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Die vorliegende Anmeldung betrifft Schaltregler, insbesondere Negativ-Strombegrenzungsschutz für Schaltregler.
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Robuster Betrieb von Schaltreglern umfasst sowohl Positivstrombetrieb, d. h. die Leistungsstufe des Reglers führt der Last (positiven) Strom zu, als auch Negativstrombetrieb, d. h. die Leistungsstufe des Reglers entnimmt der Last (negativen) Strom. Die meisten herkömmlichen Schaltregler bieten keinen Negativstrombetrieb und versuchen stattdessen, Negativstrombetrieb ganz zu vermeiden. Zum Beispiel kann Betrieb im DCM (diskontinuierlichem Leistungsmodus) Negativ-Stromleitung verhindern. Der Niederspannungsseiten-Transistor der Reglerleistungsstufe besitzt typischerweise ein negatives dl/dt-Leitungsansprechverhalten, das heißt, der Strom nimmt ab, während der Niederspannungsseiten-Transistor eingeschaltet ist. Beim DCM wird der Niederspannungsseiten-Transistor ausgeschaltet, nachdem der Strom null erreicht. Dies verhindert, dass der Strom negativ wird, was für viele Anwendungen aufgrund von Effizienzeinbußen durch Leitungsverluste, die durch die Negativ-Stromleitung zugezogen werden, nicht erwünscht ist. Bestimmte Regler müssen jedoch negativen Strom verwenden, um die Leistungsfähigkeit beim dynamischen Betrieb, wie etwa Lastabfall (d. h. Laststrom wechselt von einem hohen Wert zu einem Wert in der Nähe von null) oder Negativ-Spannungsübergängen (d. h. Spannung wechselt von einem hohen Wert auf einen niedrigeren Wert, so dass der Regler den Ausgangskondensator entladen muss) zu verbessern. Dies gilt insbesondere für Mehrphasenwandler, bei denen die Strombelastbarkeit jeder einzelnen Phase nur ein Bruchteil der Gesamtstrombelastbarkeit des Wandlers ist. Katastrophaler Ausfall der Leistungsstufe kann auftreten, wenn negativer Strom die Negativ-Strombelastbarkeit der Leistungsstufentransistoren überschreitet.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb eines Schaltreglers, das den Schaltregler vor negativen Überströmen schützt, und die Bereitstellung eines entsprechenden Schaltreglers.
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Dieses Problem wird durch Verfahren nach Anspruch 1 und 20 und durch Schaltregler nach Anspruch 8 und 16 gelöst.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Strombegrenzungsschutz für einen Schaltregler umfasst das Verfahren Schalten einer Leistungsstufe, die durch eine Induktivität mit einer Last gekoppelt ist, so dass die Leistungsstufe der Last während bestimmter Perioden positiven Strom durch einen ersten Transistor der Leistungsstufe zuführt und der Last während anderer Perioden negativen Strom durch einen zweiten Transistor der Leistungsstufe entnimmt; und Zwingen des zweiten Transistors in einen ausgeschalteten Zustand als Reaktion darauf, dass der durch die Induktivität fließende negative Strom eine vorbestimmte negative Schwelle überschreitet.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Schaltreglers umfasst der Schaltregler eine Leistungsstufe zur Kopplung mit einer Last durch eine Induktivität und eine Stromüberwachungsschaltung. Die Leistungsstufe ist betreibbar, um so zu schalten, dass die Leistungsstufe der Last während bestimmter Perioden positiven Strom durch einen ersten Transistor der Leistungsstufe zuführt und der Last während anderer Perioden negativen Strom durch einen zweiten Transistor der Leistungsstufe entnimmt. Die Schutzschaltung ist betreibbar, um den zweiten Transistor als Reaktion darauf, dass der durch die Induktivität fließende negative Strom eine vorbestimmte negative Schwelle überschreitet, in einen ausgeschalteten Zustand zu zwingen.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Strombegrenzungsschutz für einen Mehrphasen-Schaltregler, der eine Leistungsstufe mit mehreren Phasen umfasst, wobei jede Phase einen Hochspannungsseiten-Transistor und einen Niederspannungsseiten-Transistor, der durch eine Induktivität mit einer Last gekoppelt ist, aufweist, umfasst das Verfahren Schalten der Phasen der Leistungsstufe unter der Kontrolle einer Impulsbreitenmodulationssteuerung dergestalt, dass die Leistungsstufe der Last während bestimmter Perioden positiven Strom durch einen oder mehrere Hochspannungsseiten-Transistoren zuführt und der Last während anderer Perioden negativen Strom durch einen oder mehrere Niederspannungseiten-Transistoren entnimmt; und Zwingen der Impulsbreitenmodulationssteuerung, einen oder mehrere Niederspannungsseiten-Transistoren auszuschalten, wenn der durch eine oder mehrere der Induktivitäten fließende negative Strom eine vorbestimmte negative Schwelle überschreitet.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Mehrphasen-Schaltreglers umfasst der Mehrphasen-Schaltregler eine Leistungsstufe mit mehreren Phasen, eine Impulsbreitenmodulationssteuerung und eine Stromüberwachungsschaltung. Jede Phase der Leistungsstufe besitzt einen Hochspannungsseiten-Transistor und einen Niederspannungsseiten-Transistor zur Kopplung mit einer Last durch eine Induktivität. Die Impulsbreitenmodulationssteuerung ist betreibbar, um die Phasen der Leistungsstufe so zu schalten, dass die Leistungsstufe der Last während bestimmter Perioden positiven Strom durch einen oder mehrere der Hochspannungsseiten-Transistoren zuführt und der Last während anderer Perioden negativen Strom durch einen oder mehrere Niederspannungsseiten-Transistoren entnimmt. Die Schutzschaltung ist betreibbar, um die Impulsbreitenmodulationssteuerung dazu zu zwingen, als Reaktion darauf, dass der durch einen oder mehrere der Induktivitäten fließende negative Strom eine vorbestimmte negative Schwelle überschreitet, einen oder mehrere der Niederspannungsseiten-Transistoren auszuschalten.
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Für den Fachmann sind bei Durchsicht der folgenden ausführlichen Beschreibung und bei Begutachtung der beigefügten Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennbar.
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Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsformen können kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. In den Zeichnungen sind Ausführungsformen abgebildet, die in der folgenden Beschreibung dargelegt werden.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Schaltreglers mit Negativ-Strombegrenzungsschutz.
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2 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform von Negativ-Strombegrenzungsschutz für Schaltregler.
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3 zeigt ein Diagramm, das den Betrieb eines Schaltreglers mit und ohne Negativ-Strombegrenzungsschutz vergleicht, gemäß einer Ausführungsform.
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4 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform von Positiv- und Negativ-Strombegrenzungsschutz für Schaltregler.
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5A bis 5C zeigen Blockschaltbilder verschiedener Ausführungsformen von Messschaltungen zum Bestimmen des Negativ-Stromwerts eines Schaltreglers.
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6 zeigt ein ausführliches Blockschaltbild eines Schaltreglers, der Negativ-Strombegrenzungsschutz aufweist.
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen stellen Negativ-Strombegrenzungsschutz für Schaltregler bereit, indem die Leistungsstufe des Reglers gezwungen wird, in einen Schaltzustand einzutreten, in dem der Negativstrom eine vorbestimmte Grenze nicht überschreitet. Die hier beschriebenen Negativ-Strombegrenzungsschutztechniken können auf eine beliebige Schaltreglerarchitektur angewandt werden, darunter abwärts; aufwärts; abwärts-aufwärts; Sperrwandler; Gegentakt; Halbbrücke; Vollbrücke und SEPIC (Single Ended Primary-Inductor Converter). Ein Abwärtswandler erzeugt eine Ausgangsgleichspannung, die niedriger als die Eingangsgleichspannung ist. Ein Aufwärtswandler stellt eine Ausgangsspannung bereit, die höher als die Eingangsspannung ist. Ein Abwärts-Aufwärts-Wandler erzeugt eine Ausgangsspannung, die die entgegengesetzte Polarität wie die Eingangsspannung aufweist. Ein Sperrwandler erzeugt eine Ausgangsspannung, die größer oder gleich der Eingangsspannung ist, sowie mehrere Ausgaben. Ein Gegentaktwandler ist ein besonders bei niedrigen Eingangsspannungen effizienter Zweitransistorwandler. Ein Halbbrückenwandler ist ein in vielen Offline-Anwendungen verwendeter Zweitransistorwandler. Ein Vollbrückenwandler ist ein Viertransistorwandler, der gewöhnlich in Offline-Designs eingesetzt wird, die sehr hohe Ausgangsleistung erzeugen können. Ein SEPIC ist eine Art von Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, die es ermöglicht, dass die elektrische Spannung an seinem Ausgang größer als, kleiner als oder gleich der an seinem Eingang ist.
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Für jede Art von Schaltreglerarchitektur wird robuster Betrieb gewährleistet, indem sowohl Positiv- als auch Negativ-Strombetrieb unterstützt wird, d. h. die Leistungsstufe des Reglers kann der Last (negativen) Strom entnehmen und der Last (positiven) Strom zuführen. Um sicheren Betrieb unter Negativ-Strombedingungen sicherzustellen, stellen die Negativ-Strombegrenzungsschutzschaltkreise in dem Schaltregler sicher, dass der negative Strom unter einer annehmbaren Grenze gehalten wird, über der ein Ausfall der Reglerleistungsstufe auftreten kann.
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Als nächstes werden Ausführungsformen der Negativ-Strombegrenzungsschutztechnik beschrieben, die im Kontext eines geschalteten Mehrphasen-Abwärtswandlers erläutert werden, bei dem der Negativ-Strombegrenzungsschutz für jede Phase des Reglers vorgesehen ist. Für den Fachmann ist erkennbar, dass die hier beschriebenen Negativ-Strombegrenzungsschutzausführungsformen ohne Weiteres, wenn überhaupt nur mit geringfügigen Modifikationen, auf andere Schaltreglerarchitekturen angewandt werden können. Solche Modifikationen liegen innerhalb der Fähigkeiten des durchschnittlichen Fachmanns, ohne übermäßiges Experimentieren zu erfordern. Zum Beispiel können die hier beschriebenen Negativ-Strombegrenzungsschutzausführungsformen ohne weiteres genauso wie bei einem Mehrphasen-Abwärtswandler auf einen Einphasen-Abwärtswandlerregler angewandt werden. Im Mehrphasen-Abwärtswandlerfall können negative Stromextreme häufiger auftreten und deshalb können im Vergleich zu dem Einphasen-Abwärtswandler größere Ungleichgewichte über den Phasen vorliegen. In jedem Fall schützt die Negativ-Strombegrenzungsschutztechnik die einzelne Phase oder die mehreren Phasen vor Zuständen von zu großem negativem Strom.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Mehrphasen-Schaltreglers, der eine Leistungsstufe 100 mit mehreren Phasen umfasst. Jede Phase besitzt einen Hochspannungsseiten-Transistor (HS) und einen Niederspannungsseiten-Transistor (LS) zur Kopplung mit einer Last (C) mittels einer Induktivität (L1, L2, LN). Der Hochspannungsseiten-Transistor jeder Phase verbindet die Last schaltbar mit einer Eingangsspannung (Vin), und der entsprechende Niederspannungsseiten-Transistor verbindet die Last schaltbar mit Masse (in verschiedenen Perioden). In 1 sind drei Phasen gezeigt (N = 3), es kann jedoch eine beliebige Anzahl von Phasen vorgesehen werden. Als Alternative kann durch Weglassen der Phasen 2 bis N nur eine Phase vorgesehen werden.
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In jedem Fall schaltet eine Impulsbreitenmodulations- bzw. PWM-Steuerung 110 die Phasen der Leistungsstufe 100 so, dass die Leistungsstufe 100 der Last während einiger Perioden positiven Strom durch einen oder mehrere der Hochspannungsseiten-Transistoren zuführt und der Last während anderer Perioden negativen Strom durch einen oder mehrere der Niederspannungsseiten-Transistoren entnimmt. Das heißt, der Schaltregler arbeitet in einem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM) ohne Stromentnahmefähigkeit. Es kann zeitweise, z. B. während Bedingungen mit geringer Last, nur die erste Phase (N = 1) aktiv sein. Es können eine oder mehrere zusätzliche Phasen (N = 2 oder größer) aktiviert werden, um größeren Bedarf durch die Last zu unterstützen. Zu diesem Zweck führt die PWM-Steuerung 110 einem mit jeder Phase der Leistungsstufe 100 verbundenen Treiber 120 Steuersignale zu. Die Treiber 120 führen den Gates der Hochspannungsseiten- und Niederspannungsseiten-Transistoren der entsprechenden Phase als Reaktion auf durch die PWM-Steuerung 110 zugeführte Signale Gate-Ansteuersignale (GHN, GLN) zu. Der Aktivierungszustand der Phasen und das Tastverhältnis der Hochspannungsseiten- und Niederspannungsseiten-Transistoren werden mindestens teilweise auf der Basis der an die Last angelegten Ausgangsspannung (Vsense) bestimmt, so dass der Regler so schnell und zuverlässig wie möglich auf sich ändernde Lastbedingungen reagieren kann.
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Die Leistungsstufe 100 führt der Last (positiven) Strom zu und entnimmt der Last auch (negativen) Strom. Zum Beispiel kann die Leistungsstufe 100 Strom entnehmen, wenn sich die Ausgangsspannung sehr schnell ändert. Unter solchen Bedingungen wird die Lastkapazität entladen und die Energie an die Leistungsstufe 100 zurückgegeben. Es kann auch ein Fehler auftreten, der eine empfindliche Last, wie etwa einen Mikroprozessor, Grafikprozessor, Netzwerkprozessor oder digitalen Signalprozessor beschädigen kann, wenn er nicht abgemildert wird. Statt die Last zu beschädigen, wird der durch den Fehler verursachte negative Strom an die Leistungsstufe 100 zurückgegeben, statt durch die Last absorbiert zu werden. Bedingungen mit negativem Strom können auch während eines transienten Lastabfalls, dynamischen Spannungsänderungen, Parallelbetrieb mehrerer Lastmodule und Herunterfahren der Last auftreten. Unter Bedingungen negativen Stroms werden im Allgemeinen die Hochspannungsseiten-Transistoren der Leistungsstufe 100 durch die PWM-Steuerung 110 normalerweise ausgeschaltet (d. h. nichtleitend), und die Niederspannungsseiten-Transistoren werden normalerweise eingeschaltet (d. h. nichtleitend), um den negativen Strom nach Masse abzuleiten.
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Die Strombelastbarkeit der Leistungsstufe 100 ist nicht symmetrisch, insbesondere übersteigt die Positiv-Zuführungsstrombelastbarkeit der Leistungsstufe 100 typischerweise stark die Negativ-Entnahmestrombelastbarkeit. Zum Beispiel kann in einem Abwärtswandler ein großer negativer Strom problematisch sein, wenn der Niederspannungsseiten-Transistor ausgeschaltet ist und der Strom durch die Body-Diode des Hochspannungsseiten-Transistors fließen muss. Die Strombelastbarkeit der Hochspannungsseiten-Transistor-Body-Diode ist typischerweise gering, z. B. wegen einer kleineren Größe relativ zu dem Niederspannungsseiten-Transistor und der floatenden Beschaffenheit des Hochspannungsseiten-Transistors (z. B. ist kein Anschluss mit Masse verbunden).
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Um zu großen negativen Strom in der Leistungsstufe 100 zu verhindern, umfasst der Schaltregler eine Schutzschaltung 130, um sicherzustellen, dass der durch eine oder mehrere der Ausgangsinduktivitäten fließende negative Strom eine vorbestimmte Negativ-Stromschwelle (in 1 als NCL bezeichnet) nicht überschreitet. Auf diese Weise profitiert das Reglersystem von einer gewissen Menge an Negativ-Strombelastbarkeit, ohne das System einem katastrophalen Ausfall auszusetzen, der sich aus einem zu großen negativen Strom ergibt. Es kann für alle Phasen der Leistungsstufe 100 eine einzige Schutzschaltung 130 vorgesehen werden oder es kann für jede Phase eine andere Schutzschaltung 130 vorgesehen werden.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Implementieren von Negativ-Strombegrenzungsschutz durch die Schutzschaltung 130. Während des Normalbetriebs (200) steuert die PWM-Steuerung 110 jede Phase der Leistungsstufe 100, um den Leistungsanforderungen der Last zu genügen. Dazu gehört das Bereitstellen sowohl von Positiv-(Zuführungs-) als auch von Negativ-(Entnahme-)Strombetrieb während verschiedener Perioden. Während des Negativ-Strombetriebs bestimmt die Schutzschaltung 130, ob der durch eine oder mehrere der Ausgangsinduktivitäten fließende negative Strom (Isense) eine vorbestimmte negative Stromschwelle NCL (210) überschreitet. Wenn der negative Strom die Schwelle nicht überschreitet (d. h. der negative Strom einen kleineren Wert als die Schwelle aufweist), wird normaler PWM-Betrieb fortgesetzt. Wenn der negative Strom die Schwelle jedoch überschreitet, übersteuert die Schutzschaltung 130 normalen PWM-Betrieb, indem die PWM-Steuerung 110 gezwungen wird, einen oder mehrere der Niederspannungsseiten-Transistoren (220) auszuschalten. Dies verhindert, dass der Wert des negativen Stroms weiter steigt.
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Die Schutzschaltung 130 führt der PWM-Steuerung 110 Steuersignale (C1, C2, ... CN) zu, um die PWM-Steuerung 110 im Fall von zu großem negativen Strom zu übersteuern. Bei einer Ausführungsform zwingt die Schutzschaltung 130 die PWM-Steuerung 110 dazu, einen oder mehrere der Hochspannungsseiten-Transistoren der Leistungsstufe 100 einzuschalten, wenn der negative Strom die Schwelle überschreitet, so dass der negative Strom von jedem eingeschalteten Hochspannungsseiten-Transistor und nicht von den Niederspannungsseiten-Transistoren entnommen wird. Bei einer anderen Ausführungsform zwingt die Schutzschaltung 130 die PWM-Steuerung 110 dazu, einen oder mehrere der Hochspannungsseiten-Transistoren im Ausschaltzustand zu halten, so dass der negative Strom durch eine Body-Diode jedes Hochspannungsseiten-Transistors im Ausschaltzustand und nicht den entsprechenden Niederspannungsseiten-Transistor entnommen wird. In jedem Fall verhindert die Schutzschaltung 130, dass sich der negative Strom weiter aufbaut, wenn die Schwelle überschritten ist, während der existierende negative Strom sicher durch die Hochspannungsseite der Leistungsstufe 100 entnommen wird.
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Die Schutzschaltung 130 gestattet es der PWM-Steuerung 110, volle Kontrolle über die Leistungsstufe 100 (d. h. normalen PWM-Betrieb) wiederaufzunehmen, nachdem das Negativ-Strombegrenzungsereignis aufhört (230). Bei einer Ausführungsform bestimmt die Schutzschaltung 130, dass das Negativ-Strombegrenzungsereignis wahrscheinlich aufgehört hat, nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer von da an abläuft, als bestimmt wurde, dass der negative Strom die Schwelle überschreitet. Zum Beispiel kann die Schutzschaltung 130 einen Timer setzen, wenn ein Negativ-Strombegrenzungsereignis detektiert wird, und annehmen, dass das Ereignis aufgehört hat, wenn der Timer abläuft. Bei einer anderen Ausführungsform gestattet die Schutzschaltung 130 der PWM-Steuerung 110, normalen PWM-Betrieb an einem besonderen Zeitpunkt während der PWM-Periode unmittelbar im Anschluss an die PWM-Periode, während der bestimmt wurde, dass der negative Strom die Schwelle überschreitet, wiederaufzunehmen. Zum Beispiel kann die PWM-Steuerung 110 normalen PWM-Betrieb wiederaufnehmen, wenn das PWM-Steuersignal von hoch nach niedrig oder von niedrig nach hoch wechselt, oder an einem Punkt zwischen den Übergängen, z. B. auf halbem Weg zwischen Übergängen. Bei einer weiteren Ausführungsform gestattet die Schutzschaltung 130 der PWM-Steuerung 110, normalen PWM-Betrieb wiederaufzunehmen, wenn der negative Strom bis unter eine zweite vorbestimmte negative Schwelle abnimmt, die einen kleineren Wert als die erste Schwelle aufweist, wie z. B. in 3 gezeigt.
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In 3 ist der Strom für die drei Phasen des beispielhaften Mehrphasen-Schaltreglers aufgetragen. Während der ersten 200 μs arbeitet der Schaltregler in einem Positiv-Strommodus, d. h. die Leistungsstufe 100 führt der Last durch einen oder mehrere der Hochspannungsseiten-Transistoren Strom zu. Ein Zustand tritt ein, der bewirkt, dass ein Negativ-Stromereignis aufritt, d. h. die Leistungsstufe 100 beginnt, durch einen oder mehrere der Niederspannungsseiten-Transistoren der Last Strom zu entnehmen. Die Schutzschaltung 130 übersteuert die PWM-Steuerung 110 über die Steuersignale (C1, C2, ... CN), die der PWM-Steuerung 110 zugeführt werden, wenn der negative Strom (Isense) durch eine oder mehrere der Ausgangsinduktivitäten eine vorbestimmte Negativ-Stromschwelle (NCL1) überschreitet. Als Reaktion zwingt die Schutzschaltung 130 die PWM-Steuerung 110, die Niederspannungsseiten-Transistoren der Leistungsstufe 100 auszuschalten und entweder einen oder mehrere der Hochspannungsseiten-Transistoren einzuschalten, um den negativen Strom zu entnehmen, oder alle Hochspannungsseiten-Transistoren in einem Ausschaltzustand zu halten, so dass die Body-Dioden der Hochspannungsseiten-Transistoren den negativen Strom entnehmen. In jedem Fall verhindert die Schutzschaltung 130, dass der negative Strom die untere Schwelle überschreitet.
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In 3 ist die untere Schwelle nur zur Veranschaulichung als –40 A gezeigt. Die Niederspannungsseiten-Transitoren bleiben ausgeschaltet, bis der negative Strom bis unter eine untere vorbestimmte negative Schwelle (NCL2) abnimmt. In 3 ist die untere Schwelle nur zur Veranschaulichung als –20 A gezeigt. Der PWM-Steuerung 110 wird gestattet, volle Kontrolle über die Leistungsstufe 100 wiederaufzunehmen, wenn der negative Strom unter die untere Schwelle absinkt. Dies kann fortgesetzten Negativ-Strombetrieb umfassen, wie in 3 gezeigt.
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Die Schutzschaltung 130 übersteuert die PWM-Steuerung 110 jedes Mal, wenn der negative Strom die größere Schwelle (NCL1) überschreitet, und gestattet der PWM-Steuerung 110, volle Kontrolle über die Leistungsstufe 100 wiederaufzunehmen, wenn der negative Strom unter die untere Schwelle (NCL2) absinkt. Die Wahl von Schwellen kann von mehreren Faktoren abhängen und verschiedene Schwellenschranken werden von den Erfindern in Betracht gezogen. In jedem Fall wird verhindert, dass der von der Leistungsstufe 100 entnommene negative Strom zu groß wird. Die Phasenströme ohne Negativ-Strombegrenzungsschutz sind für Vergleichszwecke in 3 auch gezeigt. Der negative Strom wird ohne Negativ-Stromschutz schneller bewältigt, aber mit dem realen Risiko, die Hochspannungsseiten-Transistoren der Leistungsstufe 100 aufgrund von übermäßig großem negativem Strom zu zerstören.
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4 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Implementieren von sowohl Positiv- als auch von Negativ-Strombegrenzungsschutz durch die Schutzschaltung 130. Während des Normalbetriebs (300) steuert die PWM-Steuerung 110 jede Phase der Leistungsstufe 100, um den Leistungsbedürfnissen der Last zu genügen. Dazu gehört das Bereitstellen sowohl von Positiv-(Zuführungs-) als auch von Negativ-(Entnahme-)Strombetrieb. Während des Positiv-Strombetriebs bestimmt die Schutzschaltung 130, ob der durch eine oder mehrere der Ausgangsinduktivitäten des Reglers fließende positive Strom (Isense) eine vorbestimmte positive Stromschwelle PCL (310) überschreitet. Wenn der positive Strom die Schwelle überschreitet, übersteuert die Schutzschaltung 130 den normalen PWM-Betrieb, indem die PWM-Steuerung 110 gezwungen wird, einen oder mehrere der Hochspannungsseiten-Transistoren auszuschalten und einen oder mehrere der Niederspannungsseiten-Transistoren (320) einzuschalten. Dies verhindert, dass der positive Strom weiter zunimmt. Die Schutzschaltung 130 gestattet der PWM-Steuerung 110, volle Kontrolle über die Leistungsstufe 100 (d. h. normalen PWM-Betrieb) wiederaufzunehmen, nachdem das Positiv-Stromgrenzenereignis aufhört (330). Andernfalls übersteuert die Schutzschaltung 130 die PWM-Steuerung 110 während des Positiv-Stromgrenzenereignisses weiter.
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Während des Negativ-Strombetriebs bestimmt die Schutzschaltung 130, ob der durch eine oder mehrere der Ausgangsinduktivitäten des Reglers fließende negative Strom (Isense) eine negative Stromschwelle NCL überschreitet (340). Wenn der negative Strom die Schwelle nicht überschreitet (d. h. der negative Strom einen kleineren Wert als die Schwelle aufweist), wird normaler PWM-Betrieb fortgesetzt. Wenn der negative Strom jedoch die Schwelle überschreitet, übersteuert die Schutzschaltung 130 den normalen PWM-Betrieb (350), indem die PWM-Steuerung 110 gezwungen wird, einen oder mehrere der Niederspannungsseiten-Transistoren auszuschalten, um eine weitere Zunahme des Betrags des negativen Stroms zu verhindern, und den negativen Strom durch die Hochspannungsseite der Leistungsstufe 100 gemäß beliebigen der hier zuvor beschriebenen Ausführungsformen zu entnehmen. Die Schutzschaltung 130 gestattet der PWM-Steuerung 110, volle Kontrolle über die Leistungsstufe 100 wiederaufzunehmen, nachdem das Negativ-Stromgrenzenereignis aufhört (360). Andernfalls übersteuert die Schutzschaltung 130 die PWM-Steuerung 110 weiter während des Negativ-Stromgrenzenereignisses.
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Wie in 1 gezeigt, bestimmt die Schutzschaltung 130, ob die negativen und positiven Stromgrenzenschwellen überschritten werden, auf der Basis von Rückkopplungsinformationen (Isense1, Isense2, ..., IsenseN), die repräsentieren, wie viel Strom durch jede Induktivität, die eine Phase der Ausgangsstufe 100 mit der Last koppelt, fließt. Bei einer Ausführungsform sind ein in Reihe geschalteter Widerstand (R) und Kondensator (C) mit jeder Induktivität (L) parallel geschaltet, und die Rückkopplungsinformationen entsprechen der Spannung (Vc) an dem Kondensator, wie in 5A gezeigt. Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Widerstand mit jeder Induktivität in Reihe geschaltet, und die Rückkopplungsinformationen entsprechen der Spannung (VR) an dem Widerstand, wie in 5B gezeigt. Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Spiegelschaltung 400 mit dem Niederspannungsseiten- oder Hochspannungsseiten-Transistor jeder Phase verbunden, und die Rückkopplungsinformationen entsprechen der Spannung (VM) der Spiegelschaltung 400 wie in 5C gezeigt. Bei einer weiteren Ausführungsform bestimmt die Schutzschaltung 130, ob der durch jede Phaseninduktivität fließende negative Strom die vorbestimmte negative Schwelle überschreitet, auf der Basis des Schaltzustands der Leistungsstufe 100, der durch die PWM-Steuerung 110 bereitgestellt werden kann.
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6 zeigt eine Ausführungsform eines Schaltreglers mit Negativ-Strombegrenzungsschutz. Gemäß dieser Ausführungsform verwendet die PWM-Steuerung 110 einen Spannungsmesseingang (VSEN) zur Messung der Ausgangsspannung und eine Spannungsidentifikation (VID) zum Setzen des Reglersollwerts, d. h. der Zielspannung, wenn der Laststrom null ist. Eine Schaltung 500 für dynamischen Spannungsübergang steuert den Wechsel von einer VID zu einer anderen durch Rampen der Zielspannung. Ein Referenz-DAC (Digital-Analog-Wandler) 510 setzt die Zielspannung für den Regler als eine analoge Referenzspannung, mit der VSEN verglichen wird. Ein Spannungsmess-ADC (Analog-Digital-Wandler) 520 setzt die Fehlerspannung, d. h. die Differenz zwischen der Zielspannung und der Spannungsmessung, in eine digitale Darstellung um. Ein PID-Filter 530 (Proportional-Integral-Ableitung) implementiert eine Kompensatorübertragungsfunktion mit der Fehlerspannung als Eingangssignal und dem Tastverhältnis als Ausgangssignal. Die PWM-Steuerung 110 wandelt die digitale Tastverhältnisdarstellung in eine impulsbreitenmodulierte Wellenform um, die dem Treiber 120 zugeführt wird, um den Schaltzustand der Leistungsstufe 100 zu steuern. Ein Strommess-ADC 540 wandelt die Strommesseingangssignale in Phasenstrominformationen um. Eine adaptive Spannungspositionierungsschaltung 550 wandelt die Phasenstrominformationen in ein Offset von dem Sollwert um, um die Reglerzielspannung auf Basis des Laststroms zu setzen. Eine Stromausgleichsschaltung 560 wandelt die Phasenstrominformationen in Anpassungen des Tastverhältnisses jeder einzelnen Phase um, um die Phasenströme so zu anzupassen, dass sie ausgeglichen bleiben. Die Schutzschaltung 130 überwacht die Phasenströme und kann die PWM-Steuerung 110 zwingen, die PWM-Impulse zu modifizieren, um sicherzustellen, dass der Phasenstrom wie zuvor beschrieben eine positive oder negative Grenze nicht überschreitet. Zusätzlich kann die Schutzschaltung 130 auch Überstromschutz (OCP) bereitstellen, indem der Regler heruntergefahren wird, wenn Reglerbetrieb nicht aufrechterhalten werden kann, ohne eine andere positive oder negative Grenze zu überschreiten. Eine Überspannungsschutz- bzw. OVP-Schaltung 570 überwacht die Ausgangsspannung, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung innerhalb gewisser vernünftiger Betriebsschranken liegt. Die OVP-Schaltung 570 kann auch den Regler herunterfahren, wenn Reglerbetrieb nicht aufrechterhalten werden kann, ohne eine gewisse Grenze zu überschreiten. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern es nicht spezifisch anders erwähnt wird.
