DE102015219097A1

DE102015219097A1 - Vielseitiger Stromsensor für Schaltregler

Info

Publication number: DE102015219097A1
Application number: DE102015219097.8A
Authority: DE
Inventors: Takashi Kimura; Soichiro Ohyama; Susumu Tanimoto
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-10-03
Also published as: US20170063228A1; DE102015219097B4; US9621043B2

Abstract

Durch Hinzufügen einer Integrierglieds zum momentanen Erfassen des Stroms in einem Schaltwandler wird eine bevorzugte Implementierung des Schaltwandlers mit einem vielseitigen Stromsensor erzielt. Das Integrierglied berechnet den mittleren Strom des Schaltwandlers und enthält die Erfassung sowohl eines positiven als auch eines negativen Stroms. Die Ansprechzeit des Stromsensors ist durch den Integriergliedkoeffizienten bestimmt und somit nicht durch die Bandbreite des Stromsensors begrenzt. Eine Leistungsfähigkeitsverschlechterung des Stromsensors wegen des Offset-Stroms wird beseitigt und der Stromsensor erfordert keine Spannungsreferenz oder Stromreferenz. Es wird eine hochgenaue Stromüberwachung und Stromerfassung ohne externe Erfassungsvorrichtung erzielt. Das Integrierglied des Stromsensors dient zum Erhöhen der Verstärkung des Schaltwandlers.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Tiefsetzsteller (Buck converter), Hochsetzsteller (Boost converter) und andere Typen von Schaltwandlern und auf die Verwendung eines Stromsensors zum Erfassen und Steuern des Stroms in dem Schaltwandler.
Beschreibung des verwandten Gebiets
Ein Stromsensor kann in einem Schaltwandler verwendet werden, um den Eingangs- oder Ausgangsstrom zu messen und um ein zu ihm proportionales Signal zu erzeugen. Das erzeugte Signal kann ein analoger oder digitaler Strom sein und als eine Stromquelle oder zur Strombegrenzung genutzt werden.
1 zeigt eine typische Schaltungstopologie 100 eines tiefseitigen Stromsensors 105 und einer entsprechenden Ausgangsstufe 110 eines Schaltwandlers. Der tiefseitige Stromsensor 105 umfasst einen Standardoperationsverstärker mit Gegenkopplung, konstantem Vorstrom IREF und einer NMOS-Vorrichtung 130, die zu dem nicht invertierenden Eingang (V+) konfiguriert ist, und einer NMOS-Erfassungsvorrichtung 140, die zu dem invertierenden Eingang (V–) konfiguriert ist. Die Versorgungsspannung für den Vorstrom IREF begrenzt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers, was wiederum den Erfassungsstrom ISENSE begrenzt. Die Ausgangsstufe 110 umfasst eine hochseitige PMOS-Vorrichtung M1 und eine tiefseitigen NMOS-Vorrichtung M2, die durch einen PMOS- bzw. durch einen NMOS-Treiber angesteuert werden. Die Drains der Vorrichtungen M1 und M2 sind bei der Spannung VLX und mit dem induktiven Bauelement L, das den Laststrom IL in die Kapazität C und in den Widerstand R treibt, verbunden.
Der Betrag des Erfassungsstroms ist parallel zu dem des Laststroms, wobei ein gemittelter Erfassungsstrom erforderlich sein kann. Um den Erfassungsstrom zu erhalten, kann eine Filterung verwendet werden, die die Frequenzbandbreite des Stromsensors begrenzt. Da VLX und IL aus 1 einen weiten Bereich von Frequenzkomponenten enthalten, benötigt der Operationsverstärker 120 eine große Bandbreite, um VLX und IL zu folgen, wobei irgendeine Filterung die Erfassungsstromgenauigkeit verschlechtert.
2 veranschaulicht Signalformen 200 eines typischen tiefseitigen Stromsensors und einer entsprechenden Ausgangsstufe des Schaltwandlers in 1. Wenn VLX hoch ist, ist die hochseitige PMOS-Vorrichtung M1 eingeschaltet und der Laststrom IL steigt an. Wenn VLX niedrig ist, ist die tiefseitige NMOS-Vorrichtung M2 eingeschaltet und der Laststrom IL fällt. Wenn VLX niedrig wird, wird der Erfassungsstrom ISENSE eingeschaltet und fällt von einem positiven auf einen negativen Wert. Ein positiver Strom bedeutet, dass ein Strom aus der NMOS-Vorrichtung M2 fließt, und ein negativer Strom bedeutet, dass ein Strom in die NMOS-Vorrichtung M2 fließt.
3 zeigt einen Ableitungsstromsensor, der ein Tiefpass-RC-Filter als ein Vorfilter zu dem Operationsverstärker 305 nutzt. Die hochseitige PMOS-Vorrichtung M4 und die tiefseitige NMOS-Vorrichtung M5 werden durch einen PMOS- bzw. durch einen NMOS-Treiber angesteuert. Der Stromsensor 300 enthält einen Widerstand RS, der über den Ausgang der Erfassungsvorrichtungen M4 und M5 gemessen wird. Der Ein-Widerstand RS der hochseitigen Vorrichtung M4 bestimmt die Spannung VP, empfängt einen durch Stromspiegelvorrichtungen M1, M2 und M3 eingestellten Rückkopplungsstrom IFB und ist eine Eingabe in den Schalter 310. Der Ein-Widerstand RS der tiefseitigen Vorrichtung M5 empfängt den Vorstrom IREF, der die Spannung VREF bestimmt, und ist eine Eingabe in den Schalter 315. Der Erfassungsstrom ISENSE enthält einen Strom der hochseitigen Erfassungsvorrichtung, wenn der Eingangsschalter 310 geschlossen ist und wenn der Schalter 315 geöffnet ist, und einen Strom der tiefseitigen Erfassungsvorrichtung, wenn der Eingangsschalter 310 geöffnet ist und wenn der Schalter 315 geschlossen ist. Wenn die Schalter 310 und 315 geschlossen sind, konfigurieren sie einen Widerstand RS zu dem Tiefpassfilterwiderstand RLPF und zu einem invertierenden Eingang (V–) bzw. zu einem nichtinvertierenden Eingang (V+) des Operationsverstärkers 305. Die Ausgabe des Operationsverstärkers 305 bestimmt die Spannung VO und ist die Eingabe in den Lastwiderstand RO und in die Lastkapazität CC. Die Kapazität CLPF umfasst zusammen mit dem Widerstand RLPF das Tiefpass-RC-Filter.
Der Stromsensor aus 3 erzeugt VREF aus einem gegebenen IREF und aus dem Ein-Widerstand RS der Erfassungsvorrichtung, um einen statischen Arbeitspunkt zu bestimmen. Außerdem wird durch VREF und durch den Ein-Widerstand RS ein bestimmter Betrag des Stroms erzeugt, selbst wenn der Laststrom nicht erzeugt wird. Während dieser Zeit wird VP durch Gegenkopplung der Stromspiegelvorrichtungen genau auf derselben Spannung wie VREF gehalten. Dies erzeugt einen bestimmten Offset-Strom IOC, der mit dem Ausgangserfassungsstrom ISENSE kombiniert wird. Da die Referenzspannung VREF wegen Prozessschwankung, Temperatur und Versorgungsspannung einen bestimmten Fehlerbetrag aufweist, verschlechtert der Offset-Strom IOC die Genauigkeit des Ausgangserfassungsstroms ISENSE weiter.
Außerdem können die in 1 und 3 gezeigten Stromsensoren nur den positiven Strom zu detektieren, da der Stromsensor keinen Erfassungsstrom zieht bzw. ableitet. Ein kleiner Betrag des negativen Stroms kann durch Erhöhen des Offset-Stroms detektiert werden, wobei dies aber eine natürliche Begrenzung für diese Arten von Stromsensortopologien ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe dieser Offenbarung ist die Implementierung eines Tiefsetzstellers, eines Hochsetzstellers oder eines anderen Schaltwandlers mit einem vielseitigen Stromsensor durch Hinzufügen eines Integrierglieds zur momentanen Erfassung des Stroms in dem Schaltwandler. Das Integrierglied berechnet die mittlere Spannung des Schaltwandlers und enthält eine Erfassung sowohl des positiven als auch des negativen Stroms. Die Ansprechzeit des Stromsensors ist durch den Integriergliedkoeffizienten bestimmt und somit nicht durch die Bandbreite des Stromsensors begrenzt.
Eine andere Aufgabe dieser Offenbarung ist ferner die Beseitigung einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Stromsensors wegen des Offset-Stroms.
Eine andere Aufgabe dieser Offenbarung ist nochmals ferner die Schaffung eines Stromsensors, der nicht irgendeine Art Referenzspannung oder Referenzstrom benötigt.
Zur Lösung wenigstens einiger dieser Aufgaben wird ein Tiefsetzsteller, ein Hochsetzsteller oder ein anderer Schaltwandler implementiert, der eine Ausgangsstufe sowohl mit einer hochseitigen als auch mit einer tiefseitigen Durchlassvorrichtung und einem Subtrahierglied, einem Integrierglied und Abtast/Halte-Schaltungen, die zur Stromerfassung konfiguriert sind, umfasst. Die tiefseitige Durchlassvorrichtung wird eingeschaltet, ein Schalter zwischen dem Subtrahierglied und dem Integrierglied wird geschlossen und das Integrierglied integriert die Spannung zwischen dem Abtast/Halte-Ausgang und dem Subtrahiergliedeingang. Die tiefseitige Durchlassvorrichtung wird ausgeschaltet, ein Schalter zwischen dem Subtrahierglied und dem Integrierglied wird geöffnet und die Abtast/Halte-Schaltung tastet die Ausgabe des Integrierglieds ab. Nach einigen Integrationszyklen ist die Abtast/Halte-Ausgabe dieselbe wie die Integriergliedausgabe und ist die Stromsensorausgabe die von Abtastwert zu Abtastwert gemittelte Erfassungsspannung.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ohne eine externe Erfassungsvorrichtung eine hochgenaue Stromüberwachung und Stromerfassung erzielt werden.
In anderen Ausführungsformen kann das Integrierglied des Stromsensors die Verstärkung des Tiefsetzstellers, des Hochsetzstellers oder des anderen Schaltwandlers erhöhen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine typische Schaltungstopologie eines tiefseitigen Stromsensors und der entsprechenden Ausgangsstufe eines Schaltwandlers.
2 stellt die Signalformen eines typischen tiefseitigen Stromsensors und der entsprechenden Ausgangsstufe eines Schaltwandlers dar.
3 zeigt einen Ableitungsstromsensor, der ein Tiefpassfilter nutzt.
4 ist ein Stromlaufplan, der die bevorzugte Implementierung eines Stromsensors in einem Tiefsetzsteller, einem Hochsetzsteller oder einem anderen Schaltwandler, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert, darstellt.
5 stellt die Signalformen eines Stromsensors in einem Tiefsetzsteller, einem Hochsetzsteller oder einem anderen Schaltwandler, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert, dar.
6 zeigt ein Grundimplementierungsbeispiel eines Stromsensors, der als ein tiefseitiger Stromsensor arbeitet, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert.
7 stellt ein vollständig differentielles Implementierungsbeispiel eines Stromsensors, der sowohl positive als auch negative Lastströme unterstützt, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert, dar.
8 zeigt einen Differenz-Eintakt-Wandler mit einem Stromausgang für einen Stromsensor, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert.
9 stellt eine SPICE-Prinzipschaltbild für einen Stromsensor in einem Tiefsetzsteller, einem Hochsetzsteller oder einem anderen Schaltwandler, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert, dar.
10 zeigt SPICE-Simulationsergebnisse für einen Stromsensor in einem Tiefsetzsteller, einem Hochsetzsteller oder einem anderen Schaltwandler, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert.
11 stellt einen Blockschaltplan einer Stromsensorschaltung mit einem Delta-Sigma-Modulator-Analog-Digital-Wandler (DSM-ADC) dar.
12 ist ein Stromlaufplan, der eine Eintaktimplementierung eines Stromsensors mit einem DSM-ADC erster Ordnung zeigt.
13 zeigt einen Referenzstromgeneratorblock zur Stromlenkung in einem Digital-Analog-Wandler (DAC).
14 stellt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Implementieren eines Stromsensors und einer Ausgangsstufe eines Schaltwandlers dar.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Es besteht ein Bedarf an einem Stromsensor zum Detektieren sowohl positiver als auch negativer Ströme mit verbesserter Genauigkeit, um für einen Tiefsetzsteller, einen Hochsetzsteller oder einen anderen Typ eines Schaltwandlers eine stabile Schaltumgebung aufrechtzuerhalten.
4 ist ein Stromlaufplan 400, der die bevorzugte Implementierung eines Stromsensors in einem Tiefsetzsteller, einem Hochsetzsteller oder einem anderen Schaltwandler, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert, darstellt. Die Ausgangsstufe 410 umfasst eine hochseitige PMOS-Vorrichtung M1 und eine tiefseitige NMOS-Vorrichtung M2, die durch einen PMOS- bzw. durch einen NMOS-Treiber angesteuert werden. Die Drains der Vorrichtungen M1 und M2 sind bei der Spannung VLX und mit einem induktiven Bauelement L, das der Eingang zum Laststrom IL in die Kapazität C und in den Widerstand R ist, verbunden. Die Stromsensorschaltung 405 umfasst ein Subtrahierglied 440, einen Schalter 415, ein Integrierglied 420 und eine Abtast-Halte-Schaltung 430. Die Subtrahiergliedschaltung 440 empfängt die Spannung VLX und die Ausgabe VSH der Abtast-Halte-Einrichtung 430 und lässt ihre Differenz zu dem Schalter 415 durch. Der Schalter 415 ist für die Periode φ1, wenn die tiefseitige Durchlassvorrichtung M2 eingeschaltet ist, geschlossen und für die Periode φ2, wenn die tiefseitige Durchlassvorrichtung M2 eingeschaltet ist, geöffnet. Die Integriergliedschaltung 420 wirkt so, dass sie die Spannungsdifferenz zwischen der Ausgabe VSH der Abtast-Halte-Einrichtung und VLX integriert. Während sich der Schalter 415 für eine gegebene Anzahl von Perioden öffnet und schließt, nimmt die Integriergliedausgabe VINT ab. Die Abtast-Halte-Schaltung 430 tastet die Ausgabe des Integrierglieds 420 ab und ihre Ausgabe VSH ist die Integriergliedausgabe VINT von der vorhergehenden Periode.
Es wird angemerkt, dass der Stromsensor aus 4 kein Referenzsignal erfordert und sowohl positive als auch negative Erfassungsströme detektiert. Die Spannungsdifferenz zwischen VLX und GND wird überwacht, um den Erfassungsstrom zu bestimmen, und es wird ohne eine externe Erfassungsvorrichtung eine hochgenaue Stromerfassung erzielt.
Typische Stromsensoren detektieren den momentanen Laststrom und filtern den Laststrom daraufhin, um den mittleren Erfassungsstrom zu erhalten. Zum Beispiel weist der in 1 verwendete Operationsverstärker eine begrenzte Frequenzbandbreite auf, was eine Verschlechterung der Genauigkeit des Erfassungsstroms veranlasst. Der in 4 verwendete Stromsensor löst dieses intrinsische Problem dadurch, dass er ein Integrierglied nutzt, dessen Ansprechzeit durch seinen Integriergliedkoeffizienten bestimmt ist und nicht durch die Bandbreite begrenzt ist.
Der gemittelte Erfassungsstrom von Abtastwert zu Abtastwert kann aus dem Momentanstrom in der Stromerfassungsschaltung 405 als
berechnet werden, wobei

i_average:: zeitlich gemittelter Erfassungsstrom von Abtastwert zu Abtastwert,
i_(t):: momentaner Erfassungsstrom,
T_φi:: Ein-Zeit der tiefseitigen Durchlassvorrichtung M2 ist.

5 stellt Signalformen 500 eines Stromsensors in einem Tiefsetzsteller, einem Hochsetzsteller oder einem anderen Schaltwandler, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert, dar. Bei den Signalformen sind ein tiefseitiger Stromsensor und anfangs eine Abtast-Halte-Ausgabe VSH bei GND angenommen. Die tiefseitige Durchlassvorrichtung M2 in 4 wird eingeschaltet (Anfang von φ1) und VLX wird wegen des induktiven Stoßes von L unter GND gezogen. Während dieser Zeit ist der zwischen das Subtrahierglied 440 und das Integrierglied 420 geschaltete Schalter 415 geschlossen. Das Integrierglied 420 integriert die Spannungsdifferenz zwischen der Abtast-Halte-Ausgabe VSH und VLX und die Integriergliedausgabe VINT nimmt allmählich ab. Nachfolgend wird die tiefseitige Durchlassvorrichtung M2 ausgeschaltet und der Schalter 415 geöffnet (Ende von φ1, Anfang von φ2). Die Abtast-Halte-Einrichtung 430 tastet die Ausgabe des Integrierglieds 420 ab. Nach dem Ende dieser Periode wird die tiefseitige Durchlassvorrichtung M2 wieder eingeschaltet und startet das Integrierglied 420 die Integration neu. Die Ausgabe VSH der Abtast-Halte-Einrichtung ist die Integriergliedausgabe VINT von der vorhergehenden Periode, wobei der Integriergliedpegel kleiner als der von der vorhergehenden Periode ist. Nach einigen Iterationsperioden ist die Ausgabe VSH der Abtast-Halte-Einrichtung genau dieselbe Spannung wie die Integriergliedausgabe VINT. Die Stromsensorausgabe ist der über die Abtast-Halte-Zeit gemittelte Wert.
6 zeigt ein Grundimplementierungsbeispiel, das als ein tiefseitiger Stromsensor 600 arbeitet, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert. In der Abtast-Halte-Logik ist anstelle der Spannungsrückkopplung eine Stromrückkopplung verwendet. Die hochseitige PMOS-Vorrichtung M4 und die tiefseitige NMOS-Vorrichtung M5, die durch einen PMOS- und durch einen NMOS-Treiber angesteuert werden, ergeben die Ausgangsstufe eines Schaltreglers. Die Drains der Vorrichtungen M4 und M5 sind mit einem Integriergliedwiderstand RINT verbunden und der Rückkopplungsstrom IFB wird durch Stromspiegelvorrichtungen M1, M2 und M3 eingestellt. Der Widerstand RINT und der Rückkopplungsstrom IFB sind mit dem Eingang des Schalters 615, der für die Periode φ1 geschlossen ist, und mit dem des Schalters 625, der für die Periode φ2 geschlossen ist, verbunden. Wenn der Schalter 615 geschlossen ist, was den Widerstand RINT zum invertierenden Eingang (V–) des Operationsverstärkers 610 konfiguriert, enthält der Strom durch den Widerstand RINT die tiefseitige Erfassungsvorrichtung M5. Der Ausgang des Operationsverstärkers 610 ist mit dem Schalter 620 verbunden, der für die Periode φ2 geschlossen ist, und bildet zusammen mit der Kapazität CF die Abtast-Halte-Logik. Die Lastkapazität CC ist mit dem Schalter 620 und mit der Source der NMOS-Vorrichtung M1 verbunden.
Der Stromsensor aus 6 kann für eine Vorrichtung mit einer einseitigen Leistungsversorgung wie etwa einem 3,3 V-Betrieb verwendet werden. Diese Implementierung weist einschließlich der Unterstützung nur eines positiven Laststroms und der Tatsache, dass die Temperaturabhängigkeit des Ein-Widerstands der tiefseitigen Durchlassvorrichtung M5 nicht vollständig beseitigt werden kann, einige Beschränkungen auf. Falls die geforderte Spezifikation nicht zu eng ist, kann diese Implementierung ausreichen.
7 stellt ein vollständig differentielles Implementierungsbeispiel eines Stromsensors, der sowohl positive als auch negative Lastströme unterstützt, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert, dar. Der Stromsensor 700 ist mit der Ausgangsstufe 705 verbunden, die die hochseitige PMOS-Vorrichtung M1 und die tiefseitige NMOS-Vorrichtung M2, die durch einen PMOS- bzw. durch einen NMOS-Treiber angesteuert werden, umfasst. Die Drains der Vorrichtungen M1 und M2 sind mit einem ersten Integriergliedwiderstand RINT1 bei der Spannung VLX verbunden. Der erste Integriergliedwiderstand RINT1 ist mit einem Schalter 735, der für die Periode φ1 geschlossen ist, und mit einem Schalter 755, der für die Periode φ2 geschlossen ist, verbunden. Die Source der Vorrichtung M2 ist mit einem zweiten Integriergliedwiderstand RINT2 verbunden. Der zweite Integriergliedwiderstand RINT2 ist mit einem Schalter 740, der für die Periode φ1 geschlossen ist, und mit einem Schalter 760, der für die Periode φ2 geschlossen ist, verbunden. Wenn die Schalter 735 und 740 geschlossen sind, konfigurieren sie Ein-Widerstand RINT1 und RINT2 des ersten und des zweiten Integrierglieds zum invertierenden Eingang (V–) bzw. zum nicht invertierenden Eingang (V+) des Differenzverstärkers 710. Der Strom durch den ersten Integriergliedwiderstand RINT1 enthält den negativen Strom von der hochseitigen Schaltvorrichtung M1, wenn der Schalter 735 geschlossen ist, und der durch den zweiten Integriergliedwiderstand RINT2 enthält den positiven Strom von der tiefseitigen Schaltvorrichtung M2, wenn der Schalter 740 geschlossen ist.
Die Ausgabe des Differenzverstärkers 710 wird durch zwei Rückkopplungswege gesteuert, die wegen der hohen Verstärkung des Verstärkers die Ausgangsspannung für irgendeine gegebene Eingabe nahezu vollständig bestimmen. Der positive Ausgang des Differenzverstärkers 710 ist mit dem Schalter 745, der für die Periode φ2 geschlossen ist, und mit der Kapazität C1, die mit dem invertierenden Eingang (V–) des Differenzverstärkers 710 verbunden ist, verbunden.
Der negative Ausgang des Differenzverstärkers 710 ist mit dem Schalter 750, der für die Periode φ2 geschlossen ist, und mit der Kapazität C2, die mit dem nichtinvertierenden Eingang (V+) des Differenzverstärkers 710 verbunden ist, verbunden. Die Lastkapazität C3 ist über den Ausgang der Schalter 745 und 750 und über den Eingang der Transkonduktanz 720 geschaltet. Der erste Ausgang der Transkonduktanz 720 ist mit dem ersten Integriergliedwiderstand RINT1, mit dem Schalter 735, der für die Periode φ1 geschlossen ist, und mit dem Schalter 755, der für die Periode φ2 geschlossen ist, verbunden. Der zweite Ausgang der Transkonduktanz 720 ist mit dem zweiten Integriergliedwiderstand RINT2, mit dem Schalter 740, der für die Periode φ1 geschlossen ist, und mit dem Schalter 760, der für die Periode φ2 geschlossen ist, verbunden. Die Eingänge des Differenz-Eintakt-Wandlers 730 mit dem Ausgang VOUT sind mit der Kapazität C1 und mit der Kapazität C2 verbunden.
Die vollständig differentielle Implementierung des Stromsensors 700 unterstützt sowohl positive als auch negative Ströme und kann zum Umwandeln eines analogen Signals in eine Form, die zum Ansteuern eines Analog-Digital-Wandlers geeignet ist, verwendet werden. Der Vorteil der vollständig differentiellen Implementierung aus 7 im Vergleich zu der Eintaktimplementierung aus 6 ist ihre Robustheit für Gleichtaktrauschen wie etwa Schaltrauschen.
8 zeigt einen Differenz-Eintakt-Wandler mit Stromausgabe für einen Stromsensor, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert. Der in 7 zu findende Differenz-Eintakt-Wandler (DS2) 800 umfasst den Operationsverstärker 805, dessen Ausgabe die Eingabe in das Gate der NMOS-Erfassungsvorrichtung M2 ist. Der Drain der NMOS-Erfassungsvorrichtung M2 ist der Strom IOUT und das Gate der NMOS-Durchlassvorrichtung M1 ist die Spannung VDD. Die Source der Erfassungsvorrichtung M2 ist mit dem Drain der Durchlassvorrichtung M1 und mit dem Widerstand R2 verbunden. Der Widerstand R1 ist mit dem invertierenden Eingang (V–) des Operationsverstärkers 805 und mit dem Widerstand R2 verbunden. Der Widerstand R3 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang (V+) des Operationsverstärkers 805 und mit dem Widerstand R4 verbunden. Der Widerstand R4 ist mit der Source der Durchlassvorrichtung M1 verbunden. Der Ausgangsstrom IOUT kann mit der Implementierung der Durchlassvorrichtung M1 die Temperaturabhängigkeit des Ein-Widerstands der Erfassungsvorrichtung M2 kompensieren.
9 veranschaulicht SPICE-Stromlaufpläne 900 für einen Stromsensor in einem Tiefsetzsteller, einem Hochsetzsteller oder einem anderen Schaltwandler, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert. Die SPICE-Stromlaufpläne 910 zeigen einen Differentiell-Eintakt-Wandler mit einem Stromausgang für einen Stromsensor, der dem Stromlaufplan in 8 entspricht. Das SPICE-Prinzipschaltbild 920 zeigt ein vollständig differentielles Implementierungsbeispiel eines Stromsensors, der sowohl positive als auch negative Lastströme unterstützt, entsprechend dem Stromlaufplan in 7.
10 zeigt SPICE-Simulationsergebnisse 1000 für einen Stromsensor in einem Tiefsetzsteller, einem Hochsetzsteller oder einem anderen Schaltwandler, der die Prinzipien der Offenbarung verkörpert. Die SPICE-Simulation 1010 stellt eine Eintaktausgangsspannung VOUT des Differentiell-Eintakt-Wandlers 730 in 7 dar. Die horizontale Achse bezeichnet die Zeit in Mikrosekunden und die vertikale Achse bezeichnet die Spannung in Millivolt. Bis zu 100 μs ist der Laststrom der Ausgangsspannung 705 null. Zu diesem Zeitpunkt wird der Laststrom auf 1 A geändert. Die drei Linien des SPICE-Simulation in 1010 entsprechen Temperatureinstellungen von –40°C, 27°C und 125°C und stellen die Abhängigkeit der Ausgangs-VOUT von der Temperatur dar. Eine höhere Temperatur erzeugt eine höhere Spannung, wobei sich die Spannung von 42,1 mV bis 75,5 mV ändert, während die Temperatur von –40°C auf 125°C zunimmt.
Die SPICE-Simulation 1020 stellt den Eintaktausgangsstrom IOUT des Differentiell-Eintakt-Wandlers 805 in 8 dar. Die horizontale Achse bezeichnet die Zeit in Mikrosekunden und die vertikale Achse bezeichnet den Strom in Ampere. Bis zu 100 μs ist der Laststrom der Ausgangsstufe 705 null. Zu dieser Zeit wird der Laststrom auf 1 A geändert. Die drei Linien der SPICE-Simulation in 1020 entsprechen Temperatureinstellungen von –40°C, 27°C und 125°C und stellen die relative Unabhängigkeit der Ausgangs-IOUT von der Temperatur dar. Während sich die Temperatur von –40°C auf 125°C ändert, ändert sich der Strom von –973,5 mA auf –948,2 mA, eine Änderung von weniger als 3%. Der Ausgangsstrom IOUT kann die Temperaturabhängigkeit des Ein-Widerstands der Erfassungsvorrichtung M2 mit der Implementierung der Durchlassvorrichtung M1 in 8 kompensieren.
11 stellt einen Blockschaltplan einer Stromsensorschaltung 1100 mit einem Delta-Sigma-Modulator-Analog-Digital-Wandler (DSM-ADC) dar. Die Ausgangsstufe 1160 umfasst eine hochseitige PMOS-Vorrichtung M1 und eine tiefseitige NMOS-Vorrichtung M2, die durch einen PMOS- bzw. durch einen NMOS-Treiber angesteuert werden. Die Drains der Vorrichtungen M1 und M2 sind bei der Spannung VLX mit dem Subtrahierglied 1155 verbunden, das der Eingang in den Schalter 1105 ist, der für die Periode φ1 geschlossen ist. Der Schalter 1105 ist mit dem Integrierglied 1110 verbunden, das der Eingang in die Quantisiererschaltung 1120 ist. Wenn der Schalter 1105 geöffnet ist, ersetzt die Quantisiererschaltung 1120 jeden Spannungswert durch einen diskreten Wert für die Digitalsignalverarbeitung. Die Subtrahiergliedschaltung 1155 empfängt die Spannung VLX und die Ausgabe des Digital-Analog-Wandlers 1150 und lässt ihre Differenz zu dem Schalter 1105 durch. Der Schalter 1105 ist für die Periode φ1 geschlossen, wenn die tiefseitige Durchlassvorrichtung M2 eingeschaltet ist, und für die Periode φ2 geöffnet, wenn die tiefseitige Durchlassvorrichtung M2 ausgeschaltet ist. Die Integriergliedschaltung 1110 wirkt zum Integrieren der Spannungsdifferenz zwischen dem Digital-Analog-Wandler 1150 und VLX. Während sich der Schalter 1105 für eine gegebene Anzahl von Perioden öffnet und schließt, nimmt die Ausgabe 1110 des Integrierglieds ab. Die Quantisiererschaltung 1120 tastet die Ausgabe des Integrierglieds 1110 ab, wobei ihre Ausgabe die quantisierte Integriergliedausgabe von der vorhergehenden Periode ist.
Der Delta-Sigma-Modulator (DSM) umfasst ein Integriergliedkammfilter (CIC-Filter) 1130 und ein Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR) 1140, die hintereinandergeschaltet sind. Der DSM und der Analog-Digital-Wandler (ADC) arbeiten so, dass sie das analoge Signal der Quantisiererschaltung 1120 unter Verwendung einer Hochfrequenz-Delta-Sigma-Modulation codieren. Daraufhin wird ein Digitalfilter angewendet, um eine digitale Ausgabe VOUT mit höherer Auflösung, aber niedriger Abtastfrequenz zu bilden. Das analoge Signal wird in dem CIC 1130 auf eine Spannung abgebildet und daraufhin mit dem IIR 1140 geglättet, was den Schaltungsentwurf vereinfacht und die Effizienz verbessert.
12 ist ein Stromlaufplan, der eine Eintaktimplementierung eines Stromsensors mit einem DSM-ADC erster Ordnung zeigt. Der Stromsensor 1200 umfasst eine Ausgangsstufe 1205, die ferner eine hochseitige PMOS-Vorrichtung M1 und eine tiefseitige NMOS-Vorrichtung M2 umfasst. Die Drains der Vorrichtungen M1 und M2 sind mit dem Integriergliedwiderstand RINT verbunden. Der Digital-Analog-Wandler 1210 umfasst einen ersten Rückkopplungsstrom, der durch den Vorstrom 1215 eingestellt wird, wenn der Schalter 1216 geschlossen ist, und einen zweiten Rückkopplungsstrom, der durch den Vorstrom 1218 eingestellt wird, wenn der Schalter 1217 geschlossen ist. Der Widerstand RINT und der erste und der zweite Rückkopplungsstrom steuern den Schalter 1230, der für die Periode φ1 geschlossen ist, und den Schalter 1220, der für die Periode φ2 geschlossen ist, an. Der Strom über den Widerstand RINT enthält den Schalter M2, wenn der Schalter 1230 geschlossen ist, was den Widerstand RINT zu dem invertierenden Eingang (V–) des Operationsverstärkers 1225 konfiguriert. Während der Periode φ2 ist der Ausgang des Operationsverstärkers 1225 mit der Kapazität CF und mit dem getakteten Komparator 1235 verbunden, um die Ausgabe zu digitalisieren. Die Analog-Digital-Funktion wird erzielt, wenn der getaktete Komparator 1235 die analoge Stromausgabe des Operationsverstärkers 1225 misst und die Ausgabe in ein binäres digitales Signal digitalisiert.
Die Implementierung in 12 besteht aus einem Integrierglied 1225, aus einem Quantisierer (Komparator) 1235 und aus einem Stromlenk-DAC 1210 für das Rückkopplungssignal. Diese Implementierung ist unkompliziert und erfordert keine Temperaturkompensation. Die Temperaturkompensation für die Erfassungsverstärkung wird in dem Referenzstromgeneratorblock 1210 implementiert, um in dem Digital-Analog-Wandler eine Stromlenkung zu erzielen.
13 zeigt einen Referenzstromgeneratorblock für die Stromlenkung in dem Digital-Analog-Wandler (DAC) aus 12. Die Stromlenkung 1300 umfasst einen konstanten Vorstrom IREF, einen Referenzstromgeneratorblock und eine Erfassungsvorrichtung, die die Charakteristiken der Durchlassvorrichtung emuliert, und den Digital-Analog-Wandler 1305. Der Referenzstromgeneratorblock umfasst den Operationsverstärker 1310, Stromspiegelvorrichtungen M1, M2, M3 und M4, die Spannung VREF und den Widerstand RINT/2. Die Spannung VREF wird sowohl durch den IREF als auch durch den Ein-Widerstand der Erfassungsvorrichtung erzeugt und ist mit dem nichtinvertierenden Eingang (V+) des Operationsverstärkers 1310 verbunden. Der Widerstand RINT/2 ist über den invertierenden Eingang (V–) des Operationsverstärkers 1310 und Masse geschaltet.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 1310 ist der Eingang in die Source und das Gate von M2 sowie in den Widerstand RINT/2. Der Digital-Analog-Wandler 1305 umfasst Vorrichtungen M5, M6, M7 und M8. Die Sources der Vorrichtungen M6 und M7 sind mit dem Ausgang des Quantisierers 1235 verbunden und die Drains repräsentieren den Ausgang des DAC selbst. Die Source und das Gate der Vorrichtung M5 sind mit der Spannung VDDA verbunden und ihr Drain ist mit der Source und mit dem Gate der Vorrichtung M6 verbunden. Die Source und das Gate der Vorrichtung M8 sind mit Masse verbunden und ihr Drain ist mit der Source und mit dem Gate der Vorrichtung M7 verbunden.
Der DAC-Rückkopplungsstrom wird auf der Grundlage von VREF und RINT/2 erzeugt. Dieser Strom kompensiert die Erfassungsverstärkung der Stromerfassungsvorrichtung und hängt von dem Ein-Widerstand der Erfassungsvorrichtung ab. Daraufhin wird die Erfassungsverstärkung der Stromerfassungsschaltung durch den DAC-Rückkopplungsstrom kompensiert.
14 stellt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Implementieren eines Stromsensors und einer Ausgangsstufe eines Schaltwandlers dar. Der Schritt 1405 zeigt das Implementieren eines Schaltwandlers, der eine Ausgangsstufe sowohl der hochseitigen als auch der niederseitigen Durchlassvorrichtung, und ein Subtrahierglied, ein Integrierglied und Abtast/Halte-Schaltungen, die für die Stromerfassung konfiguriert sind, umfasst. Der Schritt 1410 stellt das Einschalten der tiefseitigen Durchlassvorrichtung, das Schließen eines Schalters zwischen dem Subtrahierglied und dem Integrierglied und das Integrieren der Spannung zwischen dem Abtast/Halte-Ausgang und dem Subtrahiergliedeingang dar. Der Schritt 1415 zeigt das Ausschalten der tiefseitigen Durchlassvorrichtung, das Öffnen eines Schalters zwischen dem Subtrahierglied und dem Integrierglied und das Abtasten der Integriergliedausgabe an der Abtast/Halte-Einrichtung. Der Schritt 1420 stellt das Erzielen einer Abtast/Halte-Einrichtungsausgabe, die dieselbe wie die Integriergliedausgabe ist, und einer Stromsensorausgabe, die die gemittelte Erfassungsspannung ist, dar.
Die Vorteile einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten eine verbesserte Stromabtastung, die durch den Stromsensor eine wahre Mittelung positiver und negativer Ströme ermöglicht, die Nutzung einer einfachen Konfiguration und ohne Beschränkungen. Der Stromsensor erfordert keine Spannungs- oder Stromreferenz und seine Struktur minimiert Fehler und andere Variablen und erzeugt sowohl analoge als auch digitale Ausgaben.
Obwohl die Erfindung besonders in Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, ist für den Fachmann auf dem Gebiet selbstverständlich, dass in Bezug auf Form und Einzelheiten verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Schaltwandler, der umfasst: eine Ausgangsstufe sowohl mit einer hochseitigen als auch mit einer tiefseitigen Durchlassvorrichtung; einen Stromsensor, der umfasst: ein Subtrahierglied, das dafür konfiguriert ist, Ausgangsspannungen einer Abtast-Halte-Schaltung und der Drains der hochseitigen und der tiefseitigen Durchlassvorrichtung zu empfangen und ihre Differenz zu einem Schalter durchzulassen; einen Schalter, der dafür konfiguriert ist, für eine Periode geschlossen zu sein, wenn die tiefseitige Durchlassvorrichtung eingeschaltet ist, und für eine Periode geöffnet zu sein, wenn die tiefseitige Durchlassvorrichtung ausgeschaltet ist; ein Integrierglied, das dafür konfiguriert ist, die Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgang der Abtast-Halte-Einrichtung und der Spannung an den Drains der hochseitigen und der tiefseitigen Durchlassvorrichtung zu integrieren; wobei die Abtast-Halte-Schaltung dafür konfiguriert ist, die Ausgabe des Integrierglieds von der vorhergehenden Periode abzutasten; und wobei die Ausgabe des Stromsensors eine gemittelte Erfassungsspannung ist.
Schaltwandler nach Anspruch 1, wobei das Integrierglied dafür konfiguriert ist, einen momentanen Erfassungsstrom in dem Schaltwandler bereitzustellen.
Schaltwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Integrierglied in der Weise konfiguriert ist, dass die Ausgabe des Integrierglieds abnimmt, während sich der Schalter für eine gegebene Anzahl von Perioden öffnet und schließt.
Schaltwandler nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Abtast-Halte-Schaltung so konfiguriert ist, dass die Ausgabe der Abtast-Halte-Schaltung die Integriergliedausgabe von der vorhergehenden Periode ist.
Schaltwandler nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Stromsensor so konfiguriert ist, dass er sowohl eine positive als auch eine negative Stromerfassung enthält.
Schaltwandler nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Stromsensor so konfiguriert ist, dass die Ansprechzeit des Stromsensors durch den Integriergliedkoeffizienten des Integrierglieds bestimmt ist.
Schaltwandler nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Stromsensor so konfiguriert ist, dass er eine Leistungsfähigkeitsverschlechterung wegen des Offset-Stroms beseitigt.
Schaltwandler nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Stromsensor ohne Referenzspannung oder ohne Referenzstrom konfiguriert ist.
Schaltwandler nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Stromsensor für eine hochgenaue Stromüberwachung und für eine Stromerfassung ohne externe Erfassungsvorrichtung konfiguriert ist.
Schaltwandler nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Integrierglied des Stromsensors zum Erhöhen der Verstärkung des Schaltwandlers konfiguriert ist.
Verfahren zum Implementieren eines Schaltwandlers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Implementieren eines Stromsensors und einer Ausgangsstufe, die eine hochseitige und eine tiefseitige Durchlassvorrichtung und ein Subtrahierglied, ein Integrierglied und Abtast-Halte-Schaltungen, die für die Stromerfassung konfiguriert sind, umfasst; Einschalten der tiefseitigen Durchlassvorrichtung, Schließen eines Schalters zwischen dem Subtrahierglied und dem Integrierglied und Integrieren der Spannung zwischen dem Ausgang der Abtast-Halte-Einrichtung und dem Subtrahiergliedeingang; Ausschalten der tiefseitigen Durchlassvorrichtung, Öffnen eines Schalters zwischen dem Subtrahierglied und dem Integrierglied und Abtasten der Integriergliedausgabe an der Abtast-Halte-Einrichtung; und Erzielen einer Abtast/Halte-Ausgabe, die dieselbe wie die Integriergliedausgabe ist, und einer Stromsensorausgabe, die die gemittelte Erfassungsspannung ist.
Verfahren zum Implementieren eines Schaltwandlers nach Anspruch 11, wobei das Integrierglied einen momentanen Erfassungsstrom in dem Schaltwandler bereitstellt.
Verfahren zum Implementieren eines Schaltwandlers nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Stromsensor die Erfassung sowohl eines positiven als auch eines negativen Stroms enthält.
Verfahren zum Implementieren eines Schaltwandlers nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Stromsensor eine Leistungsfähigkeitsverschlechterung wegen des Offset-Stroms beseitigt.
Verfahren zum Implementieren eines Schaltwandlers nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Integrierglied des Stromsensors die Verstärkung des Schaltwandlers erhöht.
Verfahren zum Implementieren eines Schaltwandlers nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei ein tiefseitiger Stromsensor anstelle der Spannungsrückkopplung in der Abtast-Halte-Logik eine Stromrückkopplung nutzt.
Verfahren zum Implementieren eines Schaltwandlers nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei ein vollständig differentieller Stromsensor sowohl positive als auch negative Lastströme unterstützt.
Verfahren zum Implementieren eines Schaltwandlers nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei ein Differentiell-Eintakt-Wandler den Stromsensor mit einem Stromausgang umfasst.
Verfahren zum Implementieren eines Schaltwandlers nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei eine Stromsensorschaltung einen Delta-Sigma-Modulator-Analog-Digital-Wandler (DSM-ADC) nutzt.
Verfahren zum Implementieren eines Schaltwandlers nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei ein Digital-Analog-Wandler (DAC) einen Referenzstromgeneratorblock für die Stromlenkung verwendet.