DE102018113764A1

DE102018113764A1 - Laststromdetektionstechniken für einen diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus

Info

Publication number: DE102018113764A1
Application number: DE102018113764.8A
Authority: DE
Inventors: Danzhu Lu; Bin Shao
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices Global ULC
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2018-12-13
Also published as: US10224800B2; US20180358884A1; CN208924115U

Abstract

Es werden Techniken zum Anzeigen eines Lastniveaus eines DC-DC-Schaltwandlers bereitgestellt. In einem Beispiel kann ein Verfahren für die Echtzeit-Laststromdetektion für einen Schaltwandler unter Verwendung eines diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus (DCM) Folgendes aufweisen: Generieren eines kleinsten DCM-Stromschwellwerts auf Basis einer Referenzstromquelle und eines Tastverhältnisses des Schaltwandlers, Empfangen einer Darstellung eines Induktorladestroms von einem Leistungsschalter des Schaltwandlers an einem Vergleicher, Vergleichen der Darstellung mit dem DCM-Stromschwellwert, und Steuern des Leistungsschalters unter Verwendung eines diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus des Schaltwandlers, wenn eine Spitze der Darstellung den kleinsten DCM-Stromschwellwert übersteigt.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Viele elektrische Einrichtungen können einen Spannungswandler aufweisen, um eine DC-Spannung auf eine Arbeitsspannung der Einrichtung hoch oder herunterzusetzen. Die Effizienz kann ein Kriterium sein, um zu bestimmen, wann ein bestimmtes Wandlersteuerverfahren verwendet werden sollte. Der diskontinuierlich leitende Betriebsmodus (DCM - Discontinous Conduction Mode) eines Wandlers kann über einen Bereich von Lasten hinweg sehr effizient sein. Bei sehr schwachen Lasten jedoch kann die Effizienz des DCM beginnen signifikant abzufallen.
ÜBERBLICK
Es werden Techniken zum Anzeigen eines Lastniveaus eines DC-DC-Schaltwandlers bereitgestellt. In einem Beispiel kann ein Verfahren für die Echtzeit-Laststromdetektion für einen Schaltwandler unter Verwendung eines diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus (DCM) Folgendes aufweisen: Generieren eines kleinsten DCM-Stromschwellwerts auf Basis einer Referenzstromquelle und eines Tastverhältnisses des Schaltwandlers, Empfangen einer Darstellung eines Induktorladestroms von einem Leistungsschalter des Schaltwandlers an einem Vergleicher, Vergleichen der Darstellung mit dem DCM-Stromschwellwert, und Steuern des Leistungsschalters unter Verwendung eines diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus des Schaltwandlers, wenn eine Spitze der Darstellung den kleinsten DCM-Stromschwellwert übersteigt.
Dieser Überblick soll einen Überblick über den Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung liefern. Er soll keine ausschließliche oder erschöpfende Erläuterung der Erfindung liefern. Die detaillierte Beschreibung ist aufgenommen, um weitere Informationen über die vorliegende Patentanmeldung bereitzustellen.
Figurenliste
In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, können gleiche Zahlen in verschiedenen Ansichten ähnliche Komponenten beschreiben. Gleiche Zahlen mit unterschiedlichen Buchstabensuffixen können unterschiedliche Instanzen von ähnlichen Komponenten darstellen. Die Zeichnungen veranschaulichen allgemein, als Beispiel, aber nicht als Beschränkung, verschiedene, in dem vorliegenden Dokument erörterte Ausführungsformen.

1 zeigt allgemein einen Spannungswandler mit einer beispielhaften Lastprüfschaltung.
2 zeigt allgemein eine beispielhafte Schwellwertgeneratorschaltung.
3A-3C zeigt allgemein beispielhafte Wellenformen zum Generieren eines Befehlssignals zum Schalten in den DCM-Betrieb, nachdem eine Last eines Reglers einen kleinsten DCM-Schwellwert von einem niedrigen Lastpegel zu einem höheren Lastpegel durchquert hat.
4 zeigt allgemein ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zum Justieren eines Steuerschemas eines Schaltwandlers wie etwa eines dc-dc-Schaltwandlers.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Vorrichtungen und Verfahren zum Bereitstellen eines Lastschwellwertsignals für einen DC-DC-Wandler erkannt. In gewissen Anwendungen kann das Lastschwellwertsignal verwendet werden, um einen Wandler von DCM-Steuerung zu einem anderen, effizienteren Steuerschema umzuschalten. Einige herkömmliche Techniken zum Detektieren eines Wandlerlastniveaus können unter signifikanter Abhängigkeit von Eingangsspannungsbedingungen und einer Induktanzvariation des Wandlers leiden. Einige herkömmliche Techniken können eine Schaltzyklusverzögerung erfordern, bevor ein zuverlässiges Lastniveaudetektionssignal geliefert wird. Im Allgemeinen ist für jeden Schaltzyklus eines Schaltreglers der Ladestrom im Induktor der Spitzenstrom des Induktors multipliziert mit dem halben Tastverhältnis, und der Entladestrom ist der Laststrom. Im stabilen Zustand ist der Ladestrom gleich dem Entladestrom, so dass $I_{p e a k} = \frac{2 * I_{l o a d}}{D},$
wobei I_peak der Spitzenstrom eines Schaltzyklus in einem Steuerbetrieb vom DCM-Typ ist, I_load der Laststrom ist und D das Tastverhältnis des Schaltzyklus ist. In gewissen Beispielen liefert die obige Formel eine Basis zum Bereitstellen eines Spitzenschwellwertgenerators, der das Detektieren des Lastniveaus eines Schaltreglers unabhängig von Eingangsspannung, Ausgangsspannung und Induktanz unterstützen kann und sofortige Ergebnisse zum Ändern des Betriebs des Reglers von einer DCM-Steuerung zu einem effizienteren Steuerschema während Perioden von sehr schwacher Last bereitstellen kann. In gewissen Anwendungen kann der unten erörterte DCM-Spitzenschwellwert eine präzise Detektion des Lastniveaus ohne herkömmliche Schaltzyklusverzögerung gestatten. Eine derartige Detektionsfähigkeit kann gestatten, dass eine Einrichtung schneller zu effizienteren Steuerschemata umschaltet, was einen Betrieb von mobilen Einrichtungen zwischen Ladezyklen verlängern kann, wo die Versorgungsleistung der Einrichtung über eine Batterie oder über eine andere Leistungsversorgung mit begrenzter Kapazität begrenzt ist.
1 zeigt allgemein einen Spannungswandler 100 mit einer beispielhaften Lastprüfschaltung 101. In gewissen Beispielen kann der Spannungswandler einen Versorgungseingang 102 zum Empfangen einer Eingangsspannung (V_IN ), einen ersten Leistungsschalter 103, einen zweiten Leistungsschalter 104, einen Induktor 105, eine Steuerschaltung 106 und einen Ausgang 107 zum Liefern einer Ausgangsspannung (V_OUT ) an eine Last 108 aufweisen. In gewissen Beispielen kann die Lastprüfschaltung 101 einen Schwellwertgenerator 110 und einen Vergleicher 111 aufweisen. In gewissen Beispielen kann der Ausgang der Lastprüfschaltung 101 als ein Eingang zur Steuerschaltung 106 verwendet werden, um ein Steuerschema der Schalter 103, 104 des Wandlers 100 zu ändern. Im Allgemeinen kann der Spannungswandler 100 die Eingangsspannung (V_IN ) empfangen und kann die Ausgangsspannung (V_OUT ) an die Last 108 liefern. Die Ausgangsspannung (V_OUT ) kann sich auf einem anderen Spannungspegel der Eingangsspannung (V_IN ) befinden. Die Steuerschaltung 106 kann eine Logik zum Steuern des ersten und zweiten Leistungsschalters 103, 104 enthalten, so dass die Ausgangsspannung (V_OUT ) auf einem gewissen Spannungspegel gehalten wird. Es gibt mehrere herkömmliche Steuerschemata zum Schalten des ersten und zweiten Leistungsschalters 103, 104, um an der Last 108 einen gewünschten Spannungspegel (V_OUT ) aufrechtzuerhalten.
In gewissen Beispielen kann die Lastprüfschaltung 101 eine Anzeige des durch den ersten Leistungsschalter 103 durchgelassenen Stroms und eine Anzeige eines Tastverhältnisses des ersten Leistungsschalters 103 und/oder des zweiten Leistungsschalters 104 empfangen und kann eine Ausgabe generieren, die ein Lastniveau des Spannungswandlers 100 anzeigt. In gewissen Beispielen kann ein Stromsensor 109 eine Anzeige des den ersten Leistungsschalter 103 umgehenden Stroms zu einem ersten Eingang der Lastprüfschaltung 101 bereitstellen. Eine optionale Tastverhältnislogik 113 kann eine Anzeige des Tastverhältnisses des ersten Leistungsschalters 103 und/oder des zweiten Leistungsschalters 104 an einen zweiten Eingang der Lastprüfschaltung 101 liefern. Der Schwellwertgenerator 110 kann einen oder mehrere Schwellwerte an einen Vergleicher 111 liefern. In einem ersten Betriebsmodus kann der Schwellwertgenerator 110 einen Spitzenstromschwellwert liefern. Der Vergleicher 111 kann im ersten Betriebsmodus eine Anzeige des Wandlers 100 liefern, der mit einem ersten Transistorstrom arbeitet, der den Spitzenstromschwellwert übersteigt. Im ersten Betriebsmodus kann die Steuerschaltung 106 eingreifen, um die Beanspruchung des Wandlers 100 zu reduzieren, wenn die Vergleicherausgabe anzeigt, dass der Wandler 100 mit einem ersten Transistorstrom arbeitet, der den Spitzenstromschwellwert übersteigt. Eine derartige Handlung kann das Begrenzen des Schalttastverhältnisses des ersten oder zweiten Leistungsschalters 103, 104, um den Spitzenstrom zu senken, das Deaktivieren eines oder mehrerer der Leistungsschalter 103, 104 oder andere Handlungen, um den Strom zu reduzieren, der von dem Spannungswandler 100 durchgelassen wird, aufweisen.
In einem zweiten Betriebsmodus können der Schwellwertgenerator 110 und der Vergleicher 111 einen Lastniveauschwellwert des Wandlers 100 unter Verwendung des durch den Stromsensor 109 detektierten Stroms und der durch die Tastverhältnislogik 113 bereitgestellten Tastverhältnisinformationen bereitstellen. Der Lastniveauschwellwert und die durch die Lastprüfschaltung 101 bereitgestellte entsprechende Ausgabe können der Steuerschaltung 106 gestatten, Steuerstrategien des ersten und zweiten Leistungsschalters 103, 104 umzuschalten, um den Spannungswandler 100 effizienter zu betreiben. Beispielsweise kann im zweiten Betriebsmodus der Schwellwertgenerator 110 einen Lastniveauschwellwert liefern, der von dem Tastverhältnis der Leistungsschalter 103, 104 und einem Referenzstrom abhängt. Beim Arbeiten in einem diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus (DCM) kann der Spannungswandler 100 einen effizienten Betrieb bereitstellen, wenn das Lastniveau des Spannungswandlers 100 über einem kleinsten Lastniveau liegt. Nachdem das Lastniveau unter das kleinste Lastniveau sinkt, können andere Steuerschemata eine effizientere Spannungsumwandlung bereitstellen. Im zweiten Betriebsmodus kann der Schwellwertgenerator 110 einen Lastniveauindikator bereitstellen, damit die Steuerschaltung 106 zu dem effizienteren Betriebsmodus des Spannungswandlers 100 umschalten kann. In gewissen Beispielen kann der Ausgang der Lastprüfschaltung101 an einem Zwischenspeicher 112 gekoppelt sein. Wie oben erörtert, steht das Lastniveau zu dem Tastverhältnis und dem größten Pegel des Spitzenladestroms des Spannungswandlers 100 in Beziehung. Deshalb kann der Zwischenspeicher 112 den Ausgang der Lastprüfschaltung 101 zwischen Abtastzeiten des Spitzenstroms und einem entsprechenden Vergleich des tatsächlichen Spitzenstroms mit dem Lastniveauschwellwert aufrechterhalten.
2 zeigt allgemein eine beispielhafte Schwellwertgeneratorschaltung 210. In gewissen Beispielen kann die Schwellwertgeneratorschaltung 210 einen Schwellwertgenerator 220 und eine Vergleicherschaltung 221 aufweisen. Die Vergleicherschaltung 221 kann eine Darstellung des Stroms, der durch den ersten Leistungsschalter hindurchtritt, des Laststroms (I_S1 ) und eine Darstellung eines durch den Schwellwertgenerator 220 bereitgestellten kleinsten DCM-Schwellwerts (I_{DCM_TH} ) empfangen. Ein Vergleicher 222 der Vergleicherschaltung 221 kann die relativen Werte des Laststroms und des kleinsten DCM-Schwellwerts vergleichen und kann eine Anzeige des Vergleichs liefern. In dem dargestellten Beispiel von 2 kann der Ausgang (LOAD_CHK) des Vergleichers 222 von einem niedrigen Logikzustand zu einem hohen Logikzustand umschalten, wenn der Spitzenlaststrom (I_S1 ) von unter dem kleinsten DCM-Schwellwert (I_{DCM_TH} ) zu über dem kleinsten DCM-Schwellwert (I_{DCM_TH} ) umschaltet. Bei einigen Beispielen kann der Vergleicher 222 eine Hysterese aufweisen, um Störungsübergänge des Vergleicherausgangs (LOAD_CHK) zu reduzieren, wenn Eingänge zu dem Vergleicher 222 Pegel besitzen, die sehr nahe beieinanderliegen.
In gewissen Beispielen kann der Schwellwertgenerator 220 einen Verstärker 223, eine Referenzstromquelle 224, verschiedene Transistoren 225-232, einen ersten Widerstand (R₁ ) 236 und einen zweiten Widerstand (R₂ ) 237 aufweisen. Ein erster Zweig 238 des Schwellwertgenerators 220 kann die Referenzstromquelle 224, einen ersten Transistor 232 und den ersten Widerstand 236 aufweisen. Der Steuerknoten des ersten Transistors 232 kann an den Ausgang des Verstärkers 223 gekoppelt sein. Der erste Transistor 232 kann den Referenzstrom (I_ref ) der Referenzstromquelle 224 zu dem ersten Widerstand (R₁ ) 236 durchlassen. Ein Knoten des ersten Widerstands (R₁ ) 236 kann an einen ersten Eingangsverstärker 223 gekoppelt sein. Die Spannung am ersten Eingang des Verstärker 223 kann etwa I_ref* R₁ betragen.
Da der Ausgang des Verstärkers 223 variiert, können auch der Ausgangsstrom (I_out ) eines zweiten Zweigs 239 des Schwellwertgenerators 220 unter Verwendung eines zweiten Transistors 229 mit einem an einen Schaltanschluss des ersten Transistors 232 gekoppelten Steuerknoten variieren. Der Ausgangsstrom (lout) kann zu einem dritten Zweig 240 oder Rückkopplungspfad des Schwellwertgenerators 220 unter Verwendung der Transistoren 226, 227 eines ersten Stromspiegels gespiegelt werden und kann durch einen zweiten Widerstand (R₂ ) 237 als Funktion eines Tastverhältnisses (D) des Leistungswandlers hindurchgeschickt werden. Das Tastverhältnis (D) kann im dritten Zweig 240 als ein Tastverhältnisschalter 241 implementiert werden, der den Stromfluss zum zweiten Widerstand (R₂ ) 237 auf Basis des Tastverhältnisses (D) unterbrechen kann. Ein Knoten des zweiten Widerstands 237 kann an einem zweiten Eingang des Verstärkers 223 gekoppelt sein. Die Spannung am zweiten Eingang des Verstärkers 223 kann gleich I_out*D*R₂ sein. In gewissen Beispielen wird der Ausgangsstrom (I_out ) in einem vierten Zweig 242 unter Verwendung der Transistoren 227, 228 eines zweiten Stromspiegels gespiegelt, um an einem Eingang der Vergleicherschaltung 221 angelegt zu werden, weshalb der Ausgangsstrom (I_out ) der kleinste DCM-Schwellwert (I_{DCM_TH} ) sein kann oder $I_{DCM_TH} = I_{o u t} .$
Der Verstärker wird dahingehend arbeiten, die Spannungen am ersten und zweiten Eingang gleich zu machen, so dass $R_{2} D I_{o u t} = I_{r e f} R_{1} .$
Durch Substitution über Gleichung 1 $R_{2} D I_{DCM_TM} = I_{r e f} R_{1} .$
Lösen nach I_{DCM_TH} ergibt $I_{DCM_TH} = \frac{I_{r e f} R_{1}}{D R_{2}} .$
In gewissen Beispielen kann die Darstellung des Leistungsschalterstroms eine skalierte Version des tatsächlichen Leistungsschalterstroms sein, beispielsweise mit einem Faktor K über den Stromsensor 209 skaliert. Somit kann der Ausgangsstrom (I_out ) eine skalierte Version des tatsächlichen Spitzenschwellwertstroms darstellen, so dass $\frac{I_{DCM_TH}}{K} = I_{o u t} .$
Dementsprechend kann der tatsächliche kleinste DCM-Schwellwertstrom betragen: $I_{DCM_TH} = \frac{K I_{r e f} R_{1}}{D R_{2}} .$
Wie Gl. 1, ist Gl. 7 umgekehrt proportional zu dem Schalttastverhältnis. Deshalb kann der kleinste DCM-Schwellwert eine kleinste Last an dem Schaltspannungswandler darstellen. Das Bereitstellen einer Anzeige, ob der Schaltwandler über oder unter der kleinsten Last ist, kann dem Schaltwandler gestatten, gemäß einem effizienteren Schaltschema selektiv zu arbeiten. In gewissen Beispielen kann die Referenzstromquelle 224 justierbar sein, um ein Feinabstimmen des kleinsten DCM-Schwellwerts oder des kleinsten Lastniveaus zu gestatten. In gewissen Beispielen kann der vierte Zweig einen optionalen Bias-Transistor 231 zum Spiegeln des Spannungsabfalls des Stromsensors 209 aufweisen.
3A-3B zeigt allgemein beispielhafte Wellenformen zum Generieren eines Befehlssignals zum Schalten in den DCM-Betrieb, nachdem eine Last eines Reglers einen kleinsten DCM-Schwellwert von einem niedrigen Lastpegel zu einem höheren Lastpegel durchquert hat. 3A zeigt eine Darstellung des erfassten Stroms 301 von einem Schaltspannungswandler und den durch einen beispielhaften Schwellwertgenerator wie oben erörtert generierten entsprechenden kleinsten DCM-Schwellwert 302. 3B zeigt den Logikspannungspegel 303 eines Ausgangs des Lastprüfungsschaltungsvergleichers. 3C zeigt eine Darstellung des Laststroms 304 der Lasteinrichtung. Bei t0 nimmt die Stromlast signifikant zu. Nachdem die Stromlast bei t0 zunimmt, beginnt das Tastverhältnis der Stromwellenform von 3A zuzunehmen, und, wie durch die obigen Gleichungen vorhergesagt, beginnt der kleinste DCM-Schwellwert abzunehmen. Bei t1 beginnt der Spitzenstrom der Darstellung des erfassten Stroms, den kleinsten DCM-Schwellwert zu übersteigen, und der Ausgang der Lastprüfungsschaltung ändert Zustände, was anzeigt, dass die Spannungswandlersteuerung zum DCM-Betrieb umschalten kann, um effizienter zu sein. Es versteht sich, dass, wenn der Laststrom abnimmt und der Spitzenstrom der Darstellung des erfassten Stroms unter den kleinsten DCM-Schwellwert fällt, der Ausgang der Lastprüfschaltung Zustände ändern kann, beispielsweise zu einem niedrigen Logikpegel, um anzuzeigen, dass eine andere Form der Leistungsschaltersteuerung möglicherweise effizienter ist als das Aufrechterhalten der DCM-Steuerung unter solchen schwachen Lastbedingungen.
4 zeigt allgemein ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zum Justieren eines Steuerschemas eines Schaltwandlers wie etwa eines dc-dc-Schaltwandlers. Bei 401 kann ein Schwellwertgenerator einer Lastprüfschaltung des Schaltwandlers einen kleinsten DCM-Schwellwert generieren. Wie oben erörtert, kann der kleinste DCM-Schwellwert auf einer Ausgabe einer Referenzstromquelle und einem Tastverhältnis des Schaltwandlers basieren. Bei 402 kann ein Vergleicher der Lastprüfschaltung eine Darstellung des Induktorladestroms von einem Stromsensor empfangen, der an einen Leistungsschalter des Schaltwandlers gekoppelt oder mit ihm assoziiert ist. Bei 403 kann der Vergleicher die Darstellung mit dem kleinsten DCM-Schwellwert vergleichen und eine Anzeige des Vergleichs liefern. In gewissen Beispielen kann die Ausgabe des Vergleichers zwischengespeichert werden. Wenn bei 404 der Spitzenwert der Darstellung den kleinsten DCM-Schwellwert übersteigt, kann der Wandler auf das Steuern der Leistungsschalter des Schaltwandlers gemäß einem DCM-Steuerschema umschalten oder es aufrechterhalten. Wenn in gewissen Beispielen bei 405 der Spitzenwert der Darstellung den kleinsten DCM-Schwellwert nicht übersteigt, kann der Wandler auf ein effizienteres Steuerschema oder einen effizienteren Steuerbetrieb zum Steuern der Leistungsschalter außer DCM umschalten, wie etwa ein Hysteresesteuerschema.
Das Bereitstellen einer Lastprüfschaltung und eines Verfahrens, wie oben erörtert, kann ein genaueres und schnelleres Verfahren zum Bestimmen eines Lastniveaus des Schaltwandlers bereitstellen. Außerdem ist die Lastprüffunktion von der Induktanz des Schaltwandlers unabhängig und ist von Eingabe- und Ausgabebedingungen des Schaltwandlers unabhängig. Eine Vorrichtung gemäß dem vorliegenden Gegenstand lässt sich sogar in sehr schnellen Schaltwandlern leicht realisieren. Eine Lastprüfschaltung, wie oben erörtert, kann in Schaltwandlern vom Tiefsetztyp, in Schaltwandlern vom Hochsetztyp und in Schaltwandlern vom Tiefsetz-Hochsetz-Typ verwendet werden. Ein mit einem anderen Signal assoziiertes Tastverhältnis wird möglicherweise in Abhängigkeit von dem Typ von Schaltwandler benötigt. In gewissen Beispielen kann die Lastprüfschaltung die gleiche Hardware als eine Stromgrenzschaltung, die normalerweise in einem Schaltwandler vorgesehen ist, verwenden. Die Antwortzeit der Lastprüfschaltung ist viel niedriger als die Schaltfrequenz des Wandlers und kann nur durch die Bandbreite der DCM-Schleife begrenzt sein.
Verschiedene Anmerkungen und Beispiele
In Aspekt 1 kann ein Verfahren für die Echtzeit-Laststromdetektion für einen Schaltwandler unter Verwendung eines diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus (DCM) Folgendes aufweisen: Generieren eines kleinsten DCM-Stromschwellwerts auf Basis einer Referenzstromquelle und eines Tastverhältnisses des Schaltwandlers, Empfangen einer Darstellung eines Induktorladestroms von einem Leistungsschalter des Schaltwandlers an einem Vergleicher, Vergleichen der Darstellung mit dem DCM-Stromschwellwert, und Steuern des Leistungsschalters unter Verwendung eines diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus des Schaltwandlers, wenn eine Spitze der Darstellung den kleinsten DCM-Stromschwellwert übersteigt.
In Aspekt 2 das Verfahren von Aspekt 1 optional Umschalten von dem diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus des Wandlers, wenn die Darstellung den kleinsten DCM-Stromschwellwert nicht übersteigt.
In Aspekt 3 weist das Generieren des kleinsten DCM-Stromschwellwerts nach einem oder mehreren der Aspekte 1-2 optional das Spiegeln des kleinsten DCM-Stromschwellwerts über einen Rückkopplungspfad auf, wobei der Rückkopplungspfad einen Rückkopplungswiderstand und einen Tastverhältnisschalter aufweisen, die ausgebildet sind, gemäß einem Tastverhältnis (D) des Wandlers zu arbeiten.
In Aspekt 4 weist das Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1-3 optional das Vergleichen einer Rückkopplungsspannung an dem Rückkopplungswiderstand mit einer Referenzspannung an einem Referenzwiderstand auf, um ein kleinstes DCM-Stromsteuersignal bereitzustellen.
In Aspekt 5 weist das Vergleichen der Rückkopplungsspannung mit einer Referenzspannung von einem oder mehreren der Aspekte 1-4 optional das Liefern eines Referenzstroms an den Referenzwiderstand von der Referenzstromquelle auf.
In Aspekt 6 weist das Empfangen der Darstellung eines Induktorladestroms nach einem oder mehreren der Aspekte 1-5 optional das Skalieren des Induktorstroms um einen Faktor von K unter Verwendung eines Stromsensors auf.
In Aspekt 7 weist das Generieren des kleinsten DCM-Stromschwellwerts (Ith) nach einem oder mehreren der Aspekte 1-6 optional das Setzen des kleinsten DCM-Stromschwellwerts als eine Funktion der durch die justierbare Stromquelle gelieferten Referenzstroms (Iref), so dass I_th=(I_ref*R2)/DR1 auf.
In Aspekt 8 kann eine Schaltung zum Ändern eines Betriebsmodus eines Spannungswandlers mit diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus Folgendes aufweisen: einen ersten Vergleicher, der dazu ausgebildet ist, eine Darstellung einer gleichzeitigen Stromlast des Spannungswandlers mit einem kleinsten DCM-Stromschwellwert zu vergleichen und ein den Vergleich anzeigendes Ausgangssignal zu liefern; und eine Schwellwertgeneratorschaltung, die dazu ausgebildet ist, den kleinsten DCM-Stromschwellwert auf Basis eines Referenzstroms und eines Tastverhältnisses des Wandlers bereitzustellen.
In Aspekt 9 ist der erste Vergleicher nach einem oder mehreren der Aspekte 1-8 optional dazu ausgebildet, eine skalierte Darstellung eines Induktorstroms des Wandlers von einem Stromsensor zu empfangen, der mit einem Leistungsschalter des Wandlers assoziiert ist, wobei die skalierte Darstellung einen Skalenfaktor von K besitzt.
In Aspekt 10 weist die Schwellwertgeneratorschaltung nach einem oder mehreren der Aspekte 1-9 optional einen ersten Stromspiegel auf, der dazu ausgebildet ist, den kleinsten DCM-Stromschwellwert an einen zweiten Eingang des Vergleichers zu liefern.
In Aspekt 11 weist die Schwellwertgeneratorschaltung nach einem oder mehreren der Aspekte 1-10 optional einen zweiten Stromspiegel auf, der dazu ausgebildet ist, eine Darstellung des kleinsten DCM-Stromschwellwerts an einen Rückkopplungspfad des Schwellwertgenerators zurückzukoppeln.
In Aspekt 12 weist der Rückkopplungspfad nach einem oder mehreren der Aspekte 1-11 optional einen Schalter, der dazu ausgebildet ist, gemäß einem Tastverhältnis des Wandlers zu arbeiten, und einen Rückkopplungswiderstand, der an den Schalter gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, eine Rückkopplungsspannung zu liefern, auf.
In Aspekt 13 weist die Schwellwertgeneratorschaltung nach einem oder mehreren der Aspekte 1-12 optional einen zweiten Vergleicher auf, der dazu ausgebildet ist, die Rückkopplungsspannung mit einer Referenzspannung zu vergleichen und ein DCM-Schwellwertstrom-Steuersignal zu liefern.
In Aspekt 14 weist die Schwellwertgeneratorschaltung nach einem oder mehreren der Aspekte 1-13 optional eine Referenzstromquelle, die dazu ausgebildet ist, den Referenzstrom zu liefern, und einen Referenzwiderstand, der dazu ausgebildet ist, eine Referenzspannung unter Verwendung des Referenzstroms zu liefern, auf.
In Aspekt 15 weist die Schwellwertgeneratorschaltung nach einem oder mehreren der Aspekte 1-14 optional einen Ausgangstransistor auf, der dazu ausgebildet ist, das DCM-Schwellwertstrom-Steuersignal zu empfangen und den kleinsten DCM-Stromschwellwert zu generieren.
In Aspekt 16 kann ein Schaltwandler Folgendes aufweisen: einen Eingang, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung zu empfangen, einen Ausgang, der dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung an eine Last zu liefern, einen Leistungsschalter, der an den Eingang gekoppelt ist, einen Induktor, der an den Ausgang gekoppelt ist, wobei der Leistungsschalter und der Induktor miteinander zwischen dem Eingang und dem Ausgang in Reihe gekoppelt sind, einen Stromsensor, der dazu ausgebildet ist, eine Darstellung des Stroms zu liefern, der durch den Leistungsschalter hindurchtritt; und eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Leistungsschalter in einem von mehreren Betriebsmodi zu steuern. Die Steuerschaltung kann aufweisen: eine Schwellwertgeneratorschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen kleinsten DCM-Schwellwert auf Basis eines Referenzstroms und eines Tastverhältnisses des Leistungsschalters des Schaltwandlers zu liefern, und einen ersten Vergleicher, der dazu ausgebildet ist, die Darstellung mit dem kleinsten DCM-Schwellwert zu vergleichen und ein den Vergleich anzeigendes Ausgangssignal zu liefern. Die Steuerschaltung kann den Leistungsschalter in einem diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus der mehreren Betriebsmodi steuern, wenn die Darstellung den kleinsten DCM-Schwellwert übersteigt.
In Aspekt 17 ist die Steuerschaltung nach einem oder mehreren der Aspekte 1-16 optional dazu ausgebildet, eine skalierte Darstellung eines Induktorstroms des Wandlers von dem Stromsensor zu empfangen, wobei die skalierte Darstellung einen Skalenfaktor von K besitzt.
In Aspekt 18 weist die Schwellwertgeneratorschaltung nach einem oder mehreren der Aspekte 1-17 optional einen ersten Stromspiegel, der dazu ausgebildet ist, den kleinsten DCM-Schwellwert an einen zweiten Eingang des Vergleichers zu liefern, und einen zweiten Stromspiegel, der dazu ausgebildet ist, eine Darstellung des kleinsten DCM-Schwellwerts an einem Rückkopplungspfad des Schwellwertgenerators zurückzukoppeln, auf.
In Aspekt 19 weist der Rückkopplungspfad nach einem oder mehreren der Aspekte 1-18 optional einen Schalter, der dazu ausgebildet ist, gemäß einem Tastverhältnis des Wandlers zu arbeiten, und einen Rückkopplungswiderstand, der an den Schalter gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, eine Rückkopplungsspannung zu liefern, auf.
In Aspekt 20 weist die Schwellwertgeneratorschaltung nach einem oder mehreren der Aspekte 1-19 optional einen zweiten Vergleicher, der dazu ausgebildet ist, die Rückkopplungsspannung mit einer Referenzspannung zu vergleichen und ein DCM-Schwellwertstrom-Steuersignal zu liefern, und eine Referenzstromquelle, die dazu ausgebildet ist, die Referenzspannung in Zusammenarbeit mit einem zweiten Widerstand zu generieren, auf.
Jedes dieser nicht beschränkenden Beispiele kann für sich alleine stehen oder kann in verschiedenen Permutationen oder Kombinationen mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden.
Die obige detaillierte Beschreibung weist Referenzen auf die beiliegenden Zeichnungen auf, die einen Teil der detaillierten Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diese Ausführungsformen werden hierin auch als „Beispiele“ bezeichnet. Solche Beispiele können Elemente zusätzlich zu jenen gezeigten oder beschriebenen aufweisen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung ziehen jedoch auch Beispiele in Betracht, in denen nur jene gezeigten oder beschriebenen Elemente vorgesehen sind. Zudem ziehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele unter Verwendung einer beliebigen Kombination oder Permutation jener gezeigten oder beschriebenen Elemente (oder einem oder mehrerer Aspekte davon) entweder bezüglich eines bestimmten Beispiels (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) oder bezüglich anderer Beispiele (oder eines oder mehrerer Aspekte davon), die hierin gezeigt oder beschrieben sind, in Betracht.
Im Fall einer uneinheitlichen Verwendung zwischen diesem Dokument und beliebigen, unter Bezugnahme so aufgenommenen Dokumenten ist die Verwendung in diesem Dokument bestimmend.
In diesem Dokument werden die Ausdrücke „ein/eine/einer“ verwendet, wie in Patentdokumenten üblich ist, um einen oder mehr als einen aufzuweisen, unabhängig von beliebigen anderen Instanzen oder Verwendungen von „mindestens ein“ oder „einer oder mehrere“. In diesem Dokument wird der Ausdruck „oder“ verwendet, um sich auf ein nichtexklusives Oder zu beziehen, so dass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ aufweist, sofern nicht etwas Anderes angegeben ist. In diesem Dokument werden die Ausdrücke „aufweisend“ und „in denen“ als die Äquivalente der jeweiligen Ausdrücke „aufweisend“ und „wobei“ in einfachem Englisch verwendet. Außerdem sind in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „einschließlich“ und „aufweisend“ offen, das heißt, ein System, eine Einrichtung, ein Artikel, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, die Elemente zusätzlich zu jenen nach einem derartigen Ausdruck in einem Anspruch aufgeführten aufweisen, werden immer noch so angesehen, dass sie in den Schutzbereich dieses Anspruchs fallen. Zudem werden in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen ihren Objekten keine numerischen Anforderungen auferlegen. Hierin beschriebene Verfahrensbeispiele können mindestens teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein. Einige Beispiele können ein computerlesbares Medium oder ein maschinenlesbares Medium aufweisen, das mit Anweisungen codiert ist, die ausgeführt werden können, um eine Elektronikeinrichtung auszubilden, um Verfahren, wie in den obigen Beispielen beschrieben, durchzuführen. Eine Implementierung solcher Verfahren kann einen Code wie etwa einen Mikrocode, einen Assemblersprachcode, einen Sprachcode auf höherer Ebene oder dergleichen aufweisen. Ein derartiger Code kann computerlesbare Anweisungen zum Durchführen verschiedener Verfahren aufweisen. Der Code kann Abschnitte von Computerprogrammprodukten bilden. Weiterhin kann in einem Beispiel der Code dinglich auf einem oder mehreren flüchtigen, nichtflüchtigen oder unflüchtigen dinglichen computerlesbaren Medien wie etwa während einer Ausführung oder zu anderen Zeiten gespeichert sein. Beispiele für diese dinglichen computerlesbaren Medien können unter anderem Festplatten, entfernbare Magnetplatten, entfernbare optische Platten (z.B. Compact Discs und Digital Video Discs), Magnetkassetten, Speicherkarten oder Speichersticks, Direktzugriffsspeicher (RAMs), Festwertspeicher (ROMs) und dergleichen aufweisen.
Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht restriktiv sein. Beispielsweise können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, wie etwa durch einen Durchschnittsfachmann bei Betrachtung der obigen Beschreibung. Die Zusammenfassung wird vorgelegt, um 37 C.F.R. §1.72(b) zu erfüllen, damit der Leser die Natur der technischen Offenbarung schnell feststellen kann. Sie wird in dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht verwendet wird, um den Schutzbereich oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Außerdem können in der obigen detaillierten Beschreibung verschiedene Merkmale miteinander gruppiert sein, um die Offenbarung zu vereinfachen. Dies sollte nicht so ausgelegt werden, dass damit beabsichtigt wird, dass ein unbeanspruchtes offenbartes Merkmal für irgendeinen Anspruch essentiell ist. Vielmehr kann der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform liegen. Somit sind die folgenden Ansprüche hiermit als Beispiele oder Ausführungsformen in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als eine separate Ausführungsform für sich selbst steht, und es wird in Betracht gezogen, dass solche Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen miteinander kombiniert werden können. Der Schutzbereich der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die beiliegenden Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang an Äquivalenten, auf den solche Ansprüche einen Anspruch haben, bestimmt werden.

Claims

Verfahren für die Echtzeit-Laststromdetektion für einen Schaltwandler unter Verwendung eines diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus (DCM), wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Generieren eines kleinsten DCM-Stromschwellwerts auf Basis einer Referenzstromquelle und eines Tastverhältnisses des Schaltwandlers; Empfangen einer Darstellung eines Induktorladestroms von einem Leistungsschalter des Schaltwandlers an einem Vergleicher; Vergleichen der Darstellung mit dem DCM-Stromschwellwert; und Steuern des Leistungsschalters unter Verwendung eines diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus des Schaltwandlers, wenn eine Spitze der Darstellung den kleinsten DCM-Stromschwellwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend das Umschalten von dem diskontinuierlich leitenden Betriebsmodus des Wandlers, wenn die Darstellung den kleinsten DCM-Stromschwellwert nicht übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Generieren des kleinsten DCM-Stromschwellwerts das Spiegeln des kleinsten DCM-Stromschwellwerts über einen Rückkopplungspfad aufweist, wobei der Rückkopplungspfad einen Rückkopplungswiderstand und einen Tastverhältnisschalter aufweist, die ausgebildet sind, gemäß einem Tastverhältnis (D) des Wandlers zu arbeiten.
Verfahren nach Anspruch 3, aufweisend das Vergleichen einer Rückkopplungsspannung an dem Rückkopplungswiderstand mit einer Referenzspannung an einem Referenzwiderstand, um ein kleinstes DCM-Stromsteuersignal bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Vergleichen der Rückkopplungsspannung mit einer Referenzspannung das Liefern eines Referenzstroms an den Referenzwiderstand von der Referenzstromquelle aufweist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Empfangen der Darstellung eines Induktorladestroms das Skalieren des Induktorstroms um einen Faktor von K unter Verwendung eines Stromsensors aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Generieren des kleinsten DCM-Stromschwellwerts (I_th) das Setzen des kleinsten DCM-Stromschwellwerts als eine Funktion der durch die justierbare Stromquelle gelieferten Referenzstroms (Iref) aufweist, so dass $I_{t h} = \frac{I_{r e f} * R_{2}}{D R 1} .$
Schaltung zum Ändern eines Betriebsmodus eines Spannungswandlers mit diskontinuierlich leitendem Betriebsmodus, wobei die Schaltung Folgendes aufweist: einen ersten Vergleicher, der dazu ausgebildet ist, eine Darstellung einer gleichzeitigen Stromlast des Spannungswandlers mit einem kleinsten DCM-Stromschwellwert zu vergleichen und ein den Vergleich anzeigendes Ausgangssignal zu liefern; und eine Schwellwertgeneratorschaltung, die dazu ausgebildet ist, den kleinsten DCM-Stromschwellwert auf Basis eines Referenzstroms und eines Tastverhältnisses des Wandlers bereitzustellen.
Schaltung nach Anspruch 8, wobei der erste Vergleicher dazu ausgebildet ist, eine skalierte Darstellung eines Induktorstroms des Wandlers von einem Stromsensor zu empfangen, der mit einem Leistungsschalter des Wandlers assoziiert ist, wobei die skalierte Darstellung einen Skalenfaktor von K besitzt.
Schaltung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schwellwertgeneratorschaltung einen ersten Stromspiegel aufweist, der dazu ausgebildet ist, den kleinsten DCM-Stromschwellwert an einen zweiten Eingang des Vergleichers zu liefern.
Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Schwellwertgeneratorschaltung einen zweiten Stromspiegel aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine Darstellung des kleinsten DCM-Stromschwellwerts an einen Rückkopplungspfad des Schwellwertgenerators zurückzukoppeln.
Schaltung nach Anspruch 11, wobei der Rückkopplungspfad einen Schalter, der dazu ausgebildet ist, gemäß einem Tastverhältnis des Wandlers zu arbeiten, und einen Rückkopplungswiderstand, der an den Schalter gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, eine Rückkopplungsspannung zu liefern, aufweist.
Schaltung nach Anspruch 12, wobei die Schwellwertgeneratorschaltung einen zweiten Vergleicher aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Rückkopplungsspannung mit einer Referenzspannung zu vergleichen und ein DCM-Schwellwertstrom-Steuersignal zu liefern.
Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Schwellwertgeneratorschaltung eine Referenzstromquelle, die dazu ausgebildet ist, den Referenzstrom zu liefern, und einen Referenzwiderstand, der dazu ausgebildet ist, eine Referenzspannung unter Verwendung des Referenzstroms zu liefern, aufweist.
Schaltung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Schwellwertgeneratorschaltung einen Ausgangstransistor aufweist, der dazu ausgebildet ist, das DCM-Schwellwertstrom-Steuersignal zu empfangen und den kleinsten DCM-Stromschwellwert zu generieren.
Schaltwandler, aufweisend: einen Eingang, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung zu empfangen; einen Ausgang, der dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung an eine Last zu liefern; einen Leistungsschalter, der an den Eingang gekoppelt ist; einen Induktor, der an den Ausgang gekoppelt ist, wobei der Leistungsschalter und der Induktor miteinander zwischen dem Eingang und dem Ausgang in Reihe gekoppelt sind; einen Stromsensor, der dazu ausgebildet ist, eine Darstellung des Stroms zu liefern, der durch den Leistungsschalter hindurchtritt; und eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Leistungsschalter in einem von mehreren Betriebsmodi zu steuern; wobei die Steuerschaltung aufweist: eine Schwellwertgeneratorschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen kleinsten DCM-Schwellwert auf Basis eines Referenzstroms und eines Tastverhältnisses des Leistungsschalters des Schaltwandlers zu liefern; und einen ersten Vergleicher, der dazu ausgebildet ist, die Darstellung mit dem kleinsten DCM-Schwellwert zu vergleichen und ein den Vergleich anzeigendes Ausgangssignal zu liefern; und wobei die Steuerschaltung den Leistungsschalter in einem diskontinuierlich Strom-Betriebsmodus der mehreren Betriebsmodi steuert, wenn die Darstellung den kleinsten DCM-Schwellwert übersteigt.
Schaltwandler nach Anspruch 16, wobei die Steuerschaltung dafür ausgebildet ist, eine skalierte Darstellung eines Induktorstroms des Wandlers von dem Stromsensor zu empfangen, wobei die skalierte Darstellung einen Skalenfaktor von K besitzt.
Schaltwandler nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Schwellwertgeneratorschaltung aufweist: einen ersten Stromspiegel, der dazu ausgebildet ist, den kleinsten DCM-Schwellwert an einen zweiten Eingang des Vergleichers zu liefern; und einen zweiten Stromspiegel, der dazu ausgebildet ist, eine Darstellung des kleinsten DCM-Schwellwerts an einem Rückkopplungspfad des Schwellwertgenerators zurückzukoppeln.
Schaltwandler nach Anspruch 18, wobei der Rückkopplungspfad einen Schalter, der dazu ausgebildet ist, gemäß einem Tastverhältnis des Wandlers zu arbeiten, und einen Rückkopplungswiderstand, der an den Schalter gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, eine Rückkopplungsspannung zu liefern, aufweist.
Schaltwandler nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Schwellwertgeneratorschaltung aufweist: einen zweiten Vergleicher, der dazu ausgebildet ist, die Rückkopplungsspannung mit einer Referenzspannung zu vergleichen und ein DCM-Schwellwertstrom-Steuersignal zu liefern; und eine Referenzstromquelle, die dazu ausgebildet ist, die Referenzspannung in Zusammenarbeit mit einem zweiten Widerstand zu generieren.