DE102015109065A1 - Steuerbare reduzierung der ein-zeitdauer für im pulsfrequenzmodulationsmodus betriebene schaltspannungsregler - Google Patents

Steuerbare reduzierung der ein-zeitdauer für im pulsfrequenzmodulationsmodus betriebene schaltspannungsregler Download PDF

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Abstract

Ein Schaltspannungsregler enthält eine Leistungsstufe zur Abgabe von Ausgangsstrom an eine Last über eine Spule. Die Leistungsstufe weist einen High-Side-Transistor und einen Low-Side-Transistor auf. Der Schaltspannungsregler enthält auch eine Steuerung zum Einstellen der Leistungsstufe in einen PFM-(Pulsfrequenzmodulations-)Schaltmodus, falls sich der Ausgangsstrom unter einen ersten Schwellenwert verringert. Jede Periode des PFM-Schaltmodus beinhaltet eine Ein-Zeitdauer, während der der High-Side-Transistor eingeschaltet ist und der Low-Side-Transistor ausgeschaltet ist, eine Aus-Zeitdauer, während der der Low-Side-Transistor eingeschaltet ist und der High-Side-Transistor ausgeschaltet ist, und eine Hochimpedanz-Zeitdauer, während der sowohl der High-Side-Transistor als auch der Low-Side-Transistor ausgeschaltet sind. Die Steuerung verändert die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangsstroms.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Schaltspannungsregler (engl.: switching voltage regulators), insbesondere auf einen Pulsfrequenz-Betriebsmodus für Schaltspannungsregler.
  • Schaltspannungsregler werden in modernen elektronischen Systemen weitverbreitet wegen ihres hohen Wirkungsgrads und der geringen Fläche/Volumen, die von solchen Wandlern gebraucht werden, für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel Computer (Server und Mobil) und POLs (Point-Of-Load Systems) für Telekommunikationszwecke. Zu landläufig üblichen Schaltspannungsreglertopologien zählen Abwärtswandler-, Aufwärtswandler-, Abwärts-Aufwärtswandler, Durchflusswandler-, Flyback-, Halbbrücken-, Vollbrücken- und SEPIC-(Single Ended Primary Inductance Converter)Topologien. Mehrphasen-Abwärtswandler sind besonders gut geeignet, um hohen Strom bei geringen Spannungen bereitzustellen, benötigt von integrierten Hochleistungsschaltungen, wie zum Beispiel Mikroprozessoren, Grafikprozessoren und Netzwerkprozessoren. Abwärtswandler werden mit aktiven Komponenten, wie zum Beispiel einem Pulsweitenmodulations-(PWM-)Steuerungs-IC (Integrated Circuit, integrierte Schaltung), Treiberschaltungsanordnungen, Leistungs-MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) mit einer oder mehreren Phasen, und mit passiven Komponenten, wie zum Beispiel Spulen, Transformatoren oder gekoppelten Spulen, Kondensatoren und Widerständen, umgesetzt. Mehrere Phasen (Leistungsstufen) können parallel zur Last durch entsprechende Spulen verbunden werden, um die Anforderungen nach hohem Ausgangsstrom zu erfüllen.
  • Verluste in Schaltspannungsreglern können grob in Leitungsverluste und in frequenzabhängige Verluste kategorisiert werden. Unter Schwachlastbedingungen herrschen die frequenzabhängigen Verluste vor und bewirken einen steilen Roll-off des Wirkungsgrads, wenn eine standardmäßige Pulsweitenmodulations-(PWM-)Steuerung zur Ausgangsspannungsregelung eingesetzt wird. Um sogar bei Schwachlast einen hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, wird typischerweise eine Steuertechnik verwendet, die als Pulsfrequenzmodulation (PFM) bekannt ist. In die PFM wird normalerweise eingetreten, wenn der Reglerausgangsstrom sich vorbei am kritischen Leitungsstrom reduziert, der halb so groß wie der überlagerte Wechselstrom der Spule ist. Die Ein-Zeitdauer wird typischerweise auf Basis des Induktivitätswerts, der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung auf den kritischen Leitungspunkt eingestellt. Obwohl dies gegenüber der PWM-Steuerung Verbesserungen des Wirkungsgrads bietet, bewirkt die relativ lange Ein-Zeitdauer erhöhte überlagerte Wechselspannung und einen nicht optimalen Wirkungsgrad, weil sich der Ausgangsstrom reduziert. Für Schaltspannungsregler, die in Computeranwendungen verwendet werden, wird die Spannungswelligkeit durch industrietaugliche Spezifikationen begrenzt, um Leistungsverlust in Hauptprozessoreinheiten (CPUs), Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) oder anderen digitalen Einrichtungen zu begrenzen. Um eine spezifizierte Spannungswelligkeit einzuhalten, ist der PFM-Eingangsstrom typischerweise begrenzt, was wiederum Wirkungsgrad zugunsten von überlagerter Wechselspannungsleistung opfert. Ein hoher Schwachlastwirkungsgrad ist wünschenswert, da er zu finanziellen Einsparungen für Rechenzentren und private Anwender oder zu verlängerter Batterielebensdauer in mobilen Anwendungen führt.
  • Die Verwendung von PFM ist eine Standardtechnik, um einen hohen Wirkungsgrad unter Schwachlastbedingungen zu erreichen. Viele konventionelle PFM-Ansätze verwenden eine konstante PFM-Ein-Zeitdauer. Allerdings bewirkt eine konstante PFM-Ein-Zeitdauer, dass sich die Ausgangsspannungswelligkeit im Laufe des PFM-Betriebs erhöht.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern eines Schaltspannungsreglers, der eine Leistungsstufe zur Abgabe von Ausgangsstrom an eine Last über eine Spule enthält, umfasst das Verfahren Folgendes: Einstellen der Leistungsstufe auf einen PFM-(Pulsfrequenzmodulations-)Schaltmodus, falls sich der Ausgangsstrom unter einen ersten Schwellenwert verringert, wobei jede Periode des PFM-Schaltmodus eine Ein-Zeitdauer beinhaltet, während der ein High-Side-Transistor der Leistungsstufe eingeschaltet ist und ein Low-Side-Transistor der Leistungsstufe ausgeschaltet ist, eine Aus-Zeitdauer, während der der Low-Side-Transistor eingeschaltet ist und der High-Side-Transistor ausgeschaltet ist, und eine Hochimpedanz-Zeitdauer, während der sowohl der High-Side-Transistor als auch der Low-Side-Transistor ausgeschaltet sind; und Verändern der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangsstroms.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Schaltspannungsreglers umfasst der Regler eine Leistungsstufe und eine Steuerung. Die Leistungsstufe ist dazu ausgebildet, eine Ausgangsstrom an eine Last über eine Spule abzugeben, und umfasst einen High-Side-Transistor und einen Low-Side-Transistor. Die Steuerung ist dazu ausgebildet, die Leistungsstufe in einen PFM-(Pulsfrequenzmodulations-)Schaltmodus einzustellen, falls sich der Ausgangsstrom unter einen ersten Schwellenwert verringert. Jede Periode des PFM-Schaltmodus beinhaltet eine Ein-Zeitdauer, während der der High-Side-Transistor eingeschaltet ist und der Low-Side-Transistor ausgeschaltet ist, eine Aus-Zeitdauer, während der der Low-Side-Transistor eingeschaltet ist und der High-Side-Transistor ausgeschaltet ist, und eine Hochimpedanz-Zeitdauer, während der sowohl der High-Side-Transistor als auch der Low-Side-Transistor ausgeschaltet sind. Die Steuerung kann weiterhin dazu ausgebildet sein, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangsstroms zu verändern.
  • Fachleute werden zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und bei Betrachtung der zugehörigen Zeichnungen erkennen.
  • Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu in Bezug zueinander. Gleiche Referenznummern bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen veranschaulichten Ausführungsformen können kombiniert werden, es sei denn, sie schließen einander aus. Ausführungsformen werden in den Zeichnungen aufgezeigt und in der folgenden Beschreibung genau beschrieben.
  • 1 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Mehrphasen-Schaltspannungsreglers mit veränderbarer Ein-Zeitdauer im Pulsfrequenzmodulationsmodus.
  • 2 ist ein Kurvenverlaufsdiagramm, das verschiedene, mit dem Pulsfrequenzmodulationsmodus zusammenhängende Signalformen eines Schaltspannungsreglers veranschaulicht.
  • 3 ist ein Kurvenverlaufsdiagramm, das den Wirkungsgrad als eine Funktion des Ausgangsstroms für einen Schaltspannungsregler mit und ohne veränderbare Ein-Zeitdauer im Pulsfrequenzmodulationsmodus veranschaulicht.
  • 4 ist ein anderes Kurvenverlaufsdiagramm, das den Wirkungsgrad als eine Funktion des Ausgangsstroms für einen Schaltspannungsregler mit und ohne veränderbare Ein-Zeitdauer im Pulsfrequenzmodulationsmodus veranschaulicht.
  • 5 ist ein Kurvenverlaufsdiagramm, das den Pulsfrequenzmodulations-Betriebsmodus für einen Schaltspannungsregler mit und ohne veränderbare Ein-Zeitdauer, gesteuert auf Basis der Schaltfrequenz, veranschaulicht.
  • 6 ist ein Kurvenverlaufsdiagramm, das den Pulsfrequenzmodulations-Betriebsmodus für einen Schaltspannungsregler mit und ohne veränderbare Ein-Zeitdauer, in diskreten Stufen umgesetzt, veranschaulicht.
  • 7 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Verändern der PFM-Ein-Zeitdauer als Reaktion auf eine Änderung der Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus.
  • 8 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Verändern der PFM-Ein-Zeitdauer als Reaktion auf eine Änderung eines Schätzwerts des Reglerausgangsstroms.
  • Hier beschriebene Ausführungsformen reduzieren die Ausgangsspannungswelligkeit für einen Schaltspannungsregler, während sie Wirkungsgradverbesserungen im PFM-(Pulsfrequenzmodulations-)Betriebsmodus erreichen, indem sie die PFM-Ein-Zeitdauer des Schaltspannungsreglers als Reaktion auf Änderungen der Last verändern. Die Ausführungsformen stellen Flexibilität bereit, indem sie dem Nutzer die Auswahl gestatten, ob und wann die Ein-Zeitdauer im PFM-Betrieb verändert wird. Dies gestattet das Erreichen von systemspezifischer Optimierung.
  • 1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Schaltspannungsreglers 100, der mehrere Leistungsstufen 102 und eine Steuerung 104, wie zum Beispiel einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor, eine ASIC (Application-Specific Integrated Circuit, anwendungsspezifische integrierte Schaltung) usw., zum Steuern des Betriebs der Leistungsstufen 102 umfasst. Jede Leistungsstufe 102 kann dazu ausgebildet sein werden, einen Phasenstrom (iLn) über eine separate Spule (Ln) an eine Last 106 abzugeben, die mit dem Schaltspannungsregler 100 mittels der Spulen und eines Ausgangskondensators (Cout) verbunden ist. Die Last 106 kann eine integrierte Hochleistungsschaltung sein, wie zum Beispiel ein Mikroprozessor, ein Grafikprozessor, ein Netzwerkprozessor usw. oder eine andere Art von integrierter Schaltung, die Spannungsregelung erfordert, wie zum Beispiel einen POL (Point-of-Load).
  • Jede Leistungsstufe 102 weist einen High-Side-Transistor (HSn) und einen Low-Side-Transistor (LSn) zum Verschalten mit der Last 106 über die entsprechende Spule auf. Der High-Side-Transistor jeder Leistungsstufe 102 verbindet die Last 106 schaltbar mit einer Eingangsspannung (Vin) des Schaltspannungsreglers 100, und der entsprechende Low-Side-Transistor verbindet die Last 106 schaltbar mit Masse zu unterschiedlichen Perioden. In 1 werden N Leistungsstufen 102 gezeigt. Der Schaltspannungsregler 100 kann irgendeine Anzahl von Leistungsstufen 102 enthalten, einschließlich einer einzelnen Leistungsstufe (Phase) oder mehr als einer Leistungsstufe (d. h. mehrphasig, wobei jede Leistungsstufe eine Phase des mehrphasigen Reglers ist).
  • In jedem Fall regelt die Steuerung 104 die an die Last 106 abgegebene Spannung (VO) durch die Leistungsstufe(n) 102, indem sie die an die Last 106 abgegebenen Phasenströme abgleicht. Die Steuerung 104 enthält eine Pulsweitenmodulator-(PWM-)Einheit 108 zum Schalten jeder Leistungsstufe 102 mittels eines entsprechenden PWM-Steuersignals (pwm) im CCM (Continuous Conduction Mode), so dass die Leistungsstufe(n) 102 über die entsprechende Spule und den High-Side-Transistor oder den Low-Side-Transistor Strom zur Last 106 zuführen oder abführen. Wenn das PWM-Steuersignal auf einem Logikpegel High liegt, befindet sich der High-Side-Transistor in einem leitenden Zustand, der Spulenstrom wird durch den High-Side-Transistor zugeführt oder abgeführt, und der Strom durch die Spule erhöht sich für die Zeitspanne. Dies wird im Allgemeinen als ’Ein-Zeitdauer‘ bezeichnet, und die Leistungsstufe 102 wird als ’eingeschaltet‘ angesehen. Wenn das PWM-Steuersignal auf einem Logikpegel Low liegt, befindet sich der Low-Side-Transistor in einem leitenden Zustand, der Strom wird aus dem Low-Side-Transistor zugeführt oder abgeführt, und der Strom durch die Spule verringert sich für die Zeitspanne. Dies wird im Allgemeinen als ’Aus-Zeitdauer‘ bezeichnet, und die Leistungsstufe 102 wird als ’ausgeschaltet‘ angesehen.
  • Die Steuerung 104 enthält auch eine Pulsfrequenzmodulator-(PFM-)Einheit 110 zum Schalten einer der Leistungsstufen 102 mittels eines entsprechenden PFM-Steuersignals (pfm) im DCM (Discontinuous Conduction Mode). Im DCM bewirkt Schaltwelligkeit im Spulenstrom oder der Kondensatorspannung eine Umkehr der Polarität des angelegten Schaltstroms oder der angelegten Schaltspannung, und dem Low-Side-Transistor wird nicht gestattet, leitend zu sein, wenn der Spulenstrom null ist. Zu Beginn einer DCM-Schaltperiode wird der High-Side-Transistor (HSn) der entsprechenden Leistungsstufe 102 eingeschaltet. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Spulenstrom (iL) einen Spitzenwert Ipk erreicht, wird der High-Side-Transistor typischerweise ausgeschaltet, und der Low-Side-Transistor (LSn) wird eingeschaltet. Der Low-Side-Transistor wird dann zu dem Zeitpunkt ausgeschaltet, wenn der Spulenstrom auf null abfällt. Sowohl der High-Side- als auch der Low-Side-Transistor sind für die restliche Schaltperiode ausgeschaltet, was hier als Hochimpedanz-Zeitdauer bezeichnet wird. Um die Ausgangsgleichspannung (Vo) zu regeln, verändert die Steuerung 104 die Schaltfrequenz fs = 1/Ts der Leistungsstufe(n) 102. Das hier beschriebene Steuerverfahren mit einstellbarer Frequenz wird üblicherweise als Pulsfrequenzmodulation (PFM) bezeichnet.
  • Jede PFM-Schaltperiode oder -zyklus umfasst eine Ein-Zeitdauer, auf die eine Aus-Zeitdauer folgt, auf die die Hochimpedanz-Zeitdauer folgt, wie oben erklärt worden ist. Während der Hochimpedanz-Zeitdauer ist der Spulenstrom null und ändert sich für die Dauer des Zyklus nicht. Während der Hochimpedanz-Zeitdauer wird auch der Laststrom aus dem Ausgangskondensator (Cout) zugeführt, was bewirkt, dass sich die Ausgangsspannung mit der Zeit verringert, wobei die Steilheit vom Ausgangsstrom abhängig ist. Ein standardmäßiges Steuerverfahren ist es, einen Komparator zu verwenden, um zu detektieren, wann die Ausgangsspannung unter eine Soll-Regelungsspannung gefallen ist. Zu diesem Zeitpunkt verlässt die Steuerung 104 die Hochimpedanz und tritt in die Ein-Zeitdauer der nächsten Schaltperiode ein, was den Spulenstrom erhöht und die Ausgangsspannung davor bewahrt, weiter abzufallen. Diese Art PFM-Schema wird typischerweise als ’Tal-Steuern‘ bezeichnet, weil mit ihm versucht wird, eine Mindestspannung am Ausgang aufrechtzuerhalten, indem die Frequenz des Pulses als eine Funktion des Ausgangslaststroms verändert wird.
  • Im CCM- oder im DCM-Betriebsmodus stellen Treiber 112 der Leistungsstufe(n) 102 Gate-Treibersignale für die Gates der entsprechenden High-Side- und Low-Side-Transistoren als Reaktion auf die von der Steuerung 104 bereitgestellten PWM- oder PFM-Steuersignale bereit. Der Aktivierungszustand jeder Leistungsstufe 102 und der Tastgrad der High-Side- und Low-Side-Transistoren werden wenigstens zum Teil auf Basis der an die Last 106 angelegten Ausgangsspannung (VO) bestimmt, so dass der Schaltspannungsregler 100 so schnell und zuverlässig wie möglich auf sich ändernde Lastbedingungen reagieren kann.
  • Die Steuerung 104 kann Änderungen von einer Referenzspannung zu einer anderen managen. Die Steuerung 104 kann auch Fehler zwischen der Ausgangsspannung (VO) und einer Referenzspannung bestimmen und die Fehlerspannung in eine digitale Darstellung wandeln, die den PWM- und PFM-Einheiten 108, 110 zum Modifizieren des Schaltzyklus jeder Leistungsstufe 102 bereitgestellt wird, z. B. durch Abgleich des PWM-Tastgrads im CCM-Betriebsmodus oder der Schaltfrequenz im DCM.
  • Insbesondere in Bezug auf den DCM-Betriebsmodus kann die PFM-Einheit 110 die Ein-Zeitdauer (Ton) des Schaltspannungsreglers 100 verändern, wenn sich der Laststrom ändert, um die Ausgangsspannungswelligkeit zu reduzieren, während Wirkungsgradverbesserungen beim PFM-Betrieb erreicht werden. In einigen Ausführungsformen verändert die PFM-Einheit 110 die PFM-Ein-Zeitdauer als Reaktion auf eine Änderung des Reglerausgangsstroms (Io), indem sie den Ausgangsstrom schätzt und die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung im Ausgangsstromschätzwert verändert. In anderen Ausführungsformen verändert die PFM-Einheit 110 die PFM-Ein-Zeitdauer als Reaktion auf eine Änderung der Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus. In jedem Fall bleibt die PFM-Ein-Zeitdauer im PFM-Schaltmodus nicht notwendigerweise festgelegt.
  • 2 zeigt entsprechende PFM-Signalformen, die zum DCM-Betrieb des Schaltspannungsreglers 100 gehören. Während der Spulenstrom (iL) in Abschnitten der PFM-Ein- und Aus-Intervalle größer als der Ausgangsstrom (Io) ist, wird der Ausgangskondensator aufgeladen (d. h. positiver Kondensatorstrom iC), und die Ausgangsspannung (Vo) steigt. Die Ausgangsspannung verringert sich, wenn der Spulenstrom kleiner als der Ausgangsstrom ist, weil der Kondensator die Last versorgt (d. h. negativer Kondensatorstrom).
  • Während des PFM-Schaltens im DCM-Modus umfasst jede Schaltperiode oder -zyklus eine Ein-Zeitdauer (Ton), auf die eine Aus-Zeitdauer (Toff) folgt, auf die die Hochimpedanz-Zeitdauer folgt (THiZ). Die Steuerung 104 kann eine anfängliche PFM-Ein-Zeitdauer unter Verwendung einer gewichteten Summe von zwei Berechnungen der Ein-Zeitdauer berechnen. Die Steuerung 104 kann ebenfalls eine anfängliche PFM-Aus-Zeitdauer auf Basis des anfänglichen PFM-Ein-Zeitdauerwerts berechnen, wie er durch Folgendes gegeben wird:
    Figure DE102015109065A1_0002
    welches die allgemeine, für jede PFM-Umsetzungsform gültige Gleichung ist. In der Gleichung (1) ist Toff unabhängig von der Last, was bedeutet, dass, sobald Ton ausgewählt wurde, Toff vorbestimmt ist. Alternativ kann die Steuerung 104 eine Nullstromdetektionsschaltung 114 enthalten, und der Ausgangsstromschätzwert kann eindeutig durch die Zeitdauer definiert werden, die erforderlich ist, um den Spulenstrom auf null zu bringen.
  • In jedem Fall ist der eigentliche Ausgangsstrom während des PFM-Schaltens gegeben durch:
    Figure DE102015109065A1_0003
    wobei gilt: Ipk ist der Spulenspitzenstrom, DTsw ist die Ein-Zeitdauer des High-Side-Transistors, ∆1Tsw ist die Aus-Zeitdauer (d. h. der Low-Side-Transistor ist ein und der High-Side-Transistor ist aus), und ∆2Tsw ist die Hochimpedanz-Zeitdauer. Diese allgemeinen Gleichungen sind auf jede PFM-Umsetzungsform anwendbar.
  • In einer Ausführungsform wird kein Strom im PFM-Betrieb gemessen. Gemäß dieser Ausführungsform ist der eigentliche Wert von Ipk unbekannt. Die PFM-Ein- und die PFM-Aus-Zeitdauer werden von der Steuerung 104 auf Basis von Vin, Vo und L berechnet. Der Spitzenstrom kann von der Steuerung 104 berechnet werden, gegeben durch:
    Figure DE102015109065A1_0004
    Alternativ kann die PFM-Ein-Zeitdauer auf Basis der Eingangsspannung (Vin), der Ausgangsspannung (Vo), der Induktivität (L) und des Ausgangsstroms (Io) berechnet werden. Zum Beispiel können die Gleichungen (2) und (3) manipuliert werden, um die PFM-Ein-Zeitdauer (DTsw) als eine Funktion von Vin, Vo und Io aufzulösen. In noch einer anderen Ausführungsform kann die PFM-Ein-Zeitdauer auf Basis von Vin, Vo, L und dem Spulenspitzenstrom (Ipk) berechnet werden, indem die Gleichung (3) zum Lösen nach DTsw als eine Funktion von Vin, Vo und Ipk umgeschrieben wird.
  • Ungeachtet dessen ergibt das Ersetzen von Gleichung (3) in Gleichung (2):
    Figure DE102015109065A1_0005
    Die Gleichung (4) gestattet, dass Augenblicks-, Spitzen- und über den Zyklus gemittelter Ausgangsstrom auf Basis von gemessenen oder bekannten Eingangs- und Ausgangsspannungen und dem Induktivitätswert, der z. B. in einem Register der Steuerung 104 gespeichert wird, der PFM-Frequenz, -Periode oder -Ein-Zeitdauer, -Aus-Zeitdauer und -Hochimpedanz-Zeitdauer geschätzt werden. Weil die PFM-Periode, -Ein-Zeitdauer, Aus-Zeitdauer und -Hochimpedanz-Zeitdauer unabhängig sind, müssen lediglich zwei der vier Variablen bekannt sein oder gemessen werden, um den Ausgangsstrom zu schätzen.
  • Das Abtrennen der Hochimpedanz-Zeitdauer in der Gleichung (2) ergibt:
    Figure DE102015109065A1_0006
    wobei der Spulenspitzenstrom Ipk unter Verwendung gemessener Spannungen, eines bekannten Induktivitätswerts und der berechneten PFM-Ein-Zeitdauer gemäß Gleichung (4) berechnet wird.
  • Die Steuerung 104 regelt die Ausgangsspannung (Vo), indem eine Veränderung der Hochimpedanz-Zeitdauer gestattet wird. Die Hochimpedanz-Zeitdauer endet, und ein anderes Ein-Zeitdauer-Intervall beginnt, wenn die Ausgangsspannung auf einen spezifizierten Pegel fällt und einen Komparator triggert. Während des Aus-Zeitdauer-Intervalls fällt der Spulenstrom unter den Ausgangsstrom, und der Ausgangskondensator stellt die Differenz bereit. Wenn der Spulenstrom null erreicht, stellt der Kondensator den gesamten Laststrom bereit. Je größer der Laststrom ist, desto schneller fällt die Kondensatorspannung und triggert den Komparator. Demzufolge ist die Hochimpedanz-Zeitdauer umgekehrt proportional zum Laststrom.
  • Hochlastabforderung verschiebt zu höherer Betriebsfrequenz, während Lastreduzierung zu einer Verringerung der Betriebsfrequenz aufgrund langsamerer Entladung des Ausgangskondensators während der Hochimpedanz-Zeitdauer führt. Aus der Gleichung (2): Der Ausgangsstrom ist der Mittelwert des Spulenstroms, der die Fläche unter der dreieckigen Stromsignalform (iL) in 2 ist, geteilt durch die gesamte PFM-Periode (TPFM = Ton + Toff + THiZ). Das Reduzieren der PFM-Periode TPFM erhöht den unterstützten Ausgangsstrom. Die kürzest mögliche PFM-Periode TPFM besteht aus einem Ein-/Aus-Zyklus ohne Hochimpedanz-Zeitdauer und entspricht dem maximal unterstützten Ausgangsstrom. Das Setzen von ∆2 = 0 in Gleichung (2) ergibt Io,max = Ipk/2.
  • Der Schaltspannungsregler 100 weist im PFM-Betriebsmodus einige Leistungsverlustmechanismen auf. Leitungsverlust (Pcond) durch die High-Side- und Low-Side-Transistoren einer Leistungsstufe 102 und die entsprechende Spule ist gegeben durch:
    Figure DE102015109065A1_0007
    wobei gilt: RdsHS ist der Einschaltwiderstand des High-Side-Transistors (z. B. der Drain-Source-Widerstand eines MOSFET), RdsLS ist der Einschaltwiderstand des Low-Side-Transistors, und DCR ist der nicht ideale Gleichstromwiderstand der Spule.
  • Der Vorgang des Ein- und Aus-Schaltens der High-Side- und Low-Side-Transistoren führt zum Gate-Verlust (Pgate), der gegeben wird durch: Pgate = kg(QgHS + QgLS)VgsFPFM (7) wobei gilt: kg ist ein Skalierungsausdruck (typischerweise zwischen 1,5 und 2), der Verluste in der Treiberschaltung berücksichtigt.
  • Der Schaltverlust (Psw) des High-Side-Transistors ist gegeben durch: Psw = 1 / 2VinIpktf,HSFPFM (8) wobei tf,HS die Abfall-Zeitdauer des Stroms im High-Side-Transistor ist, d. h. die Zeitdauer zum Abschalten des High-Side-Transistors.
  • Der Diodenverlust (Pdiode) des Low-Side-Transistors während der Totzeit zwischen den beiden Einrichtungen ist gegeben durch: Pdiode = IpkVF,LS(Ipk)tdFPFM (9) wobei sich die Vorwärtsspannung VF,LS der Diode mit dem Strom durch die Diode erhöht.
  • Der Kernschaltverlust (Pcore) ist gegeben durch: Pcore = kcI x / pkF y / PFM (10) wobei kc, x und y Konstanten sind, die typischerweise in Datenblättern bereitgestellt werden. Die Parameter x und y sind größer als 1, jedoch typischerweise kleiner als 2,5.
  • Der Leitungsverlust (Pcond) ist der einzige Verlustmechanismus, der unabhängig von der PFM-Frequenz FPFM ist, und der Gate-Verlust (Pgate) ist der einzige Verlustmechanismus, der unabhängig vom Spulenspitzenstrom Ipk ist. Die anderen Verlustmechanismen hängen sowohl von der PFM-Schaltfrequenz als auch vom Spitzenstrom ab.
  • Die Steuerung 104 stellt jede Leistungsstufe 102 des Schaltspannungsreglers 100 in den PFM-Schaltmodus ein, falls sich der Ausgangsstrom (Io) unter einen ersten Schwellenwert verringert. Der erste Schwellenwert kann als ein effizienter Umschaltpunkt ausgewählt werden, wobei der Regler 100 unterhalb des ersten Schwellenwerts effizienter im PFM-Modus und über dem ersten Schwellenwert effizienter im PWM-Modus arbeitet. Die Steuerung 104 verändert, z. B. mittels der PFM-Einheit 110, die PFM-Ein-Zeitdauer (Ton) als Reaktion auf eine Änderung eines Schätzwerts des Ausgangsstroms. Das heißt: Die Steuerung 104 skaliert die PFM-Ein-Zeitdauer oder gleicht sie anderweitig ab, um den Spitzenstrom bei Last zu reduzieren, was wiederum die Verlustkomponenten, die Funktionen von Ipk sind, reduziert. Die Steuerung 104 kann den Ausgangsstrom für einen einzigen Zyklus schätzen oder über mehrere Zyklen mitteln. Die Steuerung 104 kann den Ausgangsstrom durch Abtasten des Stroms (IL) durch die Spule, durch Abtasten des Stroms durch die Leistungsstufe 102 (z. B. High-Side-, Low-Side-, Masse- oder Eingangsstrom), durch Abtasten des Stroms durch einen Shunt-Widerstand (nicht dargestellt) in Reihe mit der Spule (wobei die Spannung des Shunt-Widerstands gemessen wird), usw. schätzen.
  • Die Steuerung 104 kann bestimmen, wann die Ein-Zeitdauer im PFM-Modus verändert wird und wann die Ein-Zeitdauer auf Basis der oben in Verbindung mit den Gleichungen (6)–(10) erklärten Verlustmechanismen festgelegt wird. Zum Beispiel kann die Steuerung 104 die PFM-Ein-Zeitdauer reduzieren, bis sich der Ausgangsstromschätzwert auf einen Mindestschwellenwert verringert. Unterhalb dieses Punktes kann die Steuerung 104 die PFM-Ein-Zeitdauer so festlegen, dass die PFM-Ein-Zeitdauer im PFM-Modus konstant bleibt, während der Ausgangsstromschätzwert unterhalb des Mindestschwellenwerts bleibt. Der Mindestschwellenwert kann auf Basis eines Soll-Wirkungsgrads oder einer Soll-Ausgangsspannungswelligkeit für den Schaltspannungsregler 100 ausgewählt werden. Die Auswirkungen dieses Ansatzes werden ausführlicher als Nächstes in Verbindung mit den 3–6 erörtert.
  • Die Skalierungsgrenzen der PFM-Ein-Zeitdauer können anhand eines maximal unterstützten Stroms, der mit dem reduzierten Ton-Wert zusammenhängt, bestimmt werden. Das Verhältnis von unterstütztem Strom bei reduzierter Ton zu maximal unterstütztem Strom bei maximaler Ton ist gleich einem Verhältnis der PFM-Ein-Zeitdauer. Falls zum Beispiel der maximale PFM-Strom bei Ton 10 A beträgt, dann ist der maximal unterstützte Strom bei 0,5 Ton gleich 5 A. Die Steuerung 104 kann, z. B. mittels der PFM-Einheit 110, die PFM-Ein-Zeitdauer reduzieren, um so im PFM-Schaltmodus ein festes Verhältnis zwischen dem Spitzenstrom und dem Ausgangsstrom aufrechtzuerhalten, ohne den eigentlichen Ausgangsstroms oder den Spulenstrom zu messen.
  • In Hinsicht auf den Wirkungsgrad gibt es irgendeinen Betriebspunkt, der die Leistungsverluste durch Optimieren des Spitzenstromwerts und der PFM-Frequenz minimiert. Die Leistungsverluste hängen von den in der Umsetzungsform des Schaltspannungsreglers 100 verwendeten Komponenten ab. Demzufolge ist jede Gleichung zum Bestimmen des optimalen Betriebspunktes eine Funktion von Schaltungsparametern. Es folgt, dass unterschiedliche Designs, bei denen PFM-Skalierung zu Wirkungsgradverbesserungen führt, unterschiedliche PFM-Eingangsströme (Grenze zwischen CCM und PFM) und unterschiedliche Lastströme aufweisen können. Indem es dem Nutzer gestattet wird, diese Übergangspunkte auszuwählen, kann für jedes Design Optimierung erreicht werden.
  • Die Größe der Ausgangsspannungswelligkeit wird durch die Differenz zwischen dem Spitzenstrom (Ipk) und dem Ausgangsstrom (Io), der PFM-Ein-Zeitdauer des High-Side-Transistors (DTsw), dem Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung und der Kapazität (Co) bestimmt, gegeben durch:
    Figure DE102015109065A1_0008
    Die Ausgangsspannungswelligkeit ist ein Ergebnis eines Energieimpulses während eines PFM-Ein-/Aus-Intervalls und ist keine Funktion der Hochimpedanz-Zeitdauer. Wenn sich die Last reduziert, erhöht sich die Differenz Ipk – Io, was eine Erhöhung der Ausgangsspannungswelligkeit bewirkt. Dann reduziert die Reduzierung von Ton = DTsw die Welligkeit direkt, reduziert jedoch auch die Differenz Ipk – Io, so dass die Spannungswelligkeit weiter reduziert wird. Demzufolge kann sich der Designer dafür entscheiden, die PFM-Ein-Zeitdauer (Ton) zu skalieren, um eine Reduzierung der Ausgangsspannungswelligkeit auch dann zu erreichen, wenn sich keine Wirkungsgradzunahme für die jeweilige Anwendung ergibt.
  • In einer Ausführungsform reduziert die Steuerung 104, z. B. mittels der PFM-Einheit 110, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus kontinuierlich auf Basis des Ausgangsstromschätzwerts. Solch eine kontinuierliche Skalierung könnte deutlich bessere Leistung bereitstellen, jedoch nur bis zu einem Punkt.
  • 3 stellt grafisch den Wirkungsgrad eines hypothetischen Systems („hypothetisch“) mit festgelegter PFM-Ein-Zeitdauer und eines Systems („vorgeschlagen“) mit kontinuierlich skalierter PFM-Ein-Zeitdauer dar. In dem vorgeschlagenen System mit einstellbarer PFM-Ein-Zeitdauer beträgt der Spitzenstrom 45 A für 20 A Ausgang in diesem rein veranschaulichenden Beispiel (Vo = 0,8 V, L = 150 nH, Cout = 1333 µF). Beim hypothetischen System mit festgelegter PFM-Ein-Zeitdauer ist in diesem Beispiel der Spitzenstrom 45 A für die gesamte Last. Bei dem vorgeschlagenen System wird die Ein-Zeitdauer kontinuierlich reduziert, um das gleiche Spitzenstrom-/Strommittelwert-Verhältnis von 45/20 = 2,25 aufrechtzuerhalten. Demzufolge ist der Spitzenstrom 22,5 A bei 10 A, bei 5 A ist der Spitzenstrom 11,25 A usw. Indem das Spitzenstrom-/Strommittelwert-Verhältnis gleich gehalten wird, werden die Ein-, Aus- und Hochimpedanz-Zeitdauer mit Laststrom reduziert, was bedeutet, dass sich die PFM-Frequenz erhöht. In diesem Beispiel gleicht die Netto-Wirkungsgradzunahme, die die auf den Spitzenstrom zurückzuführende Reduzierung von Leistungsverlusten angibt, über 5 A die Erhöhung der auf die Frequenz zurückzuführenden Leistungsverluste aus. Allerdings herrschen in diesem Beispiel unterhalb von 5 A die frequenzabhängigen Verluste vor und überlagern die Einsparungen aus dem reduzierten Spitzenstrom.
  • In 4 wird die PFM-Ein-Zeitdauer kontinuierlich von 20 A bis hinunter auf 10 A in diesem rein veranschaulichenden Beispiel skaliert (Vo = 0,8 V, L = 150 nH, Cout = 1333 µF), um das gleiche Spitzenstrom-/Strommittelwert-Verhältnis von 2,25 aufrechtzuerhalten. Von 10 A bis hinunter auf 0 A wird der Spitzenstrom allerdings konstant auf 22,5 A gehalten. Das heißt: Die Steuerung 104 legt die PFM-Ein-Zeitdauer als Reaktion darauf fest, dass sich der Ausgangsstromschätzwert auf einen Mindestschwellenwert (10 A in diesem Beispiel) verringert, unter dem die Ein-Zeitdauer konstant bleibt. In diesem Szenario stellt die skalierte PFM-Ein-Zeitdauer eine Wirkungsgradverbesserung für den gesamten Lastbereich bereit. Der Mindestschwellenwert kann auf Basis eines Soll-Wirkungsgrads oder einer Soll-Ausgangsspannungswelligkeit für den Schaltspannungsregler 100 ausgewählt werden. Zum Beispiel kann der Nutzer den Strom zum Eintritt in den PFM-Betrieb ebenso auswählen wie den entsprechenden Spitzenstrom, der Ton vorgibt. Das Skalieren kann kontinuierlich herunter auf einen nutzerdefinierten Pegel erfolgen, der eine Wirkungsgradverbesserung aufrechterhält oder die Schwachlastwelligkeit auf einem gewünschten Pegel hält. Die PFM-Ein-Zeitdauer kann unterhalb dieses Punktes konstant bleiben, falls gewünscht.
  • In 5 wird die Schaltfrequenz (Fsw) des Systems mit skalierter PFM-Ein-Zeitdauer („vorgeschlagen“) mit kontinuierlichem Herunterskalieren auf 10 A gezeigt. In dieser Ausführungsform wird die kontinuierliche Reduzierung der PFM-Ein-Zeitdauer beendet, wenn die PFM-Frequenz auf einen PFM-Schaltfrequenzgrenzwert ansteigt (195 kHz in diesem Beispiel). Diese Ausführungsform auf Schaltfrequenzbasis erreicht das Gleiche wie die Ausführungsform auf Hochimpedanz-Basis, die in Verbindung mit 4 beschrieben wird.
  • 6 zeigt eine andere Ausführungsform, in der die Steuerung 104, z. B. mittels der PFM-Einheit 110, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus in einer oder mehreren diskreten Stufen als Reaktion darauf reduziert, dass der Ausgangsstromschätzwert sich wenigstens unter einen zweiten Schwellenwert verringert, der niedriger als der erste Schwellenwert ist. Der erste Schwellenwert bestimmt, wann sich der Schaltbetrieb von PWM auf PFM ändert, wie vorher hier erklärt worden ist. In einer Umsetzungsform reduziert die Steuerung 104 die PFM-Ein-Zeitdauer um 25 % von einem anfänglichen Wert der Ein-Zeitdauer als Reaktion darauf, dass der Ausgangsstromschätzwert sich auf 75 % des ersten Schwellenwerts verringert (erste Stufe in der Kurve des „vorgeschlagenen“ Systems in 6). Die Steuerung 104 reduziert die PFM-Ein-Zeitdauer um 50 % vom anfänglichen Wert der Ein-Zeitdauer als Reaktion darauf, dass der Ausgangsstromschätzwert sich auf 50 % des ersten Schwellenwerts verringert (zweite Stufe in der Kurve des „vorgeschlagenen“ Systems in 6). Das heißt: Der volle Ton-Wert kann stufenweise auf 75 % und dann auf 50 % reduziert werden.
  • Der Nutzer kann die Strompegel auswählen, bei denen die Reduzierung der Ein-Zeitdauer stattfindet, um Wirkungsgradverbesserung und/oder Reduzierung der Spannungswelligkeit zu erreichen, wie sie durch den Strom begrenzt wird, den die reduzierte Ein-Zeitdauer unterstützen kann. Zum Beispiel kann eine Nutzerschnittstelle die Skalierpegel in Form von Strom darstellen und dann die Gleichung (5) verwenden, um die Hochimpedanz-Zeitdauer zu berechnen, die von der Steuerung 104 gemessen/beobachtet werden muss, bevor Ton reduziert wird. Die Ausführungsform mit Reduzierung der PFM-Ein-Zeitdauer in diskreten Stufen ist ein Kompromiss zwischen Vereinfachung der Umsetzung und Realisierung von Wirkungsgradgewinn. In dem rein veranschaulichenden Beispiel aus 6 wird bei 20 A in den PFM-Modus eingetreten, und die PFM-Ein-Zeitdauer wird zum frühestmöglichen Zeitpunkt skaliert. Zum Beispiel findet 0,75 Ton bei 75 % Last (15 A) statt, und 0,5 Ton findet bei halber Last (10 A) statt. Die PFM-Schaltfrequenz könnte anstelle der Hochimpedanz-Zeitdauer verwendet werden, um zu entscheiden, wann auf einen reduzierten Ton-Wert geschaltet wird, wie hier vorher in Verbindung mit 5 beschrieben worden ist.
  • In jeder Umsetzungsform kann die Kenntnis der Hochimpedanz-Zeitdauer, der Frequenz oder des Stroms verwendet werden, um zu entscheiden, wann die PFM-Ein-Zeitdauer skaliert wird.
  • 7 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Verändern der PFM-Ein-Zeitdauer als Reaktion auf eine Änderung der Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus, wobei die Periode des PFM-Schaltmodus TSW = Ton + Toff + THiZ und die PFM-Frequenz gleich 1/TSW ist. Die Steuerung 104 misst die Reglereingangsspannung (Vin), die Ausgangsspannung (Vo) und die Induktanz-(L)Informationen oder hat anderweitig Zugriff auf diese Werte (Block 200). Die Steuerung 104 erzeugt, z. B. mittels der PFM-Einheit 110, den Wert der PFM-Ein-Zeitdauer (Block 202) bzw. gleicht ihn ab, z. B. gemäß Gleichung (1), und schaltet den High-Side-Transistor für die gewünschte Ein-Zeitdauer ein (Block 204). Die Steuerung 104 legt den Wert der PFM-Aus-Zeitdauer (Block 206) fest, z. B. gemäß Gleichung (2), und schaltet den Low-Side-Transistor für die berechnete Aus-Zeitdauer ein (Block 208). Die Steuerung 104 bringt dann den High-Side- und den Low-Side-Transistor in den Hochimpedanz-Zustand, in dem sie so lange bleiben, wie die Ausgangsspannung oberhalb eines Schwellenwerts bleibt (Blöcke 210 und 212).
  • Die Steuerung 104 misst die Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz und/oder -Periode des PFM-Schaltmodus (Block 214). Die Steuerung 104 reduziert die PFM-Ein-Zeitdauer, falls die gemessene Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus einen Zeit-/Frequenzschwellenwert überschreitet (Blöcke 216 und 218). Die Steuerung 104 erhöht die PFM-Ein-Zeitdauer, falls die gemessene Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus unter den Zeit-/Frequenzschwellenwert fällt (Blöcke 216 und 220). Der Zeit-/Frequenzschwellenwert kann etwas Toleranz beinhalten, um in der PFM-Ein-Zeitdauer häufige Störungen zu vermeiden. Die Steuerung 104 kann die PFM-Ein-Zeitdauer als Reaktion darauf festlegen, dass die gemessene Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus sich auf einen maximalen Schwellenwert erhöht, über dem die Ein-Zeitdauer konstant bleibt (z. B. 195 kHz im Beispiel aus 5).
  • Anstatt die PFM-Ein-Zeitdauer auf Basis der Messung der Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus zu verändern, kann die Steuerung 104 den Ausgangsstrom direkt oder indirekt messen oder schätzen. Dies kann durch allgemein bekannte Leistungsstufen-Strommessverfahren erfolgen, wie zum Beispiel RDS(on)-, Gleichstromwiderstands-(DCR-), Stromspiegel- oder Shunt-Widerstandsmessungen. Auf diese Weise kann die Strommessung zum Skalieren der PFM-Ein-Zeitdauer verwendet werden, ohne dass der Ausgangsstrom wirklich geschätzt werden muss. Zum Beispiel misst die RDS(on)-Stromerfassung die Spannung über dem Low-Side-Transistor (LS), wenn dieser Transistor leitend und der Strom proportional zur Spannung und invers zum RDS(on) des Low-Side-Transistors ist. Die Gleichstromwiderstands-Stromerfassung misst die Spannung über der Spule mit einem parallelen RC-Netzwerk, wobei die RC-Zeitkonstante an die L/DCR-Zeitkonstante angepasst wird und der Strom proportional zur Spannung und invers zum Gleichstromwiderstand ist. Ein Stromspiegel erzeugt einen skalierten Spiegelstrom aus dem High-Side-Transistor (HS) und/oder dem Low-Side-Transistor, wenn sie leiten. Ein Shunt-Widerstand kann in Reihe zur Leistungsstufe 102 hinzugefügt werden, im Allgemeinen zwischen der Spule (L) und der Last 106, und die Spannung über dem Shunt-Widerstand ist proportional zum Strom.
  • 8 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Verändern der PFM-Ein-Zeitdauer als Reaktion auf eine Änderung eines Schätzwerts des Reglerausgangsstroms. Die Steuerung 104 misst die Reglereingangsspannung (Vin), die Ausgangsspannung (Vo) und die Induktanz-(L)Informationen oder hat anderweitig Zugriff auf diese Werte (Block 300). Die Steuerung 104 erzeugt, z. B. mittels der PFM-Einheit 110, den Wert der PFM-Ein-Zeitdauer (Block 302) bzw. gleicht ihn ab, z. B. gemäß Gleichung (1), und schaltet den High-Side-Transistor für die gewünschte Ein-Zeitdauer ein (Block 304). Die Steuerung 104 legt den Wert der PFM-Aus-Zeitdauer (Block 306) fest, z. B. gemäß Gleichung (2), und schaltet den Low-Side-Transistor für die berechnete Aus-Zeitdauer ein (Block 308). Die Steuerung 104 bringt dann den High-Side- und den Low-Side-Transistor in den Hochimpedanz-Zustand, in dem sie so lange bleiben, wie die Ausgangsspannung oberhalb eines Schwellenwerts bleibt (Blöcke 310 und 312).
  • Die Steuerung 104 misst oder schätzt den Ausgangsstrom des Reglers (Block 314). Zum Beispiel kann die Steuerung 104 den Spulenspitzenstrom (Ipk) oder den mittleren Spulenstrom messen. Alternativ kann die Steuerung 104 den Reglerausgangsstrom schätzen, z. B. auf Basis von Vin, Vo und L oder irgendeiner Standardtechnik für Schaltspannungsregler. In jedem Fall verringert die Steuerung 104 die PFM-Ein-Zeitdauer, falls der gemessene/geschätzte Strom unter einen Stromschwellenwert fällt (Blöcke 316 und 318). Die Steuerung 104 erhöht die PFM-Ein-Zeitdauer, falls der gemessene/geschätzte Strom den Stromschwellenwert überschreitet (Blöcke 316 und 320). Der Stromschwellenwert kann etwas Toleranz beinhalten, um in der PFM-Ein-Zeitdauer häufige Störungen zu vermeiden. Die Steuerung 104 kann die PFM-Ein-Zeitdauer als Reaktion darauf festlegen, dass der gemessene/geschätzte Strom sich auf einen Mindestschwellenwert verringert, unter dem die Ein-Zeitdauer konstant bleibt.
  • In jedem Fall kann das Skalieren der PFM-Ein-Zeitdauer kontinuierlich oder diskret erfolgen. Dem Designer Flexibilität beim Auswählen der Skalierbedingungen zu geben, ermöglicht Optimierung des Wirkungsgrads und/oder der Welligkeit für jedes System. Systemdesigner können Reduzierungseinstellungen feinabstimmen, um die Leistung jedes Systems zu optimieren. Das Skalieren der PFM-Ein-Zeitdauer reduziert auch akustisches Geräusch. Mit dem konventionellen Ansatz der festgelegten PFM-Ein-Zeitdauer quert der Reglerbetrieb bei etwa 4 A in den hörbaren Bereich hinein. Die Energie der Spule, die Vibration bewirkt, beträgt 0,5 LIpk 2 = 0,5(150 nH)(452) = 151,875 µJ. Bei den hier beschriebenen Techniken zur Reduzierung der PFM-Ein-Zeitdauer quert die PFM-Frequenz bei 1 A in den hörbaren Bereich hinein, wobei ein Spulenspitzenstrom von 22,5 A 37,96875 µJ Energie in der Spule speichert. Indem die PFM-Ein-Zeitdauer skaliert wird, wird bei einem kleineren Strom in den hörbaren Bereich eingetreten (und daher weniger wahrscheinlich und weniger häufig), aber auch mit einem Viertel der Energie.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.

Claims (27)

  1. Verfahren zum Steuern eines Schaltspannungsreglers, der eine Leistungsstufe zur Abgabe eines Ausgangsstroms an eine Last über eine Spule aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Betreiben der Leistungsstufe in einen PFM-(Pulsfrequenzmodulations-)Schaltmodus, wenn sich der Ausgangsstrom unter einen ersten Schwellenwert verringert, wobei jede Periode des PFM-Schaltmodus eine Ein-Zeitdauer, während der ein High-Side-Transistor der Leistungsstufe eingeschaltet ist und ein Low-Side-Transistor der Leistungsstufe ausgeschaltet ist, eine Aus-Zeitdauer, während der der Low-Side-Transistor eingeschaltet ist und der High-Side-Transistor ausgeschaltet ist, und eine Hochimpedanz-Zeitdauer, während der sowohl der High-Side-Transistor als auch der Low-Side-Transistor ausgeschaltet sind, umfasst; und Verändern der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangsstroms.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verändern der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangsstroms aufweist: Schätzen des Ausgangsstroms; und Verändern der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangsstromschätzwerts.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus kontinuierlich auf Basis des Ausgangsstromschätzwerts reduziert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus in einer oder mehreren diskreten Stufen als Reaktion darauf reduziert wird, dass sich der Ausgangsstromschätzwert wenigstens unter einen zweiten Schwellenwert verringert, der niedriger als der erste Schwellenwert ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus um 25 % von einem anfänglichen Wert der Ein-Zeitdauer als Reaktion darauf reduziert wird, dass sich der Ausgangsstromschätzwert auf 75 % des ersten Schwellenwerts verringert, und wobei die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus um 50 % von einem anfänglichen Wert der Ein-Zeitdauer als Reaktion darauf reduziert wird, dass sich der Ausgangsstromschätzwert auf 50 % des ersten Schwellenwerts verringert.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5, bei dem das Schätzen des Ausgangsstroms aufweist: Berechnen eines anfänglichen Werts der Ein-Zeitdauer und eines anfänglichen Werts der Aus-Zeitdauer für den PFM-Schaltmodus; Messen der Hochimpedanz-Zeitdauer im PFM-Schaltmodus; und Schätzen des Ausgangsstroms als eine Funktion der gemessenen Hochimpedanz-Zeitdauer und des berechneten anfänglichen Werts der Ein-Zeitdauer und des anfänglichen Werts der Aus-Zeitdauer.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2–6, bei dem das Verändern der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangsstromschätzwerts aufweist: Erhöhen der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf, dass der Ausgangsstromschätzwert einen Schwellenwert überschreitet; und Verringern der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf, dass der Ausgangsstromschätzwert unter den Schwellenwert fällt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2–7, das weiterhin aufweist: Festlegen der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf, dass der Ausgangsstromschätzwert sich auf einen Mindestschwellenwert verringert, unter dem die Ein-Zeitdauer konstant bleibt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Mindestschwellenwert auf Basis eines Soll-Wirkungsgrads oder einer Soll-Ausgangsspannungswelligkeit für den Schaltspannungsregler ausgewählt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, bei dem die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus verändert wird, um so im PFM-Schaltmodus ein festes Verhältnis zwischen einem Spitzenstrom der Spule und dem Ausgangsstrom aufrechtzuerhalten, ohne den eigentlichen Ausgangsstrom oder den Spulenstrom zu messen.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, bei dem das Verändern der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangsstroms aufweist: Verändern der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung der Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin aufweist: Festlegen der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf, dass die Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus sich auf einen maximalen Schwellenwert erhöht, über dem die Ein-Zeitdauer konstant bleibt.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Verändern der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung der Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus aufweist: Verringern der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf, dass die Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus einen Schwellenwert überschreitet; und Erhöhen der Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf, dass die Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus unter den Schwellenwert fällt.
  14. Schaltspannungsregler, der aufweist: eine Leistungsstufe, die dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsstrom an eine Last über eine Spule abzugeben, wobei die Leistungsstufe einen High-Side-Transistor und einen Low-Side-Transistor aufweist; und eine Steuerung, die dazu ausgebildet ist, die Leistungsstufe in einem PFM-(Pulsfrequenzmodulations-)Schaltmodus zu betreiben, wenn sich der Ausgangsstrom unter einen ersten Schwellenwert verringert, wobei jede Periode des PFM-Schaltmodus eine Ein-Zeitdauer, während der der High-Side-Transistor eingeschaltet ist und der Low-Side-Transistor ausgeschaltet ist, eine Aus-Zeitdauer, während der der Low-Side-Transistor eingeschaltet ist und der High-Side-Transistor ausgeschaltet ist, und eine Hochimpedanz-Zeitdauer, während der sowohl der High-Side-Transistor als auch der Low-Side-Transistor ausgeschaltet sind, umfasst; und die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangsstroms zu verändern.
  15. Schaltspannungsregler nach Anspruch 14, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, den Ausgangsstrom zu schätzen und die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangsstromschätzwerts zu verändern.
  16. Schaltspannungsregler nach Anspruch 15, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus auf Basis des Ausgangsstromschätzwerts kontinuierlich zu reduzieren.
  17. Schaltspannungsregler nach Anspruch 15, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus in einer oder mehreren diskreten Stufen als Reaktion darauf zu reduzieren, dass sich der Ausgangsstromschätzwert wenigstens unter einen zweiten Schwellenwert verringert, der niedriger als der erste Schwellenwert ist.
  18. Schaltspannungsregler nach Anspruch 17, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus um 25 % von einem anfänglichen Wert der Ein-Zeitdauer als Reaktion darauf zu reduzieren, dass sich der Ausgangsstromschätzwert auf 75 % des ersten Schwellenwerts verringert, und um 50 % vom anfänglichen Wert der Ein-Zeitdauer als Reaktion darauf zu reduzieren, dass sich der Ausgangsstromschätzwert auf 50 % des ersten Schwellenwerts verringert.
  19. Schaltspannungsregler nach einem der Ansprüche 15–18, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, einen anfänglichen Wert der Ein-Zeitdauer und einen anfänglichen Wert der Aus-Zeitdauer für den PFM-Schaltmodus zu berechnen, die Hochimpedanz-Zeitdauer im PFM-Schaltmodus zu messen und den Ausgangsstrom als eine Funktion der gemessenen Hochimpedanz-Zeitdauer und des berechneten anfänglichen Werts der Ein-Zeitdauer und des anfänglichen Werts der Aus-Zeitdauer zu schätzen.
  20. Schaltspannungsregler nach einem der Ansprüche 15–19, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf zu erhöhen, dass der Ausgangsstromschätzwert einen Schwellenwert überschreitet, und die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf zu verringern, dass der Ausgangsstromschätzwert unter den Schwellenwert fällt.
  21. Schaltspannungsregler nach einem der Ansprüche 15–20, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf festzulegen, dass sich der Ausgangsstromschätzwert auf einen Mindestschwellenwert verringert, unter dem die Ein-Zeitdauer konstant bleibt.
  22. Schaltspannungsregler nach Anspruch 21, bei dem der Mindestschwellenwert auf Basis eines Soll-Wirkungsgrads oder einer Soll-Ausgangsspannungswelligkeit für den Schaltspannungsregler ausgewählt wird.
  23. Schaltspannungsregler nach einem der Ansprüche 14–22, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus zu verändern, um so im PFM-Schaltmodus ein festes Verhältnis zwischen einem Spitzenstrom der Spule und dem Ausgangsstrom aufrechtzuerhalten, ohne den eigentlichen Ausgangsstrom oder den Spulenstrom zu messen.
  24. Schaltspannungsregler nach einem der Ansprüche 14–23, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion auf eine Änderung der Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus zu verändern.
  25. Schaltspannungsregler nach Anspruch 24, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf festzulegen, dass sich die Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus auf einen maximalen Schwellenwert erhöht, über dem die Ein-Zeitdauer konstant bleibt.
  26. Schaltspannungsregler nach Anspruch 24, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf zu verringern, dass die Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus einen Schwellenwert überschreitet, und die Ein-Zeitdauer des PFM-Schaltmodus als Reaktion darauf zu erhöhen, dass die Hochimpedanz-Zeitdauer, -Frequenz oder -Periode des PFM-Schaltmodus unter den Schwellenwert fällt.
  27. Schaltspannungsregler nach einem der Ansprüche 14–26, bei dem der Schaltspannungsregler ein mehrphasiger Schaltspannungsregler ist und die Leistungsstufe eine Phase des mehrphasigen Schaltspannungsreglers ist.
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