DE102019203336A1

DE102019203336A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers

Info

Publication number: DE102019203336A1
Application number: DE102019203336.9A
Authority: DE
Inventors: Steffen Ritzmann; Thoralf Rosahl; Bernhard Wicht; Samuel Quenzer-Hohmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-17

Abstract

Vorrichtung (100) zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers (101) mit einer Regeleinheit (103) und einer Auswerteeinheit (102), dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (103) eine erste Stellgröße und eine zweite Stellgröße in den Spannungswandler einprägt, und die Auswerteeinheit (102) die erste Stellgröße, die zweite Stellgröße, einen ersten Ausgangsspannungsanstieg des Spannungswandlers, einen zweiten Ausgangsspannungsanstieg des Spannungswandlers, eine erste Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und eine zweite Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs erfasst, wobei die Auswerteeinheit (102) den Kondensatorwert in Abhängigkeit der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße, des ersten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, der ersten Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und der zweiten Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs bestimmt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers.
Zur Regelung von Spannungsgwandlern müssen die Bauteilewerte der verwendeten Spulen und Kondensatoren genau bekannt sein. Bei der Auslegung der Regelung werden daher die Nominalwerte der Bauelemente aus Datenblättern des jeweiligen Bauelements verwendet. Allerdings weisen die im Spannungswandler verbauten Spulen und Kondensatoren Werteschwankungen aufgrund von Fertigungstoleranzen, Temperatureffekten und Alterungseffekten auf. Daher muss die Regelung entsprechende Sicherheitsvorhalte um den Nominalwert der Bauelemente aufweisen, sodass die Stabilität der Regelung des Spannungswandlers gewährleistet wird. Dieser Sicherheitsvorhalt führt zur Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des Reglers in Bezug auf Dämpfungsvariationen und Regelgeschwindigkeit. Bauteile, die geringe Werteschwankungen aufweisen, sind sehr teuer.
Das Dokument Corradini, L. et al. Robust Relay-Feedback Based Autotuning for DC-DC Converters. 2007 IEEE Power Electronics Specialists Conference, Orlando, FL, 2007, pp. 2196 - 2202.A. beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen einer Stellgröße eines Reglers. Dabei wird die Ausgangsspannung eines Schaltwandlers zum Schwingen angeregt und die Frequenzantwort des Schaltwandlers ausgewertet.
Das Dokument Shirazi, M. et al. Integration of Frequency Response Measurement Capabilities in Digital Controllers for DCDC Converters. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 5, pp. 2524 - 2535, Sept. 2008 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen des Frequenzverhaltens eines Schaltwandlers. Dabei wird der Schaltwandler mit weißem Rauschen angeregt und die Ausgangsspannung des Schaltwandlers erfasst. Mit Hilfe einer digitalen Signalverarbeitung wird der vollständige Frequenzgang des Schaltwandlers ermittelt.
Nachteilig ist hierbei, dass der tatsächliche Bauteilewert des Kondensators, d. h. der Kondensatorwert, nicht bestimmt werden kann, da lediglich die Eigenschaften des gesamten Übertragungssystems bestimmt werden können, zu dem auch Spulen, Shunt-Widerstände und Lastwiderstände gehören.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu überwinden.
Offenbarung der Erfindung
Die Vorrichtung zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers weist eine Regeleinheit und eine Auswerteeinheit auf. Erfindungsgemäß prägt die Regeleinheit eine erste Stellgröße und eine zweite Stellgröße in den Spannungswandler ein. Die Auswerteeinheit erfasst die erste Stellgröße, die zweite Stellgröße, einen ersten Ausgangsspannungsanstieg des Spannungswandlers, einen zweiten Ausgangsspannungsanstieg des Spannungswandlers, eine erste Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und eine zweite Zeitdauer eines zweiten Ausgangsspannungsanstiegs. Die Auswerteeinheit bestimmt den Kondensatorwert in Abhängigkeit der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße, des ersten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs Spannungswandlers, der ersten Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und der zweiten Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Regelung an die tatsächlichen Bauteilewerte angepasst werden kann. Es ist somit möglich im Spannungswandler beliebige Kondensatoren zu verwenden auf die sich die Regelung selbständig anpassen kann. Offsetfehler, die bei der Einprägung der Spulenspitzenstromwerte entstehen können, werden eliminiert.
In einer weiteren Ausgestaltung repräsentiert die erste Stellgröße einen ersten Spulenspitzenstromwert. Mit anderen Worten die erste Stellgröße ist ein erster Spulenspitzenstromwert.
In einer Weiterbildung repräsentiert die zweite Stellgröße einen zweiten Spulenspitzenstromwert.
Der Vorteil ist hierbei, dass im Spannungswandler kostengünstige Bauelemente bzw. Bauteile verwendet werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Spannungswandler ein Aufwärtswandler.
In einer Weiterbildung ist der Spannungswandler ein Abwärtswandler.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Regeleinheit ein Peak Current Mode Controller.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Bestimmung der Bauteilewerte schnell, d. h. in kurzer Zeit, erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers umfasst das Einprägen einer ersten Stellgröße in den Spannungswandler mit Hilfe einer Regeleinheit, wobei die erste Stellgröße insbesondere einen ersten Spulenspitzenstromwert repräsentiert und das Einprägen einer zweiten Stellgröße in den Spannungswandler mit Hilfe der Regeleinheit, wobei die zweite Stellgröße insbesondere einen zweiten Spulenspitzenstromwert repräsentiert. Außerdem umfasst das Verfahren das Erfassen der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße, des ersten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, der ersten Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und der zweiten Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs mit Hilfe der Auswerteeinheit. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Bestimmen des Kondensatorwerts des Spannungswandlers in Abhängigkeit der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße, des ersten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, der ersten Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und der zweiten Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs mit Hilfe der Auswerteeinheit.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Regelung an die tatsächlichen Bauteilewerte angepasst werden kann. Zusätzlich können Offsetfehler minimiert werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers,
2 ein Verfahren zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers, und
3 einen zeitlichen Verlauf der Einschaltphasen des Schalters des Spannungswandlers, der Ausgangsspannung des Spannungswandlers und den Spulenstrom.

1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers 101. Der Spannungswandler 101 ist in 1 als Aufwärtswandler dargestellt. Der Spannungswandler 101 umfasst eine Spule 111, einen Kondensator 112, eine Diode, mehrere Widerstände und einen Schalter 113 in Form eines Transistors. Die Vorrichtung 100 weist eine Auswerteeinheit 102, eine Regeleinheit 103, eine Komparatorvorrichtung 104 mit einem Komparator 105, einer Kompensationsrampe 106 und einem D/A-Wandler 107, einen A/D-Wandler 108, einen weiteren A/D-Wandler 110 und einen Regelgrößensteller 109 auf. Der Ausgang des A/D-Wandlers 108 ist mit einem Eingang der Auswerteeinheit 102 elektrisch verbunden. Der Ausgang des Komparators 105 ist mit einem weiteren Eingang der Auswerteeinheit 102 und dem Schalter 113 elektrisch verbunden. Der Ausgang der Regeleinheit 103 ist mit einem weiteren Eingang der Auswerteeinheit 102 elektrisch verbunden. Der Ausgang des weiteren A/D-Wandlers 110 ist mit einem weiteren Eingang der Auswerteeinheit 102 elektrisch verbunden. Der Ausgang der Auswerteeinheit 102 ist elektrisch mit der Regeleinheit 103 verbunden.
Die Regeleinheit 103 prägt eine erste Stellgröße in den Spannungswandler 101 ein. Nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer prägt die Regeleinheit 103 eine zweite Stellgröße in den Spannungswandler 101 ein. Die erste Stellgröße und die zweite Stellgröße sind dabei beispielsweise ein Spulenspitzenstromwert oder ein skalierter Spulenspitzenstromwert. Die Auswerteeinheit 102 erfasst die erste Stellgröße und die zweite Stellgröße. Der A/D-Wandler 108 erfasst einen ersten Eingangsspannungswert, der in digitaler Form an die Auswerteeinheit 102 angelegt wird. Über den weiteren A/D-Wandler 110 wird die tatsächliche Regelabweichung, d. h. die Differenz zwischen dem Sollwert des Regelkreises und der Ausgangsspannung des Spannungswandlers, von der Auswerteeinheit 102 erfasst. Der Ausgang der Komparatorvorrichtung 104 steuert den Schalter 113 des Spannungswandlers 101 an.
Die Regeleinheit 103 ist beispielsweise ein Peak Current Mode Controller. Der Spannungswandler 101 kann auch als Abwärtswandler ausgeführt sein.
2 zeigt ein Verfahren 200 zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers. Das Verfahren 200 wird bei jeder Inbetriebnahme des Spannungswandlers als Identifikationsroutine des Kondensatorwerts durchgeführt, d. h. vor dem regulären Schaltwandlerbetrieb. Das Verfahren 200 startet mit dem Einprägen 210 einer ersten Stellgröße mit Hilfe einer Regeleinheit. Die erste Stellgröße repräsentiert hierbei einen ersten Spulenspitzenstromwert. Durch das Einprägen des ersten Spulenspitzenstromwerts steigt der Spulenstrom entsprechend seines Bauteilewerts bis zu einem bestimmten Spulenstromwert linear an. In einem folgenden Schritt 220 wird die erste Stellgröße mit Hilfe der Auswerteeinheit erfasst. In einem folgenden Schritt 230 wird eine zweite Stellgröße mit Hilfe der Regeleinheit in den Spannungswandler eingeprägt. Die zweite Stellgröße repräsentiert hierbei einen zweiten Spulenspitzenstromwert. In einem folgenden Schritt 240 wird die zweite Stellgröße mit Hilfe der Auswerteeinheit erfasst. In einem folgenden Schritt 250 wird ein erster Ausgangsspannungsanstieg mit Hilfe der Auswerteeinheit erfasst. In einem folgenden Schritt 260 wird ein zweiter Ausgangsspannungsanstieg mit Hilfe der Auswerteeinheit erfasst. In einem folgenden Schritt 270 wird eine erste Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs erfasst. In einem folgenden Schritt 280 wird eine zweite Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs erfasst. In einem folgenden Schritt 290 wird der Kondensatorwert in Abhängigkeit der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße, des ersten Ausgangsspannungsanstiegs, des zweiten Ausgangsspannunsanstiegs, der ersten Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und der zweiten Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs mit Hilfe der Auswerteeinheit bestimmt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird zur Bestimmung bzw. der Identifikation des Kondensatorwerts ein dritter Spulenspitzenstromwert eingeprägt, sodass zu Beginn eines Identifikationspulses gleiche Spulenstromstartwerte erzeugt werden.
Mit anderen Worten das Verfahren zum Bestimmen des Kondensatorwerts bzw. die Identifikationsroutine wird durch das Einprägen eines Spulenspitzenstromwerts mit Hilfe des Reglers bzw. der Regeleinheit gestartet. Dieses Einprägen wird in zeitlichen Abständen wiederholt.
3 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Einschaltphasen des Schalters des Spannungswandlers, der Ausgangsspannung des Spannungswandlers und den Spulenstrom. Die obere Kurve 301 zeigt dabei die Einschaltphasen des Schalters des Spannungswandlers, die mittlere Kurve 302 zeigt die Ausgangsspannung des Spannungswandlers und die untere Kurve 303 den Spulenstrom. Die Identifikationsroutine zur Bestimmung des Spulenwerts wird durch Einprägen eines ersten Spulenspitzenstromwerts gestartet. Dabei ist der Schalter des Spannungswandlers eingeschaltet bzw. geschlossen. Durch das Einprägen des ersten Spulenspitzenstromwerts steigt der Spulenstrom bis zu einem bestimmten Spulenstromwert linear an. Nach dem Ausschalten bzw. Öffnen des Schalters sinkt der Spulenstrom wieder linear bis auf 0A ab. Gleichzeitig erhöht sich die Ausgangsspannung in der Phase des absinkenden Spulenstroms, da die Energie der Spule auf den Ausgangskondensator übergeht. Mit Hilfe der Spulenstromcharakteristik und der Ausgangsspannungscharakteristik können sowohl der Spulenwert als auch der Kondensatorwert ermittelt werden. Durch zweimaliges Einprägen eines Spulenspitzenstromwerts können Offsetfehler eliminiert werden. Eine dritte der Identifikation vorgelagerte Einprägung des Spulenstroms führt dazu, dass gleiche Spulenstromstartwerte zu Beginn eines Identifikationspulses erzeugt werden. In der Phase des absinkenden Spulenstroms wird der Ausgangskondensator geladen. Bei zweimaligem Laden des Kondensators, d. h. bei zweimaligem Einprägen eines Spulenspitzenstromwerts kann der Kapazitätswert bestimmt werden. Der Kapazitätswert wird dabei mit Hilfe der folgenden Formel bestimmt: $C = \frac{I L, p e a k 2 - I L, P e a k 1}{2 * (\frac{Δ V o u t 2}{Δ t 2} - \frac{Δ V o u t 1}{Δ t 1})}$
wobei C den Kapazitätswert, IL,peak1 den ersten Spulenspitzenstromwert, IL,peak2 den zweiten Spulenspitzenstromwert, ΔVout1 einen ersten Ausgangsspannungsanstieg des Spannungswandlers, ΔVout2 einen zweiten Ausgangsspannungsanstieg des Spannungswandlers, Δt1 eine erste Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und Δt2 eine zweite Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstieg repräsentieren.
Mit Hilfe der Identifikationsroutine, die wiederholt Spulenspitzenströme in den Spannungswandler einprägt, können anhand der Spulenstromcharakteristik und der Ausgangsspannungscharakterisik sowohl der Spulenwert als auch der Kondensatorwert genau bestimmt werden.
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 Nicht-Patentliteratur

L. et al. Robust Relay-Feedback Based Autotuning for DC-DC Converters. 2007 IEEE Power Electronics Specialists Conference, Orlando, FL, 2007, pp. 2196 - 2202.A [0003]
M. et al. Integration of Frequency Response Measurement Capabilities in Digital Controllers for DCDC Converters. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 5, pp. 2524 - 2535, Sept. 2008 [0004]

Claims

Vorrichtung (100) zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers (101) mit einer Regeleinheit (103) und einer Auswerteeinheit (102), dadurch gekennzeichnet, dass • die Regeleinheit (103) eine erste Stellgröße und eine zweite Stellgröße in den Spannungswandler einprägt, und • die Auswerteeinheit (102) die erste Stellgröße, die zweite Stellgröße, einen ersten Ausgangsspannungsanstieg des Spannungswandlers, einen zweiten Ausgangsspannungsanstieg des Spannungswandlers, eine erste Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und eine zweite Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs erfasst, • wobei die Auswerteeinheit (102) den Kondensatorwert in Abhängigkeit der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße, des ersten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, der ersten Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und der zweiten Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs bestimmt.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stellgröße einen ersten Spulenspitzenstromwert repräsentiert.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stellgröße einen zweiten Spulenspitzenstromwert repräsentiert.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (101) ein Aufwärtswandler ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (101) ein Abwärtswandler ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (103) ein Peak Current Mode Controller ist.
Verfahren (200) zum Bestimmen eines Kondensatorwerts eines Spannungswandlers mit den Schritten: • Einprägen (210) einer ersten Stellgröße in den Spannungswandler mit Hilfe einer Regeleinheit, wobei die erste Stellgröße insbesondere einen ersten Spulenspitzenstromwert repräsentiert, • Erfassen (220) der ersten Stellgröße mit Hilfe der Auswerteeinheit, • Einprägen (230) einer zweiten Stellgröße in den Spannungswandler mit Hilfe der Regeleinheit, wobei die zweite Stellgröße insbesondere einen zweiten Spulenspitzenstromwert repräsentiert, • Erfassen (240) der zweiten Stellgröße mit Hilfe der Auswerteeinheit, • Erfassen (250) eines ersten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers mit Hilfe einer Auswerteeinheit, • Erfassen (260) eines zweiten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers mit Hilfe der Auswerteeinheit, • Erfassen (270) einer ersten Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs mit Hilfe der Auswerteeinheit, • Erfassen (280) einer zweiten Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs mit Hilfe der Auswerteeinheit, und • Bestimmen (290) des Kondensatorwerts des Spannungswandlers in Abhängigkeit der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße, des ersten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs des Spannungswandlers, der ersten Zeitdauer des ersten Ausgangsspannungsanstiegs und der zweiten Zeitdauer des zweiten Ausgangsspannungsanstiegs mit Hilfe der Auswerteeinheit.