DE102010038232A1

DE102010038232A1 - Hysteresegesteuerter Tief-Hochsetzwandler

Info

Publication number: DE102010038232A1
Application number: DE102010038232A
Authority: DE
Inventors: Weihong San Jose Qiu; Zaki San Carlos Moussaoui; Jun San Jose Liu
Original assignee: Intersil Americas LLC; Intersil Inc
Current assignee: Intersil Corp; Intersil Americas LLC
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2011-05-19

Abstract

Eine Vorrichtung weist einen Tief-Hochsetzwandler zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung in Reaktion auf eine Eingangsspannung auf. Der Tief-Hochsetzwandler weist einen Induktor, ein erstes Paar Schalttransistoren, die auf ein erstes PWM-Signal reagieren, und ein zweites Paar Schalttransistoren, die auf ein zweites PWM-Signal reagieren, auf. Ein Fehlerverstärker erzeugt eine Fehlerspannung in Reaktion auf die geregelte Ausgangsspannung und eine Referenzspannung. Eine Steuerschaltung erzeugt das erste PWM-Signal und das zweite PWM-Signal in Reaktion auf die Fehlerspannung und eine erfasste Strom-Spannung in Reaktion auf einen erfassten Strom durch den Induktor. Die Steuerschaltung steuert das Schalten des ersten Paars Schalttransistoren und des zweiten Paars Schalttransistoren unter Verwendung des ersten PWM-Signals und des zweiten PWM-Signals in Reaktion auf den erfassten Strom durch den Induktor und eine Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen auf Basis der Fehlerspannung.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/252,054 mit dem Titel HYSTERETIC CONTROLLED BUCK-BOOST CONVERTER, eingereicht am 15. Oktober 2009, die durch Verweis hierin aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Tief-Hochsetzwandler und insbesondere ein System und Verfahren zum hysteretischen Steuern von Tief-Hochsetzwandlern.
HINTERGRUND
Innerhalb der Gleichspannungswandler mit einem breiten Eingangsspannungsbereich stehen mehrere Topologien zur Verfügung. Dazu gehören kaskadierte Tief-Hochsetzwandler, Tief-Hochsetzwandler mit 4 Schaltern, SEPIC- und Ćuk-Wandler. Verglichen mit anderen Topologien mit einzelnem Schalter, erreicht der klassische Tiefsetzwandler mit 4 Schaltern (ein Einzelinduktor- oder nichtinvertierender Tief-Hochsetzwandler) höhere Leistungsfähigkeit, benötigt aber mehr Schaltkomponenten. Wandler dieser Art haben in vielen Anwendungen wie z. B. tragbaren elektronischen Geräten Verbreitung erlangt.
Typischerweise läuft ein Tief-Hochsetzwandler in drei unterschiedlichen Betriebsmodi auf Basis des Verhältnisses zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung. Dazu gehören der Tiefsetz-Betriebsmodus, der Hochsetz-Betriebsmodus und der Tief-Hochsetz-Betriebsmodus. Das zentrale Problem liegt darin, zwischen diesen einzelnen Betriebsmodi einen glatten Übergang zu erreichen. Es gibt eine Reihe von Schemata zum Erzielen glatter Modusübergänge zwischen den Betriebsmodi. Die meisten dieser Schemata ermöglichen einen Betrieb das Schalters bei der nominalen Schaltfrequenz im Tief-Hochsetz-Modus, während im Tiefsetzmodus oder Hochsetzmodus nur zwei Schalter genutzt werden. Diese Ausgestaltungen erhöhen jedoch im Tief-Hochsetz-Modus die Schaltverluste. Es besteht dringender Bedarf an einer Art und Weise der Steuerung zum Minimieren dieser Schaltverluste und zum Erreichen eines glatten Übergangs zwischen den Betriebsmodi.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst gemäß ihrer vorliegenden Offenbarung und Beschreibung in einem Aspekt eine Vorrichtung, die einen Tief-Hochsetzwandler zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung in Reaktion auf eine Eingangsspannung aufweist. Der Tief-Hochsetzwandler weist einen Induktor, ein erstes Paar Schalttransistoren, die auf ein erstes Paar PWM-Signale reagieren, und ein zweites Paar Schalttransistoren, die auf ein zweites PWM-Signal reagieren, auf. Ein Fehlerverstärker erzeugt eine Fehlerspannung in Reaktion auf die geregelte Ausgangsspannung. Eine Steuerschaltung erzeugt das erste PWM-Signal und das zweite PWM-Signal in Reaktion auf die Fehlerspannung und eine erfasste Strom-Spannung in Reaktion auf einen erfassten Strom durch den Induktor. Die Steuerschaltung steuert das Schalten des ersten Paars Schalttransistoren und des zweiten Paars Schalttransistoren unter Verwendung der ersten und zweiten PWM-Signale jeweils in Reaktion auf den erfassten Strom durch den Induktor und eine Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen auf Basis der Fehlerspannung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum vollständigeren Verständnis wird nun auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines Tief-Hochsetzwandlers;
2 eine Steuerschaltung zum Erzeugen der PWM-Steuersignale, die der Schaltung aus 1 zugeführt werden;
3 ein Ablaufdiagramm, das den Betrieb der Hysterese-Steuerschaltungen darstellt;
4 ein detailliertes schematisches Diagramm eines Tief-Hochsetzwandlers, der Hysterese-Spannungsmodus-Steuerschaltungen aufweist;
5 ein Zeitablaufdiagramm, das den Betrieb des Tief-Hochsetzwandlers im Tiefsetz-Betriebsmodus darstellt;
6 ein Zeitablaufdiagramm, das den Betrieb des Tief-Hochsetzwandlers im Hochsetz-Betriebsmodus darstellt;
7 ein Zeitablaufdiagramm, das den Betrieb des Tief-Hochsetzwandlers im Tief-Hochsetz-Betriebsmodus darstellt;
8 die Art und Weise der Veränderung der Schaltfrequenz F_SW und des Spannungsfensters V_HV auf Basis der Differenzen zwischen der Eingangsspannung V_IN und der Ausgangsspannung V_OUT;
9 eine Schaltung zum Erzeugen der Spannung V_HW;
10 die Art und Weise der Anpassung der Spannungsfenster in Reaktion auf Veränderungen der Schaltfrequenz; und
11 ist eine Schaltung zum Erzeugen des synthetisierten Welligkeitsstromsignals I_RIPPLE für den PWM-Modulator.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Elemente durchgängig mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, werden nun die verschiedenen Ansichten und Ausführungsformen eines hysteresegesteuerten Tief-Hochsetzwandlers dargestellt und beschrieben sowie andere mögliche Ausführungsformen beschrieben. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht gezeichnet, und in manchen Fällen sind die Zeichnungen, lediglich zu Illustrationszwecken, stellenweise verzerrt und/oder vereinfacht. Der Durchschnittsfachmann wird anhand der folgenden Beispiele möglicher Ausführungsformen die zahlreichen möglichen Anwendungen und Varianten erkennen.
Für Gleichspannungswandler mit einem breiten Eingangsspannungsbereich stehen mehrere Topologien zur Verfügung, beispielsweise die kaskadierten Hoch-Tiefsetzwandler, Tief-Hochsetzwandler mit 4 Schaltern, SEPIC- und Ćuk-Wandler. Verglichen mit anderen Einzelschalter-Topologien erreicht der klassische Tiefsetzwandler mit 4 Schaltern, auch als Einzelinduktor- oder nichtinvertierender Tief-Hochsetzwandler bezeichnet, höhere Leistungsfähigkeit, benötigt aber mehr Schaltkomponenten. Wandler dieser Art haben in vielen Anwendungen wie z. B. tragbaren elektronischen Geräten Verbreitung erlangt.
Typischerweise läuft ein Tief-Hochsetzwandler in drei unterschiedlichen Betriebsmodi, je nach dem Verhältnis zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung. Dazu gehören der Tiefsetz-Betriebsmodus, der Hochsetz-Betriebsmodus und der Tief-Hochsetz-Betriebsmodus. Das zentrale Problem liegt darin, zwischen diesen einzelnen Betriebsmodi einen glatten Übergang zu erreichen. Es gibt eine Reihe von Schemata zum Erzielen glatter Modusübergänge zwischen diesen Betriebsmodi. Die meisten dieser Schemata ermöglichen einen Betrieb das Schalters bei der nominalen Schaltfrequenz im Tief-Hochsetz-Modus, während im Tiefsetzmodus oder Hochsetzmodus nur zwei Schalter genutzt werden. Diese Ausgestaltung erhöht im Tief-Hochsetz-Betriebsmodus die Schaltverluste.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, und insbesondere auf 1, ist ein schematisches Diagramm eines Tief-Hochsetzwandlers 100 mit 4 Schaltern dargestellt. Der Tief-Hochsetzwandler 100 weist einen Eingangsspannungsknoten 102 auf, an dem die Eingangsspannung V_IN anliegt. Der Drain/Source-Weg eines ersten Schalttransistors Q1 104 ist zwischen dem Knoten 102 und dem SWA-Knoten 106 verbunden. Der Drain/Source-Weg eines zweiten Schalttransistors 108 ist zwischen dem Knoten 106 und Masse verbunden. Ein Treiber 110 ist mit dem Gate des Transistors 104 verbunden und ist dazu verbunden, ein erstes PWM-Steuersignal PWMA zu empfangen. Ein zweiter invertierender Treiber 112 ist mit dem Gate des Transistors 108 verbunden und ist auch zum Empfangen des PWMA-Steuersignals verbunden. Der Induktor 114 ist zwischen dem SWA-Knoten 106 und dem SWB-Knoten 116 verbunden. Die Ausgangsspannung V_OUT wird bei Knoten 118 bereitgestellt. Der Drain/Source-Weg eines Transistors 120 ist zwischen dem Knoten 118 und dem SWB-Knoten 116 verbunden. Der Drain/Source-Weg eines Transistors 122 ist zwischen dem Knoten 116 und Masse verbunden. Der invertierende Treiber 126 ist mit dem Gate des Transistors 120 verbunden. Der Treiber 126 empfängt an seinem Eingang das PWMB-Steuersignal. Das PWMB-Steuersignal wird auch dem Eingang des Treibers 128 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Gate des Transistors 122 verbunden ist.
Der Tief-Hochsetzwandler 100 operiert entweder im Tiefsetz-Betriebsmodus, im Hochsetz-Betriebsmodus oder im Tief-Hochsetz-Betriebsmodus, um die Ausgangsspannung V_OUT zu regeln. Die Ausgangsspannung V_OUT kann größer als die, kleiner als die oder gleich der Eingangsspannung von V_IN sein. Um Schaltverluste zu reduzieren, operieren nur zwei Schalter der mit Bezug auf 1 beschriebenen vier Schalter, wenn die Eingangsspannung sich wesentlich von der Ausgangsspannung unterscheidet. Liegt die Eingangsspannung V_IN über der Ausgangsspannung V_O, so ist der Transistor 120 eingeschaltet, der Transistor 122 ist ausgeschaltet, und die Transistoren 104 und 108 sind auf ähnliche Weise wie bei einem Tiefsetz-Gleichspannungswandler geschaltet. Liegt die Eingangsspannung V_IN unter der Ausgangsspannung V_O, ist der Transistor 104 eingeschaltet, der Transistor 108 ist ausgeschaltet, und die Transistoren 120 sowie 122 sind wie beim Betrieb eines herkömmlichen Hochsetzwandlers geschaltet. Wenn die Eingangsspannung im Wesentlichen gleich der Ausgangsspannung ist, z. B. wenn V_IN und V_OUT 46 Volt bzw. 48 Volt betragen, werden die Schalter in dem herkömmlichen Tief-Hochsetzwandler mit 4 Schaltern einmal pro Zyklus ein- und ausgeschaltet. Dies führt zu beträchtlich höheren Schaltverlusten, als im Tiefsetz- oder Hochsetz-Betriebsmodus auftreten.
Der Tief-Hochsetzwandler 100 mit 4 Schaltern weist 5 verschiedene Betriebsmodi auf. Im Lademodus, wenn das PWMA-Signal auf dem Logikpegel ”1” liegt und das PWMB-Signal auf dem Logikpegel ”1” liegt, ist der SWA-Knoten 106 an die Eingangsspannung V_IN gekoppelt, und der SWB-Knoten 116 ist an Masse gekoppelt. Dies bewirkt eine Erhöhung des Induktorstroms durch den Induktor 114. Im Entlade-Betriebsmodus, wenn das PWMA-Signal und das PWMB-Signal jeweils auf dem Logikpegel ”0” liegen, ist der SWA-Knoten 106 an Masse gekoppelt, während der SWB-Knoten 116 an die Ausgangsspannung V_OUT gekoppelt ist. Somit erhöht sich der Induktorstrom in diesem Betriebsmodus weiter.
Im Direktpass-Betriebsmodus, wenn das PWMA-Signal auf dem Logikpegel ”1” liegt und das PWMB-Signal auf dem Logikpegel ”0” liegt, ist der SWA-Knoten 106 an die Eingangsspannung V_IN gekoppelt, und der SWB-Knoten 116 ist an die Ausgangsspannung V_OUT gekoppelt. Somit erhöht sich der Induktorstrom, wenn die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist, oder verringert sich, wenn die Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung ist.
Im Freilauf-Betriebsmodus, wenn das PWMA-Signal auf dem Logikpegel ”0” liegt und das PWMB-Signal auf dem Logikpegel ”1” liegt, sind der SWA-Knoten 106 und der SWB-Knoten 116 jeweils an Masse gekoppelt. Somit ändert sich der Induktorstrom in diesem Zustand nur um einen geringen Betrag. Im Aus-Betriebsmodus schließlich, wenn die PWMA- und PWMB-Signale jeweils deaktiviert sind, werden alle Schalttransistoren zur Diodenemulation oder für einen Betriebsmodus mit diskontinuierlicher Leitung ausgeschaltet, wenn der Induktorstrom auf Null fällt.
Wenn die Eingangsspannung sich wesentlich von der Ausgangsspannung unterscheidet, operieren nur zwei Schalter des Tief-Hochsetzwandlers mit 4 Schaltern. Somit schaltet der Tief-Hochsetzwandler zwischen dem Lade- und dem Direktpassmodus oder zwischen dem Entlade- und dem Direktpassmodus um. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet ein Tief-Hochsetzwandler einen Hysteresekomparator, wie unten vollständiger beschrieben, unter anderem um den Betriebsmodus zu bestimmen, wenn die Eingangsspannung im Wesentlichen nah bei der Ausgangsspannung liegt.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine Implementierung einer Steuerschaltung dargestellt, die einen Hysteresewandler verwendet, um die PWMA- und PWMB-Steuersignale zum Steuern der Schalttransistoren des Tief-Hochsetzwandlers 100 aus 1 zu erzeugen. Die Steuerschaltung 200 aus 2 implementiert einen Zwei-Schwellenwert-Hysteresekomparator, der den Ausgangsstrom des Tief-Hochsetzwandlers 100 durch den Induktor 114 erfasst, um den Betriebsmodus des Wandlers zu bestimmen. Der Tief-Hochsetzwandler 100 ist dazu geeignet, eine Schaltfrequenz auf Basis einer Eingangsspannung aufzuweisen, die während des Betriebs im Tief-Hochsetz-Betriebsmodus eine niedrigere Schaltfrequenz ergibt. Hierdurch wird eine höherer Gesamtwirkungsgrad erzielt.
Die Steuerschaltung aus 2 weist einen ersten Eingang zum Empfangen des Ausgangs-COMP eines Fehlerverstärkers bei Knoten 202 auf. Das Fehlerverstärkersignal COMP ist an eine erste Summierungsschaltung 204 angelegt, in der das Fehlerverstärkersignal zu der Offsetspannung V_HW addiert wird, um das COMP_B1-Offsetspannungssignal zu erzeugen. Das Fehlerverstärkersignal ist auch an die Summierungsschaltung 206 angelegt. Die Summierungsschaltung 206 addiert das Fehlerverstärkersignal mit der Offsetspannung –V_HW, um die Signaloffsetspannung COMP_A zu erzeugen. Das COMP_B1-Offsetspannungssignal ist, wie auch der Offset V_TW, an die Summierungsschaltung 208 angelegt. Die Summierungsschaltung 208 addiert diese Werte und erzeugt die Signaloffsetspannung COMP_A1. Das COMP_A-Offsetspannungssignal ist mit dem Offset –V_TW an die Summierungsschaltung 210 angelegt, um die Signaloffsetspannung COMP_B zu erzeugen.
Das COMP_A1-Offsetspannungssignal ist an einen invertierenden Eingang eines Komparators 212 angelegt. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators 212 ist zum Empfangen einer Spannungsrepräsentation (ISEN) des Induktorstroms ISEN durch den Induktor 114 verbunden. Ein zweiter Komparator 214 ist zum Empfangen des COMP_A-Offsetspannungssignals an seinem nichtinvertierenden Eingang und des ISEN-Signals an seinem invertierenden Eingang verbunden. Der Ausgang des Komparators 212 ist an den R-Eingang eines SR-Zwischenspeichers 216 angelegt. Der Ausgang des Komparators 214 ist mit dem S-Eingang des SR-Zwischenspeichers 216 verbunden. Der Q-Ausgang des SR-Zwischenspeichers 216 stellt das PWMA-Offsetspannungssignal bereit.
Das COMP_B1-Offsetspannungssignal aus der Summierungsschaltung 204 ist an den invertierenden Eingang eines Komparators 218 angelegt. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators 218 ist zum Empfangen des ISEN-Signals verbunden. Der Ausgang des Komparators 218 ist mit dem R-Eingang eines SR-Zwischenspeichers 220 verbunden. Der S-Eingang des SR-Zwischenspeichers ist mit einem Komparator 222 verbunden. Der invertierende Eingang des Komparators 222 ist mit dem ISEN-Signal verbunden, während der nichtinvertierende Eingang zum Empfangen des COMP_B-Offsetspannungssignals aus der Summierungsschaltung 210 verbunden ist. Der Ausgang des SR-Zwischenspeichers 220 erzeugt das PWMB-Signal.
Der in 2 dargestellte Hysteresewandler stellt zwei Fensterspannungen bereit (COMP_B bis COMP_B1; COMP_A bis COMP_A1), die auf Basis des Ausgangs COMP des Fehlerverstärkers erzeugt sind. Der erfasste Induktorstrom wird in einen Spannungswert ISEN umgewandelt und mit der Fensterspannung COMP_A und COMP_A1 verglichen, um das an die Transistoren 104 und 108 aus 1 angelegte PWMA-Signal zu erzeugen. In ähnlicher Weise wird das PWMB-Signal für die Transistoren 120 und 122 erzeugt, indem das in eine Spannung ISEN umgewandelte erfasste Induktorstromsignal mit der Fensterspannung COMP_B und COMP_B1 verglichen wird.
Die Offsetspannung V_HW definiert die Hysterese-Fensterspannung für die Induktorstromwelligkeit. Die Offsetspannung V_TW ist mit relativ kleinem Wert gewählt. In einem Beispiel beträgt COMP zwei Volt, V_HW beträgt 2,2 Volt, und V_TW beträgt 2,3 Volt.
Die Schaltung aus 2 stellt einen Zwei-Schwellenwert-Hysteresekomparator dar, der den Ausgangsstrom des Tief-Hochsetzwandlers erfasst, um den Betriebsmodus des Wandlers zu bestimmen. Somit ist der Wandler dazu geeignet, eine Schaltfrequenz auf Basis seiner Eingangsspannung in einer niedrigeren Schaltfrequenz resultieren zu lassen, während er in einem Tief-Hochsetzmodus betrieben wird und höhere Wirkungsgrade erzielt. In manchen Anwendungen ist es nicht notwendig, eine konstante Schaltfrequenz aufrechtzuerhalten. Um den Betriebswirkungsgrad des Tief-Hochsetzwandlers 100 zu verbessern, muss die Schaltfrequenz möglichst niedrig gehalten werden. Wenn die Eingangsspannung im Wesentlichen nah bei der Ausgangsspannung liegt, d. h. im Tief-Hochsetz-Betriebsmodus, ändert sich der Induktorstrom im Direktpassmodus mit am Induktor anliegender Eingangs- und Ausgangsspannung um einen geringen Betrag. Somit ist es möglich, für lange Zeit im Direktpassmodus zu bleiben. Die in 2 dargestellte Implementierung richtet das Fenster für die Induktorstromwelligkeit auf Basis der Ausgangsspannungs-Welligkeitsanforderung ein, und somit entfällt die Notwendigkeit einer Schaltoperation, solange die Induktorstromwelligkeit innerhalb des gewünschten Fensters bleibt. Dies hat eine niedrigere Schaltfrequenz zum Ergebnis. Der Hysteresewandler operiert entsprechend dem folgenden Protokoll, um den Induktorstrom innerhalb eines gewünschten Hysteresefensters zu halten, das entsprechend den Systemparametern wie der Induktorstromwelligkeit definiert ist.
Liegt der Induktorstrom über dem gewünschten oberen Fensterwert (COMP_B1), so schaltet der Wandler in den Direktpass-Betriebsmodus. Wenn der Induktorstrom nicht abfällt, schaltet der Wandler in den Entlade-Betriebsmodus, um den Induktorstrom nach unten zu ziehen.
Liegt der Induktorstrom unter dem gewünschten unteren Fensterwert (COMP_A), so schaltet der Wandler in den Direktpass-Betriebsmodus. Wenn der Induktorstrom nicht ansteigt, schaltet der Wandler in den Lade-Betriebsmodus, um den Induktorstrom zu erhöhen.
Wenn die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers auf einen unteren Sättigungszustand fällt, tritt der Wandler vorübergehend in den Freilauf-Betriebsmodus ein, um die Ausgangs-Übersteuerungsspannung während der Lastfreigabe zu reduzieren. Der Wandler kehrt in den Direktpass-Betriebsmodus zurück, wenn der Fehlerverstärker aus seinem Sättigungszustand austritt. Für den Diodenemulations-Betriebsmodus schließlich werden alle Schalter ausgeschaltet, wenn der Induktorstrom auf Null fällt.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, das den Betrieb des oben beschriebenen Protokolls innerhalb des Hysteresewandlers beschreibt. Bei Schritt 302 wird der Induktorstrom gemessen, und der Abfrageschritt 304 bestimmt, ob der Induktorstrom über oder unter dem definierten Hysteresefenster liegt. Liegt er unter dem gewünschten Fenster, so bestimmt der Abfrageschritt 306, ob der Induktorstrom momentan Null beträgt. Wenn der Induktorstrom momentan Null beträgt, wird der Wandler bei Schritt 308 in den Diodenemulationsmodus geschaltet. Beträgt der Induktorstrom nicht Null, so wird der Wandler bei Schritt 310 in den Direktpass-Betriebsmodus geschaltet.
Der Abfrageschritt 312 bestimmt, ob der Anstieg des Induktorstroms in Reaktion auf das Umschalten in den Direktpass-Betriebsmodus erfolgt. Wenn nicht, schaltet der Wandler bei Schritt 314 in den Lade-Betriebsmodus. Wenn der Abfrageschritt 312 bestimmt, dass der Strom sich erhöht hat, oder sobald der Wandler in den Lade-Betriebsmodus geschaltet ist, bestimmt der Abfrageschritt 316, ob die Ausgangsspannung in ihren unteren Sättigungszustand gefallen ist. Wenn nicht, geht die Steuerung bei Schritt 318 in den Direktpass-Betriebsmodus über. Wenn die Spannung tatsächlich in ihren unteren Sättigungszustand fällt, schaltet der Spannungswandler bei Schritt 320 in den Freilauf-Betriebsmodus.
Wenn der Abfrageschritt 304 bestimmt, dass der Strom über dem gewünschten Hysteresefenster liegt, schaltet er bei Schritt 322 in den Direktpass-Betriebsmodus. Der Abfrageschritt 324 bestimmt, ob ein Stromabfall in Reaktion auf das Umschalten in den Direktpass-Betriebsmodus erfolgt ist, und wenn nicht, schaltet der Wandler bei Schritt 326 in den Entlade-Betriebsmodus. Wird bei Schritt 324 ein Spannungsabfall festgestellt, geht die Steuerung zu Abfrageschritt 316 über, um zu überwachen, ob die Ausgangsspannung in ihren unteren Sättigungszustand fällt.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein schematisches Diagramm eines Tief-Hochsetzwandlers 100 dargestellt, dessen Betrieb von einer Steuerschaltung gesteuert wird, die Hysterese-Spannungsmodussteuerung aufweist, wie mit Bezug auf 2 beschrieben. Die Eingangsspannung ist an den Eingangsspannungsknoten V_IN 102 des Tief-Hochsetzwandlers 100 angelegt. Der Drain/Source-Weg des Transistors 104 ist zwischen dem Knoten 102 und dem SWA-Knoten 106 verbunden. Der Drain/Source-Weg des Transistors 108 ist zwischen dem Knoten 106 und Masse verbunden. Der Induktor 114 ist zwischen dem SWA-Knoten 106 und dem SWB-Knoten 116 verbunden. Der Drain/Source-Weg des Transistors 120 ist zwischen dem Ausgangsspannungsknoten 118 und dem SWB-Knoten 116 verbunden. Der Drain/Source-Weg des Transistors 122 ist zwischen dem SWB-Knoten 116 und Masse verbunden. Eine Kapazitanz 402 ist zwischen dem Knoten 102 und Masse verbunden, und eine Ausgangskapazitanz 404 ist zwischen dem Knoten 118 und Masse verbunden.
Die Ausgangsspannung wird bei Knoten 118 von einem Fehlerverstärker 406 überwacht, der mit einem Spannungsteilernetzwerk 408 verbunden ist. Das Spannungsteilernetzwerk 408 besteht aus einem Widerstand 410, der zwischen dem Knoten 118 und dem Knoten 412 verbunden ist. Der Kondensator 414 ist zwischen dem Knoten 412 und Masse verbunden. Der invertierende Eingang des Fehlerverstärkers 406 überwacht die Ausgangsspannung an Knoten 412. Der nichtinvertierende Eingang des Fehlerverstärkers 406 ist zum Empfangen einer Referenzspannung V_REF verbunden. Ein Kondensator 418 in Serie mit einem Widerstand 416 ist zwischen dem Ausgang des Fehlerverstärkers 406 und dessen invertierendem Eingang verbunden. Der Ausgang COMP des Fehlerverstärkers 406 ist an den Knoten 202 der oben mit Bezug auf 2 beschriebenen Hysterese-Spannungsmodus-Steuerschaltung 200 angelegt. Der Ausgang PWMA aus dem SR-Zwischenspeicher 216 wird einer Treiberschaltung 420 zugeführt, die dem Transistor 104 bzw. 108 Treibersignale zuführt. Das PWMB-Steuersignal aus dem SR-Zwischenspeicher 220 wird dem Treiber 422 zum Erzeugen der Treibersignale für den Transistor 120 bzw. 122 zugeführt.
Auf Basis der Eingangsspannung V_IN und der Ausgangsspannung V_OUT weist der Tief-Hochsetzwandler drei Betriebsmodi auf, nämlich den Tiefsetz-Betriebsmodus, den Hochsetz-Betriebsmodus und den Tief-Hochsetz-Betriebsmodus. Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der Betriebsmodus des Tief-Hochsetzwandlers ohne Erfassung der Eingangsspannung gestaltet, so dass die Übergänge zwischen den Modi natürlich und glatt erfolgen. Die Schaltfrequenz ist durch die Induktorstromwelligkeit und die Fensterspannung V_HW definiert. Somit wird die Schaltfrequenz automatisch reduziert, wenn die Eingangsspannung, insbesondere im Tief-Hochsetz-Betriebsmodus, nah bei der Ausgangsspannung liegt. Dies reduziert die Schaltverluste innerhalb des Tief-Hochsetzwandlers erheblich.
Unter Bezugnahme auf 5 ist der Betrieb des Tief-Hochsetzwandlers im Tiefsetz-Betriebsmodus dargestellt. Im Tiefsetz-Betriebsmodus bleibt der Transistor 120 eingeschaltet, während der Transistor 122 ausgeschaltet bleibt, um den SWB-Knoten 116 an den Ausgangsspannungsknoten 118 zu koppeln. Die Schalttransistoren 104 und 108 werden ein- und ausgeschaltet, um den SWA-Knoten 106 abwechselnd zwischen der Eingangsspannung und Masse umzuschalten. Vor der Zeit T₁ läuft der Tief-Hochsetzwandler 100 im Direktpass-Betriebsmodus, mit dem PWMA-Steuersignal auf ”hohem” Logikpegel und dem PWMB-Signal auf ”niedrigem” Logikpegel. Die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung sind jeweils an den Induktor 114 angelegt. Da die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist, beginnt der Induktorstrom anzusteigen.
Zur Zeit T₁ erreicht der erfasste Induktorstrom I_SEN 502 die erste obere Fensterspannung COMP_B1, die den Direktpass-Betriebsmodus auslöst. Der Tief-Hochsetzwandler 100 befindet sich schon im Direktpass-Betriebsmodus, es erfolgt also keine Schaltoperation, und der Induktorstrom I_SEN steigt weiter. Zur Zeit T₂ erreicht das I_SEN-Induktorstromsignal die zweite obere Fensterspannung COMP_A1. Dies bewirkt, dass der Tief-Hochsetzwandler 100 in den Entlade-Betriebsmodus eintritt, in dem das PWMA-Steuersignal und das PWMB-Steuersignal sich jeweils auf ”niedrigem” Logikpegel befinden. Hierdurch wird der Transistor 104 ausgeschaltet und der Transistor 108 eingeschaltet. Die Spannung über den Induktor ist bei der Ausgangsspannung, so dass der Induktorstrom sich von der Zeit T₂ bis zu der Zeit T₃ zu verringern beginnt.
Zur Zeit T₃ fällt der erfasste Induktorstrom I_SEN unter die erste untere Fensterspannung COMP_A, was bewirkt, dass das PWMA-Signal auf einen Logikpegel ”1” steigt und der Tief-Hochsetzwandler in den Direktpass-Betriebsmodus eintritt, in dem das PWMA-Signal sich auf einem ”hohen” Logikpegel und das PWMB-Signal sich auf einem ”niedrigen” Logikpegel befindet. Im Direktpass-Betriebsmodus ist der Transistor 108 ausgeschaltet, während der Transistor 104 eingeschaltet ist. Die oben beschriebene Operation wiederholt sich dann, da der erfasste Induktorstrom I_SEN sich von der Zeit T₃ bis zu der Zeit T4 bzw. T₅ zu erhöhen beginnt. Der erfasste Induktorstrom wird innerhalb der Fensterspannungen COMP_A und COMP_A1 gesteuert.
Unter Bezugnahme auf 6 ist der Betrieb des Tief-Hochsetzwandlers im Hochsetz-Betriebsmodus dargestellt, in dem die Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung ist. Im Hochsetz-Betriebsmodus bleibt der Schalttransistor 104 eingeschaltet, während der Schalttransistor 108 ausgeschaltet bleibt, um den Knoten SWA 106 an die Eingangsspannung zu koppeln. Die Schalttransistoren 120 und 122 werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet, um den SWB-Knoten 116 zwischen der Ausgangsspannung und Masse umzuschalten, wie unten beschrieben. Vor der Zeit T₁ läuft der Tief-Hochsetzwandler 100 im Lademodus, wobei sich PWMA und PWMB beide auf ”hohem” Logikpegel befinden. Während dieses Lademodus ist die Eingangsspannung an den Induktor 114 angelegt, und der durch das ISEN-Signal 602 repräsentierte Induktorstrom erhöht sich. Zur Zeit T₁ erreicht der erfasste Induktorstrom ISEN 602 die erste obere Fensterspannung COMP_B1, und das PWMB-Signal wird auf einen ”niedrigen” Logikpegel gezogen. Dies schaltet den Tief-Hochsetzwandler aus dem Lademodus in den Direktpassmodus, in dem PWMA sich auf einem ”hohen” Logikpegel befindet und PWMB sich auf einem ”niedrigen” Logikpegel befindet. Hierdurch wird der Transistor 122 ausgeschaltet, während der Transistor 120 eingeschaltet wird.
Die Spannung über den Ausgangsinduktor ist gleich V_IN – V_OUT. Da die Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung ist, beginnt der Induktorstrom im Direktpassmodus von der Zeit T₁ bis zu der Zeit T₂ zu fallen. Zur Zeit T₂ erreicht der erfasste Induktorstrom ISEN 602 die erste untere Fensterspannung COMP_A, und der Tief-Hochsetzwandler tritt in den Direktpass-Betriebsmodus ein. Wenn der Tief-Hochsetzwandler sich im Direktpass-Schaltbetriebsmodus befindet, erfolgen keine Schaltoperationen, und der Induktorstrom fällt weiter, wie durch den Wert von ISEN von der Zeit T₂ bis zu der Zeit T₃ repräsentiert. Zur Zeit T₃ fällt der erfasste Induktorstrom ISEN 602 unter die zweite untere Fensterspannung COMP_B, und der Tief-Hochsetzwandler bewirkt, dass das PWMB-Signal auf einen ”hohen” Logikpegel geht, und tritt in den Lade-Betriebsmodus ein. Im Lademodus befinden sich sowohl das PWMA- als auch das PWMB-Steuersignal auf einem ”hohen” Logikpegel, wodurch bewirkt wird, dass der Transistor 120 ausgeschaltet wird und der Transistor 122 eingeschaltet wird und ISEN 602 zu steigen beginnt. Nach der Zeit T₃ wiederholt sich der Prozess, wie oben beschrieben. Der erfasste Induktorstrom ISEN 602 wird innerhalb der Fensterspannungen COMP_B und COMP_B1 gesteuert.
Unter Bezugnahme auf 7 ist der Betrieb des Tief-Hochsetzwandlers im Tief-Hochsetz-Betriebsmodus dargestellt, wenn die Eingangsspannung V_IN im Wesentlichen gleich der Ausgangsspannung V_OUT ist. Wenn das erfasste Induktorstromsignal ISEN 702 innerhalb des durch (COMP_B1, COMP_A1, COMP_A und COMP_B) definierten Spannungsfensters bleibt, läuft der Tief-Hochsetzwandler im Direktpass-Betriebsmodus ohne Schaltoperationen. Wenn der Induktorstrom unter den Wert von COMP-V_TW (COMP_B) fällt, wird der Knoten SWB 116 an Masse gekoppelt, um den Strom durch den Induktor 114 zu erhöhen. Wenn der Induktorstrom größer als COMP + V_TW (COMP_A1) wird, wird der SWA-Knoten 106 an Masse gekoppelt, um den Strom zu senken. Die Hysterese-Strommodussteuerung bestimmt automatisch, ob Betrieb im Tiefsetz- oder Hochsetzmodus erfolgen soll.
Vor der Zeit T₁ läuft der Tief-Hochsetzwandler 100 im Direktpassmodus, mit PWMA auf einem ”hohen” Logikpegel und PWMB auf einem ”niedrigen” Logikpegel. Die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung sind in diesem Betriebsmodus an den Induktor angelegt. Da die Eingangsspannung sehr nah bei der Ausgangsspannung liegt (angenommen, dass V_IN etwas höher als V_OUT ist), erhöht sich der Induktorstrom langsam. Im Falle, dass V_OUT etwas höher lag als V_IN, verringert sich der Induktorstrom leicht.
Zur Zeit T₁ erreicht der erfasste Induktorstrom ISEN 702 das zweite obere Spannungsfenster COMP_A1 und löst den Entladepassmodus aus, in dem PWMA und PWMB sich beide auf ”niedrigen” Logikpegeln befinden, wodurch die Transistoren 104 und 108 ausgeschaltet werden. Die Spannung über den Induktor 114 ist die Ausgangsspannung, so dass der Induktorstrom von der Zeit T₁ bis zu der Zeit T₂ zu fallen beginnt.
Zur Zeit T₂ fällt der erfasste Induktorstrom ISEN 702 unter die erste untere Fensterspannung COMP_A. Dies bewirkt, dass das PWMA-Steuersignal auf einen ”hohen” Logikpegel geht, und versetzt den Tief-Hochsetzwandler 100 in den Direktpass-Betriebsmodus, bei dem PWMA gleich einer logischen ”1” ist und das PWMB-Steuersignal gleich einer logischen ”0” ist. Dies bewirkt, dass der Transistor 108 ausgeschaltet wird und der Transistor 104 eingeschaltet wird. Die Spannung über den Induktor 114 ist im Zustand des Direktpassmodus die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung. Angenommen, dass die Ausgangsspannung V_OUT etwas höher als die Eingangsspannung V_IN ist, beginnt der Induktorstrom dann von der Zeit T₂ bis zu der Zeit T₃ langsam zu fallen.
Zur Zeit T₃ fällt der erfasste Induktorstrom ISEN 702 unter die zweite Ausgangsfensterspannung COMP_B. Die Steuerschaltung zieht das PWMB-Signal auf einen ”hohen” Logikpegel, und der Tief-Hochsetzwandler tritt in den Lade-Betriebsmodus ein, mit PWMA auf einem ”hohen” Logikpegel und PWMB auf einem ”hohen” Logikpegel. Dies geschieht durch Einschalten des Transistors 120 und Ausschalten des Transistors 122. Im Lademodus ist die Eingangsspannung an den Induktor 114 angelegt, was bewirkt, dass der Induktorstrom sich von der Zeit T₃ bis zu der Zeit T₄ schnell erhöht.
Zur Zeit T₄ erreicht der erfasste Induktorstrom I_SEN 702 die erste obere Stromfensterspannung COMP_B1. Dies bewirkt, dass das PWMB-Signal auf einen ”niedrigen” Logikpegel geht und der Tief-Hochsetzwandler 100 in den Direktpass-Betriebsmodus eintritt, mit PWMA auf einem ”hohen” Logikpegel und PWMB auf einem ”niedrigen” Logikpegel. Dies bewirkt, dass der Transistor 122 ausgeschaltet wird und der Transistor 120 eingeschaltet wird. Im Direktpass-Betriebsmodus ist die Spannung über den Induktor 114 die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung. Angenommen, dass die Ausgangsspannung etwas niedriger als die Eingangsspannung ist, erhöht sich der Induktorstrom von der Zeit T₄ bis zu der Zeit T₅ langsam. Der obige Prozess wiederholt sich dann, da der erfasste Induktorstrom 702 innerhalb der Fensterspannungen COMP_A1, COMP_B1, COMP_A und COMP_B gesteuert wird.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, bestimmt die Fensterspannung die tatsächliche Schaltfrequenz innerhalb des oben beschriebenen Hysterese-Strommodus-Steuersystems. Zum Definieren der Fensterspannung gibt es mehrere Techniken. Eine Technik ist die Verwendung einer konstanten Fensterspannung, um in verschiedenen Betriebsmodi dieselbe Induktorstromwelligkeit aufrechtzuerhalten. Diese Technik kann die Schaltfrequenz automatisch reduzieren, wenn die Eingangsspannung nah bei der Ausgangsspannung liegt. Eine weitere Technik besteht darin, die Schaltfrequenz in verschiedenen Betriebsmodi nahezu konstant zu halten. Mit dieser Technik wird die Fensterspannung V_HW auf Basis der Eingangsspannung V_IN und der Ausgangsspannung V_OUT angepasst, da die Induktorstromwelligkeit innerhalb der Fensterspannung bleibt.
Wenn die Eingangsspannung nah bei der Ausgangsspannung liegt, kann die Induktorstromwelligkeit für einen Betrieb mit konstanter Schaltfrequenz (F_SW) sehr niedrig sein. In manchen Anwendungen ohne die Anforderung einer konstanten Schaltfrequenz wird eine Reduzierung der Schaltfrequenz unter dieser Bedingung bevorzugt. Es können daher zwei Schemata kombiniert sein, um die optimale Leistungsfähigkeit zu erreichen. So ist, wenn die Eingangsspannung sich wesentlich von der Ausgangsspannung unterscheidet, die Schaltfrequenz für eine einfache LC-Filtergestaltung fest. Wenn die Eingangsspannung relativ nah bei der Ausgangsspannung liegt, wird die Konstant-Welligkeitssteuerung verwendet, um die Schaltfrequenz F_SW zu reduzieren.
Im Tiefsetzmodus ist die Induktorstromwelligkeit durch folgende Gleichung berechenbar.
Im Hochsetz-Betriebsmodus ergibt sich die Induktorstromwelligkeit aus
Nach den obigen Gleichungen werden die Fensterspannungen durch die Schaltfrequenz F_SW, die Ausgangsinduktanz L_O, das PWM-Tastverhältnis und die Differenz zwischen V_IN und V_O bestimmt. Sind F_SW und L_O relativ konstant, so kann die Fensterspannung entsprechend dem Tastverhältnis und der Differenz zwischen V_IN und V_O bestimmt werden.
Wenn die Eingangsspannung nah bei der Ausgangsspannung liegt, kann eine konstante Fensterspannung für konstanten Induktorstromwelligkeits-Betrieb gewählt sein, der sich dynamisch an die tatsächliche Schaltfrequenz anpasst. Wie in 8 gezeigt, wird beispielsweise, wenn die Eingangsspannung V_IN 802 nah bei der Ausgangsspannung V_OUT 804 liegt, das Hysterese-Schwellenwertfenster V_HW 806 reduziert und wird von Punkt 808 bis Punkt 810 konstant. Von Punkt 808 bis 810 fällt die Schaltfrequenz F_SW von dem Niveau Fmax auf Fmin. Da die von der Konstant-Schaltfrequenzsteuerung erzeugte Fensterspannung größer ist als diejenige bei der Konstant-Welligkeitssteuerung, kann die Fensterspannung für die Hysteresesteuerung die maximale Spannung sein, die aus den Fensterspannungen V_HWA und V_HWB ausgewählt ist, erzeugt durch die in 9 dargestellte Schaltung. Die Fensterspannung V_HWA ist für den Tiefsetz-Betriebsmodus, wenn die Eingangsspannung über der Ausgangsspannung liegt. Die Fensterspannung V_HWB ists für den Hochsetz-Betriebsmodus, wenn die Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung ist. Die Vmin-Spannungsquelle 902 definiert die minimale Fensterspannung für den Konstant-Welligkeitsbetrieb.
Die Schaltung aus 9 weist insbesondere eine Diode 904 auf, die zwischen dem Ausgangsspannungs-V_HW-Spannungsknoten 906 und der Vmin-Spannungsquelle 902 verbunden ist. Eine Diode 908 ist zwischen dem Knoten 906 und dem Knoten 910 verbunden. Ein Widerstand 912 ist zwischen dem Knoten 910 und Masse verbunden. Ein Kondensator 914 befindet sich parallel zu dem Widerstand 912 zwischen dem Knoten 910 und Masse. Eine Spannungsquelle 916 in Serie mit einem Schalter 918 ist zwischen dem Knoten 910 und Masse verbunden. Die Spannungsquelle ist gleich G_M × (V_OUT – V_IN), und der Schalter 918 wird in Reaktion auf das PWMB-Steuersignal geöffnet und geschlossen. Eine Diode 920 ist zwischen dem Knoten 906 und dem Knoten 922 verbunden. Der Widerstand 924 ist zwischen dem Knoten 922 und Masse verbunden. Der Kondensator 926 ist zwischen dem Knoten 922 und Masse verbunden. Die serielle Verbindung aus Spannungsquelle 928 und Schalter 930 ist ebenfalls zwischen dem Knoten 922 und Masse verbunden. Die Spannungsquelle = G_M × (V_IN – VO), der Schalter unterliegt der Steuerung durch das PWMA-Steuersignal.
Um hörbares Rauschen zu verhindern, sollte die minimale Schaltfrequenz größer als beispielsweise 25 kHz bleiben. Ein einfacher Weg, dies zu erreichen, ist eine Reduzierung der Fensterspannung, wenn für einige Zeit keine Schaltoperation erfolgt. Wie in 10 dargestellt, wird nach einer Wartezeit von 35 Mikrosekunden zwischen der Zeit T₂ und T₃ die Fensterspannung innerhalb von 5 Mikrosekunden zwischen der Zeit T₁ und T₄ graduell auf Null reduziert. Sobald eine Schaltoperation ausgelöst wird, wird die Fensterspannung zu der Zeit T₄ oder einem kleineren Wert auf ihren ursprünglichen Wert zurückgesetzt, wodurch eine einzelne Schaltoperation innerhalb von 40 Mikrosekunden garantiert wird.
Ein Problem bei einem Tief-Hochsetzwandler ist das Erfassen des Induktorstroms mit hoher Genauigkeit und niedrigem Rauschen. Gemäß einer Ausführungsform wird ein synthetisiertes Welligkeitssignal dazu gebildet, den Induktorwelligkeitsstrom zu emulieren, wie in 11 gezeigt. Die Eingangsspannung und Ausgangsspannung steuert zwei Stromquellen 1102 und 1104, die den Kondensator 1106, verbunden zwischen dem Knoten 1108 und Masse, laden oder entladen. Entsprechend zwei PWM-Steuersignalen ist PWMA an den Schalter 1110 angelegt und PWMB an den Schalter 1112 angelegt. Der Widerstand R 1114 wird zum Eliminieren der Gleichspannungskomponente des von der Spannungsquelle V_R 1120 angelegten Spannungssignals verwendet. Der Strom durch den Kondensator 1106, I_RIPPLE, hat eine ähnliche Welligkeitswellenform wie der Induktorstrom. Mit dem synthetisierten Welligkeitssignal kann die Hysterese-Strommodussteuerung ohne die tatsächliche Induktorstrominformation implementiert sein.
Für den Fachmann, der über den Nutzen der vorliegenden Offenbarung verfügt, wird ersichtlich sein, dass dieser hysteresegesteuerte Tief-Hochsetzwandler verbesserten Betrieb mit weniger Schaltverlusten bietet. Es versteht sich, dass die vorliegenden Zeichnungen und die vorliegende detaillierte Beschreibung als illustrativ und nicht einschränkend zu sehen sind und keine Begrenzung auf die offenbarten besonderen Formen und Beispiele darstellen sollen. Vielmehr sind alle weiteren Modifikationen, Änderungen, Neuanordnungen, Ersetzungen, Alternativen, Gestaltungsentscheidungen und Ausführungsformen eingeschlossen, die für den Durchschnittsfachmann ersichtlich sind, ohne von dem Gedanken und Umfang des Vorliegenden abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche bestimmt ist. Es ist daher eine Auslegung der folgenden Ansprüche in dem Sinn vorgesehen, dass sie alle solchen weiteren Modifikationen, Änderungen, Neuanordnungen, Ersetzungen, Alternativen, Gestaltungsentscheidungen und Ausführungsformen umfassen.

Claims

Vorrichtung, umfassend: einen Tief-Hochsetzwandler zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung in Reaktion auf eine Eingangsspannung, wobei der Tief-Hochsetzwandler einen Induktor, ein erstes Paar von auf ein erstes PWM-Signal reagierenden Schalttransistoren und ein zweites Paar von auf ein zweites PWM-Signal reagierenden Schalttransistoren aufweist; einen Fehlerverstärker zum Erzeugen einer Fehlerspannung in Reaktion auf die geregelte Ausgangsspannung; eine Steuerschaltung, um das erste PWM-Signal und das zweite PWM-Signal in Reaktion auf die Fehlerspannung und eine erfasste Strom-Spannung in Reaktion auf einen erfassten Strom durch den Induktor zu erzeugen; und wobei die Steuerschaltung das Schalten des ersten Paars Schalttransistoren und des zweiten Paars Schalttransistoren unter Verwendung des ersten PWM-Signals und des zweiten PWM-Signals in Reaktion auf den erfassten Strom durch den Induktor und eine Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen auf Basis der Fehlerspannung steuert.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung weiterhin umfasst: Summierungsschaltungen zum Erzeugen der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen in Reaktion auf die Fehlerspannung und eine erste Offsetspannung und eine zweite Offsetspannung und Spannungsmodus-Steuerschaltungen zum Erzeugen des ersten PWM-Signals und des zweiten PWM-Signals in Reaktion auf einen Vergleich der erfassten Strom-Spannung mit jeder aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Spannungsmodus-Steuerschaltungen weiterhin umfassen: eine Vielzahl von Komparatoren, wobei jeder der Komparatoren die erfasste Strom-Spannung mit einer aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen vergleicht, um ein Spannungssteuersignal zu erzeugen; eine erste Zwischenspeicherschaltung, die dazu verbunden ist, ein erstes Paar der Spannungssteuersignale zu empfangen und in Reaktion darauf das erste PWM-Signal zu erzeugen; und eine zweite Zwischenspeicherschaltung, die dazu verbunden ist, ein zweites Paar der Spannungssteuersignale zu empfangen und in Reaktion darauf das zweite PWM-Signal zu erzeugen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei in einem Tiefsetz-Betriebsmodus das erste PWM-Signal in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder eine erste aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter eine zweite aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen fällt, abwechselnd jeden aus dem ersten Paar Schalttransistoren ein- und ausschaltet und das zweite PWM-Signal den einen aus dem zweiten Paar Schalttransistoren ausgeschaltet lässt und den anderen aus dem zweiten Paar Schalttransistoren eingeschaltet lässt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei in einem Hochsetz-Betriebsmodus das zweite PWM-Signal in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder eine dritte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter eine vierte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen fällt, abwechselnd jeden aus dem zweiten Paar Schalttransistoren ein- und ausschaltet und das erste PWM-Signal einen aus dem ersten Paar Schalttransistoren ausgeschaltet lässt und den anderen aus dem ersten Paar Schalttransistoren eingeschaltet lässt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei in einem Tief-Hochsetz-Betriebsmodus das erste PWM-Signal in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder die erste aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter die zweite aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen fällt, alternativ jeden aus dem ersten Paar Schalttransistoren ein- und ausschaltet, während das zweite PWM-Signal in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder die dritte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter die vierte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen fällt, alternativ jeden aus dem zweiten Paar Schalttransistoren ein- und ausschaltet.
Steuerschaltung zum Steuern des Schaltens eines Tief-Hochsetzwandlers, umfassend: einen ersten Eingang zum Empfangen einer erfassten Strom-Spannung in Reaktion auf einen erfassten Strom durch einen Induktor eines Tief-Hochsetzwandlers; einen zweiten Eingang zum Empfangen einer Fehlerspannung aus einem Fehlerverstärker; ein Paar Ausgänge zum Bereitstellen eines ersten PWM-Signals und eines zweiten PWM-Signals; eine PWM-Steuerschaltung, um das erste PWM-Signal und das zweite PWM-Signal in Reaktion auf die Fehlerspannung und eine erfasste Strom-Spannung in Reaktion auf einen erfassten Strom durch den Induktor zu erzeugen; und wobei die Steuerschaltung das Schalten des ersten Paars Schalttransistoren und des zweiten Paars Schalttransistoren unter Verwendung des ersten PWM-Signals und des zweiten PWM-Signals in Reaktion auf den erfassten Strom durch den Induktor und eine Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen auf Basis der Fehlerspannung steuert.
Steuerschaltung gemäß Anspruch 7, wobei die Steuerschaltung weiterhin umfasst: Summierungsschaltungen, um die Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen in Reaktion auf die Fehlerspannung und eine erste Offsetspannung und eine zweite Offsetspannung zu erzeugen; und Hysterese-Spannungsmodus-Steuerschaltungen zum Erzeugen des ersten PWM-Signals und des zweiten PWM-Signals in Reaktion auf einen Vergleich der erfassten Strom-Spannung mit jeder aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen.
Steuerschaltung gemäß Anspruch 8, wobei die Hysterese-Spannungsmodus-Steuerschaltungen weiterhin umfassen: eine Vielzahl von Komparatoren, wobei jeder der Komparatoren die erfasste Strom-Spannung mit einer aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen vergleicht, um ein Spannungssteuersignal zu erzeugen; eine erste Zwischenspeicherschaltung, die zum Empfangen eines ersten Paars der Spannungssteuersignale und Erzeugen des ersten PWM-Signals in Reaktion darauf verbunden ist; und eine zweite Zwischenspeicherschaltung, die zum Empfangen eines zweiten Paars der Spannungssteuersignale und Erzeugen des zweiten PWM-Signals in Reaktion darauf verbunden ist.
Steuerschaltung gemäß Anspruch 8, wobei in einem Tiefsetz-Betriebsmodus das erste PWM-Signal in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder eine erste aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter eine zweite aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen fällt, abwechselnd jeden aus dem ersten Paar Schalttransistoren ein- und ausschaltet und das zweite PWM-Signal den einen aus dem zweiten Paar Schalttransistoren ausgeschaltet lässt und den anderen aus dem zweiten Paar Schalttransistoren eingeschaltet lässt.
Steuerschaltung gemäß Anspruch 8, wobei in einem Hochsetz-Betriebsmodus das zweite PWM-Signal in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder eine dritte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter eine vierte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen fällt, abwechselnd jeden aus dem zweiten Paar Schalttransistoren ein- und ausschaltet und das erste PWM-Signal einen aus dem ersten Paar Schalttransistoren ausgeschaltet lässt und den anderen aus dem ersten Paar Schalttransistoren eingeschaltet lässt.
Steuerschaltung gemäß Anspruch 8, wobei in einem Hochsetz-Betriebsmodus das zweite PWM-Signal in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder eine dritte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter eine vierte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen fällt, abwechselnd jeden aus dem zweiten Paar Schalttransistoren ein- und ausschaltet und das erste PWM-Signal einen aus dem ersten Paar Schalttransistoren ausgeschaltet lässt und den anderen aus dem ersten Paar Schalttransistoren eingeschaltet lässt.
Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Tief-Hochsetzwandlers, umfassend die Schritte: Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung in Reaktion auf eine Eingangsspannung; Erzeugen einer Fehlerspannung in Reaktion auf die geregelte Ausgangsspannung und eine Referenzspannung; Erzeugen eines ersten PWM-Signals und eines zweiten PWM-Signals in Reaktion auf einen erfassten Strom durch einen Induktor und eine Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen auf Basis der Fehlerspannung und Schalten eines ersten Paars Schalttransistoren und eines zweiten Paars Schalttransistoren unter Verwendung des ersten PWM-Signals und des zweiten PWM-Signals.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Schritt des Erzeugens des ersten PWM-Signals und des zweiten PWM-Signals weiterhin die Schritte Erzeugen der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen in Reaktion auf die Fehlerspannung und eine erste Offsetspannung und eine zweite Offsetspannung und Vergleichen der erfassten Strom-Spannung mit jeder aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen, um das erste PWM-Signal und das zweite PWM-Signal zu erzeugen, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 14, weiterhin umfassend den Schritt: Erzeugen des ersten PWM-Signals in Reaktion auf ein erstes Paar Spannungssteuersignale aus dem Schritt des Vergleichens und Erzeugen des zweiten PWM-Signals in Reaktion auf ein zweites Paar Spannungssteuersignale aus dem Schritt des Vergleichens.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Schritt des Erzeugens des ersten PWM-Signals und des zweiten PWM-Signals weiterhin den Schritt umfasst, das erste PWM-Signal und das zweite PWM-Signal in einem Tiefsetz-Betriebsmodus zu erzeugen, weiterhin umfassend die Schritte: abwechselndes Ein- und Ausschalten eines jeden aus dem ersten Paar Schalttransistoren in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder eine erste aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter eine zweite aus der Vielzahl von Fehlerspannungen fällt; Ausgeschaltetlassen des einen aus dem zweiten Paar Schalttransistoren und Eingeschaltetlassen eines anderen aus dem zweiten Paar Schalttransistoren, wobei das zweite Paar Schalttransistoren ausgeschaltet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Schritt des Erzeugens des ersten PWM-Signals und des zweiten PWM-Signals weiterhin den Schritt umfasst, das erste PWM-Signal und das zweite PWM-Signal in einem Hochsetz-Betriebsmodus zu erzeugen, weiterhin umfassend die Schritte: abwechselndes Ein- und Ausschalten eines jeden aus dem zweiten Paar Schalttransistoren in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder eine dritte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter eine vierte aus der Vielzahl von Fehlerspannungen fällt; Ausgeschaltetlassen eines aus dem ersten Paar Schalttransistoren und Eingeschaltetlassen eines anderen aus dem ersten Paar Schalttransistoren, wobei das erste Paar Schalttransistoren ausgeschaltet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Schritt des Erzeugens des ersten PWM-Signals und des zweiten PWM-Signals weiterhin den Schritt umfasst, das erste PWM-Signal und das zweite PWM-Signal in einem Tief-Hochsetz-Betriebsmodus zu erzeugen, weiterhin umfassend die Schritte: abwechselndes Ein- und Ausschalten eines jeden aus dem ersten Paar Schalttransistoren in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder eine erste aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter eine zweite aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen fällt; und abwechselndes Ein- und Ausschalten eines jeden aus dem zweiten Paar Schalttransistoren in Reaktion darauf, dass die erfasste Strom-Spannung entweder eine dritte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen übersteigt oder unter eine vierte aus der Vielzahl von Offset-Fehlerspannungen fällt.