DE102017210507B4

DE102017210507B4 - Spitzenstromsteuerung für einen Leistungsschalter eines Leistungswandlers

Info

Publication number: DE102017210507B4
Application number: DE102017210507.0A
Authority: DE
Inventors: Ivan Muhoberac; Frank Trautmann
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2037-06-23
Also published as: US10530255B2; DE102017210507A1; US20180375435A1

Abstract

Es wird eine Steuerschaltung (200) zum Steuern des Arbeitszyklus (256) eines Magnetisierungsschalters (112) eines Leistungswandlers (100) beschrieben, der auch einen Entmagnetisierungsschalter (111) aufweist. Der Magnetisierungsschalter (112) und der Entmagnetisierungsschalter (111) werden innerhalb einer Sequenz von Kommutierungszyklen (401, 402, 403) in gegenseitig ausschließender Weise eingeschaltet. Die Steuerschaltung (200) ist konfiguriert, innerhalb eines Kommutierungszyklus (403) aus der Sequenz von Kommutierungszyklen (401, 402, 403), zum Bestimmen eines erfassten Stromsignals (160), das einen Strom durch den Magnetisierungsschalter (112) angibt; zum Bestimmen eines Rampensignals (155) durch Hinzufügen eines Steigungskompensationssignals (360) zu dem erfassten Stromsignal (160); zum Bestimmen eines Schwellensignals (153); und zum Bestimmen eines Arbeitszyklus (256) für den Magnetisierungsschalter (112) für den Kommutierungszyklus (403) durch Vergleichen des Rampensignals (155) mit dem Schwellensignal (153). Das Schwellensignal (153) und/oder das Steigungskompensationssignal (360) hängen von dem Arbeitszyklus (256) für den Magnetisierungsschalter (112) eines vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) aus der Sequenz von Kommutierungszyklen (401, 402, 403) ab.

Description

Technischer Bereich
Das vorliegende Dokument betrifft die Steuerung eines Leistungsschalters eines Leistungswandlers, insbesondere eines Leistungsschalters eines Schaltmodus-Leistungswandlers.
Hintergrund
Ein Schaltmodus-Leistungswandler umfasst typischerweise einen hochseitigen (HS - high side) Schalter und einen niedrigseitigen (LS - low side) Schalter, die in Serie zwischen einem HS-Potential und einem LS-Potential angeordnet sind. Der HS-Schalter und der LS-Schalter sind in einer gegenseitig ausschließenden Weise geschlossen, um den Mittelpunkt zwischen dem HS-Schalter und dem LS-Schalter auf die HS-Spannung oder die LS-Spannung auf eine sich gegenseitig ausschließende Weise zu koppeln.
Der Arbeitszyklus des HS-Schalters kann ausgebildet sein zum Regeln der Ausgangsspannung des Leistungswandlers in Übereinstimmung mit einer Sollspannung. In einem sogenannten Spitzenstrommodus kann der Arbeitszyklus in Abhängigkeit von dem Strom durch den HS-Schalter gesteuert werden (der typischerweise dem Strom durch einen Induktor des Leistungswandlers entspricht).
Das vorliegende Dokument adressiert das technische Problem einer Verbesserung der Qualität und der Genauigkeit eines Strommodussteuerung(CMC - current mode control)-Schemas für einen Leistungsschalter, insbesondere für einen Leistungsschalter eines Schaltmodus-Leistungswandlers.
Die US 2014 / 0 306 680 A1 behandelt eine Autotuninganordnung für einen externen Rampengenerator zur Stabilisierung einer Stromsteuerung für einen Schaltwandler.
In der US 2011 / 0 115 458 A1 geht es um digitale Steigungskompensation zur Strommodussteuerung.
Die US 2016 / 0 006 336 A1 beschreibt einen DC-DC-Wandler und eine Pulsbreitenmodulationssteuerung mit einer Schaltung für adaptive Kompensation.
In der US 2009 / 0 174 379 A1 wird ein DC-DC-Wandler offenbart.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt wird eine Steuerschaltung zum Steuern des Arbeitszyklus eines Magnetisierungsschalters (z.B. eines hochseitigen Schalters) eines Leistungswandlers beschrieben, der auch einen Entmagnetisierungsschalter (z.B. niedrigseitigen Schalter) aufweist. Der Magnetisierungsschalter und der Entmagnetisierungsschalter werden innerhalb einer Sequenz von Kommutierungszyklen in gegenseitig ausschließender Weise eingeschaltet. Die Steuerschaltung ist konfiguriert zum Bestimmen, innerhalb eines Kommutierungszyklus aus der Sequenz von Kommutierungszyklen, eines erfassten Stromsignals, das einen Strom durch den Magnetisierungsschalter angibt; zum Bestimmen eines Rampensignals durch Hinzufügen eines Neigungs- bzw. Steigungskompensationssignals zu dem erfassten Stromsignal; zum Bestimmen eines Schwellensignals; und zum Bestimmen eines Arbeitszyklus für den Magnetisierungsschalter für den Kommutierungszyklus durch Vergleichen des Rampensignals mit dem Schwellensignal. Das Schwellensignal und/oder das Steigungskompensationssignal hängen von dem Arbeitszyklus für den Magnetisierungsschalter eines vorhergehenden Kommutierungszyklus aus der Sequenz von Kommutierungszyklen ab.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren vorgesehen zum Steuern des Arbeitszyklus eines Magnetisierungsschalters eines Leistungswandlers, der auch einen Entmagnetisierungsschalter aufweist. Das Verfahren weist auf, innerhalb eines Kommutierungszyklus aus der Sequenz von Kommutierungszyklen, ein Bestimmen eines erfassten Stromsignals, das einen Strom durch den Magnetisierungsschalter angibt; Bestimmen eines Rampensignals durch Hinzufügen eines Steigungskompensationssignals zu dem erfassten Stromsignal; Bestimmen eines Schwellensignals; und Bestimmen eines Arbeitszyklus für den Magnetisierungsschalter für den Kommutierungszyklus durch Vergleichen des Rampensignals mit dem Schwellensignal. Das Schwellensignal und/oder das Steigungskompensationssignal hängen von dem Arbeitszyklus für den Magnetisierungsschalter eines vorhergehenden Kommutierungszyklus aus der Sequenz von Kommutierungszyklen ab.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Softwareprogramm beschrieben. Das Softwareprogramm kann ausgebildet sein zur Ausführung auf einem Prozessor und zur Durchführung der in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Verfahrensschritte, wenn auf dem Prozessor ausgeführt.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein Softwareprogramm aufweisen, das ausgebildet ist zur Ausführung auf einem Prozessor und zur Durchführung der in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Verfahrensschritte, wenn auf dem Prozessor ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt beschrieben. Das Computerprogramm kann ausführbare Anweisungen zum Ausführen der in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Verfahrensschritte aufweisen, wenn auf einem Computer ausgeführt.
Es sollte angemerkt werden, dass die Verfahren und Systeme, einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele, wie in dem vorliegenden Dokument dargelegt, eigenständig oder in Kombination mit den anderen in diesem Dokument offenbarten Verfahren und Systemen verwendet werden können. Weiter können alle Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren und Systeme beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche beliebig miteinander kombiniert werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei

1 ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften DC-DC-Leistungswandlers mit einer PWM-gesteuerten Schleife zeigt;
2 einen Leistungswandler mit einer Arbeitszyklus-Rückkopplung zeigt;
3 die Erzeugung eines PWM-Signals zur Bestimmung des Arbeitszyklus eines Magnetisierungsschalters (z.B. hochseitigen Schalters) zeigt;
4 Messsignale eines Regelkreises zeigt, der eine Arbeitszyklus-Rückkopplung aufweist; und
5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Anpassen des Arbeitszyklus eines Leistungsschalters eines Schaltmodus-Leistungswandlers zeigt.

Detaillierte Beschreibung
Wie oben angegeben, betrifft das vorliegende Dokument ein Vorsehen eines verbesserten Strommodus-Steuerschemas für einen Schaltmodus-Leistungswandler. In diesem Kontext zeigt 1 ein System 100 (insbesondere einen geregelten Schaltmodus-Leistungswandler 100), der einen Buck- bzw. Abwärtswandler 110 aufweist, wobei das System 100 eine PWM-gesteuerte Schleife zum Einstellen der Schaltzeiten und/oder der Arbeitszyklen der Leistungsschalter 111, 112 des Abwärtswandlers 110 aufweist. Es sollte angemerkt werden, dass, obwohl die folgenden Aspekte in dem Kontext eines Abwärtswandlers 110 beschrieben sind, die Aspekte auch auf andere Schaltmodus-Leistungswandler und/oder DCzu-DC-Leistungswandler anwendbar sind, z.B. auf andere DC-zu-DC-Abwärtswandler oder DC-DC-Aufwärtswandler, und auf andere Systeme 100, die eine serielle Anordnung oder Halbbrücke von Schaltern 111, 112 aufweisen, die periodisch auf gegenseitig ausschließende Weise geschlossen werden.
Die folgenden Aspekte werden in dem Kontext eines hochseitigen Schalters 112 und eines niedrigseitigen Schalters 111 eines Abwärtswandlers diskutiert. Der hochseitige Schalter 112 kann verwendet werden zum Magnetisieren des Induktors 113 des Abwärtswandlers und kann daher allgemeiner als ein Magnetisierungsschalter bezeichnet werden. Andererseits kann der niedrigseitige Schalter 112 verwendet werden zum Entmagnetisieren des Induktors 113 des Abwärtswandlers und kann daher allgemeiner als ein Entmagnetisierungsschalter bezeichnet werden. Der Magnetisierungsschalter 112 und der Entmagnetisierungsschalter 111 können in Serie angeordnet sein. Ein Mittelpunkt zwischen dem Magnetisierungsschalter 112 und dem Entmagnetisierungsschalter 111 kann mit dem Induktor 113 gekoppelt sein. Die folgenden für einen hochseitigen Schalter 112 beschriebenen Aspekte sind auch auf einen Magnetisierungsschalter im Allgemeinen anwendbar. Weiter sind die folgenden für einen niedrigseitigen Schalter 111 beschriebenen Aspekte auch auf einen Entmagnetisierungsschalter allgemein anwendbar.
Der Magnetisierungsschalter 112 kann ein hochseitiger Schalter sein (z.B. innerhalb eines Abwärtswandlers) oder kann ein niedrigseitiger Schalter sein (z.B. innerhalb eines Boost- bzw. Aufwärtswandlers). Andererseits kann der Entmagnetisierungsschalter 112 ein niedrigseitiger Schalter sein (z.B. innerhalb eines Abwärtswandlers) oder kann ein hochseitiger Schalter sein (z.B. innerhalb eines Aufwärtswandlers). Der Entmagnetisierungsschalter 112 kann ein passiver Schalter sein, wie eine Diode. Die Schalter 112, 111 können auf Metalloxidhalbleiter (MOS - metaloxide semiconductor) basierende Schalter (z.B. Transistoren) sein.
Die folgenden Aspekte werden für eine Halbbrücke beschrieben. Es sollte angemerkt werden, dass die folgenden Aspekte auf jede serielle Anordnung eines Magnetisierungsschalters 112 und eines Entmagnetisierungsschalters 111 anwendbar sind (z.B. innerhalb einer Halbbrücke oder innerhalb einer Vollbrücke).
Der Abwärtswandler 110 weist einen hochseitigen (HS - high side) Schalter 112 (z.B. einen PMOS-Transistor) und einen niedrigseitigen (LS - low side) Schalter 111 (z.B. einen NMOS-Transistor) sowie eine Induktor 113 und einen Kondensator 114 auf. Der Arbeitszyklus des Abwärtswandlers 110 (d.h. der Arbeitszyklus des hochseitigen Schalters 112) wird über eine Rückkopplungsspannung V_fb 151 gesteuert, die gleich (oder proportional zu) der Ausgangsspannung Vout 150 ist. Die Rückkopplungsspannung 151 kann von der Ausgangsspannung 150 unter Verwendung eines Spannungsteilers (in 1 nicht gezeigt) abgeleitet werden. Die Rückkopplungsspannung V_fb 151 wird mit einer Sollspannung 152 unter Verwendung z.B. eines Fehlerverstärkers 119 verglichen, wodurch eine (kumulierte oder integrierte) Fehlerspannung V_error 153 vorgesehen wird (hier auch als eine Schwellenspannung oder ein Schwellensignal bezeichnet). In einem stabilen Betrieb, wenn die Ausgangsspannung Vout 150 der gewünschten Ausgangsspannung des Systems 100 entspricht, sollte die Fehlerspannung V_error 153 ungefähr null sein oder einen vorgegebenen Standardfehlerwert annehmen, der unter Verwendung der Sollspannung 152 abgestimmt werden kann. In dem Fall von Lasttransienten kann jedoch die Ausgangsspannung Vout 150 abfallen oder einen Spitzenwert annehmen, wodurch verursacht wird, dass die Fehlerspannung V_error 153 Absolutwerte annimmt, die größer als Null oder kleiner als Null sind.
Die Fehlerspannung V_error 153 kann verwendet werden, um die Ausgangsspannung Vout 150 zu regeln, die durch das System 100 vorgesehen wird. Die Regelung der Ausgangsspannung Vout 150 kann durch Steuern des Arbeitszyklus des hochseitigen Schalters 112 erreicht werden. Dieser Arbeitszyklus kann unter Verwendung der Fehlerspannung V_error 153 gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Fehlerspannung V_error 153 mit einer Sägezahnspannung 155 (hier auch als Rampensignal bezeichnet) mit einer vorgegebenen Zykluslänge verglichen werden. Die Zykluslänge entspricht typischerweise der Länge des Kommutierungszyklus des Abwärtswandlers 110 (d.h. die kombinierte Länge eines Ein-Zustands und eines nachfolgenden Aus-Zustands des hochseitigen Schalters 112). Die Sägezahnspannung 155 hat typischerweise eine maximale Spannung V_saw an der Spitze jedes Sägezahns. Die Sägezahnspannung 155 wird unter Verwendung des Komparators 118 (z.B. eines Hysterese-Komparators) mit der Fehlerspannung V_error 153 verglichen, wodurch ein pulsbreitenmoduliertes (PWM - pulse width modulated) Steuersignal 156 erzeugt wird, das negativ (oder null) ist, wenn die Sägezahnspannung 155 größer ist als V_error 153, und das positiv ist, wenn die Sägezahnspannung 155 kleiner als V_error 153 ist. Der Übergang von negativ zu positiv (d.h. eine Flanke des PWM-Steuersignals 156) kann als Auslöser für den Arbeitszyklus verwendet werden. Insbesondere kann das durch den Komparator 118 erzeugte PWM(pulsbreitenmodulierte)-Steuersignal 156 von der Buck- bzw. Abwärts-Steuereinheit 115 verwendet werden, um die Treibersignale für den hochseitigen Schalter 112 und für den niedrigseitigen Schalter 111 des Abwärtswandlers 110 zu erzeugen. Der Regler kann durch Auswählen der maximalen Spannung V_saw der Sägezahnspannung 155 (und/oder der Steigung der Sägezähne) und der Sollspannung Vref 152 basierend auf der Eingangsspannung Vin 154 und der gewünschten Ausgangsspannung 150 abgestimmt werden.
Die Regelung des Arbeitszyklus des Abwärtswandlers 110 kann verbessert werden, indem auch der Induktorstrom, d.h. der Strom durch den Induktor 113 des Abwärtswandlers 110, berücksichtigt wird. Zu diesem Zweck kann das System 100 eine Stromerfassungseinrichtung 120 aufweisen zum Erfassen des Stroms durch den hochseitigen Schalter 112 (der dem Induktorstrom entspricht, wenn der hochseitige Schalter 112 in dem Ein-Zustand ist). Die Stromerfassungseinrichtung 120 kann z.B. als ein Stromspiegel implementiert sein, der den Strom durch den hochseitigen Schalter 112 spiegelt und möglicherweise verstärkt. Der erfasste Strom I_sns 160 (hier auch als das erfasste Stromsignal bezeichnet), der durch die Stromerfassungseinrichtung 120 vorgesehen wird, ist daher typischerweise proportional (oder gleich) zu dem Strom durch den hochseitigen Schalter 112 (und zu dem Strom durch den Induktor 113, wenn der hochseitige Schalter in seinem Ein-Zustand ist). Bei einem Arbeitszyklus von 100% des Abwärtswandlers 110 und in einem stabilen Betrieb ist der Strom durch den hochseitigen Schalter 112 typischerweise konstant und entspricht der Eingangsspannung V_in 154 geteilt durch die Impedanz der Last 201 des Systems 100.
Der erfasste Strom I_sns 160 kann in der Additionseinheit 117 zu einem Sägezahnsignal (hier auch als ein Steigungskompensationssignal bezeichnet) mit der Zykluslänge des Abwärtswandlers 110 hinzugefügt werden. Die Additionseinheit 117 kann weiter die Summe des Sägezahnsignals und des erfassten Stroms Isns 160 in die Sägezahnspannung V_isns 155 umwandeln (d.h. das Rampensignal). Das Sägezahnsignal kann durch einen Sägezahngenerator 116 erzeugt werden (der zum Beispiel einen Schalter (z.B. einen Transistor) parallel zu einem Kondensator aufweist). Insgesamt sehen der Sägezahngenerator 116 und die Additionseinheit 117 die Sägezahnspannung Visns 155 vor, die ein periodisches Sägezahnsignal (erzeugt durch den Sägezahngenerator 116) aufweist, das um eine Spannung versetzt ist, die von dem erfassten Strom Isns 160 abgeleitet ist. Wie oben angegeben, ist Isns 160 ein konstanter Strom in dem Fall eines stabilen Betriebs des Abwärtswandlers 110 bei einem Arbeitszyklus von 100%. In solchen Fällen entspricht die Sägezahnspannung Visns 155 dem periodischen Sägezahnsignal, das um eine konstante Spannung versetzt ist, die von dem konstanten Strom Isns 160 abgeleitet wird. Bei einem Arbeitszyklus von weniger als 100% ist der erfasste Strom Isns 160 null, wenn der hochseitige Schalter 112 in dem AusZustand ist, und hat eine sägezahnartig ansteigende Form, wenn der hochseitige Schalter 112 in dem Ein-Zustand ist. Die sägezahnartig ansteigende Form des Erfassungsstroms I_sns 160 während des Ein-Zustands des hochseitigen Schalters 112 resultiert aus den Stromdrosselungseigenschaften des Induktors 113. Daher wird in Fällen eines Arbeitszyklus von weniger als 100% die Sägezahnspannung V_isns 155 (d.h. das Rampensignal) als eine Überlagerung des periodischen Sägezahnsignals und einer intermittierenden sägezahnförmigen Spannung erlangt, die von dem erfassten Strom Isns 160 abgeleitet wird. Dies wird in 3 gezeigt, die die Sägezahnspannung Visns oder das RAMP-Signal 155 als eine Summe des erfassten Stroms Isns oder I_L 160 und des periodischen Sägezahnsignals SC 360 zeigt.
In dem System 100 von 1 wird die Sägezahnspannung Visns 155 mit der Fehlerspannung V_error 153 verglichen, um das pulsbreitenmodulierte (PWM) Steuersignal 156 für den Treiber und die Steuervorrichtung 115 des Abwärtswandlers 110 zu erzeugen. Wie in 3 gezeigt, zeigt das PWM-Steuersignal 156 eine Flanke, wenn die Sägezahnspannung 155 die Fehlerspannung ERR 153 erreicht und/oder übersteigt.
In dem Kontext eines Stromsteuermodus (CMC - current control mode) ist es wünschenswert, den Strom durch den HS-Schalter 112 und/oder durch den Induktor 113 zu steuern. Insbesondere kann es wünschenswert sein, einen Sollspitzenstrom für den Strom durch den HS-Schalter 112 zu setzen und das System 100 derart zu steuern, dass der maximale Strom durch den HS-Schalter 112 dem Sollspitzenstrom entspricht.
Aufgrund der Tatsache, dass der erfasste Strom 160 (d.h. allgemeiner ein erfasstes Stromsignal) mit einem Sägezahnstrom 360 (d.h. allgemeiner mit einem Steigungskompensationssignal) kombiniert wird, kann das System 100 von 1 möglicherweise nicht in der Lage sein, einen vorgegebenen Sollspitzenstrom zu setzen. Wie in 3 gezeigt, kann das RAMP-Signal 155 ausgehend von einer stabilen (kompensierten) Stromschleife in ein eindeutig definiertes und gesteuertes Steigungskompensationssignal 360 und das erfasste Stromsignal I_L 160 aufgeteilt werden. Wenn das RAMP-Signal 155 das ERR-Signal 153 erreicht hat oder dieses übersteigt, schaltet der PWM-Komparator 118 und sieht dadurch ein PWM-Steuersignal 156 zum Steuern der Leistungsschalter 111, 112 vor. Die Steuereinheit 115 kann konfiguriert sein zum Bestimmen des Arbeitszyklus basierend auf dem PWM-Steuersignal 156.
Das System 100 kann, wie in 2 gezeigt, eine CMC-Steuervorrichtung 219 (hier auch als Steuerschaltung bezeichnet) aufweisen, die konfiguriert ist zum Bestimmen des Fehlersignals 153 basierend auf dem Arbeitszyklus 256 des HS-Schalters 112. Ein Arbeitszyklusdetektor 202 kann zum Erfassen des Arbeitszyklus 256 basierend auf dem PWM-Steuersignal 153 verwendet werden.
In einem Beispiel kann das Steigungskompensationssignal 360 eine Steigung 216 haben, die durch SC_RAMP = 1,25 A/s gegeben ist, d.h. das Steigungskompensationssignal 360 kann mit 1,25A pro Sekunde steigen. Die zeitliche Länge eines Kommutierungszyklus, d.h. die Zykluslänge, kann Tsw = 1s sein, und der Arbeitszyklus innerhalb des vorhergehenden Kommutierungszyklus kann DC(n-1) = 0,5 sein. Das ERR- oder Rampensignal 153 kann gegeben sein durch $R A M P_{@ s w i t c h i n g t h r e s h o l d} = E R R = 1 A$
Eine Flanke des PWM-Steuersignals 156 wird erzeugt, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist $R A M P_{@ s w i t c h i n g t h r e s h o l d} = E R R = S C_{@ s w i t c h i n g t h r e s h o l d} + I_{L}_{@ s w i t c h i n g t h r e s h o l d}$
wobei I_{L
@switching threshold} das erfasste Stromsignal 160 ist, bei dem die Flanke des PWM-Steuersignals 156 erzeugt wird, d.h. der Spitzenstrom I_Lpeak durch den HS-Schalter 112. SC_@switching _threshold ist der Wert des Steigungskompensationssignals 360, bei dem die Flanke des PWM-Steuersignals 156 erzeugt wird.
Der Spitzenstrom durch den HS-Schalter 112 für das obige Beispiel kann dann wie folgt berechnet werden: $1 A = S C_{@ s w i t c h i n g t h r e s h o l d} + I_{L}_{@ s w i t c h i n g t h r e s h o l d}$
$I_{L}_{@ s w i t c h i n g t h r e s h o l d} = 1 A - S C_{R A M P} * D C * T_{S W}$
$I_{L}_{@ s w i t c h i n g t h r e s h o l d} = I_{L_{P E A K}}$
$I_{L_{P E A K}} = 1 A - S C_{R A M P} * D C * T_{S W}$
$I_{L_{P E A K}} = 1 A - 1,25 \frac{A}{s} * 0,5 * 1 s$
$I_{L_{P E A K}} = 0,375 A$
Es ist ersichtlich, dass der Spitzenstrom durch den HS-Schalter 112 oder den Induktor 113 von dem Arbeitszyklus DC 256 und von dem ERR-Signal 153 (von dem angenommen wird, dass es 1A ist) abhängt.
Die CMC-Steuervorrichtung 219 kann konfiguriert sein zum Anpassen des ERR-Signals 153 (d.h. des Schwellensignals) für einen Kommutierungszyklus n basierend auf dem Arbeitszyklus DC(n-1) 256 des direkt vorhergehenden Kommutierungszyklus n-1. Insbesondere kann das ERR-Signal 153 derart bestimmt werden, dass der Spitzenstrom durch den HS-Schalter 112 auf einen Sollspitzenstrom geregelt wird.
Zum Beispiel entspricht I_L,peak(n - 1) dem tatsächlichen Spitzenstrom durch den HS-Schalter 112 und I_ERR(n - 1) entspricht dem tatsächlichen ERR-Signal 153 des vorhergehenden Kommutierungszyklus n-1, mit $I_{L_{P E A K}} (n - 1) = I_{E R R} (n - 1) - S C_{R A M P} (n - 1) * D C (n - 1) * T_{S W}$
I_L,p entspricht dem Sollspitzenstrom und Δ_I= I_L,peak(n - 1) - I_L,p entspricht der Abweichung des tatsächlichen Spitzenstroms I_L,_Peak(n - 1) von dem Sollspitzenstrom I_L,p. Durch Versatz des ERR-Signals 153 mit der Abweichung Δ_I, d.h. durch Setzen von I_ERR(n) ← I_ERR(n - 1) - Δ_I, kann erreicht werden, dass der tatsächliche Spitzenstrom in dem folgenden Kommutierungszyklus n, d.h. I_L,peak(n), dem Sollspitzenstrom I_L,p entspricht, wenn alle anderen Bedingungen unverändert bleiben. Die Abweichung Δ_I kann als ein Stromversatz bezeichnet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steigung 216 SC_RAMP(n) des Steigungskompensationssignals 360 für den Kommutierungszyklus n in Abhängigkeit von dem Arbeitszyklus DC(n - 1) des vorhergehenden Kommutierungszyklus n-1 angepasst werden. Zum Beispiel kann die Steigung SC_RAMP(n) durch einen Steigungsversatz Δ_S derart versetzt sein, dass $I_{L, p} = I_{E R R} (n - 1) - (S C_{R A M P} (n - 1) + Δ_{S}) * D C (n - 1) * T_{S W}$
$I_{L, p} = I_{L, p e a k} (n - 1) - Δ_{S} * D C (n - 1) * T_{S W}$
$Δ_{S} * D C (n - 1) * T_{S W} = Δ_{I}$
Die Steigung SC_RAMP(n) 216 kann als SC_RAMP(n) = SC_RAMP(n - 1) + Δ_S bestimmt werden.
Somit kann die CMC-Steuervorrichtung 219 konfiguriert sein zum Anpassen der Steigung 216 des Steigungskompensationssignals 360 und/oder des Fehlersignals 153 für einen Kommutierungszyklus n basierend auf dem Arbeitszyklus DC(n - 1), um den tatsächlichen Spitzenstrom durch den HS-Schalter 112 (angegeben durch den erfassten Strom 160) in Übereinstimmung mit einem Sollspitzenstrom I_L,p anzupassen. Dadurch kann die Spitzenstromsteuerung verbessert werden.
Die Fähigkeit, den Spitzenstrom genau zu steuern, ermöglicht die Möglichkeit, einen Regelkreis für den Spulenüberstrom innerhalb der beschriebenen Stromschleife 210 zu schließen. Daher ist nur ein einziger Stromerfassungsausgang erforderlich und es wird sichergestellt, dass die Schleife immer geschlossen bleibt. Schaltungen, wie ein Komparator für den Spulenüberstrom, sind nicht erforderlich. Daher wird ein effizientes Spitzenstrommodus-Steuerschema vorgesehen.
Wie in 2 gezeigt, wird die Stromschleife 210 unter Verwendung einer Stromerfassungseinheit 120 und eines künstlich hinzugefügten Steigungskompensationssignals 360 (SC) (unter Verwendung der Schaltungen 116, 117) geschlossen, wobei das künstlich hinzugefügte Steigungskompensationssignal 360 verwendet werden kann, um eine Subharmonische-Instabilität in einem DC/DC-Leistungswandler zu vermeiden, der in CCM (Continuous Conduction Mode) und bei Arbeitszyklen über 50% arbeitet. Ein Rampensignal RAMP 155 wird gebildet, mit dem Fehlersignal 155 an dem PWM-Komparator 118 verglichen und ein Arbeitszyklus 256 wird bestimmt.
Der Arbeitszyklusdetektor 202 kann die Arbeitszyklusinformation DC[n-1] übersetzen und an die Spitzenstrommodus-Steuervorrichtung (PCMC - peak current mode controller) 219 zurückführen, die die neue Spitzenstromschwelle erneut berechnet, d.h. das neue Schwellensignal TH[n] 153, auch als Fehlersignal bezeichnet.
Diese Interaktion wird wiederholt Zyklus für Zyklus durchgeführt und arbeitet im Vergleich zu der Ausgangsspannungsschleifensteuerung zum Regeln der Ausgangsspannung 150 wesentlich schneller. Es sollte angemerkt werden, dass typischerweise sowohl die Spitzenstrommodus-Steuervorrichtung (in dem vorliegenden Dokument beschrieben) als auch der Spannungsregler (unter Verwendung der Rückkopplungsspannung 151) eine Kontrolle über das Schwellensignal TH[n] 153 haben.
4 zeigt beispielhafte Messsignale eines Systems 100. Während des ersten Zyklus 401 arbeitet das System 100 bei konstanten externen Versorgungsbedingungen (z.B. bei einer konstanten Eingangsspannung 154) und somit bei einem konstanten Arbeitszyklus 256 (angezeigt durch die Flanke 411 des PWM-Steuersignals 156).
Nach einer signifikanten, messbaren und abrupten Änderung der externen Versorgungsbedingung (in dem gezeigten Beispiel ist dies ein Eingangsspannungsabfall; die Störung kann jedoch auch eine Ausgangsspannungsänderung oder eine Störung mit einem ähnlichen Effekt auf den Arbeitszyklus 256 sein), führt der Schaltzyklus 402 zu einem erhöhten Arbeitszyklus 256 (d.h. eine verzögerte Flanke 412 des PWM-Signals 156). Dies kann auch zu einem verringerten Spitzenstrom durch den HS-Schalter 112 führen. Wie oben dargelegt, wird der Spitzenstrom I_L,peak durch die Formel gegeben: $I_{L, p e a k} (n - 1) = I_{E R R} (n - 1) - S C_{R A M P} (n - 1) * D C (n - 1) * T_{S W}$
Somit führt eine Erhöhung des Arbeitszyklus DC bei unverändertem IERR zu einem verringerten Spitzenstrom I_L,peak .
Der Arbeitszyklus DC(n-1) des Zyklus 402 kann verwendet werden, um das Fehlersignal 153 für den nächsten Zyklus 403 zu versetzen, wodurch das Fehlersignal 153 angepasst wird (insbesondere erhöht). Als Folge davon wird die Flanke 413 des PWM-Signals 156 zurück bewegt, wodurch der Arbeitszyklus DC(n) weiter erhöht wird. Weiter wird der Spitzenstrom durch den Magnetisierungsschalter 112 im Vergleich zu dem Kommutierungszyklus 401 konstant gehalten, wodurch eine genaue Spitzenstromsteuerung möglich ist. Das in dem Kontext von 4 beschriebene Steuerschema kann verwendet werden, um einen konstanten Sollspitzenstrom zu steuern. Das Steuerschema wird unter der Annahme beschrieben, dass die Ausgangsspannungsschleife nicht wirkt.
Wie oben dargelegt, kann das Steigungskompensationssignal 360 (SC) Zyklus für Zyklus angepasst werden. Insbesondere kann die Steigung SC(n) 216 des Steigungskompensationssignals 360 in Abhängigkeit von dem Pegel des Spitzenstroms durch den Magnetisierungsschalter (z.B. HS) 112 angepasst werden. Das Steigungskompensationssignal 360 kann in Übereinstimmung mit dem Bereich des Induktorstroms angepasst werden. Dadurch kann das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR - signal to noise ratio) des RAMP-Signals 155 verbessert werden. Zum Beispiel kann das Verhältnis des Steigungskompensationssignals 360 und des erfassten Stromsignals 160 konstant gehalten werden oder kann anpassbar sein. Dadurch kann eine Rauschunempfindlichkeit verbessert werden.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zum Steuern des Arbeitszyklus eines Magnetisierungsschalters (z.B. eines hochseitigen Schalters) 112, der eine serielle Anordnung mit einem Entmagnetisierungsschalter (z.B. einem niedrigseitigen Schalter) 111 bildet. Die serielle Anordnung kann Teil eines Schaltmodus-Leistungswandlers 100 sein (z.B. eines Systems 100, wie in den 1 und 2 gezeigt). Der Magnetisierungsschalter 112 und der Entmagnetisierungsschalter 111 werden innerhalb einer Sequenz von Kommutierungszyklen 401, 402, 403 in gegenseitig ausschließender Weise eingeschaltet, wobei die Dauer der Kommutierungszyklen 401, 402, 403 fest und konstant sein kann.
Das Verfahren 500 weist, innerhalb eines Kommutierungszyklus 403 aus der Sequenz von Kommutierungszyklen 401, 402, 403, ein Bestimmen 501 eines erfassten Stromsignals 160 auf, das den Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 angibt (z.B. unter Verwendung der Stromerfassungseinrichtung 120). Es sollte angemerkt werden, dass die „Signale“ in diesem Dokument Ströme und/oder Spannungen sein können.
Weiter weist das Verfahren 500 ein Bestimmen 502 eines Rampensignals 155 (hier auch als das Sägezahnsignal bezeichnet) durch Hinzufügen eines Steigungskompensationssignals 360 zu dem erfassten Stromsignal 160 auf. Zusätzlich weist das Verfahren 500 ein Bestimmen 503 eines Schwellensignals 153 auf. Das Schwellensignal 153 (hier auch als Fehlersignal bezeichnet) kann unter Verwendung einer Rückkopplungsschleife zum Regeln der Ausgangsspannung 150 eines Schaltmodus-Leistungswandlers 100 bestimmt werden.
Zusätzlich weist das Verfahren 500 ein Bestimmen 504 eines Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 für den Kommutierungszyklus 403 durch Vergleichen des Rampensignals 155 mit dem Schwellensignal 153 auf. Dies kann unter Verwendung eines Komparators 118 erreicht werden. Der Ausgang des Komparators 118 kann ein PWM-Steuersignal 153 sein, wobei die Flanken des PWM-Signals 153 verwendet werden können, um den Arbeitszyklus 256 zu bestimmen.
Das Schwellensignal 153 und/oder das Steigungskompensationssignal 360 hängen von dem Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 eines vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 (insbesondere eines direkt vorhergehenden Zyklus 402) aus der Sequenz von Kommutierungszyklen 401, 402, 403 ab. Insbesondere kann der Arbeitszyklus 256 des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 verwendet werden, um das Schwellensignal 153 und/oder das Steigungskompensationssignal 360 (insbesondere eine Steigung 256 des Steigungskompensationssignals 360) direkt anzupassen oder zu versetzen. Die Anpassung oder das Versetzen kann getrennt von einer Regelungsrückkopplungsschleife durchgeführt werden (insbesondere getrennt von dem Rückkopplungssignal 151, das zum Regeln der Ausgangsspannung 150 verwendet wird).
Dadurch kann eine präzise und zuverlässige Spitzenstromsteuerung des Spitzenstroms durch den Magnetisierungsschalter 112 durchgeführt werden (z.B. während gleichzeitig die Ausgangsspannung 150 eines Schaltmodus-Leistungswandlers 100 gemäß einer Sollspannung 152 geregelt wird).
Somit wird eine Steuerschaltung 200 (die CMC-Steuervorrichtung 219 aufweisend) zum Steuern des Stroms durch einen Magnetisierungsschalter 112, der in Serie mit einem Entmagnetisierungsschalter 111 angeordnet ist, beschrieben. Der Magnetisierungsschalter 112 und der Entmagnetisierungsschalter 111 werden innerhalb einer Sequenz von Kommutierungszyklen 401, 402, 403 in einer gegenseitig ausschließenden Weise eingeschaltet, z.B. zum Übertragen von Leistung von einem Eingangsanschluss zu einem Ausgangsanschluss eines Systems 100, insbesondere eines Schaltmodus-Leistungswandlers 100. Der Magnetisierungsschalter 112 kann konfiguriert sein zum Magnetisieren und/oder der Entmagnetisierungsschalter 111 kann konfiguriert sein zum Entmagnetisieren eines Induktors 113, der an einen Mittelpunkt zwischen dem Magnetisierungsschalter 112 und dem Entmagnetisierungsschalter 111 gekoppelt ist.
Die Steuerschaltung 200 ist konfiguriert, innerhalb eines (insbesondere innerhalb eines beliebigen) Kommutierungszyklus 403 aus der Sequenz von Kommutierungszyklen 401, 402, 403, zum Bestimmen eines erfassten Stromsignals 160, das einen Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 angibt. Der Mittelpunkt zwischen dem Magnetisierungsschalter 112 und dem Entmagnetisierungsschalter 111 (der eine Halbbrücke bilden kann) kann mit einem Induktor 113 gekoppelt sein, wobei der Induktor 113 mit dem Eingangsanschluss oder mit dem Ausgangsanschluss des Systems 100 gekoppelt sein kann. Somit kann der Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 ansteigen, wobei die Steigung des Anstiegs typischerweise von der Induktivität des Induktors 113 abhängt. Unter Verwendung der Stromerfassungseinrichtung 120 kann der Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 während des Kommutierungszyklus 403 erfasst werden (insbesondere während des Teils des Kommutierungszyklus 403, während dem der Magnetisierungsschalter 112 geschlossen ist, d.h. eingeschaltet ist).
Die Steuerschaltung 200 ist konfiguriert zum Bestimmen eines Rampensignals 155 durch Hinzufügen eines Steigungskompensationssignals 360 zu dem erfassten Stromsignal 160. Das Steigungskompensationssignal 360 wird typischerweise ausgehend von einem Minimumwert (z.B. Null) zu Beginn eines Kommutierungszyklus 401, 402, 403 auf einen maximalen Wert an dem Ende eines Kommutierungszyklus 401, 402, 403 hochgefahren. Der maximale Wert hängt von der Steigung 216 des Steigungskompensationssignals 360 ab. Durch Hinzufügen eines Steigungskompensationssignals 360 kann die Stabilität eines Steuerschemas für einen Magnetisierungsschalter 112 (und für einen Entmagnetisierungsschalter 111, der auf komplementäre Weise gesteuert wird (z.B. auf passive und/oder automatische Weise, z.B. unter Verwendung einer Diode)) erhöht werden (insbesondere für Arbeitszyklen 256, die größer sind als 50% der Zykluslänge eines Kommutierungszyklus 401, 402, 403).
Die Steuerschaltung 200 ist weiter konfiguriert zum Bestimmen eines Schwellensignals 153. Wie oben angegeben, kann die serielle Anordnung des Magnetisierungsschalters 112 und des Entmagnetisierungsschalters 111 (z.B. die Halbbrücke) Teil eines Schaltmodus-Leistungswandlers 100 sein und der Leistungswandler 100 kann eine Rückkopplungsschleife aufweisen, die eine Rückkopplungsspannung 151 zurückführt, die von der Ausgangsspannung 150 des Leistungswandlers 100 abgeleitet ist. Die Rückkopplungsspannung 151 kann zum Regeln der Ausgangsspannung 150 des Leistungswandlers 100 gemäß einer Sollspannung 152 verwendet werden. Zu diesem Zweck kann die Schwellenspannung 153 von der Rückkopplungsspannung 151 abhängen, insbesondere von einer Abweichung der Rückkopplungsspannung 151 von der Sollspannung 152. Der Leistungswandler 100 kann einen Buck- bzw. Abwärtswandler, einen Boost- bzw. Aufwärtswandler oder einen Buck-Boost- bzw. Abwärts-Aufwärtswandler oder einen anderen DC/DC-Leistungswandler aufweisen.
Insbesondere kann der Mittelpunkt der seriellen Anordnung des Magnetisierungsschalters 112 und des Entmagnetisierungsschalters 111 über einen Induktor 113 mit einem Ausgangsanschluss oder einem Eingangsanschluss (des Schaltmodus-Leistungswandlers 100) gekoppelt sein. Weiter können der Magnetisierungsschalter 112 und der Entmagnetisierungsschalter 111 zwischen einem hohen oder HS-Potential 150, 154 und einem niedrigen oder LS-Potential angeordnet sein, wobei das hohe Potential 150, 154 einer Eingangsspannung 154 an dem Eingangsanschluss (des Leistungswandlers 100) oder einer Ausgangsspannung 150 an dem Ausgangsanschluss (des Leistungswandlers 100) entsprechen kann. Die Schwellenspannung 153 kann von einer Abweichung der Rückkopplungsspannung 151 (die von der Ausgangsspannung 150 an dem Ausgangsanschluss abgeleitet wird) von einer Sollspannung 152 abhängen. Somit kann die Schwellenspannung 153 verwendet werden zum Regeln der Ausgangsspannung 150 eines Leistungswandlers 100 in Übereinstimmung mit einer Sollspannung 152.
Die Steuerschaltung 200 (insbesondere der Komparator 118) ist weiter konfiguriert zum Bestimmen eines Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 für den Kommutierungszyklus 403 durch Vergleichen des Rampensignals 155 mit dem Schwellensignal 153. Insbesondere kann ein PWM-Steuersignal 156 bestimmt werden, wobei das PWM-Steuersignal 156 einen ersten Wert annimmt, wenn das Rampensignal 155 kleiner als das Schwellensignal 153 ist, und wobei das PWM-Steuersignal 156 einen zweiten Wert annimmt, wenn das Rampensignal 155 größer als das Schwellensignal 153 ist. Eine Flanke des PWM-Steuersignals 156 innerhalb eines Kommutierungszyklus 401, 402, 403 kann verwendet werden, um den Arbeitszyklus 246 des Magnetisierungsschalters 112 für diesen Kommutierungszyklus 401, 402, 403 zu bestimmen. Der Entmagnetisierungsschalter 111 kann auf entgegengesetzte Weise zu dem Magnetisierungsschalter 112 geschaltet werden, d.h. der Entmagnetisierungsschalter 111 kann eingeschaltet werden, wenn der Magnetisierungsschalter 112 ausgeschaltet wird, und umgekehrt.
Das Schwellensignal 153 und/oder das Steigungskompensationssignal 360 (für den Kommutierungszyklus 403) hängen von dem Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 eines vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 aus der Sequenz von Kommutierungszyklen 401, 402, 403 ab. In anderen Worten, das Schwellensignal 153 TH(n) und/oder das Steigungskompensationssignal SC(n) für den Kommutierungszyklus n hängen von dem Arbeitszyklus DC(n-1) des vorhergehenden Kommutierungszyklus n-1 ab. Insbesondere können das Schwellensignal 153 und/oder das Steigungskompensationssignal 360 direkt angepasst oder versetzt sein (ohne durch die Rückkopplungsschleife zu gehen, die durch das erfasste Stromsignal 160 und/oder die Rückkopplungsspannung 151 vorgesehen wird) in einem Kommutierungszyklus n basierend auf dem Arbeitszyklus 256 des Magnetisierungsschalters 112 des vorhergehenden Kommutierungszyklus (z.B. n-1). Dadurch kann eine zuverlässige und genaue Steuerung des Spitzenstroms durch den Magnetisierungsschalter 112 durchgeführt werden.
Daher kann die Steuerschaltung 200 konfiguriert sein zum direkten Anpassen des Schwellensignals 153 und/oder des Steigungskompensationssignals 360 für den Kommutierungszyklus 403 (z.B. unter Verwendung eines Offsets bzw. Versatzes) basierend auf dem Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 des vorhergehenden Kommutationszyklus 402, getrennt von einer Rückkopplungsschleife, die von dem erfassten Stromsignal 160 vorgesehen wird, und/oder getrennt von einer Ausgangsspannung 150, die durch die serielle Anordnung des Magnetisierungsschalters 112 und des Entmagnetisierungsschalters 111 gebildet oder erzeugt wird (z.B. geregelt). Insbesondere kann ein Versatz direkt aus dem Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 bestimmt werden (z.B. unter Verwendung einer digitalen Verarbeitung und/oder unter Verwendung einer analogen Schaltung). Dieser Versatz kann verwendet werden, um ein über eine Rückkopplungsschleife abgeleitetes Fehlersignal 153 zu versetzen. Das Versatz-Fehlersignal 153 kann dann als das Schwellensignal 153 für den Kommutierungszyklus 403 verwendet werden.
Die Steuerschaltung 200 kann konfiguriert sein zum Anpassen des Schwellensignals 153 und/oder des Steigungskompensationssignals 360 (insbesondere die Steigung 216 des Steigungskompensationssignals 360) basierend auf einem Sollspitzenstrom I_L,p für den Strom durch den Magnetisierungsschalter 112. Insbesondere kann die Steuerschaltung 200 konfiguriert sein zum Anpassen des Schwellensignals 153 und/oder des Steigungskompensationssignals 360 (insbesondere die Steigung 216 des Steigungskompensationssignals 360), um den maximalen Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 während der Sequenz von Kommutierungszyklen 401, 402, 403 (insbesondere während jedes der Kommutierungszyklen 401, 402, 403) zu dem Sollspitzenstrom I_L,p zu regeln. Zu diesem Zweck können das Schwellensignal 153 und/oder das Steigungskompensationssignal 360 basierend auf dem Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 eines vorhergehenden Kommutierungszyklus 402, wiederholt, auf einer Zyklus-pro-Zyklus-Basis angepasst und/oder versetzt werden. Somit kann eine genaue und präzise Spitzenstromsteuerung erreicht werden.
Die Steuerschaltung 200 kann konfiguriert sein zum Bestimmen des maximalen Stroms durch den Magnetisierungsschalter 112 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 basierend auf der Steigung 216 des Steigungskompensationssignals 360 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 und basierend auf dem Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402. Typischerweise kann die Steigung 216 mit dem Arbeitszyklus 256 multipliziert werden (wobei der Arbeitszyklus 256 die Ein-Zeit des Magnetisierungsschalters 112 als Prozentsatz der Zykluslänge angeben kann), um einen Maximalwert des Steigungskompensationssignals 360 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann auch die Zykluslänge berücksichtigt werden (z.B. als ein weiterer Multiplikationsfaktor). Dieser Maximalwert kann von dem Schwellensignal 153 für den vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 subtrahiert werden, wodurch der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 vorgesehen wird. Somit kann unter Berücksichtigung des Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 auf präzise Weise bestimmt werden, wodurch eine präzise Spitzenstromsteuerung möglich wird.
Die Steuerschaltung 200 kann konfiguriert sein zum Bestimmen einer Abweichung des maximalen Stroms durch den Magnetisierungsschalter 112 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 von dem Sollspitzenstrom I_L,p. Diese Abweichung kann basierend auf dem erfassten Stromsignal 160 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 bestimmt werden. Das Schwellensignal 153 und/oder (die Steigung 216 des) das Steigungskompensationssignals 360 können basierend auf der Abweichung angepasst werden, um eine präzise Spitzenstromsteuerung zu ermöglichen.
Die Steuerschaltung 200 kann konfiguriert sein zum Anpassen des Schwellensignals 153 und/oder (der Steigung 216) des Steigungskompensationssignals 360 derart, dass, wenn das angepasste Schwellensignal 153 und/oder das angepasste (Steigung 216 des) Steigungskompensationssignal 360 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 verwendet wurde(n), der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 gleich oder innerhalb eines vorgegebenen Bereichs von (z.B. innerhalb von 10%) des Sollspitzenstroms I_L,p gewesen wäre. Somit kann eine präzise Spitzenstromsteuerung durchgeführt werden.
Die Steuerschaltung 200 kann konfiguriert sein zum Reduzieren des Schwellensignals 153 für den Kommutierungszyklus 403 um einen Stromversatz, wenn der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 den Sollspitzenstrom übersteigt. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerschaltung 200 konfiguriert sein zum Erhöhen des Schwellensignals 153 für den Kommutierungszyklus 403 um einen Stromversatz, wenn der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 den Sollspitzenstrom nicht erreicht hat. Der Stromversatz hängt vorzugsweise von dem Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 ab oder wird direkt daraus berechnet.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerschaltung 200 konfiguriert sein zum Erhöhen der Steigung 216 des Steigungskompensationssignals 360 für den Kommutierungszyklus 403 um einen Steigungsversatz, wenn der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 den Sollspitzenstrom übersteigt. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerschaltung 200 konfiguriert sein zum Reduzieren der Steigung 216 des Steigungskompensationssignals 360 für den Kommutierungszyklus 403 um einen Steigungsversatz, wenn der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 den Sollspitzenstrom nicht erreicht hat. Der Steigungsversatz hängt typischerweise von dem Arbeitszyklus 256 für den Magnetisierungsschalter 112 des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402 ab oder wird direkt daraus berechnet.
Die Steuerschaltung 200 kann konfiguriert sein zum Anpassen der Steigung 216 des Steigungskompensationssignals 360 und des Schwellensignals 153 für den Kommutierungszyklus 403 basierend auf dem maximalen Strom durch den Magnetisierungsschalter 112 während des vorhergehenden Kommutierungszyklus 402. Insbesondere kann die Steuerschaltung 200 konfiguriert sein zum Anpassen der Steigung 216 des Steigungskompensationssignals 360 basierend auf einem Sollverhältnis des maximalen Werts des Steigungskompensationssignals 360 und des maximalen Stroms durch den Magnetisierungsschalter 112. Die Steigung 216 des Steigungskompensationssignals 360 kann derart angepasst werden, dass das Sollverhältnis für die Sequenz von Kommutierungszyklen 401, 402, 403 erfüllt ist. Dadurch kann die Rauschunempfindlichkeit eines Systems 100, das die serielle Anordnung des Magnetisierungsschalters 112 und des Entmagnetisierungsschalters 111 aufweist, erhöht werden.
Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen Iediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme darstellen. Fachleute werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang enthalten sind. Weiter sollen alle Beispiele und Ausführungsbeispiele, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt werden, ausdrücklich nur der Erläuterung dienen, um dem Leser das Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu erleichtern. Darüber hinaus sollen alle hier enthaltenen Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele davon, Äquivalente davon umfassen.

Claims

Steuerschaltung (200) zum Steuern des Arbeitszyklus (256) eines Magnetisierungsschalters (112), der in Serie mit einem Entmagnetisierungsschalter (111) angeordnet ist; wobei die Steuerschaltung (200), innerhalb eines Kommutierungszyklus (403) aus einer Sequenz von Kommutierungszyklen (401, 402, 403), konfiguriert ist zum - Bestimmen eines erfassten Stromsignals (160), das einen Strom durch den Magnetisierungsschalter (112) angibt; - Bestimmen eines Rampensignals (155) durch Hinzufügen eines Steigungskompensationssignals (360) zu dem erfassten Stromsignal (160); - Bestimmen einer Fehlerspannung (153); und - Bestimmen eines Arbeitszyklus (256) für den Magnetisierungsschalter (112) für den Kommutierungszyklus (403) durch Vergleichen des Rampensignals (155) mit der Fehlerspannung (153); wobei die Fehlerspannung (153) und/oder das Steigungskompensationssignal (360) von dem Arbeitszyklus (256) für den Magnetisierungsschalter (112) eines vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) aus der Sequenz von Kommutierungszyklen (401, 402, 403) abhängt.
Steuerschaltung (200) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (200) konfiguriert ist zum Anpassen der Fehlerspannung (153) und/oder des Steigungskompensationssignals (360) basierend auf einem Sollspitzenstrom für den Strom durch den Magnetisierungsschalter (112).
Steuerschaltung (200) gemäß Anspruch 2, wobei die Steuerschaltung (200) konfiguriert ist zum Anpassen der Fehlerspannung (153) und/oder des Steigungskompensationssignals (360), um einen maximalen Strom durch den Magnetisierungsschalter (112) während der Sequenz von Kommutierungszyklen (401, 402, 403) auf den Sollspitzenstrom zu regeln.
Steuerschaltung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (200) konfiguriert ist zum - Bestimmen einer Abweichung eines maximalen Stroms durch den Magnetisierungsschalter (112) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) von einem Sollspitzenstrom basierend auf dem erfassten Stromsignal (160) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402); und - Anpassen der Fehlerspannung (153) und/oder des Steigungskompensationssignals (360) basierend auf der Abweichung.
Steuerschaltung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (200) konfiguriert ist zum Anpassen der Fehlerspannung (153) und/oder des Steigungskompensationssignals (360) derart, dass, wenn die angepasste Fehlerspannung (153) und/oder Steigungskompensationssignal (360) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) verwendet wurde(n), der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter (112) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) gleich oder innerhalb eines vorgegebenen Bereichs von dem Sollspitzenstrom gewesen wäre.
Steuerschaltung (200) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die Steuerschaltung (200) konfiguriert ist zum - Reduzieren der Fehlerspannung (153) für den Kommutierungszyklus (403) um einen Stromversatz, wenn der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter (112) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) den Sollspitzenstrom überstiegen hat; und/oder - Erhöhen der Fehlerspannung (153) für den Kommutierungszyklus (403) um einen Stromversatz, wenn der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter (112) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) den Sollspitzenstrom nicht erreicht hat; wobei der Stromversatz von dem Arbeitszyklus (256) für den Magnetisierungsschalter (112) des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) abhängt.
Steuerschaltung (200) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Steuerschaltung (200) konfiguriert ist zum - Erhöhen einer Steigung (216) des Steigungskompensationssignals (360) für den Kommutierungszyklus (403) um einen Steigungsversatz, wenn der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter (112) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) den Sollspitzenstrom überstiegen hat; und/oder - Reduzieren der Steigung (216) des Steigungskompensationssignals (360) für den Kommutierungszyklus (403) um einen Steigungsversatz, wenn der maximale Strom durch den Magnetisierungsschalter (112) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) den Sollspitzenstrom nicht erreicht hat; wobei der Steigungsversatz von dem Arbeitszyklus (256) für den Magnetisierungsschalter (112) des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) abhängt.
Steuerschaltung (200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Steuerschaltung (200) konfiguriert ist zum Bestimmen des maximalen Stroms durch den Magnetisierungsschalter (112) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) basierend auf einer Steigung (216) des Steigungskompensationssignals (360) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) und basierend auf dem Arbeitszyklus (256) für den Magnetisierungsschalter (112) des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402).
Steuerschaltung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Steigungskompensationssignal (360) ausgehend von einem Minimumwert zu Beginn eines Kommutierungszyklus (401, 402, 403) auf einen Maximalwert an einem Ende eines Kommutierungszyklus (401, 402, 403) hochgefahren wird; und - der Maximalwert von einer Steigung (216) des Steigungskompensationssignals (360) abhängt.
Steuerschaltung (200) gemäß Anspruch 9, wobei die Steuerschaltung (200) konfiguriert ist zum Anpassen der Steigung (216) des Steigungskompensationssignals (360) und der Fehlerspannung (153) für den Kommutierungszyklus (403) basierend auf einem maximalen Strom durch den Magnetisierungsschalter (112) während des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402).
Steuerschaltung (200) gemäß Anspruch 10, wobei die Steuerschaltung (200) konfiguriert ist zum Anpassen der Steigung (216) des Steigungskompensationssignals (360) basierend auf einem Sollverhältnis des Maximalwerts des Steigungskompensationssignals (360) und des maximalen Stroms durch den Magnetisierungsschalter (112).
Steuerschaltung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - ein Mittelpunkt zwischen dem Magnetisierungsschalter (112) und dem Entmagnetisierungsschalter (111) über einen Induktor (113) mit einem Ausgangsanschluss oder einem Eingangsanschluss gekoppelt ist; - der Magnetisierungsschalter (112) und der Entmagnetisierungsschalter (111) zwischen einem hohen Potential (150, 154) und einem niedrigen Potential angeordnet sind; - das hohe Potential (150, 154) einer Eingangsspannung (154) an dem Eingangsanschluss oder einer Ausgangsspannung (150) an dem Ausgangsanschluss entspricht; und - die Fehlerspannung (153) von einer Abweichung einer Rückkopplungsspannung (151), die von der Ausgangsspannung (150) an dem Ausgangsanschluss abgeleitet ist, von einer Sollspannung (152) abhängt.
Steuerschaltung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Magnetisierungsschalter (112) und der Entmagnetisierungsschalter (111) Teil eines Schaltmodus-Leistungswandlers (100) sind; und - der Leistungswandler (100) eine Rückkopplungsschleife aufweist, die eine Rückkopplungsspannung (151) zurückführt, die von einer Ausgangsspannung (150) des Leistungswandlers (100) abgeleitet ist; und - die Fehlerspannung (153) von der Rückkopplungsspannung (151) abhängt.
Steuerschaltung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (200) konfiguriert ist zum direkten Anpassen der Fehlerspannung (153) und/oder des Steigungskompensationssignals (360) für den Kommutierungszyklus (403) basierend auf dem Arbeitszyklus (256) für den Magnetisierungsschalter (112) des vorhergehenden Kommutierungszyklus (402), getrennt von einer Rückkopplungsschleife, die durch das erfasste Stromsignal (160) und/oder einer Ausgangsspannung (150) vorgesehen wird.
Ein Verfahren (500) zum Steuern des Arbeitszyklus (256) eines Magnetisierungsschalters (112), der in Serie mit einem Entmagnetisierungsschalter (111) angeordnet ist; wobei das Verfahren (500), innerhalb eines Kommutierungszyklus (403) aus einer Sequenz von Kommutierungszyklen (401, 402, 403), aufweist - Bestimmen (501) eines erfassten Stromsignals (160), das einen Strom durch den Magnetisierungsschalter (112) angibt; - Bestimmen (502) eines Rampensignals (155) durch Hinzufügen eines Steigungskompensationssignals (360) zu dem erfassten Stromsignal (160); - Bestimmen (503) einer Fehlerspannung (153); und - Bestimmen (504) eines Arbeitszyklus (256) für den Magnetisierungsschalter (112) für den Kommutierungszyklus (403) durch Vergleichen des Rampensignals (155) mit der Fehlerspannung (153); wobei die Fehlerspannung (153) und/oder das Steigungskompensationssignal (360) von dem Arbeitszyklus (256) für den Magnetisierungsschalter (112) eines vorhergehenden Kommutierungszyklus (402) aus der Sequenz von Kommutierungszyklen (401, 402, 403) abhängt.