Genauer gesagt kann der physikalische Wert des Stroms durch die Induktivität (I(n)) durch Verwendung von digitalen Darstellungen von D (des Tastverhältnisses), von T (der Schaltperiode), von L (der Induktivität der Induktivität 226), von V_DD (der Versorgungsgleichspannung), von R (dem Widerstand des Widerstands 250) und der Ausgabe des ADC gefunden werden.
7-8 zeigen Blockdiagramme der Stromschätzer 700, 800, die verwendet werden können, um die Funktionalität von 6 zu implementieren und die als Hardware, Software oder Kombinationen davon implementiert werden können. Zum Beispiel können bei bestimmten Ausführungsformen die Stromschätzer 700, 800 als Softwareanweisungen implementiert werden, die auf einer Steuerung (z.B. einem Mikrocontroller oder digitalen Signalprozessor DSP)) ausführbar sind, während die Stromschätzer 700, 800 bei anderen Ausführungsformen aus diskreten Hardwarekomponenten bestehen können, die miteinander gekoppelt werden, um die gewünschte Funktionalität zu erzielen.
In 7 leitet der Stromschätzer 700 den Strom (I(n)) durch die Induktivität 226 durch Analysieren von in die Last fließenden Strom (ΔI+) und aus der Last heraus fließenden Strom (ΔI-) ab. Der Stromschätzer 700 umfasst eine Arithmetikeinheit 702 zur Bestimmung der Differenz zwischen ΔI+ und ΔI-. Die Differenz wird dann einem Integrierer zugeführt, der ein Summierungselement 704 und ein Verzögerungsregister 706 umfasst, das eine laufende Tabulation des Stroms I(n) führt, die Echtzeitänderungen der Ströme ΔI+, ΔIberücksichtigt.
In 8 basiert eine andere Implementierung eines Stromschätzers 800 den Strom (I(n)) auf dem Steuersignal-Tastverhältnis (D) und der Ausgangsspannung des ADC. Eine erste Verstärkungsstufe 802 multipliziert das Tastverhältnis mit V_DD , um einer Arithmetikeinheit 804 ein erstes Signal zuzuführen. Ein zweites Signal, die Ausgangsspannung des ADC, wird auch der Arithmetikeinheit 804 zugeführt. Zusätzlich multipliziert eine zweite Verstärkungsstufe 806 den vorherigen Stromwert I(n-1) mit dem Widerstand R, um der Arithmetikeinheit 804 ein drittes Signal zuzuführen. Die Ausgabe der Arithmetikeinheit wird dann einer dritten Verstärkungsstufe 808 zugeführt, die die Ausgabe mit der Schaltperiode T geteilt durch die Induktivität L multipliziert. Ein Integrierer, der ein Summierungselement 810 und ein Verzögerungsregister 812 umfasst, liefert den Strom I(n).
Mit diesen Stromschätzern ist es möglich, eine „Röhre“ zu erzeugen, die eine obere Stromschwelle und eine untere Stromschwelle aufweist, die die Stromextreme im Normalbetrieb repräsentieren. Wenn der geschätzte Strom größer als die obere Stromschwelle oder kleiner als die untere Stromschwelle ist, wird ein Stromalarm aktiviert.
Obwohl Beispiele für Techniken, die mit bestimmten Implementierungen vereinbar sind, oben mit Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen dargestellt und beschrieben wurden, können Abänderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der angefügten Ansprüche abzuweichen. Obwohl oben einige Beispiele im Kontext eines Abwärtswandlers (z.B. des Gleichstromwandlers 100 von 1) besprochen wurden, bei dem ein zweiter Spannungswert V₂ kleiner als ein erster Spannungswert V₁ ist, versteht sich, dass die hier offenbarten Konzepte auch auf andere Arten von Wandlern bzw. Umsetzern anwendbar sind. Zum Beispiel kann bei bestimmten Ausführungsformen (z.B. einem „Boost“-Umsetzer) der zweite Spannungswert V₂ größer als der erste Spannungswert V₁ sein. Es werden auch andere Konfigurationen von Gleichstromwandlern als in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallend betrachtet, darunter, aber ohne Beschränkung: „Flyback“-Umsetzer und „Wechselrichter“-Umsetzer und andere.
Obwohl oben Schaltelemente mit Bezug auf Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) dargestellt und beschrieben wurden, versteht sich zusätzlich, dass auch andere Schaltelemente verwendet werden können. Zum Beispiel können bipolare Sperrschichtfeldeffekttransistoren (BJTs), Vakuumröhren und andere Arten von Schalteinrichtungen verwendet werden.
Bestimmte Ausdrücke werden in der gesamten Beschreibung verwendet, um sich auf bestimmte Systemkomponenten zu beziehen. Wie für Fachleute erkennbar ist, können sich verschiedene Firmen mit verschiedenen Namen auf eine Komponente beziehen. Die vorliegende Schrift beabsichtigt nicht, hier zwischen Komponenten zu unterscheiden, die sich dem Namen nach unterscheiden, aber nicht der Funktion nach. In der vorliegenden Schrift werden die Ausdrücke „enthalten“ und „umfassen“ auf offene Weise verwendet und sollten als „einschließlich, aber ohne Beschränkung darauf...“ interpretiert werden. Außerdem soll der Ausdruck „koppeln“ (und Varianten davon) entweder eine indirekte oder eine direkte elektrische Verbindung bedeuten. Wenn ein erstes Element mit einem zweiten Element gekoppelt ist, kann diese Verbindung somit eine direkte elektrische Verbindung oder eine indirekte elektrische Verbindung über andere Elemente und Verbindungen sein.
Obwohl hier verschiedene numerische Werte angegeben wurden, sind diese numerischen Werte lediglich Beispiele und sollten nicht zur Begrenzung des Schutzumfangs der Offenbarung verwendet werden. Außerdem sind alle numerischen Werte ungefähr.
Obwohl ein bestimmtes Merkmal möglicherweise mit Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart wurde, kann ein solches Merkmal zusätzlich mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wenn es für eine gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht oder vorteilhaft ist. Die angefügten Ansprüche sind ein erster nicht einschränkender Ansatz zur Definition der Erfindung allgemein.

Claims

Vorrichtung, umfassend: eine Schaltsteuerschaltung (110) zur Bereitstellung eines Steuersignals, das ein Tastverhältnis aufweist; einen Schaltregler (112, 218) zum Empfangen eines Gleichstromversorgungssignals und des Steuersignals, wobei der Schaltregler (112, 218) durch Verwendung des Steuersignals das Gleichstromversorgungssignal regeln kann, um ein Ausgangssignal zu erzeugen; und eine Strommessschaltung (108, 300) zum Bereitstellen mindestens eines Alarmsignals auf der Basis des Tastverhältnisses des Steuersignals, wobei die Strommessschaltung (300) dafür ausgelegt ist, die Ausgabe des mindestens einen Alarmsignals auf der Basis davon zu ermöglichen, ob das Tastverhältnis für mehr als eine erste Anzahl aufeinanderfolgender Tastverhältnisperioden größer als eine obere Tastverhältnisschwelle und für mehr als eine zweite Anzahl von aufeinanderfolgenden Tastverhältnisperioden kleiner als eine untere Tastverhältnisschwelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gleichstromversorgungssignal einen ersten Gleichspannungswert aufweist und wobei das Ausgangssignal einen zweiten Gleichspannungswert aufweist, der von dem ersten Gleichspannungswert verschieden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine Fehleranalyseschaltung (116, 202) auf einem Rückkopplungsweg zwischen einem Ausgang des Schaltreglers (112, 218) und einem Eingang der Schaltsteuerschaltung (110), wobei die Fehleranalyseschaltung (116, 202) dafür ausgelegt ist, das Ausgangssignal mit einem Referenzsignal zu vergleichen und ein Fehlersignal zu liefern, auf dem das Steuersignal basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Strommessschaltung (108, 300) dafür ausgelegt ist, auf der Basis davon, ob das Fehlersignal größer als ein oberer Fehlerschwellenwert ist, selektiv das mindestens eine Alarmsignal bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Schaltregler (218) Folgendes umfasst: ein erstes Schaltelement (220), das zwischen einen Zwischenausgangsknoten (222) und eine erste Versorgungsspannung geschaltet ist; und ein zweites Schaltelement (224), das zwischen den Zwischenausgangsknoten (222) und eine zweite Versorgungsspannung geschaltet ist; und ein Filter (228) mit einer zwischen den Zwischenausgangsknoten (222) und den Rückkopplungsweg geschalteten Induktivität (226).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Fehleranalyseschaltung (202) Folgendes umfasst: einen Analog-Digital-Wandler (204), der dafür ausgelegt ist, das Ausgangssignal in ein digitalisiertes Signal umzusetzen; und einen Komparator (206), der dafür ausgelegt ist, das digitalisierte Signal mit einem Mehrbit-Referenzwert zu vergleichen, um dadurch ein digitales Fehlersignal bereitzustellen, auf dem das Steuersignal basiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Strommessschaltung (300) Folgendes umfasst: eine untere Tastverhältnisschwellenschaltung (322), die dafür ausgelegt ist, einen unteren Tastverhältnisschwellenwert bereitzustellen; und mindestens einen Komparator (302), der dafür ausgelegt ist, das Tastverhältnis mit dem unteren Tastverhältnisschwellenwert zu vergleichen und die Ausgabe des mindestens einen Alarmsignals zu ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strommessschaltung (300) Folgendes umfasst: eine obere Fehlerschwellenschaltung (324), die dafür ausgelegt ist, einen oberen Fehlerschwellenwert bereitzustellen; und mindestens einen Komparator (302), der dafür ausgelegt ist, das Tastverhältnis mit dem oberen Fehlerschwellenwert zu vergleichen und die Ausgabe des mindestens einen Alarmsignals zu ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend: eine Soft-Start-Schaltung (232), die dafür ausgelegt ist, das Ausgangssignal während eines Soft-Start-Intervalls für den Gleichstromwandler allmählich rampenförmig von einem anfänglichen Spannungswert auf den zweiten Spannungswert heraufzufahren.
Vorrichtung, umfassend: eine Schaltsteuerschaltung (110) zum Bereitstellen eines Steuersignals, das ein Tastverhältnis aufweist; einen Schaltregler (112, 218) zum Regeln eines Gleichstromversorgungssignals und zum Bereitstellen eines Gleichstromausgangssignals auf der Basis des Gleichstromversorgungssignals und des Steuersignals; eine Fehleranalyseschaltung (116, 202) auf einem Rückkopplungsweg (114), der zwischen die Schaltsteuerschaltung (110) und den Schaltregler (112, 218) geschaltet ist, wobei die Fehleranalyseschaltung (116, 202) als Funktion des Gleichstromausgangssignals und eines Referenzsignals ein Fehlersignal bereitstellen kann; und eine Strommessschaltung (108, 300), die mit der Schaltsteuerschaltung (110) und der Fehleranalyseschaltung (116, 202) gekoppelt ist, um auf der Basis des Tastverhältnisses des Steuersignals und des Fehlersignals mindestens ein Alarmsignal bereitzustellen, um einen Überstromzustand in dem Schaltregler (112, 218) zu begrenzen, wobei die Strommessschaltung (300) Folgendes umfasst: eine obere Tastverhältnisschwellenschaltung (324); einen ersten Komparator (302), der mit der oberen Tastverhältnisschwellenschaltung (324) gekoppelt und dafür ausgelegt ist, die Bereitstellung des mindestens einen Alarmsignals zu ermöglichen; eine untere Tastverhältnisschwellenschaltung (322); und einen zweiten Komparator (302), der mit der unteren Tastverhältnisschwellenschaltung (322) gekoppelt und dafür ausgelegt ist, die Bereitstellung des mindestens einen Alarmsignals zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Strommessschaltung (108, 300) dafür ausgelegt ist, auf der Basis davon, ob das Fehlersignal größer als ein oberer Fehlerschwellenwert ist, selektiv das mindestens eine Alarmsignal bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Schaltregler (218) Folgendes umfasst: ein erstes Schaltelement (220), das zwischen einen Zwischenausgangsknoten (222) und eine erste Versorgungsspannung geschaltet ist; und ein zweites Schaltelement (224), das zwischen den Zwischenausgangsknoten (222) und eine zweite Versorgungsspannung geschaltet ist; und ein Filter (228) mit einer zwischen den Zwischenausgangsknoten und den Rückkopplungsweg geschalteten Induktivität (226).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Fehleranalyseschaltung (202) Folgendes umfasst: einen Analog-Digital-Wandler (204) mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang des Analog-Digital-Wandlers (204) mit dem Ausgang des Schaltreglers (112, 218) gekoppelt ist; und einen Komparator (206), der zwischen den Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (204) und den Eingang der Schaltsteuerschaltung (110) geschaltet ist.
Verfahren zum Transformieren eines ersten Spannungswerts in einen zweiten Spannungswert unter Verwendung eines Gleichstromwandlers, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Gleichstromversorgungssignals, das den ersten Spannungswert aufweist, an einem Eingangsanschluss des Gleichstromwandlers; Regeln des Gleichstromversorgungssignals über ein Steuersignal, das ein Tastverhältnis aufweist, wobei das Regeln ein Gleichstromausgangssignal, das den zweiten Spannungswert aufweist, an einem Ausgangsanschluss des Gleichstromwandlers erzeugt; und Bereitstellen eines Tastverhältnisalarms, wenn das Tastverhältnis eine vorbestimmte Beziehung mit einer Tastverhältnisschwelle aufweist, wobei die vorbestimmte Beziehung erfüllt ist, wenn das Tastverhältnis für mehr als eine erste Anzahl aufeinanderfolgender Tastverhältnisse kleiner als eine untere Tastverhältnisschwelle ist und wenn das Tastverhältnis für mehr als eine zweite Anzahl aufeinanderfolgender Tastverhältnisse größer als eine obere Tastverhältnisschwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit den folgenden Schritten: Vergleichen des Gleichstromausgangssignals mit einem Referenzsignal und Erzeugen eines Fehlersignals als Reaktion darauf; und Bereitstellen eines Fehlersignalalarms, wenn das Fehlersignal größer als eine Fehlerschwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Fehlersignalalarm nur während eines Soft-Start-Intervalls bereitgestellt wird, in dem das Gleichstromausgangssignal rampenförmig von einem anfänglichen Spannungswert auf den zweiten Spannungswert gefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, ferner mit den folgenden Schritten: Zählen einer Anzahl aufeinanderfolgender Tastverhältnisse, für die das Tastverhältnis kleiner als eine untere Tastverhältnisschwelle ist; und Zurücksetzen der Anzahl aufeinanderfolgender Tastverhältnisse, wenn das Tastverhältnis bis über die untere Tastverhältnisschwelle zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, ferner mit den folgenden Schritten: Zählen einer Anzahl aufeinanderfolgender Tastverhältnisse, für die das Tastverhältnis größer als eine obere Tastverhältnisschwelle ist; und Zurücksetzen der Anzahl aufeinanderfolgender Tastverhältnisse, wenn das Tastverhältnis bis unter die obere Tastverhältnisschwelle abnimmt.