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Hintergrund der Erfindung
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Die Anmeldung betrifft einen Analog-Digital-Wandler und Regelschaltung mit niedrigem Ruhestrom bei Schwachlast und ein Verfahren zum Regeln einer Ausgangsspannung.
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In Spannungsreglern, zum Beispiel von Schaltnetzteilen, hängt in der Regel die Leistungseffizienz von der Stromlast ab. Bei schwachen Laststrom werden die Verluste von den Ruheströmen dominiert und bei Schaltnetzteilen zusätzlich noch durch Schaltvorgänge. Es wurden spezielle Betriebsmodi wie Pulsfrequenzmodulation (PFM) eingeführt, um die Anzahl der Schaltvorgänge zu verringern. Dies kann mit intelligenten Leistungssteuerungskonzepten (smart power management concepts) kombiniert werden, um die Ruheströme zu reduzieren. In digital gesteuerten Schaltnetzteilwandlern erfolgt in der Regel das Erfassen einer Rückkopplungsspannung mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers (ADC). Ein beispielhafter Analog-Digital-Wandler ist in der
DE 10 2005 030 562 B4 gezeigt.
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Die Offenlegungsschrift 10 2006 025 116 A1 zeigt eine einstellbare Analog-Digital-Wandler-Anordnung mit einem einstellbaren Kondensator, der mittels eines Steuersignals eingestellt werden kann. Ein Anschluss des einstellbaren Kondensators ist an einen Eingang eines AD-Wandlers mit sukzessiver Approximation angeschlossen. Zudem ist ein Analogeingang mit einem Anschluss des einstellbaren Kondensators gekoppelt.
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Die US-Patentschrift
US 6,809,674 B1 zeigt einen Analog-Digital-Wandler, der in zwei Betriebsmodi, einem mit sukzessiver Approximation und einem mit Schwellwertdetektion, aufweist, wobei ein Register, das Schwellwerte enthält, in beiden Betriebsmodi verwendet wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler), eine Schaltung zum Regeln einer Ausgangsspannung und ein Verfahren zum Regeln eines Analog-Digital-Wandlers bereitzustellen, mit dem der Ruhestrom weiter verringert werden kann.
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Zusammenfassung
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Eine Schaltung enthält ein sukzessives Approximations-Register und einen einstellbaren Kondensator mit einem Einstelleingang zum Einstellen eines Kapazitätswerts des einstellbaren Kondensators. Sie enthält zudem eine Komparatorstufe mit einem Eingang, der mit einem Anschluss des einstellbaren Kondensators gekoppelt ist, und mit einem mindestens einem Ausgang, wobei mindestens einer der Ausgänge der Komparatorstufe mit einem Eingang des sukzessive Approximations-Registers gekoppelt ist. Die Schaltung enthält zudem einen Analogeingang, der mit einem Anschluss des einstellbaren Kondensators gekoppelt ist. Die Schaltung ist in einen ersten Betriebszustand und einen zweiten Betriebszustand versetzbar, wobei ein Ausgang der Schaltung in dem ersten Betriebszustand von dem sukzessive Approximations-Register gesteuert wird und in dem zweiten Betriebszustand nicht von dem sukzessive Approximation Register, sondern von der Komparatorstufe gesteuert wird.
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Ein Verfahren zum Regeln einer Ausgangsspannung weist folgende Schritte auf: In einem ersten Betriebsmodus wird ein Analog-Digital-Wandlers mit einem sukzessive Approximations-Register durch Einstellen eines einstellbaren Kondensators, der mit einem seiner Anschlüsse mit einem Rückkopplungssignal der Ausgangsspannung gekoppelt ist, betrieben und ein Stellglied wird zum Treiben der Ausgangsspannung in Abhängigkeit eines Ausgangssignal des sukzessive Approximations-Registers angesteuert. In einem zweiten Betriebsmodus wird ein Komparator, der mit einem Anschluss des einstellbaren Kondensators verbunden ist, betrieben und das Stellglied zum Treiben der Ausgangsspannung wird in Abhängigkeit eines Ausgangssignals des Komparators und nicht in Abhängigkeit des sukzessive Approximation Register angesteuert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung zum Erzeugen einer Ausgangsspannung in einem ersten Betriebsmodus.
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2 zeigt die Schaltung aus 1 in einem zweiten Betriebsmodus.
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3 zeigt eine Einheit zum Erzeugen einer Ausgangsspannung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Schaltung 1 mit fünf Eingängen und einem Ausgang 7. Die Eingänge sind ein Analogeingang 21, eine Referenzwerteingang 22, ein Kommandoeingang 23, ein Referenzspannungseingang 24 und ein Takteingang 25. Die Schaltung 1 enthält zudem eine AD-Wandler-Vorrichtung 2, die einen ersten Komparator 8, ein sukzessive Approximations-Register, einen Subtrahierer 10 und einen Regler 11 enthält. Die Schaltung 1 enthält zudem einen Kondensator 5, einen einstellbaren Kondensator 4, einen Auffrischungsschalter 6, einen ersten Moduswahlschalter 13 und einen zweiten Moduswahlschalter 14. Der einstellbare Kondensator 4 enthält einen Einstelleingang 41, mit dem die Kapazität des einstellbaren Kondensators 4 digital eingestellt werden kann. In einer Ausführungsform enthält der einstellbare Kondensator ein Feld von Einzelkondensatoren, die einzeln schaltbar mit anderen Einzelkondensatoren parallel geschaltet werden können. Das Eingangssignal am Einstelleingang 41 bestimmt, wie viele und welche Einzelkondensatoren parallel geschaltet werden, um zusammen die Kapazität des einstellbaren Kondensators 4 bereitzustellen.
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Der Kondensator 5 ist mit seinem ersten Anschluss an den Analogeingang 21 und seinem zweiten Anschluss mit einem Eingang des ersten Komparators 8 verbunden. Der Auffrischungsschalter 6 weist zwei Anschlüsse für die Laststrecke und einen Steueranschluss auf. Der Steueranschluss ist mit dem Kommandoeingang 23 verbunden. Der eine Anschluss der Laststrecke ist mit dem Eingang des ersten Komparators 8 verbunden, während der andere Anschluss der Laststrecke mit dem Referenzspannungseingang 24 verbunden ist. Der einstellbare Kondensator 4 weist zwei Anschlüsse auf, die jeweils mit einer der Elektroden des einstellbaren Kondensators 4 verbunden sind. Einer dieser Anschlüsse ist mit dem Eingang des ersten Komparators 8 verbunden, während der andere dieser Anschlüsse mit dem Referenzspannungseingang 24 verbunden ist. Der Referenzspannungseingang 24 ist zudem mit einem ersten Eingang des zweiten Komparators 3 verbunden, der einen zweiten Eingang aufweist, der mit dem ersten Eingang des ersten Komparators 8 verbunden ist.
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Der Ausgang des ersten Komparators 8 ist mit dem Eingang des sukzessive Approximations-Registers verbunden, dessen Ausgang mit einem nicht-invertierenden Eingang des Subtrahierers 10 verbunden ist. Ein invertierender Eingang des Subtrahierers 10 ist mit dem Referenzwerteingang 22 verbunden. Der Ausgang des Subtrahierers 10 ist mit einem Eingang des Reglers 11 verbunden. Der Ausgang des Reglers 11 ist mit einem ersten Eingang des zweiten Moduswahlschalters 14 verbunden, während der zweite Eingang des zweiten Moduswahlschalters 14 mit einem Ausgang des zweiten Komparators 3 verbunden ist. Der Ausgang des zweiten Moduswahlschalters 14 ist mit dem Ausgang 7 der Schaltung 1 verbunden. Der zweite Moduswahlschalter 14 weist zusätzlich noch einen in der Figur nicht gezeigten Steuereingang auf. Je nach Stellung dieses Steuereingangs wird einer der Eingänge mit dem Ausgang des zweiten Moduswahlschalters 14 verbunden.
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Der erste Moduswahlschalter 13 weist zwei Eingänge aus, von denen der erste mit dem Referenzwerteingang 22 und der zweite mit dem Ausgang des sukzessive Approximations-Registers 9 gekoppelt ist. Der Ausgang des ersten Moduswahlschalters 13 ist mit dem Einstelleingang 41 verbunden. Der erste Moduswahlschalter 13 weist zusätzlich noch einen in der Figur nicht gezeigten Steuereingang auf. Je nach Stellung dieses Steuereingangs wird einer der Eingänge mit dem Ausgang des ersten Moduswahlschalters 13 verbunden.
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Der Takteingang 25 ist mit Takteingängen des sukzessive Approximations-Registers 9, des Subtrahierers 10 und des Reglers 11 verbunden.
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1 zeigt den ersten Betriebsmodus, in den die Schaltung geschaltet wird, wenn die Last mittelgroß oder groß ist. Dieser Betriebsmodus wird im Folgenden auch Pulsweitenmodulations-Modus genannt werden.
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In diesem Betriebsmodus sind der erste Komparator 3, das sukzessive Approximations-Register, der Subtrahierer 10 und der Regler 11 eingeschaltet und der erste Moduswahlschalter 13 verbindet den Ausgang des sukzessiven Approximations-Registers 9 mit dem Einstelleingang 41. Der zweite Moduswahlschalter 14 verbindet in diesem Betriebsmodus den Ausgang des Reglers 11 mit dem Ausgang 7.
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Die Kondensatoren 5 und 4 bilden einen kapazitiven Spannungsteiler, an dessen Verbindungsknoten kn sich ein elektrisches Potential ausbildet, das zwischen dem Potential am Eingang 21 und dem Potential am Eingang 24 liegt. Das Verhältnis der Spannung zwischen dem Eingang 21 und dem Verbindungsknoten kn einerseits und der Spannung zwischen dem Verbindungsknoten kn und dem Eingang 24 andererseits entspricht dem Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren 4 und 5 zueinander. Der Einstelleingang 41 bestimmt, wie groß die Kapazität des einstellbaren Kondensators 4 ist, und damit auch wie das Verhältnis der Spannungen ist.
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Der erste Komparator 8 vergleicht das Potential am Verbindungsknoten kn mit einem vorbestimmten, hier nicht gezeigten, Potential. Der digitale Ausgangswert des ersten Komparators 8 zeigt an, ob das Potential am Verbindungsknoten kn über oder unter dem vorbestimmten Potential liegt. Das sukzessive Approximations-Register empfängt den Ausgangswert des ersten Komparators 8 als binäres, digitales Signal und ändert seinerseits seinen Ausgangswert im Rahmen der sukzessiven Approximation. Dieser Ausgangswert ist über den ersten Moduswahlschalter 13 mit dem Einstelleingang 41 verbunden, der bewirkt, dass die Kapazität des einstellbaren Kondensators entsprechend dem Signal am Einstelleingang 41 geändert wird. Bei Änderung der Kapazität des einstellbaren Kondensators 4 ändert sich bei gleichbleibenden Potentialen an den Eingängen 21 und 24 das Potential am Verbindungsknoten kn.
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Das sukzessive Approximations-Register 9 ändert seinen Ausgangswert zu Zeitpunkten, die von dem Takt an seinem Takteingang vorgegeben werden. Das sukzessive Approximations-Register ändert seinen Ausgangswert so lange, bis das Potential am Verbindungsknoten dem vorbestimmten Potential möglichst gut entspricht. Der Ausgangswert des sukzessive Approximations-Registers ist nach der Approximation ein Maß für die Spannung zwischen dem Rückkopplungspotential am Eingang 21 und dem Referenzpotential am Eingang 24.
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Von dem Ausgangssignal des sukzessive Approximations-Registers 9 wird in dem Subtrahierer 10 das digitale Eingangssignal targ 22 abgezogen. Das digitale Eingangssignal targ entspricht einem Zielwert für die Ausgangsspannung, so dass am Ausgang des Subtrahierer 12 ein Fehlersignal 12 als Maß für die Differenz des Rückkopplungspotentials zu dem Referenzwert ausgegeben wird. Dieses Fehlersignal 12 wird einem Regler 11 zugeführt. Der Regler 11 ist ein Regler vom Typ PID. Dieser gibt über den zweiten Moduswahlschalter 14 und den Ausgang 7 ein Signal an ein hier nicht gezeigtes Stellglied zum Treiben der gewünschten Ausgangsspannung.
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Der Komparator 8 und der Komparator 3 bilden zusammen einen Komparatorblock 83. In einer weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsform enthält der Komparatorblock 83 nur einen einzigen Komparator, dessen Ausgang sowohl mit dem sukzessive Approximation Register 9 als auch schaltbar mit dem Ausgang 7 verbunden ist. Dieser Komparator bildet im ersten Betriebsmodus den Eingang für das sukzessive Approximation Register, das seinerseits den Ausgang 7 steuert. Im zweiten Betriebsmodus dagegen wird der Ausgang nicht mehr von dem sukzessiven Approximation Register gesteuert, sondern unter Umgehung des sukzessiven Approximation Register von dem Komparator unmittelbar.
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2 zeigt die Schaltung 1 in einem zweiten Betriebsmodus, auch Schwachlastmodus oder Pulsfrequenzmodulations-Modus genannt. Dabei sind der erste Komparator 3, das sukzessive Approximations-Register 9, der Subtrahierer 10 und der Regler 11 ausgeschaltet und der erste Moduswahlschalter 13 verbindet den Referenzwerteingang 22 mit dem Einstelleingang 41. Der zweite Moduswahlschalter 14 verbindet in diesem Betriebsmodus den Ausgang des zweiten Komparators 3 mit dem Ausgang 7.
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Der einstellbare Kondensator 4 wird entsprechend dem Signal targ eingestellt, was dem Zielwert der Regelung entspricht. Das sich am Verbindungsknoten kn einstellbare Potential wird in dem zweiten Komparator 3 mit dem Potential am Referenzspannungseingang 24 verglichen. Wenn der Unterschied zwischen beiden Potentialen einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, gibt der zweite Komparator 3 an seinem Ausgang einen Puls aus, der über den Ausgang 7 das in der 2 nicht gezeigte Stellglied veranlasst, die Ausgangsspannung zu verändern, in den meisten Ausführungsformen durch Erhöhen der Ausgangsspannung.
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Im normalen Betrieb, also im ersten Betriebsmodus, tastet der Analog-Digital-Wandler die Rückkopplungsspannung mit einer hohen Rate ab. Dagegen sollte im Niedriglastbetrieb der Pulsfrequenzmodulation eine kontinuierliche, und langsame, Beobachtung der Spannung erfolgen.
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Der Schaltnetzteilwandler hat in Ausführungsformen mehrere Arbeitspunkte oder ist zumindest trimmbar. Wenn eine Rückkopplungsstruktur zwischen normalen und Schwachlast-Betrieb unterschiedlich ausgelegt würde, müssen die Trimmoptionen und die Programmierschaltungen für die Trimmschaltungen zweimal vorgesehen sein.
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Es wird eine Methode beschrieben, mit dem ein einstellbarer Kondensator eines SAR ADC für eine kontinuierliche Spannungserfassungsschaltung im zweiten Betriebsmodus wiederverwendet werden kann.
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Der Ausführungsformen des vorgestellten SAR ADC kann im Mittellast und Starklastbetrieb wie herkömmliche SAR ADCs arbeiten. Während des Schwachlastbetriebs im Sinne der PFM ist der einstellbare Kondensator, der beispielsweise als Feld von Kondensatoren ausgebildet ist, weiterhin in Benutzung. Die anderen Teile des ADCs werden in Ausführungsformen heruntergefahren. Die einstellbare Kapazität wird mit Hilfe eines digitalen Werts einstellt, der gleich dem eingeschwungenen Wert der Pulsweitenmodulation ist. Der zweite Komparator detektiert, ob die Rückkopplungsspannung unter einem Zielwert ist und ein PFM Pulse erforderlich ist.
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Von Zeit zu Zeit muss der Kondensator wieder aufgefrischt werden, um Leckströme zu kompensieren. Dies erfolgt durch einen entsprechenden Puls am Kommandoeingang 23, der den Auffrischungsschalter 6 für eine kurze Zeitspanne schließt. Diese kann entweder während eines PFM Pulses erfolgen oder wenn die Zeit zwischen zwei PFM Pulsen oberhalb einer vorbestimmten Zeitspanne ist.
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Ausführungsformen ermöglichen folgende Vorteile:
- – Es muss nur eine Schaltung zur Wahl und zum Trimmen der Spannung vorgesehen werden
- – Es ergeben sich verringerte Testzeiten und weniger Fuses.
- – Es bedarf keines weiteren Widerstandsteilers zum Messen der Rückkopplungsspannung.
- – Es bedarf keiner Fläche für einen programmierbaren weiteren Widerstandsteiler.
- – Es gibt keinen Widerstandsteiler, der die Funktion des Systems verlangsamt oder phasenverschiebt.
- – Es gibt identische Zielwerte für Pulsweitenmodulation-Regelung und Pulsfrequenzmodulations-Regelung vermeiden Spannungssprünge am Ausgang, wenn zwischen den Modi gewechselt wird.
- – Insgesamt wird die Verlustleistung reduziert.
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In Ausführungsformen kann die Wiederauffrischungsschaltung für den einstellbaren Kondensator durch einen Kleinverbrauchs- und Niedrigfrequenzoszillator getriggert werden.
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Die Frequenz kann dadurch erzeugt werden, dass Leckströme von Kopien des einstellbaren Kondensators erfasst werden.
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Die digitalen Zielwerte ermöglichen mehrere Spannungspegel zu beobachten. Durch Addieren eines Offsets auf den Arbeitspunkt kann ein sogenanntes Beobachten des stationären Zustands in zeitverschachtelter Art durchgeführt werden, zum Beispiel durch ein Fenster, das zwischen –10% und +10% des Arbeitspunktes liegt.
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Optional kann ein hysterischen PFM Betrieb implementiert werden durch Verändern des oberen Spannungswertes während eines PFM Pulses.
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3 zeigt eine Einheit 100 zum Erzeugen einer Ausgangsspannung VOUT. Diese Einheit weist eine Schaltung 1 auf, wie sie in den 1 und 2 erläutert ist. Zudem enthält die Einheit 100 ein Register 101, eine Referenzspannungserzeugung 102, einen Taktoszillator 103, einen Niedrigenergieoszillator 104, ein Stellglied 105 einen Widerstandsteiler 106 und eine Last 107. Der Ausgang des Registers 101 ist mit dem Referenzwerteingang 22 verbunden. Das Register 101 stellt den Zielwert für die Ausgangsspannung bereit und kann in Ausführungsformen von außerhalb der Einheit durch Software programmiert werden. Zudem kann in Ausführungsformen das Register 101 getrimmt werden, dass heißt der Defaultwert der Ausgangsspannung kann mit Hilfe von Fuses einstellt werden.
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Die Referenzspannungserzeugung 102 stellt an ihrem Ausgang eine Referenzspannung für den Referenzspannungseingang 24 bereit. Die Referenzspannung sollte während des Wiederauffrischens des Kondensators mit einer vorhandenen, aber begrenzten Ausgangsimpedanz bereitgestellt werden. Außerhalb dessen kann die Referenzspannung mit Hilfe von Kondensatoren gespeichert und zur Verfügung gestellt werden, wobei die Referenzspannungserzeugung 102 in einen Niedrigenergiemodus geschaltet wird.
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Der Taktoszillator 103 stellt an seinem Ausgang einen Takt für den Takteingang 25 bereit. Der Taktoszillator 103 kann, wie oben beschrieben, im zweiten Betriebsmodus ausgeschaltet werden.
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Der Niedrigenergieoszillator 104 stellt einen Takt mit einer niedrigeren Frequenz als der Taktoszillator 103 bereit und benötigt auch weniger Energie als der Taktoszillator 103.
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Am Ausgang 7 ist ein Eingang des Stellgliedes 105 vorgesehen, das mit seinem Ausgang mit dem Ausgangsknoten ak verbunden ist. Das Stellglied ist beispielsweise ein Leistungstransistor, dessen Laststrecke zwischen einer hier nicht gezeigten Versorgungsspannung und dem Ausgangsknoten ak vorgesehen ist, während sein Steueranschluss mit dem Ausgang 7 verbunden ist. Zwischen dem Ausgangsknoten ak und der Masse ist die Last 107 vorgesehen. Über der Last 107 liegt somit die Ausgangsspannung VOUT an. Parallel zur Last 107 ist zudem der Spannungsteiler 106 vorgesehen, der aus zwei seriell geschalteten Widerständen besteht. Der Verbindungknoten der zwei Widerstände ist über den Rückkopplungspfad 108 mit dem Analogeingang 21 verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltung
- 2
- AD-Wandler-Vorrichtung
- 3
- zweiter Komparator
- 4
- einstellbarer Kondensator
- 5
- Kondensator
- 6
- Auffrischungsschalter
- 7
- Ausgang
- 8
- erster Komparator
- 9
- sukzessives Approximation Register
- 10
- Subtrahierer
- 11
- Regler
- 12
- Fehlersignal
- 13
- erster Moduswahlschalter
- 14
- zweiter Moduswahlschalter
- 15
- Einstellsignal
- 21
- Analogeingang
- 22
- Referenzwerteingang
- 23
- Kommandoeingang
- 24
- Referenzspannungseingang
- 25
- Takteingang
- 41
- Einstelleingang
- 100
- Einheit
- 101
- Register
- 102
- Referenzspannungserzeugung
- 103
- Taktoszillator
- 104
- Niedrigenergieoszillator
- 105
- Stellglied
- 106
- Widerstandsteiler
- 107
- Last
- 108
- Rückkopplungspfad
