DE19814681A1 - Current-Mode-Schaltregler - Google Patents

Current-Mode-Schaltregler

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Current-Mode-Schaltregler, bei dem zur Bestimmung des Laststromes eine Meßspannung nicht wie bisher üblich an einem Meßwiderstand abgegriffen wird. Vielmehr wird der Spannungsabfall über der ohnehin erforderlichen Drosselinduktivität als Meßspannung abgegriffen. Über eine spannungsgesteuerte Stromquelle wird durch zeitliche Integration ein vom Laststrom abgeleitetes Regelsignal ermittelt, das als Regelgröße in Regler des inneren Regelkreises zurückgekoppelt wird. Auf diese Weise kann auf den Meßwiderstand verzichtet werden. Durch eine zusätzliche Kompensationseinrichtung ist es außerdem möglich, eine Regelabweichung des Sollpotentials des äußeren Regelkreises zu kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Current-Mode-Schaltregler zur Stromversorgung insbesondere zur Anwendung in getakteten Stromversorgungen.
Getaktete Stromversorgungen sind beispielsweise aus U. Tiet­ ze, Ch. Schenk, Electronic Circuits - Design and Application, Springer-Verlag 1991, Seite 502, bekannt. Derartige getakte­ te Stromversorgungen umfassen üblicherweise einen Gleichrich­ ter, einen zur Pulsweitenmodulation vorgesehenen Leistungs­ schalter, einen Filter sowie einen Regler zur Steuerung des Leistungsschalters. Eine Eingangsspannung - beispielsweise eine gleichgerichtete Netzspannung - wird von dem als Puls­ weitenmodulator wirkenden Leistungsschalter in eine gepulste Gleichspannung mit variablen Tastverhältnis umgewandelt. Die Pulsfrequenz kann dabei variabel oder fest eingestellt sein.
Die Aufgabe des Reglers besteht darin, die Spannung am Aus­ gang des Filters über einen weiten Ausgangsstrombereich kon­ stant zu halten. Der Regler muß also die Spannung am Ausgang des Filters und den Strom am Ausgang des Filters als Ein­ gangsgrößen verarbeiten und daraus ein Steuersignal für den Leistungsschalter bilden. Das Taktverhältnis des Schalters wird dabei durch das Steuersignal beeinflußt.
Zur Regelung von solchen Schaltreglern existieren im wesent­ lichen drei verschiedene Regelstrategien: die Voltage-Mode- Regelung, die Feed-Forward-Regelung und die Current-Mode- Regelung. Diese Regelstrategien sind beispielsweise in R. E. Tarter, Solid-State Power Conversion Handbook, Wiley Inter­ science, New York, 1993, beschrieben.
Eine besonders elegante und effektive Regelung, die zudem nur vergleichsweise kleine Kompensationskapazitäten erfordert und somit ideal für den Einsatz in integrierten Schaltungen ist, stellt dabei die Current-Mode-Regelung dar.
Current-Mode-Schaltregler weisen zwei Regelkreise auf. Der innere Regelkreis dient dabei zur Regelung des Laststromes, während der äußere Regelkreis zusammen mit dem inneren Regel­ kreis zur Regelung der Ausgangsspannung dient. Bei einge­ schaltetem Schalttransistor weist die Spannung an einem Meß­ widerstand verursacht durch den rampenförmig ansteigenden Strom durch die Drosselspule des Schaltreglers ebenfalls eine rampenförmige Gestalt auf. Bei Erreichen einer durch den äu­ ßeren Regelkreis vorgegebenen Sollspannung schaltet der Schalttransistor ab.
Bei Current-Mode-Schaltreglern ist zur Stromabfassung an der Drossel bisher, wie oben beschrieben, ein Meßwiderstand im Laststromkreis erfordert. Dieser Meßwiderstand ist zur Stromerfassung typischerweise niederohmig ausgebildet und aufgrund seiner Verluste für den Einsatz in integrierten Schaltung nicht geeignet. Solche Meßwiderstände müssen ko­ stenintensiv extern an den integrierten Schaltungen ange­ schlossen werden, was erheblichen Aufwand bei der Herstellung erfordert.
Das Vorsehen eines typischerweise externen Meßwiderstandes erweist sich jedoch nicht nur aus Kostengründen als nachtei­ lig, sondern reduziert auch den Wirkungsgrad des Schaltreg­ lers. Da der Meßwiderstand typischerweise extern an der inte­ grierten Schaltung angeschlossen werden muß, ist es, abgese­ hen von einem größeren Platzbedarf auf der Platine, unter Um­ ständen notwendig, einen zusätzlichen Ausgangsanschluß an der integrierten Schaltung vorzusehen.
Schließlich weist der gemessene Spannungsabfall am Meßwider­ stand pro Schaltperiode eine anfängliche Spannungsspitze auf, die beim Einschalten des Leistungsschalters durch Umladung parasitärer Kapazitäten entsteht. Diese unerwünschten Span­ nungsspitzen müssen durch zusätzliche, schaltungstechnisch aufwendige Maßnahmen - wie z. B. dem sogenannten "Leading Edge Current Blanking" - ausgeblendet werden, da sie sonst den tatsächlichen Meßwert unzulässig verfälschen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Auf­ gabe der vorliegenden Erfindung, einen sogenannten Current- Mode-Schaltregler anzugeben, der für die Realisierung in in­ tegrierter Schaltungstechnik besser geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Current-Mode- Stromregler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß ist ist ein Current-Mode-Schaltregler zur Stromver­ sorgung mit den folgenden Merkmalen vorgesehen:
  • (a) mit einer ersten Regeleinrichtung zur Spannungsregelung und einer zweiten Regeleinrichtung zur Laststromregelung, die jeweils zwei Eingänge und jeweils einen Ausgang auf­ weisen, wobei einem ersten Eingang der ersten Regelein­ richtung ein Referenzsignal und einen zweiten Eingang als Regelgröße ein Ausgangssignal des Current-Mode-Schalt­ reglers zuführbar ist und wobei der Ausgang der ersten Regeleinrichtung mit einem ersten Eingang der zweiten Re­ geleinrichtung gekoppelt ist,
  • (b) mit mindestens einem durch ein Steuersignal der zweiten Regeleinrichtung steuerbaren Leistungsschalter, dessen Laststrecke zwischen einem ersten Pol mit einem ersten Versorgungspotential und einem zweiten Pol mit einem zweiten Versorgungspotential angeordnet ist,
  • (c) mit einer in Reihe zur dieser Laststrecke angeordneten Drosseleinrichtung,
  • (d) mit einem Integrator, der durch zeitliche Integration der an der Drosseleinrichtung abfallenden Drosselspannung ein einen Laststrom abbildendes Regelsignal erzeugt, das als Regelgröße in einen zweiten Eingang der zweiten Regelein­ richtung eingekoppelt wird.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Current-Mode-Schaltregler kann auf einen Meßwiderstand zur Abfassung der Meßspannung wie bisher üblich, verzichtet werden. Die zur Regelung des Laststromes notwendige Meßspannung wird hier an der Drosselinduktivität selbst, die ohnehin für die Funktionsweise des Schaltreglers erforderlich ist, abgegriffen. Man nutzt dabei die Beziehung zwischen Strom I und Spannung U an einer Induktivität I, d. h.
U = L dI/dt.
Diese Drosselspannung U wird anschließend einem Integrator, z. B. einer spannungsgesteuerten Stromquelle mit nachgeschal­ tetem Integrierglied, zugeführt. Es wird also die an der Drosselinduktivität abfallende Spannung über die Zeit auf in­ tegriert. Auf diese Weise ist ein zusätzlicher, typischerwei­ se extern ausgebildeter Meßwiderstand mit allen oben be­ schriebenen Nachteilen nicht mehr erforderlich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt dabei:
Fig. 1 ein allgemeines Blockschaltbild eines erfindungsgemä­ ßen Current-Mode-Schaltreglers;
Fig. 2 ein Detailschaltbild mit einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schaltreglers;
Fig. 3 einige Signal-/Zeit-Diagramme des erfindungsgemäßen Schaltreglers entsprechend Fig. 2.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsglei­ che Elemente und Signale, sofern nicht anders angegeben, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild des erfindungs­ gemäßen Current-Mode-Schaltreglers beispielsweise für den Einsatz in einem Schaltnetzteil.
Der Current-Mode-Schaltregler in Fig. 1 enthält eine erste Regeleinrichtung 1. Die erste Regeleinrichtung 1 weist zwei Regeleingänge und einen Ausgang auf. Im vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel wird dem positiven Eingang der ersten Regelein­ richtung 1 ein Referenzpotential 2 zugeführt. Dem negativen Eingang der ersten Regeleinrichtung 1 wird über einen Rück­ kopplungszweig 4 als Regelgröße das Ausgangspotential 3 des Schaltreglers eingekoppelt. Am Ausgang der ersten Regelein­ richtung 1 ist ein Sollpotential 23 abgreifbar, das einer nachgeschalteten zweiten Regeleinrichtung 5 zugeführt wird.
Die zweite Regelreinrichtung 5 enthält beispielsweise durch eine Einrichtung zur Pulsweitenmodulation (PWM), der über ei­ nen Rückkopplungszweig 7 die Regelgröße zuführbar ist, ausge­ bildet sein. Die PWM-Einrichtung umfaßt einen PWM-Komparator 8, in dessen positiven Eingang das Sollpotential 23 und in dessen negativen Eingang als Regelgröße das Regelsignal 24 der zweiten Regeleinrichtung 5 eingekoppelt wird. Das Aus­ gangssignal des PWM-Komparators 8 wird zusammen mit dem Sy­ stemtakt 10 einem nachgeschalteten Latch 9 zugeführt. Am Aus­ gang des Latches 9 ist dann ein pulsweitenmoduliertes Ansteu­ ersignal 11 abgreifbar, über das der Steueranschluß eines nachgeschalteten Laststromschalter 12 angesteuert wird.
Der Laststromschalter 12 ist zwischen einem ersten Pol mit einem ersten Versorgungspotential 13 und einem zweiten Pol mit einem zweiten Versorgungspotential 14 geschaltet. Das er­ ste Versorgungspotential 13 kann dabei das Eingangspotential sein, während das zweite Versorgungspotential 14 das Potenti­ al der Bezugspotential sein kann.
In Reihe zur Laststromstrecke des Leistungsschalters 12 ist eine Drosselinduktivität 15 sowie eine Last 16, die nicht notwendigerweise resistiv sein muß, geschaltet. Am Abgriff zwischen Drosselinduktivität 15 und Last 16 ist das Ausgangs­ potential 3 des Current-Mode-Schaltreglers abgreifbar. Am Ab­ griff zwischen Drosselinduktivität 15 und Leistungsschalter 12 ist ein Meßpotential 17 abgreifbar. Die an der Drosselin­ duktivität 15 abfallende Drosselspannung 18 wird einem Inte­ grator, z. B. einer spannungsgesteuerten Stromquelle 19 zuge­ führt. Dabei wird das Meßpotential 17 dem positiven Eingang und das Ausgangspotential 3 dem negativen Eingang der span­ nungsgesteuerten Stromquelle 19 zugeführt. Die span­ nungsgesteuerte Stromquelle 19 erzeugt das Regelsignal 24, das wie oben erwähnt über den Rückkopplungszweig 7 als Regelgröße der PWM-Einrichtung zugeführt wird.
Zusätzlich ist in Fig. 1 ein Freilaufelement 20 sowie ein Element zur Spannungsglättung 21 vorgesehen. Das Freilaufele­ ment 20 ist hier als Freilaufdiode vorgesehen, während das Element zur Spannungsglättung als Glättungskondensator 21 ausgebildet ist. Der Glättungskondensator 21 ist dabei der Last 16 parallel geschaltet, während die Freilaufdiode 20 zwischen Bezugsmasse 14 und dem Abgriff des Leistungsschal­ ters 12 und der Drosselspule 15 geschaltet ist.
Der steuerbare Leistungsschalter 12 kann durch jede Art von Feldeffekt gesteuerten Transistoren, gesteuerten Bipolartran­ sistoren oder ähnlichen steuerbaren Schaltern gebildet sein. Wesentlich ist hier lediglich, daß der steuerbare Leistungs­ schalter 12 für das Schalten eines (gepulsten) Laststromes 22 im Lastkreis des Schaltreglers geeignet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Drosselspule 15 zwischen Last 16 und Leistungsschalter 12 geschaltet. Die Drosselspule 15 kann jedoch auch zwischen Leistungsschalter 12 und erstem Pol der Versorgungsspannungsquelle 13 geschal­ tet sein. Die Drosselinduktivität 15 kann als Spule, als Teil eines Transformators oder einem ähnlichen induktiven Element gebildet sein. Wesentlich ist hier lediglich, daß die Dros­ selinduktivität im Lastkreis des Schaltreglers angeordnet ist.
Der Glättungskondensator 21 und die Drosselinduktivität 15 dienen zur Glättung des Ausgangspotentials 3 bzw. des Last­ stromes 22 des Current-Mode-Schaltreglers. Das Freilaufele­ ment 20 dient dabei zum Schutz des Leistungsschalters 12 vor Zerstörung bei Überschreiten dessen Sperrspannung.
Die erste Regeleinrichtung 1 wird typischerweise auch als äu­ ßerer Regelkreis bezeichnet, während die zweite Regeleinrich­ tung 5 als innerer Regelkreis bezeichnet wird. Die erste Re­ geleinrichtung 1 dient dabei zur Regelung des Ausgangspoten­ tiales 3 des Schaltreglers, während die zweite Regeleinrich­ tung 5 zur Regelung des Laststromes 22 vorgesehen ist.
Die zweite Regeleinrichtung 5 weist typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, eine PWM-Einrichtung entsprechend Fig. 1 auf. Wesentlich ist hier lediglich, daß die zweite Re­ geleinrichtung 5 Mittel zur Regelung des Laststromes 22 auf­ weist.
In der Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1 wird die Meß­ spannung nicht wie bisher üblich an einem resistiven Meßele­ ment, beispielsweise einem Meßwiderstand, abgegriffen und als Regelgröße des inneren Regelkreises rückgekoppelt. Es wird hier vielmehr die Spannung an der ohnehin vorhandenen und zwingend notwendigen Drosselinduktivität 15 abgegriffen. Die­ se Drosselspannung 18 wird dann einem Integrator zugeführt. Auf diese Weise wird der Laststrom 22 durch Messung des Span­ nungsabfalls 18 über der Drosselinduktivität 15 und zeitliche Integration ermittelt. Am Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquelle ist dann ein vom Laststrom 22 abgeleitetes Regel­ signal 24 abgreifbar, das als Regelgröße des inneren Regel­ kreis der PWM-Einrichtung zuführbar ist.
Die genaue Funktionsweise des erfindungsgemäßen Current-Mode- Schaltreglers wird anhand eines Detailschaltbildes entspre­ chend Fig. 2 näher erläutert. In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aus Fig. 1 angegeben, das zusätzlich Mittel zur Kompensation einer Regelabweichung des äußeren Regelkreises aufweist.
In Fig. 2 ist die erste Regeleinrichtung 1 als Verstärker ausgebildet, dessen Verstärkung in der Regel frequenzabhängig ist. Die erste Regeleinrichtung 1 enthält einen Komparator 30, zwischen dessen Ausgang und negativem Eingang ein erster Widerstand 31 geschaltet ist. Der Parallelschaltung des Kom­ parators 30 und des Widerstandes 31 ist ein zweiter Wider­ stand 32 in Reihe vorgeschaltet ist. Über das Verhältnis der Widerstandswerte des ersten Widerstandes 31 und des zweiten Widerstandes 32 ist somit bekanntermaßen der Verstärkungsfak­ tor des Verstärkers und damit der ersten Regeleinrichtung 1 dimensionierbar.
Die PWM-Einrichtung 6 ist in Fig. 2 durch einen PWM-Kom­ parator 8 und einem dem PWM-Komparator 8 nachgeschalteten RS-Flip-Flop 9 realisiert. Dabei wird das Ausgangssignal des PWM-Komparators 8 in den Reset-Eingang und der Systemtakt 10 in den Set-Eingang des RS-Flip-Flops 9 eingekoppelt. Das am Ausgang des RS-Flip-Flops 9 abgreifbare pulsweitenmodulierte Ansteuersignal 11 wird dem Steueranschluß des nachgeschalte­ ten Leistungsschalters 12 zugeführt. Der Leistungsschalter 12 ist hier als npn-Bipolartransistor realisiert. Das als RS-Flip- Flop 9 ausgebildete Latch dient dazu, daß jeweils nur ein Puls pro Taktperiode dem Steueranschluß des nachgeschal­ teten Leistungsschalters 12 zugeführt wird. Im eingeschwunge­ nen Zustand und bei geschlossenen Leistungsschalter 12 fließt im Mittel ein konstanter Laststrom.
Die durch die Drosselspannung 18 gesteuerte spannungsgesteu­ erte Stromquelle 19 ist in Fig. 2 als Transkonduktanzver­ stärker 33 mit nachgeschaltetem integrierenden Element 34 ausgebildet. Zwischen dem Ausgang des Transkonduktanzverstär­ kers 33 und dem zweiten Pol der Versorgungsspannungsquelle ist als integrierendes Element 34 ein Kondensator geschaltet. Es wäre selbstverständlich auch denkbar, als spannungsgesteu­ erte Stromquelle 19 einen Operationsverstärker zu verwenden, jedoch wäre diese Möglichkeit schaltungstechnisch sehr viel aufwendiger.
Der Transkonduktanzverstärker erzeugt aus dem Meßspannung über der Drosselinduktivität 15, d. h. aus der Differenz des Meßpotentiales 17 und des Ausgangspotentiales 3, einen Aus­ gangsstrom, der über das integrierende Element 34 über die Zeit aufintegriert wird. Der aufintegrierte Ausgangsstrom 24 bildet dann den Laststrom 22 ab. Über den Rückkopplungszweig 7 wird dann das sich ergebende Regelpotential 40 über eine Spannungsquelle 38 als Regelgröße des inneren Regelkreises rückgekoppelt. Die Trägheit dieses inneren Regelkreises bzw. der zweiten Regeleinrichtung 5 ist dabei über den Kondensator 34 dimensionierbar.
Zusätzlich ist in Fig. 2 eine sogenannte "Feed-Forward Re­ gelschaltung" zur Kompensation einer Regelabweichung der Sollspannung des äußeren Regelkreises vorgesehen. Dazu ist eine Kompensationseinrichtung 35 vorgesehen, die einen zwei­ ten Transkonduktanzverstärker 36 und einen Kondensator ent­ hält. Dem negativen Eingang des Transkonduktanzverstärkers 36 wird das Sollpotential 23 der ersten Reglereinrichtung 1 zu­ geführt. Dem positiven Eingang des Transkonduktanzverstärkers 36 wird ein zweites Sollpotential 37 einer Sollwertspannungs­ quelle zugeführt. Am Ausgang der Kompensationseinrichtung ist dann ein Kompensationssignal 39 abgreifbar, das über den Rückkopplungszweig 7 zusammen mit dem Ausgangsstrom 24 das Regelpotential 40 erzeugt und in den Regeleingang der PWM-Ein­ richtung eingekoppelt wird.
Nachfolgend wird die Funktionsweise dieser Kompensationsein­ richtung 35 näher erläutert.
Wie oben erläutert ergibt sich der Verstärkungsfaktor des Komparators 30 und damit der ersten Regeleinrichtung 1 über das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 31 und 32. Weist jedoch der Komparator 30 eine zu kleine Verstärkung auf, dann kann es zu einer Regelabweichung im Ausgangssignal der ersten Reglereinrichtung 1 kommen, d. h. es kommt zu ei­ ner Abweichung des von der ersten Reglereinrichtung 1 aus­ gangsseitig erzeugten Sollpotentiales 23 von einem vorgegebe­ nen Sollpotential 37.
Eine Vergrößerung des Verstärkungsfaktors des Komparators 30 durch geeignete Dimensionierung der Widerstände 31, 32 ist jedoch nur begrenzt möglich, da bei einer zu großen Verstär­ kung der äußere Regelkreis nicht stabil ist und anfängt zu schwingen. Beispielsweise ergibt sich bei einem Verstärkungs­ faktor V = 10 eine Regelabweichung des Sollpotentials 23 der ersten Reglereinrichtung 1 vom vorgegebenen Sollpotential 37 von etwa 10%.
Zur Kompensation dieser Regelabweichung wird das Sollpotenti- als 23 der ersten Regeleinrichtung 1 der Kompensationsvor­ richtung 35 zugeführt. Bei einer Regelabweichung wird am Aus­ gang der Kompensationsvorrichtung 35 ein Kompensationssignal 39 erzeugt. Dieses Gleichspannungssignal 39 wird dem aus­ gangsseitig von der spannungsgesteuerten Stromquelle 19 be­ reitgestellten Wechselspannungssignal 24 überlagert. In die PWM-Einrichtung wird dann ein Wechselspannungsüberlagertes Gleichspannungssignal 40 als Regelgröße zugeführt. Bei einer Regelabweichung des Sollpotentials 23 wird somit ein der Re­ gelabweichung entsprechender Gleichanteil zur Kompensation in den negativen Eingang der PWM-Einrichtung eingekoppelt. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Ausgangsspannung des äu­ ßeren Regler und damit auch dessen Eingangsspannung auf einem festen, daß heißt dem vorgegebenen Sollwertpegel des Sollpo­ tentials liegt. Es wird dadurch vermieden, daß eine Regelab­ weichung im Ausgangssignal des äußeren Regelkreises beibehal­ ten wird und sich somit ungünstig auf die Stabilität des Re­ gelsystems auswirkt.
Bei geringen Regelabweichungen ist es nicht erforderlich bzw. häufig auch nicht erwünscht, diese sofort, d. h. dynamisch ohne Verzögerung auszuregeln. Es ist daher typischerweise ein die Trägheit der Kompensationseinrichtung bestimmendes Ele­ ment, das typischerweise durch ein Kondensator ausgebildet ist, vorgesehen. Vorteilhafterweise wird in Fig. 2 dieser Kondensator durch den Kondensator 34 der spannungsgesteuerten Stromquelle 19 gebildet. Auf diese Weise kann ein Kondensator eingespart werden.
Die Kompensationseinrichtung ist bekanntermaßen ein Integra­ tor und kann daher, ähnlich wie der Integrator 19, durch jede Art von spannungsgesteuerten Stromquellen ausgebildet sein. Die Spannungs-Strom-Wandlung der Kompensationseinrichtung 35 ist somit auch nicht notwendigerweise auf einen Transkonduk­ tanzverstärker 36 beschränkt, sondern kann beispielsweise auch durch einen Operationsverstärker ersetzt werden.
Fig. 3 zeigt drei Signal-/Zeit-Diagramme der erfindungsgemä­ ßen Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 2. Fig. 3a zeigt in einer Simulation der Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Laststromes 22, Fig. 3b den zeitlichen Verlauf der Drosselspannung 18 und Fig. 3c den zeitlichen Verlauf des durch die spannungsgesteuerte Strom­ quelle 19 ermittelten Laststromes 22, bei dem der Gleichspan­ nungsanteil des Regelsignals durch das Kompensationssignal 39 der dritten Regeleinrichtung "verfälscht" wurde.
Im eingeschwungenen Zustand stellt sich ein Laststrom 22 im Lastkreis des Schaltreglers ein (Fig. 3a). Die gemessene Drosselspannung 18 repräsentiert die zeitliche Ableitung die­ ses Laststromes 22 (Fig. 3b). Nach Aufintegration der recht­ eckförmigen Drosselspannung 18 ergibt sich dann ein Regelpo­ tential 40, das exakt die gleiche Kurvenform wie der Last­ strom 22 aufweist.
In den Fig. 1 und 2 ist der Current-Mode-Schaltregler als Tiefsetzsteller (Buck-Converter) ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Tiefsetzsteller beschränkt, son­ dern kann bei jedem Current-Mode-Schaltregler, wie beispiels­ weise bei einem Hochsetzsteller (Boost-Converter), Sperrwand­ ler (Fly-Back-Converter), oder daraus abgeleiteten Konvertern angewendet werden.
Die bevorzugte, jedoch nicht notwendigerweise ausschließliche Anwendung, finden die erfindungsgemäßen Current-Mode- Schaltregler bei getakteten Stromversorgungen. Besonders vor­ teilhaft ist die Erfindung in einem Schaltnetzteil mit Cur­ rent-Mode-Schaltregler.
Bezugszeichenliste
1
erste Regeleinrichtung, Regler des äußeren Regelkreises
2
Referenzpotential
3
Ausgangspotential des Schaltreglers
4
(erster) Rückkopplungszweig
5
zweite Regeleinrichtung, Regler des inneren Regelkreises, PWM-Einrichtung
7
(zweiter) Rückkopplungszweig
8
PWM-Komparator
9
Latch, Flip-Flop
10
Systemtakt
11
(pulsweitenmoduliertes) Ansteuersignal
12
steuerbarer Leistungsschalter/Leistungstransistor
13
,
14
erstes/zweites Versorgungspotential
15
Drosselinduktivität, Drosselspule
16
Last
17
Meßpotential
18
Drosselspannung
19
spannungsgesteuerte Stromquelle
20
Freilaufelement, Freilaufdiode
21
Element zur Spannungsglättung, Glättungskondensator
22
Laststrom
23
(von der ersten Regeleinrichtung erzeugtes) Sollpotential
24
Ausgangssignal des Integrators
30
Komparator der ersten Regeleinrichtung
31
,
32
erster/zweiter Widerstand der ersten Regeleinrichtung
33
(erster) Transkonduktanzverstärker
34
integrierendes Element, Kondensator
35
Kompensationseinrichtung
36
(zweiter) Transkonduktanzverstärker
37
(vorgegebenes) Sollpotential
38
Spannungsquelle
39
Kompensationssignal
40
Regelsignal/-potential des inneren Regelkreises

Claims (13)

1. Current-Mode-Schaltregler zur Stromversorgung mit den fol­ genden Merkmalen:
  • (a) mit einer ersten Regeleinrichtung (1) zur Spannungsrege­ lung und einer zweiten Regeleinrichtung zur Laststromre­ gelung, die jeweils zwei Eingänge und jeweils einen Aus­ gang aufweisen, wobei
    • - einem ersten Eingang der ersten Regeleinrichtung (1) ein Referenzsignal (2) und einen zweiten Eingang als Regelgröße ein Ausgangssignal (3) des Current-Mode- Schaltreglers zuführbar ist und wobei
    • - der Ausgang der ersten Regeleinrichtung (1) mit einem ersten Eingang der zweiten Regeleinrichtung (5) gekop­ pelt ist,
  • (b) mit mindestens einem durch ein Steuersignal (11) der zweiten Regeleinrichtung (5) steuerbaren Leistungsschal­ ter (12), dessen Laststrecke zwischen einem ersten Pol mit einem ersten Versorgungspotential (13) und einem zweiten Pol mit einem zweiten Versorgungspotential (14) angeordnet ist,
  • (c) mit einer in Reihe zur dieser Laststrecke angeordneten Drosseleinrichtung (15),
  • (d) mit einem Integrator (19), der durch zeitliche Integrati­ on der an der Drosseleinrichtung (15) abfallenden Dros­ selspannung (18) ein einen Laststrom (22) abbildendes Re­ gelsignal (40) erzeugt, das als Regelgröße in einen zwei­ ten Eingang der zweiten Regeleinrichtung (5) eingekoppelt wird.
2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (19) als spannungsgesteuerten Stromquelle ausgebildet ist.
3. Schaltregler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Integrator (19) ein erster Transkonduktanzverstärker (33) mit nachgeschaltetem kapazitiven Element (34) vorgesehen ist.
4. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Integrator (19) ein Operationsverstärker mit nachge­ schaltetem kapazitiven Element (34) vorgesehen ist.
5. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regeleinrichtung (5) einen Pulsweitenmodulator (6) aufweist, der zumindest einen pulsweiten modulierten Kom­ parator (8) und eine taktgesteuerte Speichereinrichtung (9) enthält.
6. Schaltregler nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Leistungsschalter (12) ein durch Feldef­ fekt gesteuerter Transistor oder ein Bipolartransistor ist.
7. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler einen Tiefsetzsteller aufweist.
8. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler einen Hochsetzsteller aufweist.
9. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler einen Sperrwandler aufweist.
10. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Lastkreis des Schaltreglers Mittel zur Signalglättung vorgesehen sind, wobei die Mittel zur Signalglättung zumin­ dest einen Glättungskondensator (21) und/oder zumindest eine Drosselspule (15) enthalten.
11. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationseinrichtung (35) vorgesehen ist, die bei einer Regelabweichung der ersten Regeleinrichtung (1) ein von dieser Regelabweichung abgeleitetes Kompensationssignal (39) erzeugt, das dem vom Laststrom (22) abgeleiteten Regel­ signal (24) überlagert wird und als Regelgröße in die zweite Regeleinrichtung (5) eingekoppelt wird.
12. Schaltregler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Kompensationseinrichtung (35) träge er­ folgt, wobei als das die Trägheit bestimmende Element das in­ tegrierende Element (34) der ersten Regeleinrichtung (5) vor­ gesehen ist.
13. Schaltnetzteil mit einem Current-Mode-Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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