DE102014102447B4

DE102014102447B4 - Induktorstrom-Emulationsschaltung für einen Schaltwandler

Info

Publication number: DE102014102447B4
Application number: DE102014102447.8A
Authority: DE
Inventors: Hirohisa Tanabe; Kenji Tomiyoshi
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: DE102014102447A1; US9065337B2; US20140239925A1

Abstract

Induktorstrom-Emulationsschaltung zur Verwendung mit einem Schaltwandler, der dafür ausgebildet ist, High- und Low-Side-Schaltelemente, die mit einem Ausgangsinduktor verbunden sind, unter Verwendung eines Schaltzyklus mit dazugehöriger „Ein”-Phase und „Aus”-Phase zur Erzeugung einer Ausgangsspannung zu betreiben, wobei die Regulierung der Ausgangsspannung ein Vergleichen eines Ausgangssignals aufweist, das mit der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und einer Bezugsspannung variiert, mit einem „ramp”-Signal, das den Strom in dem Ausgangsinduktor des Wandlers emuliert, wobei die Emulationsschaltung Folgendes aufweist: einen Strommesskreis, der zur Erzeugung eines Ausgangssignals ausgebildet ist, das mit dem Strom im Schaltelement, das während der „Aus”-Phase eingeschaltet ist, variiert, wobei der Strommesskreis den Strom in dem Low-Side-Schaltelement erfasst, wenn der Schaltwandler als Abwärtswandler ausgebildet ist, und den Strom im High-Side-Schaltelement erfasst, wenn der Schaltwandler als Aufwärtswandler ausgebildet ist; eine Emulationsstromerzeugungsschaltung, die dafür ausgebildet ist, das „ramp”-Signal zu erzeugen, so dass sie den Strom im Ausgangsinduktor des Wandlers während der „Aus”- und „Ein”-Phasen emuliert und das „ramp”-Signal als Reaktion auf ein Steuersignal variiert; eine Vergleichsschaltung, die dafür ausgebildet ist, während eines Abschnitts der „Aus”-Phase” das „ramp”-Signal mit mindestens einer Schwellenspannung, die mit dem Ausgangssignal des Strommesskreises variiert, zu vergleichen, und einen Ausgang umzuschalten, wenn das „ramp”-Signal die mindestens eine Schwellenspannung überschreitet; und eine Rückkopplungsschaltung, die das Steuersignal an die Emulationsstromerzeugungsschaltung liefert und dafür ausgebildet ist, das Steuersignal jedes Mal zu variieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung umschaltet, bis das „ramp”-Signal die mindestens eine Schwellenspannung nicht mehr überschreitet.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Schaltwandler und insbesondere Schaltwandler, die ein emuliertes Spitzenstrommodus-Steuersystem verwenden.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Ein Steuersystem für einen Schaltstromrichter ist als emulierter Spitzenstrommodus bekannt. Ein Beispiel wird in 1 gezeigt. Der Wandler empfängt eine Versorgungsspannung VIN und erzeugt eine Ausgangsspannung VOUT. VOUT wird durch einen Spannungsteiler 10 geteilt und erzeugt eine Rückkopplungsspannung FB. Ein Fehlerverstärker 12 empfängt FB und eine Bezugsspannung Vref an den jeweiligen Eingängen und erzeugt ein als „comp” bezeichnetes Ausgangssignal. Während des Betriebs werden die High-Side- und die Low-Side-Schaltelemente 14, 16 mit einem Signal pwm_d# angesteuert, das von einem SR-Latch 17 erzeugt wird. Dabei sinkt pwm_d# ab und schaltet das Schaltelement 14 jedes Mal, wenn das Latch mit einem Taktsignal 18 aktiviert wird, ein. Das Signal „comp” und ein Signal „ramp” werden von einem PWM-Komparator 19 verglichen. Dessen Ausgangssignal setzt das SR-Latch 17 wieder zurück.
Ein Strommesskreis 20 erfasst den Induktorstrom: Ist der Wandler als Abwärtswandler (buck converter) konfiguriert, erfasst der Strommesskreis den Strom im Low-Side-Schaltelement 16; ist er als Aufwärtswandler (boost converter) konfiguriert, wird der Strom im High-Side-Schaltelement 14 erfasst. Der erfasste Strom wird dazu verwendet, das „ramp” Signal zu liefern, wenn der Induktorstrom negativ ist – d. h. während der „Aus”-Phase des Wandlers, wenn das Low-Side-Schaltelement aktiviert ist. Zur Emulation des positiven Induktorstroms wird eine Spannung im Verhältnis VIN-VOUT an einen kapazitiven Widerstand 22 angelegt. Unter gewissen Bedingungen kann auch ein Strom I_{slp_cmp} zum Ausgleich des Anstiegs an den kapazitiven Widerstand 22 angelegt werden. Wird das SR-Latch „aktiviert”, wird das Signal am kapazitiven Widerstand 22 dem erfassten Strom (über einen Schalter 24) hinzugefügt und (über einen Widerstand 26) in eine Spannung umgewandelt, die das „ramp”-Signal bildet. 1 zeigt typische „comp”- und „ramp”-Signale.
Bei einem emulierten Spitzenstrommodus-Steuersystem ist der Strommessverstärker mit dem Synchronschalter (16 für den gezeigten Abwärtswandler) anstatt des Hauptschalters (14) verbunden. Die Stromerfassung erfolgt während der „Aus”-Phase mit Hilfe eines emulierten Anstiegs, der dazu führt, dass das „ramp”-Signal linear mit einer Rate steigt, die mit VIN-VOUT, das während der „Ein”-Phase erzeugt wird, variiert. Dieser emulierte Anstieg wird während des Übergangs von „Aus” zu „An” so eingesetzt, dass selbst wenn das Tastverhältnis gering ist, die Steigung nicht durch Schaltrauschen, das sich auf andere Steuersysteme, wie den echten Spitzenstrommodus, auswirken könnte, beeinträchtigt wird. Dies vermeidet auch die Notwendigkeit einer „Austastzeit” (blanking time) während des Übergangs von „Aus” zu „An”, was für ein echtes Spitzenstrommodus-Steuersystem üblich ist.
Bei einem emulierten Spitzenstrommodus-Steuersystem kann das Verhältnis des emulierten Stromanstiegs sich jedoch stark vom Anstieg des tatsächlich gemessenen Stroms unterscheiden, da die Werte der Komponenten, die sich außerhalb der Schaltung befinden, normalerweise unbekannt sind und der emulierte Anstieg sich aufgrund von Prozess- oder Temperaturabweichungen ändern kann. Das wird in 2a veranschaulicht. Es wird hier gezeigt, wie der emulierte positive Anstieg 28 des „ramp”-Signals 29 über eine Spanne von Werten (30) variieren kann. Ist der emulierte Stromanstieg geringer als der tatsächlich gemessene Stromanstieg, kann dies subharmonische Schwingungen verursachen. Zur Vermeidung subharmonischer Schwingungen wird der emulierte Stromanstieg manchmal steiler gehalten als der tatsächlich gemessene Stromanstieg. Das wird in 2b veranschaulicht. In diesem Fall liegt der Systembetrieb aber näher an einem Spannungsmodus als an einem Strommodus. Die Reaktion neigt dann dazu langsam zu sein.
DE 60 2004 006 623 T2 offenbart eine Ansteuerschaltung für ein Schaltelement, das die Leistungsaufnahme eines induktiven Energiespeicherelements regelt. Das Schaltelement ist Teil eines Schaltwandlers, der eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung wandelt. Eine Pulsweitenmodulartorschaltung stellt ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal abhängig von der Ausgangsspannung und einem Strommesssignal zur Verfügung. Eine Anordnung, die das Strommesssignal zur Verfügung stellt, bildet das Strommesssignal aus einem von der Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung abhängigen Signal nach. Dabei wird das Strommesssignal unter Berücksichtigung eines zusätzlichen Signals nachgebildet, welches von der Ausgangsspannung abhängig ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Induktorstrom-Emulationsschaltung für einen Schaltwandler vorgestellt, der die vorstehend beschriebenen Probleme behebt.
Die vorliegende Emulationsschaltung dient zur Verwendung mit einem Schaltwandler, der so angeordnet ist, dass High- und Low-Side-Schaltelemente über einen Schaltzyklus mit dazugehörigen „Ein”- und „Aus”-Phasen zur Erzeugung einer Ausgangsspannung mit einem Ausgangsinduktor verbunden sind. Dabei umfasst die Regulierung der Ausgangsspannung den Vergleich eines Ausgangssignals, das je nach Differenz zwischen Ausgangsspannung und einer Bezugsspannung variieren kann, mit einem „ramp”-Signal, das den Strom im Ausgangsinduktor des Wandlers emuliert. Die Emulationsschaltung umfasst einen Strommesskreis zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das mit dem Strom im Schaltelement, das während der „Aus”-Phase aktiviert ist, variiert, eine Schaltung zur Erzeugung des emulierten Stroms, zur Erzeugung des „ramp”-Signals auf eine Weise, dass es den Strom im Ausgangsinduktor während der „Aus”- und der „Ein”-Phase emuliert, und das das „ramp”-Signal als Reaktion auf ein Steuersignal variiert, eine Vergleichsschaltung, die so angeordnet ist, dass sie während der „Aus”-Phase das „ramp”-Signal mit mindestens einer Schwellenspannung, die mit dem Ausgangssignal des Strommesskreises variiert, vergleicht und einen Ausgang umschaltet, wenn das „ramp”-Signal den mindestens einen Schwellenwert über- bzw. unterschreitet, und eine Rückkopplungsschaltung, die das Steuersignal für die Schaltung zur Erzeugung des emulierten Stroms liefert und so angeordnet ist, dass das Steuersignal jedes Mal, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung umgeschaltet wird, geändert wird, bis das „ramp”-Signal nicht mehr die mindestens eine Schwellenspannung über- bzw. unterschreitet. Dadurch wird die Genauigkeit des „ramp”-Signals während der „Ein”-Phase verbessert.
Die Schaltung zur Erzeugung des emulierten Stroms umfasst vorzugsweise eine erste und eine zweite Stromquelle, die so angeordnet sind, dass sie positiven (Source-) bzw. negativen (Sink-)Strom abgeben, der je nach Ausgangssignal der Rückführungsschaltung variiert. Mindestens ein Schalter ist zwischen den Ausgang von mindestens einer der Stromquellen und einem ersten Knoten, an den auch ein kapazitiver Widerstand angeschlossen ist, geschaltet. Die Schaltung zur Erzeugung des emulierten Stroms ist so angeordnet, dass:

– wenn der Wandler als Abwärtswandler konfiguriert ist, die zweite Stromquelle sowohl während der „Ein”- als auch der „Aus”-Phase mit dem ersten Knoten verbunden ist, und der mindestens eine Schalter während der „Ein”-Phase den Ausgang der ersten Stromquelle mit dem ersten Knoten verbindet; und
– wenn der Wandler als Aufwärtswandler konfiguriert ist, die erste Stromquelle sowohl während der „Ein”- als auch der „Aus”-Phase mit dem ersten Knoten verbunden ist, und der mindestens eine Schalter während der „Aus”-Phase den Ausgang der zweiten Stromquelle mit dem ersten Knoten verbindet.

Das am ersten Knoten anliegende Signal ist das „ramp”-Signal.
Die Rückkopplungsschaltung ist geeigneterweise ein Zähler, der so angeordnet ist, dass der Zählerwert sich ändert, wenn die Vergleichsschaltung anzeigt, dass das „ramp”-Signal die obere bzw. die untere Schwellenspannung, die mit dem Ausgangssignal des Strommesskreises variieren, über- bzw. unterschreitet. Mindestens eine der ersten und zweiten Stromquelle ist dann vorzugsweise so angeordnet, dass ihr Ausgangsstrom auf Grundlage des digitalen Worts, das von der Zählerausgabe repräsentiert wird, variiert. Durch Vergleich des emulierten Anstiegs mit der tatsächlichen Ausgabe des Strommesskreises und Anwendung der Differenz zur Angleichung des emulierten Anstiegs kann der emulierte Anstieg während der „Ein”-Phase gut an den tatsächlichen Anstieg angepasst werden. Dadurch wird eine Leistung ermöglicht, die mit herkömmlichen echten Spitzenstrommodus-Wandlern vergleichbar ist, während gleichzeitig die Vorteile emulierter Spitzenmodus-Wandler erhalten bleiben.
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich durch Bezugnahme auf die folgenden Beschreibungen und Ansprüche besser verstehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines bekannten emulierten Spitzenstrommodus-Schaltwandlers.
2a und 2b sind Darstellungen möglicher „ramp”-Signale für einen emulierten Spitzenstrommodus-Schaltwandler, wie den in 1 gezeigten.
3 ist eine schematische Darstellung/Blockdiagramm eines Schaltwandlers, der über eine Induktorstrom-Emulationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung verfügt.
4 ist eine schematische Darstellung/Blockdiagramm einer Induktorstrom-Emulationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische Darstellung/Blockdiagramm einer Induktorstrom-Emulationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie zusammen mit einem Abwärtswandler verwendet werden könnte.
6 ist eine schematische Darstellung/Blockdiagramm einer Induktorstrom-Emulationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie zusammen mit einem Aufwärtswandler verwendet werden könnte.
7 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der vorliegenden Induktorstrom-Emulationsschaltung veranschaulicht.
8 ist eine schematische Darstellung/Blockdiagramm einer Induktorstrom-Emulationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie mit einem 0-Cross-Zustand verwendet werden könnte.
9 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der vorliegenden Induktorstrom-Emulationsschaltung in Reaktion auf einen 0-Cross-Zustand veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
3 zeigt einen Schaltwandler mit Induktorstrom-Emulationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Induktorstrom-Emulationsschaltung 40 dient zur Verwendung zusammen mit einem Schaltwandler 42, der eine Versorgungsspannung VIN empfängt und so angeordnet ist, dass die High- und Low-Side-Schaltelemente 44, 46 (normalerweise FETs) über einen Schaltzyklus mit dazugehörigen „Ein”- und „Aus”-Phasen zur Erzeugung einer Ausgangsspannung VOUT mit einem Ausgangsinduktor 48 verbunden sind. Dabei umfasst die Regelung von VOUT einen Vergleich der Ausgangsleistung („comp”), die mit der Differenz zwischen VOUT und der Bezugsspannung Vref variiert, mit einem Rampensignal („ramp”), das den Strom im Ausgangsinduktor 48 des Wandlers emuliert. Wie bei der herkömmlichen emulierten Spitzenstrommodus-Architektur, die vorstehend besprochen wurde, wird VOUT vorzugsweise von einem Spannungsteiler geteilt, so dass eine Rückkopplungsspannung FB erzeugt wird. Ein Fehlerverstärker 50 empfängt FB und Vref an den entsprechenden Eingängen und erzeugt das „comp”-Ausgangssignal. Bei einem sachgerechten Betrieb wären die Kompensationskomponenten, die von 51 repräsentiert werden, normalerweise mit dem Fehlerverstärker 50 verbunden. Während des Betriebs werden die High-Side- und die Low-Side-Schaltelemente 44, 46 mit einem Signal pwm_d# angesteuert, das von einem SR-Latch 52 erzeugt wird. Dabei sinkt pwm_d# ab und schaltet das Schaltelement 44 jedes Mal, wenn das Latch mit einem Taktsignal set_clk_d aktiviert wird, ein. Die Signale „comp” und „ramp” werden von einem PWM-Komparator 54 verglichen. Dessen Ausgangssignal setzt das SR-Latch 52 wieder zurück.
Ein Blockdiagramm/eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der Induktorstrom-Emulationsschaltung 40 wird in 4 gezeigt. Die Schaltung verfügt über einen Strommesskreis zur Erzeugung des Ausgangssignals I_sns, das von dem Strom in dem Schaltelement, das während der „Aus”-Phase des Wandlers (Low-Side-FET bei einem Abwärtswandler, High-Side-FET bei einem Aufwärtswandler) aktiviert ist, abweicht. Der erfasste Strom I_sns wird in 4 mit einer Stromquelle 60 dargestellt.
Die Emulationsschaltung weist außerdem eine Schaltung zur Erzeugung des emulierten Stroms 62 zur Erzeugung des Rampensignals („ramp”) auf, das den Strom im Ausgangsinduktor des Wandlers sowohl während der „Aus”- als auch der „Ein”-Phase emuliert, und die das „ramp”-Signal als Reaktion auf ein Steuersignal variiert. Eine Vergleichsschaltung 64 ist so angeordnet, dass das „ramp”-Signal während der „Aus„-Phase mit mindestens einer Schwellenspannung, die von I_sns abweicht, verglichen wird, und einen Ausgang 66 umschaltet, wenn das „ramp„-Signal die Schwellenspannung über- bzw. unterschreitet. Eine Rückkopplungsschaltung 68 liefert der Schaltung zur Erzeugung des emulierten Stroms 62 das Steuersignal 70 und ist so angeordnet, dass das Steuersignal jedes Mal, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung umschaltet, geändert wird, bis das „ramp”-Signal nicht mehr mindestens eine Schwellenspannung über- bzw. unterschreitet. Dieser Aufbau dient der Verbesserung der Genauigkeit des „ramp”-Signals während der „Ein”-Phase.
Die vereinfachte schematische Darstellung der Schaltung zur Erzeugung des emulierten Stroms 62 in 4 weist eine erste Stromquelle 72 auf, die so angeordnet ist, dass ein positiver (Source-)Strom abgegeben wird, der vorzugsweise proportional zu VIN ist und mit dem Steuersignal 70 variiert, und eine zweite Stromquelle 74, die so angeordnet ist, dass ein negativer (Sink-)Strom abgegeben wird, der vorzugsweise proportional zu VOUT ist und mit dem Steuersignal 70 variiert.
Mindestens ein Schalter ist zwischen den Ausgang von mindestens einer Stromquelle 72 und 74 und einen Knoten 76 geschaltet. 4 zeigt zwei dieser Schalter 78, 80. Der Knoten 76 ist außerdem mit einem kapazitiven Widerstand 81 verbunden.
Die Schaltung zur Erzeugung des emulierten Stroms 62 ist so angeordnet, dass:

– Wenn der Wandler als Abwärtswandler konfiguriert ist, der Ausgang der zweiten Stromquelle 74 sowohl während der „Ein”- als auch der „Aus”-Phase mit Knoten 76 verbunden ist und der Schalter 78 den Ausgang der ersten Stromquelle 72 während der „Ein”-Phase mit Knoten 76 verbindet. Wenn der Schalter 78 geschlossen ist („Ein”-Phase), gibt die erste Stromquelle 72 einen Strom, der proportional zu VIN ist, ab und die zweite Stromquelle 74 senkt einen Strom, der proportional zu VOUT ist. Während der „Aus”-Phase ist der Schalter 78 geöffnet und ein Strom, der proportional zu VOUT ist, wird von der zweiten Stromquelle 74 gesenkt.
– Wenn der Wandler als Aufwärtswandler konfiguriert ist, der Ausgang der ersten Stromquelle 72 sowohl während der „Ein”- als auch der „Aus”-Phase mit Knoten 76 verbunden ist, und der Schalter 80 während der „Aus”-Phase den Ausgang der Stromquelle 74 mit Knoten 76 verbindet. Während der „Ein”-Phase ist der Schalter 80 geöffnet und die erste Stromquelle 72 gibt einen Strom ab, der proportional zu VIN ist. Während der „Aus”-Phase ist der Schalter 80 geschlossen, so dass die erste Stromquelle 72 einen Strom, der proportional zu VIN ist, abgibt und die zweite Stromquelle 74 einen Strom, der proportional zu VOUT ist, senkt.

Das am Knoten 76 anliegende Signal ist das „ramp”-Signal.
Wird der Schaltwandler ausschließlich als Abwärtswandler verwendet, muss nur der Ausgang der ersten Stromquelle 72 schaltbar mit Knoten 76 verbunden sein. Die zweite Stromquelle 74 kann mit Knoten 76 fest verdrahtet werden. Dieser Aufbau wird in 5 gezeigt. Wird der Schaltwandler ausschließlich als Aufwärtswandler verwendet, muss in ähnlicher Weise nur der Ausgang der zweiten Stromquelle 74 schaltbar mit Knoten 76 verbunden sein. Die erste Stromquelle 72 kann mit Knoten 76 fest verdrahtet werden. Dieser Aufbau wird in 6 gezeigt.
Die Schaltung zur Erzeugung des emulierten Stroms 62 kann auch eine dritte Stromquelle 82 aufweisen, die so angeordnet ist, dass sie einen Strom I_{slp_cmp} zum Ausgleich der Steigung abgibt, und einen Schalter 84, der zwischen den Ausgang der dritten Stromquelle und den Knoten 76 geschaltet ist, so dass die dritte Stromquelle während der „Ein”-Phase mit dem Knoten 76 verbunden ist.
Eine mögliche Ausführungsform der Vergleichsschaltung 64 wird in 4 gezeigt. In diesem Beispiel weist die Schaltung 64 eine Schwellenspannungserzeugungsschaltung 86 auf, die eine obere (88) und eine untere (90) Schwellenspannung, die je nach Ausgangssignal I_sns des Strommesskreises variieren, liefert. Schaltung 64 weist vorzugsweise 2 Komparatoren auf: Einen ersten Komparator 92, der das „ramp”-Signal und die hohe Schwellenspannung 88 an den jeweiligen Eingängen aufnimmt und ein Ausgangssignal 94 erzeugt, das umschaltet, wenn das „ramp”-Signal die obere Schwellenspannung 88 übersteigt, und einen zweiten Komparator 96, der das „ramp”-Signal und die niedrige Schwellenspannung 90 (Vsns) an den jeweiligen Eingängen aufnimmt und ein Ausgangssignal 98 erzeugt, das umschaltet, wenn das „ramp”-Signal unter die untere Schwellenspannung 90 fällt. Ein Schalter 100 wird von einem Signal dlyd_rst_d geschlossen, so dass das „ramp”-Signal während eines Abschnitts der „Aus”-Phase mit den Komparatoren verbunden wird – in diesem Beispiel mit der unteren Schwellenspannung 90 – so dass die emulierte Steigungsspannung („ramp”) und der tatsächlich gemessene Strom miteinander verglichen werden, wenn Schalter 100 geschlossen ist. Der Schaltzyklus weist eine Austastzeit während des Übergangs von der „Ein”- zur „Aus„-Phase auf. Das Signal dlyd_rst_d ist vorzugsweise ein One-Shot-Signal, das so zugeordnet ist, dass es den Schalter 100 am Ende der Austastzeit schließt und vor dem Ende der „Aus”-Phase öffnet.
Eine Logikschaltung, hier ein Exclusive-NOR-Gate 102 und ein AND-Gate 104, ist mit den Ausgängen 94, 98 der Komparatoren 92 und 96 verbunden und so angeordnet, dass ein Taktimpuls 106 erzeugt wird, wenn „ramp” über die obere Schwellenspannung 88 steigt bzw. unter die untere Schwellenspannung 90 sinkt [Ist die korrekt beschrieben? Wenn dlyd_rst_d geschlossen ist, ist 'ramp' mit der unteren Schwellenspannung an dem – Eingang des Komparators 96 verbunden. Wenn auf diese Weise verbunden, wird ein Taktimpuls für den Zähler erzeugt, wenn 'ramp' über die obere Schwellenspannung 88 ansteigt oder unter die untere Schwellenspannung 90 fällt?]
Die Schaltung zur Erzeugung des emulierten Stroms 62 ist vorzugsweise so angeordnet, dass das „ramp”-Signal auf Grundlage eines digitalen Worts variiert. Dies kann zum Beispiel durch Implementierung variabler Stromquellen 72 und 74 erreicht werden, so dass deren Ausgangsströme auf Grundlage eines digitalen Worts an den jeweiligen Digitaleingängen variiert werden. Die Rückkopplungsschaltung 68 wird vorzugsweise über einen Zähler implementiert, der das digitale Wort (70) ausgibt, geeigneterweise aber nicht notwendigerweise 4 Bit breit, wobei die Vergleichsschaltung 64 und der Zähler 68 so angeordnet sind, dass die Zählerausgabe jedes Mal variiert, wenn die Ausgabe der Vergleichsschaltung umschaltet, bis das „ramp”-Signal nicht mehr mindestens eine Schwellenspannung über- bzw. unterschreitet.
Der Betrieb der vorliegenden Induktorstrom-Emulationsschaltung wird im Zeitdiagramm in 7 veranschaulicht. Wenn das Taktsignal set_clk_d steigt, wird das SR-Latch 52 aktiviert, pwm_d steigt und pwm_d# sinkt, wodurch das High-Side-Schaltelement 44 eingeschaltet wird. Das „ramp”-Signal steigt während der „Ein”-Phase, wenn das High-Side-Schaltelement 44 eingeschaltet ist, linear.
Wenn die „Aus”-Phase beginnt, wird das Low-Side-Schaltelement 46 eingeschaltet. Die Ausgabe I_sns der Strommessschaltung ist proportional zum tatsächlichen Induktorstrom während der „Aus”-Phase, außer während der Austastzeitphase, die normalerweise dazu dient, Störungen, die direkt nach dem Übergang von „Ein” zu „Aus” bei I_sns (und somit V_sns) aufgrund der Verschlechterung der Genauigkeit der Emulation auftreten, zu vermeiden.
Die emulierte Steigung wird durch Kombination des kapazitiven Widerstands 81 und der variablen Stromquellen 72 und 74 erzeugt. Während der „Aus”-Phase verläuft die emulierte Steigung proportional zur Ausgangsspannung (-VOUT in Abwärtsreglern und VIN-VOUT in Aufwärtsreglern). Wenn die „Aus”-Phase beginnt und die Austastzeit vorüber ist, schließt das One-Shot-Signal dlyd_rst_d den Schalter 100 und die emulierte Steigungsspannung wird durch Kurzschließen an Vsns abgetastet. Dann, am Ende der „Aus”-Phase, werden die emulierte Steigungsspannung und Vsns von der Vergleichsschaltung 64 verglichen. Liegt die emulierte Spannung über der oberen Schwellenspannung 88 oder unter der unteren Schwellenspannung 90, wird ein Taktimpuls (vorzugsweise an set_clock_d ausgerichtet) am Ausgang 106 erzeugt, der bewirkt, dass der vom Zähler 68 erzeugte digitale Code 70 sich ändert. Dies führt dazu, dass die Ausgangssignale der Stromquellen 72 und 74 – und somit die emulierte Steigungsspannung – sich ändern bis das „ramp”-Signal nicht mehr über bzw. unter den Schwellenspannungen liegt, wodurch die Genauigkeit des „ramp”-Signals während der „Ein”-Phase verbessert wird.
Während der „Ein”-Phase verläuft die emulierte Steigung in Abwärtsreglern proportional zu VIN-VOUT bzw. zu VIN in Aufwärtsreglern. Der emulierte Anstieg während der „Ein”-Phase ändert sich im gleichen Verhältnis wie der während der „Aus”-Phase. Dabei muss aber beachtet werden, dass der Strom I_{slp_cmp} zum Ausgleich des Anstiegs erst während der „Ein”-Phase zugeführt wird, sofern dies zur Vermeidung subharmonischer Schwingungen erforderlich ist.
Während der „Aus”-Phase werden der emulierte Anstieg und der Anstieg des tatsächlich gemessenen Stroms nicht miteinander verglichen. Die Eigenschaften des Ausgangsinduktors und der internen Kapazität und des internen Widerstands werden gewisse Abweichungen aufweisen. Diese Abweichungen sind jedoch voneinander unabhängig. Es ist daher wichtig, die emulierte Steigung und die Steigung des tatsächlich gemessenen Stroms während der „Aus”-Phase zu vergleichen. Dann ist die emulierte Steigung in dieser Architektur ausreichend steil und es kann eine schnelle Systemreaktion erwartet werden.
Die vorliegende Emulationsschaltung kann so angeordnet sein, dass sie einen Wandler aufweist, in dem der Induktorstrom vor dem Ende der „Aus”-Phase auf 0 sinkt und bis zur nächsten „Ein”-Phase auf 0 bleibt. Dies wird als 0-Cross bezeichnet. Dies kann zum Beispiel sowohl für Abwärts- als auch für Aufwärtswandler bei leichten Lastbedingungen der Fall sein. Hier würde eine 0-Cross-Erfassungsschaltung (nicht abgebildet) eingesetzt, um zu erfassen, wenn der Induktorstrom vor Ende der „Aus”-Phase unter 0 fällt. Wird ein 0-Cross entdeckt, wird der Vergleichszeitpunkt vom Ende der „Aus”-Phase (wie vorstehend beschrieben) auf den Zeitpunkt nach der Erfassung eines 0-Cross (in 9 als „0-Cross-Zeit” bezeichnet) geändert. Während der 0-Cross-Zeit sind die emulierte Steigung und die Stromerfassungssteigung verkürzt, die Erfassungssteigung ist auf 0 gesetzt.
Der Betrieb der vorliegenden Emulation bei 0-Cross-Ereignissen wird in 8 und 9 veranschaulicht. Wird ein 0-Cross-Ereignis erfasst, sind die Stromquellenschalter 78 und 80 ausgeschaltet. Schalter 100 wird geschlossen, wenn das 0-Cross-Ereignis erfasst wird. Der Vergleich wird unmittelbar nach Erfassung des 0-Cross-Ereignisses über ein Zeitsignal 0-Cross_d an AND Gate 104 durchgeführt.
Die Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung sind beispielhaft und es lassen sich leicht zahlreiche Modifikationen, Abwandlungen und Neuanordnungen in Betracht ziehen, die im Wesentlichen zu gleichwertigen Ergebnisse führen. Diese gelten alle als unter den Geist und Umfang der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, fallend.

Claims

Induktorstrom-Emulationsschaltung zur Verwendung mit einem Schaltwandler, der dafür ausgebildet ist, High- und Low-Side-Schaltelemente, die mit einem Ausgangsinduktor verbunden sind, unter Verwendung eines Schaltzyklus mit dazugehöriger „Ein”-Phase und „Aus”-Phase zur Erzeugung einer Ausgangsspannung zu betreiben, wobei die Regulierung der Ausgangsspannung ein Vergleichen eines Ausgangssignals aufweist, das mit der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und einer Bezugsspannung variiert, mit einem „ramp”-Signal, das den Strom in dem Ausgangsinduktor des Wandlers emuliert, wobei die Emulationsschaltung Folgendes aufweist: einen Strommesskreis, der zur Erzeugung eines Ausgangssignals ausgebildet ist, das mit dem Strom im Schaltelement, das während der „Aus”-Phase eingeschaltet ist, variiert, wobei der Strommesskreis den Strom in dem Low-Side-Schaltelement erfasst, wenn der Schaltwandler als Abwärtswandler ausgebildet ist, und den Strom im High-Side-Schaltelement erfasst, wenn der Schaltwandler als Aufwärtswandler ausgebildet ist; eine Emulationsstromerzeugungsschaltung, die dafür ausgebildet ist, das „ramp”-Signal zu erzeugen, so dass sie den Strom im Ausgangsinduktor des Wandlers während der „Aus”- und „Ein”-Phasen emuliert und das „ramp”-Signal als Reaktion auf ein Steuersignal variiert; eine Vergleichsschaltung, die dafür ausgebildet ist, während eines Abschnitts der „Aus”-Phase” das „ramp”-Signal mit mindestens einer Schwellenspannung, die mit dem Ausgangssignal des Strommesskreises variiert, zu vergleichen, und einen Ausgang umzuschalten, wenn das „ramp”-Signal die mindestens eine Schwellenspannung überschreitet; und eine Rückkopplungsschaltung, die das Steuersignal an die Emulationsstromerzeugungsschaltung liefert und dafür ausgebildet ist, das Steuersignal jedes Mal zu variieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung umschaltet, bis das „ramp”-Signal die mindestens eine Schwellenspannung nicht mehr überschreitet.
Emulationsschaltung nach Anspruch 1, wobei das Steuersignal ein digitales Wort ist und die Emulationsstromerzeugungsschaltung dafür ausgebildet ist, das „ramp”-Signal basierend auf dem digitalen Wort zu variieren.
Emulationsschaltung nach Anspruch 2, wobei die Rückkopplungsschaltung einen Zähler aufweist, der das digitale Wort ausgibt.
Emulationsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Emulationsstromerzeugungsschaltung aufweist: eine erste Stromquelle, die dafür ausgebildet ist, einen positiven Strom auszugeben, der mit dem Steuersignal variiert; eine zweite Stromquelle, die dafür ausgebildet ist, einen negativen Strom auszugeben, der mit dem Steuersignal variiert; mindestens einen Schalter, der zwischen dem Ausgang von mindestens einer der Stromquellen und einem ersten Knoten angeschlossen ist; und eine Kapazität, die mit dem ersten Knoten verbunden ist; wobei die Emulationsstromerzeugungsschaltung dafür ausgebildet ist, dass: wenn der Wandler als Abwärtswandler konfiguriert ist, die zweite Stromquelle sowohl während der „Ein”- als auch der „Aus”-Phase mit dem ersten Knoten verbunden ist, und der mindestens eine Schalter während der „Ein”-Phase den Ausgang der ersten Stromquelle mit dem ersten Knoten verbindet; und wenn der Wandler als Aufwärtswandler konfiguriert ist, die erste Stromquelle sowohl während der „Ein”- als auch der „Aus”-Phase mit dem ersten Knoten verbunden ist, und der mindestens eine Schalter während der „Aus”-Phase den Ausgang der zweiten Stromquelle mit dem ersten Knoten verbindet, wobei das am ersten Knoten anliegende Signal das „ramp”-Signal ist.
Emulationsschaltung nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine Schalter einen ersten und zweiten Schalter aufweist, wobei der erste Schalter zwischen dem Ausgang der ersten Stromquelle und dem ersten Knoten angeschlossen ist und der zweite Schalter zwischen dem Ausgang der zweiten Stromquelle und dem ersten Knoten angeschlossen ist.
Emulationsschaltung nach Anspruch 4, wobei der Wandler eine Versorgungsspannung Vin empfängt und eine Ausgangsspannung Vout erzeugt, wobei die erste Stromquelle dafür ausgebildet ist, einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der proportional zu Vin ist und mit dem Steuersignal variiert, und die zweite Stromquelle dafür ausgebildet ist, dass sie einen Ausgangsstrom erzeugt, der proportional zu Vout ist und mit dem Steuersignal variiert.
Emulationsschaltung nach Anspruch 4, ferner umfassend: eine dritte Stromquelle, die dafür ausgebildet ist, einen Strom zum Ausgleich der Steigung zu erzeugen; und einen Schalter, der zwischen dem Ausgang der dritten Stromquelle und dem ersten Knoten angeschlossen ist, wobei die Emulationsstromerzeugungsschaltung derart angeordnet ist, dass die dritte Stromquelle während der „Ein”-Phase mit dem ersten Knoten verbunden ist.
Emulationsschaltung nach Anspruch 4, wobei die Vergleichsschaltung aufweist: eine Schwellenspannungserzeugungsschaltung, die dafür ausgebildet ist, die oberen und unteren Schwellenspannungen so bereitzustellen, dass sie mit dem Ausgangssignal des Strommesskreises variieren; einen ersten Komparator, der das „ramp”-Signal und die obere Schwellenspannung an den jeweiligen Eingängen empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, das umschaltet, wenn das „ramp”-Signal die obere Schwellenspannung überschreitet; einen zweiten Komparator, der das „ramp”-Signal und die untere Schwellenspannung an den jeweiligen Eingängen empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, das umschaltet, wenn das „ramp”-Signal die untere Schwellenspannung unterschreitet; einen Schalter, der dafür ausgebildet ist, das „ramp”-Signal während eines Abschnitts der „Aus”-Phase mit den Komparatoren zu verbinden; und eine Logikschaltung, die mit den Ausgängen der Komparatoren verbunden und dafür ausgebildet ist, einen Taktimpuls zu erzeugen, wenn das „ramp”-Signal die obere Schwellenspannung überschreitet oder die untere Schwellenspannung unterschreitet.
Emulationsschaltung nach Anspruch 8, wobei der Schaltzyklus eine Austastzeit aufweist, die während des Übergangs von der „Ein”- zur „Aus”-Phase auftritt, wobei der Schalter derart angeordnet ist, dass er die Verbindung zwischen „ramp”-Signal und den Komparatoren am Ende der Austastzeit schließt und vor dem Ende der „Aus”-Phase öffnet.
Emulationsschaltung nach Anspruch 8, ferner umfassend eine 0-Cross-Erfassungsschaltung, die erfasst, wenn der Strom im Ausgangsinduktor des Wandlers vor dem Ende der „Aus”-Phase auf 0 fällt.
Emulationsschaltung nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Schalter einen ersten Schalter aufweist, der zwischen dem Ausgang der ersten Stromquelle und einem ersten Knoten angeschlossen ist, und einen zweiten Schalter, der zwischen dem Ausgang der zweiten Stromquelle und dem ersten Knoten angeschlossen ist; wobei die Emulationsstromerzeugungsschaltung ferner dafür ausgebildet ist, dass: wenn die 0-Cross-Erfassungsschaltung erfasst, dass der Strom im Ausgangsinduktor des Wandlers vor dem Ende der „Aus”-Phase auf 0 fällt, der erste und der zweite Schalter geöffnet werden, so dass die erste und die zweite Stromquelle von dem ersten Knoten getrennt werden; wobei die Vergleichsschaltung ferner dafür ausgebildet ist, dass der Schalter, der zum Verbinden des „ramp”-Signals mit den Komparatoren während eines Abschnitts der „Aus”-Phase angeordnet ist, geschlossen ist, wenn ein 0-Cross-Ereignis festgestellt wird.
Induktorstrom-Emulationsschaltung zur Verwendung mit einem Schaltwandler, an dem eine Eingangsspannung Vin anliegt und der dafür ausgebildet ist, High- und Low-Side-Schaltelemente, die mit einem Ausgangsinduktor verbunden sind, unter Verwendung eines Schaltzyklus mit dazugehöriger „Ein”-Phase und „Aus”-Phase zur Erzeugung einer Ausgangsspannung Vout zu betreiben, wobei die Regelung der Ausgangsspannung ein Vergleichen eines Ausgangssignals aufweist, das mit der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und einer Bezugsspannung variiert, mit einem „ramp”-Signal, das den Strom in dem Ausgangsinduktor des Wandlers emuliert, wobei die Emulationsschaltung aufweist: einen Strommesskreis, der zur Erzeugung eines Ausgangssignals ausgebildet ist, das mit dem Strom im Schaltelement, das während der ”Aus” Phase eingeschaltet ist, variiert; eine Emulationsstromerzeugungsschaltung, die dafür ausgebildet ist, das „ramp”-Signal zu erzeugen, so dass sie den Strom im Ausgangsinduktor des Wandlers während der „Aus”- und „Ein”-Phasen emuliert, wobei die Emulationsstromerzeugungsschaltung aufweist: eine erste Stromquelle, die dafür ausgebildet ist, einen positiven Strom auszugeben, der proportional zu Vin ist und mit einem digitalen Steuersignal variiert; eine zweite Stromquelle, die dafür ausgebildet ist, einen negativen Strom auszugeben, der proportional zu Vout ist und mit dem digitalen Steuersignal variiert; einen ersten Schalter, der zwischen dem Ausgang der ersten Stromquelle und einem ersten Knoten angeschlossen ist; einen zweiten Schalter, der zwischen dem Ausgang der zweiten Stromquelle und dem ersten Knoten angeschlossen ist; eine Kapazität, die mit dem ersten Knoten verbunden ist; eine dritte Stromquelle, die dafür ausgebildet ist, einen Steigungskompensationsstrom auszugeben; und einen dritten Schalter, der zwischen dem Ausgang der dritten Stromquelle und dem ersten Knoten angeschlossen ist; wobei die Emulationsstromerzeugungsschaltung derart ausgebildet ist, dass: wenn der Wandler als Abwärtswandler konfiguriert ist, die zweite Stromquelle sowohl während der „Ein”- als auch der „Aus”-Phase mit dem ersten Knoten verbunden ist, und der Schalter während der „Ein”-Phase den Ausgang der ersten Stromquelle mit dem ersten Knoten verbindet; wenn der Wandler als Aufwärtswandler konfiguriert ist, die erste Stromquelle sowohl während der „Ein”- als auch der „Aus”-Phase mit dem ersten Knoten verbunden ist, und der zweite Schalter während der „Aus”-Phase den Ausgang der zweiten Stromquelle mit dem ersten Knoten verbindet, wobei das am ersten Knoten anliegende Signal das „ramp”-Signal ist; und die dritte Stromquelle während der „Ein”-Phase mit dem ersten Knoten verbunden ist; eine Vergleichsschaltung, die während eines Abschnitts der „Aus”-Phase” das „ramp”-Signal mit den oberen und unteren Schwellenspannungen, die mit dem Ausgangssignal des Strommesskreises variieren, vergleicht und einen Ausgang umschaltet, wenn das „ramp”-Signal die obere Schwellenspannung überschreitet oder die untere Schwellenspannung unterschreitet; und einen Zähler, der mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung gekoppelt ist und das digitale Steuersignal für die Emulationsstromerzeugungsschaltung liefert und der dafür ausgebildet ist, das digitale Steuersignal jedes Mal zu variieren, wenn die Vergleichsschaltung umschaltet, bis das „ramp”-Signal die obere Schwellenspannung oder die untere Schwellenspannung nicht mehr überschreitet, wobei der Strommesskreis den Strom in dem Low-Side-Schaltelement erfasst, wenn der Schaltwandler als Abwärtswandler ausgebildet ist, und den Strom im High-Side-Schaltelement erfasst, wenn der Schaltwandler als Aufwärtswandler ausgebildet ist.
Emulationsschaltung nach Anspruch 12, wobei der Schaltzyklus eine Austastzeit während des Übergangs von der „Ein”- zur „Aus”-Phase aufweist, wobei die Vergleichsschaltung dafür ausgebildet ist, das „ramp”-Signal während eines Zeitraums, der am Ende der Austastzeit beginnt und vor dem Ende der „Aus”-Phase endet, mit der oberen und der unteren Schwellenspannung zu vergleichen.