DE102004021437B4 - Gleichspannungs-Hochfrequenz-Aufwärtswandler - Google Patents

Gleichspannungs-Hochfrequenz-Aufwärtswandler Download PDF

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Abstract

Gleichspannungs-Hochfrequenz-Aufwärtswandler mit einem Versorgungsspannungseingang (110), einem Ausgang für die erhöhte Spannung (112), einer Reihenschaltung aus einer Induktivität (114) und einem Gleichrichter (116), die zwischen dem Versorgungsspannungseingang (110) und dem Ausgang für die erhöhte Spannung (112) in Reihe geschaltet sind, einem Schalter (124), der zwischen Masse und einen Anschlussknoten (120) von Induktivität (114) und Gleichrichter (116) geschaltet ist, und mit einem Steuerschaltkreis (126) für die Steuerung des Schalters (124), und mit einer Detektionsschaltung für den Nulldurchgang des Induktivitätsstroms (128), dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsschaitung (128) eine Spannung (Un) im Anschlussknoten (120) misst, direkt nachdem der Schalter (124) geschlossen wurde, und mit einer Referenzspannung (Uref) vergleicht und eine Meldung (Comp) über einen Nulldurchgang des Induktivitätsstroms liefert, wenn beide Spannungen gleich sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungs-Hochfrequenz-Aufwärtswandler mit einem Versorgungsspannungseingang, einem spannungserhöhten Spannungsausgang, einer Reihenschaltung aus einer Induktivität und einem Gleichrichter, die zwischen den Versorgungsspannungseingang und den Ausgang für die erhöhte Spannung geschaltet sind, einem Schalter, der zwischen Masse und einen Anschlussknoten von Induktivität und Gleichrichter geschaltet ist, und einem Steuerschaltkreis zur Steuerung des Schalters.
  • In solchen Aufwärtswandlern, die im Spannungsmodus mit fester Frequenz betrieben werden, ist die Ausgangsspannung eine Funktion des Tastverhältnisses, das vom Verhältnis zwischen der Einschaltdauer und der Ausschaltdauer des Schalters abhängt. Solange der Laststrom groß genug ist, kann der Wandler im ununterbrochenen Modus arbeiten: der Induktivitätsstrom nimmt zu, wenn der Schalter geschlossen ist, und er nimmt ab, wenn der Schalter geöffnet ist, aber er geht nie auf Null zurück. In diesem Modus ist die Ausgangsspannung nur eine Funktion des Tastverhältnisses und hängt kaum vom Ausgangsstrom ab.
  • Wenn der Laststrom unter eine untere Grenze fällt, fällt der Induktivitätsstrom während eines Teils der Ausschaltdauer auf Null, und der Wandler arbeitet im unterbrochenen Modus. In diesem Modus ist der Zusammenhang zwischen Tastverhältnis und Ausgangsspannung anders, also muss die Steuerung des Schalters angepasst werden, d.h. die Steuerung des Schalters kann z.B. auf eine andere Schleifenverstärkung oder in einen Stromsparmodus schalten. Darum ist es notwendig, den Übergang vom ununterbrochenen zum unterbrochenen Modus und umgekehrt durch Überwachung der Spulenspannung festzustellen. Normalerweise geschieht dies durch Überwachung des Ausgangsstroms, zum Beispiel durch Messung des Spannungsabfalls an einem Messwiderstand im Ausgangspfad oder im Gleichrichter während der Dauer, in der der Schalter ausgeschaltet ist.
  • 1 zeigt ein Beispiel eines solchen herkömmlichen asynchronen Aufwärtswandlers. Der Wandler besitzt einen Versorgungsspannungseingang 10 und einen Ausgang für die erhöhte Spannung 12 und er umfasst eine Reihenschaltung einer Induktivität 14 und einer Diode 16 zwischen dem Versorgungsspannungseingang 10 und dem Spannungsausgang 12. Die Verbindung zwischen der Induktivität 14 und der Diode 16 stellt einen Anschlussknoten 20 dar. Ein Transistor 24, der zwischen den Anschlussknoten 20 und Masse geschaltet ist, fungiert als Schalter und wird durch einen Steuerschaltkreis 26 gesteuert. Ein Eingang einer Komparatorschaltung 28 für die Überwachung des Induktivitätsstroms während der Aus-Phase ist mit dem Anschlussknoten 20 verbunden, ein anderer Eingang ist mit dem Spannungsausgang 12 verbunden und ein Ausgang ist mit dem Steuerschaltkreis 26 verbunden. Der Komparator 28 wird nur während der Aus-Phase des Transistors 24 aktiviert und ausgewertet. In dieser Phase misst der Komparator 28 den Spannungsabfall über der Diode 16 und liefert ein Ausgangssignal für den Steuerschaltkreis 26, wenn der Induktivitätsstrom auf Null fällt.
  • Die Diagramme in 2 zeigen den Induktivitätsstrom IL, die entsprechende Spannung Un am Anschlussknoten 20 und das Komparatorausgangssignal COMP im Zeitablauf. Der Wandler arbeitet so lange im ununterbrochenen Modus, bis der Induktivitätsstrom auf Null fällt. Die Spannung Un am Knoten 20 wechselt zwischen fast Null in der An-Phase und der Ausgangsspannung plus der Diodenspannung. Dieser Modus umfasst die ersten vier Periodendauern in 2.
  • Wenn der Induktivitätsstrom bei t = t0 auf Null fällt, dann fällt die Spannung beim Knoten 20 auf den Pegel der Eingangsspannung Uin ab und der Wandler nimmt den Betrieb im unterbrochenen Modus auf. Parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten am Knoten 20, z.B. durch den FET-Transistor 24 und die Länge der Verbindungsleitungen zur Diode 16, begrenzen die Abfallgeschwindigkeit der Knotenspannung Un. Darum kann es mehrere zehn ns dauern, bis die Spannung Un den Pegel der Ausgangsspannung Uout kreuzt, was bedeutet, dass der Spannungsabfall in der Diode und folglich der Induktivitätsstrom auf Null gefallen sind und der Komparator 28 den Übergang feststellen kann.
  • In 2 liefert der Komparator erst dann, wenn der Induktivitätsstrom IL bei t02 zum zweiten Mal auf Null gefallen ist ein Ausgangssignal. Da der Komparator 28 ebenfalls ein paar Nanosekunden zum Feststellen des Übergangs benötigt, tritt eine wie in 2 angegebene Verzögerung 6 zwischen der ansteigenden Flanke des Komparatorsignals und der Zeit, zu der der Induktivitätsstrom tatsächlich auf Null gefallen ist, auf. Bei hohen Schaltfrequenzen (> 1 MHz) werden die Auswirkungen dieser Verzögerung 6 zu heftig und führen zum Beispiel zu Wirkungsgradverlusten, wenn das Komparatorsignal dafür verwendet wird, in einen Stromsparmodus zu schalten. Außerdem befindet sich die Diode vorzugsweise außerhalb des Chips, der die anderen Bauelemente beherbergt, besonders wenn ein hoher Ausgangsstrom benötigt wird, wodurch hohe, durch Bonddrähte verursachte parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten auftreten.
  • US 5,170,333 A offenbart einen Gleichspannungs-Aufwärtswandler, der sowohl in einem ununterbrochenen als auch in einem unterbrochenen Modus arbeiten kann. Mit einem Komparator wird die Spannung über einer Induktivität mit einer Referenzspannung verglichen, während der Schalter geöffnet ist. Damit wird ein Abfall der Ausgangsspannung im unterbrochenen Modus erkannt und die Schleifenverstärkung wird entsprechend angepaßt.
  • US 6,160,388 A offenbart einen DC-DC-Wandler, bei dem zwei MOS-FET-Schalter eine Induktivität abwechselnd mit einer Eingangspannung und mit dem Massepotential verbinden. Zur Bestimmung des Laststroms wird ein Spannungsabfall über dem Schalttransistor, der die Induktivität mit Masse verbindet, detektiert. Dabei wird der Widerstand des Transistors im leitenden Zustand als Meßwiderstand verwendet. Die Spannung wird abgetastet und in einem Kondensator gespeichert. Am Ausgang eines Komparators wird dann die detektierte Spannung, die die Höhe des Laststroms repräsentiert, ausgegeben.
  • US 6,166,526 A offenbart einen Gleichspannungs-Aufwärtswandler, bei dem ein maximal zulässiger Strom durch eine Induktivität erkannt werden soll. Hierfür wird der Spannungsabfall über dem Schalttransistor mit dem Spannungsabfall an einem Referenztransistor, der mit einer Referenzstromquelle verbunden ist, über einen Komparator verglichen. Das Ausgangssignal des Komparators kann verwendet werden, um das Tastverhältnis für den Schalttransistor zu steuern.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichspannungs-Hochfrequenz-Aufwärtswandler mit einer vereinfachten Schaltungsanordnung und einer schnellen Detektion für den Nulldurchgang des Induktivitätsstroms bereitzustellen.
  • Konkret wird zur Lösung der Aufgabe ein Gleichspannungs-Hochfrequenz-Aufwärtswandler gemäß Anspruch 1 mit einem Versorgungsspannungseingang, einem Ausgang für die erhöhte Spannung und einer Induktivität und einem Gleichrichter, die zwischen dem Versorgungsspannungseingang und dem Ausgang für die erhöhte Spannung in Reihe geschaltet sind, vorgesehen. Der Wandler umfasst einen Schalter, der zwischen Masse und einem Anschlussknoten von Induktivität und Gleichrichter geschaltet ist. Der Wandler umfasst des Weiteren einen Steuerschaltkreis für die Steuerung dieses Schalters und eine Detektionsschaltung für den Nulldurchgang des Induktivitätsstroms, die eine Spannung am Anschlussknoten misst, direkt nachdem der Schalter geschlossen wurde, und mit einer Referenzspannung vergleicht und eine Meldung über einen Nulldurchgang des Induktivitätsstroms liefert, wenn beide Spannungen gleich sind. Mit dem vorgeschlagenen Wandler wird an Stelle des Ausgangsstroms die Knotenspannung überwacht. Beim Überwachen des Ausgangsstroms durch das Messen des Spannungsabfalls an einem in Reihe geschalteten Messwiderstand würde ein schneller Komparator für die Detektion des Übergangszustands, in dem der Spannungsabfall am Widerstand Null beträgt, benötigt. Mit dem erfindungsgemäßen Komparator wird kein Messwiderstand im Ausgangspfad benötigt, noch nicht einmal Messleitungen zum Ausgang werden benötigt, wodurch eine vereinfachte Schaltungsanordnung und eine schnelle Detektion des Nulldurchgangs des Induktivitätsstroms ohne den Bedarf für einen schnellen Komparator zur Verfügung gestellt wird.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Detektionsschaltung für den Nulldurchgang des Induktivitätsstroms einen Komparator mit einem ersten Eingang, der durch einen Abtastschalter mit dem Anschlussknoten verbunden ist, einem zweiten Eingang, der mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem Steuereingang des Steuerschaltkreises verbunden ist. Der Abtastschalter liefert ein stabiles und ununterbrochenes Signal für die Strom-Detektionsschaltung. Darum muss der Komparator nicht sehr schnell sein. Außerdem müssen parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten am Anschlussknoten, die schwer vorhersagbar sind, nicht mehr berücksichtigt werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich. In den Zeichnungen zeigt:
  • 1 einen Schaltplan eines Aufwärtswandlers nach dem Stand der Technik.
  • 2 ein Diagramm, das den Induktivitätsstrom, die Knotenspannung und das Komparator-Ausgangssignal des Wandlers aus 1 darstellt.
  • 3 einen Schaltplan eines Aufwärtswandlers gemäß der Erfindung.
  • 4 ein Diagramm, das den Induktivitätsstrom, die Knotenspannung und das Komparator-Ausgangssignal des Wandlers aus 3 darstellt.
  • Wenden wir uns nun 3 zu, in der ein Schaltplan eines Gleichspannungs-Hochfrequenz-Aufwärtswandlers gemäß der Erfindung abgebildet ist. Der Wandler umfasst einen Versorgungsspannungseingang 110, einen Ausgang für die erhöhte Spannung 112, eine Reihenschaltung aus einer Induktivität 114 und einer Diode 116, einen Lastkondensator 118 und einen Leistungsschalter 124. Der Wandler umfasst ferner einen Steuerschaltkreis 126 zur Steuerung des Leistungsschalters 124 und eine Detektionsschaltung für den Nulldurchgang des Induktivitätsstroms 128.
  • Der Versorgungsspannungseingang 110 ist durch einen Quellkondensator 130 gepuffert, der zwischen den Eingang 110 und Masse geschaltet ist. Die Induktivitätsspule 114 ist an einer Seite mit dem Versorgungsspannungseingang 110 und an der anderen Seite mit der Anode des Gleichrichters 116, der in diesem Ausführungsbeispiel von einer Schottky-Diode gebildet ist, verbunden. Die Kathode der Schottky-Diode 116 ist mit einem Ausgang für die erhöhte Spannung 112 verbunden, der auch mit dem Lastkondensator 118 verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Induktivität 114 und der Diode 116 bildet einen Anschlussknoten 120.
  • Bei dem Schalter 124 handelt es sich um einen NMOS-FET, dessen Source mit Masse verbunden ist, dessen Drain mit dem Anschlussknoten 120 verbunden ist und dessen Gate mit dem Ausgang des Steuerschaltkreises 126 verbunden ist.
  • Die Detektionsschaltung für den Nulldurchgang des Induktivitätsstroms 128 umfasst einen Komparator 132, eine Referenzspannungsquelle 134, die mit dem ersten Eingang des Komparators 132 verbunden ist, und eine Abtasteinheit 136, die mit dem zweiten Eingang des Komparators 132 verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 132 ist mit dem Steuerschaltkreis 126 verbunden. Die Referenzspannungsquelle 134 umfasst eine Reihenschaltung eines Widerstands 140 und einer Stromquelle 142, die zwischen Masse und den Spannungseingang 110 geschaltet sind. Die Abtasteinheit 136 umfasst einen Abtastkondensator 144, der zwischen Masse und den zweiten Eingang des Komparators 132 geschaltet ist, und einen Abtastschalter 146, der zwischen den Anschlussknoten 120 und den zweiten Eingang des Komparators 132 geschaltet ist.
  • Die Steuereinheit 126 steuert den Schalter 124 dahingehend, dass er den Knoten 120 auf bekannte Weise entweder mit Masse verbindet oder von Masse trennt, um die Ausgangsspannung Uout am Ausgang 112 durch Steuerung des Tastverhältnisses des Schalters 124 zu regulieren.
  • Das Diagramm in 4 zeigt die Spannung Un am Anschlussknoten 120 im Zeitablauf. Es ist ersichtlich, dass die Knotenspannung Un in der An-Phase ton, also wenn der Schalter 124 geschlossen ist, niedrig ist, da nur der Spannungsabfall im Schalter 124 auftritt. Da der Spulenstrom IL ansteigt, steigt auch die Knotenspannung Un leicht an. In der Aus-Phase toff wird der Schalter 124 geöffnet und die Knotenspannung Un springt auf Uout plus dem Spannungsabfall in der Diode 116.
  • Der Mittelwert des Induktivitätsstroms IL geht mit der Zeit langsam zurück. Wenn der Induktivitätsstrom IL während der Aus-Phase bei t = t0 Null erreicht, fällt die Knotenspannung Un auf den Wert der Eingangsspannung Uin und der Wandler arbeitet nun im unterbrochenen Modus.
  • Der Übergang zum unterbrochenen Modus wird durch die Detektionsschaltung für den Nulldurchgang des Induktivitätsstroms 128 festgestellt. In der Schaltung 128 tastet die Abtasteinheit 136 die Knotenspannung Un ab, indem der Abtastschalter 146 direkt nachdem der Leistungsschalter 124 geschlossen wurde, für kurze Zeit ebenfalls geschlossen wird. Der Abtastschalter 146 wird nur für eine sehr kurze Zeit geschlossen gehalten, die ausreicht, um den Abtastkondensator 144 zu laden. Die abgetastete Knotenspannung Unsamp wird im Komparator 132 mit der Referenzspannung Uref verglichen, die von der Referenzspannungsquelle 134 geliefert wird. Wenn die abgetastete Knotenspannung Unsamp unterhalb der Referenzspannung Uref liegt, liefert der Komparator 132 ein Komparatorsignal COMP an den Steuerschaltkreis 126, das anzeigt, dass der Übergang stattgefunden hat. Mit diesem Signal ist der Steuerschaltkreis 126 in der Lage, seinen Steuermodus zu ändern, er kann beispielsweise in einen Stromsparmodus oder auf eine andere Schleifenverstärkung schalten, um die Ausgangsspannung über das Tast verhältnis des Leistungsschalters 124 zu regulieren. Hierdurch wird ein sehr effizienter Betrieb des Aufwärtswandlers ermöglicht.
  • Da die Aufladung des Abtastkondensators 144 eine Zeit dauert, üblicherweise Nanosekunden, und die Knotenspannung Un sogar in dieser kurzen Zeit ansteigt, beträgt die Referenzspannung Uref vorzugsweise, wie in 4 angezeigt, einige Millivolt über Masse, um den Anstieg der Knotenspannung Un während der Ladezeit zu kompensieren. Natürlich muss die Kapazität des Abtastkondensators 144 so gewählt werden, dass sowohl eine kurze Ladezeit, als auch eine ausreichende Haltezeit für die abgetastete Spannung Unsamp über eine Periodendauer bis zum nächsten Abtasten gewährleistet ist.
  • Ein wesentlicher Vorteil dieser Schaltung ist es, dass der Komparator 132 nicht sehr schnell sein muss, da nur die statisch abgetastete Spannung Unsamp, die nach jedem Abtasten statisch ist, verglichen werden muss. Ferner spielen die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten am Anschlussknoten 120, die eine Dämpfung und Oszillation verursachen, wenn die Spannung Un, wie in 4 bei 150 angegeben, auf Uin abfällt, keine Rolle mehr für das Feststellen des Übergangs. Der Übergang zwischen ununterbrochenem und unterbrochenem Modus des Aufwärtswandlers kann verlässlich festgestellt werden. Folglich kann der Aufwärtswandler entsprechend seines Modus genau gesteuert und dadurch auf äußerst effiziente Weise betrieben werden.
  • Da keine zusätzlichen Messleitungen zum Gleichrichter für das Messen eines Spulenstroms benötigt werden, gestattet der vorgeschlagene Aufwärtswandler ferner einen einfachen Aufbau, besonders, wenn es gewünscht ist, den Gleichrichter außerhalb des Chips, der die anderen Bauelemente beherbergt, zu platzieren.
  • Verschiedene Abänderungen der vorgeschlagenen Schaltung sind im Umfang der vorliegenden Erfindung impliziert. Die Diode kann beispielsweise durch einen gesteuerten Schalter, wie zum Beispiel einen PMOS-FET oder eine andere Art von Gleichrichter, ersetzt werden.

Claims (7)

  1. Gleichspannungs-Hochfrequenz-Aufwärtswandler mit einem Versorgungsspannungseingang (110), einem Ausgang für die erhöhte Spannung (112), einer Reihenschaltung aus einer Induktivität (114) und einem Gleichrichter (116), die zwischen dem Versorgungsspannungseingang (110) und dem Ausgang für die erhöhte Spannung (112) in Reihe geschaltet sind, einem Schalter (124), der zwischen Masse und einen Anschlussknoten (120) von Induktivität (114) und Gleichrichter (116) geschaltet ist, und mit einem Steuerschaltkreis (126) für die Steuerung des Schalters (124), und mit einer Detektionsschaltung für den Nulldurchgang des Induktivitätsstroms (128), dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsschaitung (128) eine Spannung (Un) im Anschlussknoten (120) misst, direkt nachdem der Schalter (124) geschlossen wurde, und mit einer Referenzspannung (Uref) vergleicht und eine Meldung (Comp) über einen Nulldurchgang des Induktivitätsstroms liefert, wenn beide Spannungen gleich sind.
  2. Wandler gemäß Anspruch 1, bei dem die Detektionsschaltung für den Nulldurchgang des Induktivitätsstroms (128) einen Komparator (132) umfasst, der einen ersten Eingang aufweist, der mit dem Anschlussknoten (120) durch einen Abtastschalter (146) und über einen Abtastkondensator (144) mit Masse verbunden ist, einen zweiten Eingang, der mit einer Referenzspannungsquelle (134) verbunden ist, und einen Ausgang, der mit einem Steuereingang des Steuerschaltkreises (126) verbunden ist.
  3. Wandler gemäß Anspruch 2, bei dem die Detektionsschaltung so konfiguriert ist, dass der Abtastschalter (146) geschlossen wird direkt nachdem der Schalter (124) geschlossen wurde.
  4. Wandler gemäß Anspruch 3, bei dem der Abtastschalter (146) nur für eine sehr kurze Zeit geschlossengehalten wird, die ausreicht, um den Abtastkondensator (144) zu laden.
  5. Wandler gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Referenzspannungsquelle (134) eine Stromquelle (142) umfasst, die zwischen dem Versorgungsspannungseingang (110) und Masse in Reihe mit einem Widerstand (140) geschaltet ist.
  6. Wandler gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Referenzspannung (Uref) so gewählt ist, dass sie die Ladezeit des Abtastkondensators (144) kompensiert.
  7. Wandler gemäß Anspruch 6, bei dem die Referenzspannung (Uref) in der Größenordnung von wenigen mV liegt
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