DE112009000505T5

DE112009000505T5 - Hochspannungsseitige Abtastung des Nullinduktorstroms für DC-DC-Abwärtswandler

Info

Publication number: DE112009000505T5
Application number: DE112009000505T
Authority: DE
Inventors: Congzhong Plano Huang; Sisan Plano Shen
Original assignee: Intersil Americas LLC; Intersil Inc
Current assignee: Intersil Corp; Intersil Americas LLC
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2011-04-07
Also published as: TW200945749A; TWI483528B; CN101960700B; TWI538371B; CN101960700A; TW201528673A; KR20100123854A; US20090218708A1; US8067929B2; USRE46333E1; WO2009111438A3; WO2009111438A2; US20090218998A1

Abstract

DC-DC-Wandler-Schaltung, enthaltend:
eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines PWM-Wellenformsignals an einem Phasenknoten des DC-DC-Wandlers in Reaktion auf eine Eingangsspannung und eine überwachte Ausgangsspannung, wobei Schaltungsanordnung ferner einen zwischen dem Eingangsspannungsknoten und dem Phasenknoten angeschlossenen hochspannungsseitigen Schalttransistor und einen zwischen dem Phasenknoten und Masse angeschlossenen niederspannungsseitigen Schalttransistor aufweist;
ein an die Schaltungsanordnung angeschlossenes Ausgangsfilter zum Erzeugen des PWM-Wellenformsignals, wobei das Ausgangsfilter einen Induktor beinhaltet, der eine an den Phasenknoten angeschlossene erste Seite und eine an den Ausgangsspannungsknoten angeschlossene zweite Seite aufweist; und
eine Detektionsschaltungsanordnung zum Detektieren von Nullstromdurchgängen im Induktor in Reaktion auf eine Spannung am hochspannungsseitigen Schalttransistor und eine Spannung am niederspannungsseitigen Schalttransistor.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung stellt eine PCT-Anmeldung der am 4. September 2008 eingereichten Patentanmeldung Nr. 12/204,344, betitelt ”HIGH-SIDE SENSING OF ZERO INDUCTOR CURRENT FOR STEP DOWN DC-DC CONVERTER” (HOCHSPANNUNGSSEITIGE ABTASTUNG DES NULLINDUKTORSTROMS FÜR DC-DC-ABWÄRTSWANDLER), dar, wobei die Anmeldung die Priorität der am 3. März 2008 eingereichten US-Anmeldung, Seriennummer 61/033,259, betitelt ”HIGH-SIDE SENSING OF ZERO INDUCTOR CURRENT FOR STEP DOWN DC-DC CONVERTER”, in Anspruch nimmt, und deren Spezifikation(en) verweishalber in diese Schrift aufgenommen wurde(n).
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf DC-DC-Wandler und insbesondere auf die Abtastung von Null-Induktorströmen unter Einsatz von hochspannungs- und niederspannungsseitigen Schalttransistoren innerhalb eines DC-DC-Wandlers.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
DC-DC-Spannungsregler dienen dazu, eine gleichbleibende Ausgangsspannung zum Einsatz in digitalen und analogen Schaltungen innerhalb verschiedener Schaltungsvorrichtungen aufrechtzuerhalten. Eine angelegte Eingangsspannung kann aus verschiedenen Gründen schwanken. Trotz dieser Schwankungen in der Eingangsspannung ist es jedoch notwendig, die an verschiedene interne Schaltungen angelegte Spannung auf einem konstanten Pegel zu halten, so dass der Betrieb der entsprechenden Schaltung nicht nachteilig beeinflusst wird. Ein DC-DC-Spannungswandler stellt diese Funktionalität in hinreichender Weise bereit. Der DC-DC-Spannungswandler beinhaltet einen Induktor, durch den ein Strom hindurchfließt. Die wirksame Abtastung des Nulldurchgangs dieses Induktorstroms innerhalb des DC-DC-Wandlers ist ein wichtiges Merkmal für synchrone DC-DC-Wandler.
Die Detektion des Nulldurchgangs des Induktorstroms ist ein kritischer Faktor, den der DC-DC-Wandler zum Bestimmen eines Ein/Aus-Zustands des niederspannungsseitigen Schalttransistors benötigt, um Energie zu sparen und um die allgemeine Effizienz am DC-DC-Wandler zu verbessern. Durch Verbesserung der Effizienz ist es möglich, die Lebensdauer der Batterie der zugehörigen elektrischen Schaltung zu verlängern. In dem Stand der Technik entsprechenden Umgebungen wird der Nulldurchgang des Induktorstroms durch Spannungsabtastung am niederspannungsseitigen Schalttransistor detektiert. Im Allgemeinen wird beim Bestimmen des Nullinduktorstroms bestimmt, warm der Strom von einem bestimmten Wert auf Null abfällt. Der Induktorstrom nimmt nur ab, wenn der niederspannungsseitige Schalttransistor eingeschaltet ist. Dadurch sind traditionelle Nulldurchgangs-Abtasttechniken nur dann anwendbar, wenn sich der niederspannungsseitige Schalttransistor im eingeschalteten Zustand befindet.
Der Einsatz des niederspannungsseitigen Schalttransistors zum Bestimmen des Nullstromdurchgangs in einem Leiter bringt jedoch gewisse Einschränkungen mit sich. Eine Einschränkung entsteht, wenn die Schaltfrequenz des Schalttransistors des DC-DC-Wandlers steigt. Mit steigender Schaltfrequenz verkürzt sich der Schaltzyklus. Folglich verkleinern sich für den gleichen Arbeitszyklus sowohl die eingeschaltete Zeit als auch die Ausschaltzeit. An bestimmten Punkten ist die eingeschaltete Zeit des niederspannungsseitigen Schalttransistors so kurz, dass die Länge der Zeit, für die der Transistor eingeschaltet ist, nicht ausreicht, um einer Abtastvorrichtung zu ermöglichen, auf den eingeschalteten Zustand des niederspannungsseitigen Schalttransistors zu reagieren. Dies verursacht ein Problem, wenn der eingeschaltete Zustand des niederspannungsseitigen Schalttransistors als Anzeige des Nulldurchgangs bei der Induktorstromabtastung benutzt wird. Es besteht somit ein Bedarf, an einem verbesserten Verfahren zum Detektieren der Induktorstrom-Nulldurchgänge in einem DC-DC-Wandler.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung, wie hier offenbart und beschrieben, umfasst in einem diesbezüglichen Aspekt einen DC-DC-Wandler, der eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer PWM-Wellenform an einem Phasenknoten eines DC-DC-Wandlers enthält, die auf eine Eingangsspannung und eine überwachte Ausgangsspannung anspricht. Die Schaltungsanordnung umfasst ferner einen zwischen dem Eingangsspannungsknoten und dem Phasenknoten angeschlossenen niederspannungsseitigen Schalttransistor und einen zwischen dem Phasenknoten und Masse angeschlossenen niederspannungsseitigen Schalttransistor. Ein an die Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines PWM-Wellenformsignals am Phasenknoten angeschlossenes Ausgangsfilter beinhaltet einen Induktor, der eine an den Phasenknoten angeschlossene erste Seite und eine an den Ausgangsspannungsknoten angeschlossene zweite Seite aufweist. Die Detektions-Schaltungsanordnung detektiert den Nulldurchgang innerhalb des Induktors in Reaktion auf eine Spannung, die sowohl am hochspannungsseitigen Schalttransistor als auch am niederspannungsseitigen Schalttransistor anliegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis soll nun auf die folgende Beschreibung Bezug genommen werden, die im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen zu lesen ist, in denen:
1 ein funktionales Blockdiagramm einer Spannungsreglerschaltung ist;
2 ein schematisches Diagramm eines Spannungsreglers mit einer PWM-Wandlerschaltung ist;
3 ein schematisches Diagramm einer Schaltungsanordnung zum Detektieren eines Nullinduktorstroms innerhalb eines DC-DC-Abwärtswandlers ist; und
4 die Wellenform veranschaulicht, die mit dem Betrieb der Schaltung von 3 verbunden ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsnummern durchweg für gleiche Elemente verwendet wurden, sind die verschiedenen Ansichten und Ausführungsformen der hochspannungsseitigen Abtastung des Nullinduktorstroms für einen DC-DC-Abwärtswandler veranschaulicht und beschrieben, während andere möglichen Ausführungsformen beschrieben sind. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht gezeichnet, und in einigen Fällen wurden die Zeichnungen aus Gründen der Darstellung stellenweise übertrieben und/oder vereinfacht. Ein in der Technik bewanderter Fachmann wird anhand der folgenden Beispiele möglicher Ausführungsformen viele Anwendungs- und Variationsmöglichkeiten erkennen. Obwohl die bevorzugte Ausführungsform im Detail beschrieben wurde, versteht sich, dass verschiedene Änderungen, Substitutionen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Geltungsbereich der Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen definiert, abzuweichen.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, insbesondere auf 1, wird eine Spannungsreglerschaltung 102 veranschaulicht. Jede elektronische Schaltung ist ausgelegt, von einer Spannungsquelle betrieben zu werden, von der vorausgesetzt wird, dass sie konstant ist. Ein Spannungsregler stellt diese konstante DC-Ausgangsspannung bereit und enthält Schaltungen, die die Ausgangsspannung kontinuierlich auf dem vorgesehenen Wert halten, ungeachtet der Veränderungen im Laststrom oder der Eingangsspannung. Ein Spannungsregler bedient sich einer spannungsgeregelten Strom-/Spannungsquelle 104, um eine Festspannung zu erzwingen, an der Reglerausgangsklemme 106 zu erscheinen. Eine Abtastungs-/Steuerschaltung 110 überwacht die Ausgangsspannung und gleicht die Stromquelle 104 an, um die Ausgangsspannung auf dem gewünschten Pegel zu halten. Die Design-Grenze der Stromquelle 104 definiert den maximalen Laststrom, den der Spannungsregler 102 entnehmen kann und der ihn befähigt, die Regulierung der Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.
Die Ausgangsspannung wird anhand einer Rückkopplungsschleife gesteuert, die eine bestimmte Kompensation erfordert, um Schleifenstabilität zu gewährleisten. Die meisten Spannungsregler haben eine eingebaute Kompensation und sind vollkommen stabil ohne externe Komponenten. Einige Regler benötigen eine externe Kapazitanz, die zwischen Ausgangsleitung und Masse angeschlossen ist, um die Stabilität des Reglers sicherzustellen. Ein weiteres Merkmal eines Spannungsreglers besteht darin, dass er eine endliche Menge Zeit benötigt, um die Ausgangsspannung nach einer Änderung im Laststrombedarf zu korrigieren. Die Zeitverzögerung definiert die charakteristische transiente Antwort des Spannungsreglers und ist ein Maß dafür, wie schnell der Spannungsregler nach einer Laständerung in den eingeschwungenen Zustand zurückkehrt. Spannungsregulierung kann in allen möglichen elektronischen Vorrichtungen dazu verwendet werden, eine Ausgangsspannung zu steuern.
Bezug nehmend auf 2 wird ein Spannungsregler innerhalb einer PWM DC-DC-Wandlerschaltung 202 veranschaulicht. Die Ausgangsspannung VOUT wird auf das Bezugsspannungssignal VREF eingeregelt, das an einen positiven Eingang von Fehlerverstärker 204 angelegt ist. Der Ausgang des Fehlerverstärkers 204 wird mit dem Ausgang von Oszillator 206 verglichen, der eine dreieckige Wellenform am PWM-Komparator 208 erzeugt. Der Ausgang des PWM-Komparators 208 wird an die Treiberschaltungen 210 und 212 angelegt, die die Gates des hochspannungsseitigen Schalttransistors 214 und des niederspannungsseitigen Schalttransistors 216 treiben. Dieser Prozess stellt eine impulsbreitenmodulierte Wellenform mit einer Amplitude von VIN an einem Phasenknoten 218 bereit, der an eine erste Seite von Induktor 220 angeschlossen ist. Die von Phasenknoten 218 bereitgestellte PWM-Wellenform wird von einem Ausgangsfilter, bestehend aus Induktor 220 und Kondensator 222, geglättet. Der Fehlerverstärker 204 weist eine Eingangsimpedanz ZIN 224 und eine FB (Feedback) Stiftimpedanz ZFB 226 auf. Die Eingangsimpedanz 224 und die FB Stiftimpedanz 226 stellen eine Kompensationsschleife für den Fehlerverstärker 204 dar.
Bezug nehmend auf 3 wird ein schematisches Diagramm der Schaltungsanordnung zum Detektieren der Induktorstrom-Nulldurchgänge veranschaulicht, wobei der hochspannungsseitige Schalttransistor 214 und der niederspannungsseitige Schalttransistor 216 zum Einsatz kommen, wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben. Der hochspannungsseitige Schalttransistor 214 ist zwischen dem Eingangsspannungsknoten PVIN und dem Phasenknoten 218 angeschlossen. Wie oben in 2 veranschaulicht, ist der Phasenknoten 218 der Knoten, der an den Induktor 220 angeschlossen ist, durch den der Nulldurchgang des Induktorstroms zu detektieren ist. Der niederspannungsseitige Schalttransistor 216 ist zwischen dem Phasenknoten 218 und Masse angeschlossen. Die Eingänge eines ersten Komparators 308 sind an den Phasenknoten 218 bzw. an Masse angeschlossen. Dadurch ist es möglich, die am niederspannungsseitigen Schalttransistor anliegende Spannung zu detektieren, um seinen eingeschalteten/ausgeschalteten Zustand zu bestimmen. Der Ausgang von Komparator 308 ist an einen ersten Eingang von ODER-Gate 310 angeschlossen. Die Eingänge eines zweiten Komparators 312 sind an den Eingangsspannungsknoten PVIN und an den Phasenknoten 218 angeschlossen. Dadurch ist es möglich, die Spannung am hochspannungsseitigen Schalttransistor zu detektieren, um seinen eingeschalteten/ausgeschalteten Zustand zu bestimmen. Der Ausgang von ODER-Gate 310 ist an einen Zähler 311 angeschlossen. Der Zähler zählt die Anzahl der Taktzyklen, für die das Ausgangssignal hoch geht. Wenn der Zähler 311 acht Taktzyklen für ein hohes Ausgangssignal zählt, bedeutet dies, dass entweder COMP1 oder COMP2 Nulldurchgänge für acht kontinuierliche Taktzyklen detektiert hat, wodurch die Impulsfrequenzmodulation (PFM Steuermodus) eingeleitet wird. Somit wird das Ausgangssignal im PWM-Modus (CCM Modus) dazu benutzt, den PFM-Steuermodus einzuleiten. Der Ausgang von Komparator 312 ist an einen zweiten Eingang von ODER-Gate 310 angeschlossen.
Je höher die Arbeitszyklen oder die Schaltfrequenz des DC-DC-Wandlers, umso schmaler ist die Impulsbreite, die am niederspannungsseitigen Schalttransistor 216 bereitgestellt wird. Komparator 308 ist angeschlossen, um die Spannung am niederspannungsseitigen Schalttransistor 216 zwischen Phasenknoten 218 und Masse zu überwachen. Wenn der Induktorstrom Null erreicht oder unter Null abfällt, während der niederspannungsseitige Schalttransistor eingeschaltet ist, ist die Spannung am Phasenknoten 218 gleich oder höher als die Erdungsspannung PGND am Erdungsknoten. Wenn dieser Zustand eintritt, geht der Ausgang von Komparator 308 auf einen logischen hohen Pegel (”eins”), weil der Wert der Spannung am Phasenknoten VPHS minus der Spannung PGND am Erdungsknoten von einem negativen Wert in einen positiven Wert übergeht. Auf diese Weise wird ein Nulldurchgang eines Induktorstroms detektiert.
Jeder Komparator, wie zum Beispiel Komparator 308, hat jedoch Geschwindigkeitsbegrenzungen und benötigt eine bestimmte Menge Zeit, bis er am Ausgang auf Änderungen innerhalb der an die Eingänge von Komparator 308 angelegte Eingangsdifferenz reagieren kann. Mit steigender Schaltfrequenz oder steigendem Arbeitszyklus des DC-DC-Wandlers (d. h. VOUT ist dicht an VIN) wird die eingeschaltete Zeit des niederspannungsseitigen Schalttransistors 216 kürzer und kürzer. Je höher der Arbeitszyklus/die Schaltfrequenz des DC-DC-Wandlers, je schmaler wird die an die Schalttransistoren angelegte Impulsbreite. An einem bestimmten Punkt hat der Komparator 308 keine Zeit mehr, auf Spannungsänderungen am niederspannungsseitigen Schalttransistor 216 zu reagieren, weil die eingeschaltete Zeit von Transistor 216 zu kurz ist. Wenn die eingeschaltete Zeit des niederspannungsseitigen Schalttransistors 216 kürzer als die Reaktionszeit von Komparator 308 ist, erfolgt keine Detektion der Spannungsänderung am Transistor 216 durch Komparator 308. Dieser Mangel kann jedoch dadurch bewältigt werden, dass die Spannung am hochspannungsseitigen Schalttransistor 214 mit Hilfe eines zweiten Komparators 312 überwacht wird.
Wenn die Reaktionszeit von Komparator 308 nicht ausreicht, um die eingeschaltete Zeit des niederspannungsseitigen Schalttransistors 216 zu detektieren, kann der Nullstromdurchgang innerhalb Induktor 220 nicht detektiert werden, und der DC-DC-Wandler kann nicht vom PWM-Modus (Impulsbreitenmodulation) in den PFM-Modus (Impulsfrequenzmodulation) übergehen, auch wenn der Laststrom Null erreicht. Die Hinzufügung von Komparator 312 und ODER-Gate 310 ermöglicht die Bewältigung dieses Problems. Komparator 312 ermöglicht auch die Detektion des Nulldurchgangspunktes des Induktorstroms während der eingeschalteten Zeit des hochspannungsseitigen Schalttransistors 214. Wenn der Induktorstrom gleich Null oder negativ ist, ist die Phasenspannung VPHS an Knoten 218 gleich oder höher als die Eingangsspannung PVIN, und der Ausgang von Komparator 312 steigt auf einen logischen hohen Pegel („eins”), weil sich die Phasenknotenspannung VPHS minus der Eingangsknotenspannung VPVIN von negativ zu positiv ändert. Dadurch kann der Nulldurchgang des Induktorstroms innerhalb Induktor 220 während der eingeschalteten Zeit des hochspannungsseitigen Schalttransistors 214 detektiert werden.
Die Ausgänge von Komparator 312 and Komparator 308 werden von ODER-Gate 310 durch ein logisches ODER miteinander verknüpft, um einen Induktorstrom-Nulldurchgangspegeldetektor zu erzeugen, der Nulldurchgangswerte über einen breiteren Frequenz- und Arbeitszyklusbereich misst, als durch Überwachung des niederspannungsseitigen Schalttransistors 216 durch Komparator 308 möglich ist. Somit könnte eine Anzeige des Nullstromdurchgangs innerhalb des Induktors, die durch die Spannung an entweder dem hochspannungsseitigen Schalttransistor 214 oder dem niederspannungsseitigen Schalttransistor 216 angezeigt wird, verursachen, dass der Ausgang des ODER-Gate 310 ausgelöst wird und die Detektion des Nullstromdurchgangs anzeigt. Wenn der Arbeitszyklus des DC-DC-Wandlers hoch ist und Komparator 308 nicht genügend Reaktionszeit hat, um auf Spannungsänderungen am Transistor 216 anzusprechen, gibt die längere eingeschaltete Zeit des hochspannungsseitigen Schalttransistors 214 aufgrund seiner festen Schaltfrequenz dem Komparator 312 genügend Zeit, Spannungsänderungen zu detektieren und auf Induktorstrom-Nulldurchgänge anzusprechen. Gleiche Bedingungen sind vorhanden, wenn der Arbeitszyklus einen sehr niedrigen Pegel aufweist und Komparator 312 mehr Zeit hat, Induktorstrom-Nulldurchgänge zu detektieren. Wie an früherer Stelle beschrieben, wenn der Ausgang des ODER-Gate 310 dazu bestimmt wurde, Nulldurchgänge für acht kontinuierliche Taktzyklen durch Zähler 311 zu detektieren, wird dies dazu benutzt, den PFM-Steuermodus innerhalb der Umschalt-Steuerschaltungen des mit dem Regler verbundenen PWM-Controllers einzuleiten. Komparator 312 und Komparator 308 sind nie zur gleichen Zeit eingeschaltet. Komparator 312 ist nach Einschalten des hochspannungsseitigen Schalttransistors eingeschaltet, während Komparator 308 nach Einschalten des niederspannungsseitigen Schalttransistors eingeschaltet ist. Während Komparator 308 deaktiviert ist, wird der Ausgang des Komparators zwangsweise auf einen logischen niedrigen Pegel gesenkt. Wenn Komparator 312 deaktiviert wird, geht auch sein Ausgang zwangsweise auf einen logischen niedrigen Pegel zurück. Der Ausgang von ODER Gate 310 ist an einen Zähler 311 angeschlossen. Der Zähler zählt die Anzahl der Taktzyklen, für die das Ausgangssignal hoch ist. Wenn der Zähler 311 acht kontinuierliche Taktzyklen für das hohe Ausgangssignal überwacht, bedeutet dies, dass entweder COMP1 oder COMP2 Nulldurchgänge für acht kontinuierliche Taktzyklen detektiert hat, die die Impulsbreitenmodulation (PFM Steuermodus) einleiten. Somit wird das Ausgangssignal im PWM-Modus (CCM-Modus) dazu benutzt, den PFM-Steuermodus einzuleiten. Somit wird ein komplementäres Detektionssystem bereitgestellt.
Bezug nehmend auf 4 sind die Wellenformen der verschiedenen Signale an bestimmten Knoten innerhalb der mit Bezug auf 3 beschriebenen Schaltung veranschaulicht. Die Wellenform I_L 402 stellt den Induktorstrom durch den Induktor 220 eines DC-DC-Wandlers dar. Der durch den Leiter fließende Strom ist durch eine sägezahnartige Wellenform dargestellt, die einen allgemein durch eine gestrichelte Linie 404 angedeuteten Nullampere-Induktorstrom über- und unterschreitet. Der Induktorstrom steigt zwischen Zeit T₁ eins und Zeit T₂ und fällt zwischen Zeit T₂ und Zeit T₃. Dieses Muster wiederholt sich innerhalb der ganzen Wellenform 402. Ein Nulldurchgang des Induktorstroms ist allgemein bei 406 angedeutet. Natürlich sind noch zahlreiche andere Fälle von Nulldurchgangen innerhalb der Wellenform vorhanden.
Die Phasenknoten-Spannungswellenform VPHS ist allgemein durch Wellenform 408 dargestellt. Zusätzlich dargestellt mit Bezug auf diese Wellenform sind die Eingangsspannung, die als beständige Spannung VPVIN 410 angedeutet ist, und die Erdungsspannung, die durch PGND 412 dargestellt ist. Die Spannung am Phasenknoten 218 nimmt ab zwischen Zeit T₁ und Zeit T₂. Bei Zeit T₂ fällt die Spannung unter PGND 412 ab. Die Spannung am Phasenknoten 420 steigt nun ab Zeit T₂ bis zu Zeit T₃. Dieser Prozess wiederholt sich.
Die Ausgangsspannung von Komparator 308 ist durch die Spannungswellenform 414 dargestellt. Der Ausgang von Komparator 308 geht hoch jedes Mal, wenn Induktorstrom zu den Zeiten T₁, T₃, usw. Null durchläuft. Der Ausgang von Komparator 312 ist allgemein durch Wellenform 416 dargestellt. Dieser Impuls überwacht die Spannung am hochspannungsseitigen Schalttransistor und liefert eine Anzeige, wenn die Phasenspannung VPHS gleich oder höher als die Eingangsspannung VPVIN ist. Der allgemein durch Wellenform 420 dargestellte ODER-Gate-Ausgang liefert einen breiteren Impuls, wenn beide Ausgänge der Komparatoren 308 und 312 in Reaktion auf einen Nullstromdurchgang hoch gegangen sind, oder registriert zusätzlich einen schmaleren Impuls in Reaktion auf den Ausgang von Komparator 312, wenn nur Komparator 312 den Nullstromdurchgang detektieren kann, weil die Frequenz/der Arbeitszyklus des DC-DC-Spannungswandlers zu hoch ist. Folglich gibt es bei Einsatz des oben beschriebenen Systems und Verfahrens keine Arbeitszyklusbegrenzungen für die Schaltungsanordnung verglichen mit Implementierungen nach dem Stand der Technik. Die Schaltungsanordnung kann einen echten 100%-igen Arbeitszyklusübergang von PWM zu PFM erzielen.
Ein in der Technik bewanderter Fachmann wird anhand dieser Offenbarung erkennen, dass diese hochspannungsseitige Abtastung des Nullinduktorstroms für den DC-DC-Abwärtswandler einen verbesserten Detektor für den Induktorstrom-Nulldurchgang bereitstellt. Es versteht sich, dass die Zeichnungen und diese ausführliche Beschreibung in veranschaulichender und nicht restriktiver Weise zu verstehen sind, und dass nicht beabsichtigt ist, sie auf die hier offenbarten Ausführungsformen und Beispiele zu beschränken. Im Gegenteil, jegliche weiteren Modifikationen, Änderungen, Umstellungen, Substitutionen, Alternativen, Designwahlen und für den Fachmann augenscheinliche Ausführungsformen sind eingeschlossen, ohne vom Sinn und Geltungsbereich derselben, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, abzuweichen. Es ist somit beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche als alle derartigen weiteren Modifikationen, Änderungen, Umstellungen, Substitutionen, Alternativen, Designwahlen und Ausführungsformen beinhaltend zu verstehen sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Eine DC-DC-Wandler-Schaltung umfasst eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines PWM-Wellenformsignals an einem Phasenknoten eines DC-DC-Wandlers in Reaktion auf eine Eingangsspannung und eine überwachte Ausgangsspannung. Die Schaltungsanordnung beinhaltet ferner einen zwischen dem Eingangsspannungsknoten und einem Phasenknoten angeschlossenen hochspannungsseitigen Schalttransistor und einen zwischen dem Phasenknoten und Masse angeschlossenen niederspannungsseitigen Schalttransistor. Zum Erzeugen des PWM-Wellenformsignals ist ein Ausgangsfilter an die Schaltungsanordnung angeschlossen. Das Ausgangsfilter beinhaltet einen Induktor, dessen erste Seite an den Phasenknoten und dessen zweite Seite an einen Ausgangsspannungsknoten angeschlossen ist. Eine Detektionsschaltungsanordnung detektiert Nullstromdurchgänge im Induktor in Reaktion auf eine am hochspannungsseitigen Schalttransistor anliegende Spannung und eine am niederspannungsseitigen Schalttransistor anliegende Spannung.

Claims

DC-DC-Wandler-Schaltung, enthaltend: eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines PWM-Wellenformsignals an einem Phasenknoten des DC-DC-Wandlers in Reaktion auf eine Eingangsspannung und eine überwachte Ausgangsspannung, wobei Schaltungsanordnung ferner einen zwischen dem Eingangsspannungsknoten und dem Phasenknoten angeschlossenen hochspannungsseitigen Schalttransistor und einen zwischen dem Phasenknoten und Masse angeschlossenen niederspannungsseitigen Schalttransistor aufweist; ein an die Schaltungsanordnung angeschlossenes Ausgangsfilter zum Erzeugen des PWM-Wellenformsignals, wobei das Ausgangsfilter einen Induktor beinhaltet, der eine an den Phasenknoten angeschlossene erste Seite und eine an den Ausgangsspannungsknoten angeschlossene zweite Seite aufweist; und eine Detektionsschaltungsanordnung zum Detektieren von Nullstromdurchgängen im Induktor in Reaktion auf eine Spannung am hochspannungsseitigen Schalttransistor und eine Spannung am niederspannungsseitigen Schalttransistor.
DC-DC-Wandler-Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Detektion der Nullstromdurchgänge im Induktor dem DC-DC-Wandler ermöglichen, von einem PWM-Modus in einen PFM-Modus überzugehen.
DC-DC-Wandler-Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Detektionsschaltungsanordnung ferner enthält: einen ersten Komparator zum Vergleichen einer ersten Spannung am Phasenknoten mit einer zweiten Spannung an Masse und Erzeugen eines darauf ansprechenden ersten Ausgangs; einen zweiten Komparator zum Vergleichen der ersten Spannung am Phasenknoten mit einer dritten Spannung an einem Eingangsspannungsknoten und Erzeugen eines darauf ansprechenden zweiten Ausgangs; and ein logisches ODER-Gate, das angeschlossen ist, den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang zu empfangen und einen darauf ansprechenden dritten Ausgang zu erzeugen, wobei der dritte Ausgang dien Nullstromdurchgänge im Induktor anzeigt.
DC-DC-Wandler-Schaltung nach Anspruch 3, wobei der erste Komparator, der den ersten Ausgang mit einem ersten logischen Pegel bereitstellt, auf eine Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten von einem negativen auf einen positiven Wert steigenden Spannung anspricht, und wobei ferner der zweite Komparator, der den zweiten Ausgang mit dem ersten logischen Pegel bereitstellt, auf eine Differenz zwischen der ersten Spannung und der dritten von einem negativen auf einen positiven Wert steigenden Spannung anspricht.
DC-DC-Wandler-Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Detektionsschaltungsanordnung die Nullstromdurchgänge im Induktor detektieren kann, wenn die Betriebsfrequenz des DC-DC-Wandlers in einem Frequenzbereich liegt, in dem die Einschaltzeit des niederspannungsseitigen Schalttransistors zu kurz ist, um dem ersten Komparator zu ermöglichen, die Nullstromdurchgänge im Induktor zu detektieren.
DC-DC-Wandler-Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Detektionsschaltungsanordnung die Nullstromdurchgänge im Induktor anhand der Einschaltzeit des hochspannungsseitigen Schalttransistors in einem Frequenzbereich detektiert, in dem die Einschaltzeit des niederspannungsseitigen Schalttransistors zu kurz ist, um dem ersten Komparator zu ermöglichen, die Nullstromdurchgänge im Induktor zu detektieren.
Detektionsschaltungsanordnung zum Detektieren von Nullstromdurchgängen durch einen Induktor einer DC-DC-Wandler-Schaltung, enthaltend: einen ersten Komparator zum Detektieren einer Einschaltzeit des niederspannungsseitigen Schalttransistors durch Vergleichen einer ersten Spannung am Phasenknoten mit einer zweiten Spannung an einem Erdungsknoten und Erzeugen eines ersten darauf ansprechenden Ausgangs; einen zweiten Komparator zum Detektieren einer Einschaltzeit eines hochspannungsseitigen Schalttransistors durch Vergleichen der ersten Spannung am Phasenknoten mit einer dritten Spannung an einem Eingangsspannungsknoten und Erzeugen eines zweiten darauf ansprechenden Ausgangs; und ein logisches ODER-Gate, das angeschlossen ist, um den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang zu empfangen und einen darauf ansprechenden dritten Ausgang zu erzeugen, wobei der dritte Ausgang die Nullstromdurchgänge im Induktor anzeigt.
Detektionsschaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die Detektion der Nullstromdurchgänge im Induktor dem DC-DC-Wandler ermöglicht, von einem PWM-Modus in einen PFM-Modus überzugehen.
Detektionsschaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei der erste Komparator, der den ersten Ausgang mit einem ersten logischen Pegel bereitstellt, auf eine Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten von einem negativen in einen positiven Wert übergehenden Spannung anspricht, und wobei ferner der zweite Komparator, der den zweiten Ausgang mit dem ersten logischen Pegel bereitstellt, auf eine Differenz zwischen der ersten Spannung und der dritten von einem negativen in einen positiven Wert übergehenden Spannung anspricht.
Detektionsschaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die Detektionsschaltungsanordnung die Nullstromdurchgänge im Induktor detektieren kann, wenn die Betriebsfrequenz des DC-DC-Wandlers in einem Frequenzbereich liegt, in dem eine Einschaltzeit des niederspannungsseitigen Schalttransistors zu kurz ist, um dem ersten Komparator zu ermöglichen, die Nullstromdurchgänge im Induktor zu detektieren.
DC-DC-Wandler-Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Detektionsschaltungsanordnung die Nullstromdurchgänge im Induktor anhand der Einschaltzeit des hochspannungsseitigen Schalttransistors in einem Frequenzbereich detektiert, in dem eine Einschaltzeit des niederspannungsseitigen Schalttransistors zu kurz ist, um dem ersten Komparator zu ermöglichen, die Nullstromdurchgänge im Induktor zu detektieren.
Verfahren zum Detektieren von Nullstromdurchgängen innerhalb einer DC-DC-Wandler-Schaltung, umfassend folgende Schritte: Erzeugen eines PWM-Wellenformsignals an einem Phasenknoten des DC-DC-Wandlers reagierend auf eine Eingangsspannung und eine überwachte Ausgangsspannung; Filtern des PWM-Wellenformsignals durch ein Ausgangsfilter mit einem Induktor, um eine Ausgangsspannung zu generieren; Detektieren der Nullstromdurchgänge im Induktor in Reaktion auf eine sowohl an einem hochspannungsseitigen Schalttransistor als auch an einem niederspannungsseitigen Schalttransistor anliegende Spannung.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Detektierens ferner folgende Schritte umfasst: Detektieren eines Einschaltzustands des niederspannungsseitigen Schalttransistors; Detektieren eines Einschaltzustands des hochspannungsseitigen Schalttransistors; und Erzeugen einer Anzeige des Nullstromdurchgangs in Reaktion auf die Detektion des Einschaltzustands des niederspannungsseitigen Schalttransistor und des Einschaltzustands mindestens eines hochspannungsseitigen Schalttransistors.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend den Schritt des Umschaltens des DC-DC-Wandlers von einem PWM-Modus in einen PFM-Modus reagierend auf die Detektion der Nullstromdurchgänge im Induktor.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Detektierens ferner folgende Schritte umfasst: Vergleichen einer ersten Spannung an einem Phasenknoten auf einer ersten Seite des niederspannungsseitigen Schalttransistors mit einer zweiten Spannung an einem Erdungsknoten auf einer zweiten Seite des niederspannungsseitigen Schalttransistors; Erzeugen eines ersten Ausgangs reagierend auf den Vergleich der ersten Spannung mit der zweiten Spannung; Vergleichen der ersten Spannung an einem Phasenknoten auf einer ersten Seite des hochspannungsseitigen Schalttransistors mit einer dritten Spannung an einem Eingangsspannungsknoten auf einer zweiten Seite des hochspannungsseitigen Schalttransistors; und Erzeugen eines zweiten Ausgangs in Reaktion auf den Vergleich der ersten Spannung mit der dritten Spannung; and Verknüpfen des ersten Ausgangs und des zweiten Ausgangs durch ein logisches ODER, um einen dritten Ausgang zu erzeugen, wobei der dritte Ausgang die Nullstromdurchgänge im Induktor anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Erzeugens des ersten Ausgangs den Schritt des Erzeugens des ersten Ausgangs mit einem ersten logischen Pegel in Reaktion auf eine Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten von einem negativen Wert in einen positiven Wert übergehenden Spannung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Erzeugens des zweiten Ausgangs ferner den Schritt des Erzeugens des zweiten Ausgangs mit einem ersten logischen Pegel in Reaktion auf eine Differenz zwischen der ersten Spannung und der dritten von einem negativen Wert in einen positiven Wert übergehenden Spannung umfasst.