DE69921093T2

DE69921093T2 - In einem als Spannungsregler und Batterieladegerät arbeitenden Gleichspannungsschalterwandler verwendbarer Frequenzumsetzer und Verfahren zu dieser Frequenzumsetzung

Info

Publication number: DE69921093T2
Application number: DE69921093T
Authority: DE
Inventors: Angelo D'arrigo; Salvatore Capici; Filippo Marino; Francesco Pulvirenti
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: US6218820B1; EP1052758A1; EP1052758B1; DE69921093D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzumsetzer, welcher in einem Gleichspannungsschaltwandler des Typs nutzbar ist, welcher als ein Spannungsregler und als ein Batterieladegerät arbeitet, und auf ein Verfahren der Frequenzumsetzung hierfür.
1 stellt einen bekannten Abspann-Gleichspannungswandler dar, welcher als ein Spannungsregler nutzbar ist, und zeigt diesen insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 an. Um speziell ein Beispiel zu liefern, wird in 1 ein Gleichspannungswandler dargestellt, welcher einen Buck-Schaltungsaufbau besitzt. Dies sollte jedoch nicht eingrenzend betrachtet werden, da die Betrachtungen, die ähnlich zu denen sind, welche im Folgenden für diesen Typ von Schaltungskonfiguration angestellt werden, insgesamt auch für Gleichspannungswandler angewendet werden können, welche Boost- und Rücklauf- bzw. Sperrschalteraufbauten besitzen.
Entsprechend dem, was in 1 dargestellt wird, weist der Gleichspannungswandler einen Eingangsanschluss 2, welcher, wenn er in Gebrauch ist, auf eine Eingangsspannung VIN gesetzt ist, und einen Ausgangsanschluss 4 auf, welcher eine Ausgangsspannung VOUT niedriger als die Eingangsspannung VIN liefert.
Der Gleichspannungswandler 1 weist einen ersten und einen zweiten Schalter 6, 8 auf, welcher typischerweise aus bipolaren Transistoren oder p-Kanal- oder n-Kanal-MOSFET-Transistoren gebildet ist, deren Öffnen und Schließen in Phase durch eine Treiberstufe 10 gesteuert werden. Speziell der erste Schalter 6 bietet einen ersten Anschluss, welcher an den Eingangsanschluss 2 des Gleichspannungswandlers 1 angeschlossen ist, und einen zweiten Anschluss, welcher über eine Diode 12 an Masse angeschlossen ist, während der zweite Schalter 8 einen ersten Anschluss, welcher auch an dem Eingangsanschluss 2 des Gleichspannungswandlers 1 über einen Tastwiderstand 14 angeschlossen ist, und einen zweiten Anschluss liefert, welcher über die Diode 12 an Erde angeschlossen ist.
Der Gleichspannungswandler 1 weist ferner einen Induktor 16 auf, welcher zwischen den zweiten Anschlüssen der Schalter 6 und 8 und dem Ausgangsanschluss 4 angeschlossen ist; einen Kondensator 18, welcher zwischen dem Ausgangsanschluss 4 und Masse angeschlossen ist; und einen Spannungsteiler 20, welcher durch zwei Widerstände 22, 24 gebildet ist, welche zwischen dem Ausgangsanschluss 4 und Masse angeschlossen sind und welche einen dazwischen liegenden Knoten 26 liefern, auf welchem eine Teilerspannung VFB gegenwärtig ist, welche proportional durch das Teilungsverhältnis zu der Ausgangsspannung VOUT ist, welche durch den Gleichspannungswandler 1 geliefert wird.
Der Gleichspannungswandler 1 weist darüber hinaus einen Differentialspannungs-Fehlerverstärker (VEA) 28 auf, welcher einen invertierenden Anschluss darstellt, welcher an den dazwischen liegenden Knoten 26 des Spannungsteilers 20 angeschlossen ist und welcher von letzterem die Teilerspannung VFB, einen nicht invertierenden Anschluss, welcher eine Referenzspannung VREF empfängt, und einen Ausgangsanschluss empfängt, welcher eine dazwischen liegende Spannung VM liefert und welcher an einen nicht invertierenden Anschluss eines Differentialkomparators 30 angeschlossen ist, bekannt als ein PWM-(Pulsbreitenmodulator-)Komparator, und hier nachfolgend mit diesem Namen angezeigt wird, welcher umgekehrt einen invertierenden Anschluss darstellt, welcher an den Ausgangsanschluss eines Oszillators 32 angeschlossen ist, welcher eine Vergleichsspannung VC liefert, welche eine Sägezahnwellenform darstellt und eine vorher eingestellte Frequenz besitzt, von welcher die Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers 1 abhängt, und einen Ausgangsanschluss, welcher an den Eingang der Treiberstufe 10 der Schalter 6 und 8 angeschlossen ist.
Insbesondere fungiert der PWM-Komparator 30 in erster Linie als ein Pulsbreitenmodulator und liefert an einem Ausgang eine Spannung, welche eine Rechteckwellenform besitzt, deren Tastverhältnis eine Funktion der Spannung ist, welche durch den Spannungsfehlerverstärker 28 geliefert wird, und deren Frequenz von der Frequenz der Vergleichsspannung VC abhängt, welche durch den Oszillator 32 geliefert wird.
Schließlich weist der Gleichspannungswandler 1 eine feste Schwellwertstrom-Begrenzungsstufe auf, welche dem Zweck dient, den Gleichspannungswandler 1 gegenüber Stromüberlastungen zu schützen, und grundlegend aus einem Differentialkomparator 34 besteht, welcher nachfolgend als CURL-Komparator angezeigt wird, welcher einen invertierenden Anschluss und einen nichtinvertierenden Anschluss, welcher über dem Tastwiderstand 14 angeschlossen ist, und einen Ausgangsanschluss, welcher ein Begrenzungssignal VL ausgibt, welches an die Treiberstufe 10 geliefert wird, darstellt; speziell führt der CURL-Komparator 34 den Vergleich zwischen der Spannung, welche über dem Tastwiderstand 14 vorhanden ist, und einer vorher festgelegten Referenzspannung aus, welche innerhalb programmiert ist: Wenn die gegenwärtige Spannung über dem Tastwiderstand 14 kleiner oder gleich der Referenzspannung ist, welche in ihm programmiert ist, dann schaltet das begrenzende Signal VL auf einen niedrigen logischen Pegel, welcher die Abwesenheit von Über lastungen anzeigt, und die Treiberstufe 10 fährt fort, normal zu arbeiten, wobei sie das Öffnen und Schließen der Schalter 6 und 8 bei einer nominalen Schaltfrequenz steuert, welche mit der Frequenz der Vergleichsspannung VC korreliert, welche durch den Oszillator 32 geliefert wird, wohingegen dann, wenn die Spannung, welche über dem Tastwiderstand 14 gegenwärtig ist, größer als die Referenzspannung ist, welche in ihm programmiert ist, das begrenzende Signal VL auf einen hohen logischen Pegel schaltet, welcher das Vorhandensein von Überlasten anzeigt, und in Antwort auf das Schalten des begrenzenden Signals VL von dem niedrigen logischen Pegel zu dem hohen logischen Pegel steuert die Treiberstufe 10 das Öffnen der Schalter 6 und 8, um so den Strom zu unterbrechen, welcher zu dem Gleichspannungswandler 1 geliefert wird.
Das Öffnen des Schalters 8 verursacht, dass die Spannung über den Tastwiderstand 14 zu Null wird, und veranlasst dadurch das begrenzende Signal VL, welches durch den CURL-Komparator 34 erzeugt wird, wieder auf den niedrigen logischen Pegel zu schalten, und folglich, dass die Treiberstufe 10 zu den Zuständen des normalen Betriebs zurückkehrt.
Als Ergebnis, so lange wie die Überlast anhält, fährt das begrenzende Signal VL, welches durch den CURL-Komparator 34 geliefert wird, fort, zwischen den hohen und den niedrigen logischen Pegeln zu schalten, wobei dadurch ein Pulszug erzeugt wird, welcher, wenn er an die Treiberstufe 10 geliefert wird, das Schalten der Operation des Gleichspannungswandlers 1 zwischen einer normalen Operation, bei welcher das Öffnen und Schließen der Schalter 6 und 8 bei einer vorher eingestellten Frequenz gesteuert wird, welche zu der Sägezahnspannung korreliert, welche durch den PWM-Komparator 30 geliefert wird, und einer Strombegrenzungsoperation auslöst, bei welcher das Öff nen der Schalter 6 und 8 gesteuert wird, um den Strom zu unterbrechen, welcher an den Gleichspannungswandler 1 geliefert wird.
Der Betrieb des Gleichspannungswandlers 1 ist an sich bekannt, und auf ihn wird hier nur Bezug genommen, sofern die Gesichtspunkte für das Verstehen der Probleme notwendig sind, welche auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung liegen. Speziell liefert der Gleichspannungswandler einen Einzelbetriebsmodus, bei welchem der Spannungsfehlerverstärker 28 das Regeln der Ausgangsspannung VOUT ausführt, so dass diese konstant bleibt, wenn der Strom, welcher durch die am Ausgangsanschluss des Gleichspannungswandlers 1 angeschlossene Last erforderlich ist, variiert.
In 2 wird ein bekannter Abwärts-Gleichspannungswandler, welcher als ein Batterie-Ladegerät nutzbar ist, bei welchem identische Teile oder Teile, welche zu denen des Gleichspannungswandlers 1 äquivalent ist, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, dargestellt und durch 40 angezeigt.
Speziell unterscheidet sich der Gleichspannungswandler 40 von dem Gleichspannungswandler 1 dadurch, dass er ferner aufweist: einen Tastwiderstand 42, welcher in Reihe zu der Induktionsspule 16 ist und zwischen der Induktionsspule 16 und dem Ausgangsanschluss 4 des Gleichspannungswandlers 40 liegt; eine Filterstufe 44, welche typischerweise hergestellt ist, indem ein Operationsverstärker benutzt wird, und welche einen ersten Eingangsanschluss und einen zweiten Eingangsanschluss bietet, welche über den Tastwiderstand 42 angeschlossen sind, und einen Ausgangsanschluss, welcher eine Spannung liefert, welche gleich der gefilterten Spannung VFR ist, welche über dem Tastwiderstand 42 gegenwärtig ist; und einen Differentialstrom- Fehlerverstärker (CEA) 46, welcher einen invertierenden Anschluss bietet, welcher an den Ausgangsanschluss der Filterstufe 44 angeschlossen ist, einen nicht-invertierenden Anschluss, welcher eine Referenzspannung VR empfängt, und einen Ausgangsanschluss, welcher an den invertierenden Anschluss des PWM-Komparators 30 über eine abkoppelnde Diode 48 angeschlossen ist, welche den Anodenanschluss darstellt, welcher mit dem invertierenden Anschluss des PWM-Komparators 30 angeschlossen ist, und den Kathodenanschluss, welcher an den Ausgangsanschluss des Stromfehlerverstärkers 46 angeschlossen ist.
Speziell wird die Referenzspannung VR dadurch erzeugt, dass ein konstanter Strom, welcher durch einen Stromgenerator 52 geliefert ist, welcher in Reihe an den Widerstand 50 angeschlossen ist, veranlasst wird, selbst in dem Widerstand 50 zu fließen; die Referenzspannung, die damit erhalten wird, wird dann über dem Widerstand 50 angelegt.
Der Betrieb des Gleichspannungswandlers 40 ist an sich bekannt, und auf ihn wird hier nur Bezug genommen, sofern die Gesichtspunkte für das Verstehen der Probleme notwendig sind, welche auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung liegen. Speziell wird hervorgehoben, dass der Gleichspannungswandler 40 zwei Betriebsmodi bietet. Ein erster Betriebsmodus besteht darin, dass der Stromfehlerverstärker die Oberhand über den Spannungsfehlerverstärker besitzt und das Regeln des Batterie-Ladestromes ausführt, währenddessen der Ladestrom konstant bei dem programmierten Wert ist und die an der Batterie gegenwärtige Spannung von dem Anfangswert, typischerweise null, zu ihrem vollen Ladewert ansteigt, wohingegen der zweite Betriebsmodus darin besteht, dass in ihm der Spannungsfehlerverstärker die Oberhand über den Stromfehlerverstärker besitzt und das Regeln der Spannung der Batterie ausführt, während dieser der Ladestrom abnimmt, bis er durch null geht, und die Batteriespannung fest auf dem vollen Ladewert bleibt.
Die beiden Gleichspannungswandler, welche oben beschrieben wurden, stellen einen Nachteil bezüglich der Tatsache dar, dass die Interventionszeit des CURL-Komparators 34 zum Begrenzen des Stromes, welcher durch den Gleichspannungswandler geliefert wird, wenn Überlastungen am Ausgang gegenwärtig sind (beispielsweise beim Einschalten der Gleichspannungswandler, wenn der Kondensator 18 geladen werden muss), nicht Null ist und von der Reaktionszeit abhängt, mit welcher die Gleichspannungswandler auf derartige Variationen reagieren.
In den Fällen, wo schwere Überlasten oder Kurzschlüsse am Ausgang oder andere beim Einschalten auftreten, genügt folglich der CURL-Komparator 34 an sich nicht, den Ausgangsstrom dadurch zu begrenzen, dass unter diesen Bedingungen der Induktor 16 mit einem Strom geladen wird, welcher eine größere Flanke besitzt als die Flanke, mit welcher er entladen wird, so dass dies zu einer Divergenz des Ausgangsstromes führt.
Es bestehen verschiedene Verfahren zum Erzeugen eines Strombegrenzungssystems, welches effektiv gegenüber Kurzschlüssen und Überlastungen ist.
Ein sehr bekanntes Verfahren basiert auf dem so genannten Prinzip der Frequenzumsetzung, d.h. basiert auf der Reduktion der Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers bei der Gegenwart von Überlastungen und Kurzschlüssen, d.h. aufgrund der Reduktion der Schaltfrequenzen der Schalter 6 und 8.
In der US-A-5 612 858 wird z.B. ein Sperrwandler veröffentlicht, welcher auf dem Frequenzumwandlungs-Betriebsprinzip basiert.
3 zeigt stattdessen einen Gleichspannungswandler, welcher als ein Spannungsregler nutzbar ist und auf dem Frequenzumsetzungs-Betriebsprinzip basiert.
Der Gleichspannungswandler, welcher mit 60 bezeichnet ist, stellt eine Schaltungstopologie dar, welche sehr ähnlich zu der des Gleichspannungswandlers 1 ist; aus diesem Grund werden identische Teile oder Teile, welche äquivalent zu denen des Gleichspannungswandlers 1 sind, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der Gleichspannungswandler 60 unterscheidet sich von dem Gleichspannungswandler 1 dadurch, dass er ferner aufweist: einen Frequenzumsetzer 62, welcher ein Paar von Eingangsanschlüssen 62a, 62b bietet, welche mit den invertierenden und nicht-invertierenden Anschlüssen des Spannungsfehlerverstärkers 28 verbunden sind und welche jeweils die Teilerspannung VFB und die Referenzspannung VREF empfangen, und einen Ausgangsanschluss 62u, welcher ein Umsetzungsregelsignal ausgibt, welches an einen Eingangsanschluss des Oszillators 32 geliefert wird und welches aus einem Vorstrom IBIAS für den Oszillator 32 selbst besteht, welcher so gestaltet ist, dass er an einem Ausgang eine Vergleichsspannung VC mit einer Sägezahn- oder Dreieckswellenform liefert, deren Frequenz proportional zu dem Vorstrom IBIAS ist.
Der Betrieb des Gleichspannungswandlers 60 ist an sich bekannt, und auf ihn wird hier nur Bezug genommen, sofern die Gesichtspunkte für das Verstehen der Probleme notwendig sind, welche auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung liegen. Speziell ist bei den Zuständen des Kurzschlusses oder des Einschaltens des Gleichspannungswandlers 60 die Ausgangsspannung VOUT anfangs Null, dadurch dass der Kondensator 18 entladen ist, der Vorstrom IBIAS, welcher dem Oszillator 32 geliefert wird, nimmt einen Minimalwert an, die Vergleichsspannung VC, welche durch den Oszillator 32 geliefert wird, nimmt folglich einen Minimalwert an, und daher nimmt die Schaltfrequenz der Schalter 6 und 8, welche durch die Treiberstufe gesteuert wird und welche umgekehrt eine Funktion der Frequenz der Vergleichsspannung VC ist, auch einen Minimalwert an.
Da die Ausgangsspannung VOUT ansteigt, steigt entsprechend der Vorstrom IBIAS an, und die Schaltfrequenz der Schalter 6, 8 tendiert dazu, zu ihrem nominalen Wert überzugehen.
Ein Frequenzumsetzer 62 von dem Typ, welcher oben beschrieben wurde, kann jedoch nicht in dem Gleichspannungswandler 40 als ein Batterieladegerät verwendet werden aufgrund des Vorliegens der beiden Betriebsmodi, d.h. als ein Stromregler und als ein Spannungsregler des Gleichspannungswandlers 40.
Tatsächlich sollte bei beiden Betriebsmodi unter normalen Betriebszuständen der Gleichspannungswandler 40 bei der normalen Schaltfrequenz funktionieren; stattdessen ist bei der Frequenzumsetzungsmodalität, welche in 3 dargestellt wird, dies dadurch nicht möglich, dass während des Stromregelbetriebsmodus, da sich die Ausgangsspannung VOUT von dem Nullwert auf den Nominalwert ändert, der Frequenzumsetzer 62 die Umsetzung der Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers 40 steuern würde, obwohl keine Überlast am Ausgang gegenwärtig ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Frequenzumsetzer zu liefern, welcher in einem Gleichspannungsschaltwandler des Typs nutzbar ist, welcher als ein Spannungsregler und als ein Batterieladegerät arbeitet.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Frequenzumsetzungsverfahren zu liefern, welches in einem Gleichspannungsschaltwandler des Typs genutzt werden kann, welcher als ein Spannungsregler und als ein Batterieladegerät arbeitet.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Gleichspannungsschaltwandler des Typs geliefert, welcher als ein Spannungsregler und als ein Batterieladegerät arbeitet, wie dies im Anspruch 1 definiert ist.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird in der Praxis auch das begrenzende Signal VL an den Frequenzumsetzer in einer derartigen Weise geliefert, dass es die Umsetzung der Frequenz des Vergleichssignals VC als eine Funktion der Differenz zwischen der Referenzspannung VREF und der Teilerspannung VFB nur steuert, wenn der Gleichspannungswandler im Zustand der Strombegrenzung arbeitet. Auf diese Weise kann der Frequenzumsetzer bei Gleichspannungswandlern, welche als Batterieladegeräte arbeiten, auch dadurch benutzt werden, dass während der Stromregelphase das begrenzende Signal VL Null ist und die Frequenzumsetzung verhindert.
Entsprechend der vorliegende Erfindung wird außerdem ein Frequenzumsetzungsverfahren zum Schalten des Gleichspannungswandlers des Typs geliefert, welcher als ein Spannungsregler und als ein Batterieladegerät arbeitet, wie dies in Anspruch 8 definiert ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird eine bevorzugte Ausführungsform derselben nun beschrieben, einfach zu dem Zweck, ein nicht eingrenzendes Beispiel zu liefern, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
1 ein Schaltdiagramm eines bekannten Gleichspannungswandlers zeigt, welcher als ein Spannungsregler nutzbar ist;
2 ein Schaltdiagramm eines bekannten Gleichspannungswandlers zeigt, welcher als ein Batterieladegerät nutzbar ist;
3 ein Schaltdiagramm eines bekannten Gleichspannungswandlers zeigt, welcher als ein Spannungsregler nutzbar ist und mit einem bekannten Frequenzumsetzer ausgestattet ist;
4 ein Schaltdiagramm eines Frequenzumsetzers zeigt, welcher in einem Gleichspannungswandler des Typs nutzbar ist, welcher als ein Spannungsregler und als ein Batterieladegerät arbeitet;
5 ein detaillierteres Schaltbild des Frequenzumsetzers der 4 zeigt; und
6–12 Verläufe elektrischer Größen des Frequenzumsetzers der 5 zeigen.
In 4 wird ein Frequenzumsetzer dargestellt und mit 72 bezeichnet, welcher entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist und welcher in einem Gleichspannungswandler, angezeigt durch 70, des Typs nutzbar ist, welcher als ein Span nungsregler und als ein Batterieladegerät arbeitet. Speziell wird in 4 die gesamte verbleibende Schaltstruktur des Gleichspannungswandlers 70, welcher indifferent entweder die des Gleichspannungswandlers 1 oder die des Gleichspannungswandlers 40 sein kann, welche vorher beschrieben wurden, schematisch als ein Rechteck gezeigt, bezeichnet mit den Bezugszeichen 1, 40, in welchem nur die Komponenten gezeigt werden, welche für das Verstehen der vorliegenden Erfindung notwendig sind.
Speziell bietet der Frequenzumsetzer 72, zusätzlich zu den Eingangsanschlüssen, welche in der Figur durch 72a und 72b angezeigt werden und die Teilerspannung VFB und die Referenzspannung VREF empfangen, auch einen dritten Eingangsanschluss, welcher durch 72c angezeigt ist, welcher von dem CURL-Komparator 34 das begrenzende Signal VL empfängt, welches den normalen Betrieb oder den Strombegrenzungsbetrieb des Gleichspannungswandlers 70 anzeigt, und betreibt das Steuern einer Umsetzung der Frequenz der Vergleichsspannung VC, welche durch den Oszillator 32 als eine Funktion der Differenz zwischen der Referenzspannung VREF und der Teilerspannung VFB geliefert wird, nur dann, wenn der Gleichspannungswandler 70 in einem Strombegrenzungsbetrieb ist, d.h. nur wenn auf dem Begrenzungssignal VL der Pulszug gegenwärtig ist, welcher diesen Betriebszustand anzeigt.
Auf diese Weise kann der Frequenzumsetzer 72 auch bei Gleichspannungswandlern benutzt werden, welche als Batterieladegeräte arbeiten. Tatsächlich nimmt während der Stromregelphase, bei welcher die Ausgangsspannung VOUT von Null zu ihrem stationären Zustandswert ansteigt, das begrenzende Signal VL einen Nullwert an und verhindert dadurch das Ausführen der Frequenzumsetzung der Vergleichsspannung VC während dieser Phase.
Wie in 4 gezeigt wird, weist der Frequenzumsetzer 72 eine Integrierstufe 74 auf, welche an den Eingängen die Teilerfrequenz VFB, die Referenzspannung VREF und das begrenzende Signal VL empfängt, und am Ausgang ein strombegrenzendes Signal VINT liefert, welches wie folgt erhalten wird:
Der Frequenzumsetzer 72 weist ferner auf: einen ersten Stromgenerator 76, welcher eine konstante Referenzspannung IREF liefert; einen zweiten Stromgenerator 78, welcher an einem Eingang das strombegrenzende Signal VINT empfängt und welcher einen Begrenzungsstrom IF liefert, welcher variabel ist und mit dem strombegrenzenden Signal VINT korreliert; und eine Subtrahierstufe 80, welche an einem Eingang den Referenzstrom IREF und den Begrenzungsstrom IF empfängt und an einem Ausgang den Vorstrom IBIAS für den Oszillator 32 liefert, welcher gleich der Differenz zwischen dem Strom IREF und dem Strom IF ist.
Speziell bietet der Referenzstrom IREF, welcher durch den ersten Stromgenerator 76 geliefert wird, eine Amplitude derart, dass, wenn diese an den Oszillator 32 als Vorstrom geliefert wird, sie das Erzeugen einer Vergleichsspannung VC bestimmen würde, welche eine Nominalfrequenz besitzt, während der Begrenzungsstrom IF, welcher durch den zweiten Stromgenerator 78 geliefert wird, proportional zu der Amplitude des strombegrenzenden Signals VINT ist und zwischen einem Minimalwert von Null und einem Maximalwert kleiner als der Wert des Referenzstromes IREF liegt.
Der Betrieb des Frequenzumsetzers 72 ist wie folgt. Im normalen Betriebszustand, d.h, in Abwesenheit von Überlast und von Kurzschlüssen oder in der Folge des Einschaltens des Gleichspannungswandlers, ist das begrenzende Signal VL Null, das strombegrenzende Signal VINT ist Null, der Begrenzungsstrom IF ist Null, und von daher ist der Vorstrom IBIAS gleich dem Referenzstrom IREF.
Unter diesen Umständen ist deshalb die Frequenz des Vergleichssignals VC, und folglich die Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers nominal die, welche in der Design-Phase festgelegt wurde.
Bei Zuständen der Überlast oder des Kurzschlusses am Ausgang oder auch beim Einschalten tritt der Gleichspannungswandler 70 in die Strombegrenzungsphase, und dieser Zustand wird durch den CURL-Komparator 34 detektiert, welcher an einem Ausgang ein begrenzendes Signal VL liefert, bei welchem ein Pulszug gegenwärtig ist, welcher diesen Zustand anzeigt.
Die Integrierstufe 74 führt eine Integration des begrenzenden Signals VL, gewichtet mit dem Term (1-VFB/VREF), aus und erzeugt an einem Ausgang das strombegrenzende Signal VINT, welches an den Stromgenerator 78 geliefert wird, welcher an einem Ausgang einen Begrenzungsstrom IF erzeugt, welcher proportional zum strombegrenzenden Signal VINT ist.
In der Subtrahierstufe 80 wird der Strom IF von dem Strom IREF subtrahiert, wodurch ein Vorstrom IBIAS erzeugt wird, welcher kleiner als der Referenzstrom IREF ist, welcher, wenn er an den Oszillator 32 geliefert wird, eine Reduktion in der Frequenz der Vergleichsspannung VC und daher in der Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers festlegt.
Der Term (1-VFB/VREF) drückt die Abhängigkeit der Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers 70 von der Ausgangsspannung VOUT aus; da die Teilerspannung VFB bei der Anwendung tatsächlich zwischen einem Nullwert und einem Wert gleich dem der Referenzspannung VREF liegt, variiert der Term (1-VFB/VREF) entsprechend zwischen einem Wert von Eins und einem Wert von Null. Da die Ausgangsspannung VOUT zwischen Null und stationärem Zustandswert variiert, steigt die Teilerspannung VFB vom Nullwert zu einem Wert an, welcher gleich dem der Referenzspannung VREF ist, der Term (1-VFB/VREF) fällt von Eins auf Null ab, das strombegrenzende Signal VINT nimmt ab, bis es Null wird, was auch immer der Wert des begrenzenden Signals VL ist, und daher nimmt der Begrenzungsstrom IF ab, bis er zu Null wird, wobei dadurch das Ansteigen der Frequenz der Vergleichsspannung VC und folglich der Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers 70 von seinem Minimalwert zu seinem Nominalwert bestimmt wird.
Dies verhindert Latch-up-Phänomene, d.h. Phänomene, bei welchen die Ausgangsspannung VOUT bei einem Wert niedriger als dem Nominalwert blockiert wird, was beim Einschalten auftreten kann, wenn die Schaltfrequenz anfangs niedriger als die Nominalfrequenz ist.
5 zeigt im Detail das Schaltbild des Frequenzumsetzers 72, in welchem die Teile, welche identisch oder äquivalent zu denen der 4 sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Entsprechend zu dem, was in dieser Figur dargestellt ist, weist der Frequenzumsetzer 72 auf: eine Versorgungsleitung 79, welche auf die Spannung VCC gesetzt ist; eine Eingangsdifferentialstufe 81, welche durch ein Paar von PMOS-Transistoren 82, 83 gebildet ist, welche die gleichen Dimensionen und Gate- Anschlüsse, welche jeweils die Referenzspannung VREF und die Teilerspannung VFB empfangen, Drain-Anschlüsse, welche mit den jeweiligen internen Knoten 84, 85 verbunden sind, und Quellenanschlüsse besitzen, welche jeweils mit einem der zwei NMOS-Transistoren 86, 87, welche einen Stromspiegel 88 bilden, und mit Masse verbunden sind.
Speziell die Transistoren 86, 87 besitzen Quellenanschlüsse, welche mit Masse verbunden sind, und Gate-Anschlüsse, welche zusammen über einen Widerstand 89 verbunden sind. Zusätzlich bildet der Transistor 86 die Last des Transistors 82 und ist Dioden-verbunden, d.h. diese ist mit dem Drain-Anschluss zu ihrem eigenen Gate-Anschluss verbunden, während der Transistor 87 mit seinem Gate-Anschluss mit Masse über einen Kondensator 90 verbunden ist und an seinen eigenen Drain-Anschluss den Vorstrom IBIAS für den Oszillator 32 liefert.
Zwischen der Versorgungsleitung 79 und dem Knoten 84 ist der Stromgenerator 87 angeschlossen, welcher die Referenzspannung IREF liefert, während zwischen der Versorgungsleitung 79 und dem Knoten 85 ein Stromgenerator 91 angeschlossen ist, welcher einen konstanten Strom IO, welcher gleich dem Referenzstrom IREF ist, liefert. Die Stromgeneratoren 76 und 91 werden in der Praxis mit Hilfe eines einzigen Stromspiegels bereitgestellt, welcher mit zwei Wiederholzweigen ausgestattet ist.
Zwischen den Knoten 84 und 85 ist außerdem ein Netzwerk angeschlossen, welches aus einem Widerstand 94, zwei Kondensatoren 95, 96 und zwei Schaltern 97, 98 gebildet ist, welche z.B. hergestellt sind, indem NMOS-Transistoren benutzt werden. Speziell der Widerstand 94 ist zwischen dem Knoten 84 und einem Knoten 99 angeschlossen; der Kondensator 95 ist zwischen dem Knoten 99 und der Erde angeschlossen; der Schalter 97 ist zwi schen dem Knoten 99 und einem Knoten 100 angeschlossen; der Kondensator 96 ist zwischen dem Knoten 100 und Masse angeschlossen; und schließlich ist der Schalter 98 zwischen dem Knoten 100 und dem Knoten 85 angeschlossen.
Die Schalter 97 und 98 werden in Gegenphase gesteuert, und speziell der Schalter 97 wird durch das invertierte Begrenzungssignal VL gesteuert, welches durch Invertieren des begrenzenden Signals VL über einen Invertierer 101 erhalten wird, welches auf dem Eingangsanschluss 72c geliefert wird, während der Schalter 98 durch das Begrenzungssignal VL gesteuert wird, welches durch Invertieren des invertierten Begrenzungssignals VL über einen Inverter 102 erhalten wird, welches durch den Inverter 101 geliefert wird.
Der Widerstand 94, die Kondensatoren 95, 96 und die Schalter 97, 98 bilden die Integrierstufe 74, während die Transistoren 82, 83 die Beziehung VREF-VFB implementieren, welche in der Integration benutzt wird.
Der Betrieb ist wie folgt. Wenn der Gleichspannungswandler nicht in der Strombegrenzungsphase ist, ist das begrenzende Signal VL auf einem niedrigen logischen Pegel, und das invertierte begrenzende Signal VL ist auf einem hohen logischen Pegel; folglich ist der Schalter 97 geschlossen und der Schalter 98 ist offen, die Kondensatoren 95 und 96 sind parallel angeschlossen und werden über den Widerstand 94 auf die Spannung geladen, welche an dem Knoten 84 gegenwärtig ist.
In dieser Situation ist der Vorstrom IBIAS, welcher an den Oszillator 32 geliefert wird, gleich dem Referenzstrom IREF, und die Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers 70 ist gleich ihrem Nominalwert.
Wenn ein Zustand der Überlast auftritt, tritt der Gleichspannungswandler 70 in die Strombegrenzungsphase ein, und daher schaltet das begrenzende Signal VL auf den hohen logischen Pegel, so dass es das Öffnen des Schalters 97 und das Schließen des Schalters 98 treibt. Dabei wird der Kondensator 96 entladen, bis die Spannung an ihm gleich der Spannung an dem Knoten 85 ist, welche gleich VFB + VGS ist, wobei VGS die Spannung ist, welche zwischen dem Gate-Anschluss und dem Quellenanschluss des Transistor 83 vorhanden ist.
Die Spannung des Knotens 85 ist dadurch niedriger als die Spannung des Knotens 84, da der Gleichspannungswandler 70 in einem Überlastzustand ist und daher außerhalb der Regelung ist, so dass die Teilerspannung VFB niedriger als die Referenzspannung VREF ist.
Wenn das begrenzende Signal VL wieder auf den niedrigen logischen Pegel schaltet, schließt der Schalter 97 und der Schalter 98 öffnet, und dadurch wird der Kondensator 95 über den Kondensator 96 entladen, so dass dadurch die Spannung des Knotens 99 und die des Knotens 84 veranlasst werden, abzufallen.
Wenn der Kondensator 96 so gestaltet ist, dass seine Kapazität verglichen mit der des Kondensators 95 ausreichend klein ist, dann werden, da sukzessive Pulse, welche auf dem begrenzenden Signal VL gegenwärtig sind, an die Schalter 97 und 98 gesandt, die nachfolgenden Phasen des Ladens und Entladens der Kondensatoren 95 und 96 die Integration der Pulse erbringen, wodurch die Spannung des Knotens 84 dazu veranlasst wird, kontinuierlich abzufallen, angefangen bei ihrem Anfangswert bis hinunter zu einem niedrigeren Wert.
Der Transistor 82 wird damit eine Spannung VGS bieten, welche zunehmend kleiner wird, und daher wird der Strom, welcher in dem Transistor fließt, IREF-IF sein, und dies wird die Schaltfrequenz auf ihren Minimalwert umsetzen.
6 bis 9 zeigen die Effekte einer Überlast auf dem Vorstrom IBIRS und auf der Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers.
Speziell, wie bemerkt wird, im Falle einer Überlast, welche zu dem Zeitpunkt auftritt, welcher in der Figur durch t0 gekennzeichnet ist, fällt die Teilerspannung VFB rapide auf einen sehr kleinen Wert ab, wobei ein stufenförmiges Muster gebildet wird, wie dies in 6 gezeigt wird. Die Spannung VA, welche an dem Knoten 84 gegenwärtig ist, nimmt entsprechend dem Verlauf, welcher in 7 gezeigt wird, ab; und der Vorstrom IBIAS nimmt entsprechend dem Verlauf, wie er in 8 gezeigt wird, progressiv ab.
9 stellt stattdessen das Abfallen der Taktfrequenz FCK dar, mit welcher der Oszillator 32, infolge eines Zustands der Überlast, intern arbeitet. Die Frequenz der Sägezahn-Vergleichsspannung VC, welche als Ausgang von dem Oszillator 32 geliefert wird, wird folglich einer Reduktion unterzogen, ähnlich der der in 9 dargestellten Taktfrequenz.
10, 11 und 12 zeigen jeweils den Verlauf der Teilerspannung VFB, des Vorstromes und der Taktfrequenz des Oszillators 32 von dem Augenblick an, angezeigt durch t1, in welchem der Überlastzustand endet.
Es sollte beachtet werden, dass der Minimalwert der Taktfrequenz FCK des Oszillators 32 und von daher der der Vergleichsspannung VC, welche durch den Oszillator geliefert wird, und der Grad der Kontinuität, mit welcher diese Frequenz und die Spannung auf ihren Nominalwert zurückgehen, von dem Widerstandswert des Widerstands 94 und von der Kapazität der Kondensatoren 95 und 96 abhängt. Speziell, je kleiner die Kapazität des Kondensators 96 verglichen mit der Kapazität des Kondensators 95 ist, umso sukzessiver ist der Übergang.
Der Widerstand 89 und der Kondensator 90 definieren ein Filter, welches dem Zweck dient, eine übergroße Welligkeit des Vorstromes IBIAS des Oszillators 32 zu vermeiden.
Aus einer Untersuchung der Charakteristika des Frequenzumsetzers 72, welcher entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, sind die Vorteile offensichtlich, welche der Frequenzumsetzer ermöglicht.
Speziell ist hervorzuheben, dass der Frequenzumsetzer, welcher entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, indifferent sowohl bei Gleichspannungswandlern, welche als Spannungsregler arbeiten, und bei Gleichspannungswandlern benutzt werden kann, welche als Batterieladegerät arbeiten, mit folglich beträchtlichen Einsparungen vom Gesichtspunkt der Gestaltung her.
Schließlich ist es klar, dass Modifikationen und Variationen an dem beschriebenen Frequenzumsetzer, welcher hier beschrieben und dargestellt wurde, gemacht werden können, ohne dadurch von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie in den angehängten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Frequenzumsetzer (72), welcher in einem Gleichspannungsschaltwandler (70) des Typs nutzbar ist, welcher als ein Spannungsregler und als ein Batterieladegerät arbeitet, wobei der Gleichspannungswandler (70) aufweist: eine Wellenform-Erzeugungsvorrichtung (32), welche an einem Eingang ein Umsetzungsregelsignal (IBIAS) empfängt und an einem Ausgang ein Vergleichssignal (VC) liefert, welches ein periodisches Muster mit einer Frequenz darbietet, welche mit dem Umsetzungsregelsignal (IBIAS) korreliert; und eine Detektiervorrichtung (34), welche an einem Ausgang ein begrenzendes Signal (VL) liefert, welches Indikativ für die normale Funktion oder die Funktion unter Strombegrenzung des Gleichstromumsetzers (70) ist; wobei der Frequenzumsetzer (72) an einem ersten Eingang (72a) ein erstes Signal (VFB) empfängt, welches mit einem gegenwärtigen Wert einer Ausgangsspannung (VOUT) des Gleichspannungswandler (70) korreliert, und an einem zweiten Eingang (72b) ein zweites Signal (VREF) empfängt, welches mit einem Nominalwert der Ausgangsspannung (VOUT) korreliert, und wobei er an einem Ausgang (72u) das Umsetzungsregelsignal (IBIAS) liefert, wobei das Umsetzungsregelsignal (IBIAS) mit den ersten und zweiten Signalen (VFB, VREF) korreliert und wobei diese der Wellenform-Erzeugungsvorrichtung (32) geliefert werden, um eine Frequenzumsetzung des Vergleichssignals (VC) zu liefern; dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumsetzer (72) ferner einen dritten Eingang (72c), welcher das begrenzende Signal (VL) empfängt, und eine Umsetzungsregelungsvorrichtung (74, 76, 78, 80) aufweist, welche an einem Eingang die ersten und zweiten Signale (VFB, VREF) und das begrenzende Signal (VL) empfängt und welche eine Frequenzumsetzung des Vergleichssignals (VC) entsprechend den ersten und zweiten Signalen (VFB, VREF) nur dann regelt, wenn der Gleichspannungswandler (70) im Strombegrenzungszustand arbeitet.
Frequenzumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzungsregelungsvorrichtung eine Frequenzreduziervorrichtung (74, 76, 78, 80) aufweist, welche die Frequenz des Vergleichssignals (VC) proportional zur Differenz zwischen den ersten und zweiten Signalen (VFB, VREF) nur dann reduziert, wenn der Gleichspannungswandler (70) im Strombegrenzungszustand arbeitet.
Frequenzumsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzungsregelungsvorrichtung (74, 76, 78, 80) eine Integriervorrichtung (74) aufweist, welche an einem ersten Eingang das erste Signal (VFB), an einem zweiten Eingang das zweite Signal (VREF) und an einem dritten Eingang das begrenzende Signal (VL) empfängt und welche an einem Ausgang ein stromregulierendes Signal (VINT) liefert, welches eine Funktion der ersten und zweiten Signale (VFB, VREF) und des begrenzenden Signals (VL) ist; wobei die erste stromerzeugende Vorrichtung (76) einen Referenzstrom (IREF) liefert; wobei die zweite stromerzeugende Vorrichtung (78) an einem Eingang das stromregulierende Signal (VINT) empfängt und an einem Ausgang einen Begrenzungsstrom (IF) liefert, welcher mit dem stromregulierenden Signal (VINT) korreliert; und eine Berechnungsvorrichtung (80) an einem ersten Eingang den Referenzstrom (IREF) und an einem zweiten Eingang den Begrenzungsstrom (IF) empfängt und an einem Ausgang einen Vorstrom (IBIAS) liefert, welcher einer Funktion des Referenzstroms (IREF) und des Begrenzungsstroms (IF) ist und das Umsetzungsreguliersignal (IBIAS) definiert.
Frequenzumsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Integriervorrichtung (74) die folgende Beziehung implementiert:
wobei VINT das Stromreguliersignal ist, VL das begrenzende Signal ist, VFB das erste Signal ist und VREF das zweite Signal ist.
Frequenzumsetzer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsvorrichtung eine algebraische Addiervorrichtung (80) aufweist, welche an einem Eingang den Referenzstrom (IRE F) und den Begrenzungsstrom (IF) empfängt und wobei an einem Ausgang der Vorstrom (IBIAS) geliefert wird, wobei der Vorstrom (IBIAS) mit der Differenz zwischen dem Referenzstrom (IREF) und dem Begrenzungsstrom (IF) korreliert ist.
Frequenzumsetzer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzungsstrom (IF) proportional zum Stromreguliersignal (VINT) ist.
Frequenzumsetzer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrom (IREF) konstant ist.
Verfahren der Frequenzumsetzung für einen Gleichspannungsschaltwandler (70) des Typs, welcher als ein Spannungsregler und als ein Batterieladegerät arbeitet, welches die Schritte aufweist: a) Erzeugen eines ersten Signals (VFB), welches mit einem gegenwärtigen Wert einer Ausgangsspannung (VOUT) des Spannungswandlers (70) korreliert; b) Erzeugen eines zweiten Signals (VREF), welches mit einem Normalwert der Ausgangsspannung (VOUT) korreliert; c) Erzeugen eines Vergleichssignals (VC), welches ein periodisches Muster mit regulierbarer Frequenz aufweist; d) Regeln der Frequenz des Vergleichssignals (VC) entsprechend den ersten und zweiten Signalen (VFB, VREF); dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d) die Schritte aufweist: d1) Detektieren eines Strombegrenzungs-Betriebszustands des Gleichspannungswandlers (70); und d2) Regeln der Frequenz des Vergleichssignals (VC) entsprechend den ersten und zweiten Signalen (VFB, VREF) nur dann, wenn der Spannungswandler (70) in dem Strombegrenzungszustand arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d2) den Schritt aufweist: d21) Reduzieren der Frequenz des Vergleichssignals (VC) proportional zur Differenz zwischen den ersten und zweiten Signalen (VFB, VREF) nur dann, wenn der Gleichspannungswandler (70) in dem Strombegrenzungszustand arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d2) ferner die Schritte aufweist: d22) Erzeugen eines Stromreguliersignals (VINT) durch Integrieren einer Größe, welche mit den ersten und zweiten Signalen (VFB, VREF) und dem begrenzenden Signal (VL) korreliert; d23) Erzeugen eines Referenzstromes (IREF); d24) Erzeugen eines Begrenzungsstromes (IF) entsprechend dem Stromreguliersignal (VINT); d25) Erzeugen eines Vorstromes (IBIAS) entsprechend dem Referenzstrom (IREF) und dem Begrenzungsstrom (IF); und d26) Regeln der Frequenz des Vergleichssignals (VC) entsprechend dem Vorstrom (IBIAS).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d25) den Schritt des Erzeugens des Vorstroms (IBIAS) als eine Funktion der Differenz zwischen dem Referenzstrom (IREF) und dem Begrenzungsstrom (IF) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d22) den Schritt des Implementierens der folgenden Beziehung aufweist:
wobei VINT das Stromreguliersignal ist, VL das begrenzende Signal ist, VFB das erste Signal ist und VREF das zweite Signal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzungsstrom (IF) proportional zu dem Stromreguliersignal (VINT) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrom (IREF) konstant ist.