DE102013020577B3 - Spannungsregler - Google Patents

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Samiran Halder
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Abstract

Spannungsregler, – mit einem Stellglied (10, M12A), – mit einer Stromgegenkopplungsschaltung (20, 20.1, 20.2), – mit einer Spannungsgegenkopplungsschaltung (30, 30.1, 30.2), – mit Mitteln (40, 50, 50.1, 50.2, M11) zur Umschaltung zwischen einem ersten Modus als Schaltregler und einem zweiten Modus als Linearregler und zur Erzeugung eines digitalen Steuersignals (SPWM) zur Ansteuerung des Stellglieds (10, M12A) im ersten Modus als Schaltregler basierend auf einer Summengröße (VK) und zur Erzeugung eines linearen Steuersignals (SA) zur Ansteuerung des Stellglieds (10, M12A) im zweiten Modus als Linearregler basierend auf der Summengröße (VK), – wobei im ersten Modus als Schaltregler und im zweiten Modus als Linearregler ein erster Ausgang (22) der Stromgegenkopplungsschaltung (20, 20.1, 20.2) und ein zweiter Ausgang (32) der Spannungsgegenkopplungsschaltung (30, 30.1, 30.2) zur Bildung der Summengröße (VK) gekoppelt sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsregler.
  • Aus dem Datenblatt des Spannungsreglers MAX5097 von MAXIM Integrated Products Inc. ist eine Lösung bekannt, bei dem zum Umschalten zwischen einem ersten Modus als Schaltregler und einem zweiten Modus als Linear-Regler ein Teil der internen Regler-Komponenten abgeschaltet oder modifiziert wird, um deren Kompensationsnetzwerke zu Betriebsparametern anzupassen. Dies hat weitreichende Folgen für das Lastverhalten und/oder Betriebsstabilität. Für die Änderung der Kompensationsnetzwerke werden zusätzliche Schaltungsbestanteile benötigt, wodurch die Komplexität und Schaltungsfläche steigen. Zudem sind das Lastverhalten (Stromentnahme) und die Spannungsgenauigkeit des Ausgangs eingeschränkt, da der modifizierte Regelkreis erst starten und vollständig einschwingen muss. Wird der Schaltregler beispielsweise zu einem Linear-Regler umgeschaltet, so geschieht das Umschalten durch Abschalten der Stromgegenkopplung durch den, den Ausgangstransistor treibenden Treibermultiplexer und Neukonfiguration der Spannungssteuerung vom GM-Verstärker zum LDO-Mode-Verstärker. Dies hat erhebliche Auswirkung auf das Lastverhalten sodass während des Umschaltvorgangs und anschließendem Einschwingen der Neukonfiguration die Last unter Umständen sogar getrennt werden muss.
  • Aus der US 2007/0057 658 A1 , der DE 10 2013 207 939 A1 , der DE 100 43 482 A1 und der US 2012/0 119 718 A1 sind Spannungsregler mit Stellgliedern bekannt. Hierbei offenbart die US 2007/0057 658 A1 bei dem Spannungsregler ein Stellglied mit einer Spannungsgegenkopplungsschaltung mit Mitteln zur Umschaltung zwischen einem ersten Modus als Schaltregler und einen zweiten Modus als Linearregler und zur Erzeugung eines digitalen Steuersignals zur Ansteuerung des Stellglieds im ersten Modus als Schaltregler basierend auf einer Summengröße und zur Erzeugung eine linearen Steuersignals zur Ansteuerung des Stellglieds im zweiten Modus als Linearregler basierend auf der Summengröße, wobei im ersten Modus als Schaltregler und im zweiten Modus als Linearregler eine Ausgang der Spannungsgegenkopplungsschaltung zur Bildung der Summengröße gekoppelt sind. Des Weiteren ist aus US 6,150,798 A ein Spannungsregler bekannt. Mittels Steuerschaltung kann zwischen einer Schaltreglerkomponente und einer Linearreglerkomponente in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz zwischen Batteriespannung und Ausgangsspannung gewählt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Spannungsregler zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Spannungsregler mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
  • Demzufolge ist ein Spannungsregler vorgesehen. Der Spannungsregler weist ein Stellglied und eine Stromgegenkopplungsschaltung und eine Spannungsgegenkopplungsschaltung auf.
  • Der Spannungsregler hat Mittel
    zur Umschaltung zwischen einem ersten Modus als Schaltregler und einem zweiten Modus als Linearregler und
    zur Erzeugung eines digitalen Steuersignals zur Ansteuerung des Stellglieds im ersten Modus als Schaltregler basierend auf einer Summengröße und
    zur Erzeugung eines linearen Steuersignals zur Ansteuerung des Stellglieds im zweiten Modus als Linearregler basierend auf der Summengröße.
  • Im ersten Modus als Schaltregler und im zweiten Modus als Linearregler sind ein erster Ausgang der Stromgegenkopplungsschaltung und ein zweiter Ausgang der Spannungsgegenkopplungsschaltung zur Bildung der Summengröße gekoppelt. Die Summengröße ist beispielsweise eine Stromsumme oder eine Spannungssumme.
  • Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass durch diese Schaltungsarchitektur des Spannungsreglers mit gekoppelten Ausgängen der Stromgegenkopplung und Spannungsgegenkopplung die Umschaltung ohne signifikanten Sprung der Ausgangsspannung erfolgt. Der Regler verbleibt im eingeschwungenen Zustand.
  • Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Umschaltung eines Spannungsreglers anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in der Beschreibung enthalten.
  • Demzufolge ist ein Verfahren zur Umschaltung eines Spannungsreglers zwischen einem ersten Modus als Schaltregler und einem zweiten Modus als Linearregler vorgesehen.
  • Das Verfahren weist die Schritte auf:
    Erzeugen eines digitalen Steuersignals zur Ansteuerung eines Stellglieds im ersten Modus basierend auf einer Summengröße.
    Umschaltung zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus.
    Erzeugen eines linearen Steuersignals zur Ansteuerung des Stellglieds im zweiten Modus als Linearregler basierend auf der Summengröße.
  • Im ersten Modus als Schaltregler und im zweiten Modus als Linearregler sind ein erster Ausgang einer Stromgegenkopplungsschaltung und ein zweiter Ausgang einer Spannungsgegenkopplungsschaltung zur Bildung der Summengröße gekoppelt.
  • Die im Folgenden beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf den Spannungsregler als auch auf das Verfahren zur Umschaltung eines Spannungsreglers.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind zur Kopplung der erste Ausgang der Stromgegenkopplungsschaltung und der zweite Ausgang der Spannungsgegenkopplungsschaltung an einen Stromsummationsknoten angeschlossen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung summieren sich ein erster Ausgangsstrom der Stromgegenkopplungsschaltung und ein zweiter Ausgangsstrom der Spannungsgegenkopplungsschaltung im Stromsummationsknoten mit entgegensetztem Vorzeichen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Summengröße eine Spannung, die über einen Widerstand abfällt. Der Widerstand ist insbesondere an den Stromsummationsknoten angeschlossen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Stromgegenkopplungsschaltung ausgebildet, einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der von dem Strom durch das Stellglied abhängig ist. Insbesondere ist der Ausgangsstrom zum Strom durch das Stellglied proportional.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Spannungsregler ein Kompensationsnetzwerk auf, wobei das Kompensationsnetzwerk an der Spannungsgegenkopplungsschaltung angeschlossen ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Kompensationsnetzwerk an dem Stromsummationsknoten angeschlossen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die Mittel einen Verstärker zur Verstärkung des linearen Steuersignals auf. Vorteilhafterweise weisen die Mittel einen Treiber zur Ausgabe des digitalen Steuersignals auf. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Verstärker an den Treiber angeschlossen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Spannungsregler eine Steuerschaltung zur Ansteuerung der Mittel zum Umschalten zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus auf.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuerschaltung eingerichtet, im zweiten Modus als Linearregler das lineare Steuersignal über den Treiber auf einen Eingang des Stellgliedes zu schalten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die Mittel eine Schaltung zur Erzeugung des digitalen Steuersignals basierend auf der Summengröße auf.
  • Die zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
  • Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen
  • 1 einen schematischen Blockschaltplan,
  • 2 einen schematischen Schaltplan, und
  • 3 ein schematisches Diagramm.
  • Fig. 1
  • 1 zeigt einen Blockschaltplan eines Spannungsreglers. Der Spannungsregler ermöglicht eine unterbrechungsfreie (kontinuierliche) Umschaltung eines Abwärts-Schaltreglers zu einem Linear-Regler unter Beibehaltung einer Stromgegenkopplung 20 beim so genannten „Current-Mode Controller”.
  • Beim Umschalten zwischen einem ersten Modus als Abwärts-Schaltregler und einem zweiten Modus als Linear-Regler bleibt der gesamte Regler aktiv und all seine Betriebsparameter konstant. Durch Nichteingreifen auf den Regelkreis bleiben die Regler-Eigenschaften im Sinne der Betriebsstabilität und Lastverhalten beibehalten.
  • In 1 ist der eigentliche Abwärts-Wandler (engl. buck converter) um die Elemente 10, D1 und LS aufgebaut. Dabei ist das Stellglied 10 ein Halbleiterbauelement, wie beispielsweise ein Feldeffekttransistor, Bipolartransistor, DMOS oder dergleichen zur Steuerung des Stroms IS. LS ist eine Spule und D1 ist eine Diode. Das Stellglied 10 erhält sein Steuersignal SG das auf einer Stromgegenkopplungsschaltung 20 basiert, einer so genannten Strom-Steuerung (current-programmed oder current-mode controller), die zum Zweck einer lokalen Gegenkopplung den Spulenstrom IS erfasst. Der äußere Regelkreis ist um eine Spannungsgegenkopplungsschaltung 30, einer so genannten Spannungssteuerung (voltage controller) gebildet, die die geforderte Ausgangspannung Vaus an der Last (nicht dargestellt) ausregelt.
  • 1 zeigt somit einen Spannungsregler mit einem Stellglied 10 und einer Stromgegenkopplungsschaltung 20 und einer Spannungsgegenkopplungsschaltung 30. Das Stellglied 10 ist beispielsweise ein Transistor, dessen Ausgang über eine Spule LS mit dem Ausgang des Spannungsreglers zur Ausgabe der geregelten Spannung Vaus verbunden ist. Zudem ist das Stellglied 10 an eine Versorgung mit der Versorgungsspannung Vbatt, beispielsweise an eine Batterie angeschlossen. An die Spule LS ist zudem die Diode D1 angeschlossen.
  • Die Stromgegenkopplungsschaltung 20 erzeugt am Ausgang 22 einen Ausgangsstrom Irep, der von einem Strom IS durch das Stellglied 10 und die Spule LS abhängig ist. In der Ausführung der 1 ist der Ausgangsstrom Irep zum Strom IS durch das Stellglied 10 proportional.
  • Die Schaltung gemäß der Ausführung in 1 weist ein Kompensationsnetzwerk X auf, um ein Überschwingen oder gar eine Oszillation im Regelkreis zu vermeiden. Das Kompensationsnetzwerk ist an der Spannungsgegenkopplungsschaltung 30 angeschlossen.
  • In einer Ausführung in 1 sind im ersten Modus als Schaltregler und im zweiten Modus als Linearregler ein erster Ausgang 22 der Stromgegenkopplungsschaltung 20 und ein zweiter Ausgang 32 der Spannungsgegenkopplungsschaltung 30 zur Bildung einer Summengröße gekoppelt. Zur Kopplung sind die Ausgänge 22, 32 wie in 1 dargestellt miteinander verbunden. Alternativ sind die Ausgänge 22, 32 mit einer Addierschaltung verbunden.
  • Zur Kopplung sind in der Ausführung der 1 ein erster Ausgang 22 der Stromgegenkopplungsschaltung 20 und ein zweiter Ausgang 32 der Spannungsgegenkopplungsschaltung 30 an einen Stromsummationsknoten K angeschlossen. Im Stromsummationsknoten K summieren sich der Ausgangsstrom Irep aus dem ersten Ausgang 22 der Stromgegenkopplungsschaltung 20 und der Ausgangsstrom IV aus dem zweiten Ausgang 32 der Spannungsgegenkopplungsschaltung 30.
  • Dabei summieren sich der Ausgangsstrom IV der Stromgegenkopplungsschaltung 20 und Ausgangsstrom Irep der Spannungsgegenkopplungsschaltung 30 mit unterschiedlichem Vorzeichen. In der Ausführung der 1 geht der Ausgangsstrom Irep der Spannungsgegenkopplungsschaltung 30 mit negativem Vorzeichen in die Stromsummation ein.
  • Aus den bei den Ausgangsströmen Irep, IV wird die Summengröße gebildet. Die Summengröße wird durch eine Spannung VK gebildet, die über einen Widerstand R5 abfällt, wobei der Widerstand R5 ebenfalls an den Stromsummationsknoten K angeschlossen ist. In der Ausführung der 1 ist der Strom durch R5 gleich –Irep + IV. Der Strom durch R5 erzeugt dabei den Spannungsabfall VK, der die Summengröße bildet.
  • Die Schaltung gemäß der Ausführung in 1 weist einen Schaltungsblock 50 zur Umschaltung zwischen einem ersten Modus als Schaltregler und einem zweiten Modus als Linearregler auf. Der Schaltungsblock 50 gibt dabei das Ansteuersignal SG auf den Eingang 11 des Stellgliedes 10 aus. Das Ansteuersignal SG ist beispielsweise die Gatespannung eines Feldeffekttransistors. Der Schaltungsblock 50 schaltet dabei zwischen einem digitalen Steuersignals SPWM zur Ansteuerung des Stellglieds 10 im ersten Modus als Schaltregler und einem linearen Steuersignals SA zur Ansteuerung des Stellglieds 10 im zweiten Modus als Linearregler um. Zur Umschaltung weist der Schaltungsblock 50 beispielsweise Schaltelemente, wie Schalttransistoren oder dergleichen auf.
  • Die Schaltung gemäß der Ausführung in 1 weist einen Schaltungsblock 40 zur Erzeugung des digitalen Steuersignals SPWM basierend auf der Summengröße VK auf. Das digitale Steuersignal SPWM ist beispielsweise ein Puls-Weiten-Moduliertes Signal, dessen Pulsweite mit steigender Summengröße VK steigt.
  • Die Schaltung gemäß der Ausführung in 1 weist ein Mittel zur Erzeugung des linearen Steuersignals SA basierend auf der Summengröße VK auf. Im einfachsten Fall entspricht das lineare Steuersignal SA der Summengröße VK. In diesem Fall ist das Mittel eine einfache Verbindung.
  • Es kann jedoch eine Verstärkung und/oder Potentialschiebung erforderlich sein. Beispielsweise weist der Schaltungsblock 50 einen Verstärker zur Verstärkung des linearen Steuersignals SA auf.
  • Die Schaltung gemäß der Ausführung in 1 weist eine Steuerschaltung 60 zur Ansteuerung des Schaltungsblocks 50 auf zum Schalten zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus. Hierzu gibt die Steuerschaltung 60 ein Umschaltsignal Be.art aus.
  • Fig. 2
  • In 2 ist eine Schaltung eines Spannungsreglers schematisch dargestellt. Die Schaltung bewirkt den Ablauf eines Verfahrens zur Umschaltung des Spannungsreglers von einem ersten Modus als Schaltregler in einen zweiten Modus als Linearregler. Das Verfahren weist die Schritte auf:
    • – Erzeugen eines digitalen Steuersignals SPWM zur Ansteuerung eines Stellglieds M12A – beispielsweise in Form eines Feldeffekttransistors
    • – im ersten Modus basierend auf einer Summengröße VK,
    • – Umschaltung zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus, und
    • – Erzeugen eines linearen Steuersignals SA zur Ansteuerung des Stellglieds M12A im zweiten Modus als Linearregler basierend auf der Summengröße VK.
  • Im ersten Modus als Schaltregler und im zweiten Modus als Linearregler sind ein erster Ausgang 22 einer Stromgegenkopplungsschaltung – bestehend aus den Schaltungsblöcken 20.1 und 20.2 – und ein zweiter Ausgang 32 einer Spannungsgegenkopplungsschaltung – bestehend aus den Schaltungsblöcken 30.1 und 30.2 – zur Bildung der Summengröße VK gekoppelt.
  • Die Umschaltung geschieht an einem geeigneten Schaltungspunkt einer definierten Schaltungsarchitektur, wobei nicht in die Regelschleife eingegriffen wird. Es bleiben (fast) alle Schaltungsteile aktiv und es sind keine größeren Funktionsblöcke zusätzlich erforderlich.
  • Es wird eine Schaltungsarchitektur verwendet, die die Umschaltung in den Linearbetrieb durchführt und dabei fast alle Schaltungsteile aktiv lässt.
  • Die Schaltung gemäß der Ausführung in 2 besteht im Wesentlichen aus vier Funktionsblöcken:
    • 1. Einer internen Spannungsquelle 70 mit der Referenzspannungsquelle REF, mit der Stromquelle I1, mit den Transistoren M0...M4, und mit den Widerständen R1, R2, die eine lokale Bezugsspannung für eine Treiberstufe 50.2 bereitstellt.
    • 2. Die Treiberstufe 50.2 (gate-driver), die mit den Transistoren M5...M10 aufgebaut ist. Die Treiberstufe 50.2 steuert den Schalttransistor M12A als Stellglied M12A und einen Kopiertransistor M12B an. Dabei gibt der Treiber 50.2 das digitale Steuersignal SPWM an das Stellglied M12A aus. Der Kopiertransistor M12B ist Teil einer Stromgegenkopplungsschaltung aus den Schaltungsblöcken 20.1 und 20.2, die auch als Stromsteuerung bezeichnet werden kann. Der Ausgangsstrom Irep und der Spulenstrom IS sind in der Ausführung der 2 in einem Verhältnis von 1:800.
    • 3. Die Stromgegenkopplungsschaltung greift mittels Transistor M19 in die Pulsweiten-Steuerung des Schaltungsblocks 40 ein.
    • 4. Eine Spannungsgegenkopplungsschaltung aus den Schaltungsblöcken 30.1 und 30.2 kann auch als Spannungssteuerung bezeichnet werden. Die Spannungsgegenkopplungsschaltung ist als PI-Regler (Proportional-Integral) um einen mittels CF, RZ kompensierten Operationsverstärker OPV ausgeführt und vergleicht die am invertierenden Eingang anliegende Spannung, die auf dem Ausgangssignal Vaus basiert, mit der internen Referenzspannung Vref (Regelabweichung). Hierzu ist die Spannungsgegenkopplungsschaltung 30.2 mit dem Ausgang des Spannungsreglers verbunden. Die Widerstände R3, R4 teilen die Ausgangsspannung Vaus. Ein Mittelabgriff des Spannungsteilers 30.2 aus R3, R4 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPV verbunden. Der Transistor M20 wirkt dabei als spannungsgesteuerte Stromquelle, so dass der Ausgangsstrom IV am Ausgang 32 vom Spannungsvergleich durch den Operationsverstärker OPV abhängt. In der Ausführung der 2 bilden der Widerstand RZ und der Kondensator CF ein Kompensationsnetzwerk X, das eine Stabilität der Regelschleife gewährleistet.
  • In Betrieb als Schaltregler wird die Ausgangsspannung Vaus durch digitale Steuersignal SPWM, in der Ausführung der 2 durch das Tastverhältnis eines PWM-Signals (PWM: Puls-Weiten-Modulation) als digitales Steuersignal SPWM am Eingang der Treiberstufe 50.2 geregelt. Das digitale Steuersignal SPWM wird dabei vom Komparator COMP im Schaltungsblock 40 generiert wird.
  • Die Ausführung des Spannungsreglers gemäß 2 vermeidet einen Eingriff in die Regelschleife und fügt nur zwei Bauteile hinzu, einen Umschalter MULT und einen Transistor M11. Die Umschaltung in den Linearbetrieb erfolgt vorzugsweise mittels dreier einfacher (zeitgleicher) Aktionen:
    • – Das digitale Steuersignal SPWM am Ausgang des Flip-Flops FF wird dauerhaft auf logisch eins (high) gesetzt wodurch Transistor M9 zu einem niederohmigen Schalter wird.
    • – Transistor M4 wird abgeschaltet, sodass die Widerstände R1 und R2 als Arbeitslast für Transistor M11 fungieren. Die zusätzliche Verstärkung durch M11 ist gering.
    • – Der Transistor M11 wird über den Umschalter MULT direkt von der Summengröße VK getrieben.
  • Der als Verstärker wirkende Transistor M11 ist an den Treiber 50.2 angeschlossen. In der Ausführung der 2 ist der Transistor M11 unmittelbar an den Transistor M9 angeschlossen. Im zweiten Modus als Linearregler ist das lineare Steuersignal SA über den geöffneten Transistor M9 des Treibers 50.2 auf einen Eingang 11 des Stellgliedes M12A geschalten.
  • Der Ausgang 22 der Stromgegenkopplungsschaltung 20.1, 20.2 und der Ausgang 32 der Spannungsgegenkopplungsschaltung 30.1, 30.2, X sind in der Ausführung der 2 an den Knoten K angeschlossen. Beide Ausgangsströme IV, Irep summieren sich im Knoten K mit unterschiedlichem Vorzeichen. Ebenfalls ist an dem Knoten K ein Widerstand R5 angeschlossen. Die Spannung VK zwischen dem Knoten K und einem Bezugspotential, insbesondere der Masse GND, ist eine Summengröße, die sowohl für den Modus als Schaltregler als auch für den Modus als Linearregler verwendet wird, wobei sowohl das digitale Steuersignal SPWM als auch das linear Steuersignal SA auf der Spannung VK basieren.
  • Die Spannungsgegenkopplung und die Stromgegenkopplung erfahren keinerlei Modifikationen beim Umschalten zwischen dem ersten Modus (Schaltregler) und dem zweiten Modus (Linearregler). Da den drei beschriebenen Aktionen keine Zeitkonstanten (bis auf parasitäre Knoten) anhaften, geschieht die Umschaltung annähernd sprungfrei, der Regler verbleibt im eingeschwungenen Zustand. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass der Transistor M11 in der Tat verstärkt, die Verstärkung jedoch durch die Stromgegenkopplung reduziert wird. Die Stromgegenkopplung unterstützt die Stabilität, sodass letztendlich ein Eingriff in die Spannungsgegenkopplung überflüssig ist.
  • Gegenüber dem Stand der Technik wird in der Ausführung der 2 eine Umschaltung zu Linearbetrieb nicht durch Umschaltung der Schaltungsumgebung von Transistor M12B erreicht. Die Regelschleife muss nicht geöffnet werden, da auch die Stromgegenkopplung nicht abgeschaltet wird. Ebenfalls muss die Spannungsgegenkopplung nicht aus Stabilitätsgründen modifiziert werden.
  • Fig. 3
  • Simulationen und Messungen der Anmelderin zeigen die Leistungsfähigkeit des Spannungsreglers bei der Umschaltung zwischen den zwei Betriebsarten (Linear, Abwärts-schaltend).
  • Bei der Umschaltung vom Modus als Linearregler zum Modus als Schaltregler wird lediglich eine Ausgangsspannungsschwankung von < 40 mVSS unter Volllast simuliert. Bei der Umschaltung vom Modus als Schaltregler zum Modus als Linearregler wird lediglich eine Ausgangsspannungsschwankung von < 140 mVSS unter Volllast simuliert.
  • Eine Messung der Ausgangsspannung Vaus ist in 3 als Diagramm schematisch dargestellt. Bei der Umschaltung vom Modus als Linearregler zum Modus als Schaltregler ist in der dargestellten Skalierung unter Volllast kein Sprung zum Zeitpunkt t0 erkennbar. Ebenfalls dargestellt ist in 3 die Steuerspannung SG am Eingang des Stellglieds.
  • Die Notwendigkeit einen Schaltregler zu einem Linearregler umzuschalten ergibt sich durch das sehr groß werdende Tastverhältnis bei kleiner Ein- zu Ausgangsspannungsdifferenz. Die Erfindung betrifft also alle Schaltregler die bei kleiner Ein- zu Ausgangsspannungsdifferenz betrieben werden müssen bzw. einer großen Eingangsspannungsdynamik ausgesetzt sind, vor allem in automobilen Anwendungen.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten der 1 bis 3 beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, eine andere Stromgegenkopplungsschaltung vorzusehen. Auch ist es möglich, dass das Kompensationsnetzwerk anders verschaltete Elemente aufweist und beispielsweise eine PID-Regler-Charakteristik aufweist. Die Funktionalität des Schaltkreises gemäß 2 kann besonders vorteilhaft für eine Elektronik im Automobil verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10, M12A
    Stellglied, Transistor
    20
    Stromgegenkopplungsschaltung
    22
    Ausgang, Stromausgang
    30
    Spannungsgegenkopplungsschaltung
    30.1
    Verstärker
    30.2
    Spannungsteiler
    32
    Ausgang, Stromausgang
    40
    Schaltung
    50
    Schaltung zur Umschaltung
    50.1
    Umschalt- und Verstärkereinheit
    50.2
    Treiber, Treiberstufe
    60
    Ansteuerschaltung
    70
    Spannungsquelle
    M0, M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9, M10, M11, M12A, M12B, M13, M14, M15, M16, M17, M18, M19, M20
    Transistor
    R1, R2, R3, R4, R5, RZ
    Widerstand
    CC, CF, CS
    Kapazität, Kondensator
    D1
    Diode
    LS
    Spule
    FF
    Flip-Flop
    COMP
    Komparator
    MULT
    Multiplexer
    OPV
    Operationsverstärker
    REF
    Referenzspannungsquelle
    RAMP
    Rampenspannungsgenerator
    TAKT
    Taktgenerator
    I1
    Konstantstromquelle
    X
    Kompensationsnetzwerk
    SPWM
    digitales Steuersignal
    SA
    lineares Steuersignal
    SG
    Ansteuersignal
    VK
    Summengröße, Spannung
    Vref
    Referenzspannung
    Vbatt, Vsub
    Versorgungsspannung
    Vaus
    Ausgangsspannung
    GND
    Masse
    Iv, Irep, Is
    Strom
    Be.art
    Umschaltsignal

Claims (13)

  1. Spannungsregler, – mit einem Stellglied (10, M12A), – mit einer Stromgegenkopplungsschaltung (20, 20.1, 20.2), – mit einer Spannungsgegenkopplungsschaltung (30, 30.1, 30.2, X), – mit Mitteln (40, 50, 50.1, 50.2, M11) zur Umschaltung zwischen einem ersten Modus als Schaltregler und einem zweiten Modus als Linearregler und zur Erzeugung eines digitalen Steuersignals (SPWM) zur Ansteuerung des Stellglieds (10, M12A) im ersten Modus als Schaltregler basierend auf einer Summengröße (VK) und zur Erzeugung eines linearen Steuersignals (SA) zur Ansteuerung des Stellglieds (10, M12A) im zweiten Modus als Linearregler basierend auf der Summengröße (VK), – wobei im ersten Modus als Schaltregler und im zweiten Modus als Linearregler ein erster Ausgang (22) der Stromgegenkopplungsschaltung (20, 20.1, 20.2) und ein zweiter Ausgang (32) der Spannungsgegenkopplungsschaltung (30, 30.1, 30.2, X) zur Bildung der Summengröße (VK) gekoppelt sind.
  2. Spannungsregler nach Anspruch 1, – bei dem zur Kopplung der erste Ausgang (22) der Stromgegenkopplungsschaltung (20, 20.1, 20.2) und der zweite Ausgang (32) der Spannungsgegenkopplungsschaltung (30, 30.1, 30.2, X) an einen Stromsummationsknoten (K) angeschlossen sind.
  3. Spannungsregler nach Anspruch 2, – bei dem zur Kopplung sich ein erster Ausgangsstrom (IV) der Stromgegenkopplungsschaltung (20, 20.1, 20.2) und ein zweiter Ausgangsstrom (Irep) der Spannungsgegenkopplungsschaltung (30, 30.1, 30.2, X) im Stromsummationsknoten (K) mit entgegensetztem Vorzeichen summieren.
  4. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem die Summengröße eine Spannung (VK) ist, die über einen Widerstand (R5) abfällt, wobei der Widerstand (R5) insbesondere an den Stromsummationsknoten (K) angeschlossen ist.
  5. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem die Stromgegenkopplungsschaltung (20, 20.1, 20.2) ausgebildet ist, einen Ausgangsstrom (Irep) zu erzeugen, der von dem Strom (IS) durch das Stellglied (10, M12A) abhängig ist, insbesondere zum Strom (IS) durch das Stellglied (10, M12A) proportional ist.
  6. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – mit einem Kompensationsnetzwerk (X), – bei dem das Kompensationsnetzwerk (X) an der Spannungsgegenkopplungsschaltung (30, 30.1, 30.2) angeschlossen ist.
  7. Spannungsregler nach Anspruch 6, – bei dem das Kompensationsnetzwerk (X) an dem Stromsummationsknoten (K) angeschlossen ist.
  8. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem die Mittel einen Verstärker (M11) zur Verstärkung des linearen Steuersignals (SA) aufweisen, und – bei dem die Mittel einen Treiber (50.2) zur Ausgabe des digitalen Steuersignals (SPWM) aufweisen.
  9. Spannungsregler nach Anspruch 8, – bei dem der Verstärker (M11) an den Treiber (50.2) angeschlossen ist.
  10. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – mit einer Steuerschaltung (60) zur Ansteuerung der Mittel (50, 50.1, 50.2) zum Schalten zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus.
  11. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem die Steuerschaltung (60) eingerichtet ist, im zweiten Modus als Linearregler das lineare Steuersignal (SA) über den Treiber (50.2) auf einen Eingang (11) des Stellgliedes (10, M12A) zu schalten.
  12. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem die Mittel eine Schaltung (40) zur Erzeugung des digitalen Steuersignals (SPWM) basierend auf der Summengröße (VK) aufweisen.
  13. Verfahren zur Umschaltung eines Spannungsreglers zwischen einem ersten Modus als Schaltregler und einem zweiten Modus als Linearregler, die Schritte aufweisend: – Erzeugen eines digitalen Steuersignals (SPWM) zur Ansteuerung eines Stellglieds (10, M12A) im ersten Modus basierend auf einer Summengröße (VK), – Umschaltung zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus, – Erzeugen eines linearen Steuersignals (SA) zur Ansteuerung des Stellglieds (10, M12A) im zweiten Modus als Linearregler basierend auf der Summengröße (VK), wobei im ersten Modus als Schaltregler und im zweiten Modus als Linearregler ein erster Ausgang (22) einer Stromgegenkopplungsschaltung (20, 20.1, 20.2) und ein zweiter Ausgang (32) einer Spannungsgegenkopplungsschaltung (30, 30.1, 30.2) zur Bildung der Summengröße (VK) gekoppelt sind.
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