-
VERWANDTE PATENTANMELDUNG
-
Diese Anmeldung ist verwandt mit der US-Patentanmeldung 14/468,588, eingereicht am 26. August 2014, die auf einen gemeinsamen Anmelder übertragen ist und die hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
-
GEBIET
-
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und insbesondere auf eine Stromschleifen-Betriebsartsteuerung und auf die Detektion von und den Schutz vor Kurzschlussbedingungen bei dem Wandlerausgang.
-
In Leistungsumwandlungslösungen, die z. B. Gleichstrom-Gleichstrom-Tiefsetzsteller [engl.: DC to DC buck converter] verwenden, gibt es Überstromdetektions- und Überstrombegrenzungsschemata von unterschiedlicher Nützlichkeit und Wirksamkeit.
-
1 ist ein Stromlaufplan eines typischen Tiefsetzstellers mit einer Strombetriebsart-Regulierungsschleife. Der Tiefsetzsteller umfasst eine Eingangsspannung VIN, eine Ausgangsspannung VOUT, einen Induktor L 40, einen Kondensator C 50, einen hochseitigen Schalter SH und einen tiefseitigen Schalter SL. Die Regulierungsschleife umfasst einen Teiler DIV, einen Operationsverstärker OA1 mit Eingängen VOUT/K und VREF, einen Stromsensor RS, eine Summenfunktion SUM mit SLOPE_COMP, einen Komparator CP1 mit einem positiven Eingang RS·IL + SLOPE_COMP und mit einem negativen Eingang VEA und ein Flipflop RS1, das ein Ausgangssignal MAG für die hohe Seite des Schalters SH bereitstellt. Beim Betrieb in der Pulsbreitenmodulation (PWM) mit konstanter Frequenz stellt ein periodisch ausgegebener Takt CLK das Signal der Magnetisierung MAG auf '1' ein. Der Induktorstrom IL über den Induktor L 40 wird erfasst und durch Multiplikation mit RS in eine Spannung RS·IL umgesetzt. Gelegentlich wird zu der Spannung RS·IL eine Neigungskompensation SLOPE_COMP addiert. Wenn die Gesamtspannung (RS·IL + SLOPE_COMP) die Fehlerspannung VEA übersteigt, sendet der Komparator CP1 das Signal STOP aus und zwingt so das Signal der Magnetisierung MAG auf '0'. VEA stellt das Ziel für den maximalen Induktorstrom, auch der Spitzenstrom genannt, ein. Die Spannung VEA wird durch den Fehleroperationsverstärker OA1 so reguliert, dass der erforderliche Induktorspitzenstrom eingestellt wird, am VOUT auf einen Wert proportional zu VREF zu regulieren. VREF könnte unter Verwendung einer digitalen Steuereinheit mit einem VDAC-Digital-Analog-Wandler erzeugt werden. Die Ausgangsspannung eines solchen Tiefsetzstellers ist zum Beispiel eine Spannungsversorgung für andere Teilsysteme.
-
2 veranschaulicht einen Zeitablaufplan einer Kurzschlussereignisbeschreibung und der Wirkung auf VEA, IL und VOUT des Tiefsetzstellers in 1. Der erste Zyklus zeigt, dass der Tiefsetzsteller bei einem gegebenen VOUT mittels einer Magnetisierungsphase, die durch eine steigende Flanke des Takts CLK ausgelöst wird, gefolgt von einer Entmagnetisierungsphase, reguliert. Der Induktorstrom IL variiert mit einer Aufwärtsneigungsrate von (VIN – VOUT)/L und mit einer Abwärtssteigungsrate von (–VOUT)/L, wobei VSL = 0 V angenommen ist. Am Ende des zweiten Taktzyklus tritt der Kurzschluss auf und VOUT wird auf 0 V heruntergezogen. Der Kurzschluss tritt während einer Entmagnetisierungsphase auf und wenn die Induktorstrom-Abwärtsneigung (–VOUT)/L ist. Falls VOUT zur Masse kurzgeschlossen wird, wird die Entmagnetisierungsabwärtsneigung zu (–VSL)/L, wobei die Abwärtsneigung zu (–RSL·IL)/L wird, falls SL in 1 ein Diodenschalter ist. Während VOUT abfällt, springt die Fehlerspannung VEA auf ihr Maximum. Dies zwingt die Regulierungsschleife auf ihren maximalen Tastgrad und ihre volle Magnetisierung. Außerdem weisen die meisten Tiefsetzsteller einen Spitzenstromgrenzwertschutz auf. Falls der Induktorstrom über seinen Spitzenstromgrenzwert geht, wird die Entmagnetisierung angeordnet, selbst wenn die Schleifenkompensation weiterhin eine Magnetisierung erfordert. Der dritte Zyklus zeigt, dass die Magnetisierung mit einer Rate von (VIN)/L ansteigt, bis sie den Spitzenstromgrenzwert ILIM_PEAK erreicht, der veranlasst, dass die Entmagnetisierung beginnt. Wegen der internen Verzögerung der Detektion des Grenzwerts und des Anweisens eines Abschaltens der Magnetisierungsphase geht der Induktorstrom immer etwas über den Spitzenstromgrenzwert hinaus. Wenn VOUT auf nahezu 0 V fällt, gibt es während der Entmagnetisierungsphase nahezu keine Verringerung des Induktorstroms und die Abwärtsneigung ist (–VSL)/L. Folglich nimmt der Induktorstrom IL Zyklus für Zyklus immer mehr zu. Dies veranlasst, dass sich der Induktor überhitzt, bis er schließlich sich selbst und/oder den Tiefsetzsteller beschädigt. Der theoretische Endausregelwert für IL ist DMIN·VIN/L = (1 – DMIN)·RSL.IL/L, was IL = DMIN·VIN/(RSL·(1 – DMIN))) ergibt, wobei DMIN der minimale erzielbare Tastgrad für eine ordnungsgemäße ILIMmax-Detektion ist, wenn z. B. DMIN = 0,1, RSL = 0,02 und VIN = 5, IL = 27.7 A ist. Es ist dann notwendig zu vermeiden, dass dieser Induktorstrom außer Kontrolle gerät, wenn es einen Kurzschluss am Ausgang des Tiefsetzstellers gibt.
-
Im Stand der Technik ist häufig ein zweiter Spitzenstromgrenzwert anzutreffen, der höher als der erste ist. Falls der erste Stromgrenzwert für einen gegebenen Taktzyklus ausgelöst wird, ist die zweite Spitzenstromgrenzwert-Schaltung im nächsten Zyklus ON und bereit, einen anomalen Spitzenstrom, der durch den Kurzschluss verursacht ist, zu detektieren. Das Auslösen des zweiten Spitzenstromgrenzwerts würde einen Merker (Flag) für die digitale Steuereinheit setzen, was den Tiefsetzsteller daraufhin abschalten würde. Nach einer bestimmten Zeit würde der Tiefsetzsteller erneut freigegeben und würde dieselbe Folge erneut auftreten, bis der Kurzschluss anhält. In Anwesenheit eines Kurzschlusses am Ausgang ist diese Folge notwendig, um eine Zerstörung des Induktors und/oder des Tiefsetzstellers zu vermeiden. Auf diese Weise wäre der Tiefsetzsteller in Anwesenheit eines Kurzschlusses nicht in der Lage, für andere Systeme eine konstante Versorgungsspannung bereitzustellen.
-
Außerdem zeigt der Stand der Technik die Verwendung analoger Komponenten, die einen hohen Leistungsbedarf haben. Üblicherweise erfordert ein Spitzenstromgrenzwert-Detektor einen schnellen Komparator mit einer zugeordneten Stromreferenz. Leider sind diese Elemente hinsichtlich der Siliciumfläche groß. Der Spitzenstromgrenzwert erfordert einen Stromsensor, der üblicherweise 1/100 der hochseitigen Durchlassvorrichtung ist.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Dementsprechend ist eine Aufgabe einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung und ein Verfahren zum Schützen eines Tiefsetzstellers vor Zerstörung im Fall eines Kurzschlusses zur Masse am Ausgang zu schaffen.
-
Eine weitere Aufgabe einer oder mehrerer Ausführungsformen der Offenbarung ist es, einen niedrigen Stromgrenzwert zu implementieren, der nicht viel höher als der beabsichtigte maximal sichere Betriebsstrom ist.
-
Eine weitere Aufgabe einer oder mehrerer Ausführungsformen der Offenbarung ist es, eine schnelle Detektion eines Überstroms wegen eines Kurzschlusses und das Erzielen eines schnellen Frequenzabfalls zu implementieren.
-
Eine weitere Aufgabe einer oder mehrerer Ausführungsformen der Offenbarung ist es, eine problemlose Schleifenwiederherstellung beim Entfernen eines Kurzschlusses zu implementieren und zu verhindern, dass der Wandler zurück in die Maximalfrequenzbetriebsart kommt, falls er auf einen hohen Überstrom ansteigt, was einen natürlichen Soft-Neustart vom Überstrom wegen eines Kurzschlusses bereitstellt. Weitere Aufgaben erscheinen im Folgenden.
-
Die obigen und andere Aufgaben der vorliegenden Offenbarung können auf folgende Weise gelöst werden. In der Strombetriebsartschleifen-Schaltungsanordnung wird der Induktorstrom erfasst und wird ein Überstromkomparator verwendet. Zum Maskieren von Überstromfehlauslösungen, die durch durch Schalten des Wandlers erzeugte Störungen verursacht sind, ist ein Maskierungsintervallgenerator erforderlich. Um zu detektieren, ob der Stromgrenzwertkomparator am Ende des Maskierungsintervalls einen Überstrom angibt, und um bei der Detektion eines echten Überstroms ein Überstrom-Pulsauslassen zu implementieren, wird eine einfache Logik verwendet. Dieses Verfahren verwendet vorhandene analoge Schaltungen wieder, um einen Überstromschutz zu erzielen. Um ein Überstrom-Pulsauslassen und eine Überstrompulswiederherstellung zu behandeln, ist nur eine kleine Menge zusätzlicher digitaler Logik erforderlich.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die vorliegende Offenbarung wird klarer verständlich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche oder einander entsprechende Elemente, Gebiete und Abschnitte bezeichnen, und in denen:
-
1 ein Stromlaufplan eines typischen Tiefsetzstellers mit einer Strombetriebsart-Regulierungsschleife ist.
-
2 ein Zeitablaufplan einer Kurzschlussereignisbeschreibung und der Wirkung auf VEA, IL und VOUT des Tiefsetzstellers ist.
-
3 ein Stromlaufplan eines Tiefsetzstellers ist, der das Prinzip des Kurzschlussschutzes in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
-
4 ein Zeitablaufplan ist, der die Detektion des Kurzschlussschutzes in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
-
5 ein Stromlaufplan zur Erzeugung von Signalen auf der Grundlage des Kurzschlussschutzereignisses und des Kurzschlussschutzzustands in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
-
6 ein Zeitablaufplan ist, der eine Überstrombegrenzung und ein Pulsauslassen während des Kurzschlussschutzes in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
-
7 einen Ablaufplan eines offenbarten Verfahrens für den Kurzschlussschutz zeigt.
-
BESCHREIBUNG
-
3 ist ein Stromlaufplan eines Tiefsetzstellers (Buck-Wandler), der das Prinzip des Kurzschlussschutzes in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Der Tiefsetzsteller umfasst eine Eingangsspannung VIN, eine Ausgangsspannung VOUT, einen Induktor L 340 und einen Kondensator C 350. Außerdem umfasst der Tiefsetzsteller Schalter SH und LS, die durch DRVHS bzw. durch DRVLS angesteuert werden. Die Regulierungsschleife umfasst eine LOOP CONTROL mit Eingangssignalen VREF und SHORTCIRCUIT_STATE und einen Komparator CP2 mit einem positiven Eingang KL·IL und mit einem negativen Eingang IREF1. Außerdem umfasst die Regulierungsschleife ein Flipflop RS2, das ein Ausgangssignal MAG zum Ansteuern der hohen Seite des Schalters SH bereitstellt und das in Inverter 371 invertiert wird, um den Schalter LS anzusteuern.
-
Der Hauptteil des Kurzschlussdetektionsschemas arbeitet mit dem Komparator CP2, der ein Bild des Induktorstroms KL·IL, wobei KL·IL proportional zu dem durch den Schalter SH fließenden Strom ist, mit einer vorgegebenen Referenz IREF1 vergleicht. Der Komparator CP2 könnte ein Strom- oder Spannungskomparator sein. Während des normalen Betriebs des Tiefsetzstellers veranlasst der Übergang von der Entmagnetisierung (SH OFF und LS NO) zur Magnetisierung (SH ON und LS OFF), dass die LX-Spannung wegen parasitären Effekten bei dem Knoten LX schwingt [engl.: ring]. Folglich müssen alle erfassten Ströme und Spannungen um diese Übergänge ordnungsgemäß behandelt werden, um eine Fehlauslösung des Stromgrenzwerts ILIM_EVENT zu vermeiden. Um eine ordnungsgemäße Detektion des Spitzenstromgrenzwerts ILIM_COMP_OUT von dem Komparator CP2 sicherzustellen, wird ein MASKIERER verwendet. Wie im Gebiet bekannt ist, maskiert der MASKIERER die durch den Komparator CP2 bereitgestellten Informationen für die ersten wenigen Nanosekunden der Magnetisierungsphase. Diese Verzögerung lässt die Eingangssignale ILIM_COMP_OUT und MASKER_ON ausregeln, bevor sie verglichen werden. Im normalen Betrieb tritt das Auslösen, dass der Komparator CP2 direkt nach MASK_ON tief wird, nie auf.
-
Im Fall eines Kurzschlusses bei VOUT baut sich der Strom des Induktors L, KL·IL, schnell auf und wird der Komparator CP2 ausgelöst, sobald MASK_ON tief wird. Das Signal ILIM_COMP_OUT hoch stellt das Signal ILIM_EVENT hoch ein und OR1 sendet ein Signal STOP aus, das das Signal der Magnetisierung MAG auf '0' zwingt. Außerdem werden die Signale MASK_ON und ILIM_COMP_OUT verwendet, um die Signale SHORTCIRCUIT_STATE und LOOP_CONTROL_EVENT in der Regulierungsschleife einzustellen, wenn ein Kurzschlussereignis detektiert wird. Auf diese Weise werden MASK_ON und ILIM_COMP_OUT verwendet, um ein Kurzschlussereignis in dem Tiefsetzsteller zu detektieren.
-
Wenn ein Kurzschluss detektiert worden ist, schalten viele Systeme den Gleichstrom-Gleichstrom-Tiefsetzsteller für eine gegebene Zeitdauer aus, bevor sie ihn wieder einschalten und prüfen, ob der Kurzschluss noch vorhanden ist. Häufig weist der Tiefsetzsteller ein Pulsauslass- oder Frequenzrückregelungsschema [engl.: frequency fold back scheme] auf. Es besteht aus einem System, das Pulse auslässt, um eine niedrigere Schaltfrequenz zu emulieren. Insbesondere ist es anwendbar, wenn die Ausgangsstromlast sehr gering ist und wenn die Schaltverluste hinsichtlich der Effizienz wesentlich sind. Der PULSE-SKIPPER aus 3 ist z. B. in der verwandten Patentanmeldung Nr. 14/468.588, eingereicht am 26. August 2014, die hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist, beschrieben. Die Pulse-Skipper-Funktion hilft dabei, einen konstanten minimalen Induktorspitzenstrom zu erzeugen, und ist dafür konfiguriert, ein Verfahren zum Auslassen von Pulsen unter Nutzung der Pulsauslassmodulations-Betriebsart (PSM-Betriebsart) bereitzustellen. Der PULSE-SKIPPER umfasst eine Spitzenstromschleife, die dafür konfiguriert ist, ein Verfahren für den automatischen Übergang von der Pulsauslassmodulation in eine Pulsfrequenzmodulation (PFM) bereitzustellen.
-
Im Fall der Detektion eines Kurzschlusses zur Masse tritt der Tiefsetzsteller in die Pulsauslassbetriebsart ein, wobei er PUL-SE_SKIPPED auslöst, um den Induktorspitzenstrom zu begrenzen. Die Schaltfrequenz des Takts würde so eingestellt, dass sichergestellt ist, dass der Spitzenstromgrenzwert nicht zu früh in dem Zyklus erreicht wird. Der Tastgrad D des aktiven Signals kann nicht niedriger als DMIN, der minimal erzielbare Tastgrad, sein.
-
Da DMIN·VIN/L = (1 – DMIN)·RSL·IL/L ist, bedeutet dies IL = D·VIN/(RSL·(1 – D)). Um IL zu verringern und einen außer Kontrolle geratenen Strom zu vermeiden, müsste DMIN verringert werden, so dass D ebenfalls abnehmen kann. DMIN ist durch eine feste Dauer für eine feste Maskierungszeit gegeben, und falls sie durch N, das Frequenzrückregelungsverhältnis, dividiert wird, wird D durch DMIN/N begrenzt. Um IL daraufhin auf ILIM_PEAK zurückzubringen, ist ILIM_PEAK = D·VIN/(RSL·(1 – D)), wobei D = DMIN/N = RSL·ILIM_PEAK/(VIN + ILIM_PEAK·RSL) erhalten wird. KL·IL, wie in 3 gezeigt ist, und RS·IL, wie in 1 gezeigt ist, sind ähnlich, da sie beide eine Abbildung des Induktorstroms IL repräsentieren. Allerdings ist RS·IL eine Spannung und KL·IL ein Strom. KL kann einen Bereich von Werten besitzen. Zum Beispiel ist für KL = 1 und für einen Stromgrenzwert bei 10 A IREF1 = 10 A. Allerdings läge ein bevorzugter Wert von KL in dem Bereich von 1/10000, um den Wert von IREF1 zu verringern, um die Effizienz zu verbessern.
-
Die Idee des PULSE-SKIPPER ist es, zu detektieren, wenn der Tastgrad entweder kürzer als DMIN/N sein soll oder wenn detektiert wird, dass er länger als DMIN/N ist. N wird dann so reguliert, dass er am Rand dieser zwei Bedingungen bleibt, damit der Tastgrad an DMIN/N anliegt. Zu diesem Zweck werden beide Signale MASK_ON und ILIM_COMP_OUT verwendet. Falls ILIM_COMP_OUT hoch ist, wenn MASK_ON tief wird, wird die Schaltfrequenz verringert, wird ein Puls übersprungen und ist PULSE_SKIPPED = 1. Im Gegensatz dazu wird die Schaltfrequenz erhöht und kein Puls übersprungen und ist PULSE_SKIPPED = 0, falls ILIM_COMP_OUT tief ist, wenn MASK_ON tief wird. Um zu vermeiden, dass wegen des Spannungseinschwingens des Knotens LX und der Referenzausregelung irgendein Fehlauslöseereignis auftritt, wird die Ausgabe des Komparators maskiert. Das Verlassen des Kurzschlusszustands würde natürlich geschehen. Tatsächlich wird der Kurzschluss als beendet angesehen, falls die Schaltfrequenz für mehr als eine vorgegebene Menge von Taktzyklen wieder normal ist.
-
4 ist ein Zeitablaufplan, der die Detektion des Kurzschlussschutzes in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Während des Zyklus 0 wird VOUT nahe seiner durch VREF definierten Zielspannung ausgeregelt und wird VEA ebenfalls ausgeregelt. IL nimmt mit einer Rate von (–VOUT/L) für die Entmagnetisierungsphase ab. Es gibt kein Kurzschlussereignis, SHORTCIRCUIT_EVENT = 0, und keinen übersprungenen Puls, PULSE_SKIPPED = 0.
-
Während des Zyklus 1 kommt CLK (= CLK_PWM, da kein Puls übersprungen wird) herauf, was MAG auslöst. VOUT bleibt um ihr erwartetes Ziel und VEA bleibt konstant. IL nimmt für die Magnetisierungsphase mit einer Rate von (VIN – VOUT)/L zu. MASK_ON kommt herauf und daraufhin herab und IL_COMP_OUT bleibt tief, da IL < ILIM_PEAK ist. Bei annähernd 75 % der durch CLK_PWM eingestellten Taktperiode geht MAG herunter, was den Tiefsetzsteller in die Entmagnetisierungsphase zwingt. Für die Entmagnetisierungsphase nimmt IL mit einer Rate von (–VOUT/L) ab. Es gibt kein Kurzschlussereignis, SHORTCIRCUIT_EVENT = 0, und es wird kein Puls übersprungen, PULSE_SKIPPED = 0.
-
Während des Zyklus 2 kommt CLK (= CLK_PWM, da kein Puls übersprungen wird) herauf, was MAG auslöst. VOUT bleibt um ihr erwartetes Ziel, so dass VEA konstant bleibt. Für die Magnetisierungsphase nimmt IL mit einer Rate von (VIN – VOUT)/L zu. MASK_ON kommt herauf und daraufhin herunter und IL_COMP_OUT bleibt tief, da IL < ILIM_PEAK ist. Bei annähernd 75 % der durch CLK_PWM eingestellten Periode kommt MAG herunter, was den Tiefsetzsteller in die Entmagnetisierungsphase zwingt. Für die Entmagnetisierungsphase nimmt IL mit einer Rate von (–VOUT/L) ab. Plötzlich, z. B. gegen Ende des Zyklus 2, tritt bei VOUT ein Kurzschluss auf und fällt VOUT auf einen Wert VSHORT = 0 V. Dies hat eine direkte Wirkung auf VEA, die mit einer durch die Schleifenbandbreite eingestellten Rate langsam zuzunehmen beginnt. Der Tiefsetzsteller bleibt mit einer Rate von (–VOUT)/L = (–VSL)/L mit VSHORT ~ = 0 V in der Entmagnetisierungsphase. Es gibt lediglich eine stetige Entmagnetisierung und der Pegel des Stroms IL nimmt sehr langsam ab.
-
Während des Zyklus 3 kommt CLK (= CLK_PWM, da kein Puls übersprungen wird) herauf, was MAG auslöst. VOUT bleibt kurzgeschlossen und VEA hat sich drastisch erhöht. IL ist recht hoch geblieben, da es während der vorhergehenden Entmagnetisierungsphase nahezu keine Entmagnetisierung des Induktors gegeben hat. IL nimmt mit einer Rate von (VIN – VOUT)/L zu und nähert sich VIN/L an. MASK_ON kommt herauf und daraufhin herunter und IL_COMP_OUT bleibt tief, da IL < ILIM_PEAK ist. Wegen der hohen Rate, mit der der Induktor magnetisiert wird, ist sehr schnell IL = ILIM_PEAK. Folglich wird ILIM_COMP_OUT hoch und hält die Magnetisierung wegen der internen Verzögerungen innerhalb der Schaltungssteuerungen etwas über ILIM_PEAK an. Die Entmagnetisierung beginnt und wie im Zyklus 2 nimmt IL sehr langsam ab.
-
Während des Zyklus 4 kommt CLK (= CLK_PWM, da kein Puls übersprungen wird) herauf, was MAG auslöst. VOUT bleibt kurzgeschlossen und VEA hat ihr Maximum VEA_MAX erreicht. IL ist recht hoch geblieben, da es während der vorhergehenden Entmagnetisierungsphase nahezu keine Entmagnetisierung des Induktors gab. IL nimmt mit einer Rate von (VIN – VOUT)/L zu und nähert sich VIN/L an. IL wird in wenigen Nanosekunden größer als ILIM_PEAK. MASK_ON kommt mit CLK_PWM herauf und wird daraufhin tief. Während MASK_ON tief wird, hat IL_COMP_OUT wegen IL > ILIM_PEAK bereits hoch ausgelöst. IL_COMP_OUT hält die Magnetisierung an und kurz darauf beginnt die Entmagnetisierung. ILIM_COMP_OUT, das hoch ist, wenn MASK_ON tief wird, löst SHORTCIRCUIT_EVENT und SHORTCIRCUIT_STATE hoch aus. Da sowohl SHORTCIRCUIT_EVENT als auch SHORTCIRCUIT_STATE hoch sind, wird der Pulse-Skipper freigegeben. CLK_PWM wird tief, was veranlasst, dass PULSE_SKIPPED programmiert, dass das nächste Mal, wenn CLK heraufkommt, 1 Puls übersprungen wird.
-
5 ist ein Stromlaufplan zum Erzeugen von Signalen auf der Grundlage eines Kurzschlussschutzereignisses und Kurzschlussschutzzustands in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Falls der Induktorstrom IL größer als sein Spitzengrenzwert ILIM_PEAK ist, wird IL_COMP_OUT hoch ausgelöst. Wenn die Eingabe IL_COMP_OUT hoch ist und die Eingabe MASK_ON tief ist und durch Invertierer 520 invertiert wird, stellt das Flipflop DFFA SHORTCIRCUIT_EVENT auf hoch ein. SHORTCIRCUIT_EVENT hoch stellt wiederum mittels des Zählers COUNTERA und des Flipflops RSA SHORTCIRCUIT_STATE hoch ein, was die Magnetisierung anhält, in den Kurzschlussdetektionssteuerungen des Tiefsetzstellers. Wenn sowohl SHORTCIRCUIT_EVENT als auch SHORTCIRCUIT_STATE hoch sind, wird der Pulse-Skipper in den Überstrombegrenzungssteuerungen des Tiefsetzstellers freigegeben.
-
6 ist ein Zeitablaufplan, der eine Überstrombegrenzung und ein Pulsauslassen während des Kurzschlussschutzes darstellt. Während des Zyklus 5 kommt CLK herauf, während CLK_PWM im Ergebnis von PULSE_SKIPPED = 1 tief bleibt. Der Tiefsetzsteller bleibt in der Entmagnetisierung mit MAG tief, bis CLK in dem nächsten Zyklus wieder heraufkommt. IL nimmt etwas weiter, unter ILIM_PEAK, ab, um hoffentlich anzuhalten, dass ILIM_COMP_OUT hoch wird, wenn MASK_ON tief ist. Falls ILIM_COMP_OUT nicht tief bleibt, wird PULSE_SKIPPED inkrementiert und werden nun 2 Pulse anstelle von 1 übersprungen.
-
Während des Zyklus 6 kommt CLK (= CLK_PWM, da kein Puls übersprungen wird) herauf, was MAG auslöst. VOUT bleibt kurzgeschlossen und VEA bleibt auf ihrem Maximum VEA_MAX. IL ist recht hoch geblieben, da es während der vorhergehenden Entmagnetisierungsphase nahezu keine Entmagnetisierung des Induktors gab. IL hat mit einer Rate von (VIN – VOUT)/L zugenommen, nähert sich VIN/L·IL und wird in wenigen Nanosekunden größer als ILIM_PEAK. MASK_ON kommt mit CLK_PWM herauf und wird daraufhin tief. Während MASK_ON tief wird, hat IL_COMP_OUT wegen IL > ILIM_PEAK bereits ausgelöst. IL_COMP_OUT hält die Magnetisierung an und kurz danach beginnt die Entmagnetisierung, wobei MAG tief wird. Dass ILIM_COMP_OUT hoch ist, wenn MASK_ON tief wird, löst SHORTCIRCUIT_EVENT und SHORTCIRCUIT_STATE hoch aus. Dass CLK_PWM tief wird, veranlasst, dass PULSE_SKIPPED programmiert, dass das nächste Mal, wenn CLK heraufkommt, 2 Pulse übersprungen werden.
-
Während der Zyklen 7 und 8 kommt CLK herauf, während CLK_PWM tief bleibt. Der Tiefsetzsteller bleibt in der Entmagnetisierung mit MAG tief, bis CLK (und CLK_PWM) wieder hoch werden. Der Pulse-Skipper spielt seine Rolle und PULSE_SKIPPED lässt IL etwas weiter abnehmen, damit es hoffentlich verhindert, dass ILIM_COMP_OUT hoch wird, wenn MASK_ON tief wird. Wenn dies nicht geschieht, wird PULSE_SKIPPED inkrementiert und werden das nächste Mal, wenn CLK heraufkommt, 3 Pulse übersprungen.
-
Während des Zyklus 9 kommt CLK (= CLK_PWM, da kein Puls übersprungen wird) hoch, was MAG auslöst. VOUT bleibt kurzgeschlossen und VEA bleibt auf ihrem Maximum VEA_MAX. IL ist recht hoch geblieben, da es nahezu keine Entmagnetisierung des Induktors gab. IL nimmt mit einer Rate von (VIN – VOUT)/L zu und nähert sich VIN/L an. IL wird in wenigen Nanosekunden größer als ILIM_PEAK. MASK_ON kommt mit CLK_PWM herauf und wird daraufhin tief. Während MASK_ON tief wird, hat IL_COMP_OUT wegen IL < ILIM_PEAK nicht hoch ausgelöst und wird SHORTCIRCUIT_EVENT tief. Während dies geschieht, wird der Zähler um 1 dekrementiert und bleibt SHORTCIRCUIT_STATE hoch, bis der Zähler 0 erreicht hat. Wenn IL größer als ILIM_PEAK wird, kommt IL_COMP_OUT herauf. IL_COMP_OUT hält die Magnetisierung an und kurz darauf beginnt die Entmagnetisierung, wobei MAG tief wird. Dass CLK_PWM tief wird, veranlasst, dass PULSE_SKIPPED programmiert, dass das nächste Mal, wenn CLK heraufkommt, 1 Puls übersprungen wird.
-
Während des Zyklus 10 kommt CLK herauf, während CLK_PWM tief bleibt. Der Tiefsetzsteller bleibt in der Entmagnetisierung, wobei MAG tief ist, bis CLK wieder heraufkommt. Der Pulse-Skipper spielt seine Rolle und PULSE_SKIPPED lässt IL etwas weiter abnehmen, um hoffentlich zu verhindern, dass ILIM_COMP_OUT hoch wird, wenn MASK_ON tief wird. Wenn dies nicht geschieht, wird PULSE_SKIPPED inkrementiert und werden das nächste Mal, wenn CLK heraufkommt, 2 Pulse übersprungen.
-
Während des Zyklus 11 kommt CLK (= CLK_PWM, da kein Puls übersprungen wird) herauf, was MAG auslöst. VOUT bleibt kurzgeschlossen und VEA bleibt auf seinem Maximum, VEA_MAX. Da es nahezu keine Entmagnetisierung des Induktors gab, ist IL recht hoch geblieben. IL nimmt mit einer Rate von (VIN – VOUT)/L zu und nähert sich VIN/L an. IL wird in wenigen Nanosekunden größer als ILIM_PEAK. MASK_ON kommt mit CLK_PWM herauf und wird daraufhin tief. Während MASK_ON tief wird, hat IL_COMP_OUT wegen IL < ILIM_PEAK nicht hoch ausgelöst. Wenn IL größer als ILIM_PEAK wird, wird IL_COMP_OUT hoch. IL_COMP_OUT hält die Magnetisierung an und kurz darauf beginnt die Entmagnetisierung, wobei MAG tief wird. Dass CLK_PWM tief wird, veranlasst, dass PULSE_SKIPPED programmiert, dass das nächste Mal, wenn CLK heraufkommt, 0 Pulse übersprungen werden.
-
Während des Zyklus 12 kommt CLK (= CLK_PWM, da kein Puls übersprungen wird) hoch, was MAG auslöst. VOUT bleibt kurzgeschlossen und VEA bleibt auf ihrem Maximum, VEA_MAX. Da es nahezu keine Entmagnetisierung des Induktors gab, ist IL recht hoch geblieben. IL nimmt mit einer Rate von (VIN – VOUT)/L zu und nähert sich VIN/L an. IL wird in wenigen Nanosekunden größer als ILIM_PEAK. MASK_ON kommt mit CLK_PWM herauf und wird daraufhin tief. Während MASK_ON tief wird, hat IL_COMP_OUT wegen IL > ILIM_PEAK bereits ausgelöst. IL_COMP_OUT hält die Magnetisierung an und kurz darauf beginnt die Entmagnetisierung, wobei MAG tief wird. Dass ILIM_COMP_OUT hoch ist, wenn MASK_ON tief wird, löst SHORTCIRCUIT_EVENT und SHORTCIRCUIT_STATE hoch aus. Dass CLK_PWM tief wird, veranlasst, dass PULSE_SKIPPED programmiert, dass das nächste Mal, wenn CLK heraufkommt, 1 Puls übersprungen wird.
-
Während des Zyklus 13 wird CLK hoch, während CLK_PWM tief bleibt. Der Tiefsetzsteller bleibt in der Entmagnetisierung, wobei MAG tief ist, bis CLK wieder heraufkommt. Der Pulse-Skipper spielt seine Rolle und PULSE_SKIPPED lässt IL etwas weiter abnehmen, um hoffentlich zu verhindern, dass ILIM_COMP_OUT hoch wird, wenn MASK_ON tief wird. Falls dies nicht geschieht, wird PULSE_SKIPPED inkrementiert und werden das nächste Mal, wenn CLK heraufkommt, 2 Pulse übersprungen. Falls der Kurzschluss während der Entmagnetisierungsphase gelöst oder angehalten wird, bleibt VOUT tief, da es keinen Strom von dem Tiefsetzsteller gibt, um sie zu laden.
-
Der allgemeine Eindruck aus 6 ist, dass der Tiefsetzsteller in der Offenbarung selbstregulierend ist, so dass IL < ILIM_PEAK ist. Eine Art Hysteresebetriebsart regelt mit einem Muster von N bis zu N + 2 auszulassenden Pulsen, das in Abhängigkeit von den Zuständen von SHORTCIRCUIT_EVENT, SHORTCIRCUIT_STATE und CLK_PWM durch PULSE_SKIPPED eingestellt wird, aus. Dieses Verfahren verwendet vorhandene analoge Schaltungen wieder, um einen Überstromschutz zu erzeugen. Um das Überstrompulsauslassen und die Überstrompulswiederherstellung zu behandeln, ist nur eine kleine Menge zusätzlicher digitaler Logik erforderlich.
-
7 zeigt einen Ablaufplan eines offenbarten Verfahrens für den Kurzschlussschutz. Das Verfahren für den Kurzschlussschutz weist in 701 die Vorkehrung zum Vergleichen eines Induktorstroms mit einem Stromgrenzwert und in 702 zum Maskieren der Ausgabe eines Überstromkomparators für eine Zeitdauer auf. Außerdem weist das Verfahren für den Kurzschlussschutz in 703 die Vorkehrung zum Detektieren eines Kurzschlussereignisses, falls die Ausgabe des Überstromkomparators nach der Zeitdauer eine Kurzschlussbedingung angibt, und in 704 zum Auslassen eines oder mehrerer Pulse während der Überstrombedingung auf.
-
Die obige Offenbarung könnte auf andere Arten von Schaltwandlern wie etwa Hochsetzsteller, Tiefsetz-Hochsetz-Steller, massebezogene Primärinduktorwandler (SEPIC) oder Cuk-Wandler, falls der Wandler unter Verwendung einer Stromschleifen-Betriebsartsteuerung betrieben wird, anwendbar sein.
-
Vorteile
-
Die Vorteile einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten, dass ein Tiefsetzsteller vorhandene Schaltungen verwendet, um einen wirksamen Kurzschluss-/Überstromschutz zu implementieren. Im Fall der Strombetriebsart-Schleifenregelung sind keine zusätzlichen Schutzschaltungen notwendig. Die vorliegende Offenbarung schafft im Vergleich zu zuvor bekannten Techniken einen niedrigeren Stromgrenzwert, ein schnelleres Ansprechen und einen natürlichen Soft-Neustart von einem Überstrom wegen eines Kurzschlusses. Es besteht keine Notwendigkeit, den Tiefsetzsteller im Fall eines Kurzschlusses auszuschalten, wobei er sich selbst unter einen akzeptablen maximalen Spitzenstrom reguliert.
-
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben worden sind, versteht der Fachmann auf dem Gebiet, dass an der Form und an Einzelheiten verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen.
