DE112018000747T5

DE112018000747T5 - Schaltung mit schnellem einschwingverhalten

Info

Publication number: DE112018000747T5
Application number: DE112018000747.2T
Authority: DE
Inventors: Keith E. Curtis
Original assignee: Microchip Technology Inc
Current assignee: Microchip Technology Inc
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2019-10-17
Also published as: CN109997302A; WO2018148519A1; CN109997302B; US20180226875A1; US10491116B2; TW201841459A

Abstract

Eine Schaltung weist eine Referenzspannung auf, eine Schaltnetzteil- (SMPS) Schleifenfilterschaltung, die konfiguriert ist, um eine Induktivitätsstrombegrenzung basierend auf der Referenzspannung bereitzustellen, und eine Trigger-Schaltung, die konfiguriert ist, um die SMPS-Schleifenfilterschaltung zu aktivieren oder zu deaktivieren. Wenn die SMPS-Schleifenfilterschaltung aktiviert ist, basiert ein Ausgang der Schaltung auf dem Ausgang der SMPS-Schleifenfilterschaltung und der Ausgangsspannung der SMPS. Wenn die SMPS-Schleifenfilterschaltung deaktiviert ist, basiert die Ausgabe der SMPS-Stromsteuerschaltung auf einer geschätzten Strombegrenzung, die erhöht wird, wenn der Laststrombedarf steigt, und verringert wird, wenn der Laststrombedarf sinkt.

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber der vorläufigen US-Anmeldung 62 / 456,748 , eingereicht am 9. Februar 2017, deren Inhalt in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf das Lesen und Schreiben von Daten in Energie- und Stromversorgungen wie Schaltnetzteilen (SMPS) von elektronischen Anordnungen und insbesondere auf eine Schaltung für schnelle Einschwingvorgänge.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
SMPS können Schaltungen zur Stromversorgung elektronischer Anordnungen aufweisen. Elektronische Anordnungen können eine Vielzahl von externen und internen Elementen und Peripheriegeräte für solche elektronischen Anordnungen aufweisen. Bei Anlegen von Energie an ein SMPS oder an solche Elemente und Peripheriegeräte können die Elemente und Peripheriegeräte eine Verzögerung beim Empfangen von voller Energie erfahren. Wenn sich ein SMPS einschaltet, benötigt das SMPS Zeit, um den plötzlich ansteigenden Bedarf an Laststrom von den angeschlossenen Elementen und Peripheriegeräten zu decken. Die angeschlossenen Elemente und Peripheriegeräte können unter der Verzögerungszeit leiden. Die Gesamtsystemleistung kann darunter leiden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung weisen eine Schaltung auf. Die Schaltung kann eine Referenz aufweisen, eine SMPS-Schleifenfilterschaltung, die konfiguriert ist, um eine Induktivitätsstrombegrenzung basierend auf der Referenzspannung und der Ausgangsspannung der SMPS bereitzustellen, und eine Trigger-Schaltung, die konfiguriert ist, um die SMPS-Schleifenfilterschaltung zu aktivieren oder zu deaktivieren. Wenn die SMPS-Schleifenfilterschaltung aktiviert ist, kann ein Ausgang der Schaltung auf einem Ausgang der SMPS-Schleifenfilterschaltung basieren. Wenn die SMPS-Schleifenfilterschaltung deaktiviert ist, kann der Ausgang der Schaltung auf einer geschätzten Strombegrenzung basieren. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die SMPS-Schleifenfilterschaltung einen Operationsverstärker aufweisen. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die geschätzte Strombegrenzung als analoges Spannungssignal auf der Grundlage einer Schätzung des für eine Last benötigten Stroms bereitgestellt werden. Die geschätzte Strombegrenzung kann durch Software, Komparatoren, Sensoren oder andere Schaltungen oder Mechanismen erfolgen, die die Ausgabe des SMPS, die Spannungseingabe und die SMPS-Topologie auswerten. Die geschätzte Strombegrenzung kann bei einer erwarteten Änderung einer an das SMPS angeschlossenen Last festgelegt werden. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die Schaltung ferner eine Rückkopplungsnetzwerkschaltung aufweisen, die mit einem Ausgang der SMPS-Schleifenfilterschaltung und einem Eingang der SMPS-Schleifenfilterschaltung verbunden ist. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die Rückkopplungsnetzwerkschaltung ferner mit einer Quelle der geschätzten Strombegrenzung verbunden sein. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die Rückkopplungsnetzwerkschaltung konfiguriert sein, um auf einen Strompegel aufgeladen zu werden. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die Rückkopplungsnetzwerkschaltung konfiguriert sein, um durch die SMPS-Schleifenfilterschaltung auf den Strompegel aufgeladen zu werden, wenn die SMPS-Schleifenfilterschaltung aktiviert ist. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die Rückkopplungsnetzwerkschaltung konfiguriert sein, um durch die Quelle der geschätzten Strombegrenzung aufgeladen zu werden, wenn die SMPS-Schleifenfilterschaltung deaktiviert ist. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die Trigger-Schaltung konfiguriert sein, um anzuzeigen, ob ein aktueller Bedarf oder eine aktuelle Bedarfssteigerung einen Schwellenwert überschritten hat. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die SMPS-Schleifenfilterschaltung so konfiguriert sein, dass sie auf der Grundlage eines Hinweises deaktiviert wird, dass der aktuelle Bedarf oder die aktuelle Bedarfssteigerung den Schwellenwert überschritten hat. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die Trigger-Schaltung konfiguriert sein, um anzuzeigen, ob ein Laststrom unterbrochen wurde. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die SMPS-Schleifenfilterschaltung so konfiguriert werden, dass sie auf der Grundlage einer Anzeige, dass der Laststrom unterbrochen wurde, deaktiviert wird. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die Trigger-Schaltung konfiguriert sein, um anzuzeigen, ob ein aktueller Bedarf oder eine aktuelle Bedarfssteigerung einen Schwellenwert überschritten hat. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die SMPS-Schleifenfilterschaltung so konfiguriert werden, dass sie auf der Grundlage eines Hinweises deaktiviert wird, dass der aktuelle Bedarf oder die aktuelle Bedarfssteigerung den Schwellenwert überschritten hat. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann eine Quelle der geschätzten Strombegrenzung konfiguriert sein, um einen Rückkopplungskondensator auf einem höheren Strompegel aufzuladen, während die SMPS-Schleifenfilterschaltung deaktiviert ist. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann, nachdem der Rückkopplungskondensator aufgeladen ist, die SMPS-Schleifenfilterschaltung so konfiguriert werden, dass sie aktiviert wird und die Ausgabe auf den höheren Strompegel steuert. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die Trigger-Schaltung konfiguriert sein, um anzuzeigen, ob ein Laststrom reduziert wurde. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann die SMPS-Schleifenfilterschaltung so konfiguriert werden, dass sie auf der Grundlage einer Anzeige, dass der Laststrom reduziert wurde, deaktiviert wird. In Kombination mit einer der obigen Ausführungsformen kann eine Quelle der geschätzten Strombegrenzung konfiguriert sein, um einen Rückkopplungskondensator auf einen niedrigeren höheren Strompegel zu entladen, während die SMPS-Schleifenfilterschaltung deaktiviert ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung können eine Stromversorgung, ein Schaltnetzteil, eine Stromversorgungssteuerung oder einen Mikrocontroller aufweisen, die eine der oben beschriebenen Schaltungen aufweisen.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung können Verfahren aufweisen, die von einer beliebigen Schaltung, Stromversorgung, einem Schaltnetzteil, einer Stromversorgungssteuerung oder einem oben beschriebenen Mikrocontroller ausgeführt werden.
Figurenliste
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Offenlegung kann unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erlangt werden, in denen:

1 eine Schaltung für ein schnelles Einschwingverhalten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung veranschaulicht; und
2 ein beispielhaftes System veranschaulicht, das ein System verwendet, das eine Schaltung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung für ein schnelles Einschwingverhalten verwendet.

Während die vorliegende Offenlegung verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen zugänglich ist, wurden spezifische beispielhafte Ausführungsformen davon in den Zeichnungen gezeigt und werden hier im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Beschreibung spezifischer beispielhafter Ausführungsformen hierin die Offenlegung nicht auf die hierin offenbarten Formen beschränken soll.
Detaillierte Beschreibung
1 ist eine Darstellung einer Schaltung 100, die konfiguriert ist, um ein schnelles Einschwingverhalten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung bereitzustellen. Die Schaltung 100 kann verschiedene Elemente verwenden, die in einem System, einem System auf einem Chip, einem Chip, einem Mikrocontroller, einer SMPS-Steuerschaltung oder anderen elektronischen Anordnungen verfügbar sind. Solche Elemente können von der zentralen Schaltung unabhängige Peripheriegeräte (CIPs) aufweisen.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung, wie beispielsweise die Schaltung 100, können Probleme lösen, die in einigen Schaltnetzteilen mit hohen Laststromtransienten auftreten. Solche Transienten mit hoher Last können ein Durchhängen in der Ausgangsspannung der Energieversorgung verursachen. Die Stromversorgung eines Mobiltelefonturmsenders kann beispielsweise zu einem Absacken der Stromversorgung führen, wenn der Sender eingeschaltet wird. Infolgedessen muss der Sender möglicherweise eine besonders lange Präambel für anfängliche Kommunikationspakete verwenden, um sicherzustellen, dass genügend Spannung zur Verfügung steht, um den Start des Datenpakets zuverlässig zu übertragen. Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung können es Herstellern von elektronischen Anordnungen ermöglichen, solche Korrektur- oder Präventionsmaßnahmen zu unterlassen. Stromversorgungen für Systeme mit hoher transienter Stromaufnahme, wie z. B. Mobiltelefonsendeanlagen und Positionierungssysteme, leiden unter der Verzögerungszeit ihrer Stromversorgung. Wenn sie eingeschaltet werden, benötigt die Stromversorgung Zeit, um den plötzlichen Anstieg des Laststroms bereitzustellen, und die Ausgangsspannung sinkt, bis sich das System anpassen kann. Dies führt zu einer Verlangsamung der Systemreaktion, was zu einer verringerten Leistung führen kann. Wenn der hohe Laststrombedarf beseitigt wird, kann es zu einer Spannungsüberschreitung kommen, da sich das Schleifenfilter auf einen niedrigeren Strombedarf einstellen muss. Digitale Systeme, wie z. B. digitale Rückkopplungsstromversorgungen, können diese Effekte kompensieren, indem sie eine Sprungfunktion in einen softwarebasierten Rückkopplungsfilter einführen, der den Betrieb der Versorgung steuert. Die Sprungfunktion kann mit dem Lastwechsel synchronisiert werden, um sicherzustellen, dass genügend Strom für den Hochlastzustand verfügbar ist und nicht zu viel Strom vorhanden ist, wenn der Laststrom reduziert wird (z. B. Last verringert wird). Wenn die Last verringert wird, kann eine negative Sprungfunktion eingeführt werden, um ein Überschwingen der Ausgangsspannung zu verhindern. Diese Lösung erfordert jedoch eine vollständig digitale Implementierung. Darüber hinaus erfordert diese Lösung die Verwendung von Software. Digitale Lösungen können komplexer zu entwerfen und zu testen sein. Digitale Netzteile erfordern möglicherweise komplexere Entwurfsmethoden. Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung können stattdessen mit analogen Elementen und ohne ein softwarebasiertes Rückkopplungsfilter implementiert werden.
Analoge Lösungen können beispielsweise in Mobiltelefonen vorhanden sein und dieses Problem lösen, indem eine Zusatzstromversorgung geschaffen wird, die ein Reservoir auflädt, während der Sender ausgeschaltet ist. Das Telefon entlädt dann das Reservoir in die Versorgung, wenn der Sender eingeschaltet wird. Dies stützt die Versorgung ab, so dass der Sender seine Übertragung abschließen kann, ohne die Stromversorgung zu beeinträchtigen. Analoge Lösungen, wie z. B. ein Reservoir, erfordern möglicherweise ein separates Schaltnetzteil. Ein Reservoirsystem kann auch einen Hochspannungskondensator oder einen Hochkapazitätskondensator erfordern. Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung können stattdessen ohne ein Reservoir, einen separaten Schaltleistungswandler oder eine separate Zusatzleistungsversorgung implementiert werden.
Eine gemischte digitale und analoge Lösung kann die Verwendung eines Pulsbreitenmodulator-Controllers (PWM-Controllers) und eines zugehörigen analogen Filters aufweisen. Der PWM-Controller kann mit einer 10 bis 20-mal schnelleren Rate als die jeweilige Filterbandbreite arbeiten, so dass der PWM schnell auf Änderungen reagieren kann. Ein Problem kann jedoch in Form der Antwortzeit des Analogfilters im Rückkopplungspfad auftreten. Möglicherweise müssen die kapazitiven Elemente des Filters schnell auf den höheren Strompegel aufgeladen werden. Der Entwurf der Filtertopologie soll dieses Verhalten jedoch verhindern. In einer Ausführungsform kann der Filterausgang auf den neuen Strompegel gezwungen werden, bis der Filterkondensator auf den neuen gewünschten Pegel geladen werden kann. Dies kann unter Verwendung verschiedener anderer Elemente durchgeführt werden, die zur Verwendung in der Schaltung 100 verfügbar sind, die CIPs aufweisen kann.
Die Schaltung 100 kann ein intelligentes analoges Peripheriegerät in der Form eines Operationsverstärkers 112 aufweisen. In einer Ausführungsform kann der Operationsverstärker 112 eine Übersteuerungsoption aufweisen, die es einem externen digitalen Signal ermöglicht, den Ausgang des Operationsverstärkers 112 im Tri-State-Modus zu schalten. Mit dieser Funktion ist es möglich, den Ausgang des Operationsverstärkers 112 mit einem anderen Spannungssignal zu überschreiben. Die Schaltung 100 kann zum Beispiel eine mit dem positiven Anschluss des Operationsverstärkers 112 verbundene Digital-Analog-Wandler- (DAC) 110 Schaltung aufweisen. Der DAC 110 kann mit einer festen Spannungsreferenz (FVR) 102 verbunden sein, die zum Ausgeben eines Spannungsreferenzwerts konfiguriert ist. Der DAC 110 kann konfiguriert sein, um diesen digitalen Wert in eine analoge Spannung umzuwandeln und diese einem positiven Eingang des Operationsverstärkers 112 zuzuführen.
Die Schaltung 100 kann eine Zeitgeberschaltung aufweisen, die ein Aktivierungs- oder Deaktivierungssignal bereitstellen kann, um den Ausgang des Operationsverstärkers 112 zu steuern (z. B. Tri-State-Ausgangssteuerung). In einer Ausführungsform kann die Schaltung 100 eine Hardware-Limit-Timer- (HLT) Schaltung 106 aufweisen, die zum Aktivieren oder Deaktivieren des Ausgangs des Operationsverstärkers 112 konfiguriert ist. HLT 106 kann zum Bereitstellen eines Aktivierungssignals für den Ausgang des Operationsverstärkers 112 konfiguriert sein, außer während eines voreingestellten Zeitraums, in dem der HLT 106 einen Trigger oder eine andere Eingabe empfängt. Bei Auftreten eines solchen Triggers oder einer anderen Eingabe kann der HLT 106 konfiguriert sein, um ein zeitgesteuertes Deaktivierungssignal bereitzustellen, um den Ausgang des Operationsverstärkers 112 zu deaktivieren oder inaktiv zu setzen. Der HLT 106 kann dann eine Wartezeit einleiten, die beispielsweise durch einen Registerwert oder eine andere Einstellung dafür konfiguriert sein kann. Nach der Wartezeit kann das Aktivierungssignal erneut vom HLT 106 ausgegeben werden, um den Ausgang des Operationsverstärkers 112 wieder zu aktivieren.
Ein zweiter DAC 104 kann konfiguriert (programmiert) sein, um einen Spannungswert bereitzustellen, der einen geschätzten Strompegel darstellt, um den Spannungsausgang des Operationsverstärkers 112 zu ersetzen, wenn sich der Operationsverstärker 112 in einem deaktivierten Zustand oder einem Tri-State-Zustand befindet. Der DAC 104 kann konfiguriert sein, um verglichen mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 112 während der Trigger-Bedingung ein Signal mit höherem Strompegel oder ein Signal mit niedrigerem Strompegel an den Komparator 128 bereitzustellen (abhängig davon, ob eine hohe oder niedrigere Stromlast erwartet wird). Die geschätzte Strombegrenzung kann durch Software, Komparatoren, Sensoren oder andere Schaltungen oder Mechanismen erfolgen, die die Ausgabe des SMPS, die Spannungseingabe und die SMPS-Topologie auswerten. Die geschätzte Strombegrenzung kann beim Empfang des Triggers 108 eingestellt werden, der eine Änderung einer an das SMPS angeschlossenen Last anzeigt, z. B. kann ein erster Trigger einen Anstieg des verfügbaren Laststroms verursachen und ein nachfolgender zweiter Trigger kann einen Abfall des verfügbaren Laststroms verursachen. Die geschätzte Strombegrenzung kann beispielsweise von einem Register, einer Spannungsquelle oder einem anderen geeigneten Mechanismus in den DAC 104 eingegeben (eingestellt, programmiert usw.) werden.
Ein Rückkopplungsnetzwerk kann mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 112 und dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 112 verbunden sein. Das Rückkopplungsnetzwerk kann beispielsweise einen Widerstand 114 und einen ersten Kondensator 122 aufweisen, die in einem ersten Zweig in Reihe geschaltet sind, und einen zweiten Kondensator 118 in einem zweiten Zweig. Der erste Zweig und der zweite Zweig des Rückkopplungsnetzwerks können parallel zueinander sein.
In einer Ausführungsform kann die Schaltung 100 einen Komparator 128 aufweisen. Der Komparator 128 kann konfiguriert sein, um Werte von dem DAC 104 oder dem Operationsverstärker 112 und einen Strom 126 zu vergleichen. Der Komparator 128 kann der Normalstrommodus-Komparator von einem SMPS sein. Er kann konfiguriert sein, um den Induktivitätsstrom mit dem erforderlichen Strom zu vergleichen, der von dem Schleifenfilter ausgegeben wird, das als Operationsverstärker 112 ausgeführt ist. In einer Ausführungsform kann diese Rückkopplungssteuerung jedoch außer Kraft gesetzt werden, so dass der Strom durch den Ausgang des DAC 104 auf einen höheren oder niedrigeren Pegel eingestellt werden kann, wie er während eines HLT 106 Triggerereignisses für eine plötzliche Änderung des Ausgangsstroms (nach oben oder nach unten) benötigt wird.
Die Anschlüsse 130 können die Anwendung von Verbindungen in oder aus einer HalbleiterAnordnung, einem Gehäuse, einem Mikrocontroller, einem System auf einem Chip, einem Chip oder einer anderen elektronischen Anordnung anzeigen. So können beispielsweise der FVR 102, der DAC 110, der DAC 104, der Operationsverstärker 112, der Komparator 128 und der HLT 106 in einem solchen Halbleiterbauelement, Gehäuse, Mikrocontroller, System-on-a-Chip, Chip oder einer anderen elektronisches Anordnung enthalten sein. Das Rückkopplungsnetzwerk, der Trigger 108, die Spannungsrückkopplungsreferenz 124 und die Stromrückkopplungsreferenz 126 können außerhalb einer solchen Anordnung angeordnet sein.
Der Strom 126 kann die Induktivitätsstromrückkopplung in dem SMPS sein, in dem sich die Schaltung 100 befindet. Die Spannung 124 kann die Ausgangsspannungsrückkopplung davon sein. Das SMPS kann Energie bereitstellen, indem es die Ausgangsspannung 124 mit einer Referenzspannung aus dem DAC 110 vergleicht. Die Differenz kann durch den Operationsverstärker 112 verstärkt und dem Komparator 128 zugeführt werden. Zu Beginn eines PWM-Impulses für das SMPS kann der Induktivitätsstrom 126 beginnen anzusteigen. Wenn die Rückkopplung des Induktivitätsstroms 126 den Ausgang des Operationsverstärkers 112 erreicht, kann die PWM abgeschaltet werden und die Induktivität kann sich in den Ausgangskondensator (nicht gezeigt) entladen. Die Spannung wird als Spannung 124 zurückgekoppelt und der Zyklus beginnt von vorne. In einer Ausführungsform kann die Schaltung 100 so konfiguriert sein, dass sie die Rückkopplungsschleife übersteuert und den gewünschten Induktivitätsstrom nach oben oder unten drückt, um eine erforderliche Zunahme oder Abnahme des Ausgangsstroms zu kompensieren. Der Trigger 128 kann den Ausgangsstrom überwachen und, wenn eine signifikante Änderung vorliegt, die Übersteuerung der Rückkopplungsschleife für eine feste Zeitdauer auslösen, bis das Schleifenfilter, das durch den Operationsverstärker 112 und die Filterkomponenten 114, 118 und 122 verkörpert ist, gleichziehen und den Rückkopplungsbetrieb übernehmen kann.
Festspannungsreferenz (FVR) 102, DAC 110, Operationsverstärker 112, Komparator 128 und die Rückkopplungskomponenten 114, 118 und 122 können einen normalen Betriebspfad eines Schaltnetzteil-Controllers mit kontinuierlichem Leitungsstrommodus bilden. Der DAC 104, der HLT 106 und der Trigger 108 können als Peripheriegeräte implementiert werden, die zu einer solchen Steuerung hinzugefügt werden, um einen schnellen Anstieg und Abfall des Laststroms zu ermöglichen, bevor die normale Schleifensteuerung wieder übernehmen kann.
Triggerereignisse können ein plötzlichen Anstieg oder Abfall des Ausgangsstroms umfassen. Der Trigger 108 kann beispielsweise von einem Differenzierer geliefert werden, der den Ausgangsstrom überwachen kann, oder von einer Quelle in einer Systemsteuerungs-Hostschaltung 100, die das SMPS darüber informiert, dass ein Element im Begriff ist, ein- oder ausgeschaltet zu werden, was eine Änderung des Strombedarfs bewirkt. Ein Triggerereignis kann, ohne darauf beschränkt zu sein, zum Beispiel ein Einschaltereignis aufweisen, wenn ein Element oder System, in dem sich die Schaltung 100 befindet oder daran angeschlossen ist, den Betrieb einleitet oder auf andere Weise einschaltet. Wenn ein Triggerereignis auftritt, kann der Trigger 108 aktiviert werden. Der HLT 106 kann zurückgesetzt werden und sein Ausgang kann gelöscht werden. Dies kann den Ausgang des Operationsverstärkers 112 ausschalten. Folglich kann der Ausgang des DAC 104 dann den Eingang des Komparators 128 anstelle des Ausgangs des Operationsverstärkers 112 ansteuern, bis das Rückkopplungsnetzwerk aus Operationsverstärker 112, Kondensatoren 118, 122 und Widerstand 114 Zeit hatten, mit der Änderung des Laststroms gleichzuziehen. In einer Ausführungsform erhöht diese Operation den Strom in der Induktivität beim nächsten PWM-Impuls. Die Induktivität kann sich in demselben SMPS befinden, in dem sich die Schaltung 100 befindet. Die Induktivität kann geladen und dann entladen werden, um den Strom vom Eingang des SMPS zum Ausgang zu leiten. In einer anderen Ausführungsform kann diese Operation beginnen, die Kondensatoren 118, 122 in dem Rückkopplungsnetzwerk aufzuladen.
Wenn der HLT 106 das Zeitlimit überschreitet, kann der HLT 106 so konfiguriert sein, dass er erneut ein Aktivierungssignal erzeugt. Sobald der Operationsverstärker 112 wieder aktiviert ist, kann er so konfiguriert werden, dass er die Ansteuerung des Komparators 128 und des Rückkopplungsnetzwerks erneut übernimmt. Wenn der Operationsverstärker 112 aktiviert ist, kann er so konfiguriert sein, dass er den Komparator 128 ansteuert, obwohl der DAC 104 möglicherweise auch ein analoges Signal an denselben Anschluss des Komparators 128 abgibt, da der Ausgang des Operationsverstärkers 112 eine niedrigere Impedanz als der Ausgang des Operationsverstärkers 104 aufweisen kann und daher Vorrang gegenüber der Ausgangsspannung an den Komparator 128 haben kann.
Wie oben beschrieben kann, wenn ein Hochstromereignis auftritt, beispielsweise wenn ein System (in dem sich die Schaltung 100 befindet) hochfährt und Elemente und Peripheriegeräte davon Strom benötigen, der Trigger 108 gesetzt werden. Der FVR 102 kann eine feste Referenz bereitstellen, die durch den DAC 110 nach Bedarf skaliert und an den Operationsverstärker 112 bereitgestellt werden kann. Dann kann der Ausgang des Operationsverstärkers 112 so konfiguriert werden, dass er auf einen Operationsverstärkerausgang mit drei Zuständen (Tri-State-Ausgang) eingestellt wird, wodurch ermöglicht wird, dass der Ausgang des DAC 104 übernimmt und die Referenzspannung an den Komparator 128 bereitstellt, wenn der Operationsverstärker 112 deaktiviert ist. Der DAC 104 kann den Induktivitätsstrom für eine erhöhte Last auf den höheren Strompegel oder für eine verringerte Last auf einen niedrigeren Strompegel einstellen. Wie oben diskutiert, können die Kondensatoren 114, 118 in dem Rückkopplungsnetzwerk dadurch während des Betriebs des SMPS aufgeladen werden. Insbesondere können die Kondensatoren 114, 118 auf Pegel geladen werden, die normalerweise bei dem höheren Ausgangsstrom auftreten würden, der von Elementen erwartet wird, die Leistung von der Schaltung 100 benötigen. Nach einer kurzen Ladeperiode kann der Ausgang des Operationsverstärkers 112 wieder aktiviert werden und kann seine Rückkopplungssteuerungsfunktion bei dem höheren Ausgangsstrom fortsetzen.
Der HLT 106 kann für eine ausreichende Zeit eingestellt werden, um die Filterkondensatoren, wie die Kondensatoren 118, 122, aufzuladen. Wenn das Zeitlimit des HLT 106 abläuft, wird der Ausgang des Operationsverstärkers 112 wieder aktiviert und die Schleife kann auf normale Weise weiterarbeiten.
In einer Ausführungsform kann der Trigger 108 den HLT 106 so einstellen, dass der Ausgang des Operationsverstärkers 112 deaktiviert wird und der Ausgang des DAC 104 den Ausgang des Operationsverstärkers 112 ersetzt, wenn der Laststrom unterbrochen wird (wodurch eine Verringerung des Stroms erzwungen wird, der an die SMPS-Induktivität bereitgestellt wird). Dies kann bewirken, dass die Schaltung 100 als ein Lastabwurf wirkt, um eine schnelle Verringerung des Ausgangsstroms bereitzustellen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 112 kann zum Zeitpunkt einer schnellen Verringerung des Laststroms zu viel Strom in der Induktivität anfordern. Dies kann zu einer Überspannung am Ausgang führen, bis sich der Operationsverstärker 112 auf den neuen Zustand einstellt. Dementsprechend wird in einer Ausführungsform der deaktivierte Tri-State-Ausgang des Operationsverstärkers 112 durch einen vom DAC 104 bereitgestellte Versorgung mit niedrigerem Strom ersetzt, bis die Kondensatoren im Rückkopplungsnetzwerk auf den neuen Betriebspegel entladen sind. Die Schaltung 100 kann somit den Ausgang des Operationsverstärkers 112 deaktivieren und den Komparator 128 auf einen niedrigeren Induktivitätsstromwert einstellen, bis die Rückkopplungskondensatoren auf den neuen Pegel entladen werden können.
Obwohl ein einzelner Trigger 108 dargestellt ist, kann die Schaltung 100 oder ein System, das die Schaltung 100 enthält, mehrere Instanzen des Triggers 108 aufweisen, die jeweils auf unterschiedlichen Trigger-Bedingungen beruhen. Für den Trigger 108 können zum Beispiel eine niedrige Last oder eine hohe Last zusammen ODER-verknüpft werden. In einem anderen Beispiel kann ein System zwei Instanzen der Schaltung 100 aufweisen, die jeweils separat konfiguriert sind, zum Beispiel für eine niedrige Last oder eine hohe Last. In einem solchen Beispiel können verschiedene (programmierte) FVR-Werte verwendet werden.
Die Verwendung des hardwarebasierten Triggers 108 kann bewirken, dass die Schaltung 100 ohne Softwareeingabe automatisch arbeitet. Der Trigger 108 kann mit einer weiteren Überwachungslogik (nicht gezeigt) verbunden sein, wie beispielsweise einem Komparator, der den Ausgangsstrom überwacht. Bei einer schnellen Änderung auftritt, kann ein Ereignis generiert werden. Die Ereignis-Trigger können auch bewirken, dass das System ein synchronisiertes System ist. Ein Controller in der Last weiß möglicherweise, welche Änderung eintreten wird, und löst bei Bedarf ein entsprechendes Ereignis aus.
Die Schaltung 100 kann in jedem geeigneten Kontext verwendet werden, beispielsweise in einem Mikrocontroller, einer Stromversorgung, einem Leistungsregler oder einer anderen geeigneten elektronischen Anordnung. 2 ist eine Veranschaulichung eines beispielhaften Systems 200, das die Schaltung 100 für ein schnelles Einschwingverhalten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung verwendet.
Das System 200 kann einen Mikrocontroller 202 oder eine andere geeignete Einheit wie eine Stromversorgung oder einen Leistungsregler aufweisen. Der Mikrocontroller 202 oder eine andere geeignete solche Entität kann ein SMPS implementieren. Der Mikrocontroller 202 kann konfiguriert sein, um eine oder mehrere andere Anordnungen 206 mit Strom zu versorgen. Solche Anordnungen 206 können in dem Mikrocontroller 202 enthalten sein oder mit diesem verbunden sein. Die Anordnung 206A kann beispielsweise mit dem Mikrocontroller 202 verbunden sein, während sich die Anordnung 206B in Mikrocontroller 202 befindet. Die Anordnungen 206 können jede elektronische Anordnung aufweisen, die Strom benötigt, und jede kann auf unterschiedliche Weise implementiert werden.
Die Anordnung 206 kann eine Last 210 aufweisen. Die Leistung für die Last 210 kann von einem SMPS 204 geliefert werden. Die Betriebsbedingungen der Last 210 können durch eine Schaltung überwacht werden, die in der Überwachungsschaltung 212 enthalten ist. Die Überwachungsschaltung 212 kann Spannung, Strom oder andere Werte unter Verwendung von Komparatoren oder anderen geeigneten Schaltungen mit Referenzwerten vergleichen. Die Überwachungsschaltung 212 kann diese Werte, oder auf diesen Werten basierende Trigger, an das SMPS 204 melden.
Innerhalb des SMPS 204 kann eine gegebene Instanz der Schaltung 100 eine oder mehrere Anordnungen 206 bedienen. Die Schaltung 100A kann beispielsweise die Anordnung 206A bedienen, und die Schaltung 100B kann die Anordnung 206B bedienen.
In einem anderen Beispiel kann die Schaltung 100A die Anordnungen 206A und 206B bedienen. Für eine gegebene Anordnung 206 kann einer Instanz der Schaltung 100 über den FVR 214 eine Referenzspannung bereitgestellt werden.
Die vorliegende Offenlegung wurde im Hinblick auf eine oder mehrere Ausführungsformen beschrieben, und es sollte beachtet werden, dass vielfache Äquivalente, Alternativen, Variationen und Modifikationen, abgesehen von den ausdrücklich angegebenen, möglich sind und im Schutzumfang der Offenlegung liegen. Während die vorliegende Offenlegung verschiedenen Modifikationen und alternativen Ausbildungsformen zugänglich ist, wurden spezifische beispielhafte Ausführungsformen davon in den Zeichnungen gezeigt und werden hier im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Beschreibung spezifischer beispielhafter Ausführungsformen hierin die Offenlegung nicht auf die bestimmten hierin offenbarten Formen beschränken soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/456748 [0001]

Claims

Schaltnetzteil- (SMPS) Steuerschaltung, die aufweist: eine Regelkreisschaltung, die aufweist: einen Operationsverstärker, der einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist, die konfiguriert sind, um selektiv aktiviert und deaktiviert zu werden; und ein Schleifenfilter, das zwischen den ersten Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt ist, wobei der erste Eingang des Operationsverstärkers und das Schleifenfilter mit einem Spannungsausgang eines SMPS verbunden sind; eine erste Spannungsreferenz, die mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt ist; einen Spannungskomparator, der einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei: der erste Eingang mit einer Strom-Spannungs-Umformschaltung gekoppelt ist, die den Ausgangsstrom des SMPS misst; und der zweite Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt ist, wodurch die an eine Induktivität des SMPS angelegte Spannung durch den Ausgang des Spannungskomparators gesteuert wird; und eine zweite Spannungsreferenz, die einen Ausgang aufweist, der mit dem Operationsverstärker und dem zweiten Eingang des Komparators gekoppelt ist, wobei: wenn der Operationsverstärkerausgang deaktiviert ist, die zweite Spannungsreferenz so konfiguriert ist, dass sie anstelle von dem Operationsverstärkerausgang dem zweiten Eingang des Spannungskomparators Spannung zuführt; und wenn der Operationsverstärkerausgang deaktiviert ist, der Spannungskomparator konfiguriert ist, um die Spannung an der SMPS-Induktivität durch Verwendung des Ausgangs der zweiten Spannungsreferenz anstelle des Ausgangs des Operationsverstärkers zu steuern; und einen Zeitgeber, der einen durch ein Ereignis getriggerten Eingang und aufweist einen Ausgang, der zum Aktivieren und Deaktivieren des Ausgangs des Operationsverstärkers verwendet wird.
SMPS-Steuerschaltung gemäß Anspruch 1, wobei: das Ereignis ein Anstieg des SMPS-Laststroms ist; und der zweite Eingang des Spannungskomparators so konfiguriert ist, dass er anstelle des Operationsverstärkers eine Spannung vom Ausgang der zweiten Spannungsreferenz empfängt, wobei die Spannung von der zweiten Spannungsreferenz größer ist als die Spannung vom Operationsverstärker.
SMPS-Steuerschaltung gemäß Anspruch 2, wobei das Schleifenfilter zum Laden während des Stromanstiegsereignisses konfiguriert ist.
SMPS-Steuerschaltung gemäß Anspruch 1, wobei: das Ereignis eine Abnahme des SMPS-Laststroms ist; und der Ausgang der zweiten Spannungsreferenz konfiguriert ist, um anstelle des Operationsverstärkers die Spannung an den zweiten Eingang des Spannungskomparators bereitzustellen, wobei die Spannung von der zweiten Spannungsreferenz geringer ist als die Spannung von dem Operationsverstärker.
SMPS-Steuerschaltung gemäß Anspruch 4, wobei die Schleifenfilterspannung so konfiguriert ist, dass sie sich während des Stromverringerungsereignisses entlädt.
SMPS-Steuerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ersten Eingänge des Operationsverstärkers und des Spannungskomparators negative Eingänge sind und die zweiten Eingänge des Operationsverstärkers und des Spannungskomparators positive Eingänge sind.
SMPS-Steuerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Schleifenfilter mindestens einen Widerstand und mindestens einen Kondensator aufweist.
SMPS-Steuerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Spannungsreferenz eine feste Spannungsreferenz und einen ersten Digital-Analog-Wandler (DAC) mit einem Ausgang aufweist, der mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt ist.
SMPS-Steuerschaltung gemäß Anspruch 8, wobei der erste DAC zum Einstellen der Spannung an den Operationsverstärker programmierbar ist.
SMPS-Steuerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zweite Spannungsreferenz einen zweiten programmierbaren Digital-Analog-Wandler (DAC) aufweist.
SMPS-Steuerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Spannungsreferenz so programmiert ist, dass sie eine Spannung bereitstellt, die einem geschätzten erhöhten Laststrom entspricht.
SMPS-Steuerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Spannungsreferenz so programmiert ist, dass sie eine Spannung bereitstellt, die einem geschätzten verringerten Laststrom entspricht.
SMPS-Steuerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Schleifenfilter konfiguriert ist, um während des Ereignisses durch das Erhöhen oder Verringern der Spannung der zweiten Spannungsreferenz geladen oder entladen zu werden.
SMPS-Steuerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Zeitgeberzeit programmierbar ist.
SMPS-Steuerschaltung gemäß Anspruch 14, wobei die vom Zeitgeber programmierte Zeit entsprechend einer erwarteten Zunahme oder Abnahme des SMPS-Ausgangsstroms eingestellt ist.
SMPS-Steuerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Operationsverstärker einen Tri-State-Ausgang aufweist, wobei, wenn der Tri-State-Ausgang deaktiviert ist, der Tri-State-Ausgang eine hohe Impedanz aufweist und die Ausgangsspannung der zweiten Spannungsreferenz nicht beeinflusst.
Verfahren zum Steuern eines Schaltnetzteils (SMPS), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Operationsverstärkers, der einen Ausgang aufweist, der aktiviert und deaktiviert werden kann; Bereitstellen eines Spannungsregelkreises, der eine SMPS-Ausgangsspannung mit einer ersten Spannungsreferenz vergleicht und eine Steuerspannung vom Ausgang des Operationsverstärkers an einen Komparator bereitstellt, der die Spannung an eine Induktivität des SMPS auf der Grundlage der Steuerspannung und eines SMPS-Ausgangsstroms steuert; Bereitstellen eines Zeitgebers, der einen Eingang aufweist, der mit einem Trigger-Signal gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem Operationsverstärker gekoppelt ist, wobei, wenn der Zeitgeber die Zeit nicht steuert, der Ausgang des Operationsverstärkers aktiviert ist, und wenn er die Zeit steuert, der Ausgang des Operationsverstärkers deaktiviert ist, und Bereitstellen einer zweiten Spannungsreferenz, die mit dem Komparator gekoppelt ist, wenn der Ausgang des Operationsverstärkers deaktiviert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Trigger-Signal ein SMPS-Stromlaständerungsereignis ist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei eine Spannung der zweiten Spannungsreferenz größer ist als die Spannung des Operationsverstärkers während eines Stromlasterhöhungserei gni sses.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei eine Spannung der zweiten Spannungsreferenz geringer ist als die Spannung des Operationsverstärkers während eines Stromlastverringerungsereignisses.
Verfahren, das Betriebsschritte eines der Schaltnetzteile nach den Ansprüchen 1 bis 16 aufweist.