DE102013003429A1 - Betrieb in mehreren Betriebsarten und Regelung eines Resonanzwandlers - Google Patents

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Abstract

Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Regeln eines Schaltnetzteils das Generieren eines Rückkopplungssignals proportional zu einem Ausgang des Schaltnetzteils und das Betreiben des Schaltnetzteils in einer normalen Betriebsart. Wenn das Rückkopplungssignal einen ersten Schwellenwert kreuzt, wird das Schaltnetzteil in einer zweiten Betriebsart betrieben. In der ersten Betriebsart wird das pulsmodulierte Signal angepasst, um ein Rückkopplungssignal auf einen ersten Signalpegel zu regulieren, und in der zweiten Betriebsart wird eine Totzeit des pulsmodulierten Signals angepasst, um zu signalisieren, dass ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel reguliert werden soll, der sich von dem ersten Signalpegel unterscheidet. Das Verfahren umfasst ferner das Ansteuern eines Schalters des Schaltnetzteils mit dem pulsmodulierten Signal.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform betrifft im Allgemeinen eine elektronische Leistungsumwandlung und Verfahren, insbesondere die Verwendung eines Reglers für einen Leistungsschalter in einem Stromwandler mit Schaltbetrieb.
  • HINTERGRUND
  • Schaltwandler sind in dem Bereich der Leistungsumwandlung weit verbreitet. Ein Schaltwandler weist wenigstens einen Schalter auf, der so konfiguriert ist, dass er aus einer Eingangsspannung eine pulsbreitenmodulierte Spannung (PWM-Spannung) generiert, und eine Gleichrichteranordnung, welche die PWM-Spannung empfängt und eine an eine Last zu liefernde Ausgangsspannung generiert. In der Regel weist die Gleichrichteranordnung wenigstens ein induktives Speicherelement auf, wie beispielsweise eine Drossel, und wenigstens ein kapazitives Speicherelement, wie beispielsweise einen Kondensator. Die PWM-Spannung wird mittels Ein- und Ausschalten des Schaltelements gemäß einem PWM-Ansteuerungssignal generiert. Das Ansteuerungssignal wird in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung durch einen Regler vorgesehen. Der Regler ist so konfiguriert, dass er die Einschaltdauer des Ansteuerungssignals verändert, um die Ausgangsspannung derart zu regeln, dass sie eine gegebene Sollspannung annimmt.
  • Die Einschaltdauer des Ansteuerungssignals ist von einer Leistungsaufnahme der Last abhängig, wobei sich die Einschaltdauer verlängert, wenn sich die Leistungsaufnahme erhöht, und sich die Einschaltdauer verringert, wenn sich die Leistungsaufnahme verringert. Bei Bedingungen mit geringer Last, die auftreten, wenn eine Leistungsaufnahme der Last sehr gering ist, wechseln einige moderne Regler in eine Burst-Betriebsart. In der Burst-Betriebsart wird das Schaltelement in einem Burst-on-Zeitraum zyklisch ein- und ausgeschaltet, und das Schaltelement bleibt während eines Burst-off-Zeitraums nach dem Burst-on-Zeitraum dauerhaft in einem ausgeschalteten Zustand. Der Burst-on-Zeitraum und der Burst-off-Zeitraum definieren einen Burst-Zeitraum TBP und eine Burst-Frequenz fBP, wobei fBP = 1/TBP gilt. Die Burst-Frequenz kann von mehreren Parametern abhängen, wie beispielsweise der Eingangsspannung und der Leistungsaufnahme der Last.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Regeln eines Schaltnetzteils das Generieren eines Rückkopplungssignals proportional zu einem Ausgang des Schaltnetzteils und das Betreiben des Schaltnetzteils in einer normalen Betriebsart. Wenn das Rückkopplungssignal einen ersten Schwellenwert kreuzt, wird das Schaltnetzteil in einer zweiten Betriebsart betrieben. In der ersten Betriebsart wird das pulsmodulierte Signal angepasst, um ein Rückkopplungssignal auf einen ersten Signalpegel zu regulieren, und in der zweiten Betriebsart wird eine Totzeit des pulsmodulierten Signals angepasst, um zu signalisieren, dass ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel reguliert werden soll, der sich von dem ersten Signalpegel unterscheidet. Das Verfahren umfasst ferner das Ansteuern eines Schalters des Schaltnetzteils mit dem pulsmodulierten Signal.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Regeln eines Schaltnetzteils vorgesehen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Generieren eines Rückkopplungssignals proportional zu einem Ausgang des Schaltnetzteils;
    Betreiben des Schaltnetzteils in einer normalen Betriebsart, umfassend das Anpassen eines pulsmodulierten Signals, um ein Rückkopplungssignal auf einen ersten Signalpegel zu regulieren;
    wenn das Rückkopplungssignal einen ersten Schwellenwert kreuzt, Betreiben des Schaltnetzteils in einer zweiten Betriebsart, umfassend das Anpassen einer Totzeit des pulsmodulierten Signals, um ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel zu regulieren, der sich von dem ersten Signalpegel unterscheidet; und
    Ansteuern eines Schalters des Schaltnetzteils mit dem pulsmodulierten Signal.
  • Zweckmäßigerweise umfasst das Generieren des Rückkopplungssignals das Generieren des Rückkopplungssignals auf der Grundlage einer Lastanforderung.
  • Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner das Ändern einer Betriebsart des Schaltnetzteils von der zweiten Betriebsart in die normale Betriebsart, wenn das Rückkopplungssignal einen zweiten Schwellenwert kreuzt.
  • Zweckmäßigerweise liegt der zweite Schwellenwert zwischen dem ersten Schwellenwert und dem ersten Signalpegel.
  • Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner das Ausschalten des pulsmodulierten Signals, wenn das Rückkopplungssignal einen dritten Schwellenwert kreuzt.
  • Zweckmäßigerweise:
    weist das pulsmodulierte Signal ein High-Side-Schaltsignal und ein Low-Side-Schaltsignal auf;
    ist in der normalen Betriebsart der Zeitraum, während dessen das High-Side-Schaltsignal oder das Low-Side-Schaltsignal zugesichert ist, länger als die Totzeit zwischen Zusicherungen des High-Side-Schaltsignals und des Low-Side-Schaltsignals;
    ist in der zweiten Betriebsart die Totzeit zwischen Zusicherungen des High-Side-Schaltsignals und des Low-Side-Schaltsignals länger als der Zeitraum, während dessen das High-Side-Signal oder das Low-Side-Signal zugesichert ist.
  • Zweckmäßigerweise ist der Zeitraum, während dessen das High-Side-Schaltsignal oder das Low-Side-Schaltsignal zugesichert ist, etwa 1,5 mal länger als die Totzeit zwischen Zusicherungen des High-Side-Schaltsignals und des Low-Side-Schaltsignals.
  • Zweckmäßigerweise ist in der zweiten Betriebsart eine Einschaltzeit des pulsmodulierten Signals konstant.
  • Zweckmäßigerweise:
    handelt es sich bei dem Schaltnetzteil um ein Resonanznetzteil; und
    umfasst das Betreiben des Schaltnetzteils in der normalen Betriebsart das Anpassen einer Frequenz des pulsmodulierten Signals, um das Rückkopplungssignal auf den ersten Signalpegel zu regulieren;
    Gemäß eines Aspekts wird ein Schalter-Regler für ein Schaltnetzteil vorgesehen, wobei der Regler Folgendes aufweist:
    einen Detektor für einen ersten Schwellenwert, der mit einem Rückkopplungssignal des Schaltnetzteils gekoppelt ist;
    einen Schaltsignalgenerator, der mit einem Rückkopplungssignal-Eingang und mit einem Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert gekoppelt ist, wobei der Schaltsignalgenerator so konfiguriert ist, dass er:
    in einer normalen Betriebsart ein erstes pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen ersten Signalpegel zu regulieren;
    in eine zweite Betriebsart übergeht, wenn der Ausgang des Detektors für einen ersten Schwellenwert angibt, dass das Rückkopplungssignal den ersten Schwellenwert gekreuzt hat;
    in einer zweiten Betriebsart ein zweites pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel zu regulieren, indem eine Totzeit des pulsmodulierten Signals angepasst wird, wobei sich der zweite Signalpegel von dem ersten Signalpegel unterscheidet.
  • Zweckmäßigerweise weist der Schalter-Regler ferner Folgendes auf:
    einen Fehlersignalverstärker mit
    einem ersten, mit dem Rückkopplungssignal gekoppelten Eingang,
    einem zweiten Eingang, der mit einer Referenzspannung für eine zweite Betriebsart gekoppelt ist, die dem zweiten Signalpegel entspricht, und
    einem mit einem Totbereichs-Regelungseingang eines Schaltgenerators gekoppelten Ausgang.
  • Zweckmäßigerweise weist der Detektor für den ersten Schwellenwert einen ersten Komparator auf, der einen mit dem Rückkopplungssignal gekoppelten ersten Eingang aufweist, einen zweiten Eingang, der mit einer ersten, dem ersten Schwellenwertsignal entsprechenden Schwellenwertspannung gekoppelt ist, und einen mit einem Steuereingang für eine zweite Betriebsart des Schaltsignalgenerators gekoppelten Ausgang, wobei der Schaltsignalgenerator so konfiguriert ist, dass er in die zweite Betriebsart übergeht, wenn der Steuereingang für die zweite Betriebsart zugesichert wird.
  • Zweckmäßigerweise weist der Schalter-Regler ferner Folgendes auf:
    einen zweiten Komparator mit einem mit dem Rückkopplungssignal gekoppelten ersten Eingang, einem mit einer zweiten Schwellenwertspannung gekoppelten zweiten Eingang und einen mit einem zweiten Eingang für den Übergang von der zweiten Betriebsart in die normale Betriebsart des Schaltsignalgenerators gekoppelten Ausgang, wobei der Schaltsignalgenerator so konfiguriert ist, dass er von der zweiten Betriebsart in die normale Betriebsart übergeht, wenn der Eingang zum Übergang von der zweiten Betriebsart in die normale Betriebsart zugesichert wird.
  • Zweckmäßigerweise weist der Schaltsignalgenerator ferner einen Eingang zum Einstellen einer Einschaltzeit auf, der so konfiguriert ist, dass er mit einem Referenzkondensator gekoppelt ist, wobei eine Einschaltzeit der pulsmodulierten Wellenform in der zweiten Betriebsart von einer Kapazitanz des Referenzkondensators abhängt.
  • Zweckmäßigerweise generiert der Schaltsignalgenerator ein High-Side-Schaltsignal und ein Low-Side-Schaltsignal.
  • Zweckmäßigerweise ist der Schalter-Regler auf einer integrierten Schaltung angeordnet.
  • Zweckmäßigerweise:
    weist das Schaltnetzteil ein Resonanznetzteil auf; und
    ist der Schaltsignalgenerator so konfiguriert, dass er ein erstes pulsmoduliertes Signal in der normalen Betriebsart generiert, indem er eine Frequenz des ersten pulsmodulierten Signals anpasst, um das Rückkopplungssignal auf den ersten Signalpegel zu regulieren.
  • Gemäß eines Aspekts weist ein Schaltnetzteilsystem Folgendes auf:
    einen Schaltregler, der Folgendes aufweist:
    einen Detektor für einen ersten Schwellenwert, der mit einem Rückkopplungssignal des Schaltnetzteils gekoppelt ist;
    einen Schaltsignalgenerator, der mit einem Rückkopplungssignal-Eingang und mit einem Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert gekoppelt ist, wobei der Schaltsignalgenerator so konfiguriert ist, dass er:
    in einer normalen Betriebsart ein erstes pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen ersten Signalpegel zu regulieren;
    in eine zweite Betriebsart übergeht, wenn der Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert angibt, dass das Rückkopplungssignal den ersten Schwellenwert gekreuzt hat;
    in einer zweiten Betriebsart ein zweites pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel zu regulieren, indem eine Totzeit des pulsmodulierten Signals angepasst wird, wobei sich der zweite Signalpegel von dem ersten Signalpegel unterscheidet.
  • Zweckmäßigerweise weist das Schaltnetzteilsystem ferner Folgendes auf:
    eine mit dem Schaltsignalgenerator gekoppelte Schalteransteuerung;
    eine Vielzahl von mit der Schalteransteuerung gekoppelten Leistungsschaltern;
    einen mit der Vielzahl von Leistungsschaltern gekoppelten Leistungstransformator; und
    eine Rückkopplungs-Schnittstellenschaltung, die zwischen einem Ausgang des Schaltnetzteils und einem Rückkopplungseingang des Schaltreglers gekoppelt ist.
  • Zweckmäßigerweise weist das Schaltnetzteil ferner eine Drosselspule und einen zwischen die Vielzahl von Leistungsschaltern und den Leistungstransformator gekoppelten Kondensator auf.
  • Zweckmäßigerweise weist das Schaltnetzteil einen Resonanzwandler auf.
  • Zweckmäßigerweise ist der Schaltsignalgenerator so konfiguriert, dass er das zweite pulsmodulierte Signal mit einer festen Einschaltzeit generiert, wobei die feste Einschaltzeit zwischen ¼ und ¾ eines Resonanzzeitraums des Resonanzwandlers beträgt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Einzelheiten von einer oder mehreren erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind in den beigefügten Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale, Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen deutlich. In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen im Allgemeinen durchgehend dieselben Komponententeile in den verschiedenen Ansichten, die im Allgemeinen der Kürze wegen nicht nochmals beschrieben werden. Für ein noch umfassenderes Verständnis der Erfindung wird jetzt auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Es veranschaulichen:
  • 1 eine Schemazeichnung eines resonanten Halbbrücken-Resonanzwandlers gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 eine grafische Darstellung von Wellenformen für einen herkömmlichen Halbbrücken-Resonanzwandler;
  • 3 eine grafische Darstellung von Wellenformen für einen Halbbrücken-Resonanzwandler gemäß einer Ausführungsform;
  • 4 eine weitere grafische Darstellung von Wellenformen für einen Halbbrücken-Resonanzwandler gemäß einer Ausführungsform;
  • 5 ein Blockdiagramm eines Teils einer integrierten Schaltung eines Netzteil-Reglers gemäß einer Ausführungsform;
  • 6a und 6b einen Schaltsignalgenerator und ein zugehöriges Zeitsteuerungsdiagramm gemäß einer Ausführungsform; und
  • 7 eine integrierte Schaltung eines Stromreglers gemäß einer Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die Herstellung und Verwendung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen werden weiter unten noch ausführlicher erörtert. Es sei jedoch angemerkt, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte vorsieht, die in einer großen Vielzahl von spezifischen Kontexten verwirklicht werden können. Die spezifischen, behandelten Ausführungsformen dienen lediglich zur Veranschaulichung von spezifischen Arten der Herstellung und Verwendung der Erfindung und beschränken den Schutzumfang der Erfindung nicht.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf beispielhafte Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich eines Resonanzwandlers mit Schaltbetrieb, der mit einem Regler ausgebildet ist, der so konfiguriert ist, dass er während Betriebsbedingungen mit geringer Last in einem stromsparenden Schaltmodus betrieben wird. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch auf andere Arten von elektronischen Vorrichtungen zur Leistungsumwandlung und auf andere Architekturen zur Leistungsumwandlung angewendet werden.
  • Bei einem Stromwandler mit Schaltbetrieb (der auch als „Stromwandler” oder „Regulierer” bezeichnet wird) handelt es sich um eine Schaltung zur Stromversorgung oder zur Energieumwandlung, die eine Wellenform mit einer Eingangsspannung in eine angegebene Wellenform mit einer Ausgangsspannung umwandelt. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler wandeln eine Gleichstrom-Eingangsspannung, die zeitlich veränderlich sein kann, in eine Gleichstrom-Ausgangsspannung um. Mit den Stromwandlern verbundene Regler verwalten deren Betrieb, indem sie Durchlasszeiten oder Schaltfrequenzen der darin verwendeten Schalter regeln. Im Allgemeinen sind die Regler zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Stromwandlers in einer Konfiguration mit Rückkopplungsschleife (die auch als „Regelkreis” oder „Regelschleife” bezeichnet wird) gekoppelt.
  • Typischerweise misst der Regler einen Ausgangskennwert (zum Beispiel eine Ausgangsspannung, einen Ausgangsstrom oder eine Kombination aus einer Ausgangsspannung und einem Ausgangsstrom) des Stromwandlers, und ändert auf dieser Grundlage eine Einschaltdauer von Leistungsschaltern eines hart schaltenden Stromwandlers oder eine Schaltfrequenz der Leistungsschalter eines Resonanzwandlers. Die Einschaltdauer ist ein Verhältnis, das durch eine Durchlasszeit eines Leistungsschalters zu dessen Schaltzeitraum dargestellt wird. Wenn also ein Schalter während des halben Schaltzeitraums leitet, würde die Einschaltdauer für den Leistungsschalter 0,5 (bzw. 50%) betragen. Da sich außerdem eine Spannung oder ein Strom bei Systemen, wie beispielsweise einem mittels des Stromwandlers mit Energie versorgten Mikroprozessor, dynamisch ändern (zum Beispiel weil sich eine berechnete Last bei einem Last-Mikroprozessor ändert), ist der Regler so konfiguriert, dass er die Einschaltdauer bzw. die Schaltfrequenz der Leistungsschalter darin dynamisch erhöht bzw. verringert, um einen Ausgangskennwert, wie zum Beispiel eine Ausgangsspannung, auf einem gewünschten Wert beizubehalten. Ein Regler für einen Stromwandler ist im Allgemeinen als integrierte Schaltung mit leitfähigen Kontaktstiften ausgebildet, die auf eine Platine mit einer gedruckten Schaltung in einem Endprodukt aufgelötet oder auf andere Weise elektrisch damit verbunden sind.
  • Um die Funktionen zur Spannungswandlung und Regulierung vorzusehen, weisen die Stromwandler aktive Leistungsschalter, wie beispielsweise „MOSFETs” (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) auf, die mit der Eingangsspannungsquelle gekoppelt sind und die ein reaktives Schaltungselement, wie beispielsweise eine Drosselspule, in regelmäßigen Abständen bei einer Schaltfrequenz, die in der Größenordnung von 100 kHz oder höher liegt, auf die Spannungsquelle schalten. Um eine Gleichstrom-Ausgangsspannung vorzusehen, weist der Stromwandler Dioden auf, um eine Gleichrichtungsfunktion vorzusehen. Wenn ein hoher Wirkungsgrad bei der Leistungsumwandlung erwünscht ist, können synchrone Gleichrichter die Gleichrichter-Dioden ersetzen.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist zunächst eine Schemazeichnung einer Ausführungsform eines Halbbrücken-Resonanzwandlers 100 veranschaulicht, um dessen Betrieb zu veranschaulichen. Diese Halbbrücken-Topologie wird oft auch als Drosselspule-Drosselspule-Kondensator-Antriebsstrang-Schaltungstopologie („LLC-Topologie”) bezeichnet, wobei eine Einschaltdauer jedes Leistungsschalters der Primärseite auf etwa 50% gesetzt wird, und die Schaltfrequenz fs verändert wird, um einen Ausgangskennwert, wie beispielsweise eine Ausgangsspannung, zu regeln. Während die Schaltfrequenz fs verändert wird, ändert sich die effektive Verstärkung des Schaltwandlers, da sich die Schaltfrequenz fs im Verhältnis zu der Resonanzfrequenz des Stromwandlers ändert. In der Praxis wird die Einschaltdauer jedes Leistungsschalters der Primärseite auf etwas weniger als 50% gesetzt, um während der Schaltübergänge ein Durchschießen des Stroms (Shoot-Through) zu vermeiden.
  • Der Halbbrücken-Resonanzwandler ist mit einer Eingangsspannungsquelle VIN gekoppelt und weist einen Regler 102 auf, der einen Ausgangskennwert des Stromwandlers, wie beispielsweise eine Ausgangsspannung, reguliert, indem sie eine Schaltfrequenz fs des Stromwandlers reguliert. Der Regler 102 erfasst zusammen mit der Rückkopplungsschaltung 104 des Stromwandlers die Ausgangsspannung Vout des Stromwandlers und eine gewünschte Ausgangsspannung Vref und regelt die Schaltfrequenz fs der Leistungsschalter der Primärseite, um die Ausgangsspannung VOUT auf die gewünschte Ausgangsspannung Vref zu regulieren.
  • Der Stromwandler liefert Strom an ein System oder eine Last 106, das bzw. die mit dem Ausgang Vout gekoppelt ist. Während in der veranschaulichten Ausführungsform der Antriebsstrang eine Halbbrücken-Topologie mit Halbbrücken-Resonanzwandler anwendet, verstehen die Fachleute auf diesem Gebiet, dass andere Wandler-Technologien, wie zum Beispiel eine isolierte resonante Vollbrücken-Stromwandler-Technologie durchaus in dem breiten Schutzumfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
  • Der Stromwandler weist ferner eine Rückkopplungsschaltung 104 auf, die verwendet wird, um einen erfassten Ausgangskennwert über die Isolationsgrenze hinweg zu senden, die durch den Leistungstransformator T zu dem Regler 102 vorgesehen ist. Verschiedene Schaltungsvorrichtungen, wie beispielsweise ein Optokoppler, zum Vorsehen dieser Isolationsfunktion sind nach dem Stand der Technik wohl bekannt und werden in diesem Dokument der Kürze wegen nicht weiter beschrieben.
  • Auf der Primärseite der Schaltung sind zwei in Reihe gekoppelte Leistungsschalter, die MOSFETs QH und QL, mit zwei Drosselspulen, der Resonanzdrosselspule Lr und der Primärwicklung des Leistungstransformators T und mit dem Kondensator Cr gekoppelt. Die Induktivität Lm stellt die Magnetisierungsinduktivität des Transformators T dar, und bei den Dioden D1 und D2 handelt es sich um sekundärseitige Gleichrichterdioden. In alternativen Ausführungsformen können synchrone Gleichrichter-Leistungsschalter anstelle der Dioden D1 und D2 verwendet werden.
  • Die Resonanzfrequenz der LLC-Antriebsstrang-Schaltungstopologie ist fRES. Die Resonanzfrequenz fRES kann über die folgende Gleichung geschätzt werden:
    Figure 00160001
    wobei Lr und Cr die Induktivität bzw. die Kapazitanz der angegebenen, in 1 veranschaulichten Elemente der primärseitigen Antriebsstrang-Schaltung sind.
  • Halbbrücken-LLC-Resonanzwandler mit Schaltbetrieb sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads bei der Stromwandlung weit verbreitet. Halbbrücken-LLC-Resonanzwandler gemäß einer Ausführungsform können so konfiguriert sein, dass sie unter einem großen Eingangsspannungsbereich unter verschiedenen Lastbedingungen ein Nullspannungsschalten für primärseitige Schalter und ein Nullstromschalten für sekundärseitige Gleichrichter erreichen. Bei Ausführungsformen, die eine frequenzgesteuerte Verstärkung verwendet haben, kann jedoch die Frequenz fs, die einer Bedingung ohne Last entspricht, theoretisch unendlich sein. In vielen herkömmlichen resonanten Halbbrücken-LLC-Resonanzwandlern wird der Stromwandler immer noch in einer ersten normalen Betriebsart unter Bedingungen ohne Last oder mit sehr geringer Last betrieben.
  • Unter Bezugnahme auf 2 veranschaulicht das Wellenformdiagramm 200 eine herkömmliche Strategie zum Betrieb in der LLC-Burst-Betriebsart. Die Wellenformlinie 202 stellt ein Rückkopplungsspannungs-Eingangssignal (Vfb) an einen LLC-Schaltregler dar, die Wellenformlinie 208 veranschaulicht das Gate-Ansteuerungssignal für einen High-Side-Schalttransistor, und die Wellenformlinie 210 veranschaulicht das Gate-Ansteuerungssignal für einen Low-Side-Schalttransistor. Wenn ein LLC-Resonanzwandler mit Schaltbetrieb in eine Bedingung ohne Last oder mit sehr geringer Last wechselt, gibt die Rückkopplungsschaltung diese Bedingung an, indem sie ein größeres Fehlersignal generiert. Wenn ein Rückkopplungssignal Vfb unter die Burst-on-Schwellenspannung 206 fällt, wechselt der Regler des Netzteils in eine Burst-Betriebsart, und sowohl das High-Side-Schalter-Ansteuerungssignal 208 als auch das Low-Side-Schalter-Ansteuerungssignal 210 werden während des ersten Teils des Burst-Zeitraums 211 auf alternative Weise eingeschaltet. Während der Burst-Betriebsart kann das Schalter-Ansteuerungssignal 208 mittels einer festen Frequenz oder einer programmierbaren Frequenz betrieben werden. In einigen Fällen wird diese Frequenz unter Verwendung externer Komponenten, wie beispielsweise Widerständen und/oder Kondensatoren, oder durch Programmierung über einen externen Kontaktstift eingestellt. Die Frequenz kann durch Optimieren eines Kompromisses zwischen Leitungsverlusten und MOSFET-Schaltverlusten ausgewählt werden. Bei einigen herkömmlichen resonanten LLC-Schaltnetzteilen verändert sich die Schaltfrequenz in der Burst-Betriebsart gemäß der Rückkopplungsspannung während des Burst-on-Zeitraums. Wenn sich zum Beispiel die Rückkopplungsspannung erhöht, kommt es zu einem entsprechenden Anstieg der Schaltfrequenz.
  • Nach einer Reihe von Schaltzyklen überschreitet die Rückkopplungsspannung Vfb die Burst-off-Schwellenspannung 204, und das High-Side-Schalter-Ansteuerungssignal 208 und das Low-Side-Schalter-Ansteuerungssignal 210 werden während des zweiten Teils des Burst-Zeitraums 211 dementsprechend heruntergefahren. Während dieses Zeitraums werden sowohl der High-Side-Schalttransistor als auch der Low-Side-Schalttransistor ausgeschaltet. Demgemäß beginnt die Rückkopplungsspannung Vfb aufgrund des Fehlens von Schaltaktivitäten zu steigen. Wenn die Rückkopplungsspannung Vfb nochmals die Burst-off-Schwellenspannung 206 kreuzt, werden das High-Side-Schalter-Ansteuerungssignal 208 und das Low-Side-Schalter-Ansteuerungssignal 210 nochmals aktiviert, und der Burst-Zeitraums wiederholt sich. Wenn eine hohe Last mit dem LLC-Stromwandler gekoppelt ist, fällt die Rückkopplungsspannung Vfb unter den Burst-on Schwellenwert 206, und der LLC-Stromwandler wechselt in eine normale Betriebsart.
  • 3 veranschaulicht ein Wellenformdiagramm 300, das ein Verfahren zum Betrieb in einer Burst-Betriebsart mit geringer Leistungsaufnahme gemäß einer Ausführungsform darstellt. Bei einer Ausführungsform wird das Netzteil während des normalen Betriebszeitraums 322 betrieben, indem die Frequenz des High-Side-Schalter-Ansteuerungssignals 308 und des Low-Side-Schalter-Ansteuerungssignals 310 verändert wird. Bei normalem Betrieb wird die Rückkopplungsspannung Vfb innerhalb des normalen Regulierungsbereichs 332 reguliert. Wenn die Rückkopplungsspannung Vfb den Burst-on-Schwellenwert 306 überschreitet, wechselt das Netzteil in den Zeitraum für den Betrieb in der Burst-Betriebsart mit geringer Leistung 334 gemäß einer Ausführungsform, in welchem die Totzeit 330 zwischen der Einschaltzeit des High-Side-Schalter-Ansteuerungssignals 328 und der Einschaltzeit des Low-Side-Schalter-Ansteuerungssignals 326 verändert wird, um die Rückkopplungsspannung 304 innerhalb des ersten Regulierungsbereichs 336 zu regulieren. Bei einer Ausführungsform gibt es keinen Burst-on-Zeitraum bzw. Burst-off-Zeitraum; vielmehr werden das High-Side-Schalter-Ansteuerungssignal 308 und das Low-Side-Schalter-Ansteuerungssignal 310 in regelmäßigen Abständen und wechselweise bei einer geringen Frequenz mit dem Schaltzeitraum 324 gepulst.
  • Wenn die Rückkopplungsspannung Vfb den Burst-off-Schwellenwert 304 überschreitet, werden die Schalter-Ansteuerungssignale 308 und 310 deaktiviert, sodass beide Netzteilschalter ausgeschaltet werden, um das Fließen von Energie an den Ausgangskondensator und die Last zu beenden. Wenn andererseits die Rückkopplungsspannung Vfb unter den Schwellenwert 320 fällt, was einen Anstieg im Low-Bereich zu dem Netzteil bedeutet, verlässt der Netzteil-Regler die Burst-Betriebsart, und der normale Betrieb wird wieder aufgenommen. Bei einigen Ausführungsformen wird die Einschaltzeit über die Totzeit berechnet, wobei ein Mittelwert der Rückkopplungsspannung Vfb und die Einschaltdauer verwendet werden, um sicherzustellen, dass der LCC-Resonanzwandler gemäß einer Ausführungsform an einem optimalen Punkt während der Burst-Betriebsart der Ausführungsform arbeitet.
  • 4 zeigt ein Wellenformdiagramm 400, das den Betrieb einer Burst-Betriebsart mit geringer Leistungsaufnahme gemäß einer Ausführungsform für den Stromwandler von 1 darstellt. In dem Diagramm stellt Vfb die Rückkopplungsspannung dar, ILr stellt den Strom durch die Resonanzdrosselspule Lr hindurch dar, ILm stellt den Magnetisierungsstrom durch den Leistungstransformator T hindurch dar, ID1 und ID2 stellen den Strom durch die sekundärseitigen Dioden D1 bzw. D2 hindurch dar. VCr stellt die Spannung durch den Resonanzkondensator Cr hindurch dar, und VOUT stellt die Ausgangsspannung dar.
  • Von dem Zeitpunkt t0 bis t1 ist der High-Side-Schalter QH eingeschaltet, und die Eingangsspannung VIN wird an den Resonanztank angelegt, wodurch bewirkt wird, dass Energie von dem Eingang des Stromwandlers zu dem Ausgang des Stromwandlers fließt. Während dieses Zeitraums beginnen Lr und Cr, mitzuschwingen, und der Magnetisierungsstrom ILm steigt ebenfalls an. Die Spannung durch Cr hindurch steigt von ihrem Minimalwert auf ihren Spitzenwert an, und der sekundärseitige Strom fließt durch die Diode D1 zu dem Ausgangs-Kondensator und zu der Last. Außerdem ist während dieses Zeitraums der Resonanzstrom ILr größer als der Magnetisierungsstrom ILm, was bedeutet, dass der sekundärseitige Strom ID1 etwa n·(ILr – ILm) beträgt, wobei n das Wicklungsverhältnis des Transformators T ist. Daher steigt die Ausgangsspannung genauso wie die Rückkopplungsspannung an.
  • Von t1 bis t2 ist der High-Side-Schalter QH ausgeschaltet, und der Magnetisierungsstrom ILm beginnt abzunehmen, während der Resonanzstrom ILr sich auf null verringert. In diesem Zeitraum fließt ILr durch die Body-Diode des Low-Side-Schalters QL, während VCr weiter ansteigt. Zu dem Zeitpunkt t2 fällt ILr jedoch auf null, und VCr erreicht seinen Spitzenwert. Außerdem beginnt Strom durch die Diode D2 auf der Sekundärseite zu fließen. Während dieses Zeitraums ist der Resonanzstrom ILr geringer als der Magnetisierungsstrom ILm, und der sekundärseitige Strom ID2 beträgt etwa n·(ILm – ILr). Daher steigt die Ausgangsspannung genauso wie die Rückkopplungsspannung weiter an.
  • In dem Zeitraum t2 bis t3 ist der Resonanzstrom auf null gefallen, aber der Magnetisierungsstrom muss den Nullstrom erst noch erreichen. Während dieses Zeitraums wird der verbleibende Magnetisierungsstrom auf die Sekundärseite übertragen, ähnlich dem Phänomen, das von einem Sperrwandler bekannt ist. Außerdem fließt Strom durch die Diode D2 auf der Sekundärseite. Bei einer Ausführungsform wird einiges von dem Magnetisierungsstrom auf die Sekundärseite übertragen. Während dieses Zeitraums fällt der Resonanzstrom ILr auf null, somit beträgt der sekundärseitige Strom ID2 etwa n·ILm, da immer noch etwas Magnetisierungsstrom vorhanden ist. Wiederum steigt die Ausgangsspannung genauso wie die Rückkopplungsspannung weiter an.
  • Von dem Zeitpunkt t3 bis t4 sind sowohl der High-Side-Schalter als auch der Low-Side-Schalter ausgeschaltet. Da der Magnetisierungsstrom bereits auf null abgesunken ist, fließt kein Strom zu der Sekundärseite, und die Spannung durch Cr hindurch bleibt fast konstant. Während dieses Zeitraums verringern sich sowohl die Ausgangsspannung als auch die Rückkopplungsspannung Vfb.
  • Von dem Zeitpunkt t4 bis t8 ist der Low-Side-Schalter eingeschaltet, um zu erlauben, dass die in dem Resonanzkondensator gespeicherte Energie zu dem sekundärseitigen Ausgang übertragen wird, und das Verhalten des Systems ist ähnlich wie in dem Zeitraum von t0 bis t4.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird die Leistungsaufnahme im Hinblick auf herkömmliche Burst-Betriebsarten verringert, weil ein Teil des Magnetisierungsstroms während des Zeitraums von t2 bis t3 und während des Zeitraums von t6 bis t7 an den sekundärseitigen Ausgangs-Kondensator und an die sekundärseitige Last übertragen wird, anstatt kontinuierlich innerhalb des primärseitigen Resonanztanks zu zirkulieren.
  • 5 veranschaulicht die integrierte Schaltung des Netzteil-Reglers 500 gemäß einer Ausführungsform, um eine Burst-Betriebsart für geringe Leistung gemäß einer Ausführungsform zu implementieren. Die integrierte Schaltung des Netzteil-Reglers 500 weist einen Schaltsignalgenerator 512 auf, der Schaltsignale 520 und 522 generiert, Schaltsignalansteuerungen 514 und 516, die verwendet werden, um die Schaltsignale QH und QL anzusteuern, einen Verstärker 506 und Komparatoren 502, 504 und 508. Bei alternativen Ausführungsformen kann es sich bei dem Verstärker 506 um einen Komparator handeln. Bei einigen Ausführungsformen kann die Totzeitgenerierung innerhalb des Schaltsignalgenerators 512 implementiert sein.
  • Bei einer Ausführungsform kann die integrierte Schaltung des Netzteil-Reglers 500 auf einer einzelnen integrierten Schaltung integriert sein. Alternativ kann ein Teil oder die gesamte Funktionalität der integrierten Schaltung 500 auf eine Anzahl von integrierten Schaltungen oder eine Anzahl von diskreten Komponenten auf Leiterplattenebene aufgeteilt sein.
  • Bei einer Ausführungsform vergleichen der Verstärker 506, die Komparatoren 502, 504 und 508 die Rückkopplungsspannung VFB mit einer Anzahl von Schwellenwertspannungen. Hier ist Vref_1 ein Burst-on-Schwellenwert, Vref_2 ist eine Referenzspannung für die Totzeitberechnung, Vref_3 ist ein Burst-off-Schwellenwert und Vref_4 ist ein Schwellenwert zum Verlassen der Burst-Betriebsart. Wenn bei einer Ausführungsform der Komparator 508 erfasst, dass die Rückkopplungsspannung VFB Vref_1 übersteigt, ändert der Schaltsignalgenerator 512 seine Betriebsart von der normalen Betriebsart in eine Burst-Betriebsart gemäß der Ausführungsform. Die Totzeit kann über die Rückkopplungsspannung geregelt werden, die bei einigen Ausführungsformen mittels der externen Rückkopplungsschaltungen bestimmt wird. Wenn der Komparator 504 erfasst, dass die Rückkopplungsspannung VFB Vref_3 übersteigt, nimmt der Schaltsignalgenerator die Zusicherung der Signale QH und QL zurück, um die Schalttransistoren des Schaltnetzteils abzuschalten, bis die Rückkopplungsspannung Vfb wieder auf einen Wert unterhalb von Vref_1 zurückgekehrt ist. Wenn andererseits der Komparator 502 erfasst, dass die Rückkopplungsspannung Vfb unter Vref_4 fällt, ändert der Schaltsignalgenerator 512 seine Betriebsart von der Burst-Betriebsart gemäß der Ausführungsform zurück in die normale Betriebsart, wenn die Lastbedingung sich von einer Bedingung mit geringer Last in eine Bedingung mit normaler Last ändert. Bei einer Ausführungsform ist der Schwellenwert zum Verlassen der Burst-Betriebsart Vref_4 geringer als der Schwellenwert für die Burst-on-Betriebsart Vref_1, um eine Hysterese vorzusehen, sodass verhindert wird, dass Rauschen bei VFB schnell die Betriebsart ändert.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Rückkopplungsspannung Vfb mit einem Frequenzregeleingang eines VCO-Blocks (spannungsgesteuerter Oszillator) innerhalb des Schaltsignalgenerators 512 gekoppelt sein, um eine variable Schaltfrequenz zu erzeugen, zum Beispiel zur Verwendung während des normalen Betriebs.
  • Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei CON um einen externen Kondensator, der verwendet werden kann, um eine Einschaltzeit für die Burst-Betriebsart vorzudefinieren. Bei einigen Ausführungsformen kann CON angepasst werden, um Einschaltzeiten zwischen etwa ¼ des Resonanzzeitraums des Stromwandlers bis etwa ¾ des Resonanzzeitraums des Stromwandlers vorzusehen. Alternativ können Werte außerhalb dieses Bereichs verwendet werden. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann ein Widerstand anstelle des Kondensators CON verwendet werden. Durch das Vorsehen einer solchen Anpassbarkeit hat der Konstrukteur des Netzteils die Flexibilität, den Betriebspunkt des Netzteils zu finden, bei dem die geringste Leistungsaufnahme vorliegt.
  • Bei einer Ausführungsform wird bewirkt, dass die Totzeit (von t1 bis t4 in 4) länger ist als der Zeitraum, in dem der Magnetisierungsstrom durch den LLC-Leistungstransformator von seinem Spitzenwert auf null absinkt. Bei einigen Ausführungsformen kann die minimale Totzeit auf der Grundlage der Voreinstellung für die Einschaltzeit bestimmt werden, zum Beispiel kann die minimale Totzeit so eingestellt werden, dass sie zum Beispiel das 1,5-fache der Einschaltzeit beträgt. Bei alternativen Ausführungsformen kann die minimale Totzeit größer als oder kleiner als das 1,5-fache der Einschaltzeit betragen.
  • 6a und 6b veranschaulichen einen Schaltsignalgenerator 600 gemäß einer Ausführungsform, der zum Implementieren des Schaltsignalgeneratorblocks 512 von 5 verwendet werden kann. Bei einer Ausführungsform weist der Schaltsignalgenerator einen Rücksetzblock 602, eine Stromquelle 604, einen Komparator 606, UND-Gates 610 und 612 und ein D-Flip-Flop 608 auf. Der Kondensator CON kann unter Verwendung eines externen Kondensators, der zum Einstellen der Einschaltzeit verwendet wird, implementiert werden. Alternativ kann ein interner Kondensator verwendet werden.
  • Wenn die Rückkopplungsspannung VFB geringer ist als die Spannung Vref_2, wird das Signal Vcomp1 über den Komparator 620 auf „High” gesetzt, und der Rücksetzblock 602 schaltet den Rücksetzschalter 620 für einen bestimmten Zeitraum (zum Beispiel 100 ns) ein, wie in 6b gezeigt. Nachdem der Schalter 620 ausgeschaltet wurde, schaltet der Komparatorausgang Vcomp2 eine Gate-Ansteuerung ein, und der Strom ic von der Stromquelle 604 lädt den Kondensator CON. Wenn die Spannung durch CON hindurch die Spannung Vref_5 erreicht, wird Vcomp2 in den Zustand „Low” versetzt, und die Gate-Ansteuerung wird ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Totzeit. Die Totzeit endet, wenn die Rückkopplungsspannung VFB wieder auf Vref_2 fällt. Wenn bei einer Ausführungsform die Rückkopplungsspannung VFB höher ist als Vref_3, werden beide Ansteuerungssignale QH und QL in den Zustand „Low” versetzt, was eine lange Unterbrechungszeit erzeugt, bis die Rückkopplungsspannung sich regeneriert hat.
  • Bei einer Ausführungsform werden die Signale „Burst On”, „Burst Off” und „Burst-Betriebsart verlassen” verwendet, um über den Auswahlblock 630 zwischen der normalen Betriebsart und der Burst-Betriebsart auszuwählen. Zum Beispiel kann der Schaltsignalgenerator 600 über den Auswahlblock 630 aktiviert werden, wenn die Signale „Burst-Betriebsart verlassen” und „Burst On” im Zustand „High” sind.
  • Der VCO 632 generiert das Schaltsignal mit variabler Frequenz während des normalen Betriebs. Bei einer Ausführungsform hängt das Schaltsignal des VCO 632 von VFB ab. Bei einer Ausführungsform kann das Rückkopplungssignal VFB verwendet werden, um die Frequenz des VCO 632 zu regeln. Während der Burst-Betriebsart kann der VCO 632 mittels des Auswahlblocks 630 deaktiviert werden.
  • 7 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines LLC-Resonanzwandlers IC 700 gemäß einer Ausführungsform. Bei einer Ausführungsform kann der Regelungsblock für die Burst-Betriebsart 702 unter Verwendung der in 5 und 6a gezeigten Schaltungsanordnung in dem Regelungslogikblock 704 implementiert werden. Der Umrichter IC 700 kann außerdem einen Unterspannungs-Sperrblock (UVLO) 706, eine Spannungsreferenz 708, einen Überstrom-Schutzblock 710, einen VIN-Netzspannungsabsenkung-Schutzblock 712, einen Sanftanlaufblock 714, einen Totzeit-Regelungsblock 716 und einen Minimalfrequenzblock 718 aufweisen. Bei einer Ausführungsform stellt der UVLO-Block 706 dem Regelungslogikblock 704 ein Deaktivierungssignal bereit. Wenn VCC unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts oder Betriebswerts liegt, generiert die Spannungsreferenz 708 Spannungsreferenzen für die in 5 und 6a gezeigten Komparatoren. Der Überstrom-Schutzblock 710 erfasst Bedingungen mit hohem Strom über den CS-Kontaktstift. Der VIN-Netzspannungsabsenkungs-Schutzblock erfasst Bedingungen mit geringer Spannung an VIN und hält den Betrieb des LLC an, falls VIN unter einen gewünschten Pegel fällt. Der Sanftanlaufblock 714 sieht eine Sanftanlauffunktionalität vor, welche die MOSFET-Strombelastung während einer Startphase des LLC verringert. Der Totzeit-Regelungsblock 716 regelt die Totzeit für QH und QL, und der Minimalfrequenzblock 718 stellt auf der Grundlage eines Werts eines externen Widerstands, der mit dem Kontaktstift RFmin gekoppelt ist, sicher, dass der Stromwandler mit einer Frequenz betrieben wird, die höher ist als die Minimalfrequenz.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Regeln eines Schaltnetzteils das Generieren eines Rückkopplungssignals proportional zu einem Ausgang des Schaltnetzteils und das Betreiben des Schaltnetzteils in einer normalen Betriebsart, welche das Anpassen eines pulsmodulierten Signals zum Regulieren eines Rückkopplungssignals auf einen ersten Signalpegel umfasst. Wenn das Rückkopplungssignal einen ersten Schwellenwert kreuzt, wird das Schaltnetzteil in einer zweiten Betriebsart betrieben, die das Anpassen einer Totzeit des pulsmodulierten Signals umfasst, um ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel zu regulieren, der sich von dem ersten Signalpegel unterscheidet. Das Verfahren umfasst ferner das Ansteuern eines Schalters des Schaltnetzteils mit dem pulsmodulierten Signal. Bei einer Ausführungsform umfasst das Generieren des Rückkopplungssignals auch das Generieren des Rückkopplungssignals auf der Grundlage einer Lastanforderung.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Ändern einer Betriebsart des Schaltnetzteils von der zweiten Betriebsart in die normale Betriebsart, wenn das Rückkopplungssignal einen zweiten Schwellenwert kreuzt. Der zweite Schwellenwert kann bei einigen Ausführungsformen zwischen dem ersten Schwellenwert und dem ersten Signalpegel liegen. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren auch das Ausschalten des pulsmodulierten Signals, wenn das Rückkopplungssignal einen dritten Schwellenwert kreuzt.
  • Bei einer Ausführungsform weist das pulsmodulierte Signal ein High-Side-Schaltsignal und ein Low-Side-Schaltsignal auf. In der normalen Betriebsart kann der Zeitraum, während dessen das High-Side-Schaltsignal oder das Low-Side-Schaltsignal zugesichert ist, länger sein als die Totzeit zwischen Zusicherungen des High-Side-Schaltsignals und des Low-Side-Schaltsignals. In der zweiten Betriebsart kann die Totzeit zwischen Zusicherungen des High-Side-Schaltsignals und des Low-Side-Schaltsignals länger sein als der Zeitraum, während dessen das High-Side-Schaltsignal oder das Low-Side-Schaltsignal zugesichert ist. Bei einigen Ausführungsformen ist der Zeitraum, während dessen das High-Side-Schaltsignal oder das Low-Side-Schaltsignal zugesichert ist, etwa 1,5 mal länger als die Totzeit zwischen Zusicherungen des High-Side-Schaltsignals und des Low-Side-Schaltsignals. Außerdem kann bei einigen Ausführungsformen bei der zweiten Betriebsart die Einschaltzeit des pulsmodulierten Signals konstant sein.
  • Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Schaltnetzteil um ein Resonanznetzteil, und das Betreiben des Schaltnetzteils in der normalen Betriebsart umfasst das Anpassen einer Frequenz des pulsmodulierten Signals, um das Rückkopplungssignal auf den ersten Signalpegel zu regulieren.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Schalter-Regler für ein Schaltnetzteil einen Detektor für einen ersten Schwellenwert auf, der mit einem Rückkopplungssignal des Schaltnetzteils gekoppelt ist, und einen Schaltsignalgenerator, der mit einem Rückkopplungssignal-Eingang und einem Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert gekoppelt ist. Der Schaltsignalgenerator ist so konfiguriert, dass er in einer normalen Betriebsart ein erstes pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen ersten Signalpegel zu regulieren, dass er in eine zweite Betriebsart übergeht, wenn der Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert angibt, dass das Rückkopplungssignal den ersten Schwellenwert gekreuzt hat, und dass er in einer zweiten Betriebsart ein zweites pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel zu regulieren, indem er eine Totzeit des pulsmodulierten Signals anpasst. Bei einer Ausführungsform unterscheidet sich der zweite Signalpegel von dem ersten Signalpegel.
  • Bei einer Ausführungsform weist der Schalter-Regler ferner einen Fehlersignalverstärker auf. Der Fehlersignalverstärker weist einen ersten, mit dem Rückkopplungssignal gekoppelten Eingang auf, einen zweiten Eingang, der mit einer Referenzspannung für eine zweite Betriebsart gekoppelt ist, die dem zweiten Signalpegel entspricht, und einen mit einem Totbereichs-Regelungseingang des Schaltgenerators gekoppelten Ausgang.
  • Bei einer Ausführungsform weist der Detektor für den ersten Schwellenwert einen ersten Komparator mit einem mit dem Rückkopplungssignal gekoppelten ersten Eingang auf, einen zweiten Eingang, der mit einer ersten Schwellenwertspannung, die dem ersten Schwellenwertsignal entspricht, gekoppelt ist, und einen mit dem Steuereingang für die zweite Betriebsart des Schaltsignalgenerators gekoppelten Ausgang. Der Schaltsignalgenerator kann so konfiguriert sein, dass er in die zweite Betriebsart übergeht, wenn der Steuereingang für die zweite Betriebsart zugesichert ist.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Schalter-Regler auch einen zweiten Komparator aufweisen, der einen ersten, mit dem Rückkopplungssignal gekoppelten Eingang aufweist, einen zweiten Eingang, der mit einer zweiten Schwellenwertspannung gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit einem Eingang für den Übergang von der zweiten Betriebsart in die normale Betriebsart des Schaltsignalgenerators gekoppelt ist. Der Schaltsignalgenerator ist so konfiguriert, dass er von der zweiten Betriebsart in die normale Betriebsart übergeht, wenn der Eingang für den Übergang von der zweiten Betriebsart in die normale Betriebsart zugesichert ist.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Schaltsignalgenerator ferner einen Eingang zum Einstellen einer Einschaltzeit aufweisen, der so konfiguriert ist, dass er mit einem Referenzkondensator gekoppelt ist, wobei eine Einschaltzeit der pulsmodulierten Wellenform in der zweiten Betriebsart von einer Kapazitanz des Referenzkondensators abhängt. Ferner kann der Schaltsignalgenerator ein High-Side-Schaltsignal und ein Low-Side-Schaltsignal generieren. Bei einigen Ausführungsformen ist der Schalter-Regler auf einer integrierten Schaltung angeordnet.
  • Bei einer Ausführungsform weist das Schaltnetzteil ein Resonanznetzteil auf, und der Schaltsignalgenerator ist so konfiguriert, dass er ein erstes pulsmoduliertes Signal in der normalen Betriebsart generiert, indem er eine Frequenz des ersten pulsmodulierten Signals anpasst, um das Rückkopplungssignal auf den ersten Signalpegel zu regulieren.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Schaltnetzteilsystem einen Schaltregler auf. Der Schaltregler weist einen Detektor für einen ersten Schwellenwert auf, der mit einem Rückkopplungssignal des Schaltnetzteils gekoppelt ist, und einen Schaltsignalgenerator, der mit einem Rückkopplungssignal-Eingang und einem Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform ist der Schaltsignalgenerator so konfiguriert, dass er in einer normalen Betriebsart ein erstes pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen ersten Signalpegel zu regulieren, dass er in eine zweite Betriebsart übergeht, wenn der Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert angibt, dass das Rückkopplungssignal den ersten Schwellenwert gekreuzt hat, und dass er in einer zweiten Betriebsart ein zweites pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel zu regulieren, indem er die Totzeit des pulsmodulierten Signals anpasst. Bei einer Ausführungsform unterscheidet sich der zweite Signalpegel von dem ersten Signalpegel.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist das Schaltnetzteilsystem auch eine mit dem Schaltsignalgenerator gekoppelte Schalteransteuerung, eine Vielzahl von mit der Schalteransteuerung gekoppelten Leistungsschaltern, einen mit der Vielzahl von Leistungsschalter gekoppelten Leistungstransformator und eine zwischen einen Ausgang des Schaltnetzteils und einen Rückkopplungs-Eingang des Schaltreglers gekoppelte Rückkopplungs-Schnittstellenschaltung auf.
  • Bei einer Ausführungsform weist das Schaltnetzteil auch eine Drosselspule und einen zwischen die Vielzahl von Leistungsschaltern und den Leistungstransformator gekoppelten Kondensator auf. Das Schaltnetzteil kann als Resonanzwandler implementiert sein. Bei einer Ausführungsform ist der Schaltsignalgenerator so konfiguriert, dass er das zweite pulsmodulierte Signal mit einer festen Einschaltzeit so generiert, dass die feste Einschaltzeit zwischen ¼ und ¾ eines Resonanzzeitraums des Resonanzwandlers beträgt.
  • Vorteile von Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen die Fähigkeit, ein Hochleistungsnetzteil (50~250 W) in einer Bedingung ohne Last mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 0,3 W mit einer hohen Nennleistung zu betreiben, wodurch einige kommerzielle Energieanforderungen, wie beispielsweise ENERGY STAR®-Anforderungen, erfüllt werden.
  • Ein weiterer Vorteil von Stromwandlern gemäß einer Ausführungsform besteht in verringerter Restwelligkeit während Bedingungen ohne Last oder mit geringer Last. Zum Beispiel kann bei einigen Ausführungsformen eine Ausgangsrestwelligkeit von weniger als ±2% erreicht werden. Bei einigen Ausführungsformen kann dieses geringe Niveau der Restwelligkeit erreicht werden, ohne dass die Kapazität des Ausgangsfilterkondensators beträchtlich erhöht wird. Bei einigen Ausführungsformen ist die Restwelligkeit verringert, weil Energie ständig an den Ausgangskondensator geliefert wird und weil die Ausgangsspannung während des Betriebs in der Burst-Betriebsart gemäß einer Ausführungsform noch einer Regulierung unterliegt.
  • Ein weiterer Vorteil einiger Stromwandler gemäß einer Ausführungsform besteht darin, dass sie ihren Wirkungsgrad unter Bedingungen mit geringer Last beibehalten, ohne dass eine Betriebsfrequenz in der Burst-Betriebsart fein eingestellt werden muss. Außerdem sind einige Stromwandler gemäß einer Ausführungsform in der Lage, die Regulierung der Ausgangsspannung unter Bedingungen ohne Last bzw. mit geringer Last ohne beträchtliche Schaltverluste beizubehalten.
  • Die in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Prozesse und verwandten Verfahren zum Ausbilden eines Reglers wurden im Wesentlichen so beschrieben, dass sie analoge und logische Schaltungskomponenten nutzen. Es ist innerhalb des breiten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung denkbar, dass einige der Prozesse und verwandten Verfahren unter Verwendung digitaler Schaltungstechniken implementiert werden können, beispielsweise durch Nutzung eines Mikrocontrollers oder einer digitalen Signalverarbeitungseinheit.
  • Obwohl die Erfindung vorrangig im Zusammenhang mit spezifischen, beispielhaften Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, sollten die Fachleute auf diesem Gebiet verstehen, dass verschiedene Änderungen an der Konfiguration und an den Einzelheiten davon vorgenommen werden können, ohne dass vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Der Schutzumfang der Erfindung wird daher durch die angehängten Ansprüche bestimmt, und alle Veränderungen, die in dem Bedeutungsbereich und dem Äquivalenzbereich der Ansprüche liegen, sollen von den Ansprüchen umfasst werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Regeln eines Schaltnetzteils, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Generieren eines Rückkopplungssignals proportional zu einem Ausgang des Schaltnetzteils; Betreiben des Schaltnetzteils in einer normalen Betriebsart, umfassend das Anpassen eines pulsmodulierten Signals, um ein Rückkopplungssignal auf einen ersten Signalpegel zu regulieren; wenn das Rückkopplungssignal einen ersten Schwellenwert kreuzt, Betreiben des Schaltnetzteils in einer zweiten Betriebsart, umfassend das Anpassen einer Totzeit des pulsmodulierten Signals, um ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel zu regulieren, der sich von dem ersten Signalpegel unterscheidet; und Ansteuern eines Schalters des Schaltnetzteils mit dem pulsmodulierten Signal.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Generieren des Rückkopplungssignals das Generieren des Rückkopplungssignals auf der Grundlage einer Lastanforderung umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Ändern einer Betriebsart des Schaltnetzteils von der zweiten Betriebsart in die normale Betriebsart umfasst, wenn das Rückkopplungssignal einen zweiten Schwellenwert kreuzt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der zweite Schwellenwert zwischen dem ersten Schwellenwert und dem ersten Signalpegel liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Ausschalten des pulsmodulierten Signals umfasst, wenn das Rückkopplungssignal einen dritten Schwellenwert kreuzt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das pulsmodulierte Signal ein High-Side-Schaltsignal und ein Low-Side-Schaltsignal aufweist; in der normalen Betriebsart der Zeitraum, während dessen das High-Side-Schaltsignal oder das Low-Side-Schaltsignal zugesichert ist, länger ist als die Totzeit zwischen Zusicherungen des High-Side-Schaltsignals und des Low-Side-Schaltsignals; in der zweiten Betriebsart die Totzeit zwischen Zusicherungen des High-Side-Schaltsignals und des Low-Side-Schaltsignals länger ist der Zeitraum, während dessen das High-Side-Schaltsignal oder das Low-Side-Schaltsignal zugesichert ist.
  7. Schalter-Regler für ein Schaltnetzteil, wobei der Regler Folgendes aufweist: einen Detektor für einen ersten Schwellenwert, der mit einem Rückkopplungssignal des Schaltnetzteils gekoppelt ist; einen Schaltsignalgenerator, der mit einem Rückkopplungssignal-Eingang und mit einem Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert gekoppelt ist, wobei der Schaltsignalgenerator so konfiguriert ist, dass er: in einer normalen Betriebsart ein erstes pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen ersten Signalpegel zu regulieren; in eine zweite Betriebsart übergeht, wenn der Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert angibt, dass das Rückkopplungssignal den ersten Schwellenwert gekreuzt hat; in einer zweiten Betriebsart ein zweites pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel zu regulieren, indem eine Totzeit des pulsmodulierten Signals angepasst wird, wobei sich der zweite Signalpegel von dem ersten Signalpegel unterscheidet.
  8. Schalter-Regler nach Anspruch 7, der ferner Folgendes aufweist: einen Fehlersignalverstärker mit einem ersten, mit dem Rückkopplungssignal gekoppelten Eingang, einem zweiten Eingang, der mit einer Referenzspannung für eine zweite Betriebsart gekoppelt ist, die dem zweiten Signalpegel entspricht, und einem mit einem Totbereichs-Regelungseingang des Schaltgenerators gekoppelten Ausgang.
  9. Schalter-Regler nach Anspruch 7, wobei der Detektor für den ersten Schwellenwert einen ersten Komparator aufweist, der einen mit dem Rückkopplungssignal gekoppelten ersten Eingang aufweist, einen zweiten Eingang, der mit einer ersten, dem ersten Schwellenwertsignal entsprechenden Schwellenwertspannung gekoppelt ist, und einen mit einem Steuereingang für eine zweite Betriebsart des Schaltsignalgenerators gekoppelten Ausgang, wobei der Schaltsignalgenerator so konfiguriert ist, dass er in die zweite Betriebsart übergeht, wenn der Steuereingang für die zweite Betriebsart zugesichert wird.
  10. Schaltnetzteilsystem, das Folgendes aufweist: einen Schaltregler, der Folgendes aufweist: einen Detektor für einen ersten Schwellenwert, der mit einem Rückkopplungssignal des Schaltnetzteils gekoppelt ist; einen Schaltsignalgenerator, der mit einem Rückkopplungssignal-Eingang und mit einem Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert gekoppelt ist, wobei der Schaltsignalgenerator so konfiguriert ist, dass er: in einer normalen Betriebsart ein erstes pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen ersten Signalpegel zu regulieren; in eine zweite Betriebsart übergeht, wenn der Ausgang des Detektors für den ersten Schwellenwert angibt, dass das Rückkopplungssignal den ersten Schwellenwert gekreuzt hat; in einer zweiten Betriebsart ein zweites pulsmoduliertes Signal generiert, um ein Rückkopplungssignal auf einen zweiten Signalpegel zu regulieren, indem eine Totzeit des pulsmodulierten Signals angepasst wird, wobei sich der zweite Signalpegel von dem ersten Signalpegel unterscheidet.
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