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Hintergrund
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Verwandte Patentanmeldungen
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Diese Anmeldung bezieht sich auf die US-Anmeldung
15/189,210 , eingereicht am 22. Juni 2016, die einem gemeinsamen Rechtsnachfolger gehört und hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Diese Anmeldung bezieht sich auch auf die Deutsche Anmeldung
DE 10 2016 217 857 A1 eingereicht am 19. September 2016, die einem gemeinsamen Rechtsnachfolger gehört und hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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Gebiet
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Die Offenbarung betrifft im Allgemeinen Buck- bzw. Abwärts-, Boost- bzw. Aufwärts-, Buck-Boost- bzw. Abwärts-Aufwärts- und andere Typen von DC-DC-Schaltleistungswandlern, die in einer Spitzenmodus- und einer Talmodus-Stromsteuerung arbeiten, wobei eine Kompensationsrampe verwendet wird.
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Beschreibung der verwandten Technik
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In einem Gleichstrommodus-Steuerschema für einen DC/DC-Schaltwandler wird eine Kompensationsrampe zu dem Stromsignal hinzugefügt, um eine subharmonische Oszillation zu verhindern. Für die Spitzenmodus-Steuerung wird eine hochseitige Vorrichtung mit dem Takt eingeschaltet, der Spulenstrom wird dann direkt mit einer Stromgrenzschwelle verglichen, und die hochseitige Vorrichtung wird ausgeschaltet, wenn diese Grenze erreicht ist. Eine Talmodus-Implementierung schaltet eine niedrigseitige Vorrichtung mit dem Takt ein und schaltet die niedrigseitige Vorrichtung aus, wenn der Spulenstrom unter eine untere Schwellenstromgrenze fällt. Die
US 2011 / 0 018 515 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen von Strombegrenzung in einem DC/DC-Wandler, insbesondere Verfahren und Vorrichtungen, die zu einem Startbetriebsmodus geeignet sind. Die
DE 10 2016 109 657 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Schaltspannungsreglers, das das Erfassen von Stromgrenzenereignissen beinhaltet, die anzeigen, dass ein Maximalinduktorstromschwellenwert überschritten wurde. Die
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CN 202 435 271 U beschreibt eine Flankenkompensationsschaltung, die für ein DC-DC-Schaltnetzteil verwendet wird, das aus einer Leistungsröhre besteht, die eine Spannungserzeugungsschaltung, eine Spannungssteuerschaltung und eine Stromausgangsschaltung umfasst. Die
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US 2011 / 0 043 175 A1 beschreibt einen Strommodusschaltregler, der eine Eingangsspannung an einen Eingangsanschluss auf eine vorbestimmte konstante Spannung runtersetzt oder hochsetzt. Steve Winder: „Power Supplies for LED Driving“; 2. Auflage; Elsevier; 2017; https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100925-3.00019-7 beschreibt eine Lösung für labile subharmonische Oszillation, wobei die Stromgrenze über die Schaltdauer verringert wird.
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In jedem Fall wird der Schwellenstrom, der eine variable Stromgrenze in der Spitzenmodus-Implementierung ist, gesteuert, proportional zu dem Ausgangsspannungsfehler zu sein derart, dass Icontrol = k.(Vtarget-Vout), wobei k die arbiträre Proportionalitätskonstante ist. Der Steuerstrom ist proportional zu dem Spannungsfehler (Vtarget-Vout) und k gibt die Verstärkung dieser Funktion an. In Realität ist k die Transkonduktanz (gm) des Schaltwandlers und wird gewählt, um das gewünschte Gesamtverhalten des Schaltwandlers zu liefern. Um eine Kompensationsrampe vorzusehen, wird eine feste Stromrampe zu dem Steuerstrom auf einer Zyklus-für-Zyklus-Basis hinzugefügt. In der Spitzenmodus-Implementierung wird die Stromschwelle über einen Zyklus reduziert. In der Talmodus-Implementierung wird die Stromschwelle über einen Zyklus erhöht.
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1 zeigt ein Gleichstrommodus-Steuerschema 100 für eine Spitzenmodus-Steuerung, wobei die hochseitige Vorrichtung mit einem Takt eingeschaltet wird, ein Spulenstrom mit einer Stromgrenzschwelle verglichen wird und die hochseitige Vorrichtung mit der Grenze ausgeschaltet wird, gemäß dem Stand der Technik. Die hochseitige Vorrichtung PMOS_ON wird mit dem Takt CLK eingeschaltet und der Spulenstrom ICOIL steigt linear an. Gleichzeitig erzeugt der Rampengenerator einen festen internen Rampenstrom IRAMP. Die Gesamtsteuerschaltung bestimmt den Steuerstrom 110, der durch einen Operationstranskonduktanzverstärker- (OTA - operational transconductance amplifier)-Strom erzeugt wird, proportional zu dem Ausgangsspannungsfehler. Die Kompensationsrampe wird von diesem Steuerstrom subtrahiert. Die resultierende Summe dieser zwei Ströme 120 legt den Momentanwert der variablen Stromgrenze fest. Wenn der Spulenstrom diese Grenze erreicht, wird das Flag ILIMIT gesetzt, wodurch PMOS_ON ausgeschaltet und NMOS_ON eingeschaltet wird.
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Für einen gegebenen Arbeitszyklus fügt diese Kompensationsrampe einen Offset zu dem Steuerstrom hinzu, so dass der tatsächliche Spitzenstrom, der für den Spitzenmodus erreicht wird, oder der Talstrom, der für den Talmodus erreicht wird, nicht derselbe wie der Steuerstrom ist. Ipeak = k.(Vtarget - Vout) - Sramp.Ton, wobei „Sramp.Ton“ den Offset zu dem Steuerstrom repräsentiert. Dies kann Probleme für den DC-DC-Schaltwandler verursachen.
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In dem Spitzenmodus sind die Hauptprobleme eine Spitzenstrombegrenzung und ein Phasenausgleich. In dem Fall der Spitzenstrombegrenzung ist eine sehr genaue Spitzenstromgrenze erforderlich. Dies wird erreicht durch Begrenzen des Maximalwerts des Steuerstroms, wodurch der Maximalwert des Spitzenstroms begrenzt wird, da die hochseitige Vorrichtung immer dann ausschaltet, wenn der Spulenstrom diesen Wert übersteigt. Der durch die Kompensationsrampe eingeführte Strom-Offset verschiebt jedoch den tatsächlich erreichten Spitzenstrom, so dass er nicht mehr derselbe wie der Steuerstrom ist. Dieser Effekt ist arbeitszyklusabhängig und ein variabler Fehler.
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In dem Fall eines Phasenausgleichs für den Spitzenmodus, für DC-DC-Wandler mit mehreren Phasen, muss der Strom pro Phase sorgfältig gesteuert werden, um sicherzustellen, dass jede Phase den korrekten Anteil des gesamten Ausgangsstroms liefert. Dies kann durch Abgleichen des Steuerstroms für jede Phase erreicht werden. Jede Phase hat dann einen gut gesteuerten Spitzenstrom in Bezug auf jede der anderen Phasen. Der Offset aufgrund der Kompensationsrampe verschiebt den Strom jeder Phase im Vergleich zu dem Steuerstrom, wodurch die Phasenströme aus dem Gleichgewicht gebracht werden. Es kann nicht angenommen werden, dass der Offset aufgrund der Kompensationsrampe für alle Phasen gleich ist, da jede der Phasen mit sehr unterschiedlichen Bedingungen betrieben wird.
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Für den Spitzenmodus ist die Kompensationsrampe proportional zu dem Abfall des Spulenstroms und für niedrige Arbeitszyklen ist dies eine Steigung mit relativ niedrigem Wert. Bei niedrigen Arbeitszyklen ist die Ein-Zeit kurz, so dass der durch diese Steigung hinzugefügte Offset klein ist. In einem Talmodusbetrieb fügt die Kompensationsrampe einen viel größeren Offset für niedrige Ausgangsspannungen mit niedrigen Arbeitszyklen hinzu, während der Effekt für eine hohe Ausgangsspannung und hohe Arbeitszyklen invertiert wird.
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In dem Talmodus ist die hinzugefügte Kompensationssteigung proportional zu der ansteigenden Steigung des Spulenstroms. Für niedrige Arbeitszyklen ist der Wert der ansteigenden Steigung in dem Spulenstrom sehr groß. Die Kompensationsrampe wird während der Ein-Zeit der niedrigseitigen Vorrichtung hinzugefügt. Eine größere Kompensationsrampe wird für eine längere Zeit hinzugefügt und der Offset, der in dem Talmodus hinzugefügt wird, ist typischerweise viel größer als der in dem Spitzenmodus.
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Die Größe der Kompensationsrampe, die in dem Talmodus hinzugefügt wird, kann Probleme in der Schaltung für einen Phasenausgleich und mit einer Sättigung der Schaltung verursachen. In dem Fall eines Phasenausgleichs kann der hinzugefügte Offset sehr groß sein. Wenn eine Talmodusphase mit einer Spitzenmodusphase kombiniert wird, können die Phasenströme sehr unausgeglichen sein. Der Spitzenmodusphasenstrom wird natürlich unterhalb des Steuerstroms versetzt (offset) sein, während der Talmodusstrom natürlich oberhalb des Steuerstroms versetzt sein wird. Jedoch kann der Kompensationsrampe-Offset in der Talmodusphase veranlassen, dass der Phasenstrom dramatisch über dem Steuerstrom versetzt wird, in dem Ausmaß, dass es schwierig sein kann, diesen zu kompensieren.
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Der große Offset, der durch die Talmodus-Kompensationsrampe eingeführt wird, kann groß genug sein, dass Schaltungselemente in der Talmodusphase gesättigt werden können. Dies erfordert, dass die Schaltungselemente in der Talmodusphase dramatisch überdimensioniert sind, um mit Strömen umzugehen, die weit außerhalb des Bereichs eines normalen Betriebs sind.
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2 zeigt eine Differenz 200 zwischen den Offsets aufgrund der Kompensationsrampen, die in Spitzenmodusschemen im Vergleich zu Talmodusschemen erzeugt werden, gemäß dem Stand der Technik. Spitzenmodus-Wellenformen werden in 230 und 240 und die Talmodus-Wellenformen in 210 und 220 gezeigt. Sowohl in dem Spitzenmodus als auch in dem Talmodus wird der OTA-Steuerstrom als IOTA gezeigt. Der Kompensationsrampenstrom wird von dem Steuerstrom subtrahiert und das resultierende Signal 230 definiert die momentane variable Stromgrenze für den Spitzenmodusphasenstrom 240, der die hochseitige Vorrichtung ausschaltet und die niedrigseitige Vorrichtung einschaltet. Die Differenz zwischen der Spitze der Spitzenmodus-Spulenstromwellenform I-MAX_PEAK und dem Steuerstrom IOTA ist der Effekt des Kompensationsrampe-Offsets.
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Der Talmodus-Steuerstrom ist der gleiche wie der OTA-Steuerstrom I-OTA. Jetzt wird die Kompensationsrampe zu diesem Steuerstrom hinzugefügt und das resultierende Signal 220 definiert die momentane variable Stromschwelle für den Talmodusphase-Strom 210, der die niedrigseitige Vorrichtung ausschaltet und die hochseitige Vorrichtung einschaltet. Die Differenz zwischen dem Minimumstrom der Talmodusphase IMIN_VAL und dem Steuerstrom IOTA ist der Effekt des Kompensationsrampen-Offsets.
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Die obige Analyse bezieht sich auf niedrige Ausgangsspannungen, bei denen der Arbeitszyklus kurz ist, wo der Spitzenmodus einen kleinen Offset und der Talmodus einen großen Offset hinzugefügt hat. Für den alternativen Fall, in dem die Ausgangsspannung hoch ist und der Arbeitszyklus groß ist, hat der Spitzenmodus einen hohen Offset und der Talmodus hat einen kleinen Offset hinzugefügt.
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Es wird gezeigt, dass der Effekt des Talmodus-Offsets typischerweise schwerwiegender ist als der Spitzenmodus-Offset. Wenn Spitzenmodusphasen mit Talmodusphasen kombiniert werden, unter Verwendung desselben OTA-Steuerstroms für beide Phasentypen, können Probleme in der Gestaltung des Systems resultieren.
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Zusammenfassung
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Eine Aufgabe der Offenbarung ist, das Entfernen des Offset-Effekts des Kompensationsrampenstroms in einem Gleichstrommodus-Steuerschema für einen DC-DC-Schaltwandler vorzusehen.
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Eine weitere Aufgabe der Offenbarung ist, das Entfernen des Offset-Effekts des Kompensationsrampenstroms in einem Gleichstrommodus-Steuerschema für einen DC-DC-Schaltwandler bei sehr hohen Schaltfrequenzen vorzusehen.
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Eine weitere Aufgabe dieser Offenbarung ist, den Wert der Kompensationsrampe unmittelbar vor dem Ausschalten der hochseitigen Vorrichtung in einem Spitzenmodus-Schema abzutasten, um einen Offset-Strom herzustellen, der gleich und entgegengesetzt ist zu dem abgetasteten Wert, um den Effekt des Kompensationsrampenstroms auszugleichen.
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Eine weitere Aufgabe dieser Offenbarung ist, den Wert der Kompensationsrampe unmittelbar vor dem Ausschalten der niedrigseitigen Vorrichtung in einem Talmodus-Schema abzutasten, um einen Offset-Strom herzustellen, der gleich und entgegengesetzt ist zu dem abgetasteten Wert, um den Effekt des Kompensationsrampenstroms auszugleichen.
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Um die obigen und andere Aufgaben zu lösen, wird ein DC-DC-Schaltwandler offenbart, der für eine Gleichstrommodus-Stromgrenze konfiguriert ist, mit einer Spitzenmodus-Steuerschaltung, konfiguriert zum Vergleichen eines Spulenstroms mit einer variablen Stromgrenze, Ausschalten einer hochseitigen Vorrichtung, wenn der Spulenstrom die variable Stromgrenze übersteigt. Der DC-DC-Schaltwandler weist weiter einen Kompensationsrampengenerator auf, der konfiguriert ist zum Vorsehen eines Kompensationsrampensignals, und eine Offset-Schaltung, die konfiguriert ist zum Vorsehen eines Offset-Stroms. Der DC-DC-Schaltwandler weist weiter einen Verstärker auf, der konfiguriert ist zum Erzeugen eines Steuerstroms proportional zu der Differenz zwischen einer Ausgangsspannung und einer Sollspannung, und einen Addierer, um den Steuerstrom, das Kompensationsrampensignal und den Offset-Strom zu kombinieren. Der DC-DC-Schaltwandler weist weiter einen Stromspiegel auf, der mit dem Kompensationsrampengenerator verbunden ist und konfiguriert ist zum Vorsehen einer Replik des Kompensationsrampensignals. Die Offset-Schaltung weist eine Abtastschaltung auf, die konfiguriert ist zum Abtasten des Kompensationsrampensignals, wenn die hochseitige Vorrichtung ausgeschaltet ist, um den Offset-Strom zu erzeugen. Der Offset-Strom ist gleich und entgegengesetzt zu dem Kompensationsrampensignal und wird zu dem Kompensationsrampensignal während eines nächsten Zyklus hinzugefügt, um einen Offset-Effekt des Kompensationsrampensignals zu entfernen. Der DC-DC-Schaltwandler weist auch eine Talmodus-Steuerschaltung auf, die konfiguriert ist zum Vergleichen eines Spulenstroms mit einer variablen Stromgrenze, um eine niedrigseitige Vorrichtung auszuschalten, wenn der Spulenstrom unter die variable Stromgrenze fällt, und eine Offset-Schaltung, die konfiguriert ist zum Abtasten des Kompensationsrampensignals, wenn die niedrigseitige Vorrichtung ausgeschaltet ist. In dem Talmodusbetrieb wird der Offset-Strom von dem Kompensationsrampensignal während eines nächsten Zyklus subtrahiert, um einen Offset-Effekt des Kompensationsrampensignals zu beseitigen.
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Die obigen und andere Aufgaben werden weiter gelöst durch ein Verfahren zum Entfernen eines Kompensationsrampen-Offset-Stroms in einem DC-DC-Schaltwandler. Die Schritte umfassen ein Vorsehen einer Spitzenmodus-Steuerschaltung zum Vergleichen eines Spulenstroms mit einer variablen Stromgrenze, um eine hochseitige Vorrichtung auszuschalten, wenn der Spulenstrom die variable Stromgrenze übersteigt, Vorsehen eines Kompensationsrampensignals und Vorsehen eines Offset-Stroms. Die Schritte umfassen auch ein Erzeugen eines Steuerstroms proportional zu der Differenz zwischen einer Ausgangsspannung und einer Sollspannung und ein Kombinieren des Steuerstroms, des Kompensationsrampensignals und des Offset-Stroms. Die Schritte umfassen auch ein Vorsehen einer Talmodus-Steuerschaltung zum Vergleichen eines Spulenstroms mit einer variablen Stromgrenze, um eine niedrigseitige Vorrichtung auszuschalten, wenn der Spulenstrom unter die variable Stromgrenze fällt, Vorsehen eines Kompensationsrampensignals und Vorsehen eines Offset-Stroms. Die Schritte umfassen auch ein Erzeugen eines Steuerstroms proportional zu der Differenz zwischen einer Ausgangsspannung und einer Sollspannung und Kombinieren des Steuerstroms, des Kompensationsrampensignals und des Offset-Stroms.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Funktion unter Verwendung eines Buck- bzw. Abwärts-, Boost- bzw. Aufwärts-, Buck-Boost- bzw. Abwärts-Aufwärts-DC-DC-Schaltwandlers erreicht werden.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Funktion unter Verwendung einer hochseitigen PMOS-Vorrichtung erreicht werden.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Funktion unter Verwendung einer niedrigseitigen NMOS-Vorrichtung erreicht werden.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Funktion mit einer Strom-Abtast-Halte(Sample-and-Hold)-Schaltung erreicht werden, die konfiguriert ist zum Speichern eines Spannungspegels einer Offset-Schaltung über einen Abtastkondensator durch einen Schalter.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Funktion erreicht werden mit einem ersten Stromspiegel, der konfiguriert ist zum Vorsehen des Kompensationsrampensignals an die Spitzenmodus-Steuerschaltung, einem zweiten Stromspiegel, der konfiguriert ist zum Vorsehen des Offset-Stroms, einem Komparator, der zum Vergleichen von Spannungen proportional zu dem Kompensationsrampensignal und dem Offset-Strom verwendet wird, einem Zähler, der konfiguriert ist zum inkrementieren oder Dekrementieren des Offset-Stroms in jedem Zyklus, und einer programmierbaren Stromquelle, die konfiguriert ist zum Erzeugen des Offset-Stroms. In diesem Ausführungsbeispiel liest der Zähler den Ausgang des Komparators an dem Punkt, an dem die hochseitige Vorrichtung ausschaltet, und die programmierbare Stromquelle ist auf einen Wert konfiguriert, der durch den Ausgang des Zählers gesteuert wird.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Funktion erreicht werden mit einem ersten Stromspiegel, der konfiguriert ist zum Vorsehen des Kompensationsrampensignals an die Talmodus-Steuerschaltung, einem zweiten Stromspiegel, der konfiguriert ist zum Vorsehen des Offset-Stroms, einem Komparator, der zum Vergleichen von Spannungen proportional zu dem Kompensationsrampensignal und dem Offset-Strom verwendet wird, einem Zähler, der konfiguriert ist zum inkrementieren oder Dekrementieren des Stroms in jedem Zyklus, und einer programmierbaren Stromquelle, die konfiguriert ist zum Erzeugen des Offset-Stroms. In diesem Ausführungsbeispiel liest der Zähler den Ausgang des Komparators an dem Punkt, an dem die niedrigseitige Vorrichtung ausschaltet, und die programmierbare Stromquelle ist auf einen Wert konfiguriert, der durch den Ausgang des Zählers gesteuert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt ein Gleichstrommodus-Steuerschema für eine Spitzen-modus-Steuerung, wobei die hochseitige Vorrichtung mit einem Takt eingeschaltet wird, ein Spulenstrom mit einer Stromgrenzschwelle verglichen wird und die hochseitige Vorrichtung mit der Grenze ausgeschaltet wird, gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt die Differenz zwischen den Offsets aufgrund der Kompensationsrampen, die in Spitzenmodusschemen im Vergleich zu Talmodusschemen erzeugt werden, gemäß dem Stand der Technik.
- 3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm, in dem ein Operationstranskonduktanzverstärker (OTA - operational transconductance amplifier) einen Strom proportional zu der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und einer Sollspannung ausgibt, und ein abgetasteter Strom zu dem OTA-Strom hinzugefügt wird, wodurch der Offset-Effekt der Kompensationsrampe eliminiert wird, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd.
- 4 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Strom-Abtast-Halte-Schaltung, wobei eine Replik des Kompensationsrampenstroms über einen Abtastkondensator durch einen Schalter vorgesehen wird, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd.
- 5 zeigt ein langsames Servo-Verfahren, bei dem der Kompensationsrampen-Offset-Strom durch eine programmierbare Stromquelle erzeugt wird, deren Wert durch den Ausgang eines Zählers gesteuert wird, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd.
- 6 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens für ein Entfernen eines Kompensationsrampen-Offset-Stroms, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie in der
US-Anmeldung 15/189,210 , eingereicht am 22. Juni 2016, offenbart, umfasst ein mehrphasiger DC/DC-Schaltwandler manchmal sowohl Spitzenmodusphasen als auch Talmodusphasen. Und wie in der Deutschen Anmeldung
DE 10 2016 217 857 A1 eingereicht am 19. September 2016, offenbart, kann ein DC-DC-Schaltwandler einen Spitzenstromservo haben, der aus einer hochseitigen und einer niedrigseitigen Vorrichtung besteht, wobei der Spitzenstrom der hochseitigen Vorrichtung kurz vor dem Zeitpunkt abgetastet wird, an dem die hochseitige Vorrichtung ausschaltet. Die Offenbarung sieht das Entfernen des Offset-Effekts des Kompensationsrampenstroms in einem Gleichstrommodus-Steuerschema für einen DC-DC-Schaltwandler vor. In einem Ausführungsbeispiel wird dies erreicht durch Abtasten des Werts der Kompensationsrampe unmittelbar vor dem Ausschalten der hochseitigen Vorrichtung, in einem Spitzenmodus-Schema, um ein Hinzufügen eines Stroms, der gleich und entgegengesetzt zu dem abgetasteten Wert ist, zu dem Steuerstrom herzustellen, um den Offset auszugleichen, der durch die Kompensationsrampe hinzugefügt wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Wert der Kompensationsrampe unmittelbar vor dem Ausschalten der niedrigseitigen Vorrichtung abgetastet, in einem Talmodus-Schema, um ein Subtrahieren eines Stroms, der gleich und entgegengesetzt zu dem abgetasteten Wert ist, von dem Steuerstrom herzustellen, um den Offset auszugleichen, der durch die Kompensationsrampe hinzugefügt wird.
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In einem DC/DC-Schaltwandler mit Gleichstromsteuerung und einem Spitzenmodus-Schema wird die hochseitige Vorrichtung ausgeschaltet, wenn der Spulenstrom die variable Stromgrenze übersteigt. Um eine subharmonische Oszillation zu verhindern, muss eine feste Kompensationsrampe von dem Steuerstrom über jeden Zyklus subtrahiert werden. Dies fügt dann einen Offset zu dem tatsächlich erreichten Spitzenspulenstrom hinzu. Um diesen Offset zu entfernen, muss der Kompensationsrampenstrom an dem Punkt abgetastet werden, an dem die hochseitige Vorrichtung ausgeschaltet wird. Dieser Wert wird wieder zu dem Steuerstrom hinzugefügt, wodurch der Offset-Effekt der Kompensationsrampe entfernt wird, ohne den vorteilhaften Stabilisierungseffekt zu entfernen. In einem Talmodus-Schema muss der Kompensationsrampenstrom an dem Punkt abgetastet werden, an dem die niedrigseitige Vorrichtung ausgeschaltet wird, wenn der Spulenstrom unter eine Schwellenstromgrenze fällt.
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Die Schaltung, die den Kompensationsrampenstrom erzeugt, muss mit einem zweiten Ausgang versehen sein, einer Replik des Kompensationsrampenstroms. Dieser Strom kann dann an eine Abtastschaltung vorgesehen werden, und an dem Punkt, an dem die hohe Seite ausgeschaltet wird, der Replik-Kompensationsrampenstrom abgetastet werden. Ein statischer Strom, der auf diesen endgültigen Wert des Kompensationsrampenstroms gesetzt ist, kann dann zu dem Steuerstrom während des nächsten Zyklus hinzugefügt werden, um den Offset-Effekt des Kompensationsrampenstroms zu entfernen.
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3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm 300, in dem ein Operationstranskonduktanzverstärker (OTA - operational transconductance amplifier) einen Strom proportional zu der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und einer Sollspannung ausgibt und ein abgetasteter Strom zu dem OTA-Strom hinzugefügt wird, wodurch der Offset-Effekt der Kompensationsrampe eliminiert wird, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd. Die PMOS-Vorrichtungen P1, P2 und P3 bilden einen Stromspiegel mit zwei übereinstimmenden Ausgängen von P2 und P3. Der OTA gibt einen Strom proportional zu der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und der Sollspannung aus. Dies ist das Hauptelement des Steuerschleife, die Gesamttranskonduktanz des Systems definierend. Der OTA-Ausgang wird in die Spitzenmodus-Steuerschaltung eingegeben, die den Spulenstrom mit dem Steuerstrom an ihrem Eingang vergleicht. Wenn der Spulenstrom den Steuerstrom an ihrem Eingang übersteigt, schaltet die Spitzenmodus-Steuerschaltung die PMOS-Vorrichtung aus, in PMOS_OFF. Die Kompensationsrampe wird durch die Schaltung in RAMP_GEN erzeugt und dieser Strom wird dann in den Stromspiegel eingegeben. Der Hauptzweig dieses Stromspiegels P3 wird dann von dem OTA-Strom subtrahiert, um die Schaltung zu kompensieren. Eine Replik dieses Stroms wird ebenfalls von P2 an die Strom-Abtastung in SAMPLE ausgegeben. Diese tastet den Replik-Strom an dem Punkt ab, an dem PMOS_OFF ausgelöst wird. Die Abtastung gibt dann diesen abgetasteten Strom aus, bis er das nächste Mal ausgelöst wird. Dieser abgetastete Strom wird zu dem OTA-Strom hinzugefügt, um den Offset-Effekt des Kompensationsrampenstroms zu eliminieren.
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Während ein OTA verwendet werden kann, besteht ein alternatives Ausführungsbeispiel der Offenbarung darin, einen Spannungsmodusfehlerverstärker zu verwenden und alle erfassten Stromsignale in Spannungen umzuwandeln und dann alle Vergleiche in der Spannungsdomäne durchzuführen. In dem Vorschlag wird der Offset-Effekt des Kompensationsrampenstroms eliminiert. Es ist anzumerken, dass das Kompensationsrampensignal entweder ein Strom- oder ein Spannungssignal sein kann.
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4 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel 400 einer Strom-Abtast-Halte-Schaltung, wobei eine Replik des Kompensationsrampenstroms über einen Abtastkondensator durch einen Schalter vorgesehen wird, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd. In diesem Schema wird der Rampenstrom mit IRAMP erzeugt und in einen Stromspiegel mit zwei Ausgängen von den Vorrichtungen P1, P2 und P3 eingegeben. Der Hauptkompensationsrampenstrom IRAMP wird von der Hauptspiegelvorrichtung P3 ausgegeben. Eine angepasste Replik dieses Stroms wird auch auf P2 an die NMOS-Vorrichtung N1 vorgesehen, die mit einem Abtastkondensator C1 über den Schalter S1 verbunden ist. Wenn PMOS_ON eingeschaltet ist und der Kompensationsstrom ansteigt, wird der Schalter geschlossen und die Gate-Spannung von N1 wird an den Abtastkondensator geleitet. Wenn PMOS ausgeschaltet wird, öffnet der Schalter und die endgültige Gate-Spannung von N1 wird an dem Gate der Ausgangs-NMOS-Vorrichtung N2 gehalten. Dadurch wird ein Strom ausgegeben, der dem endgültigen Wert der Kompensationsrampe entspricht, in IOFFSET.
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Eine Alternative zu einer wahren Messung-und-Replikat-Schaltung besteht darin, eine langsam variierende Stromquelle zu verwenden, um den Offset-Effekt der Kompensationsrampe zu entfernen. Da der Offset-Effekt der Kompensationsrampe proportional zu dem Arbeitszyklus ist, kann angenommen werden, dass dieser in einem stabilen Betrieb von Zyklus zu Zyklus nicht groß variiert. Es ist daher möglich, ein potentiell einfacheres Schema zum Entfernen des Offsets zu implementieren.
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In diesem Schema wird der Wert der Kompensationsrampe erneut an dem Punkt abgetastet, an dem die hochseitige Vorrichtung ausgeschaltet wird. Dieser wird dann direkt mit dem Offset-Strom verglichen, der zu dem Steuerstrom hinzugefügt wird. Dieser Vergleich gibt an, ob der hinzugefügte Offset-Strom größer oder kleiner ist als erforderlich, um den Offset-Effekt der Kompensationsrampe zu entfernen. Ein Zähler kann verwendet werden, um den Offset-Strom in jedem Zyklus zu inkrementieren oder zu dekrementieren. Über viele Zyklen hinweg wird daher der Offset-Strom angepasst, um dem zum Entfernen des Offset-Effekts der Kompensationsrampe zu entsprechen.
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Dieses Schema eliminiert die Notwendigkeit, den empfindlichen Kompensationsrampenstrom in jedem Zyklus direkt zu replizieren. Es wird dazu beitragen, schnelle subharmonische Effekte Zyklus-für-Zyklus zu verhindern, die möglicherweise erzeugt werden können.
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5 zeigt ein langsames Servo-Verfahren 500, bei dem der Kompensationsrampen-Offset-Strom durch eine programmierbare Stromquelle erzeugt wird, deren Wert durch den Ausgang eines Zählers gesteuert wird, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd. Wiederum definiert der OTA den Hauptsteuerstrom und der Rampenstrom wird von RAMP_GEN erzeugt. Die Vorrichtungen P1, P2 und P3 weisen einen Dual-Ausgang-Stromspiegel auf. Der Kompensationsrampenstrom wird bei P3 von dem OTA-Strom subtrahiert und dann in die Spitzenmodus-Steuerschaltung eingegeben. Der Offset-Strom wird durch die programmierbare Stromquelle IOFFSET erzeugt, deren Wert durch den Ausgang von COUNT gesteuert wird. Dieser Offset-Strom wird in andere, einen Dual-Ausgang-Stromspiegel aufweisende, Vorrichtungen P4, P5 und P6 eingegeben. Der Haupt-Offset-Stromausgang, P6, wird zu dem Steuerstrom hinzugefügt, um den Offset-Effekt des Kompensationsrampenstroms zu kompensieren. Eine Replik dieses Offset-Stroms wird über P5 an einen Widerstand 510 ausgegeben, der eine Spannung proportional zu dem Offset-Strom erzeugt.
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In diesem Schema wird der Replik-Kompensationsrampenstrom über P2 an den Widerstand 520 ausgegeben, wodurch eine Spannung proportional zu dem Kompensationsrampenstrom erzeugt wird. Dadurch kann der Offset-Strom in COMP direkt mit dem Kompensationsrampenstrom verglichen werden. An dem Punkt, an dem PMOS ausgeschaltet wird, PMOS_OFF, liest der Zähler den Ausgang des Komparators und inkrementiert oder dekrementiert seinen Ausgangswert. Dies wiederum ändert den Wert des Offset-Stroms geringfügig. Über viele Zyklen passt das Schema den Offset-Strom an, bis er mit dem endgültigen Wert des Kompensationsrampenstroms an dem Punkt übereinstimmt, an dem der PMOS ausgeschaltet wird.
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Es gibt auch andere Schemen, die versuchen, denselben Effekt zu erzielen. Diese können Schemen zum Überwachen des Gesamtstroms, der in die Spitzenmodus-Steuerschaltung oder die Talmodus-Steuerschaltung eingegeben wird, und Vergleichen dieses mit dem OTA-Strom umfassen. Auf diese Weise kann der Offset-Strom angepasst werden, um den Gesamtstromeingang zu der Spitzenmodus-Steuerschaltung an dem Punkt zu machen, an dem die hochseitige Vorrichtung ausgeschaltet wird, oder um den Gesamtstromeingang in die Talmodus-Steuerschaltung an dem Punkt zu machen, an dem die niedrigseitige Vorrichtung ausgeschaltet wird, gesetzt auf den OTA-Strom.
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Die vorgeschlagene Offenbarung ist gegenüber der in der
deutschen Anmeldung DE 10 2016 217 857 A1 eingereicht am 19. September 2016, offenbarten Offenbarung vorteilhaft, da sie sowohl die Effekte der Kompensationsrampe als auch die Stromwelligkeit in der Spule beseitigt. Da ein Fehler durch die Talmodusphasenkompensationsrampe in dem Bereich >4A und die Stromwelligkeit in dem Bereich <1A eingeführt werden kann, kann es schwierig sein, den notwendigen Bereich für den Spitzenstrom-Servo vorzusehen. Da das vorgeschlagene Schema von digitaler Natur ist und der auf der analogen Seite erforderliche Komparator klein ist mit geringem Strom, ist es sinnvoll, beide Implementierungen bei Bedarf gemeinsam zu verwenden. In diesem System entfernt die Entfernung des Kompensationsrampenstroms den Großteil des Offsets und der Spitzenstrom-Servo von
DE 10 2016 217 857 A1 trimmt dann den endgültigen Strom derart, dass er sehr genau gesteuert wird.
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Für DC-DC-Wandler mit Ein-Zeiten, die kürzer als 10 ns sind, kann es nicht möglich sein, den Steuerstrom mit dem Spulenstrom in dem Spitzenstrom-Servo der
DE 10 2016 217 857 A1 zu vergleichen. Da jedoch die Kompensationsrampe bei der vorgeschlagenen Offenbarung vollständig innerhalb des DC/DC-Schaltwandlers ist, ist es möglich, diesen großen Offset intern bei sehr hohen Schaltfrequenzen zu messen und zu entfernen.
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6 ist ein Ablaufdiagramm 600 eines Verfahrens für ein Entfernen eines Kompensationsrampen-Offset-Stroms, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd. Die Schritte umfassen 610 ein Vorsehen einer Spitzenmodus-Steuerschaltung zum Vergleichen eines Spulenstroms mit einer variablen Stromgrenze, um eine hochseitige Vorrichtung auszuschalten, wenn der Spulenstrom die variable Stromgrenze übersteigt, Vorsehen eines Kompensationsrampenstroms und Vorsehen eines Offset-Stroms. Die Schritte umfassen auch 620 ein Erzeugen eines Steuerstroms proportional zu der Differenz zwischen einer Ausgangsspannung und einer Sollspannung und Kombinieren des Steuerstroms, des Kompensationsrampenstroms und des Offset-Stroms. Die Schritte umfassen auch 630 ein Vorsehen einer Talmodus-Steuerschaltung zum Vergleichen eines Spulenstroms mit einer variablen Stromgrenze, um eine niedrigseitige Vorrichtung auszuschalten, wenn der Spulenstrom unter die variable Stromgrenze fällt, Vorsehen eines Kompensationsrampenstroms und Vorsehen eines Offset-Stroms. Die Schritte umfassen auch 640 ein Erzeugen eines Steuerstroms proportional zu der Differenz zwischen einer Ausgangsspannung und einer Sollspannung und Kombinieren des Steuerstroms, des Kompensationsrampenstroms und des Offset-Stroms.
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Die Vorteile eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung umfassen ein Entfernen des DC-Offset-Effekts des Kompensationsrampenstroms in einem DC-DC-Schaltwandler, was eine Sättigung in Schlüsselschaltungsblöcken verhindert. Der Vorschlag ermöglicht eine genauere Steuerung der Spulenströme, und wenn ein sekundäres Schema zur Steuerung verwendet wird, wie ein Phasenausgleichsschema, reduziert der Vorschlag auch den Bereich, über den diese Schaltungen arbeiten können, wodurch eine bessere Anfangsbedingung für ihre Verwendung hergestellt wird.
