DE10154814A1

DE10154814A1 - Gleichspannungswandler mit Laststrom-Detektor

Info

Publication number: DE10154814A1
Application number: DE10154814A
Authority: DE
Inventors: Bernardon Derek
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2003-05-22

Abstract

Ein Gleichspannungswandler (4) umfasst einen Transistor (T1), dessen Drain-Source-Strecke von einem von einer Eingangsspannung (VIN) abhängigen Strom (IT1) gespeist wird, eine Speicherdrossel (L), an welcher eine Ausgangsspannung (VOUT) abgreifbar ist, eine erste Einrichtung (2) zur Steuerung des Gate-Potentials des Transistors (T1), eine zweite Einrichtung (6) zur Messung des durch den Transistor (T1) fließenden Stroms (IT1) in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Transistors (T1) und ein Mittel (7) zum Einstellen des Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom (IT1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, welcher zur Abwärtswandlung einer Gleichspannung verwendet wird.
Jedes elektronische Gerät benötigt eine Stromversorgung, die im Allgemeinen eine Gleichspannung liefern muss. Da bei höherem Leistungsbedarf des elektronischen Geräts Batterien unwirtschaftlich sind, wird die benötigte Gleichspannung in Netzteilen durch Transformation und Gleichrichten einer Netzspannung erzeugt. Die so gewonnene Gleichspannung weist häufig eine beträchtliche Welligkeit auf und ändert sich zudem bei Schwankungen der Netzspannung, des Laststroms und der Temperatur. Daher wird in der Regel die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung nicht direkt als Versorgungsspannung für elektronische Schaltkreise verwendet, sondern zuvor noch einem Gleichspannungswandler zugeführt, welcher die Schwankungen aus dem Gleichspannungssignal eliminiert.
Ein Gleichspannungswandler weist einen getakteten Schalter auf, durch welchen eine Speicherdrossel zyklisch geladen und entladen wird. Die Ausgangsspannung, die am Ausgang der Speicherdrossel abgreifbar ist, lässt sich aus dem Verhältnis der Zeitintervalle bestimmen, in welchen der Schalter geöffnet bzw. geschlossen ist.

Gleichspannungswandler sind beispielsweise aus dem Abschnitt 16.6.2 "Erzeugung des Schaltsignals" des Buchs "Halbleiter- Schaltungstechnik" von Ulrich Tietze und Christoph Schenk, erschienen im Springer-Verlag, Berlin, 1999, 11. Auflage, Seiten 983-985, bekannt. Dieser Abschnitt wird hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen.

In Fig. 1 ist das Schaltbild eines bekannten Gleichspannungswandlers schematisch dargestellt.

Zur Gleichspannungswandlung einer Eingangsspannung VIN in eine Ausgangsspannung VOUT umfasst der in Fig. 1 dargestellte Gleichspannungswandler 1 MOS-Transistoren T1 und T2, Kondensatoren C1 und C2, eine Speicherdrossel in Form einer Spule L und einen Treiber 2. Der MOS-Transistor T1, welcher ein p- Kanal-MOSFET ist, ist an seinem Source-Anschluss mit der Eingangsspannung VIN beaufschlagt. Durch die Drain-Source- Strecke des MOS-Transistors T1 fließt ein Strom IT1. Der Drain-Anschluss des MOS-Transistors T1 ist mit dem Eingang der Spule L verbunden. Zwischen dem Ausgang der Spule L und dem negativen Pol der Eingangsspannung VIN ist der Kondensator C2 angeordnet. Am Ausgang der Spule L ist die Ausgangsspannung VOUT abgreifbar. Der MOS-Transistor T2 ist mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen den Drain-Anschluss des MOS-Transistors T1 und den negativen Pol der Eingangsspannung VIN geschaltet. Der MOS-Transistor T2 ist ein n-Kanal-MOSFET. Durch seine Drain-Source-Strecke fließt ein Strom IT2. Die Gate-Potentiale der MOS-Transistoren T1 und T2 werden von dem Treiber 2 gesteuert. Der Kondensator C1 ist zwischen die beiden Pole der Eingangsspannung VIN geschaltet. Eine dem Gleichspannungswandler 1 nachgeschaltete Last 3 ist mit der Ausgangsspannung VOUT beaufschlagt. Der Gleichspannungswandler 1 speist die Last 3 mit einem Strom IL.

In einem ersten Schaltzustand der MOS-Transistoren T1 und T2 ist die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T1 durchgeschaltet und die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T2 gesperrt. Der erste Schaltzustand wird durch Beaufschlagung der Gate-Anschlüsse der beiden MOS-Transistoren T1 und T2 mit geeigneten Potentialen durch den Treiber 2 erzeugt. In diesem Schaltzustand fließt durch den MOS-Transistor T1 der von der Eingangsspannung VIN erzeugte Strom IT1 in die Spule L und generiert dort ein Magnetfeld. Sobald die Schaltzustände der MOS-Transistoren T1 und T2 von dem Treiber 2 umgekehrt werden und dadurch ein zweiter Schaltzustand erzeugt wird, bricht das Magnetfeld in der Spule L zusammen und der Strom IT2 fließt durch die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T2. Bei beiden der genannten Schaltzustände fließt der Strom IL durch die Spule L in die Last 3. Zwischen die Spule L und die Last 3 ist ein Tiefpassfilter in Form des Kondensators C2 geschaltet. Der Kondensator C2 bewirkt eine Glättung des Stroms IL.

Der Gleichspannungswandler 1 kann in zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. In einem PWM (pulse width modulation)-Betriebsmodus schaltet der Treiber 2 die MOS- Transistoren T1 und T2 zyklisch zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand hin und her, wobei die Zeitlängen des ersten und des zweiten Schaltzustands vorgegeben sein können oder durch einen Regelkreis gesteuert werden. Die Ausgangsspannung VOUT ist in dem PWM-Betriebsmodus eine Funktion der Eingangsspannung VIN und der Zeitlängen, in denen sich der Gleichspannungswandler 1 jeweils in dem ersten bzw. in dem zweiten Schaltzustand befindet. Jeder Umschaltvorgang zwischen den beiden Schaltzuständen bewirkt eine Energiedissipation, welche durch das Aufbringen bzw. das Abführen von Ladungsmengen auf bzw. von den Gate-Elektroden der MOS- Transistoren T1 und T2 verursacht wird. Dieser Energiedissipationseffekt ist umso größer, je höher die Umschaltfrequenz ist. Zur Minimierung des Energieverbrauchs kann der Gleichspannungswandler 1 bei einem niedrigen Laststrom in einem PFM (pulse frequency modulation)-Betriebsmodus betrieben werden. Der PFM-Betriebsmodus wird beispielsweise aktiviert, falls der Strom IL unter einen vorgegebenen Schwellwert sinkt. Ein niedriger Strom IL zeigt an, dass die Last 3 ihrerseits einen geringeren Energiebedarf aufweist und sich beispielsweise in einem Bereitschaftsbetrieb befindet. In dem PFM-Betriebsmodus ist die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T2 gesperrt. Die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T1 wird solange in einem leitenden Zustand gehalten, bis der Strom IL einen oberen Grenzwert erreicht hat. Bei Erreichen des oberen Grenzwerts wird der MOS-Transistor T1 gesperrt, sodass das Magnetfeld in der Spule L zusammenbricht. Sobald der Strom IL auf einen unteren Grenzwert gesunken ist, wird der MOS- Transistor T1 wieder geöffnet. In dem PFM-Betriebsmodus sind folglich die Zeitlängen der Schaltzustände des MOS- Transistors T1 nicht vorgegeben, sondern sie sind durch die Größe des Stroms IL bestimmt und hängen somit von dem Energiebedarf der Last 3 ab. Dadurch wird die Umschaltfrequenz bei nur kleinen Lastströmen im Vergleich zum PWM- Betriebsmodus erheblich reduziert, wodurch sich letztlich eine verringerte Energiedissipation und ein verringerter Energieverbrauch des Gleichspannungswandlers 1 ergeben.

Gemäß den vorstehenden Ausführungen muss zum Umschalten eines Gleichspannungswandlers von dem PWM- in den PFM-Betriebsmodus die Größe des Laststroms detektiert werden. Eine bekannte Möglichkeit besteht darin, einen Messwiderstand seriell zu der Speicherdrossel anzuordnen und aus dem Spannungsabfall über dem Messwiderstand den Laststrom zu bestimmen. Nachteilig daran ist, dass der zusätzliche Messwiderstand eine weitere Dissipationsquelle darstellt sowie zusätzliche Kosten und zusätzlichen Flächenverbrauch erforderlich macht. Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, zur Ermittlung des Laststroms die über der Speicherdrossel abfallende Spannung zu integrieren, allerdings mit dem Nachteil, dass die dazu notwendigen Widerstände und Kapazitäten in einem integrierten Schaltkreis nur geringe Genauigkeiten aufweisen.

In der den nächstliegenden Stand der Technik darstellenden internationalen Patentanmeldung WO 96/10287 A1 ist ein Gleichspannungswandler beschrieben, der die in Fig. 1 dargestellte Schaltung enthält und in den genannten Betriebsmodi betrieben werden kann. Bei diesem Gleichspannungswandler werden die über den Drain-Source-Strecken der beiden MOS- Transistoren abfallenden Spannungen gemessen, um dadurch zum Zwecke des Umschaltens in den PFM-Betriebsmodus den Zeitpunkt zu detektieren, zu dem der Laststrom einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Für diese Maßnahme ist es erforderlich, dass sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsspannung keine großen Schwankungen aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen weiteren Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher eine Einrichtung aufweist, mit der sich der Zeitpunkt zur Umschaltung zwischen dem PWM- und dem PFM-Betriebsmodus bestimmen lässt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler liegt das Prinzip zugrunde, nach welchem eine Speicherdrossel zyklisch geladen und entladen wird. Dadurch wird eine Eingangsspannung durch Abwärtswandlung in eine kleinere oder gleich große Ausgangsspannung umgewandelt. Der Gleichspannungswandler kann in einem PWM- und in einem PFM-Betriebsmodus betrieben werden und umfasst einen Leistungsschalter mit einem MOS-Transistor, die Speicherdrossel, eine erste Einrichtung, eine zweite Einrichtung und ein Mittel zum Umschalten zwischen den Betriebsmodi. Die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors wird eingangsseitig von einem Strom gespeist, welcher von der Eingangsspannung abhängt. Die Speicherdrossel ist der Drain- Source-Strecke des MOS-Transistors nachgeschaltet. Am Ausgang der Speicherdrossel kann die Ausgangsspannung abgegriffen werden. Die erste Einrichtung dient zur Steuerung des Gate- Potentials des MOS-Transistors. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt darin, dass die zweite Einrichtung den Strom, welcher durch die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors fließt, in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des MOS- Transistors misst. In Abhängigkeit von dem derart gemessenen Strom schaltet das Mittel den Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers gegebenenfalls um.

Ein Vorteil des vorliegenden Gleichspannungswandlers ist, dass bei der Messung des Stroms durch den MOS-Transistor der Schaltzustand des MOS-Transistors berücksichtigt wird. Die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors ist in der Regel nur während des Ladevorgangs der Speicherdrossel leitfähig, nur dann kann also ein Strom fließen. Um aus dem Drain-Source- Strom des MOS-Transistors Rückschlüsse auf den Laststrom des Gleichspannungswandlers ziehen zu können, darf folglich nur der während des Ladevorgangs fließende Strom herangezogen werden. Dieser Ladestrom erlaubt direkte Rückschlüsse auf den Laststrom, den eine dem Gleichspannungswandler nachgeschaltete Last aus der Speicherdrossel zieht. Die Größe des Laststroms kann als Kriterium verwendet werden, um aus den PWM- und PFM-Betriebsmodi den Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers auszuwählen, der zu dem gewählten Zeitpunkt im Hinblick auf den Energiebedarf der Last am günstigsten ist.

Aus den vorstehend genannten Gründen ist es vorteilhaft, die zweite Einrichtung derart auszulegen, dass sie nur bei einer leitenden Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors den durch diese Strecke fließenden Strom misst.

Allerdings ist zu bedenken, dass der Strom durch den MOS- Transistor auch während des Ladevorgangs der Speicherdrossel nicht konstant ist, sondern mit der Zeit ansteigt. Für die Umschaltung zwischen den PWM- und PFM-Betriebsmodi interessiert in erster Linie der Gleichstrom, welcher von der Last benötigt wird. Diesem entspricht der im Durchschnitt durch die durchgeschaltete Drain-Source-Strecke fließende Strom. Daher ist es besonders vorteilhaft, mit der zweiten Einrichtung den durchschnittlichen Drain-Source-Strom zu messen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Speicherdrossel ein Tiefpassfilter nachgeschaltet ist. Das Tiefpassfilter, beispielsweise in Form eines entsprechend angeordneten Kondensators, bewirkt eine Glättung der Ausgangsspannung.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite Einrichtung einen Messwiderstand und eine Spannungsmesseinheit enthält. Dabei ist der Messwiderstand seriell zu der Drain-Source- Strecke des MOS-Transistors geschaltet, und die Spannungsmesseinheit misst die über dem Messwiderstand abfallende Spannung während einer durchgeschalteten Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors. Diese Spannung ist sowohl von der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers als auch von dessen Ausgangsspannung unabhängig. Daher spielen Schwankungen der Eingangs- und Ausgangsspannungen keine bedeutende Rolle. Ferner ist in einem CCM (continuous conduction mode)- Betriebsmodus die über dem Messwiderstand abfallende Spannung direkt proportional zu dem Laststrom. Dadurch liefert die Spannungsmesseinheit ein Signal, das für die Entscheidung zwischen dem PWM- und dem PFM-Betriebsmodus verwendet werden kann. Auch in einem DCM (discontinuous conduction mode)- Betriebsmodus kann die über dem Messwiderstand abfallende Spannung als Entscheidungskriterium für die Wahl zwischen dem PWM- und dem PFM-Betriebsmodus verwendet werden. Zwar weist die Messwiderstandsspannung in dem DCM-Betriebsmodus keine direkte Proportionalität mit dem Laststrom auf, jedoch ist die Abhängigkeit dieser beiden Größen noch groß genug, um anhand der Messwiderstandsspannung die Betriebsmodus- Entscheidung zu treffen.

Eine Anordnung des Messwiderstands vor dem MOS-Transistor ist besonders vorteilhaft, da durch den MOS-Transistor im Mittel etwa nur die Hälfte des durch die Speicherdrossel fließenden Stroms fließt und somit der quadratische Mittelwert des durch den MOS-Transistor fließenden Stroms kleiner ist als der quadratische Mittelwert des durch die Speicherdrossel fließenden Stroms. Daher wird durch die vorliegende Anordnung die von dem Messwiderstand verursachte Energiedissipation minimiert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die zweite Einrichtung einen weiteren Tiefpassfilter, welcher gewährleistet, dass nur niederfrequente Spannungssignale von dem Messwiderstand zu der Spannungsmesseinheit gelangen. Das derart gefilterte Spannungssignal gibt bei einer entsprechend niedrigen Grenzfrequenz des Tiefpassfilters den durchschnittlichen Spannungsabfall über dem Messwiderstand wieder und eignet sich daher besonders für die Bestimmung des optimalen Betriebsmodus.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung einen steuerbaren Schalter enthält, mittels welchem sich die Verbindung zwischen dem Messwiderstand und der Spannungsmesseinheit unterbrechen oder schließen lässt. Vorzugsweise ist der steuerbare Schalter bei einer durchgeschalteten Drain- Source-Strecke des MOS-Transistors geschlossen und bei einer gesperrten Drain-Source-Strecke geöffnet. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass nur während des Ladens der Speicherdrossel der durch den MOS-Transistor fließende Strom gemessen wird.

Vorzugsweise wird die Wahl des Betriebsmodus unter Berücksichtigung des während des Ladens der Speicherdrossel durchschnittlich durch den MOS-Transistor fließenden Stroms getroffen. Bei einer Unterschreitung des durchschnittlichen Ladestroms unter einen vorgegebenen Schwellwert wird der PFM- Betriebsmodus aktiviert, während der Gleichspannungswandler ansonsten im PWM-Betriebsmodus betrieben wird.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann ferner vorteilhafterweise einen weiteren MOS-Transistor aufweisen. Die Drain-Source-Strecke des weiteren MOS-Transistors ist mit einem gemeinsamen Knoten verbunden, welcher den oben bereits genannten MOS-Transistor und die Speicherdrossel verbindet. Dabei ist vorgesehen, dass die Drain-Source-Strecken der beiden MOS-Transistoren stets entgegengesetzte Leitfähigkeitszustände aufweisen. Das bedeutet, dass durch den weiteren MOS- Transistors nur während des Entladevorgangs der Speicherdrossel ein Strom fließt. Vorzugsweise ist der Drain-Source-Kanal des weiteren MOS-Transistors n-dotiert, während der Drain- Source-Kanal des MOS-Transistors p-dotiert ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers sieht vor, dass eine Diode, insbesondere eine Schottky-Diode, zwischen den gemeinsamen Knoten und ein gemeinsames festes Potential, insbesondere eine Masse, geschaltet ist. Die Diode wird bei entsprechender Polung leitend, sobald das Potential an dem gemeinsamen Knoten einen bestimmten Wert unterschreitet. In diesem Fall wird der Strom durch die Speicherdrossel über die Diode abgeführt.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann vorzugsweise auf einem gemeinsamen Substrat als integrierter Schaltkreis hergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Einstellung des Betriebsmodus eines Gleichspannungswandlers, welcher einen Leistungsschalter mit einem MOS-Transistor, eine dem MOS- Transistor nachgeschaltete Speicherdrossel und eine Einrichtung zur Steuerung des Gate-Potentials des MOS-Transistors aufweist. Der Gleichspannungswandler kann in einem PWM- und einem PFM-Betriebsmodus betrieben werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der durch den MOS-Transistor fließende Strom in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des MOS-Transistors gemessen. Anschließend wird der Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom eingestellt.

Der erfindungsgemäß gemessene Strom erlaubt direkte Rückschlüsse auf den von dem Gleichspannungswandler erzeugten Laststrom. Daher kann dieser Strom in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, um den optimalen Betriebsmodus auszuwählen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines bekannten Gleichspannungswandlers;
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers; und
Fig. 3 Diagramme der zeitlichen Verläufe des Laststroms und des Drain-Source-Stroms des MOS-Transistors.
In Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Gleichspannungswandler 4 dargestellt, welcher in vielen Schaltungsteilen dem in Fig. 1 gezeigten Gleichspannungswandler 1 entspricht. Dieselben oder vergleichbare Funktionselemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Gleichspannungswandlern 1 und 4 liegt darin, dass bei dem Gleichspannungswandler 4 dem MOS-Transistor eine Strommesseinheit 6 vorgeschaltet ist. Die Strommesseinheit 6 weist einen Widerstand R1 auf, welcher mit der Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T1 in Reihe geschaltet ist und über welchem eine Spannung VR1 abfällt. Für die Einstellung des Betriebsmodus soll die durchschnittliche Spannung VR1 gemessen werden und zwar nur während des Ladevorgangs der Spule L. Dazu ist parallel zu dem Widerstand R1 ein Tiefpassfilter, welches einen Widerstand R2 und einen Kondensator C3 enthält, angeordnet. Dem Tiefpassfilter ist eine Spannungsmesseinheit 5 nachgeschaltet, welche eingangsseitig von der gefilterten Spannung VR1 gespeist wird. Ferner kann die Verbindung zwischen dem Widerstand R1 und der Spannungsmesseinheit 5 durch einen Schalter S geschlossen oder geöffnet werden. Die Spannungsmesseinheit 5 speist eine Steuereinheit 7, welche wiederum mit einem Eingang des Treibers 2 verbunden ist.
Das aus dem Widerstand R2 und dem Kondensator C3 aufgebaute Tiefpassfilter bewirkt, dass keine hochfrequenten Anteile der Spannung VR1 zu der Spannungsmesseinheit 5 übertragen werden. Folglich findet dadurch in gewisser Weise eine Mittelung der Spannung VR1 statt. Sofern der Schalter S derart geschaltet wird, dass er bei durchgeschalteter Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T1 geschlossen ist und ansonsten geöffnet ist und die Spannungsmesseinheit 5 nur bei einem geschlossenen Schalter S aktiviert ist, wird die durchschnittlich über dem Widerstand R1 abfallende Spannung nur während des Ladevorgangs der Spule L gemessen. Diese Spannung gibt ein Maß für den bei diesem Ladevorgang durchschnittlich fließenden Strom IT1 an und gibt somit auch ein Maß für den von der Last 3 benötigten Laststrom an. Anhand dieser Information kann die Steuereinheit 7 aus den PWM- und PFM-Betriebsmodi den optimalen Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers 4 auswählen und durch Steuerung des Treibers 2 den Betriebsmodus gegebenenfalls umschalten. Beispielsweise kann die Steuereinheit 7 dazu die von der Spannungsmesseinheit 5 gelieferte Spannung mit einer Referenzspannung vergleichen.
In den beiden in Fig. 3 gezeigten Diagrammen sind die Ströme IL und IT1 jeweils über gleiche Zeiten t aufgetragen. Während zu jeder Zeit t ein Strom IL fließt, ist der Strom IT1 bei gesperrter Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors T1 gleich Null. In dem oberen Diagramm gibt die gestrichelte Linie den Gleichstrom an, welcher von der Last 3 als Laststrom benötigt wird. Dieser Laststrom ist der durchschnittlich durch die Spule L fließende Strom IL. Anhand seiner Größe wird der optimale Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers 1 festgelegt. Die gestrichelte Linie in dem unteren Diagramm ist der Durchschnittswert des Stroms IT1 bei geöffneter Drain-Source- Strecke. Dieser Durchschnittswert hat die gleiche Größe wie der Laststrom. Daher ist er in besonderer Weise dafür geeignet, als Entscheidungskriterium für die Betriebsmodus-Wahl verwendet zu werden.

Claims

1. Gleichspannungswandler (4) zur Abwärtswandlung einer Eingangsspannung (VIN) in eine Ausgangsspannung (VOUT), welcher auf zyklischem Laden und Entladen einer Speicherdrossel (L) basiert und in einem PWM- und einem PFM-Betriebsmodus betreibbar ist, mit
einem Leistungsschalter mit einem MOS-Transistor (T1), dessen Drain-Source-Strecke eingangsseitig von einem von der Eingangsspannung (VIN) abhängigen Strom (IT1) gespeist wird,
der dem MOS-Transistor (T1) nachgeschalteten Speicherdrossel (L), an welcher ausgangsseitig die Ausgangsspannung (VOUT) abgreifbar ist, und
einer ersten Einrichtung (2) zur Steuerung des Gate- Potentials des MOS-Transistors (T1),
gekennzeichnet durch
eine zweite Einrichtung (6) zur Messung des durch den MOS- Transistor (T1) fließenden Stroms (IT1) in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des MOS-Transistors (T1), und
ein Mittel (7) zum Umschalten zwischen den Betriebsmodi in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom (IT1).

2. Gleichspannungswandler (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung (6) derart ausgelegt ist, dass sie bei einer durchgeschalteten Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors (T1) den durch den MOS-Transistor (T1) fließenden Strom (IT1) misst.

3. Gleichspannungswandler (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung (6) derart ausgelegt ist, dass sie bei einer durchgeschalteten Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors (T1) den im Durchschnitt fließenden Drain- Source-Strom (IT1) misst.

4. Gleichspannungswandler (4) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Tiefpassfilter (C2), welches der Speicherdrossel (L) nachgeschaltet ist und an welchem ausgangsseitig die Ausgangsspannung (VOUT) abgreifbar ist.

5. Gleichspannungswandler (4) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung (6) einen Messwiderstand (R1) welcher mit der Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors (T1) in Reihe geschaltet ist, und eine Spannungsmesseinheit (5) zur Messung der über dem Messwiderstand (R1) abfallenden Spannung (VR1) während einer durchgeschalteten Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors (T1) aufweist.

6. Gleichspannungswandler (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (R1) dem MOS-Transistor (T1) vorgeschaltet ist.

7. Gleichspannungswandler (4) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsmesseinheit (5) ein weiterer Tiefpassfilter (R2, C3) vorgeschaltet ist, welcher die über dem Messwiderstand (R1) abfallende Spannung (VR1) filtert.

8. Gleichspannungswandler (4) nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Messwiderstand (R1) und der Spannungsmesseinheit (5) ein steuerbarer Schalter (S) angeordnet ist.

9. Gleichspannungswandler (4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Schalter (S) bei einer durchgeschalteten Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors (T1) geschlossen ist und bei einer gesperrten Drain-Source- Strecke des MOS-Transistors (T1) geöffnet ist.

10. Gleichspannungswandler (4) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (4) derart ausgelegt ist, dass er bei einer Unterschreitung des bei einer durchgeschalteten Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors (T1) im Durchschnitt fließenden Drain-Source-Stroms unter einen vorgegebenen Schwellwert im PFM-Betriebsmodus und ansonsten im PWM-Betriebsmodus betrieben wird.

11. Gleichspannungswandler (4) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren MOS-Transistor (T2), dessen Drain-Source- Strecke mit einem gemeinsamen Knoten verbunden ist, wobei der gemeinsame Knoten den MOS-Transistor (T1) und die Spule (L) verbindet, und die Drain-Source-Strecke des weiteren MOS-Transistors (T2) stets den entgegengesetzten Leitfähigkeitszustand wie die Drain-Source-Strecke des MOS- Transistors (T1) aufweist.

12. Gleichspannungswandler (4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der MOS-Transistor (T1) einen p-dotierten Kanal und der weitere MOS-Transistor (T2) einen n-dotierten Kanal aufweisen.

13. Gleichspannungswandler (4) nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Diode, insbesondere eine Schottky-Diode, welche zwischen dem gemeinsamen Knoten und einem gemeinsamen festen Potential, insbesondere einer Masse, angeordnet ist.

14. Gleichspannungswandler (4) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente des Gleichspannungswandlers (4) auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind.

15. Verfahren zur Einstellung des Betriebsmodus eines Gleichspannungswandlers (4), welcher durch zyklisches Laden und Entladen einer Speicherdrossel (L) eine Eingangsspannung (VIN) in eine Ausgangsspannung (VOUT) umformt und welcher in einem PWM- und einem PFM-Betriebsmodus betrieben werden kann, und wobei der Gleichspannungswandler (4) aufweist:
einen Leistungsschalter mit einem MOS-Transistor (T1), dessen Drain-Source-Strecke eingangsseitig von einem von der Eingangsspannung (VIN) abhängigen Strom (IT1) gespeist wird,
die dem MOS-Transistor (T1) nachgeschaltete Speicherdrossel (L), an welcher ausgangsseitig die Ausgangsspannung (VOUT) abgegriffen wird, und
eine Einrichtung (2) zur Steuerung des Gate-Potentials des MOS-Transistors (T1), und wobei
folgende Schritte durchlaufen werden:

1. Messen des durch den MOS-Transistor (T1) fließenden Stroms (IT1) in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des MOS-Transistors (T1); und

2. Einstellen des Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom (IT1).

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der bei einer durchgeschalteten Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors (T1) durch den MOS-Transistor (T1) fließende Strom (IT1) gemessen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der bei einer durchgeschalteten Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors (T1) im Durchschnitt fließende Drain- Source-Strom (IT1) gemessen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (4) bei einer Unterschreitung des bei einer durchgeschalteten Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors (T1) im Durchschnitt fließenden Drain- Source-Stroms unter einen vorgegebenen Schwellwert im PFM- Betriebsmodus und ansonsten im PWM-Betriebsmodus betrieben wird.