DE102014112855A1

DE102014112855A1 - Stromschätzer für einen Wandler

Info

Publication number: DE102014112855A1
Application number: DE201410112855
Authority: DE
Inventors: Martin Feldtkeller
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2015-03-12
Also published as: US20150069990A1; CN104426366A; CN104426366B; US9455631B2

Abstract

Beispielsweise wird eine Stromschätzschaltung für einen Wandler vorgeschlagen, umfassend eine Integrierschaltung zum Integrieren einer Spannung, die über einer Induktivität des Wandlers abfällt, eine Strommesseinheit zum Bestimmen eines Signals, das mit dem Strom assoziiert ist, der durch mindestens einen elektronischen Schalter des Wandlers fließt und eine Kontrolleinheit zum Einstellen von mindestens zwei Parametern der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich einer Ausgabe der Integrierschaltung mit dem Signal, das von der Strommesseinheit bereitgestellt wird.

Description

Hier beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Stromschätzungen und ermöglichen Stromschätzungen in Wandlerschaltungen (Konvertern) die insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen betrieben werden können.
Eine Aufgabe besteht darin, insbesondere die Effizienz von Wandlern zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Mindestens eines der folgenden Beispiele und/oder mindestens eine der Ausführungsformen kann als innovativ betrachtet werden. Eine solche Ausführungsform kann mit anderen hierin beschriebenen Aspekten oder Ausführungsformen kombiniert werden. Jede hier beschriebene Ausführungsform oder Ausgestaltung ist nicht unbedingt als gegenüber einer anderen Ausführungsform oder Ausgestaltung bevorzugt oder vorteilhaft aufzufassen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Stromschätzschaltung für einen Wandler vorgeschlagen, umfassend:

– eine Integrierschaltung zum Integrieren einer Spannung, die über einer Induktivität des Wandlers abfällt,
– eine Strommesseinheit zum Bestimmen eines Signals, das mit dem Strom assoziiert ist, der durch mindestens einen elektronischen Schalter des Wandlers fließt,
– eine Kontrolleinheit zum Einstellen von mindestens zwei Parametern der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich einer Ausgabe der Integrierschaltung mit dem Signal, das von der Strommesseinheit bereitgestellt wird.

Daher wird vorteilhafterweise eine Stromverfolgung ermöglicht, die es erlaubt, einen Strom, der durch eine Induktivität eines Wandlers fließt anhand der Spannung über dieser Induktivität zu bestimmen, wobei diese Spannung in einer geschlossenen Schleife kalibriert wird, um schnell eine hochpräzise Wiedergabe des Stroms zu erhalten.
Hierbei sei angemerkt, dass die Ausgabe der Integrierschaltung z.B. an einem Ausgang der Integrierschaltung bereitgestellt werden kann.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Wandler ein DC/DC-Wandler ist.
Weiterhin ist es eine Ausgestaltung, dass die mindestens zwei Parameter mindestens eine Verstärkung der Integrierschaltung und einen Offset der Integrierschaltung umfassen.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Kontrolleinheit eingerichtet ist zum Einstellen der mindestens zwei Parameter der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich der Ausgabe der Integrierschaltung mit einem Signal, das von der Strommesseinheit in einem geschlossenen Regelkreis bereitgestellt wird.
Ferner ist es eine Ausgestaltung, dass die Kontrolleinheit eingerichtet ist zum Einstellen der mindestens zwei Parameter der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich der Ausgabe der Integrierschaltung mit einem Signal, das von der Strommesseinheit bereitgestellt wird, wenn dieses Signal gültig ist.
Zusätzlich ist es eine Ausgestaltung, dass das Signal, das von der Strommesseinheit gewonnen wird, gültig ist während eines Teils einer Schaltperiode eines elektronischen Schalters des Wandlers.
Somit kann die Strommesseinheit maskiert bzw. ausgeblendet sein während einer Zeit, in der der elektronische Schalter ausgeschaltet ist. Dies kann durch Kurzschließen eines stromerfassenden Operationsverstärkers erreicht werden. Gemäß einem Beispiel kann der stromerfassende Operationsverstärker angeordnet werden, um eine Ausgangsspannung zu liefern, die proportional ist zu einem Strom, der durch den elektronischen Schalter fließt.
Weiterhin ist es eine Ausgestaltung, dass der elektronische Schalter ein High-Side-Schalter oder ein Low-Side-Schalter des Wandlers ist.
Bei dem High-Side-Schalter handelt es sich beispielsweise um einen (elektronischen) Schalter, der direkt mit einer Versorgungsspannung verbunden ist und bei dem Low-Side-Schalter handelte es sich beispielsweise um einen (elektronischen) Schalter, der mit Masse verbunden ist. Beispielsweise ist der High-Side-Schalter im Vergleich zu dem Low-Side-Schalter derjenige Schalter, der näher an einer (Versorgungs-)Spannung angeordnet ist und der Low-Side-Schalter ist im Vergleich zu dem High-Side-Schalter derjenige Schalter, der näher an Masse angeordnet ist. Der Low-Side-Schalter und der High-Side-Schalter können miteinander in Reihe geschaltet sein. Insbesondere kann jeweils einer der beiden Schalter, z.B. über eine Ansteuereinheit, geschlossen werden.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Strommesseinheit eine Messzelle umfasst, die zusammen mit einem der elektronischen Schalter des Wandlers angeordnet ist.
Zusätzlich ist es eine Weiterbildung, dass die Messzelle zusammen mit dem elektronischen Schalter des Wandlers angeordnet ist, der in einem typischen Betriebsmodus oder während der Laufzeit für eine längere Zeitdauer in einem leitenden Zustand ist als der andere elektronische Schalter des Wandlers.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Schaltung eine Stromquelle umfasst, die einen Strom für die Messzelle bereitstellt, wobei die Stromquelle von einem stromerfassenden Operationsverstärker gesteuert wird.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass eine Stromquelle vorgesehen ist, die einen Strom für die Messzelle bereitstellt, wobei die Stromquelle von einer Ausgabe der Integrierschaltung gesteuert wird.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass die mindestens zwei Parameter mittels eines stromerfassenden Operationsverstärkers eingestellt werden.
So ein Merkmal erlaubt der Schaltung bei hohen Frequenzen zu arbeiten und ein angemessenes Genauigkeitsniveau zu wahren.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Kontrolleinheit eingerichtet ist, um mindestens einen Parameter während eines DCM-Betriebs nicht einzustellen.
Bei dem DCM-Betrieb handelt es sich um einen diskontinuierlichen (nichtkontinuierlichen) Strombetrieb bzw. um einen Betrieb mit diskontinuierlichem Stromfluss (DCM: "dicontinuous conduction mode" oder "discontiuous current mode"). Bei einem CCM-Betrieb handelt es sich um einen kontinuierlichen Strombetrieb bzw. um einen Betrieb mit kontinuierlichem ("nicht-lückendem") Stromfluss (CCM: "continous conduction mode" oder "continuous current mode").
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Kontrolleinheit eingerichtet ist, um eine Verstärkung der Integrierschaltung während eines DCM-Betriebs nicht einzustellen.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Kontrolleinheit eingerichtet ist, um die Verstärkung der Integrierschaltung basierend auf mindestens einem der folgenden Kriterien während des DCM-Betriebs nicht einzustellen:

– einer Dauer einer Totzeit,
– einer Dauer der Einschaltzeit eines Low-Side-Schalters,
– ein Tastverhältnis der Einschaltzeit des Low-Side-Schalters im Vergleich zu der Periodendauer.

Weiterhin besteht eine Ausgestaltung darin, dass die Kontrolleinheit eingerichtet ist, eine Verstärkungseinstellung zu speichern, die während eines CCM-Betriebs erhalten wurde, um wiederverwendet zu werden, wenn der Wandler von einem DCM-Betrieb in den CCM-Betrieb zurückkehrt.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Integrierschaltung und/oder die Strommesseinheit ein Array von Abtast-Kondensatoren umfasst, wobei das Array in mehrere Bereiche unterteilt ist, wobei die in den Bereichen gespeicherten Ladungen zur Einstellung der Parameter der Integrierschaltung eingesetzt werden.
Ferner ist es eine Ausgestaltung, dass die Kontrolleinheit eingerichtet ist

– zum Verfolgen eines Stromsignals bis zum Ende eines aktiven Schaltzyklus eines der elektronischen Schalter,
– zum Speichern des verfolgten Stromsignals,
– zum Bestimmen eines Unterschieds zwischen einem nachfolgenden Stromsignalwert, der während eines nachfolgenden aktiven Schaltzyklus des gleichen elektronischen Schalters gewonnen wurde und dem vorherigen gespeicherten verfolgten Stromsignal.

Dies kann erreicht werden durch eine "Track-and-Hold"-Funktionalität der Kontrolleinheit. Das Verfolgen des Stromsignals kann durchgeführt werden bis ein Ende einer Einschalt-Periode des elektronischen Schalters erreicht ist. Dann kann das verfolgte Stromsignal gespeichert (gehalten, "hold") werden, z.B. digital oder mittels eines Kondensators. Als nächstes, sobald das Stromsignal gültig wird, d.h. nachdem der elektronische Schalter wieder angeschaltet wurde und nachdem das Stromsignal einen stabilen Zustand erreicht hat, kann der vorher gespeicherte Stromsignalwert mit dem aktuellen Stromsignalwert verglichen werden. Der Unterschied kann verwendet werden, um die Verstärkung der Integrierschaltung von Zyklus zu Zyklus anzupassen.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Stromschätzung für einen Wandler vorgeschlagen, umfassend:

– Integrieren mittels einer Integrierschaltung einer Spannung, die über einer Induktivität des Wandlers abfällt,
– Erlangen mittels einer Strommesseinheit eines Signals, das mit dem Strom assoziiert ist, der durch mindestens einen elektronischen Schalter des Wandlers fließt,
– Einstellen von mindestens zwei Parametern der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich einer Ausgabe der Integrierschaltung mit dem Signal, das von der Strommesseinheit bereitgestellt wird.

Eine Weiterbildung ist es, dass die mindestens zwei Parameter mindestens eine Verstärkung der Integrierschaltung und einen Offset der Integrierschaltung umfassen.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass das Verfahren umfasst: Einstellen der mindestens zwei Parameter der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich der Ausgabe der Integrierschaltung mit dem Signal, das von der Strommesseinheit in einem geschlossenen Regelkreis bereitgestellt wird.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass das Verfahren umfasst: Einstellen der mindestens zwei Parameter der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich der Ausgabe der Integrierschaltung mit dem Signal, das von der Strommesseinheit bereitgestellt wird, wenn dieses Signal gültig ist.
Eine zusätzliche Weiterbildung besteht darin, dass das Signal, das von der Strommesseinheit gewonnen wird, gültig ist während eines Teils einer Schaltperiode eines elektronischen Schalters des Wandlers.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass das Signal, das von der Strommesseinheit gewonnen wird, gültig ist während eines Teils einer Schaltperiode eines elektronischen Schalters des Wandlers nach einer vorgegebenen Zeitdauer bis zu einem vollzogenen Einschwingen oder bis ein Überschwingen im Wesentlichen abgeklungen ist.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass das Verfahren umfasst:

– Starten eines Verfolgens, wenn das Signal gültig wird bis zum Ende der Gültigkeitsdauer,
– Speichern des verfolgten Signals,
– Bestimmen eines Unterschieds zwischen einem nachfolgenden Signal einer nachfolgenden Schaltperiode und dem gespeicherten Signal,
– Einstellen einer Verstärkung der Integrierschaltung basierend auf dem Unterschied.

Zusätzlich ist es eine Ausgestaltung, dass das Verfahren umfasst:

– Einstellen eines Offsets der Integrierschaltung basierend auf einem Unterschied zwischen dem Signal, das von der Strommesseinheit erhalten wurde wenn dieses Signal gültig ist und der integrierten Spannung über der Induktivität, bereitgestellt von der Integrierschaltung.

Ferner ist es eine Ausgestaltung, dass das Signal, das mit dem Strom assoziiert ist, der durch mindestens einen der elektronischen Schalter fließt, bestimmt wird mittels einer Messzelle, die zusammen mit einem der elektronischen Schalter angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass ein Strom, der durch die Messzelle fließt, von einer Stromquelle bereitgestellt wird, wobei die Stromquelle von einem stromerfassenden Operationsverstärker gesteuert wird.
Eine andere Ausgestaltung besteht darin, dass ein Strom, der durch die Messzelle fließt, von einer Stromquelle bereitgestellt wird, wobei die Stromquelle von einer Ausgabe der Integrierschaltung gesteuert wird, die die Spannung über der Induktivität integriert.
Eine Weiterbildung ist es, dass das Verfahren umfasst: Nicht-Einstellen von mindestens einem Parameter während eines DCM-Betriebs.
Weiterhin ist es eine Ausgestaltung, dass das Verfahren umfasst: Nicht-Einstellen eines Verstärkungsparameters der Integrierschaltung während eines DCM-Betriebs.
Auch besteht eine Ausgestaltung darin, dass das Verfahren umfasst: Nicht-Einstellen einer Verstärkung der Integrierschaltung während eines DCM-Betriebs basierend auf mindestens einem der folgenden Kriterien:

Ferner besteht eine Ausgestaltung darin, dass das Verfahren umfasst: Speichern einer Verstärkungseinstellung, die während eines CCM-Betriebs erhalten wurde, um wiederverwendet zu werden, wenn der Wandler von einem DCM-Betrieb in den CCM-Betrieb zurückkehrt.
Auch wird ein System zur Stromschätzung für einen Wandler vorgeschlagen, umfassend:

– Mittel zum Integrieren anhand einer Integrierschaltung einer Spannung, die über einer Induktivität des Wandlers abfällt,
– Mittel zum Erlangen anhand einer Strommesseinheit eines Signals, das mit dem Strom assoziiert ist, der durch mindestens einen elektronischen Schalter des Wandlers fließt,
– Mittel zum Einstellen von mindestens zwei Parametern der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich einer Ausgabe der Integrierschaltung mit dem Signal, das von der Strommesseinheit bereitgestellt wird.

Ferner wird ein DC/DC-Abwärtswandler vorgeschlagen, umfassend mindestens eine Stromschätzschaltung wie hierin beschrieben.
Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt und veranschaulicht. Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt einen zeigt einen Abwärts-DC/DC-Schaltwandler mit einer DC-Quelle, einem High-Side-Schalter, einem Low-Side-Schalter, einer Induktivität, einem Ausgangskondensator und einem Widerstand, wobei eine Integrierschaltung eine Spannung über der Induktivität integriert und ein geschätztes Stromsignal E basierend auf dieser Integration bereitstellt und wobei ein Komparator das geschätzte Stromsignal E mit einem Signal vergleicht, das von einer Messung eines Stroms durch den Low-Side-Schalter bereitgestellt wird;
2 zeigt eine beispielhafte Implementierung der Integrierschaltung mit einstellbaren Parametern Verstärkung und Offset;
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer anderen Implementierung der Integrierschaltung und dessen Verbindungen mit dem DC/DC-Wandler;
4A–4F veranschaulicht ein Verfahren zur Bestimmung einer Korrektur von Verstärkung ("Gain") und Offset basierend auf einem gemessenen Strom und einem geschätzten Stromsignal;
5 zeigt einen anderen Ansatz, um die Steuerparameter basierend auf einer Vielzahl von Abtastwerten mittels eines Arrays von Abtast-Kondensatoren zu erhalten;
6 zeigt eine Implementierung eines Schalt-Wandlers mit einem Stromschätzer umfassend eine bestimmte Ausgestaltung einer Strommessschaltung;
7 zeigt eine Implementierung eines Schalt-Wandlers mit einer Stromschätzschaltung basierend auf 6, die bei hohen Wandlerfrequenzen betrieben werden kann;
8 zeigt eine andere Ausführungsform eines Schalt-Wandlers mit einer Stromschätzschaltung basierend auf 7.
Die nachfolgend im Detail beschriebene Schaltung kann Teil eines Wandlers sein oder einer Verarbeitungseinheit, einer Regeleinheit oder einer Steuereinheit beliebiger Art, die mit einem solchen Wandler verbunden, mit einem solchen Wandler verbindbar oder einen solchen Wandler umfasst. Hierbei sei angemerkt, dass es keine Einschränkung bezüglich des Einsatzes der hier beschriebenen Schaltungen gibt.
Die hier vorgestellte Lösung kann sich insbesondere auf einen Typ von Abwärts-DC/DC-Wandler beziehen. Ein derartiger Wandler kann z.B. verwendet werden auf einer oder für eine Computer-Hauptplatine zur Energieversorgung einer Hauptverarbeitungseinheit (CPU) oder in Verbindung mit einem Lastspannungsregler.
Es gibt eine steigende Anforderung für eine hohe Betriebsfrequenz (Schaltfrequenz) derartiger DC/DC-Wandler. Gegenwärtige Hauptplatinen verwenden eine Betriebsfrequenz in Höhe von 500kHz, eine zukünftige Generation von Betriebsfrequenz kann bis zu 1MHz hoch sein und folgende Generationen mögen eine Betriebsfrequenz von 3MHz und mehr nutzen.
Der hier in Bezug genommene Wandler kann insbesondere ein DC/DC-(Schalt-)Wandler oder ein beliebiger Leistungswandler sein, der mindestens eine Halb- oder Voll-Brückenschaltung umfasst, die jeweils elektronische Schalter umfasst, z.B. Halbleiter-Schalter, Transistoren, MOSFETs, IGBTs, etc.
In DC/DC-Wandlern wird Energie periodisch gespeichert in und freigegeben von einem Magnetfeld in eine Induktivität oder einen Transformator. Durch Anpassen des Tastverhältnisses der Ladespannung (das heißt, das Verhältnis von An-/Auszeit) kann die Menge der übertragenen Leistung kontrolliert bzw. gesteuert werden. Üblicherweise wird dies zur Kontrolle der Ausgangsspannung verwendet, obwohl es verwendet werden könnte, um die Eingangsspannung oder die Ausgangsspannung zu steuern oder eine konstante Leistung beizubehalten. Transformatorbasierte Wandler können eine Isolierung zwischen Eingang und Ausgabe (Eingabe und Ausgabe) gewährleisten.
Zum Beispiel verwenden CPU- oder Chipsatz-Netzgeräte Multiphasen-DC/DC-Wandler. Zum Stromausgleich kann es nötig sein, den Laststrom jeder Phase mit großer Genauigkeit zu kennen oder zu bestimmen.
Für eine schrittweise Lastantwort ist es auch vorteilhaft, den Strom in Echtzeit zu kennen, umfassend z.B. einen Strom-Ripple (auch bezeichnet als eine Welligkeit des Stroms bzw. des Stromsignals) und insbesondere weitere Informationen als lediglich einen Durchschnittswert des Stroms. Eine Echtzeit-Strom-Information kann verwendet werden, um einen DCM-Betrieb zu steuern bzw. zu kontrollieren, z.B. während niedriger Lastbedingungen.
Die hier vorgestellten Beispiele zeigen insbesondere, wie man ein hochpräzises Echtzeit-Stromüberwachungssignal erzeugen kann, auch bis zu einer hohen Arbeitsfrequenz eines Wandlers, z.B. im Bereich von bis zu 3MHz und darüber hinaus.
Der beschriebene Stromschätzer kann auch auf dem Gebiet von DC/DC-Wandlern für Leuchtdioden (LEDs) verwendet werden, wo eine genaue Information über den LED-Strom benötigt wird, aber nicht direkt gemessen werden kann.
Hier beschriebene Beispiele können insbesondere ein Integrieren einer Spannung über eine Spule (auch bezeichnet als Induktivität) eines Wandlers, z.B. eines Abwärtswandlers verwenden, um den Strom (bzw. ein Abbild oder einen Repräsentanten des Stroms) zu bestimmen. Eine Strommessfunktionalität kann verwendet werden, bevorzugt implementiert als eine Messzelle in einem der Halbbrücken-Schalter des Wandlers und bevorzugt in dem Schalter, der die meiste Zeit in einem leitenden Zustand ist. Der Schalter kann ein High-Side-Schalter oder ein Low-Side-Schalter des Wandlers sein.
Die Ergebnisse der Messzellenstrommessung können mit dem Strom bzw. dem Abbild des Stroms verglichen werden, das durch die Integration erhalten wurde. Der Vergleich kann verwendet werden, um zwei Parameter der Integrierschaltung anzupassen, so dass das Abbild mit dem gemessen Strom während solcher Zeiten übereinstimmt, in denen der gemessene Strom als gültig angenommen wird. Die Parameter können bevorzugt eine Verstärkung der Integrierschaltung und ein Offset (eine Verschiebung) sein.
Gemäß einer Option mag die Stromquelle, die den Strom durch die Messzelle treibt nicht durch einen stromerfassenden Operationsverstärker gesteuert werden, sondern durch eine abgestimmte Ausgabe einer Integrierschaltung, und die Parameter können angepasst werden basierend auf dem Ausgabesignal des stromerfassenden Operationsverstärkers. Diese Modifikation der hierarchischen Struktur der Feedbackschleife erlaubt der Schaltung bei hohen Frequenzen betrieben zu werden und dabei ein geeignetes Niveau an Genauigkeit aufrechtzuerhalten.
1 zeigt einen Abwärts-DC/DC-Schaltwandler mit einer DC-Quelle 111, einem High-Side-Schalter 101, einem Low-Side-Schalter 102, einer Induktivität 103, einem Ausgangskondensator 104 und einem Widerstand 105 (auch bezeichnet als Last).
Die DC-Quelle 111 ist über den Schalter 101 mit einem Knoten 112 verbunden und der Knoten 112 ist über eine Reihenschaltung, die den Schalter 102 und einen Stromdetektor 110 umfasst, mit Masse GND verbunden. Der Knoten 112 ist über die Induktivität 103 mit einem Knoten 113 verbunden. Der Knoten 113 ist über den Kondensator 104 mit Masse GND verbunden. Der Knoten 113 ist auch über den Widerstand 105 mit Masse GND verbunden.
Ein Schaltsignal des Wandlers (auch bezeichnet als PHS-Signal) kann an dem Knoten 112 bestimmt werden und eine Spannung VOUT kann an dem Knoten 113 bestimmt werden.
Ein PWM-Generator 106 (PWM: "pulse width modulation", Pulsbreitenmodulation) treibt die Schalter 101 und 102 abwechselnd an. Eine Integrierschaltung 107 integriert die Spannung über der Induktivität 103 und gibt ein geschätztes Stromsignal E basierend auf dieser Integration aus.
Ein Komparator 108 vergleicht das geschätzte Stromsignal E mit einem Signal 109, das durch das Messen eines Stroms durch den Low-Side-Schalter 102 erhalten wird. Das Signal 109 kann von einem Stromdetektor 110 erhalten werden, der als ein Messwiderstand (auch bezeichnet als Sense-Widerstand) oder ähnliches realisiert sein könnte. Die Ausgabe des Komparators 108 wird an einen Konfigurationseingang der Integrierschaltung 107 (Signal P) zurückgeführt. Der Komparator 108 kann ein üblicher Komparator sein oder eine beliebige Schaltung, die eine Vergleichsfunktionalität bereitstellt.
2 zeigt eine beispielhafte Implementierung der Integrierschaltung 107 mit konfigurierbaren Parametern Verstärkung und Offset.
Der Knoten 112 ist über einen Widerstand R1 mit einem Knoten 201 verbunden, der Knoten 201 ist über einen Widerstand R3 mit einem Knoten 202 verbunden. Der Knoten 113 ist über einen veränderlichen Widerstand R2 mit dem Knoten 201 verbunden. Auch ist der Knoten 113 über einen Widerstand R4 mit einem Knoten 205 verbunden. Der Knoten 202 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 203 verbunden und der Knoten 205 ist verbunden mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 203.
Der Knoten 205 ist über einen Kondensator 206 mit einem Knoten 207 verbunden. Der Knoten 207 ist über eine DC-Quelle 208 mit Masse GND verbunden. Der Knoten 207 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 204 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 204 liefert das geschätzte Stromsignal E.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 203 ist verbunden mit einem Knoten 209. Der Knoten 209 ist über einen veränderlichen Widerstand 210 mit einem Knoten 211 verbunden und der Knoten 211 ist über einen veränderlichen Widerstand 212 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 204 verbunden.
Eine regelbare Stromquelle 213 ist verbunden mit dem Knoten 202. Der Knoten 202 ist über einen Kondensator Cin mit einem Schalter 214 verbunden, der Knoten 202 ist über einen Kondensator Ci2 mit einem Schalter 215 verbunden und der Knoten 202 ist über einen Kondensator Ci1 mit einem Schalter 216 verbunden. Jeder der Schalter 214, 215 oder 216 ist ein steuerbarer Schalter, der seinen zugehörigen Kondensator Cin, Ci2, Ci1 entweder mit dem Knoten 209 oder dem Knoten 207 verbindet. Nach diesem Schema kann eine Anzahl von n Kondensatoren mit steuerbaren Schaltern zur Verfügung gestellt werden.
Die Stromquelle 213 kann verwendet werden, um einen Offset anzupassen, indem ein veränderlicher Strom dem Eingang des integrierenden Operationsverstärkers 203 hinzugefügt wird. Der Strom der Stromquelle kann durch einen Parameter P0 eingestellt bzw. gesteuert oder geregelt werden.
Gemäß der beispielhaft angegebenen Schaltung von 2 kann die Verstärkung der Integrierschaltung auf drei verschiedene Arten modifiziert werden. Jede Modifizierung kann für sich verwendet werden oder mindestens zwei der Modifikationen können kombiniert werden, um die Verstärkung der Integrierschaltung anzupassen.
Ein Parameter P1 beeinflusst die Schalter 214 bis 216. Folglich erlaubt der Parameter P1, dass die Kondensatoren Cin, Ci2, Ci1 (die in der Feedbackschleife des Operationsverstärkers 203 angeordnet sind) entweder mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 203 oder mit der DC-Quelle 208 verbunden werden. Die DC-Quelle 208 dient als eine Referenzspannung, die der anfängliche Wert des Ausgangs der Integrierschaltung sein kann, wenn die Induktionsspannung null ist.
Die mehreren Schalter 214 bis 216 können gemäß einem binären Code angesteuert werden oder gemäß einem Thermometercode.
Ein Parameter P3 regelt mindestens einen der veränderlichen Widerstände 210, 212. Folglich kontrolliert der Parameter P3 die Verstärkung des Operationsverstärkers 204 (Post-Verstärker).
Ein Parameter P2 beeinflusst (steuert) den veränderlichen Widerstand R2. Dies ermöglicht die Modifizierung einer Vorab-Dämpfungs-Verstärkung am Eingang des Operationsverstärkers 203 (Integrierschaltung).
Wenn während des Betriebs, sobald sich eine gewisse Spannungs-Zeit-Fläche in der Integrierschaltung angesammelt hat, die einem Strom entspricht, der durch die Induktivität fließt, der Parameter P2 verändert wird, beeinflusst das nur die Verstärkung, wie eine Spannungs-Zeit-Fläche in einen geschätzten Strom nach der Modifikation umgewandelt wird. Der tatsächliche Inhalt der Integrierschaltung bleibt unverändert.
Wenn der Parameter P1 oder P3 während des Betriebs verändert wird, so ist die Verstärkung der gesamten Spannungs-Zeit-Fläche, die sich in der Integrierschaltung angesammelt hat, betroffen. Folglich wird sich das geschätzte Stromsignal sofort verändern zu einem Wert als wäre die Verstärkung zu Beginn auf diesen geänderten Wert gesetzt gewesen.
Die verschiedenen Einflüsse der Parametereinstellungen können wie folgt genutzt werden:

(a) Während des Anlaufs (Start-Up), wenn die Verstärkung der Integrierschaltung als falsch angenommen wird, kann die Verstärkung durch Modifizierung der Parameter P1 und/oder P3 angepasst werden. Dies führt zu einer schnelleren Einstellung der Verstärkungsschleife.
(b) Sobald die Verstärkung während des Betriebs richtig eingestellt ist, kann sie von Temperaturschwankungen betroffen sein. Folglich kann es nötig sein, die Verstärkung zu rekalibrieren, z.B. anhand des Parameters P2.

3 zeigt ein weiteres Beispiel einer anderen Implementierung der Integrierschaltung und ihrer Verbindungen zu dem DC/DC-Wandler.
Ein PWM-Generator 301 steuert die Schalter 302, 303, 305 und 306, wobei die Schalter 302 und 305 über einen Ausgang 308 gesteuert werden und die Schalter 303 und 306 über einen Ausgang 309 des PWM-Generators abwechselnd gesteuert werden. Eine DC-Quelle mit einer Versorgungsspannung VCC ist über den Schalter 302 mit einem Knoten 304 verbunden und der Knoten 304 ist über den Schalter 303 mit Masse GND verbunden. Die Versorgungsspannung VCC ist auch verbunden mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 310, der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 310 ist verbunden mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 311 und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 311 ist verbunden mit Masse GND. Ein Schaltsignal des Wandlers, auch bezeichnet als PHS-Signal, kann an dem Knoten 304 erhalten werden.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 310 steuert eine Stromquelle 316 und der Ausgang des Operationsverstärkers 311 steuert eine Stromquelle 317. Die Versorgungsspannung VCC ist über die Stromquelle 316 und den Schalter 305 mit einem Knoten 307 verbunden und der Knoten 307 ist über den Schalter 306 und die Stromquelle 317 mit Masse GND verbunden.
Der Knoten 307 ist über einen Kondensator 318 mit Masse GND verbunden. Auch ist der Knoten 307 über eine Stromquelle 319 mit Masse GND verbunden. Der Knoten 307 liefert das geschätzte Stromsignal E.
Der Knoten 304 ist über eine Induktivität 312 mit einem Knoten 315 verbunden. Der Knoten 315 ist über einen Kondensator 313 mit Masse GND verbunden. Auch ist der Knoten 315 über einen Widerstand 314 mit Masse GND verbunden. Der Knoten 315 ist außerdem verbunden mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 311.
Die Implementierung nach 3 nimmt insbesondere ideale Schalter an. Während der High-Side-Schalter 302 geschlossen ist, wird der Integrations-Kondensator 313 geladen mit einem Strom, der proportional zur Spannung VCC-VOUT ist, wobei VOUT die Spannung an dem Knoten 315 ist. Während der Low-Side-Schalter 303 geschlossen ist, wird der Kondensator 313 entladen mit einem Strom, der proportional ist zur Spannung VOUT, d.h. zur Spannung an dem Knoten 315.
Ein Parameter P4 wird verwendet, um den Operationsverstärker 310 zu beeinflussen, bzw. zu steuern, d.h. um die positive Halbwelle zu beeinflussen, und ein Parameter P5 wird verwendet, um den Operationsverstärker 311 zu beeinflussen bzw. zu steuern, d.h. um die negative Halbwelle zu beeinflussen. Die Stromquelle 319 kann verwendet werden, um über einen Parameter P6 einen Offset anzupassen.
Beispiele für Korrektur-Parameter sind:

– Eine Transkonduktanz der Ladungsstromquelle und eine Transkonduktanz der Entladungsstromsenke;
– Eine Transkonduktanz beider Ströme parallel und ein konstanter Abfluss-Strom parallel zu dem Kondensator;
– Eine Transkonduktanz der Ladungsstromquelle und ein Stromwert des Entladungsstroms.

4 visualisiert Schritte eines Verfahrens zur Bestimmung einer Verstärkungs- und Offset-Korrektur aus einem gemessenen Strom und einem geschätzten Stromsignal. 4 kann auf den Ausführungsformen wie sie z.B. in 1 und 2 gezeigt sind basieren.
4A zeigt das Schalten des Wandlers, nämlich ein PHS-Signal. Während einer Dauer 401 ist der High-Side-Schalter geschlossen und der Low-Side-Schalter ist geöffnet, das PHS-Signal hat einen Zustand "high". Während einer Dauer 402 ist der High-Side-Schalter geöffnet und der Low-Side-Schalter ist geschlossen, das PHS-Signal hat einen Zustand "low".
4B zeigt eine entsprechende Wellenform eines Induktionsstroms, d.h. eines Stroms durch die Induktivität 103, der nicht direkt verfügbar sein könnte und deshalb bestimmt werden muss. Eine gestrichelte Linie zeigt auch ein Beispiel für eine geschätzte Strom-Wellenform bevor die Parameteranpassungsschleife angepasst wurde.
4C zeigt eine Wellenform, die durch den Stromdetektor 110 zur Verfügung gestellt wird. Während der Low-Side-Schalter ausgeschaltet ist und das PHS-Signal den Zustand "high" zeigt, ist kein Signal verfügbar oder das Signal ist null.
Wenn der Low-Side-Schalter angeschaltet wird zu einer Zeit t1, muss die Strommessschleife erst einschwingen. Zusätzlich kann es zu einem Überschwingen ("Ringing") des tatsächlichen Low-Side-Strom kommen. Während der Ein- und Überschwingzeit, d.h. zwischen der Zeit t1 und einer Zeit t2, kann das Strommesssignal ungültig sein und sollte bevorzugt nicht verwendet werden.
Nach einiger Verzögerung nachdem der Low-Side-Schalter angeschaltet wurde, lässt das Überschwingen nach und die Strommessschleife erreicht einen stabilen Zustand. Dabei stellt sie ein Signal bereit, das als gültig angesehen werden kann. Eine solche Gültigkeitsdauer startet bei der Zeit t2 und mag bis zu einer Zeit t4 andauern, bevor der Low-Side-Schalter (wieder) ausgeschaltet wird.
Die Zeit t4 kann vom Steuer-Signal des PWM-Generators abgeleitet werden, das den Low-Side-Schalter ausschaltet. Es kann auch eine gewisse Signalverzögerung geben zwischen dem Regelsignal und dem tatsächlichen Schaltereignis.
4D zeigt einen Graphen mit einer durchgezogenen Linie, der ein Signal darstellt, das abgeleitet wird durch die Subtraktion des gemessenen Stromsignals vom geschätzten Stromsignal. Zudem ist dieses Signal maskiert (ausgeblendet), während das Strommesssignal für ungültig gehalten wird (wegen der oben diskutierten Instabilität). Das Maskieren bzw. Ausblenden ist optional, um die Einschwingzeit, nach der das Strommesssignal gültig wird, zu reduzieren.
4D zeigt auch einen Graphen mit einer gestrichelten Linie, der ein Signal darstellt, dass von dem gemäß der durchgezogenen Linie dargestellte Signal durch "Track-and-Hold" (nachführen und festhalten) abgeleitet wird. Ein solches Tracking (Nachführen) kann zu einer Zeit t3 beginnen, die eine gewisse Verzögerung zur Zeit t2 aufweist, und es endet zu einer Zeit t4. Wenn das "Track-and-Hold"-Signal von dem Signal, das mittels der durchgezogenen Linie dargestellt ist, abweicht, bevor das Tracking beginnt, was zwischen der Zeit t2 und der Zeit t3 der Fall ist, dann gibt es eine Abweichung zwischen der Welligkeit (Ripple) des geschätzten Stroms und dem tatsächlichen Strom. Also ist der Signalunterschied während der "Track-and-Hold"-Stufe ein Maß für den Verstärkungsfehler der Integrierschaltung und kann dafür verwendet werden, die Verstärkung von Zyklus zu Zyklus anzupassen.
Der Unterschied zwischen dem gemessenen Strom und dem geschätzten Strom, während das Strommesssignal gültig ist, ist ein Maß für den Offset des geschätzten Stroms gegenüber dem tatsächlichen Strom. Von der Zeit t3 bis zu der Zeit t4 kann jedes der in 4D gezeigten Signale verwendet werden, um den Offset der Integrierschaltung anzupassen. Ein solches Signal kann zu jeder Zeit zwischen der Zeit t3 und der Zeit t4 abgetastet werden oder es kann ein Durchschnittswert in einem Intervall zwischen der Zeit t3 und der Zeit t4 verwendet werden.
Da eine Modifikation des Offsets der Integrierschaltung eine Auswirkung auf das geschätzte Signal haben kann, kann eine Offset-Regel-Schleife ein PI-Verhalten aufweisen mit einer großen P (proportionalen) und einem kleinen I (integrierenden) Anteil zur Stabilisierung der Schleife.
Vorzugsweise können beide in 4D gezeigten Signale zu jeder Zeit null sein, wenn sowohl die Verstärkungs- als auch die Offset-Schleifen eingeschwungen sind.
Als eine Option und/oder Alternative können die Parameter (zur Steuerung oder Regelung) auch hergeleitet werden, indem der Unterschied zwischen dem geschätzten Strom und dem gemessenen Strom abgetastet (gesampelt) wird, solange das gemessene Signal gültig ist (dies ist beispielhaft gezeigt in 4E zwischen der Zeit t2 und der Zeit t4), mit einem Analog-Digital-Wandler und um (z.B. mathematisch) einen Durchschnitt und ein Verlauf (z.B. Neigung, Gradient) zu bestimmen, nachdem das Abtasten abgeschlossen ist.
5 zeigt einen weiteren Ansatz, um Parameter aus einer Vielzahl von Abtastungwerten (Messwerten) mittels eines Arrays von Abtast-Kondensatoren zu bestimmen. Das Array hat N Spalten und M Zeilen, wobei N = 2·M gilt. Jedes Element der Matrix kann mindestens einen Kondensator umfassen.
Mit jeder Abtastung werden die Kondensatoren einer Spalte geladen auf den entsprechenden Abtastwert zu einer Zeit. Dadurch beträgt die maximale Menge an Abtastungen N Abtastungen. Das Abtasten endet, wenn N Abtastungen vorgenommen wurden oder zu der Zeit t4, je nachdem was zuerst eintritt.
Es wird angenommen, dass zur Zeit t4 n Abtastungen gespeichert sind mit n < N. Von den M Reihen sind m Reihen verwendet mit m = n/2. Wenn n eine ungerade Zahl ist, dann wird m aufgerundet auf die nächste ganze Zahl. Das Array kann in drei Bereiche aufgeteilt werden. Ein erster Bereich 501 beinhaltet alle Kondensatoren unterhalb einer Diagonale von x = 0, y = 0 bis x = m, y = m. Ein dritter Bereich 503 beinhaltet alle Kondensatoren oberhalb einer Diagonale von x = n – m, y = 0 bis x = n, y = m. Alle übrigen Kondensatoren zwischen den beiden Diagonalen gehören zu einem zweiten Bereich 502.
Als nächstes werden alle Kondensatoren von Bereich 501 bis Bereich 503 parallel geschaltet. Sobald die Ladungen ausgeglichen sind, ist die resultierende Spannung für jeden Bereich ein gewichteter Durchschnitt einer Vielzahl von Abtastungen. Gewichtungsfunktionen sind beispielhaft in 4F dargestellt. Der im zweiten Bereich erhaltene gewichtete Durchschnitt kann verwendet werden, um den Offset der Integrierschaltung zu korrigieren, der Unterschied zwischen dem ersten und dritten Bereich kann verwendet werden, um die Verstärkung zu korrigieren.
Während des DCM-Betriebs bei niedriger Last kann die Einschaltzeit des Low-Side-Schalters zu kurz sein für einen korrekten Betrieb der Verstärkungs-Kontroll-Schleife. Wenn der Strom-Ripple niedriger wird, können Fehler innerhalb der Schleife im Vergleich zu dem Ripple zunehmen, was die Verstärkereinstellung verstimmen kann. Sobald die Last dann wieder zunimmt, kann die Verstärkung zu Beginn nicht korrekt sein, was zu einem falschen geschätzten Strom führt. Also kann es sein, dass die Verstärkung über einige Zyklen wieder angepasst werden muss. Vorteilhafterweise kann die Verstärkungs-Kontroll-Schleife während des DCM-Betriebs deaktiviert werden. Ein Kriterium für die Deaktivierung der Verstärkungs-Kontroll-Schleife kann die Dauer der Totzeit (solange beide Schalter ausgeschaltet sind), die Dauer der Einschaltzeit und/oder das Tastverhältnis der Einschaltzeit des Low-Side-Schalters im Vergleich zu der Periodendauer (auch bezeichnet als Zyklus) sein. Sobald die Verstärkungs-Kontroll-Schleife deaktiviert ist, kann die letzte Verstärkungseinstellung, die während eines CCM-Betriebs erhalten wurde, eingefroren werden und kann nicht verändert werden, bis der Wandler in den CCM-Betrieb zurückkehrt.
Wenn keine oder lediglich eine niedrige Last angeschlossen ist, ist es eine Option, keine Schaltvorgänge auszuführen, z.B. über mehrerer Zyklen hinweg. In diesem Fall kann die Offset-Kontroll-Schleife geschlossen bleiben, um zu vermeiden, dass ein geringer (Wert von) Offset-Fehler im Verlauf der Zeit zu einem großen Fehler des geschätzten Stroms aufintegriert. Ohne dass der Low-Side-Schalter für eine lange Zeit geschlossen ist, gibt es keine gültige Strom-Information.
In einem solchen Fall kann die Offset-Schleife auf eine andere Weise geschlossen werden. Während beide Schalter offen sind, erreicht der Induktionsstrom nach einiger Zeit null. Das geschätzte Strom-Signal wird dann direkt verwendet, um den Offset zu kontrollieren, weil er Null sein sollte. Ein Kriterium, um die Offset-Kontroll-Schleife von dem CCM-Betrieb in einem Tri-State-Betrieb umzuschalten, kann die Dauer oder das Tastverhältnis der Tri-State-Perioden im Vergleich zum Schaltzyklus sein.
6 zeigt eine Implementierung eines Schalt-Wandlers mit einem Stromschätzer wie oben beschrieben, der eine bestimmte Ausgestaltung für eine Strommessschaltung umfasst.
Ein PWM-Generator 601 betreibt die Schalter 602 und 603 über Treiber 604, 605 in abwechselnder Reihenfolge über seine Ausgänge 616 und 617.
Eine DC-Quelle liefert eine Versorgungsspannung VCC, die über den Schalter 602 mit einem Knoten 606 verbunden ist. Der Knoten 606 ist über den Schalter 603 mit Masse GND verbunden. Die Schalter 602 und 603 und auch ein Schalter 607 können als n-Kanal MOSFETs realisiert werden.
Also ist die Versorgungsspannung VCC mit dem Drain-Anschluss des Schalters 602 verbunden und der Source-Anschluss des Schalters 603 ist mit Masse GND verbunden. Der Gate-Anschluss des Schalters 602 wird über den Treiber 604 gesteuert und der Gate-Anschluss des Schalters 603 wird über den Treiber 605 gesteuert.
Der Gate-Anschluss des Schalters 603 ist verbunden mit dem Gate-Anschluss des Schalters 607 und der Drain-Anschluss des Schalters 603 ist verbunden mit dem Drain-Anschluss des Schalters 607. Der Source-Anschluss des Schalters 607 ist verbunden mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 609. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 609 ist verbunden mit Masse GND. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 609 ist außerdem über eine Stromquelle 608 mit der Versorgungsspannung VCC verbunden, wobei die Stromquelle 608 vom Ausgang des Operationsverstärkers 609 eingestellt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers 609 ist auch verbunden mit dem ersten Eingang eines Komparators 612.
Das Schaltsignal des Wandlers (PHS-Signal) kann an dem Knoten 606 bestimmt werden. Der Knoten 606 ist über eine Induktivität 613 mit dem Knoten 610 verbunden. Die Spannung VOUT kann an dem Knoten 610 bestimmt werden. Der Knoten 610 ist über einen Kondensator 614 mit Masse GND verbunden; auch ist der Knoten 610 über einen Widerstand 615 (Last) mit Masse GND verbunden.
Ein Eingang der Integrierschaltung 611 ist verbunden mit dem Knoten 606 und der andere Eingang der Integrierschaltung 611 ist verbunden mit dem Knoten 610. Folglich integriert die Integrierschaltung 611 die Spannung über der Induktivität 613 und gibt das geschätzte Stromsignal E basierend auf dieser Integration aus. Der Ausgang der Integrierschaltung 611 ist verbunden mit dem zweiten Eingang des Komparators 612 und der Ausgang des Komparators 612 wird an einen Konfigurationseingang der Integrierschaltung 611 zurückgeführt (als Signal P). Der Komparator 612 kann ein herkömmlicher Komparator sein oder eine Schaltung, die eine Vergleichsfunktionalität bereitstellt, wie beschrieben in Bezug auf eine der 4B bis 4D.
Gemäß dem in 6 gezeigten Beispiel weist der Low-Side-Schalter 603 eine Messzelle auf, d.h. in Form des Schalters 607, der parallel zu dem Low-Side-Schalter 603 angeordnet ist mit Ausnahme ihrere Source-Anschlüsse. Die Eingänge des Operationsverstärkers 609 sind verbunden mit den Source-Anschlüssen des Low-Side-Schalters 603 und der Messzelle, d.h. dem Schalter 607. Der Ausgang des Operationsverstärkers 609 beeinflusst (steuert oder regelt) die Stromquelle 608, die ihren Strom in den Source-Anschluss der Messzelle, d.h. des Schalters 607, einspeist. Die Eingänge des Operationsverstärkers 609 sind ausgeglichen für den Fall, dass ein Spannungsabfall über dem Schalter 607 gleich einem Spannungsabfall über dem Schalter 603 ist. Ein Verhältnis des Laststroms zum Strom der Stromquelle 608 kann dann dem Konduktivitätsverhältnis von dem Schalter 603 im Vergleich zu dem Schalter 607 entsprechen, welches vorhergesagt und festgelegt werden kann durch ein Design des Schalters 603 und der Messzelle, d.h. des besagten Schalters 607.
Das Ausgangssignal der Strommessschaltung wird am Ausgang des Operationsverstärkers 609 bereitgestellt und wird auch verwendet, um die Stromquelle 608 einzustellen. Dieses Ausgangssignal ist gültig, wenn die Eingänge des Operationsverstärkers 609 balanciert (ausgeglichen) sind, d.h. wenn die Regelschleife, die den Operationsverstärker 609 enthält, und die Stromquelle 608 einen im Wesentlichen stabilen Zustand erreicht haben.
In dem Fall, dass der Schalter 607 (Messzelle) und der Operationsverstärker 609 nicht auf demselben Chip angeordnet sind, kann eine Zeit, bis so ein stabiler Zustand erreicht ist, nicht nur vom Design des Operationsverstärkers 609 und der Stromquelle 608, sondern auch von parasitären Effekten wie einer Induktivität der Bonddrähte und Koppelkapazitäten abhängen. Auf der anderen Seite kann eine solche Einschwingzeit der Strommessschaltung eine Verzögerung zwischen der Zeit t1 und der Zeit t2 gemäß 4 zur Folge haben und kann so eine ungewollte Auswirkung oder Beschränkung der Schaltfrequenz des Wandlers bedingen.
7 zeigt eine Implementierung eines Schaltwandlers basierend auf 6, die bei hohen Wandlerfrequenzen betrieben werden kann.
Die in 7 gezeigte Schaltung basiert auf dem Diagramm von 6. Im Gegensatz zu 6 ist der Ausgang 617 verbunden mit dem Treiber 605 und einem Inverter 701, wobei der Ausgang des Inverters 701 einen Schalter 702 und den Operationsverstärker 609 ansteuert. Der Schalter 702 kann ein beliebiger elektronischer Schalter sein, z.B. ein MOSFET, der es erlaubt – basierend auf der Ansteuerung durch den Inverter 701 – die zwei Eingänge des Operationsverstärkers 609 kurzzuschließen.
Auch im Gegensatz zu 6 ist der Ausgang des Operationsverstärkers 609 nur verbunden mit dem ersten Eingang eines Komparators 703, wobei der zweite Eingang des Komparators 703 mit Masse GND verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 703 wird an einen Konfigurationseingang der Integrierschaltung 611 geführt (als Signal P).
Die Stromquelle 608 wird gesteuert über den Ausgang der Integrierschaltung 611, die das Signal E abschätzt. Eine Spannungsdifferenz zwischen den Source-Anschlüssen des Schalters 603 und des Schalters 607 (Messzelle) wird durch den Operationsverstärker 609 verstärkt, der als ein Breitband-Differenz-Verstärker realisiert sein kann. Dieser Operationsverstärker 609 benötigt keine präzise Verstärkung und kann daher als ein Verstärker ohne Feedback ausgeführt sein.
Ein Signal, das invers ist zum Ansteuersignal des Low-Side-Schalters 603, wird vom Inverter 701 geliefert und steuert den Schalter 702, der die Eingänge des Operationsverstärkers 609 kurzschließt und optional den Operationsverstärker 609 intern ansteuert. Dadurch werden die Eingänge des Operationsverstärkers 609 anfangs ausgeglichen, wenn der Low-Side-Schalter 603 angeschaltet wird, und der Ausgang ist null. Wenn das geschätzte Stromsignal E nicht mit dem Laststrom übereinstimmt, dann ist der Spannungsabfall über dem Schalter 607 (Messzelle) verschieden von dem Spannungsabfall über dem Schalter 603 und eine Differentialspannung erscheint über den Eingängen des Operationsverstärkers 609, wenn der Schalter 702 geöffnet wird.
Das Ausgangssignal des (Breitband-Differenz-)Operationsverstärkers 609 wird dann weiter verarbeitet wie in Bezug auf 4D beschrieben.
Sobald die Parameter-Regel-Schleife einen stabilen Zustand erreicht hat, muss der Ausgang des Operationsverstärkers 609 nicht einschwingen, weil es möglicherweise gar keine Abweichung gibt. In diesem Fall, sind die Spannung am Source-Anschluss des Schalters 603 und am Source-Anschluss des Schalters 607 gleich und die Eingänge des Operationsverstärkers 609 sind ausgeglichen. Dieses Merkmal erlaubt eine hohe Betriebs-(Schalt-)Frequenz des DC/DC-Wandlers.
8 zeigt ein anderes Merkmal basierend auf 7. Zusätzlich zu 7 ist ein Operationsverstärker 801 vorgesehen, dessen Eingänge verbunden sind über die Reihenschaltung, die den Schalter 607 (Messzelle) und den Schalter 702 umfasst. So ist der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 801 verbunden mit dem Knoten 606 und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 801 ist verbunden mit Masse GND. Der Ausgang des Inverters 701 kann verwendet werden, um auch den Operationsverstärker 801 einzustellen (zu steuern oder zu regeln), z.B. um optional den Operationsverstärker 801 intern anzusteuern.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 801 ist nur verbunden mit einem Eingang des Komparators 802, wobei der andere Eingang des Komparators 802 mit Masse GND verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 802 ist verbunden mit einer Divisions-Einheit 803.
Im Gegensatz zu 7 ist der Ausgang des Komparators 703 mit der Divisions-Einheit 803 verbunden. Der Ausgang der Divisions-Einheit 803 ist zurückgeführt auf den Konfigurationseingang der Integrierschaltung 611 (als Signal P).
Die Divisions-Einheit 803 kann realisiert werden durch Verwendung von mindestens einem Analog-Digital- und/oder mindestens einem Digital-Analog-Wandler, wodurch eine Skalierung gegeben ist durch die Division der Ausgabe des Komparators 703 durch die Ausgabe des Komparators 802. Der Ausgang des Komparators 802 liefert ein Referenz-Signal basierend auf dem Schaltsignal PHS des Wandlers. Vorteilhaft erlaubt die Lösung gemäß 8 eine Reduzierung oder Eliminierung der Abhängigkeit der Schleifenverstärkung von der Leitfähigkeit der Schalter 603 und 607. Die Einschwingzeit der Verstärkerschleife wird folglich besser reproduzierbar und kann so exakt gesetzt werden.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass unterschiedliche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, um zumindest einige der Vorteile der Erfindung erreichen zu können, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Es ist für den einschlägigen Fachmann nachvollziehbar, dass weitere Komponenten, die gleiche Funktionen erfüllen, auf geeignete Weise ersatzweise verwendet werden können. Weiterhin sei angemerkt, dass die unter Bezugnahme auf eine bestimmte Figur erläuterten Merkmale mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in jenen Fällen, in denen dies bislang nicht ausdrücklich erwähnt wurde. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Verfahren in Software-Implementierungen, unter Verwendung von geeigneten Prozessoranweisungen oder in Hybridimplementierungen, die eine Kombination aus Hardware und Software nutzen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, umgesetzt werden. Solche Abwandlungen des Erfindungsgedankens sollen durch die angefügten Ansprüche abgedeckt sein.

Claims

Stromschätzschaltung für einen Wandler umfassend: – eine Integrierschaltung zum Integrieren einer Spannung, die über einer Induktivität des Wandlers abfällt, – eine Strommesseinheit zum Bestimmen eines Signals, das mit dem Strom assoziiert ist, der durch mindestens einen elektronischen Schalter des Wandlers fließt, – eine Kontrolleinheit zum Einstellen von mindestens zwei Parametern der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich einer Ausgabe der Integrierschaltung mit dem Signal, das von der Strommesseinheit bereitgestellt wird.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Wandler ein DC/DC-Wandler ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens zwei Parameter mindestens eine Verstärkung der Integrierschaltung und einen Offset der Integrierschaltung umfassen.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinheit eingerichtet ist zum Einstellen der mindestens zwei Parameter der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich der Ausgabe der Integrierschaltung mit einem Signal, das von der Strommesseinheit in einem geschlossenen Regelkreis bereitgestellt wird.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinheit eingerichtet ist zum Einstellen der mindestens zwei Parameter der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich der Ausgabe der Integrierschaltung mit einem Signal, das von der Strommesseinheit bereitgestellt wird, wenn dieses Signal gültig ist.
Schaltung nach Anspruch 5, bei der das Signal, das von der Strommesseinheit gewonnen wird, gültig ist während eines Teils einer Schaltperiode eines elektronischen Schalters des Wandlers.
Schaltung nach Anspruch 6, bei der der elektronische Schalter ein High-Side-Schalter oder ein Low-Side-Schalter des Wandlers ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strommesseinheit eine Messzelle umfasst, die zusammen mit einem der elektronischen Schalter des Wandlers angeordnet ist.
Schaltung nach Anspruch 8, bei der die Messzelle zusammen mit dem elektronischen Schalter des Wandlers angeordnet ist, der in einem typischen Betriebsmodus oder während der Laufzeit für eine längere Zeitdauer in einem leitenden Zustand ist als der andere elektronische Schalter des Wandlers.
Schaltung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, umfassend eine Stromquelle, die einen Strom für die Messzelle bereitstellt, wobei die Stromquelle von einem stromerfassenden Operationsverstärker gesteuert wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, umfassend eine Stromquelle, die einen Strom für die Messzelle bereitstellt, wobei die Stromquelle von einer Ausgabe der Integrierschaltung gesteuert wird.
Schaltung nach Anspruch 11, bei der die mindestens zwei Parameter mittels eines stromerfassenden Operationsverstärkers eingestellt werden.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinheit eingerichtet ist, um mindestens einen Parameter während eines DCM-Betriebs nicht einzustellen.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinheit eingerichtet ist, um eine Verstärkung der Integrierschaltung während eines DCM-Betriebs nicht einzustellen.
Schaltung nach Anspruch 14, bei der die Kontrolleinheit eingerichtet ist, um die Verstärkung der Integrierschaltung basierend auf mindestens einem der folgenden Kriterien während des DCM-Betriebs nicht einzustellen: – einer Dauer einer Totzeit, – einer Dauer der Einschaltzeit eines Low-Side-Schalters, – ein Tastverhältnis der Einschaltzeit des Low-Side-Schalters im Vergleich zu der Periodendauer.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinheit eingerichtet ist, eine Verstärkungseinstellung zu speichern, die während eines CCM-Betriebs erhalten wurde, um wiederverwendet zu werden, wenn der Wandler von einem DCM-Betrieb in den CCM-Betrieb zurückkehrt.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Integrierschaltung und/oder die Strommesseinheit ein Array von Abtast-Kondensatoren umfasst, wobei das Array in mehrere Bereiche unterteilt ist, wobei die in den Bereichen gespeicherten Ladungen zur Einstellung der Parameter der Integrierschaltung eingesetzt werden.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinheit eingerichtet ist – zum Verfolgen eines Stromsignals bis zum Ende eines aktiven Schaltzyklus eines der elektronischen Schalter, – zum Speichern des verfolgten Stromsignals, – zum Bestimmen eines Unterschieds zwischen einem nachfolgenden Stromsignalwert, der während eines nachfolgenden aktiven Schaltzyklus des gleichen elektronischen Schalters gewonnen wurde und dem vorherigen gespeicherten verfolgten Stromsignal.
Verfahren zur Stromschätzung für einen Wandler, umfassend: – Integrieren mittels einer Integrierschaltung einer Spannung, die über einer Induktivität des Wandlers abfällt, – Erlangen mittels einer Strommesseinheit eines Signals, das mit dem Strom assoziiert ist, der durch mindestens einen elektronischen Schalter des Wandlers fließt, – Einstellen von mindestens zwei Parametern der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich einer Ausgabe der Integrierschaltung mit dem Signal, das von der Strommesseinheit bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die mindestens zwei Parameter mindestens eine Verstärkung der Integrierschaltung und einen Offset der Integrierschaltung umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, umfassend: Einstellen der mindestens zwei Parameter der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich der Ausgabe der Integrierschaltung mit dem Signal, das von der Strommesseinheit in einem geschlossenen Regelkreis bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, umfassend: Einstellen der mindestens zwei Parameter der Integrierschaltung basierend auf einem Vergleich der Ausgabe der Integrierschaltung mit dem Signal, das von der Strommesseinheit bereitgestellt wird, wenn dieses Signal gültig ist.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Signal, das von der Strommesseinheit gewonnen wird, gültig ist während eines Teils einer Schaltperiode eines elektronischen Schalters des Wandlers.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Signal, das von der Strommesseinheit gewonnen wird, gültig ist während eines Teils einer Schaltperiode eines elektronischen Schalters des Wandlers nach einer vorgegebenen Zeitdauer bis zu einem vollzogenen Einschwingen oder bis ein Überschwingen im wesentlichen abgeklungen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, umfassend: – Starten eines Verfolgens, wenn das Signal gültig wird bis zum Ende der Gültigkeitsdauer, – Speichern des verfolgten Signals, – Bestimmen eines Unterschieds zwischen einem nachfolgenden Signal einer nachfolgenden Schaltperiode und dem gespeicherten Signal, – Einstellen einer Verstärkung der Integrierschaltung basierend auf dem Unterschied.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, umfassend: – Einstellen eines Offsets der Integrierschaltung basierend auf einem Unterschied zwischen dem Signal, das von der Strommesseinheit erhalten wurde wenn dieses Signal gültig ist und der integrierten Spannung über der Induktivität, bereitgestellt von der Integrierschaltung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei das Signal, das mit dem Strom assoziiert ist, der durch mindestens einen der elektronischen Schalter fließt, bestimmt wird mittels einer Messzelle, die zusammen mit einem der elektronischen Schalter angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem ein Strom, der durch die Messzelle fließt, von einer Stromquelle bereitgestellt wird, wobei die Stromquelle von einem stromerfassenden Operationsverstärker gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem ein Strom, der durch die Messzelle fließt, von einer Stromquelle bereitgestellt wird, wobei die Stromquelle von einer Ausgabe der Integrierschaltung gesteuert wird, die die Spannung über der Induktivität integriert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 29, umfassend: Nicht-Einstellen von mindestens einem Parameter während eines DCM-Betriebs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, umfassend: Nicht-Einstellen eines Verstärkungsparameters der Integrierschaltung während eines DCM-Betriebs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, umfassend: Nicht-Einstellen einer Verstärkung der Integrierschaltung während eines DCM-Betriebs basierend auf mindestens einem der folgenden Kriterien: – einer Dauer einer Totzeit, – einer Dauer der Einschaltzeit eines Low-Side-Schalters, – ein Tastverhältnis der Einschaltzeit des Low-Side-Schalters im Vergleich zu der Periodendauer.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 32, umfassend: Speichern einer Verstärkungseinstellung, die während eines CCM-Betriebs erhalten wurde, um wiederverwendet zu werden, wenn der Wandler von einem DCM-Betrieb in den CCM-Betrieb zurückkehrt.
DC/DC-Abwärtswandler umfassend mindestens eine Stromschätzschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18.