DE602004006623T2

DE602004006623T2 - Steuerschaltung für Strombetriebsarten-Abwärtswandler

Info

Publication number: DE602004006623T2
Application number: DE602004006623T
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Bernacchia; Giorgio Chiozzi; Giovanni Capodivacca
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2024-08-28
Also published as: US7298122B2; US20060061342A1; EP1632827A1; EP1632827B1; DE602004006623D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen die Leistungsaufnahme regelnden Schalter in einem Schaltwandler, insbesondere in einem als Tiefsetzsteller (Buck-Converter) ausgebildeten Schaltwandler.
Tiefsetzsteller sind Schaltwandler, die zur Umsetzung einer Eingangsspannung in eine im Vergleich zur Eingangsspannung kleinere Ausgangsspannung dienen. Der grundsätzliche Aufbau solcher Tiefsetzsteller ist beispielsweise beschrieben in Stengl, J. P.; Tihanyi, J.: "Leistungs-MOS-FET-Praxis", 2. Auflage, Pflaum Verlag, München, Seite 176, oder in Tarter, R. E.: "Solid-State Power Conversion Handbook", Wiley & Sons, New York, 1993, ISBN 0-471-57243-8, Seiten 350, 351.
Wesentliches Element eines solchen Tiefsetzstellers ist ein induktives Speicherelement, das getaktet nach Maßgabe eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals an eine Versorgungsspannung angeschlossen wird.
Zur Regelung der Ausgangsspannung auf einen annähernd konstanten Wert, unabhängig von der Stromaufnahme einer an Ausgangsklemmen angeschlossenen Last, ist bei derartigen Schaltwandlern eine Regelanordnung vorhanden, die die Ausgangsspannung bzw. die Änderungen der Ausgangsspannung erfasst. Weicht die Ausgangsspannung dabei von einem vorgegebenen Sollwert ab, so wird die Leistungsaufnahme des Tiefsetzstellers durch Ändern der Einschaltdauer geändert, um die Ausgangsspannung wieder auf den Sollwert einzuregeln. Bei Tiefsetzstellern, die im sogenannten Stromregelbetrieb (Current Mode Control) arbeiten, wird zur Erzeugung des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals der zeitliche Verlauf des Stromes durch die Induktivität für die Erzeugung des Ansteuersignals verwendet.
Dieser zeitliche Verlauf, der annähernd einem Dreiecksignalverlauf entspricht, wird dabei zur zeitlichen Festlegung des Beginns oder des Endes einer Einschaltdauer mit einem von der Ausgangsspannung abhängigen Regelsignal verglichen. Entweder das Ende oder der Beginn der Einschaltdauer werden dabei üblicherweise festgetaktet vorgegeben.
Ein Tiefsetzsteller mit Current-Mode-Betrieb ist beispielsweise in Tarter, a.a.O., Seiten 492 bis 495, beschrieben.
Probleme bereitet bei derartigen Current-Mode-Tiefsetzstellern (CM-Tiefsetzstellern) die Messung des Stromes durch die Induktivität. Schwierig ist insbesondere eine Stromerfassung, bei der ein Messsignal sowohl bei geschlossenem Schalter als auch bei geöffnetem Schalter, also während der gesamten Dauer einer Ansteuerperiode des Schalters zur Verfügung gestellt wird.
Zur Messung des Stromes durch die Induktivität kann ein Messwiderstand in Reihe zu der Induktivität geschaltet und die Spannung über dem Widerstand abgegriffen werden. Allerdings ist die Spannung über dem Widerstand auf ein Potential bezogen, das abhängig vom Schaltzustand des Schalters stark schwankt, wodurch die Auswertung der Spannung über dem Shunt-Widerstand erschwert ist. Darüber hinaus ist die Verlustleistung des Messwiderstandes proportional zu dem Quadrat des Laststromes, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Wandlers bei hohen Strömen erheblich reduziert ist.
Die US-Patentanmeldung 6,381,159 B2 beschreibt eine Schaltung und ein Verfahren zum Messen des an eine Last fließenden Spulenstromes eines Schaltwandlers ohne Verwendung eines Messtransistors in dem Pfad des Spulenstromes. In einer Topologie eines synchronen Tiefsetzstellers wird der Spulenstrom abgeleitet vom Spannungsabfall über einem synchronen Mosfet der Halbbrücke und durch Rekonstruieren des Stromes unter Verwendung eines Abtast- und Halteverfahrens. Ein "Ripple"-Strom- Synthesizer wird hierbei verwendet, um den Spulenstrom außerhalb des Abtast- und Halte-Fensters zu rekonstruieren. Das abgetastete Produkt I_Load xR_DSon wird verwendet, um den "Ripple"-Strom-Schätzer während jedes Schaltzyklus mit einer Gleichstrominformation zu aktualisieren. Der resultierende Spannungsverlauf ist direkt proportional zu dem Spulenstrom. Die vorgeschlagene Lösung zur Simulation des Spulenstromes berücksichtigt jedoch kein unabhängiges Ausgangsspannungssignal und ist bei Ausgangsspannungschwankungen daher ungenau.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ansteuerschaltung für einen die Leistungsaufnahme eines induktiven Speicherelements in einem Schaltwandler regelnden Schalter zur Verfügung zu stellen, die eine Strommessanordnung aufweist, die ein Strommesssignal, das trotz Schwankungen der Ausgangsspannung annähernd proportional ist zu dem Strom durch das induktive Speicherelement, während einer gesamten Ansteuerperiode des Schalters zur Verfügung stellt.
Dieses Ziel wird durch eine Ansteuerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für ein die Leistungsaufnahme eines induktiven Energiespeicherelements regelndes Schaltelement in einem Schaltwandler, der zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung dient, weist folgende Merkmale auf:

– eine Pulsweitenmodulatorschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal für das Schaltelement abhängig von einem von der Ausgangsspannung abhängigen Regelsignal und einem von einem Strom durch das induktive Speicherelement abhängigen Strommesssignal zur Verfügung zu stellen,
– eine Mess- und Regelanordnung zur Bereitstellung des Strommesssignals, die dazu ausgebildet ist, das Strommesssignal aus einem von der Ausgangsspannung abhängigen Signal, einem von der Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung abhängigen Signal und wenigstens einem ersten Abtastwert eines zu dem Strom durch das induktive Speicherelement proportionalen Signals während einer Periode des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals nachzubilden.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen als Tiefsetzsteller ausgebildeten Schaltwandler mit einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, die eine Mess- und Regelanordnung zur Nachbildung eines Stromes durch das induktive Speicherelement und Bereitstellung eines Strommesssignals des Schaltwandler aufweist.
2 zeigt beispielhaft zeitliche Verläufe des nachgebildeten Strommesssignals und eines von der Ausgangsspannung abhängigen Regelsignals (2a), eines Taktsignals (2b) und eines aus diesen Signalen gebildeten Ansteuersignals.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer den Strom durch das induktive Speicherelement zeitweise erfassenden Messeinheit.
4 veranschaulicht beispielhaft zeitliche Verläufe eines Stromes durch das induktive Speicherelement und des nachgebildeten Strommesssignals während einer Ansteuerperiode des Schalters.
5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer in der Mess- und Regelanordnung vorhandenen Regelschaltung, die ein Regelsignal erzeugt.
6 veranschaulicht die Funktionsweise der Regelschaltung anhand zeitlicher Verläufe des Stromes durch das induktive Speicherelement und des nachgebildeten Strommesssignals während aufeinanderfolgender Ansteuerperioden des Schalters.
7 veranschaulicht die Funktionsweise einer in der Mess- und Regelanordnung vorhandenen Kalibrierschaltung anhand zeitlicher Verläufe des nachgebildeten Strommesssignals, eines zu dem Strom durch das induktive Speicherelement proportionalen Signals und eines Kalibrierungsstromes.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer in der Ansteuerschaltung vorhandenen Signalerzeugungsschaltung, die das Ansteuersignal bereitstellt.
9 zeigt eine digital realisierbare Schaltung zur Bereitstellung eines nachgebildeten Strommesssignals.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für einen die Leistungsaufnahme eines induktiven Energiespeicherelements regelnden ersten Schalter T1 in einem Schaltwandler weist eine Signalerzeugungsschaltung 40, die ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal S1 bereitstellt, und eine Mess- und Regelanordnung 20, auf.
Die Mess- und Regelanordnung 20 ist dazu ausgebildet, ein Strommesssignal Vc, das annähernd proportional ist zu einem Strom durch das induktive Speicherelement, aus einem einzigen Abtastwert eines tatsächlich gemessenen Stromsignals Vs während einer Ansteuerperiode des ersten Schalters T1 und aus weiteren bekannten Parameter nachzubilden. Das von der Mess- und Regelanordnung 20 erzeugte Strommesssignal Vc wird daher nachfolgend als nachgebildetes Strommesssignal Vc bezeichnet, während das Signal Vs, das zur Erzeugung des einen Abtastwertes abgetastet wird, als tatsächliches Messsignal bezeichnet ist.
Zum besseren Verständnis der Funktionsweise dieser Ansteuerschaltung ist in 1 zudem die Wandlerstufe eines Schaltwandlers dargestellt, die nachfolgend kurz erläutert wird. Die in dem Beispiel als Tiefsetzwandlerstufe ausgebildete Wandlerstufe umfasst den durch das Ansteuersignal S1 der Ansteuerschaltung angesteuerten ersten Schalter T1 und in Reihe zu dem Schalter T1 das induktive Speicherelement Lout, beispielsweise eine Speicherdrossel. Das induktive Speicherelement L bildet zusammen mit einem zu diesem in Reihe geschalteten Ausgangskondensator Cout ein Tiefpassfilter, zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung Vout für eine an die Wandlerstufe anschließbare Last. Anschlussklemmen des Ausgangskondensators Cout bilden dabei die Ausgangsklemmen der Wandlerstufe.
Parallel zu der Reihenschaltung mit dem induktiven Speicherelement Lout und dem Ausgangskondensator Cout ist ein Freilaufelement T2 geschaltet. Als Freilaufelement, das dazu dient, nach Sperren des ersten Schalters T1 den Strom durch die Induktivität Lout zu übernehmen, ist in dem Beispiel ein zweiter Halbleiterschalter T2 vorgesehen, der komplementär zu dem ersten Halbleiterschalter T1 angesteuert ist. Zur Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters T1 durch das Ansteuersignal S1 ist eine erste Treiberschaltung 12 vorgesehen, die den Pegel des Ansteuersignals S1 auf einen zur Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters T1 geeignete Pegel umsetzt.
Die beiden Halbleiterschalter sind in dem Beispiel als n-Kanal-MOSFET ausgebildet. Während des Betriebs muss sicherge stellt sein, dass die beiden Halbleiterschalter T1, T2 nicht gleichzeitig leiten. Die Ansteuerung des zweiten Halbleiterschalters T2 erfolgt dabei ebenfalls nach Maßgabe des Ansteuersignal S1, das zur Ansteuerung des zweiten Halbleiterschalters mittels eines Inverters 15 invertiert wird. Das Ausgangssignal des Inverters ist einer zweiten Treiberschaltung zugeführt, die den Pegel des am Ausgang des Inverters anliegenden Signals auf einen zur Ansteuerung des zweiten Schalters T2 geeigneten Pegel umsetzt.
Eine Eingangsspannung Vin liegt an der Wandlerstufe über der Reihenschaltung an, die den ersten Schalter T1 und die Parallelschaltung mit dem Filter Lout, Cout und dem Freilaufelement umfasst.
Die dargestellte Wandlerstufe funktioniert wie nachfolgend kurz erläutert: Bei pulsweitenmodulierter Ansteuerung des ersten Schalters T1 liegt an dem Verbindungsknoten N zwischen dem ersten Schalter T1 und der Induktivität eine rechteckförmige Spannung gegen Bezugspotential GND an, deren Amplitude zwischen dem Wert der Eingangsspannung Vin und Null variiert. Diese rechteckförmige Spannung wird durch das Tiefpassfilter mit der Induktivität Lout und dem Kondensator Cout in die annähernd gleichförmige Ausgangsspannung Vout gewandelt. Der Wert dieser Ausgangsspannung Vout ist bei gleicher Eingangsspannung über das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals S1 einstellbar. Bei gleicher Last und gleicher Eingangsspannung gilt dabei, dass die Ausgangsspannung Vout um so größer ist, je größer das Tastverhältnis (Duty-Cycle) ist. Das Tastverhältnis ist dabei definiert über den Quotienten aus Einschaltdauer des ersten Schalters T1 und Periodendauer einer Ansteuerperiode.
Der das induktive Speicherelement Lout durchfließende Strom Iout besitzt dabei ein dreieckförmigen Verlauf wie anhand von 4a für eine Ansteuerperiode dargestellt ist. Der Strom Iout steigt bei leitendem ersten Schalter T1 während einer Einschaltperiode der Dauer Ton an und sinkt bei sperrendem ersten Schalter während einer Ausschaltperiode der Dauer Toff ab. Bei eingeschaltetem ersten Schalter T1 liegt über der Induktivität Lout – bei Vernachlässigung von Schaltverlusten in dem ersten Schalter T1 – eine Spannung an, die der Differenz aus der Eingangsspannung Vin und der Ausgangsspannung Vout entspricht. Für die zeitliche Änderung (Steigung)) des ansteigenden Stromes durch die Induktivität gilt dabei: dIout/dt = (Vin-Vout)/Lout für 0 ≤ t ≤ Ton (1a).
Bei ausgeschaltetem ersten Schalter T1 und leitendem Freilaufelement T2 liegt über der Induktivität Lout – bei Vernachlässigung von Schaltverlusten in dem Freilaufelement T2 – die Ausgangsspannung Vout an. Für die zeitliche Änderung (Steigung) des dann abnehmenden Stromes Iout durch die Induktivität gilt entsprechend: dIout/dt = –Vout/L für Ton ≤ t ≤ Toff (1b)
Wie unmittelbar ersichtlich ist, kann durch Änderung des Tastverhältnisses Ton/Tp, wobei Tp = Ton + Toff gilt, die mittlere Stromaufnahme und damit die mittlere Leistungsaufnahme Verändert werden, um dadurch die Ausgangsspannung Vout zu regeln.
Zur Regelung der Ausgangsspannung Vout auf einen vorgegebenen Sollwert Vref ist eine Regler 14 vorhanden, der die Ausgangsspannung Vout mit dem Sollwert Vref vergleicht und der ein Regelsignal S14 bereitstellt. Der Regler 14 ist beispielsweise als Regler mit integrierendem Verhalten (I-Regler), als Regler mit Proportional-Integral-Verhalten (PI-Regler) oder als Regler mit Proportional-Verhalten (P-Regler) ausgebildet.
Das von dem Regler erzeugt Regelsignal S14 ist zusammen mit dem nachgebildeten Strommesssignal Vc, das von der Mess- und Regelanordnung 20 in noch erläuterter Weise erzeugt wird, der Signalerzeugungsschaltung 40 zugeführt, die aus diesen beiden Signalen Vc, S14 des pulsweitenmodulierte Ansteuersignal S1 erzeugt.
Der Pulsweitenmodulator 40 erzeugt das Ansteuersignal S1 bezugnehmend auf 2 derart, dass das Ansteuersignal S1 im Takt eines Taktsignals CLK einen Einschaltpegel annimmt, wodurch der erste Schalter T1 eingeschaltet wird. Bei eingeschaltetem ersten Schalter T1 steigen der Strom durch die Induktivität Lout und entsprechend das Strommesssignal Vc an. Das Ansteuersignal wechselt von dem Einschaltpegel, in dem Beispiel dem High-Pegel, auf einen Ausschaltpegel, in dem Beispiel einem Low-Pegel, wenn das Strommesssignal Vc den Pegel des Regelsignals S14 erreicht.
Wie unmittelbar ersichtlich ist, variiert die Einschaltdauer Ton, und damit das Tastverhältnis des Ansteuersignals S1, mit dem Regelsignal S14. Steigt das Regelsignal bei sonst gleichen Parametern an, so verlängert sich die Einschaltdauer pro Ansteuerperiode und die Leistungsaufnahme erhöht sich. Über die Verwendung des zu dem Strom Iout durch die Induktivität Lout proportionalen Messsignal Vc können darüber hinaus Änderungen der Eingangsspannung Vin bei der Regelung berücksichtigt werden. Vergrößert sich die Eingangsspannung Vin so sind kürzere Einschaltdauern ausreichend, um eine – durch die Last und den Sollwert der Ausgangsspannung – vorgegebene Leistungsaufnahme zu erreichen. Da der Induktivitätsstrom Iout gemäß (1a) bei steigender Eingangsspannung Vin ansteigt, erreicht das Messsignal bei größerer Eingangsspannung Vin rascher den Wert des Regelsignals S14, woraus automatisch eine Verkürzung der Einschaltdauer Ton resultiert.
Für die Erzeugung des nachgebildeten Strommesssignals Vc, das wenigstens annäherungsweise proportional zu dem Strom Iout durch die Induktivität ist, macht man sich die Erkenntnis zu Nutze, dass dieser Strom Iout einen dreieckförmigen Verlauf besitzt, wobei die Steigung steigender Flanken bei einge schaltetem ersten Schalter T1 gemäß (1a) von der Differenz der Eingangs- und der Ausgangsspannung Vin, Vout abhängig ist und wobei die Steigung fallender Flanken bei ausgeschaltetem ersten Schalter T1 gemäß (1b) von der Ausgangsspannung Vout abhängig ist. Anstatt den Strom durch die Induktivität Lout permanent während der gesamten Ansteuerperiode des Ansteuersignals S1 zu messen, was insbesondere aufgrund des zwischen Versorgungspotential Vin und Bezugspotential GND schwankenden Potentials an dem der Ausgangsklemme OUT abgewandten Anschluss der Induktivität schwierig ist, bildet die Strommessanordnung 20 das Strommesssignal Vc aus der Eingangsspannung Vin, der Ausgangsspannung Vout und wenigstens einem Abtastwert des Stromes durch die Induktivität bzw. einem Abtastwert eines tatsächlichen Strommesssignals nach.
Die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout sind auf einfache Weise in einem Schaltwandler messbar. Auch die Ermittlung eines Abtastwertes des Stromes Iout durch die Induktivität Lout während einer Ansteuerperiode ist einfach möglich im Vergleich zur Ermittlung des Stromes Iout während der gesamten Periode. Der Strom durch die Induktivität Iout kann auf einfache Weise während der Einschaltdauer oder während der Ausschaltdauer ermittelt werden, während die Messung während der gesamten Periode deutlich schwieriger ist. Zur Bereitstellung eines Abtastwertes des Induktivitätsstromes Iout während einer Ansteuerperiode des Schalters ist es ausreichend, eine Strommessanordnung bereitzustellen, die ein zu dem Strom Iout durch die Induktivität Lout proportionales Strommesssignal entweder während der Einschaltdauer oder während der Ausschaltdauer liefert, und dieses Strommesssignal einmal pro Ansteuerperiode abzutasten.
In dem Beispiel gemäß 1 erfolgt eine Erfassung des Stromes durch die Induktivität Lout während einer Ausschaltdauer des ersten Schalters T1, d.h. während der Freilaufdauer, während der das Freilaufelement T2 von einem Strom durchflossen ist. Die Erfassung des Stromes erfolgt durch eine in Reihe zu dem Freilaufelement T2 geschaltete Strommessanordnung 11, die ein zu dem Strom durch die Induktivität proportionales Strommesssignal Vs während der Ausschaltdauer bereitstellt.
Diese Strommessanordnung 11 umfasst bezugnehmend auf 3 beispielsweise einen in Reihe zu dem Freilaufelement T2 geschalteten Messwiderstand Rs und einen an den Messwiderstand angeschlossenen Messverstärker 16, der aus einem Spannungsabfall über dem Messwiderstand Rs das Messsignal Vs bereitstellt, das der Mess- und Regelanordnung 20 zugeführt ist.
Das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel der Mess- und Regelanordnung weist zur Nachbildung des Induktivitätsstromes Iout und Bereitstellung des nachgebildeten Strommesssignals Vc ein kapazitives Speicherelement C auf, an dem das nachgebildete Strommesssignal Vc abgreifbar ist. An dieses kapazitive Speicherelement ist eine geregelte Lade- und Entladeschaltung angeschlossen, die nach Maßgabe des Ansteuersignals S1 einen Ladestrom Ic oder einen Entladestrom Id für das kapazitive Speicherelement C bereitstellt.
Diese Lade- und Entladeschaltung weist eine erste spannungsgesteuerte Stromquelle 21 auf, die einen zu der Differenz aus der Eingangsspannung Vin und der Ausgangsspannung Vout proportionalen Strom I21 bereitstellt, und die Lade- und Entladeschaltung weist eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle 22 auf, die einen zu der Ausgangsspannung Vout proportionalen Strom I22 bereitstellt. Spannungsgesteuerte Stromquellen sind hinlänglich bekannt, so dass auf eine weitergehende detaillierte Erläuterung zu deren Aufbau und Funktionsweise hier verzichtet werden kann.
Die erste spannungsgesteuerte Stromquelle 21 ist Teil einer Ladeschaltung, die angesteuert durch das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal S1 das kapazitive Speicherelement dann lädt, wenn der erste Schalter T1 leitend angesteuert ist. Die Lade schaltung ist hierfür zwischen eine Klemme für Versorgungspotential Vcc und das kapazitive Speicherelement C geschaltet und weist einen durch das Ansteuersignal S1 angesteuerten Schalter 25 auf, der einen Stromfluss an das kapazitive Speicherelement C dann ermöglicht, wenn das Ansteuersignal S1 einen Pegel annimmt, bei dem der erste Schalter T1 leitend angesteuert ist. Die Ladeschaltung umfasst außerdem einen Stromverstärker 23, der den von der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle gelieferten Strom mit einem von einer Regelschaltung 29 gelieferten Regelsignalwert S29 verstärkt. Dieser Stromverstärker 23 ist zur Vereinfachung der Darstellung als Multiplizierer dargestellt, der in den Strompfad zwischen der Stromquelle 21 und dem kapazitiven Speicherelement geschaltet ist.
Gleichwertig zu einer Multiplikation des von der spannungsgesteuerten Stromquelle 21 gelieferten Stromes I21 mit dem Regelsignalwert S29 ist in nicht näher dargestellter Weise selbstverständlich eine Multiplikation des der Stromquelle 21 zugeführten, zu der Differenz zwischen Eingangsspannung Vin und Ausgangsspannung Vout proportionalen Steuersignals mit dem Regelsignalwert S29. Ein Multiplizierer ist in diesem Fall nicht in den Strompfad zwischen die Stromquelle 21 und das kapazitive Speicherelement C geschaltet sondern ist dem Steuereingang der Stromquelle 21 vorgeschaltet (nicht dargestellt).
Ein von der erläuterten Ladeschaltung bereitgestellter Ladestrom ist in 1 mit dem Bezugszeichen Ic bezeichnet.
Die zweite spannungsgesteuerte Stromquelle 22 ist Teil einer Entladeschaltung, die angesteuert durch das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal S1 das kapazitive Speicherelement C dann entlädt, wenn der erste Schalter T1 sperrend angesteuert ist. Die Entladeschaltung ist hierfür zwischen das kapazitive Speicherelement C geschaltet und eine Klemme für Bezugspotential GND geschaltet und weist Schalter 26 auf, der einen Stromfluss an das kapazitive Speicherelement C dann ermöglicht, wenn das Ansteuersignal S1 einen Pegel annimmt, bei dem der erste Schalter T1 sperrend angesteuert ist. Dieser Schalter 26 ist hierzu über einen Inverter durch das Ansteuersignal S1 angesteuert. Die Entladeschaltung umfasst außerdem einen Stromverstärker 24, der den von der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle 22 gelieferten Strom I22 mit dem von einer Regelschaltung 29 gelieferten Regelsignalwert S29 verstärkt. Dieser Stromverstärker ist zur Vereinfachung der Darstellung als Multiplizierer dargestellt, der in den Strompfad zwischen der zweiten Stromquelle 22 und dem kapazitiven Speicherelement C geschaltet ist.
Gleichwertig zu einer Multiplikation des von der spannungsgesteuerten Stromquelle 22 gelieferten Stromes I22 mit dem Regelsignalwert S29 ist in nicht näher dargestellter Weise selbstverständlich eine Multiplikation des der Stromquelle 22 zugeführten, zu der Ausgangsspannung Vout proportionalen Steuersignals mit dem Regelsignalwert S29. Ein Multiplizierer ist in diesem Fall nicht in den Strompfad zwischen die Stromquelle 22 und das kapazitive Speicherelement C geschaltet sondern ist dem Steuereingang der Stromquelle 22 vorgeschaltet (nicht dargestellt).
Ein von der erläuterten Entladeschaltung bereitgestellter Entladestrom ist in 1 mit Id bezeichnet.
Die Spannung über dem Kondensator C, und damit das nachgebildete Strommesssignal weist einen dreieckförmigen Verlauf auf, für den während einer Ansteuerperiode des Ansteuersignals gilt: Vc(t) = V0 – ΔV/2 + mC1·t für 0 ≤ t ≤ Ton (2a) Vc(t) = V0 + ΔV/2 – mC2·(t-Ton) für Ton ≤ t ≤ Toff (2b).
Dabei ist V0 der momentane Mittelwert der Spannung über dem kapazitiven Speicherelement C und ΔV die Amplitude des dreieckförmigen Verlaufs während der Ansteuerperiode. Außerdem gilt mC1 = Ic/C = k·(Vin-Vout)/C(3a) mC2 = Id/C = k·Vout/C (3b). k bezeichnet dabei den Proportionalitätsfaktor zwischen dem Ladestrom Ic und der Eingangsspannung-Ausgangsspannung-Differenz Vin-Vout und den Proportionalitätsfaktor zwischen dem Entladestrom Id und der Ausgangsspannung Vout.
Zur Vereinfachung der weiteren Erläuterung wird angenommen, dass der Proportionalitätsfaktor k betragsmäßig dem Momentanwert des Regelsignalwertes S29 entspricht. Die Proportionalitätsfaktoren zwischen dem Strom I21 der ersten Stromquelle 21 und der Eingangsspannung-Ausgangsspannung-Differenz Vin-Vout und zwischen dem Strom I22 der zweiten Stromquelle 22 und der Ausgangsspannung Vout sind dann gleich 1 Ampere/Volt. Der zeitliche Verlauf des nachgebildeten Strommesssignals Vc während einer Ansteuerperiode des Ansteuersignals ist in 4b veranschaulicht.
Aufgabe der Mess- und Regelanordnung ist es dabei, diesen zeitlichen Verlauf so einzustellen, dass er proportional ist zu dem zeitlichen Verlauf des Stromes durch die Induktivität Iout. Für den in 4a dargestellten zeitlichen Verlauf dieses Stromes Iout während einer Ansteuerperiode des Schalters gilt unter Berücksichtigung der Beziehungen (1a): Iout(t) = I0 – ΔI/2 + mL1·t für 0 ≤ t ≤ Ton (4a) Iout(t) = I0 + ΔI/2 – mL2·(t-Ton) für Ton ≤ t ≤ Ton (4b), wobei mL1 = (Vin-Vout)/L (5a) mL2 = Vout/L (5b)gilt. I0 ist dabei der momentane Mittelwert des Stromes und ΔI die Amplitude des dreieckförmigen Verlaufes des Stromes Iout während der betrachteten Ansteuerperiode.
Ein Vergleich der Gleichungen (2a) und (4a) sowie (2b) und (4b) zeigt, dass unter idealen Bedingungen, d.h. bei einer exakten Ermittlung der Eingangs- und der Ausgangsspannung Vin, Vout, bei Vernachlässigung von Effekten zweiter Ordnung in der Induktivität Lout, bei Vernachlässigung von Leckströmen in dem kapazitiven Speicherelement C und bei Vernachlässigung weiterer parasitärer Effekten, das nachgebildete Strommesssignal Vc dem Strom durch die Induktivität Iout folgt und proportional zu diesem Strom Iout ist. Für das Verhältnis zwischen dem nachgebildeten Strommesssignal Vc und dem Induktivitätsstrom Iout gilt während der steigenden Flanke: Iout(t)/Vc(t) = mL1/mC1 = C/(L·k) (6a) und während der fallenden Flanke Iout(t)/Vc(t) = mL2/mC2 = C/(L – k) (6b)
Unter realen, d.h. nicht idealen, Bedingungen können die oben genannten Effekte allerdings nicht vernachlässigt werden. Darüber hinaus ist der Wert der extern angeschlossenen Induktivität Lout in der Strommessanordnung 20 – anders als der Kapazitätswert des kapazitiven Speicherelements C, der bei Entwurf der Schaltung exakt eingestellt werden kann – nicht bekannt.
Um trotz der genannten parasitären Effekte das Strommesssignal Vc exakt dem Stromverlauf des Induktivitätsstromes Iout abzubilden und trotz des nicht bekannten Wertes der Indukti vität Lout das Strommesssignal Vc in einem bekannten Verhältnis zu dem Induktivitätsstrom Iout zu erzeugen, umfasst die Strommessanordnung 20 eine Regelschleife mit der Regelsignalschaltung 29. Aufgabe dieser Regelanordnung ist es, die Verstärkung der Verstärkungsanordnungen 23, 24 der Lade- und Entladeschaltungen so zu regeln, dass der Proportionalitätsfaktor zwischen dem nachgebildeten Strommesssignal Vc und dem Induktivitätsstrom Iout dem Proportionalitätsfaktor zwischen dem tatsächlich gemessenen Strommesssignal Vs und dem Induktivitätsstrom Iout entspricht. Für das dargestellte Beispiel gilt bei Verwendung einer Messanordnung gemäß 3 zur Erzeugung des tatsächlichen Messsignals: Vc(t) = Ai·Rs·Iout(t) (7)wobei Ai die Verstärkung des Verstärkers 16 und Rs der Wert des Messwiderstandes ist. Mit anderen Worten: Die Mess- und Regelanordnung 20 mit der Regelschaltung 29 erzeugt das nachgebildete Messsignal derart, dass es das nur während der Ausschaltdauer vorliegende Messsignal Vs, das im Extremfall nur zu einem Zeitpunkt während der Ansteuerperiode vorliegen muss, über die gesamte Ansteuerperiode extrapoliert.
Der Regelsignalschaltung 29, die über das Regelsignal S29 den Proportionalitätsfaktor zwischen dem Ladestrom Ic und der Eingangsspannung-Ausgangsspannung-Differenz Vin-Vout und den Proportionalitätsfaktor zwischen dem Entladestrom Id und der Ausgangsspannung festlegt, ist hierfür ein erstes Abtastsignal Vs(k) und ein zweites Abtastsignal Vc(k) zugeführt. Das erste Abtastsignal Vs(k) entspricht dabei einem Abtastwert des Strommesssignals Vs zu einem vorgegebenen Zeitpunkt während einer Periode des Ansteuersignals S1, und das zweite Abtastsignal entspricht einem Abtastwert des nachgebildeten Strommesssignals Vc während desselben Abtastzeitpunkts der Ansteuerperiode. Zur Abtastung des Strommesssignals Vs steht eine erste Abtastvorrichtung 27 zur Verfügung, die das erste Abtastsignal Vs(k) erzeugt, und zur Abtastung des nachgebil deten Strommesssignals Vc steht eine zweite Abtastvorrichtung 28 zur Verfügung, die das zweite Abtastsignal Vc(k) bereitstellt. Die Abtastung erfolgt nach Maßgabe des Ansteuersignals S1 jeweils zu einem vorgegebenen Zeitpunkt innerhalb einer Ansteuerperiode, beispielsweise eine vorgegebene Zeitdauer nach Beginn der Einschaltdauer oder nach Beginn der Ausschaltdauer.
Die Regelsignalschaltung 29 ist dazu ausgebildet, das Regelsignal S29 zu Beginn einer jeden Ansteuerperiode des Ansteuersignals zu aktualisieren, indem ein während einer k-ten Ansteuerperiode vorliegenden Regelsignalwert S29(k) mit dem Quotienten aus dem ersten und zweiten Abtastwert multipliziert wird, um einen Regelsignalwert S29(k + 1) für die folgende k + 1te Ansteuerperiode zu bilden. Es gilt also: S29(k + 1) = S29(k)·(Vs(k)/Vc(k)) (8),
Eine Realisierungsbeispiel für eine solche Regelsignalschaltung 29 ist in 5 veranschaulicht. Die Regelsignalschaltung 29 umfasst einen Dividierer 291, dem der erste und zweite Abtastwert Vs(k), Vc(k) zugeführt sind, und der als Ausgangssignal den Quotienten Vs(k)/Vc(k) dieser beiden Abtastwerte bereitstellt. Die Regelsignalschaltung 29 umfasst außerdem einen Speicher, an dessen Ausgang der momentane Regelsignalwert S29(k) bereitsteht. Dieser momentane Regelsignalwert ist auf einen Eingang eines Multiplizierers 292 zurückgekoppelt, dessen anderem Eingang der Quotient Vs(k)/Vc(k) zugeführt ist. Der am Ausgang des Multiplizierers anliegende Signalwert Vs(k)/Vc(k)·S29(k) ist einem Eingang des Speichers zugeführt, um den gespeicherten Wert einmal pro Ansteuerperiode zu aktualisieren. Die Aktualisierung dieses Wertes in dem Speicher 293 erfolgt beispielsweise nach Maßgabe des Ansteuersignals S1 jeweils zu Beginn einer Ansteuerperiode. Anstelle des Ansteuersignals S1 könnte für die Aktualisierung des Speichers selbstverständlich auch ein den Takt des Ansteuer signals S1 vorgebendes Taktsignal, beispielsweise ein anhand von 2 erläutertes Taktsignal CLK, verwendet werden.
Die Funktionsweise der erläuterten Regelanordnung wird nachfolgend anhand von 6 erläutert, in der zeitliche Verläufe des nachgebildeten Strommesssignals Vc(t) und des tatsächlichen Strommesssignals Vs(t) während einer Ansteuerperiode dargestellt sind. In dem dargestellten Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Anfangswerte der beiden Signale zu Beginn der Ansteuerperiode Tp gleich sind. Eine solche Gleichheit der Anfangswerte kann durch einen nachfolgend anhand von 7 noch erläuterten Kalibrierungsschritt erreicht werden.
Das Signal Vs(t) in 6 repräsentiert ein zu dem Induktivitätsstrom Iout gemäß der Beziehung (7) proportionales Signal, das abschnittsweise – in dem Beispiel während der Ausschaltdauer Toff – dem von der Messanordnung 11 erzeugten Signal entspricht. Die Steigung der beiden Signale Vc(t), Vs(t) ist während der Einschaltdauer Ton jeweils proportional zu der Eingangsspannung-Ausgangsspannung-Differenz Vin-Vout, während die Steigung während der Ausschaltdauer Toff jeweils proportional zu der Ausgangsspannung Vout ist. Entgegen dem gewünschten Ergebnis steigt das nachgebildete Regelsignals Vc(t) in dem Beispiel zunächst steiler an als das tatsächliche Messsignal Vs(t) und fällt entsprechend steiler ab, d.h. der Proportionalitätsfaktor zwischen der Eingangs-Ausgangsspannungs-Differenz Vin-Vout und dem Ladestrom Ic und zwischen der Ausgangsspannung Vout und dem Entladestrom Id ist nicht auf den gewünschten Wert eingeregelt. Um dies zu erreichen werden während der Ansteuerperiode zu einem beliebigen Zeitpunkt t0 Abtastwerte des nachgebildeten Signals Vc(t) und des Messsignals Vs(t) ermittelt. Für diese Abtastwerte gilt: Vs(k) = Vs(t0) = Ai·Rs·Iout(t0) = Ai·Rs/Lout·[(Vin-Vout)·Ton-Vout·(t0-Ton)] (9) Vc(k) = Vc(t0) = Ic·Ton – Id·(t0-Ton) = S29(k)/C·[(Vin-Vout)·Ton – Vout·(t0-Ton)] (10)
Für den Quotienten der beiden Abtastwerte erhält man: Vs(k)/Vc(k) = Ai-Rs·C/(Lout·S29(k)) (11)
Dieses Verhältnis ist während der in 5 dargestellten ersten Periode ungleich Eins, in dem speziellen Fall kleiner als Eins. Das gewünschte Ziel, nämlich identische zeitliche Verläufe des nachgebildeten Messsignals Vc(t) und des gemessenen Signals ist erreicht, wenn während der nächsten Periode Vs(k + 1) = Vc(k + 1) gilt, wenn also gilt: Vs(k + 1)/Vc(k + 1) = Ai·Rs·C/(Lout·S29(k + 1)) = 1 (12).
Dies wird erreicht, wenn für den Regelsignalwert S29(k + 1) während der nächsten Periode k + 1 gilt: S29(k + 1) = S29(k)·Vs(k)/Vc(k) (13).
Es sei darauf hingewiesen, dass die Abtastung der zeitlichen Verläufe der beiden Signale Vs(t), Vc(t) zu beliebigen Zeitpunkten während einer Ansteuerperiode erfolgen kann. In dem Beispiel erfolgt eine Abtastung während der fallenden Flanke, weil die Messanordnung 11 gemäß 11 dazu ausgebildet ist, das Messsignal Vs nur während der fallenden Flanke zu erzeugen, so dass nur während der fallenden Flanke ein Vergleichswert für das nachgebildete Messsignal Vc zur Verfügung steht.
Das nachgebildete Messsignal Vc wird bei dem zuvor erläuterten Beispiel so erzeugt, dass dessen zeitlicher Verlauf einem Messsignal Vs folgt, das durch Multiplikation des Induktivitätsstromes Iout mit dem Faktor Ai·Rs erhalten wird. Ein solches Messsignal wird in dem Beispiel nach 1 während der Ausschaltdauer von der Messanordnung 11 bereitgestellt. Dieser Proportionalitätsfaktor ist von den Parametern der Messanordnung abhängig. Sofern ein anderer Proportionalitätsfaktor gewünscht ist, besteht die Möglichkeit, einen Verstärker zwischen die Regelanordnung 29 und die Lade- und Entladeschaltung zu schalten.
Die zuvor anhand der 6 erläuterte Regelung des Proportionalitätsfaktors zur Einstellung der Lade- und Entladeströme Ic, Id funktioniert dann, wenn die Messspannung Vs und die nachgebildete Messspannung Vc gleiche Gleichsignalanteile besitzen. Um solche gleiche Gleichsignalanteile zu Beginn der weiteren Regelung einzustellen weist die Strommessanordnung eine Kalbibrieranordnung auf, die dazu ausgebildet ist, einen Kalibrierstrom Iadj an das kapazitive Speicherelement zu liefern. Der Ablauf eines solchen Kalibriervorgangs wird nachfolgende anhand der 7 erläutert.
7 zeigt die zeitlichen Verläufe eines zu dem Induktivitätsstrom proportionalen Signals Vs, des nachgebildeten Messsignals Vc vor, während und nach dem Kalibriervorgang, sowie den zeitlichen Verlauf eines Kalibrierstromes während des Kalibriervorgangs.
Vor der Kalibrierung, die zu einem Zeitpunkt t1 mit Beginn einer Ansteuerperiode beginnt, besitzen die zeitlichen Verläufe des zu dem Induktivitätsstrom proportionalen Signals Vs, das abschnittsweise dem von der Messanordnung 11 erzeugten Signal entspricht, und des nachgebildeten Signal Vc unterschiedliche Gleichsignalanteile, die eine Anpassung des zeitlichen Verlaufs des nachgebildeten Signals Vc an den zeitlichen Verlauf des Signals Vs über eine bloße Änderung der Lade- und Entladeströme erschweren bzw. unmöglich machen. Der während der Kalibrierung fließende Kalibrierstrom Iadj dient dazu, den Gleichsignalanteil des nachgebildeten Signals Vc an den Gleichsignalanteil des Signals Vs anzupassen.
Zur Erzeugung des Kalibrierstromes Iadj werden während einer Ansteuerperiode vor Beginn des Kalibriervorgangs zu einem vorgegebenen Abtastzeitpunkt innerhalb dieser Ansteuerperiode Abtastwerte des Messsignals Vs und des nachgebildeten Signals Vc ermittelt, die nachfolgend mit Vs(i) und Vc(i) bezeichnet sind. Der Kalibrierstrom Iadj während der nachfolgenden Periode wird nun so erzeugt, dass zu einem Zeitpunkt innerhalb dieser Ansteuerperiode, der dem Abtastzeitpunkt innerhalb der vorherigen Periode entspricht, das Messsignal Vs dem nachgebildeten Signal entspricht, so dass also gilt: Vs(i + 1) = Vc(i + 1). Bei zunächst unverändertem Ladestrom Ic und zunächst unverändertem Entladestrom, sowie gleichbleibendem Tastverhältnis muss hierfür gelten: Vc(n) + Iadj/C·T1 = Vs(i + 1) (14).
Dabei ist T1 der zeitliche Abstand zwischen dem Beginn der Ansteuerperiode und dem Abtastzeitpunkt. Bei gleichbleibendem Tastverhältnis des Ansteuersignals und als konstant angenommenen Eingangs- und Ausgangsspannungen Vin, Vout entspricht der zeitliche Verlauf des Messsignals während der Kalibirierperiode dem zeitlichen Verlauf vor der Kalibrierperiode, so dass Vs(i + 1) = Vs(i) gilt. Für den Ladestrom gilt dann: Iadj = C/T1·(Vs(i) – Vc(i)) (14).
Der Kalibrierstrom Iadj ist somit von der Differenz der Abtastwerte Vs(i), Vc(i) abhängig und wird in der Anordnung gemäß 1 von einem Transkonduktanzverstärker (OTA) 31 erzeugt, dessen Eingang die beiden Abtastwerte zugeführt sind, und der die gewünschte Verstärkung besitzt, die gemäß (14) abhängig ist, von dem bekannten Kapazitätswert des kapazitiven Speicherelements C und der bekannten zeitlichen Lage des Abtastzeitpunktes innerhalb der Ansteuerperiode.
Wesentlich während der Kalibrierung ist, dass das Tastverhältnis des Ansteuersignals S1 während der Kalibrierungsphase konstant ist. Die Kalibrierungsphase umfasst dabei zumindest die Periode vor der eigentlichen Kalibrierung, bei der die Abtastwerte Vs(i), Vc(i) ermittelt werden (die in 7 der Periode vor dem Zeitpunkt t1 entspricht), und die Ansteuerperiode, während der der Kalibrierstrom Iadj fließt (die in 7 der Periode nach dem Zeitpunkt t1 entspricht).
Damit das nachgebildete Signal Vc nach Beendigung des Kalibrierstromes Iadj dem Messsignal folgt, ist eine Anpassung des Lade- und Entladestromes Ic, Id erforderlich. Die erforderlichen Schritte zum Anpassen der Lade- und Entladeströme Ic, Id werden nachfolgend erläutert:
Die abgetasteten Werte Vs(i) und Vc(i), die durch Abtasten der Signale Vs und Vc erhalten werden, werden beispielsweise in den Abtasteinheiten 27, 28 gemäß 1 gespeichert. Diese Abtastwerte werden zum Berechnen der Differenz Vs(i) – Vc(i) verwendet, die zum Berechnen des Anpassungsstromes Iadj in dem OTA benötigt werden. Der OTA 31 hat einen Verstärkungsfaktor (gm) gleich gm = C/T1, wobei C die für die Stromnachbildung verwendete Kapazität und T1 die der Ermittlung des Gleichspannungsoffset zugewiesene Zeit ist.
Bevor der Kalibrierungsstrom Iadj angewendet wird, werden die Lade- und Entladeströme nicht aktualisiert, das heißt es gibt zwischen dem Ladestrom Ic und der Eingangs-Ausgangs-Spannungsdifferenz Vin-Vout einen festen Proportionalitätsfaktor und denselben festen Proportionalitätsfaktor zwischen dem Entladestrom und der Ausgangsspannung ab einer Zeit, zu der die Spannung über dem Kondensator Null und der Strom durch die Induktivität Null ist. Es wird angenommen, dass das System während der Kalbrierungsdauer im eingeschwungenen Zustand ist, das heißt der Gleichspannungsoffset zwischen Vc und Vs ist gleich während der Dauer, während der Vs(i) und Vc(i) ermittelt werden und bei Beginn der Zeitdauer, zu der Kalibrierungsstrom zugeführt wird. Das rekonstruierte Signal Vc folgt in diesem Fall dem Signal Vc nachdem die Lade- und Entladeströme entsprechend (13) aktualisiert wurden, das heißt: Ic(k + 1) = Vs(i)/Vc(i)·Ic(k), (16a) Id(k + 1) = Vs(i)/Vc(i)·Id(k) (16b)zu dem Zeitpunkt, zu dem der Kalibrierungsstrom Iadj Null wird. Danach werden die Lade- und Entladeströme während jedes Zyklus aktualisiert unter Verwendung der Abtastwerte von beiden Signalen Vs und Vc.
Zusammenfassend ist es für den Proportionalitätsfaktor zwischen dem Ladestrom Ic und der Eingangs-Ausgangs-Spannungsdifferenz Vin-Vout und für den Proportionalitätsfaktor zwischen dem Enladestrom Id und der Ausgangsspannung Vout relevant, das diese nicht aktualisiert werden bis die Gleichspannungsdifferenz zwischen Vs und Vc unter Verwendung des Kalbrierstromes Iadj angeglichen wurden. Eine erste Aktualisierung der Lade- und Entladeströme Ic, Id beziehungsweise des Regelsignals S29 erfolgt dann, wenn die Gleichspannungsoffsets angeglichen wurden. Nachdem die Gleichspannungsoffsets angeglichen wurden, werden die Lade- und Entladeströme Ic, Id mit jedem Zyklus aktualisiert.
Die Steuerung des Kalibriervorgangs erfolgt bezugnehmend auf 1 über eine Steuerschaltung 32, die die Erzeugung des Kalibrierstromes Iadj durch den Verstärker 31 über ein Freigabesignal EN, das in 7 ebenfalls dargestellt ist, freigibt. Diese Steuerschaltung 32 steuert auch den Pulsweitenmodulator 40 über ein weiteres Steuersignal S32 an, um während der Kalibrierphase die Erzeugung eines Ansteuersignals S1 mit einem konstanten Tastverhältnis zu bewirken.
Bezugnehmend auf 8 weist der Pulsweitenmodulator 40 beispielsweise einen Taktgenerator 41 auf, der ein Taktsignal CLK erzeugt, das den Beginn der Einschaltperioden des Ansteuersignals S1, und damit den Takt des Ansteuersignals S1 vor gibt. Dieses Taktsignal CLK ist dem Set-Eingang eines RS-Flip-Flops zugeführt, an dessen Ausgang Q das Ansteuersignal S1 zur Verfügung steht. Ein Rücksetzen des Flip-Flops 42, und damit die Erzeugung eines Ausschaltpegels erfolgt während des Normalbetriebs nach erfolgter Kalibrierung abhängig von einem Vergleich des nachgebildeten Messsignals Vc und des Regelsignals S14. Zum Vergleich dieser beiden Signale ist ein Komparator 56 vorhanden, dessen Ausgangssignal S46 während des Normalbetriebs das Flip-Flop 42 zurücksetzt. Zur Umschaltung zwischen dem Kalibrierbetrieb und dem Normalbetrieb ist ein Multiplexer 44 vorhanden, der durch das Steuersignal S32 der Steuerschaltung 32 angesteuert ist und der während des Normalbetriebs das Komparatorsignal S46 an den Reset-Eingang des Flip-Flops 42 liefert. Um während des Kalibrierbetriebes ein konstantes Tastverhältnis zu erreichen, ist ein Verzögerungsglied 45 vorgesehen, dem das Taktsignal CLK zugeführt ist und dessen Ausgangssignal während des Kalibrierbetriebes dem Reset-Eingang des Flip-Flops 42 zugeführt ist. Die Verzögerungsdauer dieses Verzögerungsgliedes gibt während des Kalibrierbetriebes eine konstante Einschaltdauer Ton, und damit ein konstantes Tastverhältnis vor.
Alternativ zur Erzeugung des nachgebildeten Signals Vc als analoges Signal kann dieses nachgebildete Signal bezugnehmend auf 9 auch als digitales Signal erzeugt werden. Das kapazitive Speicherelement gemäß 1 ist dabei ersetzt durch einen digitalen Zähler 201 an dessen Ausgang des nachgebildete Messsignal Vc in Form eines digitalen Zahlenwertes zur Verfügung steht. Der Zähler weist einen ersten Takteingang zum Hochzählen (Inkrementieren) des Zählerstandes und einen zweiten Eingang zum Herunterzählen (Dekrementieren) des Zählerstandes auf. Die Stromquellen gemäß 1 sind bei dieser Ausführungsform durch einen ersten und einen zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 202, 204 ersetzt, die erste und zweite Taktsignale zum Inkrementieren und Dekrementieren des Zählerstandes aufweisen. Die Taktsignale der spannungsgesteuerten Oszillatoren sind Frequenzmultiplizierern zugeführt, die die Taktfrequenz mit dem, vorzugsweise ebenfalls digital erzeugten, Regelsignal S29 multiplizieren.
Das frequenzmultiplizierte Taktsignal des ersten Oszillators 202, dessen Frequenz proportional zu der Eingangsspannung-Ausgangsspannung-Differenz Vin-Vout ist, ist dem Inkrementiereingang während der Einschaltdauer des Ansteuersignals S1 über einen durch das Ansteuersignal S1 angesteuerten ersten Schalter 207 zugeführt. Das frequenzmultiplizierte Taktsignal des zweiten Oszillators 204, dessen Frequenz proportional zu der Ausgangsspannung Vout ist, ist dem Dekrementiereingang während der Ausschaltdauer des Ansteuersignals S1 über einen durch das invertierte Ansteuersignal S1 angesteuerten zweiten Schalter 208 zugeführt.
Sowohl der Zähler 201 als auch das zuvor erläuterte kapazitive Speicherelement sind Teil einer Dreiecksignalerzeugungsschaltung, die den dreieckförmigen Stromverlauf durch die Induktivität Lout nachbildet.

Claims

Ansteuerschaltung für ein die Leistungsaufnahme eines induktiven Energiespeicherelements (Lout) regelndes Schaltelement (T1) in einem Schaltwandler, der zur Wandlung einer Eingangsspannung (Vin) in eine Ausgangsspannung (Vout) dient, wobei die Ansteuerschaltung aufweist: – eine Pulsweitenmodulatorschaltung (13), die dazu ausgebildet ist, ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal (S1) für das Schaltelement (T1) abhängig von einem von der Ausgangsspannung (Vout) abhängigen Regelsignal (S14) und einem von einem Strom durch das induktive Speicherelement (Lout) abhängigen Strommesssignal (Vc) zur Verfügung zu stellen, – eine Anordnung (20), die das Strommesssignal (Vc) zur Verfügung stellt, wobei die Anordnung (20) zur Bereitstellung des Strommesssignals eine Mess- und Regelanordnung ist, die dazu ausgebildet ist, das Strommesssignal (Vc) aus einem von der Differenz zwischen der Eingangsspannung (Vin) und der Ausgangsspannung (Vout) abhängigen Signal, wenigstens einem ersten Abtastwert eines zu dem Strom (Iout) durch das induktive Speicherelement (Lout) proportionalen Signals (Vs) während einer Periode des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals (S1) nachzubilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (20) zur Bereitstellung des Strommesssignals weiterhin dazu ausgebildet ist, das Strommesssignal (Vc) aus einem zusätzlichen von der Ausgangsspannung (Vout) abhängigen Signal nachzubilden.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, bei der die Mess- und Regelanordnung (20) aufweist: – eine durch das Ansteuersignal (S1) gesteuerte Dreiecksignalerzeugungsschaltung, die das nachgebildete Strommesssignal (Vc) bereitstellt und die dazu ausgebildet ist das nachgebildete Signal (Vc) so zu erzeugen, dass dessen zeitliche Änderung während einer Einschaltdauer (Ton) des Ansteuersignals (S1) über einen Proportionalitätsfaktor proportional ist zu der Differenz aus der Eingangsspannung (Vin) und der Ausgangsspannung (Vout) und während einer Ausschaltdauer (Toff) über den Proportionalitätsfaktor proportional ist zu der Ausgangsspannung (Vout), – eine Regelanordnung (29), der während einer Ansteuerperiode wenigstens ein Abtastwert (Vs(k)) eines zu dem Strom (Iout) durch die Induktivität proportionalen Signals (Vs) und wenigstens ein Abtastwert (Vc(k)) des nachgebildeten Strommesssignals (Vc) zugeführt ist und die ein von den Abtastwerten (Vs(k), Vc(k)) abhängiges Regelsignal (S29) erzeugt, das der Dreiecksignalerzeugungsschaltung zugeführt ist und zur Einstellung des Proportionalitätsfaktors dient.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, bei dem die Regelsignalerzeugungsschaltung das Regelsignal (S29) derart erzeugt, dass gilt: S29(k + 1) = S29(k)·(Vs(k)/Vc(k)),wobei S29(k) den Regelsignalwert während einer ersten Ansteuerperiode, Vs(k) den Abtastwert des zu dem Strom durch die Induktivität proportionalen Signals (Vs) während der ersten Ansteuerperiode, Vc(k) den Abtastwert des nachgebildeten Signals (Vc) während der ersten Ansteuerperiode und S29(k + 1) den Regelsignalwert während einer der ersten Ansteuerperiode nachfolgenden Ansteuerperiode bezeichnet.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die eine Strommessanordnung (11) zur Bereitstellung des zu dem Strom (Iout) durch das induktive Speicherelement proportionalen Signals (Vs) aufweist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, bei der die Strommessanordnung dazu ausgebildet ist, das zu dem Strom (Iout) durch das induktive Speicherelement proportionale Signal (Vs) nur während einer Einschaltdauer (Ton) oder einer Ausschaltdauer (Toff) des Ansteuersignals (S1) zu erzeugen.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Dreiecksignalerzeugungsschaltung aufweist: – ein kapazitives Speicherelement (C) über dem das nachgebildete Signal (Vc) abgreifbar ist, – eine an das kapazitive Speicherelement (C) angeschlossene Lade- und Entladeschaltung, die das kapazitive Speicherelement (C) nach Maßgabe des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals (S1) mit einem Ladestrom (Ic), der annähernd proportional ist zu der Differenz zwischen der Eingangsspannung (Vin) und der Ausgangsspannung (Vout) und zu dem Regelsignal (S29), lädt oder mit einem Entladestrom (Id), der annähernd proportional ist zu der Ausgangsspannung (Vout) und dem Regelsignal (S29), entlädt.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 6, bei dem die Lade- und Entladeschaltung aufweist: – eine Ladeschaltung (21, 23) zur Bereitstellung eines zu der Differenz zwischen der Eingangsspannung (Vin) und der Ausgangsspannung (Vout) und zu dem Regelsignal (S29) proportionalen Ladestromes (Ic) und einen in einen Strompfad der Ladeschaltung und des kapazitiven Speicherelements (C) geschalteten, durch das Ansteuersignal (S1) angesteuerten ersten Schalter (25), – eine Entladeschaltung (22, 24) zur Bereitstellung eines zu der Ausgangsspannung (Vout) und zu dem Regelsignal (S29) proportionalen Entladestromes (Id) und einen in einen Strompfad der Entladeschaltung und des kapazitiven Speicherelements (C) geschalteten, komplementär zu dem ersten Schalter (25) angesteuerten zweiten Schalter (26).
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die eine an das kapazitive Speicherelement (C) gekoppelte Kalibrierschaltung (31) aufweist, die nach Maßgabe eines Kalibriersignals (EN) einen Kalibrierstrom (Iadj) für das kapazitive Speicherelement (C) bereitstellt.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Pulsweitenmodulatorschaltung (13) dazu ausgebildet ist, während eines Kalibriervorgangs ein Ansteuersignal (S1) mit einem konstanten, von dem Regelsignal (S14) unabhängigen Tastverhältnis zu erzeugen.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 8 oder 9, bei der der Kalibrierstrom von der Differenz des ersten und zweiten Abtastwertes (Vs(k), Vc(k)), dem Kapazitätswert des kapazitiven Speicherelements (C) und der Dauer des Kalibriersignals (EN) abhängig ist.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Dreiecksignalerzeugungsschaltung aufweist: – einen Zähler (201) mit einem Ausgang zur Bereitstellung eines Zählerstandes der das nachgebildete Strommesssignal repräsentiert, mit einem ersten Eingang (UP) zur Zuführung eines den Zählerstand inkrementierenden Signals und mit einem zweiten Eingang (UP) zur Zuführung eines den Zählerstand dekrementierenden Signals, – eine Inkrementierschaltung (202, 203), die an den ersten Eingang (UP) des Zählers (201) gekoppelt ist und die ein getaktetes Inkrementiersignal mit einer zu der Differenz zwischen der Eingangsspannung (Vin) und der Ausgangsspannung (Vout) und dem Regelsignal (S29) proportionalen Frequenz erzeugt, – eine Dekrementierschaltung (204, 205), die an den zweiten Eingang (DOWN) des Zählers (201) gekoppelt ist und die ein getaktetes Dekrementiersignal mit einer zu der Ausgangsspannung (Vout) und dem Regelsignal (S29) proportionalen Frequenz erzeugt, – eine Schalteranordnung (206, 207, 208), die das Inkrementiersignal und das Dekrementiersignal nach Maßgabe des Ansteuersignals (S1) dem ersten und zweiten Eingang (UP, DOWN) des Zählers (201) zuführt.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 11, bei der die Inkrementierschaltung (202, 203) einen ersten spannungsgesteuerten Oszillator (202) aufweist, dem ein von der Differenz zwischen der Eingangsspannung (Vin) und der Ausgangsspannung (Vout) abhängiges Signal zugeführt ist, und bei der die Dekrementierschaltung einen zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (204) aufweist, dem ein von der Ausgangsspannung (Vout) abhängiges Signal zugeführt ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 12, bei der zwischen die spannungsgesteuerten Oszillatoren (202, 204) und die Eingänge des Zählers (201) Frequenzvervielfacher (203, 205) geschaltet sind, denen das Regelsignal zugeführt ist.