DE102021202895A1 - Verhindern einer Interschleifeninterferenz in einem Multi- Rückkopplungsschleifen-System - Google Patents

Verhindern einer Interschleifeninterferenz in einem Multi- Rückkopplungsschleifen-System Download PDF

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Abstract

Das vorliegende Dokument betrifft Leistungswandler mit mehreren Rückkopplungsschleifen. Das vorliegende Dokument betrifft einen Leistungswandler mit zumindest zwei Rückkopplungsschleifen. Der Leistungswandler kann einen ersten Fehlerverstärker und ein erstes kapazitives Element aufweisen. Der Leistungswandler kann einen zweiten Fehlerverstärker und ein zweites kapazitives Element aufweisen, wobei der zweite Fehlerverstärker konfiguriert ist, um basierend auf einem zweiten Referenzwert und einem zweiten Rückkopplungssignal einen zweiten Fehlerstrom zum Laden des zweiten kapazitiven Elements zu erzeugen. Der Leistungswandler kann eine Auswahlschaltung aufweisen, die konfiguriert ist, um ein Auswahlsignal durch Vergleichen einer ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements und einer zweiten Spannung des zweiten kapazitiven Elements zu erzeugen. Der Leistungswandler kann eine erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung aufweisen, die konfiguriert ist, um einen zusätzlichen Strompfad von einer Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element zum beschleunigten Laden des ersten kapazitiven Elements herzustellen.

Description

  • Verwandte Patentanmeldung
  • Diese Anmeldung bezieht sich auf die US-Patentanmeldung Serien-Nr. 17/106,837 (DS20-023S), eingereicht am 30. November 2020, die Eigentum eines gemeinsamen Rechtsnachfolgers ist und die hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
  • Technischer Bereich
  • Das vorliegende Dokument bezieht sich auf Leistungswandler. Insbesondere bezieht sich das vorliegende Dokument auf Leistungswandlersysteme mit zwei oder mehr Rückkopplungsschleifen.
  • Hintergrund
  • Leistungswandlersysteme sind ausgebildet zum Beibehalten eines gut geregelten Ausgangs bei gleichzeitig hoher Betriebseffizienz. Außerdem muss die Ausgangsregelung unter einem breiten Bereich von Betriebsbedingungen aufrechterhalten werden, einschließlich bei Eingangsspannungs- und Ausgangslastbedingungen, aber nicht darauf beschränkt. 1 zeigt ein Beispiel eines Systems mit zwei Rückkopplungen, bei dem - abhängig von den Betriebsbedingungen - eine der zwei Rückkopplungsschaltungen ausgewählt wird, um ein Fehlersignal an die Pulsweitenmodulation(PWM - pulse width modulation)-Logik vorzusehen.
  • Leistungswandlersysteme, die mehrere Rückkopplungsschleifenschaltungen verwenden, erfüllen diese strengen Anforderungen, da jede Rückkopplungsschleife für eine bestimmte Betriebsbedingung optimiert ist. Die Betriebsbedingung wird überwacht und die am besten geeignete Rückkopplungsschleife wird ausgewählt, um das Fehlersignal an die Modulationssteuervorrichtung vorzusehen. Bei Multi-Rückkopplungssystemen sind eine Reihe von Schlüsselfaktoren zu berücksichtigen. Zunächst sollte die am besten geeignete Rückkopplungsschleife basierend auf der aktuellen Betriebsbedingung ausgewählt werden. Zweitens sollte das System adaptiv von einer Rückkopplungsschleife zu einer anderen übergehen. Und drittens sollte das System sicherstellen, dass die Übergänge keine ungünstigen Bedingungen schaffen, wie z.B. extreme Unterschwingungen oder Überschwingungen oder Schleifeninstabilität.
  • Für Änderungen der Betriebsbedingungen, die relativ klein und zeitlich langsam sind, stellen diese Faktoren keine wesentlichen Herausforderungen dar. Heutige tragbare Geräte erfordern jedoch einen geringen Stromverbrauch und eine hohe Leistung. Dies stellt eine enorme Belastung für das Leistungswandlersystem dar, da es dynamischen Laständerungen ausgesetzt ist, die sowohl hinsichtlich der Größe als auch der Anstiegsrate bzw. Slew rate stark sind.
  • Zusammenfassung
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit den oben angeführten technischen Problemen. Insbesondere befasst sich das vorliegende Dokument mit dem technischen Problem eines Vorsehens eines Multi-Rückkopplungsschleifen-Leistungswandlers, der das Risiko minimiert, dass ein geregelter Parameter von seiner spezifizierten Genauigkeitsgrenze abweicht, wenn das System schnellen Änderungen bei den Betriebsbedingungen ausgesetzt ist. Noch spezifischer ist es eine Aufgabe des vorliegenden Dokuments, eine unbeabsichtigte Interaktion zwischen verschiedenen Rückkopplungsschleifen zu verhindern, was zu Strom- oder Spannungs-Überschwingungen/Unterschwingungen führen kann.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Leistungswandler vorgestellt. Der Leistungswandler kann einen ersten Fehlerverstärker und ein erstes kapazitives Element aufweisen, wobei der erste Fehlerverstärker konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Referenzwert und einem ersten Rückkopplungssignal einen ersten Fehlerstrom zum Laden des ersten kapazitiven Elements zu erzeugen. Der Leistungswandler kann einen zweiten Fehlerverstärker und ein zweites kapazitives Element aufweisen, wobei der zweite Fehlerverstärker konfiguriert ist, um basierend auf einem zweiten Referenzwert und einem zweiten Rückkopplungssignal einen zweiten Fehlerstrom zum Laden des zweiten kapazitiven Elements zu erzeugen. Der Leistungswandler kann eine Auswahlschaltung aufweisen, die konfiguriert ist, um ein Auswahlsignal durch Vergleichen einer ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements und einer zweiten Spannung des zweiten kapazitiven Elements zu erzeugen. Der Leistungswandler kann eine erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung aufweisen, die konfiguriert ist, um einen zusätzlichen Strompfad von einer Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element zum beschleunigten Laden des ersten kapazitiven Elements herzustellen.
  • Der Leistungswandler kann eine erste Rückkopplungsschaltung aufweisen, die den ersten Fehlerverstärker aufweist. Zum Beispiel kann die erste Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, um das erste Rückkopplungssignal direkt oder indirekt von einer Ausgangsspannung oder einem Ausgangsstrom des Leistungswandlers abzuleiten. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, um das erste Rückkopplungssignal direkt oder indirekt von einer Eingangsspannung oder einem Eingangsstrom des Leistungswandlers abzuleiten.
  • Der Leistungswandler kann eine zweite Rückkopplungsschaltung aufweisen, die den zweiten Fehlerverstärker aufweist. Zum Beispiel kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, um das zweite Rückkopplungssignal zu erzeugen, das sich von dem ersten Rückkopplungssignal unterscheiden kann. Wiederum kann das zweite Rückkopplungssignal abgeleitet werden von einem oder mehreren aus: der Eingangsspannung, dem Eingangsstrom, der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom des Leistungswandlers.
  • Der beschriebene Leistungswandler kann z.B. in einem Batterieladegerät verwendet werden. Zum Beispiel kann die erste Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, um eine konstante Ausgangsspannung des Leistungswandlers während eines Konstantspannungs(CV - constant voltage)-Betriebsmodus zu regeln. Während des CV-Modus kann der Ausgangsstrom variabel sein. Die zweite Rückkopplungsschaltung kann konfiguriert sein, um einen konstanten Ausgangsstrom des Leistungswandlers während eines Konstantstrom(CC - constant current)-Betriebsmodus zu regeln. Während des CC-Modus kann die Ausgangsspannung variabel sein.
  • Der Leistungswandler kann auch eine zweite Verfolgungs-Verstärkerschaltung aufweisen, die konfiguriert ist, um einen zusätzlichen Strompfad von der Versorgungsschiene zu dem zweiten kapazitiven Element zum beschleunigten Laden des zweiten kapazitiven Elements herzustellen. Im Allgemeinen kann der Leistungswandler eine Vielzahl von Rückkopplungsschaltungen aufweisen, jede mit einem Fehlerverstärker, einem kapazitiven Element und einer Verfolgungs-Verstärkerschaltung zum beschleunigten Laden des jeweiligen kapazitiven Elements. Durch die Verwendung von dedizierten Verfolgungs-Verstärkerschaltungen zur Erhöhung der Fehlerströme können variierende Bandbreiten (d.h. Reaktionsgeschwindigkeiten) der Rückkopplungsschaltungen kompensiert werden und alle kapazitiven Elemente können mit ähnlichen Laderaten geladen werden, wodurch ein unbeabsichtigtes Umschalten zwischen verschiedenen Rückkopplungsschaltungen verhindert wird, wenn der Leistungswandler schnellen Änderungen der Betriebsbedingungen ausgesetzt ist.
  • Zum Beispiel kann der erste Fehlerverstärker konfiguriert sein, um den ersten Fehlerstrom basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Referenzwert und dem ersten Rückkopplungssignal zu erzeugen. Analog kann der zweite Fehlerverstärker konfiguriert sein, um den zweiten Fehlerstrom basierend auf einer Differenz zwischen dem zweiten Referenzwert und dem zweiten Rückkopplungssignal zu erzeugen.
  • Zum Beispiel kann ein erster Anschluss des ersten kapazitiven Elements mit einem Ausgang des ersten Fehlerverstärkers gekoppelt sein. Insbesondere kann der Leistungswandler einen Kompensationswiderstand aufweisen, der zwischen dem Ausgang des ersten Fehlerverstärkers und dem ersten Anschluss des ersten kapazitiven Elements gekoppelt ist. Der erste Anschluss des ersten kapazitiven Elements kann auch mit einem Eingang der Auswahlschaltung gekoppelt sein (zum Beispiel, wenn kein Kompensationswiderstand vorgesehen ist). Wiederum kann der Kompensationswiderstand zwischen dem ersten Anschluss des ersten kapazitiven Elements und dem Eingang der Auswahlschaltung gekoppelt sein. Ein zweiter Anschluss des ersten kapazitiven Elements kann mit einem Referenzpotential, wie z.B. Masse, verbunden sein.
  • Analog kann ein erster Anschluss des zweiten kapazitiven Elements mit einem Ausgang des zweiten Fehlerverstärkers gekoppelt sein. Der erste Anschluss kann auch mit einem Eingang der Auswahlschaltung verbunden sein. Ein zweiter Anschluss des zweiten kapazitiven Elements kann mit einem Referenzpotential verbunden sein.
  • In diesem Dokument wird der Begriff „Referenzpotential“ in seinem weitest möglichen Sinne verstanden. Insbesondere ist das Referenzpotential nicht auf Masse beschränkt, d.h. ein Referenzpotential mit direkter physikalischer Verbindung zur Erde. Außerdem ist das Referenzpotential nicht auf ein Potential/eine Spannung von 0V beschränkt. Vielmehr kann sich der Begriff „Referenzpotential“ auf jeden Referenzpunkt beziehen, zu dem und von dem aus elektrische Ströme fließen können oder von dem aus Spannungen gemessen werden können. Darüber hinaus ist anzumerken, dass sich die in diesem Dokument genannten Referenzpotentiale nicht unbedingt auf denselben physikalischen Kontakt beziehen müssen. Stattdessen können sich die in diesem Dokument genannten Referenzpotentiale auf unterschiedliche physikalische Kontakte beziehen, obwohl zur einfacheren Darstellung auf „das“ Referenzpotential Bezug genommen wird.
  • Der erste Fehlerverstärker kann eine spannungsgesteuerte Stromquelle (VCCS - voltage controlled current source) sein, wie z.B. ein Operationstranskonduktanzverstärker (OTA - operational transconductance amplifier). Das heißt, der erste Referenzwert kann ein erster Referenzspannungswert sein und das erste Rückkopplungssignal kann eine erste Rückkopplungsspannung sein. Ähnlich kann der zweite Fehlerverstärker eine VCCS sein, wie z.B. ein OTA, der zweite Referenzwert kann ein zweiter Referenzspannungswert sein und das zweite Rückkopplungssignal kann eine zweite Rückkopplungsspannung sein.
  • Das erste und das zweite kapazitive Element können z.B. Kondensatoren oder andere Vorrichtungen sein, die elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichern können.
  • Die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung kann konfiguriert sein, um den zusätzlichen Strompfad von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element nicht herzustellen, wenn das Auswahlsignal angibt, dass der erste Fehlerstrom verwendet wird, um eine Leistungsstufe des Leistungswandlers zu steuern. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung konfiguriert sein, um den zusätzlichen Strompfad von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element herzustellen, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Referenzwert und dem ersten Rückkopplungssignal eine vorgegebene Aktivierungsschwelle übersteigt. Genauer gesagt kann die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung konfiguriert sein, um den zusätzlichen Strompfad nur herzustellen, wenn die Differenz zwischen dem ersten Referenzwert und dem ersten Rückkopplungssignal die vorgegebene Aktivierungsschwelle übersteigt, und den zusätzlichen Strompfad nicht herzustellen, wenn die Differenz zwischen dem ersten Referenzwert und dem ersten Rückkopplungssignal die vorgegebene Aktivierungsschwelle nicht übersteigt.
  • Die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung kann einen Ladetransistor aufweisen, der zwischen der Versorgungsschiene und dem ersten kapazitiven Element gekoppelt ist. Abhängig von einem an einen Steueranschluss des Ladetransistors angelegten Steuersignal kann der Ladetransistor konfiguriert sein, um die Versorgungsschiene mit dem ersten kapazitiven Element zum beschleunigten Laden des ersten kapazitiven Elements zu verbinden oder die Versorgungsschiene von dem ersten kapazitiven Element zu isolieren, um ein beschleunigtes Laden des ersten kapazitiven Elements zu unterbrechen. Wie bereits in der obigen Beschreibung diskutiert, kann eine Unterbrechung des beschleunigten Ladens erforderlich werden, wenn die mit dem ersten kapazitiven Element assoziierte Rückkopplungsschleife aktuell von der Auswahlschaltung ausgewählt ist, um die Leistungsstufe des Leistungswandlers zu steuern. Darüber hinaus kann eine Unterbrechung des beschleunigten Ladens vorteilhaft sein, wenn eine Signaldifferenz an dem Eingang des ersten Fehlerverstärkers kleiner als die vorgegebene Aktivierungsschwelle ist.
  • Der Ladetransistor kann z.B. ein CMOS-Transistor sein. Insbesondere kann der Ladetransistor ein CMOS-Transistor vom p-Typ sein. Der Steueranschluss des Ladetransistors kann das Gate des Ladetransistors sein und ein gesteuerter Abschnitt des Ladetransistors kann zwischen der Versorgungsschiene und dem ersten kapazitiven Element gekoppelt sein. Zum Beispiel kann die Source des Ladetransistors mit der Versorgungsschiene gekoppelt sein und der Drain des Ladetransistors kann mit dem ersten kapazitiven Element gekoppelt sein. Der Ladetransistor kann als Schalter betrieben werden, so dass entweder eine hochohmige oder eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen Drain und Source des Ladetransistors hergestellt wird, d.h. der Ladetransistor kann konfiguriert sein, entweder ein- oder ausgeschaltet zu sein. Alternativ kann der aktive Betriebsmodus des Ladetransistors auch in Sättigung (d.h. linearer oder analoger Modus) statt in Triode/Cutoff (d.h. als Ein- oder Aus-Schalter) sein. Mit anderen Worten kann der Verfolgungs-Verstärker (einschließlich des Ladetransistors und seines Steuerverstärkers) auch als linearer Verstärker arbeiten, wenn aktiv.
  • Die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung kann weiter einen Verstärker aufweisen. Ein Ausgang des Verstärkers kann mit einem Steueranschluss des Ladetransistors gekoppelt sein. Eine den ersten Fehlerstrom angebende Spannung kann an einen ersten Eingang des Verstärkers angelegt werden. Eine mit der vorgegebenen Aktivierungsschwelle assoziierte Spannung kann an einen zweiten Eingang des Verstärkers angelegt werden. Die mit der vorgegebenen Aktivierungsschwelle assoziierte Spannung kann durch eine Spannungsquelle erzeugt werden, die mit dem zweiten Eingang des Verstärkers gekoppelt ist.
  • Die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung kann eine stromgesteuerte Stromquelle CCCS (current controlled current source) und ein Widerstandselement aufweisen. Zum Beispiel kann die CCCS unter Verwendung eines Stromspiegels implementiert werden. Ein Eingangsstrom dieses Stromspiegels kann der Ausgangsstrom des Fehlerverstärkers sein. Die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung kann konfiguriert sein, um die den ersten Fehlerstrom angebende Spannung zu erzeugen durch - in einem ersten Schritt - Erzeugen, unter Verwendung der CCCS, eines Zwischenstroms, der mit dem ersten Fehlerstrom assoziiert ist, und - in einem zweiten Schritt - Übersetzen, unter Verwendung des Widerstandselements der ersten Verfolgungs-Verstärkerschaltung, des Zwischenstroms in die Spannung, die den ersten Fehlerstrom angibt.
  • Der Leistungswandler kann weiter eine erste Begrenzungsschaltung aufweisen, die konfiguriert ist, um die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements auf einen ersten Schwellenwert zu begrenzen. Zum Beispiel kann die erste Begrenzungsschaltung eine obere Begrenzungsschaltung sein, die konfiguriert ist, um die erste Spannung so zu begrenzen, dass die erste Spannung den ersten Schwellenwert nicht übersteigt. Gleichzeitig kann die erste Begrenzungsschaltung konfiguriert sein, um die erste Spannung weder zu begrenzen noch zu beeinflussen, wenn das Fehlersignal unter dem ersten Schwellenwert ist.
  • Alternativ kann die erste Begrenzungsschaltung eine untere Begrenzungsschaltung sein, die konfiguriert ist, um die erste Spannung so zu begrenzen, dass die erste Spannung nicht unter den ersten Schwellenwert fällt. Gleichzeitig kann die erste Begrenzungsschaltung konfiguriert sein, um die erste Spannung weder zu begrenzen noch zu beeinflussen, wenn das Fehlersignal größer als der erste Schwellenwert ist.
  • Die erste Begrenzungsschaltung kann einen Begrenzungstransistor aufweisen, der zwischen dem ersten kapazitiven Element und einem Referenzpotential gekoppelt ist. Die erste Begrenzungsschaltung kann einen Fehlerverstärker aufweisen, der mit einem Steueranschluss des Begrenzungstransistors gekoppelt ist. Der Fehlerverstärker kann konfiguriert sein, um die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements und den ersten Schwellenwert zu vergleichen. Der Fehlerverstärker kann konfiguriert sein, um ein analoges, kontinuierliches Steuersignal zum Steuern des Steueranschlusses des Begrenzungstransistors basierend auf einer verstärkten Differenz zwischen der ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements und dem ersten Schwellenwert zu erzeugen.
  • Die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung kann konfiguriert sein, um den zusätzlichen Strompfad von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element zu unterbrechen, wenn die erste Begrenzungsschaltung die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements auf den ersten Schwellenwert begrenzt. Durch Unterbrechen des zusätzlichen Strompfades kann eine Überlastung der Versorgungsschiene verhindert werden, wenn die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements versucht, den ersten Schwellenwert zu übersteigen, und die erste Begrenzungsschaltung die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements auf den ersten Schwellenwert aktiv begrenzt.
  • Die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung kann weiter einen Stromspiegel und einen weiteren Transistor aufweisen. Ein erster Zweig des Stromspiegels kann zwischen der Versorgungsschiene und dem Steueranschluss des Ladetransistors gekoppelt sein. Ein zweiter Zweig des Stromspiegels kann auf einem Strompfad von der Versorgungsschiene über einen gesteuerten Abschnitt des weiteren Transistors mit einem Referenzpotential gekoppelt sein. Ein Steueranschluss des weiteren Transistors kann mit dem Steueranschluss des Begrenzungstransistors der ersten Begrenzungsschaltung gekoppelt sein.
  • Der Leistungswandler kann weiter eine erste Schwellenwertgeneratorschaltung aufweisen, die konfiguriert ist, um den ersten Schwellenwert abhängig von dem ersten Fehlerstrom zu erzeugen. Die erste Schwellenwertgeneratorschaltung kann konfiguriert sein, um den ersten Schwellenwert so zu erzeugen, dass der erste Schwellenwert zunimmt, wenn der erste Fehlerstrom zunimmt. Zum Beispiel kann der erste Schwellenwert eine erste Schwellenspannung sein, und der erste Fehlerstrom kann von einer Differenz zwischen einer ersten Rückkopplungsspannung (die das erste Rückkopplungssignal repräsentiert) und einer ersten Referenzspannung (die den ersten Referenzwert repräsentiert) abhängen. Mit anderen Worten, der erste Fehlerverstärker kann eine spannungsgesteuerte Stromquelle (VCCS - voltage controlled current source) sein, wie z.B. ein Operationstranskonduktanzverstärker (OTA - operational transconductance amplifier). Die erste Schwellenwertgeneratoreinheit kann dann konfiguriert sein, um die erste Schwellenspannung zu erhöhen, wenn der erste Fehlerstrom zunimmt, und die erste Schwellenspannung zu verringern, wenn der erste Fehlerstrom abnimmt.
  • Die erste Schwellenwertgeneratorschaltung kann konfiguriert sein, um den ersten Schwellenwert so zu erzeugen, dass der erste Schwellenwert proportional zu dem ersten Fehlerstrom ist.
  • Die erste Schwellenwertgeneratorschaltung kann einen Stromspiegel aufweisen, der konfiguriert ist, um einen Spiegelstrom basierend auf dem ersten Fehlerstrom zu erzeugen. Die erste Schwellenwertgeneratorschaltung kann ein Widerstandselement aufweisen, das konfiguriert ist, um den Spiegelstrom in den ersten Schwellenwert zu übersetzen. Der Stromspiegel kann z.B. auf CMOS-Technologie basieren oder auf bipolarer Technologie basieren. Zum Beispiel kann der Stromspiegel einen ersten Spiegeltransistor aufweisen, der konfiguriert ist, um den ersten Fehlerstrom in eine entsprechende Spannung zu übersetzen, und einen zweiten Spiegeltransistor, der konfiguriert ist, um die entsprechende Spannung in den Spiegelstrom zu übersetzen. Das Widerstandselement kann z.B. jede Art von Widerstand oder ein Diode-verbundener Transistor sein. Das Widerstandselement kann zwischen einem Ausgang der Auswahlschaltung und der ersten Begrenzungsschaltung gekoppelt sein.
  • Der Leistungswandler kann weiter eine zusätzliche Referenzstromquelle aufweisen, die mit dem Widerstandselement gekoppelt ist. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Referenzstromquelle wird es möglich, eine konstante Offsetspannung zu dem ersten Schwellenwert hinzuzufügen, der zusätzlich zu dieser konstanten Offsetspannung linear abhängig von dem ersten Fehlerstrom sein kann.
  • Der Stromspiegel kann mit dem Widerstandselement so verbunden sein, dass der Spiegelstrom durch das Widerstandselement fließt und eine Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgang der Auswahlschaltung und der ersten Begrenzungsschaltung erzeugt. Die Auswahlschaltung kann konfiguriert sein, um an einem Ausgang der Auswahlschaltung eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die das erzeugte Auswahlsignal repräsentiert. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung kann mit dem ausgewählten Fehlersignal assoziiert sein, d.h. entweder dem ersten oder dem zweiten Fehlersignal. Die von dem Widerstandselement erzeugte Spannungsdifferenz kann dann zu der Ausgangsspannung an dem Ausgang der Auswahlschaltung hinzufügen (oder davon subtrahieren) und kann als der erste Schwellenwert dienen, der an die erste Begrenzungsschaltung vorgesehen wird.
  • Die Auswahlschaltung kann einen Verstärker mit Einheitsverstärkung aufweisen. Die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements kann an einen ersten nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung angelegt werden. Die zweite Spannung des zweiten kapazitiven Elements kann an einen zweiten nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung angelegt werden. Ein Ausgangssignal des Verstärkers mit Einheitsverstärkung kann an einen invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung rückgekoppelt werden. Mit anderen Worten, die offene-Schleife-Verstärkung des Auswahlverstärkers kann sehr hoch sein, aber die geschlossene-Schleife-Verstärkung kann Eins sein aufgrund der Rückkopplung. Vorzugsweise kann die Auswahlschaltung nur das Eingangssignal weitergeben, das den niedrigsten Wert hat. Die anderen Signale können von dem Verstärker verarbeitet werden.
  • Der Leistungswandler kann weiter eine Modulatorschaltung aufweisen, die konfiguriert ist, um basierend auf dem Auswahlsignal ein oder mehrere Steuersignale zum Steuern einer Leistungsstufe des Leistungswandlers zu erzeugen. Der Leistungswandler kann weiter ein hochseitiges Schaltelement, ein niedrigseitiges Schaltelement und einen Induktor aufweisen. Das hochseitige Schaltelement kann mit einem Schaltknoten gekoppelt sein. Das niedrigseitige Schaltelement kann zwischen dem Schaltknoten und einem Referenzpotential gekoppelt sein. Der Induktor kann mit dem Schaltknoten gekoppelt sein.
  • Das hochseitige Schaltelement, das niedrigseitige Schaltelement und der Induktor können einen Teil der Leistungsstufe des Leistungswandlers bilden. Abhängig von dem Typ des Leistungswandlers können die Schaltelemente und der Induktor auf unterschiedliche Weise angeordnet sein. Zum Beispiel kann der Leistungswandler ein Leistungswandler des Buck- bzw. Abwärts-Typs sein, der konfiguriert ist, um eine Eingangsspannung des Leistungswandlers in eine niedrigere Ausgangsspannung des Leistungswandlers abwärtszu-wandeln. Gleichzeitig kann ein Ausgangsstrom des Abwärts-Leistungswandlers größer sein als ein Eingangsstrom des Abwärts-Leistungswandlers. In diesem Szenario kann das hochseitige Schaltelement zwischen dem Eingang des Leistungswandlers und dem Schaltknoten gekoppelt sein, und der Induktor kann zwischen dem Schaltknoten und dem Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt sein.
  • Als weiteres Beispiel kann der Leistungswandler ein Leistungswandler des Boost- bzw. Aufwärts-Typs sein, der konfiguriert ist, um die Eingangsspannung des Leistungswandlers in eine größere Ausgangsspannung des Leistungswandlers aufwärts-zu-wandeln. In diesem Fall kann der Ausgangsstrom des Aufwärts-Leistungswandlers kleiner sein als der Eingangsstrom des Aufwärts-Leistungswandlers. Der Induktor kann zwischen dem Eingang des Leistungswandlers und dem Schaltknoten gekoppelt sein und das hochseitige Schaltelement kann zwischen dem Schaltknoten und dem Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt sein. Natürlich kann der Leistungswandler auch ein Buck-Boost- bzw. Abwärts-Aufwärts-Leistungswandler sein oder jeder andere Leistungswandler mit einer entsprechenden Wandlertopologie.
  • Jedes der Schaltelemente kann mit jeder geeigneten Vorrichtung implementiert werden, wie zum Beispiel einem Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET - metal-oxidesemiconductor field effect transistor), einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT - insulated-gate bipolar transistor), einem Thyristor mit MOS-Gate oder jeder anderen geeigneten Leistungsvorrichtung. Jedes Schaltelement kann einen Steueranschluss haben, an den eine jeweilige Ansteuerspannung oder ein Steuersignal angelegt werden kann, um das Schaltelement einzuschalten (d.h. das Schaltelement zu schließen) oder das Schaltelement auszuschalten (d.h. das Schaltelement zu öffnen).
  • Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers beschrieben. Das Verfahren kann Schritte aufweisen, die den Funktionsmerkmalen des in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Leistungswandlers entsprechen. Insbesondere kann der Leistungswandler einen ersten Fehlerverstärker, ein erstes kapazitives Element, einen zweiten Fehlerverstärker, ein zweites kapazitives Element, eine Auswahlschaltung und eine erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung aufweisen. Das Verfahren kann ein Erzeugen, durch den ersten Fehlerverstärker, basierend auf einem ersten Referenzwert und einem ersten Rückkopplungssignal, eines ersten Fehlerstroms zum Laden des ersten kapazitiven Elements aufweisen. Das Verfahren kann ein Erzeugen, durch den zweiten Fehlerverstärker, basierend auf einem zweiten Referenzwert und einem zweiten Rückkopplungssignal, eines zweiten Fehlerstroms zum Laden des zweiten kapazitiven Elements aufweisen. Das Verfahren kann ein Erzeugen, durch die Auswahlschaltung, eines Auswahlsignals durch Vergleichen einer ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements und einer zweiten Spannung des zweiten kapazitiven Elements aufweisen. Das Verfahren kann ein Herstellen, durch die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung, eines zusätzlichen Strompfads von einer Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element zum beschleunigten Laden des ersten kapazitiven Elements aufweisen.
  • Das Verfahren kann aufweisen ein Nicht-Herstellen des zusätzlichen Strompfads von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element, wenn das Auswahlsignal angibt, dass der erste Fehlerstrom verwendet wird, um eine Leistungsstufe des Leistungswandlers zu steuern. Das Verfahren kann ein Herstellen des zusätzlichen Strompfads von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element aufweisen, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Referenzwert und dem ersten Rückkopplungssignal eine vorgegebene Aktivierungsschwelle übersteigt.
  • Das Verfahren kann ein Vorsehen eines Ladetransistors aufweisen, der zwischen der Versorgungsschiene und dem ersten kapazitiven Element gekoppelt ist. Die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung kann weiter einen Verstärker aufweisen. Das Verfahren kann ein Koppeln eines Ausgangs des Verstärkers mit einem Steueranschluss des Ladetransistors aufweisen. Das Verfahren kann ein Anlegen einer Spannung, die den ersten Fehlerstrom angibt, an einen ersten Eingang des Verstärkers aufweisen. Das Verfahren kann ein Anlegen einer Spannung, die mit der vorgegebenen Aktivierungsschwelle assoziiert ist, an einen zweiten Eingang des Verstärkers aufweisen.
  • Die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung kann eine stromgesteuerte Stromquelle CCCS (current controlled current source) und ein Widerstandselement aufweisen. Das Verfahren kann ein Erzeugen der Spannung, die den ersten Fehlerstrom angibt, aufweisen durch (a) Erzeugen, unter Verwendung der CCCS, eines Zwischenstroms, der mit dem ersten Fehlerstrom assoziiert ist, und (b) Übersetzen, unter Verwendung des Widerstandselements, des Zwischenstroms in die Spannung, die den ersten Fehlerstrom angibt.
  • Das Verfahren kann ein Begrenzen, durch eine erste Begrenzungsschaltung, der ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements auf einen ersten Schwellenwert aufweisen. Das Verfahren kann ein Koppeln eines Transistors zwischen dem ersten kapazitiven Element und einem Referenzpotential aufweisen. Das Verfahren kann ein Koppeln eines Fehlerverstärkers mit einem Steueranschluss des Transistors aufweisen, wobei der Fehlerverstärker konfiguriert ist, um die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements und den ersten Schwellenwert zu vergleichen.
  • Das Verfahren kann ein Unterbrechen des zusätzlichen Strompfads von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element aufweisen, wenn die erste Begrenzungsschaltung die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements auf den ersten Schwellenwert begrenzt. Die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung kann weiter einen Stromspiegel und einen weiteren Transistor aufweisen. Das Verfahren kann ein Koppeln eines ersten Zweigs des Stromspiegels zwischen der Versorgungsschiene und dem Steueranschluss des Ladetransistors aufweisen. Das Verfahren kann ein Koppeln eines zweiten Zweigs des Stromspiegels auf einen Strompfad von der Versorgungsschiene über einen gesteuerten Abschnitt des weiteren Transistors mit einem Referenzpotential aufweisen. Das Verfahren kann ein Koppeln eines Steueranschlusses des weiteren Transistors mit dem Steueranschluss des Transistors der ersten Begrenzungsschaltung aufweisen.
  • Das Verfahren kann ein Erzeugen, durch eine erste Schwellenwertgeneratorschaltung, des ersten Schwellenwerts abhängig von dem ersten Fehlerstrom aufweisen. Insbesondere kann das Verfahren ein Erzeugen, durch die erste Schwellenwertgeneratorschaltung, des ersten Schwellenwerts so aufweisen, dass der erste Schwellenwert zunimmt, wenn der erste Fehlerstrom zunimmt. Das Verfahren kann ein Erzeugen, durch einen Stromspiegel, eines Spiegelstroms basierend auf dem ersten Fehlerstrom aufweisen. Das Verfahren kann ein Übersetzen, durch ein Widerstandselement, des Spiegelstroms in den ersten Schwellenwert aufweisen. Das Verfahren kann ein Koppeln des letzteren Widerstandselements zwischen einem Ausgang der Auswahlschaltung und der ersten Begrenzungsschaltung aufweisen.
  • Die Auswahlschaltung kann einen Verstärker mit Einheitsverstärkung aufweisen. Das Verfahren kann ein Anlegen der ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements an einen ersten nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung aufweisen. Alternativ kann der Kompensationswiderstand mit der Auswahlschaltung gekoppelt sein. Im Allgemeinen kann die Spannung des Kompensationsnetzwerks (z.B. der Kompensationswiderstand und der Kondensator) an den Eingang der Auswahlschaltung angelegt werden. Das Verfahren kann ein Anlegen der zweiten Spannung des zweiten kapazitiven Elements an einen zweiten nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung aufweisen. Das Verfahren kann ein Rückkoppeln eines Ausgangssignals des Verstärkers mit Einheitsverstärkung an einen invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung aufweisen.
  • Das Verfahren kann ein Erzeugen, durch eine Modulatorschaltung, basierend auf dem Auswahlsignal, eines oder mehrerer Steuersignale zum Steuern einer Leistungsstufe des Leistungswandlers aufweisen. Der Leistungswandler kann weiter ein hochseitiges Schaltelement, ein niedrigseitiges Schaltelement und einen Induktor aufweisen. Das Verfahren kann ein Koppeln des hochseitigen Schaltelements mit einem Schaltknoten aufweisen. Das Verfahren kann ein Anwenden des niedrigseitigen Schaltelements zwischen dem Schaltknoten und einem Referenzpotential aufweisen. Das Verfahren kann ein Anwenden des Induktors an den Schaltknoten aufweisen.
  • Es sollte angemerkt werden, dass die Verfahren und Systeme einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele, wie in dem vorliegenden Dokument dargelegt, eigenständig oder in Kombination mit den anderen in diesem Dokument offenbarten Verfahren und Systemen verwendet werden können. Darüber hinaus sind die in dem Kontext eines Systems dargelegten Merkmale auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Darüber hinaus können alle Aspekte der in dem vorliegenden Dokument dargelegten Verfahren und Systeme beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche beliebig miteinander kombiniert werden.
  • In dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ auf Elemente, die miteinander in elektrischer Kommunikation sind, entweder direkt verbunden, z.B. über Drähte, oder auf andere Weise.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung ist auf beispielhafte Weise und nicht einschränkend in den Figuren der beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder identische Elemente beziehen und in denen:
    • 1 ein Beispiel eines Leistungswandlers mit zwei Rückkopplungsschleifen zeigt;
    • 2 ein Beispiel eines Leistungswandlers mit einer Vielzahl von Rückkopplungsschleifen zeigt;
    • 3 eine beispielhafte Implementierung eines Fehlerverstärkers, einer Auswahlschaltung, einer Begrenzungsschaltung und einer Schwellengeneratorschaltung zeigt;
    • 4 eine weitere beispielhafte Implementierung eines Fehlerverstärkers, einer Auswahlschaltung, einer Begrenzungsschaltung und einer Schwellengeneratorschaltung zeigt;
    • 5 Simulationsergebnisse mit unerwünschten Schleifeninteraktionen zeigt;
    • 6 Komponenten eines Leistungswandlers mit einer Verfolgungs-Verstärkerschaltung zeigt;
    • 7 alternative Komponenten eines Leistungswandlers mit einer Verfolgungs-Verstärkerschaltung zeigt;
    • 8 Simulationsergebnisse mit Schleifeninteraktionen zeigt; und
    • 9 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Verhindern einer Interschleifeninterferenz in einem Multi-Rückkopplungsschleifen-System zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 2 zeigt ein Beispiel eines Leistungswandlers 200 mit einer Vielzahl von Rückkopplungsschleifen 205, repräsentiert durch die Rückkopplungsschleifen 1, 2 und n. Der Eingang in die Rückkopplungsschleifen ist eine Anzahl von Rückkopplungssignalen 230. Die Ausgänge der Rückkopplungsschleifen 205 werden in den Rückkopplungsschleifen-Auswahlblock (Auswahlschaltung) 210 eingegeben. Sobald die geeignete Rückkopplungsschleife bestimmt ist, wird das Rückkopplungssignal in die Modulationssteuervorrichtung(en) (Modulatorschaltung) 215 eingegeben, die die Steuersignale an die Leistungsstufe(n) 220 vorsehen, um eine Ausgangsregelung vorzusehen.
  • Für die Zwecke dieser Erfindung konzentrieren wir uns auf die Rückkopplungsschleifen und die Rückkopplungsschleifenauswahlfunktionen. 3 zeigt eine detaillierte Darstellung des Rückkopplungsauswahlblocks 210 von 2. Insbesondere zeigt 3 eine beispielhafte Implementierung eines Fehlerverstärkers 301, einer Minimum-Auswahlschaltung 302, einer Begrenzungsschaltung 303 und einer Schwellengeneratorschaltung 304. Für die Rückkopplungssignale, die derzeit nicht die Modulatorsteuervorrichtung 215 steuern, kann der durch FB_1, FB_2, FB_n repräsentierte Regelungsparameter niedriger sein als die Referenzspannungen VDAC_1, VDAC_2 bzw. VDAC_n. Im Allgemeinen kann das Rückkopplungssignal (FB_n) an den nicht-invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers 301 angelegt werden, so dass die Aufgabe der Gesamtschleife darin besteht, zu verhindern, dass das Rückkopplungssignal unter die Referenzspannung fällt. Alle Rückkopplungsschleifen können eine ähnliche Struktur haben. Wenn die Rückkopplungsschleife 1 nicht in Steuerung ist, kann der Fehlerverstärker 301 für die Rückkopplungsschleife 1 den Strom IEA_1 in das Kompensationsnetzwerk RC_1 und CC_1 liefern. Der Strom IEA für die Rückkopplungsschleife, deren Steuersignal aktuell verwendet wird, um die Leistungsstufen (z.B. Rückkopplungsschleife 2) zu modulieren, kann OA in dem stabilen bzw. eingeschwungenen Zustand sein. Wenn zum Beispiel das Steuersignal von Schleife 2 zur Verwendung bei einem Modulieren der Leistungsstufe ausgewählt wurde, kann der Strom IEA_2 gleich OA sein. Weiter können die Ausgangssignalspannung des Fehlerverstärkers der Rückkopplungsschleife 2, VEA_2, sowie die Spannung des Minimum-Auswahlverstärkers (MINSEL_OUT) geringer sein als die Spannungen VEA aller anderen Rückkopplungsschleifen. Folglich gelten die folgenden Gleichungen: VEA_2 < VEA_1, n und MINSEL_OUT < VEA_1, n. Wenn VEA_Loop1 ≥ MINSEL_OUT + RGM*IREF ist, leitet der relative-obere-Begrenzung- bzw. RUC(relative upper clamp)-Verstärker den Strom IEA_1 um, um zu verhindern, dass das kapazitive Element CC_1 mehr als nötig lädt. Dieser Vorgang kann für alle aktuell nicht-ausgewählten Rückkopplungsschleifen wiederholt werden. Um zu verhindern, dass die Fehlersignale von den aktuell nicht-ausgewählten Rückkopplungsschleifen versehentlich das Fehlersignal der aktuell ausgewählten Rückkopplungsschleife stören, sollte die Offsetspannung IREF*RGM wesentlich größer als 0V gewählt werden, zum Beispiel 200mV.
  • Obwohl ein Auswählen einer relativ großen Offsetspannung IREF*RGM>> 0 sicherstellt, dass Rückkopplungssignale von nicht-ausgewählten Rückkopplungsschleifen das ausgewählte Steuersignal nicht stören, kann dies einen erheblichen Nachteil haben. Wenn sich die Betriebsbedingungen so ändern, dass ein Übergang von einer Rückkopplung zu einer anderen erforderlich ist, erzeugt IREF*RGM » 0 eine lange Übergangsverzögerung, da die Spannung VEA einer neu erwünschten Rückkopplungsschleife unter die Spannung VEA der aktuell aktiven Rückkopplungsschleife fallen muss, um die Steuerung zu übernehmen.
  • Lange Übergänge von einer Rückkopplungsschleife zu einer anderen erzeugen eine Verzögerung der Fähigkeit der Leistungsversorgung, auf plötzliche Änderungen der Betriebsbedingungen zu reagieren. Zum Beispiel wird angenommen, dass die Ausgangslast bei einer keine-Last- oder leichte-Last-Bedingung war und einer signifikanten dynamischen Laständerung bis zur maximalen Last ausgesetzt war. Es kann wünschenswert sein, das Überschwingen des Eingangsstroms zu begrenzen, was eine Änderung in der „in-Steuerung“-Rückkopplungsschleife erfordert. Die Verzögerung bei einem Übergang zu der Rückkopplungsschleife, die zum Regeln von Eingangsstromparametern optimiert ist, kann die Reaktionsfähigkeit einschränken.
  • Zusammenfassend können Multi-Rückkopplungsschleifen-Leistungswandlersysteme, wie ein Batterieladegerät, einen von mehreren Parametern je nach Betriebsbedingungen regeln. Weiterhin müssen Vorkehrungen getroffen werden, um die Interferenz von Steuersignalen von nicht-ausgewählten Rückkopplungsschleifen zu verhindern. Um ein singuläres Steuersignal beizubehalten, zeigt 3 die Implementierung eines festen Schutzbandes für nicht-ausgewählte Rückkopplungsschleifen. Dieses Schutzband führt jedoch während des Übergangs von einer Rückkopplungsschleife zu einer anderen eine Verzögerung ein. Diese Verzögerungen haben einen negativen Einfluss auf eine Ausgangsregelung, insbesondere, wenn sich die Betriebsbedingungen stark ändern.
  • In der Technik wird ein Verfahren benötigt, um sicherzustellen, dass Mehrschleifenregler den Übergang von einer Steuerschleife zu einer anderen beschleunigen, um Regelungsübergangsfehler zu reduzieren.
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Leistungswandlersystem, das alle Vorteile von Multi-Rückkopplungsschleifen-Systemen des Standes der Technik beibehält. Es ist gegenüber Systemen des Standes der Technik verbessert, indem es die Verzögerungszeit eines Übergangs von einer Rückkopplungsschleife zu einer anderen minimiert. Die Reduzierung der Übergangsverzögerung verbessert die Systemleistung, insbesondere kritisch bei Hochleistungsenergieversorgungssystemen. Die Übergangsverzögerung wird erreicht, während sichergestellt bleibt, dass nicht-ausgewählte Rückkopplungsschleifen das Rückkopplungssignal der ausgewählten Rückkopplungsschleife nicht stören würden.
  • Um ein Schlüsselkonzept zu wiederholen, damit eine Rückkopplungsschleife eine Steuerung übernimmt, muss die Differenzeingangsübersteuerungsspannung (VOD = VDAC-VFB) dieser Schleife möglicherweise auf OV fallen oder negativ werden und das Spannung-VEA-Signal muss auf den MINSEL_OUT-Pegel fallen. Zum Beispiel muss VOD negativ genug sein, um eine Spannungsänderung in dem Kompensationsnetzwerk zu erzeugen, die bis zu IREF*RGM betragen kann. Je weiter VOD unter OV fällt, desto höher ist die Rückkopplungsspannung VFB über dem Regelungssoll von VDAC (was einer Überschwingen-Bedingung entsprechen kann).
  • 4 zeigt eine weitere beispielhafte Implementierung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt einen Fehlerverstärker 501, eine Minimum-Auswahlschaltung 502, eine Begrenzungsschaltung 503 und eine Schwellengeneratorschaltung 504. Die dargestellte Schaltung minimiert die Rückkopplungsschleifen-Übergangszeit durch Minimieren von ΔV, d.h. (IREF*RGM). Das Minimieren von ΔV reduziert das Überschwingen der Rückkopplungsspannung VFB, wenn eine schnelle Änderung auftritt, wie eine plötzliche Änderung der Ausgangslast. Darüber hinaus ist ein weiteres kritisches Merkmal, dass die Schaltung in 4 sicherstellt, dass VREF_UPCLAMP ausreichend groß ist, so dass keines der nicht-aktiv steuernden VEA-Signale unbeabsichtigt das VEA-Signal in Steuerung (aufgrund von Welligkeit, transienter Rauschkopplung, Offsets usw.) während eines stabilen Betriebs stört.
  • Wie in 4 gezeigt, kann die Schwellengeneratorschaltung 504 einen Spiegelblock 510 aufweisen, der einen geeigneten Stromspiegel zum dynamischen Steuern von ΔV aufweisen kann, indem ein Spiegelstrom des Ausgangsstroms IEA des Fehlerverstärkers verwendet wird, wodurch VREF_UPCLAMP proportional zu VOD=VDAC-VFB gesetzt wird. Wenn die Spannung VOD zunehmend positiv wird, darf das VEA-Signal der Schleife nicht-in-Steuerung relativ zu MINSEL_OUT höher ansteigen. Dies verringert das Risiko einer unbeabsichtigten Schleifeninteraktion. Umgekehrt, wenn die Spannung VOD abnimmt, nimmt VREF_UPCLAMP ab, um einen schnelleren Schleifenübergang zu ermöglichen. Da IEA IREF ergänzt, kann IREF kleiner sein als für das ursprüngliche relative Begrenzungsschema, das in dem Kontext von 3 diskutiert wird.
  • Für beide in 3 und 4 gezeigten Implementierungen sollten Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen, dass das Steuersignal von der ausgewählten Rückkopplungsschleife nicht durch ein Steuersignal von einer nicht-ausgewählten Rückkopplungsschleife gestört wird.
  • Betrachten wir zum Beispiel einen Fall, in dem die Rückkopplungsschleife_1 (feedback loop_1) ausgewählt wird und die Spannung VEA_1 verwendet wird, um die Leistungsstufe zu steuern, und der Leistungswandler einem schnellen Lastanstieg ausgesetzt ist. Wenn VEA_1 die Ausgangsspannung des Reglers steuert, dann führt eine Verringerung der Ausgangsspannung zu einem assoziierten Anstieg der Differenzspannung VOD. Nachfolgend steigt der Fehlerverstärkerausgangsstrom IEA_1 an und reagiert mit dem Kompensationsnetzwerk, was bewirkt, dass die Spannung VEA_Loop1 plötzlich um VOD1*(RC_1/RGM1) ansteigt.
  • Ein nicht-ausgewähltes Fehlersignal, VEA_Loop2, kann höher sein als die Spannung VEA_Loop1 vor dem Betriebsbedingungssprung. Nach dem Sprung muss die Spannung VEA_Loop2 nicht über VEA_Loop1 bleiben, wenn der Fehlerstrom IEA_2 zu klein ist. Dies führt zu einer relativ langsamen Änderung von V(CC_2): ΔV/Δt = IEA_2/CC_2. Folglich übernimmt Loop2 kurzzeitig eine Steuerung der Abwärtsregelung, was zu einer Verschlechterung der Übergangsreaktion von Loop1 führt. Vorzugsweise sollte Loop1 die Steuerung des Abwärts behalten, vor, während und nach dem Betriebsbedingungssprung. 5 zeigt ein Beispiel für eine unbeabsichtigte Interferenz durch eine nicht-ausgewählte Rückkopplungsschleife, wobei 520 ein übermäßiges Überschwingen auf VDDM zeigt, 525 ein übermäßiges Unterschwingen auf VDDM zeigt und 530 zeigt, wo ein begrenzter Anstiegsstrom zu dem Kompensationskondensator verhindert, dass VEA_ABCC über VEA_CV bleibt.
  • Was daher in der Technik weiterhin benötigt wird, ist ein Verfahren, um zu verhindern, dass das Steuersignal von der ausgewählten Rückkopplungsschleife durch ein Steuersignal von einer nicht-ausgewählten Rückkopplungsschleife ersetzt wird.
  • Die vorliegende Erfindung verbessert Leistungswandler mit Multi-Rückkopplungsschleifen des Standes der Technik, indem sichergestellt wird, dass nicht-ausgewählte Rückkopplungsschleifen das Steuersignal der ausgewählten Rückkopplungsschleife nicht stören. Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Leistungswandlersystem, das alle Vorteile von Multi-Rückkopplungsschleifen-Systemen des Standes der Technik beibehält.
  • Die 6 und 7 zeigen weitere nicht-einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung. 6 zeigt eine zu dem Blockdiagramm von 3 hinzugefügte Verfolgungs-Verstärkerschaltung 600, und 7 zeigt eine zu dem Blockdiagramm von 4 hinzugefügte Verfolgungs-Verstärkerschaltung. In beiden Fällen weist die beispielhafte Verfolgungs-Verstärkerschaltung einen Lade-Transistor 601, eine CCCS 602, einen OTA 603, einen Stromspiegel 604 und einen NMOS-Transistor 605 auf. Abhängig von der Spannungsdifferenz (Vref_1 - FB_1) entscheidet der OTA 603 (erster Verfolgungs-Verstärker), ob der Ladetransistor 601 einen zusätzlichen Strompfad von einer Versorgungsschiene 606 zu dem kapazitiven Element CC zum beschleunigten Laden des kapazitiven Elements CC herstellt.
  • Um eine Schleifeninteraktion zu verhindern, ist die Verfolgungs-Verstärkerschaltung 600 vorgesehen, um das kapazitive Element CC für die Schleife, die nicht in Steuerung (nicht ausgewählt) ist, „to slew“. Die Verfolgungs-Verstärkerschaltung 600 wird aktiviert, wenn die Spannung K*IEA*RGM eine vorgegebene Schwellenspannung VREF_TA übersteigt, die von einer Spannungsquelle vorgesehen wird. Der Fehlerstrom IEA ist proportional zu der Differenzspannung VOD. Daher kann die vorgegebene Schwellenspannung VREF_TA so ausgebildet sein, dass sie einem spezifischen VOD-Wert (z.B. 10 mV) entspricht. Ein zweites Ausgangssignal von der Begrenzungsschaltung kann mit der Verfolgungs-Verstärkerschaltung 600 interagieren, um zu verhindern, dass V(CC) über VREF_UPCLAMP ansteigt.
  • 8 zeigt einige beispielhafte Wellenformen der Erfindung, die verhindern können, dass ein Steuersignal von einer nicht-ausgewählten Rückkopplungsschleife das Fehlersignal von der ausgewählten Rückkopplungsschleife stört. Wie aus 8 zu sehen ist, werden die kapazitiven Elemente mit einer ähnlichen Anstiegsrate geladen, wobei 820 ein übermäßiges Überschwingen auf VDDM zeigt, 825 ein übermäßiges Unterschwingen auf VDDM zeigt und 830 zeigt, wo VEA_ABCC über VEA_CV bleibt. Folglich folgen die auf den kapazitiven Elementen gespeicherten Fehlerspannungen fast parallelen Linien und schneiden sich nicht, wodurch unbeabsichtigte Schleifeninteraktionen wirksam verhindert werden.
  • Zusammenfassend kann die Verfolgungs-Verstärkerschaltung 600 verhindern, dass der Ausgang des Fehlerverstärkers nicht-in-Steuerung das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers stört, der in-Steuerung ist. Darüber hinaus sieht die Verfolgungs-Verstärkerschaltung 600 ein Mittel vor zum Steuern des Verfolgungs-Verstärkers 603, so dass dieser nur aktiviert wird, wenn das Differenzeingangssignal VOD des Fehlerverstärkers eine vorgegebene Schwelle übersteigt (z.B. wenn VOD = VDAC - VFB > 10 mV). Die Differenzeingangsübersteuerung eines Fehlerverstärkers wird in diesem Dokument auch als VOD bezeichnet.
  • 9 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Verhindern einer Interschleifeninterferenz in einem Mehrfach-Rückkopplungsschleifen-System. Das Verfahren kann aufweisen 910, ein Erzeugen, durch den ersten Fehlerverstärker, basierend auf einem ersten Referenzwert und einem ersten Rückkopplungssignal, eines ersten Fehlerstroms zum Laden des ersten kapazitiven Elements. Das Verfahren kann auch aufweisen 920, ein Erzeugen, durch den zweiten Fehlerverstärker, basierend auf einem zweiten Referenzwert und einem zweiten Rückkopplungssignal, eines zweiten Fehlerstroms zum Laden des zweiten kapazitiven Elements. Das Verfahren kann auch aufweisen 930, ein Erzeugen, durch die Auswahlschaltung, eines Auswahlsignals durch Vergleichen einer ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements und einer zweiten Spannung des zweiten kapazitiven Elements. Das Verfahren kann auch aufweisen 940, ein Herstellen, durch die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung, eines zusätzlichen Strompfads von einer Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element zum beschleunigten Laden des ersten kapazitiven Elements.
  • Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme darstellen. Fachleute werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang enthalten sind. Darüber hinaus sollen alle in dem vorliegenden Dokument dargelegten Beispiele und Ausführungsbeispiele grundsätzlich nur zu Erläuterungszwecken dienen, um dem Leser beim Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen. Darüber hinaus sollen alle Aussagen hierin, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie spezifische Beispiele davon vorsehen, Äquivalente davon aufweisen.

Claims (34)

  1. Ein Leistungswandler, der aufweist - einen ersten Fehlerverstärker und ein erstes kapazitives Element, wobei der erste Fehlerverstärker konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Referenzwert und einem ersten Rückkopplungssignal einen ersten Fehlerstrom zum Laden des ersten kapazitiven Elements zu erzeugen, - einen zweiten Fehlerverstärker und ein zweites kapazitives Element, wobei der zweite Fehlerverstärker konfiguriert ist, um basierend auf einem zweiten Referenzwert und einem zweiten Rückkopplungssignal einen zweiten Fehlerstrom zum Laden des zweiten kapazitiven Elements zu erzeugen, - eine Auswahlschaltung, die konfiguriert ist, um ein Auswahlsignal durch Vergleichen einer ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements und einer zweiten Spannung des zweiten kapazitiven Elements zu erzeugen, und - eine erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um einen zusätzlichen Strompfad von einer Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element zum beschleunigten Laden des ersten kapazitiven Elements herzustellen.
  2. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung konfiguriert ist, um den zusätzlichen Strompfad von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element nicht herzustellen, wenn das Auswahlsignal angibt, dass der erste Fehlerstrom verwendet wird, um eine Leistungsstufe des Leistungswandlers zu steuern.
  3. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung konfiguriert ist, um den zusätzlichen Strompfad von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element herzustellen, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Referenzwert und dem ersten Rückkopplungssignal eine vorgegebene Aktivierungsschwelle übersteigt.
  4. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 3, wobei die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung einen Ladetransistor aufweist, der zwischen der Versorgungsschiene und dem ersten kapazitiven Element gekoppelt ist.
  5. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 4, wobei die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung weiter einen Verstärker aufweist, und wobei - ein Ausgang des Verstärkers mit einem Steueranschluss des Ladetransistors gekoppelt ist, - eine den ersten Fehlerstrom angebende Spannung an einen ersten Eingang des Verstärkers angelegt wird, und - eine mit der vorgegebenen Aktivierungsschwelle assoziierte Spannung an einen zweiten Eingang des Verstärkers angelegt wird.
  6. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, wobei die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung eine stromgesteuerte Stromquelle CCCS (current controlled current source) und ein Widerstandselement aufweist, und wobei die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung konfiguriert ist, um die Spannung zu erzeugen, die den ersten Fehlerstrom angibt, durch - Erzeugen, unter Verwendung der CCCS, eines Zwischenstroms, der mit dem ersten Fehlerstrom assoziiert ist, und - Übersetzen, unter Verwendung des Widerstandselements, des Zwischenstroms in die Spannung, die den ersten Fehlerstrom angibt.
  7. Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, der weiter eine erste Begrenzungsschaltung aufweist, die konfiguriert ist, um die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements auf einen ersten Schwellenwert zu begrenzen.
  8. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 7, wobei die erste Begrenzungsschaltung aufweist: - einen Transistor, der zwischen dem ersten kapazitiven Element und einem Referenzpotential gekoppelt ist, und - einen Fehlerverstärker, der mit einem Steueranschluss des Transistors gekoppelt ist, wobei der Fehlerverstärker konfiguriert ist, um die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements und den ersten Schwellenwert zu vergleichen.
  9. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung konfiguriert ist, um den zusätzlichen Strompfad von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element zu unterbrechen, wenn die erste Begrenzungsschaltung die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements auf den ersten Schwellenwert begrenzt.
  10. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung weiter einen Stromspiegel und einen weiteren Transistor aufweist, wobei - ein erster Zweig des Stromspiegels zwischen der Versorgungsschiene und dem Steueranschluss des Ladetransistors gekoppelt ist, - ein zweiter Zweig des Stromspiegels auf einem Strompfad von der Versorgungsschiene über einen gesteuerten Abschnitt des weiteren Transistors mit einem Referenzpotential gekoppelt ist, und - ein Steueranschluss des weiteren Transistors mit dem Steueranschluss des Transistors der ersten Begrenzungsschaltung gekoppelt ist.
  11. Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, der weiter eine erste Schwellenwertgeneratorschaltung aufweist, die konfiguriert ist, um den ersten Schwellenwert abhängig von dem ersten Fehlerstrom zu erzeugen.
  12. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 11, wobei die erste Schwellenwertgeneratorschaltung konfiguriert ist, um den ersten Schwellenwert so zu erzeugen, dass der erste Schwellenwert zunimmt, wenn der erste Fehlerstrom zunimmt.
  13. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die erste Schwellenwertgeneratorschaltung aufweist - einen Stromspiegel, der konfiguriert ist, um einen Spiegelstrom basierend auf dem ersten Fehlerstrom zu erzeugen, und - ein Widerstandselement, das konfiguriert ist, um den Spiegelstrom in den ersten Schwellenwert zu übersetzen.
  14. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 13, wobei das Widerstandselement der ersten Schwellenwertgeneratorschaltung zwischen einem Ausgang der Auswahlschaltung und der ersten Begrenzungsschaltung gekoppelt ist.
  15. Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Auswahlschaltung einen Verstärker mit Einheitsverstärkung aufweist, und wobei - die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements an einen ersten nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung angelegt wird, - die zweite Spannung des zweiten kapazitiven Elements an einen zweiten nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung angelegt wird, und - ein Ausgangssignal des Verstärkers mit Einheitsverstärkung an einen invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung rückgekoppelt wird.
  16. Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, der weiter aufweist - eine Modulatorschaltung, die konfiguriert ist, um basierend auf dem Auswahlsignal ein oder mehrere Steuersignale zum Steuern einer Leistungsstufe des Leistungswandlers zu erzeugen.
  17. Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, der weiter ein hochseitiges Schaltelement, ein niedrigseitiges Schaltelement und einen Induktor aufweist, wobei - das hochseitige Schaltelement mit einem Schaltknoten gekoppelt ist, - das niedrigseitige Schaltelement zwischen dem Schaltknoten und einem Referenzpotential gekoppelt ist, und - der Induktor mit dem Schaltknoten gekoppelt ist.
  18. Ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers, wobei der Leistungswandler ein erstes kapazitives Element, ein zweites kapazitives Element aufweist, und wobei das Verfahren aufweist - Erzeugen, basierend auf einem ersten Referenzwert und einem ersten Rückkopplungssignal, eines ersten Fehlerstroms zum Laden des ersten kapazitiven Elements, - Erzeugen, basierend auf einem zweiten Referenzwert und einem zweiten Rückkopplungssignal, eines zweiten Fehlerstroms zum Laden des zweiten kapazitiven Elements, - Erzeugen eines Auswahlsignals durch Vergleichen einer ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements und einer zweiten Spannung des zweiten kapazitiven Elements, und - Herstellen eines zusätzlichen Strompfads von einer Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element zum beschleunigten Laden des ersten kapazitiven Elements.
  19. Das Verfahren gemäß Anspruch 18, das weiter aufweist - Nicht-Herstellen des zusätzlichen Strompfads von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element, wenn das Auswahlsignal angibt, dass der erste Fehlerstrom zum Steuern einer Leistungsstufe des Leistungswandlers verwendet wird.
  20. Das Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, das weiter aufweist - Herstellen des zusätzlichen Strompfads von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Referenzwert und dem ersten Rückkopplungssignal eine vorgegebene Aktivierungsschwelle übersteigt.
  21. Das Verfahren gemäß Anspruch 20, das weiter aufweist - Vorsehen eines Ladetransistors, der zwischen der Versorgungsschiene und dem ersten kapazitiven Element gekoppelt ist.
  22. Das Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei eine erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung weiter einen Verstärker aufweist, und wobei das Verfahren aufweist - Koppeln eines Ausgangs des Verstärkers mit einem Steueranschluss des Ladetransistors, - Anlegen einer Spannung, die den ersten Fehlerstrom angibt, an einen ersten Eingang des Verstärkers, und - Anlegen einer Spannung, die mit der vorgegebenen Aktivierungsschwelle assoziiert ist, an einen zweiten Eingang des Verstärkers.
  23. Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei eine erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung eine stromgesteuerte Stromquelle CCCS (current controlled current source) und ein Widerstandselement aufweist, und wobei das Verfahren ein Erzeugen der Spannung, die den ersten Fehlerstrom angibt, aufweist durch - Erzeugen, unter Verwendung der CCCS, eines Zwischenstroms, der mit dem ersten Fehlerstrom assoziiert ist, und - Übersetzen, unter Verwendung des Widerstandselements, des Zwischenstroms in die Spannung, die den ersten Fehlerstrom angibt.
  24. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, das weiter aufweist - Begrenzen, durch eine erste Begrenzungsschaltung, der ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements auf einen ersten Schwellenwert.
  25. Das Verfahren gemäß Anspruch 24, das aufweist - Koppeln eines Transistors zwischen dem ersten kapazitiven Element und einem Referenzpotential, und - Koppeln eines Fehlerverstärkers mit einem Steueranschluss des Transistors, wobei der Fehlerverstärker konfiguriert ist, um die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements und den ersten Schwellenwert zu vergleichen.
  26. Das Verfahren gemäß Anspruch 24 oder 25, das aufweist - Unterbrechen des zusätzlichen Strompfads von der Versorgungsschiene zu dem ersten kapazitiven Element, wenn die erste Begrenzungsschaltung die erste Spannung des ersten kapazitiven Elements auf den ersten Schwellenwert begrenzt.
  27. Das Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, wobei eine erste Verfolgungs-Verstärkerschaltung weiter einen Stromspiegel und einen weiteren Transistor aufweist, und wobei das Verfahren aufweist - Koppeln eines ersten Zweigs des Stromspiegels zwischen der Versorgungsschiene und dem Steueranschluss des Ladetransistors, - Koppeln eines zweiten Zweigs des Stromspiegels auf einem Strompfad von der Versorgungsschiene über einen gesteuerten Abschnitt des weiteren Transistors mit einem Referenzpotential, und - Koppeln eines Steueranschlusses des weiteren Transistors mit dem Steueranschluss des Transistors der ersten Begrenzungsschaltung.
  28. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 27, das weiter aufweist - Erzeugen, durch eine erste Schwellenwertgeneratorschaltung, des ersten Schwellenwerts abhängig von dem ersten Fehlerstrom.
  29. Das Verfahren gemäß Anspruch 28, das aufweist - Erzeugen, durch die erste Schwellenwertgeneratorschaltung, des ersten Schwellenwerts so, dass der erste Schwellenwert zunimmt, wenn der erste Fehlerstrom zunimmt.
  30. Das Verfahren gemäß Anspruch 28 oder 29, das aufweist - Erzeugen, durch einen Stromspiegel, eines Spiegelstroms basierend auf dem ersten Fehlerstrom, und - Übersetzen, durch ein Widerstandselement, des Spiegelstroms in den ersten Schwellenwert.
  31. Das Verfahren gemäß Anspruch 30, das aufweist - Koppeln des Widerstandselements zwischen einem Ausgang einer Auswahlschaltung und der ersten Begrenzungsschaltung.
  32. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 31, wobei eine Auswahlschaltung einen Verstärker mit Einheitsverstärkung aufweist, und wobei das Verfahren aufweist - Anlegen der ersten Spannung des ersten kapazitiven Elements an einen ersten nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung, - Anlegen der zweiten Spannung des zweiten kapazitiven Elements an einen zweiten nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung, und - Rückkoppeln eines Ausgangssignals des Verstärkers mit Einheitsverstärkung an einen invertierenden Eingang des Verstärkers mit Einheitsverstärkung.
  33. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 32, das weiter aufweist - Erzeugen, durch eine Modulatorschaltung, basierend auf dem Auswahlsignal, eines oder mehrerer Steuersignale zum Steuern einer Leistungsstufe des Leistungswandlers.
  34. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 33, wobei der Leistungswandler weiter ein hochseitiges Schaltelement, ein niedrigseitiges Schaltelement und einen Induktor aufweist, und wobei das Verfahren aufweist - Koppeln des hochseitigen Schaltelements mit einem Schaltknoten, -Anwenden des niedrigseitigen Schaltelements zwischen dem Schaltknoten und einem Referenzpotential, und - Anwenden des Induktors an den Schaltknoten.
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