DE112019006537T5

DE112019006537T5 - Spannungsregler-steuersysteme und -verfahren

Info

Publication number: DE112019006537T5
Application number: DE112019006537.8T
Authority: DE
Inventors: Stephan Henzler; David Herbison; Emil Neborovski; Thomas Piorek; Yifan Wang; Holger Wenske; Tobias Werth
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-09-09
Also published as: US10622898B1; CN113169668A; WO2020139458A3; WO2020139458A2

Abstract

Es werden Systeme, Verfahren und Schaltungen zum Regeln einer Spannung, die einem Energieverstärker zugeführt wird, geoffenbart. Ein Buck-Boost-Steuersystem ist dafür ausgelegt, um einen Buck-Boost-Wandler zu steuern, um entweder in einem Buck-Modus oder einem Boost-Modus zu arbeiten. Das System umfasst: Kompensatorschaltungen, die dafür ausgelegt sind, einen Zielstrom auf der Basis einer Differenz zwischen einer Zielspannung und einer geregelten Ausgangsspannung des Buck-Boost-Wandlers zu bestimmen; und einen Toleranzstrom zu bestimmen, der, mit dem Zielstrom, einen Bereich eines unerwarteten Spulenstroms definiert. Auf der Basis der Differenz zwischen der Zielspannung und der geregelten Ausgangsspannung wird ein Ladungssteuersignal oder ein Entladungssteuersignal für den Wandler generiert, um zu bewirken, dass sich der Spulenstrom dem Zielstrom annähert. Modussteuerschaltungen sind dafür ausgelegt, um den Buck-Boost-Wandler in den anderen Betriebsmodus zu schalten, wenn der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht.

Description

BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Anmeldung Nr. 16/234 919 , eingereicht am 28. Dezember 2018, deren Inhalt zur Gänze hier aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Spannungsregler werden verwendet, um die Qualität einer Spannung zu verbessern, die empfindlichen Schaltungen zugeführt wird. Zum Beispiel werden Spannungsregler häufig verwendet, um die Zufuhrspannung, wie eine Batteriespannung, für Energieverstärker in einem Sender/Empfänger zu konditionieren. Wenn eine Last auf einem Spannungsregler signifikant variiert, kann die geregelte Ausgangsspannung, die von dem Spannungsregler erzeugt wird, Transienten zeigen, welche die Leistung des Energieverstärkers verschlechtern. Buck-Boost-Wandler, die eine Zufuhrspannung reduzieren können, um eine glattere, niedrigere geregelte Ausgangsspannung zuzuführen, oder eine Zufuhrspannung erhöhen können, um eine glattere, höhere geregelte Ausgangsspannung zu erzeugen, sind ein üblicher Typ eines Spannungsreglers.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Beispiel eines Buck-Boost-Steuersystems gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten.
2 und 3 veranschaulichen Beispiele von Betriebskurven für das Buck-Boost-Steuersystem von 1 jeweils in dem Buck-Modus und Boost-Modus gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten.
4 veranschaulicht ein Beispiel eines Buck-Boost-Steuersystems gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten.
5 veranschaulicht ein Beispiel eines Flussdiagramms eines Beispiels eines Verfahrens zum Steuern eines Buck-Boost-Wandlers gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten.
6 veranschaulicht ein Beispiel eines Spannungsregelsystems, das ein Transientendämpfungssystem gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten aufweist.
7 veranschaulicht ein Beispiel eines Spannungsregelsystems, das ein Transientendämpfungssystem gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten aufweist.
8 veranschaulicht ein Beispiel eines Spannungsregelsystems, das ein Transientendämpfungssystem gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten aufweist.
9 veranschaulicht ein Beispiel eines Spannungsregelsystems, das ein Transientendämpfungssystem gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten aufweist.
10 veranschaulicht ein Beispiel eines Flussdiagramms eines Beispiels eines Verfahrens zur Transientendämpfung in einem Spannungsregelsystem gemäß verschiedenen beschriebenen Aspekten aufweist.

BESCHREIBUNG
Buck-Boost-Wandler sind GSGS-Wandler (z.B. Schaltmodus-Energiezufuhren), welche eine glatte geregelte Ausgangsspannung generieren, die höher als eine, niedriger als eine oder gleich einer Zufuhrspannung sein kann. Zu diesem Zweck hat die Buck-Boost-Wandler-Ausgangsstufe mehr Schaltvorrichtungen verglichen mit einem reinen Buck- oder reinen Boost-Wandler. Auf der Basis eines Auslegungssignals können die Schalter in der Ausgangsstufe entweder in einem Buck-Schaltschema oder in einem Boost-Schaltschema betrieben werden. Wenn die geregelte Ausgangsspannung erheblich niedriger ist als die Zufuhrspannung, wird die Ausgangsstufe nur gemäß einem Buck-Modusschaltschema (hier im Nachstehenden „Buck-Modus“) betrieben. Wenn die geregelte Ausgangsspannung erheblich höher ist als die Zufuhrspannung, wird die Ausgangsstufe nur in einem Boost-Modusschaltschema (hier im Nachstehenden „Boost-Modus“) betrieben.
Es kommt zu Schwierigkeiten, wenn die geregelte Ausgangsspannung gleich oder nahe bei der Zufuhrspannung ist. In diesem Fall wird die Ausgangsstufe abwechseln zwischen dem Buck-Modus und Boost-Modus in rascher Abfolge ausgelegt. In beiden Modi erreicht das Tastverhältnis (z.B. das Verhältnis zwischen der Spulenladungszeit und der Spulenentladungszeit) Extremwerte. In dem Buck-Modus beträgt das Tastverhältnis nahezu 100 %, und in dem Boost-Modus beträgt das Tastverhältnis nahezu 0 %. Diese extremen Tastverhältnisse sind schwer zu realisieren, da Schaltertreiber und Steuerkomparatoren in den Buck-Boost-Wandlern endliche Latenzzeiten aufweisen, die zu einem maximal durchführbaren Tastverhältnis von ungefähr 90 % in dem Buck-Modus und einem minimal durchführen Tastverhältnis von ungefähr 10 % in dem Boost-Modus führen. Irgendein Tastverhältnisschema über diese Grenzen hinaus ist aufgrund von minimalen Impulsbreiteneinschränkungen, die sich aus den Latenzen ergeben, schwer zu realisieren. Das bedeutet jedoch, dass der Buck-Boost-Wandler nicht in der Lage sein kann, die Tastverhältnisse zu realisieren, die für eine gute Ausgangsspannungsregelung notwendig sind. Als letzte Konsequenz ist die geregelte Ausgangsspannungsgenauigkeit schlechter und die geregelte Ausgangsspannung zeigt eine viel höhere Welligkeit, wenn die geregelte Ausgangsspannung nahe bei der Zufuhrspannung liegt, verglichen mit Fällen, wo die geregelte Ausgangsspannung viel niedriger oder viel höher ist als die Zufuhrspannung.
Einige Buck-Boost-Wandler wählen einen Modus auf der Basis reiner Spannungsmessungen und/oder einer Programmierung aus. Wenn in diesen Buck-Boost-Wandlern die gemessene (z.B. programmierte) Ausgangsspannung niedriger ist als die gemessene Zufuhrspannung, wird dann ein Buck-Schaltschema gewählt. Wenn die gemessene (z.B. programmierte) Ausgangsspannung höher ist als die gemessene Zufuhrspannung, wird dann ein Boost-Schaltschema gewählt.
Ein Modusauswahlkriterium, das auf Spannungsmessungen basiert, ist problematisch, da die Zufuhrspannung und geregelte Ausgangsspannung üblicherweise an Abfühlpunkten an dem Buck-Boost-Wandlereingang und -ausgang gemessen werden. Der relevante Indikator ist jedoch die Spannung, gesehen von der Spule. Diese Spannung unterscheidet sich von den gemessenen Spannungen durch den Spannungsabfall der Schaltervorrichtungen, der stromabhängig ist. Als Ergebnis ist die auf der Spannung basierende Entscheidung fehleranfällig und variiert über den Laststrom. Der Boost-Modus kann von Zeit zu Zeit gewählt werden, wenn der Buck-Modus benötigt wird, und umgekehrt. Demgemäß kann die geregelte Ausgangsspannung von ihrem Zielpegel abweichen (wodurch eine Welligkeit verursacht wird), bis die Spannungsdifferenz groß genug wird, so dass die korrekte Entscheidung sogar mit Spannungsabfalleffekten getroffen wird. Dies führt zu einer starken Welligkeit in der Buck-Boost-Übergangsregion. Zusätzlich zu der Welligkeit führt die Modusauswahl auf der Basis der geregelten Ausgangsspannung in der Buck-Boost-Übergangsregion häufig zu marginaler Stabilität und/oder Oszillationen, was zu einer noch schlechteren geregelten Ausgangsspannungsgenauigkeit führt.
Hier werden Systeme, Verfahren und Schaltungen beschrieben, die den Modus (Buck oder Boost) auf der Basis einer Spulenstrommessung auswählen und auch die Schaltfrequenz in der Buck-Boost-Übergangsregion allmählich ändern, so dass extreme Tastverhältnisse erzielt werden können.
Nun wird die vorliegende Offenbarung mit Bezugnahme auf die beigeschlossenen Figuren beschrieben, in denen ähnliche Bezugszahlen verwendet werden, um sich durchgehend auf ähnliche Elemente zu beziehen, und in denen die veranschaulichten Strukturen und Vorrichtungen nicht unbedingt maßstabgetreu sind. Wie hier verwendet, sollen sich die Ausdrücke „Modul“, „Komponente“, „System“, „Schaltung“, „Element“, „Slice“, „Schaltungen“ und dgl. auf einen Satz einer oder mehrerer Komponenten, eine computerbasierte Einheit, Hardware, Software (z.B. in Ausführung) und/oder Firmware beziehen. Zum Beispiel können Schaltungen oder ein ähnlicher Ausdruck ein Prozessor, ein Prozess, der auf einem Prozessor läuft, eine Steuereinheit, ein Objekt, ein ausführbares Programm, eine Speichervorrichtung und/oder ein Computer mit einer Verarbeitungsvorrichtung sein. Zur Veranschaulichung können eine Anwendung, die auf einem Server läuft, und der Server auch Schaltungen sein. Eine oder mehrere Schaltungen können innerhalb derselben Schaltungen residieren, und Schaltungen können auf einem Computer lokalisiert und/oder zwischen zwei oder mehreren Computern verteilt sein. Ein Satz von Elementen oder ein Satz anderer Schaltungen kann hier beschrieben werden, wobei der Ausdruck „Satz“ als „ein oder mehrere“ ausgelegt werden kann.
Als weiteres Beispiel können Schaltungen oder ein ähnlicher Ausdruck eine Vorrichtung mit einer spezifischen Funktionalität sein, welche von mechanischen Teilen geliefert wird, die von elektrischen oder elektronischen Schaltungen betrieben werden, wobei die elektrischen oder elektronischen Schaltungen von einer Software-Anwendung oder Firmware-Anwendung betrieben werden können, die von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden. Der eine oder die mehreren Prozessoren kann oder können intern oder extern von der Vorrichtung sein und können mindestens einen Teil der Software- oder Firmware-Anwendung ausführen. Als noch weiteres Beispiel können Schaltungen eine Vorrichtung sein, die eine spezifische Funktionalität durch elektronische Komponenten ohne mechanische Teile bereitstellt; die elektronischen Komponenten können einen oder mehrere Prozessoren darin umfassen, um ausführbare Instruktionen auszuführen, die in einem computerlesbaren Speichermedium und/oder Firmware gespeichert sind, welche mindestens teilweise die Funktionalität der elektronischen Komponenten verleihen.
Es ist klar, dass, wenn von einem Element angegeben wird, dass es mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ ist, es mit dem anderen Element physisch verbunden oder gekoppelt sein kann, so dass Strom und/oder elektromagnetische Strahlung (z.B. ein Signal) einen Leitweg entlang fließen kann, der von den Elementen gebildet wird. Intervenierende konduktive, induktive oder kapazitive Elemente können zwischen dem Element und dem anderen Element vorhanden sein, wenn von den Elementen beschrieben wird, dass sie miteinander gekoppelt oder verbunden sind. Wenn miteinander gekoppelt oder verbunden, kann ferner ein Element in der Lage sein, einen Spannungs- oder Stromfluss oder eine Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle in dem anderen Element ohne physischen Kontakt oder intervenierende Komponenten zu induzieren. Wenn ferner von einer Spannung, einem Strom oder einem Signal angegeben wird, dass sie/er/es an ein Element angelegt wird, kann die Spannung, der Strom oder das Signal zu dem Element durch eine physische Verbindung oder durch eine kapazitive, elektromagnetische oder induktive Kopplung geleitet werden, die keine physische Verbindung involviert.
Wie hier verwendet, kann ein Signal, das einen Wert oder andere Informationen „anzeigt“, ein digitales oder analoges Signal sein, das den Wert oder andere Informationen in einer Weise codiert oder sonst kommuniziert, die von einer Antwortaktion in einer das Signal empfangenden Komponente decodiert werden kann und/oder diese bewirken kann. Das Signal kann in einem computerlesbaren Speichermedium vor seinem Empfang durch die empfangende Komponente gespeichert oder gepuffert werden, und die empfangende Komponente kann das Signal aus dem Speichermedium abrufen. Ferner kann ein „Wert“, der irgendeine Größe, einen Zustand oder einen Parameter „anzeigt“, physisch als digitales Signal, als analoges Signal oder als gespeicherte Bits verkörpert werden, die den Wert codieren oder sonst kommunizieren.
Die Verwendung des Worts Beispiel soll Konzepte in konkreter Weise präsentieren. Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Beispiele und soll die Beispiele nicht einschränken. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen „eine/r/s“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen umfassen, wenn der Kontext nicht klar etwas anderes angibt. Ferner ist es klar, dass die Ausdrücke „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“, wenn sie hier verwendet werden, die Anwesenheit angegebener Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch die Anwesenheit oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
In der folgenden Beschreibung wird eine Vielzahl von Details ausgeführt, um eine sorgfältigere Erklärung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu geben. Für Fachleute ist es jedoch klar, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen werden wohlbekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockbildform anstatt detailliert gezeigt, um die Überlastung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden. Zusätzlich können Merkmale der hier im Nachstehenden beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, wenn nicht spezifisch etwas anderes angegeben wird.
1 veranschaulicht ein Beispiel eines Buck-Boost-Steuersystems 100, das dafür ausgelegt ist, einen Buck-Boost-Wandler 110 zu steuern, der eine Zufuhrspannung VBAT regelt. Der Buck-Boost-Wandler 110 umfasst eine Spule 114 mit einem Spulenstrom, der selektiv von einem Satz von Buck-Boost-Schaltern (als Vorrichtungen A bis D bezeichnet) gesteuert wird. Obwohl bestimmte Typen von Vorrichtungen (z.B. NMOS, PMOS) veranschaulicht sind, können andere Vorrichtungen und Auslegungen für die Buck-Boost-Schalter verwendet werden. Der Buck-Boost-Wandler 110 wird entweder in einem Buck-Modus oder einem Boost-Modus betrieben. Während er in einem der beiden Modi ist, werden die Buck-Boost-Schalter gesteuert, um entweder die Spule 114 mit der Zufuhrspannung zu laden oder die Spule zu entladen.
Das Steuersystem 100 umfasst Kompensatorschaltungen 120, Modussteuerschaltungen 130 und einen Zielstromsensor 125. Die Kompensatorschaltungen 120 sind dafür ausgelegt, um einen Zielstrom auf der Basis einer Differenz zwischen einer Zielspannung und einer geregelten Ausgangsspannung des Buck-Boost-Wandlers zu bestimmen. Der bestimmte Zielstrom wird an den Zielstromsensor 125 geliefert, der einen Spulenstrom in der Spule 114 mit dem Zielstrom vergleicht. Der Zielstromsensor 125 liefert ein Signal, das anzeigt, dass der Spulenstrom den Zielstrom für die Kompensatorschaltungen 120 erreicht hat. Ansprechend darauf, dass der Spulenstrom den Zielstrom erreicht, generieren die Kompensatorschaltungen 120, auf der Basis der Differenz zwischen der Zielspannung und der geregelten Ausgangsspannung, entweder ein „Ladungs“ steuersignal oder ein „Entladungs“ steuersignal. In Abhängigkeit davon, ob sich die Buck-Boost-Steuereinheit in dem Buck-Modus oder Boost-Modus befindet, werden die Ladungs- und Entladungssteuersignale die Buck-Boost-Schalter unterschiedlich betreiben.
In dem Beispiel von 1, in dem Buck-Modus, schaltet zum Beispiel das Ladungssteuersignal die Vorrichtung A EIN und AUS auf der Basis eines Gipfel- oder Talschaltens, die Schaltervorrichtungen B und C auf AUS, und die Schaltervorrichtung D auf EIN. In dem Buck-Modus schaltet das Entladungssteuersignal die Vorrichtung A auf AUS, die Schaltervorrichtung B EIN und Gipfel- oder Talschalten, die Schaltervorrichtung C auf AUS, und die Schaltervorrichtung D auf EIN. In dem Boost-Modus schaltet das Ladungssteuersignal die Vorrichtung A auf EIN, die Schaltervorrichtung B auf AUS, die Schaltervorrichtung C auf EIN und AUS Gipfel- oder Talschalten, und die Schaltervorrichtung D auf AUS. In dem Boost-Modus schaltet das Entladungssteuersignal die Vorrichtung A auf EIN, die Schaltervorrichtungen B und C auf AUS, und die Schaltervorrichtung D EIN und AUS Gipfel- oder Talschalten. Das Gipfel- und Talschalten wird mit Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Die Kompensatorschaltungen 120 bestimmen auch einen Toleranzstrom, der, mit dem Zielstrom, einen Bereich eines unerwarteten Spulenstroms für den vorliegenden Betriebsmodus (d.h. entweder den Buck-Modus oder Boost-Modus) definiert. Die Modussteuerschaltungen 130 sind dafür ausgelegt, um den Buck-Boost-Wandler 110 von dem vorliegenden Betriebsmodus in den anderen Betriebsmodus zu schalten, wenn der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht.
Auf diese Weise steuert das Beispiel des Steuersystems 100 den Buck-Boost-Wandler 110, um zwischen dem Buck-Modus und Boost-Modus auszuwählen, nicht auf der Basis einer Spannungsmessung, sondern stattdessen auf der Basis einer Evaluierung dahingehend, ob der Zielstrom in dem vorliegenden Betriebsmodus erreicht werden kann oder nicht erreicht werden kann. In dem Buck-Modus gibt es eine erste Buck-Schalterauslegung, für die der Spulenstrom ansteigt, und einen zweite Buck-Schalterauslegung, wo der Spulenstrom fällt. Ähnlich gibt es in dem Boost-Modus eine erste Boost-Schalterauslegung, für die der Spulenstrom ansteigt, und eine zweite Boost-Schalterauslegung, wo der Spulenstrom fällt. Wenn der Spulenstrom in dem Buck-Modus für beide Buck-Schalterauslegungen fällt, und wenn als Folge der Spulenstrom zu viel von dem Zielstrom abweicht (z.B. den Toleranzstrom erreicht), schaltet das Steuersystem 100 den Buck-Boost-Wandler auf den Boost-Modus. Wenn der Spulenstrom in dem Boost-Modus für beide Boost-Schalterauslegungen steigt, und wenn als Folge der Spulenstrom zu viel von dem Zielstrom abweicht (z.B. den Toleranzstrom erreicht), schaltet das Steuersystem 100 den Buck-Boost-Wandler auf den Buck-Modus.
In einem Beispiel kann eine variable Schaltfrequenz, die sich selbst an die Spulenstromneigung anpasst, von den Modussteuerschaltungen 130 verwendet werden. Eine variable Schaltfrequenz unterstützt Buck-Modus-Tastverhältnisse von 99 % und mehr und Boost-Modus-Tastverhältnisse von 1 % und darunter. Dies ermöglicht eine genaue Regelung in der Buck-Boost-Übergangsregion.
2 veranschaulicht ein Beispiel eines Steuerschemas, das von den Modussteuerschaltungen 130 von 1 verwendet werden kann, in fünf verschiedenen Szenarien, während sich der Buck-Boost-Wandler 100 in dem Buck-Modus befindet (d.h. der vorliegende Betriebsmodus ist der Buck-Modus). Die gekrümmte Linie zeigt den Spulenstrom an. Wenn der Buck-Modus der korrekte Betriebsmodus ist, auf der Basis der geregelten Ausgangsspannung und Zielspannung, steigt der Spulenstrom abwechselnd an und fällt. In dem Buck-Modus sollte der Spulenstrom nicht weiter fallen. Die obere durchgehende Linie ist der Zielstrom, der von den Kompensatorschaltungen (120 in 1) berechnet wird. Die Buck-Boost-Schalter werden derart geschaltet, dass der Spulenstrom dem Zielstrom folgt. Die gestrichelte blaue Linie ist der Toleranzstrom, der auch von den Kompensatorschaltungen bestimmt wird. Der Toleranzstrom wird von dem Zielstrom abgeleitet und ist von dem Zielstrom um eine vorherbestimmte Versetzung versetzt. Wenn der Zielstrom steigt (oder fällt), steigt (oder fällt) auch die Toleranzstromgrenze.
Der erste Fall (a) zeigt den Buck-Boost-Wandler, der in einem tiefen Buck-Modus betrieben wird. Sowohl die Anstieg- als auch Abfallneigung des Spulenstroms sind steil, was anzeigt, dass die Zufuhrspannung erheblich größer ist als die geregelte Ausgangsspannung.
Der zweite Fall (b) zeigt eine Situation, wo die Zufuhrspannung noch größer ist als die geregelte Ausgangsspannung (effektiv an der Spule). Die Spannungsdifferenz ist jedoch so klein, dass der Spulenstrom sehr langsam ansteigt. In einem Beispiel wird eine Hysteresestromsteuerung verwendet, die automatisch die Schaltfrequenz reduzieren wird. Bei der Hysteresestromsteuerung bleiben die Buck-Boost-Schalter in dem Ladezustand, bis der Spulenstrom den Zielstrom erreicht. Die Hysteresestromsteuerung ist vorteilhaft für die Effizienz aufgrund von weniger Schaltereignissen und einer geringeren Welligkeit, da sie ein unnötiges Schalten in der entgegengesetzten Richtung reduziert. Ein Beispiel einer Hysteresestromsteuerung wird mit Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Der dritte Fall (c) ist der Eckfall, wo es einen Null effektiven Spannungsabfall quer über die Spule gibt. Der Spulenstrom bleibt nur, wo er ist. Die Schaltfrequenz geht auf Null (während dieser Phase). Da der Spulenstrom den Zielstrom nicht in einer annehmbaren Zeit trifft, wären die Modussteuerschaltungen 130 in einem offenen Schleifenzustand ohne den Toleranzstrom. Der Toleranzstrom ist eine Art Sicherheitsnetz, das die Schaltstufe in diesem Zustand belässt, nur solange der Spulenstrom nicht zu viel unter dem Ziel ist.
Im Fall (d) ist die Situation noch ein wenig extremer. Auch in der Phase, wo der Spulenstrom ansteigen sollte, fällt er weiter. Sobald der Spulenstrom die Toleranzstromgrenze überquert, kann gesagt werden, dass der Buck-Modus nicht in der Lage sein wird, den Zielstrom zu erreichen. Wenn der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht, ist dies somit das Auslöserereignis (durch den Pfeil angezeigt), das von den Modussteuerschaltungen 130 verwendet wird, um den Buck-Boost-Wandler 110 in den Boost-Modus zu schalten, der dann ein zuverlässigeres Laden der Spule 114 gestattet.
Der Fall (e) zeigt dieselbe Bedingung wie Fall (d), außer dass die geregelte Ausgangsspannung fällt. Der Spulenstrom bleibt anfänglich im Wesentlichen flach, was annehmbar ist, solange die geregelte Ausgangsspannung dieselbe bleibt. Wenn die geregelte Ausgangsspannung fällt, erhöhen die Kompensatorschaltungen 120 den Zielstrom. Da der Spulenstrom flach ist, wird der Spulenstrom weder den ursprünglichen Zielstrom noch den neuen (ansteigenden) Zielstrom erreichen. Der Spulenstrom muss jedoch ansteigen, um auf die fallende geregelte Ausgangsspannung zu reagieren. Da der Toleranzstrom zusammen mit dem Zielstrom ansteigt, hinterlässt der flache Spulenstrom sein Toleranzfenster (da der Toleranzstrom mit dem Zielstrom ansteigt). Wenn der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht (wie durch den Pfeil angezeigt), schalten die Modussteuerschaltungen 130 den Buck-Boost-Wandler 110 von dem Buck-Modus in den Boost-Modus, der den Spulenstrom erhöht, wie von den Kompensatorschaltungen 120 angefordert.
3 veranschaulicht ein Beispiel eines Steuerschemas, das von den Modussteuerschaltungen 130 von 1 verwendet werden kann, in vier verschiedenen Szenarien, während sich der Buck-Boost-Wandler 100 in dem Boost-Modus befindet (d.h. der vorliegende Betriebsmodus ist der Boost-Modus). Fall (a) ist ein tiefer Boost-Modus. Die geregelte Ausgangsspannung ist erheblich höher als die Zufuhrspannung. Sowohl die Anstiegneigung als auch die Abfallneigung des Spulenstroms sind steil.
In dem Fall (b) ist die geregelte Ausgangsspannung nur geringfügig höher als die Zufuhrspannung. Die Abfallneigung wird sehr niedrig, und die Kompensatorschaltungen 120 reduzieren automatisch die Schaltfrequenz (auf der Basis dessen, dass der Spulenstrom den Zielstrom erreicht).
In dem Fall (c) ist die Spannungsdifferenz zwischen der Zufuhrspannung und der geregelten Ausgangsspannung so gering, dass der Spulenstrom eine Null Neigung in seiner Fallphase aufweist. Solang die geregelte Ausgangsspannung ausreichend ist, kann der Buck-Boost-Wandler in dem Boost-Modus bleiben. Wenn sich jedoch die Spannungsbedingungen noch mehr verschieben, wie in dem Fall (d), kann der Spulenstrom überhaupt nicht fallen, sondern kann sogar ansteigen, wenn die Boost-Schalter gesetzt werden, um zu bewirken, dass der Spulenstrom fällt. In dieser Situation trifft der Spulenstrom die (obere) Toleranzstromgrenze. Ansprechend darauf, dass der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht (wie von dem Pfeil angezeigt), werden die Modussteuerschaltungen den Buck-Boost-Wandler 110 in den Buck-Modus schalten.
4 veranschaulicht ein Beispiel eines Steuersystems 400 für einen Buck-Boost-Wandler 410. Das Steuersystem 400 umfasst Kompensatorschaltungen 420 und einen Zielstromsensor 425, die jeweils analog zu den Kompensatorschaltungen 120 und dem Zielstromsensor 125 von 1 arbeiten. Zum Beispiel messen die Kompensatorschaltungen 420 die geregelte Ausgangsspannung und vergleichen sie mit einer Zielausgangsspannung. Auf der Basis dieser Messung wird der Zielstrom von dem Zielsensor 425 für den Vergleich mit dem tatsächlichen Strom berechnet und verwendet. Die Kompensatorschaltungen 420 berechnen den Zielstrom unabhängig von dem Betriebsmodus (Buck oder Boost). Mapper-Schaltungen 450 übersetzen die Ladungs- und Entladungsbefehle, die von den Kompensatorschaltungen 420 generiert werden, zum Laden und Entladen der Spule in geeignete Schaltersteuersignale für Buck-Boost-Schalter (Vorrichtungen A bis D). Die Mapper-Schaltungen 450 übersetzen die Ladungs- und Entladungsbefehle auf der Basis von Modusinformationen (Buck oder Boost), die von Modusauswahlschaltungen 440 empfangen werden.
Die Kompensatorschaltungen 420 verwenden den Zielstrom, um den Toleranzstrom zu berechnen. Wenn sich der Buck-Boost-Wandler 410 in dem Buck-Modus befindet, wird der Toleranzstrom unter den Zielstrom gesetzt, und wenn sich der Buck-Boost-Wandler 410 in dem Boost-Modus befindet, wird der Toleranzstrom über den Zielstrom gesetzt. Ein Toleranzstromsensor 445 ist dafür ausgelegt, um den Spulenstrom zu empfangen, den Spulenstrom mit dem Toleranzstrom zu vergleichen und ein Toleranztreffersignal zu generieren, wenn der Spulenstrom äquivalent ist zu dem Toleranzstrom. Der Toleranzstromsensor 445 misst denselben Spulenstrom wie der Zielstromsensor 425, der Toleranzstromsensor 445 kann jedoch eine andere Schnittstelle oder einen anderen Schaltungsort für die Messung verwenden. Die Modusauswahlschaltungen 440 antworten auf das Toleranztreffersignal durch Schalten des Betriebsmodus in den anderen Modus (z.B. von Boost zu Buck oder von Buck zu Boost), wie im Vorstehenden beschrieben.
Die Modusauswahlschaltungen 440 generieren ein Modusauswahlsignal, das die Mapper-Schaltungen 450 steuert, um die Befehle von den Kompensatorschaltungen 420 zu mappen, um zu bewirken, dass der Buck-Boost-Wandler in dem ausgewählten Modus arbeitet (welcher der andere Modus in Bezug auf den aktuellen Betriebsmodus ist). In Abhängigkeit von dem vorliegenden Betriebsmodus, ansprechend darauf, dass der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht, steuern somit die Modusauswahlschaltungen 440 die Mapper-Schaltungen 450, um entweder in einen Buck-Modus oder einen Boost-Modus einzutreten. In Abhängigkeit von dem Modus werden die Mapper-Schaltungen einen Ladungs- oder Entladungsbefehl in Steuersignale für die Buck-Boost-Schalter A bis D übersetzen, wie mit Bezugnahme auf 1 beschrieben.
In einem Beispiel sind, zusätzlich zur Auswahl zwischen einem Buck- oder Boost-Modus, die Modusauswahlschaltungen 440 auch dafür ausgelegt, um ein Gipfel- oder Talschaltmodus-Auswahlsignal zu generieren, das entweder einen Gipfelschaltmodus oder einen Talschaltmodus auf der Basis dessen auswählt, um die Schaltfrequenz zu reduzieren. Gipfel- und Talmodi sind zwei Teilmodi oder eine Hysteresestromsteuerung. In Hysteresestromsteuerschemata wird entweder die Anstieg- oder Abfallphase eines Spulenstroms als variable Phase ausgewählt, während die andere Phase als konstante Phase ausgewählt wird. Beim Gipfelschalten ist die Anstiegphase die variable Phase und die Abfallphase ist die konstante Phase. Das bedeutet, dass in dem Gipfelschaltmodus während der Anstiegphase die Vorrichtung, die geschaltet wird (z.B. eine der Vorrichtungen A bis D, wie in 1 beschrieben), gesteuert wird (von den Mapper-Schaltungen 450), um EIN zu sein, bis der Zielstrom erreicht wird (somit wird die Zeitdauer variieren, in der die Vorrichtung EIN ist). In der Abfallphase wird die Vorrichtung, die geschaltet wird, gesteuert, um AUS zu sein für eine vorherbestimmte feste Zeitdauer (konstant AUS). Beim Talschalten ist die Abfallphase die variable Phase und die Anstiegphase ist die konstante Phase. Das bedeutet, dass in dem Talschaltmodus während der Anstiegphase die Vorrichtung, die geschaltet wird (z.B. eine der Vorrichtungen A bis D, wie in 1 beschrieben), gesteuert wird, um für eine feste Zeitdauer EIN zu sein (konstant EIN). Während der Abfallphase wird die Vorrichtung, die geschaltet wird, gesteuert, um AUS zu sein, bis der Zielstrom erreicht wird (somit wird die Zeitdauer variieren, in der die Vorrichtung AUS ist).
Die Modusauswahlschaltungen 440 wählen auch entweder den Gipfelschaltmodus oder den Talschaltmodus auf der Basis der relativen Dauer der variablen Phase und der festen Phase des Spulenstroms aus. Wenn die variable Phase kürzer wird als die feste Phase, wird der Gipfel- oder Talschaltmodus (Gipfel gegenüber Tal) durch die Modusauswahlschaltungen 440 auf den anderen Gipfel- oder Talschaltmodus geändert.
In einem Beispiel umfasst das Steuersystem 400 einen Spannungssensor 460, der dafür ausgelegt ist, die geregelte Ausgangsspannung mit einer Zufuhrspannung zu vergleichen, die von einem Buck-Boost-Wandler geregelt wird, und ein Differenzsignal zu generieren, das die Differenz zwischen der geregelten Ausgangsspannung und der Zufuhrspannung anzeigt. Die Modussteuerschaltungen 430 sind dafür ausgelegt, um es zu unterlassen, den Buck-Boost-Wandler in den anderen Betriebsmodus zu schalten, wenn die Differenz eine Schaltschwelle überschreitet. Dies bedeutet nicht, dass die Modusentscheidung primär auf einer Spannungsmessung basiert, sondern stattdessen wird das Differenzsignal als Sicherheit verwendet, indem ein Modusschalten nur zugelassen wird, wenn ein grobe Spannungsplausibilitätsprüfung dies gestattet. Die Genauigkeit der Spannungsmessung, die von dem Spannungssensor 460 vorgenommen wird, kann sehr grob sein, da es sich nicht um das tatsächliche Schaltkriterium handelt. Wenn zum Beispiel die geregelte Ausgangsspannung zum Beispiel viel niedriger ist als die Zufuhrspannung, können es die Modussteuerschaltungen 430 unterlassen, den Buck-Boost-Wandler 410 in den Boost-Modus zu schalten.
5 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens 500 darstellt, das dafür ausgelegt ist, einen Buck-Boost-Wandler zu steuern, um in einem vorliegenden Betriebsmodus zu arbeiten, der entweder einem Buck-Modus oder einem Boost-Modus entspricht. Der Buck-Boost-Wandler umfasst eine Spule mit einem Spulenstrom, der selektiv von einem Satz von Buck-Boost-Schaltern gesteuert wird. Das Verfahren kann zum Beispiel jeweils von den Steuersystemen 100, 400 von 1 und 4 vorgenommen werden. Das Verfahren umfasst, bei 510, das Bestimmen eines Zielstroms auf der Basis der Differenz zwischen einer Zielspannung und einer geregelten Ausgangsspannung des Buck-Boost-Wandlers, und, bei 520, das Bestimmen eines Toleranzstroms, der, mit dem Zielstrom, einen Bereich des erwarteten Spulenstroms für den vorliegenden Betriebsmodus definiert. Bei 530 wird der Buck-Boost-Wandler von dem vorliegenden Betriebsmodus in den anderen Betriebsmodus geschaltet, wenn der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht.
Aus der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, dass die auf dem Spulenstrom basierenden Buck-Boost-Wandler-Steuersysteme und hier beschriebenen Verfahren einen optimalen Schaltmodus für den Buck-Boost-Wandler auswählen, um eine Welligkeit der geregelten Ausgangsspannung zu reduzieren, wenn die Zufuhrspannung nahe bei der geregelten Ausgangsspannung liegt.
Neue Telekommunikationsstandards, wie 5G New Radio (NR), haben die Ausregelzeitanforderungen für RF Energieverwaltungs-ICs reduziert, wie Envelope Tracker und auch reguläre Advance Power Technology- (APT) Energieverwaltungs-ICs. Bei 5G NR kann die Energie auf einer Symbol-für-Symbol-Basis skaliert werden. Ein Symbol kann so klein sein wie 17 us lang, und daher sollte eine geregelte Spannung, die an einen Energieverstärker geliefert wird, eine Ausregelzeit von weniger als 2 us aufweisen. Das bedeutet, dass der Spannungsregler einen Lastschritt (signifikante Änderung im Energieverbrauch der Last, wie ein Energieverstärker- (PA) Übergang) oder ein Skalierungsereignis (Spannungsskalierung aufgrund einer Hüllkurvenverfolgung) alle 17 us erfahren kann, und gleichzeitig die erhaltenen geregelten Spannungsfehler (z.B. Dämpfungstransienten) innerhalb von weniger als 2 us regeln kann. Dies ist für bekannte Spannungsregler mit herkömmlicher Rückkopplungsschleifenausbildung nicht durchführbar.
Frühere Energieverwaltungslösungen verwenden einen herkömmlichen Spannungsregler. Die geregelte Ausgangsspannung (z.B. die Spannung, die dem Energieverstärker geliefert wird) wird gemessen und mit einer Zielspannung verglichen. Das erhaltene Fehlersignal wird verwendet, um die geregelte Ausgangsspannung entweder zu erhöhen oder zu verringern. Der große Lastschritt führt zu einer starken Variation des Laststroms. Diese Laststromvariation bewirkt eine Spannungsverschlechterung, die von der Spannungsschleife gesehen und dann von dem Spannungsregler korrigiert wird. Das bedeutet, dass zuerst die geregelte Ausgangsspannung eine signifikante Verschlechterung erfahren muss, bevor eine Gegenmaßnahme ergriffen wird.
Geregelte Ausgangsspannungsfehler könne mit größeren Ausgangsfilterkondensatoren etwas minimiert werden. Diese Kondensatoren liefern den Laststrom, bis die Steuerschleife reagiert hat und mehr Strom von der Batterie liefert; große Kondensatoren führen jedoch zu Kosten und verbrauchen wertvolle PCB Fläche. Eine zusätzliche Komplikation bei der Erfüllung der 5G NR Energieverwaltungsanforderungen ist, dass 5G NR auch erfordert, dass der Spannungsregler in der Lage sein sollte, seine geregelte Ausgangsspannung rasch zu skalieren. Große Kondensatoren werden die Spannungsskalierungsfähigkeit des Spannungsreglers signifikant verlangsamen.
Hier werden Systeme, Verfahren und Schaltungen beschrieben, die dafür ausgelegt sind, Transienten in geregelten Ausgangsspannungen in der Weise einer Vorwärtskopplung zu dämpfen, so dass ein Dämpfungsmechanismus mit einem Ausgang eines Spannungsreglers vor einem Lastschritt verbunden wird und nach dem Lastschritt getrennt wird. Auf diese Weise werden zwei Vorwärtskopplungsmechanismen verwendet, um die Reaktion auf schnelle Lasttransienten auf der Basis einer vorausschauenden Kenntnis der Lasttransienten zu verbessern.
6 veranschaulicht ein Spannungsreglersystem 600, das ein Beispiel eines Transientendämpfungssystems 620 aufweist. Das Spannungsreglersystem 600 umfasst Reglerschaltungen 610, die eine Zufuhrspannung VBAT konditionieren, um eine Ausgangsspannung zu generieren, die an eine Last 680 geliefert wird. Die Last 680 geht positive Lastschritte ein, in denen ein großer Zufuhrstrom abrupt von den Reglerschaltungen angefordert wird, und negative Lastschritte, wenn ein großer Zufuhrstrom abrupt gestoppt wird. Zum Beispiel kann ein positiver Lastschritt auftreten, wenn ein Energieverstärker von einem niedrigen Energiemodus in einen hohen Energiemodus übergeht, während ein negativer Lastschritt auftreten kann, wenn ein Energieverstärker von einem hohen Energiemodus in einen niedrigen Energiemodus übergeht. Diese Lastschritte tendieren dazu, Transienten in der geregelten Ausgangsspannung zu verursachen, die von den Reglerschaltungen 610 erzeugt wird.
Das Transientendämpfungssystem 620 ist dafür ausgelegt, um Transienten in der geregelten Ausgangsspannung aufgrund von Lastschritten zu dämpfen. Das Transientendämpfungssystem 620 umfasst einen Dämpfungsmechanismus 630 und Dämpfungsschaltungen 650. Der Dämpfungsmechanismus ist dafür ausgelegt, um Effekte eines Lastschritts auf die geregelte Ausgangsspannung zu reduzieren. Die Dämpfungsschaltungen sind dafür ausgelegt, um den Dämpfungsmechanismus zu einer Zeit t_dm zu aktivieren, die vor einer Zeit t_Is auftritt, zu der ein Lastschritt auftreten wird, und den Dämpfungsmechanismus zu oder nach der Zeit t_Is zu deaktivieren. Auf diese Weise steuern die Dämpfungsschaltungen 650 den Dämpfungsmechanismus 630 in der Weise einer Vorwärtskopplung, um den Dämpfungsmechanismus vor dem Lastschritt zu aktivieren.
7 veranschaulicht ein Spannungsreglersystem 700, das ein Beispiel eines Transientendämpfungssystems 720 umfasst. Die Reglerschaltungen 710 umfassen einen Buck-Boost-GSGS-Wandler, der mit einer Last 780 gekoppelt ist. Die Last 780 umfasst Spannungsteilerschaltungen 783 (d.h. ein geschaltetes Kondensatornetz oder eine Ladungspumpe), welche die GSGS-geregelte Ausgangsspannung in N Ausgangsspannungen teilen. Ein Zufuhrmodulator 785 verbindet eine ausgewählte eine dieser N Ausgangsspannungen mit dem Energiezufuhreingang eines Energieverstärkers 787, um eine Hüllkurvenverfolgungsarchitektur zu unterstützen, bei der die geregelte Ausgangsspannung zu dem Energieverstärker 787 proportional zu dem übertragenen Signal skaliert wird. Zusätzlich zu den Lastschritten, die eingegangen werden, wenn der Energieverstärker 787 den Betrieb zwischen einem hohen Energiebetriebsmodus und einem niedrigen Energiebetriebsmodus verschiebt, können Lastschritte auch auftreten, wenn die N Ausgangsspannungen skaliert werden, um einen anderen Satz von Ausgangsspannungen zu liefern.
Prädiktorschaltungen 760 sind dafür ausgelegt, um zu bestimmen, dass die Ausgangsspannungen zu einer Zeit t_sv zu skalieren sind, und sagen auch eine Zeit t_Is vorher, wenn ein Lastschritt aufgrund des Energieverstärker-Verschiebungsbetriebs zwischen einem hohen Energiebetriebsmodus und einem niedrigen Energiebetriebsmodus (z.B. zwischen EIN, AUS und SLEEP) auftreten wird. In einem Beispiel sind die Prädiktorschaltungen 760 dafür ausgelegt, um die Zeit t_Is auf der Basis eines Symbolübertragungsplans zu bestimmen. Die Prädiktorschaltungen 760 können mit einer Programmierungsschnittstelle der Reglerschaltungen 710 kommunizieren und ein Ereignis generieren, wenn eine Änderung in der geregelten Ausgangsspannung programmiert wurde. Die Prädiktorschaltungen 760 liefern die Zeiten tsv und t_Is an die Dämpfungsschaltungen 750, die ansprechend darauf eine künstliche Last 730 wie folgt aktivieren und deaktivieren.
Der Dämpfungsmechanismus des Transientendämpfungssystems 720 umfasst den künstlichen Lastblock 730, der mit einem Ausgang der Reglerschaltungen 710 verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen den Reglerschaltungen 710 und dem künstlichen Lastblock 730 kann entweder vor den Spannungsteilerschaltungen 783, wie gezeigt, oder nach den Spannungsteilerschaltungen 783 oder nach dem Zufuhrmodulator 785 sein. Der künstliche Lastblock umfasst eine Kapazität (z.B. Kondensator) und ein resistives Element, die in Serie zwischen der geregelten Ausgangsspannung und einem zweiten Potential (z.B. Erde) verbunden sind. Ein niederohmiger Schalter S1 ist parallel mit dem resistiven Element verbunden. S1 wird zu (oder vor) der Zeit t_dm geschlossen, um die geregelte Ausgangsspannung dem vollen Dämpfungseffekt des Kondensators zu unterwerfen. Der niederohmige Schalter S1 wird zu der Zeit tsv geöffnet, um zu bewirken, dass die resistive Last mit dem Kondensator in Serie ist. Diese Öffnung von S1 deaktiviert die künstliche Last 730 durch Reduzieren oder effektives Eliminieren des Dämpfungseffekts des Kondensators und ermöglicht eine raschere Skalierung der Ausgangsspannungen.
In einem Beispiel umfasst der künstliche Lastblock 730 einen Kondensatorschalter S2 (mit gestrichelten Linien gezeigt), der die Verbindung zwischen dem Kondensator und der geregelten Ausgangsspannung öffnen kann. Das resistive Element (z.B. Widerstand) ist in Serie mit dem Kondensator verbunden. Der niederohmige Schalter S1 ist parallel mit dem resistiven Element verbunden. In einem Beispiel kann der Widerstand eines resistiven Elements durch Aktivieren nur eines Abschnitts des Schalters S1 emuliert werden.
Wenn S2 verwendet wird, sind die Dämpfungsschaltungen 750 dafür ausgelegt, um den künstlichen Lastblock 730 durch Schließen des Kondensatorschalters S2 und Öffnen des niederohmigen Schalters S1 vor der Zeit t_dm zu aktivieren, um allmählich den Kondensator zu laden, und dann durch Schließen des niederohmigen Schalters S2 zu der Zeit t_dm. Auf diese Weise wird eine große Stützkapazität an dem Ausgang des Spannungsreglers 710 angeschlossen, der allmählich geladen und abrupt durch Öffnen von S2 deaktiviert werden kann. Das resistive Element in Serie mit der Kapazität ermöglicht es, dass die Kapazität langsam über eine RC Konstante hinzugefügt wird, indem zuerst S2 und dann S1 geschlossen werden. Ansonsten würde das Hinzufügen der Kapazität (die entladen werden kann) selbst eine große geregelte Ausgangsspannungstransiente verursachen. Das resistive Element verhindert, dass die Kapazität die geregelte Ausgangsspannung als Reaktion auf die hinzugefügte Kapazität hinunterzieht. Wenn die Kapazität vollständig auf die geregelte Ausgangsspannung geladen ist, wird das resistive Element mit dem niederohmigen Schalter S1 kurzgeschlossen. Ab dieser Zeit ist die Kapazität voll wirksam und kann Lastschritte dämpfen. Wenn der Lastschritt oder eine Änderung in der geregelten Ausgangsspannung auftritt, die dem Energieverstärker zugeführt wird, wird er durch diese große Kapazität gepuffert.
Ansprechend auf ein Signal von den Prädiktorschaltungen 760, dass die Ausgangsspannungen zu einer Zeit tsv skaliert werden, sind die Dämpfungsschaltungen 750 dafür ausgelegt, um den Kondensatorschalter S2 zu der Zeit tsv zu öffnen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Kapazität aus den Reglerschaltungen 710 entfernt werden sollte, wenn die Ausgangsspannung des Zufuhrmodulators 785 geändert wird. Ansonsten könnte die Zeit zur Änderung/ Skalierung der Spannung unannehmbar lang sein. Die Dämpfungsschaltungen 750 können auch dafür ausgelegt sein, um den niederohmigen Schalter nach einer bestimmten Zeitdauer oder nach einem oder ansprechend auf ein Ausregelsignal zu schließen, das von den Reglerschaltungen 710 generiert wird.
Wenn ein Spannungsskalierungsereignis passieren wird, kann auf diese Weise der Kondensator abrupt durch Öffnen von S2 entfernt werden, so dass die Spannung rasch skaliert werden kann. Nachdem die Spannungsskalierung vollendet ist, kann die Kapazität erneut langsam hinzugefügt werden, indem S2 geschlossen und S1 geöffnet und dann S1 geschlossen wird, ohne einen signifikanten Effekt auf die geregelte Ausgangsspannung. Die Steuereinheit-Transferfunktion kann dynamisch in Abhängigkeit von der Verbindung der Kappe modifiziert werden, um die Steuerschleife stabil zu halten. Dies kann durch eine Parametermodifikation der Reglerschaltungen 710 erzielt werden.
Die Kurve 790 veranschaulicht den Energieverstärkerstrom und die Spannung während eines Lastschritts. Die dunkle Linie in der Spannungskurve veranschaulicht die Spannung, wenn der künstliche Lastblock 730 mit dem Spannungsregler 710 verbunden ist. Die graue Linie in der Spannungskurve veranschaulicht die Spannung, wenn der künstliche Lastblock 730 nicht mit dem Spannungsregler 710 verbunden ist. Es ist ersichtlich, dass die Kapazität des künstlichen Lastblocks 730 dabei hilft, die Spannungstransiente zu reduzieren, d.h. den Spannungsfehler, der durch den Laststromschritt verursacht wird.
8 veranschaulicht ein Spannungsreglersystem 800, das ein Beispiel eines Transientendämpfungssystems 820 umfasst. Die Reglerschaltungen 810 sind mit einer Last 880 gekoppelt. Die Prädiktorschaltungen 860 sind dafür ausgelegt, um eine Zeit t_Is zu bestimmen, wenn ein Lastschritt auftreten wird, da der Energieverstärker zwischen EIN, AUS und SLEEP betrieben wird. In einem Beispiel sind die Prädiktorschaltungen 860 dafür ausgelegt, um die Zeit t_Is auf der Basis eines Symbolübertragungsplans zu bestimmen. Die Prädiktorschaltungen 860 liefern die Zeit t_Is an die Dämpfungsschaltungen 850, die ansprechend darauf eine künstliche Last 830 wie folgt aktivieren und deaktivieren.
Der Dämpfungsmechanismus des Transientendämpfungssystems 820 umfasst den künstlichen Lastblock 830, der mit einem Ausgang der Reglerschaltungen 810 verbunden ist, und einen Lastschalter S3, der den künstlichen Lastblock 830 zwischen der geregelten Ausgangsspannung und einem zweiten Potential (z.B. Erde) verbindet. Wenn die Last 880 einen Hüllkurvenverfolgungs-Spannungsmodulator umfasst, kann der Verbindungspunkt zwischen den Reglerschaltungen 810 und dem künstlichen Lastblock 830 entweder vor Spannungsteilerschaltungen (nicht gezeigt, siehe 7), wie gezeigt, oder nach den Spannungsteilerschaltungen oder nach einem Zufuhrmodulator (nicht gezeigt, siehe 7) sein. Der künstliche Lastblock 830 umfasst ein oder mehrere resistive Elemente, die zwischen dem Regler 810 und einem zweiten Potential (z.B. Erde) verbunden sind. Die Dämpfungsschaltungen 850 sind dafür ausgelegt, um, wenn ein positiver Lastschritt zu der Zeit tls auftreten wird, den Lastschalter zu steuern, um sich zu der Zeit t_dm zu schließen und sich zu der Zeit t_Is zu öffnen. Wenn ein negativer Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, sind die Dämpfungsschaltungen 850 dafür ausgelegt, um den Lastschalter zu steuern, um sich zu der Zeit t_dm zu öffnen und sich zu der Zeit t_Is zu schließen.
Auf diese Weise kann ein Laststrom zu dem Spannungsregler 810 durch Schalten der resistiven Elemente zwischen dem Reglerausgang und Erde hinzugefügt werden. Der Laststrom kann variiert werden, indem mehr oder weniger resistive Elemente zu dem Regler 810 hinzugefügt werden. Die verschiedenen resistiven Elemente können verschiedene Werte haben (z.B. können binär gewichtet werden). Äquivalente resistive Elemente zusammen mit einem Thermometercode-Schaltschema sind auch möglich. Wenn ein Lastschritt auftreten wird, ist die Last für den Spannungsregler 810 bereits durch den künstlichen Lastblock 830 erhöht. Ein Schwingen des Lastschalters durch resistive Elemente mit erhöhtem Widerstand in mehreren kleinen Schritten reduziert die Spannungsreglerantwort (den Spannungsfehler). Ein einzelnes resistives Element zusammen mit einer Impulsbreitenmodulation des Lastschalters wird in einem anderen Beispiel verwendet, wenn eine Lastrampenwellenform an den Lastschalter angelegt wird. Zu der Zeit t_Is, wenn die reale Last aktiviert wird, wird der Laststrom deaktiviert, der von dem Lastblock erzeugt wird. Dann ist der volle Strom des Spannungsreglers 810 (der aufgrund des künstlichen Lastblocks bereits erhöht ist) für die reale Last verfügbar. Zu einer zweiten Zeit t_Is, wenn die reale Last deaktiviert ist, kann der künstliche Lastblock erneut verbunden werden, um den negativen Lastschritt zu dämpfen. Stromquellen können in dem künstlichen Lastblock 830 anstatt der oder zusätzlich zu den resistiven Elementen verwendet werden.
Auf diese Weise wird eine künstliche Last langsam zu dem Ausgang des Spannungsreglers 810 auf der Basis einer Schätzung des Lastschritts hinzugefügt, der geschehen wird. Der Fall des Lastschritts ist wohlbekannt und wird von dem Sender/Empfänger gesteuert. In dem Moment, wo der Lastschritt auftritt, wird die künstliche Last abrupt deaktiviert, und die tatsächliche Last wird aktiviert. Auf diese Weise ist die effektive Laständerung, die von dem Spannungsregler gesehen wird, viel kleiner und somit ist der Spannungsfehler kleiner.
Die Kurve 890 zeigt den abrupten Laststromschritt zusammen mit der erhaltenen Lasttransienten. Die dunkle Linie in der Spannungskurve veranschaulicht die Spannung, wenn der künstliche Lastblock 830 mit dem Spannungsregler 810 verbunden ist. Die graue Linie in der Spannungskurve veranschaulicht die Spannung, wenn der künstliche Lastblock 830 nicht mit dem Spannungsregler 810 verbunden ist. Es ist ersichtlich, dass das allmähliche Hinzufügen und Entfernen des Widerstands mittels des künstlichen Lastblocks 830 bewirkt, dass die Reglerschaltungen 810 einen „Vorbereitungsstrom“ generieren, der dabei hilft, die Spannungstransiente zu reduzieren, d.h. den Spannungsfehler, der durch den Laststromschritt verursacht wird.
9 veranschaulicht ein Spannungsreglersystem 900, das ein Beispiel eines Transientendämpfungssystems 920 umfasst. Die Reglerschaltungen 910 umfassen einen Buck-Boost-GSGS-Wandler, der mit einer Last 980 gekoppelt ist. Prädiktorschaltungen 960 sind dafür ausgelegt, um eine Zeit t_Is zu bestimmen, wenn ein Lastschritt auftreten wird, da der Energieverstärker zwischen EIN, AUS und SLEEP betrieben wird. In einem Beispiel sind die Prädiktorschaltungen 960 dafür ausgelegt, um die Zeit t_Is auf der Basis eines Symbolübertragungsplans zu bestimmen. Die Prädiktorschaltungen 960 liefern die Zeit t_Is an die Dämpfungsschaltungen 950, die ansprechend darauf den Zielspulenstrom wie folgt erhöhen oder verringern.
Es wird daran erinnert, dass der Zufuhrstrom, der von dem Buck-Boost-GSGS-Wandler der Reglerschaltungen 910 erzeugt wird, von Buck-Boost-Steuereinheit-Kompensatorschaltungen 930 (d.h. einer Buck-Boost-Steuereinheit) teilweise auf der Basis eines Zielspulenstroms (siehe 1 bis 3) gesteuert wird. Die Dämpfungsschaltungen 950 sind dafür ausgelegt, um, wenn ein positiver Lastschritt zu der Zeit tls auftreten wird, den Zielspulenstrom zu der Zeit t_dm um einen Kompensationsbetrag zu erhöhen. Wenn ein negativer Lastschritt zu der Zeit tls auftritt, sind die Dämpfungsschaltungen 950 dafür ausgelegt, um den Zielspulenstrom zu der Zeit t_dm um einen Kompensationsbetrag zu verringern. Somit dienten die Kompensatorschaltungen 930 selbst als Dämpfungsmechanismus für das Transientendämpfungssystem 920. In einem Beispiel wird der Kompensationsbetrag in einem integralen Teil des Steuerungsgesetzes der Reglerschaltungen 930 berücksichtigt.
Die Kurve 990 zeigt den abrupten Lastschritt zusammen mit der erhaltenen Lasttransienten. Die dunkle Linie in der Spannungskurve veranschaulicht die Spannung, wenn der Zielspulenstrom angepasst wird, wie im Vorstehenden beschrieben, um den Lastschritt zu kompensieren. Die graue Linie in der Spannungskurve veranschaulicht die Spannung, wenn der Zielspulenstrom nicht angepasst wird. Es ist ersichtlich, dass die Erhöhung/Verringerung des Zielspulenstroms um den Kompensationsbetrag bewirkt, dass die Reglerschaltungen 910 einen „Vorbereitungsstrom“ zu generieren, der dabei hilft, die Spannungstransiente zu reduzieren, d.h. den Spannungsfehler, der von dem Laststromschritt verursacht wird.
10 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens 1000 ausführt, das dafür ausgelegt ist, Transienten in einer geregelten Ausgangsspannung auf eine Last zu dämpfen, die einen positiven Lastschritt auf die geregelte Ausgangsspannung ausübt, wenn die Last mit der geregelten Ausgangsspannung verbunden ist, und einen negativen Lastschritt auf die geregelte Ausgangsspannung ausübt, wenn die Last von der geregelten Ausgangsspannung getrennt ist. Das Verfahren umfasst, bei 1010, das Aktivieren eines Dämpfungsmechanismus zu einer Zeit t_dm, die vor einer Zeit auftritt, zu der ein Lastschritt auftritt, wobei der Dämpfungsmechanismus dafür ausgelegt ist, Effekte eines Lastschritts auf die geregelte Ausgangsspannung zu reduzieren. Das Verfahren umfasst, bei 1020, das Deaktivieren des Dämpfungsmechanismus zu oder nach der Zeit, zu der der Lastschritt auftritt.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass die hier beschriebenen Schaltungen, Verfahren und Systeme eine vorausschauende Kenntnis des Lastschrittereignisses verwenden, um sich für einen Lastschritt vorzubereiten und um die Effekte des Lastschritts auf die geregelte Ausgangsspannung zu reduzieren. Somit wird eine viel kleinere und reibungslosere Reaktion auf den Lastschritt erzielt, verglichen mit einem rein auf dem Regler basierenden Ansatz.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen veranschaulicht und beschrieben wurde, können Änderungen und/oder Modifikationen an den veranschaulichten Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken und Umfang der beigeschlossenen Ansprüche abzuweichen. Insbesondere sollen hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, die von den im Vorstehenden beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen usw.) vorgenommen werden, die Ausdrücke (umfassend eine Bezugnahme auf „Mittel“), die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendet werden, wenn nichts anderes angegeben ist, irgendwelchen Komponenten oder Strukturen entsprechen, welche die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponenten (z.B. die funktionell äquivalent sind) vornehmen, auch wenn sie nicht strukturell zu der geoffenbarten Struktur äquivalent sind, welche die Funktion in den hier veranschaulichten Beispielen von Implementierungen der Erfindung vornimmt.
Beispiele können einen Gegenstand umfassen, wie ein Verfahren, ein Mittel zum Vornehmen von Handlungen oder Blöcken des Verfahrens, mindestens ein maschinenlesbares Medium, das Instruktionen umfasst, die, wenn sie von einer Maschine ausgeführt werden, bewirken, dass die Maschine Handlungen des Verfahrens oder einer Vorrichtung oder eines Systems vornimmt, um den Betrieb eines TDC gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen und Beispielen anzupassen.
Beispiel 1 ist ein Buck-Boost-Steuersystem, das dafür ausgelegt ist, einen Buck-Boost-Wandler zu steuern, um in einem ersten Betriebsmodus zu arbeiten, der entweder in einem Buck-Modus oder einem Boost-Modus entspricht. Der Buck-Boost-Wandler umfasst eine Spule mit einem Spulenstrom, der selektiv von einem Satz von Buck-Boost-Schaltern gesteuert wird. Das Buck-Boost-Steuersystem umfasst Kompensatorschaltungen und Modussteuerschaltungen. Die Kompensatorschaltungen haben einen Zielstrom auf der Basis einer Differenz zwischen einer Zielspannung und einer geregelten Ausgangsspannung des Buck-Boost-Wandlers zu bestimmen; einen Toleranzstrom zu bestimmen, der, mit dem Zielstrom, einen Bereich eines unerwarteten Spulenstroms für den ersten Betriebsmodus definiert; und, auf der Basis der Differenz zwischen der Zielspannung und der geregelten Ausgangsspannung ein Ladungssteuersignal oder ein Entladungssteuersignal für den Buck-Boost-Wandler zu generieren, um zu bewirken, dass sich der Spulenstrom dem Zielstrom annähert. Die Modussteuerschaltungen sind dafür ausgelegt, um den Buck-Boost-Wandler von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu schalten, wenn der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht.
Beispiel 2 umfasst den Gegenstand von Beispiel 1, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei die Modussteuerschaltungen einen Toleranzstromsensor umfassen, der dafür ausgelegt ist, den Spulenstrom zu empfangen; den Spulenstrom mit dem Toleranzstrom zu vergleichen; und ein Toleranztreffersignal zu generieren, wenn der Spulenstrom äquivalent ist zu dem Toleranzstrom.
Beispiel 3 umfasst den Gegenstand von Beispiel 1, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei die Modussteuerschaltungen Modusauswahlschaltungen umfassen, die dafür ausgelegt sind, ansprechend darauf, dass der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht, ein Buck- oder Boost-Modusauswahlsignal zu generieren, das bewirkt, dass die Buck-Boost-Schalter gemäß einem ausgewählten einen von einem Buck-Modusschaltschema oder einem Boost-Modusschaltschema gesteuert werden.
Beispiel 4 umfasst den Gegenstand von Beispiel 3, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei die Modusauswahlschaltungen dafür ausgelegt sind, ein Gipfel- oder Talschaltmodus-Auswahlsignal zu generieren, das entweder einen Gipfelschaltmodus oder einen Talschaltmodus für die Buck-Boost-Schalter auf der Basis einer relativen Dauer einer variablen Phase des Spulenstroms verglichen mit einer Dauer einer festen Phase des Spulenstroms auswählt.
Beispiel 5 umfasst den Gegenstand von Beispiel 4, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, ferner umfassend Mapper-Schaltungen, die dafür ausgelegt sind, das Ladungssteuersignal und das Entladungssteuersignal in Steuersignale für die Buck-Boost-Schalter auf der Basis des ersten Betriebsmodus und des ausgewählten Gipfel- oder Talschalmodus zu übersetzen.
Beispiel 6 umfasst den Gegenstand von Beispiel 1, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, ferner umfassend einen Spannungssensor, der dafür ausgelegt ist, die geregelte Ausgangsspannung mit einer Zufuhrspannung zu vergleichen; und ein Differenzsignal zu generieren, das die Differenz zwischen der geregelten Ausgangsspannung und der Zufuhrspannung anzeigt. Die Modussteuerschaltungen sind dafür ausgelegt, um es zu unterlassen, den Buck-Boost-Wandler in den zweiten Betriebsmodus zu schalten, wenn die Differenz eine Schaltschwelle überschreitet.
Beispiel 7 ist ein Verfahren, das dafür ausgelegt ist, einen Buck-Boost-Wandler zu steuern, um in einem ersten Betriebsmodus zu arbeiten, der entweder einem Buck-Modus oder einem Boost-Modus entspricht. Der Buck-Boost-Wandler umfasst eine Spule mit einem Spulenstrom, der selektiv durch einen Satz von Buck-Boost-Schaltern gesteuert wird. Das Verfahren umfasst: Bestimmen eines Zielstroms auf der Basis einer Differenz zwischen einer Zielspannung und einer geregelten Ausgangsspannung des Buck-Boost-Wandlers; Bestimmen eines Toleranzstroms, der, mit dem Zielstrom, einen Bereich eines erwarteten Spulenstroms für einen ersten Betriebsmodus definiert; und Schalten des Buck-Boost-Wandlers von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus, wenn der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht.
Beispiel 8 umfasst den Gegenstand von Beispiel 7, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, ferner umfassend Generieren eines Modusauswahlsignals, das bewirkt, dass die Buck-Boost-Schalter gemäß einem ausgewählten einen von einem Buck-Modusschaltschema oder einem Boost-Modusschaltschema ansprechend darauf gesteuert werden, dass der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht.
Beispiel 9 umfasst den Gegenstand von Beispiel 7, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, ferner umfassend Generieren einer Gipfel- oder Talschaltmodus-Auswahl, die entweder einen Gipfelschaltmodus oder einen Talschaltmodus für die Buck-Boost-Schalter auf der Basis einer relativen Dauer einer variablen Phase der Spulenstroms verglichen mit einer Dauer einer festen Phase des Spulenstroms auswählt.
Beispiel 10 umfasst den Gegenstand von Beispiel 7, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, ferner umfassend Übersetzen eines Ladungssteuersignals in Steuersignale für die Buck-Boost-Schalter auf der Basis des ersten Betriebsmodus; und Übersetzen eines Entladungssteuersignals in Steuersignale für die Buck-Boost-Schalter auf der Basis des ersten Betriebsmodus.
Beispiel 11 umfasst den Gegenstand von Beispiel 7, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, ferner umfassend: Vergleichen der geregelten Ausgangsspannung mit einer Zufuhrspannung; Generieren eines Differenzsignals, das die Differenz zwischen der geregelten Ausgangsspannung und der Zufuhrspannung anzeigt; und Unterlassen des Schaltens des Buck-Boost-Wandlers in den zweiten Betriebsmodus, wenn die Differenz eine Schaltschwelle überschreitet.
Beispiel 12 ist ein Transientendämpfungssystem, das dafür ausgelegt ist, Transienten in einer geregelten Ausgangsspannung auf eine Last zu dämpfen, die einen positiven Lastschritt auf die geregelte Ausgangsspannung ausübt, wenn die Last den Energieverbrauch erhöht, und einen negativen Lastschritt auf die geregelte Ausgangsspannung ausübt, wenn die Last den Energieverbrauch verringert. Das Transientendämpfungssystem umfasst einen Dämpfungsmechanismus und Dämpfungsschaltungen. Der Dämpfungsmechanismus ist dafür ausgelegt, um Effekte eines Lastschritts auf die geregelte Ausgangsspannung zu reduzieren. Die Dämpfungsschaltungen sind dafür ausgelegt, um den Dämpfungsmechanismus zu einer Zeit t_dm zu aktivieren, die vor einer Zeit t_Is auftritt, zu der ein Lastschritt auftreten wird, und den Dämpfungsmechanismus zu oder nach der Zeit t_Is zu deaktivieren.
Beispiel 13 umfasst den Gegenstand von Beispiel 12, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei der Dämpfungsmechanismus umfasst: einen Kondensator, der mit der geregelten Ausgangsspannung verbunden ist; ein resistives Element, das in Serie zwischen dem Kondensator und einem zweiten Potential verbunden ist; und einen niederohmigen Schalter, der parallel mit dem resistiven Element verbunden ist. Die Dämpfungsschaltungen sind dafür ausgelegt, um den Dämpfungsmechanismus durch Schließen des niederohmigen Schalters zu der Zeit t_dm zu aktivieren.
Beispiel 13 umfasst den Gegenstand von Beispiel 12, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei die geregelte Ausgangsspannung von Spannungsteilerschaltungen verarbeitet wird, die mindestens zwei von der geregelten Ausgangsspannung verschiedene Ausgangsspannungen generieren, wobei ein Zufuhrmodulator gesteuert wird, um selektiv eine der mindestens zwei verschiedenen Ausgangsspannungen mit der Last zu verbinden, Das Transientendämpfungssystem umfasst ferner Prädiktorschaltungen, die dafür ausgelegt sind, zu bestimmen, dass die mindestens zwei Ausgangsspannungen auf mindestens zwei verschiedene Ausgangsspannungen zu einer Zeit tsv skaliert werden. Die Dämpfungsschaltungen sind dafür ausgelegt, um den niederohmigen Schalter vor der Zeit t_sv zu öffnen.
Beispiel 15 umfasst den Gegenstand von Beispiel 13, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei die geregelte Ausgangsspannung durch Spannungsteilerschaltungen verarbeitet wird, die mindestens zwei von der geregelten Ausgangsspannung verschiedene Ausgangsspannungen generieren, wobei der Zufuhrmodulator gesteuert wird, um selektiv eine der mindestens zwei verschiedenen Ausgangsspannungen mit der Last zu verbinden. Das Transientendämpfungssystem umfasst ferner einen Kondensatorschalter, der den Kondensator zwischen der geregelten Ausgangsspannung und dem resistiven Element verbindet, und Prädiktorschaltungen, die dafür ausgelegt sind, zu bestimmen, dass eine andere Ausgangsspannung mit der Last zu einer Zeit t_sv verbunden wird. Die Dämpfungsschaltungen sind dafür ausgelegt, um den Kondensatorschalter vor der Zeit t_dm zu schließen, und den niederohmigen Schalter zu der Zeit t_sv zu öffnen.
Beispiel 16 umfasst den Gegenstand von Beispiel 12, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, ferner umfassend Prädiktorschaltungen, die dafür ausgelegt sind, die Zeit t_Is zu bestimmen, zu der ein nächster Lastschritt auftreten wird.
Beispiel 17 umfasst den Gegenstand von Beispiel 16, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei die Last ein Energieverstärker ist, und die Prädiktorschaltungen dafür ausgelegt sind, die Zeit t_Is auf der Basis eines Symbolübertragungsplans zu bestimmen.
Beispiel 18 umfasst den Gegenstand von Beispiel 16, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei der Dämpfungsmechanismus einen künstlichen Lastblock und einen Lastschalter umfasst, der den künstlichen Lastblock zwischen der geregelten Ausgangsspannung und Erde verbindet. Die Dämpfungsschaltungen sind dafür ausgelegt, um, wenn ein positiver Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, den Lastschalter zu steuern, um sich zu der Zeit t_dm zu schließen, und sich zu der Zeit t_Is zu öffnen. Wenn ein negativer Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, sind die Dämpfungsschaltungen dafür ausgelegt, um den Lastschalter zu steuern, um sich zu der Zeit t_Is zu schließen, und sich zu der Zeit t_dm zu öffnen.
Beispiel 19 umfasst den Gegenstand von Beispiel 16, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei der Dämpfungsmechanismus eine Buck-Boost-Steuereinheit umfasst, die eine geregelte Ausgangsspannung eines Buck-Boost-Wandlers auf der Basis eines Zielspulenstroms steuert. Die Dämpfungsschaltungen sind dafür ausgelegt, um, wenn ein positiver Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, den Zielspulenstrom zu der Zeit t_dm um einen Kompensationsbetrag zu erhöhen; und, wenn ein negativer Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, den Zielspulenstrom zu der Zeit t_dm um den Kompensationsbetrag zu verringern.
Beispiel 20 ist ein Verfahren, das dafür ausgelegt ist, Transienten in einer geregelten Ausgangsspannung zu dämpfen, die einer Last zugeführt wird, wobei die Last einen positiven Lastschritt auf die geregelte Ausgangsspannung ausübt, wenn die Last den Energieverbrauch erhöht, und einen negativen Lastschritt auf die geregelte Ausgangsspannung ausübt, wenn die Last den Energieverbrauch verringert. Das Verfahren umfasst: Aktivieren eines Dämpfungsmechanismus zu einer Zeit t_dm, die vor einer Zeit auftritt, zu der ein Lastschritt auftritt, wobei der Dämpfungsmechanismus dafür ausgelegt ist, Effekte eines Lastschritts auf die geregelte Ausgangsspannung zu reduzieren; und Deaktivieren des Dämpfungsmechanismus zu oder nach der Zeit, zu der der Lastschritt auftritt.
Beispiel 21 umfasst den Gegenstand von Beispiel 19, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei der Dämpfungsmechanismus einen Kondensator umfasst, der mit der geregelten Ausgangsspannung verbunden ist. Das Aktivieren des Dämpfungsmechanismus umfasst zu der Zeit t_dm das Schließen eines niederohmigen Schalters, wobei der niederohmige Schalter in Serie zwischen dem Kondensator und einem zweiten Potential verbunden ist.
Beispiel 22 umfasst den Gegenstand von Beispiel 21, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, wobei die geregelte Ausgangsspannung von Spannungsteilerschaltungen verarbeitet wird, die mindestens zwei von der geregelten Ausgangsspannung verschiedene Ausgangsspannungen generieren, wobei der Zufuhrmodulator von einem Verfolgungssystem gesteuert wird, um selektiv eine der mindestens zwei verschiedenen Ausgangsspannungen mit der Last zu verbinden. Das Verfahren umfasst ferner: Bestimmen, dass die mindestens zwei Ausgangsspannungen auf mindestens zwei verschiedene Ausgangsspannungen zu einer Zeit t_sv skaliert werden; und Öffnen des niederohmigen Schalters zu der Zeit tsv.
Beispiel 23 umfasst den Gegenstand von Beispiel 20, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, ferner umfassend Bestimmen einer Zeit t_Is, zu der ein nächster Lastschritt auftreten wird.
Beispiel 24 umfasst den Gegenstand von Beispiel 23, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, ferner umfassend wenn ein positiver Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, Schließen eines Lastschalters, der eine künstliche Last zwischen der geregelten Ausgangsspannung mit Erde zu der Zeit t_dm verbindet; und Öffnen des Lastschalters zu der Zeit t_Is. Wenn ein negativer Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, umfasst das Verfahren: Öffnen des Lastschalters zu der Zeit t_dm; und Schließen des Lastschalters zu der Zeit t_Is.
Beispiel 25 umfasst den Gegenstand von Beispiel 20, wobei optionale Elemente eingeschlossen oder weggelassen werden, ferner umfassend wenn ein positiver Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, Erhöhen eines Zielspulenstroms um einen Kompensationsbetrag zu der Zeit t_dm, wobei der Zielspulenstrom von einer Buck-Boost-Steuereinheit verwendet wird, um eine geregelte Ausgangsspannung eines Buck-Boost-Wandlers zu steuern. Wenn ein negativer Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, umfasst das Verfahren: Verringern des Zielspulenstroms um den Kompensationsbetrag zu der Zeit t_dm.
Verschiedene veranschaulichende Logik, logische Blöcke, Module und Schaltungen, die in Verbindung mit hier geoffenbarten Aspekten beschrieben werden, können mit einem Universalprozessor, einem digitalen Signalprozessor (DSP), einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einer anderen programmierbaren Logikvorrichtung, diskreter Gate- oder Transistorlogik, diskreten Hardware-Komponenten oder einer beliebigen Kombination davon implementiert oder vorgenommen werden, die dafür ausgebildet sind, um die hier beschriebenen Funktionen vorzunehmen. Ein Universalprozessor kann ein Mikroprozessor sein, alternativ dazu kann der Prozessor jedoch irgendein herkömmlicher Prozessor, eine Steuereinheit, eine Mikrosteuereinheit oder eine Zustandsmaschine sein. Die verschiedenen veranschaulichenden Logiken, logischen Blöcke, Module und Schaltungen, die in Verbindung mit hier geoffenbarten Aspekten beschrieben werden, können mit einem Universalprozessor implementiert oder vorgenommen werden, der Instruktionen ausführt, die in einem computerlesbaren Medium gespeichert sind.
Die obige Beschreibung veranschaulichter Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der Beschreibung in der Zusammenfassung, soll nicht erschöpfend sein oder die geoffenbarten Ausführungsformen auf die geoffenbarten präzisen Formen beschränken. Obwohl spezifische Ausführungsformen und Beispiel hier für Zwecke der Veranschaulichung beschrieben werden, sind verschiedene Modifikationen möglich, die als im Umfang solcher Ausführungsformen und Beispiele angesehen werden, wie für Fachleute klar ist.
Obwohl der geoffenbarte Gegenstand in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen und entsprechenden Figuren, wo zutreffend, beschrieben wurde, ist es in dieser Hinsicht klar, dass andere ähnliche Ausführungsformen verwendet werden können oder Modifikationen und Hinzufügungen zu den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, um dieselbe, eine ähnliche, alternative oder Ersatzfunktion des geoffenbarten Gegenstands vorzunehmen, ohne davon abzuweichen. Daher soll der geoffenbarte Gegenstand nicht auf irgendeine einzelne hier beschriebene Ausführungsform begrenzt sein, sondern ist stattdessen im Grundgedanken und Umfang gemäß den beigeschlossenen nachstehenden Ansprüchen auszulegen.
Insbesondere sollen hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, die von den im Vorstehenden beschriebenen Komponenten (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen usw.) vorgenommen werden, die Ausdrücke (umfassend eine Bezugnahme auf „Mittel“), die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendet werden, wenn nichts anderes angeben ist, irgendwelchen Komponenten oder Strukturen entsprechen, welche die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponenten (z.B. die funktionell äquivalent sind) vornehmen, auch wenn sie nicht strukturell zu der geoffenbarten Struktur äquivalent sind, welche die Funktion in den hier veranschaulichten Beispielen von Implementierungen der Erfindung vornimmt. Obwohl ein bestimmtes Merkmal in Bezug auf nur eine der mehreren Implementierungen geoffenbart worden sein kann, kann zusätzlich ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es gewünscht und für irgendeine gegebene oder bestimmte Anwendung vorteilhaft sein kann. Die Verwendung der Phrase „eines oder mehrere von A, B oder C“ soll alle Kombinationen von A, B und C umfassen, zum Beispiel A, A und B, A und B und C, B usw.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 16/234919 [0001]

Claims

Buck-Boost-Steuersystem, das dafür ausgelegt ist, einen Buck-Boost-Wandler zu steuern, entweder in einem Buck-Modus oder einem Boost-Modus zu arbeiten, wobei das Buck-Boost-Steuersystem umfasst: Kompensatorschaltungen, die dafür ausgelegt sind: einen Zielstrom auf der Basis einer Differenz zwischen einer Zielspannung und einer geregelten Ausgangsspannung des Buck-Boost-Wandlers zu bestimmen; einen Toleranzstrom zu bestimmen, der, mit dem Zielstrom, einen Bereich eines unerwarteten Spulenstroms für einen ersten Betriebsmodus definiert; und auf der Basis der Differenz zwischen der Zielspannung und der geregelten Ausgangsspannung ein Ladungssteuersignal oder ein Entladungssteuersignal für den Buck-Boost-Wandler zu generieren, damit der Spulenstrom den Zielstrom erreicht; und Modussteuerschaltungen, die dafür ausgelegt sind, den Buck-Boost-Wandler von dem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus zu schalten, wenn der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht.
Buck-Boost-Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Modussteuerschaltungen einen Toleranzstromsensor umfassen, der dafür ausgelegt ist, um: den Spulenstrom zu empfangen; den Spulenstrom mit dem Toleranzstrom zu vergleichen; und ein Toleranztreffersignal zu generieren, wenn der Spulenstrom äquivalent ist zu dem Toleranzstrom.
Buck-Boost-Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Modussteuerschaltungen Modusauswahlschaltungen umfassen, die dafür ausgelegt sind, ansprechend darauf, dass der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht, ein Buck- oder Boost-Modusauswahlsignal zu generieren, um Buck-Boost-Schalter in dem Buck-Boost-Wandler auf der Basis eines ausgewählten von einem Buck-Modusschaltschema oder einem Boost-Modusschaltschema zu steuern.
Buck-Boost-Steuersystem nach Anspruch 3, wobei die Modusauswahlschaltungen dafür ausgelegt sind, ein Gipfel- oder Talschaltmodus-Auswahlsignal zu generieren, das entweder einen Gipfelschaltmodus oder einen Talschaltmodus für die Buck-Boost-Schalter auf der Basis einer relativen Dauer einer variablen Phase des Spulenstroms verglichen mit einer Dauer einer festen Phase des Spulenstroms auswählt.
Buck-Boost-Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend Mapper-Schaltungen, die dafür ausgelegt sind, das Ladungssteuersignal und das Entladungssteuersignal in Steuersignale für die Buck-Boost-Schalter auf der Basis des Betriebsmodus und des ausgewählten Gipfel- oder Talschalmodus zu übersetzen.
Buck-Boost-Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend: einen Spannungssensor, der dafür ausgelegt ist: die geregelte Ausgangsspannung mit einer Zufuhrspannung zu vergleichen; und ein Differenzsignal zu generieren, das die Differenz zwischen der geregelten Ausgangsspannung und der Zufuhrspannung anzeigt, wobei die Modussteuerschaltungen dafür ausgelegt sind, es zu unterlassen, den Buck-Boost-Wandler in den zweiten Betriebsmodus zu schalten, wenn die Differenz eine Schaltschwelle überschreitet.
Verfahren, das dafür ausgelegt ist, einen Buck-Boost-Wandler zu steuern, um entweder in einem Buck-Modus oder einem Boost-Modus zu arbeiten, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen eines Zielstroms auf der Basis einer Differenz zwischen einer Zielspannung und einer geregelten Ausgangsspannung des Buck-Boost-Wandlers; Bestimmen eines Toleranzstroms, der, mit dem Zielstrom, einen Bereich eines erwarteten Spulenstroms für einen ersten Betriebsmodus definiert; und Schalten des Buck-Boost-Wandlers von dem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus, wenn der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: Generieren eines Modusauswahlsignals, um Buck-Boost-Schalter in dem Buck-Boost-Wandler auf der Basis eines ausgewählten von einem Buck-Modusschaltschema oder einem Boost-Modusschaltschema ansprechend darauf zu steuern, dass der Spulenstrom den Toleranzstrom erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, ferner umfassend: Generieren einer Gipfel- oder Talschaltmodus-Auswahl, die entweder einen Gipfelschaltmodus oder einen Talschaltmodus für Buck-Boost-Schalter in dem Buck-Boost-Wandler auf der Basis einer relativen Dauer einer variablen Phase des Spulenstroms verglichen mit einer Dauer einer festen Phase des Spulenstroms auswählt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, ferner umfassend: Übersetzen eines Ladungssteuersignals in Steuersignale für Buck-Boost-Schalter in dem Buck-Boost-Wandler auf der Basis des ersten Betriebsmodus; und Übersetzen eines Entladungssteuersignals in Steuersignale für die Buck-Boost-Schalter auf der Basis des ersten Betriebsmodus.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: Vergleichen der geregelten Ausgangsspannung mit einer Zufuhrspannung; und Generieren eines Differenzsignals, das die Differenz zwischen der geregelten Ausgangsspannung und der Zufuhrspannung anzeigt; Unterlassen des Schaltens des Buck-Boost-Wandlers in den zweiten Betriebsmodus, wenn die Differenz eine Schaltschwelle überschreitet.
Transientendämpfungssystem, das dafür ausgelegt ist, Transienten in einer geregelten Ausgangsspannung auf eine Last zu dämpfen, die einen positiven Lastschritt auf die geregelte Ausgangsspannung ausübt, wenn die Last den Energieverbrauch erhöht, und einen negativen Lastschritt auf die geregelte Ausgangsspannung ausübt, wenn die Last den Energieverbrauch verringert, wobei das Transientendämpfungssystem umfasst: einen Dämpfungsmechanismus, der dafür ausgelegt ist, Effekte eines Lastschritts auf die geregelte Ausgangsspannung zu reduzieren; und Dämpfungsschaltungen, die dafür ausgelegt sind: den Dämpfungsmechanismus zu einer Zeit t_dm zu aktivieren, die vor einer Zeit t_Is auftritt, zu der ein Lastschritt auftritt; und den Dämpfungsmechanismus zu oder nach der Zeit t_Is zu deaktivieren.
Transientendämpfungssystem nach Anspruch 12, wobei der Dämpfungsmechanismus umfasst: einen Kondensator, der mit der geregelten Ausgangsspannung verbunden ist; ein resistives Element, das in Serie zwischen dem Kondensator und einem zweiten Potential verbunden ist; und einen niederohmigen Schalter, der parallel mit dem resistiven Element verbunden ist, wobei die Dämpfungsschaltungen dafür ausgelegt sind, den Dämpfungsmechanismus durch Schließen des niederohmigen Schalters zu der Zeit t_dm zu aktivieren.
Transientendämpfungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei die geregelte Ausgangsspannung von Spannungsteilerschaltungen verarbeitet wird, die mindestens zwei von der geregelten Ausgangsspannung verschiedene Ausgangsspannungen generieren, wobei ein Zufuhrmodulator gesteuert wird, selektiv eine der mindestens zwei verschiedenen Ausgangsspannungen mit der Last zu verbinden, wobei das Transientendämpfungssystem ferner umfasst: Prädiktorschaltungen, die dafür ausgelegt sind, zu bestimmen, dass die mindestens zwei Ausgangsspannungen auf mindestens zwei verschiedene Ausgangsspannungen zu einer Zeit tsv skaliert werden, und wobei die Dämpfungsschaltungen dafür ausgelegt sind, den niederohmigen Schalter vor der Zeit tsv zu öffnen.
Transientendämpfungssystem nach Anspruch 13, wobei die geregelte Ausgangsspannung durch Spannungsteilerschaltungen verarbeitet wird, die mindestens zwei von der geregelten Ausgangsspannung verschiedene Ausgangsspannungen generieren, wobei der Zufuhrmodulator gesteuert wird, selektiv eine der mindestens zwei verschiedenen Ausgangsspannungen mit der Last zu verbinden, wobei das Transientendämpfungssystem ferner umfasst: einen Kondensatorschalter, der den Kondensator zwischen der geregelten Ausgangsspannung und dem resistiven Element verbindet; Prädiktorschaltungen, die dafür ausgelegt sind, zu bestimmen, dass die mindestens zwei Ausgangsspannungen auf mindestens zwei verschiedene Ausgangsspannungen zu einer Zeit tsv skaliert werden, und wobei die Dämpfungsschaltungen dafür ausgelegt sind: den Kondensatorschalter vor der Zeit t_dm zu schließen; und den niederohmigen Schalter zu der Zeit tsv zu öffnen.
Transientendämpfungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 13, ferner umfassend Prädiktorschaltungen, die dafür ausgelegt sind, die Zeit t_Is zu bestimmen, zu der ein nächster Lastschritt auftreten wird.
Transientendämpfungssystem nach Anspruch 16, wobei die Last ein Energieverstärker ist, und die Prädiktorschaltungen dafür ausgelegt sind, die Zeit t_Is auf der Basis eines Symbolübertragungsplans zu bestimmen.
Transientendämpfungssystem nach Anspruch 16, wobei: der Dämpfungsmechanismus umfasst: einen künstlichen Lastblock; und einen Lastschalter, der den künstlichen Lastblock zwischen der geregelten Ausgangsspannung und Erde verbindet; und die Dämpfungsschaltungen dafür ausgelegt sind: wenn ein positiver Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, den Lastschalter zu steuern, sich zu der Zeit t_dm zu schließen, und sich zu der Zeit t_Is zu öffnen; und wenn ein negativer Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, den Lastschalter zu steuern, sich zu der Zeit t_Is zu schließen, und sich zu der Zeit t_dm zu öffnen.
Transientendämpfungssystem nach Anspruch 16, wobei: der Dämpfungsmechanismus umfasst: eine Buck-Boost-Steuereinheit, die eine geregelte Ausgangsspannung eines Buck-Boost-Wandlers auf der Basis eines Zielspulenstroms steuert; und die Dämpfungsschaltungen dafür ausgelegt sind: wenn ein positiver Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, den Zielspulenstrom zu der Zeit t_dm um einen Kompensationsbetrag zu erhöhen; und wenn ein negativer Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, den Zielspulenstrom zu der Zeit t_dm um den Kompensationsbetrag zu verringern.
Verfahren, das dafür ausgelegt ist, Transienten in einer geregelten Ausgangsspannung zu dämpfen, die einer Last zugeführt wird, wobei die Last einen positiven Lastschritt auf die geregelte Ausgangsspannung ausübt, wenn die Last den Energieverbrauch erhöht, und einen negativen Lastschritt auf die geregelte Ausgangsspannung ausübt, wenn die Last den Energieverbrauch verringert, wobei das Verfahren umfasst: Aktivieren eines Dämpfungsmechanismus zu einer Zeit t_dm, die vor einer Zeit auftritt, zu der ein Lastschritt auftritt, wobei der Dämpfungsmechanismus dafür ausgelegt ist, Effekte eines Lastschritts auf die geregelte Ausgangsspannung zu reduzieren; und Deaktivieren des Dämpfungsmechanismus zu oder nach der Zeit, zu der der Lastschritt auftritt.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Dämpfungsmechanismus einen Kondensator umfasst, der mit der geregelten Ausgangsspannung verbunden ist, wobei ferner das Aktivieren des Dämpfungsmechanismus umfasst: zu der Zeit t_dm Schließen eines niederohmigen Schalters, wobei der niederohmige Schalter in Serie zwischen dem Kondensator und einem zweiten Potential verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die geregelte Ausgangsspannung von Spannungsteilerschaltungen verarbeitet wird, die mindestens zwei von der geregelten Ausgangsspannung verschiedene Ausgangsspannungen generieren, wobei der Zufuhrmodulator von einem Verfolgungssystem gesteuert wird, selektiv eine der mindestens zwei verschiedenen Ausgangsspannungen mit der Last zu verbinden, wobei das Verfahren ferner umfasst: Bestimmen, dass die mindestens zwei Ausgangsspannungen auf mindestens zwei verschiedene Ausgangsspannungen zu einer Zeit t_sv skaliert werden; und Öffnen des niederohmigen Schalters zu der Zeit tsv.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, ferner umfassend Bestimmen einer Zeit t_Is, zu der ein nächster Lastschritt auftreten wird.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner umfassend: wenn ein positiver Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, Schließen eines Lastschalters, der eine künstliche Last zwischen der geregelten Ausgangsspannung mit Erde zu der Zeit t_dm verbindet; und Öffnen des Lastschalters zu der Zeit t_Is; wenn ein negativer Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, Öffnen des Lastschalters zu der Zeit t_dm; und Schließen des Lastschalters zu der Zeit t_Is.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, ferner umfassend: wenn ein positiver Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, Erhöhen eines Zielspulenstroms um einen Kompensationsbetrag zu der Zeit t_dm, wobei der Zielspulenstrom von einer Buck-Boost-Steuereinheit verwendet wird, um eine geregelte Ausgangsspannung eines Buck-Boost-Wandlers zu steuern; und wenn ein negativer Lastschritt zu der Zeit t_Is auftreten wird, Verringern des Zielspulenstroms um den Kompensationsbetrag zu der Zeit t_dm.