DE102017219664A1

DE102017219664A1 - Konstante Einschaltdauer einer Pulsfrequenzmodulation mit Spitzenstrom-Servo

Info

Publication number: DE102017219664A1
Application number: DE102017219664.5A
Authority: DE
Inventors: Mark Childs
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2019-01-17
Also published as: US20190020275A1; US10381927B2

Abstract

Die Offenbarung beschreibt einen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandler, der einen Spitzenstrom-Servo vorsieht, welcher ein Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Steuersignal und eine konstante Einschaltdauer verwendet. Ein einen PFM-Modus unterstützender Abwärts-, Aufwärts-, Abwärts-/Aufwärts- oder ähnlicher Schaltwandler ist erforderlich, welcher ein Schema mit fester Einschaltdauer für PFM verwendet. Ein Endwert des Spulenstroms wird abgetastet, und der abgetastete Wert des Spulenstroms wird mit einem Sollwert für den Spulenstrom verglichen, um festzustellen, ob er größer oder kleiner als der Sollwert ist. Die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung wird nachgestellt, um den Endwert des Spulenstroms mittels einer adaptiven Spulenstrommessung näher an den Sollwert zu bringen.

Description

Hintergrund
Verwandte Patentanmeldungen
Diese Anmeldung bezieht sich auf die am 19. Sept. 2016 eingereichte deutsche Patentanmeldung 102016217857.1 , welche einem gemeinsamen Rechtsinhaber gehört und in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin einbezogen wird.
Gebiet
Die Offenbarung betrifft allgemein einen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter, welcher ein Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Steuersignal und eine konstante Einschaltdauer verwendet.
Beschreibung des Stands der Technik
In einem einphasigen Abwärts-Schaltwandler wird eine einfache Form von Pulsfrequenzmodulation (PFM) in diskontinuierlichem Modus (DCM) verwendet. Dies bedeutet, dass ein Abwärts- (Aufwärts-, Abwärts-/Aufwärts- oder ähnlicher) Schaltwandler bei einer leichten Last arbeitet, indem er einen einzelnen Strompuls produziert.
1 veranschaulicht Signalverläufe 100 eines einphasigen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandlers nach Stand der Technik, welcher eine einfache Form von Pulsfrequenzmodulation (PFM) in diskontinuierlichem Modus (DCM) verwendet. In diesem Modus schaltet der Abwärts-Schaltwandler eine oberseitige Durchlassvorrichtung PMOS_ON 130 ein, wenn eine Ausgangsspannung VOUT 110 unter eine Sollspannung 115 sinkt, wodurch VUNDER 120 gesetzt wird. Wenn die oberseitige Durchlassvorrichtung eingeschaltet wird, beginnt ein Spulenstrom ICOIL 140 anzusteigen. Sobald der Spulenstrom einen Sollstrom 145 erreicht, wodurch ILIMIT 150 gesetzt wird, wird die oberseitige Durchlassvorrichtung ausgeschaltet und wird die unterseitige Durchlassvorrichtung NMOS_ON 160 eingeschaltet. Der Spulenstrom sinkt dann, und sobald er null erreicht, wird die unterseitige Durchlassvorrichtung ausgeschaltet. Die Durchlassvorrichtungen sind dann beide aus, und die Spannung wird in dem Ausgangskondensator gespeichert. Die Ausgangsspannung entlädt sich dann langsam, bis die Ausgangsspannung unter die Sollspannung sinkt, und der Zyklus wird von neuem gestartet.
Kurzbeschreibung
Eine Aufgabe der Offenbarung ist, einen Spitzenstrom-Servo bereitzustellen, welcher ein Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Steuersignal und eine konstante Einschaltdauer verwendet. Ein einen PFM-Modus unterstützender Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandler (Abwärts-, Aufwärts-, Abwärts-/Aufwärts- oder ähnlicher Schaltwandler) ist erforderlich, welcher ein Schema mit fester Einschaltdauer verwendet. Der Endwert des Spulenstroms wird abgetastet, und der abgetastete Wert des Spulenstroms wird mit einem Sollwert für den Spulenstrom verglichen, um festzustellen, ob er größer oder kleiner als der Sollwert ist. Die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung wird nachgestellt, um den Endwert des Spulenstroms näher an den Sollwert zu bringen.
Ferner ist eine weitere Aufgabe dieser Offenbarung die Auslegung eines Schaltwandlers mit einem Induktor geringen Werts, welcher bei PFM einen genauen Spitzenstrom zustandebringt.
Ferner ist eine weitere Aufgabe dieser Offenbarung die Auslegung eines gut gesteuerten Spitzen-Spulenstroms bei PFM ungeachtet des Spulenwerts oder der Betriebsbedingungen.
Um die obigen und weitere Aufgaben zu erfüllen, wird ein Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandler offenbart, enthaltend einen Spitzenstrom-Servo, welcher dafür konfiguriert ist, ein Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Steuersignal und eine konstante Einschaltdauer zu verwenden. Der Schaltwandler enthält ferner eine Abtastschaltung, welche dafür konfiguriert ist, die Beachtung der Spitzenstrom-Information zu ermöglichen, nachdem die oberseitige Vorrichtung ausgeschaltet wurde, und die Beachtung der Pulsdauer-Information zu ermöglichen, nachdem die unterseitige Vorrichtung ausgeschaltet wurde. Der Schaltwandler enthält ferner einen Komparator, welcher dafür konfiguriert ist, die Information über den abgetasteten Spitzenstrom mit einem Stromsollwert zu vergleichen und die Information über die abgetastete Pulsdauer mit der Taktperiode zu vergleichen. Der Schaltwandler enthält ferner einen Zähler, welcher dafür konfiguriert ist, die Einschaltdauer so nachzustellen, dass der Spitzenstrom nachfolgender Zyklen sich dem Sollstrom annähert, und die Einschaltdauer so nachzustellen, dass die Pulsdauer nachfolgender Zyklen sich der Taktperiode annähert. Der Schaltwandler enthält ferner die Information über die abgetastete Pulsdauer, welche dafür konfiguriert ist, die gesteuerte Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung für einen PFM-Modus mit fester Einschaltdauer einzustellen.
Die obigen und weitere Aufgaben werden ferner durch ein Verfahren für einen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandler mit einem Spitzenstrom-Servo, welcher einen Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Modus und eine konstante Einschaltdauer unterstützt, erfüllt. Die Schritte umfassen das Betreiben eines Schaltwandlers unter Verwendung eines Schemas mit fester Einschaltdauer für einen PFM-Modus, wobei der Schaltwandler eine oberseitige und eine unterseitige Vorrichtung enthält, um einen Induktor anzusteuern. Das Abtasten eines Stroms durch einen Induktor zum Erzeugen eines ersten Stroms ist vorgesehen. Das Abtasten eines zweiten Stroms ist vorgesehen. Das Vergleichen des ersten und des zweiten Stroms ist vorgesehen. Das Ändern eines Zählerwerts auf der Grundlage des Vergleichens des ersten und des zweiten Stroms ist vorgesehen. Das Einstellen der Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung auf der Grundlage des Zählerwerts ist vorgesehen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Funktion durch Realisieren einer näher an der Taktperiode liegenden Pulsdauer, wobei die Pulsdauer sich über nachfolgende Zyklen der Taktperiode annähert, zustandegebracht werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Funktion durch Realisieren einer oberseitigen PMOS-Vorrichtung und einer unterseitigen NMOS-Vorrichtung zustandegebracht werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Funktion durch Realisieren eines Paars Referenzströme und eines Paars Kondensatoren zustandegebracht werden.
Figurenliste

1 veranschaulicht Signalverläufe eines einphasigen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandlers nach Stand der Technik, welcher eine einfache Form von Pulsfrequenzmodulation (PFM) in diskontinuierlichem Modus (DCM) verwendet.
2 veranschaulicht Signalverläufe eines einphasigen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandlers, welcher Pulsfrequenzmodulation (PFM) und ein Steuerschema mit konstanter Einschaltdauer für die oberseitige Vorrichtung verwendet, was die Prinzipien der Offenbarung verkörpert.
3 zeigt einen Spitzenstrom-Servo, realisiert mit einer Abtastschaltung, welche zum Vergleichen der LX-Spannung mit der Referenzspannung verwendet wird.
4 ist ein Zeitablauf-Schaubild, welches zeigt, wie durch Variieren der Einschaltdauer der Spitzenstrom des Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandlers gesteuert wird, was die Prinzipien der Offenbarung verkörpert.
5 veranschaulicht einen Blockschaltplan eines Regelkreises für einen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandler mit konstanter Einschaltdauer, wobei ein Digital/Analog-Wandler (DAC) die Sollspannung für den Schaltwandler liefert, was die Prinzipien der Offenbarung verkörpert.
6a zeigt eine Variante der Offenbarung, bei welcher ein Nulldurchgangs-Komparator zum Steuern der Welligkeit verwendet wird.
6b veranschaulicht Signalverläufe zum Steuern der Pulsdauer bei einer konstanten Einschaltdauer im Vergleich mit der Taktperiode, was eine Variante der Offenbarung verkörpert.
7 zeigt einen Blockschaltplan zum Steuern der Pulsdauer für eine konstante Einschaltdauer im Vergleich mit der Taktperiode, was eine Variante der Offenbarung verkörpert.
8 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zur Pulsfrequenzmodulation für konstante Einschaltdauer in einem Spitzenstrom-Servo eines Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichters, was die Prinzipien der Offenbarung verkörpert.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Zum Erreichen einer höheren Leistung und eines besseren Lasteinschwingverhaltens ist es vorteilhaft, in einphasigen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandlern Induktoren geringen Werts zu verwenden. Aus den Wirkungsgrad betreffenden Gründen ist es häufig erforderlich, dass der Spitzenstrom bei Pulsfrequenzmodulation (PFM) gut gesteuert wird. Darüber hinaus gibt es elektromagnetische Störungen (EMI) betreffende Gründe, den Spitzenstrom im PFM-Modus zu begrenzen.
In Abwärts-Schaltwandlern mit Induktoren sehr geringen Werts kann der Strom schneller hochfahren, als die Strombegrenzung abregeln kann. Dies kann an der Verzögerung des Strombegrenzungskomparators liegen, so dass der Spulenstrom in der Zeit, welche der Komparator zum Auslösen benötigt, um einen beträchtlichen Betrag ansteigt. Außerdem kann der Komparator zwischen Strompulsen deaktiviert oder in einen Zustand niedriger Vorspannung versetzt sein und kann die Zeit, welche er für seine Aktivierung benötigt, länger als die Anstiegszeit des Spulenstroms sein.
Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, einen Abwärts- (Aufwärts-, Abwärts-/Aufwärts- oder ähnlichen) Schaltwandler in eine Architektur mit fester Einschaltdauer im PFM-Modus zu versetzen. In einem Schema mit fester Einschaltdauer wird die oberseitige Vorrichtung jedesmal, wenn der Ausgang unter die Sollspannung fällt, für eine feste Dauer eingeschaltet. Sobald die oberseitige Vorrichtung für diese Zeit eingeschaltet gehalten wurde, wird sie ausgeschaltet und wird die unterseitige Vorrichtung eingeschaltet. Die unterseitige Vorrichtung wird ausgeschaltet, sobald der Strom in der Spule auf null sinkt. Dieses Schema stützt sich nicht auf das Messen des Stroms der oberseitigen Vorrichtung und kann Induktorspulen viel geringeren Werts und viel kürzere Einschaltdauern der oberseitigen Vorrichtung unterstützen. Wenn der Schaltwandler bei PFM einen genauen Spitzenstrom für kleinere Spulen als 240 nH festsetzen muss, kann er von dem hierin offenbarten adaptiven Spitzenstromverfahren profitieren.
Jedoch kann dieses Schema aus den Wirkungsgrad betreffenden Gründen Probleme verursachen. Da die Höhe des PFM-Pulses jetzt ungesteuert ist, ändert sich die genaue Höhe je nach Eingangs- und Ausgangsspannungs-Bedingungen. Dies kann auch aus elektromagnetische Störungen (EMI) betreffenden Gründen ein Problem in einem System sein. Die vorhandene Lösung hierfür ist, eine Nachschlagtabelle zu verwenden, um die Einschaltdauer auf der Grundlage der Versorgungsspannung oder der Ausgangsspannungswerte oder beider zu schätzen.
Die Offenbarung beschreibt einen Spitzenstrom-Servo, welcher ein Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Steuersignal verwendet, während er gleichzeitig mit einem PFM-Schema mit fester Einschaltdauer die Höhe der PFM-Pulse steuert. Der Spulenstrom wird an dem Punkt abgetastet, an welchem die oberseitige Vorrichtung ausgeschaltet wird. Dieser wird dann mit einem Referenzstrom verglichen, um festzustellen, ob der abschließende Spulenstrom größer oder kleiner als der Sollstrom war. Der Zeitgeber wird über viele Zyklen langsam nachgestellt, um den abschließenden Spulenstrom näher an den Sollstrom zu bringen.
2 veranschaulicht Signalverläufe 200 eines einphasigen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandlers, welcher Pulsfrequenzmodulation (PFM) und ein Steuerschema mit konstanter Einschaltdauer für die oberseitige Vorrichtung verwendet, was die Prinzipien der Offenbarung verkörpert. Wenn eine Ausgangsspannung VOUT 210 unter eine Sollspannung 215 fällt, meldet der Unterspannungs-Komparator Unterspannung VUNDER 220. Dies bewirkt, dass die oberseitige Vorrichtung PMOS_ON 230 eingeschaltet wird und ein Spulenstrom ICOIL 240 hochfährt. Gleichzeitig wird eine Freigabe TIMER_TRIG 250 für die Zeitgeber-Zelle gesetzt, wodurch der Zeitgeber gestartet wird. Eine gewisse feste Zeit später setzt der Zeitgeber Flag TIMER_OUT 260, welche anzeigt, dass die feste Einschaltdauer abgelaufen ist. Dies bewirkt, dass die oberseitige Vorrichtung ausgeschaltet und die unterseitige Vorrichtung NMOS_ON 270 eingeschaltet wird. Die Zeitüberschreitung des Zeitgebers bewirkt, dass der Zeitgeber-Auslöser zurückgesetzt wird, und das Zurücksetzen des Zeitgeber-Auslösers bewirkt, dass der Zeitgeber-Ausgang ebenfalls zurückgesetzt wird. Sobald der Spulenstrom auf null heruntergefahren ist, wird die unterseitige Vorrichtung ausgeschaltet und wird der Ausgang auf den ,Tri-state‘- Zustand gesetzt. Die Ausgangsspannung entlädt sich dann über die Last, bis der Ausgang Unterspannung annimmt und der Zyklus von neuem gestartet wird.
Wie in der verwandten deutschen Patentanmeldung 102016217857.1 offenbart, wird ein Spitzenstrom-Servo realisiert und wird die Spannung an dem LX-Knoten während der Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung in einen Kondensator abgetastet. Am Ende der Einschaltdauer, wenn die oberseitige Vorrichtung ausgeschaltet wird, wird der Endwert der LX-Spannung in dem Abtastkondensator gespeichert. Diese Spannung, bezogen auf die Versorgungsspannung, repräsentiert den abschließenden Strom in der Spule während der Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung. Dieser kann mit einem Stromsollwert verglichen werden, nachdem die oberseitige Vorrichtung ausgeschaltet wurde, um festzustellen, ob der Spitzenstrom in der Spule größer oder kleiner als der Sollstrom war.
3 zeigt einen Spitzenstrom-Servo 300, realisiert mit einer zum Vergleichen der LX-Spannung mit der Referenzspannung verwendeten Abtastschaltung, wie in der verwandten Patentanmeldung 102016217857.1 offenbart. Der Spannungsabfall über die oberseitige Durchlassvorrichtung ist proportional zu dem Spulenstrom. Deshalb ist die Spannung an LX, bezogen auf die Versorgungsspannung, zugleich eine Messung des Spulenstroms.
Die Schaltung in 3 tastet eine Knotenspannung VLX, den Spannungsabfall über eine oberseitige Durchlassvorrichtung 320, ab. Eine Referenzspannung VREF wird ebenfalls abgetastet. Ein Referenzstrom IREF wird durch einen abgestimmten PMOS 350, welcher auf einen Teil der PMOS-Durchlassvorrichtungen abgestimmt ist, gezogen. Der Referenzstrom erzeugt einen Spannungsabfall über die abgestimmten Vorrichtungen, welcher mit dem Spannungsabfall in der mit GATP niedrig und GP_N hoch über einen Inverter 310 eingeschalteten oberseitigen Durchlassvorrichtung 320 verglichen wird. Abtastschalter 340 und 360 werden mit demselben Steuersignal GP_N über einen Inverter 345 eingeschaltet. Die Spannung an VLX oszilliert und schwingt sich schließlich ein. Bei Ausschalten der oberseitigen Durchlassvorrichtung 320 durch das auf niedrig gehende Signal GP_N werden auch die Abtastschalter ausgeschaltet. Dadurch werden die Endwerte von VLX und VREF in Abtastkondensatoren 370 und 375 als Eingaben in einen Komparator 380 gespeichert. Die oberseitige Vorrichtung ist typischerweise, ohne darauf beschränkt zu sein, eine PMOS-Vorrichtung. Die Ausgangsspannung VOUT liegt, über einen Kondensator 335, an dem Ausgang eines Induktors 330.
Der Komparator 380 tastet nur die Endwerte während der Einschaltdauer der unterseitigen Vorrichtung 325 ab und kann vom Leseverstärker-Typ sein, um eine hohe Genauigkeit und eine niedrige Komplexität sicherzustellen. Die unterseitige Vorrichtung 325 wird mit GATN hoch entsprechend GN niedrig über einen Inverter 315 eingeschaltet. Der Komparator ermittelt, welche Spannung größer ist, die abschließende Knotenspannung VLX am Ende der Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung oder die Referenzspannung VREF. Der Ausgang des Komparators setzt ein Signal I_GT_TARGET, wenn der Spitzen-Spulenstrom ICOIL größer als der Sollstrom-Grenzwert ist, wie durch einen auf einen Maximalwert programmierten Transkonduktanz-Operationsverstärker (OTA) ermittelt. Die unterseitige Vorrichtung ist typischerweise, ohne darauf beschränkt zu sein, eine NMOS-Vorrichtung.
Es gibt Alternativen zur Verwendung eines Leseverstärkers für den Komparator. Jeder kontinuierliche Komparator, dessen Ausgang nur am Ende der Einschaltdauer abgetastet wird, wäre geeignet. Auch alternative abgetastete Komparatoren sind in der Fachwelt bekannt.
Die Spannungen an den Knoten VLX und VREF geben ein Maß des Spannungsabfalls über die oberseitigen Vorrichtungen 320 und 350. Wenn der Spannungsabfall über 320 kleiner als derjenige über 350 ist, war der Strom durch die Vorrichtung 320, unter Berücksichtigung der Skalierungsfaktoren, kleiner als derjenige durch 350. Da die beiden Vorrichtungen 320 und 350 dieselbe Versorgungsspannung haben, können die Knoten VLX und VREF direkt verglichen werden, um festzustellen, welche Vorrichtung den größeren Spannungsabfall aufweist. Wenn die Spannungsabfälle die gleichen sind, muss der Strom durch 320, wiederum mit Skalierung, gleich dem Sollstrom sein. Der Komparator versucht, den Zyklus, in welchem dies der Fall ist, zu erfassen, wobei der Strom in 320 von einem zu niedrigen zu einem zu hohen Strom wechselt, wodurch der Wert des Signals i_gt_target ermittelt wird.
Die feste Einschaltdauer kann verlängert oder verkürzt werden, um den erreichten Spitzen-Spulenstrom näher an den Sollwert zu bringen. Die bevorzugte Ausführungsform ist die Verwendung eines Zählers, welcher in jedem PFM-Zyklus aktualisiert wird. Jedesmal wenn die oberseitige Vorrichtung ausgeschaltet wird, wird der erreichte Spitzenstrom abgetastet. Der Abtastwert wird mit dem Sollstrom und der Einschaltdauer verglichen, und ein Zähler wird hoch- oder heruntergezählt. Der Wert des Zählers wird dann verwendet, um die für nachfolgende Zyklen verwendete Einschaltdauer einzustellen. Auf diese Weise wird der erreichte Spitzenstrom für nachfolgende Zyklen über mehrere Zyklen langsam nachgestellt, bis er sehr nah an dem Sollstrom ist, wobei er den Sollstrom über- und unterschreitet.
4 ist ein Zeitablauf-Schaubild 400, welches zeigt, wie durch Variieren der Einschaltdauer der Spitzenstrom des Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandlers gesteuert wird, was die Prinzipien der Offenbarung verkörpert. Das Schaubild zeigt zwei Fälle, 405, wenn die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung länger ist und der Spitzenstrom ICOIL einen Sollwert 401 überschreitet, und 410, wenn die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung kürzer ist und der Spitzenstrom ICOIL dem Sollwert 401 entspricht. Wenn die Ausgangsspannung unter die Sollspannung fällt, wird die oberseitige Vorrichtung eingeschaltet. Dies bewirkt, dass der Spulenstrom ICOIL hochfährt. Gleichzeitig wird eine Freigabe für die Zeitgeber-Zelle gesetzt. Wenn TIMER_TRIG 415 länger ist und die Einschaltdauer länger ist, überschreitet der Spitzenstrom ICOIL den Sollwert 401. TIMER_TRIG 420 ist kürzer, wenn die Einschaltdauer kürzer ist und Spitzenstrom ICOIL dem Sollwert 401 entspricht. Der Zeitgeber-Auslöser im Ein-Zustand veranlasst den Zeitgeber, zu starten. Eine gewisse feste Zeit später setzt der Zeitgeber eine Flag, welche anzeigt, dass die feste Einschaltdauer abgelaufen ist. TIMER_OUT 425 wird gesetzt, wenn die Einschaltdauer länger ist und Spitzenstrom ICOIL den Sollwert 401 überschreitet. TIMER_OUT 430 wird gesetzt, wenn die Einschaltdauer kürzer ist und Spitzenstrom ICOIL dem Sollwert 401 entspricht.
Die oberseitige Vorrichtung wird dann ausgeschaltet und die unterseitige Vorrichtung wird eingeschaltet. Nach Ablauf der festen Einschaltdauer bewirkt TIMER_OUT, dass Flag TIMER_TRIG zurückgesetzt wird, und bewirkt das Zurücksetzen des Zeitgeber-Auslösers, dass der Zeitgeber-Ausgang ebenfalls zurückgesetzt wird. Sobald der Spulenstrom ICOIL auf null heruntergefahren ist, wird die unterseitige Vorrichtung ausgeschaltet und wird der Ausgang auf den ,Tri-State‘-Zustand gesetzt. Die Ausgangsspannung entlädt sich dann über die Last, bis der Ausgang Unterspannung annimmt und der Zyklus von neuem gestartet wird. Dieses Schema gestattet, den Spitzenstrom bei PFM ungeachtet des Spulenwerts oder der Betriebsbedingungen sogar bei Systemen, wo die Einschaltdauer für eine herkömmliche Spitzenstromsteuerung nicht ausreicht, gut zu steuern.
5 veranschaulicht einen Blockschaltplan 500 eines Regelkreises für einen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandler mit konstanter Einschaltdauer, wobei ein Digital/Analog-Wandler (DAC) die Sollspannung für den Schaltwandler liefert, was die Prinzipien der Offenbarung verkörpert. Der Schaltplan zeigt den Regelkreis, wobei die Architektur des Abwärts-Schaltwandlers mit fester Einschaltdauer einen DAC 510, welcher die Sollspannung liefert, und ICOIL durch einen Induktor 555 enthält. Die DAC-Spannung wird mit einer Ausgangsspannung VOUT über einem Kondensator 560 verglichen, wodurch ein Unterspannungssignal VUNDER 520 erzeugt wird. Dadurch wird TIMER 530 ausgelöst, wodurch eine oberseitige Vorrichtung P1 in OUTPUT-DEVICES 550 eingeschaltet wird. CONTROL LOGIC 540 wartet auf das Ablaufen des Zeitgebers und schaltet dann die oberseitige Vorrichtung aus. Eine LX-Spannung LX_SNS wird durch einen Abtastblock PEAK 585 an Abtastkondensator 586 abgetastet. Ein Referenzstrom IREF 570 wird durch die auf die Durchlassvorrichtung in PMATCHED 565 abgestimmte oberseitige Vorrichtung geleitet. Dies erzeugt eine Spannung, welche durch einen Abtastblock PEAK 580 an Abtastkondensator 581 abgetastet werden kann. Die beiden abgetasteten Spannungen werden durch einen Komparator COMP 590 verglichen und zum Hochzählen oder Herunterzählen eines Zählers COUNT 595 verwendet. Der Zählerwert steuert dann die Länge von TIMER 530.
Eine Variante der Offenbarung betrifft das Anpassen der Gesamt-Pulsbreite an die verwendete Taktperiode, sobald der Schaltwandler in einen Dauerleitungsmodus (CCM) wechselt. Es ist typisch, dem Schaltwandler zu ermöglichen, in einen CCM-Betrieb zu wechseln, um hohe Lastströme zu bewältigen. Bei diesem Schema wird der Schaltwandler in einen synchronen Modus versetzt, in welchem er mit einer gut gesteuerten Frequenz getaktet wird. Das Versetzen aus der Pulsfrequenzmodulation (PFM) kann Unstetigkeiten der Bedingungen verursachen, was Probleme mit der Auslegung des Systems zur Folge haben kann. Im PFM-Modus können eine Spitzenstrombegrenzung und ein Nulldurchgangs-Komparator die Welligkeit steuern. In CCM ist die Welligkeit eine Funktion der Spule, der Versorgungsspannung, der Ausgangsspannung und der Frequenz. Es kann deshalb vorteilhaft sein, durch Anpassen der Pulsdauer bei PFM an die Taktperiode im CCM-Betrieb die Welligkeit bei PFM an die in CCM erreichte anzupassen. Dies glättet den Übergang zwischen dem Niedriglast-Betriebsbereich und dem Hochlast-Betriebsbereich.
In diesem Fall erkennt der Nulldurchgangs-Komparator, wann der Spulenstrom null ist, und schaltet er die unterseitige Vorrichtung aus. In 1 wird die Wirkung auf den Nulldurchgangs-Komparator in Icoil durch die Pfeile angezeigt. In PFM schaltet der Abwärts-Schaltwandler nur bei Bedarf, im Gegensatz zu PWM, wo der Abwärts-Schaltwandler kontinuierlich schaltete. Um dies zu erreichen, muss der Abwärts-Schaltwandler aufhören, zu schalten, wenn es nicht erforderlich ist. Zwei Maßnahmen werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass dies geschieht. Die oberseitige Vorrichtung darf nur eingeschaltet werden, wenn die Ausgangsspannung höher als die Sollspannung ist, und der Abwärts-Schaltwandler wird daran gehindert, negative Ströme auszugeben. Um negative Ströme zu verhindern, wird erfasst, wann der Spulenstrom null ist, und wird die unterseitige Vorrichtung ausgeschaltet, um zu verhindern, dass der Strom weiter sinkt.
6a zeigt eine Schaltung 680, in welcher im PFM-Modus ein Spitzenstrom-Grenzwert iLimit und ein Nulldurchgangs-Komparator 695 die Welligkeit steuern. Der Punkt, an welchem der Spannungsabfall über die unterseitige Vorrichtung 690 auf null sinkt, wird erfasst, was einen Strom von null in dieser Vorrichtung anzeigt. Auf die gleiche Weise wie zuvor für die oberseitige Vorrichtung 685 beschrieben kann die LX-Spannung VLX einfach mit Masse verglichen werden.
Die Anpassung der Pulsdauer bei PFM an die Periode im CCM-Betrieb kann auf eine der in der Haupt-Ausführungsform beschriebenen Operation ähnliche Weise erfolgen. Die Gesamt-Pulsdauer des Schaltwandlers einschließlich der Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung und der Einschaltdauer der unterseitigen Vorrichtung kann gemessen werden. Diese kann mit der Taktperiode ohne Phaseninformation verglichen werden, und die feste Einschaltdauer kann variiert werden, um sicherzustellen, dass nachfolgende Gesamt-Pulsdauern näher an der Taktperiode liegen.
Eine Ausführungsform, welche dieses Schema realisieren könnte, wäre, ein Paar Referenzströme in ein Paar Kondensatoren zu verwenden. Wenn die oberseitige Vorrichtung eingeschaltet wird, wird der erste dieser Referenzströme auf einen vollständig entladenen Kondensator geschaltet. Dies bewirkt, dass die Spannung an dem Kondensator linear ansteigt. Bei der nächsten Takt-Anstiegsflanke wird der zweite Referenzstrom auf den zweiten entladenen Kondensator geschaltet und beginnt dieser Kondensator, sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der erste aufzuladen. Bei der nächsten Takt-Anstiegsflanke wird der Strom in den zweiten Kondensator ausgeschaltet, wodurch die abschließende Kondensatorspannung in dem zweiten Kondensator gespeichert wird. Wenn die unterseitige Vorrichtung ausgeschaltet wird, wird der Strom in den ersten Kondensator ausgeschaltet, wodurch die abschließende Spannung in dem ersten Kondensator gespeichert wird.
6b veranschaulicht Signalverläufe zum Steuern der Pulsdauer bei einer konstanten Einschaltdauer im Vergleich mit der Taktperiode, was eine Variante der Offenbarung verkörpert. Die unterseitige Vorrichtung ist typischerweise, ohne darauf beschränkt zu sein, eine NMOS-Vorrichtung, und die oberseitige Vorrichtung ist typischerweise, ohne darauf beschränkt zu sein, eine PMOS-Vorrichtung. Nach dem Einschalten der oberseitigen Vorrichtung steigt der Spulenstrom ICOIL 610 an und wird der erste Referenzstrom IREF1 620 eingeschaltet. Dadurch wird eine erste Kondensatorspannung VINTEG 650 aufgeladen. Bei der nächsten Anstiegsflanke von CLK 630 wird der zweite Referenzstrom IREF2 640 eingeschaltet. Dadurch wird eine zweite Kondensatorspannung VINTEG 660 aufgeladen. Nach dem Ausschalten der unterseitigen Vorrichtung wird der erste Strom ausgeschaltet und wird nach einer einzigen Taktperiode der zweite Strom ausgeschaltet. Die beiden gespeicherten Spannungen VINTEG 650 und VINTEG 660 werden mit SAMPLE 670 high verglichen.
Sobald beide Stromquellen IREF1 620 und IREF2 640 ausgeschaltet sind, können die beiden gespeicherten Spannungen verglichen werden, um einen Anhaltspunkt zu liefern, welche Dauer, die Taktperiode oder PULSE1 605, größer ist. Die Einschaltdauer kann dann für die nachfolgenden Pulse nachgestellt werden, um sicherzustellen, dass die Pulsdauer näher an der Taktperiode liegt. Auf die gleiche Weise wie in der Haupt-Ausführungsform nähert sich die Pulsdauer, wenn eine Servoschleife mit einem Zähler gebildet ist, über viele Zyklen der Taktperiode an. Wenn dieses Schema verwendet wird, ändert sich die Welligkeit bei einem Wechsel des Schaltwandlers in CCM nicht, wodurch der Übergang zwischen den beiden Betriebsbereichen geglättet wird.
7 zeigt einen Blockschaltplan zum Steuern der Pulsdauer bei einer konstanten Einschaltdauer im Vergleich mit der Taktperiode, was eine Variante der Offenbarung verkörpert. Wenn OUTPUT-DEVICES 705 P1 oder N1 bei PFM eingeschaltet werden, wird Schalter S1 mit PULSE eingeschaltet und wird Referenzstrom IREF1 in Kondensator C1 geleitet. Bei der nächsten Takt-Anstiegsflanke wird Schalter S2 mit CLK_LTCH eingeschaltet und wird Referenzstrom IREF2 in einen zweiten Kondensator C2 geleitet. Dann, wenn die Taktflanke erneut ansteigt, wird Schalter S2 ausgeschaltet und wird die abschließende integrierte Spannung VINTEG 660 in Kondensator C2 gespeichert. Nach Abschluss eines Einzelpulses wird Schalter S1 ausgeschaltet und wird die abschließende integrierte Spannung VINTEG 650 in Kondensator C1 gespeichert. Die Spannungen werden dann in CMP1 790 verglichen, und die Ausgabe des Komparators wird verwendet, um einen Zähler COUNT 795 hoch- oder herunterzuzählen. VUNDER, ein, wenn die Ausgangsspannung unter die Sollspannung in dem Schaltwandler sinkt, ist eine Eingabe in TIMER 730. Der Ausgabewert des Zählers wird außerdem verwendet, um die Verzögerung von TIMER 730 und die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung in LOGIC 740 in nachfolgenden Zyklen zu steuern. Der Spulenstrom ICOIL kann über INDUCTOR 755 beobachtet werden.
8 ist ein Ablaufplan 800 eines Verfahrens für einen Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandler, welches einen Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Modus und eine konstante Einschaltdauer unterstützt, was die Prinzipien der Offenbarung verkörpert. Betreiben eines Schaltwandlers unter Verwendung eines Schemas mit fester Einschaltdauer für einen PFM-Modus, wobei der Schaltwandler eine oberseitige und eine unterseitige Vorrichtung enthält, um einen Induktor anzusteuern, ist in 810 vorgesehen. Das Abtasten eines Stroms durch einen Induktor, um einen ersten Strom zu erzeugen, ist in 820 vorgesehen. Das Abtasten eines zweiten Stroms ist in 830 vorgesehen. Das Vergleichen des ersten und des zweiten Stroms ist in 840 vorgesehen. Das Ändern eines Zählerwerts auf der Grundlage des Vergleichens des ersten und des zweiten Stroms ist in 850 vorgesehen. Das Einstellen der Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung auf der Grundlage des Zählerwerts ist in 860 vorgesehen.
Zu den Vorteilen einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zählt das Ermöglichen einer guten Steuerung der Höhe der PFM-Pulse eines Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandlers (Abwärts-, Aufwärts-, Abwärts-/Aufwärts- oder ähnlichen Schaltwandlers) ungeachtet einer Schwankung des Spulenwerts. Die vorgeschlagene Realisierung des Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandlers erübrigt jegliche Nachschlagtabellen oder Mittel zum Messen des Versorgungsspannungs-Werts. Darüber hinaus stützt sich das Schema nicht auf das Messen des Stroms der oberseitigen Vorrichtung und kann es Induktorspulen geringeren Werts unterstützen, was kürzere Einschaltdauern der oberseitigen Vorrichtung zur Folge hat.
Obwohl diese Erfindung insbesondere bezüglich ihrer bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für jeden Fachmann von selbst, dass verschiedenartige, Form und Einzelheiten betreffende Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016217857 [0001, 0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

102016217857.1 [0020]

Claims

Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter, enthaltend: eine oberseitige und eine unterseitige Vorrichtung, welche dafür konfiguriert sind, mit einem Induktor verbunden zu werden; eine Abtastschaltung, welche dafür konfiguriert ist, einen ersten Strom durch den Induktor und einen zweiten Strom abzutasten; einen Komparator zum Vergleichen des ersten und des zweiten Stroms; einen Zähler mit einem Ausgang, welcher so konfiguriert ist, dass er sich auf der Grundlage einer Ausgabe des Komparators ändert; und einen Zeitgeber, welcher dafür konfiguriert ist, eine Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung auf der Grundlage der Zählerausgabe einzustellen.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach Anspruch 1, wobei die oberseitige und die unterseitige Vorrichtung dafür konfiguriert sind, ein Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Steuersignal und eine konstante Einschaltdauer zu verwenden.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abtastschaltung dafür konfiguriert ist, einen Spitzenstrom abzutasten, nachdem die oberseitige Vorrichtung ausgeschaltet wurde.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach Anspruch 3, wobei der Komparator dafür konfiguriert ist, den abgetasteten Spitzenstrom mit einem Sollstrom zu vergleichen, um gelesen zu werden, wenn die oberseitige Vorrichtung aus ist.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach einem beliebigen vorherigen Anspruch, wobei der zweite Strom einen Referenzstrom enthält.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach Anspruch 4, wobei der Zähler in einer Schleife konfiguriert ist, um die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung so nachzustellen, dass der abgetastete Spitzenstrom nachfolgender Zyklen dafür konfiguriert ist, sich dem Sollstrom anzunähern.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach einem beliebigen vorherigen Anspruch, wobei die Abtastschaltung dafür konfiguriert ist, eine Pulsdauer abzutasten, wenn die oberseitige Vorrichtung ein ist, und die abgetastete Pulsdauer so konfiguriert ist, gespeichert zu werden, wenn die oberseitige Vorrichtung aus ist.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach Anspruch 7, wobei der Komparator dafür konfiguriert ist, die abgetastete Pulsdauer mit einer Taktperiode zu vergleichen.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Zähler dafür konfiguriert ist, die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung so nachzustellen, dass die abgetastete Pulsdauer nachfolgender Zyklen dafür konfiguriert ist, sich der Taktperiode anzunähern.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach Anspruch 7, wobei die abgetastete Pulsdauer so konfiguriert ist, dass sie die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung für ein Schema mit fester Einschaltdauer für einen Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Modus einstellt.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach einem beliebigen vorherigen Anspruch, wobei der Schaltwandler einen Abwärts-Schaltwandler enthält.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach einem beliebigen vorherigen Anspruch, wobei der Schaltwandler einen Aufwärts-Schaltwandler enthält.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach einem beliebigen vorherigen Anspruch, wobei der Schaltwandler einen Abwärts-/Aufwärts-Schaltwandler enthält.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter nach einem beliebigen vorherigen Anspruch, wobei der Schaltwandler mit einem Induktor geringen Werts konfiguriert ist, um bei Pulsfrequenzmodulation (PFM) einen genauen Spitzenstrom zustandezubringen.
Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltstromrichter, enthaltend: eine oberseitige und eine unterseitige Vorrichtung, welche dafür konfiguriert sind, mit einem Induktor verbunden zu werden; eine Abtastschaltung, welche dafür konfiguriert ist, einen ersten Strom und einen zweiten Strom abzutasten, ferner enthaltend: eine erste Stromreferenz, einen ersten Schalter und einen ersten Kondensator; und eine zweite Stromreferenz, einen zweiten Schalter und einen zweiten Kondensator; einen Komparator zum Vergleichen des ersten und des zweiten Referenzstroms; einen Zähler mit einem Ausgang, welcher so konfiguriert ist, dass er sich auf der Grundlage einer Ausgabe des Komparators ändert; und einen Zeitgeber, welcher dafür konfiguriert ist, eine Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung auf der Grundlage der Zählerausgabe einzustellen.
Schaltstromrichter nach Anspruch 15, wobei bei einem Puls, wenn die oberseitige Vorrichtung oder die unterseitige Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie bei Pulsfrequenzmodulation (PFM) eingeschaltet wird und der erste Schalter so konfiguriert ist, dass er eingeschaltet wird und der erste Referenzstrom so konfiguriert ist, dass er in den ersten Kondensator geleitet wird.
Schaltstromrichter nach Anspruch 15 oder 16, wobei bei einer Takt-Anstiegsflanke der zweite Schalter so konfiguriert ist, dass er eingeschaltet wird, und der zweite Referenzstrom so konfiguriert ist, dass er in den zweiten Kondensator geleitet wird.
Schaltstromrichter nach beliebigen der Ansprüche 15 bis 17, wobei bei einer nächsten Takt-Anstiegsflanke der zweite Schalter so konfiguriert ist, dass er ausgeschaltet wird, und eine zweite abschließende integrierte Spannung so konfiguriert ist, dass sie in dem zweiten Kondensator gespeichert wird.
Schaltstromrichter nach Anspruch 16, wobei der Puls abgeschlossen ist und der erste Schalter so konfiguriert ist, dass er ausgeschaltet wird, und eine erste abschließende integrierte Spannung so konfiguriert ist, dass sie in dem ersten Kondensator gespeichert wird.
Schaltstromrichter nach beliebigen der Ansprüche 15 bis 19, wobei die erste abschließende integrierte Spannung und die zweite abschließende integrierte Spannung verglichen werden und ein Ausgang des Komparators dafür konfiguriert ist, den Zähler hoch- oder herunterzuzählen.
Schaltstromrichter nach beliebigen der Ansprüche 15 bis 20, wobei ein Ausgang des Zählers dafür konfiguriert ist, den Zeitgeber zu verzögern, und der Zeitgeber dafür konfiguriert ist, die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung in nachfolgenden Zyklen zu steuern.
Verfahren zum Betreiben eines Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltwandlers mit einem Spitzenstrom-Servo, aufweisend einen Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Modus, bestehend aus den folgenden Schritten: Betreiben des Schaltwandlers unter Verwendung eines Schemas mit fester Einschaltdauer für den PFM-Modus, wobei der Schaltwandler eine oberseitige und eine unterseitige Vorrichtung enthält, um einen Induktor anzusteuern; Abtasten eines Stroms durch den Induktor, um einen ersten Strom zu erzeugen; Abtasten eines zweiten Stroms; Vergleichen des ersten und des zweiten Stroms; Ändern eines Zählerwerts auf der Grundlage des Vergleichens des ersten und des zweiten Stroms; und Einstellen der Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung auf der Grundlage des Zählerwerts.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die oberseitige und die unterseitige Vorrichtung ein Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Steuersignal und eine konstante Einschaltdauer verwenden.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei ein Spitzenstrom abgetastet wird, nachdem die oberseitige Vorrichtung ausgeschaltet wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei der erste Strom und der zweite Strom verglichen und gelesen werden, wenn die oberseitige Vorrichtung aus ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei der zweite Strom ein Referenzstrom ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Zähler die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung so nachstellt, dass der Spitzenstrom nachfolgender Zyklen sich einem Sollstrom annähert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei eine Pulsdauer abgetastet wird, wenn die oberseitige Vorrichtung ein ist, und die abgetastete Pulsdauer gespeichert wird, wenn die oberseitige Vorrichtung aus ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die abgetastete Pulsdauer mit einer Taktperiode verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Zähler die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung so nachstellt, dass die abgetastete Pulsdauer nachfolgender Zyklen sich der Taktperiode annähert.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die abgetastete Pulsdauer die Einschaltdauer der oberseitigen Vorrichtung für ein Schema mit fester Einschaltdauer für einen Pulsfrequenzmodulations- (PFM-) Modus einstellt.