DE102010017820A1

DE102010017820A1 - Steuern eines Mehrmoden-Schaltwandlers

Info

Publication number: DE102010017820A1
Application number: DE102010017820A
Authority: DE
Inventors: Simone Fabbro
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2011-01-27
Also published as: US20110006743A1; US9467053B2

Abstract

Systeme und Verfahren zum Steuern eines Schaltwandlers unter Verwendung eines Tastverhältnisses, das entweder mit einem Buck-Modus (Abwärtsmodus) oder einem Boost-Modus (Aufwärtsmodus) des Schaltwandlers assoziiert ist. Insbesondere bestimmt ein Controller, wann zwischen Buck-Modus und Boost-Modus gewechselt wird, und zwar auf der Basis des mit dem Buck-Modus oder dem Boost-Modus assoziierten Tastverhältnisses.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Hersteller von batteriebetriebenen Einrichtungen sehen sich in der Regel einer Herausforderung dahingehend gegenüber, ihre Designs mit vielen disparaten Batterietechnologien kompatibel zu machen, die Versorgungsspannungsbereiche liefern, die hinsichtlich ihrer gelieferten Höchst-, Nenn- und Mindestwerte differieren. Welche Batterietechnologie aber auch gewählt worden ist, gibt es zudem den Wunsch, daß die Batterie ihre vollständige Energiekapazität an die Last liefert und daß die Energiekapazität der Batterie mit hoher Effizienz ausgenutzt werden kann, ohne Nutzenergie in den Batteriezellen zurück zu lassen. Diese Situation hat mit der Zeit dazu geführt, daß Batterien einen immer größeren Ausgangsspannungsbereich anbieten, so daß die Ausgangsspannung der Batterie während der Entladungsphase höher und im gleichen Bereich oder sogar viel niedriger liegen kann als die Mindestspannung, die die Last akzeptieren kann. Der Wunsch geht einher mit zunehmender Nachfrage, daß die Endbenutzeranwendungen über längere Perioden bestromt werden. Somit besteht ein Aspekt der Zufriedenheit beim Endbenutzer dahingehend, die Energie der Batterie bis zum letzten erg (Energieeinheit) zu verwenden und dabei einen Energieverlust zu vermeiden, wodurch die Energiekonvertierungseffizienz heraufgesetzt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die ausführliche Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. In den Figuren identifizieren die am weitesten links stehenden Ziffern einer Referenzzahl die Figur, in der die Referenzzahl zuerst erscheint. Die Verwendung der gleichen Referenzzahlen in verschiedenen Fällen in der Beschreibung und den Figuren kann ähnliche oder identische Elemente angeben.
1A und B sind Perspektivansichten einer batteriebetriebenen Einrichtung gemäß bestimmter Ausführungsformen.
1C ist eine schematische Ansicht einer batteriebetriebenen Einrichtung gemäß bestimmter Ausführungsformen.
2 ist ein Schemadiagramm eines Schaltwandlers einer batteriebetriebenen Einrichtung gemäß bestimmter Ausführungsformen.
3 ist ein Zeitsteuerdiagramm, das mit einem Schaltwandler gemäß bestimmter Ausführungsformen assoziiert ist.
4 ist ein weiteres Zeitsteuerdiagramm, das mit einem Schaltwandler gemäß bestimmter Ausführungsformen assoziiert ist.
5 ist ein Zeitsteuerdiagramm, das mit einem weiteren Schaltwandler gemäß bestimmter Ausführungsformen assoziiert ist.
6 ist noch ein weiteres Zeitsteuerdiagramm, das mit einem weiteren Schaltwandler gemäß bestimmter Ausführungsformen assoziiert ist.
7 ist ein Schemadiagramm eines Controllers für einen Schaltwandler gemäß bestimmter Ausführungsformen.
8 ist ein weiteres Schemadiagramm eines Controllers für einen Schaltwandler gemäß bestimmter Ausführungsformen.
9 zeigt ein Verfahren zum Steuern eines Schaltwandlers gemäß bestimmter Ausführungsformen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden hierin Techniken zum Steuern von Schaltwandlern offenbart. Bei einer beschriebenen Ausführungsform wird ein Schaltwandler, beispielsweise ein Abwärts-Aufwärts-Wandler (engl. Buck-Boost-Switching Converter), dadurch gesteuert, daß das Abwärts-Tastverhältnis oder Buck-Tastverhältnis (engl. Buck Duty Cycle) (oder das Aufwärts-Tastverhältnis oder Boost-Tastverhältnis (engl. Boost Duty Cycle) oder beide) des Schaltwandlers als ein Eingangssignal zu einem Controller (Kontroller oder Steuereinrichtung) für den Schaltwandler verwendet wird.
Dieses Dokument offenbart verschiedene Verfahren, Systeme, Vorrichtungen, Techniken usw. zum Steuern eines Schaltwandlers durch Bestimmen des Tastverhältnisses entweder eines Abwärtszweigs oder Buck-Zweigs (engl. Buck Branch) oder eines Aufwärtszweigs oder Boost-Zweigs (engl. Boost Branch) (oder von beiden) des Schaltwandlers. Wenn das bestimmte Tastverhältnis einen damit assoziierten Schwellwert erreicht, wird die Steuerung entweder vom Abwärtsmodus oder Buck-Modus (engl. Buck Mode) oder Aufwärtsmodus oder Boost-Modus (engl. Boost Mode) aus verändert (je nachdem, auf welchem Modus der Schaltwandler vor dem Erreichen des Schwellwerts arbeitete). Außerdem offenbart dieses Dokument verschiedene Verfahren, Systeme, Vorrichtungen, Techniken usw. zum Aufrechterhalten oder Erreichen bestimmter instationärer Antwortcharakteristiken von Schaltwandlern, die wie hierin weiter offenbart gesteuert werden.
Insbesondere offenbart dieses Dokument den allgemeinen Betrieb von batteriebetriebenen Einrichtungen von einigen Ausführungsformen mit der Betonung auf den Stromversorgungen davon. Das Dokument offenbart auch, wie die Schaltwandler in den Stromversorgungen dieser Einrichtungen arbeiten. Das Dokument offenbart außerdem auch Zeitsteuerdiagramme, die mit verschiedenen Ausführungsformen von Schaltwandlern assoziiert sind, und wie die Schaltwandler den Strom an verschiedene Einrichtungen liefern. Außerdem offenbart das Dokument analoge Ausführungsformen von Controller, die mit den Schaltwandlern von einigen Ausführungsformen assoziiert sind, sowie Verfahren zum Steuern solcher Schaltwandler.
Die 1A und 1B sind Perspektivansichten einer batteriebetriebenen Einrichtung 100 von einigen Ausführungsformen. Bei der Einrichtung 100 könnte es sich um eine beliebige Art von elektrisch betriebener Einrichtung handeln, wie etwa einer Einrichtung, die durch Netzstrom, Solarstrom, Generatoren usw. bestromt wird. Die veranschaulichende Einrichtung 100 enthält verschiedene Merkmale wie etwa Benutzersteuerelemente, Ausgangskomponenten usw. und kann einige, von ihrem Benutzer gewünschte Funktionen ausführen. Beispielsweise könnte die Einrichtung 100 ein Mobiltelefon mit einem Display 102, Benutzereingabeknöpfen 104, einem Mikrofon, einem Lautsprecher usw. sein, und es kann elektromagnetische Signale senden und empfangen, wodurch Unterhaltungen und andere Daten übermittelt werden.
In der durch 1C dargestellten besonderen Ausführungsform enthält die Einrichtung 100 entweder eine neue (oder spezifikationskonforme) Batterie 106N oder eine teilentladene (oder alte oder verschlechterte) Batterie 106D zum Bestromen der Einrichtung 100. Wenn der Benutzer die Einrichtung 100 über die Benutzereingabeknöpfe 104 (oder andere Merkmale) manipuliert, führt die Einrichtung 100 deshalb eine gewisse Funktion aus, wie etwa das Anzeigen eines Bilds 108 auf dem Display 102. Die Anzeige des Bilds 108 ist lediglich veranschaulichend und stellt viele andere mögliche Funktionen der Einrichtung 100 dar. Während die Batterie 106 Strom innerhalb der Spezifikationen liefert, für die die Einrichtung ausgelegt wurde, führt die Einrichtung in der Regel ihre Funktionen (wie etwa das Anzeigen des Bilds 108) auf konsistente und zuverlässige Weise aus. Sollte jedoch die Batterie 106 (oder andere Stromversorgungen) Strom außerhalb der Spezifikationen der Einrichtung 100 liefern, kann die Einrichtung 100 damit beginnen, falsch zu funktionieren, oder kann nicht in der Lage sein, alle ihre Funktionen konsistent oder zuverlässig auszuführen. Dieses Ergebnis tritt ein, weil die Stromversorgung (in 1A–C nicht gezeigt) der Einrichtung 100 nicht dafür ausgelegt ist, sowohl nicht spezifikationskonformen Strom von der Batterie 106 zu akzeptieren als auch geeigneten Strom an die anderen Komponenten (beispielsweise das Display 102 oder die Benutzereingabeknöpfe 104) der Einrichtung 100 zu liefern.
Beide Zustände sind in den 1A–C dargestellt, bei denen die Einrichtung 100N in der Lage ist, ihre Funktionen (wie etwa das Anzeigen des Bilds 108) auszuführen, weil beispielsweise die Einrichtung eine neue oder spezifikationskonforme Batterie 106N enthält. Währenddessen ist die Einrichtung 100D so dargestellt, daß sie nicht in der Lage ist, ihre Funktionen auszuführen (wie etwa das Anzeigen des Bilds 108), entweder weil die Batterie 106D entladen ist oder anderweitig nicht spezifikationskonform ist. Ein ähnliches Ergebnis kann eintreten, wenn der Benutzer eine Batterie 106 eines anderen Typs verwenden als den, für den die Einrichtung 100 ausgelegt war (selbst wenn dieser Typ ähnliche Spezifikationen aufweist). 1B zeigt ein bestimmtes, durch eine nicht spezifikationskonforme Batterie 106D bewirktes Ergebnis anhand einer Störung 110 auf dem Display 102.
Zudem trachten Hersteller von vielen Arten von Einrichtungen 100 danach, Einrichtungen 100 anzubieten, die mit einer großen Palette von Typen, Technologien, Modellen usw. für die Batterie 106 kompatibel sind. Die Batterietechnologie entwickelt sich auch weiter, und Batterien von verschiedenen Typen erscheinen auf dem Markt und verschwinden. Das Ergebnis dieser Änderungen sowie anderer besteht darin, daß viele Einrichtungshersteller versuchen, ihre Einrichtungen 100 so auszulegen, daß sie einen großen Bereich von Batteriecharakteristiken und insbesondere einen großen Bereich von Batteriespannungen berücksichtigen. Dementsprechend suchen diese Hersteller nach Stromversorgungen, die Strom trotz Variationen bei der Eingangsspannung von den verschiedenen Batterien 106, mit denen die Einrichtungen 100 verwendet werden könnten, mit einer konsistenten und zuverlässigen Spannungen liefern. Oftmals verwenden diese Stromversorgungen Schalttopologien, bei denen die Schalter in der Form einer H-Brücke angeordnet sind, wobei eine Induktionsspule zwischen den beiden Halbbrücken der H-Brücke und einem Kondensator am Ausgang plaziert ist. Die Schalter werden dazu verwendet, Energie in der Induktionsspule zu speichern und diese Energie an den Ausgangskondensator zur Lieferung an die Last, die die Einrichtung 100 darstellt, freizugeben.
2 ist ein Schemadiagramm eines Schaltwandlers von einigen Ausführungsformen. Die Einrichtungen 100 (von Figuren 1A–C) enthalten oftmals einen Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltwandler 200 (DC zu DC), um von einer Batterie 206 (oder anderen Stromversorgung) gelieferten Strom zur Zufuhr zu den verschiedenen Komponenten der Einrichtungen 100 zu konditionieren. Somit wählen die Einrichtungshersteller die Ausgangsspannung Vout gemäß den Erfordernissen der jeweiligen involvierten Einrichtung 100. Die von einer bestimmten Batterie 206 gelieferte Eingangsspannung könnte deshalb entweder höher oder niedriger liegen als die ausgewählte Ausgangsspannung Vout des jeweiligen involvierten Schaltwandlers 200.
Der Schaltwandler 200 enthält einen Controller 212, einen Buck-Zweig 214 und einen Boost-Zweig 216, wobei letzterer den beiden Halbbrücken der zuvor erörterten H-Brücke entspricht. Allgemein manipuliert der Controller 212, der zusätzlich zu einem Rückkopplungsweg einen Vorwärtskopplungsweg enthalten kann, die Schalter SW1–4 derart, daß der Buck-Zweig 214 allgemein die Ausgangsspannung Vout des Schaltwandlers 200 bezüglich der Ausgangsspannung des Hauptenergielieferanten (wie etwa einer Batterie 206) senkt. Im Gegensatz dazu erhöht der Betrieb des Boost-Zweigs 216 im allgemeinen Ausgangsspannung Vout. Indem der Buck-Zweig 214 und der Boost-Zweig 216 in Verbindung miteinander verwendet werden, hält der Controller 212 trotz Variationen bei der von der jeweiligen Batterie 206 gelieferten Eingangsspannung Vin eine konsistente und zuverlässige Ausgangsspannung Vout auf dem ausgewählten Pegel aufrecht.
Gemäß der Frage, ob die Eingangsspannung Vin höher ist oder niedriger ist als die ausgewählte Ausgangsspannung Vout, variiert somit der Controller 212 die Tastverhältnisse der Schalter SW1–4 (und somit des Buck-Zweigs 214 und des Boost-Zweigs 216). Insbesondere betätigt der Controller 212 die Schalter SW1–4 derart, daß beispielhaft, 1) wenn die Schalter SW1 und SW4 geschlossen sind oder SW1 und SW3 geschlossen sind und Vout kleiner ist als Vin, der Magnetfluß sich in der Induktionsspule L aufbaut und er auch an den Ausgang in dem zweiten Fall geliefert wird, oder 2) wenn SW2 und SW3 (oder SW1 und SW3) geschlossen sind, Strom an den Ausgangskondensator C und somit den Ausgang geliefert wird. Zudem verwendet der Controller 212 bei vielen Anwendungen ein Impulsbreitenmodulationsverfahren (PWM) mit einer Festmodus(Buck/Boost-)Wechselfrequenz, um die Änderungen zwischen dem, daß die Schalter SW1 und SW4 (oder SW3) und daß die Schalter SW2 und SW3 (oder SW1 und SW3) geschlossen sind, zu steuern. Diese Festmodus-Wechselfrequenz kann derart gewählt werden, daß sie in dem Spektrum ausreichend weit weg von jenen Frequenzen liegt, die rauschempfindliche Schaltungen (d. h. einige Lasten) beeinflussen könnten, die an den Ausgang des Schaltwandlers 200 angeschlossen sind.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 leiden die H-Brücken-Wandler aus mindestens zwei Gründen an Verlust oder Ineffizienz. Einer ergibt sich aus resistiven Komponenten in dem Schaltwandler 200, bei denen es schwierig ist, sie weiter zu minimieren, als die Technik dies bereits getan hat. Die andere Quelle von Verlust ergibt sich aus der häufigen Schaltaktivität der Schalter SW1–4, die sowohl sogenannte Schaltverluste verursacht (die auftreten, wenn während der Schaltphase ein Zustand mit Hochspannung und Starkstrom an dem Schaltelement vorliegt) als auch kapazitive Verluste (aufgrund der mit den schaltenden Einrichtungen assoziierten geladenen und entladenen parasitären Kapazität). Gemäß der vorliegenden Offenbarung jedoch ist es möglich, die Schalter SW1–4 auf unterschiedliche Weisen zu betreiben, um jene Verluste zu minimieren, indem die Gesamtschaltaktivität auf geeignete Weise begrenzt wird, so daß nicht alle der vier Schalter während eines einzelnen Stromwandlungszyklus betätigt werden.
Beispielsweise kann der Controller 212, während der Buck-Zweig 214 arbeitet (SW1 und SW2 schalten), SW4 offen halten und kann Schalter SW3 geschlossen halten. Zusätzlich kann der Controller, während der Boost-Zweig 216 arbeitet (Schalter SW3 und SW4 schalten), den Schalter SW1 geschlossen und SW2 offen halten. Auf diese Weise ist es möglich, entweder höhere Eingangsspannungen Vin in niedrigere umzuwandeln (Buck-Modus) oder niedrigere Eingangsspannungen Vin in höhere (Boost-Modus). Der Controller 212 kann die komplette 4-Schalter-Operation (Buck-Boost-Modus entweder mit den Schaltern SW1–2 geschlossen/SW3–4 offen oder umgekehrt) für Situationen reservieren, bei denen die Eingangsspannung Vin innerhalb eines geeigneten Bereichs der gewünschten Ausgangsspannung Vout liegt. Der geeignete Bereich ist dadurch definiert, daß er ein Bereich ist, in dem die Tastverhältnisse für den Buck- und Boost-Modus nahe an ihren Maximums oder ihren Minimums liegen würden, um eine zufriedenstellende Regelung der Ausgangsspannung Vout zu liefern. Mit anderen Worten, wenn die Differenz zwischen der Eingangsspannung Vin und der gewählten Ausgangsspannung Vout relativ klein ist, kann der Controller 212 zu einer 4-Schalter-Operation zurückkehren, um die Ausgangsspannung Vout auf zufriedenstellende Weise zu regeln. Folglich erfreut sich der Schaltwandler 200mindestens während jener Zeiten einer verbesserten Effizienz in Folge des Reduzierens von Schaltverlusten, wenn der Controller 212 entweder den Buck- oder Boost-Modus verwendet (wenn die Eingangsspannung Vin ausreichend weit von der ausgewählten Ausgangsspannung Vout entfernt ist) und somit nur zwei Schalter betätigt werden.
Indem jedoch auf die vorausgegangene Weise (oder in anderen ähnlichen Arbeitsmodi) gearbeitet wird, würde der Controller 212 immer dann relativ große Änderungen bei den Tastverhältnissen des Buck-Zweigs 214 und des Boost-Zweigs 216 auferlegen müssen, wenn er zwischen Buck- und Boost-Modus umschaltet. Diese relativ großen Schrittänderungen bei den Buck- und Boost-Tastverhältnissen könnten dynamische Regelungsherausforderungen für den Controller 212 darstellen. Dieses Ergebnis könnte sich einstellen, weil die Zeitkonstante des gesamten Systems (des Schaltwandlers 200 und seiner Last) zu relativ großen Abweichungen der Ausgangsspannung Vout von der ausgewählten Ausgangsspannung führen könnte. Verschiedene hierin offenbarte Ausführungsformen liefern Strategien, Systeme, Verfahren und Techniken zum Steuern der Schaltwandler 200, um Schaltverluste zu minimieren, während gleichzeitig zufriedenstellende instationäre Antwortcharakteristiken bereitgestellt werden.
Insbesondere liefern hierin offenbarte Ausführungsformen Verfahren zum Steuern von Schaltwandlern 200 gemäß der Größe der Eingangsspannung Vin. Einige dieser Verfahren bewerkstelligen das Schalten durch direktes Prüfen der Eingangsspannung, während es andere Verfahren bewerkstelligen, indem sie die Eingangsspannung Vin indirekt prüfen. Beispielsweise könnte die Eingangsspannung Vin indirekt geprüft werden, indem die Tastverhältnisse des Buck-Zweigs 214 und/oder des Boost-Zweigs 216 überwacht werden, um zu bestimmen, ob sich das eine oder andere Tastverhältnis einem ausgewählten Schwellwert nähert. Das heißt, während die Tastverhältnisse des Buck-Zweigs 214 und des Boost-Zweigs 216 als Ausgänge des Controller 212 verstanden werden könnten, besteht ein Aspekt von verschiedenen Ausführungsformen darin, daß der Controller 212 seine eigenen Ausgänge (das Buck-Modus- und Boost-Modus-Tastverhätnis) als Eingänge verwendet, um zu bestimmen, ob zwischen Buck-Modus und Boost-Modus gewechselt werden soll. Ein Vorteil bei dieser Vorgehensweise besteht darin, daß der Controller 212 unabhängig von dem direkten Überwachen der Eingangsspannung bestimmen kann, ob er gesättigt ist oder wird.
Außerdem liefern einige Ausführungsformen Verfahren und Vorrichtungen zum Wechseln zwischen Buck-Modus- und Boost-Modus-Steuerung (oder umgekehrt) auf „stoßfreie” Weise. Bei solchen stoßfreien Übergängen erfährt die Ausgangsspannung Vout keine signifikanten Abweichungen von ihrem gewählten Wert. Viele dieser Verfahren können mit unterschiedlichen Stromwandlungstopologien, Schaltanordnungen usw. verwendet werden. Zudem kann der Wechsel zwischen Buck-Modus- und Boost-Modus-Steuerung bei verschiedenen Frequenzen bewerkstelligt werden, die unter der oder den Schaltfrequenzen liegen, die mit den individuellen Schaltern SW1–4 oder Kombinationen davon assoziiert sind.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 definieren die Gleichungen 1 und 2 die Tastverhältnisse des Buck-Zweigs 214 und des Boost-Zweigs 216 für einen theoretischen oder verlustfreien Schaltwandler 200, der in einem kontinuierlichen Leitungsmodus arbeitet. Buck-Tastverhältnis = Vout/Vin Gleichung 1 Boost-Tastverhältnis = (Vout – Vin)/Vin Gleichung 2
Dementsprechend bewirkt der Controller, daß sich das Buck-Tastverhältnis 100% annähert, wenn Variationen bei der Eingangsspannung Vin (und/oder der Ausgangsspannung Vout) eine Abnahme der Eingangsspannung zu der Ausgangsspannung verursachen. Dabei bewirkt der Controller, sollten solche Variationen eine Zunahme der Eingangsspannung Vin zu der Ausgangsspannung verursachen, daß sich das Boost-Tastverhältnis 0% annähert. Somit reduziert der Controller 212 das Buck-Tastverhältnis und erhöht das Boost-Tastverhältnis, wenn die Eingangsspannung abfällt (wie etwa, wenn sich die Batterie 206 zu entladen beginnt).
Wenn das Buck-Tastverhältnis ungefähr gleich 100% ist oder höher (Schalter SW1 ist fast immer geschlossen), beginnt der Controller 212 im Boost-Modus mit einem relativ kurzen (nahe 0%) Boost-Tastverhältnis zu steuern. Falls umgekehrt das Boost-Tastverhältnis sich 0% annähert, beginnt der Controller 212 mit einem relativ hohen Buck-Tastverhältnis von 100% im Buck-Modus zu steuern. Wenn die Eingangsspannung Vin durch die gewählte Ausgangsspannung Vout abnimmt, geht allgemein der Controller 212 von hohen Buck-Tastverhältnissen zu kleinen Boost-Tastverhältnissen über. Auch das Gegenteil gilt. Wenn die Eingangsspannung Vin durch die ausgewählte Ausgangsspannung Vout zunimmt, geht im allgemeinen der Controller 212 von kleinen Boost-Tastverhältnissen zu hohen Buck-Tastverhältnissen über. Zudem bewerkstelligt der Controller 200, wie hierin offenbart, diese Übergänge nahtlos mit wenig oder keiner Abweichung der Ausgangsspannung Vout von dem ausgewählten Ausgangsspannungspegel.
Wenngleich bei der vorausgegangenen Erörterung angenommen wurde, daß der Schaltwandler 200 verlustfrei war, gelten ähnliche Überlegungen für Systeme, die resistive (sowie andere) Verluste und/oder Lasten enthalten. Um Schaltwandler 200 zu berücksichtigen, die zufälligerweise Verluste enthalten, kann der Controller 212 ein Boost-Tastverhältnis ansteuern, das größer ist als das, das erforderlich ist, um einen verlustfreien Schaltwandler 200 zu betreiben. Somit kann der Controller 212 in Situationen, bei denen der Controller 212 vom Buck- zum Boost-Modus übergeht (wie etwa, wenn die Eingangsspannung zu der Ausgangsspannung abnimmt), die Schalter SW1–4 derart ansteuern, daß das Boost-Tastverhältnis selbst dann größer als 0% ist, wenn das Buck-Tastverhältnis etwa gleich 100% oder vielleicht sogar unter 100% wäre. Beispielsweise könnte der Controller 212 ein Boost-Tastverhältnis bewirken, das dem idealen Boost-Tastverhältnis entspricht, aber einen positiven Offset oder ein Bias enthält, das von der Ausgangsspannung Vout abhängt oder dazu ausgewählt ist, diese zu verstärken, um den durch die Verluste und/oder Lasten verursachten Spannungsabfall zu berücksichtigen.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 2 enthält der Controller 212 von einigen Ausführungsformen einen Tastverhältnis-Erfassungsabschnitt 218. Der Tastverhältnis-Erfassungsabschnitt 218 kann das Schalten von verschiedenen Kombinationen der Schalter SW1–4 überwachen, um zu bestimmen, wann der Controller 212 jene verschiedenen Kombinationen von Schaltern SW1–4 schaltet, und aus diesen Informationen Rückschlüsse darauf zu ziehen, ob der Controller 212 im Buck- oder Boost-Modus (oder sogar im Buck-Boost-Modus) arbeitet. Zudem kann der Tastverhältnis-Erfassungsabschnitt 218 bestimmen, wann innerhalb eines Buck-Modus-Steuerzyklus oder eines Boost-Modus-Steuerzyklus der Abschnitt des Steuerzyklus, während dessen der Controller 212 die Schalter der jeweiligen Zweige 214 und 216 in einem statischen Zustand hält, und der komplementäre Abschnitt des Steuerzyklus, während dessen der Controller einen (oder mehrere) der Schalter zwischen Zuständen umschaltet. Beispielsweise könnte der Tastverhältnis-Erfassungsabschnitt 218 die Zustände der Schalter SW1–4 überwachen oder könnte den Betrieb des Rests des Controllers 212 überwachen, um diese Informationen zu bestimmen. Die überwachten Abschnitte dc_buck und dc_boost der Steuerzyklen werden zurück zum Rest des Controllers gekoppelt und zum Steuern des Schaltwandlers 200 verwendet und werden weiter unter Bezugnahme auf 3 offenbart.
3 ist ein Zeitsteuerdiagramm, das mit einem Schaltwandler gemäß bestimmter Ausführungsformen assoziiert ist. Allgemein zeigt 3 mehrere Schaltzustandskurven 302, 304, 306, 308 und 310, von denen jede Steueraktionen darstellt, die von dem Controller 212 getroffen werden, während verschiedene Zustände existieren, die den Schaltwandler 200 von 2 beeinflussen. Beispielsweise zeigt die Schaltzustandskurve 302 eine typische Steueraktion, die bezüglich des hochspannungsseitigen Schalters SW1 des Buck-Zweigs 214 und des niederspannungsseitigen Schalters SW2 des Buck-Zweigs 214 ergriffen wird. Unter den meisten Umständen, wenn die Schaltzustandskurve 302 hoch ist, hält der Controller 212 den hochspannungsseitigen Schalter SW1 des Buck-Zweigs 214 in seiner geschlossen Position und den niederspannungsseitigen Schalter SW2 des Buck-Zweigs 214 in seinem offenen Zustand. Wenn die Schaltzustandskurve 302 niedrig ist, hält der Controller 212 diese Schalter in ihren jeweiligen entgegengesetzten Zuständen. Die Schaltzustandskurven 304 und 308 verwenden eine ähnliche Konvention bezüglich dieser Schalter SW1 und SW2. Außerdem verwenden die Schaltzustandskurven 306 und 310 eine ähnliche Konvention bezüglich der Schalter SW3 und SW4 des Boost-Zweigs 216. Somit zeigen die Schaltzustandskurven 304 und 308, daß der Controller 212 die Schalter SW3 und SW4 des Boost-Zweigs 216 in ihren jeweiligen geschlossenen und offenen Zuständen hält, wenn diese Schaltzustandskurven 304 und 308 hoch sind. Wenn die Schaltzustandskurven 304 und 308 niedrig sind, dann hält der Controller 212 die Schalter SW3 und SW4 des Boost-Zweigs 216 in ihren jeweiligen entgegengesetzten Zuständen. Wie in der vorausgegangenen Erörterung angedeutet wurde, gibt es bestimmte Ausnahmen für den komplementären Betrieb der Schalter SW1 und SW2 des Buck-Zweigs 214 (und übrigens auch die Schalter SW3 und SW4 des Boost-Zweigs 216), wie sie hierin näher erörtert werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf die Schaltzustandskurve 302 von 3 zeigt die Schaltzustandskurve 302, daß während eines typischen Buck-Modus-Steuerzyklus 312 der Controller 212 den hochspannungsseitigen Schalter SW1 des Buck-Zweigs 214 während eines bestimmten Abschnitts dc_buck des Steuerzyklus 312 schließt. Dieser Abschnitt dc_buck des Buck-Steuerzyklus 312 wird im folgenden als das Buck-Tastverhältnis dc_buck bezeichnet, da es das Tastverhältnis des hochspannungsseitigen Schalters SW1 des Buck-Zweigs 214 widerspiegelt. Während des komplementären Abschnitts dc_buck des Buck-Steuerzyklus 312 schließt der Controller 212 den niederspannungsseitigen Schalter SW2 des Buck-Zweigs 214.
Wenn das Tastverhältnis dc_buck zunimmt (Vin nimmt zu Vout ab), nimmt dementsprechend der Abschnitt dc_buck' (während dessen der niederspannungsseitige Schalter SW2 des Buck-Zweigs 214 geschlossen ist) ab und umgekehrt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Betrieb der Schalter SW3 und SW4 des Boost-Zweigs 216 (während der Controller 212 im Boost-Modus arbeitet und Vin zu Vout zunimmt) ähnlich dem der Schalter SW1 und SW2 des Buck-Zweigs (während der Controller 212 im Buck-Modus arbeitet).
Die Schaltzustandskurve 304 von 3 zeigt zusätzliche Aspekte des Betriebs des Schaltwandlers 200 der vorliegenden Ausführungsform. Insbesondere zeigt der Pfeil 314, daß, wenn die den Schaltwandler 200 beeinflussenden Zustände variieren, auch das Buck-Tastverhältnis dc_buck variiert. In dem durch Pfeil 314 gezeigten besonderen Fall reagiert der Controller 212 auf einen gewissen Zustand durch Vergrößern des Buck-Tastverhältnisses dc_buck. Noch einmal kann der Controller 212 auf ähnliche Weise bezüglich der Schalter SW3 und SW4 des Boost-Zweigs 216 arbeiten, während er im Boost-Modus arbeitet.
Zu irgendeinem Zeitpunkt könnte es nun dazu kommen, daß Zustände existieren, die bewirken, daß der Controller 212 zwischen dem Arbeiten im Buck-Modus und dem Arbeiten im Boost-Modus umschaltet. Dazu kommt es in der Regel, wenn die Batterie 206 (siehe 2) zu einem Punkt entlädt, bei dem ihre Versorgungsspannung (die Eingangsspannung Vin des Schaltwandlers 200) auf etwa den gleichen Wert wie die ausgewählte Ausgangsspannung Vout des Schaltwandlers 200 abfällt. Es existieren jedoch viele andere derartige Zustände, und deshalb beschränkt der vorausgegangene Zustand nicht den Schutzbereich der Offenbarung. In jedem Fall bestimmt der Controller 212, daß diese Zustande einen Wechsel von der Buck-Modus-Steuerung zur Boost-Modus-Steuerung wünschenswert machen.
Viele dieser Zustande können direkt erfaßt werden, indem (beispielsweise) die Eingangsspannung Vin mit der gewählten Ausgangsspannung verglichen wird oder indem die tatsächliche Ausgangsspannung Vout mit der gewählten Ausgangsspannung verglichen wird. Beide Fälle stellen direkte Spannung-Spannung-Vergleiche dar, und der Controller 212 kann eine der beiden derartigen direkten Steuerstrategien bewerkstelligen. Erwähnenswert könnte auch sein, daß der erstere Fall eine Form einer Vorwärtsregelung ist, wohingegen der letztere Fall einen Fall einer Rückführungsregelung darstellt.
Außerdem oder als Alternative kann der Controller 212 eine (oder mehrere) von vielen indirekten Steuerstrategien implementieren. Beispielsweise kann der Controller 212 das Buck-Tastverhältnis dc_buck überwachen. Wenn das Buck-Tastverhältnis dc_buck zu einem bestimmten gewählten Schwellwert 315 ansteigt, kann der Controller 212 (ungeachtet des Werts der Eingangsspannung Vin und/oder der Ausgangsspannung Vout) von der Buck-Modus-Steuerung zur Boost-Modus-Steuerung umschalten. Tatsächlich kann der Schwellwert 315 so gewählt werden, daß er sich auf einem bestimmten Pegel befindet, was anzeigt, daß ein bestimmter Zustand den Controller 212 sättigt, während er im Buck-Modus arbeitet. Interessanterweise kann der Controller 212durch Überwachen des Buck-Tastverhältnisses dc_buck das Einsetzen seiner eigenen Sättigung detektieren (wie dadurch angegeben, daß sich das Buck-Tastverhältnis dc_buck 100% oder einem bestimmten anderen gewählten Schwellwert 315 annähert). Solche beginnenden Sättigungszustände können von dem Controller 212 verwendet werden, um Steuermodi unabhängig von der Eingangsspannung Vin, der Ausgangsspannung Vout und beliebigen anderen derartigen direkten Anzeigen zu wechseln.
Somit kann der Controller 212, wenn das Buck-Tastverhältnis dc_buck dies anzeigt, von der Buck-Modus-Steuerung zur Boost-Modus-Steuerung wechseln. Zusätzlich oder als Alternative könnte der Controller 212 den komplementären Abschnitt dc' des Buck-Tastverhältnisses 312 als eine Anzeige dafür verwenden, wann zwischen Steuermodi gewechselt wird. In solchen Situationen würde der komplementäre Abschnitt dc_buck' zu einem bestimmten Schwellwert abnehmen (vielleicht nahe 0%). Wenn der Controller 212 im Boost-Modus arbeitet, kann er zudem ähnliche Anzeigen des Boost-Tastverhältnisses dc_boost (und/oder des komplementären Abschnitts dc_boost' des Boost-Steuerzyklus) verwenden, um zu bestimmen, wann er zwischen Steuermodi wechselt.
Ungeachtet dessen, welche Anzeige der Controller 212 verwendet, um zu bestimmen, daß ein Wechsel von Steuermodi wünschenswert sein kann, zeigt 3 eine Möglichkeit, wie der Controller 212 vom Buck-Modus zum Boost-Modus wechseln kann. Insbesondere zeigen die Schaltzustandskurven 304 und 306 einen Wechsel vom Buck-Modus zum Boost-Modus zwischen den Steuerzyklen 318 und 320. Während des Buck-Tastverhältnisses dc_buck des ersten Steuerzyklus 318 (der Steuerzyklus vor dem Wechsel des Steuermodus) arbeitet der Controller 212 im Buck-Modus, wobei der hochspannungsseitige Schalter SW1 des Buck-Zweigs 214 geschlossen ist, der niederspannungsseitige Schalter SW2 des Buck-Zweigs 214 offen ist, der hochspannungsseitige Schalter SW3 des Boost-Zweigs 216 geschlossen ist und der niederspannungsseitige Schalter SW4 des Boost-Zweigs 216 offen ist. Diese Schaltzustände sind durch die Schaltzustandskurven 304 und 306 dargestellt. Wegen wechselnder Zustände in dem Schaltwandler 200 jedoch hält der Controller 212 den hochspannungsseitigen Schalter SW1 des Buck-Zweigs 214 für zunehmend längere Zeitperioden geschlossen. Schließlich hält der Controller 212 den hochspannungsseitigen Schalter SW1 des Buck-Zweigs 214 offen, bis der Schwellwert 315 erreicht ist.
Tatsächlich können diese gleichen Zustände dazu geführt haben, daß die Buck-Modus-Steuerung die Ausgangsspannung Vout nicht länger zufriedenstellend auf dem gewählten Pegel halten kann. Somit bestimmt bei einem bestimmten Steuerzyklus 320 der Controller 212, daß der Schwellwert 315 erreicht worden ist, und hält dementsprechend in diesem bestimmten Zyklus den hochspannungsseitigen Schalter SW1 des Buck-Zweigs 214 geschlossen und den niederspannungsseitigen Schalter SW2 des Buck-Zweigs 214 offen. Somit gibt es einen kurzen Impuls (den komplementären Abschnitt dc_buck' des Buck-Steuerzyklus 318), während dessen der Controller 212 den hochspannungsseitigen Schalter SW1 des Buck-Zweigs 214 immer noch geschlossen hält, während der gleiche Impuls dc_buck' den Schalter SW4 anstatt SW2 schließt, der offen gehalten wird. Auf diese Weise wird nach dem Modenwechsel ein kurzer Boost-Zyklus bewerkstelligt.
Wie hierin an anderer Stelle angemerkt, verwendet der Controller 212 diesen kurzen Impuls dc_buck' als eine erste Approximation der Zeitdauer, während derer er den hochspannungsseitigen Schalter SW3 des Boost-Zweigs 216 offen halten wird (und den niederspannungsseitigen Schalter SW4 des Boost-Zweigs 216 geschlossen halten wird), um die Ausgangsspannung Vout während des ersten Steuerzyklus 320 der Boost-Modus-Steuerung zu steuern. Die veranschaulichende Linie 316 zeigt diese Beziehung zwischen dem komplementären Abschnitt dc_buck' des Buck-Modus-Steuerzyklus 318, der praktisch zu dem dc_boost-Abschnitt des Boost-Tastverhältnisses des Boost-Modus-Steuerzyklus 320 wurde.
Während Steuerzyklen nach dem ersten Boost-Modus-Steuerzyklus 320 arbeitet der Controller 212 in der Regel im Boost-Modus, da Zustände in dem Schaltwandler 212 relativ stetig bleiben oder sich in einigen Fällen weiter entwickeln. Wenn die Batterie 206 (siehe 2) sich tatsächlich weiter entlädt, ist es wahrscheinlich, daß der Controller 212 bestimmt, daß der hochspannungsseitige Schalter SW3 des Boost-Zweigs 216 für zunehmend längere Boost-Tastverhältnisse dc_boost dieser nachfolgenden Boost-Modus-Steuerzyklen offen gehalten werden sollte. Dementsprechend zeigt Pfeil 322 die Zunahme bei dem Boost-Tastverhältnis dc_boost dieser nachfolgenden Boost-Modus-Steuerzyklen. Somit zeigen die Schaltzustandskurven 304 und 306, daß der Controller 212 einen Steuermoduswechsel vom Buck-Modus zum Boost-Modus zwischen den Steuerzyklen 318 und 320 ausgeführt hat.
Weiterhin tat der Controller 212 dies, ohne Wechsel bei dem Buck- oder Boost-Tastverhältnis dc_buck oder dc_boost mit großen Stufen zu bewirken. Das heißt, der hochspannungsseitige Schalter SW1 des Buck-Zweigs 214 wurde während des größten Teils des Buck-Steuerzyklus 318 und während des ganzen Boost-Steuerzyklus 320 geschlossen gehalten. Analog wurde der hochspannungsseitige Schalter SW3 des Boost-Zweigs 216 während des ganzen Buck-Steuerzyklus 318 und während des größten Teils des Boost-Steuerzyklus 320 geschlossen gehalten. Zudem kann der Controller 212 auf ähnliche Weise einen Steuermodenwechsel vom Boost-Modus zum Buck-Modus implementieren.
Die Schaltzustandskurven 308 und 310 des Zeitsteuerdiagramms 300 zeigen ein weiteres mögliches Verfahren zum Ausführen eines Steuermoduswechsels ohne große schalterbasierte Tastverhältnisveränderungen (und die entsprechende Möglichkeit von signifikanten Abweichungen der Ausgangsspannung Vout). Insbesondere zeigen die Schaltzustandskurven 308 und 310, daß der Controller 212 während der Steuerzyklen 324 und 326 einen Steuermoduswechsel vom Buck-Modus zum Boost-Modus ausführt. Die anfänglichen Zustände während des Buck-Modus-Steuerzyklus 324 und des komplementären Abschnitts dc_boost' des Boost-Modus-Steuerzyklus 326 sind ähnlich den Zuständen während des Buck-Modus-Steuerzyklus 318 und während des Abschnitts des Boost-Tastverhältnisses dc_boost des Boost-Modus-Steuerzyklus 320, wie oben erörtert.
Ein Unterschied zwischen dem Steuermoduswechsel zwischen Steuerzyklen 324 und 326 und dem Steuermoduswechsel zwischen Steuerzyklen 318 und 320 besteht darin, daß der Übergang von einem Modus zu einem anderen und das verwandte Verändern von dc_buck' in dc_boost (oder dc_boost' in dc_buck) schließlich um eine gewisse Anzahl von Zyklen verzögert werden könnte (beispielsweise in 3 ein Zyklus).
Weil der komplementäre Abschnitt dc_buck' des letzten Buck-Modus-Steuerzyklus 324 (vor dem Steuermoduswechsel) den Abschnitt des Boost-Tastverhältnisses dc_boost des ersten Boost-Modus-Steuerzyklus 326 approximiert (nach dem Steuermoduswechsel), kann der Controller 212 diesen komplementären Abschnitt dc_buck' des letzten Buck-Modus-Steuerzyklus 324 als ein Signal zum Ansteuern der Boost-Modus-Schalter SW3 und SW4 verwenden, wie durch die veranschaulichende Linie 328 gezeigt. Somit kann ein mit dem Buck-Zweig 214 assoziiertes Tastverhältnis (des hochspannungsseitigen Schalters SW1 des Buck-Zweigs 214) dazu verwendet werden, zu bestimmen, wann ein Wechsel zwischen Steuermodi auszuführen ist, und kann zum Ansteuern der Schalter SW3 und/oder SW4 des Boost-Zweigs 216 (zumindest während Zeiten nahe Steuermodiwechseln) verwendet werden. Wiederum können ähnliche Verfahren verwendet werden, um von der Boost-Modus- zur Buck-Modus-Steuerung umzuschalten. Außerdem minimieren die vorausgegangenen Verfahren zum Wechseln von Steuermodi des Schaltwandlers 200 die mit dem Betrieb des Schaltwandlers 200 assoziierten Schaltverluste und minimieren dabei auch Variationen bei der Ausgangsspannung Vout.
Bei einigen Ausführungsformen bestimmt der Controller 212 auch, ob den Betrieb des Schaltwandlers 200 beeinflussende Zustände sich zwischen benachbarten Steuerzyklen 324 und 326 (oder 318 und 320) verändert haben, während denen ein Steuermoduswechsel ausgeführt wurde. Dazu bestimmt der Controller 212, ob der Moduswechselschwellwert 315 wieder gekreuzt wurde. Mit anderen Worten vergleicht der Controller 212 das Buck-Tastverhältnis dc_buck des Steuerzyklus 324 (unmittelbar vor dem Steuermoduswechsel) und das Boost-Tastverhältnis dc_boost des Steuerzyklus 326 (unmittelbar nach dem Steuermoduswechsel) mit ihren verwandten Moduswechselschwellwerten 315, um zu bestimmen, ob jene Abschnitte der Steuerzyklen 324 und 326 anzeigen, daß den Schaltwandler 200 beeinflussende Zustände sich geändert haben. Bei einigen Ausführungsformen prüft der Controller 212 das Boost-Tastverhältnis dc_boost in einem oder mehreren zusätzlichen Boost-Steuerzyklen nach dem Steuermoduswechsel. Solche Wechsel bei den Tastverhältnissen können beispielsweise auftreten, wenn eine Rückkopplung von der Ausgangsspannung Vout bewirkt, daß der Controller 212 die Tastverhältnisse der Schalter SW3 und SW4 des Boost-Zweigs 216 nach dem Steuermoduswechsel abändert.
Wenn die erfaßte Veränderung bei dem Boost-Tastverhältnis dc_boost anzeigt, daß der Controller 212 zum vorherigen Steuermodus zurück wechseln sollte (d. h. dem Steuermodus, der in dem vorausgegangenen Steuerzyklus 324 ausgeführt wurde), dann ist es wahrscheinlich, daß der Controller 212 zu diesem vorausgegangenen Steuermodus zurück wechseln kann, ohne bei der Ausgangsspannung Vout eine wahrnehmbare Abweichung zu erzeugen. Dieses Ergebnis tritt mit größerer Wahrscheinlichkeit auf, wenn die mit dem Schalten der Schalter SW1–4 assoziierte Schaltfrequenz viel höher ist als die Zeitkonstante des Systems. Weil dieser Zustand üblicherweise vorherrscht, ist dieses Szenarium üblicherweise gutartig, und falls nicht, dann von recht temporärer Natur (es könnte einmal auftreten, wobei der Ausgangskondensator den Ausgang glättet, und dann erscheint es nicht wieder).
Sollte die Veränderung bei der Dauer des Boost-Tastverhältnisses dc_boost statt dessen zugunsten des Steuermoduswechsels sprechen, der zwischen den Steuerzyklen 324 und 326 (oder 318 und 320) auftrat, dann kann der Controller 212 weiterhin in diesem Steuermodus arbeiten. Dieses Ergebnis ist so, weil eine derartige Änderung bei Zuständen den Fall dafür stärkt, weiterhin in dem neuen Steuermodus zu arbeiten, und spricht somit dafür, dies in der Richtung zu tun, die bereits bewerkstelligt wurde. Somit ergreift der Controller 212 bereits die entsprechende Aktion (d. h. Wechseln der Steuermodi).
Es können jedoch Zustände in dem Schaltwandler 200 entstehen, bei denen der Controller 212 bestimmt, daß ein Wechsel zwischen Steuermodi wiederholt angezeigt wird. Mit anderen Worten kann der Controller 212 einen entsprechenden Steuermodus jagen, den er für die Zustände verwendet, die ihm von Augenblick zu Augenblick erscheinen. Beispielsweise könnte die Eingangsspannung Vin um den Wert herum schweben, den der Controller 212 verwendet, um zu bestimmen, ob er die Buck-Modus- oder Boost-Modus-Steuerung verwenden soll. Alternativ oder zusätzlich könnte die Ausgangsspannung Vout oder die Last an dem Schaltwandler 200 auf eine bestimmte ähnliche Weise variieren. Um ein derartiges, sich wiederholendes Schalten zu verhindern, das sogenannte Grenzzyklen starten kann, kann der Controller 212 entweder eine Hysterese für die Moduswechselschwellwerte 315 oder eine Zeitverzögerung zwischen den Wechseln von Steuermodi oder beide implementieren. Die Hysterese kann die Empfindlichkeit gegenüber Rauschen und kleinen Variationen herabsetzen, und die Zeitverzögerung kann dahingehend arbeiten, daß sie das Stabilisieren von Zuständen innerhalb des Schaltwandlers 200 oder zumindest das Eliminieren eines Teils der Steuermodiänderungen, die anderweitig auftreten könnten, gestattet.
Der Controller 212 kann auch andere Situationen berücksichtigen, indem er gleichzeitig eine Lösung für häufige Moduswechsel zwischen Zyklen anbietet. Beispielsweise könnten einige Lasten, mit denen der Schaltwandler 200 verwendet werden könnte, gegenüber der Frequenz empfindlich sein, mit der der Controller 212 zwischen Steuermodi wechselt. Diese Empfindlichkeit könnte eintreten, weil eine bestimmte Energiemenge mit der Steuermoduswechselfrequenz assoziiert ist. Diese Energie liegt, falls sie nicht gefiltert wird, in der Stromausgabe durch den Schaltwandler 200 oftmals mit sogenannten Grenzzyklen vor. Falls eine bestimmte Last gegenüber der Steuermoduswechselfrequenz (Grenzzyklusfrequenz) empfindlich ist, könnte die damit assoziierte Energie die jeweilige Last beeinflussen. Dementsprechend werden bei einigen Ausführungsformen die Schwellwerte, die mit der Bestimmung assoziiert sind, ob Steuermodi gewechselt werden sollen, randomisiert (oder gedithert). Somit kann ein Dithern des Schwellwerts 315 um einen gewissen kleinen Betrag zwischen Steuerzyklen 312 veranlaßt werden. Das Dithern hat den Effekt, den Steuermoduswechsel bei einigen Steuerzyklen 312 zu verzögern und den Steuermoduswechsel bei anderen Steuerzyklen 312 zu beschleunigen.
Dementsprechend werden die Wechsel zwischen den Steuermodi randomisiert und die damit assoziierte Energie (mit dem Grenzzyklus assoziierte Energie) wird über einen Teil des Spektrums verteilt. Durch Verteilen der Energie vermeidet der Controller 212 dann, in einem Grenzzyklus eingeschlossen zu werden (indem er sich beispielsweise wiederholt in m Steuerzyklen 312 in einem Modus und dann in n Steuerzyklen in dem anderen Modus findet). Stattdessen eliminiert die Randomisierung des Schwellwerts einen etwaigen Grenzzyklus, der versuchen könnte, innerhalb des Controllers 212 zu entstehen.
Außerdem verteilt die Randomisierung des Schwellwerts 315 die Energie, die mit dem Wechseln der Steuermodi assoziiert ist und die anderweitig in der Ausgangsleistung erscheinen würde (mit der Frequenz, mit der der Controller 212 die Steuermodi wechselt). Statt dessen erscheint die Energie als ein Zufallsrauschen auf einem Pegel, der ausreichend niedrig ist, daß er mit dem Ausgang verbundene Lasten selbst dann nicht beeinflußt, wenn sie gegenüber der Steuermoduswechselfrequenz empfindlich sind. Zudem kann die Randomisierung der Schwellwerte „Noise Shaping”-Techniken oder Rauschformungstechniken (beispielsweise Sigma-Delta-Modulation) verwenden, um weiter die Form zu definieren, in der diese Energie in der Ausgangsleistung erscheint. Gemäß einiger Noise-Shaping-Techniken beispielsweise kann das Dithern (oder andere Abänderungen) an den Schwellwerten so gewählt werden, daß die mit dem Wechsel von Steuermodi assoziierte Energie ganz oder teilweise von Frequenzbändern entfernt wird, die Lasten beeinflussen könnten, die mit dem Ausgang des Schaltwandlers 200 verbunden sind. Das Randomisieren der Schwellwerte kann auch Schwingungen der Ausgangsspannung Vout bei, nahe oder verwandt mit der Frequenz verhindern oder unterdrücken, mit der der Controller 212 Steuerfrequenzen wechselt.
Wenn bei einigen Ausführungsformen ein Nennübergang zwischen Buck-Modus-Steuerung und Boost-Modus-Steuerung bei einem Tastverhältnis des hochspannungsseitigen Schalters. SW1 des Buck-Zweigs 214 von 95% oder größer eintritt, kann dieser Schwellwert von Zyklus zu Zyklus „gedithert” werden. Beispielsweise könnte veranlaßt werden, daß der Schwellwert zufällig zwischen 92% und 98% variiert, um einen mittleren Schwellwert von 95% zu erhalten. Gleichermaßen könnte ein Schwellwert von 5% für das Tastverhältnis dc_boost des Boost-Zweigs 216 zufällig zwischen 2% und 8% ausgewählt werden. Natürlich sind die besonderen Schwellwerte und die besonderen Grade an Randomisierung, die hier vorgelegt werden, lediglich veranschaulichend und nicht beschränkend.
Unter weiterer Bezugnahme auf 3 kann die Bestimmung des Buck-Tastverhältnisses dc_buck, des Boost-Tastverhältnisses dc_boost und ob zwischen Steuermodi umgeschaltet werden soll, in einer relativ einfachen Logik implementiert werden. D. h., daß der Controller 212 eine Logik (Software, Hardware, Firmware oder eine Kombination davon) enthalten kann, die detektiert, wann der Controller 212 selbst den Schaltwandler 200 im Buck-Modus oder Boost-Modus ansteuert; Berechnen der Tastverhältnisse davon und Invertieren des oder der Signale, die dem Buck-Tastverhältnis dc_buck und/oder dem Boost-Tastverhältnis dc_boost entsprechen. Die 4–6 zeigen einige Aspekte einer derartigen Logik, während die 7–8 hardwarebasierte analoge Implementierungen einer derartigen Logik zeigen. Zudem können Signale, die die Buck- (und Boost-)Tastverhältnisse dc_buck (und dc_boost) anzeigen, zu dem korrekten Zweig (dem Buck-Zweig 214 oder dem Boost-Zweig 216) des Schaltwandlers 200 mit entsprechenden Multiplexern oder einer anderen Logik geschickt werden. Während die vorausgegangene Offenbarung einen Wechsel vom Buck-Modus zum Boost-Modus betraf, folgt ein Umschalten vom Boost-Modus zum Buck-Modus einer ähnlichen Argumentation wie der hierin offenbarten.
4 ist ein weiteres Zeitsteuerdiagramm, das mit einem Schaltwandler einiger Ausführungsformen assoziiert ist. Das Zeitsteuerdiagramm 400 zeigt den Betrieb eines Schaltwandlers 200 (in einem Impulsbreitenmodulationsverfahren gesteuert), der ein periodisches Trägersignal 404 mit einem Rückkopplungssignal 406 vergleicht, das von der Ausgangsspannung Vout abhängt oder davon abgeleitet ist (d. h. einem Signal, das die Ausgangsspannung Vout zurück zu Controller 212 führt). Die auf das Rückkopplungssignal 406 angewendete Verstärkung und die Parameter (zum Beispiel die Rampenrate und Amplitude) des Sägezahn-Trägersignals 404 sind derart gewählt, daß, wenn das Rückkopplungssignal 406 das Trägersignal kreuzt, das Buck-Tastverhältnis dc_buck endet und der komplementäre Abschnitt dc_buck' des Steuerzyklus 412 beginnt, wie durch das Zeitsteuerdiagramm 400 dargestellt. Wenn der Sägezahn-Träger 404 am Ende eine Steuerzyklus 412 zu Null zurückkehrt, beginnt ein weiteres Buck-Tastverhältnis dc_buck. Bei einigen Ausführungsformen generiert der Controller 212 das periodische Trägersignal 404 und/oder das Rückkopplungssignal 406 unter Verwendung einer analogen Schaltungsanordnung, während der Controller bei anderen Ausführungsformen diese Signale 404 und/oder 406 numerisch über eine digitale Schaltungsanordnung (wie etwa einen Prozessor) bestimmt.
4 zeigt auch eine Situation, bei der die Ausgangsspannung Vout steigt und eine Verstärkung (und ein Vorzeichen) auf das Rückkopplungssignal 406 angewendet wird, so daß, während die Ausgangsspannung Vout ansteigt, das Rückkopplungssignal 406 abfällt (negative Rückkopplung). Folglich tritt der Punkt in dem Steuerzyklus 412, zu dem das Rückkopplungssignal 406 das Trägersignal 404 kreuzt, mit jedem aufeinander folgenden Steuerzyklus 412 früher auf. Somit wird das Buck-Tastverhältnis dc_buck folglich verkürzt und die Ausgangsspannung Vout nimmt zu der gewählten Ausgangsspannung ab und sie wird in der Regelung gehalten. Auf diese Weise nimmt das Rückkopplungssignal 406 zu, während die Ausgangsspannung Vout als Reaktion auf die Steueraktion abnimmt, was bewirkt, daß das Buck-Tastverhältnis dc ansteigt. Die Ausgangsspannung Vout wiederum steigt zurück an zu der ausgewählten Ausgangsspannung. Somit implementiert das durch das Zeitsteuerdiagramm 400 von 4 dargestellte Steuerverfahren eine Spannungsmodusregelung der Ausgangsspannung Vout. Wie hierin mit mehr Spezifizität erörtert wird, könnten auch ein ähnliches Zeitsteuerdiagramm und eine ähnliche assoziierte Schaltungsanordnung bezüglich des Steuerns des Boost-Tastverhältnisses dc_boost implementiert werden.
Der Buck-Steuermodus und der Boost-Steuermodus würden jedoch in entgegengesetzten Richtungen arbeiten, um die Ausgangsspannung Vout zu steuern, wenn das Vorzeichen der Rückkopplungsschleife fest liegt. D. h., um die Ausgangsspannung Vout beim Betrieb im Buck-Modus zu senken, nimmt das Buck-Tastverhältnis dc_buck gemäß der Rückkopplungssteuerung ab. Wenn ein Moduswechsel eingetreten ist, sollte auch das Boost-Tastverhältnis dc_boost abnehmen, um die Ausgangsspannung beim Arbeiten im Boost-Modus zu senken. Die Rückkopplungsschleife, die immer noch das Vorzeichen beibehält, das sie im Buck-Modus aufwies, würde jedoch veranlassen, daß sie tatsächlich steigt. Dementsprechend könnte ein einfaches Vertauschen der Schaltersteuersignale des Buck-Zweigs 214 und des Boost-Zweigs 216 eine Vorzeichenumkehrung in den Controller 212 einführen, was vielleicht je nach anderen Aspekten des Gesamtsystems zu positiven Rückkopplungseffekten und einer Systemfunktionsinstabilität führt. Bei Ausführungsformen, bei denen die Signale entsprechend dem Buck-Tastverhältnis dc_buck und dem Boost-Tastverhältnis dc_boost vertauscht werden und dann zum Ansteuern des Boost-Zweigs 216 bzw. des Buck-Zweigs 214 verwendet werden (d. h., das Buck-Signal steuert den Boost-Zweig 216 an und umgekehrt), wird somit eine Vorzeichenumkehrung in der Rückkopplungsschleife eingeführt, wenn gewünscht ist, mögliche positive Rückkopplungseffekte zu verhindern, die zu einer potentiellen funktionalen Systeminstabilität führen.
Ein Vorwärts-Regelungsverfahren, das die Eingangsspannung Vin auf Variationen hin überwacht, könnte ebenfalls auf eine Weise ähnlich der hierin unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen implementiert werden. Beispielsweise können die Parameter einer Trägerwelle und der Verstärkung (und des Vorzeichens), auf ein Vorwärts-Regelungssignal angewendet, so gewählt werden, daß die Interaktion des Vorwärts-Regelungssignals, des Modulationsträgersignals und des Steuersignals entweder zu negativen oder positiven Vorwärts-Regelungseffekten führen könnte, und zwar mit oder ohne das Gewichten von solchen Effekten, wie es erwünscht sein mag.
5 ist ein weiteres Zeitsteuerdiagramm, das mit einem Schaltwandler von einigen Ausführungsformen assoziiert ist. Das Zeitsteuerdiagramm 500 führt einen zweiten Träger 504 und ein zweites Rückkopplungssignal 506 ein. Diese Signale 504 und 506 sind mit dem Steuern des Boost-Zweigs 216 des Schaltwandlers 200 von 2 assoziiert, während die Signale 404 und 406 mit dem Steuern des Buck-Zweigs 214 des Schaltwandlers 200 assoziiert sind. Insbesondere werden die Verstärkung (und das Vorzeichen), die auf das Boost-Trägersignal 504 und das Boost-Rückkopplungssignal 506 (von der Ausgangsspannung Vout) angewendet werden, so gewählt, daß mit abnehmender Ausgangsspannung Vout das Boost-Tastverhältnis dc_boost steigt, wodurch die Ausgangsspannung Vout zurück hoch zur ausgewählten Ausgangsspannung gesteuert wird. Somit wird der Boost-Zweig 216 unabhängig davon angesteuert, wann das Boost-Rückkopplungssignal 506 das Boost-Trägersignal 504 kreuzt. Zufälligerweise zeigt in 5 die Aufwärtssteigung der Rückkopplungssignale 406 und 506 an, daß die Ausgangsspannung abnimmt.
Das Boost-Rückkopplungssignal 506 wird in der gegenwärtigen Ausführungsform generiert, indem ein Offset 514 zu dem Buck-Rückkopplungssignal 406 addiert (oder davon subtrahiert) wird. Dieser Offset 514 könnte so gewählt werden, daß er etwa die gleiche Größe wie die Amplitude der periodischen Trägersignale 404 und 504 aufweist (die bei dieser Ausführungsform einander etwa gleich sind). Weiterhin können die Träger 404 und 504 Sägezahn- oder Dreieckwellen oder -signale und horizontalsymmetrisch und/oder zueinander um 180° phasenverschoben sein (wie gewünscht sein mag). Wenn das Buck-Rückkopplungssignal 406 das Buck-Trägersignal 404 an dem Schwellwert kreuzt, der einen Steuermodenwechsel anzeigt, befindet sich somit auch das Boost-Rückkopplungssignal 506 sehr nahe vor dem Kreuzen des Boost-Trägersignals 504. Dementsprechend bewirkt die Wechselwirkung des Buck-Rückkopplungssignals 406 und des Buck-Trägersignals 404, daß der Schalter SW1 geschlossen wird, und die Wechselwirkung des Boost-Trägersignals 504 und des Boost-Rückkopplungssignals 506 stellt das Tastverhältnis der Schalter SW3 und SW4 so ein, daß die Ausgangsspannung Vout gesteuert wird. Siehe die veranschaulichenden Kreise 608 und 510, die diese Signalwechselwirkungen anzeigen. Bei einigen Ausführungsformen ist die Schaltungsanordnung und ihre Elemente, die mit dem Generieren des Buck-Trägersignals 404, des Buck-Rückkopplungssignals 406, des Boost-Trägersignals 504, des Boost-Rückkopplungssignals 506, des Offset 514 usw. assoziiert ist, auf einen integrierten Schaltungschip angepaßt. Alternativ oder zusätzlich könnten der Offset 514 und die Signale 404, 406, 504 und 506 je nach den Belastungs- und Verlustcharakteristiken, die mit dem Schaltwandler 200 assoziiert sind, adaptiv sein.
Zudem kann der Offset 514 von Zyklus zu Zyklus mit Dithering- oder Noise-Shaping-Techniken als Alternative zu den Schwellwerten randomisiert werden, die den Modenwechsel definieren, um das Einsetzen von Grenzzyklen zwischen den beiden Modi zu vermeiden, wie hierin offenbart. Außerdem oder alternativ kann die Steigung des Modulationsträgers (d. h. die Sägezahnwelle) von Zyklus zu Zyklus randomisiert werden, indem entweder die Amplitude der Rampe mit einer festen Zyklusdauer zufällig verändert wird, die Periode der Trägerwelle mit einer festen Amplitude zufällig verändert wird oder mit Kombinationen davon. Für Ausführungsformen, die die Periode der Trägerwelle randomisieren, kann die Trägerwelle als eine quasi-periodische Trägerwelle angesehen werden.
Wenn gewünscht wird, das Einschalten und Ausschalten der verschiedenen Schalter SW1–4 mit den Schaltern von anderen Schaltwandlern strikt zu synchronisieren, werden oftmals Ausführungsformen des Schaltwandlers 200, die die Sägezahn-Trägersignale 404 und 504 verwenden, oft verwendet. Beispielsweise können diese Schaltwandler 200 in Situationen verwendet werden, die komplexe Systeme involvieren, bei denen die Schaltwandler 200 mit anderen Schaltwandlern synchronisiert sind. Schaltwandler 200 von anderen Ausführungsformen können jedoch ebenfalls in solchen Situationen verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen.
6 ist noch ein weiteres Zeitsteuerdiagramm, das mit einem Schaltwandler von einigen Ausführungsformen assoziiert ist. Insbesondere zeigt das Zeitsteuerdiagramm 600 zwei dreieckige Trägersignale 604A und 604B, mit denen bestimmt wird, wann der Buck-Zweig 214 bzw. wann der Boost-Zweig 216 angesteuert werden soll. Die dreieckigen Trägersignale 604 der vorliegenden Ausführungsform werden unter Verwendung eines Volldifferenzintegrators generiert. Bei anderen Ausführungsformen werden die dreieckigen Trägersignale 604 generiert, indem die Ausgänge einer zwei Sägezahnsignale generierenden Schaltung, die von einander um 180° phasenverschoben sind, vertauscht werden.
Wiederum zeigt die Wechselwirkung der Trägersignale 604A und 604B mit ihren Rückkopplungssignalen 606a und 606B an, wann der Buck-Zweig 214 und der Boost-Zweig 216 so angesteuert werden, daß die Ausgangsspannung Vout gesteuert wird. Die veranschaulichenden Kreise 608 und 610 zeigen Wechselwirkungen an, die bewirken, daß der Controller 212 den Buck-Zweig 214 bzw. den Boost-Zweig 216 ansteuert. Falls der Offset 514 und die Signale beispielsweise auf einer integrierten Schaltung angepaßt sind, dann treten diese Wechselwirkungen 608 und 610 ungefähr gleichzeitig auf.
7 ist ein Schemadiagramm eines Controllers 700 für einen Schaltwandler von einigen Ausführungsformen. Der Schaltwandler-Controller 700 ist eine analoge Ausführungsform eines Controllers 212, der auf einem Trägersignal (entweder ein Sägezahn- oder dreieckiger Träger wie etwa die Trägersignale 404 oder 604) und einem Steuersignal (wie etwa einem Buck-Rückkopplungssignal 406) basiert. Zudem liefert der Controller 700 eine Spannungsmodusregelung durch Verwenden einer PID-Steuerschleife (proportional-integral-differential).
Insbesondere enthält der Controller 700 einen Ausgangsspannungseingang 702, einen Vorverstärker (oder Transkonduktor) 704, einen Eingang 706 (zum Empfangen einer Anzeige davon, ob sich der Schaltwandler 200 gegenwärtig im Buck-Modus oder Boost-Modus befindet), einen invertierenden Verstärker 708 (bei einigen Ausführungsformen mit einer Verstärkung von Eins), einen nichtinvertierenden Verstärker 710 (ebenfalls bei einigen Ausführungsformen mit einer Verstärkung von Eins), einen Kondensator 712, einen Eingang 714 (für das Trägerwellensignal) und einen Komparator 716, der ein PWM-Signal (Impulsbreitenmodulation) an einem Ausgang 718 ansteuert. Die Komponenten 702, 704, 706, 708, 710, 712, 714, 716 und 718 sind verbunden, wie durch 7 dargestellt.
Der Vorverstärker (oder Transkonduktor) 704 weist eine Transkonduktanzverstärkung von GM auf und konditioniert das Ausgangsspannungssignal Vout für weitere Konditionierung, wie gezeigt. Insbesondere wird je nachdem, ob das Signal an dem Buck-Boost-Eingang 706 anzeigt, daß der Controller 700im Buck-Modus oder Boost-Modus arbeitet, das Ausgangsspannungssignal Vout von dem Inverter 708 invertiert oder einfach dem Rest des Controllers 700 über den nichtinvertierenden Verstärker 710 zugeführt. Auf diese Weise kann die hierin beschriebene Umkehrung des Vorzeichens der Steuerschleife berücksichtigt werden, indem das Vorzeichen des von dem konditionierenden Verstärker 704 kommenden Signals modenabhängig gemacht wird. Der integrierende Kondensator 712 und der Komparator 716 arbeiten miteinander und dem Trägersignal von dem Trägersignaleingang 714 zusammen, um das PWM-Signal am Ausgang 718 zu bestimmen.
Die Verstärkungen der durch den Controller 700 implementierten PID-Steuerschleife können abgestimmt werden, um instationäre Antwortcharakteristiken bereitzustellen, wie gewünscht. Beispielsweise kann die Verstärkung des Integralterms abgestimmt werden (entsprechend dem, ob er in Verbindung mit dem Buck-Rückkopplungssignal 406 oder dem Boost-Rückkopplungssignal 606 arbeitet), um schnelle instationäre Antwortcharakteristiken zu liefern. Zudem ist der Kondensator 710 vorgesehen, um die mit dem Integralterm assoziierte Spannung zu speichern. Da sich die Verluste in dem Schaltwandler 200 während Steuermoduswechseln nicht viel ändern sollten, bleibt die auf dem Kondensator 710 gespeicherte Integraltermspannung im wesentlichen unverändert oder ändert sich sehr wenig bei Steuermoduswechseln, wodurch ein glatter, stoßloser und nahtloser Übergang über Wechsel zwischen Buck-Modus- und Boost-Modus-Steuerung hinweg bereitgestellt wird.
8 ist ein weiteres Schemadiagramm eines Controllers für einen Schaltwandler von einigen Ausführungsformen. Der Controller 800 enthält insbesondere einen Eingang 802 (zum Annehmen des Ausgangsspannungssignals Vout), einen Vorverstärker 804, einen Buck-/Boost-Modusinverter 806, einen Nachverstärker 808, einen Kondensator 810, einen weiteren Eingang 812 (zum Annehmen eines Signals, das Informationen bezüglich des Eingangsspannungssignals Vin trägt), noch einen weiteren Eingang 814 (für das Trägersignal) und einen Komparator 816, der ein PWM-Signal an einem Ausgang 820 ansteuert. 8 zeigt außerdem, daß der Controller 800 einen Vorwärtsregelungsterm (oder Eingangsstromquelle) enthält, der den Wert des Eingangsspannungssignals Vin reflektiert. Außerdem zeigt 8, daß ein derartiger Controller 212 mit analogen Komponenten implementiert werden kann.
9 zeigt ein Verfahren zum Steuern eines Schaltwandlers von einigen Ausführungsformen. Das Verfahren 900 enthält verschiedene Schritte wie etwa Schritt 902, bei dem die gewünschte Ausgangsspannung Vout gewählt wird. Falls gewünscht, kann bei Schritt 904 auch ein Schwellwert gewählt werden, so daß Wechsel zwischen Steuermodi ausreichend verzögert werden können, um sich wiederholende Modiwechsel zu vermeiden. Die Schritte 906 und 908 sorgen für das Erfassen der Ausgangsspannung Vout und der Eingangsspannung Vin des Schaltwandlers 200 (siehe 2). Anhand der erfaßten Spannungen Vout und Vin bestimmt der Controller 212, welcher Steuermodus (entweder Buck oder Boost) beim Steuern des Schaltwandlers 200 verwendet werden soll. Siehe Schritt 910. Das Verfahren beinhaltet außerdem das Einstellen des Tastverhältnisses für den Buck-Zweig 214 und/oder den Boost-Zweig 216. Siehe Schritte 912 und 914.
Bei Schritt 914 beinhaltet das Verfahren das Bestimmen des Buck-Tastverhältnisses dc (und/oder des Boost-Tastverhältnisses dc') des Stromsteuerzyklus. Somit beinhaltet das Verfahren das Untersuchen des Status des Buck-Zweigs 214, des Boost-Zweigs 216 und/oder der Schalter SW1–4. Weiterhin beinhaltet das Verfahren 900 auf der Basis der vorausgegangenen Informationen das Bestimmen, ob es wünschenswert ist, den Steuermodus bei Schritt 916 zu wechseln. Falls das Buck-Tastverhältnis über einen bestimmten Schwellwert hinaus angestiegen ist, beinhaltet das Verfahren das Wechseln von Steuermodi zum Boost-Modus. Falls sich der Controller 212 bereits im Boost-Modus befindet und die Buck- und Boost-Tastverhältnisse des Stromsteuerzyklus dies anzeigen, beinhaltet das Verfahren 900 das Wechseln des Steuermodus zum Buck-Modus. Siehe Schritt 918. Außerdem kann je nach der Ausführungsform das Steuersignal invertiert werden, um eine negative Rückkopplung für die Ausgangsspannung Vout zu liefern. Siehe Schritt 920. Außerdem kann der Schwellwert, mit dem bestimmt wird, ob zwischen Steuermodi umgeschaltet werden soll, bei Schritt 922 randomisiert werden. Falls gewünscht, kann die Randomisierung des Schwellwerts das Noise-Shaping des Schwellwerts beinhalten, wie bei Schritt 924 gezeigt. Falls die Zustände jedoch anzeigen, daß ein Steuermoduswechsel nicht notwendigerweise wünschenswert ist, dann kann sich der Prozeß von den Schritten 906 und 908 wiederholen, wo die Ausgangsspannung Vout und die Eingangsspannung Vin erfaßt werden, wie bei Schritt 926 angezeigt.
Hierin werden Einzelheiten von beispielhaften Verfahren beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß bestimmte Handlungen je nach den Umständen nicht in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden müssen und modifiziert werden können und/oder ganz entfallen können. Zudem können die beschriebenen Handlungen durch eine analoge Schaltungsanordnung, einen Computer, Prozessor oder andere digitale Einrichtung auf der Basis von Anweisungen implementiert werden, die auf einem oder mehreren computerlesbaren Speichermedien gespeichert sind. Bei den computerlesbaren Medien kann es sich um beliebige verfügbare Medien handeln, auf die eine Recheneinrichtung zugreifen kann, um die darauf gespeicherten Anweisungen zu implementieren.
Hierin offenbarte Ausführungsformen liefern Strategien zum Betätigen eines Schaltwandlers, die robust sind und die größere Abweichungen bei der Eingangsspannung der Schaltwandler als zuvor verfügbare Strategien tolerieren können. Insbesondere berücksichtigen diese Strategien relativ große Abweichungen bei der Eingangsspannung von der gewünschten Ausgangsspannung. Viele der vorausgegangenen Techniken beinhalten das Bestimmen, ob zwischen Steuermodi (Buck- oder Boost-Modus) umgeschaltet werden soll, und zwar je nach einer direkten Messung der Eingangsspannung. Viele der vorausgegangenen Techniken beinhalten jedoch, daß die Steuermodus-Schaltentscheidung auf der Basis einer indirekten Messung der Eingangsspannung getroffen wird. D. h., die Entscheidung zum Wechseln von Steuermodi wird auf der Basis des Tastverhältnisses entweder des Buck-Zweigs oder des Tastverhältnisses des Boost-Zweigs des Schaltwandlers bestimmt.
Durch Implementieren von Schaltanordnungen (von Schaltern von Schaltwandlern) stellen zudem Ausführungsformen auch Schaltwandler bereit, die effizienter arbeiten, als dies ansonsten der Fall sein würde. Insbesondere liefern Ausführungsformen eine verbesserte dynamische Regelung der Sequenzierung der Schalter des Schaltwandlers. Zusätzlich oder alternativ sorgen Ausführungsformen für das Invertieren der Steuersignale, die die Schalter ansteuern, so daß die vorausgegangenen Techniken eine negative Rückkopplung liefern, wie gewünscht.
Als Ergebnis liefern Ausführungsformen Schaltwandler, die mit einem größeren Bereich von Batterietypen, Modellen usw. arbeiten. Ausführungsformen liefern zudem Schaltwandler, die über einen großen Bereich von Eingangsspannungen arbeiten, die durch verschiedene Stromversorgungen (wie etwa Batterien) geliefert werden. Wenn sich diese Stromversorgungen entladen (oder so verhalten, als wenn sie sich entladen würden), liefern die Schaltwandler von verschiedenen Ausführungsformen somit weiterhin Strom mit der ausgewählten Ausgangsspannung, obwohl sie Strom von Stromquellen empfangen, die verschlechtert oder anderweitig außerhalb der Spezifikation liegen könnten.
Schlußfolgerung
Wenngleich der Gegenstand in einer Sprache beschrieben worden ist, die für strukturelle Merkmale und/oder methodische Handlungen spezifisch ist, ist zu verstehen, daß der in den beigefügten Ansprüchen definierte Gegenstand nicht notwendigerweise auf die spezifischen Merkmale oder Handlungen, die beschrieben sind, beschränkt ist. Vielmehr werden die spezifischen Merkmale und Handlungen als bevorzugte Formen des Implementierens der Ansprüche offenbart. Beispielsweise könnten die beschriebenen Systeme als analoge oder digitale Systeme konfiguriert sein, ohne von dem Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen.

Claims

Schaltwandler, der folgendes umfaßt: einen Buck-Zweig (Abwärtszweig) mit einem assoziierten Buck-Tastverhältnis (Abwärtstastverhältnis); einen Boost-Zweig (Aufwärtszweig) mit einem assoziierten Boost-Tastverhältnis (Aufwärtstastverhältnis); und einen Controller (Steuereinrichtung) in Kommunikation mit dem Buck-Zweig und dem Boost-Zweig und der konfiguriert ist, das Buck-Tastverhältnis zu bestimmen, und/oder das Boost-Tastverhältnis zu bestimmen, und als Reaktion darauf, daß eines der bestimmten Tastverhältnisse einen mit diesem Tastverhältnis assoziierten Schwellwert erreicht, zwischen dem Buck-Modus und dem Boost-Modus zu wechseln.
Schaltwandler nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Rückkopplungsschleife von einem Ausgang des Schaltwandlers, wobei die Ausgangsspannung zum Justieren des Betriebs des Controllers verwendet wird.
Schaltwandler nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend einen Vorwärtsregelungsweg von einem Eingang des Schaltwandlers, wobei die Eingangsspannung zum Justieren des Betriebs des Controllers verwendet wird.
Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schaltwandler mit einer Elektronikeinrichtung assoziiert ist, die mit einer Batterie bestromt werden soll, und weiterhin umfassend eine Last, wobei ein Eingang des Schaltwandlers mit der Batterie in elektrischer Kommunikation steht und ein Ausgang des Schaltwandlers mit der Last in elektrischer Kommunikation steht.
Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Controller ein analoger Controller ist.
Schaltwandler nach Anspruch 5, weiterhin umfassend einen Modulationsträgerwellengenerator mit einem Modulationsträgerwellenausgang ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem periodischen Modulationsträgerwellenausgang und einem quasiperiodischen Modulationsträgerwellenausgang, wobei der Controller den Modulationsträgerwellenausgang zum Bestimmen verwendet, wann zwischen den Modi gewechselt werden soll.
Schaltwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend einen Inverter, der konfiguriert ist, ein mit dem Buck-Modus assoziiertes Steuersignal zu invertieren, wobei der Controller weiterhin konfiguriert ist, den Boost-Zweig mit dem invertierten Steuersignal anzusteuern.
Schaltwandler, der folgendes umfaßt: einen Buck-Zweig (Abwärtszweig) mit einem sich zeitlich variierenden Buck-Tastverhältnis (Abwärtstastverhältnis); einen Boost-Zweig (Aufwärtszweig) mit einem sich zeitlich variierenden Boost-Tastverhältnis (Aufwärtstastverhältnis); und einen Controller (Steuereinrichtung), der konfiguriert ist: den Schaltwandler in einem Buck-Modus (Abwärtsmodus) zu steuern, wenn eine Eingangsspannung des Schaltwandlers etwa gleich oder größer ist als eine Ausgangsspannung des Schaltwandlers, den Schaltwandler in einem Boost-Modus (Aufwärtsmodus) zu steuern, wenn die Eingangsspannung etwa gleich oder kleiner ist als die Ausgangsspannung, mindestens das Buck-Tastverhältnis und/oder das Boost-Tastverhältnis zu bestimmen, und als Reaktion darauf, daß eines der bestimmten Tastverhältnisse einen mit diesem Tastverhältnis assoziierten Schwellwert erreicht, zwischen dem Steuern des Schaltwandlers in den Buck-Modus und den Boost-Modus zu wechseln, um die Ausgangsspannung auf einer gewählten Spannung zu halten.
Schaltwandler nach Anspruch 8, wobei der Controller ein analoger Controller ist, der mit einer analogen Schaltungsanordnung implementiert ist.
Schaltwandler nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Controller auf einem Prozessor implementiert ist.
Schaltwandler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Controller weiterhin konfiguriert ist, den mit dem bestimmten Tastverhältnis assoziierten Schwellwert zu randomisieren.
Schaltwandler nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiterhin umfassend einen Signalgenerator, wobei der Controller weiterhin konfiguriert ist, ein von dem Signalgenerator generiertes Signal zu verwenden, um zwischen dem Steuern des Schaltwandlers in dem Buck-Modus und dem Boost-Modus zu wechseln.
Schaltwandler nach Anspruch 12, wobei das von dem Signalgenerator generierte Signal ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem periodischen Signal und einem quasiperiodischen Signal, wobei das von dem Signalgenerator generierte Signal ein Trägersignal des Controllers ist.
Verfahren, das folgendes umfaßt: Steuern eines Wandlers entweder in einem Buck-Modus (Abwärtsmodus) oder einem Boost-Modus (Aufwärtsmodus); Bestimmen eines Tastverhältnisses mindestens eines Buck-Zweigs (Abwärtszweig) des Wandlers oder eines Boost-Zweigs (Aufwärtsmodus) des Wandlers und als Reaktion darauf, daß das bestimmte Tastverhältnis einen Schwellwert erreicht, Wechseln zwischen dem Buck-Modus und dem Boost-Modus.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend das Steuern des Wandlers in dem Buck-Modus, wobei das Wechseln zwischen Modi zu dem Boost-Modus ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, weiterhin umfassend das Verzögern des Wechselns zwischen den Modi durch Anwenden einer Zeitverzögerung auf den mit dem bestimmten Tastverhältnis assoziierten Schwellwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, weiterhin umfassend das Verwenden von Rauschformung (Noise-Shaping) in Verbindung mit dem Schwellwert, um Schwingungen in einer Ausgangsspannung des Wandlers zu unterdrücken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, weiterhin umfassend das Verzögern des Wechselns zwischen den Modi durch Anwenden einer Hysterese auf den mit dem bestimmten Tastverhältnis assoziierten Schwellwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, weiterhin umfassend das Randomisieren des Schwellwerts.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Randomisieren des Schwellwerts weiterhin das Verwenden einer Rauschformungstechnik (Noise-Shaping-Technik) umfaßt.