WO2022263113A1

WO2022263113A1 - Abwärtsspannungsregler

Info

Publication number: WO2022263113A1
Application number: PCT/EP2022/063909
Authority: WO
Inventors: Ruediger Karner; Ashraf KAMEL; Carsten List; Hartmut Schumacher; Roman VASYLENKO
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2021-06-16
Filing date: 2022-05-23
Publication date: 2022-12-22
Also published as: EP4356504A1; CN117813756A; DE102021206147A1; US20240291373A1; KR20240021958A; JP2024527914A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abwärtsspannungsregler (1) mit einem konfigurierbaren integrierten Schaltkreis (2), welcher eine konfigurierbare Auswerte- und Steuereinheit (10), eine konfigurierbare Ansteuerschaltung (12), eine konfigurierbare Kompensationsschaltung (5) und mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter (T) umfasst, und einer mit Anschlüssen des integrierten Schaltkreises (2) elektrisch verbundenen externen Beschaltung (14) mit verschiedenen Komponenten, wobei ein Rückkoppelsignal (Vrück), welches eine an einem Ausgang (A) des integrierten Schaltkreises (2) abgreifbare Ausgangsspannung (Vout) repräsentiert, an die Auswerte- und Steuereinheit (10) zurückgeführt ist, welche ausgeführt ist, basierend auf dem Rückkoppelsignal (Vrück) in Kombination mit der Ansteuerschaltung (12) mindestens ein Schaltsignal zu erzeugen und an den mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter (T) auszugeben, so dass ein geschlossener Regelkreis zur Regelung der Ausgangsspannung (Vout) aus einer an einem Eingang (E) des integrierten Schaltkreises (2) anliegenden Eingangsspannung (Vin) entsteht, welche maximal den Spannungspegel der Eingangsspannung (Vin) aufweist, wobei der integrierte Schaltkreis (2) in Kombination mit der elektrisch verbundenen externen Beschaltung (14) und in Abhängigkeit von der Konfiguration der Auswerte- und Steuereinheit (10) und von der Konfiguration der Ansteuerschaltung (12) und von der Konfiguration der Kompensationsschaltung (5) in einer ersten Konfiguration als Linearregler (2A) oder in einer zweiten Konfiguration als Abwärtsschaltwandler (2B) wirkt.

Description

Beschreibung

Titel

Abwärtsspannungsregler

Die Erfindung betrifft einen Abwärtsspannungsregler mit einem integrierten Schaltkreis, welcher beispielsweise in einem Fahrzeugsystem zur Erzeugung von internen Systemspannungen eingesetzt werden kann.

Aktuelle Steuergeräte für Airbagsysteme nutzen mehrere interne Versorgungs spannungen, welche innerhalb des Steuergeräts von einer integrierten Energie versorgung erzeugt werden. Dabei werden Spannungsregler eingesetzt, welche beispielswiese als Aufwärtsschaltwandler (Boost), Abwärtsschaltwandler (Buck) und/oder Linearregler (LDO: Low Drop-Out) ausgeführt sein können. Als Ab wärtsspannungsregler können Linearregler für Kleinspannungen, beispielsweise im Bereich von 2 bis 5V, o.ä., mit geringen Ausgangsleistungen von unter 500mW verwendet werden. Ihr simples Design ermöglicht eine kostengünstige Schaltung mit einer einfachen Regelung ohne Spulen und Dioden. Der Wirkungs grad ist jedoch niedrig. Bei höheren Ausgangsleistungen von über 700mW kön nen Abwartsschaltwandler als Abwärtsspannungsregler eingesetzt werden.

Diese ermöglichen mit zum Teil sehr hohen Wirkungsgraden von über 90% hoch effiziente Versorgungslösungen. Ihr relativ komplexes Design mit einer komple xen Regelung, welche zur Kompensation eine Zusatzbeschaltung mit Spulen und Dioden erfordert, macht den Einsatz vergleichsweise teuer. Zudem ist die Rege lung stark von externen Komponenten der Zusatzbeschaltung abhängig. Welcher Abwärtsspannungsregler in welcher Applikation zum Einsatz kommt, muss früh zeitig in der Designphase des Gesamtsystems festgelegt werden, da es maßgeb lichen Einfluss auf das Layout von Leiterplatten, Gesamtverlustleistung, thermi sches Verhalten usw. hat. Eine flexible Anpassung der Abwärtsspannungsregler- varianten in bestehenden Designs, welche beispielsweise eine festgelegte Ge samtarchitektur mit vorhandenem Leiterplattenlayout vorgeben, ist derzeit nicht durch einfache Bestückungs- und/oder Beschaltungsänderung möglich. Eine Skalierung der Ausgangsleistung des Abwärtsspannungsreglers in Abhängigkeit von der Systemgröße und/oder von der Systemfunktionalität ist somit nicht reali sierbar. Die Festlegung auf einen Schaltwandler oder einen Linearregler als Ab wärtsspannungsregler wird in Abhängigkeit von der Systemanforderung festge legt und kann dann nicht mehr geändert werden.

Hoher Kostendruck im Bereich der Fahrzeugelektronik führen u.a. dazu, dass die Dimensionierung der elektrischen Schaltungen sehr stark an den spezifischen Anwendungsfall angepasst ist und nur wenig „Reserve“ im Sinne von höherer Leistungsfähigkeit vorgehalten wird. Für aktuelle Steuergeräte von Airbagsyste men bedeutet dies beispielweise, dass die Schaltungen zur Spannungsversor gung des Systems sehr stark auf die festgelegte Lastsituationen begrenzt sind.

Offenbarung der Erfindung

Der Abwärtsspannungsregler mit den Merkmalen des unabhängigen Patentan spruchs 1 hat den Vorteil, dass eine flexible Anpassung des Abwärtsspannungs reglers an die Leistungsanforderungen am Ausgang des integrierten Schaltkrei ses ermöglicht und dabei die Systemkosten und der Änderungsaufwand so ge ring wie möglich gehalten wird. Somit ist eine sehr gute Skalierbarkeit einer kor respondierenden internen Energieversorgung für ein Steuergerät und des Ge samtsystems auf einfachste Weise möglich.

Zusammenfassend wird ein Abwärtsspannungsregler mit einem integrierten Schaltkreis bereitgestellt, welcher sowohl als Abwärtsschaltwandler als auch als Linearregler arbeiten kann. Dabei ist der integrierte Schaltkreis so gestaltet, dass durch einfache Anpassung der Komponenten der externen Beschaltung und ei ner entsprechenden Konfiguration des integrierten Schaltkreises, beispielsweise durch Programmierung, Pin-Codierung, o.ä., sowohl die Funktion eines Linear reglers, als auch die Funktion eines Abwärtsschaltwandlers realisiert werden kann. Es ist somit kostengünstig und mit derselben Systemarchitektur (Hard ware-Schaltung, Leiterplatte) möglich, die Leistungsfähigkeit der korrespondie renden internen Energieversorgung sehr einfach zu erweitern. So können „kleine“ Systeme, bei welchen der Abwärtsspannungsregler eine geringe Aus gangsleistung unter 500mW zur Verfügung stellt, den integrierten Schaltkreis als Linearregler betreiben, welcher nur mit einem Stabilisierungskondensator extern beschältet ist. „Große“ Systeme, bei welchen der Abwärtsspannungsregler eine hohe Ausgangsleistung von über 700mW zur Verfügung stellt, betreiben den in tegrierten Schaltkreis als leistungsfähigeren Abwärtsschaltwandler, welcher zu sätzlich zum Stabilisierungskondensator mit einer Spule und einer Diode extern beschältet ist. Dabei ist das Design der Bestandteile des integrierten Schaltkrei ses so gewählt, dass auch im Betrieb als Linearregler ein hoher Kostenvorteil er halten bleibt.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Abwärtsspannungs regler mit einem konfigurierbaren integrierten Schaltkreis, welcher eine konfigu rierbare Auswerte- und Steuereinheit, eine konfigurierbare Ansteuerschaltung, eine konfigurierbare Kompensationsschaltung und mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter umfasst, und einer mit Anschlüssen des integrierten Schaltkrei ses elektrisch verbundenen externen Beschaltung mit verschiedenen Komponen ten zur Verfügung. Ein Rückkoppelsignal, welches eine an einem Ausgang des integrierten Schaltkreises abgreifbare Ausgangsspannung repräsentiert, ist an die Auswerte- und Steuereinheit zurückgeführt, welche ausgeführt ist, basierend auf dem Rückkoppelsignal in Kombination mit der Ansteuerschaltung mindestens ein Schaltsignal zu erzeugen und an den mindestens einen steuerbaren Halb leiterschalter auszugeben, so dass ein geschlossener Regelkreis zur Regelung der Ausgangsspannung aus einer an einem Eingang des integrierten Schaltkrei ses anliegenden Eingangsspannung entsteht, welche maximal den Spannungs pegel der Eingangsspannung aufweist. Der integrierte Schaltkreis wirkt in Kombi nation mit der elektrisch verbundenen externen Beschaltung und in Abhängigkeit von der Konfiguration der Auswerte- und Steuereinheit und von der Konfiguration der Ansteuerschaltung und von der Konfiguration der Kompensationsschaltung in einer ersten Konfiguration als Linearregler oder in einer zweiten Konfiguration als Abwärtsschaltwandler.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine deutlich grö ßere Skalierbarkeit der korrespondierenden internen Energieversorgung des Steuergeräts, so dass ein weiter Bereich an Ausgangslasten und/oder Ausgangs leitungen mit demselben integrierten Schaltkreis abgedeckt werden kann. Erfor derliche Anpassungen in der elektrischen Schaltung des Abwärtsspannungsreg lers und im Leiterplattenlayout beschränken sich dabei auf ein Minimum. Typi scherweise wird für den Betrieb als Abwärtsschaltwandler lediglich eine Induktivi tät bzw. Speicherdrossel oder Spule und eine Freilaufdiode in der bestehenden externen Beschaltung für den Betrieb als Linearregler ergänzt, welche bereits im Leiterplattenlayout vorgehalten wurden. Der integrierte Schaltkreis selbst wird durch eine Änderung der Konfiguration seiner Bestandteile vom Betrieb als Line arregler in den Betrieb als Abwärtsschaltwandler umgeschaltet. Die Konfiguration der Auswerte- und Steuereinheit und/oder der Ansteuerschaltung und/oder der Kompensationsschaltung als Bestandteile des integrierten Schaltkreises kann beispielsweise vor oder während einer ersten Inbetriebnahme des integrierten Schaltkreises beispielsweise über eine Pin-Codierung oder eine werkseitige Pro grammierung oder eine systemseitige Programmierung, beispielsweise per SPI durch einen Mikrocontroller des Steuergeräts oder durch Einlesen eines externen Speichers, wie beispielsweise eines EEPROMs erfolgen. Die Ausgangsleistung des Abwärtsspannungsreglers kann je nach konkreter Ausführung des integrier ten Schaltkreises und der externen Beschaltung sehr leicht, beispielsweise um einen Faktor von 3 bis 4 variiert werden. So kann beispielsweise ein Ab wärtsspannungsregler realisiert werden, welcher im Betrieb als Linearregler eine Ausgangsspannung von 3.3V aus einer Eingangsspannung von 6.7V mit einem durchschnittlichen Strom von 200mA liefert. Im Betrieb als Abwärtsschaltwandler kann der gleiche integrierte Schaltkreis die Ausgangsspannung von 3.3V mit ei nem durchschnittlichen Strom von 600mA bereitstellen. Im Gesamtsystem kann man somit sehr leicht zusätzliche Verbraucher, wie beispielsweise weitere Sen soren, leistungsfähigere Mikrocontroller, Kommunikationsschnittstellen, in der vorhandenen Architektur der internen Energieversorgung ergänzen. Es müssen keine neuen integrierten Schaltkreise hinzugefügt werden, sondern es ist ausrei chend, den aktuellen integrierten Schaltkreis von dem Betrieb als Linearregler in den Betrieb als Abwärtsschaltwandler umzusetzen und die erforderlichen passi ven Bauteile der externen Beschaltung zu ergänzen. Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend eine elektrische Schal tung verstanden werden, welche beispielsweise in einem Steuergerät, insbeson dere in einem Airbagsteuergerät, eingesetzt werden kann. Die Auswerte- und Steuereinheit empfängt das Rückkoppelsignal und wertet dieses aus, um die An steuerschaltung des mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalters entspre chend zu aktivieren oder zu deaktivieren. Hierzu kann die Auswerte- und Steuer einheit mindestens eine korrespondierende Schnittstelle aufweisen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiter bildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentan spruch 1 angegebenen Abwärtsspannungsreglers möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass die externe Beschaltung in der ersten Konfigura tion des integrierten Schaltkreises als Linearregler eine Kurzschlussbrücke und einen Kondensator als Komponenten umfassen kann. Hierbei kann die Kurz schlussbrücke einen Knoten des integrierten Schaltkreises, an welchem eine High-Side-Spannung abgreifbar ist, mit einem Ausgang des integrierten Schalt kreises verbinden, an welchem die Ausgangsspannung abgreifbar ist. Der Kon densator kann zwischen dem Ausgang des integrierten Schaltkreises und einem Bezugspotential eingeschleift sein und die Ausgangsspannung über der ange schlossen Last stabilisieren. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung des Abwärtsspannungsreglers mit einem als Linearregler wirkenden integrierten Schaltkreis.

In vorteilhafter Ausgestaltung des Abwärtsspannungsreglers kann die externe Beschaltung in der zweiten Konfiguration des integrierten Schaltkreises als Ab wärtsschaltwandler eine Induktivität, eine Diode und einen Kondensator als Kom ponenten umfassen. Hierbei kann die Induktivität alternativ zur Kurzschlussbrü cke den Knoten des integrierten Schaltkreises, an welchem die High-Side-Span- nung abgreifbar ist, mit dem Ausgang des integrierten Schaltkreises verbinden, an welchem die Ausgangsspannung abgreifbar ist. Die Diode kann zwischen dem Knoten des integrierten Schaltkreises und dem Bezugspotential einge schleift sein und als Freilaufdiode wirken. Der Kondensator kann analog zum Be trieb des integrierten Schaltkreises als Linearregler zwischen dem Ausgang des integrierten Schaltkreis und dem Bezugspotential eingeschleift sein. Dies ermög licht eine einfache Implementierung des Abwärtsspannungsreglers mit einem als Abwärtsschaltwandler wirkenden integrierten Schaltkreis.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Abwärtsspannungsreglers kann die Auswerte- und Steuereinheit in der ersten Konfiguration des integrierten Schalt kreises als Linearregler als Differenzverstärker wirken, welcher das Rückkoppel signal mit einem Referenzsignal vergleicht und in Kombination mit der Ansteuer schaltung, welche in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises als Linearregler als Treiberschaltung wirken kann, das Ansteuersignal für den min destens einen Halbleiterschalter erzeugen kann. Hierbei kann die Kompensati onsschaltung in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises als Line arregler keine Funktion haben.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Abwärtsspannungsreglers kann die Auswerte- und Steuereinheit in der zweiten Konfiguration des integrierten Schalt kreises als Abwärtsschaltwandler als Komparator wirken, welcher das Rückkop pelsignal mit einem Referenzsignal vergleicht und in Kombination mit der Ansteu erschaltung, welche in der zweiten Konfiguration des integrierten Schaltkreises als Abwärtsschaltwandler als PWM-Modulator (PWM: Pulsweitenmodulation) und Treiberschaltung wirken kann, das mindestens eine Schaltsignal für den mindes tens einen steuerbaren Halbleiterschalter erzeugen kann. Hierbei kann die Kom pensationsschaltung in der zweiten Konfiguration des integrierten Schaltkreises als Abwärtsschaltwandler die Auswerte- und Steuereinheit bei der Erzeugung des mindestens einen Schaltsignals stabilisieren. Zudem kann die Auswerte- und Steuereinheit ein erstes Signal an den PWM-Modulator der Ansteuerschaltung ausgeben, wenn das Rückkoppelsignal kleiner als das Referenzsignal ist, und ein zweites Signal an den PWM-Modulator der Ansteuerschaltung ausgeben, wenn das Rückkoppelsignal größer als das Referenzsignal ist. Der PWM- Modulator der Ansteuerschaltung kann dann in Kombination mit der Treiberschal tung basierend auf dem ersten Signal das mindestens eine Schaltsignal dahinge hend verändern, dass sich die Ausgangsspannung vergrößert, oder basierend auf dem zweiten Signal das mindestens eine Schaltsignal dahingehend verän dern, dass sich die Ausgangsspannung verkleinert. Da das mindestens eine Schaltsignal als PWM-Signal (Pulsweitenmodulationssignal) erzeugt wird, ist eine die Regelung der Auswärtsspannung mit einem hohen Wirkungsgrad möglich.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Abwärtsspannungsreglers kann eine Stromsensorschaltung ausgeführt sein, einen Wert eines durch den mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter fließenden Stroms zu erfassen und ein kor respondierendes Messsignal an die Auswerte- und Steuereinheit auszugeben, welche ausgeführt ist, den erfassten Wert des durch den mindestens einen steu erbaren Halbleiterschalter fließenden Stroms bei der Erzeugung des mindestens einen Schaltsignals für den mindestens einen Halbleiterschalter zu berücksichti gen. Dadurch ist es möglich, die gewünschte Ausgangsspannung genauer einzu stellen. Zudem kann der mindestens eine Halbleiterschalter abgeschaltet wer den, wenn der erfasse Stromwert zu groß wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Abwärtsspannungsreglers kann die Ausgangsspannung oder ein Anteil der Ausgangsspannung als Rückkoppelsignal zurückgeführt werden. So kann die Ausgangsspannung beispielsweise in Form einer direkten Verbindung an einen korrespondierenden Anschluss des integrier ten Schaltkreises angelegt werden. Alternativ kann die Ausgangsspannung über einen externen oder internen Spannungsteiler zurückgeführt werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Abwärtsspannungsreglers kann eine Dimensionierung des mindestens einen Halbleiterschalters an die Stromanforde rungen und/oder Dropout-Spannungsanforderungen des Linearregler in der ers ten Konfiguration des integrierten Schaltkreises angepasst sein. So kann bei spielsweise eine Layoutfläche und ein Durchgangswiderstand des mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalters an die Stromanforderungen und/oder Drop out-Spannungsanforderungen des Linearreglers in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises angepasst sein. Im Betrieb des integrierten Schaltkrei ses als Abwärtsschaltwandlers kann mit dem gleichen mindestens einen steuer baren Halbleiterschalter aufgrund der Taktung (eingestelltes Puls-Pausen-Ver- hältnis) des als PWM-Signals angelegten Schaltsignals eine deutlich höhere Aus gangsleistung erreicht werden. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Abwärtsspannungsreglers kann ein Layout des Abwärtsspannungswandlers Kontaktierungsstellen für die verschiede nen Komponenten der externen Beschaltung des integrierten Schaltkreises Vor halten. Dadurch ist eine schnelle Änderung der zwischen der ersten Konfigurie rung des integrierten Schaltkreises als Linearregler und der zweiten Konfigura tion des integrierten Schaltkreises als Abwärtsschaltwandler möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen be zeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abwärtsspannungsreglers mit einem integrierten Schalt kreis, welcher als Linearregler wirkt.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Ab wärtsspannungsreglers mit einem integrierten Schaltkreis, welcher als Abwärts schaltwandler wirkt.

Ausführungsformen der Erfindung

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abwärtsspannungsreglers 1 einen konfigurierbaren integrierten Schaltkreis 2, welcher eine konfigurierbare Auswerte- und Steuerein heit 10, eine konfigurierbare Ansteuerschaltung 12, eine konfigurierbare Kom pensationsschaltung 5 und mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter T umfasst, und eine mit Anschlüssen des integrierten Schaltkreises 2 elektrisch verbundene externe Beschaltung 14 mit verschiedenen Komponenten. Hierbei ist ein Rückkoppelsignal Vrück, welches eine an einem Ausgang A des integrierten Schaltkreises 2 abgreifbare Ausgangsspannung Vout repräsentiert, an die Aus- werte- und Steuereinheit 10 zurückgeführt. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 erzeugt basierend auf dem Rückkoppelsignal Vrück in Kombination mit der An steuerschaltung 12 mindestens ein Schaltsignal, welches an den mindestens ei nen steuerbaren Halbleiterschalter T ausgegeben wird, so dass ein geschlosse ner Regelkreis zur Regelung der Ausgangsspannung Vout aus einer an einem Eingang E des integrierten Schaltkreises 2 anliegenden Eingangsspannung Vin entsteht, welche maximal den Spannungspegel der Eingangsspannung Vin auf weist. Der integrierte Schaltkreis 2 wirkt in Kombination mit der elektrisch verbun denen externen Beschaltung 14 und in Abhängigkeit von der Konfiguration der Auswerte- und Steuereinheit 10 und von der Konfiguration der Ansteuerschaltung 12 und von der Konfiguration der Kompensationsschaltung 5 in einer in Fig. 1 dargestellten ersten Konfiguration als Linearregler 2A oder in einer in Fig. 2 dar gestellten zweiten Konfiguration als Abwärtsschaltwandler 2B.

Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfasst der integrierte Schaltkreis 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel nur einen als PMOSFET ausgeführten steuer baren Halbleiterschalter T. Selbstverständlich können auch andere geeignete elektrische Bauteile als steuerbarer Halbleiterschalter 1 verwendet werden. Zu dem ist der Ausgang A des integrierten Schaltkreises 2 mit einer Last RL belas tet, welche hier als ohmscher Widerstand dargestellt ist. Selbstverständlich sind auch induktive oder kapazitive Lasten oder beliebige Mischformen von induktiven oder kapazitiven oder ohmschen Lasten vorstellbar. Zudem umfasst die externen Beschaltung 14 unabhängig von der Betriebsart des integrierten Schaltkreises 2 einen Kondensator C zur Stabilisierung der Ausgangsspannung Vout.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, umfasst die externe Beschaltung 14A in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises 2 als Linearregler 2A zusätzli che eine Kurzschlussbrücke KB. Die Kurzschlussbrücke KB verbindet einen Kno ten K des integrierten Schaltkreises 2, an welchem eine High-Side-Spannung VHS abgreifbar ist, mit einem Ausgang A des integrierten Schaltkreises 2, an welchem die Ausgangsspannung Vout abgreifbar ist. Der Kondensator C ist zwi schen dem Ausgang A des integrierten Schaltkreises 2 und einem Bezugspoten tial eingeschleift.

Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die externe Beschaltung 14B in der zweiten Konfiguration des integrierten Schaltkreises 2 als Abwärtsschaltwandler 2B zusätzlich eine Induktivität L und eine Diode D. Die Induktivität L verbindet den Knoten K des integrierten Schaltkreises 2, an welchem die High-Side-Span- nung VHS abgreifbar ist, mit dem Ausgang A des integrierten Schaltkreises 2, an welchem die Ausgangsspannung Vout abgreifbar ist. Die Diode D wirkt als Frei laufdiode und ist zwischen dem Knoten K des integrierten Schaltkreises 2 und einem Bezugspotential eingeschleift. Der Kondensator C ist zwischen dem Aus gang A des integrierten Schaltkreises 2 und dem Bezugspotential eingeschleift. Durch die gepunktete Darstellung der Induktivität L und der Diode D in Fig. 1 und des Kurzschlussbügels KB in Fig. 2 soll angedeutet werden, dass ein Layout des dargestellten Abwärtsspannungswandlers 1 Kontaktierungsstellen für die ver schiedenen Komponenten der externen Beschaltung 14 des integrierten Schalt kreises 2 vorhält.

Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die Ansteuerschaltung 12 im dargestellten Ausführungsbeispiel des Abwärtsspannungsreglers 1 einen PWM- Modulator 3 und eine Treiberschaltung 9. Des Weiteren ist ein Anteil der Aus gangsspannung Vout über einen Spannungsteiler, welcher aus einem ersten Wi derstand RI und einem zweiten Widerstand R2 besteht, als Rückkoppelsignal Vrück an die Auswerte- und Steuereinheit 10 zurückgeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Abwärtsspannungsreglers 1 erfasst eine Stromsensor schaltung 7, welche einen Messwiderstand Rs bzw. Shunt umfasst, einen Wert eines durch den steuerbaren Halbleiterschalter T fließenden Stroms und gibt ein korrespondierendes Messsignal an die Auswerte- und Steuereinheit 10 aus. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 berücksichtigt den erfassten Wert des durch den steuerbaren Halbleiterschalter T fließenden Stroms bei der Erzeugung des min destens einen Schaltsignals für den Halbleiterschalter T. Eine Dimensionierung des steuerbaren Halbleiterschalters T, wie beispielsweise eine Layoutfläche und ein Durchgangswiderstand, ist an die Stromanforderungen und/oder Dropout- Spannungsanforderungen des Linearreglers 2A in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises 2 angepasst.

Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises 2 als Linearregler 2A wirkt die Auswerte- und Steuereinheit 10 als Differenzver stärker, welcher das Rückkoppelsignal Vrück mit einem Referenzsignal Vref ver gleicht und in Kombination mit der Ansteuerschaltung 12, welche in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises 2 als Linearregler 2A nur als Treiber schaltung 9 wirkt, das mindestens eine Schaltsignal für den steuerbaren Halb leiterschalter T erzeugt. Das bedeutet, dass der PWM-Modulator 3 und die Kom pensationsschaltung 5 in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises 2 als Linearregler 2A keine Funktion haben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Referenzsignal Vref ein interner Spannungspegel. Alternativ kann das Re ferenzsignal Vref ein externer Spannungspegel sein, welcher an einen korres pondierenden Referenzsignalanschluss des integrierten Schaltkreises 2 angelegt wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten Konfiguration des integrierten Schaltkrei ses 2 als Abwärtsschaltwandler 2B wirkt die Auswerte- und Steuereinheit 10 als Komparator, welcher das Rückkoppelsignal Vrück mit dem Referenzsignal Vref vergleicht und in Kombination mit der Ansteuerschaltung 12, welche in der zwei ten Konfiguration des integrierten Schaltkreises 2 als Abwärtsschaltwandler 2B als PWM-Modulator 3 und Treiberschaltung 9 wirkt, das mindestens eine Schalt signal für den steuerbaren Halbleiterschalter T erzeugt. Hierbei ist das mindes tens eine Schaltsignal ein PWM-Signal mit einem eingestellten Puls-Pausen-Ver- hältnis. Zur Erzeugung des PWM-Signals ist ein internes Taktsignal CLK an den PWM-Modulator 3 angelegt. Aufgrund der Taktung des mindestens einen Schalt signals kann in der zweiten Konfiguration des integrierten Schaltkreises 2 als Ab wärtsschaltwandler 2B mit dem gleichen Halbeiterschalter T eine deutlich höhere Ausgangsleistung erreicht werden als in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises 2 als Linearregler 2A. Die Kompensationsschaltung 5 stabilisiert in der zweiten Konfiguration des integrierten Schaltkreises 2 als Abwärtsschalt wandler 2B die Auswerte- und Steuereinheit 10 bei der Erzeugung des mindes tens einen Schaltsignals. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 gibt ein erstes Sig nal an den PWM-Modulator 3 der Ansteuerschaltung 12 aus, wenn das Rückkop pelsignal Vrück kleiner als das Referenzsignal Vref ist, und gibt ein zweites Sig nal an den PWM-Modulator 3 der Ansteuerschaltung 12 aus, wenn das Rückkop pelsignal Vrück größer als das Referenzsignal Vref ist. Daher verändert der PWM-Modulator 3 der Ansteuerschaltung 12 in Kombination mit der Treiber schaltung 9 das mindestens eine Schaltsignal basierend auf dem ersten Signal dahingehend, dass sich die Ausgangsspannung Vout vergrößert, oder basierend auf dem zweiten Signal, dass sich die Ausgangsspannung Vout verkleinert. Die Veränderungen werden durch eine entsprechende Änderung des Puls-Pausen- Verhältnisse des PWM-Signals erreicht.

Der integrierte Schaltkreis 2 selbst wird durch eine Änderung der Konfiguration seiner Bestandteile vom Betrieb als Linearregler 2A in den Betrieb als Abwärts schaltwandler 2B umgeschaltet. Durch unterschiedliche Konfigurationen der Aus- werte- und Steuereinheit 10 und/oder der Ansteuerschaltung 12 und/oder der Kompensationsschaltung 5 und/oder durch unterschiedliche Spannungspegel des Referenzsignals Vref kann der jeweilige Abwärtsspannungsregler 1 an ver- schiedene Anforderungen bezüglich des Pegels und der Genauigkeit der Aus gangsspannung Vout abgepasst werden. Die Konfiguration der Auswerte- und Steuereinheit 10 und/oder der Ansteuerschaltung 12 und/oder der Kompensati onsschaltung 5 als Bestandteile des integrierten Schaltkreises 2 kann beispiels weise vor oder während einer ersten Inbetriebnahme des integrierten Schaltkrei- ses 2 beispielsweise über eine Pin-Codierung oder eine werkseitige Programmie rung oder eine systemseitige Programmierung, beispielsweise per SPI durch ei nen Mikrocontroller des Steuergeräts oder durch Einlesen eines externen Spei chers, wie beispielsweise eines EEPROMs erfolgen.

Claims

Ansprüche

1. Abwärtsspannungsregler (1) mit einem konfigurierbaren integrierten Schaltkreis (2), welcher eine konfigurierbare Auswerte- und Steuerein heit (10), eine konfigurierbare Ansteuerschaltung (12), eine konfigurier bare Kompensationsschaltung (5) und mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter (T) umfasst, und einer mit Anschlüssen des integrier ten Schaltkreises (2) elektrisch verbundenen externen Beschaltung (14) mit verschiedenen Komponenten, wobei ein Rückkoppelsignal (Vrück), welches eine an einem Ausgang (A) des integrierten Schaltkreises (2) abgreifbare Ausgangsspannung (Vout) repräsentiert, an die Auswerte- und Steuereinheit (10) zurückgeführt ist, welche ausgeführt ist, basie rend auf dem Rückkoppelsignal (Vrück) in Kombination mit der Ansteu erschaltung (12) mindestens ein Schaltsignal zu erzeugen und an den mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter (T) auszugeben, so dass ein geschlossener Regelkreis zur Regelung der Ausgangsspan nung (Vout) aus einer an einem Eingang (E) des integrierten Schaltkrei ses (2) anliegenden Eingangsspannung (Vin) entsteht, welche maximal den Spannungspegel der Eingangsspannung (Vin) aufweist, wobei der integrierte Schaltkreis (2) in Kombination mit der elektrisch verbundenen externen Beschaltung (14) und in Abhängigkeit von der Konfiguration der Auswerte- und Steuereinheit (10) und von der Konfiguration der An steuerschaltung (12) und von der Konfiguration der Kompensations schaltung (5) in einer ersten Konfiguration als Linearregler (2A) oder in einer zweiten Konfiguration als Abwärtsschaltwandler (2B) wirkt.

2. Abwärtsspannungsregler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Beschaltung (14) in der ersten Konfiguration des inte grierten Schaltkreises (2) als Linearregler (2A) eine Kurzschlussbrücke (KB) und einen Kondensator (C) als Komponenten umfasst.

3. Abwärtsspannungsregler (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussbrücke (KB) einen Knoten (K) des integrierten Schaltkreises (2), an welchem eine High-Side-Spannung (VHS) abgreif bar ist, mit einem Ausgang (A) des integrierten Schaltkreises (2) verbin det, an welchem die Ausgangsspannung (Vout) abgreifbar ist, wobei der Kondensator (C) zwischen dem Ausgang (A) des integrierten Schaltkrei ses (2) und einem Bezugspotential eingeschleift ist.

4. Abwärtsspannungsregler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Beschaltung (14) in der zweiten Konfiguration des inte grierten Schaltkreises (2) als Abwärtsschaltwandler (2B) eine Induktivität (L), eine Diode (D) und einen Kondensator (C) als Komponenten um fasst.

5. Abwärtsspannungsregler (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (L) einen Knoten (K) des integrierten Schaltkreises (2), an welchem eine High-Side-Spannung (VHS) abgreifbar ist, mit ei nem Ausgang (A) des integrierten Schaltkreises (2) verbindet, an wel chem die Ausgangsspannung (Vout) abgreifbar ist, wobei die Diode (D) zwischen dem Knoten (K) des integrierten Schaltkreises (2) und einem Bezugspotential eingeschleift ist, und wobei der Kondensator (C) zwi schen dem Ausgang (A) des integrierten Schaltkreises (2) und dem Be zugspotential eingeschleift ist.

6. Abwärtsspannungsregler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises (2) als Linearregler (2A) als Differenzverstärker wirkt, welcher das Rückkoppelsignal (Vrück) mit ei nem Referenzsignal (Vref) vergleicht und in Kombination mit der Ansteu erschaltung (12), welche in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises (2) als Linearregler (2A) als Treiberschaltung (9) wirkt, das mindestens eine Schaltsignal für den mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter (T) erzeugt, wobei die Kompensationsschaltung (5) in der ersten Konfiguration des integrierten Schaltkreises (2) als Linearreg ler (2A) keine Funktion hat.

7. Abwärtsspannungsregler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) in der zwei ten Konfiguration des integrierten Schaltkreises (2) als Abwärtsschalt wandler (2B) als Komparator wirkt, welcher das Rückkoppelsignal (Vrück) mit einem Referenzsignal (Vref) vergleicht und in Kombination mit der Ansteuerschaltung (12), welche in der zweiten Konfiguration des integrierten Schaltkreises (2) als Abwärtsschaltwandler (2B) als PWM- Modulator (3) und Treiberschaltung (9) wirkt, das mindestens eine Schaltsignal für den mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter (T) erzeugt, wobei die Kompensationsschaltung (5) in der zweiten Konfigu ration des integrierten Schaltkreises (2) als Abwärtsschaltwandler (2B) die Auswerte- und Steuereinheit (10) bei der Erzeugung des mindestens einen Schaltsignals stabilisiert.

8. Abwärtsspannungsregler (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) ein erstes Signal an den PWM-Modulator (3) der Ansteuerschaltung (12) ausgibt, wenn das Rückkoppelsignal (Vrück) kleiner als das Referenzsignal (Vref) ist, und ein zweites Signal an den PWM-Modulator (3) der Ansteuerschaltung (12) ausgibt, wenn das Rückkoppelsignal (Vrück) größer als das Refe renzsignal (Vref) ist.

9. Abwärtsspannungsregler (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM-Modulator (3) der Ansteuerschaltung (12) in Kombination mit der Treiberschaltung (9) basierend auf dem ersten Signal das min destens eine Schaltsignal dahingehend verändert, dass sich die Aus gangsspannung (Vout) vergrößert, oder basierend auf dem zweiten Sig nal das mindestens eine Schaltsignal dahingehend verändert, dass sich die Ausgangsspannung (Vout) verkleinert.

10. Abwärtsspannungsregler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromsensorschaltung (7) ausgeführt ist, ei nen Wert eines durch den mindestens einen steuerbaren Halbleiter schalter (T) fließenden Stroms zu erfassen und ein korrespondierendes Messsignal an die Auswerte- und Steuereinheit (10) auszugeben, wel che ausgeführt ist, den erfassten Wert des durch den mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter (T) fließenden Stroms bei der Erzeugung des mindestens einen Schaltsignals für den mindestens einen Halbleiter- Schalter (T) zu berücksichtigen.

11. Abwärtsspannungsregler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (Vout) oder ein Anteil der Ausgangsspannung (Vout) als Rückkoppelsignal (Vrück) zu- rückgeführt ist.

12. Abwärtsspannungsregler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dimensionierung des mindestens einen Halbleiterschalters (T) an die Stromanforderungen und/oder Drop- out-Spannungsanforderungen des Linearreglers (2A) in der ersten Konfi guration des integrierten Schaltkreises (2) angepasst sind.

13. Abwärtsspannungsregler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Layout des Abwärtsspannungswand- lers (1) Kontaktierungsstellen für die verschiedenen Komponenten der externen Beschaltung (14) des integrierten Schaltkreises (2) vorhält.