DE112012005179B4

DE112012005179B4 - Pulsweitenmodulator auf Rtwo-Basis

Info

Publication number: DE112012005179B4
Application number: DE112012005179.3T
Authority: DE
Inventors: Stephen Beccue; Andrey Martchovsky
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2016-01-14
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: DE112012005179T5; US8487710B2; WO2013090203A3; CN103988407B; CN103988407A; US20130147569A1; WO2013090203A2

Abstract

Pulsweitenmodulator, umfassend: einen ersten Wanderwellen-Drehoszillator (202) (Rotary Traveling Wave Oscillator), der auf einer vorbestimmten Frequenz schwingt und ein Oszillator-Signal an einer ersten Ausgangsanzapfung und eine Rückkopplungsanzapfung mit einer ersten Phase aufweist; einen zweiten Wanderwellen-Drehoszillator (204), der auf einer zweiten Frequenz schwingt und ein Oszillator-Signal an einer zweiten Ausgangsanzapfung und eine Rückkopplungsanzapfung mit einer zweiten Phase aufweist; eine spannungsgesteuerte Kapazitätsvorrichtung (Voltage-Controlled Capacitance Device), die ein Spannungssteuersignal empfängt das die Kapazität der Vorrichtung ändert, wobei die Vorrichtung mit dem zweiten Drehwanderwellenoszillator verbunden ist, so dass die Kapazität der Vorrichtung die Frequenz und Phase des zweiten Oszillators beeinflusst; einen Phasendetektor (214) (Phase Detector), der an die Rückkopplungs-Anzapfungen an dem ersten (202) und zweiten Wanderwellen-Drehoszillator (204) gekoppelt ist, um eine Differenz zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase zu bestimmen; einen Zeit-Spannungs-Wandler (216) (Time-To-Voltage Converter), der eine Differenz von dem Phasendetektor (214) in eine Spannung umwandelt; einen Regelabweichungs-Verstärker (218) (Error Amplifier) der die Ausgangsspannung des Zeit-Spannungs-Wandlers (216) und eine externe Eingangsspannung (224) empfängt, um ein Regeldifferenzsignal zu erzeugen; ein Tiefpassfilter (220) (Low Pass Filter), welches das Regeldifferenzsignal von dem Regelabweichungs-Verstärker (218) filtert, um das Spannungssteuersignal zu erzeugen, das dahin tendiert, die zweite Frequenz im wesentlichen gleich der vorbestimmten Frequenz zu machen und die zweite Phase einstellbar von der ersten Phase verschoben zu machen; und eine Pulsweitenvorrichtung (228) (Pulse Width Device), die das Oszillatorsignal an der ersten Ausgangsabzapfung und das Oszillatorsignal an der zweiten Ausgangsanzapfung kombiniert, um einen Puls zu bilden, dessen Weite eine Funktion der Eingangsspannung ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Pulsweitenmodulatoren und insbesondere auf Pulsweitenmodulatoren, bei denen mindestens ein Wanderwellen-Drehoszillator eingesetzt wird.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Gleichspannungswandler enthalten üblicherweise einen Schalttransistor, der mit einem Filterkreis und einem Regelkreis verbunden ist. 1A zeigt eine einfache Wandlerkonfiguration 100. Der Wandler enthält einen Schalttransistor 102, eine Diode 104, eine Drossel 106 und einen Kondensator 108. Der Schalttransistor 102 ist zwischen der Primärenergiequelle 110, zum Beispiel einer Batterie, und einem Tiefpassfilterkreis 112, der durch die Drossel 106 und den Kondensator 108 gebildet wird, verbunden wie dargestellt. Bei dieser Art von Wandler fungiert die Drossel 106 auch als Energiespeicherelement. Der Kondensator 108 ist parallel zur Last 112 gelegt und dient dazu, Spannungsvariationen (Spannungsrestwelligkeit) an der Last 112 auszufiltern, die anderenfalls auftreten würden. Üblicherweise ist eine Diode 104 parallel zu dem Filterkreis 113 gelegt und der Regelkreis 114 ist mit dem Ausgang und dem Schalttransistor 102 verbunden.
Ein solcher Wandler arbeitet mit mindestens zwei Phasen, die durch den Schaltzustand des Schalttransistors 102 definiert festgelegt werden. Während einer ersten Phase, wenn der Schalttransistor 102 eingeschaltet ist, wird Energie aus einer Primärenergiequelle 110, zum Beispiel einer Batterie, an ein Speicherelement 106 und in diesem bestimmten Fall an den Kondensator 108 und die Last 112 übertragen. Während einer zweiten Phase, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, wird Energie aus dem Speicherelement 106 an den Kondensator 108 und die Last 112 übertragen, und die Diode 104 funktioniert dahingehend, dass sie die Kontinuität des Stromes aufrecht erhält.
Der Regelkreis 114 des Wandlers 100 hat zwei wichtige Aufgaben. Er muss die Spannung vl 118 an der Last 112 überwachen, und er muss die überwachte Spannung mit einer Referenzspannung vergleichen. Ein solcher Vergleich liefert als Ausgangsgröße eine Steuerspannung vc. Auf der Basis des Regelkreis-internen Vergleichssignals vc muss der Regelkreis ein Schaltsteuersignal d 116 bilden, das die Ein- und Ausschaltzeiten des Schalttransistors 102 während eines Schaltzyklus festlegt, um Veränderungen der Primärenergiequelle 110 oder der Last 112 zu kompensieren. Das Steuern der Ein- und Ausschaltzeiten des Schalttransistors 102 wird bei einer festen Zyklusfrequenz als Einschaltdauersteuerung bezeichnet. Ein von dem Einschaltdauersteuersignal d 116 abgeleitetes Signal treibt dann den Schalttransistor 102. Also muss der Regelkreis 114 das Vergleichssignal vc in ein Einschaltdauersteuersignal d 116 umwandeln.
Eine gängige Schaltung, die die Umwandlung des Vergleichssignals in das Einschaltdauersteuersignal (vc → d) ausführt, ist ein Pulsweitenmodulator (PWM). Der Modulator empfängt das Vergleichssignal und verändert das Einschaltdauersteuersignal, in der Regel linear, zwischen einer Mindest- und einer Höchst-Einschaltdauer. Wenn zum Beispiel das Vergleichssignal vc in einem Bereich von 1,0 bis 4,0 Volt liegt, liegt das Einschaltdauersteuersignal d im Bereich von 10% bis 95%. Ein Pulsweitenmodulator arbeitet mit einer voreingestellten Schaltfrequenz, so dass die Einschaltdauer die Höchst- bzw. Mindest-Einschaltdauer des Schalttransistors festlegt.
Üblich sind Schaltfrequenzen von 100 bis 200 kHz. Die Schaltfrequenzen bestimmen die Größe der Energiespeicherdrossel 106 und des Filterkondensators 108, die in 1A gezeigt sind. Bei 200 kHz kann eine Drossel einen Wert von 5 μH und ein Kondensator einen Wert von 2000 μF aufweisen. Bei höheren Schaltfrequenzen können die Werte und damit die Größen dieser Komponenten sehr viel kleiner werden.
Hohe Schaltfrequenzen schlagen sich jedoch in der beim Treiben des Schaltungstransistors verlorenen Leistung nieder. Zu den für Schalttransistoren üblicherweise eingesetzten Transistorarten zählen der MOSFET, der IGBT und der BJT. Wenn der Transistor ein MOSFET ist, rühren diese Leistungsverluste aus der Eingangskapazität des MOSFET her. Während des Ein- und Ausschaltens, ist die Eingangskapazität eines MOSFETs eine Kombination aus einer Gate-Source-Kapazität Cgs und einer Gate-Drain-Kapazität Cgd, die sich beide mit der jeweiligen Spannung zwischen denselben ändern, weil sich ihre Kapazität zum Teil aus den Verarmungsschichten in dem Transistor ableitet. Die größte Variation der Kapazität rührt aus Cgd her, die als Funktion der Drain-Gate-Spannung V_DG (≈ V_DS) um einen Faktor von 10 bis 100 variieren kann. Das Laden und Entladen dieser Kapazitäten verursacht einen Energieverlust in dem Wandler gemäß der Beziehung CV²f, wobei V die Ausgangsspannung des Treibers und f die Schaltfrequenz ist, und C die Kombination der Kapazitäten Cgs und Cgd bei deren Spannungen zwischen denselben. Die Werte könnten für Cgs etwa bei 1000 pF und für Cgd etwa bei 150 pF bis 1500 pF liegen. Wenn die Schaltfrequenz etwa 200 kHz beträgt, dann beträgt der Leistungsverlust beim Laden und Entladen der Kapazität eines einzelnen Schalttransistors etwa 6 bis 12 Milliwatt (bei einem angenommenen Spannungshub von 5 Volt). Die durch das Schalten bedingten Verluste steigen linear mit der Betriebsfrequenz an und wirken sich bei niedrigen Lastströmen auf den Wirkungsgrad des Wandlers aus.
Wie oben erwähnt, wird in Kombination mit dem Schalttransistor eine Diode verwendet, um die Stromkontinuität in dem Wandler aufrechtzuerhalten. Dioden tragen jedoch ebenfalls zu Leistungsverlusten bei und senken somit den Wirkungsgrad des Wandlers. Wenn zum Beispiel der Spannungsabfall über eine Diode etwa 1 Volt beträgt, bei einem durch diese hindurchfließenden Strom von 5 A, dann beträgt der Verlust 5 Watt. Dies ist bei geringen Lasten ein schwerwiegendes Problem, da der Leistungsverlust in der Diode einen großen Teil der, der Last zugeführten Leistung ausmachen kann, was zu einem niedrigen Wirkungsgrad führt. Es ist daher üblich, die Diode durch einen Synchrongleichrichter zu ersetzen. Dies ist in 1B gezeigt, in der ein Transistor 152 die Diode 104 in 1A ersetzt und über d2 156 an den Regelkreis 154 gekoppelt ist. Wenn der Schalttransistor 102 ausgeschaltet ist, schaltet der Regelkreis 154 den Synchrongleichrichter 152 ein, um die Kontinuität des Stromes in der Schaltung aufrechtzuerhalten. Die Synchrongleichrichteranordnung verringert die Leistung beträchtlich, die in der Diode abgeführt worden wäre, da der Ein-Widerstand des Transistors 152 sehr klein sein kann. Der Ein-Widerstand r_DS(on) des Transistors 152 reicht von 0,01 bis 0,1 Ohm. Der zusätzliche Transistor 152 verursacht aber auch einen frequenzabhängigen Leistungsverlust, da der Regelkreis 154 die Eingangskapazität des Transistors 152 laden und entladen muss.
Wie auch oben erwähnt, arbeiten viele Wandler mit zwei Phasen. Zusätzliche Phasen können die Wandler auf mindestens drei Arten verbessern. Erstens können die zusätzlichen Phasen die Zeit verkürzen, die nötig ist, um die Last nach Eintreten einer bedeutenden Änderung der Last wieder in den geregelten Zustand zu bringen. Statt mehrere Schaltzyklen abzuwarten, muss der Wandler nur die zusätzlichen Phasen abwarten. Zweitens können zusätzliche Phasen ein Kombinieren mehrerer Wandler ermöglichen, so dass höhere Ausgangsströme möglich sind, als von einem einzelnen Wandler erhalten werden können. Drittens neigt die Ausgangswelligkeit in einem Mehrphasenwandler dazu, kleiner zu sein, was einen solchen Wandler für eine breitere Vielfalt von Anwendungen geeignet macht. Jedoch erfordert jede weitere Phase mindestens einen zusätzlichen Schalter, wodurch wiederum die Verlustleistung CV²f zunimmt.
Angesichts der obigen Betrachtungen, wäre es wünschenswert, einen Leistungswandler mit sehr hohen Frequenzen zu haben, der synchron geschaltet und mit mehreren Phasen arbeitet.
Die US 20040135560 A1 zeigt ein Schaltnetzteil für die gleichzeitige Regelung des Betriebs einer Mehrzahl von Leistungswandlern unterschiedlicher Typen. Das Schaltnetzteil beinhaltet einen Ringoszillator mit einer Schaltmatrix, die Signale für die Erzeugung eines PWM-Signals zur Steuerung eines Spulenstromes für einen Mikrokontroller bereitstellt. Der Mikrokontroller ermittelt die Spannung am Ausgangskondensator und stellt einen Steuerstrom bereit. Über diesen Strom wird eine Spannung an dem Ausgangskondensator und somit für den Ausgang des Schaltnetzteils bereitgestellt. Der Schaltkreis des Schaltnetzteils kann den Spannungspegel verschiedener Spannungsversorger steuern. Dies ist realisiert durch verschiedene Abgriffe am Ringoszillator. Die verschiedenen Abgriffe ermöglichen das Bereitstellen von unterschiedlichen Signalen zur Erzeugung des PWM-Signal zur Anpassung der gewünschten Ausgangsspannung. Der Mikrokontroller ermöglicht die Einstellung von einer oder mehreren Ausgangsspannungen. Der Ringoszillator enthält eine Vielzahl von Wechselrichtern, die in Reihe geschaltet sind. Des Weiteren zeigt US 2004/0135560 einen Phasendetektor und eine Ladungspumpe. Der Phasendetektor erhält ein Referenzsignal und ein Signal vom Frequenzteiler und ermittelt aus dem Vergleichsergebnis, dass Ansteuerungssignal für die Ladungspumpe um dann die Ausgangsspannung zu erhöhen.
D2 zeigt einen rein digitalen 4 GHz Phasenregelkreis mit geringem Phasenrauschen, mit einem eingebetteten Phasen-Digital-Wandler (PDC), wobei der Wanderwellen-Drehoszillator (RTWO) als digital kontrollierter Oszillator eingesetzt (DCO) wird. Der Wanderwellen-Drehoszillator weist eine querverschaltete Übertragungsleitung auf, welche eine geschlossene Schleife ausbildet, um das benötigte Feedback zu erhalten. Die Mehrphasen Signale des RTWO liegen auf einem Latch, getaktet durch eine Reference Clock (REF) wodurch ein Pseudo-Thermometer-Code, welcher eine verzögerungsfreie Oszillationsphase beinhaltet, erzeugt wird. Der Phasen-Digital-Wandler basiert auf Latches bestehend aus Eingangsverstärkten FlipFlops.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung ein Pulsweitenmodulator (PWM), der aus einem RTWO(Wanderwellen-Drehoszillator, engl.: Rotary Traveling Wave Oscillator)-Paar gebildet ist. Die RTWOs treiben die Schalter eines Leistungswandlers.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass CV²f-Verluste entfallen. Stattdessen entsteht ein geringer RTWO-Leistungsaufwand, da die Kapazitäten der Schalter Teil der Kapazität des RTWO werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die RTWOs bei sehr hohen Frequenzen arbeiten können, wodurch Komponenten physikalisch viel kleiner werden können.
Noch ein weiterer Vorteil ist, dass synchrone Gleichrichter unproblematisch von denselben RTWOs getrieben werden können wie die Schalter.
Noch ein weiterer Vorteil ist, dass die Phasenverschiebungen, mit denen die Synchrongleichrichter optimal zeitgesteuert werden, durch RTWO-Phaseneinstellung erzielt werden, und bei einem Treiben mittels RTWOs keine weiterer CV²f-Nachteil entsteht.
Noch ein weiterer Vorteil ist, dass Vielphasen-Leistungsversorgungen problemlos einheitliche Phasen am RTWO abgreifen können, ohne wesentliche Erhöhung des CV²f-Verlusts.
Noch ein weiterer Vorteil ist, dass die Bauelemente in Reihenschaltung arbeiten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung, der beigefügten Ansprüche und der begleitenden Zeichnungen besser verständlich werden.
Es zeigt:
1A einen herkömmlichen Abwärtswandler;
1B einen herkömmlichen Abwärtswandler mit einem Synchrongleichrichter;
2A eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2C noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2D eine Ausführung des PW-Blocks;
2E eine Ausführung der PD2-, T-V-, EA-, LPF2- und CTL-Blöcke;
3 eine konzeptionelle Version der Ausführungsform von 2C;
4A einen Leistungswandler unter Verwendung einer Ausführungsform des PWM der vorliegenden Erfindung;
4B einen Leistungswandler unter Verwendung einer Ausführungsform des PWM der vorliegenden Erfindung;
4C einen Leistungswandler unter Verwendung noch einer weiteren Ausführungsform des PWM der vorliegenden Erfindung;
4D einen Leistungswandler unter Verwendung noch einer weiteren Ausführungsform des PWM der vorliegenden Erfindung;
4E einen Leistungswandler unter Verwendung noch einer weiteren Ausführungsform des PWM der vorliegenden Erfindung; und
5 einen Mehrphasenwandler.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform 200 der vorliegenden Erfindung ist ein Pulsweitenmodulator. 2A zeigt die Anordnung von Blöcken zur Erzielung dieser Funktion. Die Anordnung umfasst einen ersten RTWO1 202 und einen zweiten RTWO2 204. Der RTWO1 202 kann frei laufen oder wahlweise mit einer Referenz wie einem Quarzoszillator 212 phasenverriegelt sein. Wenn RTWO1 202 in einem Phasenregelkreis arbeitet, sind Blöcke PD1 206, LPF1 208 und CTL1 210 enthalten. Block PD1 206 ist ein Phasendetektor, der die Phasendifferenz zwischen dem Quarzoszillatorausgang und dem RTWO1-Ausgang bestimmt. Block LPF1 208 ist ein Tiefpassfilter (engl.: Low Pass Filter), das die Ausgangsgröße des PD-Blocks mittelt. Block CTL1 210 ist ein Steuerblock (engl.: Control Block), der den RTWO1 202 so anpasst, dass dessen Frequenz und Phase mit der des Quarzoszillators 212 übereinstimmen. Der erste RTWO 202 stellt die Betriebsfrequenz des PWM ein.
Der RTWO2 204 funktioniert dahingehend, dass er eine Phase erzeugt, die um einen gesteuerten Betrag von der Phase des RTWO1 202 verschoben ist. Die Phasenverschiebung wird durch die Blöcke PD2 214, T-V 216, EA 218, LPF2 220 und CTL2 222, sowie durch Vin 224 gesteuert. Der PD2-Block 214 erfasst die Phasendifferenz zwischen den Ausgängen von RTWO1 202 und RTWO2 204. Der T-V(Zeit-Spannungs, engl.: time-to-voltage)-Block 216 wandelt die Ausgangsgröße des PD2-Blocks 214 in eine Spannung um. Der EA(Regelabweichungsverstärker, engl.: error amplifier)-Block 218 verstärkt (a) die Differenz (Verror = Vref – Vin) zwischen einer Referenzspannung Vref 226 und der Eingangsspannung Vin 224, richtig skaliert, um eine Fehlerspannung Verror zu bilden und die (b) Differenz zwischen dem Ausgangssignal des T-V-Blocks 216 und Verror 228. Der LPF2-Block 220 filtert die Ausgangsgröße des EA-Blocks 218. Der CTL2-Block 222 ändert die Phase und/oder Frequenz des RTWO2 204, so dass diese eine Verschiebung aufweist/aufweisen, die faktisch durch das Signal Verror eingestellt wird.
2E zeigt eine Ausführungsform 250 der Blöcke PD2 214, T-V 216, EA 218, LPF2 220 und CTL 222. Der PD2-Block 214 enthält das Exklusiv-ODER-Gatter (XOR) 252, dessen Aufgabe in der Schaltung im Folgenden noch näher beschrieben wird. Der T-V Block 216 enthält ein RC-Filter 254. Der EA-Block 218 enthält einen ersten Regelabweichungs-Verstärker 256 zur Verstärkung der Differenz (Verror) zwischen einem skalierten Vout und Vref, und einen zweiten Regelabweichungs-Verstärker 258 zur Verstärkung der Differenz zwischen dem Ausgang des ersten Regelabweichungs-Verstärkers 256 (Verror) und dem gefilterten Ausgang über 254 des Exklusiv-ODER-Gatters 252. Der LPF2-Block 220 ist ein herkömmliches Tiefpassfilter. In dieser Ausführungsform ist der CTL-Block 222 ein Varaktor 260, dessen Kapazität die Frequenz und Phase des RTWO2 204 in 2A verändert.
Das Exklusiv-ODER-Gatter 252 funktioniert dahingehend, dass es die Phasendifferenz zwischen den beiden RTWOs 202, 204 bestimmt. Wenn die RTWOs 202, 204 phasenjustiert sind (Null Phasendifferenz), dann ist der Ausgang des XOR-Gatters 252 nahe Null Volt, was einem Leerlaufzustand entsprechen soll. Wenn die RTWOs 202, 204 um 90 Grad außer Phase sind, dann ist die Ausgangsgröße des XOR-Gatters 252 etwa VOH/2, was einem maximalen Lastzustand entsprechen soll. Wie oben beschrieben, wird die Ausgangsgröße des XOR-Gatters 252 gefiltert und an einen ersten Eingang des zweiten Regelabweichungs-Verstärkers 258 angelegt, der die erste Eingangsgröße mit der zweiten, von dem ersten Regelabweichungs-Verstärker 256 empfangenen Eingangsgröße vergleicht. Somit erzeugt ein Spannungsfehler (Verror) 262 zwischen der Referenz 264 und dem skalierten Ausgangswert 266 einen Ausgangspuls endlicher Größe von dem XOR-Gatter 252, welches versucht, den Spannungsfehler 264 über Gegenkopplung zu beseitigen.
In dem PW-Block 228 in 2A und 2B sind ausgewählte Ausgangsanzapfungen des RTWO1 202 und RTWO2 204 kombiniert. Die Ausgangsgröße 229 des PW-Blocks 228 ist somit ein Puls, dessen Weite durch die Eingangsgröße Vin 224 moduliert wird. 2D zeigt eine Ausführungsform 270 des PW-Blocks. Statt eines einzelnen Schalttransistors werden zwei Transistoren 272, 274 in Reihe eingesetzt. Der obere Transistor in der Reihe empfängt die Ausgangsgröße des RTWO1 202. Der untere Transistor empfängt die Ausgangsgröße des RTWO2 204. Das Transistorpaar 276 weist eine Einschaltdauer auf, die die Überlappung der beiden RTWO-Ausgänge miteinander ist, wie dargestellt. Eine Alternative zu zwei Transistoren ist ein einzelner Transistor mit zwei Gates (MOSFET) oder Basen (BJT), wenngleich solche Transistoren weniger üblich sind.
2B zeigt eine alternative Konstruktion 240, in der die Phasenverschiebung digital gesteuert ist. In dieser Ausführungsform ist die Arbeitsweise des RTWO1 202 die gleiche wie in der Ausführungsform von 2A. Die Blöcke zur Steuerung der von RTWO2 abgeleiteten Phasenverschiebung sind anders. Diese Blöcke umfassen einen PD2-Block 242, einen LPF2-Block 246 einen CTL2-Block 248, einen A/D-Block 243 und einen PS(Phasenwähler, engl.: Phase Selector)-Block 247. Der PD2-Block 242 bestimmt die Phasendifferenz zwischen RTWO1 202 und RTWO2 204. Der LPF2-Block 246 empfängt die Ausgangsgröße des PD2-Blocks 242 und filtert dieses. Der CTL2-Block 248 passt die Frequenz und/oder Phase des RTWO2 204 an. Der A/D-Block 243 wandelt die Eingangsspannung in einen digitalen Wert 245 um. Der PS-Block 247 wählt eine der Phasen von RTWO2 204 entsprechend dem aus dem A/D-Block 243 erhaltenen digitalen Wert 245 aus. Somit steuert das Signal Verror die Phasenverschiebung von RTWO2 204, indem es diese in einem Phasenwähler 247 auswählt. Der PW-Block kombiniert dann die Ausgangssignale von RTWO1 und RTWO2, um den gewünschten Puls zu bilden.
2C zeigt eine einfachere Ausführungsform 300 zur digitalen Steuerung der Pulsweite, die in 3 konzeptionell dargestellt ist. Diese Ausführungsform umfasst einen A/D-Block 302, einen PS-Block 304 und einen PW-Block 306, zusammen mit einem einzelnen RTWO 308. Der A/D-Block 302 empfängt die Spannung Verror 310, um eine digitale Version [d1, d2, ..., dn] 312 der Steuerspannung zu erzeugen. Die digitale Version der Steuerspannung [d1, d2, ..., dn] 312 funktioniert dahingehend, dass sie eine von über den PS-Block 304 direkt von dem RTWO 308 abgegriffen N Phasen auswählt. Der PW-Block 306 empfängt die ausgewählte Phase 316 von dem RTWO 308, zusammen mit einer Phase von einer festen Anzapfung 314 des RTWO und funktioniert dahingehend, dass er die Phasen kombiniert, um die gewünschte Pulsweite zu bilden.
Leistungswandler-Konstruktion
4A zeigt den in einem Leistungswandler 400 verwendeten Pulsweitenmodulator. Die Eingangsspannung Vin 402 ist an die Ausgangsspannung des Wandlers 404 über einen Skalierblock 406 gekoppelt, der die Lastspannung 404 erhöhen oder verringern kann, und der Ausgang des PW-Blocks 408 ist an den Einschaltdauer-Eingang d 410 des Wandlers gekoppelt, wie gezeigt.
4B zeigt den in einem Leistungswandler mit einem Synchrongleichrichter 104 verwendeten Pulsweitenmodulator. In 4B ist ein zweiter PW-Block 452 aufgenommen, um das Einschaltdauer-Signal 454 für den Betrieb des Synchrontransistors 104 zu bilden.
4C zeigt einen in einem Leistungswandler 480 mit einem Synchrongleichrichter verwendeten Pulsweitenmodulator. In 4C betreibt der Ausgang jedes RTWO 202, 204 den Schalttransistor 102 und den Synchrongleichrichter 104 direkt, wodurch die Notwendigkeit für die PW-Blöcke entfällt.
4D zeigt einen in einem Leistungswandler 500 mit einem Synchrongleichrichter 104 verwendeten Pulsweitenmodulator. Der Pulsweitenmodulator verwendet eine digitale Auswahl 312 für die Phase auf der Basis der Fehlerspannung 310 des Regelabweichungs-Verstärkers 502 gemäß der Konstruktion in 2C. Der Regelabweichungs-Verstärker empfängt Eingangsgrößen von Vref 504 und dem Skalierer 406, um das Signal Verror 310 zu erzeugen.
4E zeigt einen in einem Leistungswandler 500 mit einem Synchrongleichrichter 104 verwendeten Pulsweitenmodulator Der Pulsweitenmodulator verwendet eine digitale Auswahl 312 für die Phase auf der Basis der Fehlerspannung 310 gemäß der Konstruktion in 3. In 4E ist zu beachten, dass nicht nur der Hauptschalttransistor 102 durch den digitalen Phasenwähler gesteuert werden kann, sondern auch der Synchrongleichrichtertransistor 104 in der gleichen Weise gesteuert werden könnte, das heißt, durch Aufnahme einer separaten Phasenwähler-PS-Schaltung 522, die die Ausgangsgröße des A/D-Wandlers 312 und N Anzapfungen 524 von dem RTWO 314 empfängt.
Mehrphasen-Leistungswandler
Noch eine weitere Ausführungsform 550 der vorliegenden Erfindung ist ein Mehrphasen-Leistungswandler. Ein Teil eines solchen Wandlers ist in 5 gezeigt. Jeder der Schalter 552a, b 554a, b 556a, b lädt und entlädt Drosseln 560, 562, 564 über die gezeigte Spannungs- und Stromquelle 564 und kann durch einen vom Pulsweitenmodulator der vorliegenden Erfindung abgeleiteten PW-Block oder direkt von einem RTWO gesteuert werden, gemäß 4A, 4B, 4C, 4D oder 4E. Die Konstruktion 580 in 3 kann auch als ein PWM für einen Mehrphasenwandler verwendet werden, indem Anzapfungen 582a–n von dem RTWO 584, die für einen N-Phasenwandler um 360/N Grad voneinander beabstandet sind, verwendet werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung in beträchtlichem Detail mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Versionen derselben beschrieben wurde, sind andere Versionen möglich. Entsprechend sollte der Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche daher nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen bevorzugten Versionen beschränkt werden.

Claims

Pulsweitenmodulator, umfassend: einen ersten Wanderwellen-Drehoszillator (202) (Rotary Traveling Wave Oscillator), der auf einer vorbestimmten Frequenz schwingt und ein Oszillator-Signal an einer ersten Ausgangsanzapfung und eine Rückkopplungsanzapfung mit einer ersten Phase aufweist; einen zweiten Wanderwellen-Drehoszillator (204), der auf einer zweiten Frequenz schwingt und ein Oszillator-Signal an einer zweiten Ausgangsanzapfung und eine Rückkopplungsanzapfung mit einer zweiten Phase aufweist; eine spannungsgesteuerte Kapazitätsvorrichtung (Voltage-Controlled Capacitance Device), die ein Spannungssteuersignal empfängt das die Kapazität der Vorrichtung ändert, wobei die Vorrichtung mit dem zweiten Drehwanderwellenoszillator verbunden ist, so dass die Kapazität der Vorrichtung die Frequenz und Phase des zweiten Oszillators beeinflusst; einen Phasendetektor (214) (Phase Detector), der an die Rückkopplungs-Anzapfungen an dem ersten (202) und zweiten Wanderwellen-Drehoszillator (204) gekoppelt ist, um eine Differenz zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase zu bestimmen; einen Zeit-Spannungs-Wandler (216) (Time-To-Voltage Converter), der eine Differenz von dem Phasendetektor (214) in eine Spannung umwandelt; einen Regelabweichungs-Verstärker (218) (Error Amplifier) der die Ausgangsspannung des Zeit-Spannungs-Wandlers (216) und eine externe Eingangsspannung (224) empfängt, um ein Regeldifferenzsignal zu erzeugen; ein Tiefpassfilter (220) (Low Pass Filter), welches das Regeldifferenzsignal von dem Regelabweichungs-Verstärker (218) filtert, um das Spannungssteuersignal zu erzeugen, das dahin tendiert, die zweite Frequenz im wesentlichen gleich der vorbestimmten Frequenz zu machen und die zweite Phase einstellbar von der ersten Phase verschoben zu machen; und eine Pulsweitenvorrichtung (228) (Pulse Width Device), die das Oszillatorsignal an der ersten Ausgangsabzapfung und das Oszillatorsignal an der zweiten Ausgangsanzapfung kombiniert, um einen Puls zu bilden, dessen Weite eine Funktion der Eingangsspannung ist.
Pulsweitenmodulator nach Anspruch 1, wobei der Phasendetektor (214) ein Exklusiv-”ODER”-Gatter (252) ist, das einen ersten Eingang aufweist, der mit der Rückkopplungsanzapfung des ersten Oszillators (202) verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit der Rückkopplungsanzapfung des zweiten Oszillators (204) verbunden ist.
Pulsweitenmodulator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Zeit-Spannungs-Wandler (216) ein Tiefpassfilter ist, das die Ausgangsgröße von dem Phasendetektor (214) empfängt, um eine Spannung zu bilden, die den Phasendetektor über die Zeit mittelt.
Pulsweitenmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Pulsweiteneinrichtung (228) einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor enthält, die jeweils eine Source, einen Drain, ein Gate und einen Kanal zwischen Drain und Source aufweisen, wobei der Kanal des ersten und des zweiten Transistors in Reihe verbunden sind, wobei das Gate des ersten Transistors mit der ersten Ausgangsanzapfung verbunden ist und das Gate des zweiten Transistors mit der zweiten Ausgangsanzapfung verbunden ist, so dass sich ein leitfähiger Weg durch beide Transistoren ergibt wenn sich das Oszillatorsignal an der ersten Anzapfung und das Oszillatorsignal an der zweiten Anzapfung zeitlich überlappen.
Leistungswandler umfassend: einen ersten Wanderwellen-Drehoszillator (202) (Rotary Traveling Wave Oscillator, RTWO), der dazu ausgebildet ist, ein erstes Oszillatorsignal zu erzeugen; einen zweiten RTWO (204), der dazu ausgebildet ist, ein zweites Oszillatorsignal zu erzeugen; einen Phasendetektor (214), der dazu ausgebildet ist, eine Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Oszillatorsignal zu bestimmen; einen Zeit-Spannungs-Wandler (216), der dazu ausgebildet ist, die Phasendifferenz in eine Phasenspannung umzuwandeln; einen Regelabweichungs-Verstärker (218), der dazu ausgebildet ist, eine verstärkte Spannung zu erzeugen, indem er eine Differenz zwischen der Phasenspannung und einer Differenzspannung verstärkt; und einen Steuerblock (222), der dazu ausgebildet ist, zumindest entweder eine Phase und/oder eine Frequenz des zweiten RTWO (204) basierend auf der verstärkten Spannung zu steuern, so dass die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillatorsignal durch die Differenzspannung gesteuert wird.
Leistungswandler nach Anspruch 5, ferner umfassend einen Pulsweitenblock (408), der dazu ausgebildet ist, ein Pulssignal zu erzeugen, indem er das erste Oszillatorsignal und das zweite Oszillatorsignal kombiniert.
Leistungswandler nach Anspruch 6, wobei der Pulsweitenblock (228) einen ersten Transistor (274) und einen zweiten Transistor (272) umfasst, wobei der erste Transistor (274) ein Gate enthält, das dazu ausgebildet ist, das erste Oszillatorsignal zu empfangen, und einen Kanal, wobei der zweite Transistor (272) ein Gate enthält, das dazu ausgebildet ist, das zweite Oszillatorsignal zu empfangen, und einen Kanal, wobei die Kanäle des ersten und des zweiten Transistors in Reihe verbunden sind, so das sich ein leitfähiger Weg durch den ersten (274) und zweiten Transistor (272) ergibt wenn sich das erste Oszillatorsignal und das zweite Oszillatorsignal zeitlich überlappen.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Fehlerspannung (V_Error) einer Differenz zwischen einer Referenzspannung (226) und einer Eingangsspannung (224) entspricht.
Leistungswandler nach Anspruch 8, umfassend mindestens einem Schalttransistor (102), der dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung des Leistungswandlers zu steuern, wobei der Leistungswandler ferner einen Skalierblock (406) umfasst, der dazu ausgebildet ist, die Eingangsspannung durch Skalierung der Ausgangsspannung des Leistungswandlers zu erzeugen.
Leistungswandler nach Anspruch 9, wobei das erste Oszillatorsignal und das zweite Oszillatorsignal dahingehend funktionieren, dass sie eine Einschaltdauer des mindestens einen Schalttransistors steuern.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei der erste RTWO (202) dazu ausgebildet ist, in einem Phasenregelkreis zu arbeiten, so dass das erste Oszillatorsignal mit einem Referenzoszillatorsignal phasenverriegelt ist.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei der Phasendetektor ein Exklusiv-ODER(XOR)-Gatter (252) umfasst, das einen ersten Eingang aufweist, der dazu ausgebildet ist, das erste Oszillatorsignal zu empfangen, und einen zweiten Eingang, der dazu ausgebildet ist, das zweite Oszillatorsignal zu empfangen.
Leistungswandler nach Anspruch 12, wobei der Zeit-Digital-Wandler ein Widerstands-Kondensator(RC)-Filter (254) umfasst, das dazu ausgebildet ist, die Phasenspannung zu erzeugen, indem es ein Ausgangssignal des XOR-Gatters (252) filtert.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 5 bis 13, wobei der Steuerblock einen Varaktor (260) mit einer Kapazität umfasst, die dazu ausgebildet ist, die Phase und die Frequenz des zweiten RTWO (204) zu verändern.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 5 bis 14, ferner umfassend ein Tiefpassfilter, das dazu ausgebildet ist, die verstärkte Spannung zu filtern.
Verfahren zum Steuern einer Einschaltdauer bei einem Leistungswandler, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines ersten Oszillatorsignals mittels eines ersten Wanderwellen-Drehoszillators (Rotary Traveling Wave Oscillator, RTWO) (202); Erzeugen eines zweiten Oszillatorsignals mittels eines zweiten RTWOs (204); Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillatorsignal; Wandeln der Phasendifferenz in eine Phasenspannung; Erzeugen einer verstärkten Spannung durch Verstärken einer Differenz zwischen der Phasenspannung und einer Fehlerspannung; und Steuern zumindest entweder einer Phase und/oder einer Frequenz des zweiten RTWOs (204) auf der Basis der verstärkten Spannung.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend Erzeugen eines Pulssignals durch Kombinieren des ersten Oszillatorsignals und des zweiten Oszillatorsignals.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend Steuern einer Einschaltdauer eines Schalttransistors mittels des Pulssignals.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Fehlerspannung (V_Error) einer Differenz zwischen einer Referenzspannung (V_Ref) und einer Eingangsspannung (V_In) entspricht.
Leistungswandler nach Anspruch 19, ferner umfassend eine Skalierung einer Ausgangsspannung des Leistungswandlers, um die Eingangsspannung zu erzeugen.