-
Die
Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Gleichspannungswandler mit
Spannungserhöhung.
-
Ein
herkömmlicher
Hochfrequenz-Gleichspannungswandler mit Spannungserhöhung umfasst eine
integrierte CMOS-Schaltung und einige externe Komponenten mit großen Abmessungen.
Er besitzt einen Versorgungsspannungseingangsanschluss und einen
Ausgangsanschluss für
erhöhte
Spannung, die beide auf ein Massepotential an einem Masseanschluss
bezogen sind. Unter den externen Komponenten befinden sich ein Induktor,
eine Gleichrichterdiode und ein Ladungskondensator. Der Induktor
und die Gleichrichterdiode sind zwischen den Eingangs- und den Ausgangsanschluss
in Reihe geschaltet. Der Ladungskondensator ist zwischen den Ausgangs-
und den Masseanschluss in Reihe geschaltet. Die integrierte Schaltung
umfasst eine Steuerschaltung sowie einen Leistungsschalter, der gewöhnlich aus
einem MOS-Transistor gebildet ist. Der Leistungsschalter ist zwischen
den Zwischenverbindungsknoten des Induktors und der Gleichrichterdiode
einerseits und den Masseanschluss andererseits geschaltet. Die Steuerschaltung
umfasst einen Fehlerverstärker
und Gate-Steuerungsoszillator. Die Eingänge in den Fehlerverstärker sind
aus einer Spannung vom Eingangsanschluss und aus einer Rückkopplungsspannung
vom Ausgangsanschluss gebildet. Ein Ausgang der Steuerschaltung
ist mit einem Eingang eines Gate-Treibers verbunden, der den den
Leistungsschalter bildenden MOS-Transistor ansteuert.
-
In
einem solchen Wandler, der im Spannungsbetrieb bei einer festen
Oszillatorfrequenz arbeitet, ist der Steuerstrom des Fehlerverstärkers zu D' = 1 – D proportional,
wobei D das Tastverhältnis
ist. Solange der Ausgangsstrom ausreichend hoch ist, arbeitet der
Wandler in einer kontinuierlichen Betriebsart. Wenn der Ausgangsstrom
sinkt, arbeitet der Wandler in einer diskontinuierlichen Betriebsan.
Solange der Wandler in der kontinuierlichen Betriebsart arbeitet,
sind die Schwankungen von D' sehr
klein und hängen
nur vom ohmschen Verlust des Leistungsschalters ab. In der diskontinuierlichen
Betriebsart werden jedoch die Schwankungen von D' viel größer. Weitere Terme wie etwa
die Schaltperiode und die Induktivität des Induktors bestimmen D' in der diskontinuierlichen
Betriebsart.
-
Normalerweise
muss ein Wandler des erwähnten
Typs sowohl in der kontinuierlichen als auch in der diskontinuierlichen
Betriebsart arbeiten können.
Das Problem besteht darin, dass die Steuerschleife, die den Fehlerverstärker enthält, nicht
für beide
Betriebsarten optimal gestaltet werden kann. Die Optionen sind:
- a) Erhöhen
des Schleifenverstärkungsfaktors
und des Betriebsbereichs des Fehlerverstärkers
⇒ gutes Lasteinschwingverhalten,
jedoch Stabilitätsprobleme
in der kontinuierlichen Betriebsart;
- b) Aufrechterhalten des optimierten Schleifenverstärkungsfaktors
nur in der kontinuierlichen Betriebsart
⇒ keine Stabilitätsprobleme
in der kontinuierlichen Betriebsart, jedoch hohes Lasteinschwingen;
- c) Einstellen des Schleifenverstärkungsfaktors in Abhängigkeit
von der Betriebsart (kontinuierlich oder diskontinuierlich)
⇒ bestmögliches
Lasteinschwingverhalten, jedoch ist eine genaue Erfassungsschaltungsanordnung
für die
Erfassung des kontinuierlichen/diskontinuierlichen Betriebs erforderlich,
außerdem
ist das Lasteinschwingen bei Übergängen zwischen
einer kontinuierlichen und einer diskontinuierlichen Betriebsart
und umgekehrt noch immer schlecht.
-
Jeder
Weg hat einen Nachteil entweder hinsichtlich Stabilität, Lasteinschwingen
oder Komplexität.
-
Die
Erfindung schafft einen Hochfrequenz-Gleichspannungswandler mit
Spannungserhöhung,
der diese Probleme in einfacher und kostengünstiger Weise vermeidet, indem
sichergestellt ist, dass der Wandler stets in einer kontinuierlichen
Betriebsart arbeitet.
-
Genauer
schafft die Erfindung einen Hochfrequenz-Gleichspannungswandler
mit Spannungserhöhung,
mit einem Versorgungsspannungseingang, der auf ein Potential an
einem Masseanschluss bezogen ist, einem Ausgang mit erhöhter Spannung, der
ebenfalls auf das Potential am Masseanschluss bezogen ist, und einer
Reihenschaltung aus einem Induktor und einem Gleichrichter. Die
Reihenschaltung ist zwischen den Versorgungsspannungseingang und
den Ausgang für
erhöhte
Spannung geschaltet. Ein erster Schalter ist zwischen den Masseanschluss
und einen Verbindungsknoten des Induktors und des Gleichrichters
geschaltet. Ein zweiter Schalter ist zu dem Gleichrichter parallelgeschaltet. Eine
Steuerschaltung zum Steuern des ersten und des zweiten Schalters
stellt sicher, dass der zweite Schalter nur geschlossen ist, wenn
der erste Schalter geöffnet
ist, um einen Strom zurück
zum Versorgungsspannungseingang zu leiten und um den Wandler in
einer kontinuierlichen Betriebsart zu halten. Selbst wenn daher
der Laststrom auf einen Pegel abfällt, bei dem ein herkömmlicher
Wandler in die diskontinuierliche Betriebsart schalten würde, bleibt der
Wandler der Erfindung in der kontinuierlichen Betriebsart, so dass
die Steuerschleife unter allen beliebigen Lastbedingungen für den Betrieb
in der kontinuierlichen Betriebsart optimiert werden kann.
-
Der
Strombetrag, der zu dem Versorgungsspannungseingang zurückgeleitet
werden muss, ist gewöhnlich
im Vergleich zu dem Strombetrag durch den ersten Leistungsschalter
sehr gering. Daher kann in einer bevorzugten Ausführungsform und dann,
wenn sowohl der erste als auch der zweite Schalter MOS-Transistoren
in einer integrierten Schaltung sind, der Transistor des zweiten
Schalters um Größenordnungen
kleiner als der Transistor des Leistungsschalters dimensioniert
sein.
-
Nun
wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. In den Zeichnungen sind:
-
1 ein
schematischer Schaltplan des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Gleichsspannungswandlers
mit Spannungserhöhung;
-
2 ein
Diagramm, das die Beziehungen zwischen D' (D' =
1 – D,
wobei D das Tastverhältnis ist)
und dem Ausgangsstrom für
einen herkömmlichen
Wandler bzw. für
einen erfindungsgemäßen Wandler
veranschaulicht;
-
3 ein
Diagramm, das den Induktorstrom in einem herkömmlichen Wandler zeigt; und
-
4 ein
Diagramm, das den Induktorstrom in dem erfindungsgemäßen Wandler
zeigt.
-
In 1 ist
ein Hochfrequenz-Gleichspannungswandler mit Spannungserhöhung gezeigt,
der eine integrierte CMOS-Schaltung enthält, die mit 10 bezeichnet
ist und in einem gestrichelten Kasten enthalten ist. Der Wandler
besitzt einen Versorgungsspannungseingangsanschluss SVin und einen
Ausgangsanschluss BVout für
erhöhte
Spannung. Ein Induktor L ist mit einer Schottky-Diode D zwischen
dem Eingangsanschluss SVin und dem Ausgangsanschluss BVout in Reihe
geschaltet. Ein Ladungskondensator CL ist zwischen den Ausgangsanschluss BVout
und einen Masseanschluss GND geschaltet. Eine durch einen ohmschen
Widerstand RL dargestellte Last ist zu dem Ladungskondensator CL
parallelgeschaltet. Ein Pufferkondensator CB ist zwischen den Eingangsanschluss
SVin und den Masseanschluss GND geschaltet. Von dem Anschluss BVout wird
durch einen ohmschen Teiler, der die ohmschen Widerstände R1 und
R2 sowie einen Kompensationskompensator C umfasst, ein Rückkopplungssignal
abgeleitet.
-
Die
integrierte Schaltung 10 besitzt einen Eingangsanschluss
VIN, der mit dem Versorgungsspannungsanschluss SVin verbunden ist,
und einen Versorgungsanschluss SUP, der mit dem Ausgangsanschluss
BVout verbunden ist. Ein Zwischenverbindungsknoten des Induktors
L und der Diode D ist mit einem Anschluss SW der integrierten Schaltung 10 verbunden.
Schließlich
besitzt die integrierte Schaltung 10 einen Masseanschluss
GND und einen Rückkopplungsanschluss
FB, der mit dem Zwischenverbindungsknoten der ohmschen Widerstände R1 und
R2 verbunden ist.
-
Die
integrierte Schaltung 10 umfasst einen n-Kanal-Leistungstransistor
MN, der zwischen den Anschluss SW und den Masseanschluss GND geschaltet
ist, einen Fehlerverstärker
und Gate-Steueroszillator 12 mit einer internen Referenzquelle
sowie eine Treiberschaltung 14. Der Fehlerverstärker und Gate-Steueroszillator 12 besitzt
einen ersten Eingang, der mit dem Anschluss VIN verbunden ist, einen
zweiten Eingang, der mit dem Anschluss FB verbunden ist, und einen
Ausgang, der mit einem Eingang der Treiberschaltung 14 verbunden
ist.
-
Gemäß der Erfindung
umfasst die integrierte Schaltung 10 ferner einen kleinen
MOS-Transistor MP, der in der gezeigten Ausführungsform ein p-Kanal-Transistor ist, der
zwischen den Anschluss SW und den Anschluss SUP und daher parallel
zu der Diode D geschaltet ist. Die Treiberschaltung 14 besitzt getrennte
Ausgänge
für die
Gates der Transistoren MN und MP, beide Ausgänge haben jedoch die gleiche
Phase. Da somit die Transistoren MN und MP vom entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp
sind, schaltet der Transistor MP durch, wenn der Transistor MN sperrt,
und umgekehrt. Was die physikalische Implementierung des Transistors
MP in der integrierten Schaltung 10 betrifft, so sollte
darauf hingewiesen werden, dass er um Größenordnungen kleiner als der Leistungstransistor
MN sein kann. Daher stellt die Hinzufügung des Transistors MP in
der integrierten Schaltung 10 eine kostengünstige und
einfache Weise dar, um vorhandene Schaltungsentwürfe zu modifizieren.
-
In 2,
wo die Differenz D' zwischen "1" und dem Tastverhältnis D (D' = 1 – D) gegen den Ausgangsstrom
Iout aufgetragen ist, veranschaulicht eine mit durchgezogener Linie
gezeigte Kurve das Verhalten des herkömmlichen Wandlers. Es ist ersichtlich,
dass sich das Tastverhältnis
bei kleinen Werten des Ausgangsstroms Iout aufgrund der Tatsache,
dass der Wandler von der kontinuierlichen Betriebsart zu der diskontinuierlichen
Betriebsart wechselt, plötzlich ändert. Eine
mit gestrichelter Linie gezeigte Kurve in 2 veranschaulicht
das Verhalten des erfindungsgemäßen Wandlers.
Es ist durch eine kontinuierliche, jedoch geringe Zunahme von D' zu kleinen Ausgangsströmen gekennzeichnet.
Am wichtigsten ist, dass der Wandler für alle Lastbedingungen in einer
kontinuierlichen Betriebsart bleibt.
-
Ein
Wandler ähnlich
jenem, der in 1 gezeigt ist, der jedoch keinen
Transistor MP besitzt, würde
einen Induktorstrom IL wie in 3 gezeigt und
einen abnehmenden Laststrom aufweisen. Wenn der Induktorstrom IL
auf null abgefallen ist, geht der Betrieb des Wandlers in den diskontinuierlichen
Betrieb über,
wie in 2 durch einen plötzlichen Anstieg von D' dargestellt ist.
Im Fall des erfindungsgemäßen Wandlers,
der keinen Transistor MP hat, kann der Induktorstrom IL auf einen
Wert kleiner als null abfallen, wie in 4 gezeigt
ist, so dass der Induktorstrom IL negativ wird, wobei ein Strom
durch den Transistor MP zurück
zum Induktor L und zum Anschluss SVin geschickt wird. Im nächsten Zyklus wird
der negative Induktorstrom durch einen positiven Induktorstrom ausgeglichen,
wodurch ein kontinuierlicher Betrieb des Wandlers aufrechterhalten wird.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
ist die Diode D durch einen geschalteten MOS-Transistor, vorzugsweise
einen PMOS-Transistor ersetzt. Die Transistoren MN und MP sind zwar
so gezeigt, dass sie entgegengesetzte Leitfähigkeit besitzen, dies stellt
jedoch keine Forderung dar.