DE4136809C2 - Schaltregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Schaltregler. Ein Schaltregler ist aus der Zeitschrift "IEEE Transactions on Power Electronics", Vol. PE-2, Nr. 4, Oktober 1987, S. 302-312 bekannt. Ein derartiger Schaltregler kann bei einer geringen ausgangsseitigen Last in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus und bei hoher ausgangsseitiger Last in einem kontinuierlichen Betriebsmodus arbeiten. Ein Fehlerverstärker ist vorhanden, der ein Fehlersignal ausgibt, welches eine Schwankung der Ausgangsspannung des Schaltreglers anzeigt, und eine Schalteinrichtung ist vorgesehen zum Schalten der Eingangsspannung. Der Schaltregler ist außerdem mit einer Detektorschaltung ausgerüstet, die ein Abfallen des Ausgangsstroms unter einen vorgegebenen Schwellwert detektiert und dadurch zwei Betriebsmodi des Schaltreglers detektiert. Verschiedene Arten von Rückkopplungsschleifen sind vorgesehen, um eine Stabilisierung der Frequenz des DC/DC-Wandlers zu erreichen. Diese Rückkopplungsschleifen besitzen unabhängig vom Betriebsmodus des Schaltreglers eine konstante Schleifenverstärkung. Ein derartiger Schaltregler kann unabhängig vom ausgangsseitigen Lastzustand eine Frequenzstabilisierung der Schaltfrequenz des Schaltreglers ermöglichen.

Der JP-Abstr. 56-78371(A) betrifft einen DC/DC-Wandler, bei dem der geglättete Schaltstrom einer Schalteinrichtung in einem Fehlerverstärker mit einer Referenzspannung verglichen wird. Ein Ausgangssignal des Fehlerverstärkers wird einem Impulsverstärkerteil eingegeben, dessen Ausgangssignal die Schalteinrichtung steuert. Somit wird über den Fehlerverstärker und dem Impulsverstärkerteil eine Rückkopplungsschleife zur Steuerung der Schalteinrichtung gebildet. Wenn der Laststrom abfällt, wird die Schleifenverstärkung groß und die konstante Spannungssteuerung kann stabil durchgeführt werden. Der Fehlerverstärker besitzt jedoch immer den gleichen Verstärkungsfaktor und die Schleifenverstärkung wird unabhängig von einem diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Betriebszustand des DC/DC-Wandlers geändert.

Fig. 10 zeigt einen weiteren bekannten Schaltregler in Zerhackerbauart, der als Aufwärtswandler ausgebildet ist, bei dem die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung ist. Fig. 11 ist eine Wellenformdarstellung, die das Verhalten der maßgeblichen Wellenformen an verschiedenen Punkten der in Fig. 10 dargestellten Schaltung angibt. Die Fig. 12A und 12B zeigen die Wellenformen an verschiedenen Punkten der in Fig. 10 dargestellten Schaltung jeweils bei der oben erwähnten diskontinuierlichen Betriebsweise und bei der kontinuierlichen Betriebsweise.

Gemaß Fig. 10 verstärkt ein Fehlerverstärker 8 den Unterschied zwischen der Ausgangsspannung Vo und der Bezugsspannung Vr einer Bezugsspannungsquelle 7 und gibt gemäß Fig. 11 ein Fehlersignal Ver aus. Ein Vergleichsoszillator gibt gemäß Fig. 11 ein Sägezahnspannungssignal Vosc ab. Ein Impulsbreitenmodulation-Komparator 10 vergleicht das Fehlersignal Ver mit dem Signal Vosc, um ein Impulsbreitenmoduliertes Signal Vp auszugeben, das der Basis eines Schalttransistors 2 zugeführt wird. Der Komparator 10 gibt eine logische "1" ab, um für Vosc < Ver den Transistor 2 einzuschalten, und der Komparator gibt eine logische "0" ab, um den Transistor 2 für Vosc < Ver abzuschalten. Fällt beispielsweise die Ausgangsspannung Vo infolge eines Anstiegs des Laststroms ab, so verringert sich das Fehlersignal Ver, wie durch eine gestrichelte Linie W1 in Fig. 11 dargestellt ist, so daß die Impulsdauer der logischen 1 des Signals Vp ansteigt, wie durch W2 in Fig. 11 angegeben wird. Somit bleibt der Transistor 2 für eine längere Zeitspanne eingeschaltet. Schaltet der Transistor 2 aus, so wird die elektrische Energie, die sowohl in einer Drosselspule 3 als auch in einem Kondensator 5 gespeichert ist, der über eine Eingangsklemme 1 zugeführten Energie überlagert und einer Ausgangsklemme 6 zugeführt, wodurch die Ausgangsspannung Vo erhöht wird. Dies ist der Basisbetrieb des Aufwärts-Wandlers.

Während des Schaltbetriebs arbeitet die Schaltung gemäß Fig. 10 entweder in diskontinuierlicher Weise, bei der der Drosselspulenstrom Ich intermittierend ist oder in einer kontinuierlichen Weise, bei welcher der Drosselspulenstrom zu allen Zeiten vorliegt. Der Schaltregler arbeitet bei geringer Last in diskontinuierlicher Weise, und bei großer Last in kontinuierlicher Weise.

Verdoppelt sich beispielsweise bei diskontinuierlicher Betriebsweise der Laststrom, so verdoppelt sich die Einschaltdauer des Transistors 2 und verdoppelt die Ausgangsleistung, wie in Fig. 12A gestrichelt dargestellt ist. Der Drosselspulenstrom Ich und der Kollektorstrom Itr des Transistors 2 steigen während einer längeren Zeitspanne weiterhin an und erhöhen dabei die Ausgangsleistung.

Verdoppelt sich bei der kontinuierlichen Betriebsweise beispielsweise der Laststrom, so steigt die Einschaltdauer nur um eine geringe Größe an, wie gestrichelt in Fig. 12B dargestellt ist. Der Drosselspulenstrom Ich und der Kollektorstrom Itr des Transistors 2 steigen an und erhöhen die Ausgangsleistung.

Fig. 13 zeigt einen bekannten Schaltregler in Zerhackerbauweise, der als Abwärtswandler ausgebildet ist, wobei die Ausgangsspannung kleiner als die Eingangsspannung ist. Fig. 14 stellt die Wellenformen an verschiedenen Punkten in der Schaltung der Fig. 13 dar. Für Vosc < Ver nimmt das impulsbreitenmodulierte Signal Vp einen hohen Pegel an. Der Hochpegel von Vp schaltet den Transistor 12 ein, der seinerseits den Transistor 2A zur Einschaltung veranlaßt. Für Vosc < Ver nimmt das Signal Vp einen Niedrigpegel an. Der Niedrigpegel von Vp schaltet den Transistor 12 aus, der seinerseits den Transistor 2A zur Ausschaltung veranlaßt. Fällt beispielsweise die Ausgangsspannung Vo in Folge eines Anstiegs des Laststroms ab, so verringert sich das Fehlersignal Ver, wie in Fig. 11 durch die gestrichelte Linie W1 dargestellt ist, so daß die Einschaltdauer der logischen 1 des Signals Vp ansteigt, wie durch W2 in Fig. 11 angegeben wird. Somit bleibt der Transistor 12 für eine längere Zeitspanne eingeschaltet. Eine längere Einschaltdauer des Transistors 12 bewirkt, daß mehr elektrische Energie an der Drosselspule 3 und am Kondensator 5 gespeichert wird, wodurch die Ausgangsspannung Vo erhöht wird. Dies ist der Basisbetrieb des Abwärts-Wandlers.

Bei dem vorstehend aufgeführten bekannten Aufwärts- und Abwärts-Wandler, bei dem eine regulierte Leistungsquelle eine kapazitive Last an den Ausgang eines Verstärkers mit negativer Rückkopplung angeschlossen hat, muß die Einschaltdauer des Schalttransistors stärker bei diskontinuierlichem Betrieb schwanken, als bei kontinuierlichem Betrieb, um eine gegebene Größe der Ausgangsleistung zu erhöhen. Ferner wird die Schleifenverstärkung viel höher, wenn der Schaltregler im kontinuierlichen Betrieb arbeitet, statt im diskontinuierlichen Betrieb. Versuche haben gezeigt, daß die Schleifenverstärkung sich gewöhnlich um einen Faktor unterscheidet, der größer als 10 ist.

Um eine möglichst konstante Ausgangsspannung bei Änderungen der Last und der Eingangsspannung zu erzielen, sollte die Schleifenverstärkung so hoch wie möglich sein. Somit hat der Fehlerverstärker gewöhnlich eine hohe Schleifenverstärkung in einem niedrigen Frequenzbereich. Jedoch erzeugt eine hohe Schleifenverstärkung eine Phasenverzögerung sowohl im Fehlerverstärker als auch im Ausgangskondensator innerhalb einer Rückkopplungsschleife, was es schwierig macht, gleichzeitig eine gute Stabilität sowohl im kontinuierlichen Betrieb als auch im diskontinuierlichen Betrieb zu erzielen. Es ist nachteilig für die Erreichung einer guten Schleifenstabilität, falls die Schleifenverstärkung sich als Folge von Änderungen der Betriebsweise stark verändert. Umgekehrt führt die Verbesserung der Rückkopplungsstabilität gewöhnlich zu einer geringeren Schleifenverstärkung in einem Hochfrequenzbereich, was wiederum zu einer Erhöhung des Ausgangswiderstands des Schaltreglers führt. Der höhere Ausgangswiderstand verursacht dann eine große Änderung der Ausgangsspannung, falls sich die Last rasch ändert.

Um eine Verschlechterung der Stabilität und des Betriebsverhaltens der Rückkopplungsschleife als Folge einer Umschaltung zwischen den Betriebsarten zu verhindern, kann der Schaltregler nur in einer Betriebsweise betrieben werden. In diesem Fall können sowohl die Stabilität als auch das Betriebsverhalten befriedigen, falls die Änderungen der Last und der Eingangsspannung klein sind. Sind jedoch die Änderungen der Last und der Eingangsspannung groß, so ist eine extrem große Kapazität des Ausgangskondensators erforderlich, um den Ausgangswiderstand bei diskontinuierlichem Betrieb zu verringern. Andererseits führt der Betrieb allein in kontinuierlicher Betriebsweise zu geringeren Scheitelströmen und geringeren Brummströmen durch die Drosselspule und den Ausgangskondensator, und ist vorteilhaft zur Verringerung der Größe der Drosselspule. In diesem Fall muß jedoch selbst bei vernachlässigbar kleinem Laststrom ein unnötig großer Leerlaufstrom vorhanden sein, um einen Übergang von kontinuierlicher Betriebsweise zur diskontinuierlichen Betriebsweise zu verhindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Schaltregler zu schaffen, dessen Ausgangsspannung auch bei großen Eingangsspannungs- und Laständerungen konstant ist, und dessen Rückkopplungsschleife ungeachtet der Betriebsweise stabil ist und eine konstante Schleifenverstärkung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Schaltregler gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Schaltregler kann die Verschlechterung der Schleifenverstärkung bis diskontinuierlicher Betriebsweise kompensieren. Die Verstärkung des Fehlerverstärkers wird zwischen der kontinuierlichen Betriebsweise und der diskontinuierlichen Betriebsweise umgeschaltet, so daß die gesamte Schleifenverstärkung im wesentlichen ungeachtet der Betriebsweise die gleiche ist.

Der erfindungsgemäße Schaltregler arbeitet abhängig von der Größe des Laststroms in einem diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Betriebsmodus. Die Betriebsmodus-Detektoreinrichtung gibt ein Betriebsartsignal Vg aus, das anzeigt, ob der Schaltregler in einem diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Betriebsmodus arbeitet. Entsprechend dem Betriebsmodus-Signal arbeitet ein Fehlerverstärker selektiv mit einem ersten Rückkopplungsverhältnis und einem zweiten Rückkopplungsverhältnis, um ein Fehlersignal Ver auszugeben, das die Änderung einer Ausgangsspannung des Schaltreglers angibt. Das Fehlersignal Ver wird einem Impulsbreitenmodulation-Komparator zugeführt, der seinerseits entsprechend dem Fehlersignal ein Impulsbreitenmodulationsignal ausgibt. Das Impulsbreitenmodulationssignal steuert einen Schalttransistor, um eine Eingangsspannung des Sperrwandlers zu schalten. Auf diese Weise wird ungeachtet des Betriebsmodus im wesentlichen die gleiche Schleifenverstärkung aufrechterhalten.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Patentansprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand ihrer bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben; es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, als Aufwärtswandler ausgebildeten Schaltreglers,

Fig. 2 eine Kennlinie eines erfindungsgemäßen Fehlerverstärkers,

Fig. 3A und 3B Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung der Fig. 1, jeweils bei diskontinuierlicher und kontinuierlicher Betriebsart,

Fig. 3C die Beziehung zwischen dem Ausgangswiderstand und der Frequenz des erfindungsgemäßen Schaltreglers,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform, bei der die erste Ausführungsform in einen Rücklauf-Schaltregler (bzw. Schaltregler vom Flyback-Typ) modifiziert ist,

Fig. 5A und 5B Wellenformen in verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 4, jeweils bei diskontinuierlicher und kontinuierlicher Betriebsart,

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltreglers in Gestalt eines Abwärts-Wandlers,

Fig. 7A und 7B Wellenformen in verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 6, jeweils bei diskontinuierlicher und kontinuierlicher Betriebsart,

Fig. 8 eine vierte Ausführungsform, bei welcher die dritte Ausführungsform in einen Rücklauf-Schaltregler modifiziert ist,

Fig. 9A und 9B Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 8, jeweils bei diskontinuierlicher und kontinuierlicher Betriebsart,

Fig. 10 einen bekannten Schaltregler in Zerhackerbauweise, der als Aufwärtswandler ausgebildet ist, wobei die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung ist,

Fig. 11 eine Wellenformdarstellung, die das Verhalten der kennzeichnenden Wellenformen an verschiedenen Punkten eines Impulsbreitenmodulation-Komparators angibt,

Fig. 12A und 12B die Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 10, jeweils bei diskontinuierlicher und kontinuierlicher Betriebsart,

Fig. 13 einen bekannten Schaltregler in Zerhackerbauart, der als Abwärtswandler ausgebildet ist, bei dem die Ausgangsspannung niedriger als die Eingangsspannung ist, und

Fig. 14A und 14B die Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 13 jeweils in diskontinuierlicher und in kontinuierlicher Betriebsart.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines als Aufwärtswandler ausgebildeten erfindungsgemäßen Schaltreglers. Fig. 2 zeigt Kennlinien eines erfindungsgemäßen Fehlerverstärkers. Fig. 3 ist eine Wellenformdarstellung, die die Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung angibt. In Fig. 1 hat ein erster Komparator 14 eine nicht-invertierte Eingangsklemme, die mit einer Eingangsklemme 1 über eine eingebaute Bezugsspannung verbunden ist, und eine invertierte Eingangsklemme, die mit dem Kollektor eines Schalttransistors 2 verbunden ist. Das Ausgangssignal Vsw des ersten Komparators 14 wird einer der Eingangsklemmen einer EXKLUSIV-ODER-Schaltung 15 zugeführt. Die EXKLUSIV-ODER-Schaltung 15 erhält das Signal Vsw und das impulsbreitenmodulierte Signal Vp und gibt ein Signal Vex an eine Mittelwertbildungschaltung 16 ab, die die Gestalt eines einfachen CR Tiefpaßfilters hat. Der erste Komparator 14, die EXKLUSIV-ODER-Schaltung 15 und die Mittelwertbildungschaltung 16 erfassen als Ganzes den Unterschied in der Einschaltdauer des Signals Vp zwischen den beiden Betriebsarten. Somit arbeiten der erste Komparator 14, die EXKLUSIV-ODER-Schaltung 15, die Mittelwertbildungschaltung 16, und der Komparator 17 als eine Betriebsart-Erfassungseinrichtung.

Das Ausgangssignal der Mittelwertbildungschaltung 16 wird einem zweiten Komparator 17 zugeführt, der sein Eingangssignal mit einer eingebauten Bezugspannung vergleicht und ein Betriebsartsignal Vg abgibt, das seinerseits einen Verstärkungswählerschalter 8c betätigt. Die Widerstände 8a und 8b, ein Kondensator C1, ein Differentialverstärker 8d, und der Verstärkungswählerschalter 8c bilden einen Fehlerverstärker 8. Der Verstärkungswählerschalter 8c liegt auf "0", um eine Fehlerverstärkerkennlinie A (niedrigere Verstärkung) gemäß Fig. 2 zu liefern, wenn das Betriebsartsignal Vg eine logische 0 (kontinuierliche Betriebsart) ist, und er liegt auf "1", um eine Fehlerverstärkerkennlinie B (höhere Verstärkung) gemäß Fig. 2 zu liefern, wenn das Betriebsartsignal Vg eine logische 1 (diskontinuierliche Betriebsart) ist. Die Fehlerverstärkerkennlinie A ergibt ein erstes Rückkopplungsverhältnis und B ein zweites Rückkopplungsverhältnis, so daß die Kennlinie A eine Verstärkung des Fehlerverstärkers ergibt, die höher als für die Kennlinie B ist. Bei der Kennlinie A verringert sich die Verstärkung mit einer Rate von -6 dB/oct bis zu einer Frequenz fc und anschließend bleibt die Verstärkung konstant bei (R1 + R2)/R1. Bei der Kennlinie B verringert sich die Verstärkung mit einer Rate von -6 dB/oct bis zu der Frequenz fc und anschließend bleibt die Verstärkung konstant bei 1 (d. h. null dB). Der Fehlerverstärker 8 ergibt ein Fehlersignal Ver auf der Grundlage der Ausgangsspannung Vo und einer Bezugspannung Vr ab. Ein Impulsbreitenmodulation-Komparator 10 erhält ein Bezugssignal Vosc aus der Bezugspannungsquelle 7 und das Fehlersignal Ver, und vergleicht das Fehlersignal Ver mit dem Signal Vosc und gibt ein impulsbreitenmoduliertes Signal Vp aus, das seinerseits einen Schalttransistor 2 steuert, um ihn ein- und auszuschalten.

Die Betriebsweise des als Aufwärtswandler ausgebildeten Schaltreglers nach Fig. 1 wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Der erste Komparator 14 gibt das Signal Vsw als logische 1 ab, falls die Spannung Vc niedriger als ein Schwellenwertpegel Va ist, der eine algebraische Summe der Eingangspannung Vi und der eingebauten Spannung ist, und gibt eine logische 0 ab, falls Vc größer Va gemäß Fig. 3A.

Bei diskontinuierlicher Betriebsart ist das Signal Vsw eine logische 1 (schraffierter Abschnitt in Fig. 3A), wenn der Drosselspulenstrom Ich einer Drosselspule 3 gleich 0 ist und desgleichen, wenn das Signal Vp eine logische 1 ist.

In der kontinuierlichen Betriebsart ist der Drosselspulenstrom Ich nicht ständig Null und das Signal Vsw hat im wesentlichen die gleiche Wellenform wie das Signal Vp, wie aus Fig. 3B hervorgeht.

Die EXKLUSIV-ODER-Schaltung 15 vergleicht das Signal Vsw mit dem Signal Vp und gibt das Signal Vex als logische 0 ab, falls Vsw und Vp den gleichen logischen Zustand haben, und sie gibt eine logische 1 aus, falls Vsw und Vp unterschiedlichen logischen Zustand haben. Das Signal Vsw kann bei sehr kurzen Perioden sowohl bei diskontinuierlicher Betriebsart als auch bei kontinuierlicher Betriebsart eine logische 1 sein. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Verzögerungszeit in der Schaltung die Signale Vp und Vsw veranlaßt, sich geringfügig während der Zeit zu unterscheiden, in der sie an den jeweiligen Eingängen der EXKLUSIV-ODER-Schaltung 15 erscheinen. Das Signal Vex wird darauf der Mittelwertbildungschaltung 16 zugeführt, wo das Signal Vex in ein Signal Vav gemittelt wird, während welchem die vorstehend erwähnten sehr engen Logikpegel entfernt werden. Wie zusammen mit Vex in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist, ist das Signal Vav bei kontinuierlicher Betriebsart nahezu null und bei diskontinuierlicher Betriebsart ziemlich hoch. Der Schwellenwertpegel Vp des zweiten Komparators 17 wird geringfügig höher als Vav in Fig. 3A gewählt, so daß das Betriebsartsignal Vg des Komparators 17 bei diskontinuierlicher Betriebsart eine logische 1 und bei kontinuierlicher Betriebsart eine logische 0 ist. In dieser Weise ist es möglich, die diskontinuierliche Betriebsart genau gegenüber der kontinuierlichen Betriebsart zu unterscheiden. Das Signal Vg wird darauf dem Verstärkungswählerschalter 8c zur Steuerung des Rückkopplungsverhältnisses zugeführt. Ist das Betriebsartsignal Vg eine logische 1 (diskontinuierliche Betriebsart), so wird der Verstärkungswählerschalter 8c auf die Position "1" für eine höhere Verstärkung umgelegt, und ist das Betriebsartsignal Vg eine logische 0 (kontinuierliche Betriebsart), so wird der Schalter 8c in die Position "0" für eine niedrigere Verstärkung gebracht. Durch die Wahl der Verstärkungskennlinie des Fehlerverstärkers 8 in dieser Weise wird im wesentlichen insgesamt die gleiche Schleifenverstärkung ungeachtet der ausgewählten Betriebsart aufrechterhalten. Dies bringt die Schwankung des Ausgangssignals des Schaltreglers als Folge von großen Laständerungen, wie auch von Änderungen in der Eingangspannung auf ein Mindestmaß und ergibt eine gute Schleifenstabilität. Die Umschaltung der Verstärkungskennlinie zwischen den beiden Betriebsarten ist ebenfalls von Vorteil für die Verringerung der Ausgangsschwankung auf ein Mindestmaß, wie auch zur Gewährleistung einer geringen Größe des Schaltreglers, wenn ein plötzlicher Abfall des Laststroms den Schaltregler aus der kontinuierlichen Betriebsart, für die der Schaltregler normalerweise bemessen ist, in eine diskontinuierliche Betriebsart zwingt.

Der Ausgangswiderstand Ro des Schaltreglers wird angegeben durch eine Änderung der Ausgangsspannung Vo, geteilt durch eine Änderung des Laststroms Io. Fig. 3c zeigt die Beziehung zwischen dem Ausgangswiderstand des Schaltreglers und der Frequenz. Da die Schleifenverstärkung sich bei höheren Frequenzen für eine bessere Stabilität verringert, steigt der Ausgangswiderstand Ro des Schaltreglers mit der Frequenz im niedrigen Frequenzbereich an. Im hohen Frequenzbereich verringert sich jedoch der Ausgangswiderstand Ro mit der Frequenz, da sich die Impedanz des Ausgangskondensators 5 mit der Frequenz verringert. Die Kurve 1 in Fig. 3C zeigt die Ausgangswiderstandskennlinie bei kontinuierlicher Betriebsart, wie auch bei diskontinuierlicher Betriebsart, wenn die Verstärkung des Fehlerverstärkers gemäß Fig. 1 erhöht ist. Die Kurve 2 zeigt den Ausgangswiderstand bei diskontinuierlicher Betriebsart, wenn die Verstärkung des Fehlerverstärkers bei der diskontinuierlichen Betriebsart nicht erhöht ist.

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltreglers wurde zwar in Bezug auf einen Aufwärts-Wandler beschrieben, jedoch kann die vorstehend aufgeführte Erfassung der Betriebsart auch bei anderen Arten eines Schaltreglers verwendet werden, sofern dieser sowohl in einer diskontinuierlichen Betriebsart und einer kontinuierlichen Betriebsart arbeitet.

Zweite Ausführungsform

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der die erste Ausführungsform in einen Rücklauf-Schaltregler (Schaltregler vom Flyback-Typ) modifiziert ist. Ein Rücklauf-Schaltregler verwendet einen Schalttransformator 18 anstelle der Drosselspule 3 nach Fig. 1.

In Fig. 4 ist die Primärwicklung des Schalttransformators zwischen der Eingangsklemme 1 und dem Kollektor eines Schalttransistors 2 eingefügt, und die Sekundärwicklung ist zwischen Masse und der Anode einer Diode 14 angeschlossen. Ein erster Komparator 14A hat eine nicht-invertierte Eingangsklemme an eine invertierte Eingangsklemme 1 über eine eingebaute Bezugsspannung angeschlossen, und hat eine invertierte Eingangsklemme an den Kollektor des Schalttransistors 2 angeschlossen. Der Transformator 18 empfängt elektrische Leistung aus der Eingangsklemme 1 über die Primärwicklung und speichert darin magnetische Energie, wenn der Transistor 2 einschaltet, und gibt die gespeicherte magnetische Energie über die Sekundärwicklung an eine Last ab, wenn der Transistor 2 ausschaltet. Je größer die Einschaltdauer des Transistors 2 ist, desto größer ist die der Last zugeführte Energie.

Die Fig. 5A und 5B zeigen Wellenformen an den verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 4 bei jeweils diskontinuierlicher und kontinuierlicher Betriebsart. Eine Spannung Vc am Kollektor des Schalttransistors 2 wird 0 Volt, wenn ein impulsbreitenmoduliertes Signal Vp aus dem Impulsbreitenmodulation-Komparator 10 einen hohen Pegel annimmt. Nimmt das Signal Vp einen Niedrigpegel an, so schaltet der Transistor 2 aus, und in der diskontinuierlichen Betriebsart überschreitet die Spannung Vc einen Schwellenwert Va (der strichpunktiert zusammen mit Va in Fig. 5A angegeben ist), der die Summe der Eingangsspannung Vi und einer vorgegebenen eingebauten Bezugspannung ist, während der Sekundärstrom It2 fließt. Die Spannung Vc wird dann die gleiche wie die Eingangspannung Vi, wenn der Sekundärstrom It null wird. In der kontinuierlichen Betriebsart fließt der Sekundärstrom It2 weiter, während das Signal Vp Niedrigpegel hat, so daß die Spannung Vc nicht ständig gleich der Spannung Vi ist.

Der erste Komparator 14, eine EXKLUSIV-ODER-Schaltung 15, eine Mittelwertbildungschaltung 16, ein zweiter Komparator 17 arbeiten ähnlich wie der Aufwärts-Wandler nach Fig. 1 und geben ein Betriebsartsignal Vg ab, das anzeigt, ob sich der Schaltregler in der diskontinuierlichen oder der kontinuierlichen Betriebsart befindet. Auf diese Weise wird die Schleifenverstärkung für die jeweiligen Betriebsarten optimiert.

Dritte Ausführungsform

Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltreglers in Gestalt eines Abwärts-Wandlers. Die Bauelemente 1, 2A, 3, 5-7, 8, 9-12, und 15-17 sind die gleichen wie bei den Fig. 1 und 13 und ihre Beschreibung wurde weggelassen.

In Fig. 6 hat ein erster Komparator 14B eine nicht-invertierte Eingangsklemme an den Kollektor des Schalttransistors 2A angeschlossen und eine invertierte Eingangsklemme ist über eine eingebaute Bezugspannung Vd an Masse angeschlossen.

Die Fig. 7A und 7B zeigen Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 6 jeweils bei diskontinuierlicher und kontinuierlicher Betriebsart.

Der erste Komparator 14B hat eine Schwellenwertspannung Vd, die eine Spannung darstellt, die um einen vorgegebenen Betrag geringer als die Ausgangsspannung Vo ist. Der erste Komparator 14b ergibt ein Signal Vsw als logische 1 während einer Zeitspanne ab, wo die Spannung Vc größer als die Schwellenwertspannung Vd ist. Bei diskontinuierlicher Betriebsart ist das Signal Vsw eine logische 1 während einer Zeitspanne, für welche der Drosselspulenstrom Ich null ist (schaffierter Abschnitt in Fig. 7A), sowie für eine Zeitspanne, während welcher der Impulsbreitensignal Vp eine logische 0 ist. Bei der kontinuierlichen Betriebsart ist der Drosselspulenstrom Ich nicht ständig 0 und die Wellenform des Signals Vsw ist im wesentlichen die gleiche wie diejenige des Signals Vp.

Vierte Ausführungsform

Fig. 8 zeigt eine vierte Ausführungsform, bei welcher die dritte Ausführungsform in einen Rücklauf-Schaltregler (Schaltregler vom Flyback-Typ) modifiziert ist. Dieser Rücklauf-Schaltregler verwendet einen Schalttransformator 18a anstelle der Drosselspule 3 nach Fig. 6.

In Fig. 8 ist die Primärwicklung des Schalttransformators 18a zwischen Masse und dem Kollektor eines Schalttransistors 2A angeschlossen, und die Sekundärwicklung liegt zwischen Masse und der Anode einer Diode 4. Ein erster Komparator 14C hat eine nicht-invertierte Eingangsklemme an den Kollektor des Schalttransistors 2A angeschlossen und eine invertierte Eingangsklemme über eine eingebaute Bezugsspannung an Masse angeschlossen.

Der Transformator 18A empfängt elektrische Leistung über die Primärwicklung und speichert darin magnetische Energie, wenn der Schalttransistor 2A einschaltet, und er entlädt die magnetische Energie zu einem Kondensator 5 über die Sekundärwicklung, wenn der Transistor 2A ausschaltet. Je größer die Einschaltdauer des Transistors 2 ist, um so größer ist die der Lastseite zugeführt Energie.

Die Fig. 9A und 9B zeigen Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 8 jeweils bei diskontinuierlicher und bei kontinuierlicher Betriebsart.

Bei der diskontinuierlichen Betriebsart wird eine Spannung Vt1 am Kollektor des Transistors 2 gleich der Eingangspannung Vi, wenn das impulsbreitenmodulierte Signal Vp eine logische 1 ist, und sie wird gleich -NVo, wenn das Signal Vp eine logische 0 ist und der Sekundärstrom It2 fließt. Wird der Sekundärstrom It2 gleich Null, so ändert sich die Spannung Vt1 von -NVo auf Null Volt.

In der kontinuierlichen Betriebsart fließt der Sekundärstrom It2 weiter, während das Signal Vp Niedrigpegel hat, so daß die Spannung Vt1 nicht ständig null wird.

Der erste Komparator 14c ergibt ein Signal Vsw als logische 1 aus, wenn die Spannung Vt1 größer als ein vorgegebener Schwellenwert Ve ist. In diesem Falle ist gemäß Fig. 9 die Wellenform des Signals Vsw im wesentlichen die gleiche wie am Ende des Signals bei kontinuierlicher Betriebsart, ist jedoch bei diskontinuierlicher Betriebsart unterschiedlich, wo das Signal Vsw eine logische 1 ist, wenn die Spannung Vt1 im wesentlichen null Volt beträgt.

Die Spannung Vt1, die die Primärspannung des Transformators 18 darstellt, ist analog zur Spannung Vt2, hat aber entgegengesetzte Polarität. Die Spannung Vt2 kann anstelle der Spannung Vt1 dem ersten Komparator 14C zugeführt werden, vorausgesetzt, daß der erste Komparator 14C vorgesehen ist, um das Signal Vsw als logische 1 auszugeben, wenn Vt2 geringer als ein Schwellenwert Ve ist.

Obgleich die Schleifenverstärkungen der vorstehend aufgeführten ersten bis vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltreglers zwischen der diskontinuierlichen Betriebsart und der kontinuierlichen Betriebsart geschaltet werden, indem die zwei Rückkopplungsverhältnisse des Fehlerverstärkers 8 umgeschaltet werden, kann die Schleifenverstärkung auch durch eine andere Einrichtung umgeschaltet werden. Beispielsweise kann eine Verstärkungswählerschaltung, die dem Fehlerverstärker 8 nachgeschaltet ist, in die Schaltung eingefügt werden. Schaltregler werden gewöhnlich bezüglich ihrer Ausgangsleistung nach dem Impulsbreitenmodulationsprinzip gesteuert. Die Schleifenvertärkung kann auch gewählt werden, indem die Empfindlichkeit eines Impulsbreitenmodulation-Komparators geändert wird, wobei das Ausgangssignal Ver eines Fehlerverstärkers 8 Impulsbreitenmoduliert wird.

In Fig. 11 kann der Vergleichsoszillator 9 so angeordnet werden, daß er zwei Arten von Größen liefert, eine hohe Größe und eine niedrige Größe, so daß die höhere Vosc eine größere Impulsbreite ergibt. Ist das Signal Vosc ein ideales Sägezahnsignal, so wird, wenn das Signal Vosc N mal größer wird, die Schleifenverstärkung 1/N. Daher gestattet die Auswahl der Größe des Signals Vosc die Wahl einer Schleifenverstärkung abhängig von der Betriebsart.

Gewerbliche Anwendungsmöglichkeit

Die Schleifenverstärkung eines Schaltreglers wird sowohl bei diskontinuierlicher Betriebsart als auch bei kontinuierlicher Betriebsart optimiert. Während der Vorteil der kontinuierlichen Betriebsart ausgenutzt wird, bei der eine kleinere Drosselspule und ein Transformator ausreichen, wird eine gute Stabilität der Rückkopplungsschleife für die jeweiligen Betriebsarten gewährleistet. Bei der diskontinuierlichen Betriebsart wird ein Kondensator mit großer Ausgangsleistung nicht benötigt, was vorteilhaft zur Verringerung der räumlichen Größe eines Sperrwandlers ist. Ferner wird erfindungsgemäß ein Schaltregler geschaffen, der große Lastschwankungen und Eingangsspannungsschwankungen gestattet und einen guten Wandlungswirkungsgrad hat.

Claims (8)

1. Schaltregler zur Umwandlung einer Eingangsspannung (Vi) in eine Ausgangsspannung (Vo), wobei der Schaltregler bei geringer ausgangsseitiger Last in einem diskontinuierlichen Betriebsmodus und bei hoher ausgangsseitiger Last in einem kontinuierlichen Betriebsmodus arbeitet; umfassend

• a) einen Fehlerverstärker (8) zur Ausgabe eines Fehlersignals (Ver), welches eine Schwankung der Ausgangsspannung (Vo) anzeigt; und
• b) eine steuerbare Schalteinrichtung (2, 3, 4, 5) zum Schalten der Eingangsspannung (Vi); wobei
• c) eine Impulsbreitenmodulations-Einrichtung (9, 10) vorgesehen ist, zur Ausgabe eines in Abhängigkeit von dem Fehlersignal (Ver) impulsbreiten-modulierten Steuersignals (Vp) an die Schalteinrichtung (2, 3, 4, 5);
• d) eine Betriebsmodus-Detektoreinrichtung (14, 15, 16, 17) vorgesehen ist, zur Erfassung, ob der Schaltregler in dem diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Betriebsmodus arbeitet und zur Abgabe eines entsprechenden binären Betriebsmodus-Signals (Vg); und
• e) der Fehlerverstärker (8) einen steuerbaren Verstärkungsfaktor aufweist, der im Ansprechen auf das binäre Betriebsmode-Signal (Vg) für den kontinuierlichen Betriebsmodus einen ersten Wert und für den diskontinuierlichen Betriebsmodus einen zweiten Wert aufweist.

2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsmodus-Detektoreinrichtung (14-17) enthält
einen ersten Komparator (14) zum Vergleich des Ausgangssignals der Schalteinrichtung (2, 3, 4, 5) mit einem ersten Bezugspegel zur Ausgabe eines ersten Ausgangssignals;
eine EXKLUSIV-ODER-Schaltung (15) zur Ausgabe eines der EXCLUSIV-ODER-Verknüpfung entsprechenden Ausgangssignals (Vex) auf der Grundlage des Ausgangssignals der Impulsbreitenmodulationseinrichtung (10) und des ersten Ausgangssignals;
eine Mittelwertbildungsschaltung (16) zur Mittelwertbildung des aus der EXKLUSIV-ODER-Schaltung ausgegebenen Ausgangssignals zur Ausgabe eines gemittelten Ausgangssignals (Vav); und
eine zweite Komparatoreinrichtung (17) zur Ausgabe des Betriebsmodussignals (Vg) auf der Grundlage des gemittelten Ausgangssignals (Vav) und eines zweiten Bezugspegels.

3. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerverstärker (8) umfaßt
einen Differentialverstärker (8d) mit einer nicht-invertierten Eingangsklemme, der die Ausgangsspannung zugeführt wird, einer invertierten Eingangsklemme, und einer Ausgangsklemme;
eine dritte Bezugsspannung (Vr);
einen Schalter (8c) mit einer gemeinsamen Klemme, die an die invertierte Eingangsklemme angeschlossen ist, mit einer ersten Position, und einer zweiten Position, und der Schalter in die erste Position geschaltet ist, wenn sich der Schaltregler in dem kontinuierlichen Betriebsmodus befindet und in der zweiten Position, wenn sich der Schaltregler in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus befindet;
einen Kondensator (8e), der zwischen der Ausgangsklemme und der zweiten Position angeschlossen ist;
einen ersten Widerstand (R2), der zwischen der ersten Position und der zweiten Position angeschlossen ist;
und einen zweiten Widerstand (R1), der zwischen der ersten Position und der dritten Bezugsspannung (Vr) angeschlossen ist.

4. Schaltregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelwertbildungsschaltung (16) ein CR-Filter ist.

5. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler ein Aufwärtswandler ist.

6. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler ein Abwärts-Wandler ist.

7. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler ein Rücklauf-Schaltregler (Schaltregler vom Flyback-Typ) ist.

8. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drosselspulenstrom (Ich) der Schalteinrichtung (2, 3, 4, 5) in dem diskontinuierlichen Betriebsmodus intermittierend ist und in dem kontinuierlichen Betriebsmodus kontinuierlich ist.