DE102015219307A1

DE102015219307A1 - Schaltleistungswandler mit einer Strombegrenzungsschaltung

Info

Publication number: DE102015219307A1
Application number: DE102015219307.1A
Authority: DE
Inventors: Marcus Weis
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-10-07
Also published as: US20170098992A1; US10122260B2; DE102015219307B4

Abstract

Das vorliegende Dokument bezieht sich auf Schaltleistungswandler. Insbesondere bezieht sich das vorliegende Dokument auf einen Schaltleistungswandler mit Strombegrenzungsschaltungen jeweils zum Begrenzen Eingangsstroms in den Leistungswandler und/oder des Ausgangsstroms an dem Ausgang Leistungswandlers. Ein Schaltleistungswandler umfasst eine Rückkopplungsschleife zum Steuern der Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers. Eine erste Spannungsvergleichseinheit innerhalb der Rückkopplungsschleife vergleicht eine Spannung, die die Ausgangsspannung angibt, mit einer Referenzspannung und gibt eine Fehlerspannung basierend auf dem Vergleich aus. Ferner umfasst der Leistungswandler eine Stromsteuereinheit zum Begrenzen des Eingangs-/Ausgangsstroms des Schaltleistungswandlers, wobei die Stromsteuereinheit eine Stromvergleichseinheit und eine Verbindungseinheit umfasst. Einerseits vergleicht die Stromvergleichseinheit den Eingangs-/Ausgangsstrom mit einem Stromschwellenwert und gibt eine Zwischenspannung basierend auf dem Vergleich aus. Andererseits ist die Verbindungseinheit mit dem Ausgang der Stromvergleichseinheit verbunden und verbindet den Ausgang der Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit, falls der Eingangs-/Ausgangsstrom den Stromschwellenwert übersteigt. Die Stromsteuereinheit ist konfiguriert, die Zwischenspannung so einzustellen, dass ein Überschwingen des Eingangs-/Ausgangsstroms reduziert ist.

Description

Technisches Gebiet
Das vorliegende Dokument bezieht sich auf Schaltleistungswandler. Insbesondere bezieht sich das vorliegende Dokument auf einen Schaltleistungswandler mit einer Strombegrenzungsschaltung zum Begrenzen des Eingangsstroms des Leistungswandlers und/oder zum Begrenzen des Ausgangsstroms an dem Ausgang des Leistungswandlers.
Hintergrund
Schaltleistungswandler werden aufgrund ihrer hohen Leistungsumsetzungseffizienz und schnellen dynamischen Reaktion weithin verwendet. Sie können in einer oder mehreren Betriebsarten betrieben werden, vor allem in einer PFM-(Impulsfrequenzmodulations-) oder in einer PWM-(Impulsweitenmodulations-)Betriebsart, um elektrische Energie umzusetzen und eine regulierte Ausgangsspannung bereitzustellen.
Schaltleistungswandler werden z. B. in Batterieladesystemen angewandt. Solche Batterieladesysteme müssen häufig den Strom an ihrem Eingang oder an ihrem Ausgang begrenzen. An der Eingangsseite muss der Eingangsstrom begrenzt werden, um die Quelle zum Laden (z. B. ein Steckernetzteil oder eine USB-konforme Quelle) nicht zu überlasten. An der Ausgangsseite sollte andererseits der Ausgangsstrom begrenzt sein, um die Batterie nicht zu beschädigen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine Stromregulierungsschleife zum Erfassen und Begrenzen des Eingangsstroms oder Ausgangsstroms notwendig.
Stromregulierungsschleifen, die im Stand der Technik beschrieben sind, sind inaktiv, bis eine Stromüberlastsituation detektiert wird. Eine Stromüberlastsituation kann in Reaktion auf ein Initialereignis wie z. B. eine Laständerung auftreten. In Reaktion auf das Initialereignis kann der Eingangs- oder Ausgangsstrom eines Schaltleistungswandlers schnell über einen vorbestimmten Stromschwellenwert ansteigen. Die Stromregulierungsschleife wird aktiv und reduziert den jeweiligen Strom zu einem vorbestimmten Stromschwellenwert.
Der beschriebene unerwünschte Anstieg entweder des Eingangsstroms oder des Ausgangsstroms über den vorbestimmten Stromschwellenwert ist auch als Stromüberschwingen bezeichnet. Hierbei kann ein Stromüberschwingen hinsichtlich (a) eines maximalen Stromwerts, der nach dem Auftreten des Initialereignisses gemessen wird, oder hinsichtlich (b) einer Erholungszeit, die als die Zeit definiert ist, in der der jeweilige Strom einen zulässigen Stromwert übersteigt, charakterisiert sein. Der zulässige Stromwert kann größer als der oder gleich dem vorbestimmten Stromschwellenwert sein.
Das vorliegende Dokument adressiert die vorstehend genannten technischen Probleme. Insbesondere werden die vorstehenden Probleme durch den beanspruchten Gegenstand gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung adressiert einen Schaltleistungswandler mit einer Strombegrenzungsschaltung. Hierbei ist die Strombegrenzungsschaltung konfiguriert, den Eingangsstrom in den Schaltleistungswandler und/oder den Ausgangsstrom an dem Ausgang des Schaltleistungswandlers zu begrenzen. In jedem Fall umfasst der Schaltleistungswandler eine Hauptrückkopplungsschleife zum Steuern der Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers. Eine erste Spannungsvergleichseinheit innerhalb dieser Hauptrückkopplungsschleife ist konfiguriert, eine Spannung, die die Ausgangsspannung angibt, mit einer Referenzspannung zu vergleichen und eine Fehlerspannung basierend auf dem Vergleichsergebnis auszugeben.
Der Schaltleistungswandler kann z. B. ein Abwartswandler, ein Aufwärtswandler oder ein Abwärts-Aufwärtswandler sein. Außerdem kann der Schaltleistungswandler in der PWM- oder der PFM-Betriebsart arbeiten.
Die Spannungsvergleichseinheit kann z. B. ein Operationsverstärker sein, der konfiguriert ist, als ein Fehlerverstärker zu arbeiten. Zum Vergleichen der Spannung, die die Ausgangsspannung angibt, mit der Referenzspannung kann ein Eingang der Spannungsvergleichseinheit direkt mit der Ausgangsspannung an dem Ausgang des Schaltleistungswandlers gekoppelt sein. Alternativ kann letzterer Eingang der Spannungsvergleichseinheit indirekt mit der Ausgangsspannung über einen Spannungsteiler oder irgendeine andere dazwischenliegende Schaltungsanordnung gekoppelt sein, solange die Spannung an dem Eingang der Spannungsvergleichseinheit die Ausgangsspannung angibt (z. B. proportional ist).
Zum Begrenzen eines Eingangsstroms in den Schaltleistungswandler umfasst der Schaltleistungswandler eine erste Stromsteuereinheit mit einer ersten Stromvergleichseinheit und einer ersten Verbindungseinheit. Einerseits ist die erste Stromvergleichseinheit konfiguriert, den Eingangsstrom mit einem ersten Stromschwellenwert zu vergleichen und eine erste Zwischenspannung basierend auf dem Vergleich auszugeben. Andererseits ist die erste Verbindungseinheit mit dem Ausgang der ersten Stromvergleichseinheit verbunden und konfiguriert, in dem Fall, wenn der Eingangsstrom den ersten Stromschwellenwert übersteigt, den Ausgang der ersten Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit zu verbinden, um die Fehlerspannung, die durch die erste Spannungsvergleichseinheit bereitgestellt ist, zu beeinflussen. Die erste Stromsteuereinheit ist konfiguriert, die erste Zwischenspannung so einzustellen oder anzupassen, dass ein Überschwingen des Eingangsstroms reduziert oder sogar minimiert ist.
Wie bereits festgestellt kann Stromüberschwingen durch eine Laständerung ausgelöst werden, wenn der Leistungswandler z. B. mit einer Batterie oder einer Steckdose verbunden ist. Ein solches Stromüberschwingen kann in Form (a) eines maximalen Stromwerts, der nach dem Auftreten der Laständerung gemessen wird, oder in Form (b) einer Erholungszeit, die als die Zeit definiert ist, in der der jeweilige Strom einen zulässigen Stromwert übersteigt, charakterisiert sein. Der zulässige Stromwert kann größer als der oder gleich dem vorbestimmten Stromschwellenwert sein. Durch Anpassen der ersten Zwischenspannung minimiert die erste Stromsteuereinheit wenigstens eines der vorstehenden Kriterien (a) und (b).
Die erste Stromvergleichseinheit kann ferner konfiguriert sein, den Eingangsstrom des Schaltleistungswandlers abzufühlen bzw. zu erfassen und ein Signal zu erzeugen, das den Eingangsstrom angibt.
Im Allgemeinen bilden die erste Stromvergleichseinheit und die erste Verbindungseinheit einen Abschnitt der Strombegrenzungsschleife. Die Strombegrenzungsschleife startet mit der ersten Stromvergleichseinheit, die den Eingangsstrom erfasst und/oder vergleicht, fährt mit der ersten Verbindungseinheit fort und verwendet schließlich den letzten Abschnitt der Hauptrückkopplungsschleife zum Steuern der Ausgangsspannung, um wenn notwendig den Eingangsstrom zu begrenzen. Hierbei wird die Strombegrenzungsschleife in dem Fall, wenn der Eingangsstrom den ersten Stromschwellenwert nicht übersteigt, als inaktiv bezeichnet. Umgekehrt wird die Strombegrenzungsschleife in dem Fall, wenn der Eingangsstrom den ersten Stromschwellenwert übersteigt, als aktiv bezeichnet.
Durch Verbinden des Ausgangs der ersten Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit ist die Fehlerspannung mit der ersten Zwischenspannung gekoppelt. Somit ermöglicht es die erste Verbindungseinheit, die Fehlerspannung zu Zeiten, wenn die Strombegrenzungsschleife inaktiv ist, von der ersten Zwischenspannung zu isolieren. Während dieser Zeiten steuert der Schaltleistungswandler seine Ausgangsspannung mit Hilfe der Hauptrückkopplungsschleife. Wenn jedoch ein hoher Eingangsstrom detektiert wird, wird die Strombegrenzungsschleife aktiv und die erste Stromsteuereinheit passt die Fehlerspannung durch Anpassen der ersten Zwischenspannung an und interveniert somit in die Hauptrückkopplungsschleife zum Begrenzen des Eingangsstroms. Somit ermöglicht es die erste Stromsteuereinheit, die Regulierung der Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers zugunsten der Begrenzung des Eingangsstroms in dem Fall, wenn der Eingangsstrom den ersten Stromschwellenwert übersteigt, zu überstimmen.
Zusätzlich oder alternativ kann der Schaltleistungswandler zum Begrenzen des Ausgangsstroms an dem Ausgang des Schaltleistungswandlers eine zweite Stromsteuereinheit mit einer zweiten Stromvergleichseinheit und einer zweiten Verbindungseinheit umfassen. Einerseits ist die zweite Stromvergleichseinheit konfiguriert, den Ausgangsstrom mit einem zweiten Stromschwellenwert zu vergleichen und eine zweite Zwischenspannung basierend auf dem Vergleich auszugeben. Andererseits ist die zweite Verbindungseinheit mit dem Ausgang der zweiten Stromvergleichseinheit verbunden und konfiguriert, in dem Fall, wenn der Ausgangsstrom den zweiten Stromschwellenwert übersteigt, den Ausgang der zweiten Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit zu verbinden. Die zweite Stromsteuereinheit ist konfiguriert, die zweite Zwischenspannung anzupassen, so dass ein Überschwingen des Ausgangsstroms minimiert ist.
Die zweite Stromvergleichseinheit kann ferner konfiguriert sein, den Ausgangsstrom des Schaltleistungswandlers abzufühlen bzw. zu erfassen und ein Signal zu erzeugen, das den Ausgangsstrom angibt.
In dem Fall, wenn der Schaltleistungswandler sowohl eine erste als auch eine zweite Stromsteuerschaltung zum Begrenzen sowohl des Eingangs- als auch des Ausgangsstroms umfasst, sind sowohl die erste als auch die zweite Verbindungseinheit konfiguriert, die jeweilige erste und zweite Zwischenspannung mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit innerhalb der Hauptrückkopplungsschleife zu koppeln. Infolgedessen wird, wann immer der. erste Stromschwellenwert oder der zweiten Stromschwellenwert überstiegen werden, die jeweilige erste oder zweite Zwischenspannung angepasst, um den Strom durch den Schaltleistungswandler zu begrenzen.
Die Überlegungen in den folgenden Abschnitten gelten für Strombegrenzungsschaltungen, die sowohl den Eingangsstrom als auch den Ausgangsstrom begrenzen. Um die Diskussion zu vereinfachen, wird die folgende Beschreibung nicht zwischen jeweils ”ersten” und ”zweiten” Einheiten, Schwellenwerten und Spannungen unterscheiden. Es wird für den Leser sehr offensichtlich sein, dass immer dann, wenn spezielle Merkmale ”der Stromsteuereinheit” beschrieben sind, die speziellen Merkmale sowohl in ”ersten Steuereinheiten”, die den Eingangsstrom betreffen, als auch in ”zweiten Steuereinheiten”, die den Ausgangsstrom betreffen, implementiert sein können.
Die Verbindungseinheit kann konfiguriert sein, den Ausgang der Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit in dem Fall zu verbinden, wenn die Zwischenspannung kleiner ist als die Fehlerspannung, und den Ausgang der Stromvergleichseinheit von dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit in dem Fall zu isolieren, wenn die Zwischenspannung größer ist als die Fehlerspannung. Somit kann die Verbindungseinheit durch eine einfache elektronische Schaltung, die beispielsweise ein Puffer sein kann oder lediglich einen einzelnen Transistor als Schaltelement umfassen kann, implementiert sein. In der folgenden Beschreibung wird der Anschluss, der sich an dem Ausgang der Verbindungseinheit und an dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit befindet, als Steueranschluss bezeichnet, wobei das elektrische Potential an dem Steueranschluss der Fehlerspannung entspricht. Mit anderen Worten ermöglicht es die Verbindungseinheit, dass die Zwischenspannung, die den Eingangs-/Ausgangsstrom. an dem Ausgang der Stromvergleichseinheit angibt, die Fehlerspannung an dem Steueranschluss der Hauptrückkopplungsschleife beeinflusst.
Die Stromvergleichseinheit kann eine Spannungshalteschaltung umfassen, deren Ausgang mit dem Ausgang der Stromvergleichseinheit verbunden ist, und wobei die Stromvergleichseinheit konfiguriert ist, die Zwischenspannung basierend auf einer Haltereferenzspannung an einem Eingang der Spannungshalteschaltung anzupassen. Das Verwenden einer Spannungshalteschaltung zeigt den Vorteil, dass die Zwischenspannung an einer Spannung eingestellt oder stabilisiert sein kann, die der Haltereferenzspannung entspricht, während die Strombegrenzungsschleife nicht aktiv ist.
Außerdem kann die Stromsteuereinheit konfiguriert sein, die Haltereferenzspannung leicht oberhalb eines erwarteten Maximalwerts der Fehlerspannung anzupassen. Somit sind die Haltereferenzspannung und die Zwischenspannung so nahe wie möglich an dem Wert der Fehlerspannung, bevor die Strombegrenzungsschleife aktiv wird. Auf diese Weise wird die Zeitverzögerung, bis die Fehlerspannung an dem Steueranschluss durch die Strombegrenzungsschleife beeinflusst wird, reduziert.
Ferner kann die Stromsteuereinheit konfiguriert sein, die Haltereferenzspannung basierend auf einem Arbeitszyklus des Schaltleistungswandlers und/oder dem Stromschwellenwert dynamisch anzupassen. Durch Wählen einer geeigneten Haltereferenzspannung kann die Zeitverzögerung, bis die Strombegrenzungsschleife aktiv wird, reduziert sein, wobei die Zeitverzögerung z. B. als die Zeit ab dem Moment, an dem der Eingangs/Ausgangsstrom den jeweiligen Schwellenwert übersteigt, bis zu dem Moment, an dem die Verbindungseinheit den Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit verbindet, definiert sein kann. Im Allgemeinen sollte die Haltereferenzspannung so gewählt sein, dass die Zwischenspannung (a) hoch genug ist, um die Fehlerspannung – und infolgedessen den Eingangs/Ausgangsstrom – nicht zu begrenzen, wenn die Strombegrenzungsschleife nicht aktiv ist, und (b) niedrig genug ist, um die Zeitverzögerung zu reduzieren.
Die Stromvergleichseinheit kann eine spannungsgesteuerte Stromquelle und eine Kapazität umfassen, und die Spannung der Kapazität gibt die Zwischenspannung an dem Ausgang der Stromvergleichseinheit an. In diesem Szenario kann die spannungsgesteuerte Stromquelle konfiguriert sein, an ihrem Ausgang die Kapazität in dem Fall, wenn der Eingangsstrom oder der Ausgangsstrom den Stromschwellenwert übersteigt, auf gesteuerte Weise zu laden oder zu entladen. Durch Verwenden einer spannungsgesteuerten Stromquelle und einer Kapazität ist die Strombegrenzungsschleife als eine Schaltung vom Integratortyp implementiert.
Darüber hinaus kann die Stromvergleichseinheit einen Referenztransistor umfassen, dessen Source mit einem ersten Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist. Die Stromvergleichseinheit kann eine Referenzstromquelle umfassen, die mit dem ersten Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist und konfiguriert ist, einen Referenzstrom, der dem Stromschwellenwert entspricht, für den Referenztransistor bereitzustellen Die Stromvergleichseinheit kann einen Erfassungstransistor umfassen, dessen Source mit einem zweiten Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist. Der Eingangsstrom in den Schaltleistungswandler oder der Ausgangsstrom an dem Ausgang des Schaltleistungswandlers fließt durch den Erfassungstransistor, und die Gates des Erfassungs- und des Referenztransistors sind miteinander verbunden, und die Drains des Erfassungs- und des Referenztransistors sind miteinander verbunden.
Optional kann ein Schaltelement des Schaltleistungswandlers als Erfassungstransistor verwendet sein. Auf diese Weise kann die Anzahl erforderlicher Transistoren reduziert sein.
Der Schaltleistungswandler kann eine zweite Spannungsvergleichseinheit umfassen, die konfiguriert ist, die Fehlerspannung an dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit mit einer Sägezahnspannung zu vergleichen und ein Steuersignal zum Steuern von Schaltelementen des Schaltleistungswandlers auszugeben. Zu diesem Zweck kann ein erster Eingang der zweiten Spannungsvergleichseinheit mit einem Sägezahngenerator verbunden sein, während ein zweiter Eingang der zweiten Spannungsvergleichseinheit mit dem Steueranschluss verbunden sein kann, der wiederum sowohl mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit als auch mit dem Ausgang der Verbindungseinheit verbunden ist. Deshalb kann der zweite Eingang der zweiten Spannungsvergleichseinheit über die Verbindungseinheit mit dem Ausgang der Stromvergleichseinheit (an der Zwischenspannung) verbunden sein, z. B. in dem Fall, wenn die Zwischenspannung niedriger ist als die Fehlerspannung. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Eingang der zweiten Spannungsvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit (an der Fehlerspannung) verbunden sein, z. B. in dem Fall, wenn die Zwischenspannung höher ist als die Fehlerspannung.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Begrenzen eines Eingangsstroms in einem Schaltleistungswandler beschrieben. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Vergleichen einer Spannung, die die Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers angibt, mit einer Referenzspannung in einer Hauptrückkopplungsschleife zum Steuern der Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers. Basierend auf dem Vergleichen wird eine Fehlerspannung an einem Ausgang einer ersten Spannungsvergleichseinheit bestimmt. Ferner enthält das Verfahren einen Schritt zum Vergleichen des Eingangsstroms in den Schaltleistungswandler mit einem Stromschwellenwert. Basierend auf letzterem Vergleichsschritt wird eine Zwischenspannung an einem Ausgang einer Stromvergleichseinheit bestimmt. In dem Fall, wenn der Eingangsstrom den Stromschwellenwert übersteigt, wird der Ausgang der Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit verbunden, um die Zwischenspannung an die Fehlerspannung anzulegen. Die Zwischenspannung wird so angepasst, dass ein Überschwingen des Eingangsstroms minimiert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Begrenzen eines Ausgangsstroms an dem Ausgang eines Schaltleistungswandlers beschrieben. Das Verfahren umfasst den Schritt zum Vergleichen einer Spannung, die die Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers angibt, mit einer Referenzspannung in einer Hauptrückkopplungsschleife zum Steuern der Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers. Basierend auf dem Vergleichsschritt wird eine Fehlerspannung an einem Ausgang einer ersten Spannungsvergleichseinheit bestimmt. Ferner enthält das Verfahren einen Schritt zum Vergleichen des Ausgangsstroms an dem Ausgang des Schaltleistungswandlers mit einem Stromschwellenwert. Basierend auf letzterem Vergleichsschritt wird eine Zwischenspannung an einem Ausgang einer Stromvergleichseinheit bestimmt. In dem Fall, wenn der Ausgangsstrom den Stromschwellenwert übersteigt, wird der Ausgang der Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit zum Anlegen der Zwischenspannung an die Fehlerspannung verbunden. Die Zwischenspannung wird so angepasst, dass ein Überschwingen des Ausgangsstroms minimiert ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Verfahren und Systeme, die ihre bevorzugten Ausführungsformen enthalten, wie sie in dem vorliegenden Dokument dargelegt sind, eigenständig oder in Kombination mit anderen Verfahren und Systemen, die in diesem Dokument offenbart sind, verwendet sein können. Zusätzlich sind die Merkmale, die in dem Kontext eines Systems dargelegt sind, auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Darüber hinaus können alle Aspekte der Verfahren und Systeme, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt sind, beliebig kombiniert sein. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche miteinander auf beliebige Weise kombiniert sein.
In dem vorliegenden Dokument beziehen sich die Begriffe ”koppeln”, ”gekoppelt”, ”verbinden” und ”verbunden” auf Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander sind, entweder direkt verbunden z. B. über Drähte, oder auf eine andere Weise.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung ist nachstehend auf beispielhafte Weise mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erläutert, wobei
1 einen Schaltplan eines beispielhaften Schaltleistungswandlers mit einer Strombegrenzungsschaltung zum Begrenzen des Eingangsstroms zeigt;
2 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Schaltleistungswandlers mit einer Strombegrenzungsschaltung zum Begrenzen des Eingangsstroms zeigt;
3 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Schaltleistungswandlers mit einer Strombegrenzungsschaltung zum Begrenzen des Ausgangsstroms zeigt;
4 zwei Beispieldiagramme zeigt, die Ströme und Spannungen in einer Stromüberlastsituation darstellen; und
5 Simulationsergebnisse von Eingangs-/Ausgangsströmen in Überlastsituationen zeigt.
Ausführliche Beschreibung
Wie vorstehend kurz dargestellt bezieht sich das Dokument auf einen Schaltleistungswandler mit einer Strombegrenzungsschaltung. 1 zeigt schematisch einen Schaltplan einer beispielhaften Ausführungsform eines Schaltleistungswandlers 100 mit einer Strombegrenzungsschaltung zum Begrenzen des Eingangsstroms.
In 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 107 einen Standard-Leistungswandler, der Fachleuten gut bekannt ist. Aus diesem Grund wird im Folgenden nur eine kurze Beschreibung der Komponenten und Funktionalität des Standard-Leistungswandlers 107 gegeben. Der dargestellte Standard-Leistungswandler 107 ist ein Abwärtswandler. Nichtsdestotrotz werden Fachleute erkennen, dass alternative Implementierungen eines Schaltleistungswandlers möglich sind, ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen.
Der Standard-Leistungswandler 107 umfasst einen Induktor 116 (z. B. eine Spuleneinheit) und ein oder mehrere Schaltelemente 114, 115 (z. B. MOSFETs) zum Erregen und Aberregen des Induktors 116. Insbesondere kann der Standard-Leistungswandler 107 ein Hochseitenschaltelement 115 und ein Tiefseitenschaltelement 114 umfassen. Das eine oder die mehreren Schaltelemente 114, 115 sind in Reihe zwischen einem Anschluss, an den die Eingangsspannung VCENTER des Standard-Leistungswandlers 107 angelegt ist, und Masse verbunden. Eine Ansteuerschaltung 118 steuert die Schaltoperation des einen oder der mehreren Schaltelemente 114, 115 in Übereinstimmung mit einem Steuersignal ctrl.
Der Induktor 12 ist mit einem Zwischenknoten 120 zwischen dem Hochseitenschaltelement 115, das dem Anschluss, an den die Eingangsspannung VCENTER angelegt ist, am nächsten angeordnet ist, und dem Tiefseitenschaltelement 114, das am nächsten zu Masse angeordnet ist, verbunden. Außerdem ist der Induktor 116 an einer Ausgangsseite des Standard-Leistungswandlers 116 vorgesehen und ist Teil eines Ausgangsfilters. Das Ausgangsfilter umfasst ferner einen Ausgangskondensator 117, der zwischen dem Induktor 116 und Masse angeordnet ist. Die Ausgangsspannung an dem Ausgang des Standard-Leistungswandlers 107 ist als vout gekennzeichnet. Außerdem kann eine Last mit dem Standard-Leistungswandler 107 parallel zu dem Ausgangskondensator 117 an der Ausgangsspannung vout verbunden sein.
Die Hauptrückkopplungsschleife des Standard-Leistungswandlers 107 erzeugt das Steuersignal ctrl auf der Basis einer Spannung, die die tatsächliche Ausgangsspannung vout des Standard-Leistungswandlers 107 angibt. In der Beispielschaltung, die in 1 schematisch dargestellt ist, wird das Steuersignal ctrl von der Ausgangsspannung vout durch Abgreifen von vout an einem Ausgangsknoten zwischen dem Induktor 116 und dem Ausgangskondensator 117 abgeleitet.
Die Hauptrückkopplungsschleife umfasst wenigstens eine erste Spannungsvergleichseinheit 112 und eine zweite Spannungsvergleichseinheit 113. Die erste Spannungsvergleichseinheit 112 kann z. B. ein Fehlerverstärker sein, der konfiguriert ist, die Ausgangsspannung vout mit einer Referenzspannung vref zu vergleichen und eine Fehlerspannung vError basierend auf dem Vergleich auszugeben. In dem abgebildeten Beispiel wird die Fehlerspannung vError durch die Differenz zwischen der Referenzspannung vref und der Ausgangsspannung vout bestimmt. Die Referenzspannung vref ist in Übereinstimmung mit einer gewünschten Ausgangsspannung vout gewählt.
In einem nächsten Schritt wird eine Fehlerspannung vError in die zweite Spannungsvergleichseinheit 113 eingegeben. Die Spannungsvergleichseinheit 113 kann z. B. ein Schmitt-Trigger sein, der konfiguriert ist, die Fehlerspannung vError an dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit 112 mit einer Sägezahnspannung vRamp zu vergleichen und das Steuersignal ctrl zum Steuern der Ansteuerschaltung 118 auszugeben. Mit anderen Worten erzeugt die zweite Spannungsvergleichseinheit 113 das Steuersignal ctrl zum Steuern der Schaltelemente 114, 115 des Standard-Leistungswandlers 107.
Die Sägezahnspannung vRamp ist eine Spannung, die wiederholt in Übereinstimmung mit einer positiven Sägezahnsteigung ansteigt, bis ein gegebener oberer Sägezahnspannungspegel erreicht ist, und nachfolgend in Übereinstimmung mit einer negativen Sägezahnsteigung abfällt, bis ein gegebener unterer Sägezahnspannungspegel erreicht ist. Die Sägezahnspannung vRamp wird durch einen geeigneten Sägezahngenerator (nicht gezeigt) erzeugt.
Zusammengefasst dient die Hauptrückkopplungsschleife des Standard-Leistungswandlers 107 dem Zweck, die Ausgangsspannung vout in Übereinstimmung mit der gewählten Referenzspannung vref an einem Eingang der ersten Spannungsvergleichseinheit 112 zu regulieren.
Immer noch in 1 ist die Verbindungseinheit 108 abgebildet. Außerdem ist eine Stromvergleichseinheit nicht ausdrücklich als eine einzelne Einheit mit einem dedizierten Bezugszeichen abgebildet. Stattdessen umfasst die Stromvergleichseinheit alle dargestellten Schaltungselemente mit Ausnahme der Verbindungseinheit 109, einer Stromquelle 108 und der Elemente, die Teil des Standard-Leistungswandlers 107 sind. Genauer ausgedrückt umfasst die Stromvergleichseinheit einen Erfassungstransistor 101, einen Referenztransistor 102, eine Stromquelle 104, einen Transkonduktanzoperationsverstärker OTA 103, einen Integrierkondensator 105 und eine Spannungshalteschaltung 106.
Der Erfassungstransistor 101 und der Referenztransistor 102 können Metalloxidhalbleitertransistoren (MOS-Transistoren) sein, z. B. MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFET). In dem dargestellten Beispiel sind der Erfassungstransistor 101 und der Referenztransistor 102 MOS-Transistoren vom n-Typ. Die Gates des Erfassungstransistors 101 und des Referenztransistors 102 sind miteinander gekoppelt. Die Spannung an beiden Gates ist in 1 als vpump gekennzeichnet. Außerdem sind die Drains des Erfassungstransistors 101 und des Referenztransistors 102 mit dem Eingang des Schaltleistungswandlers 100 gekoppelt. An diesem Eingang ist die Eingangsspannung VBUS durch die Stromquelle 108 bereitgestellt. Somit bilden der Erfassungstransistor 101 und der Referenztransistor 102 parallele Zweige in Bezug auf einen Eingangsstrom, der aus der Energiequelle 108 in den Schaltleistungswandler 100 fließt.
Sowohl der Erfassungstransistor 101 als auch der Referenztransistor 102 werden in ihrer linearen Betriebsart betrieben, wobei die Transistoren als gesteuerte Widerstände mit jeweiligen Widerstandswerten betrachtet werden können. Letztere Widerstandswerte werden in der folgenden Beschreibung als Einschaltwiderstand bezeichnet. Der Einschaltwiderstand des Erfassungstransistors 101 sollte typischerweise sehr niedrig gewählt sein, um Verluste zu minimieren. Außerdem hat der Erfassungstransistor 101 keinen Einfluss, um den Eingangsstrom an dem Eingang des Schaltleistungswandlers 100 anzupassen.
Das Verhältnis der Einschaltwiderstände des Erfassungstransistors 101 und des Referenztransistors 102 ist so gewählt, dass ein Strom durch den Erfassungstransistor 102 n-mal größer ist als der Strom durch den Referenztransistor 102, wobei der Faktor n z. B. 1000 sein kann. Beispielsweise kann das Verhältnis der Einschaltwiderstände durch geeignetes Dimensionieren der Größen (d. h. der Breite/Länge) beider Transistoren 101, 102 angepasst werden. Infolgedessen werden beide Transistoren 101, 102 an demselben Arbeitspunkt betrieben, und das Verhältnis der Ströme, die durch beide Transistoren fließen, ist im Voraus bekannt.
Die Source des Referenztransistors 102 ist mit einem ersten Eingang des OTA gekoppelt. Der Transkonduktanzoperationsverstärker OTA 103 ist ein Verstärker, dessen Differenzeingangsspannung einen gesteuerten Ausgangsstrom produziert. Somit kann der OTA als eine spannungsgesteuerte Stromquelle (VCCS) klassifiziert werden. Ähnlich zu einem Standard-Operationsverstärker weist der OTA eine Differenzeingangsstufe mit hoher Impedanz auf.
Wie in den folgenden Absätzen erklärt wird, ist der OTA 103 konfiguriert, an seinem Ausgang den Integrierkondensator zu laden oder zu entladen, in dem Fall, wenn der Eingangsstrom in den Schaltleistungswandler 100 den Stromschwellenwert übersteigt. Außerdem halten der OTA 103 und die Regulierungsschleife den Arbeitspunkt für den Referenztransistor 102 und den Erfassungstransistor 101 gleich der Differenz eines Verhältnisses zwischen diesen beiden.
Außerdem ist die Source des Referenztransistors 102 auch mit einer Referenzstromquelle 104 gekoppelt. Die Referenzstromquelle 104 ist konfiguriert, einen Referenzstrom Iset für den Referenztransistor 102 bereitzustellen. Aufgrund des Ausgangs mit hoher Impedanz des OTA 103 ist der Referenzstrom Iset gezwungen, durch den Referenztransistor 102 zu fließen. Hierbei ist der Referenzstrom Iset proportional dem gewünschten Stromschwellenwert. Deshalb sollte, falls es erwünscht ist, den Eingangsstrom in den Schaltleistungswandler 100, der durch den Erfassungstransistor 101 fließt, auf einen speziellen Schwellenwert zu begrenzen (d. h. eine Obergrenze), der Referenzstrom Iset so angepasst werden, dass er gleich dem Stromschwellenwert dividiert durch den Faktor n ist.
Andererseits ist die Source des Erfassungstransistors 101 mit einem zweiten Eingang des OTA 103 und dem Eingangsanschluss des Standard-Leistungswandlers 107 an der Eingangsspannung VCENTER gekoppelt.
Wie bereits erwähnt ist ein Eingang des Integrierkondensators 105 mit dem Ausgang des OTA 103 gekoppelt. Der andere Anschluss ist mit Masse verbunden. Die Spannung über den Integrierkondensator 105 ist als Zwischenspannung vi gekennzeichnet.
Zusätzlich ist der Ausgang des OTA 103 mit der Verbindungseinheit 109 gekoppelt. Anders ausgedrückt ist die Verbindungseinheit 109 zwischen einem Anschluss mit der Zwischenspannung vi, die durch die Stromvergleichseinheit bereitgestellt ist, und einem Steueranschluss 119 an der Fehlerspannung vError innerhalb der Hauptrückkopplungsschleife des Standard-Leistungswandlers 107 angeordnet.
Die Verbindungseinheit 109 kann durch eine einfache elektronische Schaltung, die beispielsweise ein Puffer sein kann oder lediglich einen einzelnen Transistor als Schaltelement umfassen kann, implementiert sein. In dem dargestellten Beispiel kann die Funktionalität der Verbindungseinheit 109 wie folgt beschrieben werden: Falls die Fehlerspannung vError kleiner ist als die Zwischenspannung vi, isoliert die Verbindungseinheit 109 die zwei genannten Anschlüsse der Stromvergleichseinheit und des Standard-Leistungswandlers 107 voneinander. In dem Fall, wenn die Fehlerspannung vError kleiner ist als die Zwischenspannung vi, baut die Verbindungseinheit 109 eine elektrische Verbindung zwischen den zwei Anschlüssen auf. Als ein Ergebnis dieser elektrischen Verbindung wird die Fehlerspannung vError zu der Zwischenspannung vi gezogen, bis vError gleich vi ist.
Falls jetzt der Eingangsstrom durch den Erfassungstransistor 101 den Stromschwellenwert übersteigt, setzt der OTA 103 die Spannungen an seinen Eingängen in einen negativen Strom um, der den integrierenden Kondensators 105 entlädt, und reduziert als eine Folge die Zwischenspannung vi. Sobald die Zwischenspannung vi unter die Fehlerspannung vError fällt, baut die Verbindungseinheit 109 eine elektrische Verbindung zu dem Steueranschluss 119 innerhalb der Hauptrückkopplungsschleife des Standard-Leistungswandlers 107 auf, und das elektrische Potential des Steueranschlusses 119 fällt ab. Die Reduktion des elektrischen Potentials des Steueranschlusses 119 startet an einem Potential, das der Fehlerspannung vError entspricht, die durch die erste Spannungsvergleichseinheit bereitgestellt ist, und endet an einem Potential, das der Zwischenspannung vi des Integrierkondensators 105 entspricht. Somit wird die reduzierte Fehlerspannung vError ein angepasstes Steuersignal ctrl und ein angepasstes Schaltverhalten der Schaltelemente 114, 115 verursachen und begrenzt den Strom, der durch den Schaltleistungswandler 100 fließt.
Wenn der Eingangsstrom unterhalb des Stromschwellenwerts ist, ist die Strombegrenzungsschleife, die durch die Stromvergleichseinheit und die Verbindungseinheit 109 gebildet ist, nicht aktiv, und die Verbindungseinheit 109 isoliert die Fehlerspannung vError von der Zwischenspannung vi. In dieser Situation neigt die Zwischenspannung vi über dem Integrierkondensator 105 zur Sättigung an der Versorgungsspannung (z. B. an der Eingangsspannung VBUS, die z. B. 2,5 V ist). Sobald die Strombegrenzungsschleife aktiviert ist, muss sich die Zwischenspannung vi an einem Arbeitspunkt einstellen, um die Schleife zu schließen. Die resultierende Zeitverzögerung wird ein Stromüberschwingen erzeugen, d. h. Eingangs-/Ausgangsströme höher als der vorbestimmte Stromschwellenwert, bis die Strombegrenzungsschleife das Regulieren und Begrenzen des Eingangsstroms unterhalb des Stromschwellenwerts startet.
Um die Zwischenspannung vi an einer festen Spannung zu stabilisieren, wird die Spannungshalteschaltung 119 (auch Klemme oder Klammer) verwendet. Die Spannungshalteschaltung 119 ist mit dem Ausgang des OTA 103 gekoppelt. In dem dargestellten Beispiel ist die Spannungshalteschaltung 119 unter Verwendung eines Operationsverstärkers mit dem invertierenden Eingang gekoppelt mit seinem Ausgang implementiert. An dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ist die Haltespannung vClamp angelegt.
Die Spannungshalteschaltung 106 ist für die Funktionalität der Strombegrenzungsschleife nicht unverzichtbar, kann jedoch zum Verbessern der Leistung hilfreich sein und ein Überschwingen des Eingangsstroms minimieren. Durch Anpassen der Haltespannung vClamp kann die Zwischenspannung vi während Zeiten, wenn die Strombegrenzungsschleife nicht aktiv ist, reduziert sein, und die Sättigung der Zwischenspannung vi an der Versorgungsspannung VBUS kann verhindert sein. Auf diese Weise ist die Zeitverzögerung bis die Strombegrenzungsschleife in die Regulierung kommt, reduziert. Die Zwischenspannung vi sollte jedoch hoch genug sein, um die Hauptrückkopplungsschleife nicht zu stören und den Eingangs-/Ausgangsstrom während Zeiten, wenn die Strombegrenzungsschleife nicht aktiv ist, zu begrenzen. Somit ist eine optimierte Haltespannung vClamp als eine Funktion des Arbeitszyklus des Standard-Leistungswandlers 107 (d. h. die Schaltzeiten der Schaltelemente 114, 115 gesteuert durch die Ansteuerschaltung 118) und des eingestellten Werts des Stromschwellenwerts eingestellt. Zusätzlich können Parameter, die aus Prozessvariation resultieren, berücksichtigt sein.
Beispielsweise kann die Haltespannung vClamp angepasst werden, um die Zwischenspannung vi an einer Spannung, die leicht oberhalb eines Maximalwerts der Fehlerspannung vError ist, zu stabilisieren. Typische Werte für die maximale Fehlerspannung vError können für den Standard-Leistungswandler bestimmt werden und sind z. B. bei etwa 1,6 V, und die dynamische Anpassung der Zwischenspannung vi sollte leicht oberhalb dieses Wertes sein. Um die maximale Fehlerspannung vError über die Zeit zu bestimmen, kann eine Steuerschaltungsanordnung (nicht gezeigt) einen Verlauf von Maximalpegeln der Fehlerspannung vError zur dynamischen Anpassung der Haltespannung vClamp aufzeichnen.
Der Arbeitspunkt für den Ausgang des OTA 103 ist relativ zu der Fehlerspannung vError und der Sägezahnspannung vRamp der Hauptrückkopplungsschleife innerhalb des Standard-Leistungswandlers 107. Für eine praktische Lösung kann dieser Wert in einen Sockel-Minimalwert, einen Kompensationssägezahnteil, der abhängig von dem Arbeitszyklus ist, und einem stromabhängigen Wert der Hochseite aufgeteilt werden. Mit anderen Worten kann dieser Wert für eine/n gegebenen Stromeinstellung und einen Arbeitszyklus berechnet werden.
Da die Sockelspannung und der Kompensationssägezahn während der Produktion fein abgestimmt werden (oder aus Simulation bekannt sind), können diese Informationen zusammen mit der Strombegrenzungseinstellung verwendet werden, um diese Spannung zu berechnen. Typische Werte sind etwa 100 mV.
Die Berechnung dieses Werts ist stark abhängig von der Implementierung der Hauptrückkopplungsschleife innerhalb des Standard-Leistungswandlers 107 und muss für jeden Entwurf angepasst werden. Die Granularität der Haltespannung vClamp ist die Anzahl unterschiedlicher Strombegrenzungseinstellungen und die Auflösung der Arbeitszyklusmessung. Natürlich kann die Granularität gegen Zeitverzögerungsreduktionsoptimierung abgewogen werden.
2 zeigt ein Blockdiagramm des Beispiel-Schaltleistungswandlers 100 mit einer Strombegrenzungsschaltung. zum Begrenzen des Eingangsstroms. Es wird darauf hingewiesen, dass in dem Blockdiagramm in 2 dieselben Schaltungskomponenten wie in 1 mit Ausnahme der Verbindungseinheit 9 dargestellt sind. Die Verbindungseinheit 9, die in 2 nicht ausdrücklich abgebildet ist, ist zwischen den Ausgang des OTA 103 und einen Anschluss an der Fehlerspannung vError innerhalb der Hauptrückkopplungsschleife des Standard-Leistungswandlers 107 gekoppelt.
Die im Vorstehenden diskutierten Prinzipien können analog auf einen Schaltleistungswandler 200 mit einer Strombegrenzungsschaltung zum Begrenzen des Ausgangsstroms angewandt werden. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Schaltleistungswandlers 200 mit einer Strombegrenzungsschaltung zum Begrenzen des Ausgangsstroms. Insbesondere bildet 2 einen Standard-Leistungswandler 207, einen Erfassungstransistor 201, einen Referenztransistor 202, eine Last 208, eine Referenzstromquelle 204 und einen OTA 203 ab. Außerdem sind ein Integrierkondensator 205 und eine Spannungshalteschaltung 206 mit dem Ausgang des OTA 203 gekoppelt. Wie in 2 ist eine Verbindungseinheit 209 in 3 nicht ausdrücklich angezeigt. Nichtsdestotrotz ist die Verbindungseinheit 209 zwischen den Ausgang des OTA 203 und einen Anschluss an einer Fehlerspannung vError innerhalb der Hauptrückkopplungsschleife des Standard-Leistungswandlers 207 gekoppelt.
4 zeigt drei Beispieldiagramme a), b) und c), die Ströme und Spannungen in einer Stromüberlastsituation darstellen. Insbesondere stellt Diagramm a) den Eingangsstrom eines Schaltleistungswandlers 100 über der Zeit dar. Zu der Zeit 350 tritt ein Lastsprung auf, der erzwingt, dass die Strombegrenzung aktiv ist. Der Stromschwellenwert ist als 300 gekennzeichnet. Die durchgezogene Linie 301 zeigt einen Eingangsstrom in dem Fall, wenn die Zwischenspannung vi nicht optimiert ist. Kurz nach dem Auftreten des Lastsprungs 350 tritt ein signifikantes Stromüberschwingen 301a auf. Die gestrichelte Linie 302 bildet den Eingangsstrom ab in dem Fall, wenn die Zwischenspannung vi gemäß den Lehren dieses Dokuments optimiert ist. Offensichtlich führt die optimierte Zwischenspannung vi zu wesentlich reduziertem Stromüberschwingen 302a. Das Diagramm b) stellt die Zwischenspannung vi in derselben Situation dar. Die durchgezogene Linie 303 zeigt vi in dem nicht optimierten Fall, während die gestrichelte Linie 304 vi in den optimierten Fall zeigt. Andererseits stellt das Diagramm c) die Fehlerspannung vError in derselben Situation dar. Die durchgezogene Linie 305 zeigt die Fehlerspannung vError in dem nicht optimierten Fall, und die gestrichelte Linie 306 zeigt die Fehlerspannung vError in dem optimierten Fall. Wie in Diagramm c) zu erkennen ist, ist die Fehlerspannung vError in dem optimierten Fall und in dem nicht optimierten Fall gleich, wenn die Strombegrenzungsschleife nicht aktiv ist, d. h. bevor der Lastsprung 350 auftritt.
5 zeigt Simulationsergebnisse von Eingangs- und Ausgangsströmen in Überlastsituationen. Insbesondere zeigt die Kurve 401 den Eingangsstrom für den Fall, dass die Zwischenspannung vi nicht optimiert ist, und die Kurve 402 zeigt den Eingangsstrom für den Fall, dass die Zwischenspannung vi optimiert ist. Außerdem zeigt die Kurve 403 den Ausgangsstrom für den Fall, dass die Zwischenspannung vi nicht optimiert ist, und die Kurve 404 zeigt den Ausgangsstrom für den Fall, dass die Zwischenspannung vi gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung optimiert ist. Das Simulationsergebnis stellt deutlich das reduzierte Stromüberschwingen sowohl für den Eingangsstrom als auch für den Ausgangsstrom eines Schaltleistungswandlers dar.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme darstellen. Fachleute werden verschiedene Anordnungen implementieren können, die, obwohl sie hier nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung ausführen und in ihrem Geist und Schutzbereich enthalten sind. Darüber hinaus sind alle Beispiele und Ausführungsformen, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt sind, prinzipiell vorgesehen, nur erläuternden Zwecken zu dienen, um den Leser im Verstehen der Prinzipien der, vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen. Darüber hinaus sind alle Feststellungen hier, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung bereitstellen, und außerdem ihre spezifischen Beispiele vorgesehen, ihre Äquivalente einzuschließen.

Claims

Schaltleistungswandler, der umfasst: eine Rückkopplungsschleife zum Steuern der Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers; eine erste Spannungsvergleichseinheit innerhalb der Rückkopplungsschleife, die konfiguriert ist, eine Spannung, die die Ausgangsspannung angibt, mit einer Referenzspannung zu vergleichen und eine Fehlerspannung basierend auf dem Vergleich auszugeben; eine Stromsteuereinheit zum Begrenzen eines Eingangsstroms in den Schaltleistungswandler, wobei die Stromsteuereinheit umfasst: – eine Stromvergleichseinheit, die konfiguriert ist, den Eingangsstrom mit einem Stromschwellenwert zu vergleichen und eine Zwischenspannung basierend auf dem Vergleich auszugeben, und – eine Verbindungseinheit, die mit dem Ausgang der Stromvergleichseinheit verbunden ist und konfiguriert ist, in dem Fall, wenn der Eingangsstrom den Stromschwellenwert übersteigt, den Ausgang der Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit zu verbinden. wobei die Stromsteuereinheit konfiguriert ist, die Zwischenspannung so einzustellen, dass ein Überschwingen des Eingangsstroms reduziert ist.
Schaltleistungswandler, der umfasst: eine Rückkopplungsschleife zum Steuern der Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers; eine erste Spannungsvergleichseinheit innerhalb der Rückkopplungsschleife, die konfiguriert ist, eine Spannung, die die Ausgangsspannung angibt, mit einer Referenzspannung zu vergleichen und eine Fehlerspannung basierend auf dem Vergleich auszugeben; eine Stromsteuereinheit zum Begrenzen eines Ausgangsstroms an dem Ausgang des Schaltleistungswandlers, wobei die Stromsteuereinheit umfasst: – eine Stromvergleichseinheit, die konfiguriert ist, den Ausgangsstrom mit einem Stromschwellenwert zu vergleichen und eine Zwischenspannung basierend auf dem Vergleich auszugeben, und – eine Verbindungseinheit, die mit dem Ausgang der Stromvergleichseinheit verbunden ist und konfiguriert ist, in dem Fall, wenn der Ausgangsstrom den Stromschwellenwert übersteigt, den Ausgang der Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit zu verbinden. wobei die Stromsteuereinheit konfiguriert ist, die Zwischenspannung anzupassen, so dass ein Überschwingen des Ausgangsstroms minimiert ist.
Schaltleistungswandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungseinheit konfiguriert ist, den Ausgang der Stromvergleichseinheit in dem Fall, wenn die Zwischenspannung kleiner ist als die Fehlerspannung, mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit zu verbinden und den Ausgang der Stromvergleichseinheit in dem Fall, wenn die Zwischenspannung größer ist als die Fehlerspannung, von dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit zu isolieren.
Schaltleistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromvergleichseinheit eine Spannungshalteschaltung umfasst, deren Ausgang mit dem Ausgang der Stromvergleichseinheit verbunden ist, und die Stromvergleichseinheit konfiguriert ist, die Zwischenspannung basierend auf einer Haltereferenzspannung an dem Eingang der Spannungshalteschaltung anzupassen.
Schaltleistungswandler nach Anspruch 3, wobei die Stromsteuereinheit konfiguriert ist, die Haltereferenzspannung basierend auf einem Arbeitszyklus des Schaltleistungswandlers und/oder dem Stromschwellenwert anzupassen.
Schaltleistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromsteuereinheit konfiguriert ist, die Haltereferenzspannung leicht oberhalb eines Maximalwerts der Fehlerspannung anzupassen.
Schaltleistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromvergleichseinheit eine spannungsgesteuerte Stromquelle und eine Kapazität umfasst und die Spannung der Kapazität die Zwischenspannung an dem Ausgang der Stromvergleichseinheit angibt; und die spannungsgesteuerte Stromquelle konfiguriert ist, an ihrem Ausgang die Kapazität in dem Fall, wenn der Eingangsstrom oder der Ausgangsstrom den Stromschwellenwert übersteigt, zu laden oder zu entladen.
Schaltleistungswandler nach Anspruch 7, wobei die Stromvergleichseinheit umfasst: einen Referenztransistor, dessen Source mit einem ersten Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist, eine Referenzstromquelle, die mit dem ersten Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist und konfiguriert ist, einen Referenzstrom, der dem Stromschwellenwert entspricht, für den Referenztransistor bereitzustellen, und einen Erfassungstransistor, dessen Source mit einem zweiten Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist, wobei der Eingangsstrom in den Schaltleistungswandler oder der Ausgangsstrom an dem Ausgang des Schaltleistungswandlers durch den Erfassungstransistor fließt, die Gates des Erfassungs- und des Referenztransistors miteinander verbunden sind, und die Drains des Erfassungs- und des Referenztransistors miteinander verbunden sind.
Schaltleistungswandler nach Anspruch 8, wobei ein Schaltelement des Schaltleistungswandlers als Erfassungstransistor verwendet ist.
Schaltleistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine zweite Spannungsvergleichseinheit umfasst, die konfiguriert ist, die Fehlerspannung an dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit mit einer Sägezahnspannung zu vergleichen und ein Steuersignal zum Steuern von Schaltelementen des Schaltleistungswandlers auszugeben.
Verfahren zum Begrenzen eines Eingangsstroms in einen Schaltleistungswandler, wobei das Verfahren umfasst: Vergleichen einer Spannung, die die Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers angibt, mit einer Referenzspannung in einer Rückkopplungsschleife zum Steuern der Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers; Bestimmen an einem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit einer Fehlerspannung basierend auf dem Vergleichen; Vergleichen des Eingangsstroms in den Schaltleistungswandler mit einem Stromschwellenwert; Bestimmen an einem Ausgang einer Stromvergleichseinheit einer Zwischenspannung basierend auf dem Vergleichen des Eingangsstroms; Verbinden in dem Fall, wenn der Eingangsstrom den Stromschwellenwert übersteigt, den Ausgang der Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit, um die Zwischenspannung an die Fehlerspannung anzulegen; und Anpassen der Zwischenspannung, so dass ein Überschwingen des Eingangsstroms minimiert ist.
Verfahren zum Begrenzen eines Ausgangsstroms an dem Ausgang eines Schaltleistungswandlers, wobei das Verfahren umfasst: Vergleichen einer Spannung, die die Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers angibt, mit einer Referenzspannung in einer Rückkopplungsschleife zum Steuern der Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers; Bestimmen an einem Ausgang einer ersten Spannungsvergleichseinheit einer Fehlerspannung basierend auf dem Vergleichen; Vergleichen des Ausgangsstroms an dem Ausgang des Schaltleistungswandlers mit einem Stromschwellenwert; Bestimmen an einem Ausgang einer Stromvergleichseinheit einer Zwischenspannung basierend auf dem Vergleichen des Ausgangsstroms; Verbinden in dem Fall, wenn der Ausgangsstrom den Stromschwellenwert übersteigt, des Ausgangs der Stromvergleichseinheit mit dem Ausgang der ersten Spannungsvergleichseinheit zum Anlegen der Zwischenspannung an die Fehlerspannung; und Anpassen der Zwischenspannung, so dass ein Überschwingen des Ausgangsstroms minimiert ist.