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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft Schaltregler und genauer gesagt Schaltregler mit nicht linearer Vorwärtskorrektur.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Schaltregler müssen sich über zahlreiche Systemvariablen, wie etwa Arbeitsstrom, Eingangsspannung, Temperatur, Anzahl aktiver Phasen, Schaltfrequenz usw., konstant verhalten und eine hohe Leistung beibehalten, um eine angemessene Arbeitsstrom- und Spannungsregelung sicherzustellen. Auf Grund der nicht linearen Dynamik der Schaltregler können herkömmliche lineare Controller, die für Nennbedingungen ausgelegt sind, unter anderen Bedingungen, die eine nicht lineare Anpassung für das System erfordern, keine optimale Leistung beibehalten. Beispielsweise verwenden herkömmliche Schaltregler eine Vorsteuerung, wobei es sich um eine Technik handelt, um die dynamische Regelung der Schaltregler zu verbessern. Die Vorsteuerung stellt eine schnelle dynamische Regelung bereit, d.h. sie korrigiert schnell eine Eingangsspannungs- oder Arbeitsstrom-Störung ohne Breitband-Rückkopplungsschleife. Somit ist das dynamische Vorwärtskopplungsverhalten unabhängig von der Kompensation der Rückkopplungsschleife. Die herkömmliche Vorsteuerung kompensiert jedoch die Nicht-Linearitäten eines Schaltreglers nicht.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen wird eine Vorsteuerung in Schaltreglern verwendet, um Nicht-Linearitäten in den Schaltreglern zu kompensieren. Dies führt zu einem konstanten Verhalten für zahlreiche Systemvariablen, die ansonsten das System außerhalb des linearen Betriebsbereichs ansteuern könnten. Die hier beschriebenen Vorsteuerungstechniken können bei Steuerverfahren sowohl in Strombetriebsart als auch in Spannungsbetriebsart angewendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern einer Leistungsstufe eines Schaltreglers umfasst das Verfahren folgende Schritte: Einstellen einer Einschaltdauer für die Leistungsstufe unter Verwendung der Vorsteuerung, so dass die Leistungsstufe eine Ausgangsspannung basierend auf einer Eingangsspannung und einer Referenzspannung, die dem Schaltregler bereitgestellt werden, erzeugt; und Anpassen der Vorsteuerung, um der Auswirkung einer oder mehrerer Nicht-Linearitäten des Schaltreglers auf die Ausgangsspannung entgegenzuwirken.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Schaltreglers umfasst der Schaltregler eine Leistungsstufe und einen Controller. Die Leistungsstufe ist betriebsfähig, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen. Der Controller ist betriebsfähig, um eine Einschaltdauer für die Leistungsstufe basierend auf der Vorsteuerung einzustellen, so dass die Leistungsstufe die Ausgangsspannung als Funktion einer Eingangsspannung und einer Referenzspannung, die dem Schaltregler bereitgestellt werden, erzeugt. Der Controller ist ferner betriebsfähig, um die Vorsteuerung anzupassen, um der Auswirkung einer oder mehrerer Nicht-Linearitäten des Schaltreglers auf die Ausgangsspannung entgegenzuwirken.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform eines Schaltreglers umfasst der Schaltregler eine Leistungsstufe und einen Controller. Die Leistungsstufe ist betriebsfähig, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, und umfasst einen High-Side-Transistor und einen Low-Side-Transistor, die an einen Induktor angeschlossen sind. Der Controller ist betriebsfähig, um eine Einschaltdauer für die Leistungsstufe während einer aktuellen Periode der Leistungsstufe zu erhöhen, falls sich der High-Side-Transistor eingeschaltet hat, während der Induktorstrom während einer unmittelbar vorhergehenden Periode negativ war, und falls erwartet wird, dass sich der High-Side-Transistor einschaltet, während der Induktorstrom während der aktuellen Periode positiv ist.
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Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Durchlesen der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und beim Durchsehen der beiliegenden Zeichnungen erkennen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, da es vielmehr darum geht, die Grundlagen der Erfindung zu erläutern. Des Weiteren bezeichnen in den Figuren die gleichen Bezugszeichen entsprechende Teile. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltdiagramm eines Schaltreglers gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 ein Blockschaltdiagramm eines Vorwärtsanpassungsblocks, der in dem Schaltregler gemäß einer ersten Ausführungsform enthalten ist;
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3 ein Blockschaltdiagramm eines Vorwärtsanpassungsblocks, der in dem Schaltregler gemäß einer zweiten Ausführungsform enthalten ist;
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4A und 4B verschiedene Quellenspannungs-Wellenformen für den Schaltregler;
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5A und 5B verschiedene Übergänge von Quellenspannungs-Wellenformen für den Schaltregler;
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6 eine grafische Darstellung, welche die nachteilige Auswirkung einer bestimmten Induktorstrombedingung auf die Quellenspannungs-Impulsbreite zeigt;
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7 ein Blockschaltdiagramm eines Vorwärtsanpassungsblocks, der in dem Schaltregler gemäß einer dritten Ausführungsform enthalten ist;
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8 ein Blockschaltdiagramm eines Vorwärtsanpassungsblocks, der in dem Schaltregler gemäß einer vierten Ausführungsform enthalten ist; und
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9 ein Blockschaltdiagramm des Schaltreglers gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen verwenden eine Vorsteuerung in einem Schaltregler, der die Nicht-Linearitäten in dem Schaltregler kompensiert. Die hier beschriebenen Vorsteuerungstechniken können auf eine beliebige Schaltreglerarchitektur angewendet werden, umfassend: abwärts; aufwärts; auf-/abwärts; Rücklauf; Gegentakt; Halbbrücke; Vollbrücke; und SEPIC („Single-Ended Primary-Inductor Converter”). Ein Abwärtswandler generiert eine Ausgangs-DC-Spannung, die tiefer als die Eingangs-DC-Spannung ist. Ein Aufwärtswandler generiert eine Ausgangsspannung, die höher als die Eingabe ist. Ein Auf-/Abwärts-Wandler generiert eine Ausgangsspannung, deren Polarität der Eingabe entgegengesetzt ist. Ein Rücklaufwandler generiert eine Ausgangsspannung, die kleiner oder größer als die Eingabe ist, sowie mehrere Ausgaben. Ein Gegentaktwandler ist ein Wandler mit zwei Transistoren, der auf tiefen Eingangsspannungen besonders effizient ist. Ein Halbbrückenwandler ist ein Wandler mit zwei Transistoren, der bei zahlreichen rechnerunabhängigen Anwendungen verwendet wird. Ein Vollbrückenwandler ist ein Wandler mit vier Transistoren, der normalerweise bei rechnerunabhängigen Modellen verwendet wird, die eine sehr hohe Ausgangsleistung generieren können. Ein SEPIC ist eine Art DC/DC-Wandler, der es ermöglicht, dass die elektrische Spannung an seinem Ausgang größer, kleiner oder gleich derjenigen an seinem Eingang ist.
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Diese Schaltregler-Topologien übertragen Energie von der Eingangsquelle auf den Verbraucher durch alternatives Ansteuern und Absteuern eines Induktors oder Transformators. Diese Perioden werden von einem Satz Schalter oder Durchlassvorrichtungen gesteuert, und die Spannungs- oder Stromübertragung wird dadurch gesteuert, dass die Einschaltdauer, bzw. das Ein/Aus-Verhältnis bei diesen Schaltern, gesteuert wird. Der Regler-Controller überwacht und pflegt die Ausgangsvariablen (Spannung und Strom) durch Anpassen der Einschaltdauer anhand einer Rückkopplungskompensation. Die angestrebte Einschaltdauer kann jedoch aus der Systemvariablen geschätzt werden, und dieser Wert kann addiert werden, so dass die Rückkopplungskompensation nur die Differenz bereitstellen muss, wodurch sich das dynamische Verhalten des Systems verbessert.
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Für jede Art von Schaltreglerarchitektur wird ein konstantes Verhalten über zahlreiche Systemvariablen erreicht, indem eine Vorsteuerung derart umgesetzt wird, dass sie die Nicht-Linearitäten des Systems kompensiert. Die Vorsteuerung wird angepasst, um der Auswirkung der Nicht-Linearitäten des Systems auf die Ausgangsspannung des Reglers entgegenzuwirken, z.B. durch Skalieren oder Addieren/Subtrahieren eines Vorspannungswertes zu/von einem typischen linearen Vorsteuerungswert. Beispielsweise bei einem Auf-/Abwärts-Wandler kann man das PWM(Pulsbreitenmodulation)-Signal proportional zur Differenz zwischen der Eingangsspannung (Vin) und der Ausgangsspannung (Vout) machen, indem Vin-Vout mit einem Integrator, der von einem Taktimpuls zurückgesetzt wird, integriert wird. Mit den hier beschriebenen Vorsteuerungstechniken wird der lineare Vorsteuerungswert angepasst, um eine oder mehrere Nicht-Linearitäten des Systems zu kompensieren, so dass die angepasste Vorsteuerung in den richtigen Teil des Integrators eingegeben wird. Das sich ergebende PWM-Signal wird daher nicht unnötig geschmälert, was ansonsten ohne die Kompensation der Nicht-Linearitäten, die von den hier beschriebenen Techniken bereitgestellt wird, geschehen würde. Ein zu schmalbandiges PWM-Signal hat eine direkte nachteilige Auswirkung auf die Ausgangsspannung des Schaltreglers.
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Als nächstes werden Ausführungsformen der Vorsteuerungstechnik mit Kompensation der Nicht-Linearitäten beschrieben, die in Zusammenhang mit einem Schaltabwärtswandler, der eine Steuerung in Spannungsbetriebsart verwendet, erklärt wird. Somit basiert die Vorsteuerungstechnik auf einer Eingangsspannungs-Vorwärtskopplung. Die Vorsteuerungstechniken sind jedoch ebenso auf Verfahren in Strombetriebsart anwendbar, bei denen die Vorsteuerungstechnik auf einer Arbeitsstrom-Vorwärtskopplung basiert. Der Fachmann wird verstehen, dass die hier beschriebenen Vorsteuerungs-Ausführungsformen ohne weiteres auf eine beliebige geeignete Schaltreglerarchitektur, gegebenenfalls mit geringfügigen Änderungen, anwendbar sind. Derartige Änderungen liegen sehr wohl im Kompetenzbereich des Fachmanns, ohne übermäßiges Experimentieren oder weitere Erklärungen zu benötigen.
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1 bildet ein Blockschaltdiagramm einer Ausführungsform eines Schaltabwärtswandlers ab, der eine Leistungsstufe 100 umfasst, die mit einem Verbraucher 102 gekoppelt ist, wie etwa mit einem Mikroprozessor, einem Grafikprozessor, einem Netzwerkprozessor, einem digitalen Signalprozessor usw. Die Leistungsstufe 100 weist einen Eingang (Vp) und eine oder mehrere Phasen 104 auf. Die Leistungsstufe 100 versorgt den Verbraucher 102 über die eine oder die mehreren Phasen 104 mit Strom. Jede Phase 104 umfasst einen High-Side-Transistor (HS) und einen Low-Side-Transistor (LS), die von entsprechenden Treibern 106, 108 angesteuert werden. Jede Ausgangsphase 104 versorgt den Verbraucher 102 über einen Induktor (Lph) mit Strom. Die Strommenge, die von jeder Ausgangsphase 104 bereitgestellt wird, hängt von dem Schaltzustand der High-Side- und Low-Side-Transistoren ab. Ein Ausgangskondensator (Co) ist zwischen dem Phaseninduktor und dem Verbraucher 102 ebenfalls mit dem Verbraucher 102, wie in 1 gezeigt, gekoppelt. Der Ausgangskondensator kann ein einzelner Kondensator oder eine Reihe von parallelen Kondensatoren sein.
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Der Betrieb der Leistungsstufe 100 wird über eine PWM-Steuerung gesteuert, die durch einen Controller 110 umgesetzt wird. Der Controller 110 umfasst eine PWM-Steuereinheit 112, die ein PWM-Signal für jede Phase 104 der Leistungsstufe 100 generiert. Die PWM-Signale werden auf die entsprechenden Ausgangsphasen 104 angewendet, und jede Periode der PWM-Signale weist einen eingeschalteten Teil und einen ausgeschalteten Teil auf. Der High-Side-Transistor der entsprechenden Ausgangsphase 104 ist während des eingeschalteten Teils jeder PWM-Periode eingeschaltet, und der Low-Side-Transistor ist ausgeschaltet. Umgekehrt ist der Low-Side-Transistor während des ausgeschalteten Teils jeder PWM-Periode eingeschaltet, und der High-Side-Transistor ist ausgeschaltet.
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Die Einschaltdauer (d) des PWM-Signals bestimmt, wie lange die High-Side- und Low-Side-Transistoren jeweils während jeder PWM-Periode eingeschaltet sind, und daher die Strommenge, die von der entsprechenden Ausgangsphase 104 für den Verbraucher 102 bezogen wird. Das PWM-Signal oder die PWM-Signale wird bzw. werden basierend auf der Differenz zwischen einer Referenzspannung (Vref), die dem Schaltabwärtswandler bereitgestellt wird, und der Ausgangsspannung (Vo) und auch basierend auf der Eingangsspannung (Vin), die dem Wandler bereitgestellt wird, generiert. Bei einigen Ausführungsformen entspricht die Referenzspannung einer Spannungsidentifizierung (VID), die mit dem Verbraucher 102 verknüpft ist. Die VID bestimmt den Reglersollwert, d.h. die Zielspannung des Reglers, wenn der Arbeitsstrom gleich Null ist.
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Der Controller 110 umfasst ferner eine Vorsteuereinheit 114. Die Vorsteuereinheit 114 weist einen linearen Vorwärtskopplungsblock 116 und einen Vorwärtskopplungs(FF)-Anpassungsblock 118 auf. Der lineare Vorwärtskopplungsblock 116 generiert lineare Vorwärtskopplungsinformationen (FF_L), die das Verhältnis der Referenzspannung zur Eingangsspannung, d.h. Vref/Vin, wiedergeben. Der Vorwärtsanpassungsblock 118 passt diesen linearen Vorsteuerungswert (FF_L) an, um der Auswirkung einer oder mehrerer Nicht-Linearitäten des Schaltreglers auf die Ausgangsspannung entgegenzuwirken. Beispielsweise kann der Vorwärtsanpassungsblock 118 die linearen Vorwärtskopplungsinformationen skalieren oder einen Vorspannungsterm zu den linearen Vorwärtskopplungsinformationen addieren bzw. davon subtrahieren, um angepasste Vorwärtskopplungsinformationen (FF) zu ergeben, die von dem Controller 110 beim Einstellen der Einschaltdauer der PWM-Steuersignale verwendet werden. Der Vorwärtsanpassungsblock 118 kann als Wertetabelle, die für den Controller 110 zugänglich ist, oder als nicht lineare Formel, die in dem Controller 110 digital umgesetzt wird, so dass der Controller 110 programmiert werden kann, um einer Nicht-Linearität des Schaltreglers entgegenzuwirken, umgesetzt werden.
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In jedem Fall bewertet der Vorwärtsanpassungsblock 118 eine oder mehrere überwachte Systemvariablen (A), wie etwa den Leistungszustand des Schaltreglers, den Phasenstrom der Ausgangsstufe, die Ausgangsspannung, die Eingangsspannung, die Anzahl aktiver Phasen der Ausgangsstufe, die Betriebstemperatur des Schaltreglers usw. Der Vorwärtsanpassungsblock 118 passt die linearen Vorwärtskopplungsinformationen (FF_L) gemäß den überwachten Systemvariablen basierend auf programmierten Steuerparametern (B) an. Die Steuerparameter stellen eine höhere polynomische oder stellenweise lineare Korrektur bereit, um die nicht lineare Abhängigkeit von einigen der Systemvariablen zu kompensieren. Die Vorsteuerungsinformationen (FF), die beim Einstellen der Einschaltdauer der PWM-Steuersignale verwendet werden, berücksichtigen somit die Auswirkung der Nicht-Linearitäten des Systems auf die Ausgangsspannung und stellen ein konstantes Verhalten der Ausgangsspannung für zahlreiche Systemvariablen bereit.
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Einer oder mehrere der Steuerparameter (B) kann bzw. können programmierbar sein. Die Steuerparameter (B) können Schwellenwerte und/oder Steuereinstellungen sein. Falls beispielsweise der Vorwärtsanpassungsblock 118 ein stellenweise lineares System darstellt, können die Steuerparameter Schwellenwerte und auch die entsprechenden Verstärkungen zum Skalieren der Steigungen sein. Falls jedoch der Vorwärtsanpassungsblock 118 ein höheres Polynom zur Kompensation von Nicht-Linearitäten darstellt, können die Steuerparameter B Parametereinstellungen sein (z.B. polynomische Koeffizienten).
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Zusätzlich zu der Vorsteuereinheit 110 umfasst der Schaltregler auch einen ADC (Analog/Digital-Wandler) 120 zum Abtasten der Differenz zwischen der Referenzspannung und der Ausgangsspannung (Vo) und einen anderen ADC 122 zum Abtasten des Stroms (Isen), der in dem Induktor jeder Phase 104 der Leistungsstufe 100 fließt. Der Schaltregler umfasst ferner eine adaptive Spannungspositionierungs-(AVP) Einheit 124, die einen Versatz (Vavp) gegenüber der Referenzspannung (Vref) um einen Betrag, der proportional zu dem abgetasteten Induktorstrom für jede Ausgangsphase 104 ist, generiert. Die AVP-Einheit 124 umfasst einen Verstärker 126 und ein AVP-Filter 128 in 1. Im Allgemeinen kann der Controller 110 eine beliebige herkömmliche AVP-Schleife umsetzen. Die AVP in Zusammenhang mit Schaltreglern ist wohlbekannt, und daher wird keine weitere Erklärung in dieser Hinsicht gegeben. Der Versatz (Vavp), der von der AVP-Einheit 124 generiert wird, ist ein Fehlersignal (e), das in einen Kompensator 130 des Controllers 110 eingegeben wird. Bei einer Ausführungsform ist der Kompensator 130 ein PID-(proportional, integral, differenzial) Filter, das eine Kompensator-Übertragungsfunktion mit der Fehlerspannung (e) als Eingabe und der Einschaltdauer als Ausgabe umsetzt.
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Die ausgegebene Einschaltdauer wird basierend auf den Vorsteuerungsinformationen (FF), die von der Vorsteuereinheit 114 bereitgestellt werden, angepasst. Beispielsweise kann die Einschaltdauer durch Erweitern oder Schmälern der Impulse angepasst werden. Somit basiert die Einschaltdauer jedes PWM-Signals, das der Leistungsstufe 100 des Schaltreglers bereitgestellt wird, auf dem Versatz (Vavp), der von der AVP-Einheit 124 bereitgestellt wird, und auf den angepassten Vorsteuerungsinformationen (FF), die von der Vorsteuereinheit 114 bereitgestellt werden. Die Vorsteuereinheit 114 korrigiert schnell die Störungen der Eingangsspannung oder des Arbeitsstroms, ohne eine Breitband-Rückkopplungsschleife zu verwenden, und ist daher von der Kompensation der Rückkopplungsschleife unabhängig. Die Vorsteuereinheit 114 wirkt den Auswirkungen der Nicht-Linearitäten des Systems auf die Ausgangsspannung entgegen und verstärkt die Bandbreite und Robustheit des Schaltreglers.
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2 bildet eine Ausführungsform des Vorwärtsanpassungsblocks 118 ab, der in der Vorsteuereinheit 114 enthalten ist oder dazu gehört. Gemäß dieser Ausführungsform setzt der Vorwärtsanpassungsblock 118 eine Kompensationsfunktion (f) um (Block 200), welche die Systemvariablen (A) und die entsprechenden Steuerparameter (B), die in den Vorwärtsanpassungsblock 118 eingegeben werden, bearbeitet. Bei einer Ausführungsform generiert die Kompensationsfunktion einen Verstärkungsterm (GAIN), der auf eine Nicht-Linearität des Schaltreglers reagiert, z.B. wenn eine der überwachten Systemvariablen ihre entsprechende Schwelle verletzt. Beispielsweise stellt die Kompensationsfunktion GAIN > 1 ein, wenn die Betriebstemperatur des Schaltreglers um 20°C ansteigt, und stellt GAIN noch höher ein, wenn der Anstieg der Betriebstemperatur noch größer ist. Entsprechende Verstärkungseinstellungen können für den abgetasteten Induktorstrom (Isen), den Leistungszustand des Schaltreglers, Vout, Vin, die Anzahl aktiver Phasen 104 der Leistungsstufe 100 usw. eingestellt werden.
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Die Verstärkungswerte, die von der Vorsteuereinheit 114 verwendet werden, können vorbestimmt sein, durch den Controller 110 bestimmbar sein oder eine gewisse Kombination aus beiden Möglichkeiten sein, d.h. einige Verstärkungswerte können vorbestimmt und andere können bestimmbar sein. Bei einer Ausführungsform sucht der Controller 110 den Arbeitsstrom ab, der von der Leistungsstufe 100 zugeführt wird, um einen Steuerparameter zu identifizieren, bei dem eine Nicht-Linearität des Schaltreglers bewirkt, dass sich die Bandbreite des Schaltreglers um mehr als einen Zielbetrag verschlechtert. Der Controller 100 stellt einen Verstärkungswert für diese Systemvariable ein, so dass die Auswirkung der Nicht-Linearität minimiert wird. Der Vorwärtsanpassungsblock 118 passt die Vorsteuerung (FF) basierend auf dem Verstärkungswert an, der von dem Controller 110 bestimmt wird, wenn der Arbeitsstrom unter den Steuerparameter während des Betriebs des Schaltreglers abfällt.
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Im Allgemeinen multipliziert der Vorwärtsanpassungsblock 118 (Block 202) die linearen Vorwärtssteuerungsinformationen (FF_L), die basierend auf Vref/Vin berechnet werden, mit dem Verstärkungsterm (vorbestimmt oder anderweitig), um die linearen Vorsteuerungsinformationen (FF_L) zu skalieren. Es erfolgt kein Skalieren (d.h. GAIN = 1), wenn keine Steuerparameter verletzt werden, d.h. wenn keine Nicht-Linearität des Systems erkannt wird. Die Kompensationsfunktion (f) kann linear oder nicht linear sein.
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3 bildet eine andere Ausführungsform des Vorwärtsanpassungsblocks 118 ab, der in der Vorsteuereinheit 114 enthalten ist oder dazu gehört. Gemäß dieser Ausführungsform setzt der Vorwärtsanpassungsblock 118 eine Kompensationsfunktion (g) um (Block 204), die einen Vorspannungsterm (BIAS) generiert, der auf eine Nicht-Linearität des Schaltreglers reagiert, z.B. wenn eine der überwachten Systemvariablen ihre entsprechende Schwelle verletzt. Der Vorspannungsterm wird als Funktion der einen oder der mehreren überwachten Systemvariablen und des entsprechenden Steuerparameters für jede überwachte Systemvariable berechnet. Der Vorwärtsanpassungsblock 118 addiert oder subtrahiert (Block 206) den Vorspannungsterm zu/von den linearen Vorsteuerungsinformationen (FF_L), um die linearen Vorsteuerungsinformationen (FF_L) anzupassen. Es erfolgt keine Anpassung (d.h. BIAS = 0), wenn keiner der Steuerparameter verletzt wird, d.h. wenn keine Nicht-Linearität des Systems erkannt wird. Die Kompensationsfunktion (g) kann linear oder nicht linear sein.
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Ein konstantes Verhalten für zahlreiche Systemvariablen kann dadurch erreicht werden, dass eine Vorsteuerung mit Kompensation der Nicht-Linearitäten umgesetzt wird. Beispielsweise kann die hier beschriebene, nicht lineare Vorsteuerungsmethode verwendet werden, um das Verhalten der Ausgangsspannung für zahlreiche Verbraucheränderungen konstant zu halten. Mit anderen Worten kann der Abfall der typischerweise erwarteten, gemessenen Bandbreite auf niedrigen Strömen minimiert werden, indem die Vorsteuerung mit Kompensation der Nicht-Linearitäten umgesetzt wird. Die Bandbreite in den Schaltreglern kann sich als Funktion des Arbeitsstroms ändern, wodurch das Verhalten der Spannung in manchen Bereichen wechselhaft wird. Die Wechselhaftigkeit des Spannungsverhaltens erfolgt gewöhnlich für Transienten in niedrigen Strombereichen und lässt nach, wenn der Arbeitsstrom zunimmt.
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4A und 4B zeigen zwei Arten von Wellenformen für Schaltbetriebsarten. Die Wellenformen der Schaltbetriebsarten entsprechen der Quellenspannung des Schaltreglers. Die Wellenform 'A' erscheint, wenn sich der High-Side-Transistor der entsprechenden Ausgangsphase 104 einschaltet, während der Induktorstrom negativ ist, d.h. ein kleiner Teil des Induktorwellenstroms ist negativ, wie in 4A gezeigt. Spitzen erscheinen in der Wellenform der Schaltbetriebsart während der Pausenzeiten, d.h. wenn beide Transistoren ausgeschaltet sind. Beispielsweise weist die Wellenform 'A' eine positive Spitze am Anfang der Periode und eine negative Spitze am Ende der Periode auf. Die Wellenform 'B' erscheint, wenn sich der High-Side-Transistor der entsprechenden Ausgangsphase 104 einschaltet, während der Induktorstrom positiv ist und über einer Schwelle liegt, wie in 4B gezeigt. Die Wellenform 'B' weist eine negative Spitze am Anfang und am Ende der Periode auf. Die Körperdiode des High-Side-Transistors schaltet sich während der positiven Spitzen ein (d.h. während der ersten Spitze der Wellenform 'A'), um während dieser Pausenzeiten einen Weg für den überschüssigen Strom bereitzustellen, und die Körperdiode des Low-Side-Transistors schaltet sich während der negativen Spitzen ein (d.h. während der zweiten Spitze der Wellenform 'A' und den beiden Spitzen der Wellenform 'B'), um während dieser anderen Pausenzeiten einen Stromweg bereitzustellen.
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5A zeigt eine derartige Folge von Wellenformen, wobei auf die Wellenform 'A' in einer Periode sofort die Wellenform 'B' in der nächsten Periode folgt. Falls eine Transiente in A oder B erscheint, bleibt die Bandbreite konstant. Die Bandbreite wird jedoch reduziert und das transiente Verhalten verlangsamt, wenn eine Transiente von A zu B erscheint. 5B zeigt die umgekehrte Folge von Wellenformen, d.h. die Wellenform 'B' in einer Periode, sofort gefolgt von der Wellenform 'A' in der nächsten Periode. Der Übergang von A nach B (5A) erfolgt, wenn der Strom zunimmt und sich der negative Teil der Welle auf die positive Seite begibt, und der Übergang von B nach A (5B) erfolgt, wenn sich der untere Teil der Stromwelle von positiv auf negativ begibt.
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Alle Kompensatoren benötigen eine hohe DC-Verstärkung, um die bleibende Regelabweichung zu minimieren. In dem PID(proportional, integral, differenzial)-Controller steuert der Integratorterm das Spannungsverhalten im Beharrungszustand. Nach jeder Transiente stabilisiert sich der Integratorteil des PID, der durch den Kompensator 130 umgesetzt wird, auf einem Wert, der durch die Abweichung in dem Vorwärtskopplungsterm bestimmt wird. D.h. das Anpassen der Vorwärtskopplungsverstärkung wirkt sich auf den Stabilisierungswert des Integrators in dem System aus, und die Vorwärtskopplungsverstärkung kann derart eingestellt werden, dass sich der Integrator beispielsweise auf Null stabilisiert. Für die Übergänge von A zu A oder B zu B, auf Grund der Konstanz der Impulse, ändert sich der Beharrungszustandswert des Integrators nicht nennenswert, so dass keine zusätzlichen Impulsschwänze oder eine langsame Reaktion zu beobachten sind, falls das System richtig ausgelegt ist. Für die Übergänge von A zu B oder B zu A sind die Impulse jedoch nicht konstant und es entsteht eine plötzliche Änderung der Pulsbreite. Dies bewirkt, dass sich der Integrator auf einem anderen Wert als erwünscht stabilisiert, und dadurch wird das Spannungsverhalten bei zusätzlicher Überschwingung (Unterschwingung) und langer Stabilisierungszeit langsamer. Die hier beschriebenen Ausführungsformen ändern den Vorwärtskopplungsterm und passen ihn derart an, dass der Integrator nach den Übergängen von A zu B oder von B zu A keine Schwierigkeiten hat, seinen endgültigen Wert zu erreichen, und sich auf einem Wert stabilisiert, der nahe bei dem liegt, der vor dem Übergang gegeben war.
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6 zeigt die nachteilige Auswirkung auf die Quellenspannung (Kurve C1), die sich ergibt, wenn auf die Wellenform 'A' in einer Periode sofort die Wellenform 'B' in der nächsten Periode folgt. Ebenfalls in 6 eingezeichnet sind das PWM-Steuersignal des High-Side-Transistors (Kurve C2), die Pausenzeit (Kurve C3) und der Induktorstrom (Kurve C4). Die Wellenform 'A' weist eine Breite Wa auf, und darauf folgt die Wellenform 'B', die eine kleinere Breite Wb aufweist. Die reduzierte Breite Wb ergibt sich daraus, dass der Induktorstrom am Anfang der ersten Periode negativ ist (Wellenform 'A'), doch am Anfang der unmittelbar folgenden Periode (Wellenform 'B') positiv ist. Eine derartige Änderung des Induktorstroms verursacht eine entsprechende Reduzierung der Impulsbreite der Quellenspannung, die wiederum das Systemverhalten verlangsamt.
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Die hier beschriebenen Vorsteuerungstechniken können dieser negativen Auswirkung entgegenwirken, die durch einen Negativ/Positiv-Übergang im Induktorstrom von einer Periode zur nächsten Periode verursacht wird. Beispielsweise kann die Vorsteuereinheit 114, die in dem Regler-Controller 110 enthalten ist oder dazu gehört, die Einschaltdauer für die Leistungsstufe 100 erhöhen, um eine Schmälerung der Impulsbreite der Quellenspannung unter solchen Induktorstrombedingungen zu verhindern. Falls sich der High-Side-Transistor eingeschaltet hat, während der Induktorstrom während der unmittelbar vorhergehenden Periode negativ war, und erwartet wird, dass sich der High-Side-Transistor einschaltet, während der Induktorstrom während der aktuellen Periode positiv ist, wie in 6 gezeigt, vergrößert die Vorsteuereinheit 114 die Breite des Quellenspannungsimpulses, wie hier zuvor beschrieben, z.B. durch Skalieren oder Addieren/Subtrahieren eines Vorspannungsterms zu/von den linearen Vorsteuerungsinformationen (FF_L), was wiederum die Impulsbreite der Quellenspannung verbreitert. Auf diese Art und Weise bleibt das Ausgangsspannungsverhalten für zahlreiche Verbraucheränderungen konstant.
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7 bildet eine andere Ausführungsform der Vorsteuereinheit 114 ab, die in dem Regler-Controller 110 enthalten ist oder dazu gehört. Gemäß dieser Ausführungsform bearbeitet die Kompensationsfunktion (f), die durch den Vorwärtsanpassungsblock 118 umgesetzt wird, den abgetasteten Induktorstrom (Isen) jeder Ausgangsphase 104 und die entsprechenden Stromsteuerparameter (Ithr). Falls Isen < Ithr, wird die Verstärkung (GAIN) auf einen Wert (gain) eingestellt, der dem Betrag entspricht, um den Isen kleiner als Ithr ist. Ansonsten gilt GAIN = 1. Die linearen Vorsteuerungsinformationen (FF_L) werden um die Verstärkung skaliert, wie sie durch GAIN xFF_L gegeben ist, um die angepassten Vorsteuerungsinformationen zu generieren, die beim Einstellen der Einschaltdauer der Leistungsstufe 100 verwendet werden, d.h. der Einschaltdauer des oder der PWM-Steuersignale, das bzw. die die Ausgangsphasen 104 des Schaltabwärtswandlers, der in 1 gezeigt wird, ansteuern.
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8 bildet noch eine andere Ausführungsform der Vorsteuereinheit 114 ab, die in dem Regler-Controller 110 enthalten ist oder dazu gehört. Gemäß dieser Ausführungsform bearbeitet die Kompensationsfunktion (g), die durch den Vorwärtsanpassungsblock 118 umgesetzt wird, den abgetasteten Induktorstrom (Isen) jeder Ausgangsphase 104 und die entsprechenden Stromsteuerparameter (Ithr). Falls Isen < Ithr, wird die Vorspannung (BIAS) auf einen Wert(-bias) eingestellt, der dem Betrag entspricht, um den Isen kleiner als Ithr ist. Ansonsten gilt BIAS = 0. Der Vorspannungswert wird zu den linearen Vorsteuerungsinformationen (FF_L), wie sie durch FF_L + BIAS gegeben sind, addiert oder davon subtrahiert, um die angepassten Vorsteuerungsinformationen zu generieren, die beim Einstellen der Einschaltdauer der Leistungsstufe 100 verwendet werden.
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9 bildet ein Blockschaltdiagramm einer anderen Ausführungsform des Schaltabwärtswandlers ab. Die in 9 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich wie die in 1 gezeigte Ausführungsform. Der Versatz (Vavp), der von der AVP-Einheit 124 generiert wird, wird jedoch von der Referenzspannung (Vref) subtrahiert, um eine Zielspannung (Vtar) zu generieren. Der lineare Vorwärtskopplungsblock 116, der in der Vorsteuereinheit 114 enthalten ist oder dazu gehört, generiert die linearen Vorwärtskopplungsinformationen (FF_L) als Verhältnis der Zielspannung zur Eingangsspannung, d.h. Vtar/Vin. Der Vorwärtsanpassungsblock 118 passt diesen linearen Vorsteuerungswert (FF_L) an, um der Auswirkung einer oder mehrerer Nicht-Linearitäten des Schaltreglers auf die Ausgangsspannung entgegenzuwirken, wie es hier zuvor beschrieben wurde.
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Begriffe, wie etwa „erster“, „zweiter“ und dergleichen, werden verwendet, um diverse Elemente, Bereiche, Abschnitte usw. zu beschreiben, und sind nicht als einschränkend anzusehen. In der gesamten Beschreibung beziehen sich ähnliche Begriffe auf ähnliche Elemente.
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Wie sie hier verwendet werden, sind die Begriffe „aufweisend“, „enthaltend“, „umfassend“ und dergleichen Begriffe im weitesten Sinne, welche das Vorliegen von angeführten Elementen oder Merkmalen angeben, jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein, eine, einer“, und „der, die, das“ sind dazu gedacht, sowohl die Mehrzahl als auch die Einzahl zu umfassen, soweit der Zusammenhang es nicht eindeutig anders angibt.
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Angesichts des obigen Bereichs von Variationen und Anwendungen versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt ist, und auch nicht durch die beiliegenden Zeichnungen eingeschränkt ist. Vielmehr ist die vorliegende Erfindung nur durch die nachstehenden Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente eingeschränkt.
