DE102015215652B4

DE102015215652B4 - Adaptiver BJT-Treiber für Schaltleistungswandler, entsprechendes Verfahren und Sperrwandler

Info

Publication number: DE102015215652B4
Application number: DE102015215652.4A
Authority: DE
Inventors: Pengju Kong; Hien Bui; Duc Doan; John Shi; Judy Sha
Original assignee: Dialog Semiconductor Inc
Current assignee: Dialog Semiconductor Inc
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2035-08-18
Also published as: CN105680696A; US9543819B2; US20160164397A1; CN105680696B; DE102015215652A1

Abstract

Ein Schaltleistungswandler, der aufweist:
einen Bipolartransistor(BJT - bipolar junction transistor)-Leistungsschalter, der mit einem Induktor gekoppelt ist;
einen Basisstromtreiber (210), der konfiguriert ist zum Ansteuern eines Basisstroms in eine Basis des BJT-Leistungsschalters; und
eine Steuervorrichtung (205), die konfiguriert ist zum Steuern des Basistreibers derart, dass der BJT-Leistungsschalter gemäß der Ansteuerung des Basisstroms ein- und ausgeschaltet wird, wobei der Basisstrom für jeden aktuellen Zyklus in zumindest einigen der BJT-Leistungsschalterzyklen von einem Anfangswert startet und auf einen Maximalwert bei einer Änderungsrate für den Basisstrom erhöht wird, die proportional ist zu einer Änderungsrate für einen Kollektorstrom für den BJT-Leistungsschalter in einem vorhergehenden Zyklus zu dem aktuellen Zyklus, wobei die Steuervorrichtung (205) ferner konfiguriert ist zum Steuern des Basistreibers, so dass der Anfangswert für den Basisstrom ein Offset-Wert von Null ist.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der U.S. Provisional Application Nr. 62/089,149 , angemeldet am 8. Dezember 2014, deren Inhalte hier in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft Schaltleistungswandler und insbesondere einen Schaltleistungswandler, der konfiguriert ist zum Steuern der Änderungsrate für einen Basisstrom für einen Bipolartransistor(BJT - bipolar junction transistor)-Leistungsschalter, um proportional zu sein zu einer Änderungsrate für den Kollektorstrom des BJT-Leistungsschalters.
HINTERGRUND
Die explosive Zunahme von mobilen elektronischen Vorrichtungen, wie Smartphones und Tablets, erzeugt einen steigenden Bedarf in der Technik für kompakte und effiziente Schaltleistungswandler, so dass Benutzer diese Vor-richtungen wiederaufladen können. Ein Flyback- bzw. Sperr-Schaltleistungswandler ist typischerweise für eine mobile Vorrichtung vorgesehen, da sein Transformator eine sichere Isolierung von einem AC-Haushaltsstrom bietet. Diese Isolierung stellt ein Problem dar dadurch, dass das Leistungsschal-ten an der primären Seite des Transformators stattfindet, aber die Last auf der sekundären Seite ist. Die Leistungsschaltmodulation für einen Sperrwandler erfordert eine Kenntnis der Ausgangsspannung auf der sekundären Seite des Transformators. Eine derartige Rückkopplung kann erlangt werden durch Optoisolatoren, die von der sekundären Seite zu der primären Seite überbrücken, aber dies erhöht die Kosten und eine Steuerungskomplexität. Somit wurden primärseitige Rückkopplungstechniken entwickelt, die die reflektierte Spannung an der primären Seite des Transformators in jedem Schaltzyklus verwenden.
In einem Schaltzyklus für einen Sperrwandler pulst der Sekundärstrom (der Strom in der Sekundärwicklung des Transformators) hoch, nachdem der Zyklus des primärseitigen Leistungsschalters beendet ist. Der Sekundärstrom fällt dann auf Null, wenn Leistung an die Last geliefert wird. Die Verzögerung zwischen der Auszeit des Leistungsschalters und dem Fallen auf Null des Sekundärstroms wird als die Transformator-Zurücksetz-Zeit (Trst - transformer reset time) bezeichnet. Die reflektierte Spannung an der Primärwicklung während der Transformator-Zurücksetz-Zeit ist proportional zu der Ausgangsspannung, da es keine Diodenabfallspannung an der sekundären Seite gibt, da der Sekundärstrom nicht mehr fließt. Die reflektierte Spannung während der Transformator-Zurücksetz-Zeit ist somit direkt proportional zu der Ausgangsspannung basierend auf dem Wicklungsverhältnis in dem Transformator und anderen Faktoren. Nurprimärseitige Rückkopplungstechniken verwenden diese reflektierte Spannung, um das Leistungsschalten effizient zu modulieren und somit die Ausgangsspannung zu modulieren.
Der Leistungsschalter in einem Sperrwandler kann einen Transistor aufweisen, wie einen MOSFET oder einen Bipolartransistor (BJT - bipolar junction transistor). Im Vergleich zu MOSFETs sind BJTs billiger in der Herstellung. Darüber hinaus haben BJTs weniger EMI-Rauschen und verringern die Notwendigkeit für Snubber-Schaltungen. Somit hat die Verwendung von BJT-Leistungsschaltern in Sperrwandlern in der Popularität zugenommen, insbesondere für Niederleistungsanwendungen, wie für den wachsenden Markt für mobile Vorrichtungen. Ein besonders vorteilhafter Sperrwandler mit einem BJT-Leistungsschalter wird in dem gemeinsam-zugeteilten Patent US 8 289 732 B2 (dem '732-Patent) offenbart, dessen Inhalte durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier aufgenommen sind. Bei dieser Sperrwandler-Architektur wird der BJT-Kollektorstrom (und somit der Primärstrom) auf einer Puls-zu-Puls-Basis unter Verwendung von nurprimärseitiger Rückkopplung gesteuert. Eine Rückkopplungserfassungsspannung (V_sense) wird an der primären Seite (wie an einer Hilfswicklung) während der Transformator-Zurücksetz-Zeit erfasst, wie oben diskutiert. Eine Steuervorrichtung für den Sperrwandler vergleicht die Rückkopplungsspannung V_sense mit einer Referenzspannung, die die Zielspannung an dem Ausgang repräsentiert (wie gemäß dem Wicklungsverhältnis in dem Transformator skaliert), um ein Fehlersignal zu erzeugen. Die Steuervorrichtung verarbeitet das Fehlersignal, um den Leistungsschalter entsprechend zu steuern, so dass der gewünschte Spitzenprimärstrom in dem nächsten Schaltzyklus erreicht wird. Jedes Mal, wenn der BJT-Leistungsschalter eingeschaltet wird, steigt der Kollektorstrom linear von Null zu dem gewünschten Spitzenstrom für diesen Puls.
Obwohl die resultierende Steuerungsarchitektur bemerkenswert niedrige Kosten hat und effizient ist, verkompliziert die lineare Variation des Kollektor-stroms für jeden Strompuls die Bildung des entsprechenden Basisstroms. Um als Schalter zu funktionieren, sollte der Basisstrom für den BJT-Leistungsschalter ausreichend größer sein als das Verhältnis seines Kollektorstroms und einer Emitterschaltungsverstärkung, so dass der BJT-Leistungsschalter in die Sättigung getrieben wird. Die geeignete Menge an Basisstrom variiert somit entsprechend der linearen Variation des Kollektorstroms. Ein Ansteuern dieser ausreichenden Menge an Basisstrom, um den BJT-Leistungsschalter in Sättigung zu halten, ist daher keine einfache Aufgabe, da eine ausreichende Menge an Über-steuerung für den Spitzenprimär/Kollektorstrom erforderlich ist, der kurz vor ei-nem Ausschalten des BJT-Leistungsschalters erreicht ist. Ein Ansatz zur Sicher-stellung, dass dieser Spitzenkollektorstrom erreicht ist, beinhaltet ein Ansteuern des Basisstroms gemäß der Übersteuerungsmenge, ausreichend, um diesen Spitzenkollektorstrom über den gesamten Puls zu erreichen. Aber diese Verwendung eines derartigen konstanten Basisstroms verschwendet dann Leistung aufgrund der resultierenden exzessiven Übersteuerung über den Großteil des Pulses, außer für den Spitzenkollektorstrom. Ein Beispiel eines solchen konstanten Basisstrom-Ansteuerns wird in 1 gezeigt. Ein Basistreiber-An-Signal pulst ein und aus, um eine Erzeugung von konstanten Basisstrom(iB)-Pulsen entsprechend zu steuern. Während jedes Basisstrompulses steigt der Kollektor-strom (Ic) rampenförmig von Null auf einen Spitzenkollektorstromwert. Diese Menge an Basisstrom ist ausreichend zum Übersteuern an diesem Spitzenkollektorstrom und ist somit exzessiv während des Rests jedes Pulses.
EP 0 314 013 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Basisstromregelung von Bipolartransistoren im periodischen Schaltbetrieb und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren sieht vor, als Maß für die Sättigung des Schalttransistors das zum Ausräumen der Basiszone von Ladungsträgern notwendige Basisstrom-Zeit-Integral zu bestimmen und abhängig von dieser Größe den Basisstrom zum Einschalten des Schalttransistors einzustellen.
US 2010 / 0 202 165 A1 auf einen Schaltleistungswandler umfassend einen Transformator, einen Schalter, der mit dem Transformator gekoppelt ist, und eine Schaltersteuerung, die mit dem Schalter gekoppelt ist, um ein Schalteransteuerungssignal zum Einschalten zu erzeugen oder aus dem Schalter. Der Ansteuerstrom des Schalteransteuersignals wird dynamisch gemäß den Linien- oder Lastbedingungen innerhalb eines Schaltzyklus und / oder über mehrere Schaltzyklen angepasst.
Demgemäß besteht ein Bedarf in der Technik für verbesserte Basisstrom-Ansteuerungstechniken und -systeme für Schaltleistungswandler mit BJT-Leistungsschaltern.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Schaltleistungswandler ist vorgesehen, der eine Steuervorrichtung umfasst, die adaptiv den Basisstrom für einen BJT-Leistungsschalter über jeden Puls anpasst. Auf diese Weise wird Energie eingespart im Vergleich zu der herkömmlichen Verwendung eines konstanten Basisstroms in jedem Puls. Zusätzlich wird eine thermische Belastung des entsprechenden Stromtreibers reduziert. Diese vorteilhaften Merkmale sind besser aus der detaillierten Beschreibung ersichtlich.
Figurenliste

1 zeigt die Signalformen für das Treibersignal, den Basisstrom und den Kollektorstrom für eine Serie von Pulsen entsprechend eines herkömmlichen Basisstrom-Ansteuerungssystems.
2 ist ein Schaltungsdiagramm eines Sperrwandlers mit einem Wandler, der in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung konfiguriert ist.
3 zeigt die Signalformen für das Treibersignal, den Basisstrom und den Kollektorstrom für eine Serie von Pulsen in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung.
4 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Steuern des Leistungsschalter-Basisstroms eines BJT-Leistungsschalters für einen Sperrwandler in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung und deren Vorteile werden am besten durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung verständlich. Es sollte angemerkt werden, dass gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente zu identifizieren, die in einer oder mehreren der Figuren dargestellt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Um den Bedarf in der Technik für eine effizientere Steuerung des Basisstroms für einen BJT-Leistungsschalter in einem Schaltleistungswandler zu adressieren, wird eine Steuervorrichtung vorgesehen, die adaptiv den Basisstrom anpasst, der in den BJT-Leistungsschalter geschickt wird, um den Basisstrom zu variieren während der Ein-Zeit jedes Primärstrompulses. In Ausführungsbeispielen eines Sperrwandlers, die nur primärseitige Rückkopplung verwenden, bestimmt die Steuervorrichtung den gewünschten Primärstrom auf einer Puls-für-Puls-Basis. Diese Merkmale können besser unter Bezugnahme auf die folgenden beispielhaften Ausführungsbeispiele verstanden werden.
Ein beispielhafter Sperrwandler 200 wird in 2 gezeigt. Der AC-Eingang wird über einen Brückengleichrichter BR1 und einen Eingangskondensator C₁ gleichgerichtet, um eine Eingangsspannung V_IN zu bilden. Eine Steuervorrichtung 205 steuert einen BJT-Leistungsschalter, der mit einer primären (1°) Transformatorwicklung gekoppelt ist, um zu steuern, ob ein Puls des Primärstroms gespeicherte magnetische Energie in dem entsprechenden Transformator aufbauen kann. Dazu schickt die Steuervorrichtung 205 einen Basisstrom (iB) in die Basis des BJT-Leistungsschalters, um den BJT-Leistungsschalter einzuschalten, so dass sich ein Kollektorstrom (iC) entwickeln kann. Dieser Kollektorstrom ist auch der Primärwicklungsstrom, da die Primärwicklung zwischen dem Brückengleichrichter und dem Kollektor des BJT-Leistungsschalters koppelt. Der resultierende Emitterstrom von dem BJT-Leistungsschalter ist gleich zu der Summe der Basis- und Kollektorströme.
Wie in dem '732-Patent diskutiert, kann die Steuervorrichtung 205 die Spitzenmenge an Kollektorstrom in jedem Strompuls (und somit auch den Spitzenprimärwicklungsstrom steuern) in Reaktion auf eine V_sense Rückkopplungsspannung steuern, die von einer reflektierten Spannung an einer Hilfswicklung abgeleitet ist. Diese reflektierte Spannung tritt auf, wenn die Steuervorrichtung 205 den BJT-Leistungsschalter in jedem Pulszyklus ausschaltet, woraufhin eine Diode D₁ auf der sekundären Seite des Transformators in Durchlassrichtung vorgespannt wird (forward biased) derart, dass die gespeicherte magnetische Energie in dem Transformator an eine Last geliefert wird. Diese Lieferung von Energie erhält eine Ausgangsspannung (VOUT) über der Last, wie durch einen Lastkondensator COUT gefiltert. Diese Lieferung von Energie an die Last erzeugt eine reflektierte Spannung auf der primärseitigen Hilfswicklung als eine Funktion des Spannungsabfalls über der Diode D₁ und der Ausgangsspannung VOUT. Wenn die gespeicherte magnetische Energie in dem Transformator erschöpft ist, fällt der Sekundärwicklungsstrom auf Null während einer Transformator-Zurücksetz-Zeit derart, dass es keinen Spannungsabfall über der Diode D₁ gibt. Diese Zeit repräsentiert die optimale Zeit, um die reflektierte Spannung abzutasten, um eine genaue Schätzung der Ausgangsspannung VOUT zu erlangen. Die Hilfswicklung koppelt mit einem Spannungsteiler, wie durch Widerstände R1 und R2 implementiert, um die Rückkopplungsspannung V_sense zu erzeugen, die von der Steuervorrichtung 205 während der Transformator-Zurücksetz-Zeit abgetastet wird, um die Ausgangsspannung VOUT zu überwachen.
Die Rückkopplungsspannung V_sense ist nur ein Parameter, der in Ausführungsbeispielen mit nur primärseitiger Rückkopplung verwendet wird, wie durch die Steuervorrichtung 205 implementiert. Zusätzlich kann der Primärwicklungsstrom durch einen Erfassungswiderstand R_sense abgetastet werden, um eine I_sense-Spannung zu erzeugen, die den Primärwicklungsstrom repräsentiert. In dem Sperrwandler 200 tastet der Erfassungswiderstand R_sense den Emitterstrom ab, so dass die Steuervorrichtung 105 den Spitzenkollektorstrom (und somit den Primärstrom) bestimmen kann durch Subtrahieren des Spitzenbasisstroms von dem Spitzenemitterstrom. Wie in dem '732-Patent diskutiert, kann die Steuervorrichtung 205 die Änderungsrate des Kollektorstroms verwenden, wie durch die I_sense-Spannung bestimmt, um indirekt die Eingangsspannung V_IN zu messen. Dies ist sehr vorteilhaft, da die Steuervorrichtung 205 dann die Eingangsspannung bestimmen kann, ohne einen zusätzlichen Eingangsanschluss zu erfordern. Wie weiter in dem '732-Patent diskutiert, kann die Steuervorrichtung 205 die Rückkopplungssignale V_sense und I_sense auf einer Puls-für-Puls-Basis verarbeiten, um den gewünschten Spitzenkollektorstrom für nachfolgende Pulse zu bestimmen.
Um den Basisstrom iB zu erzeugen, kann die Steuervorrichtung 205 einen Basisstromtreiber 210 umfassen, den die Steuervorrichtung 205 derart steuert, dass der BJT-Leistungsschalter in die Sättigung getrieben wird über den gesamten Strompuls, so dass der BJT als ein Leistungsschalter funktioniert. Wiederum unter Bezugnahme auf 1, steigt der Kollektorstrom von Null auf einen Spitzenwert in jedem Puls. Dieser Spitzenkollektorstromwert entspricht einer minimalen Menge an Basisstrom, um eine Sättigung zu diesem Zeitpunkt sicherzustellen, was erfordert, dass der Basisstrom zu dem Zeitpunkt der Erzeugung des Spitzenkollektorstroms größer ist als das Verhältnis des Spitzenkollektorstroms und der Emitterschaltungsverstärkung β. Der gesättigte BJT-Leistungsschalter funktioniert dann entsprechend einer „gezwungen“ Emitterschaltungsverstärkung, die geringer ist als die tatsächliche Emitterschaltungsverstärkung. Es gibt somit einen Spitzenbasisstrom, der erforderlich ist, um eine Sättigung für den BJT-Leistungsschalter beizubehalten während eines Leitens des Spitzenkollektorstroms (I_peak). Dieser Spitzenbasisstromwert ist größer als das Verhältnis (I_peak/β). Wie zuvor in Bezug auf 1 diskutiert, ist es üblich, den Basisstrom an diesem Spitzenpegel (oder höher) über den gesamten Puls anzusteuern. Aber dies verschwendet Energie und erhöht die thermische Belastung des Stromtreibers in der Steuervorrichtung.
Um diesen thermischen Stress zu verringern und Energie zu sparen, ist die Steuervorrichtung 205 konfiguriert zum adaptiven Ansteuern des Basisstroms, so dass dessen Amplitude über den Puls variiert. Auf diese Weise wird Energie gespart, da der Basisstrom eine kleinere Amplitude zu Beginn des Pulses hat im Gegensatz zu einem Verwenden des Spitzenbasisstromwerts des Stands der Technik. 3 zeigt einige beispielhafte Signalformen für die Erzeugung des adaptiven Basisstroms. Das Treiber-An-Signal ist wie unter Bezugnahme auf die 1 diskutiert. Die Steuervorrichtung 205 erzeugt dieses Signal zum Signalisieren an den Basistreiber 210, den Basisstrom zu erzeugen. Jeder Kollektorstrom(iC)-Puls steigt von Null-Strom auf einen Spitzenkollektorstrom, wie auch in 1 gezeigt. Jedoch starten die Basisstrom(iB)-Pulse von einem anfänglichen Offset- bzw. Versatz-Wert und nehmen linear bis zu einem Maximalwert zu. Der Offset-Wert stellt sicher, dass der BJT-Leistungsschalter in Sättigung ist zu Beginn jedes Pulses. Um Energie zu sparen, ist dieser Offset-Wert niedriger als der erforderliche Basisstrom, um eine Sättigung bei dem Spitzenkollektorstrom sicherzustellen. Somit fährt der Basisstrom fort, über jeden Puls zuzunehmen, um einen maximalen Basisstromwert zu erreichen, der eine Sättigung bei dem Spitzenkollektorstromwert sicherstellt.
Es ist anzumerken, dass die Zunahme der Basisströme nicht linear sein muss, sondern stattdessen stufenweise, stückweise linear oder nicht-linear sein kann. Unabhängig davon, wie der Basisstrom erhöht wird, beginnt er von einem relativ kleinen Offset-Wert und erreicht einen Maximalwert, der eine Sättigung an dem gewünschten Spitzenstromwert sicherstellt, wie zum Beispiel aus nurprimärseitigen Rückkopplungstechniken bestimmt, wie die oben diskutierten. Alternativ können die hier diskutierten adaptiven Basisstromerzeugungstechniken auf Schaltleistungswandler mit herkömmlicher sekundärer Rückkopplung angewendet werden, wie durch die Verwendung von Optoisolatoren erlangt. Zusätzlich können die hier diskutierten adaptiven Basisstromerzeugungstechniken auf nicht-isolierte Schaltleistungswandler angewendet werden, wie Buck- bzw. Abwärts- oder Boost- bzw. Aufwärts-Schaltleistungswandler, die einen BJT-Leistungsschalter umfassen.
Um einen optimalen Pegel eines Basisstroms beizubehalten, der eine Sättigung des BJT-Leistungsschalters sicherstellt, ohne eine Verschwendung von Energie durch eine übermäßige Übersteuerung, kann die Steuervorrichtung 205 konfiguriert sein zum Steuern des Basisstromtreibers 210 derart, dass die Zunahmerate des Basisstroms über einen Puls proportional ist zu der Änderungsrate für den Kollektorstrom über den Puls. In dieser Hinsicht ist die Änderungsrate für den Kollektorstrom während jedes Pulses gleich einem Verhältnis der Eingangsspannung V_IN zu der Magnetisierungsinduktivität Lm für den Transformator. Obwohl die Magnetisierungsinduktivität Lm konstant ist, variiert die Eingangsspannung V_IN mit der Zeit. Wenn zum Beispiel ein Haushaltsbenutzer erhebliche Lasten verursacht, wie ein Haushaltsgerät oder ein Ofen, steigt und fällt die AC-Leitungsspannung demgemäß. Diese Änderung der AC-Leitungsspannung wird durch den Brückengleichrichter BR1 des Wandlers 200 gleichgerichtet, um eine entsprechende Änderung der Eingangsspannung V_IN zu erzeugen. Jedoch ist diese Änderungsrate für die Eingangsspannung V_IN über die relativ kurze Zeitdauer, die aufeinanderfolgende Pulse des BJT-Leistungsschalters trennt, im Wesentlichen stabil. Es ist daher eine relativ genaue Annahme, dass die Eingangsspannung V_IN für einen gegebenen Puls im Wesentlichen dieselbe ist für den nachfolgenden Puls. Da das Verhältnis V_IN /Lm gleich der Änderungsrate (diC/dt) für den Kollektorstrom ist, ist es auch eine sichere Annahme, dass anzunehmen ist, dass die Änderungsrate für einen aktuellen Puls im Wesentlichen dieselbe ist wie die für den vorhergehenden Puls. Angesichts dieser Änderungsrate für den Kollektorstrom in einem vorherigen Puls, kann die Steuervorrichtung 205 somit den Basisstromtreiber 210 steuern, dass eine Änderungsrate (diB/dt) für den Basisstrom iB in einem nachfolgenden Puls proportional ist zu der Änderungsrate des Kollektorstroms für den vorherigen Puls.
In einem Ausführungsbeispiel einer Konstantspannungsmodus-Puls-für-Puls-Steuerung für die Steuervorrichtung 205, wie in dem '732-Patent diskutiert wird, berechnet die Steuervorrichtung 205 den Spitzenkollektorstrom für jeden Puls, um die gewünschte Ausgangsspannung VOUT zu erreichen, in Reaktion auf die Rückkopplungsspannung V_sense. Die Steuervorrichtung 205 schaltet dann den BJT in jedem Schaltzyklus aus, sobald der Spitzenkollektorstrom erreicht ist, wie durch die Rückkopplungsspannung I_sense überwacht. In einem Ausführungsbeispiel einer Konstantstrommodus-Puls-für-Puls-Steuerung für die Steuervorrichtung 205 wird der Spitzenkollektorstrom voreingestellt. In beiden Modi (Konstantspannung oder Konstantstrom) schaltet die Steuervorrichtung 205 den BJT-Leistungsschalter aus, sobald der gewünschte Spitzenkollektorstrom erreicht wurde, wie durch die Rückkopplungsspannung I_sense überwacht. In beiden Modi hat die Steuervorrichtung 205 somit die notwendige Information, um die Kollektorstromänderungsrate diC/dt für einen gegebenen Puls zu berechnen, die gleich ist zu einem Verhältnis des Spitzenkollektorstroms zu der Ein-Zeit (t_on) für den vorhergehenden Puls in guter Näherung. Die Steuervorrichtung 205 kann dann den Basisstromtreiber 210 anweisen, den Basisstrom für den gegebenen Puls anzusteuern, um so eine Änderungsrate iB/dt für den Basisstrom zu erreichen, die proportional ist zu der Änderungsrate diC/dt für den Kollektorstrom. Während in dem Konstantstrommodus konfiguriert, ist der Spitzenkollektorstrom I_peak durch die Steuervorrichtung 205 voreingestellt. Somit ist die einzige Messung, die von einem vorhergehenden Puls in einem derartigen Ausführungsbeispiel erforderlich ist, die Ein-Zeit t_on für die Dauer des Pulses. Wenn die Steuervorrichtung 205 in dem Konstantspannungsmodus konfiguriert ist, variiert der Spitzenkollektorstrom nicht von Puls zu Puls, so dass die Steuervorrichtung 205 nur die Ein-Zeit t_on von dem vorherigen Puls benötigt, um die Änderungsrate diB/dt für den Basisstrom in dem aktuellen Puls zu bestimmen. In dem Konstantspannungsmodus misst die Steuervorrichtung 205 sowohl den Spitzenkollektorstrom als auch die Ein-Zeit t_on von dem vorhergehenden Puls, um die Änderungsrate diB/dt für den aktuellen Puls zu bestimmen.
Unabhängig von dem Modus kann die Steuervorrichtung 205 dann den Basisstromtreiber 210 steuern, so dass eine Änderungsrate (diB/dt) für den Basisstrom iB eine Änderungsrate von (1/β)*(di/dt) hat. Es ist anzumerken, dass die Sättigung sichergestellt ist, da diese Rate der Erhöhung von dem Offset-Wert beginnt, der gewählt wurde, um sicherzustellen, dass der BJT in die Sättigung getrieben wird ausgehend von dem Null-Kollektorstrom. Weiter kann ein konservativ niedriger Wert von β verwendet werden, um die Durchsetzung der Sättigung über den Puls sicherzustellen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung 205 in Echtzeit die Zunahme des Kollektorstroms überwachen und den Basisstrom entsprechend anpassen. In einem derartigen Ausführungsbeispiel überwacht die Steuervorrichtung 205 die Spannung I_sense, um die Kollektorstromänderungsrate diC/dt für den Strompuls in Echtzeit zu bestimmen. Diese in Echtzeit berechnete Änderungsrate für den Kollektorstroms wird dann skaliert, zum Beispiel mit dem Inversen der ausgewählten Emitterschaltungsverstärkung, und der Basisstrom in Echtzeit entsprechend angesteuert.
Unabhängig davon, wie die Steuervorrichtung 205 adaptiv den Basisstrom ändern soll, steuert der Basistreiber 210 den Basisstrom entsprechend an, um sicherzustellen, dass der BJT-Leistungsschalter in Sättigung gehalten wird, ohne Energieverschwendung für eine übermäßige Übersteuerung und ohne die thermische Belastung der übermäßigen Übersteuerung. Es ist anzumerken, dass der maximale Basisstromwert beschränkt werden kann, um den Basistreiber 210 zu schützen. In anderen Worten, die Basisstromanstiegsrate würde stoppen, wenn der beschränkte Wert für einen gegebenen Puls erreicht ist. Zusätzlich kann der adaptive Basisstromansteuerungsprozess selektiv für bestimmte Last- und Eingangsspannungsbedingungen deaktiviert werden, wie für Leichtlastbedingungen, um sicherzustellen, dass genügend Ansteuerungsstrom zu solchen Zeiten vorgesehen wird. Ein beispielhaftes Betriebsverfahren für einen Schaltleistungswandler wird nun diskutiert.
4 ist ein Ablaufdiagramm für ein beispielhaftes Betriebsverfahren für einen Schaltleistungswandler, einschließlich eines BJT-Leistungsschalters. Ein Vorgang 400 umfasst ein Ein- und Ausschalten eines BJT-Leistungsschalters in einem Schaltleistungswandler, um Energie an eine Last zu liefern. Das Ein- und Ausschalten bzw. der Zyklus des BJT-Leistungsschalters in dem Wandler 200 ist ein Beispiel für den Vorgang 400. Zusätzlich umfasst das Verfahren einen Vorgang 405 für einen gegebenen der Zyklen für den BJT-Leistungsschalter. Insbesondere weist der Vorgang 405 ein Bestimmen einer Änderungsrate für einen Kollektorstrom für den BJT-Leistungsschalter auf. Eine Verwendung eines Verhältnisses des Spitzenstroms für den gegebenen Zyklus und der Ein-Zeit t_on, um die Änderungsrate des Kollektorstroms zu erlangen, ist ein Beispiel für Vorgang 400. Schließlich umfasst das Verfahren einen Vorgang 410 für einen Schaltzyklus, der nachfolgend auf den gegebenen Zyklus des Vorgangs 405 ist. Insbesondere weist der Vorgang 410 ein Steuern einer Änderungsrate für einen Basisstrom für den BJT-Leistungsschalter auf, proportional zu sein zu der bestimmten Änderungsrate für den Kollektorstrom. Wiederum unter Bezugnahme auf 2, ist die Steuerung des Basisstromtreibers 210 durch die Steuervorrichtung 205 derart, dass der Basisstrom eine Änderungsrate proportional zu der Änderungsrate des Kollektorstroms in einem vorherigen Puls hat, ein Beispiel für Vorgang 405.
Wie für Fachleute auf dem Gebiet nun offensichtlich ist und abhängig von der bestimmten vorliegenden Anwendung, können eine Vielzahl von Modifikationen, Ersetzungen und Variationen in und an den Materialien, Vorrichtung, Konfigurationen und Verfahren zur Verwendung der Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung gemacht werden, ohne von deren Sinn und Umfang abzuweichen. Angesichts dessen soll der Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf den der bestimmten Ausführungsbeispiele beschränkt sein, die hier dargestellt und beschrieben werden, da sie lediglich einige Beispiele davon sind, sondern soll vollständig in Einklang sein mit den im Folgenden angehängten Ansprüchen und deren funktionalen Äquivalenten.

Claims

Wir beanspruchen:
Ein Schaltleistungswandler, der aufweist: einen Bipolartransistor(BJT - bipolar junction transistor)-Leistungsschalter, der mit einem Induktor gekoppelt ist; einen Basisstromtreiber (210), der konfiguriert ist zum Ansteuern eines Basisstroms in eine Basis des BJT-Leistungsschalters; und eine Steuervorrichtung (205), die konfiguriert ist zum Steuern des Basistreibers derart, dass der BJT-Leistungsschalter gemäß der Ansteuerung des Basisstroms ein- und ausgeschaltet wird, wobei der Basisstrom für jeden aktuellen Zyklus in zumindest einigen der BJT-Leistungsschalterzyklen von einem Anfangswert startet und auf einen Maximalwert bei einer Änderungsrate für den Basisstrom erhöht wird, die proportional ist zu einer Änderungsrate für einen Kollektorstrom für den BJT-Leistungsschalter in einem vorhergehenden Zyklus zu dem aktuellen Zyklus, wobei die Steuervorrichtung (205) ferner konfiguriert ist zum Steuern des Basistreibers, so dass der Anfangswert für den Basisstrom ein Offset-Wert von Null ist.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Schaltleistungswandler ein Sperr- bzw. Flyback-Wandler ist und wobei der Induktor eine Primärwicklung eines Transformators für den Sperrwandler ist.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 2, wobei die Steuervorrichtung (205) konfiguriert ist zum Bestimmen eines Spitzenkollektorstroms und einer Ein-Zeit für den BJT-Leistungsschalter in dem vorhergehenden Zyklus, und wobei die Steuervorrichtung (205) weiter konfiguriert ist zum Bestimmen der Änderungsrate für den vorhergehenden Zyklus unter Verwendung eines Verhältnisses des Spitzenkollektorstroms zu der Ein-Zeit.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (205) konfiguriert ist zum Steuern des Basistreibers, so dass die Änderungsrate für den Basisstrom proportional ist zu (1/β) multipliziert mit der Kollektorstrom-Änderungsrate, wobei β eine Emitterschaltungsverstärkung für den BJT-Leistungsschalter ist.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 4, wobei die Emitterschaltungsverstärkung eine erzwungene Emitterschaltungsverstärkung ist.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (205) weiter konfiguriert ist zum Begrenzen der Änderungsrate für den Basisstrom, wenn ein maximaler Basisstrompegel erreicht ist.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 3, wobei die Steuervorrichtung (205) konfiguriert ist zum Halten eines konstanten Spitzenstroms in jedem Zyklus des BJT-Leistungsschalters.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 3, wobei die Steuervorrichtung (205) konfiguriert ist zum Halten einer konstanten Ausgangsspannung über eine Last.
Ein Verfahren, das aufweist: Ein- und Ausschalten eines Bipolartransistor(BJT - bipolar junction transistor)-Leistungsschalters in einem Schaltleistungswandler zum Liefern von Energie an eine Last; in einem gegebenen der Zyklen, Bestimmen einer Änderungsrate für einen Kollektorstrom für den BJT-Leistungsschalter; und in einem nachfolgenden Zyklus zu dem gegebenen Zyklus, Steuern einer Änderungsrate für einen Basisstrom für den BJT-Leistungsschalter, proportional zu sein zu der bestimmten Änderungsrate für den Kollektorstrom, derart dass der Anfangswert für den Basisstrom ein Offset-Wert von Null ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Bestimmen der Änderungsrate für den Kollektorstrom ein Bestimmen eines Verhältnisses eines Spitzenkollektorstroms für den BJT-Leistungsschalter zu einer Ein-Zeit für den BJT-Leistungsschalter aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Steuern der Änderungsrate für den Basisstrom ein Steuern der Änderungsrate für den Basisstrom auf gleich (1/β) multipliziert mit der bestimmten Kollektorstrom-Änderungsrate für den gegebenen Strom aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei jeder Zyklus des BJT-Leistungsschalters ein Einschalten des BJT-Leistungsschalters und dann Ausschalten des BJT-Leistungsschalters aufweist, wenn der Kollektorstrom einen gewünschten Spitzenkollektorstrom erreicht hat, wobei jeder Zyklus eine Ein-Zeit gleich einer Verzögerung zwischen dem Einschalten des BJT-Leistungsschalters und dem Ausschalten des BJT-Leistungsschalters hat.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Steuern der Änderungsrate für den Basisstrom ein Bestimmen eines Verhältnisses des Spitzenkollektorstroms und der Ein-Zeit für den gegebenen Zyklus und ein Steuern der Änderungsrate für den Basisstrom aufweist, proportional zu dem Verhältnis zu sein.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der Spitzenkollektorstrom ein konstanter Spitzenkollektorstrom über die Zyklen ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der Spitzenkollektorstrom von Zyklus zu Zyklus variiert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Steuern der Änderungsrate für den Basisstrom weiter ein Blockieren von weiteren Änderungen in dem Basisstrom in dem nachfolgenden Zyklus aufweist, wenn der Basisstrom größer wird als ein maximal zulässiger Basisstromschwellenwert.
Ein Sperr- bzw. Flyback-Wandler, der aufweist: einen Bipolartransistor(BJT - bipolar junction transistor)-Leistungsschalter, der mit einer Primärwicklung eines Transformators gekoppelt ist; einen Basisstromtreiber (210), der konfiguriert ist zum Ansteuern eines Basisstroms in eine Basis des BJT-Leistungsschalters; und eine Steuervorrichtung (205), die konfiguriert ist zum Steuern des Basistreibers derart, dass der BJT-Leistungsschalter gemäß der Ansteuerung des Basisstroms ein- und ausgeschaltet wird, wobei der Basisstrom für jeden aktuellen Zyklus in zumindest einigen der BJT-Leistungsschalterzyklen von einem Anfangswert startet und auf einen Maximalwert bei einer Änderungsrate für den Basisstrom erhöht wird, die proportional ist zu einer Änderungsrate für einen Kollektorstrom für den BJT-Leistungsschalter in dem aktuellen Zyklus, wobei die Steuervorrichtung (205) ferner konfiguriert ist zum Steuern des Basistreibers, so dass der Anfangswert für den Basisstrom ein Offset-Wert von Null ist..
Der Sperrwandler gemäß Anspruch 17, wobei die Steuervorrichtung (205) konfiguriert ist zum Steuern des Basistreibers derart, dass die Änderungsrate für den Basisstrom proportional ist zu (1/β) multipliziert mit der Kollektorstrom-Änderungsrate, wobei β eine Emitterschaltungsverstärkung für den BJT-Leistungsschalter ist.
Der Sperrwandler gemäß Anspruch 18, wobei die Emitterschaltungsverstärkung eine erzwungene Emitterschaltungsverstärkung ist.