DE102019206014A1

DE102019206014A1 - Zweistufiger mehrphasiger schaltstromrichter mit zwischenstufenphasenabschaltsteuerung

Info

Publication number: DE102019206014A1
Application number: DE102019206014.5A
Authority: DE
Inventors: Kevin Yi Cheng Chang; James Doyle; Erik Mentze
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2020-01-30
Also published as: US10181794B1

Abstract

Ein zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter betätigt seine erste Stufe während des Nennbetriebs als Reaktion auf eine Nenntaktfrequenz und betätigt seine zweite Stufe während des Nennbetriebs als Reaktion auf eine Taktfrequenz der zweiten Stufe, die größer als die Nenntaktfrequenz ist. Als Reaktion auf das Anlegen einer Last erhöht die erste Stufe zeitweilig ihre Taktfrequenz von der Nenntaktfrequenz und setzt ein festes Tastverhältnis um.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft Schaltstromrichter und genauer gesagt einen zweistufigen mehrphasigen Schaltstromrichter mit Zwischenstufen-Phasenabschaltsteuerung.
HINTERGRUND
Eine typische Computerenergieversorgung für Laptops und ähnliche Vorrichtungen, wie etwa Tablets, verwendet eine Kombination von Lithium-Ionen- (Li-Ion) Batterien, die gewöhnlich in Gruppen von zwei Zellen in Reihe angeordnet sind, die eine Höchstspannung von ungefähr 10 V erzeugt. Eine derartige relativ hohe Energieversorgungsspannung ist für moderne integrierte Schaltungen ungeeignet, so dass diese Vorrichtungen herkömmlicherweise einen Abwärtswandler umfassen, um die Energieversorgungsspannung der Batterie von den in Reihe geschalteten Batterien auf eine interne Energieversorgungsspannung, wie etwa 1V, zu regulieren, um die integrierten Schaltungen in den Vorrichtungen mit Energie zu versorgen.
Ein einstufiger mehrphasiger Abwärtswandler würde erfordern, dass Hochspannungskomponenten von einer derartigen relativ hohen Energieversorgungsspannung der Batterie auf die relativ niedrige interne Energieversorgungsspannung heruntergehen. Die Verwendung derartiger Hochspannungskomponenten verlangt erheblichen Platz auf einem Chip, um einen geeigneten Drain-Source-Widerstand zu erreichen, und führt auch zu höheren Gate-Ansteuerverlusten und Schaltverlusten durch Spannungs-Strom-Überlappung für die Leistungsschalter. Somit sind einstufige mehrphasige Abwärtswandler bei Anwendungen, bei denen die Ausgangsspannung im Wesentlichen von beispielsweise ungefähr 10 V auf 1 V heruntergesetzt wird, nicht sehr effizient.
Um die Effizienz zu verbessern und die Dichte zu erhöhen, wurden zweistufige mehrphasige DC/DC-Stromwandler entwickelt, bei denen ein Mehrphasen-Abwärtswandler der ersten Stufe einen Mehrphasen-Abwärtswandler der zweiten Stufe mit einer Zwischenspannung ansteuert. Der zweitstufige mehrphasige Abwärtswandler reguliert die Ausgangsspannung, indem er die Zwischenspannung als Eingangsenergieversorgung verwendet. Die zweite Stufe kann schnelle Kerntransistoren verwenden, da die Zwischenspannung im Vergleich zu der relativ hohen Batteriespannung reduziert ist. Obwohl derartige Zweistufen-Spannungsregler theoretisch eine wünschenswerte Effizienz und Dichte aufweisen, ist ihre herkömmliche Umsetzung unter einer Reihe von Problemen. Beispielsweise verbessert sich die Effizienz, falls die Schaltgeschwindigkeit des Mehrphasen-Abwärtswandlers der ersten Stufe erheblich langsamer (z.B. 1 %) als die Schaltgeschwindigkeit des Mehrphasen-Abwärtswandlers der zweiten Stufe ist. Die relativ langsame Geschwindigkeit des Abwärtswandlers der ersten Stufe verhindert, dass er angemessen auf plötzliche Erhöhungen oder Verringerungen der Last anspricht.
Entsprechend besteht in der Technik ein Bedarf an Mehrphasen-Abwärtswandlern mit verbesserten Ansprechgeschwindigkeiten.
KURZDARSTELLUNG
Es wird eine Phasenabschaltmethode für eine erste Stufe bei einem zweistufigen mehrphasigen Abwärtswandler offenbart, die auf Änderungen der Last entsprechend durch Ändern der Anzahl von aktiven Phasen anspricht. Während des Nennbetriebs vor dem Anlegen der Last wird die Schaltfrequenz für die Pulsbreitenmodulation in der ersten Stufe durch ein Nenntaktsignal, das eine Nenntaktfrequenz aufweist, gesteuert. Sollte das Anlegen der Last eine Schwelle überschreiten, wird der Nennbetrieb während eines Phasenabschaltübergangs für die erste Stufe unterbrochen, in der zusätzliche Phasen aktiviert sind. Während einer anfänglichen Übergangsperiode für den Phasenabschaltübergang spricht die Schaltfrequenz für die Pulsbreitenmodulation in den aktiven Phasen für die erste Stufe stattdessen auf ein Hochfrequenz-Taktsignal an, das eine hohe Taktfrequenz aufweist, die größer als die Nenntaktfrequenz ist. Es wird nicht nur die Taktfrequenz während dieser Übergangsperiode geändert, sondern das Tastverhältnis für die Pulsbreitenmodulation wird über eine geregelte Steuerung eingestellt, um gleich einem festen, relativ großen Wert zu sein, wie etwa ein Tastverhältnis von 100 %, ein Tastverhältnis von 95 % oder ein Tastverhältnis von 90 %. Dagegen wird das Tastverhältnis für die Pulsbreitenmodulation während des Nennbetriebs auf herkömmliche geregelte Art und Weise als Reaktion auf eine Rückkopplung für die Ausgangsspannung für die erste Stufe gesteuert. Doch während des ungeregelten Betriebs wird das Tastverhältnis stattdessen auf einen festen, relativ großen Wert eingestellt, der nicht auf die Rückkopplung für die Ausgangsspannung anspricht. Das Anlegen der Last bewirkt, dass die Ausgangsspannung von der ersten Stufe (die als Eingangsspannung für die zweite Stufe dient) unter ihren Beharrungs- oder Nennbetriebswert abfällt. Um zu verhindern, dass die Ausgangsspannung von der ersten Stufe aus der Regulierung durch den ungeregelten schnellen Betrieb in die Übergangsperiode ausgetrieben wird, wird die Übergangsperiode als Reaktion darauf beendet, dass die Ausgangsspannung mit Bezug auf ihren Beharrungswert ausreichend wiederhergestellt ist.
Die sich ergebende geregelte und ungeregelte Steuerung des Schaltens in der ersten Stufe ist dadurch recht vorteilhaft, dass die erste Stufe die Effizienz eines relativ langsamen Taktens während des Nennbetriebs aufweisen kann, jedoch auf das Anlegen von Lasten schnell ansprechen kann. Diese vorteilhaften Merkmale werden durch die Berücksichtigung der nachstehenden ausführlichen Beschreibung besser verständlich werden.
Figurenliste
Es zeigen:

1A eine erste Stufe für einen mehrphasigen zweistufigen Abwärtswandler mit erhöhter Ansprechgeschwindigkeit gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
1B eine zweite Stufe für den mehrphasigen zweistufigen Abwärtswandler, der die erste Stufe aus 1A aufweist, gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
2 eine Grafik von Arbeitsstrom zu Phasenaktivierungen für die Phasenabschaltsteuerschaltung aus 1B.
3A einen Pulsbreitenmodulator (PWM) im Spannungsmodus für eine Änderung der ersten Stufe aus 1A, bei der der PWM den Gate-Treiber ohne einen dazwischenliegenden Multiplexer direkt ansteuert, gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
3B einen Pulsbreitenmodulator (PWM) im Strommodus für eine Änderung der ersten Stufe aus 1A, bei der der PWM den Gate-Treiber ohne einen dazwischenliegenden Multiplexer direkt ansteuert, gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
4 einige Wellenformen für den PWM aus 3A.

Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und ihre Vorteile sind am besten mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung zu verstehen. Es versteht sich, dass die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um die gleichen Elemente zu identifizieren, die in einer oder mehreren der Figuren abgebildet sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Um die Ansprechgeschwindigkeit zu beschleunigen, wird eine Methode zum Steuern einer Phasenabschaltung für einen zweistufigen mehrphasigen Schaltstromrichter offenbart, wobei eine erste Stufe auf einen Phasenabschaltübergang (Erhöhung der Anzahl von aktiven Phasen) für die zweite Stufe durch Erhöhen der Taktfrequenz der ersten Stufe und Ändern der Anzahl von aktiven Phasen proportional zur Anzahl der Phasen für den Phasenabschaltübergang in der zweiten Stufe anspricht. Die erhöhte Taktfrequenz für die erste Stufe wird während einer Übergangsperiode angelegt, während der das Tastverhältnis für die aktiven Phasen in einer ungeregelten Betriebsart erhöht wird. Wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich eine „ungeregelte Betriebsart“ für die erste Stufe auf eine Umsetzung eines Tastverhältnisses für die Pulsbreitenmodulation des Schaltens in den aktiven Phasen, die nicht von einer Rückkopplung bezüglich der Zwischenausgangsspannung von der ersten Stufe, die als Eingangsspannung für die zweite Stufe verwendet wird, abhängig ist. Dagegen bezieht sich eine „geregelte Betriebsart“ für die erste Stufe auf eine Umsetzung eines Tastverhältnisses für die Pulsbreitenmodulation des Schaltens in den aktiven Phasen, die von einer Rückkopplung von der Zwischenausgangsspannung oder dem Ausgangsstrom von der ersten Stufe abhängig ist.
Die Phasenabschaltung in der ersten Stufe kann durch die zweite Stufe gesteuert werden. Beispielsweise kann die zweite Stufe den Gesamtstrom (z.B. den gesamten durchschnittlichen Strom) in ihren aktiven Phasen abtasten, um einen Phasenabschaltbefehl für die Aktivierung der entsprechenden Phasen in der zweiten Stufe zu bestimmen. Die Anzahl von aktiven Phasen in der zweiten Stufe von der Phasenabschaltung als Reaktion auf die Last kann dann einer entsprechenden Anzahl von Phasen zugeordnet werden, die in der ersten Stufe zu aktivieren sind. Die sich ergebende Phasenabschaltsteuerung der ersten Stufe ist somit von der Phasenabschaltung in der zweiten Stufe bei derartigen domänenübergreifenden Ausführungsformen der Phasenabschaltung abhängig. Alternativ kann die erste Stufe ihren gesamten Strom aus ihren aktiven Phasen abtasten und ihre Phasenabschaltung unabhängig von der Phasenabschaltung in dem zweiten Zustand bestimmen. Es sei zu beachten, dass sich der Begriff „Phasenabschaltung“, wie er hier verwendet wird, auf eine Erhöhung der Anzahl von Phasen in einer gegebenen Stufe als Reaktion auf eine Änderung der Last bezieht. Unabhängig davon, ob die Phasenabschaltung der ersten Stufe domänenübergreifend oder unabhängig von der Phase der zweiten Stufe gesteuert wird, erfolgt der Phasenabschaltübergang in der ersten Stufe während einer ungeregelten Übergangsperiode der Plusbreitenmodulation (hier der Kürze halber als Übergangsperiode bezeichnet) mit einer Erhöhung der Taktgeschwindigkeit. Sobald die Zwischenausgangsspannung von der ersten Stufe ihren gewünschten Ausgangspegel ausreichend wiederhergestellt hat, ist die Übergangsperiode beendet, woraufhin der geregelte Pulsbreitenmodulationsbetrieb wieder aufgenommen wird.
Eine beispielhafte erste Stufe 105 für einen zweistufigen mehrphasigen Abwärtswandler ist in 1A gezeigt. Die erste Stufe 105 umfasst eine Vielzahl von M Phasen, die M Drosselspulen entsprechen, die von einer ersten Drosselspule L1 zu einer M. Drosselspule LM reichen. Jede Phase umfasst eine Schaltstufe 111, die ihren eigenen High-Side-Schalter und einen Low-Side-Schalter aufweist (die Schalter sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt). Wenn sich der High-Side-Schalter einer Phase schließt, bewirkt eine Eingangsspannung Vin, dass ein Magnetisierungsstrom über die Drosselspule der Phase fließt, wie es in der Technik der Abwärtswandler bekannt ist. Wie es ebenfalls in der Technik der Abwärtswandler bekannt ist, weist jede Phase ihren eigenen Pulsbreitenmodulator (PWM) 115 und Gate-Treiber 120 auf. Jeder Pulsbreitenmodulator 115 bestimmt das Tastverhältnis oder die Pulsbreite für seine Schaltstufe 111, die dann durch den entsprechenden Gate-Treiber 120 umgesetzt wird. Die aktiven Phasen steuern alle eine Zwischenspannung VDD an, die durch einen Ausgangskondensator Co1 der ersten Stufe gefiltert wird. Die Spannung VDD dient als Eingangsspannung für die Schaltstufen in einem zweistufigen mehrphasigen Abwärtswandler, wie es hier noch erklärt wird.
Während des ungeregelten Betriebs vergleicht ein Fehlerverstärker EA1 der ersten Stufe, der durch eine Kompensationsanlage 125 kompensiert wird, eine Referenzspannung Vref mit der Ausgangsspannung VDD der ersten Stufe, um eine Fehlerspannung VEA1 der ersten Stufe zu generieren, die durch die Pulsbreitenmodulatoren 115 in den aktiven Phasen für die erste Stufe 105 verwendet wird, um die Pulsbreiten für das Schalten in diesen aktiven Phasen zu steuern. Im Vergleich mit der zweiten Stufe funktioniert die erste Stufe 105 mit einer niedrigeren Schaltfrequenz und einem größeren Abwärtsspannungsverhältnis. Die erste Stufe 105 umfasst somit eine ungeregelte Betriebsart, wie es hier noch erklärt wird, um eine erhöhte Betriebsgeschwindigkeit mit Bezug auf das Anpassen an plötzliche Laständerungen zu bieten. Eine Phasenauswahllogikschaltung 130 empfängt einen Phasenauswahlbefehl von der zweiten Stufe 110 und aktiviert die geeignete Anzahl von Phasen der ersten Stufe, wie es hier noch erklärt wird. Da bis zu M Phasen in der ersten Stufe 105 aktiviert werden können, ist der Phasenauswahlbefehl ein M Bit breiter Befehl mit einem Bit, das jeder Phase entspricht. Sollte das Bit der Phase in dem Phasenauswahlbefehl gesetzt sein, aktiviert die Phasenauswahllogik 130 die entsprechende Phase. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die erste Stufe 105 eine Spannung Vtotal_i von der zweiten Stufe 110 empfangen, die den Gesamtausgangsstrom für die zweite Stufe 110 darstellt. Basierend auf den Änderungen des Gesamtausgangsstroms erzeugt eine Schaltung 121 zum Skalieren von Strom und zum Steuern einer Phasenauswahl (PS) in der ersten Stufe 105 den Phasenauswahlbefehl bei diesen Ausführungsformen. Bei noch einer anderen alternativen Ausführungsform gibt es keine domänenübergreifende Abhängigkeit für die Phasenabschaltung in der ersten Stufe 105, so dass die erste Stufe 105 ihre Phasenabschaltübergänge auf Änderungen ihres eigenen Ausgangsstroms basieren würde.
Eine beispielhafte zweite Stufe 110 zum Ergänzen des zweistufigen mehrphasigen Abwärtswandlers ist in 1B gezeigt. Die zweite Stufe 110 umfasst N Phasen, wobei N unabhängig von der Anzahl M für die Phasen in der ersten Stufe ist. Somit kann N größer, kleiner oder gleich M sein. Jede Phase weist die gleichen grundlegenden Komponenten auf, wie mit Bezug auf die erste Stufe 105 besprochen, so dass jede Phase in der zweiten Stufe 110 eine Drosselspule, die von einer ersten Drosselspule La1 für eine erste Phase bis zu einer N. Drosselspule LaN für eine N. Phase reicht, umfasst. Die Drosselspulen sind alle an eine Ausgangsklemme für eine Ausgangsspannung (Vout) gebunden, wie sie durch einen Ausgangskondensator Co2 unterstützt wird. Jede Phase umfasst auch einen Gate-Treiber, der das Schalten einer Schaltstufe steuert (der Übersichtlichkeit halber sind die Schaltstufe und der Gate-Treiber jeder Phase in der zweiten Stufe 110 durch eine Leistungsstufe 135 dargestellt). Die Leistungsstufen 135 in der zweiten Stufe 110 steuern einen Magnetisierungsstrom in die Drosselspule ihrer Phase als Reaktion auf die Ausgangsspannung VDD von der ersten Stufe 105 an, wohingegen die Schaltstufen 111 in der ersten Stufe 105 dies mit Bezug auf die Eingangsspannung Vin tun. Das Schalten in jeder Leistungsstufe 135 wird durch einen entsprechenden PWM 115 pulsbreitenmoduliert. Ein Fehlerverstärker EA2 der zweiten Stufe vergleicht eine Referenzspannung Vref2 der zweiten Stufe mit der Ausgangsspannung Vout, um eine Fehlerspannung VEA2 der zweiten Stufe zu generieren. Wie mit Bezug auf den Fehlerverstärker EA2 der ersten Stufe besprochen, umfasst der Fehlerverstärker EA2 der zweiten Stufe eine Kompensationsanlage 125. Jeder PWM 115 in der zweiten Stufe 110 passt die Pulsbreitenmodulation seiner Leistungsstufe 135 als Reaktion auf die Fehlerspannung VEA2 der zweiten Stufe während des geregelten Betriebs der zweiten Stufe 110 an.
Ein Stromsensor 140 tastet die Drosselspulenströme in den aktiven Phasen der zweiten Stufe ab. Beispielsweise kann der Stromsensor 140 konfiguriert sein, um jeden abgetasteten Strom in eine Spannung umzuwandeln. Die diversen Spannungen für die aktiven Phasen werden dann summiert, wie durch eine Summierschaltung 145 dargestellt, um den Gesamtstrom für die aktiven Phasen zu erzielen. Im Allgemeinen läuft der Drosselspulenstrom für eine aktive Phase in Abhängigkeit davon, ob der High-Side-Schalter oder der Low-Side-Schalter in der entsprechenden Leistungsstufe 135 ein- oder ausgeschaltet ist, hoch oder herunter. Der Stromsensor 140 kann somit den durchschnittlichen Strom abtasten, so dass der gesamte Strom von der Summierschaltung 145 der durchschnittliche gesamte Ausgangsstrom für die aktiven Phasen ist. Alternativ kann der Stromsensor 140 die Spitzenströme der Drosselspule derart abtasten, dass der gesamte Strom von der Summierschaltung 145 der gesamte Ausgangsspitzenstrom für die aktiven Phasen ist.
Eine Phasenabschaltsteuerschaltung 150 steuert die Phasenabschaltung oder Aktivierung der Phasen in der zweiten Stufe 110 als Reaktion auf den gesamten Strom von der Summierschaltung 145. Beispielsweise kann die Phasenabschaltsteuerschaltung 150 konfiguriert sein, um den gesamten Strom mit diversen Schwellen zu vergleichen, um zu steuern, welche Phasen aktiviert werden. Einige beispielhafte Schwellen sind in 2 gezeigt. Beginnend mit einem geringen Lastzustand ist der gesamte Strom geringer als ein erster hoher Schwellenstrom I_th1, so dass die Phasenabschaltsteuerschaltung 150 nur eine erste Phase 1 aktiviert. Beispielsweise kann die Phasenabschaltsteuerschaltung 150 eine Zustandsvariable der Phasenabschaltung PS_State generieren, die nur aus Nullen besteht, PS_State[00...0], um die erste Phase zu aktivieren. Als Reaktion darauf, dass der Strom über die Schwelle I_th1 ansteigt aber unterhalb eines zweiten hohen Schwellenstroms I_th2 bleibt, ändert die Phasenabschaltsteuerschaltung 150 die Zustandsvariable der Phasenabschaltung, so dass ihr LSB binär hochgesetzt ist (PS_State[00...1]), um auch eine zweite Phase 2 zu aktivieren. Auf diese Art und Weise kann die Logikschaltung 150 zum Steuern der Phasenabschaltung damit fortfahren, zusätzliche Phasen zu aktivieren, wenn der Strom über die entsprechenden Schwellen ansteigt. Um die Wirkungen von Rauschen zu reduzieren, verwendet die Phasenabschaltsteuerschaltung 150 Hysterese, so dass niedrige Stromschwellen die Deaktivierung der Phasen bestimmen. Falls der Strom beispielsweise unter eine niedrige Stromschwelle I_2Lo abfällt, ändert die Phasenabschaltsteuerschaltung 150 die Zustandsvariable der Phasenabschaltung, damit sie wieder nur aus Nullen besteht, so dass nur die Phase 1 aktiv ist.
Die Phasenabschaltsteuerung, die durch die Logikschaltung 150 zum Steuern der Phasenabschaltung in der zweiten Stufe 110 umgesetzt wird, kann die Phasenabschaltung in der ersten Stufe 105 (1A) derart steuern, dass die Logikschaltung 150 zum Steuern der Phasenabschaltung den Phasenabschaltbefehl generiert, der die Phasenabschaltung steuert, die durch die Phasenauswahllogikschaltung 130 in der ersten Stufe 105 umgesetzt wird. Alternativ kann die erste Stufe 105 ihre eigene Phasenabschaltung unabhängig von der zweiten Stufe 110 steuern. Da die Ausgangsleistung für die beiden Stufen ungefähr gleich ist, ist das Stromverhältnis zwischen den beiden Stufen konstant und ist zu dem Spannungsverhältnis und der Effizienz der zweiten Stufe proportional. Somit kann die Aktivierung einer gegebenen Anzahl von Phasen in der zweiten Stufe 110 durch die Logikschaltung 150 zum Steuern der Phasenabschaltung einer entsprechenden Anzahl von Phasen zur Aktivierung in der ersten Stufe 105 zugeordnet werden. Insbesondere kann gezeigt werden, dass die Anzahl von aktiven Phasen (PH_{1_Active}) in der ersten Stufe 105 basierend auf der Anzahl von aktiven Phasen (PH_{2_Active}) durch die folgende Gleichung (1) gegeben ist: ${PH}_{1_Active} = (Vout2 / η_{2} * VDD) * (N / M) * {PH}_{2_Active}$
wobei Vout2 die Ausgangsspannung von der zweiten Stufe 110 ist, VDD die Ausgangsspannung von der ersten Stufe 105 ist, η₂ die Effizienz der zweiten Stufe ist, N die gesamte Anzahl von Phasen in der zweiten Stufe 110 ist, und M die gesamte Anzahl von Phasen in der ersten Stufe 105 ist. Die Phasenabschaltung in der zweiten Stufe 110 würde somit einer entsprechenden Anzahl von aktivierten Phasen in der ersten Stufe 105 zugeordnet. Bei einer alternativen Ausführungsform empfängt die Schaltung 121 zum Skalieren von Strom und zum Steuern einer Phasenauswahl in der ersten Stufe 105 das Signal Vtotal_l, wie es durch die Summierschaltung 145 generiert wird. Die Schaltung 121 zum Skalieren von Strom und zum Steuern einer Phasenauswahl kann dann wie mit Bezug auf 2 und die Logikschaltung 150 zum Steuern der Phasenabschaltung angesprochen funktionieren, um den Phasenabschaltbefehl zu generieren. Alternativ kann es sein, dass es keine domänenübergreifende Abhängigkeit von der Phasenabschaltung gibt, die durch die erste Stufe 105 umgesetzt wird, wie zuvor besprochen.
Um die Ansprechgeschwindigkeit der ersten Stufe 105 trotz ihrer relativ langsamen geregelten Taktfrequenz vorteilhaft zu erhöhen, wird der Pulsbreitenmodulationsbefehl für jeden Gate-Treiber 120 durch einen entsprechenden Multiplexer 155 ausgewählt, der auf einen ungeregelten Befehl anspricht, der als Reaktion auf eine plötzliche Zunahme der Last durchgesetzt wird. Beispielsweise kann die zweite Stufe 110 einen Lastdetektor 175 umfassen, der den Spitzendurchschnittsstrom von der Summierschaltung 145 mit einer vorhergehenden Version des Spitzendurchschnittsstroms vergleicht (beispielsweise kann es sein, dass die vorhergehende Version des Spitzendurchschnittsstroms durch die Summierschaltung 145 während einer gewissen Anzahl von Taktzyklen vor der aktuellen Messung summiert wurde). Sollte der Spitzendurchschnittsstrom die verzögerte Version des Spitzendurchschnittsstroms um einen Schwellenbetrag überschreiten, setzt der Lastdetektor 175 den ungeregelten Befehl durch. Eine derartige plötzliche Anwendung einer Last bewirkt Phasenabschaltübergänge in den beiden Stufen 105 und 110. Somit kann bei alternativen Ausführungsformen der ungeregelte Befehl stattdessen durch die Logikschaltung 150 zum Steuern der Phasenabschaltung in Verbindung mit der Aktivierung von zusätzlichen Phasen in der zweiten Stufe 110 durchgesetzt werden.
Unabhängig davon, wie der ungeregelte Befehl generiert wird, steuert er, ob die erste Stufe 105 in einer geregelten Betriebsart funktioniert oder stattdessen in einer ungeregelten Betriebsart während einer Übergangsperiode der ungeregelten Betriebsart in Verbindung mit der Aktivierung von zusätzlichen Phasen funktioniert. Falls der ungeregelte Befehl nicht durchgesetzt wird, wählt der Multiplexer 155 jeder Phase aus, dass die Ausgabe des entsprechenden PWM 115 den Gate-Treiber 120 der Phase ansteuert, wie in 1A gezeigt. Die sich ergebende Pulsbreitenmodulation des Schaltens in den Schaltstufen 111 der ersten Stufe würde somit unter einer geregelten Steuerung über die Rückkopplung von dem ersten Fehlerverstärker EA1 erfolgen. Dagegen wählt der Multiplexer 155 jeder Phase die Ausgabe eines ungeregelten Pulsgebers 170 aus, falls der ungeregelte Befehl durchgesetzt wird. Während des ungeregelten Betriebs wird das Tastverhältnis (Pulsbreite) des Schaltens in jeder Schaltstufe 111 für jede aktive Phase auf einen hohen Pegel gezwungen, wie etwa ein Tastverhältnis von 90 % Tastverhältnis, ein Tastverhältnis von 95% oder sogar ein Tastverhältnis von 100 %. Eine derartige maximale Pulsbreite ermöglicht es jeder aktiven Phase, möglichst viel Strom an den Ausgangsknoten zu liefern, der die Ausgangsspannung VDD von der ersten Stufe 105 an die zweite Stufe 110 überträgt. Auf diese Art und Weise kann die Ausgangsspannung VDD ihren Beharrungswert nach der Zunahme der Phasenabschaltung in der Anzahl von aktiven Phasen schnell wiederherstellen. Während des geregelten Betriebs taktet ein Standard- oder Nenntaktsignal 165 jeden aktiven PWM 115, wie er durch einen Schalter umgesetzt ist, der durch eine Freigabe des ungeregelten Befehls gesteuert wird. Die Schaltperiode während des ungeregelten Betriebs wird somit durch die relativ langsame Frequenz des Nenntaktsignals 165 bestimmt. Dagegen zwingt das Durchsetzen des ungeregelten Befehls den Schalter, ein Hochfrequenz-Taktsignal 160 auszuwählen, um die aktiven PWMs 115 zu takten, so dass die Schaltperiode während der ungeregelten Übergangsperiode kürzer als während des Beharrungsbetriebs ist, so dass die erste Stufe 105 vorteilhaft schnell auf Laststöße ansprechen kann.
Es sei zu beachten, dass die erste Stufe 105 geändert werden kann, um den Multiplexer 155 und den ungeregelten Pulsgeber 170 zu beseitigen. Ein beispielhafter PWM 115 für eine derartige Ausführungsform ist in 3A gezeigt. Der PWM 115 umfasst einen Rampengenerator 300, der ein Rampensignal generiert, das eine Periode aufweist, die durch ein variables Taktsignal bestimmt wird. Während des geregelten Betriebs (der als Schaltposition Φ₀ bezeichnet wird) taktet das Nenntaktsignal 165 den Rampengenerator 300, so dass die Schaltfrequenz während des geregelten Betriebs der (relativ langsame) Nennwert ist. Der PWM 115 umfasst auch einen Komparator 305, der das Rampensignal von dem Rampengenerator mit dem Fehlersignal EA1 von dem ersten Fehlerverstärker EA1 während des geregelten Betriebs als Reaktion auf das Schließen eines Schalters Φ₂ vergleicht, um die PWM-Ausgabe für das Schalten in der entsprechenden aktiven Phase zu generieren. Die Pulsbreite und das Tastverhältnis während des geregelten Betriebs sind somit von der Rückkopplung über den ersten Fehlerverstärker EA1 abhängig. Wie mit Bezug auf 1A besprochen, wird der erste Fehlerverstärker EA1 durch eine Kompensationsanlage 125 kompensiert. Die PWM-Ausgabe von dem PWM 115 sowie sein Tastverhältnis und seine Betriebsarten sind als Funktion der Zeit in 4 eingetragen. Der Nenn- oder geregelte Betrieb, der den Schaltpositionen Φ₀ und Φ₂ entspricht, ergibt ein Nenntastverhältnis Vo/Vin (wobei Vo die Ausgangsspannung VDD von der ersten Stufe 105 ist). Noch einmal mit Bezug auf 3A taktet das Hochfrequenz-Taktsignal 160 den Rampengenerator 115 durch die Aktivierung einer Schaltposition Φ₁ als Reaktion auf eine Lastzunahme und Aktivierung von zusätzlichen Phasen, um die ungeregelte Betriebsart zu beginnen. Während der ungeregelten Betriebsart vergleicht der Komparator 305 das Rampensignal von dem Rampengenerator 300 mit einer Schwellenspannung Vthi von einem Schwellenspannungs- (Vth) Generator 310 als Reaktion auf ein Schließen eines Schalters Φ₃ und das Öffnen des Schalters Φ₂ . Beispielsweise kann Vthi gleich einer Spannung sein, die gleich oder kleiner als eine Mindestspannung (z.B. Masse) des Rampensignals ist, um sicherzustellen, dass ein Tastverhältnis von 100 % erzeugt wird. Um eine gewisse Anpassungsfähigkeit bereitzustellen, kann der Schwellengenerator 310 auf ein Auswahlsignal (Sei) ansprechen, so dass andere relativ hohe Tastverhältnisse (z.B. 90 % oder 95 %) während der ungeregelten Betriebsart in Abhängigkeit von einer Abstimmung des Auswahlsignals umgesetzt werden können. Wie in 4 zu sehen, erstreckt sich der ungeregelte Betrieb von einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2. Um diesen Übergang zurück in den geregelten Betrieb zu erleichtern, kann auf den ungeregelten Betrieb eine geregelte Übergangsperiode von dem Zeitpunkt t2 zu einem Zeitpunkt t3 folgen. Während dieser geregelten Übergangsperiode wird der Rampengenerator 300 weiter mit dem Hochfrequenz-Taktsignal 160 über die Schaltposition Φ₁ getaktet, doch der Schalter Φ₃ wird geöffnet und der Schalter Φ₂ geschlossen, so dass der Rampengenerator die erste Fehlersignalspannung VEA1 empfängt, um den geregelten Betrieb wieder aufzunehmen, jedoch mit einer Taktperiode, die durch das Hochfrequenz-Taktsignal 160 bestimmt wird. Zu dem Zeitpunkt t3 beginnt wieder der Nenn- oder geregelte Betrieb mit den Schaltpositionen Φ₀ und Φ₂ .
Bei einer alternativen Ausführungsform kann der zweistufige mehrphasige Abwärtswandler ein Current-Mode-Wandler sein. Der PWM 115 für eine Current-Mode-Ausführungsform in der ersten Stufe 105 ist in 3B gezeigt. Während des geregelten Betriebs wählt ein Multiplexer 315 die Ausgabe des ersten Fehlerverstärkers EA1 aus, um eine Eingabe für den Komparator 305 bereitzustellen, wie in 3A besprochen, die der Schaltposition Φ₂ entspricht. Doch bei einem Current-Mode-Wandler wird das Rampensignal durch den Drosselspulenstrom (lind) selber bereitgestellt, der in ein Spannungssignal (Vind) in einem Strom/Spannungs- (I-V) Stromabtastverstärker (CSA) 325 umgewandelt wird. Um eine subharmonische Kompensation bereitzustellen, wird die Ausgabe von dem CSA 325 mit einem Rampensignal Vramp von einem Rampengenerator 330 in einem Addierer 320 addiert, um ein kombiniertes Signal Vind + Vramp zu bilden, das durch den Komparator 305 mit der Ausgabe Vc von dem Multiplexer 315 verglichen wird. Wenn das kombinierte Signal größer als Vc ist, setzt der Komparator 305 ein RS-Latch 335 zurück, das durch ein Taktsignal gesetzt wird, das als Reaktion auf den ungeregelten Befehl 170 ausgewählt wird. Sollte der ungeregelte Befehl 170 jedoch freigegeben werden, um den geregelten Betrieb auszuwählen, setzt das Nenntaktsignal 165 das RS-Latch 335. Umgekehrt setzt das Hochfrequenz-Taktsignal das RS-Latch 335 während des ungeregelten Betriebs. Der Gate-Treiber 120 (1A) steuert die Pulsbreitenmodulation des Schaltens für die entsprechende Phase als Reaktion auf die Ausgabe des RS-Latch 335 der Phase. Der Multiplexer 315 spricht auch auf den ungeregelten Befehl 170 an, so dass während des ungeregelten Betriebs die Ausgabe Vc von dem Multiplexer 315 durch einen Schwellenspannungs- (Vth) Generator 310 (z.B. einem VDAC) gesteuert wird, ähnlich wie mit Bezug auf 3A besprochen.
Der Fachmann wird nun erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Ersetzungen und Variationen in und an den Materialien, Geräten, Konfigurationen und Verfahren zur Verwendung der Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne ihren Umfang zu verlassen. Angesichts dieser Tatsache ist der Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf den der hier abgebildeten und beschriebenen bestimmten Ausführungsformen einzuschränken, da sie rein beispielhaft dafür sind, sondern soll in völligem Einklang mit dem der nachstehend beigefügten Ansprüche und ihren Funktionsäquivalenten stehen.

Claims

Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter, umfassend: eine erste Stufe, die Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Phasen einer ersten Stufe, die konfiguriert sind, um eine Eingangsspannung in eine Zwischenausgangsspannung umzuwandeln; eine Phasenauswahlsteuerschaltung, die konfiguriert ist, um eine aktive Anzahl von Phasen der ersten Stufe, die aus der Vielzahl von Phasen der ersten Stufe ausgewählt werden, als Reaktion auf das Anlegen einer Last zu aktivieren, wobei jede Phase der ersten Stufe einen Pulsbreitenmodulator der ersten Stufe umfasst, der darauf anspricht, dass ein erstes Taktsignal während einer Nennbetriebsart vor dem Anlegen der Last eine Nennfrequenz aufweist und während einer Übergangsperiode als Reaktion auf das Anlegen der Last eine erhöhte Frequenz aufweist, wobei die erhöhte Frequenz größer als die Nennfrequenz ist; und eine zweite Stufe, die eine Vielzahl von zweistufigen Phasen umfasst und konfiguriert ist, um die Zwischenausgangsspannung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, wobei jede Phase der zweiten Stufe einen Pulsbreitenmodulator der zweiten Stufe umfasst, der darauf anspricht, dass ein zweites Taktsignal eine zweite Frequenz aufweist, die größer als die Nennfrequenz ist.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach Anspruch 1, wobei jeder Pulsbreitenmodulator der ersten Stufe konfiguriert ist, um als Reaktion auf ein Fehlersignal während der Nennbetriebsart eine Pulsbreitenmodulation vorzunehmen, und konfiguriert ist, um eine Pulsbreitenmodulation unter Verwendung eines festen Tastverhältnisses während der Übergangsperiode vorzunehmen.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach Anspruch 2, wobei das feste Tastverhältnis mehr als 90 % beträgt.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach Anspruch 2, wobei das feste Tastverhältnis 100 % beträgt.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Stufe ferner einen Fehlerverstärker umfasst, der konfiguriert ist, um eine Differenz zwischen einer kompensierten Version der Zwischenausgangsspannung und einer Referenzspannung zu verstärken, um das Fehlersignal zu generieren.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Phasenauswahlsteuerschaltung auf einen Phasenabschaltbefehl von der zweiten Stufe anspricht.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach Anspruch 6, wobei die zweite Stufe eine Logikschaltung zum Steuern einer Phasenauswahl umfasst, die konfiguriert ist, um den Phasenabschaltbefehl als Reaktion auf einen Ausgangsstrom für die zweite Stufe zu generieren.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Phasenauswahlsteuerschaltung auf einen Ausgangsstrom für die erste Stufe anspricht.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede Phase der ersten Stufe Folgendes umfasst: einen Gate-Treiber; einen ungeregelten Pulsgeber; und einen Multiplexer, wobei der Multiplexer konfiguriert ist, um ein Ausgangssignal von dem Pulsbreitenmodulator der ersten Stufe der Phase der ersten Stufe während des Nennbetriebs auszuwählen, um ein Eingangssignal für den Gate-Treiber bereitzustellen, und um ein Ausgangssignal von dem ungeregelten Pulsgeber während der Übergangsperiode auszuwählen, um das Eingangssignal für den Gate-Treiber bereitzustellen.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 9 in Abhängigkeit von Anspruch 2, wobei jeder Pulsbreitenmodulator der ersten Stufe Folgendes umfasst: einen Rampengenerator, der konfiguriert ist, um durch das erste Taktsignal getaktet zu werden, um ein Rampensignal zu generieren; und einen Komparator, der konfiguriert ist, um eine Steuerspannung mit dem Rampengenerator zu vergleichen, um ein Steuersignal der Pulsbreitenmodulation zu erzeugen.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach Anspruch 10, wobei jeder Pulsbreitenmodulator der ersten Stufe ferner Folgendes umfasst: einen Fehlerverstärker, der konfiguriert ist, um die Steuerspannung während der Nennbetriebsart zu generieren; und einen Schwellenspannungsgenerator, der konfiguriert ist, um die Steuerspannung während der Übergangsperiode zu generieren.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach Anspruch 10, wobei jeder Pulsbreitenmodulator der ersten Stufe ferner Folgendes umfasst: einen Strom/Spannungswandler, der konfiguriert ist, um einen Drosselspulenstrom in ein Spannungssignal umzuwandeln; und einen Komparator, der konfiguriert ist, um den Drosselspulenstrom mit einer Steuerspannung zu vergleichen, um ein Steuersignal der Pulsbreitenmodulation zu erzeugen.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach Anspruch 12, wobei jeder Pulsbreitenmodulator der ersten Stufe ferner Folgendes umfasst: einen Fehlerverstärker, der konfiguriert ist, um die Steuerspannung während der Nennbetriebsart zu generieren; und einen Schwellenspannungsgenerator, der konfiguriert ist, um die Steuerspannung während der Übergangsperiode zu generieren.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der zweistufige mehrphasige Schaltstromrichter ein zweistufiger mehrphasiger Abwärtswandler ist.
Zweistufiger mehrphasiger Schaltstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die erhöhte Frequenz mindestens zehnmal größer als die Nennfrequenz ist.
Verfahren zum Betreiben eines zweistufigen mehrphasigen Schaltstromrichters, umfassend folgende Schritte: während einer Nennbetriebsart: in einer ersten Stufe, Umwandeln einer Eingangsspannung in eine Zwischenausgangsspannung durch Pulsbreitenmodulation einer ersten Anzahl von Phasen der ersten Stufe gemäß einer Nenntaktfrequenz; in einer zweiten Stufe, Umwandeln der Zwischenausgangsspannung in eine Ausgangsspannung durch Pulsbreitenmodulation einer zweiten Anzahl von Phasen der zweiten Stufe gemäß einer Taktfrequenz der zweiten Stufe, die größer als die Nenntaktfrequenz ist; und als Reaktion auf die Anwendung einer Last, Übergehen von der Nennbetriebsart über eine Übergangsperiode durch Pulsbreitenmodulation einer dritten Anzahl von Phasen der ersten Stufe gemäß einer erhöhten Taktfrequenz und durch Pulsbreitenmodulation einer vierten Anzahl von Phasen der zweiten Stufe gemäß der Taktfrequenz der zweiten Stufe, wobei die dritte Anzahl größer als die erste Anzahl ist, die vierte Anzahl größer als die zweite Anzahl ist, und die erhöhte Taktfrequenz größer als die Nenntaktfrequenz ist.
Betriebsverfahren nach Anspruch 16, wobei während der Nennbetriebsart die Pulsbreitenmodulation der ersten Anzahl von Phasen der ersten Stufe auf eine Rückkopplung von der Zwischenausgangsspannung anspricht, und wobei während der Übergangsperiode die Pulsbreitenmodulation der dritten Anzahl von Phasen der ersten Stufe auf ein festes Tastverhältnis anspricht.
Betriebsverfahren nach Anspruch 17, wobei das feste Tastverhältnis mehr als 90 % beträgt.
Betriebsverfahren nach Anspruch 17, wobei das feste Tastverhältnis 100 % beträgt.