DE102017211868A1

DE102017211868A1 - Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Umsetzer mit geringer Störung bei Modusübergängen

Info

Publication number: DE102017211868A1
Application number: DE102017211868.7A
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Unno
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2018-09-06
Also published as: US10128757B2; US20180254704A1

Abstract

Diese Offenbarung beschreibt das Vermindern des Überschwingens und Unterschwingens während der Modusübergänge eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzers, ohne ein Modusprellen zu bewirken. Dies wird dadurch geschaffen, dass ein Hauptausgleichskondensator eines Fehlerverstärkers aufgeladen oder entladen wird, derart, dass der Ausgangsspannungspegel nahe an den Zielwert verschoben wird. Das erwartete Verhalten des Offenbarung ist auf zwei Elemente zurückzuführen, das eine ist ein Modusübergangsdetektor, der konfiguriert ist, einen Modusübergang zwischen den Modi Tiefsetzsteller, Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller, Hochsetzsteller und ½f-Tiefsetzsteller/Hochsetzsteller zu detektieren, und das andere ist eine Schaltungsanordnung zum Aufladen/Entladen, die innerhalb eines Taktzyklus eines Modusübergangs konfiguriert ist, der detektiert wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltleistungsumsetzer, der ein Pulsbreitenmodulationssteuersignal (PWM-Steuersignal) und verschiedene Betriebsmodi nutzt.
Beschreibung des verwandten Gebiets
Der Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzer ist ein Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltumsetzer einer Art, die eine Ausgangsspannungsgröße aufweist, die entweder größer oder kleiner als die Eingangsspannungsgröße ist. Es ist eine Stromversorgung mit umschaltbarem Modus mit einer gleichartigen Schaltungstopologie wie der Tiefsetzsteller-Schaltumsetzer und der Hochsetzsteller-Schaltumsetzer. Die Ausgangsspannung ist anhand der Pulsperiode des Schalttransistors einstellbar.
1a zeigt eine Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltkonfiguration gemäß dem Stand der Technik mit 1 induktiven Bauelement und 4 Schaltern aus der U.S.-Anmeldung, Nummer 13/847 , 574 , die einem gemeinsamen Begünstigten gehört und in ihrer Gesamtheit hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist. Die Schalter S1-S4 sind üblicherweise durch Transistoren realisiert. Im Einschaltzustand sind S1 und S3 geschlossen (eingeschaltet), und die Eingangsspannungsquelle ist mit dem induktiven Bauelement L verbunden. Dies ergibt ein Ansammeln der Energie in L. In diesem Zustand führt der Kondensator Cout der Ausgangslast Energie zu. Im Ausschaltzustand sind S2 und S4 geschlossen (eingeschaltet), und das induktive Bauelement L ist mit der Ausgangslast und dem Kondensator Cout verbunden, derart, dass Energie von L zu Cout und Load übertragen wird. Die Eigenschaften des Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzers sind hauptsächlich, dass die Ausgangsspannung von 0 bis -∞ ununterbrochen variieren kann (für einen idealen Umsetzer), verglichen mit dem Variieren der Ausgangsspannung von 0 bis Vin und Vin bis ∞ für einen Tiefsetzsteller-Schaltumsetzer und einen Hochsetzsteller-Schaltumsetzer.
Die klassische Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltsteuerung verwendet lediglich ein PWM-Steuersignal und nutzt lediglich einen Betriebsmodus. Sie leidet aufgrund ihres hohen Schaltansteuerungsverlustes und der Anforderung eines hohen Stroms des induktiven Bauelements unter einem schlechten Umsetzungswirkungsgrad.
Ein Beispiel gemäß dem Stand der Technik, U.S.-Patent 6166527 (Dwelley u. a.) nutzt unter Verwendung von mehr als einem PWM-Steuersignal drei verschiedene Betriebsmodi, die die Schaltmodi Tiefsetzsteller, Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller und Hochsetzsteller sind, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
Ein weiteres Beispiel ist das U.S.-Patent 8860387 (Kobayashi), das ebenfalls einem gemeinsamen Begünstigten gehört und hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist, das fünf Betriebsmodi nutzt, die die Schaltmodi Tiefsetzsteller, Halbfrequenz-Tiefsetzsteller (fsw/2-Tiefsetzsteller), fsw/2-Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller, fsw/2-Hochsetzsteller-und Hochsetzsteller sind. Dieses System kann die Schaltfrequenz um die Hälfte verringern und den Wirkungsgrad verbessern, wenn die Eingangsspannung nahe an der Ausgangsspannung liegt, während die Leistungsregulierung aufrechterhalten wird.
Diese Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzer, die verschiedene Betriebsmodi verwenden, könnten ein Problem eines Modusprellens aufweisen, das beim Übergang zweier Schaltmodi auftritt. Wenn ein Modusprellen auftritt, wechselt der Umsetzer zwischen zwei Betriebsmodi vor und zurück und ist instabil. Als ein Ergebnis leidet die Ausgangsspannung unter deutlichen Wellen, und der Wirkungsgrad wird verschlechtert.
1b & 1c veranschaulichen die Beziehung 100 zwischen der Eingangsspannung und dem Fehlerverstärkerausgang für eine konstante Ausgangsspannung und verschiedene Betriebsmodi eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltumsetzers gemäß dem Stand der Technik. Die Schaltmodi Tiefsetzsteller, Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller und Hochsetzsteller sind in der Wellenform von 1b veranschaulicht, und die Schaltmodi Tiefsetzsteller, Halbfrequenz-Tiefsetzsteller (fsw/2-Tiefsetzsteller), fsw/2-Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller, fsw/2-Hochsetzsteller und Hochsetzsteller sind in der Wellenform von 1c veranschaulicht. Es wird gezeigt, dass ein Weg, ein Modusprellen zu vermeiden, darin besteht, auf dem Fehlerverstärkerausgang eine Versatzspannung hinzuzufügen, wenn sich der Betriebsmodus ändert. Diese Versatzspannung erzeugt eine Hysterese des Eingangsspannungsschwellenwertes für Modusübergänge. Eine größere Versatzspannung senkt die Wahrscheinlichkeit eines Modusprellens, bewirkt jedoch eine größere Ausgangsstörung während des Übergangs.
2 veranschaulicht das Verhalten 200 der Ausgangsspannung und des Fehlerverstärkerausgangs bei einem Modusübergang eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltumsetzers gemäß dem Stand der Technik. Wenn die Eingangsspannung einen Schwellenwert überquert, tritt ein Modusübergang auf. Der Fehlerverstärkerausgang 210 ist mit einer gegebenen Versatzspannung gezeigt, wobei während des Modusübergangs ein Unterschwingen auf der Ausgangsspannung 220 bewirkt wird.
Ein weiteres Beispiel gemäß dem Stand der Technik nutzt eine Hysterese am Fehlerverstärkerausgang, wie in der U.S.-Anmeldung, Nummer 13/847,574 , offenbart ist. 3 zeigt die Beziehung 300 zwischen der Eingangsspannung und dem Fehlerverstärkerausgang mit einer Hysterese des Fehlerverstärkerausgangs während eines Modusübergangs eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltumsetzers. Das Vergrößern des Fehlerverstärkerausgangsspannungsbereichs für den aktuellen Betriebsmodus Tiefsetzsteller, Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller- oder Hochsetzsteller erzeugt eine Hysterese. Jedoch wird nach wie vor eine gewisse Versatzspannung auf dem Fehlerverstärkerausgang benötigt, wenn der Modusübergang auftritt, was ein gewisses Überschwingen und Unterschwingen ergibt, bis sich der Fehlerverstärkerausgang auf dem richtigen Spannungspegel stabilisiert. Wenn während eines Einschwingvorgangs einer Last und/oder einer Leitung ein Modusübergang auftritt, wird das Überschwingen und Unterschwingen größer.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der Offenbarung ist, einen Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer mit verringerter Ausgangsspannungsstörung während Modusübergängen zwischen den Betriebsbereichen des Schaltleistungsumsetzers zu schaffen.
Ferner ist eine weitere Aufgabe dieser Offenbarung ein Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer mit einem verringerten Modusprellen zwischen zwei Betriebsmodi und einer kleineren Überschwing- und Unterschwingspannung am Ausgang des Schaltumsetzers.
Eine nochmals weitere Aufgabe dieser Offenbarung ist ein Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer, der die Frequenzeigenschaft der Steuerschleife des Schaltleistungsumsetzers aufrechterhält.
Um die oben stehenden und andere Aufgaben zu schaffen, ist ein Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer offenbart, der einen Modusübergangsdetektor, der konfiguriert ist, die Eingangssignale der Tiefsetzsteller- und Hochsetzsteller-Pulsbreitenmodulation (PWM) zu überwachen, einen Fehlerverstärker, einen Hauptausgleichskondensator an einem Ausgang des Fehlerverstärkers und eine Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen, die konfiguriert ist, den Hauptausgleichkondensator während eines Modusübergangs anhand der Detektion des Modusübergangs durch den Modusübergangsdetektor aufzuladen oder zu entladen, umfasst. Der Schaltumsetzer umfasst ferner digitale Logikgatter, die konfiguriert sind, einen Modusübergang zwischen den PWM-Eingangssignalen zu detektieren. Der Schaltumsetzer umfasst nochmals weiter einen Pulssignalgenerator, der konfiguriert ist, die PWM-Eingangssignale während des Modusübergangs zu überspringen oder erneut zu erzeugen und einen Puls auszugeben, der eine Signalbreite von einem Taktzyklus aufweist.
Die oben stehenden und andere Aufgaben werden ferner durch ein Verfahren zum Betreiben eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzers geschaffen. Die Schritte enthalten das Überwachen der Eingangssignale der Tiefsetzsteller- und Hochsetzsteller-Pulsbreitenmodulation (PWM), um einen Modusübergang zu detektieren. Ein Fehlerverstärker und ein Hauptausgleichskondensator an einem Ausgang des Fehlerverstärkers werden bereitgestellt. Das Aufladen oder Entladen des Hauptausgleichskondensators während eines Modusübergangs anhand der Detektion des Modusübergangs wird bereitgestellt.
In diversen Ausführungsformen kann die Funktionalität durch einen Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzer geschaffen werden, der in den Schaltmodi Tiefsetzsteller, Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller und Hochsetzsteller arbeitet.
In diversen Ausführungsformen kann die Funktionalität durch einen Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzer geschaffen werden, der in den Schaltmodi Tiefsetzsteller, Halbfrequenz-Tiefsetzsteller, Halbfrequenz-Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller, Halbfrequenz-Hochsetzsteller- und Hochsetzsteller arbeitet.
In diversen Ausführungsformen kann die Funktionalität durch einen Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzer geschaffen werden, wobei ein schneller Vorwärtskopplungsweg mit niedriger Verstärkung über die Fehlerverstärkereingänge und einen Vorwärtskopplungskondensator geschaltet ist und ein Vorwärtskopplungswiderstand über den Hauptausgleichskondensator und den Vorwärtskopplungskondensator geschaltet ist.
Figurenliste

1a zeigt eine Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltkonfiguration gemäß dem Stand der Technik mit 1 induktiven Bauelement und 4 Schaltern.
1b & 1c veranschaulichen die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und dem Fehlerverstärkerausgang für eine konstante Ausgangsspannung und verschiedene Betriebsmodi eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltumsetzers gemäß dem Stand der Technik.
2 veranschaulicht das Verhalten der Ausgangsspannung und des Fehlerverstärkerausgangs bei einem Modusübergang eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltumsetzers gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und dem Fehlerverstärkerausgang mit einer Hysterese des Fehlerverstärkerausgangs während eines Modusübergangs eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltumsetzers gemäß dem Stand der Technik.
4a zeigt eine Schaltungsimplementierung, wobei das Hinzufügen zweier Versatzspannungen in den Rampensignalen oder den PWM-Komparatoren das Halbieren der Schaltfrequenz ermöglicht.
4b & 4c veranschaulichen den Fehlerverstärkerausgang, der auf den korrekten Spannungspegel beschleunigt wird, wenn der Modusübergang detektiert wird, derart, dass der Ausgangsspannungspegel nahe an das Ziel verschoben wird, worin die Prinzipien der Offenbarung ausgeführt sind.
5 zeigt das Verhalten der Ausgangsspannung und des Fehlerverstärkerausgangs bei einem Modusübergang, worin die Prinzipien der Offenbarung ausgeführt sind.
6 veranschaulicht die Signalzustände der Pulsbreitenmodulation (PWM), um Modusübergänge zu definieren, worin die Prinzipien der Offenbarung ausgeführt sind.
7a veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Offenbarung zum Steuern des Hauptausgleichskonsensators Cc des Fehlerverstärkers 30.
7b veranschaulicht 775, eine alternative Ausführungsform der Offenbarung zum Steuern des Hauptausgleichskondensators Cc des Fehlerverstärkers 30.
8a & 8b zeigen Modusübergangswellenformen, wobei ein Modusübergang bewirkt wird, wenn von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller auf Tiefsetzsteller umgeschaltet wird, sowohl mit als auch ohne die Prinzipien der Offenbarung.
9a & 9b veranschaulichen Wellenformen, wobei durch einen Leitungseinschwingvorgang auf der Eingangsspannung ein Modusübergang bewirkt wird, wobei ein Modusübergang von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller auf Tiefsetzsteller bewirkt wird, mit und ohne die Prinzipien der Offenbarung.
10 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Betreiben eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzers, worin die Prinzipien der Offenbarung ausgeführt sind.

Genaue Beschreibung der Erfindung
Die Offenbarung stellt das Vermindern des Überschwingens und Unterschwingens während der Modusübergänge eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzers sicher, ohne Modusprellen zu bewirken. Dies wird geschaffen, indem ein Hauptausgleichskondensator des Fehlerverstärkers innerhalb eines Taktzyklus aufgeladen oder entladen wird, derart, dass der Ausgangsspannungspegel nahe an den Zielwert verschoben wird. Das erwartete Verhalten der Offenbarung ist auf einen Modusübergangsdetektor und eine Schaltung zum Aufladen und Entladen eines Fehlerverstärkerausgangs zurückzuführen.
4a zeigt eine Schaltungsimplementierung, wie im U.S.-Patent 8860387 offenbart, wobei das Hinzufügen zweier Versatzspannungen in den Rampensignalen oder den PWM-Komparatoren das Halbieren der Schaltfrequenz ermöglicht. Die Schaltung enthält eine Schaltkonfiguration mit 1 induktiven Bauelement und 4 Schaltern, wobei Vout der invertierende Eingang des Fehlerverstärkers 30 ist und Vref der nicht invertierende Eingang ist. Der Fehlerverstärker bestimmt die Versatzspannung 33, die der invertierende Eingang in die PWM-Komparatoren 31 und 32 ist. Die Rampensignale 35 und 36 führen den Komparatoren die nicht invertierenden Eingänge zu. Die Komparatorausgänge PWM1 und PWM2 steuern die Logikschaltungen 34 an, die die Ansteuersignale für die Schalter S1 bis S4 bereitstellen. Die Versatzspannungssteuerung von den Logikschaltungen 34 ist der Eingang für die Versatzspannung 33. Die Eingänge Vout und Vref aus 4a sind die Eingänge des Fehlerverstärkers 30 in 7a & 7b der Offenbarung, die später zu beschreiben sind.
In 4a kann der Betrieb/die Steuerung des Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzers in 5 Modi unterteilt werden, die der Tiefsetzsteller-Modus, der Halbfrequenz-Tiefsetzsteller-Modus, der Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Modus, der Halbfrequenz-Hochsetzsteller-Modus und der Hochsetzsteller-Modus sind. Im Tiefsetzsteller-Modus und im Halbfrequenz-Tiefsetzsteller-Modus ist der Schalter S3 ununterbrochen ausgeschaltet, und der Schalter S4 ist ununterbrochen eingeschaltet, wobei eine Tiefsetzsteller-Topologie erzeugt wird. Der Unterschied zwischen dem Tiefsetzsteller-Modus und dem Halbfrequenz-Tiefsetzsteller-Modus ist die verringerte Schaltfrequenz des Halbfrequenz-Tiefsetzsteller-Modus. Im Halbfrequenz-Tiefsetzsteller-Modus arbeitet der Umsetzer im Vergleich zum Tiefsetzsteller-Modus mit der halben Schaltfrequenz. Im Hochsetzsteller-Modus und im Halbfrequenz-Hochsetzsteller-Modus ist der Schalter S1 ununterbrochen eingeschaltet, und der Schalter S2 ist ununterbrochen ausgeschaltet, womit eine Hochsetzsteller-Topologie erzeugt wird. Im Halbfrequenz-Hochsetzsteller-Modus schaltet der Umsetzer im Vergleich zum Hochsetzsteller-Modus mit der halben Frequenz. Im Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Modus schalten sowohl das Schalterpaar S1 und S2 als auch das Schalterpaar S3 und S4 mit verschiedenen PWM-Signalen. Die Frequenz beträgt im Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Modus im Vergleich zum Tiefsetzsteller-Modus oder zum Hochsetzsteller-Modus ebenfalls die Hälfte. Wenn die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung nahe beieinander liegen, wird die Schaltfrequenz auf die Hälfte der ursprünglichen Frequenz verringert, derart, dass der Ansteuerungsverlust der Schalter bedeutend verringert wird.
4b & 4c veranschaulichen 400, wobei der Fehlerverstärkerausgang auf den korrekten Spannungspegel beschleunigt wird, wenn der Modusübergang detektiert wird, derart, dass der Ausgangsspannungspegel nahe an das Ziel verschoben wird. Die Schaltmodi Tiefsetzsteller, Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller und Hochsetzsteller sind in der Wellenform 4b veranschaulicht, die Schaltmodi Tiefsetzsteller, Halbfrequenz-Tiefsetzsteller (fsw/2-Tiefsetzsteller), fsw/2-Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller, fsw/2-Hochsetzsteller und Hochsetzsteller sind in der Wellenform 4c veranschaulicht, für einen Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzer, der in fünf verschiedenen Modi arbeitet, wie im U.S.-Patent 8860387 des verwandten Gebiets zu sehen ist. Es ist das Vermindern des Überschwingens und Unterschwingens während der Modusübergänge ohne ein Modusprellen oder eine Hysterese gezeigt. Dies ist der Fall, wenn der Hauptausgleichskondensator des Fehlerverstärkers der Offenbarung innerhalb eines Taktzyklus aufgeladen oder entladen wird.
5 zeigt das Verhalten 500 der Ausgangsspannung und des Fehlerverstärkerausgangs bei einem Modusübergang. Wenn die Eingangsspannung einen Schwellenwert überquert, tritt ein Modusübergang auf. Der Fehlerverstärkerausgang 510 ist mit einer gegebenen Versatzspannung gezeigt, wobei während des Modusübergangs ein Unterschwingen auf der Ausgangsspannung 520 bewirkt wird, wenn die Offenbarung nicht implementiert ist. Der Fehlerverstärkerausgang 505 ist mit einer gegebenen Versatzspannung mit einem minimalen Unterschwingen auf der Ausgangsspannung 515 während des Modusübergangs gezeigt. Dies ist der Fall, wenn die Offenbarung bewirkt, dass der Ausgangsspannungspegel nahe an den Zielwert verschoben wird.
6 veranschaulicht die Signalzustände 600 der Pulsbreitenmodulation (PWM), um Modusübergänge zu definieren. Eine erste Signalgruppe 612 veranschaulicht Modusübergänge zwischen dem Tiefsetzsteller-Modus und dem Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Modus. Wenn das Hochsetzsteller-PWM-Signal übersprungen wird oder der Hochsetzsteller vollständig ausgeschaltet ist, weil seine Breite schmäler als die minimale Breite ist, wird das Tiefsetzsteller-PWM-Signal erzeugt, und dies wird als ein Modusübergang von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu Tiefsetzsteller betrachtet, wie in 610 gezeigt ist. Wenn das Hochsetzsteller-PWM-Signal erzeugt wird, nachdem es im vorhergehenden Zyklus vollständig ausgeschaltet war, wenn es übersprungen wurde, wird dies als ein Modusübergang von Tiefsetzsteller zu Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller betrachtet, wie in 615 gezeigt ist.
Eine zweite Signalgruppe 622 veranschaulicht Modusübergänge zwischen dem Hochsetzsteller-Modus und dem Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Modus. Wenn das Tiefsetzsteller-PWM-Signal übersprungen wird oder der Tiefsetzsteller vollständig eingeschaltet ist, weil seine Breite schmäler als die minimale Breite ist und das Hochsetzsteller-PWM-Signal erzeugt wird, wird dies als ein Modusübergang von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu Hochsetzsteller betrachtet, wie in 620 gezeigt ist. Wenn das Tiefsetzsteller-PWM-Signal erzeugt wird, nachdem es im vorhergehenden Zyklus vollständig ausgeschaltet war, wird dies als ein Modusübergang von Hochsetzsteller zu Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller betrachtet, wie in 625 gezeigt ist.
Eine dritte Signalgruppe 632 und 636 veranschaulicht Modusübergänge zwischen dem ½f-Tiefsetzsteller-Modus (½f-Hochsetzsteller-Modus) und dem 1f-Tiefsetzsteller-Modus (1f-Hochsetzsteller-Modus). Wenn das Tiefsetzsteller-PWM-Signal (Hochsetzsteller-PWM-Signal) übersprungen wird, nachdem es in den vorhergehenden zwei Zyklen eingeschaltet war, wird dies als ein Modusübergang von 1f-Tiefsetzsteller (1f-Hochsetzsteller) zu ½f-Tiefsetzsteller (½f-Hochsetzsteller) betrachtet, wie in 630 gezeigt ist, wobei 1f die vollständige Frequenz ist und ½f die halbe Frequenz ist. Wenn das Tiefsetzsteller-PWM-Signal (Hochsetzsteller-PWM-Signal) in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen erzeugt wird, nachdem es im vorhergehenden Zyklus übersprungen wurde, wird dies als ein Modusübergang von ½f-Tiefsetzsteller (½f-Hochsetzsteller) zu 1f-Tiefsetzsteller (1f-Hochsetzsteller) betrachtet, wie in 635 gezeigt ist, wobei ½f die halbe Frequenz ist und 1f die vollständige Frequenz ist.
Eine vierte Signalgruppe 642 veranschaulicht Modusübergänge zwischen dem ½f-Tiefsetzsteller-Modus und ½f-Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Modus. Wenn das ½f-Hochsetzsteller-PWM-Signal übersprungen wird, weil seine Breite schmäler als die minimale Breite ist, wird das ½f-Tiefsetzsteller-PWM-Signal erzeugt, und dies wird als ein Modusübergang von ½f-Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu ½f-Tiefsetzsteller betrachtet, wie in 640 gezeigt ist. Wenn das ½f-Hochsetzsteller-PWM-Signal erzeugt wird, nachdem es im vorhergehenden Zyklus vollständig ausgeschaltet war, wird dies als ein Modusübergang von ½f-Tiefsetzsteller zu ½f-Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller betrachtet, wie in 645 gezeigt ist.
Eine fünfte Signalgruppe 652 veranschaulicht Modusübergänge zwischen dem ½f-Hochsetzsteller-Modus und dem ½f-Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Modus. Wenn das ½f-Tiefsetzsteller-PWM-Signal übersprungen wird, weil seine Breite schmäler als die minimale Breite ist, und das ½f-Hochsetzsteller-PWM-Signal erzeugt wird, wird dies als ein Modusübergang von ½f-Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu ½f-Hochsetzsteller betrachtet, wie in 650 gezeigt ist. Wenn das ½f-Tiefsetzsteller-PWM-Signal erzeugt wird, nachdem es im vorhergehenden Zyklus vollständig ausgeschaltet war, wird dies als ein Modusübergang von ½f-Hochsetzsteller zu ½f-Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller betrachtet, wie in 655 gezeigt ist.
7a veranschaulicht 700, eine bevorzugte Ausführungsform der Offenbarung, zum Steuern des Hauptausgleichskondensators Cc des Fehlerverstärkers 30. Wichtige Elemente enthalten einen Modusübergangsdetektor 710 und eine Schaltungsanordnung zum Aufladen/Entladen, wobei der vorgeschlagene Modusübergangsdetektor 710 aus digitalen Logikgattern zusammengesetzt ist. Die Logikschaltungsanordnung überwacht die Eingangssignale der Tiefsetzsteller-PWM und der Hochsetzsteller-PWM und detektiert ein Überspringen oder ein erneutes Erzeugen dieser Signale, um zu bestimmen, welche der diversen Modusübergänge, die in 6 gezeigt sind, eingetreten sind. Die Modusübergangsdetektorlogik bestimmt, ob ein Modusübergang eintritt, wobei bewirkt wird, dass durch den Pulssignalgenerator 720 ein Puls erzeugt wird.
Die Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen umfasst eine PMOS-Stromquelle 750, eine NMOS-Stromquelle 760 und Steuerschalter 755 und 765, jeweils für die Stromquellen. Der Fehlerverstärker 30 umfasst einen Transkonduktanzoperationsverstärker (OTA) und empfängt den nicht invertierenden Eingang Vref und den invertierenden Eingang Vout und versorgt den Hauptausgleichskondensator Cc. Der Ausgang des Fehlerverstärkers ist mit der Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen verbunden, und der Ausgang output ist ein Eingang für die Versatzspannung 33, die die PWM-Komparatoren versorgt. Die Referenzspannung Vref, die Rückkopplungsausgangsspannung Vout und die Eingangssignale PWM1 und PWM2 entsprechen den Signalen mit demselben Namen in 4a.
7b veranschaulicht 775, eine alternative Ausführungsform der Offenbarung, zum Steuern des Hauptausgleichskondensators Cc des Fehlerverstärkers 30. Wichtige Elemente enthalten den Modusübergangsdetektor 710 und eine Schaltungsanordnung zum Aufladen/Entladen, wobei der vorgeschlagene Modusübergangsdetektor 710 aus digitalen Logikgattern zusammengesetzt ist. Die Logikschaltungsanordnung überwacht die Eingangssignale der Tiefsetzsteller-PWM und der Hochsetzsteller-PWM und detektiert ein Überspringen oder ein erneutes Erzeugen dieser Signale, um zu bestimmen, welche der diversen Modusübergänge, die in 6 gezeigt sind, eingetreten sind. Die Modusübergangsdetektorlogik bestimmt, ob ein Modusübergang eintritt, wobei bewirkt wird, dass durch den Pulssignalgenerator 720 ein Puls erzeugt wird. Die Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen umfasst eine PMOS-Stromquelle 750, eine NMOS-Stromquelle 760 und Steuerschalter 755 und 765, jeweils für die Stromquellen. Der Fehlerverstärker 30 umfasst einen Transkonduktanzoperationsverstärker (OTA) und empfängt den nicht invertierenden Eingang Vref und den invertierenden Eingang Vout und versorgt den Hauptausgleichskondensator Cc. Der Ausgang des Fehlerverstärkers ist mit der Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen verbunden. Die Referenzspannung Vref, die Rückkopplungsausgangsspannung Vout und die Eingangssignale PWM1 und PWM2 entsprechen den Signalen mit demselben Namen in 4a.
In 7b ist ein schneller Vorwärtskopplungsweg mit niedriger Verstärkung über die Eingänge Vref und Vout geschaltet, und der Ausgang des Vorwärtskopplungsweges versorgt den Vorwärtskopplungskondensator Cff. Der Vorwärtskopplungswiderstand Rff ist über den Hauptausgleichskondensator Cc und den Vorwärtskopplungskondensator Cff geschaltet. Der Ausgang output, der über dem Vorwärtskopplungswiderstand Rff gelesen wird, ist ein Eingang für die Versatzspannung 33, die die PWM-Komparatoren versorgt. Die niedrige Verstärkung ist eine begrenzte Verstärkung und nicht durch die Verstärkungsstufentopologie der alternativen Ausführungsform eingeschränkt.
Wenn die Schaltung ein PWM-Signal empfängt, das einen Modusübergang angibt, erzeugt der Pulssignalgenerator ein Pulssignal, dessen Breite ein Taktzyklus ist. Dieses Pulssignal bewirkt, dass einer der Schalter für die PMOS-Stromquelle oder die NMOS-Stromquelle eingeschaltet wird. Für die Modusübergänge von Tiefsetzsteller zu ½f-Tiefsetzsteller 630, von Tiefsetzsteller zu Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller 615 und 645, von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu Hochsetzsteller 620 und 650 und von ½f-Hochsetzsteller zu Hochsetzsteller 635 ist der Schalter für die PMOS-Stromquelle aktiviert, um den Hauptausgleichskondensator direkt aufzuladen. Für die Modusübergänge von Hochsetzsteller zu ½f-Hochsetzsteller 630, von Hochsetzsteller zu Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller 625 und 655, von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu Tiefsetzsteller 610 und 640 und von ½f-Tiefsetzsteller zu Tiefsetzsteller 635 ist der Schalter für die NMOS-Stromquelle aktiviert, um den Ausgleichskondensator zu entladen.
8a & 8b zeigen die Modusübergangswellenformen 800, wobei ein Modusübergang bewirkt wird, wenn von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller auf Tiefsetzsteller geschaltet wird, sowohl mit als auch ohne die Prinzipien der Offenbarung. In 8a beträgt das Überschwingen ohne den vorgeschlagenen Modusübergangsdetektor und die vorgeschlagene Pulssignalgeneratorschaltungsanordnung der Offenbarung etwa 50 mV. In 8b ist das Überschwingen während des Modusübergangs mit dem vorgeschlagenen Modusübergangsdetektor und der vorgeschlagenen Pulssignalgeneratorschaltungsanordnung der Offenbarung kleiner als 10 mV, eine bedeutende Verbesserung.
9a & 9b veranschaulichen die Wellenformen 900, wobei durch einen Leitungseinschwingvorgang auf der Eingangsspannung Vin ein Modusübergang bewirkt wird, wobei ein Modusübergang von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu Tiefsetzsteller bewirkt wird, mit und ohne die Prinzipien der Offenbarung. Der Leitungseinschwingvorgang liegt im Bereich von 3,7 V bis 4,3 V, innerhalb von 10 µS, was eine allgemeine Spezifikation für mobile Anwendungen ist. In 9a beträgt das Überschwingen auf der Ausgangsspannung ohne den vorgeschlagenen Modusübergangsdetektor und die vorgeschlagene Pulssignalgeneratorschaltungsanordnung der Offenbarung etwa 200 mV. In 9b ist das Überschwingen auf der Ausgangsspannung mit dem vorgeschlagenen Modusübergangsdetektor und der vorgeschlagenen Pulssignalgeneratorschaltungsanordnung der Offenbarung auf weniger als 100 mV vermindert, eine bedeutende Verbesserung.
10 ist ein Ablaufplan 1000 eines Verfahrens zum Betreiben eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzers. Die Schritte enthalten das Überwachen der Eingangssignale der Tiefsetzsteller- und Hochsetzsteller-Pulsbreitenmodulation (PWM), um einen Modusübergang zu detektieren, in 1010. Ein Fehlerverstärker und ein Hauptausgleichskondensator an einem Ausgang des Fehlerverstärkers werden in 1020 bereitgestellt. Das Aufladen oder Entladen des Hauptausgleichskondensators während eines Modusübergangs anhand der Detektion des Modusübergangs wird in 1030 bereitgestellt.
Die Vorteile der einen oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten das Vermindern der Ausgangsstörung während des Modusübergangs zwischen den Betriebsbereichen des Schaltumsetzers, zusätzlich zum Verringern des Risikos eines Modusprellens zwischen zwei Betriebsmodi. Der vorgeschlagene Schaltumsetzer stellt eine Energieversorgung mit einem kleineren Überschwingen und Unterschwingen bereit, was ermöglicht, die Frequenzeigenschaft der Steuerschleife nicht zu ändern. Weil die Steuerschleifenstabilität nicht geändert wird und kein Instabilitätsproblem bewirkt wird, bewirkt ein Modusübergang, der während eines Einschwingvorgangs einer Last- und/oder einer Leitung auftritt, nicht, dass das Überschwingen und Unterschwingen bedeutend größer wird.
Obwohl die Erfindung insbesondere mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen hiervon gezeigt und beschrieben wurde, versteht der Fachmann auf dem Gebiet, dass verschiedene Änderungen in Form und Ausführung vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 13847 [0003]
US 574 [0003]
US 6166527 [0005]
US 8860387 [0006, 0020, 0022]
US 13847574 [0010]

Claims

Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer, der Folgendes umfasst: einen Modusübergangsdetektor, der konfiguriert ist, die Eingangssignale der Tiefsetzsteller- und Hochsetzsteller-Pulsbreitenmodulation (PWM) zu überwachen; einen Fehlerverstärker; einen Hauptausgleichskondensator an einem Ausgang des Fehlerverstärkers; und eine Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen, die konfiguriert ist, den Hauptausgleichskondensator während eines Modusübergangs anhand der Detektion des Modusübergangs durch den Modusübergangsdetektor aufzuladen oder zu entladen.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach Anspruch 1, wobei der Modusübergangsdetektor ferner digitale Logikgatter umfasst, die konfiguriert sind, einen Modusübergang zwischen den PWM-Eingangssignalen zu detektieren.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach Anspruch 1 oder 2, der ferner einen Pulssignalgenerator, der zwischen dem Modusübergangsdetektor und der Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen verbunden ist, umfasst.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach Anspruch 3, wobei der Pulssignalgenerator konfiguriert ist, während des Modusübergangs die PWM-Signale zu überspringen oder erneut zu erzeugen.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Pulssignalgenerator konfiguriert ist, einen Puls auszugeben, der eine Signalbreite von einem Taktzyklus aufweist.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hauptausgleichskondensator aufgeladen oder entladen wird, derart, dass der Ausgang des Fehlerverstärkers nahe an einen Zielwert verschoben wird.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fehlerverstärker einen Transkonduktanzoperationsverstärker umfasst.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach Anspruch 7, wobei der Fehlerverstärker konfiguriert ist, Eingänge zu empfangen, die eine Referenzspannung und eine Rückkopplungsausgangsspannung umfassen.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach Anspruch 8, der ferner einen schnellen Vorwärtskopplungsweg mit niedriger Verstärkung, der über die Fehlerverstärkereingänge geschaltet ist und an seinem Ausgang einen Vorwärtskopplungskondensator aufweist, umfasst.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach Anspruch 9, wobei ein Vorwärtskopplungswiderstand über den Hauptausgleichskondensator und den Vorwärtskopplungskondensator geschaltet ist.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach Anspruch 10, wobei der Hauptausgleichskondensator aufgeladen oder entladen wird, derart, dass der Ausgang des Fehlerverstärkers über dem Vorwärtskopplungswiderstand nahe an einen Zielwert verschoben wird.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen eine PMOS-Stromquelle und eine NMOS-Stromquelle und Steuerschalter für die Stromquellen umfasst.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen derart konfiguriert ist, dass einer der Steuerschalter für die PMOS-Stromquelle oder die NMOS-Stromquelle eingeschaltet ist.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schalter für die PMOS-Stromquelle für einen Modusübergang von Tiefsetzsteller zu ½f-Tiefsetzsteller, von Tiefsetzsteller zu Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller, von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu Hochsetzsteller und von ½f-Hochsetzsteller zu Hochsetzsteller konfiguriert ist, eingeschaltet zu sein, um den Hauptausgleichskondensator aufzuladen.
Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltleistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schalter für die NMOS-Stromquelle für einen Modusübergang von Hochsetzsteller zu ½f-Hochsetzsteller, von Hochsetzsteller zu Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller, von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu Tiefsetzsteller und von ½f-Tiefsetzsteller zu Tiefsetzsteller konfiguriert ist, eingeschaltet zu sein, um den Hauptausgleichskondensator zu entladen.
Verfahren zum Betreiben eines Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller-Schaltumsetzers, das die folgenden Schritte umfasst: Überwachen der Eingangssignale der Tiefsetzsteller- und Hochsetzsteller-Pulsbreitenmodulation (PWM), um einen Modusübergang zu detektieren; Bereitstellen eines Fehlerverstärkers und eines Hauptausgleichskondensators an einem Ausgang des Fehlerverstärkers; und Aufladen oder Entladen des Hauptausgleichskondensators während eines Modusübergangs anhand der Detektion des Modusübergangs.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner einen Pulssignalgenerator, der die PWM-Signale während des Modusübergangs überspringt oder erneut erzeugt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Pulssignalgenerator einen Puls ausgibt, der eine Signalbreite von einem Taktzyklus aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei sich der Hauptausgleichskondensator auflädt oder entlädt, derart, dass sich der Ausgang des Fehlerverstärkers nahe an einen Zielwert verschiebt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei der Fehlerverstärker Eingänge empfängt, die eine Referenzspannung und eine Rückkopplungsausgangsspannung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner einen schnellen Vorwärtskopplungsweg mit niedriger Verstärkung, der über die Fehlerverstärkereingänge geschaltet ist, und einen Vorwärtskopplungskondensator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein Vorwärtskopplungswiderstand über den Hauptausgleichskondensator und den Vorwärtskopplungskondensator geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei sich der Hauptausgleichskondensator auflädt oder entlädt, derart, dass sich der Ausgang des Fehlerverstärkers über dem Vorwärtskopplungswiderstand nahe an einen Zielwert verschiebt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die Auflade/Entlade-Schaltung den Hauptausgleichskondensator für den Modusübergang von Tiefsetzsteller zu ½f-Tiefsetzsteller, von Tiefsetzsteller zu Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller, von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu Hochsetzsteller und von ½f-Hochsetzsteller zu Hochsetzsteller mit einer PMOS-Stromquelle auflädt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, wobei die Auflade/Entlade-Schaltung den Hauptausgleichskondensator für den Modusübergang von Hochsetzsteller zu ½f-Hochsetzsteller, von Hochsetzsteller zu Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller, von Tiefsetzsteller-Hochsetzsteller zu Tiefsetzsteller und von ½f-Tiefsetzsteller zu Tiefsetzsteller mit einer NMOS-Stromquelle auflädt.