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Technisches Gebiet
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Das vorliegende Dokument bezieht sich auf Schaltleistungswandler. Insbesondere bezieht sich das vorliegende Dokument auf die Stromerfassung innerhalb eines Schaltleistungswandlers wie etwa eines Tiefsetzstellers (Buck-Wandler).
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Hintergrund
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Schaltleistungswandler verwenden Informationen hinsichtlich des Stroms durch einen Leistungsschalter des Leistungswandlers z. B. für Steuerzwecke oder für Überwachungszwecke. Innerhalb einer Strombetriebsart kann die Ausgangsspannung des Leistungswandlers unter Verwendung von Informationen hinsichtlich des Ausgangsstrom des Leistungswandlers reguliert werden. Darüber hinaus können durch Analysieren des Ausgangsstroms, der durch den Leistungswandler bereitgestellt wird, Informationen hinsichtlich eines Systems, das durch den Leistungswandler versorgt wird, erhalten werden.
US 2015 / 0 171 737 A1 beschreibt einen Leistungswandler mit einer Stromerfassungsschaltung für einen hochseitigen Schalter oder einen tiefseitigen Schalter.
EP 2 869 073 A1 beschreibt eine Stromerfassungsschaltung.
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Das vorliegende Dokument behandelt das technische Problem der Schaffung einer Stromerfassungsschaltung für einen Schaltleistungswandler mit erhöhter Genauigkeit und Bandbreite.
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Zusammenfassung
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In Übereinstimmung mit einem Aspekt wird eine Stromerfassungsschaltung zum Erfassen eines hochseitigen Stroms durch einen hochseitigen Schalter und/oder zum Erfassen eines tiefseitigen Stroms durch einen tiefseitigen Schalter beschrieben. Der hochseitige Schalter und der tiefseitige Schalter sind zwischen einem hochseitigen Potential (z. B. einer Versorgungsspannung) und einem tiefseitigen Potential (z. B. Masse) in Reihe geschaltet und bilden eine Halbbrücke. Üblicherweise werden der hochseitige Schalter und der tiefseitige Schalter (durch eine Steuereinheit) in der Weise gesteuert, dass die Schalter in einander ausschließender Weise in jeweiligen Ein-Phasen sind. Der hochseitige Schalter kann einen P-Metalloxid-Halbleitertransistor (P-MOS-Transistor) umfassen und/oder der tiefseitige Schalter kann einen N-Metalloxid-Halbleitertransistor umfassen.
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Die Stromerfassungsschaltung umfasst eine hochseitige Erfassungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, einen erfassten hochseitigen Strom bereitzustellen, der den hochseitigen Strom während einer Ein-Phase des hochseitigen Schalters angibt. Der erfasste hochseitige Strom wird bei einem Ausgangsknoten der hochseitigen Erfassungsschaltung bereitgestellt. Der Ausgangsknoten kann über einen Ausgangswiderstand mit dem tiefseitigen Potential gekoppelt sein und der erfasste hochseitige Strom kann dem Strom durch den Ausgangswiderstand entsprechen.
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Die hochseitige Erfassungsschaltung umfasst eine Spiegelungsschaltungsanordnung, die dafür konfiguriert ist, einen Strom von einem ersten Knoten der hochseitigen Erfassungsschaltung zu dem Ausgangsknoten der hochseitigen Erfassungsschaltung zu spiegeln. Insbesondere kann die Spiegelungsschaltungsanordnung dafür konfiguriert sein, dies während einer Ein-Phase des tiefseitigen Schalters zu tun. Darüber hinaus kann die Spiegelungsschaltungsschaltungsanordnung dafür konfiguriert sein, während einer Ein-Phase des hochseitigen Schalters einen Spannungsabfall über den hochseitigen Schalter in den erfassten hochseitigen Strom bei dem Ausgangsknoten der hochseitigen Erfassungsschaltung zu transformieren.
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Die hochseitige Erfassungsschaltung kann einen ersten Koppelungsschalter umfassen, der dafür konfiguriert ist, den ersten Knoten mit einem Mittelpunkt der Halbbrücke zwischen dem hochseitigen Schalter und dem tiefseitigen Schalter zu koppeln oder von ihm zu entkoppeln. Darüber hinaus kann die hochseitige Erfassungsschaltung einen zweiten Kopplungsschalter umfassen, der dafür konfiguriert ist, den ersten Knoten mit dem hochseitigen Potential zu koppeln oder von ihm zu entkoppeln. Der hochseitige Erfassungsstrom kann unter Verwendung des ersten und des zweiten Kopplungsschalters mit dem hochseitigen Schalter (zum Erfassen des hochseitigen Stroms) gekoppelt werden oder kann (z. B. zum Spiegeln des erfassten tiefseitigen Stroms, der, wie im Folgenden erläutert ist, durch eine tiefseitige Erfassungsschaltung bereitgestellt wird) von dem hochseitigen Schalter entkoppelt werden.
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Insbesondere kann die hochseitige Schaltung eine Steuerschaltung umfassen, die dafür konfiguriert ist, während einer Ein-Phase des hochseitigen Schalters den ersten Kopplungsschalter zu schließen und den zweiten Kopplungsschalter zu öffnen. Im Ergebnis dessen kann der Spannungsabfall über einen Differentialeingang der Spiegelungsschaltung dem Spannungsabfall über dem hochseitigen Schalter (d. h. der Drain-Source-Spannung VDS des hochseitigen Schalters) entsprechen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit dafür konfiguriert sein, während einer Ein-Phase des tiefseitigen Schalters oder während einer Aus-Phase des hochseitigen Schalters den ersten Kopplungsschalter zu öffnen und den zweiten Kopplungsschalter zu schließen und dadurch zu ermöglichen, dass die Spiegelungsschaltungsanordnung einen erfassten tiefseitigen Strom (wie im Folgenden dargelegt ist) spiegelt. Es sollte erwähnt werden, dass der Leistungswandler in einer Betriebsart mit diskontinuierlichem Strom (DCM) betrieben werden kann, die außerdem eine Phase vorhersieht, in der beide Schalter gleichzeitig AUS sind.
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Darüber hinaus umfasst die Stromerfassungsschaltung eine tiefseitige Erfassungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, einen erfassten tiefseitigen Strom bereitzustellen, der den tiefseitigen Stromwährend einer Ein-Phase des tiefseitigen Schalters angibt. Die tiefseitige Erfassungsschaltung kann Komponenten umfassen, die den Komponenten der hochseitigen Erfassungsschaltung entsprechen. Insbesondere kann die tiefseitige Erfassungsschaltung eine Spiegelungsschaltungsanordnung umfassen. Allerdings wird angemerkt, dass die Komponenten der tiefseitigen Erfassungsschaltung (die in Bezug auf das tiefseitige Potential betrieben wird) in Bezug auf jene der hochseitigen Erfassungsschaltung (die in Bezug auf das hochseitige Potential betrieben wird) komplementär sein können. Der erfasste tiefseitige Strom kann bei einem Ausgangsknoten der tiefseitigen Erfassungsschaltung bereitgestellt werden. Der Ausgangsknoten der tiefseitigen Erfassungsschaltung kann über einen Ausgangswiderstand mit dem hochseitigen Potential gekoppelt sein und der erfasste tiefseitige Strom kann dem Strom durch den Ausgangswiderstand entsprechen.
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Der erfasste tiefseitige Strom wird dem ersten Knoten innerhalb der hochseitigen Erfassungsschaltung zugeführt. Insbesondere kann der Ausgangsknoten der tiefseitigen Erfassungsschaltung mit dem ersten Knoten der hochseitigen Erfassungsschaltung gekoppelt sein. Im Ergebnis dessen gibt der Strom bei dem Ausgangsknoten der hochseitigen Erfassungsschaltung während der Ein-Phase des tiefseitigen Schalters den erfassten tiefseitigen Strom an. Dadurch, dass der erfasste tiefseitige Strom dem ersten Knoten zugeführt wird, wird die hochseitige Erfassungsschaltung während der Ein-Phase des tiefseitigen Schalters vorgespannt (pre-biased). Dies ermöglicht, dass die hochseitige Erfassungsschaltung während der Ein-Phase des hochseitigen Schalters schneller in Richtung eines genau erfassten hochseitigen Stroms konvergiert. Somit werden die Genauigkeit und die Bandbreite der Stromerfassung erhöht.
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Die Spiegelungsschaltungsanordnung kann einen Ausgangstransistor und einen (Operations- und/oder Differential-)Verstärker umfassen. Ein Gate des Ausgangstransistors kann durch einen Ausgang des Verstärkers gesteuert werden. Ein erster Anschluss (z. B. die Source) des Ausgangstransistors (der einen P-MOS-Transistor umfassen kann) kann mit einem negativen Eingang des Verstärkers gekoppelt sein. Der Ausgangsknoten der hochseitigen Erfassungsschaltung kann mit einem zweiten Anschluss (z. B. dem Drain) des Ausgangstransistors gekoppelt sein (oder ihm entsprechen). Darüber hinaus kann der erfasste tiefseitige Strom einem positiven Eingang des Verstärkers zugeführt werden. Insbesondere kann der Ausgangsknoten der tiefseitigen Erfassungsschaltung mit dem positiven Eingang des Verstärkers (direkt) gekoppelt sein. Durch Verwendung einer solchen Spiegelungsschaltungsanordnung kann der erfasste hochseitige Strom auf präzise Weise bestimmt werden.
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Die Spiegelungsschaltungsanordnung kann einen Erfassungswiderstand (z. B. ein Erfassungswiderstandsbauelement) umfassen, wobei der Erfassungswiderstand so angeordnet ist, dass er den negativen Eingang des Verstärkers mit dem hochseitigen Potential koppelt. Darüber hinaus kann der positive Eingang des Verstärkers (während der Ein-Phase des hochseitigen Schalters) mit dem Mittelpunkt der Halbbrücke gekoppelt sein. Der Verstärker kann dafür konfiguriert sein, den Ausgangstransistor in der Weise zu steuern, dass der Spannungsabfall bei dem Erfassungswiderstand dem Spannungsabfall über dem hochseitigen Schalter (d. h. der Drain-Source-Spannung des hochseitigen Schalters) entspricht. Dies kann dadurch erzielt werden, dass der Strom durch den Erfassungswiderstand unter Verwendung des Ausgangstransistors, der mit dem Erfassungswiderstand in Reihe geschaltet ist, gesteuert wird. Im Ergebnis dessen kann bei dem Ausgangsknoten der hochseitigen Erfassungsschaltung eine präzise Angabe des hochseitigen Stroms bereitgestellt werden.
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Die Spiegelungsschaltungsanordnung kann Vorspannmittel umfassen, die dafür konfiguriert sind, eine Vorspannung für den positiven Eingang des Verstärkers bereitzustellen. Die Vorspannmittel können eine Stromquelle umfassen, die dafür konfiguriert ist, einen Vorstrom einzustellen. Darüber hinaus können die Vorspannmittel einen Vorspannwiderstand umfassen, der mit dem positiven Eingang gekoppelt ist und der so angeordnet sein kann, dass der Vorstrom durch den Vorspannwiderstand fließt. Die Vorspannmittel können dafür verwendet werden, die hochseitige Erfassungsschaltung auf Eigenschaften des hochseitigen Schalters (z. B. auf den Ein-Widerstand des hochseitigen Schalters) abzustimmen.
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Der Vorspannwiderstand (z. B. ein Vorspannwiderstandsbauelement) kann so angeordnet sein, dass der Vorspannwiderstand während der Ein-Phase des hochseitigen Schalters mit dem Mittelpunkt der Halbbrücke gekoppelt ist und dadurch eine Vorspannfunktion für die Erfassung des hochseitigen Stroms bereitstellt. Andererseits kann der Vorspannwiderstand so angeordnet sein, dass der Vorspannwiderstand während der Ein-Phase des tiefseitigen Schalters oder während der Aus-Phase des hochseitigen Schalters mit dem hochseitigen Potential gekoppelt ist und dadurch die Spiegelungsfunktion für den erfassten tiefseitigen Strom bereitstellt. Zu diesem Zweck kann der erfasste tiefseitige Strom dem ersten Knoten zugeführt werden, der zwischen dem positiven Eingang des Verstärkers und dem Vorspannwiderstandsbauelement angeordnet ist. Die Änderung der Anordnung des Vorspannwiderstands kann unter Verwendung des ersten und des zweiten Kopplungsschalters erzielt werden. Der Leistungswandler kann wieder in dem DCM betrieben werden, der eine Phase enthält, in der beide Schalter gleichzeitig AUS sind.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt wird eine andere Stromerfassungsschaltung zum Erfassen eines hochseitigen Stroms durch einen hochseitigen Schalter und/oder zum Erfassen eines tiefseitigen Stroms durch einen tiefseitigen Schalter beschrieben. Dahingehend, dass der erfasste hochseitige Strom einem ersten Knoten der Spiegelungsschaltungsanordnung der tiefseitigen Erfassungsschaltung zugeführt wird, ist die Stromerfassungsschaltung komplementär zu der oben erwähnten Stromerfassungsschaltung. Die Merkmale, die in dem vorliegenden Dokument für eine Stromerfassungsschaltung beschrieben sind, die das erfasste tiefseitige Signal zu der hochseitigen Erfassungsschaltung zuführt, sind ebenfalls auf eine Stromerfassungsschaltung anwendbar, die das erfasste hochseitige Signal der tiefseitigen Erfassungsschaltung zuführt.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt wird ein Schaltleistungswandler (z. B. ein Tiefsetzsteller) beschrieben. Der Leistungswandler umfasst einen hochseitigen Schalter und einen tiefseitigen Schalter, die zwischen einem hochseitigen Potential und einem tiefseitigen Potential in Reihe geschaltet sind und die eine Halbbrücke bilden. Darüber hinaus umfasst der Leistungswandler eine Stromerfassungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, einen erfassten hochseitigen Strom und/oder einen erfassten tiefseitigen Strom bereitzustellen. Die Stromerfassungsschaltung kann irgendeine Kombination von in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Merkmalen umfassen. Außerdem umfasst der Leistungswandler eine Steuerschaltung, die dafür konfiguriert ist, den hochseitigen Schalter und den tiefseitigen Schalter auf der Grundlage des erfassten hochseitigen Stroms und/oder auf der Grundlage des erfassten tiefseitigen Stroms auf einander ausschließende Weise in jeweilige Ein-Phasen zu bringen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit dafür konfiguriert sein, eine Ausgangsspannung des Leistungswandlers unter Verwendung des erfassten hochseitigen Stroms und/oder des erfassten tiefseitigen Stroms auf eine vorgegebene Referenzspannung zu regulieren.
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In Übereinstimmung mit weiteren Aspekten werden entsprechende Verfahren für die oben erwähnten Stromerfassungsschaltungen beschrieben.
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Es sollte erwähnt werden, dass die enthaltenen Verfahren und Systeme einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsformen, wie sie in dem vorliegenden Dokument dargelegt sind, selbständig oder zusammen mit anderen Verfahren und Systemen, die in diesem Dokument offenbart sind, verwendet werden können. Außerdem sind die in dem Kontext eines Systems dargelegten Merkmale ebenfalls auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Darüber hinaus können alle Aspekte der in dem vorliegenden Dokument dargelegten Verfahren und Systeme beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche auf beliebige Weise miteinander kombiniert werden.
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In dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „Koppeln“ oder „gekoppelt“ auf Elemente, die, gleich, ob sie direkt, z. B. über Drähte, oder auf eine andere Weise miteinander verbunden sind, in elektrischer Verbindung miteinander stehen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden auf beispielhafte Art und Weise in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen
- 1 beispielhafte Stromerfassungsschaltungen für die Ströme durch einen hochseitigen Schalter und durch einen tiefseitigen Schalter eines Leistungswandlers darstellt;
- 2 eine beispielhafte kombinierte Stromerfassungsschaltung für die Ströme durch einen hochseitigen Schalter und durch einen tiefseitigen Schalter des Leistungswandlers zeigt;
- 3 eine beispielhafte Stromerfassungsschaltung für einen hochseitigen Schalter zeigt, der unter Verwendung eines erfassten Stroms für einen tiefseitigen Schalter vorgespannt ist;
- 4 eine beispielhafte Stromerfassungsschaltung für einen tiefseitigen Schalter zeigt, der unter Verwendung eines erfassten Stroms für einen hochseitigen Schalter vorgespannt ist;
- 5 und 6 beispielhafte erfasste Ströme zeigen, die durch unterschiedliche Stromerfassungsschaltungen bereitgestellt werden; und
- 7 einen Ablaufplan eines beispielhaften Verfahrens zum Bereitstellen einer Angabe des Stroms über den hochseitigen Schalter und/oder durch den tiefseitigen Schalter eines Leistungswandlers zeigt.
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Ausführliche Beschreibung
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Wie oben dargelegt ist, behandelt das vorliegende Dokument das technische Problem der Erfassung des Stroms durch einen Leistungsschalter eines Schaltleistungswandlers. 1 zeigt einen beispielhaften Leistungswandler 110 (insbesondere einen Tiefsetzsteller bzw. Buck-Wandler), der einen hochseitigen Schalter 112 (z. B. einen PMOS-Transistor, d. h. einen P-Metalloxid-Halbleitertransistor) und einen tiefseitigen Schalter 113 (z. B. einen NMOS-Transistor, d. h. einen N-MOS-Transistor) umfasst. Der hochseitige Schalter 112 und der tiefseitige Schalter 113 werden unter Verwendung einer Steuereinheit des Leistungswandlers 110 (nicht gezeigt) über ihre jeweiligen Gates gesteuert. Üblicherweise werden die Schalter 112, 113 auf einander ausschließende Weise geschlossen, so dass der tiefseitige Schalter 113 geöffnet ist, wenn der hochseitige Schalter 112 geschlossen ist, und umgekehrt. Wenn der hochseitige Schalter 112 geschlossen ist, fließt ein hochseitiger Strom 142 über den hochseitigen Schalter 112, wobei der hochseitige Strom 142 über einen Induktor 111 für den Ausgang bereitgestellt wird. Andererseits fließt ein tiefseitiger Strom 143 über den tiefseitigen Schalter 113 und über den Induktor 111 zu dem Ausgang des Leistungswandlers 110, wenn der tiefseitige Schalter 113 geschlossen ist. Ferner kann der Leistungswandler 110 eine Ausgangskapazität 114 umfassen, die zu dem Ausgang des Leistungswandlers 110 parallelgeschaltet ist.
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Somit umfasst der Leistungswandler 110 eine Halbbrücke mit Schaltern 112, 113, die zwischen einem hochseitigen Potential 151 (z. B. einer Versorgungsspannung) und einem tiefseitigen Potential 152 (z. B. Masse) angeordnet sind. Der Induktor 111 ist mit einem (durch die Buchstaben „LX“ bezeichneten) Mittelpunkt zwischen dem hochseitigen Schalter 112 und dem tiefseitigen Schalter 113 gekoppelt.
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1 zeigt eine hochseitige Erfassungsschaltung 120, die dafür konfiguriert ist, eine Angabe 127 des hochseitigen Stroms 142 bereitzustellen. Die Angabe 127 kann ebenfalls als der erfasste hochseitige Strom bezeichnet werden. Zum Erfassen des hochseitigen Stroms 142 wird der erste Kopplungsschalter 121 geschlossen und wird der zweite Kopplungsschalter 122 geöffnet. Die hochseitige Erfassungsschaltung 120 umfasst einen Operationsverstärker 125, der den Ausgangstransistor 126 zum Einstellen der Angabe 127 des hochseitigen Stroms 142 steuert. Die Angabe 127 wird so eingestellt, dass die Spannung an dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 125 der Spannung an dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 125 entspricht. Dies ist der Fall, falls der Spannungsabfall bei dem Erfassungswiderstand 124 (abgesehen von einer Vorspannung bei dem Vorspannungswiderstand 123) im Wesentlichen gleich dem Spannungsabfall bei dem hochseitigen Schalter 122 ist. Der Spannungsabfall bei dem Erfassungswiderstand 124 kann durch Anpassen des Stroms durch den Erfassungswiderstand 124, d. h. durch Anpassen der Angabe 127 des hochseitigen Stroms, eingestellt werden. Die Vorstromquelle bzw. Biasstromquelle 128 kann verwendet werden, um einen geeigneten Vorstrom bzw. Biasstrom durch das Widerstandsbauelement 123 einzustellen, um die hochseitige Erfassungsschaltung 120 abzustimmen.
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Auf analoge Weise kann eine tiefseitige Erfassungsschaltung 130 vorgesehen sein, um eine Angabe 137 des tiefseitigen Stroms 143 (auch als der erfasste tiefseitige Strom bezeichnet) bereitzustellen. Wenn der tiefseitige Schalter 113 geschlossen ist, kann der erste Kopplungsschalter 131 geschlossen werden und kann der zweite Kopplungsschalter 132 geöffnet werden. Die Angabe 137 des tiefseitigen Stroms 143 kann unter Verwendung eines Erfassungswiderstandsbauelements 133, eines Operationsverstärkers 135, eines Ausgangstransistors 136, eines Vorspannwiderstands 134 und einer Vorstromquelle 138 (die eine in dem vorliegenden Dokument als Spiegelungsschaltungsanordnung bezeichnete Schaltungsanordnung bilden kann) bestimmt werden.
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2 zeigt eine zusätzliche Schaltungsanordnung zum Bereitstellen einer kombinierten Angabe 207 des hochseitigen Stroms 142 und für den tiefseitigen Strom 143. Die Angabe 137 des tiefseitigen Stroms 143 kann unter Verwendung eines Stromspiegels 200 mit den Transistoren 201, 202 gespiegelt werden, wodurch eine gespiegelte Angabe 237 des tiefseitigen Stroms 143 bereitgestellt wird. Es kann ein P-Stromspiegel 200 verwendet werden, um eine P-gespiegelte Angabe 237 bereitzustellen. Die gespiegelte Angabe 237 kann dann (z. B. durch Addieren der jeweiligen Ströme) mit der (P-)Angabe 127 kombiniert werden, um die kombinierte Angabe 207 bereitzustellen. Auf analoge Weise kann ein Stromspiegel (z. B. ein NMOS-Stromspiegel) verwendet werden, um eine gespiegelte Angabe von der Angabe 127 herzuleiten, die daraufhin zu der Angabe 137 addiert wird, um eine kombinierte Angabe bereitzustellen.
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Die Schaltungsanordnung aus 2 ist dahingehend nachteilig, dass die einzelnen Stromerfassungsschaltungen 120, 130 weiter selbständig arbeiten, so dass keine Synergien durch Kombinieren der Stromerfassung erhalten werden können. Darüber hinaus erfordert die Schaltungsanordnung aus 2 einen zusätzlichen Stromspiegel 200, der üblicherweise zu einem zusätzlichen Offset, zu einer zusätzlichen Vorspannung, zu zusätzlichen Platzanforderungen usw. führt.
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3 zeigt eine hochseitige Erfassungsschaltung 120, die die tiefseitige Erfassungsschaltung 130 verwendet, um die Leistungsfähigkeit der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 zu verbessern. 4 zeigt den analogen/komplementären Fall einer tiefseitigen Erfassungsschaltung 130, die die hochseitige Erfassungsschaltung 120 verwendet, um die Leistungsfähigkeit der tiefseitigen Erfassungsschaltung 130 zu verbessern.
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Um die Leistungsfähigkeit der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 zu verbessern, wird die Angabe 137 des tiefseitigen Stroms 143 (d. h. die Ausgabe des tiefseitigen Erfassungsstroms 130) dem Vorspannungseingang (d. h. dem positiven Eingang aus 3) des Operationsverstärkers 125 zugeführt. Mit anderen Worten, die Angabe 137 des tiefseitigen Stroms 143 wird zum Vorspannen der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 verwendet. 4 zeigt den analogen Fall, in dem die Angabe 127 des hochseitigen Stroms 142 zum Vorspannen der tiefseitigen Erfassungsschaltung 130 verwendet wird.
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Somit zeigt 3 eine Schaltungsanordnung, in der der Ausgang der tiefseitigen Erfassungsschaltung 130 in die hochseitige Erfassungsschaltung 120 eingeführt ist. Wenn der hochseitige Schalter 112 geschlossen ist, ist der tiefseitige Schalter 113 geöffnet. Im Ergebnis dessen ist die Angabe 137 des tiefseitigen Schalters 143 null und stellt die hochseitige Erfassungsschaltung 120 einen (z. B. P-)Ausgangsstrom als eine Angabe 127 des hochseitigen Stroms 142 bereit. Somit arbeitet die hochseitige Erfassungsschaltung 120 so, als ob sie selbständig wäre.
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Andererseits wird der erfasste tiefseitige Strom 137 (z. B. ein N-Strom) in die hochseitige Erfassungsschaltung 120 injiziert (ist der erste Kopplungsschalter 121 geöffnet und ist der zweite Kopplungsschalter 122 geschlossen), wenn der hochseitige Schalter 112 geöffnet ist und wenn der tiefseitige Schalter 113 geschlossen ist. Die hochseitige Erfassungsschaltung 120 wirkt als ein Spiegel, wobei sie den erfassten tiefseitigen Strom 137 zu dem Ausgangsknoten der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 kopiert und dadurch üblicherweise einen erfassten tiefseitigen N-Strom in einen P-Strom umschaltet. Somit wird während einer Aus-Phase des hochseitigen Schalters 112 am Ausgang der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 eine gespiegelte Angabe des erfassten tiefseitigen Stroms 137 bereitgestellt.
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Die Schaltung aus 3 (und 4) weist verschiedene Vorteile auf. In 3 ist die hochseitige Erfassungsschaltung 120 selbst als ein Spiegel für den erfassten tiefseitigen Strom 137 verwendet. Dadurch werden keine zusätzlichen Offsets in die Schaltung eingeführt. Insbesondere wird während der Ein-Phase des hochseitigen Schalters 112 (wenn die hochseitige Erfassungsschaltung 120 zum Bereitstellen einer Angabe 127 für den hochseitigen Strom 142 verwendet wird) und während der Aus-Phase des hochseitigen Schalters 112 (wenn der hochseitige Erfassungsstrom 120 zum Spiegeln der Angabe 137 des tiefseitigen Stroms 143 verwendet wird) derselbe Offset eingeführt. Darüber hinaus erfordert die Schaltung aus 3 (und aus 4) keinen zusätzlichen Platz. Außerdem wird die hochseitige Erfassungsschaltung 120 während der Aus-Phase des hochseitigen Schalters 112 aktiv gehalten. Im Ergebnis dessen zeigt die hochseitige Erfassungsschaltung 120 eine erhöhte Einschaltgeschwin-digkeit zu Beginn einer Ein-Phase des hochseitigen Schalters 112. Das heißt, dass der erfasste hochseitige Strom 127 im Vergleich zu den Schaltungen aus 1 und 2 mit erhöhter Geschwindigkeit konvergiert. Dies ist besonders nützlich, wenn der erfasste hochseitige Strom 127 für die Spitzenstromsteuerung eines Leistungswandlers 110 verwendet wird.
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Wie oben angegeben wurde, zeigt 4 den analogen oder komplementären Fall zu 3. Der Ausgang der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 ist in die tiefseitige Erfassungsschaltung 130 eingeführt. Während der Aus-Phase des hochseitigen Schalters 112 ist der tiefseitige Schalter 113 geschlossen und ist der hochseitige Schalter 112 geöffnet. Die hochseitige Erfassungsschaltung 120 stellt einen erfassten hochseitigen Strom 127 bereit, der null ist, und die tiefseitige Erfassungsschaltung 130 arbeitet so, als ob sie selbständig wäre. Andererseits wird während der Ein-Phase des hochseitigen Schalters 112 der erfasste hochseitige Strom 127 in die tiefseitige Erfassungsschaltung 130 injiziert, die als ein Spiegel wirkt, der den erfassten hochseitigen Strom 127 zu dem Ausgangsknoten der tiefseitigen Erfassungsschaltung 130 kopiert und den gespiegelten Strom üblicherweise in einen N-Strom umschaltet, wenn der hochseitige Schalter 112 geschlossen ist und der tiefseitige Schalter 113 geöffnet ist.
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Die Vorteile von 4 sind ähnlich jenen von 3. Insbesondere kann die erhöhte Konvergenzgeschwindigkeit des erfassten tiefseitigen Stroms 137 nützlich für die Talstromsteuerung eines Leistungswandlers 110 sein.
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Somit kann die hochseitige Erfassungsschaltung 120 mittels des erfassten tiefseitigen Stroms 137 vorgespannt werden (oder umgekehrt). Dies kann in Spitzenstrombetriebsart-Leistungswandlern 110, für die die Steuerschleife den Spitzenwert des Stroms durch den Induktor 111 mittels einer Messung an dem hochseitigen Strom 142 bestimmt, nützlich sein. Wenn der erfasste tiefseitige Strom 137 zum Vorspannen der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 vor der Ein-Phase des hochseitigen Schalters 112 verwendet wird, kann ein schnellerer Start der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 erzielt werden. Dies ist auf analoge Weise für Talstrombetriebsart-Leistungswandler 120 anwendbar, wenn die Schaltung aus 4 verwendet wird.
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Darüber hinaus hat die Tatsache der Einführung des erfassten tiefseitigen Stroms 137 in die hochseitige Erfassungsschaltung 120 (oder umgekehrt) bei der Überwachung des Ausgangsstroms des Leistungswandlers 110 den Vorteil, dass die hochseitige Erfassungsschaltung 120 selbst als ein Stromspiegel verwendet wird, um die Richtung des erfassten tiefseitigen (NMOS-)Stroms 137 umzukehren (oder umgekehrt). Somit ist kein zusätzlicher Stromspiegel notwendig, wodurch ein zusätzlicher Stromverbrauch und zusätzliche Offsets vermieden werden.
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Die 5 und 6 zeigen experimentelle Ergebnisse. Insbesondere zeigt 5 die Signale eines Spitzenstrombetriebsart-Modulators, der zum Bestimmen eines Zeitpunkts zum Beenden der Ein-Phase 512 des hochseitigen Schalters 112 und zum Beginnen der Aus-Phase 513 des hochseitigen Schalters 112 (die üblicherweise der Ein-Phase des tiefseitigen Schalters 113 entspricht) verwendet werden kann. Der erfasste hochseitige Strom 127 (der als eine Modulatorrampe verwendet werden kann) wird mit einem Steuersignal 531 (z. B. mit einer Spiegelspannung) verglichen, um den Tastgrad (d. h. die Länge der Ein-Phase 512) des Schaltleistungswandlers 110 zu definieren.
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Wenn der hochseitige Schalter 112 während der Ein-Phase 512 eingeschaltet ist, repräsentiert der erfasst hochseitige Strom 127 den in dem hochseitigen Schalter 112 fließenden Strom. Die Idealform dieses Stroms ist als eine Referenzkurve 527 gezeigt. Wenn die hochseitige Erfassungsschaltung 120 (wie z. B. in 1 gezeigt ist) selbständig verwendet wird, wird der erfasste hochseitige Strom 127 in Übereinstimmung mit der Kurve 537 erhalten. Es ist zu sehen, dass der erfasste hochseitige Strom 127 in Übereinstimmung mit der Kurve 537 ein verhältnismäßig langes Zeitintervall erfordert, um zu der Referenzkurve 527 zu konvergieren. Andererseits entspricht der erfasste hochseitige Strom 127 der Kurve 547, wenn die hochseitige Erfassungsschaltung 120 unter Verwendung des erfassten tiefseitigen Stroms 137 vorgespannt wird. Es ist zu sehen, dass der Übergangsvorgang zu Beginn der Ein-Phase 512 wesentlich kleiner als für die Kurve 537 ist und dass das Zeitintervall zum Konvergieren zu der Referenzkurve 527 wesentlich verringert ist.
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6 zeigt die Modulatorsignale aus 5, allerdings mit einem verringerten Tastgrad. Wegen des verringerten Tastgrads hat der erfasste hochseitige Strom 127 der selbständigen hochseitigen Erfassungsschaltung 120 (die Kurve 537) keine Zeit, um innerhalb der Dauer der Ein-Phase 512 des hochseitigen Stroms 112 zu der Referenzkurve 527 zu konvergieren. Im Ergebnis dessen wird das Steuersignal 531 (z. B. eine Federspannung) durch die Regulierungsschleife zu einem geänderten Steuersignal 541 verringert, um die Ausgangsspannung des Leistungswandlers 110 auf einem gewünschten Pegel zu halten zu versuchen. Diese Verschiebung des Steuersignals 541 kann für Regulierungsschleifen, die eine Fehlerverstärkung mit endlichem Verstärkungsfaktor zeigen, zu einem Offset der Ausgangsspannung des Leistungswandlers 110 führen. Darüber hinaus kann die erhöhte Neigung der Kurve 537 eine Auswirkung auf die AC-Leistungsfähigkeit (Wechselstromleistungsfähigkeit) des Leistungswandlers 110 haben.
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Aus 6 ist zu sehen, dass die Konvergenz- oder Ausregelgeschwindigkeit des erfassten hochseitigen Stroms 127 (die Kurve 547) zunimmt, wenn die hochseitige Erfassungsschaltung 120 (wie in 3 gezeigt ist) vorgespannt wird, wodurch die oben erwähnten Wirkungen auf die Regulierung des Leistungswandlers 110 vermieden werden.
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7 zeigt einen Ablaufplan eines beispielhaften Verfahrens 700 zum Erfassen eines hochseitigen Stroms 142 über einen hochseitigen Schalter 112 und/oder zum Erfassen eines tiefseitigen Stroms 143 über einen tiefseitigen Schalter 113 einer Halbbrückenschaltung, die den hochseitigen Schalter 112 und den tiefseitigen Schalter 113 umfasst, die zwischen einem hochseitigen Potential 151 und einem tiefseitigen Potential 152 in Reihe geschaltet sind. Der hochseitige Schalter 112 und der tiefseitige Schalter 113 werden dafür gesteuert, auf einander ausschließende Art und Weise in jeweiligen Ein-Phasen 512, 513 zu sein.
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Das Verfahren 700 umfasst das Bereitstellen 701 eines erfassten hochseitigen Stroms 127, der den hochseitigen Strom 142 angibt, unter Verwendung einer hochseitigen Erfassungsschaltung 120 während einer Ein-Phase 512 des hochseitigen Schalters 112. Die hochseitige Erfassungsschaltung 120 umfasst eine Spiegelungsschaltungsanordnung 123, 124, 125, 126, 128, die dafür konfiguriert ist, einen Strom von einem ersten Knoten der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 zu einem Ausgangsknoten der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 (wenigstens während einer Ein-Phase 153 des tiefseitigen Schalters 113) zu spiegeln. Der erfasste hochseitige Strom 127 wird bei dem Ausgangsknoten der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 bereitgestellt.
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Ferner umfasst das Verfahren 700 das Bereitstellen 702 eines erfassten tiefseitigen Stroms 137, der den tiefseitigen Strom 143 angibt, unter Verwendung einer tiefseitigen Erfassungsschaltung 130 während einer Ein-Phase 513 des tiefseitigen Schalters 113. Darüber hinaus umfasst das Verfahren 700 das Zuführen 703 des erfassten tiefseitigen Stroms 137 zu dem ersten Knoten, so dass der Strom bei dem Ausgangsknoten der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 den erfassten tiefseitigen Strom 137 während der Ein-Phase 513 des tiefseitigen Schalters 113 angibt.
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Durch Rückkoppeln des erfassten tiefseitigen Stroms 137 zu dem ersten Knoten der hochseitigen Erfassungsschaltung 120 wird die hochseitige Erfassungsschaltung 120 vorgespannt und werden dadurch die oben erwähnten Vorteile geschaffen.
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Es wird angemerkt, dass die tiefseitige Erfassungsschaltung 130 in einer entsprechenden Version des Verfahrens 700 (die der Schaltungsanordnung aus 4 entspricht) eine Spiegelungsschaltungsanordnung 133, 134, 135, 136, 138 umfasst und dass der erfasste hochseitige Strom 127 dem ersten Knoten der Spiegelungsschaltungsanordnung 133, 134, 135, 136, 138 der tiefseitigen Erfassungsschaltung 130 zugeführt wird.
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Es wird angemerkt, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme veranschaulicht. Der Fachmann auf dem Gebiet kann verschiedene Anordnungen implementieren, die, obwohl sie hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Erfindungsgedanken und Schutzumfang enthalten sind. Darüber hinaus sind alle in dem vorliegenden Dokument dargelegten Beispiele und Ausführungsformen prinzipiell ausdrücklich nur zu Erläuterungszwecken bestimmt, um dem Leser beim Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systemen zu helfen. Darüber hinaus sollen alle vorliegenden Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung sowie spezifische Beispiele dafür bieten, Entsprechungen davon umfassen.
