DE102011053593A1

DE102011053593A1 - Digitaler Spannungswandler

Info

Publication number: DE102011053593A1
Application number: DE102011053593A
Authority: DE
Inventors: Dieter Draxelmayr
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2012-03-15
Also published as: US20120062204A1

Abstract

Es werden Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltungen (100) offenbart, welche einen Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (104) zum Treiben eines Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers (102) umfassen. Der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (104) ist eingerichtet, eine analoge Rückkopplungsspannung (VFB) von dem Ausgang des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers (102) zu empfangen. Die analoge Rückkopplungsspannung (VFB) wird mit einer analogen Referenzspannung VREF verglichen und basierend auf dem Vergleich ein digitales Wandlerausgangssignal S1, welches einen digitalen Code umfasst, ausgegeben, um den Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 102 zu treiben. Der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler (102) ist eingerichtet, den digitalen Code mit einem Zielcodewert zu vergleichen und basierend auf diesem Vergleich wird im Betrieb des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers (102) angezeigt, ob die Ausgabe (VOUT) des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers (102) eingestellt oder angepasst werden muss, beispielsweise erhöht, erniedrigt oder konstant gehalten werden muss.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Spannungswandler und insbesondere auf einen digitalen Spannungswandler mit einem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (englisch „tracking ADC”).
Spannungskonverter sind elektrische Schaltungen, welche eingerichtet sind, eine Eingangsspannung zu empfangen und basierend darauf eine Ausgangsspannung bereitzustellen, welche sich von der Eingangsspannung unterscheidet. Spannungswandler umfassen beispielsweise Gleichspannungs-Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler, vom englischen „direct current”), Wechselspannungs/Gleichspannungswandler (AC/DC-Wandler, vom englischen „alternating current”) und andere.
Gleichspannungs-Gleichspannungswandler wandeln typischerweise eine Gleichspannung in eine andere Gleichspannung (z. B. von 3 V auf 5 V oder von 5 V auf 3 V). Gleichspannungs/Gleichspannungswandler sind typischerweise geregelte Einrichtungen, welche eine möglicherweise variierende Eingangsspannung aufweisen und eine stabile, geregelte Ausgangsspannung ausgeben, häufig bis zu einem bestimmten Stromlimit. Auf diese Weise können Gleichspannungs/Gleichspannungswandler in manchen Fällen als „Black Box” betrachtet werden, welche eine Spannung beispielsweise von einer Batterie oder einem Akkumulator empfängt und diese in eine andere Spannung wandelt, welche benutzt wird, beispielsweise eine integrierte Schaltung mit Strom zu versorgen.
Diese grundsätzliche Funktionalität der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler führt dazu, dass Gleichspannungs/Gleichspannungswandler verbreitet zur Spannungskonvertierung und Stromversorgung in vielen elektronischen Systemen wie u. a. Kommunikationsgeräten benutzt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Spannungswandler bereitzustellen, bei welchen eine Implementierung möglichst einfach gehalten ist und eine Stromaufnahme möglichst gering gehalten ist.
Diesbezüglich wird eine Schaltung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 12 und eine Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 20 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung mit einem Analog-Digital-Wandler gemäß manchen Ausführungsbeispielen zeigt, wobei der Analog-Digital-Wandler zum Ansteuern eines Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers verwendbar ist.
2A–2B sind Blockdiagramme, welche detailliertere Ausführungsbeispiele von Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltungen mit einem Analog-Digital-Wandler zeigen, welcher zum Ansteuern eines Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers benutzbar ist.
3 ist ein Signaldiagramm, welches verschiedene Beispiele für Signale innerhalb der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung der 2A zeigt.
4 ist ein Blockdiagramm, welches ein Ausführungsbeispiel einer Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung mit einem Digital-Analog-Wandler zeigt, welcher zwischen der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung und einer Spannungsskalierungsschaltung geteilt wird.
5A und 5B sind Blockdiagramme, welche ein Ausführungsbeispiel einer Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung der 2B in einer Gleichgewichtsbetriebsart zeigen.
6 ist ein Blockdiagramm, welches ein zusätzliches Ausführungsbeispiel einer Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung zeigt.
7 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines zusätzlichen Ausführungsbeispiels einer Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung, welche einen Nachverarbeitungsblock umfasst.
8 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Gleichspannungswandlung gemäß manchen Ausführungsbeispielen zeigt.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung detailliert erläutert, in welcher gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente hindeuten. Zu bemerken ist, dass Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nichts anderes angegeben ist. Auf der anderen Seite ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Ausführung der Erfindung nötig sind, da andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen können.
Es ist zu bemerken, dass, obwohl im Folgenden häufig Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltungen als Beispiel verwendet werden, die Erfindung nicht auf Gleichspannungs/Gleichspannungswandler oder Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltungen beschränkt ist. Insbesondere kann die nachfolgend beschriebene Benutzung eines Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlers („tracking ADC”) in einem Spannungswandler auch bei anderen Arten von Spannungswandlerschaltungen benutzt werden, beispielsweise bei Wechselspannungs/Gleichspannungswandlern.
Gleichspannungs/Gleichspannungswandler sind wichtige Komponenten in vielen modernen tragbaren elektronischen Geräten, welche akku- oder batteriebasierte Stromquellen benutzen, beispielsweise in Mobiltelefonen oder Laptopcomputern. In modernen Technologien gibt es einen Trend, digitale Gleichspannungs/Gleichspannungswandler zu benutzen, welche ganz oder größtenteils digital arbeiten. Digitale Gleichspannungs/Gleichspannungswandler bieten viele Vorteile gegenüber analogen Gleichspannungs/Gleichspannungswandlern wie niedrigeren Chipflächenverbrauch, ein einfacheres Testen, eine höhere Programmierbarkeit, eine bessere Reproduzierbarkeit etc.
Digitale Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltungen können einen Analog-Digital-Wandler (ADC) benutzen, um die Spannungsausgabe eines Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers zu treiben und/oder zu steuern. Analog-Digital-Wandler, welche Flashwandler, Fensterflashwandler oder Sigma-Delta-Wandler umfassen können, können ein Signal erzeugen, welches digitale Gleichspannungs/Gleichspannungswandler ansteuert. Diese digitalen Analog-Digital-Wandler weisen jedoch teils unerwünschte Merkmale auf. Beispielsweise ist ein Flashwandler schnell, aber er enthält Hardware, welche eine große Chipfläche benötigt und einen relativ hohen Stromverbrauch aufweist.
Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung (beispielsweise Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung, Wechselspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung) umfassen einen Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (englisch „tracking ADC”), welcher eingerichtet ist, einen Spannungswandler anzusteuern, d. h. zu treiben. Der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler ist eingerichtet, eine analoge Rückkopplungsspannung von dem Ausgang des Spannungswandlers zu empfangen und diese mit einer analogen Referenzspannung zu vergleichen. Die Ergebnisse des Vergleichens werden benutzt, ein digitales Analog-Digital-Wandler-Ausgangssignal umfassend einen digitalen Code zu erzeugen, welches die Ausgangsspannung des Spannungswandlers treibt, beispielsweise einstellt. Insbesondere treibt das digitale Analog-Digital-Wandler-Ausgangssignal den Betrieb des Spannungswandlers, indem es anzeigt, ob die Ausgabe des Spannungswandlers angepasst werden muss (z. B. indem dem Spannungswandler mitgeteilt wird, seine Ausgangsspannung zu vergrößern oder seine Ausgangsspannung zu verringern). Obwohl ein Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler eine vergleichsweise langsame Antwortzeit aufweist und typischerweise kein vorgefertigter Hardwareschaltungsblock zur allgemeinen Benutzung ist, kann er in einem Spannungswandler implementiert werden, um ein Spannungswandlerschaltung bzw. einen Analog-Digital-Wandler mit niedriger Stromaufnahme und niedrigem Chipflächenbedarf bereitzustellen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 100. Wie in 1 dargestellt umfasst die Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 100 einen Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 102, welcher innerhalb einer Rückkopplungsschleife angeordnet ist, welche einen Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 104 umfasst. Der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 104 ist eingerichtet, eine analoge Rückkopplungsspannung V_FB von dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 102 zu empfangen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die Rückkopplungsspannung V_FB der Ausgangsspannung V_OUT des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers 102 entsprechen oder von dieser abhängen, beispielsweise ein Teil der Ausgangsspannung V_OUT sein. Abhängig von einer Referenzspannung V_REF und der empfangenen analogen Rückkopplungsspannung V_FB ist der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 104 eingerichtet, ein digitales Wandlerausgangssignal S₁ zu erzeugen und das digitale Wandlerausgangssignal S₁ dem digitalen Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 102 bereitzustellen. Das digitale Wandlerausgangssignal S₁ gibt an, wie die Ausgangsspannung des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers 102 angepasst werden sollte, beispielsweise vergrößert oder verkleinert werden sollte. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das digitale Wandlerausgangssignal S₁ einen digitalen Code (z. B. „100”) umfassen.
Der digitale Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 102 ist eingerichtet, das digitale Wandlerausgangssignal S₁ zu empfangen und wird von dem digitalen Wandlerausgangssignal S₁ angesteuert, aus diesem eine erhöhte „Boost”-Ausgangsspannung oder eine erniedrigte „Buck”-Ausgangsspannung V_OUT zu erzeugen. Insbesondere überprüft der digitale Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 102, ob der digitale Code des empfangenen digitalen Wandlerausgangssignals S₁ anzeigt, ob die Ausgangsspannung des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers vergrößert oder verkleinert werden sollte, um eine erwünschte Ausgangsspannung V_OUT zu erhalten.
2A und 2B zeigen zwei Ausführungsbeispiele einer Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 200 bzw. 214, welche von einem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler angesteuert und getrieben werden. Es ist zu bemerken, dass die 2A und 2B in Verbindung mit der zugehörigen Beschreibung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltungen sind und dazu dienen, das Verständnis zu erleichtern. Variationen der Betriebsprinzipien der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler der 2A und 2B können vorgenommen werden. Beispielsweise können Arbeitsprinzipien oder Betriebsprinzipien der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltungen 200 und 214 in einer einzigen Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung als Mischung implementiert sein.
2A ist ein Blockdiagramm einer Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 200 mit einem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 204a, welcher eingerichtet ist, einen Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202a zu treiben, beispielsweise die Ausgangsspannung des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers 202a anzupassen oder einzustellen. Die 2A zeigt eine Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 200, bei welcher ein von dem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 204a ausgegebenes digitales Wandlerausgangssignal S₁ einen digitalen Code umfassen kann, welcher eine digitale Repräsentation der Rückkopplungsspannung V_FB sein kann (z. B. könnte eine Ausgangs/Rückkopplungsspannung von 5 V zu einem digitalen Code von „500” führen, eine Ausgangs/Rückkopplungsspannung von 3 V zu einem digitalen Code von „300” führen etc.). Selbstverständlich sind im Fall eines digitalen Codes die angegebenen Ziffern „5” und „3” durch entsprechende Abfolgen von „0” und „1” bzw. entsprechende Pegel repräsentiert. Der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202a empfängt das digitale Wandlerausgangssignal S₁, vergleicht den mit dem digitalen Wandlerausgangssignal S₁ verknüpften digitalen Code mit einem Zielcodewert S_code und erhöht oder erniedrigt die Ausgangsspannung V_OUT in Abhängigkeit von dem Vergleich (um es beispielsweise zu versuchen zu erreichen, dass das digitale Wandlerausgangssignal S₁ schlussendlich einen bestimmten digitalen Code gleich dem Zielcodewert S_code aufweist). Dies führt dazu, dass der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 204a fortwährend arbeitet, die Ausgangsspannung V_OUT des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers einzustellen oder anzupassen.
Der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 204a umfasst bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Rückkopplungsschleife mit einem Digital-Analog-Wandler (DAC) 206, einem Komparator 208 und einer Logikschaltung 210a. Der Digital-Analog-Wandler 206 ist eingerichtet, ein digitales Wandlerrückkopplungssignal S₁' mit einem digitalen Code zu empfangen, welches von der Logikschaltung 210a ausgegeben wird. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das digitale Wandlerrückkopplungssignal S₁' das digitale Wandlerausgangssignal S₁, welches von der Logikschaltung 210a ausgegeben wird, umfassen oder kann diesem entsprechen, oder kann eine Abwandlung oder Variation hiervon umfassen oder dieser entsprechen. Der Digital-Analog-Wandler 208 erzeugt eine analoge Referenzspannung V_REF basierend auf dem digitalen Code des empfangenen digitalen Wandlerrückkopplungssignal S₁'. Beispielsweise kann ein digitales Wandlerrückkopplungssignal S₁' mit einem digitalen Code umfassend einen ganzzahligen Wert von „100” von dem Digital-Analog-Wandler 206 empfangen werden, was dazu führt, dass der Digital-Analog-Wandler 206 eine analoge Referenzspannung V_REF von 1 V erzeugt und diese ausgibt.
Der Komparator 208 weist einen ersten Eingangsknoten und einen zweiten Eingangsknoten auf. Der erste Eingangsknoten ist eingerichtet, die analoge Referenzspannung V_REF, welche von dem Digital-Analog-Wandler 206 ausgegeben wird, zu empfangen. Der zweite Eingangsknoten ist eingerichtet, eine analoge Rückkopplungsspannung V_FB zu empfangen, welche von dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202a ausgegeben wird. Der Komparator 208 ist eingerichtet, die Referenzspannung V_REF mit der Rückkopplungsspannung V_FB zu vergleichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich ein Komparatorsignal S_C an die Logikschaltung 210a auszugeben. Bei einem Ausführungsbeispiel zeigt das Komparatorsignal S_C an, ob die Referenzspannung V_REF kleiner als die Rückkopplungsspannung V_FB (z. B. S_C = „1”) oder größer als die Rückkopplungsspannung V_FB ist (z. B. S_C = „0”) ist.
Die Logikschaltung 210a empfängt das Komparatorsignal S_C und erzeugt basierend darauf das digitale Wandlerausgangssignal S₁. Wie bei der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 200 gezeigt kann das digitale Wandlerausgangssignal S₁ eine digitale Darstellung der Rückkopplungsspannung V_FB sein, welche anzeigt, welche Anpassung (z. B. Vergrößern oder Verkleinern) der Ausgabe V_OUT des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers 202a vorgenommen werden sollte.
Das digitale Wandlerausgangssignal S₁ wird dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202a bereitgestellt. Der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202a kann einen Regler umfassen, welcher eingerichtet ist, den in dem empfangenen digitalen Wandlerausgangssignal S₁ enthaltenen digitalen Code mit einem Zielcodewert S_code zu vergleichen und eine entsprechende Maßnahme in Abhängigkeit von dem Vergleich zu ergreifen, z. B. die Ausgangsspannung V_OUT zu vergrößern oder zu verkleinern. Da der digitale Code eine digitale Darstellung der Rückkopplungsspannung V_FB ist, wird der Regler versuchen, die Ausgangsspannung V_OUT derart zu modifizieren, dass der digitale Code die gewünschte Spannung bzw. einen der gewünschten Spannung entsprechenden Code (z. B. den Zielcodewert S_code) erreicht. Beispielsweise kann, wenn das digitale Wandlerausgangssignal S₁ einen ersten Code aufweist, welcher größer ist als ein Zielcodewert S_code, es dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202a anzeigen, dass er eine Spannung ausgibt, welche größer ist als eine gewünschte Spannung, und dass die Ausgangsspannung V_OUT verkleinert werden sollte. In ähnlicher Weise kann es, wenn das digitale Wandlerausgangssignal S₁ einen anderen zweiten Code aufweist, welcher kleiner ist als der Zielcodewert S_code, dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202a anzeigen, dass er eine Spannung ausgibt, welche kleiner ist als die gewünschte Spannung, und dass die Ausgangsspannung V_OUT vergrößert werden sollte.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Logikschaltung 210a einen Hoch/Runterzähler umfassen (siehe z. B. die unten beschriebenen 5 und 6). Der Hoch/Runterzähler kann eingerichtet sein, von dem Komparator 208 ein digitales Komparatorsignal S_C zu empfangen, welches den Betrieb des Hoch/Runterzählers treibt. Basierend auf dem Komparatorsignal wird der Hoch/Runterzähler seinen Zustand erhöhen oder erniedrigen, um so ein digitales Wandlerausgangssignal zu erzeugen, welches verursacht, dass eine Referenzspannung V_REF einer Ausgangsspannung V_OUT nachfolgt („tracking”). Wenn beispielsweise die Rückkopplungsspannung V_FB größer ist als die Referenzspannung V_REF, geht der Hoch/Runterzähler in eine „Hochzähl”-Betriebsart, was das digitale Wandlerausgangssignal S₁ vergrößert (z. B. von „200” (was digital 2 V darstellt) auf „201” (was digital 2,01 V darstellt)). Wenn die Rückkopplungsspannung V_FB kleiner ist als die Referenzspannung V_REF, schaltet der Zähler in eine „Herunterzähl”-Betriebsart um, was das digitale Wandlerausgangssignal S₁ verkleinert (z. B. von „200” (was 2 V darstellt) auf „199” (was 1,99 V darstellt)). Daher wird die Ausgabe des Hoch/Runterzählers in die passende Richtung zählen, um die Rückkopplungsspannung V_FB nachzuverfolgen.
3 zeigt einen Graph 300, welcher die Signale V_FB, S₁ und V_REF während des Betriebs der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 200 über einen ausgedehnten Zeitraum zeigt. Es ist zu bemerken, dass bei einer herkömmlichen Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung es üblicherweise eine Vielzahl von Pulsweitenmodulatorzyklen dauert, um transiente Stufen zu regeln, wobei jeder Pulsweitenmodulatorzyklus aus mehreren „LOGIC”-Zyklen bestehen kann. Daher können während des Verlaufs der in 3 dargestellten transienten Operation die Signallinien (302, 304, 306) hunderte derartiger „LOGIC”-Zyklen durchlaufen.
Wie in 3 gezeigt, zeigt die Signallinie 302 ein typisches transientes Verhalten der analogen Rückkopplungsspannung V_FB, welche sich mit der Zeit langsam verändert. Die Signallinie 304 zeigt das digitale Wandlerausgangssignal S₁. Die Signallinie 306 zeigt die Referenzspannung V_REF.
Wenn der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 204a nicht bei seinem Ziel ist, wie zu Beginn des Graphs dargestellt ist (Gebiet 308), muss das digitale Wanderlausgangssignal S₁ die analoge Rückkopplungsspannung V_FB „erwischen”, und somit kann es sein, dass das Wandlerausgangssignal S₁ iterativ über viele Rückkopplungszyklen angepasst wird (z. B. ein Hoch/Runterschalten zum Hervorrufen einer Rampe der Codes zwischen dem Startcode und einem Code entsprechend der analogen Rückkopplungsspannung). Insbesondere versucht während einer Zeitspanne des Hochrampens (Gebiet 308) das Wandlerausgangssignal S₁, die Referenzspannung V_REF 306 zu der Rückkopplungsspannung V_FB 302 hin anzupassen. Da die Rückkopplungsspannung V_FB 302 größer ist als die Referenzspannung V_REF 306, wird der Komparator 208 ein Komparatorsignal S_C in einem hohen Datenzustand (z. B. „1”) ausgeben, das dazu führt, dass das digitale Wandlerausgangssignal S₁ 304 einen inkrementierten digitalen Code aufweist. Ein kontinuierliches Inkrementieren, d. h. Vergrößern, des digitalen Codes wird dazu führen, dass die Referenzspannung V_REF 306 schnell ansteigt, bis es den Pegel der analogen Rückkopplungsspannung V_FB 302 erreicht hat.
Sobald das digitale Wandlerausgangssignal S₁ 304 die analoge Rückkopplungsspannung V_FB 302 erreicht hat, wird sie einen in einem Gebiet 310 dargestellten stationären Zustand erreichen, beispielsweise dem wesentlich langsameren von dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler erzeugten Transienten folgen. In dem stationären Zustand (Gebiet 310) kann der Hoch/Runterzähler zwischen zwei benachbarten Referenzspannungen V_REF 306 umschalten, da der Hoch/Runterzähler den digitalen Code des Wandlerausgangssignals S₁ 304 kontinuierlich erhöht oder erniedrigt.
In dem stationären Zustand (Gebiet 310) kann der digitale Code, da der digitale Code des Wandlerausgangssignals S₁ 304 die Rückkopplungsspannung darstellt, zudem die Ausgangsspannung V_OUT des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers regeln. Beispielsweise wird das digitale Wandlerausgangssignal S₁ 304 von dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler empfangen, und der digitale Code wird mit einem Zielcodewert S_code verglichen. Wenn der Zielcodewert S_code größer ist als der digitale Code des digitalen Wandlerausgangssignals S₁, wird der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler seine Ausgangsspannung erhöhen. Diese erhöhte Ausgangsspannung wird dem Komparator 208 rückgekoppelt, welcher wiederum erneut einen Vergleich durchführt. In ähnlicher Weise wird, wenn der Zielcodewert S_code kleiner ist als der digitale Code des digitalen Wandlerausgangssignals S₁, der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler seine Ausgangsspannung erniedrigen.
Es ist zu bemerken, dass der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202a typischerweise eine Induktivität umfassen kann, welche für eine Energieumwandlung verantwortlich ist und welche ein Ausgangssignal bereitstellt, welches durch eine große Kapazität 212 hindurchgeht. Die Kapazität 212 wird aufgrund des Ausgangsstroms des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers 202a über der Zeit eine Ladung aufbauen. Wenn der Ausgangsstrom den Bedarf einer Last nicht befriedigen kann, wird sich die Kapazität 212 entladen und somit die Ausgangsspannung V_OUT des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers relativ konstant halten. Die Benutzung einer großen Kapazität (z. B. 10 μF) kann die Ausgangsspannung des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers auch bei Vorhandensein von Lastsprüngen (beispielsweise eine variierende aktive Last) und/oder Leitungssprüngen stabil halten. Beispielsweise kann bei modernen Anwendungen die Schaltfrequenz eines Gleichspannungs/Gleichspannungsreglers in der Größenordnung von 1 MHz liegen, während interne Taktgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 100 MHz oder mehr sein können. Bei derartigen Anwendungen sind wegen der Kapazität 212 die geringen Bewegungen von Spannungen (z. B. Codes) innerhalb einer Schaltperiode möglich, ohne signifikante Probleme mit der Gleichspannungs/Gleichspannungsausgabe zu verursachen.
Bei einem Ausführungsbeispiel, in welchem die Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 200 in einem System benutzt wird, welches eine dynamische Spannungsskalierung durchführt, kann ein Digital-Analog-Wandler zwischen einer Spannungsskalierungsschaltung und der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung geteilt werden. Beispielsweise kann in 4 ein Digital-Analog-Wandler 406 einen in einer Spannungsskalierungsschaltung 402 benutzten Digital-Analog-Wandler umfassen. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ermöglicht es einem bereits in einem System (als Teil der Spannungsskalierungsschaltung 402) vorhandenen Digital-Analog-Wandler, zudem in dem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 404 benutzt zu werden, was die Chipfläche verringert, welche erforderlich ist, den Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 404 in einem Gebiet zu implementieren, welches einen Komparator 408 und eine Logikschaltung 410 umfasst.
2B ist ein Blockdiagramm einer digitalen Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 214 mit einem alternativen Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 204b, welcher eingerichtet sein kann, einen Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202b zu treiben. Bei der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 214 umfasst das digitale Wandlerausgangssignal S₁ einen digitalen Code, welcher einen positiven oder negativen Fehler in der Rückkopplungsspannung V_FB/Ausgangsspannung V_OUT anzeigt. Der digitale Code bewirkt, dass die Ausgangsspannung V_OUT des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers 202b ansteigt oder sinkt.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der digitale Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202b einen Regler umfassen, welcher eingerichtet ist, die Ausgangsspannung V_OUT verglichen mit einem Nulleingang („0”) zu regeln. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel wird der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202b versuchen, die Ausgangsspannung V_OUT zu regeln, um jeder Abweichung des digitalen Wandlerausgangssignals S₁ von einem Codewert von 0 entgegenzuwirken. Um dies zu erreichen, kann der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202b eingerichtet sein, den digitalen Code des Wandlerausgangssignals S₁ mit einem Zielcodewert S_code von 0 zu vergleichen und basierend auf dem Vergleich eine entsprechende Maßnahme zu ergreifen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 214 eingerichtet sein, ein Wandlerausgangssignal S₁ aufzuweisen, welches um eine Größe V_T bezüglich der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 200 aus 2A verschoben ist (beispielsweise kann die Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 200 ein Signal S₁ mit einem digitalen Code entsprechend 4,99 V und einem Zielcodewert S_code entsprechend 5 V haben, während, wenn V_T einen digitalen Code entsprechend 5 V umfasst, die Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 214 ein Signal S₁ mit einem digitalen Code entsprechend –0,01 V und einem Zielcodewert S_code entsprechend 0 V haben kann). Diese Verschiebung des Wandlerausgangssignals ermöglicht es der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 214 aus 2B, eingerichtet zu sein, einen Zielcodewert S_code zu haben, welcher im Wesentlichen gleich 0 ist, mit entsprechender Dimensionierung.
Um die Arbeitsweise des in 2B dargestellten Blockdiagramms zu verstehen, ist zu bemerken, dass der digitale Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202b nicht eingerichtet ist, einen absoluten Wert zu empfangen, sondern stattdessen eingerichtet ist, einen digitalen Code zu empfangen, welcher einen positiven oder negativen Fehler angibt. In ähnlicher Weise ist das Zielwertsignal V_T, welches einem Addierblock 216 zugeführt wird, eine digitale Darstellung einer gewünschten Zielausgangsspannung (beispielsweise einer von einem Benutzer angeforderten Ausgangsspannung).
Digitale Codes können auf verschiedene Weise benutzt werden, um Fehler darzustellen (z. B. positiv, negativ oder 0). Bei einem Ausführungsbeispiel können digitale Codes, welche ein Bit aufweisen, welches einen positiven oder negativen Wert anzeigt, benutzt werden, um Fehler darzustellen. Beispielsweise zeigt ein digitaler Code von „1001” entsprechend +1 einen kleinen positiven Fehler auf, ein digitaler Code „1010” entsprechend +2 zeigt einen größeren positiven Fehler auf, ein digitaler Code von „1011” entsprechend +3 zeigt einen noch größeren positiven Fehler an, ein digitaler Code von „1000” oder „0000” zeigt einen Fehler von 0, d. h. keine Fehler an, ein digitaler Code von „0001” entsprechend –1 zeigt einen kleinen negativen Fehler an etc., wobei in diesen Beispielen das erste Bit das Vorzeichen angibt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Beziehung eines digitalen Codes zu einem Zielcode benutzt werden, um Fehler anzuzeigen. Beispielsweise würde für einen Zielcode entsprechend einem Dezimalwert von „100” ein digitaler Code entsprechend einem Dezimalwert von „101” einen kleinen positiven Fehler anzeigen, ein digitaler Code entsprechend einem Dezimalwert von „102” würde einen größeren positiven Fehler anzeigen, ein digitaler Code entsprechend einem Dezimalwert von „100” würde Fehler von 0 anzeigen, ein digitaler Code entsprechend einem Dezimalwert von „99” würde einen kleinen negativen Fehler anzeigen, ein digitaler Code entsprechend einem Dezimalwert von „98” würde einen größeren negativen Fehler anzeigen usw. Es ist zu bemerken, dass alternative Verfahren zum Darstellen von Fehlern unter Benutzung von digitalen Codes für die dargestellten Wandlerschaltungen benutzt werden können, wie Fachleuten klar ist.
Wie in 2B dargestellt umfasst der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 204b zusätzlich den Addierblock 216 in der Analog-Digital-Wandler-Rückkopplungsschleife. Der Addierblock 216 ist eingerichtet, das digitale Wandlerrückkopplungssignal S₁' und das Zielwertsignal V_T, welches eine gewünschte Ausgangsspannung für den Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202b anzeigt, zu empfangen. Der Addierer 216 ist eingerichtet, das Wandlerrückkopplungssignal S₁' und das Zielwertsignal V_T zu addieren oder zu subtrahieren, um ein digitales Signal V_T' zu erzeugen, welches der Referenzspannung V_REF entspricht. Daher versucht in einem Gleichgewichtszustand die Logikschaltung 210b, ein digitales Wandlerausgangssignal S₁ mit einem Code von 0 auszugeben, was die Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlerschleife stabil hält, da das Addieren/Subtrahieren eines digitalen Codes von 0 zu oder von dem Zielwertsignal V_T (welches beispielsweise einen von 0 verschiedenen digitalen Code entsprechend der gewünschten Ausgangsspannung angibt) bewirkt, dass der Digital-Analog-Wandler 206 eine gewünschte analoge Referenzspannung gleich dem digitalen Signalwert ausgibt. Daher kann, wenn das Signal in einem Gleichgewichtszustand ist und V_REF und V_FB im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen, ein digitales Wandlerausgangssignal S₁ (z. B. und das digitale Wandlerausgangssignal S₁') gleich +/– „0,5” aus der Logikschaltung 210b ausgegeben werden (z. B. kann der digitale Code von „0” um 0,5 niederwertigste Bits (LSB, vom englischen „least significant bit”) verschoben sein, sodass das digitale Wandlerausgangssignal S₁ während des Gleichgewichts hin und her springt). Ein Addieren des digitalen Wandlerrückkopplungssignals S₁' = +/– „0,5” zu dem Zielwertsignal V_T führt dazu, dass der Digital-Analog-Wandler 206 eine analoge Referenzspannung V_REF ausgibt, welche im Wesentlichen gleich der gewünschten Ausgangsspannung V_OUT ist.
Insbesondere wird während des Betriebs die Logikschaltung 210b ihr Ausgangssignal inkrementieren oder dekrementieren, d. h. vergrößern oder verkleinern, um zu versuchen, ein digitales Wandlerausgangssignal S₁ zu erzeugen, welches einen digitalen Code aufweist, welcher gleich „0” ist. Bei diesem Prozess wird sie die Ausgangsspannung V_OUT derart anpassen, dass das digitale Signal V_T' der Ausgangsspannung V_OUT entspricht. Wenn beispielsweise der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler nicht auf seinem Ziel ist (beispielsweise wenn ein Zielcodewert V_T = 100, eine Rückkopplungsspannung V_FB = 1 V und ein Wandlerausgangssignal S₁ = 300 statt S₁ = 0 vorliegen, was dazu führt, dass ein Zielcodewert V_T' = 400 eine Referenzspannung V_REF = 4 V erzeugt), wird die Logikschaltung 210b den digitalen Code des digitalen Wandlerausgangssignals S₁ dekrementieren, d. h. verkleinern, beispielsweise bis es einen digitalen Codewert von „0” erreicht, bis die Rückkopplungsspannung V_FB und die Referenzspannung V_REF im Wesentlichen im Gleichgewicht sind.
Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, wird das Wandlerausgangssignal zwischen Werten hin und her springen, wie in 5A und 5B gezeigt. In den 5A und 5B umfasst das Wandlerausgangssignal S₁ einen digitalen Code, welcher der Hälfte eines niederwertigsten Bits (LSB) entspricht. Bei alternativen Ausführungsbeispielen könnte der Digital-Analog-Wandler 506 einen Offsetwert in Höhe eines halben niederwertigsten Bits haben, oder der Zielcode S_code des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers könnte auf einen Wert von +0,5 gesetzt werden, z. B. könnte ein Wert von 0,5 zu einem Zielcode S_code von 0 addiert werden).
Zu einer Zeit T (5A) wird ein Zielwertsignal V_T mit einem digitalen Code entsprechend „500” einem Addierer 516 zugeführt, welcher eingerichtet ist, S₁' zu V_T hinzuzuaddieren. Der Addierer 516 ist eingerichtet, zudem ein digitales Wandlerrückkopplungssignal S₁' mit einem digitalen Code von „0,5” von der Logikschaltung 510 zu empfangen (z. B. einen ganzzahligen Code von „0” versetzt um 0,5 niederwertigste Bits). Der Addierer 516 addiert die digitalen Codes (z. B. „500” + „0,5” = „500,5”) und sendet einen digitalen Code entsprechend „500,5” an den Digital-Analog-Wandler 506. Der Digital-Analog-Wandler 506 empfängt den digitalen Code von „500,5” und wandelt ihn in ein analoges Signal mit einer Spannung von 5,005 V, welche als Referenzspannung ausgegeben wird. Der Komparator 508 empfängt die Referenzspannung V_REF von 5,005 V und eine 5-V-Rückkopplungsspannung V_FB von dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 502. Da V_REF größer ist als V_FB, wird der Komparator 508 ein logisch niedriges Signal „low” ausgeben (z. B. „0”). Die Logikschaltung 510 wird das logisch niedrige Signal empfangen und das digitale Wandlerausgangssignal S₁ auf einen Code entsprechend „–0,5” dekrementieren.
Bei einer Zeit T₁ (5B) (z. B. in einem nächsten Taktzyklus) addiert der Addierer 516 das Wandlerausgangssignal S₁ = –0,5 zu dem Zielwert von „500”, um schlussendlich eine Referenzspannung V_REF von 4,995 V (z. B. „500” + „–0,5” = „4,995”) zu erhalten. Da die Rückkopplungsspannung V_FB, welche von dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 502 ausgegeben wird, größer ist als die Referenzspannung V_REF, wird der Komparator 408 ein logisch hohes Signal „high” (z. B. „1”) ausgeben. Die Logikschaltung 510 wird das hohe Signal empfangen und ein digitales Wandlerausgangssignal S₁ mit einem Code „0,5” ausgeben. Das digitale Wandlerausgangssignal S₁ wird der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlerschleife und dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 502 als Rückkopplung zugeführt. Der Addierer 516 empfängt das digitale Wandlerausgangssignal S₁ und erhöht die Referenzspannung auf 500,5 V. Dieser Zyklus wiederholt sich während des Gleichgewichts, z. B. während das Ausgangssignal zwischen –0,5 und +0,5 wie oben beschrieben umschaltet, was die Referenzspannung V_REF zwischen zwei benachbarten Spannungen umschaltet.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 204b der 2B benutzt werden, eine digitale Spannungsskalierung in der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 200 zu ermöglichen (z. B. kann ein Benutzer eine Spannungseinstellung wie eine Energiesparbetriebsart auf einem Laptop angeben, welche mit einer Spannung verknüpft ist, welche als Zielwertsignal V_T bereitgestellt ist, welches eine digitale Zahl ist, welche die Ausgangsspannung darstellt, die der Benutzer von dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 202b wünscht).
6 ist ein Blockdiagramm, welches ein spezielleres Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers 602 zeigt, welcher beispielsweise dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 102 entsprechen kann. Es ist zu bemerken, dass der in 6 dargestellte Gleichspannungs/Gleichspannungswandler ein Beispiel für eine Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung darstellt und nicht als einschränkend auszulegen ist. Zudem können alternative Ausgestaltungen eines Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers in der hier beschriebenen Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung implementiert sein.
Wie in 6 dargestellt weist der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 602 einen Eingangsanschluss 618 und einen Ausgangsanschluss 620 auf. Während des Betriebs wird ein digitales Wandlerausgangssignal S₁, welches von einem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 604 ausgegeben ist, an dem Eingangsanschluss 618 bereitgestellt. Basierend auf dem digitalen Wandlerausgangssignal S₁ passt der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 602 seine Ausgabe an, um eine Ausgangsgleichspannung V_OUT bereitzustellen, welche einen gewünschten Spannungspegel aufweist.
Insbesondere ist während des Betriebs eine Fehleranalyseeinheit 622 eingerichtet, das digitale Wandlerausgangssignal S₁ umfassend einen digitalen Code zu empfangen. Die Fehleranalyseeinheit 622 führt eine Analyse des digitalen Codes durch und erzeugt daraus ein Fehlersignal 624, welches einer Schaltsteuerschaltung ermöglicht, ein Steuersignal zu erzeugen, welches den Ausgangsspannungspegel V_OUT einstellt oder anpasst. Bei einem Ausführungsbeispiel vergleicht die Fehleranalyseeinheit 622 den empfangenen digitalen Code mit einem Zielcodewert S_code und erzeugt das Fehlersignal 624 basierend auf dem Vergleich.
Wenn die Fehleranalyseeinheit 622 aus dem empfangenen digitalen Code bestimmt, dass der Ausgangsspannungspegel V_OUT vergrößert werden sollte, kann das Fehlersignal 624 die Schaltsteuereinheit 626 befähigen, das Steuersignal 628 derart zu verändern, dass der Ausgangsspannungspegel V_OUT vergrößert wird. Umgekehrt kann, wenn die Fehleranalyseeinheit 622 aus dem empfangenen digitalen Code bestimmt, dass der Ausgangsspannungspegel V_OUT zu verkleinern ist, das Fehlersignal 624 die Schaltsteuereinheit 626 befähigen, das Steuersignal 628 zu verändern und den Ausgangsspannungspegel V_OUT zu erniedrigen.
Die Schaltsteuereinheit wird das Fehlersignal 624 empfangen und daraus ein Steuersignal 628 erzeugen. Die Schaltsteuereinheit 626 kann beispielsweise ein Steuersignal 628 mit einem Tastverhältnis bereitstellen. In diesem Zusammenhang beschreibt der Begriff „Tastverhältnis” einen Zeitanteil, während dem das Steuersignal 628 in einem aktiven Zustand ist, relativ zu einem inaktiven Zustand (oder umgekehrt), wobei der aktive Zustand beispielsweise mit einem logisch hohen Pegel und der inaktive Zustand mit einem logisch niedrigen Pegel verknüpft sein kann. Beispielsweise kann ein Tastverhältnis von 30% angeben, dass das Steuersignal 628 während 30% einer Steuersignalperiode kontinuierlich in einem aktiven Zustand ist und während der übrigen 70% der Steuersignalperiode in einem kontinuierlichen inaktiven Zustand ist.
Ein Schaltregler 630 empfängt das Steuersignal 628. Basierend auf dem Steuersignal 628 stellt der Schaltregler 630 ein Gleichspannungsausgangssignal V_OUT an dem Ausgangsanschluss 620 bereit. Der Schaltregler 630 arbeitet somit als Spannungsregler, welcher ein Schaltelement benutzt, um die Ausgangsspannung V_OUT einzustellen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 602 zudem Regel- und Filterkomponenten umfassen, um eine stabile Ausgabe sicherzustellen.
7 zeigt eine Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 700, welche einen Nachverarbeitungsblock 706 (Nachverarbeitungseinheit) umfasst, welche mit einem Ausgang eines Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlers 704 gekoppelt ist. Da der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 704 innerhalb einer Schaltperiode eine Anzahl von Ausgangscodes erzeugen kann (welche beispielsweise analogen Spannungen entsprechen), kann eine Nachverarbeitung hilfreich sein. Beispielsweise kann eine Nachverarbeitung benutzt werden, um einen Durchschnittswert pro Schaltperiode für die Ausgabe des Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlers 704 zu berechnen, z. B. für das digitale Wandlerausgangssignal S₁.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein innerhalb der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 700 enthaltener Regler 708 versuchen, eine Sequenz von digitalen Wandlerausgangssignalen S₁ (z. B. Ausgangssignalen von dem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 704) derart zu erzwingen, dass sie digitale Codewerte von +0,5 und –0,5 aufweisen, was im Durchschnitt 0 ergibt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können digitale Wandlerausgangssignale S₁ mit digitalen Codes, welche zwischen (0, 1, 0, 1) oder (0, –1, 0, –1) umschalten, zu Nachverarbeitungswerten von +0,5 oder –0,5 nach der Durchschnittsbildung führen. Dieses Merkmal kann benutzt werden, um tote Zonen während des Betriebs zu beseitigen.
Es ist zu bemerken, dass der Nachverarbeitungsblock 706 eine Nachverarbeitungsfunktionalität anzeigt, welche an verschiedenen Orten in der Gleichspannungs/Gleichspannungswandlerschaltung 700 vonstatten gehen kann. Bei einem Ausführungsbeispiel könnte der Nachverarbeitungsblock 706 ein Teil eines innerhalb des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers 702 enthaltenen Reglers 708 sein. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Nachverarbeitungsblock 706 ein Teil des Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlers 704 sein. Als Teil des Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlers 704 kann der Nachverarbeitungsblock 706 die quasi kontinuierliche Information benutzen, welche von dem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 704 ausgegeben wird, da der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler 704 dem Referenzsignal in jedem Taktzyklus folgt.
Zudem kann bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Nachverarbeitungsblock eingerichtet sein, einen weiten Bereich von Nachverarbeitungsvorgängen durchzuführen. Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel der Nachverarbeitungsblock 706 eingerichtet sein, vier oder acht Abtastwerte auszulesen und aus ihnen einen Durchschnitt zu bilden, um ein durchschnittliches digitales Wandlerausgangssignal S₁ zu erhalten. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Nachverarbeitungsblock 706 eingerichtet sein, einen gewichteten Durchschnitt des digitalen Wandlerausgangssignals S₁ zu erzeugen. Beispielsweise kann zum Betonen der Signaleigenschaften, welche am Ende eines Zyklus vorliegen, der Nachverarbeitungsblock das digitale Wandlerausgangssignal S₁ mit einem Gewichtungswert multiplizieren, welcher eine Funktion der Zeit ist (beispielsweise Gewichtungswert w(t) = A + b·t, wobei b > 0 und wobei t die Zeit innerhalb eines gegebenen Zyklus ist, A und b sind vorgegebene Konstanten), sodass die am Ende eines Zyklus empfangenen Wandlerausgangssignale mit einem größeren Gewichtungsfaktor multipliziert werden als am Beginn eines Zyklus empfangene Wandlerausgangssignale.
8 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Durchführen einer Spannungswandlung, beispielsweise einer Gleichspannungs/Gleichspannungswandlung. Das Verfahren beruht auf dem Treiben eines digitalen Spannungswandlers unter Benutzung eines Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlers. Das Verfahren wird untenstehend Bezug nehmend auf eine Gleichspannungs/Gleichspannungswandlung beschrieben, aber kann auch auf andere Spannungswandlungen wie beispielsweise eine Wechselspannungs/Gleichspannungswandlung angegeben werden.
Während diese Verfahren untenstehend als eine Abfolge von Vorgängen oder Ereignissen beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellte Reihenfolge derartiger Vorgänge oder Ereignisse beschränkt. Beispielsweise können manche Vorgänge in anderen Reihenfolgen oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Ereignissen, auch nicht beschriebenen, durchgeführt werden. Zudem sind nicht alle dargestellten Vorgänge erforderlich, und die Wellenformen dienen lediglich als Beispiel, und andere Wellenformen bei anderen Implementierungen können signifikant von den dargestellten abweichen. Ein oder mehrere der dargestellten Vorgänge können auch in getrennten Vorgängen oder Phasen durchgeführt werden.
Zudem können Ausführungsbeispiele der Erfindung als Verfahren, Vorrichtung oder Herstellungsartikel unter Benutzung von standardmäßigem Programmier- und/oder Ingenieurtechniken implementiert werden, um so Software, Firmware, Hardware oder irgendeine Kombination hiervon herzustellen, um einen Computer zu steuern, um entsprechende Ausführungsbeispiele der Erfindung zu implementieren. Beispielsweise stellen die in den 1, 2A, 2B etc. dargestellten Schaltungen nicht einschränkende Beispiele von Schaltungen dar, welche benutzt werden können, um das Verfahren 800 zu implementieren. Der Begriff „Herstellungsartikel” ist dahingehend auszulegen, dass er ein von irgendeiner computerlesbaren Einrichtung, Träger oder Medium lesbares Computerprogramm beinhaltet. Fachleute werden erkennen, dass viele Variationen möglich sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bei 802 wird einem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler eine analoge Rückkopplungsspannung zugeführt. Die analoge Rückkopplungsspannung kann von dem Ausgang eines Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers bereitgestellt werden und kann bei manchen Ausführungsbeispielen die Ausgangsspannung des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers oder einen Teil hiervon umfassen oder von ihr abgeleitet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine innerhalb des Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlers enthaltene Komparatorschaltung eingerichtet, die analoge Rückkopplungsspannung an einem ersten Eingang und eine analoge Referenzspannung an einem zweiten Eingang zu empfangen.
Ein digitales Zielwertsignal kann dem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler bei 804 optional bereitgestellt werden. Das Zielwertsignal kann einen digitalen Code umfassen, welcher einen gewünschten Gleichspannungs/Gleichspannungswandler-Ausgangsspannungswert anzeigt, welcher von einem Benutzer angefordert wird, d. h. das Zielwertsignal kann eine digitale Darstellung dieses gewünschten Ausgangsspannungswertes sein. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das digitale Zielwertsignal in eine Spannung gewandelt werden, beispielsweise durch einen Digital-Analog-Wandler, welcher eingerichtet ist, eine Spannung basierend auf dem digitalen Zielwertsignal zu erzeugen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Spannung die analoge Referenzspannung umfassen.
Bei 806 wird die analoge Rückkopplungsspannung mit einer analogen Referenzspannung verglichen. Der Vergleich kann durch einen Komparator durchgeführt werden und führt zu einem Komparatorsignal, welches anzeigt, ob die Referenzspannung kleiner als die Rückkopplungsspannung ist (z. B. S_C = „1”, wobei S_C das Komparatorsignal ist) oder ob die Referenzspannung größer ist als die Rückkopplungsspannung (z. B. S_C = „0”).
Ein digitales Wandlerausgangssignal, welches einen digitalen Code aufweist, wird durch den Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler in Antwort auf den Vergleich zwischen der Rückkopplungsspannung und einer Referenzspannung bei 808 erzeugt. Der Vergleich erzeugt ein digitales Wandlerausgangssignal, welches zu einer Referenzspannung führt, welche mit der Rückkopplungsspannung so gut wie möglich übereinstimmt. Insbesondere kann das digitale Wandlerausgangssignal in Abhängigkeit von dem Komparatorsignal (z. B. S_C = „1” oder „0”) inkrementiert oder dekrementiert werden. Das digitale Wandlerausgangssignal treibt den Betrieb des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers, indem es eine Anpassung anzeigt, welche bezüglich der Ausgabe des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers vorzunehmen ist (beispielsweise indem es dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler mitteilt, seine Ausgangsspannung zu vergrößern oder zu verkleinern). Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Referenzspannung auf dem digitalen Zielwertsignal basieren.
Das digitale Signal wird bei 810 einem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler bereitgestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das digitale Signal von einer Analyseschaltung empfangen werden, welche eingerichtet ist, eine Analyse des digitalen Codes durchzuführen.
Bei 812 wird der in dem digitalen Signal enthaltene digitale Code mit einem Zielcodewert verglichen. Basierend auf dem Vergleich kann die Ausgangsspannung des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers entsprechend angepasst werden, beispielsweise durch Erhöhen oder Erniedrigen der Ausgangsspannung V_OUT. Wenn beispielsweise das digitale Wandlerausgangssignal S₁ einen ersten Code aufweist, welcher größer ist als ein Zielcodewert S_code, zeigt dies dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler an, dass er eine Spannung ausgibt, welche größer ist als die gewünschte Spannung, und dass die Ausgangsspannung verringert werden sollte. In ähnlicher Weise zeigt das digitale Wandlerausgangssignal S₁, wenn es einen zweiten anderen Code aufweist, welcher kleiner ist als der Zielcodewert S_code dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler an, dass er eine Spannung V_OUT ausgibt, welche kleiner ist als die gewünschte Spannung, und dass die Ausgangsspannung vergrößert werden sollte.
Bei 814 wird die Ausgangsspannung des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers angepasst. Die Ausgangsspannung des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers wird in Antwort auf den Vergleich des digitalen Codes mit dem Zielcodewert angepasst. Wenn beispielsweise die Rückkopplungsspannung als ihr Zielwert dient, wird der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler Codes erzeugen, welche kleiner sind als der Zielcode S_code (beispielsweise wie in den Schritten 806 und 808 beschrieben). Nach dem Vergleichen dieser Codes mit S_code (z. B. wie in Schritt 812 beschrieben) erhöht der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler seine Ausgangsspannung.
Es ist zu bemerken, dass das Verfahren 800 iterativ durchgeführt werden kann, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erreichen. Beispielsweise kann die Anpassung der Ausgangsspannung des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers klein sein, sodass die gewünschte Ausgangsspannung nicht in einer einzigen Iteration des Verfahrens erreicht wird. Beispielsweise kann während eines Warmstartzeitraums das Verfahren ein Gleichspannungsausgangssignal bereitstellen, welches allmählich auf einen vorgegebenen gewünschten Spannungspegel hochgerampt wird.
Es ist zu bemerken, dass die obigen Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele anzusehen sind, und viele Veränderungen und Modifikationen möglich sind. Beispielsweise kann, obwohl ein Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler als einen digitalen Gleichspannungs/Gleichspannungswandler ansteuernd beschrieben wurde, das erfinderische Konzept der Benutzung eines Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlers auch auf Wechselspannungs/Gleichspannungsleistungswandler anwendbar sein. Obwohl verschiedene Analogwandler und entsprechende digitale Codes als Beispiele verwendet wurden, sind auch andere Codewerte und andere Konfigurationen möglich.
Obwohl oben ein Komparator als Komparator beschrieben wurde, welcher zwei Werte ausgeben kann, ist die Erfindung nicht auf derartige Komparatoren beschränkt. Beispielsweise kann ein verwendeter Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler ein oder mehrere Komparatoren benutzen, welche im Betrieb drei verschiedene Komparatorwerte ausgeben können. Ein derartiges System mit einem Komparator mit drei Werten kann einen Komparator aufweisen, welcher eingerichtet ist, digitale Signale von einer Logikschaltung zu empfangen, wobei, wenn die Logikschaltung ein digitales Fehlersignal mit einem Code von „0” ausgibt, dies dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler anzeigt, dass er die gewünschte Spannung ausgibt, wenn die Logikschaltung ein digitales Fehlersignal mit einem Code, welcher einer negativen Zahl entspricht (z. B. „–1”) ausgibt, zeigt dies dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler an, dass er eine Spannung ausgibt, welche größer ist als der gewünschte Wert, und wenn die Logikschaltung ein digitales Fehlersignal ausgibt, welches einen Code aufweist, welcher eine positive Zahl ist (z. B. „1”), zeigt dies dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler an, dass er eine Spannung ausgibt, welche kleiner ist als der gewünschte Wert. Die Logikschaltung arbeitet somit als Komparator mit drei Werten oder umfasst diesen.
Zu bemerken ist, dass der Begriff „Koppeln” sowohl eine indirekte als auch eine direkte elektrische Verbindung umfassen kann. Wenn somit ein erstes Element mit einem zweiten Element gekoppelt ist, kann diese Kopplung oder Verbindung eine direkte elektrische Verbindung sein oder kann auch eine indirekte elektrische Verbindung über andere Elemente und Verbindungen sein.
Die angegebenen Zahlenwerte sind lediglich als Beispiel zu verstehen.
Auch wenn ein bestimmtes Merkmal nur bezüglich eines Ausführungsbeispiels offenbart wurde, ist zu bemerken, dass ein derartiges Merkmal auch in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann, sofern nichts anderes angegeben ist. In anderen Worten können Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden.

Claims

Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700), umfassend: einen Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (104; 204a; 204b; 404; 604; 704), welcher eingerichtet ist, ein digitales Wandlerausgangssignal (S₁) auszugeben, und einen Spannungswandler (102; 202a; 202b; 502; 602; 702), welcher eingerichtet ist, das digitale Wandlerausgangssignal (S₁) zu empfangen und in Abhängigkeit von dem digitalen Wandlerausgangssignal (S₁) eine Ausgangsspannung (V_OUT) des Spannungswandlers (102; 202a; 202b; 502; 602; 702) einzustellen.
Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) nach Anspruch 1, wobei das digitale Wandlerausgangssignal (S₁) einen digitalen Code umfasst, welcher eine Anpassung der Ausgangsspannung (V_OUT) anzeigt.
Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) nach Anspruch 2, wobei der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (104; 204a; 204b; 404; 604; 704) eingerichtet ist, den digitalen Code aus einem Vergleich zwischen einer analogen Rückkopplungsspannung (V_FB), welche auf der Ausgangsspannung (V_OUT) basiert, und einer analogen Referenzspannung (V_REF) zu erzeugen, und wobei der Spannungswandler (102; 202a; 202b; 502; 602; 702) eingerichtet ist, den digitalen Code mit einem Zielcodewert (S_code) zu vergleichen und die Ausgangsspannung (V_OUT) in Abhängigkeit von dem Vergleich des digitalen Codes mit dem Zielcodewert (S_code) einzustellen.
Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) nach Anspruch 3, wobei der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (104; 204a; 204b; 404; 604; 704) umfasst: einen Digital-Analog-Wandler (206; 406; 506; 606), welcher eingerichtet ist, ein Wandlerrückkopplungssignal, welches den digitalen Code umfasst, zu empfangen, und das analoge Referenzsignal (S₁) in Abhängigkeit von dem empfangenen Wandlerrückkopplungssignal auszugeben, einen Komparator (208; 408; 508; 608), welcher eingerichtet ist, das analoge Referenzsignal und die analoge Rückkopplungsspannung zu vergleichen und ein Komparatorsignal auszugeben, welches anzeigt, ob die analoge Referenzspannung größer oder kleiner ist als die analoge Rückkopplungsspannung, und eine Logikschaltung (210a; 210b; 410; 510; 610), welche eingerichtet ist, das Komparatorsignal zu empfangen und basierend auf dem Komparatorsignal das digitale Wandlerausgangssignal (S₁) zu erzeugen.
Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) nach Anspruch 4, wobei der Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (104; 204a; 204b; 404; 604; 704) zudem einen Addierer (216; 516) umfasst, welcher eingerichtet ist, das Wandlerrückkopplungssignal basierend auf dem digitalen Wandlerausgangssignal, welches von der Logikschaltung (210a; 210b; 410; 510; 610) ausgegeben wird, zu einem Zielwertsignal (V_T) zu addieren, wobei der Zielcodewert im Wesentlichen gleich null ist, und wobei der digitale Code einen positiven oder negativen Fehler in der Rückkopplungsspannung anzeigt.
Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) nach Anspruch 5, wobei der digitale Code eine digitale Darstellung der analogen Rückkopplungsspannung ist und wobei das Zielwertsignal eine gewünschte Ausgangsspannung der Schaltung anzeigt.
Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Logikschaltung (210a; 210b; 410; 510; 610) einen Hoch/Runterzähler (510; 610) umfasst, welcher eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Komparatorsignal seinen Zustand zu inkrementieren oder zu dekrementieren.
Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Digital-Analog-Wandler (406) von dem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (404) und einer dynamischen Spannungsskalierungsschaltung (402) geteilt wird.
Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter umfassend eine Nachverarbeitungseinheit (706), welche eingerichtet ist, das digitale Wandlerausgangssignal zu empfangen und einen Durchschnittswert pro Schaltperiode für die Ausgabe des Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlers (704) zu berechnen.
Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Spannungswandler (102; 202a; 202b; 502; 602; 702) umfasst: eine Fehleranalyseeinheit (622), welche eingerichtet ist, das digitale Wandlerausgangssignal (S₁) zu empfangen und ein Fehlersignal zu erzeugen, eine Schaltsteuerschaltung (626), welche eingerichtet ist, das Fehlersignal zu empfangen und basierend auf dem Fehlersignal ein Steuersignal zu erzeugen, welches durch Änderung eines Tastverhältnisses Anpassungen der Ausgangsspannung (V_OUT) steuert, und einen Schaltregler (630), welcher eingerichtet ist, das Steuersignal zu empfangen und in Abhängigkeit von dem Steuersignal die Ausgangsspannung (V_OUT) zu regeln.
Schaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Spannungswandler (102; 202a; 202b; 502; 602; 702) einen Gleichspannungs/Gleichspannungswandler umfasst.
Verfahren zum Durchführen einer Spannungswandlung, umfassend: Bereitstellen einer analogen Rückkopplungsspannung an einen Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (104; 204a; 204b; 404; 604; 704), Vergleichen der analogen Rückkopplungsspannung mit einer analogen Referenzspannung, Erzeugen eines digitalen Wandlerausgangssignals (S₁) in Abhängigkeit von dem Vergleich der analogen Referenzspannung und der analogen Rückkopplungsspannung, Bereitstellen des digitalen Wandlerausgangssignals (S₁) an einen Spannungswandler, Vergleichen des digitalen Wandlerausgangssignals (S₁) mit einem Zielcodewert (S_code), und Einstellen einer Ausgangsspannung (V_OUT) des Spannungswandlers (102; 202a; 202b; 502; 602; 702) in Abhängigkeit von dem Vergleich des digitalen Wandlerausgangssignals (S₁) mit dem Zielcodewert (S_code).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das digitale Wandlerausgangssignal einen digitalen Code umfasst, welcher eine Anpassung für die Ausgangsspannung (V_OUT) des Spannungswandlers (102; 202a; 202b; 502; 602; 702) anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das analoge Referenzspannung durch einen Digital-Analog-Wandler (206; 406; 506; 606) erzeugt wird, welcher eingerichtet ist, ein Signal umfassend einen zweiten digitalen Code zu empfangen und die analoge Referenzspannung in Abhängigkeit von dem empfangenen Signal auszugeben.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Digital-Analog-Wandler (406) von dem Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (404) und einer dynamischen Spannungsskalierungsschaltung (402) geteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, weiter umfassend: Addieren eines Wandlerrückkopplungssignals basierend auf dem digitalen Wandlerausgangssignal, welches von einer Logikschaltung (210a; 210b; 410; 510; 610) ausgegeben wird, und eines Zielwertsignals, wobei der Zielcodewert im Wesentlichen gleich null ist, und wobei der digitale Code einen positiven oder negativen Fehler in der Rückkopplungsspannung angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der digitale Code eine digitale Darstellung der analogen Rückkopplungsspannung ist und wobei das Zielwertsignal eine gewünschte Ausgangsspannung des Spannungswandlers (102; 202a; 202b; 502; 602; 702) angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, weiterhin umfassend eine Durchführung von Nachverarbeitungsaktionen des digitalen Wandlerausgangssignals vor dem Bereitstellen des digitalen Wandlerausgangssignal (S₁) an den Spannungswandler (102; 202a; 202b; 502; 602; 702), wobei die Nachverarbeitungsaktionen einen Durchschnittswert pro Schaltperiode für die Ausgabe des Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandlers (104; 204a; 204b; 404; 604; 704) berechnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei das Einstellen der Ausgangsspannung (V_OUT) des Spannungswandlers (102; 202a; 202b; 502; 602; 702) umfasst: Erzeugen eines Fehlersignals basierend auf dem empfangenen digitalen Signal, und Erzeugen eines Steuersignals basierend auf dem empfangenen digitalen Wandlerausgangssignal, wobei das Steuersignal bereitgestellt wird, einen Spannungsregler zu treiben, die Ausgangsspannung durch Änderung eines Tastverhältnisses einzustellen.
Spannungswandlerschaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) umfassend: einen Nachverfolgungs-Analog-Digital-Wandler (104; 204a; 204b; 404; 604; 704), welcher eingerichtet ist, eine analoge Rückkopplungsspannung zu empfangen und ein digitales Wandlerausgangssignal (S₁) auszugeben, wobei das digitale Wandlerausgangssignal (S₁) einen digitalen Code umfasst, welcher eine Anpassung einer Ausgangsspannung der Spannungswandlerschaltung (100; 200; 400; 500; 600; 700) basierend auf einem Vergleich zwischen der analogen Rückkopplungsspannung und einer analogen Referenzspannung angibt, und einen Gleichspannungs/Gleichspannungswandler (102; 202a; 202b; 502; 602; 702), welcher eingerichtet ist, das digitale Wandlerausgangssignal (S₁) zu empfangen und den digitalen Code mit einem Zielcodewert zu vergleichen und die Ausgangsspannung (V_OUT) basierend auf dem Vergleich des digitalen Codes und des Zielcodewerts anzupassen, wobei die analoge Rückkopplungsspannung von der Ausgangsspannung (V_OUT) des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers abhängt.